35CrMo 対 42CrMo – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

35CrMoと42CrMoは、強度、靭性、焼入れ性のバランスが求められる構造部品や機械部品に一般的に使用される、密接に関連したクロム–モリブデン合金鋼の2つです。エンジニアや調達チームは、シャフト、ギア、ファスナー、または中圧部品を指定する際に、これらの選択肢に直面することが多く、強度と耐摩耗性を延性、衝撃性能、製造性とトレードオフする決定を行います。

これらのグレードの主な違いは、名目上の炭素レベルと、結果として高温での強度と焼戻し抵抗に与える影響です。クロムとモリブデンは、焼入れ性と焼戻し抵抗を促進するために両方のグレードに存在するため、急冷および焼戻し中の挙動や、中程度の高温での適用に対する適合性が、これらの2つの合金が設計および製造で比較される一般的な理由です。

1. 規格と指定

• 一般的な規格と同等品：
• GB/T（中国）：35CrMo、42CrMo
• EN：EN 41xxシリーズ鋼（例：35CrMo ≈ 1.7035/34CrMo; 42CrMo ≈ 1.7225/42CrMo4）と比較されることが多いが、正確な同等品は仕様による
• AISI/SAE：おおよその同等品は35CrMo ≈ 4135、42CrMo ≈ 4140（注：直接の同等性は製品形状と仕様による）
• JIS：JIS G4105/G4106ファミリーに類似のグレードが存在する
• 分類：
• 両方とも低合金構造鋼（合金炭素鋼）であり、ステンレス鋼でもなく、現代的な意味でのHSLAでもない。鍛造品、バー、機械部品用の熱処理可能な合金鋼として使用される。

2. 化学組成と合金戦略

表：典型的な組成範囲（wt %）。これらは一般的な商業規格で見られる代表的な範囲であり、調達の際には常に特定の製鋼所証明書または規格を確認してください。

元素	35CrMo（典型的範囲）	42CrMo（典型的範囲）
C	0.30 – 0.38	0.38 – 0.45
Mn	0.50 – 0.80	0.60 – 1.00
Si	0.15 – 0.35	0.15 – 0.40
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	0.80 – 1.10	0.90 – 1.20
Ni	≤ 0.30（微量）	≤ 0.30（微量）
Mo	0.15 – 0.30	0.15 – 0.30
V	≤ 0.05（微量）	≤ 0.05（微量）
Nb, Ti, B	—（微量の微合金化が可能）	—（微量の微合金化が可能）
N	≤ 0.012	≤ 0.012

注意： - 主要な組成の違いは、42CrMoの炭素が高いことで、これにより焼入れ性、強度、耐摩耗性が向上しますが、適切に予熱および溶接後の熱処理が行われない場合、延性と溶接性が低下する傾向があります。 - CrとMoはここでの主要な合金元素です：クロムは焼入れ性、強度、耐腐食性をわずかに向上させ、モリブデンは焼入れ性と焼戻し抵抗を改善します（すなわち、焼戻し温度が高い場合でも強度を維持します）。 - 微量の微合金元素（V、Nb、Ti）は、炭素の大幅な増加なしに強度を向上させるために、いくつかの商業バリアントに存在する場合があります。

3. 微細構造と熱処理反応

微細構造： - アニーリングまたは正規化された状態では、両方の鋼は通常、フェライト+パーライトで構成されており、パーライトの割合は炭素の増加に伴って増加します。 - オーステナイト化温度から急冷した後、マルテンサイト（またはベイナイト+マルテンサイト）構造が発展し、保持されたオーステナイトの含有量は冷却速度と組成に依存します。

