42CrMo 対 40CrNiMoA – 成分、熱処理、特性、および用途
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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、靭性、焼入れ性のバランスが必要な部品を指定する際に、一般的に42CrMoと40CrNiMoAの選択に直面します。典型的な意思決定の文脈には、回転シャフト、重負荷ギアボックス部品、高負荷ファスナーが含まれ、コスト、溶接性、衝撃抵抗のトレードオフが適切な合金選択を決定します。
主な実用的な違いは、40CrNiMoAが靭性とノッチ抵抗を強化するための意図的な合金元素としてニッケルを含んでいるのに対し、42CrMoは主にクロム-モリブデンの焼入れ性によってその特性を達成することです。これら二つは、重複する用途ニッチを占めるためしばしば比較されますが、靭性、熱処理応答、コストにおいて異なります。
1. 規格と指定
- 42CrMo: EN規格（EN 10083シリーズ）ではしばしば42CrMo4として参照され、北米の実務では一般的にAISI/SAE 4140と同等とされます。また、中国のGB/T規格の下で比較可能な化学組成リストに登場します。
- 40CrNiMoA: 中国のGB合金鋼指定で焼入れ・焼戻し構造鋼として見られます。他のNi含有合金鋼とEN/ASTMリストで比較されることもありますが、主にGB指定です。
- 他の規格で同等品が現れる可能性があるもの: ASTM/ASME（一般合金鋼仕様）、JIS（日本の合金鋼同等品）。
- 分類: 両者は合金鋼（中炭素、低〜中合金）です。厳密にはステンレス鋼やマイクロ合金HSLAグレードではなく、焼入れ・焼戻しサービスを意図した熱処理可能な合金構造鋼です。
2. 化学組成と合金戦略
表: 典型的な組成（wt.%） — 業界文書で使用される代表的な範囲。これらは典型的なターゲット範囲です。調達のためには特定のミル証明書を確認してください。
| 元素 | 42CrMo（典型的、wt.%） | 40CrNiMoA（典型的、wt.%） |
|---|---|---|
| C | 0.38–0.45 | 0.36–0.44 |
| Mn | 0.60–0.90 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.17–0.37 |
| P | ≤0.025 | ≤0.025 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.90–1.20 | 0.80–1.10 |
| Ni | 微量–0.30 | 0.30–0.70 |
| Mo | 0.15–0.30 | 0.15–0.30 |
| V | 微量 | 微量 |
| Nb, Ti, B, N | 微量 / 制御 | 微量 / 制御 |
合金戦略の説明: - 炭素は基本的な強度と焼入れ性を提供しますが、上昇すると溶接性と延性を低下させます。 - クロムとモリブデンは焼入れ性と焼戻し抵抗を増加させ、高い焼入れ強度と優れた高温焼戻し応答を可能にします。 - ニッケル（40CrNiMoAに含まれる）は強力な靭性向上剤であり、低温衝撃靭性とノッチ効果に対する回復力を改善しますが、焼入れ性に大きなペナルティを課しません。 - マンガンとシリコンは脱酸剤であり、適度な量で強度と焼入れ性にも寄与します。 - 微量のマイクロ合金元素（V、Nb、Ti、B）が存在する場合、粒径を精製し、靭性/焼入れ性を改善することがあります。これらは通常、製品形状に応じて低く保たれるか、省略されます。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造: - 正常化状態では、両方の合金はフェライト-パーライト微細構造を形成します。焼入れ後、目標構造はマルテンサイト（冷却と合金成分に応じてマルテンサイト + 残留オーステナイトの可能性があります）であり、焼戻し後には焼戻しマルテンサイト微細構造が形成されます。 - 42CrMoは焼入れ・焼戻しサイクルに効果的に応答します: 高いCrとMoは良好な焼入れ性を提供し、中程度の断面厚さを通じて比較的均一なマルテンサイト構造を生成します。 - 40CrNiMoAはニッケル含有量により、やや靭性の高い焼戻しマルテンサイトを生成する傾向があります。ニッケルは細かいパケット/ブロック構造を促進し、適切に処理された場合、焼戻し脆化感受性を低下させます。
