420対440A - 成分、熱処理、特性、および用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
はじめに
AISI 420およびAISI 440Aは、耐食性、硬度、コストのバランスが求められる場合に一般的に考慮されるマルテンサイト系ステンレス鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、成形や溶接が容易な低合金グレードと、より高い硬化性とエッジ保持性を実現する高炭素・高クロムグレードとの間でトレードオフに直面することがよくあります。典型的な意思決定の文脈には、刃物や刃の設計、バルブやポンプの部品、ベアリングリング、局所的な摩耗抵抗が必要な部品が含まれます。
両者の主な実用的な違いは、達成可能な硬度/摩耗抵抗と保持される靭性/サービス延性との間のトレードオフです：440Aは熱処理後により高い硬度と摩耗抵抗を達成するように配合されていますが、420は比較的優れた靭性、より簡単な加工、そして多くの生産ルートにおいて改善された溶接性と成形性を提供します。両者はマルテンサイト系ステンレスグレードであるため、中程度のステンレス工具および刃物用途でしばしば比較されます。
1. 規格と呼称
- 420: AISI/ASTM/UNSの下で一般的にAISI 420（UNS S42000）として参照されます。相当するグレードはENおよびJISリストに現れます（しばしばマルテンサイト系ステンレスの呼称の下で）。マルテンサイト系ステンレス鋼に分類されます。
- 440A: 440ファミリーの一員（AISI 440A、UNS S44001）であり、さまざまな国家規格でも表されています。マルテンサイト系ステンレス鋼に分類されます。
カテゴリの概要： - 420: マルテンサイト系ステンレス鋼（ステンレス工具/ナイフ鋼）。 - 440A: マルテンサイト系ステンレス鋼（高炭素、高クロムのステンレス工具/ナイフグレード）。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、商業用の420および440Aグレードの典型的な組成範囲を示しています。範囲は規格や供給者によって異なります。値は重量パーセントです。
| 元素 | 420（典型的範囲、wt%） | 440A（典型的範囲、wt%） |
|---|---|---|
| C | 0.15 – 0.40 | 0.60 – 0.75 |
| 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 | 16.0 – 18.0 |
| Ni | —（通常は微量） | —（通常は微量） |
| Mo | —（通常はなし） | —（通常はなし） |
| V | —（通常はなし） | —（通常はなし） |
| Nb / Ti / B / N | 微量 / 指定なし | 微量 / 指定なし |
合金が性能に与える影響： - 炭素：硬化性と達成可能なマルテンサイト硬度の主な要因。高炭素（440A）は、より高い焼入れ硬度と優れたエッジ保持性を可能にしますが、靭性と溶接性の犠牲を伴います。 - クロム：耐食性を提供し、炭化物形成を通じて硬化性に寄与します。440Aの高いCr含有量は、多くの環境でやや良好な受動的挙動を与えます。 - Mn、Si、微量元素：脱酸化、結晶挙動、硬化性に影響を与えますが、これらのグレードにおいてはCおよびCrに比べて二次的です。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - アニーリング状態では、両グレードは正確な化学組成と加工に応じて主にフェライト/パーライトですが、熱処理を通じてマルテンサイトに変換されると最も有用です。 - 固溶アニーリングと焼入れの後、両者はマルテンサイトとクロム炭化物を形成します。440Aは高いCおよびCrのため、より多くの硬い炭化物を生成し、摩耗抵抗を高めます。 - 焼戻しは、炭化物の分布と焼戻し応答が炭素含有量に依存する焼戻しマルテンサイトを生成します。
熱処理ルートとその効果： - アニーリング：成形および加工のための柔らかく加工可能な状態（フェライト/パーライト）。 - 硬化（オーステナイト化 → 焼入れ → 焼戻し）：オーステナイト化温度と焼入れ媒体は、保持されるオーステナイトの量、炭化物の溶解、および最終硬度を制御します。440Aは高炭素のため、与えられたオーステナイト化/焼戻しスケジュールに対してより高い硬度を達成しますが、焼入れ応力による亀裂が発生しやすくなります。 - 正常化：最終硬化の前に結晶サイズを精製するために使用され、靭性に有益です。 - 熱機械加工：構造鋼に比べてあまり一般的ではありませんが、制御された鍛造と制御された冷却により、結晶サイズと炭化物の分散を制御することで特性を改善できます。
