42CrMo 対 35CrMo – 成分、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、鍛造部品、シャフト、ギア、構造部品のための密接に関連したクロム–モリブデン鋼の中から選択しなければならないことがよくあります。選択のジレンマは、通常、達成可能な強度と疲労性能を延性、溶接性、全体的な生産コストとバランスさせることに関わっています。多くの仕様では、選択肢は2つの類似したグレード、42CrMoと35CrMoに絞られます。

これら2つのグレードの実際の違いは、主に炭素含有量とそれに伴う強度および焼入れ性の変化によって決まります。クロムとモリブデンのレベルは類似しているため、高炭素グレードは焼入れおよび焼戻し後により高い強度と硬度を達成しますが、低炭素グレードは与えられた熱処理目標に対して比較的優れた靭性と溶接性を保持します。これらのトレードオフにより、両者は設計および製造の決定において一般的な比較対象となります。

1. 規格と指定

• 42CrMo
• 一般的な同等物/規格: EN 42CrMo4 (1.7225)、AISI/ASTMでは類似の組成と用途のために4140ファミリーとして一般的に参照されます。中国のGB/T指定: 42CrMo。
• 分類: 中程度の合金焼入れおよび焼戻し鋼（合金鋼）。
• 35CrMo
• 一般的な同等物/規格: 一部の国家規格で35CrMoまたは35CrMo4として見られ（ENの名称は異なる）、GB/T仕様で使用されます。直接的なAISIアナログとしてはあまり使用されませんが、4100シリーズの低炭素Cr–Mo鋼と比較可能です。
• 分類: 中程度の合金焼入れおよび焼戻し鋼（合金鋼）。

両方のグレードは合金鋼です（ステンレス鋼ではなく、工具鋼でもありません）。通常、バー、鍛造、プレートの形状で供給され、その後の熱処理のために使用されます。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、設計および仕様の比較に使用される典型的な組成範囲を示しています。実際の認証された組成は、各購入ロットのミルテスト証明書から取得する必要があります。

元素	42CrMo（典型的な範囲）	35CrMo（典型的な範囲）
C（炭素）	0.38 – 0.45 wt%	0.32 – 0.40 wt%
Mn（マンガン）	0.50 – 0.90 wt%	0.50 – 0.80 wt%
Si（シリコン）	0.17 – 0.37 wt%	0.17 – 0.37 wt%
P（リン）	≤ 0.025 wt%（最大）	≤ 0.025 wt%（最大）
S（硫黄）	≤ 0.025 wt%（最大）	≤ 0.025 wt%（最大）
Cr（クロム）	0.90 – 1.20 wt%	0.80 – 1.10 wt%
Mo（モリブデン）	0.15 – 0.30 wt%	0.15 – 0.30 wt%
Ni（ニッケル）	≤ 0.30 wt%（微量）	≤ 0.30 wt%（微量）
V, Nb, Ti, B, N	通常は指定されていない / 微量のみ	通常は指定されていない / 微量のみ

合金戦略の機能 - 炭素は、焼入れ後のマルテンサイトの割合と焼戻し反応を制御する主な変数です。炭素が高いほど、達成可能な強度と硬度が上がりますが、延性と溶接性は低下します。 - クロムとモリブデンは、焼入れ性（焼入れ可能な部分を深くする）、焼戻し抵抗、温度での強度に寄与します。両方のグレードは類似のCrとMoを持っているため、炭素が等しい場合、焼入れ性は比較可能ですが、42CrMoの高炭素は最終的な強度を増加させます。 - マンガンとシリコンは焼入れ性と脱酸をサポートします。低PおよびSは、靭性と疲労性能を保持するために制御されます。

