410対420 – 組成、熱処理、特性、および用途

はじめに

エンジニアや調達専門家は、コスト、成形性、強度、適度な耐腐食性のバランスを取る必要がある部品のためにマルテンサイト系ステンレス鋼を指定する際、AISI 410とAISI 420の間で頻繁に選択を行います。典型的な決定の文脈には、摩耗抵抗、硬化性、溶接性、仕上げコストのトレードオフが重要なバルブ部品、シャフト、ファスナー、またはカトラリーのグレードを選択することが含まれます。

主な技術的な違いは、420が410に比べて炭素含有量が高く、硬化後に420が達成可能な硬度と摩耗抵抗が大幅に向上する一方で、410は多くの使用条件において比較的優れた延性と靭性を保持することです。両者は類似のクロムレベルを持つマルテンサイト系ステンレスグレードであるため、優れた耐腐食性を持つオーステナイト系グレードではなく、マルテンサイト反応（硬化 + 焼戻し）を必要とする用途でしばしば比較されます。

1. 規格と呼称

• 一般的な規格と呼称：
• AISI/SAE/UNS: 410 (UNS S41000)、420 (UNS S42000)
• ASTM/ASME: バー、プレート、鍛造品のためのAISI呼称から派生した一般的に参照される材料
• EN: X12Cr13 (410に相当); 420のバリアントは、炭素に応じてX20Cr13ファミリーのメンバーまたは他のマルテンサイトコードとして現れます
• JIS/GB: 日本および中国の規格において比較可能なマルテンサイト系ステンレスの同等物が存在します（例：SUS410ファミリー）が、ローカル規格では異なる番号が使用されます
• 分類: 410と420はどちらもマルテンサイト系ステンレス鋼です（ステンレス、空気硬化性、熱処理可能）。これらは工具鋼やHSLA鋼ではなく、適度な耐腐食性と高い硬度能力を目的としたステンレス、熱処理合金です。

2. 化学組成と合金戦略

両グレードの合金戦略は、耐腐食性のためのクロムと、硬化性および強度のための炭素に中心を置いています。420は410に対して炭素を増加させ、延性と溶接性のコストを犠牲にして、より高い硬化反応と摩耗抵抗を可能にします。

元素	典型的な範囲 / 注記 — 410	典型的な範囲 / 注記 — 420
C (炭素)	低–中程度（420よりも低炭素; 延性と硬化性のバランスを取るように設計されています）	高炭素（硬化性と硬化後の硬度を増加させるために意図的に高められています）
Mn (マンガン)	少量の添加（脱酸、限られた固溶体強化）	同様の少量の添加
Si (シリコン)	脱酸のための少量; 軽微な強化	同様
P (リン)	制御された低レベル（不純物管理）	制御された低レベル
S (硫黄)	制御された低（存在する場合、一部のグレードで加工性を改善します）	制御された低（加工可能なバリアントに存在する場合があります）
Cr (クロム)	約12%（基本的なステンレス/酸化抵抗とマルテンサイト系ステンレス特性を提供します）	約12–14%（410と同様のクロムレベル）
Ni (ニッケル)	通常は低またはなし（構造をマルテンサイトに保ちます）	通常は低またはなし
Mo, V, Nb, Ti, B, N	通常は欠如または微量; 一部の商業バリアントには小さな合金添加が含まれる場合があります	通常は欠如または微量; 特殊な420バリアント（例：420HC）は、加工性/硬度のためにC/S/Pが調整されている場合があります

注: 正確な割合は標準および製品形状（バー、ストリップ、シート、鍛造品）によって異なります。主要な合金レバーは、耐腐食性のためのクロムと、硬化性および急冷焼戻し後の最大硬度のための炭素です。

合金が特性に与える影響： - クロムは、これらのマルテンサイト系グレードにおいて中程度の濃度（約11–14%）でステンレス特性を与える受動酸化膜を形成します。 - 炭素は、急冷後のマルテンサイトの硬度と強度を増加させます; 高炭素は靭性と溶接性を低下させ、熱暴露や溶接中に炭化物の形成を促進します。 - 低Niおよび低合金含有量は、これらの鋼を磁性およびマルテンサイトに保ち、オーステナイト系グレードが従うことのできない熱処理経路を許可します。