熱処理の効果： - 正規化：粒子サイズを細かくし、細かいフェライト–パーライト微細構造を生成します。35CrMoは通常、炭素が低いため、同じ冷却速度でわずかに細かく、より延性のある微細構造を得ます。 - 急冷＆焼戻し：両方とも良好に反応します。42CrMoは炭素が高いため、硬化後により高い硬度と引張強度に達します。また、過度の脆さを避けるために慎重な焼戻しが必要です。モリブデン含有量は、両方のグレードが高い焼戻し温度での軟化に抵抗するのに役立ちます（焼戻し抵抗が改善されます）。 - 熱機械処理：制御された圧延と加速冷却により、ベイナイトまたは細かいマルテンサイト微細構造が生成され、靭性が向上します。微合金化と仕上げ温度は、粒成長を制御するために重要です。 - 実用的な意味：特定の急冷および焼戻しのレジームに対して、42CrMoはより高い強度を達成しますが、特に高い焼戻しまたは運転温度が発生する場合には、靭性をバランスさせるために異なる焼戻しスケジュールが必要です。

4. 機械的特性

表：典型的な機械的特性の範囲。これらの範囲は製品形状と熱処理に強く依存し、示されている値はエンジニアリングプラクティスで使用される正規化および急冷＆焼戻し（Q&T）条件に対する代表的なものです。

特性	35CrMo（正規化）	35CrMo（Q&T）	42CrMo（正規化）	42CrMo（Q&T）
引張強度（MPa）	550 – 750	760 – 1000	600 – 800	900 – 1100
降伏強度（0.2% Rp0.2, MPa）	350 – 550	600 – 900	400 – 600	700 – 950
伸び（%）	16 – 22	10 – 16	14 – 20	8 – 14
衝撃靭性（シャルピーVノッチ、J）	30 – 80（規範）	20 – 60（Q&T、焼戻しに依存）	25 – 70（規範）	15 – 50（Q&T、焼戻しに依存）
硬度（HRC / HB）	20 – 26 HRC（Q&T範囲）	26 – 40 HRC	22 – 28 HRC	28 – 45 HRC

解釈： - 42CrMoは一般的に、炭素含有量が高いため、急冷および焼戻し後により高い引張強度と降伏強度を達成します。また、耐摩耗性のためにより高い硬度を得ます。 - 35CrMoは、同等の強度レベルに焼戻しされた場合、より高い延性とわずかに優れた衝撃性能を提供する傾向があり、靭性や疲労抵抗が優先される場合に好まれます。 - 実際の機械的特性は、熱処理パラメータ（オーステナイト化温度、急冷媒体、焼戻し温度/時間）および製品形状の影響を受けます。

5. 溶接性

溶接性は主に炭素当量と合金含有量によって影響されます。一般的に使用される2つの予測因子は、IIW炭素当量とより保守的な$P_{cm}$です：

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - 42CrMoは炭素含有量が高いため、同じCr–Moレベルの35CrMoよりも高い炭素当量を持ちます。これは、予熱および制御されたインターパス温度なしで溶接した場合に、硬く脆い熱影響部（HAZ）や冷間割れのリスクが高くなることを意味します。 - 両方のグレードには、焼入れ性を高めるCrとMoが含まれており、強度や重要な用途が関与する場合、溶接手順には通常、予熱、低水素消耗品、および溶接後の熱処理（PWHT）が必要です。 - 35CrMoはより容易に溶接でき、同等の部品性能を得るために42CrMoよりも攻撃的なPWHTが少なくて済むことが多いですが、適切な溶接技術は両方にとって重要です。

6. 腐食と表面保護

• 35CrMoも42CrMoもステンレス鋼ではなく、一般的な腐食抵抗のために連続的な不活性膜を形成するにはクロム含有量が不十分です。
• 典型的な保護戦略：
• バリアコーティング（塗装システム、粉体コーティング）
• 適切な場合の亜鉛メッキ（ホットディップ） — 亜鉛メッキは小さなセクションの熱処理や特性目標に影響を与える可能性があり、硬度/精度が重要な場合は亜鉛メッキ後の処理が必要です。
• 局所的な腐食が懸念される場合のクラッディングまたは腐食抵抗性オーバーレイの使用
• ステンレス合金のランク付けに対するPREN式は、これらの炭素合金鋼には適用できません。なぜなら、クロムとモリブデンのレベルが不活性性に依存するには低すぎるからです：

