40Cr 対 45Cr – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
40Crおよび45Crは、シャフト、ギア、アクスル、その他の機械部品に使用される一般的に指定される焼入れ焼戻し合金/炭素鋼の2つです。エンジニアや調達専門家は、より高い合金含有量（焼入れ性および焼戻し抵抗のため）とより高い炭素含有量（焼入れ硬度および強度のため）とのトレードオフを頻繁に考慮します。典型的な意思決定の文脈には、部品が全体焼入れされる必要があるか表面焼入れされる必要があるか、溶接性または靭性が優先されるか、許容される材料および加工コストが含まれます。
これらのグレードの主な実用的な違いは、40Crが焼入れ性および焼戻し挙動を改善するために意図的にクロムを配合しているのに対し、45Crは熱処理後の強度を高めるためにより高い炭素（および時にはわずかに異なるCrレベル）を強調していることです。そのため、強度、靭性、焼入れ性がすべて設計のドライバーである場合によく比較されます。
1. 規格および指定
- 一般的な国家/業界規格および同等物（参考情報、正確な制限は契約/仕様を確認）：
- GB/T（中国）：40Cr（合金構造鋼）、45Cr（いくつかのカタログにおける高炭素クロム鋼） — 多くの供給者がGBグレードを参照します。
- AISI/SAE：40Cr ≈ AISI 5140ファミリー；45Cr ≈ AISI 5145ファミリー（同等物は供給者によって異なります）。
- EN（ヨーロッパ）：正確な直接数値同等物はなし—最も近いのは41Cr4/42CrMoバリアントなどの中程度の合金鋼；化学的制限はEN仕様を確認してください。
- JIS：日本の規格には類似のファミリー鋼が存在します；正確な指定を確認してください。
- 分類：両グレードは合金化された炭素鋼（ステンレスではない）です。熱処理に適した構造/合金鋼として使用されます；単純な炭素鋼でもHSLAでもありません。
2. 化学組成および合金戦略
- 表：典型的な名目組成範囲（重量％で表現；実際の仕様制限は規格および製鋼所によって異なります）。契約遵守のために常に製鋼所証明書を確認してください。
| 元素 | 典型的な40Cr（名目） | 典型的な45Cr（名目） |
|---|---|---|
| C | 0.37–0.44 | 0.42–0.50 |
| Mn | 0.50–0.80 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.17–0.37 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.80–1.10 | 0.20–0.80（供給者によって異なる） |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | ≤0.08 | ≤0.08 |
| V, Nb, Ti, B, N | 通常は不純物として微量または制御される | 通常は不純物として微量または制御される |
注意： - 表は代表的な範囲を示しています：40Crは通常、焼入れ性および焼戻し抵抗を高めるために約0.8–1.1%のCrを含みます。「45Cr」配合は異なる場合があります—一部の供給者は45Crを高炭素クロム鋼（C ≈ 0.45%）に近い位置付けをしていますが、40Crよりも低いクロムを持っています；他の供給者は45Crを45#（0.45%C）鋼のクロム含有バージョンとして扱います。購入するバッチの正確な化学証明書を常に確認してください。 - 合金化が挙動に与える影響：Cを増加させると、達成可能な硬度と強度が上昇しますが、溶接性と延性が低下します。クロムは焼入れ性を高め、厚い部分での硬化の深さを改善し、焼戻し抵抗と耐摩耗性能を向上させます。
3. 微細構造および熱処理応答
- 典型的な微細構造：
- 熱間圧延または正規化後：フェライト + パーライト微細構造；40CrはCrの影響でより細かいパーライトとより多くの残留炭化物分散を示す場合があります。
