410対420 - 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
410と420は、硬度と耐摩耗性を靭性、溶接性、コストとバランスさせなければならないデザイナーによく比較される、広く使用されているマルテンサイト系ステンレス鋼です。調達マネージャー、製造プランナー、エンジニアは、成形と溶接が容易な低炭素マルテンサイト系グレードと、熱処理後に大幅に高い表面硬度と耐摩耗性を達成できる高炭素バリアントの選択に直面することが一般的です。
主な技術的な違いは、420が410よりも高い炭素（したがって、より高い硬化性と潜在的な硬度）を含んでいるのに対し、410はより良い靭性、延性、一般的な加工のために配合されていることです。その違いが、各グレードの熱処理、機械加工、保護、産業での適用方法に影響を与えます。
1. 規格と呼称
- 一般的な国際的な呼称と規格：
- ASTM/ASME: ASTM A276（バー）、AISI/UNS番号（410用のUNS S41000、420用のUNS S42000またはS42000バリアント）。
- EN: ENの同等物は通常XxCrNiまたはXxCr13などとして表現されますが、直接の1対1のマッピングは特定の組成限界によって異なります。
- JISおよびGB: 日本および中国の規格には、類似の化学組成を持つ対応するマルテンサイト系ステンレスグレードがありますが、限界は異なります。
- 分類：
- 410: マルテンサイト系ステンレス鋼（ステンレス炭素/低合金マルテンサイト）。
- 420: より高い炭素含有量を持つマルテンサイト系ステンレス鋼（しばしば「高炭素マルテンサイト系ステンレス」と呼ばれます）。
- 410も420も、正式な意味でHSLA、オーステナイト鋼、または工具鋼ではありませんが、420は工具鋼に近い耐摩耗性が求められる場所で一般的に使用されます。
2. 化学組成と合金戦略
表: 典型的な組成範囲（おおよそ; 材料を指定する際は関連する規格の実際の仕様限界を報告）
| 元素 | 410（典型的な範囲、wt%） | 420（典型的な範囲、wt%） |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.15 | 0.15–0.40 |
| Mn | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 11.5–13.5 | 12.0–14.0 |
| Ni | ≤ 0.75 | ≤ 0.5 |
| Mo | —（微量） | —（微量から小） |
| V, Nb, Ti, B, N | 通常は微量または指定されていない | 通常は微量または指定されていない |
注記： - これらの範囲は指標的であり、製品形状や規格によって異なります。調達仕様は、受け入れ限界のために適用される規格またはUNS番号を参照する必要があります。 - 合金戦略: 両グレードは、耐食性と焼入れ後のマルテンサイト形成のためにクロムに依存しています。420の高い炭素含有量は、硬化のために利用可能なマルテンサイトと炭化物の体積分率を増加させます; 410は、熱処理後の延性と靭性を保持するために炭素を低く保ちます。
3. 微細構造と熱処理応答
微細構造： - 焼入れ後、410と420の両方は、オーステナイト化温度から冷却されるとマルテンサイト（体心四方晶マルテンサイト）を形成します。炭化物の析出（主にクロム炭化物）は、高炭素の420でより顕著であり、マルテンサイトマトリックス内に硬く脆い炭化物相の割合が高くなる可能性があります。 - アニーリング状態では、通常、処理に応じてフェライト/パーライトまたは軟らかいマルテンサイトとして見られます。熱機械的履歴（冷間加工、以前のオーステナイト粒径）も最終的な特性に影響を与えます。
