35CrMo 対 42CrMo – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
35CrMoと42CrMoは、構造、電力伝達、エンジニアリング部品に使用される一般的なクロムモリブデン低合金鋼の2つです。エンジニアや調達チームは、強度、靭性、溶接性、コスト、製造性のバランスを取る際に、2つの選択肢の間で選択のジレンマに直面することがよくあります。典型的な意思決定の文脈には、強度と硬化性が重要な重負荷シャフトやギアのグレードを選択することと、溶接されたサブアセンブリや高い衝撃抵抗を必要とする部品の材料を指定することが含まれます。
一目で、主な技術的な違いは合金バランスと炭素含有量にあります：番号が高いグレードは、焼入れと焼戻し後により高い硬化性と強度をもたらす高い名目炭素および合金含有量を持つ傾向がありますが、低炭素バリアントは、改善された靭性と製造の容易さのために一部のピーク強度を犠牲にします。両方のグレードは類似の製品クラスで広く使用されているため、設計者は熱処理、溶接要件、およびライフサイクルコストを最適化するために比較します。
1. 規格と指定
- GB/T（中国）：両方のグレードは、GB/T焼入れ焼戻し鋼規格（例：GB/T 3077/GB/T 1220ファミリー参照）に基づいて一般的に指定されます。
- EN（ヨーロッパ）：42CrMoは一般的にEN 42CrMo4（EN 1.7225）に関連付けられています；35CrMoの同等品も存在しますが、ENではあまり普遍的に標準化されておらず、国内の指定に対してマッピングされることが多いです—購入注文で参照される特定の規格を確認してください。
- AISI/SAE：42CrMoは多くの産業文脈で41xxファミリー（特にAISI 4140）と同等と見なされます；35CrMoは低炭素の41xxバリアントにおおよそ類似していますが、置き換え前に仕様シートを確認してください。
- JIS：日本のJISグレードはCr–Mo鋼に対して類似のファミリーを持っています（例：SCMシリーズ）；クロスリファレンスが必要です。
- 分類：両方は低合金焼入れ焼戻し鋼です（ステンレス鋼ではなく、工具鋼でもなく、現代的な意味でのHSLAでもありません）。合金化と熱処理が、プレーンカーボン鋼よりも高い強度と靭性を提供する場所で使用されます。
2. 化学組成と合金戦略
典型的な組成範囲は標準と供給者によって異なります；以下の表は一般的に参照されるおおよその範囲を示しています。調達には常に購入者の材料証明書または参照された標準を使用してください。
| 元素 | 典型的範囲 — 35CrMo（おおよそ） | 典型的範囲 — 42CrMo（おおよそ） |
|---|---|---|
| C | 0.32–0.40 wt% | 0.38–0.45 wt% |
| Mn | 0.50–0.80 wt% | 0.50–0.80 wt% |
| Si | 0.17–0.37 wt% | 0.17–0.37 wt% |
| P | ≤0.035 wt%（最大） | ≤0.035 wt%（最大） |
| S | ≤0.035 wt%（最大） | ≤0.035 wt%（最大） |
| Cr | ~0.6–1.0 wt% | ~0.9–1.2 wt% |
| Mo | ~0.15–0.25 wt% | ~0.15–0.25 wt% |
| Ni | 通常≤0.30 wt%（しばしば添加されない） | 通常≤0.30 wt%（しばしば添加されない） |
| V, Nb, Ti, B, N | 微量または存在しない；マイクロ合金化バージョンに依存 | 微量または存在しない；マイクロ合金化バージョンに依存 |
注意： - 値は一般的な業界慣行で使用されるおおよその範囲です；正確な限界は適用される標準またはミル証明書から来ます。 - 42CrMoは通常、名目炭素が高く、わずかに高いクロム含有量を持ち、硬化性と高い焼戻し強度の可能性を高めます。両方のグレードのモリブデン含有量は、硬化性と焼戻し抵抗を高めることを目的としています；Moの割合の小さな違いは、断面サイズの硬化と焼戻し抵抗に影響を与える可能性があります。
合金化の効果： - 炭素は主に硬化性と最終強度を制御しますが、増加すると溶接性と延性を低下させます。 - クロムとモリブデンは、温度での硬化性と強度を高め、耐摩耗性を改善し、焼戻し抵抗を助けます。 - マンガンとシリコンは脱酸剤として機能し、硬化性と強度にわずかに寄与します。 - マイクロ合金化元素（V, Nb, Ti）は、粒径を細かくし、靭性を改善するために低ppmで存在する場合があります；これらはここで議論されているグレードの違いには主要ではありません。
