420対440C - 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
420と440Cは、硬度、耐摩耗性、耐腐食性のバランスが求められる部品の調達リストに頻繁に登場する、広く使用されているマルテンサイト系ステンレス鋼の2つです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、部品に必要なコスト、加工性、硬度/摩耗能力の間でトレードオフに直面することが一般的です。適切な選択は、サービス荷重、表面仕上げ、予想される腐食環境に依存します。
これらのグレードの主な実用的な違いは、合金戦略にあります。一方は、腐食抵抗と合理的な靭性を提供する中程度のクロムを含む低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼であり、もう一方は、優れた耐摩耗性と高い硬度を実現するために硬いクロムカーバイドの重要な集団を形成するように設計された高炭素・高クロムのマルテンサイト系ステンレス鋼です。その違いが、熱処理挙動、機械的特性、溶接性、適用領域の相違を生み出します。
1. 規格と呼称
- 420:
- 一般的な呼称: UNS S42000、EN X46Cr13（またはバリアントに応じてX20Cr13）、JIS SUS420J1 / SUS420J2。
- 典型的な規格: ASTM A276（ステンレス鋼バー、バーおよび形状）、ASME、EN、JIS。
- カテゴリ: 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）。
- 440C:
- 一般的な呼称: UNS S44004、EN X105CrMo17（歴史的）、JIS SUS440C。
- 典型的な規格: AMS、ASTM A582 / A666（いくつかの製品形状）、EN、JIS。
- カテゴリ: 高炭素マルテンサイト系ステンレス/工具鋼。
420は、適度な耐腐食性と適度な硬度が十分な場合に一般的に指定されます。440Cは、より高い硬度、耐摩耗性、エッジ保持が必要な場合に指定されます。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | 420（典型的範囲、wt%） | 440C（典型的範囲、wt%） |
|---|---|---|
| C（炭素） | 0.15 – 0.40 | 0.95 – 1.20 |
| Mn（マンガン） | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| Si（シリコン） | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| P（リン） | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S（硫黄） | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr（クロム） | 12.0 – 14.0 | 16.0 – 18.0 |
| Ni（ニッケル） | ≤ 0.60 | ≤ 0.50 |
| Mo（モリブデン） | 微量 – ≤ 0.60（バリアント） | 微量 – ≤ 0.75（いくつかの仕様） |
| V、Nb、Ti、B、N | 通常は微量/なし | 通常は微量/なし |
注意: - 上記の値は、一般的な仕様および製品データシートからの代表的な範囲です。正確な組成は、規格および製造者に依存します。 - 440Cの炭素およびクロム含量が大幅に高いため、硬いクロムカーバイド（主に実用的な微細構造におけるM23C6/M7C3型）の体積分率が増加し、耐摩耗性と達成可能な硬度が向上します。 - 420の低炭素は、カーバイドの数を減少させ、焼入れおよび焼戻し後により延性のあるマルテンサイトマトリックスを生成し、440Cに対して靭性と加工性を改善します。
合金が挙動に与える影響: - 炭素は、焼入れ/焼戻し後の硬化性と最大達成可能硬度を制御します。炭素が高いほど→硬度が高くなるが、靭性と溶接性が低下します。 - クロムは、受動的な酸化膜を形成することによって耐腐食性を提供します。一般に、クロムが高いほど耐性が向上しますが、カーバイドの沈殿が多いとマトリックスのクロムが局所的に枯渇する可能性があります。 - Moなどの合金元素（存在する場合）は、ピッティング耐性と硬化性を改善することができます。MnとSiは、加工および脱酸素化元素であり、微細構造に対して控えめな影響を与えます。
3. 微細構造と熱処理応答
両グレードは、一般的な熱処理条件下でのマルテンサイト系ステンレス鋼ですが、微細構造は大きく異なります:
- 420:
- 焼入れ後の微細構造: 主にマルテンサイトで、比較的低いカーバイド体積分率; カーバイドは細かく、数が少ない。
