420対431 – 組成、熱処理、特性、および用途

はじめに

エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、強度、硬度、耐腐食性、コストのバランスが求められる部品を指定する際に、AISI 420とAISI 431のマルテンサイト系ステンレス鋼の選択に直面することがよくあります。選択のジレンマは、最大達成可能な硬度と耐摩耗性と、過酷な環境における靭性と耐腐食性とのトレードオフ、さらには溶接性や後処理コストに関する考慮事項に集中することが一般的です。

これら2つのグレードの決定的な材料の違いは、その合金戦略にあります。420は硬度と耐摩耗性のために主に高炭素と中程度のクロムに依存しているのに対し、431は強度、靭性、耐腐食性能を向上させるために、重要なニッケルと高いクロムを追加し、マルテンサイトの硬化性を保持しています。両者は同様の部品ファミリー（シャフト、ファスナー、バルブ、ブレード）で使用されるマルテンサイト系ステンレス鋼であるため、エンジニアは硬化が必要でありながら耐腐食性も求められる部品を指定する際に、これらを比較することが日常的です。

1. 規格と指定

• AISI/ASTM/UNS:
• 420: AISI 420 / UNS S42000（シート/ストリップの場合はASTM A666、バーの場合はASTM A276でよく参照される）
• 431: AISI 431 / UNS S43100（バーの場合はASTM A582、バー/ロッドの場合はASTM A276に記載されている）
• EN / EN同等物:
• 420: EN 1.4021 / X46Cr13（類似ファミリー）
• 431: EN 1.4057 / X90CrNi18-?（正確なクロスリファレンスは規格によって異なる）
• JIS / GB: 同様の化学組成を持つマルテンサイト系ステンレス鋼の地域指定が存在します。
• 分類:
• 420と431はどちらもマルテンサイト系ステンレス鋼です。炭素鋼、工具鋼、HSLAとしては分類されず、急冷と焼戻しによって硬化するように設計された合金ステンレス鋼です。

2. 化学組成と合金戦略

表: 典型的な組成（wt%） — 示されている範囲は一般的な仕様を代表するものであり、正確な制限は購入仕様を確認してください。

元素	420（典型的wt%）	431（典型的wt%）
C	0.15 – 0.40	0.15 – 0.25
Mn	≤ 1.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	12.0 – 14.0	15.0 – 17.0
Ni	≤ 1.0（通常は非常に低い）	1.5 – 3.0
Mo	微量/なし	通常はなし
V	微量	微量
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	微量	微量

注意: - 示されている値は指標的なものであり、多くの仕様にはより狭い制限があります。420は高炭素、中程度のクロムを含むマルテンサイト系グレードであり、431はニッケルを含むマルテンサイト系グレードで、高いクロムと制御された炭素を持ち、靭性と耐腐食性のより良い組み合わせを可能にします。 - 431のニッケルは引張強度と靭性を高め、熱処理およびサービス中の脆性破壊に対する抵抗を改善します。クロム含有量は不活性膜の形成と耐腐食性を制御し、431の高いクロムは420に対して一般的な耐腐食性を向上させます。

合金が挙動に与える影響: - 炭素: 主な硬化性とマルテンサイト硬度; 高炭素は最大硬度を高めますが、靭性と溶接性を低下させます。 - クロム: パッシベーションと硬化性; より多くのクロムは通常、耐腐食性と焼戻し抵抗を改善します。 - ニッケル: マルテンサイトマトリックスを靭性に向けて安定させ、焼戻し脆化に対する感受性を低下させ、強度と靭性のバランスを改善します。 - 微量元素（Mn、Si、P、S、V）は脱酸化、加工性、含有物の挙動に影響を与えます; 硫黄は加工性を高めますが、耐腐食疲労を損なう可能性があります。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造: - 両グレードは、オーステナイト化と急冷後に主にマルテンサイトを形成します。焼鈍状態では、プロセスと合金含有量に応じてフェライト + パーライトまたは焼戻しマルテンサイトを含むことがあります。 - 420: 急冷と焼戻し後、微細構造はマルテンサイトで、炭化物沈殿物（クロム炭化物）を含みます。保持された炭素が高いと硬度が高くなりますが、適切に焼戻しされないと亀裂の発生源となる炭化物が増えます。 - 431: マルテンサイトを形成し、炭化物の分布が細かく、オーステナイトが保持されることがあります。ニッケルはより靭性のある、より強靭なマルテンサイトマトリックスを促進します。

