40Cr対40CrNiMoA – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

40Crおよび40CrNiMoAは、荷重を支えるための部品や焼入れ・焼戻しされた部品に使用される一般的な中炭素合金鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらの選択時に単位コスト、溶接性、加工性、機械的性能のトレードオフを考慮することがよくあります。典型的な意思決定の文脈には、より高い通過硬化性と破壊靭性が追加合金のプレミアムを正当化するか、またはよりシンプルで低コストのグレードが設計要件を満たすかどうかが含まれます。

これらのグレードの主な技術的な違いは合金戦略にあります：40Crは、熱処理後に良好な強度と合理的な硬化性を持つように設計されたクロムを含む中炭素合金であり、40CrNiMoAはニッケルとモリブデン（および時には微細合金制御）を追加して、硬化性を大幅に向上させ、靭性を改善します。そのため、設計者は、コア特性と断面厚さ全体の硬度の均一性が重要な大きなシャフト、重いギア、重要なファスナーの比較を頻繁に行います。

1. 規格と指定

• GB/T（中国）：40Cr、40CrNiMoA（一般的に使用される中国の指定）。
• EN：40Crの最も近い同等物はおおよそ5140/41xxファミリー；40CrNiMoAはより高合金の43xx/41xxシリーズに近似します（ENには正確な1対1はない；サプライヤーデータを確認してください）。
• ASTM/ASME：直接的な同一名はない；AISI/SAE 5140（40Cr用）およびAISI/SAE 4340/4140バリアント（ニッケルおよびモリブデンのレベルに応じて40CrNiMoA用）に相当します。
• JIS：類似のファミリーが存在します（例：SCMシリーズ）が、変換表を確認してください。

分類： - 40Cr：中炭素合金鋼（熱処理可能）。 - 40CrNiMoA：ニッケルとモリブデンを含む中炭素合金鋼（硬化性と靭性を改善するための高い合金含有量）。 - どちらのグレードもステンレスではなく、焼入れと焼戻しに適した合金鋼と見なされます（現代的な意味でのHSLAではありません）。

2. 化学組成と合金戦略

元素	典型的な40Cr（wt%）	典型的な40CrNiMoA（wt%）
C	0.37–0.44	0.36–0.44
Mn	0.50–0.80	0.60–0.90
Si	0.17–0.37	0.17–0.37
P	≤0.035	≤0.035
S	≤0.035	≤0.035
Cr	0.90–1.20	0.80–1.10
Ni	—（微量）	1.40–2.00
Mo	—（または微量）	0.15–0.30
V	—（微量）	少量存在する可能性があります
Nb / Ti / B / N	通常はなしまたは微量	通常はなしまたは微量

注： - 示された値は、標準/仕様シートで一般的に引用される代表的な範囲です。正確な化学組成は、購入ロットのミル証明書から確認する必要があります。 - 合金戦略：40Crは、硬化性と焼戻しマルテンサイト強度を発展させるために主に炭素とクロムに依存します。40CrNiMoAは意図的にニッケルとモリブデンを追加します；ニッケルは引張強度と靭性を改善し、モリブデンは硬化性と焼戻しに対する抵抗を高めます（焼戻し温度が高いときの軟化を減少させます）。

合金の影響： - 強度：炭素とクロムが基本的な強度を提供します；ニッケルとモリブデンは、過度な硬度勾配なしに焼入れと焼戻し後に達成可能な強度を高めます。 - 硬化性：モリブデンとニッケルは硬化性を大幅に向上させ、厚い断面でのマルテンサイトへの均一な変態を可能にします。 - 靭性：ニッケルは強力な靭性向上剤です；ニッケルとモリブデンの組み合わせは、前オーステナイト微細構造を精練し、脆い挙動の傾向を減少させます。 - 腐食：どちらもステンレスではなく、クロムレベルは受動膜形成には不十分です。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造は熱処理に依存します：