3. 微細構造と熱処理反応

一般的な加工ルートにおける典型的な微細構造と反応：

• 圧延/正規化後
• 両方のグレードは正規化されると、細かい炭化物を含むフェライト–パーライトマトリックスを示します。42CrMoは炭素が高いため、適切な熱サイクル後にやや高いパーライト割合と細かい炭化物分散を持ちます。
• 焼入れおよび焼戻し（Q&T）
• 焼入れ: 両方のグレードは、十分に厚い部分でマルテンサイトを形成します。42CrMoは高炭素のため、より硬く、より高強度のマルテンサイト構造を生成します。
• 焼戻し: 焼戻しは脆さを減少させ、靭性を調整します。42CrMoは初めから硬度が高いため、35CrMoと同じ強度–靭性バランスを達成するために焼戻しスケジュールを調整する必要があります。
• 正規化 + 焼戻し / 熱機械処理
• 前オーステナイト粒子サイズを精製する熱機械処理は、両方のグレードで靭性と疲労抵抗を改善します。相対的な挙動は類似しており、42CrMoの高炭素含有量は、焼戻し脆化や過剰な残留応力を避けるために制御冷却と焼戻しにより大きな重点を置きます。

重要なポイント - 42CrMoは、同等のQ&Tサイクル後により高い究極強度と硬度を達成します。 - 35CrMoは、靭性のためのやや寛容な焼戻しウィンドウを提供し、通過硬化がより困難な厚い断面での性能が向上します。

4. 機械的特性

正確な機械的特性は、製品形状と熱処理に強く依存します。以下の表は、絶対的な証明値ではなく、定性的な比較と典型的な特性傾向を示しています。調達にはミル証明書と契約で指定されたHT条件を使用してください。

特性	42CrMo	35CrMo
引張強度（典型的）	Q&T後の最大引張強度の可能性が高い（同じHT条件でより強い）	与えられたHTに対してやや低い究極引張強度の可能性
降伏強度	同等の焼戻し/硬度目標での高い降伏強度	低い降伏強度、高い延性マージン
伸び / 延性	高強度レベルでの低い伸び（強度とのトレードオフ）	同等の焼戻しでのより良い伸びと延性
衝撃靭性	適切に焼戻しされれば優れたものになる可能性がある; 熱処理と断面サイズに対してより敏感	一般的に敏感さが少ない; 低硬度でより良い靭性対強度比を提供できる
硬度	焼入れ後に達成可能な硬度が高い（靭性のためにより多くの焼戻しが必要）	同じHTスケジュールでの達成可能なピーク硬度が低い

説明 - 炭素がマルテンサイトの開始点とマルテンサイトの炭素含有量を増加させるため、42CrMoの高いCは、与えられた焼入れに対してより高い強度と硬度を生み出します。その強度の向上は、焼戻しを使用して硬度を靭性にトレードオフしない限り、靭性と延性の低下を伴います。 - 疲労が重要な部品の場合、設計者は通常、必要なバランスを達成するために制御された焼戻しを指定し、断面サイズと熱入力に対する感度を最小限に抑えるグレードを選択します。

5. 溶接性

溶接性は炭素当量と焼入れ性の関数です; 実際の評価は通常、炭素当量の公式を使用します。一般的に引用される2つの指標：

• IIW炭素当量: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$

• 国際Pcm指数: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

42CrMo対35CrMoの定性的解釈 - 42CrMo（高炭素）は、他の条件が同じであれば35CrMoよりも高い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を持ち、より大きな冷却亀裂のリスクと、予熱、インターパス制御、低水素消耗品、または溶接後熱処理（PWHT）の必要性が高まります。 - 35CrMoの低炭素は、一般的な工場の実践でより溶接しやすく、同じ厚さに対して必要な予熱/PWHTの厳しさを減少させます。 - 両方のグレードは、適切な予熱とPWHTが適用される場合、Cr–Mo鋼の標準手順で溶接可能です。重要な部分や厚い断面の場合は、手順の資格確認（PQR）を実施し、水素を除去し、HAZを焼戻しするためにPWHTを含める必要があります。

6. 腐食と表面保護

• 42CrMoも35CrMoもステンレス鋼ではありません; 腐食抵抗は低合金炭素鋼のそれに制限されています。選択基準は通常、合金化よりもコーティングや仕上げに依存します。
• 一般的な保護戦略: 塗装、陰極保護、ホットディップ亜鉛メッキ（形状が許す場合）、または適切な場合のメッキ。
• PRENは、これらの非ステンレス低合金鋼には適用されません。文脈として、ステンレス評価のためのPREN公式は: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ ですが、この指数は、クロム含有量が低すぎてステンレスの特性を与えないため、単純なクロム–モリブデン構造鋼には無関係です。