熱処理応答: - 正常化: 粒径を細かくし、微細構造を均一化します; 最終的な急冷と焼戻しの前の有用な前処理です。 - 急冷と焼戻し: 両グレードは良好に応答します。420は高い硬度を達成します（多くの熱処理で約50 HRCを超えることがあります）が、高い硬度レベルでは靭性が低下します。431はニッケルと高いクロムを含み、急冷と焼戻し後により良い靭性対強度比を達成し、焼戻し軟化に対する抵抗が改善されます。 - 熱機械処理: 利点は主にバー/シャフト製品で実現され、急冷前の制御された圧延が粒構造を改善します; 両鋼は制御された加工を通じて靭性を向上させることができ、431はその合金バランスのために一般的により多くの利益を得ます。

4. 機械的特性

表: 典型的な機械的特性（代表的な範囲; 熱処理と断面サイズに依存）

特性（典型的）	420（Q&T/焼戻し）	431（Q&T/焼戻し）
引張強度（MPa）	600 – 1200	700 – 1300
降伏強度（0.2% Rp0.2, MPa）	450 – 1000	600 – 1100
伸び（%）	8 – 20	8 – 18
衝撃靭性（シャルピーJ）	低〜中程度（焼戻しに依存）	中程度〜高（同等の硬度で420より優れる）
硬度（HRC）	焼鈍 ~20; Q&Tで最大 ~55+	焼鈍 ~20–30; Q&Tで最大 ~50–55

解釈: - 431は一般的に、ニッケルと高いクロムのため、同等の引張強度レベルでより高い降伏強度と優れた衝撃靭性を提供します。同じ目標硬度の場合、431は通常、脆化が少なく、疲労性能が優れています。 - 420は比較的単純な化学組成で高い硬度と耐摩耗性を達成し、最大のエッジ保持または耐摩耗性が求められる場合に選ばれることが多く、靭性/耐腐食性は二次的です。

5. 溶接性

溶接性の考慮事項は、炭素当量と硬化性を高める合金元素の存在に焦点を当て、マルテンサイトの冷間割れのリスクを増加させます。

有用な溶接性指数: - 炭素当量（IIW）: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 国際パラメータ $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈: - 高い炭素と高いクロム/モリブデン/バナジウムは $CE_{IIW}$ と $P_{cm}$ を上昇させ、HAZ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。420の高い炭素含有量は、予熱や溶接後の熱処理なしではHAZの硬化と割れに対してより感受性が高くなる傾向があります。 - 431のニッケル含有量は、溶接熱影響部のマルテンサイト硬度の厳しさを低下させ、靭性を改善します。したがって、431は通常、同等の断面厚さと溶接プロセスにおいて420よりも優れたアーク溶接性を示します。 - 実用的なガイダンス: 両グレードは、信頼性のある溶接のために予熱と制御されたインターパス温度を必要とすることが多いです。重要な部品には、残留応力を緩和し、HAZ硬度を低下させるために、溶接後の焼戻しまたはPWHTが推奨されます。

6. 腐食と表面保護

• 420と431はどちらもマルテンサイト系ステンレス鋼であり、オーステナイト系グレード（例: 304/316）ほど耐腐食性は高くありません。彼らは不活性膜形成のためにクロム含有量に依存しています。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）の使用はマルテンサイト鋼ではあまり一般的ではありませんが、式は次の通りです: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指数はピッティング抵抗のためにMoとNを強調します; 420も431も重要なMoやNを含まないため、PRENの適用性は限られています。
• 実用的な腐食挙動:
• 420: 穏やかな環境での中程度の耐腐食性; 塩素中でのピッティングや隙間腐食に対して感受性があり、適切に仕上げられていない場合や保護されていない場合は一般的な腐食に対しても感受性があります。
• 431: 高いクロムとニッケルにより、420に対して改善された一般的な耐腐食性; 塩素ストレスや腐食疲労に対するより良い耐性が求められる海水や石油化学用途で広く使用されています。
• 非ステンレスの表面保護（どちらのグレードでも追加の保護が必要な場合）: 一部の形状では亜鉛メッキが可能ですが、高硬度部品には制限がある場合があります; 塗装、変換コーティング、電気メッキ、またはパッシベーション処理は、サービスに応じて一般的に適用されます。

