42CrMo 対 42CrMo4 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
42CrMoおよび42CrMo4は、中炭素クロムモリブデン合金鋼であり、シャフト、ギア、ファスナーなどの高強度で熱処理可能な部品に広く使用されています。エンジニアや調達専門家は、これら2つのラベルの間で選択のジレンマに直面することがよくあります。なぜなら、両者は非常に似た冶金学的特性と機械的挙動を示しますが、異なる地域の規格や供給チェーンで参照されるからです。典型的な意思決定の文脈には、必要な認証（地域またはプロジェクト標準）のバランス、溶接性および溶接後の処理の指定、特定の製品形状に対するコストとリードタイムの最適化が含まれます。
主な実用的な違いは、劇的な冶金的不一致ではなく、生産、検査、認証を管理する規格および仕様の制度です。その違いは、調達、トレーサビリティ、時には微小な組成公差や許可された不純物レベルに影響を与えます。
1. 規格と指定
- EN（ヨーロッパ）：42CrMo4 — EN 10083–3およびEN鋼番号システムで一般的に参照され（材料データベースでは1.7225としても示されることが多い）。
- GB（中国）：42CrMo — 中国の国家規格（GB/T）で広く使用され、合金構造鋼として一般的にリストされている。
- ASTM/ASME / AISI（アメリカ）：AISI 4140 / UNS G41400は、最も広く受け入れられているアメリカの同等品であり、クロスリファレンスチャートで42CrMo/42CrMo4と交換されることが多い。
- JIS（日本）：SCM440は、一般的に引用される日本の同等品である。
- 分類：42CrMoおよび42CrMo4は、中炭素、低合金、熱処理可能な鋼である（焼入れおよび焼戻しに適した合金鋼；ステンレス鋼ではない；現代的な意味でのHSLAではない）。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | 典型的な42CrMo（GB/T） | 典型的な42CrMo4（EN） |
|---|---|---|
| C | 0.38 – 0.45 wt% | 0.38 – 0.45 wt% |
| Mn | 0.60 – 0.90 wt% | 0.60 – 0.90 wt% |
| Si | 0.10 – 0.40 wt% | 0.10 – 0.40 wt% |
| P | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% |
| S | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% |
| Cr | 0.90 – 1.20 wt% | 0.90 – 1.20 wt% |
| Ni | ≤ 0.40 wt%（指定なし） | ≤ 0.40 wt%（指定なし） |
| Mo | 0.15 – 0.30 wt% | 0.15 – 0.30 wt% |
| V, Nb, Ti, B, N | 微量 / 通常指定なし | 微量 / 通常指定なし |
注意： - これらは典型的な組成範囲であり、実際の公差は規格および製鋼所の認証に依存します。 - 合金戦略は、強度を確保するために中程度の炭素を維持しつつ、硬化性と焼戻し抵抗を高めるためにCrおよびMoに中心を置いています。MnおよびSiは強度と脱酸を助けるために存在します。PおよびSは、靭性と疲労寿命を保持するために低レベルに制御されています。
合金が特性に与える影響： - 炭素：焼入れ後のマルテンサイト形成を通じて主な強度の寄与者；Cが高いほど硬化性が増すが、溶接性と延性が低下する。 - クロムおよびモリブデン：硬化性、耐摩耗性、高温焼戻し抵抗を高める；厚い部材での深い硬化を促進する。 - マンガン：硬化性と引張強度を高める。 - シリコン：フェライトを強化し、焼戻し挙動を改善する。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - 正規化状態：フェライトとパーライトの混合物で、制御冷却が適用されると細かい粒子が得られる。 - 焼入れおよび焼戻し後（これらの鋼に最も一般的な経路）：炭化物（Cr/Moが豊富）が分散した焼戻しマルテンサイトで、高い強度と改善された靭性を提供する。
加工経路と応答： - 正規化（オーステナイト化温度からの空冷）：粒子サイズを精製し、中程度の強度と改善された加工性のために予測可能な均一な微細構造を生成する。 - 焼入れ＆焼戻し：オーステナイト化（セクションサイズに応じて約820–880°C）、焼入れ（油/水/制御ポリマー）、その後400–650°Cで焼戻して強度と靭性のバランスを取る。結果：高い引張強度と降伏強度を保持しつつ靭性を維持；焼戻し温度が最終硬度を制御する。 - 熱機械加工：鍛造と制御冷却を組み合わせることで、非常に細かい前オーステナイト粒子と改善された疲労抵抗を生成できるが、プロセスに敏感である。
両グレードはこれらの熱処理に類似して応答する；保証された化学成分や不純物限界の小さな違いが、大きなセクションでの硬化性や靭性のマージンにわずかに影響を与える可能性がある。
4. 機械的特性
| 特性（典型的） | 42CrMo / 42CrMo4（正規化） | 42CrMo / 42CrMo4（焼入れ＆焼戻し） |
|---|---|---|
| 引張強度（Rm） | 650 – 850 MPa | 850 – 1100+ MPa（プロセス依存） |
| 降伏強度（Rp0.2） | 360 – 600 MPa | 600 – 950 MPa |
