42CrMo 対 40CrNiMoA – 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、シャフト、ギア、重いファスナーなどの高強度部品を設計する際に、42CrMoまたは40CrNiMoAを指定するかどうかの決定に直面することがよくあります。これらの決定における典型的なトレードオフには、必要な強度と靭性、コストと性能、熱処理または溶接の制約と必要な製品形状の入手可能性が含まれます。

これら2つのグレードの根本的な違いは合金戦略にあります：42CrMoは、焼入れと焼戻し後の硬化性と高強度を最適化したクロムモリブデン中間合金鋼であり、40CrNiMoAは、衝撃靭性と疲労抵抗を大幅に改善するためにニッケル（クロムとモリブデンを含む）を追加しています。この違いは、延性、破壊抵抗、または低温靭性が重要な場合に選択を促します。

1. 規格と指定

• 42CrMo:
• 一般的な規格：EN 10250 / EN 10083-3 指定 42CrMo4、GB/T 3077 (42CrMo)、AISI/SAE 4140（類似ファミリー）と広く比較されます。
• カテゴリ：中間合金熱処理鋼（ステンレスではない）；焼入れおよび焼戻し（QT）条件で指定されることが多い。
• 40CrNiMoA:
• 一般的な規格：GB/T（中国）グレード40CrNiMoA；仕様意図においてAISI/SAE 4340と比較されることが多い。
• カテゴリ：ニッケルクロムモリブデン合金鋼（熱処理可能）、単純なCr–Mo鋼よりも高い靭性。

両者は合金鋼（ステンレスではない）であり、目標機械的特性を達成するために成形後の熱処理が必要な構造および工学部品を意図しています。

2. 化学組成と合金戦略

表：典型的な組成範囲（wt%）。これらは商業グレードの代表的な範囲であり、比較目的で使用されます；正確な値は特定のミル証明書または適用される規格から取得する必要があります。

元素	42CrMo（典型的範囲、wt%）	40CrNiMoA（典型的範囲、wt%）
C	0.38 – 0.45	0.36 – 0.44
Mn	0.50 – 0.80	0.50 – 0.80
Si	0.15 – 0.40	0.15 – 0.40
P	≤ 0.025 (最大)	≤ 0.025 (最大)
S	≤ 0.035 (最大)	≤ 0.035 (最大)
Cr	0.90 – 1.20	0.80 – 1.20
Ni	— (微量からなし)	1.20 – 1.80
Mo	0.15 – 0.30	0.10 – 0.30
V	≤ 0.05 (微量典型)	≤ 0.05 (微量典型)
Nb, Ti, B, N	微量 / 制御（鋼メーカー依存）	微量 / 制御

合金が特性に与える影響： - 炭素は基準の硬化性と強度の可能性を設定します；両グレードは焼入れと焼戻し後に高強度を実現するための中炭素鋼です。 - クロムとモリブデンは硬化性と焼戻し抵抗を増加させ、強度と耐摩耗性も向上させます。 - ニッケルは重要な差別化要因です：ニッケルは靭性を改善し、延性を向上させ、脆性から延性への転移温度を低下させ、衝撃および疲労性能にとって重要です。 - マンガンとシリコンは脱酸剤であり、強度と硬化性にわずかに寄与します。 - 微量元素および微合金添加物（V, Nb, Ti, B） — 存在する場合 — は粒径と析出挙動を修正し、指定された製品形状で靭性または強度を改善するために使用されることがよくあります。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - 正常化後：両鋼は冷却速度に応じて、フェライトマトリックスを持つ焼戻しバイナイト/パーライト構造を示します。粒径は熱間加工と正常化温度に依存します。 - 焼入れおよび焼戻し（QT）：両者は焼入れの厳しさに応じて焼戻しマルテンサイトまたは焼戻しバイナイトを発展させます。焼戻し温度は強度と靭性のバランスを制御します。