3. 微細構造と熱処理応答

微細構造： - アニーリング状態では、両グレードは一般的にフェライト/パーライトまたは部分的にオーステナイトであり、正確な化学組成と熱履歴に依存します。オーステナイト化と急冷の後、両者はマルテンサイト微細構造を生成します; 残留オーステナイトと炭化物の分布は、炭素と冷却速度に依存します。 - 410: 炭素が低いため、マルテンサイトは炭素過飽和が少なく、通常は細かいです; 炭化物は存在しますが、420よりも少ないです。 - 420: 高炭素は、特定の熱サイクル後により硬いマルテンサイトマトリックスとより大きな体積分率のクロム炭化物（M23C6型炭化物）を生成します。

熱処理応答： - 正常化（オーステナイト化からの空冷）：粒径を精製し、微細構造を均一化することができます; 410では寸法安定性と靭性改善のためにより多く使用されます。 - 急冷と焼戻し：両グレードで硬化した、焼戻しされたマルテンサイト構造を得るための主要な経路です。420は、より高い炭素のために同等の焼戻し温度でより高い硬度を達成します; しかし、靭性のバランスを取るために注意深い焼戻しが必要で、脆さを減少させます。 - 熱機械処理：鍛造および制御された圧延は、急冷前にオーステナイトの粒径を精製し、両グレードで靭性を向上させることができます; 効果は410でより顕著です。

実用的な注意: 420は、遅い冷却や溶接熱サイクル中の過熱および炭化物析出に対してより敏感です; これにより局所的な耐腐食性と靭性が低下する可能性があります。

4. 機械的特性

機械的特性は熱処理に依存します。以下は、一般的な条件（アニーリング対急冷＆焼戻しまたは硬化 + 焼戻し）のための比較可能な、アプリケーション準備が整った要約です。

特性	410（典型的な挙動）	420（典型的な挙動）
引張強度	アニーリング時は中程度; 急冷/焼戻しで増加するが、同等の硬化時の最大値は420よりも低い	アニーリング時は低いが、硬化時には高炭素のためにより高い究極の引張強度に達することができる
降伏強度	中程度; 降伏と延性の良好なバランス	硬化時に達成可能な降伏が高い; 同等の強度での延性は低い
伸び（延性）	アニーリングおよび焼戻し条件での延性と伸びが良好	硬化後の伸びが減少; 同等の強度で410よりも低い延性
衝撃靭性	一般的に靭性が良好（中程度の硬度レベルでの脆化が少ない）	強硬化状態での衝撃靭性が低い; 高硬度に押し上げられると脆くなる傾向がある
硬度（最大達成可能）	硬化後の中程度の最大硬度（いくつかの摩耗に適している）	より高い最大硬度（摩耗抵抗とエッジ保持が向上する）が、靭性を犠牲にする

解釈: 420は熱処理後により強く、硬い選択肢です; 410はより寛容であり、合理的な靭性と延性を得るのが容易でありながら、適度な硬化強度を提供します。

5. 溶接性

溶接性の考慮は、炭素含有量と硬化性に依存します。両グレードはマルテンサイト系ステンレス鋼であり、低炭素鋼やオーステナイト系ステンレス鋼と比較して溶接の課題を呈します。

有用な指標（定性的解釈）： - 炭素当量 (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（鋼の溶接亀裂感受性に重要）: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - 420は両指標で炭素項が高く、硬化性と冷間亀裂およびHAZマルテンサイト形成のリスクを増加させます。予熱とインターパス温度の管理、さらに溶接後の焼戻しまたはPWHTが水素脆化リスクを低下させます。 - 410は低炭素のため、溶接が容易ですが、重度に冷間加工された部分や厚い部分に溶接が浸透する場合は水素管理と予熱に注意が必要です。 - 一致するフィラー金属の使用、低水素プロセス、予熱、溶接後の焼戻しは両グレードに役立ちます; 420は一般的により厳格な管理と高い溶接後熱処理を要求し、靭性を回復させます。

6. 腐食と表面保護

• 410と420はどちらもマルテンサイト系ステンレス鋼です: 乾燥した大気や穏やかな環境では普通の炭素鋼よりも優れた耐腐食性を提供しますが、塩素や酸性の曝露に対してはオーステナイト系グレード（304/316）より劣ります。
• クロム含有量は、両グレードの耐腐食性の主な要因です; 両者は類似のクロムを持っているため、多くの条件で基本的な耐腐食性は比較可能です。
• 420の高炭素は、遅い冷却や溶接中に粒界でのクロム炭化物の析出を促進する可能性があります。この局所的なクロムの枯渇は、粒界腐食に対する抵抗を低下させる可能性があります。
• PREN（マルテンサイト系グレードには一般的に使用されない）式（いくつかのステンレスファミリーにおける指針としてのみ）: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指標は主にデュプレックスおよびオーステナイト系ステンレスに適用されます; MoおよびNは通常低いか欠如しているため、マルテンサイト系グレードには限られた使用です。