実用的な注意：硬度と靭性のバランスを取るために、正確な焼戻し温度を選択する必要があります。高炭素の440Aは、硬度を保持しながら脆化を避けるために慎重な焼戻しが必要です。
4. 機械的特性
以下の表は、定性的から典型的な比較を示しています。実際の値は熱処理および製品形状に強く依存します。
| 特性 | 420（典型的） | 440A（典型的） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | 中程度 — 焼戻しに依存；通常440Aより低い | 高い — 完全に硬化した場合、達成可能な最大値は420を超える |
| 降伏強度（MPa） | 中程度 | 高硬度条件で高い |
| 伸び（%） | 高い（同等の状態での延性が良好） | 低い（硬化時の延性が低下） |
| 衝撃靭性 | 同等の硬度でより良い靭性を保持 | 同等の硬度で靭性が低下；完全に硬化するとより脆くなる |
| 硬度（HRC、焼戻し後） | 通常はCおよびプロセスに応じて約48–52 HRCまで | 通常は高い；適切な熱処理で中間の50代HRCが達成可能 |
解釈： - 440Aは一般的に高炭素および高クロムのため、より高い引張強度と最大硬度を達成します。これにより、摩耗およびエッジ保持性能が向上します。 - 420は中程度の硬度レベルで比較的良好な延性と衝撃抵抗を保持し、衝撃や曲げ荷重の下で壊滅的に失敗する可能性が低くなります。
5. 溶接性
マルテンサイト系ステンレス鋼の溶接性に関する考慮事項は、炭素含有量、硬化性、および微合金化に焦点を当てています。
一般的に使用される重要な予測式（ここでは定性的に解釈）： - 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（溶接性パラメータ）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - より高い $CE_{IIW}$ または $P_{cm}$ は、硬く脆い熱影響部の傾向が高く、溶接後の亀裂リスクが増加することを示唆します。 - 420は440Aよりも炭素含有量が低く、硬化性指数も低いため、一般的に溶接が容易です（必要に応じて予熱および溶接後の焼戻しを行います）。440Aの高炭素および高クロムは、HAZマルテンサイトの形成および亀裂のリスクを高めるため、440Aの溶接には厳格な管理が必要です：予熱、インターパス温度管理、低水素実践、および脆いマルテンサイトを柔らかくするための溶接後の焼戻し。 - 一致するフィラー金属の使用が重要です；多くの場合、亀裂リスクを減らすために、炭素またはニッケルベースの溶接金属を選択します。
6. 耐食性と表面保護
- 420および440Aは、クロム含有量によってステンレスですが、オーステナイト系グレード（304/316）に比べて耐食性は中程度です。420（12–14% Cr）は、軽度の腐食環境で許容できる耐性を提供します；440A（16–18% Cr）は、より高いクロムと多くの水性環境での安定した受動的フィルムにより、通常は改善された耐食性を提供します。
- PREN（ピッティング耐性等価数）は、MoおよびNを含むステンレス合金に対して次の式を使用して計算できます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$。420および440Aの場合、MoおよびNは通常無視できるため、PRENは限られた有用性があります。
- 非ステンレス保護：より高い耐食性が必要な場合、表面処理（電気メッキ、塗装、コーティング）やカソード保護または亜鉛メッキは、非ステンレスの同等物のオプションです — しかし、これらのマルテンサイト系に対しては、通常のアプローチは、より耐食性の高いステンレスグレードを選択するか、保護コーティングを適用することです。マルテンサイト系ステンレスに亜鉛メッキを施すことは、精密部品には一般的ではありません。
- 実用的な注意：研磨およびパッシベーションは性能に大きく影響します；440Aは、よく研磨された表面とパッシベーションを施すことで、420よりも優れた局所的な耐食性に近づくことができます。
7. 加工性、機械加工性、および成形性