熱処理の効果： - 正常化（オーステナイト化からの空冷）は粒径を精製し、機械加工可能で寸法的に安定した均一な微細構造を生成します — 鍛造ブランクや一部のバーの供給条件として一般的に使用されます。 - オーステナイト化からの焼入れ（油/水/制御）とその後の焼戻しは、高強度を達成するための標準的なルートです。焼入れの厳しさと部品の断面厚さが、結果として得られるマルテンサイトの割合と残留応力を決定します。 - 焼戻しは硬度を低下させ、靭性を向上させます；ニッケルを含む鋼（40CrNiMoA）は、ニッケルがマトリックスを安定させ、多くの条件で焼戻し脆化傾向を低下させるため、同等の焼戻し温度でより良い靭性を保持することが一般的です。 - 熱機械処理（制御圧延および加速冷却）は、優れた強度–靭性バランスを持つ細かいバイナイト構造を生成することができます；低温靭性が要求される場合、40CrNiMoAはTM処理からより多くの利益を得ます。

4. 機械的特性

表：焼入れおよび焼戻し条件における典型的な機械的特性。値は典型的な産業用Q&T焼戻しの指標範囲であり、正確な熱処理および断面サイズによって異なります。

特性	42CrMo（QT、典型的範囲）	40CrNiMoA（QT、典型的範囲）
引張強度 (MPa)	800 – 1100	850 – 1150
降伏強度 (MPa)	600 – 900	650 – 950
伸び (% A)	10 – 16	10 – 18
衝撃靭性 (Charpy V, J)	20 – 60 (温度および焼戻し依存)	40 – 120 (一般的に高い、低温で優れた)
硬度 (HRC)	24 – 40 (焼戻しに依存)	24 – 44 (類似の範囲；同等の硬度でより靭性がある場合も)

解釈： - 両グレードは比較可能な強度レベルに熱処理できます。40CrNiMoAは、ニッケルが靭性を高め、延性から脆性への転移温度を低下させるため、同じ硬度/強度で衝撃靭性と疲労抵抗が改善されることが一般的です。 - 42CrMoは、靭性の要求が中程度で、Cr–Mo単独からの焼入れ硬化性が十分な部品に対しては、わずかに経済的である可能性があります。 - 高い破壊靭性や低温でのサービスが要求されるアプリケーションでは、40CrNiMoAが好まれることが多いですが、引張特性は類似しています。

5. 溶接性

溶接性は炭素当量と硬化性に依存します。一般的に使用される2つの経験的指標：

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

定性的解釈： - 両グレードは中炭素であり、CrとMoを含むため、適度な硬化性を持ち、予熱および溶接後の熱処理（PWHT）なしで溶接した場合、熱影響部（HAZ）で硬いマルテンサイトが形成されるリスクが無視できません。 - 40CrNiMoAのニッケルは、冷間割れの傾向に対する炭素当量の影響をわずかに低下させ、HAZの靭性を改善し、サービスクリティカルな部品での溶接を容易にする可能性があります — しかし、両グレードに対して予熱と制御されたインターパス温度が一般的に必要です。 - 両鋼にとって、溶接アセンブリのベストプラクティスには、低水素消耗品、適切な予熱（厚さとCE/Pcmに応じて）、制御されたインターパス温度、およびHAZマルテンサイトを焼戻しして残留応力を低下させるためのPWHTが含まれることがよくあります。 - 実際の化学分析を用いて$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の公式を使用し、正確な溶接手順の資格を取得してください。

6. 腐食と表面保護

• 42CrMoも40CrNiMoAもステンレス鋼ではなく、両者は露出環境で一般的および局所的な腐食に対して感受性があります。
• ニッケルは特定の水性環境において腐食抵抗に対していくつかの有益な効果を提供します（例：水素脆化への感受性を低下させ、特定の還元酸に対する抵抗を改善します）が、合金を「ステンレス」にするわけではありません。
• ほとんどの構造および機械的アプリケーションには、標準的な保護方法が適用されます：
• 熱浸漬亜鉛メッキは、熱処理後に互換性がある場合の屋外鋼材に使用されます。
• 液体または粉体コーティング（塗装システム）、リン酸処理、または亜鉛メッキが不適切な部品に対して使用されます。
• 摩耗抵抗のための表面工学（窒化、炭化、誘導硬化） — これらのプロセスは基礎化学と熱処理に相互作用します。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）はこれらの非ステンレス鋼には適用されませんが、腐食環境に対してステンレスグレードが考慮される場合、指標は次のようになります： $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ 腐食抵抗が主要な要件である場合、ニッケル含有量に依存するのではなく、ステンレス合金を使用してください。