一般的なルートの影響: - 正常化: 粒径を精製し、後続の機械加工や鍛造のために微細構造を均一化します。両方の鋼は同様に利益を得ます。 - 焼入れ・焼戻し: 両者はQ&Tのために設計されています。42CrMoは硬化と焼戻し制御を通じて高強度を達成します; 40CrNiMoAは同等の焼戻し条件下で、ニッケルの延性と破壊抵抗への影響により、与えられた引張強度に対して改善された衝撃靭性を示すことが一般的です。 - 熱機械処理: 適用される場合（鍛造 + 制御された圧延）、両者は粒子精製により靭性を改善できます; ニッケル含有鋼は、こうした処理後に低温靭性で優位性を示すことがよくあります。
4. 機械的特性
表: 焼入れ・焼戻し状態における典型的な機械的特性（業界範囲）。実際の特性は特定の熱処理温度、時間、断面サイズに依存します。
| 特性 | 42CrMo（典型的Q&T） | 40CrNiMoA（典型的Q&T） |
|---|---|---|
| 引張強度 (MPa) | 850–1100 | 800–1100 |
| 降伏強度 (MPa) | 600–850 | 550–800 |
| 伸び (%) | 10–15 | 12–18 |
| シャルピー衝撃 (J, 設計温度で) | 中程度 — 熱処理に依存 | 同等の強度で高い靭性 |
| 硬度 (HRCまたはHB) | HRC 25–45（またはHB 250–450） | 同様の範囲; 同じ硬度で衝撃に対してより耐性がある |
解釈: - 強度: 両方の合金はQ&T後に同等の引張強度に達することができます。42CrMoの強力なCr–Mo焼入れ性は、より簡単な焼入れスケジュールで目標硬度を達成することを可能にします。 - 靭性: 40CrNiMoAは一般的に改善された衝撃靭性と、同等の強度レベルでのノッチ条件でのより良い性能を提供します。 - 延性: 40CrNiMoAは、靭性のために化学的および熱的に処理された場合、わずかに高い伸び率を示す傾向があります。
5. 溶接性
溶接性は主に炭素当量と焼入れ性を高める合金元素の存在に依存します。
有用な公式: - 炭素当量（IIW法）: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 中国の実務でよく使用される現象学的パラメータ: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈: - 両方の鋼は中炭素合金鋼であり、適度なCE値を持っています; 適切な予熱、インターパス温度制御、および重要な用途での溶接後熱処理（PWHT）により溶接可能です。 - 42CrMoは、わずかに低いニッケルを持ち、予熱が不十分な場合に硬いマルテンサイトHAZ構造を形成する傾向がわずかに高いですが、その良好な焼入れ性制御により予測可能なPWHTが可能です。 - 40CrNiMoAは、基材がより靭性があるにもかかわらず、Niを含んでおり、CE要因をわずかに上昇させますが、冷却速度が制御されている場合、HAZの靭性を改善することもできます。実際には、溶接手順仕様（WPQs）を使用し、高い完全性の接合部にはPWHTが推奨されます。
6. 腐食と表面保護
- 42CrMoも40CrNiMoAもステンレスではなく、腐食性環境での表面保護が必要です。
- 一般的な保護措置: ホットディップ亜鉛メッキ（小型部品用）、電気メッキ、変換コーティング、塗装/エポキシシステム、および短期保護のための油塗布。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）はこれらの非ステンレスコンクリートには適用されませんが、標準のPREN公式は次のとおりです: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ PRENの使用はステンレス合金にのみ適用されます; 42CrMoと40CrNiMoAの場合、腐食抵抗は低く、コーティングや陰極保護に依存します。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性: 正常化または焼鈍状態では、両方とも合理的に加工されます; Q&T後の硬度の上昇は加工性を低下させます。40CrNiMoAのニッケルは、柔らかい状態での加工を大きく妨げることはありませんが、硬化した状態では工具の摩耗を増加させる可能性があります。