- 焼入れ後：マルテンサイト（非常に高いCでの残留オーステナイトを含む）；45Cr（高C）は、同じ硬度レベルに焼入れされると、より硬く、より脆いマルテンサイトを形成します。
-
焼戻し後：焼戻しマルテンサイト；Crを含む鋼（40Cr）は一般的に焼戻し抵抗を発展させ、高い焼戻し温度で強度を保持し、好ましい靭性–強度バランスを提供します。
-
熱処理経路：
- 正規化：粒子を細かくし、バンディングを除去します；いずれのグレードにも一般的に使用される中間ステップです。
- 焼入れおよび焼戻し（Q&T）：主要な硬化経路。40CrはCrのために同じ焼入れの厳しさでより深い硬化を達成します；45Crは主に高炭素のために薄い部分でより高いコア硬度に達します。
- 熱機械処理：制御された圧延と加速冷却は、微細構造をさらに精製し、強度/靭性を改善できます；両方に利益が適用されますが、合金含有量が達成可能な焼入れ性を決定します。
4. 機械的特性
- 以下は典型的な特性の方向性です（実際の値は熱処理、断面サイズ、試験規格によって異なります）。調達の決定には製鋼所試験報告書を使用してください。
| 特性（典型的な状態） | 40Cr（正規化 / Q&T） | 45Cr（正規化 / Q&T） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | 中程度から高い；Q&Tによって広範囲 | 同じ焼入れの厳しさで達成可能な最大値がわずかに高い（Cによる） |
| 降伏強度（MPa） | 中程度；良好な焼戻し安定性 | 一般的に高いCのため、同等の硬度での降伏強度が高い |
| 伸び（%） | 正規化/適切に焼戻しされた場合、良好な延性 | 同じ強度での伸びがわずかに低い（高Cのため） |
| 衝撃靭性（J、シャルピー） | 通常、硬度が同じ場合、靭性が良好（Crが焼戻し特性を改善するため） | 同じ硬度レベルでの靭性が40Crより低い、適切に焼戻しされない限り |
| 硬度（HRCまたはHB） | 良好な焼入れ性；Q&Tで高硬度を達成可能 | より高い焼入れ硬度の可能性（高C）だが、より脆い可能性がある |
説明： - 強度：45Crの高い炭素は、同じ熱処理での高い強度/硬度を可能にします；ただし、40Crのクロムの存在は、より大きな断面での焼入れ性を向上させ、焼戻し後の靭性を改善します。 - 靭性：合金化（Cr）は、焼戻し中の脆化速度を低下させるため、高い強度で靭性を維持するのに役立ちます。 - 延性：高炭素は通常、延性を低下させるため、伸びや疲労抵抗が必要な用途では、特定の強度レベルで40Crが好ましい場合があります。
5. 溶接性
- 主要な要因：炭素含有量および炭素等価物が、予熱/後熱および消耗品の選択を決定します。硬度および冷却亀裂のリスクは、高Cおよび高焼入れ性合金で増加します。
- 溶接性を評価するために使用される一般的な炭素等価式：
- IIW炭素等価： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- 国際Pcm： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- 解釈：
- 45Cr（高C）は通常、CEおよびPcmが高く、より大きな予熱およびインターパス温度の要件を示し、水素誘発冷却亀裂に対する感受性が高くなります。
- 40Crの追加されたクロムはCEをやや増加させます（CrがCE式の分子に現れるため）が、その焼入れ性の効果により、厚い部分では慎重な溶接手順の管理が必要です。実際には、両グレードとも、厚さおよび最終サービス条件に応じて、適切な予熱、制御されたインターパス温度、低水素消耗品、および溶接後熱処理（PWHT）が必要です。
6. 腐食および表面保護
- これらの鋼はステンレスではなく、腐食抵抗は限られています。保護オプション：
- 一般的な腐食保護のための塗装、粉体コーティング、油塗布、または熱浸漬亜鉛メッキ。