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• サービス環境が腐食性である場合は、腐食抵抗性のあるグレードまたは保護手段を使用してください。35CrMoも42CrMoも、腐食抵抗性のみで選択すべきではありません。

7. 製造、加工性、成形性

• 加工性：低炭素の35CrMoは、一般的に同等の正規化条件下で42CrMoよりも加工が容易です。急冷＆焼戻し後は、両方のグレードがより難しくなり、42CrMoは高い硬度レベルで工具の摩耗が増加します。
• 成形性：35CrMoは、アニーリングまたは正規化された状態で42CrMoよりも優れた冷間成形性と曲げ性能を示します。深絞りは両方の炭素含有量によって制限され、成形は通常、柔らかいアニーリング状態で行うべきです。
• 研削、表面仕上げ、および硬い旋削は、硬化された状態で両方に一般的です。42CrMoは硬い加工のためにより堅牢な工具が必要です。
• 熱処理の歪みと残留応力：両方とも、歪みを制御するためにセクションの厚さ、急冷媒体、および治具設計に注意が必要です。

8. 典型的な用途

表：代表的な使用例

35CrMo	42CrMo
靭性と疲労抵抗が重要なシャフト	より高い強度を必要とする高負荷シャフトとアクスル
中負荷アプリケーションのギア	高ストレスアプリケーションおよび動力伝達部品のギア
良好な靭性を必要とするボルトとファスナー	高強度ファスナーとスタッド
中程度のサービス用のコネクティングロッド、クランクシャフト	重負荷機械部品、油圧シリンダー、マンドレル
良好な延性を必要とする鍛造部品	Q&T後により高い硬度が必要な摩耗しやすい部品

選択の理由： - より高い静的強度、硬度、耐摩耗性が必要で、制御された熱処理および溶接手順が利用可能な場合は42CrMoを選択してください。 - 同等の焼戻しレベルでより良い延性、衝撃抵抗、または疲労性能が必要な場合、または製造の容易さが優先される場合は35CrMoを選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：価格は市場条件、製品形状（バー、鍛造、プレート）、および仕上げ状態によって異なります。一般的に、35CrMoと42CrMoの原材料コストの違いはわずかであり、主な合金添加物（Cr、Mo）が類似しているためです。42CrMoは、より高い炭素グレードの処理と、溶接に重要なアプリケーションに必要な厳しい管理のために、わずかに高価になる可能性があります。
• 入手可能性：両方のグレードは広く生産され、バー、鍛造品、丸鋼で入手可能です。42CrMo（4140同等品）は、非常に一般的なエンジニアリング合金であるため、グローバルなサプライチェーンで特に広く入手可能です。

10. まとめと推奨

表：簡単な比較

属性	35CrMo	42CrMo
溶接性	より良い（低CE）	より要求される（高CE）
強度–靭性のバランス	同等の強度でより良い靭性	より高い達成可能な強度と硬度
コスト（相対的）	わずかに低いか同等	加工/溶接管理でわずかに高い

推奨： - 靭性、延性、合理的な強度のバランスの取れた組み合わせが必要で、製造が容易で、溶接/PWHTの要件がそれほど厳しくない場合は35CrMoを選択してください。衝撃抵抗、疲労寿命、または延性の行動が優先される部品に適しています。 - 設計がより高い静的強度、より大きな焼入れ性、および急冷および焼戻し後の優れた耐摩耗性を必要とする場合は42CrMoを選択してください。これは、重負荷のシャフト、ギア、およびより高い機械的ストレスを受ける部品、または中程度の高温でのより高い焼戻し抵抗が必要な場合に適しています — 溶接および熱処理の管理が行われていることが前提です。

最終的な注意：35CrMoも42CrMoも、詳細な材料選定なしで持続的な高温サービス（クリープ）を意図していません。高温またはクリープが重要なアプリケーションの場合は、目的に設計されたCr–Mo–Vまたはステンレスのクリープ抵抗合金を検討し、意図されたサービス温度と時間に特有のクリープ/焼戻しデータを確認してください。常に製鋼所の証明書を確認し、重要な部品の熱処理適格性試験（引張、衝撃、硬度）を実施してください。