3. 微細構造と熱処理応答
- 典型的な微細構造：
- 焼鈍または正規化された状態では、両方のグレードはフェライト-パーライトまたは細かいパーライト構造を示します。焼入れ後、両方はマルテンサイト（または冷却速度と断面サイズに応じてマルテンサイト + ベイナイト）を形成します。焼戻しは、炭化物を含む焼戻しマルテンサイトを生成します。
- 熱処理挙動：
- 42CrMoは、炭素が高く、わずかに高いCrを持ち、しばしば同様のMoを持つため、より高い硬化性を示します：同じ焼入れの厳しさの下で、35CrMoと比較して、より厚い断面を通じてマルテンサイトを形成しやすくなります。
- 35CrMoは、低炭素の基準により、比較可能な焼戻し温度でわずかに細かく、靭性のある焼戻し微細構造を生成します；その低い硬化性は、大きな溶接熱影響部で未焼戻しマルテンサイトが形成されるリスクを低下させますが、非常に厚い断面で達成可能な強度を制限する可能性があります。
- 加工ルート：
- 正規化は、鍛造ビレットの均一性を改善し、下流の焼入れのための均一な開始微細構造を生成します。
- 焼入れと焼戻しは、高強度と良好な靭性を得るための一般的なルートです；焼戻し温度は強度-靭性のバランスを制御します。
- 熱機械加工は、両方のグレードの粒径をさらに細かくし、靭性を改善することができます；その効果は、低炭素グレードでより顕著であることが多いです。
4. 機械的特性
機械的特性は、熱処理、断面サイズ、および焼戻し目標に大きく依存します。以下の表は、絶対的な認証数値ではなく、相対的な性能と典型的な挙動を要約しています；調達には、ミル試験報告書と指定された熱処理条件に依存してください。
| 特性 | 35CrMo（典型的な挙動） | 42CrMo（典型的な挙動） |
|---|---|---|
| 引張強度 | Q&T後は中程度から高い；同等の焼戻しで一般的に42CrMoより低い | 高いC/硬化性による引張強度の向上 |
| 降伏強度 | 中程度；適切に焼戻しされた場合、良好な降伏/引張比 | 同様の熱処理状態での高い降伏強度 |
| 伸び（延性） | 比較可能な強度レベルでわずかに良好な延性と伸び | 同じ引張レベルでわずかに低下した伸び |
| 衝撃靭性 | 一般的に、低炭素含有量と細かい焼戻し微細構造のため、与えられた強度に対して良好な靭性 | 適切に焼戻しされた場合でも良好な靭性を持ちますが、同じ引張レベルで35CrMoより低くなる傾向があります |
| 硬度（HRCまたはHV） | 同じ焼入れ/焼戻しスケジュールで達成可能な硬度は低い；延性のある焼戻し硬度を達成しやすい | より高い硬度が達成可能；焼入れの厳しさと断面サイズに対してより敏感 |
解釈： - 同じ目標硬度または引張強度の場合、42CrMoは通常、溶接のためにより慎重な予熱とPWHTを必要とし、適切な処理なしでは残留応力が高く、脆い微細構造のリスクが高くなる可能性があります。 - 35CrMoは、溶接された構造物において強度と靭性の間でより寛容な妥協を提供し、特に深い硬化が必要ない場合においてはそうです。
5. 溶接性
溶接性は主に炭素含有量、硬化性を高める合金化、および不純物レベルに依存します。一般的な指標は、予熱とインターパス制御を予測するのに役立ちます：
-
炭素等価（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
国際Pcm式： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - より高い$CE_{IIW}$または$P_{cm}$は、溶接熱影響部で硬く脆いマルテンサイトを形成する傾向が高く、予熱、制御されたインターパス温度、または溶接後熱処理（PWHT）が必要です。 - 42CrMoは通常、炭素が高く、わずかに高いCrを持つため、計算された炭素等価は通常35CrMoより高く、より厳格な溶接制御が必要です。 - 35CrMoは、同様の断面サイズに対して予熱/PWHTの要求が低いため、溶接が容易ですが、重要なアプリケーションには溶接手順の資格が依然として必要です。
6. 腐食と表面保護
- これらは非ステンレス合金鋼です；腐食抵抗はステンレスグレードに比べて限られています。
- 一般的な保護：
- 許容される場合、雰囲気腐食抵抗のための熱浸漬亜鉛メッキ。
- 環境保護のための変換コーティング（例：リン酸塩処理）および塗料または粉体コーティング。