熱処理挙動： - 典型的な溶解アニーリング: オーステナイト化範囲（仕様や断面サイズに応じて約980–1050 °C）まで加熱し、その後マルテンサイトを形成するために急冷します。 - 焼戻し: 硬度/靭性のバランスを調整するために使用されます。低い焼戻し温度（約150–300 °C）は、より高い硬度を保持しますが、靭性は低下します; 高い焼戻し（約300–600 °C）は、硬度を低下させ、靭性を向上させます。 - 420は高いCのために硬化に対してより強く反応します — 焼入れと低温焼戻し後にはるかに高いロックウェル硬度に達することができます; 410は炭素が低いため、同じピーク硬度を達成できませんが、より良い延性と衝撃強度を保持します。 - 正常化または制御冷却は、最終的な焼戻しの前に粒径を精製し、機械加工性または靭性を最適化するために使用できます。
4. 機械的特性
表: 典型的な機械的特性範囲（熱処理依存; 値は指標的）
| 特性 | 410（アニーリング/熱処理範囲） | 420（アニーリング/熱処理範囲） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | ≈ 450–800（アニーリングから焼戻し） | ≈ 600–1200（硬化に応じて） |
| 降伏強度（MPa） | ≈ 200–600 | ≈ 400–1100 |
| 伸び（%） | ≈ 15–30（アニーリング） | ≈ 8–25（アニーリングから焼戻し） |
| 衝撃靭性（J、シャルピー） | 一般的に高い（より良い靭性） | 硬化時は低く、焼戻しによって変動 |
| 硬度（HRC） | ≈ 16–28（アニーリング/軟化）から約35–40（硬化/焼戻し） | ≈ 18–30（アニーリング）から約45–60+ HRC（硬化/焼戻し） |
解釈： - 420はその高い炭素により、実質的に高い硬度と引張強度に硬化できます; これにより、耐摩耗性部品や切削エッジに優れています。 - 410は、比較条件下でより良い靭性と伸びを提供し、一般的により延性があり、衝撃に強い選択肢です。 - 正確な特性は選択された熱処理サイクルと断面厚さに強く依存します; 設計値を引用するには、硬度または熱処理状態を指定する必要があります。
5. 溶接性
溶接性は、炭素含有量、他の硬化元素（Cr、Mo、V）、および拘束/熱入力によって制御されます。高い炭素は、熱影響部でのマルテンサイト形成と冷間割れのリスクを増加させます。
定性的評価のための有用な式： - 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - より包括的なPcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - 410は炭素が低いため、一般的に420よりも炭素当量が低く、したがってより良い溶接性（HAZ硬化と割れのリスクが低い）を持ちます。 - 420、特に高炭素バリアントは、特別な溶接手順を必要とすることが多いです: 予熱、制御されたインターパス温度、低水素溶接消耗品、およびHAZ割れを避けるための焼戻しまたは応力緩和。 - 過剰な硬度を避けるために、適合する消耗品の使用が重要です。溶接性が優先される場合は、低炭素限界を指定するか、マルテンサイト系ステンレス溶接用に設計されたフィラー金属を選択してください。
6. 腐食と表面保護
- 410と420は、クロム含有量（約12–14%）により中程度の耐腐食性を持つマルテンサイト系ステンレス鋼です。オーステナイト系グレード（304、316）ほど耐腐食性は高くなく、攻撃的な環境ではピッティング、隙間腐食、一般的な腐食に対して脆弱です。
- 腐食環境に対しては、表面保護戦略にはパッシベーション、塗装、メッキ、または亜鉛メッキ（基材の金属組成とサービスが許可する場合）が含まれます。亜鉛メッキは一般的に炭素鋼に適用され、ステンレスの表面の完全性が必要な場合には適切でない可能性があるため、コーティングの適合性を確認してください。
- PREN（ピッティング耐性等価数）は、主にMoとNを含むオーステナイト/フェライト系ステンレスに使用されます: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PRENは410/420には限られた関連性があります。なぜなら、これらの腐食性能はクロム含有量と微細構造的要因に支配され、両者とも通常は低いMoとNを持つからです。
- 実用的なガイダンス: 410または420は、軽度の腐食環境またはコーティング/メッキによる腐食制御が許容される場合にのみ選択してください。塩素が豊富な環境では、より高合金のステンレスを選択してください。