- 成形性: 両者は硬化状態での冷間成形性が限られています。最終熱処理の前に熱間加工と鍛造が一般的です。機械加工の前に正常化することで成形性が改善されることがあります。
- 表面仕上げ: 両者は疲労に重要な部品のための一般的な仕上げ方法（研削、ショットピーニング）を受け入れます。ニッケルの存在は表面処理応答（例: 焼戻し中の熱色付け）にわずかに影響を与える可能性がありますが、標準的な仕上げプロセスが適用されます。
8. 典型的な用途
| 42CrMo – 典型的な用途 | 40CrNiMoA – 典型的な用途 |
|---|---|
| 高強度と良好な焼入れ性が要求されるシャフト、アクスル、ギア、クランクシャフト、油圧部品 | 高靭性と衝撃抵抗が重要な重負荷クランクシャフト、大型シャフト、ローター部品、高負荷ファスナー |
| 良好な焼戻し抵抗が要求される機械フレームおよび工具部品 | ノッチ感受性のあるサイクル荷重にさらされる部品、ニッケルが破壊靭性を改善する場合 |
| コスト効率が重要な一般用途の焼入れ・焼戻し部品 | 改善された低温靭性が要求される用途やノッチ抵抗が優先される場合 |
選択の理由: - 高い焼入れ性、一貫した焼入れ応答、コスト効率が主な懸念事項である場合は42CrMoを選択してください。 - ノッチや低温サービス下での靭性向上が必要で、予算がわずかに高い合金コストを許容できる場合は40CrNiMoAを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト: 40CrNiMoAは、追加のニッケルと靭性のための厳しい品質管理により、通常42CrMoよりもトンあたりのコストが高くなります。ただし、コストの違いは市場のニッケル価格やミルの調達に依存します。
- 入手可能性: 42CrMo（および4140/42CrMo4などの国際的な同等品）は、バー、鍛造、プレートの形状で広く入手可能です。40CrNiMoAは、GBグレードが標準である地域（中国および一部のアジア市場）で一般的に入手可能で、鍛造および圧延製品形状で入手できますが、これらの地域外のコモディティ供給チェーンではあまり一般的ではないかもしれません。
- 製品形状: 両者はバー、鍛造、プレートとして生産されます; 調達リードタイムとミルテスト（例: 衝撃試験証明書）は、重要な用途のために確認する必要があります。
10. 概要と推奨
表: 簡単な比較
| 側面 | 42CrMo | 40CrNiMoA |
|---|---|---|
| 溶接性 | 予熱とPWHTで良好; HAZの挙動が予測可能 | 制御下で良好; NiはCEをわずかに増加させるがHAZ靭性を改善 |
| 強度-靭性バランス | 高強度; 正しい焼戻しで良好な靭性 | Q&Tで同等の強度; 改善された靭性/ノッチ抵抗 |
| コスト | 一般的に低い | 一般的に高い（ニッケル含有量） |
推奨事項: - 高強度部品に対して信頼できる焼入れ性を持つコスト効率の良い、入手可能なCr–Mo合金が必要な場合は42CrMoを選択してください。これは、多くのシャフト、ギア、および一般的な構造部品にとって実用的な選択です。 - 同等の強度レベルで優れた衝撃靭性、ノッチ抵抗、または改善された低温性能が要求される場合は40CrNiMoAを選択してください — 例えば、大型クランクシャフト、深くノッチのある部品、または失敗の結果が重大な動的衝撃を受ける部品です。
最終的な注意: 常にミル証明書を確認し、重要な部品のために熱処理パラメータ、シャルピーエネルギー要件、および溶接手順資格を指定してください。材料選択は、正確な製品形状と意図された熱処理のためにサンプル試験または供給者データで確認する必要があります。