40Cr 対 42CrMo – 成分、熱処理、特性、および用途
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イントロダクション
40Crと42CrMoは、強度、靭性、コストのバランスが求められる工学用途で広く使用されている中炭素鋼の2つです。エンジニアや調達チームは、シャフト、ギア、鍛造品、そして高負荷の機械部品の選択において、一般的にこれらの鋼材のいずれかを選びます。選択の決定は、達成可能な強度と靭性（および断面サイズの硬化性）と材料コスト、さらには下流の加工（溶接、熱処理、機械加工）とのバランスを取ることが一般的です。
主な冶金的な違いは、42CrMoが意図的な合金添加物としてモリブデンを含むのに対し、40Crは主に意図的なモリブデンを含まないクロム含有中炭素鋼であることです。この違いは、42CrMoの硬化性と焼入れ抵抗を高め、焼入れと焼戻しのための断面厚さの制限、同等の強度レベルでの靭性、そして溶接/熱処理の要件に影響を与えます。したがって、これらの2つのグレードは、設計がより良い通し硬化や高い疲労/靭性性能を必要とする場合に、より高価な合金鋼に移行することなく比較されることがよくあります。
1. 規格と呼称
- GB/T（中国）：40Cr、42CrMo（一般的な国家呼称）。
- EN（ヨーロッパ）：42CrMo4は42CrMoの一般的なEN相当品（しばしば1.7225として指定される）；40CrはENでおおよその相当品があり、ENシステムでは中炭素クロム鋼と類似と見なされることがあります。
- AISI/SAE（アメリカ）：おおよその相当品 — 40Cr ≈ SAE 5140；42CrMo ≈ SAE 4140（業界で一般的に使用される略称）。
- JIS（日本）：42CrMoは一般的にSCM440と比較される；40Crは類似のSCr/SCM中炭素クロム鋼にマッピングされる。
分類：
- 40Cr — 中炭素クロム鋼（合金炭素鋼）。
- 42CrMo — 中炭素クロムモリブデン鋼（高い硬化性を持つ低合金鋼）。
（注：国家規格間の同等性はおおよそであり、調達および検査のために仕様の化学的および機械的限界を常に確認してください。）
2. 化学組成と合金戦略
一般的に供給される商業グレードの典型的な組成範囲（重量％）。値は工業仕様からの代表的な典型範囲です；正確な組成については特定の製鋼所の証明書を確認してください。
| 元素 | 40Cr（典型範囲） | 42CrMo（典型範囲） |
|---|---|---|
| C | 0.37–0.44 | 0.38–0.45 |
| Mn | 0.50–0.80 | 0.60–0.90 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.10–0.40 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.80–1.10 | 0.90–1.30 |
| Ni | —（微量） | —（微量） |
| Mo | —（微量） | 0.15–0.30 |
| V, Nb, Ti, B, N | 標準グレードでは通常意図的ではない；残留物または微合金化されたバリアントとしてのみ存在 | 標準グレードでは通常意図的ではない；残留物または微合金化されたバリアントとしてのみ存在 |
合金が特性に与える影響： - 炭素（C）：主な強化元素；Cが高いほど達成可能な硬度と強度が増すが、溶接性と延性が低下する。 - クロム（Cr）：硬化性、強度、耐摩耗性、焼戻し抵抗を改善する。 - マンガン（Mn）とシリコン（Si）：脱酸剤および強化剤；Mnは硬化性も高める。 - モリブデン（Mo）：硬化性と焼戻し抵抗を大幅に高め、高温強度と靭性を改善し、焼入れ感受性を低下させる。42CrMoにおけるMoの添加は、40Crと比較してより深く硬化し、焼戻し後に靭性を保持する傾向がある主な理由です。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - 熱間圧延または正規化された状態では、両方の鋼はフェライト+パーライトの微細構造を示します；前のオーステナイト粒子サイズと冷却速度がパーライトの間隔と強度を決定します。 - 焼入れ（オーステナイト化から）と焼戻しの後、両方の鋼は通常、焼戻しマルテンサイトを形成します；焼戻し温度と時間が最終的な硬度、強度、靭性を決定します。