7. 加工性、機械加工性、成形性

• 加工性:
• 420: 焼鈍状態での良好な加工性; 熱処理後の高硬度は加工性と工具寿命を低下させます。硫黄添加型のバリアントや自由加工用のサブグレードが利用可能な場合があります。
• 431: 中程度の加工性; より靭性のあるマトリックスは工具力を増加させる可能性がありますが、制御された場合には良好な表面仕上げを生み出します。加工は通常、硬化前の焼鈍または応力緩和状態で行われます。
• 成形と曲げ:
• 両者は焼鈍状態で成形可能です; スプリングバックと作業硬化挙動にはプロセス制御が必要です。焼鈍状態での薄いセクションの深絞りが可能です。
• 研削と仕上げ:
• 420は硬化状態でブレードや摩耗部品に使用されることが多く、研削と研磨は標準的な仕上げ操作です。
• 431は良好に仕上がり、明るい表面に研磨できます; その優れた靭性は研削や積極的な仕上げ中の亀裂を減少させます。

8. 典型的な用途

420 – 典型的な用途	431 – 典型的な用途
カトラリーやナイフ（エッジ保持が主なブレード）	航空宇宙および高強度ファスナー（ボルト、スタッド）
外科用器具や歯科用工具（通常は硬化状態）	ポンプシャフト、石油化学および海洋サービスのバルブコンポーネント
ベアリングケージ、ブッシュ、小型摩耗部品	腐食と強度の組み合わせが必要なシャフト、カップリング、トーションバー
装飾トリム、適度な耐腐食性が許容されるハードウェア	高ストレス腐食にさらされるコンポーネント（海洋ボルト、油圧ピストン）

選択の理由: - 摩耗抵抗、エッジ保持、単純な熱処理、サービス腐食が限られている場合の低コストの材料を優先する用途には420を選択してください。 - 高強度、靭性、改善された耐腐食性（特に塩素を含むまたは動的負荷環境）を組み合わせる必要がある部品には431を選択してください。材料コストの増加が正当化される場合に限ります。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト: 420は通常431よりも安価で、ニッケルをほとんど含まないためです; ニッケルはより高価な合金元素の1つです。431のニッケルと高いクロム含有量は、原材料コストを高くします。
• 入手可能性: 両者は一般的な工業グレードであり、バー、ロッド、フラット、ファスナーの形で広く入手可能です。特注サイズや表面仕上げには長いリードタイムが必要な場合があり、431は商品市場で420よりも若干在庫が少ない場合があります。

10. 要約と推奨

主要なトレードオフを要約した表:

特性	420	431
溶接性	中程度〜難しい（高C）	より良い（ニッケルが靭性を改善）
強度–靭性バランス	高硬度、同じ硬度での靭性が低い	同等の強度での靭性が良好
耐腐食性	中程度	より良い（高いクロム + ニッケル）
コスト	低い	高い

420を選択する場合: - 主な要件が高硬度と摩耗またはエッジ保持であり、低〜中程度のコストである場合。 - コンポーネントが比較的穏やかな環境で動作するか、保護コーティングを受ける場合。 - 加工/仕上げと硬化の実践が適切に制御され、溶接が最小限である場合。

431を選択する場合: - アプリケーションがより高い強度対靭性比、改善された耐腐食性（特に塩素環境）、焼戻し脆化と疲労に対するより良い抵抗を要求する場合。 - 溶接性と衝撃抵抗が重要であり、プロジェクト予算が高い材料コストを受け入れられる場合。 - 部品が動的負荷、海水曝露、またはより高い破壊靭性の要件を受ける場合。

最終的な注意: 購入仕様における正確な化学的および機械的限界を常に確認し、硬度、靭性、耐腐食性能の設計要件に合った熱処理の実践（オーステナイト化温度、急冷媒体、焼戻しサイクル、および任意のPWHT）を選択してください。