腐食抵抗を強化する必要がある場合の両グレードの表面保護オプション： - 亜鉛メッキ（410の一部の形状に対して） — しかし、ステンレスの亜鉛メッキは一般的ではなく、通常のサービスには不要な場合があります。 - 塗装、ポリマーコーティング、またはメッキコーティング（ニッケル/クロム） — 腐食や外観が重要な部品に広く使用されています。 - パッシベーション処理と感受性を避けるための熱処理/溶接サイクルの注意深い管理。

7. 加工、加工性、成形性

• 機械加工: 両者は最良の工具寿命のために柔らかい/アニーリング状態で加工されるべきです。420の高炭素と一部の製品条件での潜在的な高硬度は注意が必要です; 加工可能なバリアント（例：制御された硫黄を含む420）はチップ形成を改善します。
• 成形および曲げ: 410はアニーリング状態での炭素が低く、延性が高いため、冷間成形および曲げが容易です。420はより攻撃的な成形パラメータが必要であるか、アニーリング状態で成形する必要があり、焼戻し後のスプリングバックが高くなる可能性があります。
• 研磨、ポリッシング、仕上げ: 420はエッジ保持と研磨された切断エッジ（カトラリー、刃物）が必要なアプリケーションに好まれます; 410は適度に研磨および仕上げが可能ですが、達成可能な硬度は低いです。

8. 典型的な用途

410 — 典型的な用途	420 — 典型的な用途
中程度の耐腐食性と靭性が必要なファスナー、ボルト、シャフト、バルブ部品、ポンプ部品	高い硬度とエッジ保持が必要なカトラリー、外科用器具、かみそり、ベアリング、摩耗部品、バルブシート
発電、石油化学の非過酷環境における構造部品	硬化後に高い表面硬度または摩耗抵抗を必要とする工具および部品
溶接/加工の容易さが重要な一般用途のマルテンサイト系ステンレス	摩耗抵抗と高硬度を優先する部品; 仕上げ/研磨のために選択される

選択の理由： - 延性、溶接/加工の容易さ、低コストでの中程度の耐腐食性を重視するアプリケーションには410を選択してください。 - 高い硬化硬度と摩耗抵抗（エッジ、シール、摩耗面、精密刃物）が必要で、設計が靭性の低下とより厳格な溶接/熱処理管理を許容できる場合は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よりも多くの製品形状で安価です; 420バリアント（特に高炭素または「HC」グレード）は、硬度向上と特定の仕上げのための加工によりコストが高くなる場合があります。
• 入手可能性: 両グレードは一般的な形状（バー、プレート、ストリップ、鍛造品）で広く入手可能ですが、420の特殊なバリアント（例：420HC、420J2）はカトラリーや外科用用途向けにしばしば販売されています。標準的なミル製品のリードタイムは通常短いです; 置き換えを避けるために、調達時に正確なバリアント（アニーリング、硬化可能、加工性のための硫黄処理）を指定してください。

10. 要約と推奨

属性	410	420
溶接性	良好（低炭素）	より困難（高炭素）
強度–靭性のトレードオフ	中程度の強度とバランスの取れた靭性	達成可能な強度/硬度が高いが、靭性は低い
コスト	一般的に低い	一般的に高炭素/高硬度バリアントは高い

結論： - 相対的に優れた延性と靭性、容易な加工と溶接、適度な耐腐食性が必要なマルテンサイト系ステンレスが必要な場合は410を選択してください — 例えば、シャフト、バルブ、ファスナー、溶接性と靭性が優先される部品。 - 高い硬化硬度と摩耗抵抗（切削エッジ、シール、摩耗面、精密刃物）が必要で、設計が脆さと腐食リスクを軽減するための厳格な溶接管理と溶接後熱処理を許容できる場合は420を選択してください。

最終的な実用的アドバイス: 調達文書に正確な製品条件と製造後の熱処理計画を指定してください（例：「420、X HRCに焼戻し、最終焼戻しはY°C」または「410、靭性向上のために正規化」）、選択したグレードが意図した硬度、靭性、耐腐食性能のバランスを満たすことを保証するために化学的および機械的認証を要求してください。