- 機械加工性：アニーリング状態では、両グレードともに機械加工が可能です。420は炭素が低く、炭化物の析出が少ないため、アニーリング状態で寸法に加工するのが一般的に容易です。440Aは高炭素で炭化物形成傾向があるため、特に硬化状態では機械加工性が低下します。
- 成形性および曲げ：両者は硬化状態での冷間成形に制限があります。アニーリング状態では、420の方が成形が容易です。440Aは、より積極的な成形パラメータを必要とするか、成形のために柔らかい固溶アニーリング状態で供給される必要があります。
- 研削および仕上げ：440Aは、熱処理後の硬い炭化物粒子のために工具に対してより摩耗性が高くなる可能性があります；両者ともに、刃物や外科用器具に必要な高い仕上げに研削および研磨が可能です。
- 表面仕上げ：両者は機械的研磨および電気化学的研磨に良く反応します。炭化物の分布がエッジ研磨の品質に影響を与えることに注意してください。
8. 典型的な用途
| 420 — 典型的な用途 | 440A — 典型的な用途 |
|---|---|
| 靭性と耐食性が必要な中程度のコストの刃物やキッチンナイフ | 優れたエッジ保持性と高硬度が優先される刃物やナイフの刃 |
| 耐食性と成形性が重要な外科用器具（特定のタイプ）および歯科用工具 | 高い表面硬度が必要なベアリング、バルブ部品、および摩耗部品 |
| 中程度の腐食環境でのシャフト、ファスナー、およびポンプ部品 | 頻繁な再研磨が許容される小さな摩耗部品および高摩耗ハードウェア |
| 装飾的なハードウェアおよび金具 | 精密な刃物、小型刃、時計のバネ（選択された用途） |
選択の理由： - サービス中の靭性、成形性、溶接性が優先され、耐食性が中程度で十分な場合は420を選択してください。 - 高硬度とエッジ保持性が主要な設計要因であり、局所的な耐食性に高いクロム含有量が有益な場合は440Aを選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：420は通常、合金含有量が低く（クロムが少ない）、一般的に440Aよりもキログラムあたりのコストが低いです。440Aの高いクロムと炭素の厳密な管理は、コストをやや増加させます。
- 入手可能性：両者はステンレス供給者からバー、プレート、ストリップ、ワイヤーで広く入手可能です；420は刃物やハードウェアのために一般的に在庫されていますが、440Aは標準的な刃物/ベアリングステンレスであり、一般的に入手可能です。特定の製品形状（刃物仕上げに研磨された薄いストリップ、精密バー、または特殊鍛造品）は、供給者によってリードタイムが異なる場合があります。
10. 概要と推奨
概要表（定性的）：
| 特性 | 420 | 440A |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（低C、低硬化性） | 低い（高C、予熱/PWHTが必要なことが多い） |
| 強度–靭性のバランス | 同等の硬度でより良い靭性；中程度の強度 | より高い最大硬度と強度；硬化時に靭性が低下 |
| コスト | 低い | 高い |
| 耐食性 | 中程度（12–14% Cr） | より良い局所的耐食性（16–18% Cr） |
| 機械加工性（アニーリング状態） | 良好 | 中程度から低い（炭化物形成による） |
直接的な推奨で締めくくります： - 成形と溶接が容易で、靭性と耐食性の良好なバランスを低コストで提供するマルテンサイト系ステンレスが必要な場合、または部品が衝撃や曲げ応力にさらされる場合（例：一般的な刃物、中程度の負荷のシャフト、ファスナー、極端なエッジ硬度が必要ない外科用器具）には420を選択してください。 - 高硬度、エッジ保持性、摩耗抵抗を優先し、局所的な耐食性を改善するために高クロム含有量を受け入れられる場合（例：エッジ寿命が重要なナイフ、小型ベアリング部品、または摩耗部品）には440Aを選択してください。また、厳格な熱処理管理、靭性の低下、およびより制御された溶接手順が必要であることを受け入れることができます。
最終的な実用的なガイダンス： - 調達文書に必要な熱処理条件と硬度を常に指定してください。グレードを選択する前に、全体の製造フロー（成形、溶接、熱処理、仕上げ）を評価してください。サービス中の衝撃荷重や溶接要件について疑問がある場合は、より良い延性を持つグレード（420）を選択するか、競合する要件を満たすために調整された化学組成/処理について金属技術者に相談してください。