• アニーリング：両グレードはフェライト+パーライトの微細構造を示します；40CrNiMoAは合金添加によりより細かい炭化物分布を示す可能性がありますが、延性と加工性は保たれます。
• 正規化：アニーリングよりも細かいパーライト/フェライト構造；機械的特性と加工性が向上します。
• 焼入れおよび焼戻し（Q&T）：両グレードは一般的に焼入れされたマルテンサイトに硬化されます。40Crは通常、中程度の断面で良好な表面および近表面硬度を達成します。40CrNiMoAは、より高い硬化性を持ち、大きな断面でより均一なマルテンサイトコアを生成し、同等のコア硬度に達するために通常は低い焼入れの厳しさを必要とします。
• 熱機械処理：鍛造品や圧延シャフトの場合、制御された冷却と変形が粒子サイズに影響を与えます；40CrNiMoAは、合金添加が前オーステナイトを安定させ、焼戻し後の靭性を改善するため、制御された冷却からより多くの利益を得ます。

実際の結果：通過硬化が必要な厚い鍛造品や大きなシャフトの場合、40CrNiMoAは断面全体で均一な焼戻しマルテンサイトをより信頼性高く提供し、疲労性能を損なう可能性のある軟らかいコアや混合微細構造を減少させます。

4. 機械的特性

特性（典型的、熱処理に依存）	40Cr（典型的範囲）	40CrNiMoA（典型的範囲）
引張強度（MPa） — アニーリング	500–700	500–700
引張強度（MPa） — 正規化	600–850	650–900
引張強度（MPa） — Q&T（中硬）	800–1000	900–1200
降伏強度（0.2%オフセット、MPa） — Q&T	600–900	700–1000
伸び（%） — Q&T	10–18	8–15（同じ硬度でしばしば低い）
衝撃靭性（シャルピーV、J） — Q&T（変動あり）	中程度（例：20–60 J）	一般的に同等の硬度で高い
硬度（HRC） — Q&T	28–55（焼戻しに依存）	30–60（断面全体でより均一）

注意事項： - 値は指標的な範囲であり、最終的な特性は正確な化学組成、オーステナイト化温度、焼入れ媒体、焼戻し温度、および断面サイズに依存します。 - 40CrNiMoAは通常、より高い達成可能な強度を提供し、特に厚い断面ではより良い硬化性により高い靭性を提供します。同じ硬度であれば、40CrNiMoAはしばしば優れた破壊靭性を示しますが、ニッケルが微細構造レベルで延性を改善するためです。ただし、両グレードが異なる熱処理を通じて同じ引張強度に達した場合、伸びは低くなる可能性があります。

5. 溶接性

溶接性の評価は、炭素含有量、炭素当量、微細合金を考慮する必要があります。一般的に使用される予測式は2つあります：

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

およびより包括的なパラメータ：

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

解釈（定性的）： - 40Cr：中程度の炭素と控えめな合金添加が中程度の炭素当量を与えます；厚い断面では水素誘発冷却亀裂を避けるために、予熱と制御された冷却がしばしば推奨されます。重要な部品には、溶接後の熱処理（PWHT）が必要な場合があります。 - 40CrNiMoA：ニッケルとモリブデンの追加により、計算された炭素当量と硬化性が上昇します。これにより、熱影響部（HAZ）でのマルテンサイト形成のリスクが高まり、溶接が適切に制御されていない場合に冷却亀裂の可能性があります。典型的な緩和策には、予熱の増加、低水素消耗品、インターパス温度制御、およびPWHTが含まれます。

結論：40Crは一般的に40CrNiMoAよりも溶接が容易ですが、どちらも低炭素構造鋼ほど溶接性が高くありません。特に安全上重要な部品については、両方の溶接手順の資格を取得することが推奨されます。

6. 腐食と表面保護

• 40Crと40CrNiMoAの両方は非ステンレス合金鋼であり、クロム含有量だけでは腐食に対する耐性のある受動膜を形成しません。PREN（ピッティング耐性等価数）はこれらの非ステンレスグレードには適用されませんが、参考のために：

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

• 典型的な保護戦略：塗装、粉体塗装、溶剤洗浄、一時的保護のための油塗り、長期的な大気腐食保護のための亜鉛メッキ。熱亜鉛メッキは熱処理と潜在的な歪みに注意が必要です；一部の焼入れ・焼戻しされた部品は、最終加工後にのみ亜鉛メッキされ、コーティング後の応力緩和が必要な場合があります。
• 攻撃的な媒体（塩化物、海水）が存在する環境では、どちらのグレードも保護システムなしでは適切ではありません；代わりに腐食抵抗合金を選択してください。