熱処理挙動： - 正規化：粒子サイズを精製し、均一なフェライト/パーライトを生成します；鍛造または機械加工の前に有益です。 - 焼入れ＆焼戻し（Q＆T）：両方のグレードは良好に応答します；42CrMoはより高い硬化性を達成し、同じ冷却の厳しさで40Crと比較して厚い断面が完全にマルテンサイト化されることができます。 - 熱機械処理：両方は熱鍛造され、その後正規化/焼入れ＆焼戻しを行って所望の特性を得ることができます。42CrMoにおけるMoの存在は、焼戻し軟化に対する抵抗を高め、高温焼戻し時の靭性を改善します。
実際の結果：大きな断面や高いコア強度/靭性を必要とする部品に対して、42CrMoはより一貫した通し硬化を提供し、特別な焼入れや合金化が使用されない限り、40Crで発生する可能性のある軟らかいコアを回避します。
4. 機械的特性
機械的特性は、熱処理、断面サイズ、焼戻しに強く依存します。以下の値は、工学実践で一般的に使用される焼入れおよび焼戻し条件の典型的な範囲です — これらを代表的な例として扱ってください。
| 特性（Q＆T典型） | 40Cr（代表的範囲） | 42CrMo（代表的範囲） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | 700–1000 | 900–1150 |
| 降伏強度（MPa） | 500–800 | 700–1000 |
| 伸び（%L0） | 10–18 | 10–15 |
| 衝撃靭性（シャルピーV, J） | 20–60（焼戻し＆断面による） | 30–80（一般的に同等の硬度で靭性が高い） |
| 硬度（HRCまたはHB） | HRC ~20–50（HB ~180–520 状態による） | HRC ~22–55（HB ~200–560 状態による） |
解釈： - 42CrMoは、同じ熱処理パラメータでQ＆T後に通常、より高い引張強度と降伏強度を達成し、Moが硬化性と焼戻し抵抗を改善するため、同等の硬度でより良い靭性を維持します。 - 40Crは薄い断面で同等の硬度に焼戻しできますが、大きな断面では通し硬化が減少し、コア靭性が低下する可能性があります。 - 延性（伸び）は同様の焼戻しレベルで比較可能ですが、与えられた名目上の強度に対して、42CrMoはしばしばより靭性のある組み合わせを可能にします。
5. 溶接性
溶接性は炭素含有量、等価炭素、および硬化性によって決まります。経験則を使用して、予熱および溶接後の熱処理の必要性を評価します。
一般的な溶接性の公式（定性的使用）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈： - 両方のグレードは中炭素であり、適度な合金化がされているため、いずれも制御なしでは高い溶接性を持ちません。42CrMoにおけるMoの存在は、40Crに対して$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の指数を上昇させ、硬く脆いマルテンサイトHAZへの感受性が高まり、溶接制御が適用されない場合の水素誘発冷却亀裂のリスクが高まります。 - 実用的な溶接ガイダンス：冷却速度を減少させるために予熱を行い、熱入力を制御し、低水素消耗品を使用し、厚い部分や機械的特性の保持が重要な場合は溶接後の熱処理（PWHT、応力緩和または焼戻し）を行います。42CrMoは、より高い硬化性のため、同等の厚さに対して40Crよりもより注意深い予熱/PWHTの実践が必要です。
6. 腐食と表面保護
- 40Crも42CrMoもステンレスではなく、両方とも攻撃的な環境で一般的および局所的な腐食に対して感受性があります。標準的な保護戦略が適用されます：塗装、油塗り、メッキ、亜鉛メッキ（適切な場合）、または変換コーティング。
- 高い腐食抵抗またはピッティング抵抗が必要な環境では、ステンレスファミリーを検討する必要があります — PREN（ピッティング抵抗等価数）は40Cr/42CrMoには適用されません。ステンレス合金の例のPREN公式： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 42CrMoの表面処理を指定する際には、モリブデンがコーティングの接着性や変換コーティングの挙動に影響を与える可能性があることを考慮してください；メッキや塗装の前に表面の清掃と前処理が重要です。