- 熱処理: オーステナイト化（典型的範囲 ~980–1030 °C、仕様に応じて）、焼入れ（セクションサイズに応じて油/空気）、必要な硬度に焼戻し（焼戻し温度 ~150–600 °C）。実用的な最大硬度は炭素含量によって制限され（高炭素バリアントでは ~48–52 HRCまで）、
-
応答: 従来の焼入れ＆焼戻しサイクルに対して良好な応答; 残留オーステナイト分率が低い; 焼戻しにより靭性が改善されます。
-
440C:
- 焼入れ後の微細構造: クロムが豊富なカーバイドの重要な体積分率を持つマルテンサイトマトリックス。カーバイドの分布は耐摩耗性に大きく寄与します。
- 熱処理: 通常、範囲 ~1010–1070 °Cでオーステナイト化し、焼入れ（小さなセクションの場合は油または空気）、ターゲット硬度に応じて焼戻し。低温焼戻しを行って残留オーステナイトをマルテンサイトに変換し、その後、硬度を安定させるために低温焼戻しを行うことがあります。
- 応答: 高炭素により非常に高い焼入れ硬度が得られますが、変形や亀裂のリスクも増加します。焼戻しは硬度と靭性のトレードオフを行います。最適な焼戻しは、残留硬度と脆性破壊リスクのバランスを取ります。
正規化、繰り返し焼戻し、または超低温処理は異なる結果をもたらします: 440Cは、硬度と寸法安定性を最大化するためにカーバイド制御とクライオ処理からより多くの利益を得ますが、420は熱サイクルに対してより寛容です。
4. 機械的特性
| 特性 | 420（典型的、条件依存） | 440C（典型的、条件依存） |
|---|---|---|
| 引張強度 | 硬化後は中程度から高い; Cとマルテンサイト分率が高いほど増加 | 一般的に、炭素が高いため、硬化後の最大引張強度が高い |
| 降伏強度 | 中程度; 熱処理に依存 | 完全に硬化した場合は高い |
| 伸び（延性） | 高い延性（焼鈍または焼戻し） — より良い成形性 | 硬化時の伸びは低い; 過度に焼戻しすると脆くなる可能性がある |
| 衝撃靭性 | 同じ硬度帯の440Cに対してより良い靭性 | カーバイドの数と高い硬度のため、靭性が低い |
| 硬度（HRC） | 通常は ~48–52 HRC（高炭素バリアントは上限に近づく） | 通常は適切に硬化および焼戻しされた状態で ~58–64 HRC |
定性的な説明: - 440Cは、より高い炭素がマルテンサイトマトリックスに埋め込まれた硬いクロムカーバイドの量を増やすため、より高い硬度と耐摩耗性を達成します。これにより、引張強度と圧縮強度が向上しますが、靭性と延性が低下します。 - 420は、低炭素でカーバイドが少ないため、より良い靭性と加工性を提供しますが、440Cのエッジ保持や耐摩耗性には及びません。
注意: 正確な機械的数値は、製品形状（バー、プレート）、セクションサイズ、および正確な熱処理パラメータに強く依存します。設計計算のためには、サプライヤーのデータシートを参照する必要があります。
5. 溶接性
溶接性は主に炭素当量と硬化性に影響されます。2つの一般的な経験的指標:
-
IIW炭素当量: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
ドイツの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: - 440Cの炭素含量が大幅に高く、クロムが高いため、$CE_{IIW}$と$P_{cm}$が上昇し、熱影響部（HAZ）で硬いマルテンサイト微細構造を形成する傾向が高くなり、冷間亀裂や水素脆化のリスクが増加します。440Cのトラブルフリーな溶接には、予熱、制御された熱入力、低水素消耗品の使用、および溶接後の熱処理（PWHT）が一般的に必要です。 - 420は、比較的低炭素のため、溶接性が良好ですが、依然として注意が必要です。重要な用途では、硬いマルテンサイトHAZを避け、残留応力を緩和するために、予熱および溶接後の焼戻しが推奨される場合があります。 - 実際には、両グレードはオーステナイト系ステンレス鋼ほど溶接性が高くなく、重要な高硬度の440C部品の溶接は避けられることが多いです。バー材からの機械加工による製造が一般的です。
6. 腐食と表面保護
- 420:
- クロムが約12–14%であるため、420は穏やかな雰囲気や軽い化学物質に対して中程度の耐腐食性を提供します。カトラリーやあまり攻撃的でない環境で一般的に使用されます。表面仕上げ（研磨、パッシベーション）により耐腐食性が向上します。
- 攻撃的または海洋環境では、メッキ、コーティング、またはより高合金のステンレス鋼を指定するなどの追加保護が推奨されます。
- 440C:
- 高いクロムは名目上耐腐食性の可能性を改善しますが、高いカーバイド体積分率と熱処理中のカーバイド沈殿がマトリックス内のクロムを局所的に枯渇させ、ピッティング耐性を低下させる可能性があります。中性からやや腐食性の環境では、440Cは適切に機能しますが、高度に腐食性または塩素を含む環境では、表面保護なしでは最適ではありません。