7. 加工、機械加工性、および成形性

• 機械加工：
• 正常化またはアニーリング状態では、両者は標準的な合金鋼工具の実践を使用して機械加工可能です。40CrNiMoAのニッケルは、低ニッケル組成に対して機械加工性をわずかに低下させる可能性がありますが、違いはわずかです。
• 焼入れおよび焼戻し後、硬度が増加し、機械加工性が低下します；推奨される実践は、可能な場合は粗加工を行うことです。
• 成形：
• 冷間成形は炭素含有量によって制限されます；熱間成形および鍛造は複雑な形状の一般的なルートです。熱間成形後の正常化は一般的です。
• 40CrNiMoAのニッケルの存在は延性を改善し、割れが発生する前にわずかに攻撃的な成形ルートを許可する可能性があります。
• 表面仕上げ：
• 両者は研削、研磨、メッキを受け入れます。摩耗のための表面処理（炭化、窒化、誘導硬化）は基礎化学と最終的な硬度/靭性を考慮する必要があります。

8. 典型的な用途

42CrMo（一般的な用途）	40CrNiMoA（一般的な用途）
一般産業機械用のシャフト、軸、ギア、カップリング	靭性が重要な高強度シャフト、着陸装置のフィッティング、高負荷ギアおよびクランクシャフト
鍛造部品、中程度の負荷ファスナー、油圧シリンダー	重要な回転部品、重負荷ファスナー、衝撃または低温サービスにさらされる部品
良好な硬化性を必要とする機械基盤および工具部品	疲労および破壊抵抗が優先される航空宇宙/防衛または高安全性機械部品

選択の理由： - コストと入手可能性が主要な要因であり、靭性の要求が中程度で、標準的な焼入れおよび焼戻しサイクルが必要な耐久性を提供する場合は42CrMoを選択してください。 - 同等の強度レベルで高い破壊靭性、疲労寿命、低温性能が必要な場合は40CrNiMoAを選択してください — 例えば、安全クリティカルな回転部品や衝撃荷重にさらされる部品。

9. コストと入手可能性

• コスト：ニッケルは重要なコスト要因です。40CrNiMoAは、ニッケル含有量が高く、時には処理/検査要件が厳しいため、通常42CrMoよりも1キログラムあたりのコストが高くなります。
• 入手可能性：
• 42CrMoは広く生産され、さまざまなバーおよび鍛造サイズで在庫されています；一般的に世界中でより入手可能です。
• 40CrNiMoAは一般的に入手可能ですが、地域の製鉄所や需要に応じて、より狭い製品範囲で生産されることがあり、リードタイムが長くなる場合があります。
• 製品形状：両者はバー、鍛造品、時にはパイプや圧延板として提供されます；調達の早い段階でミル証明書と熱処理を指定して遅延を避けてください。

10. まとめと推奨

まとめ表：

基準	42CrMo	40CrNiMoA
溶接性	中程度（厚い部分には予熱/PWHTが必要）	中程度–ニッケルによるHAZ靭性の向上、依然として注意深い溶接が必要
強度–靭性バランス	高強度；適切な焼戻しで良好な靭性	同等の強度で優れた衝撃靭性と疲労抵抗
コスト	低い（一般的により経済的）	高い（ニッケルが材料コストを増加させる）
入手可能性	広い	一般的に入手可能だが、一部の市場ではあまり一般的でない場合がある

最終的な推奨： - 高い静的強度と耐摩耗性をより経済的な価格で必要とする設計の場合は42CrMoを選択してください。 - 部品が中程度の負荷で、溶接手順が管理可能で、サービス温度/靭性の要求が中程度である場合。 - 多くのバーおよび鍛造サイズで広範な入手可能性が必要な場合は。

• 高強度と優れた衝撃靭性、破壊抵抗、または低温性能を組み合わせる必要がある場合は40CrNiMoAを選択してください（例えば、高負荷回転部品、重要な安全部品、または疲労寿命が最重要なサービス）。
• 溶接性とHAZ靭性が特に重要であり、材料のプレミアムを正当化します。
• 改善されたサービス信頼性のために、潜在的に長いリードタイムやわずかに高い調達コストを受け入れることができる場合。

いずれのグレードを指定する場合でも、必要な熱処理条件、目標機械的特性、許容される硬度限界、および必要な認証を常に定義してください。溶接の場合は、測定された化学分析を使用して$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を計算し、溶接手順を資格付けしてください；腐食に敏感なアプリケーションでは、合金鋼のニッケルに依存するのではなく、ステンレスオプションを検討してください。