7. 製造、加工性、成形性
- 加工性：焼鈍または正規化された状態では、両方のグレードは合理的に加工できます。40Crは、わずかに低い硬化性と低い焼戻し抵抗のため、やや加工しやすいことがよくあります。42CrMoは高強度（Q＆T）条件下では硬くて靭性が高く、工具の摩耗が増加し、加工がより困難になります。
- 成形性と冷間成形：受け取った状態（焼鈍/正規化）では、両方とも成形および曲げることができますが、高炭素および合金含有量は低炭素鋼と比較して深絞りや厳しい冷間成形を制限します。厚い部分を曲げるために予熱が推奨されることがあります。
- 研削および仕上げ：硬化した場合、両方とも高品質の研削技術が必要です；42CrMoは、靭性と硬度が高いため、より攻撃的な研磨剤が必要になることがあります。
8. 典型的な用途
| 40Cr — 典型的な用途 | 42CrMo — 典型的な用途 |
|---|---|
| 自動車のシャフト、ボルト、ギア（中程度の断面）、カップリング、クランクシャフト（適切な場合）、一般的な鍛造品 | 高強度シャフト、重いギア、油圧部品、高負荷ファスナー、大断面鍛造品、油田機器、重機部品 |
| コスト管理が重要で、断面サイズが中程度の機械部品 | より深い通し硬化、高い疲労強度、同等の硬度でのより良い靭性が必要な部品 |
選択の理由： - コストに敏感な部品には、断面が中程度でQ＆Tおよび表面処理が性能目標を満たす場合に40Crを選択してください。 - 部品が大きな断面を持ち、高いコア強度や疲労寿命を必要とする場合、または高強度での優れた靭性が重要な場合には42CrMoを選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：42CrMoは、モリブデンの添加と一貫したMo化学の処理のため、通常40Crよりも高価です。コストの差は、Moおよび製鋼の市場価格によって異なります。
- 入手可能性：両方のグレードは、主要な製鋼所やディストリビューターからバー、プレート、鍛造品、冷間引き抜き形状で広く入手可能です。42CrMoは、EN呼称（42CrMo4）でヨーロッパでより一般的に指定されることがありますが、40CrはGB/AISI呼称を使用する地域で一般的です。
- リードタイム：標準在庫サイズでは比較可能；特別な化学バリアントや厳しい化学的許容範囲はリードタイムを増加させる可能性があります。
10. まとめと推奨
まとめ表（定性的）：
| 属性 | 40Cr | 42CrMo |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（ただしCレベルの制御が必要） | より要求される（高い予熱/PWHTリスク） |
| 強度–靭性バランス | 中程度の断面に対して良好 | 高強度での通し硬化と靭性に優れる |
| コスト | 低い | 高い |
結論： - 40Crを選択する場合： - 中程度の断面部品に対してコスト効果の高い中炭素クロム鋼が必要です。 - コンポーネントの断面が小から中程度で、完全な通し硬化が必要ない場合。 - 溶接、機械加工、熱処理の予算が限られており、控えめな硬化性を受け入れることができる場合。
- 42CrMoを選択する場合：
- コンポーネントが深い硬化（大断面）や、与えられた強度に対して高い疲労/靭性を必要とする場合。
- 通し硬化、より良い焼戻し抵抗、および高強度靭性の改善が設計の優先事項である場合。
- 必要に応じて、より厳格な溶接手順、予熱、およびPWHTを適用する準備があり、より高い材料コストを受け入れることができる場合。
最終的な実用的な注意：常に必要な熱処理条件、機械的特性の目標、および受け入れに必要なNDTまたは硬度マッピングを指定してください。重要な回転部品や疲労に敏感な部品について疑問がある場合は、断面サイズの試験を行うか、提案された焼入れ媒体の深さに対する硬度データについて製鋼所に相談してください；溶接の場合は、炭素等価を計算し、予熱およびPWHTの推奨を含む資格のある溶接手順に従ってください。