- 厳しい環境での運用が予想される部品には、窒化、炭化（摩耗面用）、またはメッキなどの表面処理を検討してください。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は非ステンレス構造合金鋼には適用されませんが、例の式は： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 実用的なポイント：40Cr/45Crの小さなCr含有量は、腐食抵抗を持たせるものではありません；ここでのクロムは冶金的な目的であり、腐食の目的ではありません。
7. 加工、切削性、および成形性
- 切削性：
- 高炭素含有量（45Cr）は、熱処理後の硬度が高いため、一般的に切削性を低下させます；アニーリング状態では切削性は許容されますが、低炭素鋼よりも劣ります。
- やや低いCおよび高いCrを持つ40Crは同様に振る舞います；切削グレードはしばしば柔らかい（アニーリングされた）状態および適切な工具を必要とします。
- 成形性および曲げ：
- アニーリング/正規化状態では、両グレードとも成形可能です；高炭素は延性を低下させるため、柔らかい状態での成形作業を計画してください。
- 仕上げ：
- 表面仕上げおよび研磨：両グレードとも研磨およびポリッシュ可能です；クロムは工具の研磨摩耗に影響を与える可能性があります。
- 熱処理歪み：両方とも焼入れ中に歪みを経験します；40Crの高い焼入れ性は、適切に焼入れされた場合、厚い部分での歪みを低下させることができます。
8. 典型的な用途
| 40Cr（一般的な用途） | 45Cr（一般的な用途） |
|---|---|
| 厚い部分での全体焼入れが必要なシャフト、ギア、カムシャフト、重荷用アクスル | より高い局所強度または硬度が必要で、断面が中程度のシャフト、ピン、ボルト、クランクシャフト、ギア |
| 良好な焼戻し抵抗が必要なキー付き部品および重負荷ファスナー | 焼入れ後により高い表面またはコア硬度を設計された部品 |
| 良好な耐摩耗性と靭性バランスが必要な工作機械部品 | 適切な熱処理で十分なコスト効率の高い高炭素鋼の鍛造品および部品 |
選択の理由： - 厚い部分でのより良い焼入れ性、改善された焼戻し安定性、およびより良い強度–靭性バランスが必要な場合は40Crを選択してください。 - 中程度の断面サイズでのより高い炭素含有量（より高い達成可能な硬度および強度）が優先され、延性/溶接性のトレードオフが管理される場合は45Crを選択してください。
9. コストおよび入手可能性
- 相対コスト：材料コストは製鋼所および市場によって異なりますが：
- 40Crは通常、合金化（Cr）および関連する加工のため、同等の単純炭素鋼よりもやや高価です。
- 45Crの高炭素含有量は、クロムレベルによっては40Crと同じかわずかに低いコストになる可能性があります；一般的なバー/鍛造サイズでのいずれのグレードの入手可能性は主要な製鋼所から良好です。
- 製品形状：両方とも丸棒、鍛造品、および冷間仕上げ棒として広く入手可能です。リードタイムおよび価格の変動は、クロム供給および世界の鋼市場の状況に依存します。
10. 概要および推奨
| 基準 | 40Cr | 45Cr |
|---|---|---|
| 溶接性（定性的） | Cが制御されている場合、中程度のCEでより良い；それでも溶接の注意が必要 | 低い（高C） — より大きな予熱/PWHTが必要な可能性が高い |
| 強度–靭性バランス | 良好；厚さに対してより良い焼戻し抵抗 | 同等の硬度でのより高い焼入れ硬度/強度だが、靭性は低い |
| コスト（相対的） | 中程度（合金コストプレミアム） | Cr含有量に応じて同等またはわずかに低い |
推奨： - 大きな断面での良好な全体焼入れ、改善された焼戻し抵抗、および重負荷部品のためのより良い靭性–強度バランスが必要な場合は40Crを選択してください。 - 中程度の断面での最大の強度/硬度が設計に求められ、溶接性および延性のトレードオフを受け入れることができる場合（または適切な熱処理および加工で軽減できる場合）は45Crを選択してください。
最終的な注意：正確な化学的および機械的制限は規格および供給者によって異なります。調達および設計のためには、常に規格（製鋼所証明書が必要）、必要な熱処理経路、および関連する機械的/特性受入基準を指定してください。