7. 加工性、機械加工性、成形性
- 機械加工性：
- アニーリング状態では、両グレードは合理的に機械加工が可能です。硬度が増すと機械加工性は急激に低下します。
- 硬化状態の420は工具に対して研磨性があり、機械加工が難しい場合があります; 工具材料と送り速度はそれに応じて選択する必要があります。
- 成形性と曲げ：
- アニーリングされた410は成形性が良く、スプリングバックに対する適切な余裕を持って冷間成形が可能です。
- 420（高炭素）は延性が低下し、アニーリング状態でない場合は成形時に割れやすくなります。
- 表面仕上げ：
- 両グレードはアニーリング状態で良好な仕上げを得ることができます; 硬化された420を鏡面仕上げにすることは、カトラリーや医療機器に一般的です。
- 加工計画における熱処理の考慮事項: 可能な限りアニーリング状態で成形と溶接を計画し、その後、必要な特性を達成するために最終的な硬化/焼戻しを別の操作として行います。
8. 典型的な用途
表: グレード別の典型的な用途
| 410 — 典型的な用途 | 420 — 典型的な用途 |
|---|---|
| ポンプシャフト、バルブ部品、ファスナー、中程度の耐腐食性と靭性が必要な構造部品 | カトラリーブレード、外科用器具（いくつかのタイプ）、ベアリング、摩耗プレート、小型ナイフ、鋭い刃が必要な剃刀刃 |
| 自動車トリム、蒸気およびガスタービン部品、石油化学の非重要部品 | 熱処理後に高い表面硬度が必要な部品: シアブレード、低ボリュームツール用の金型、高摩耗スライディング部品 |
| 簡単な熱処理と良好な溶接性を持つ一般的な機械部品 | 耐摩耗性と刃保持を強調する用途; 熱処理後に硬化および研削されることが多い |
選択の理由： - 加工、溶接、衝撃抵抗、コストが主な懸念事項であり、軽度の耐腐食性が必要な場合は410を選択してください。 - 高い表面硬度、耐摩耗性、刃保持が必要で、熱処理後の加工が可能な場合は420を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：
- 410は一般的に420よりも安価で、低炭素であり、多くの製品形状での処理が簡単です。
- 420は、高炭素、精密硬化、仕上げの良い形状（例: カトラリーグレード）で供給される場合、プレミアムがかかります。
- 入手可能性：
- 両グレードはバー、プレート、鍛造製品形状として広く入手可能ですが、特定のテンパー（予硬化、細かく研削されたカトラリーバー）は、420の特定の炭素レベルに対してより制限される場合があります。
- リードタイムは、表面仕上げと硬度状態によって異なる場合があります — 硬化され、研削された420部品は、しばしば長いリードタイムと高い加工コストがかかります。
10. まとめと推奨
表: 簡単な比較（定性的）
| 特性 | 410 | 420 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（より良い） | 普通から悪い（予熱/溶接後の熱処理が必要） |
| 強度–靭性バランス | より良い靭性、中程度の強度 | より高い達成可能な硬度/強度、硬化時の靭性は低い |
| 耐摩耗性 / 刃保持 | 中程度 | 高い（硬化時） |
| コスト | 低い | 高い（特に高炭素、硬化形状の場合） |
結論と推奨： - 溶接と加工が容易で、軽度の環境に対して合理的な耐腐食性を提供し、靭性と低コストを優先するバランスの取れたマルテンサイト系ステンレス鋼が必要な場合は410を選択してください。典型的な使用例: シャフト、ファスナー、バルブ、およびルーチン加工と溶接後のサービスが必要な部品。 - 高い表面硬度、優れた耐摩耗性、または鋭いエッジ（切削工具、刃物、摩耗面）が必要で、より制限された溶接および加工手順と専用の熱処理ルートを受け入れられる場合は420を選択してください。焼戻し後の硬度と刃保持が設計基準を支配する場合、420がより良い選択です。
最終的な注意: 必ず必要な熱処理状態、最大硬度、および購入文書に適用される規格を指定してください。サービス中の機械的および腐食性能は、名目上のグレードだけでなく、主に熱処理と表面状態によって支配されます。