- 機械加工された表面の一時的な保護のための油またはワックス。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）はステンレス鋼の指標であり、Cr–Moカーボン鋼には適用されません。参考のために、PREN式は： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ですが、35CrMoも42CrMoもステンレス鋼ではないため、ここでは関連性がありません。
- 活発な腐食保護が必要なサービス環境（海洋、化学）では、保護コーティングまたは腐食抵抗合金を検討してください。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性：
- 両方のグレードは、焼鈍または正規化された状態で良好に加工されます；炭素が増加し、事前に硬化すると加工性が低下します。
- 硬化/焼戻し状態の42CrMoは、焼鈍された35CrMoよりも加工が難しくなります。
- 成形性と曲げ：
- 成形は焼鈍状態で最も良く行われます。低炭素の35CrMoは、亀裂なしで冷間成形するのがわずかに容易です。
- 熱処理による歪み：
- 42CrMoは、焼入れ後の高い硬化性と内部応力のため、複雑な形状での焼入れ歪みと亀裂のリスクが高くなります。
- 表面仕上げ：
- 両方は、正しく熱処理された場合、典型的な仕上げ操作（研削、ホーニング、ショットピーニング）を良好に受け入れます；疲労部品のためには残留応力管理に注意が必要です。
8. 典型的な用途
| 35CrMo — 典型的な使用例 | 42CrMo — 典型的な使用例 |
|---|---|
| 中程度の負荷シャフト、ピニオン、構造鍛造部品、良好な靭性と合理的な強度を必要とする溶接アセンブリ | 高負荷シャフト、クランクシャフト、重負荷ギア、油圧シリンダー、高ストレスアクスルおよび高硬化性を必要とする機械部品 |
| ある程度の溶接性が必要なボルト、スタッド、およびファスナー | 高いねじれまたは曲げ応力を受ける部品および深い断面硬化が必要な部品 |
| 頻繁に溶接または修理操作が行われる機械部品 | Q&T後に高い断面特性が必要な大きな焼入れ部品 |
選択の理由： - 溶接性、靭性、および溶接構造における疲労抵抗が優先され、極端なピーク強度が必要でない場合は、低炭素オプション（35CrMo）を選択してください。 - 最大強度、耐摩耗性、および厚い断面を通じて硬化する能力が重要な設計要因である場合は、42CrMoを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 入手可能性：両方のグレードは、主要な製鋼所からバー、鍛造品、プレート、およびシームレスチューブで広く入手可能です。42CrMo（AISI 4140ファミリー）は、世界中で一般的に在庫されている合金鋼の1つです。
- 相対コスト：42CrMoは、炭素/合金含有量が高く、高強度アプリケーションの需要が高いため、35CrMoよりわずかに高価になる可能性があります。実際の価格差は市場条件、形状、および熱処理状態に依存します。
- リードタイム：特別な熱処理、カスタム化学組成、または認証（例：NDT、PMI、特定のミルテスト）は、いずれのグレードのリードタイムを延長します。
10. 要約と推奨
| 基準 | 35CrMo | 42CrMo |
|---|---|---|
| 溶接性 | より良い（より寛容） | より要求が厳しい（より高い予熱/PWHTの可能性） |
| 強度-靭性バランス | 中程度の強度で良好な靭性 | より高いピーク強度と硬度；同じ強度で比較した場合の靭性は低い |
| コスト | 一般的に低いか同等 | 多くの市場でわずかに高い |
推奨： - 良好な靭性と容易な製造/溶接を持つバランスの取れた材料が必要な場合、または中程度の強度レベルでより良い延性と疲労抵抗が必要な部品には35CrMoを選択してください。 - 最大の焼入れ・焼戻し強度、耐摩耗性、および重負荷シャフト、ギア、または高い焼戻し強度を達成し保持することが重要な大きな断面に対しては42CrMoを選択してください。
最終的な注意：常に完全な購入条件（化学標準、熱処理要件、硬度/引張目標、および溶接/PWHT要件）を指定し、ミル試験証明書を要求してください。供給者間の違いや選択された熱処理ルートは、これらの2つの一般的なCr–Mo合金鋼間の小さな名目組成の違いよりも、部品性能に対して通常はより大きな実際的な影響を持ちます。