7. 製造、加工性、成形性

• 加工性：40Cr（低合金含有量）は、アニーリングまたは正規化状態で一般的に加工が容易です。ニッケルとモリブデンを含む40CrNiMoAは、より堅牢で加工硬化しやすく、加工性と工具寿命が低下します；より高い切削力とより頑丈な工具が典型的です。
• 成形性/曲げ：両方とも中炭素鋼であり、アニーリング状態では限界内で冷間成形が可能です。Q&T材料の場合、成形は避けるべきであり、最終熱処理前に形状生産のために鍛造が推奨されます。
• 研削および仕上げ：両方とも高い表面仕上げに研削できます；40CrNiMoAは研削ホイールでの摩耗が高くなる可能性があります。
• 熱処理歪み：40CrNiMoAの高い硬化性は、所定のターゲット硬度に対して低い焼入れの厳しさを可能にし、特定の形状での焼入れ歪みを減少させることができます。

8. 典型的な用途

40Cr（典型的な用途）	40CrNiMoA（典型的な用途）
シャフト、小〜中型ギア、トランスミッション部品、中程度の断面のスタッド、アクスル	大きな鍛造シャフト、重いギアとピニオン、クランクシャフト、着陸装置リンク、重機用の高強度ボルトとスタッド
コストと加工性が重要な自動車部品	航空宇宙/防衛または重工業部品で、通過硬化と衝撃抵抗が重要な場合
一般的なエンジニアリング鍛造品と機械部品	均一な特性が必要な重要な回転部品と大断面鍛造品

選択の理由： - 従来の焼入れで必要なコア硬度が得られる小さな断面の場合は40Crを選択してください。また、コストと広い入手可能性が優先される場合にも選択してください。 - 断面が厚く、サービスが高い破壊靭性と一貫したコア特性を必要とする場合、または設計の安全係数が脆い破壊に対して高いマージンを要求する場合は40CrNiMoAを選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：40Crは、合金化が簡単で生産量が広いため、通常40CrNiMoAよりも低コストです。
• 入手可能性：40Crはバー、鍛造品、ビレットで広く在庫されています。40CrNiMoAはあまり一般的に在庫されておらず、特定の鍛造品やバーサイズのために注文生産されることが多いです；リードタイムや最小注文数量が高くなる可能性があります。
• 製品形態：両方ともバー、鍛造品、熱処理された部品として入手可能です；サプライヤーネットワークが地域の入手可能性を決定します。リードタイムや価格の驚きを避けるために、ミル証明書と納品条件を指定してください。

10. 概要と推奨

基準	40Cr	40CrNiMoA
溶接性	良好（中程度のCE）	より難しい（高いCE/硬化性）
強度–靭性バランス	中程度の断面に良好	大きな断面と高い靭性ニーズに優れた
コスト	低い	高い

次の条件に該当する場合は40Crを選択してください： - あなたの部品が中程度の断面サイズであり、通過硬化の懸念なしに必要な硬度に熱処理できる場合。 - コスト、加工の容易さ、広い入手可能性が重要な場合。 - 溶接が頻繁に行われ、低い予熱/PWHT要件が望ましい場合。

次の条件に該当する場合は40CrNiMoAを選択してください： - 部品が大きな断面または均一なコア硬度、高い破壊靭性、焼戻しに対する抵抗を必要とする重要な回転部品である場合。 - 設計が脆い破壊に対して高い安全マージンを要求し、より高い材料コスト、厳格な溶接管理、長いリードタイムを受け入れることができる場合。 - サービス条件が衝撃荷重、大きな断面、または疲労性能が改善されたコア微細構造から利益を得る場合。

最終的な注意：常にサプライヤーのミル試験証明書を確認して、化学組成と熱処理記録を確認してください。断面全体の溶接や硬度について疑問がある場合は、小規模な試験を実施するか、事前に資格を取得した手順（PQR/WPS）を要求し、調達の一部として必要なシャルピーエネルギーレベル、硬度制限、非破壊検査を指定することを検討してください。