7. 加工、機械加工性、成形性

• 機械加工性
• 35CrMoは、炭素が低く、加工硬化の傾向が減少するため、同じ硬度レベルで42CrMoよりも通常は加工しやすいです。工具寿命と切削力は35CrMoにとってより有利です。
• 部品が柔らかい正規化または焼鈍状態で供給される場合、両方の加工性が向上します; 硬化状態では炭化物工具が必要です。
• 成形性と曲げ
• 35CrMoの低炭素は、より良い冷間成形性をもたらします。曲げや成形時にスプリングバックの減少が少なくて済むのが一般的です。
• 42CrMoは曲げ半径の厳密な制御が必要であり、重要な塑性変形のために中間熱処理が必要になる場合があります。
• 表面仕上げと研削
• 両方の鋼は高品質の表面状態に研削および仕上げが可能です; 42CrMoの高硬度は研削ホイールや工具の研磨性を増加させます。

8. 典型的な用途

42CrMo（高炭素Cr–Mo）	35CrMo（低炭素Cr–Mo）
シャフト、高強度の車軸、クランクシャフト、重負荷ギア、Q&T後により高い強度と耐摩耗性が要求されるベアリングハウジング	車軸、構造鍛造品、ボルトおよび高強度ファスナー、より高い延性または容易な溶接が要求される部品
高ストレス回転部品および疲労が重要なセクションを持つ部品で、信頼性のある熱処理が可能	加工が容易な部品やより頻繁な接合操作が必要な部品; 中程度の強度の構造部品
硬度と耐摩耗性が有益な工作機械部品	靭性、延性、コスト効果が優先される部品

選択の理由 - より高い熱処理後の強度と耐摩耗性が要求され、溶接や複雑な成形が最小限に抑えられるか、堅牢な溶接手順で制御できる場合は42CrMoを選択してください。 - 成形、溶接、または強度対靭性比の改善がより重要であり、やや低いピーク強度が許容される場合は35CrMoを選択してください。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト: 両方のグレードはコスト競争力があります; 42CrMoは、やや高い炭素処理と高強度用途の需要により、わずかに高価になる可能性があります。価格差は通常、熱処理および後処理コストに比べて小さいです。
• 製品形状による入手可能性: 両方は、Cr–Mo鋼を供給する市場でバー、鍛造品、シームレスチューブで広く入手可能です。42CrMo（またはAISI 4140相当）は、その広範な使用のために世界中でより一般的に在庫されています; 35CrMoは標準化に応じて地域的である可能性があります。常にミルのリードタイム、認証、およびバッチのトレーサビリティを確認してください。

10. まとめと推奨

まとめ表（定性的）

基準	42CrMo	35CrMo
溶接性	中程度 — 厚さでの厳しい予熱/PWHTが必要	より良い — 予熱/PWHTの要件が低い
強度 – 靭性バランス	最大強度が高い; 靭性を維持するために慎重な焼戻しが必要	同様の加工に対してより良い靭性マージン; やや低いピーク強度
コスト（材料のみ）	比較可能; 一部の市場ではやや高い	比較可能; よくわずかに低い
機械加工性 / 成形性	同じ硬度であまり好ましくない	同じ硬度でより好ましい

推奨事項 - 熱処理後の強度、耐摩耗性が高いことが主な設計要因である場合、または疲労が重要な回転部品に対して最大許容強度が必要な場合、溶接および熱処理手順を制御できる場合は42CrMoを選択してください。 - 設計が延性の改善、容易な溶接と加工、水素助長亀裂のリスクの低減、またはやや低いピーク強度が許容されるコストに敏感な生産を優先する場合は35CrMoを選択してください。

最終的な注意 調達文書には、正確な熱処理条件、硬度制限、および受入試験を常に指定してください。溶接アセンブリや厚い断面の場合は、溶接手順の資格確認（PQR）を要求し、PWHTを考慮してください。疲労や高サイクル荷重にさらされる重要な部品については、信頼性のある現場性能を達成するために、金属選択を検証された熱処理および非破壊検査と組み合わせてください。