- PREN（通常はこれらのマルテンサイト系グレードには決定的ではありませんが、ピッティング耐性に関しては情報を提供します）: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 420および440CのPREN値は控えめです。なぜなら、MoとNが低いか存在しないからです。PRENは、重要なMoとNを含むオーステナイト/フェライト系ステンレス鋼により関連性があります。
- 不適切な腐食環境に対する表面保護オプション: 無電解ニッケル、クロムメッキ、PVDコーティング、パッシベーション、塗装、または腐食抵抗性の代替合金を指定すること。
7. 製造、加工性、成形性
- 加工性:
- 420: 焼鈍状態での加工が容易; 高炭素の420HCバリアントはより難しいが、それでも440Cよりは容易です。良好な表面仕上げが達成可能です。
- 440C: 高硬度と研磨性のクロムカーバイドのため、加工が難しい; 柔らかい焼鈍状態での加工を推奨し、硬化後に仕上げ研磨を行います。工具の摩耗が高く、カーバイド工具、フィードの削減、および冷却剤の使用が必要です。
- 成形性と曲げ:
- 420: 焼鈍状態での曲げ性と成形性が良好; 焼戻しされた部品は延性が低い。
- 440C: 硬化後の成形は制限されます; 一般的な実践は、焼鈍状態で成形と加工を行い、その後最終硬度に熱処理を行うことです。
- 表面仕上げ:
- 440Cは高い光沢に研磨できますが、硬化後により多くの研磨/研削作業が必要です。420は比較的簡単に研磨でき、パッシベーションも良好です。
8. 典型的な用途
| 420 — 典型的な用途 | 440C — 典型的な用途 |
|---|---|
| カトラリーおよびキッチンナイフ（エントリーからミッドレベル） | 優れたエッジ保持を必要とする高級カトラリーおよびナイフ |
| 外科用器具および歯科用工具（いくつかのタイプ） | 摩耗部品: バルブボール、シート、ベアリング、ブッシュ |
| 中程度の腐食性媒体におけるシャフト、スピンドル、ポンプ部品 | 精密ボールベアリング、ローラー、カム、摩耗プレート |
| 装飾金具、ファスナー、トリム | ステンレスの耐腐食性と耐摩耗性の両方が必要な切削工具および金型 |
選択の理由: - 腐食抵抗と靭性を優先し、コストが低く、極端な硬度が必要ない用途には420を選択してください。 - 摩耗抵抗、エッジ保持、および非常に高い硬度に達する能力が主な要件であり、後処理（研削、研磨）が許容される用途には440Cを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト: 440Cは、合金含量が高く、プロセス管理が厳格で、工具/摩耗市場での需要があるため、通常420よりも1キログラムあたり高価です。440Cの特殊な製品形状（精密研削バー、事前硬化ストック）は、さらにプレミアムがかかることがあります。
- 入手可能性: 両グレードはバー、シート、ロッドで広く入手可能ですが、製品形状は異なります。420はカトラリーや一般的なステンレス市場で普及しています。440Cは工具およびベアリング用途向けの精密バーおよびラウンドストックで容易に入手可能ですが、大きなプレートサイズではあまり一般的ではありません。
- 調達のヒント: 一般的な製品サイズおよび事前硬化条件で購入することでリードタイムとコストを削減できます。カスタム熱処理や追加の仕上げ（研削/クライオ処理）は購入価格とリードタイムを増加させます。
10. 概要と推奨
| 属性 | 420 | 440C |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（低炭素） — 依然として管理が必要 | 悪化（高炭素＆クロム） — 予熱/PWHTが必要なことが多い |
| 強度–靭性のトレードオフ | 中程度の強度でより良い靭性 | より高い最大硬度＆耐摩耗性、低い靭性 |
| コスト | 低い | 高い |
推奨事項: - 420を選択する場合: - 合理的な靭性と加工性を持つ中程度の耐腐食性が必要です。 - コスト、成形性、加工/溶接の容易さが優先事項です。 - アプリケーションが中程度の摩耗または衝撃荷重を含む場合、極端な硬度は必要ありません。 - 440Cを選択する場合: - 最大硬度、耐摩耗性、エッジ保持が重要です（ベアリングレース、バルブシート、高級ナイフ）。 - より複雑な熱処理、仕上げ（研削、研磨）、および厳格な溶接予防策を受け入れることができるか、事前硬化ストックからの機械加工を好む場合。 - サービス環境が高度に腐食性でない場合、または表面保護を適用する予定がある場合。
締めくくりの注意: 420と440Cはどちらも有用なマルテンサイト系ステンレスの選択肢です。選択は、必要な硬度/耐摩耗性と靭性、加工の容易さ、腐食環境のバランスによって決定されるべきです。重要な部品については、熱処理条件を指定し、設計要件を満たす微細構造と特性を確保するためにサプライヤーの機械試験データを要求してください。