| 伸び（A%） | 12 – 18% | 8 – 15% |
| 衝撃靭性（シャルピーV、室温） | 30 – 80 J | 20 – 60 J（焼戻し＆セクション依存） |
| 硬度 | 180 – 260 HB | 220 – 360 HB（またはHRC 18–36） |
解釈： - 両グレードは、同等に処理された場合、非常に似た機械的特性を達成できる。焼入れ＆焼戻しは、延性を犠牲にして引張強度と降伏強度を大幅に高める。 - 靭性と延性は、熱処理パラメータおよび清浄度（包含物の含有量）に強く依存する — 両ラベル間の違いは、通常、加工効果に対して無視できる。
5. 溶接性
溶接性は中程度であり、主に炭素含有量とCr/Moからの硬化性によって管理される。炭素等価式を使用して、予熱およびPWHTの必要性を推定する。
一般的な指標： - IIW炭素等価： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 国際Pcm： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - これらの鋼の典型的な$CE_{IIW}$は中程度（通常は正確な化学組成に応じて0.4–0.6程度）であり、適切な予熱および/またはインターパス温度が使用されない限り、熱影響部（HAZ）で硬いマルテンサイトを形成する傾向を示す。 - 予熱および制御されたインターパス温度は、冷却速度とHAZ硬度を低下させる；PWHT（焼戻し）は、重要な、厚い、または高ストレスの溶接部に推奨される。 - 42CrMoと42CrMo4は、類似の溶接性を持つ；選択はPWHTの受け入れと製造環境によって推進される。資格のある溶接手順を使用し、亀裂防止のために水素管理と予熱を考慮する。
6. 腐食および表面保護
- これらのグレードはステンレス鋼ではなく、素の状態では腐食抵抗が低い。
- 表面保護オプション：塗装、油塗り、リン酸処理、電気メッキ、熱浸漬亜鉛メッキは、用途および熱処理後の制約に応じて（焼戻し後の亜鉛メッキは許容される場合がある；重要な熱処理の前の亜鉛メッキは許可されない）。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は非ステンレス鋼には適用されないが、参考のために式は： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ であり、これらの低Cr合金鋼に対して意味のない低い値を生成する；したがって、腐食性能は必要に応じてコーティングやステンレスオーバーレイによって管理されるべきである。
7. 加工、加工性、および成形性
- 加工性：正規化状態では加工性は中程度；焼入れ＆焼戻し状態では加工が難しくなり、カーバイド工具と減速が必要になる場合がある。自由切削バリアント（硫黄添加）は、これらのグレードには標準ではない。
- 成形性：熱成形および鍛造は簡単；冷間成形は炭素含有量によって制限される — 厳しい冷間曲げは、アニーリングまたは正規化状態で使用しない限り、亀裂を引き起こす可能性がある。
- 研削および仕上げ：両者は熱処理後の精密研削に良く応答する；疲労寿命のための表面処理（ショットピーニング、窒化）が一般的に適用される。
8. 典型的な用途
| 42CrMo（一般的な用途） | 42CrMo4（一般的な用途） |
|---|---|
| シャフト、アクスル、スピンドル | シャフト、アクスル、スピンドル |
| ギアおよびピニオン | ギアおよびピニオン |
| 高強度ファスナーおよびボルト | 高強度ファスナーおよびボルト |
| 小型または中型セクションのコネクティングロッド、クランクシャフト | 高サイクリック負荷下の機械部品 |
| 加圧部品（適切な熱処理後） | ENトレーサビリティを必要とする自動車および重機部品 |
選択の理由： - 両グレードは、焼入れ＆焼戻し後の高強度と良好な疲労抵抗のために選ばれる。 - 必要な認証、指定された標準、供給チェーン（どの製鋼所と地域）、および必要な溶接後熱処理の受け入れに基づいて選択する。
9. コストと入手可能性
- 両材料は、バー、鍛造品、シームレスチューブ、プレートで世界中に広く入手可能である。入手可能性は地域や在庫業者の好みによって異なる。
- 42CrMo4はヨーロッパ市場で非常に一般的であり、EN認証が必要な場合にしばしば便利である。
- 42CrMo（GB/T）および同等品（AISI 4140 / SCM440）は、通常、アジアおよび北アメリカで調達しやすい。
- 相対的なコストの違いは通常小さく、名目上のグレードラベルよりも製品形状、セクションサイズ、熱処理または製鋼所の認証要件によって支配される。
10. 概要と推奨
| 基準 | 42CrMo | 42CrMo4 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 中程度；予熱/PWHTがしばしば必要 | 中程度；予熱/PWHTがしばしば必要 |
| 強度–靭性（熱処理済み） | 高い（プロセス依存） | 高い（プロセス依存） |
| コスト / 入手可能性 | アジア/アメリカで広く入手可能；競争力がある | ヨーロッパで広く入手可能；競争力がある |
推奨事項： - GB/AISIサプライヤーエコシステム内で材料を調達する必要がある場合、またはプロジェクト調達がGBまたはアメリカの仕様の同等性を求め、典型的な4140クラスの機械的性能と地域のトレーサビリティを必要とする場合は、42CrMoを選択してください。 - プロジェクト仕様がEN材料認証、ヨーロッパの供給チェーンの整合性を求める場合、またはクライアント/プロジェクト契約が明示的にEN標準（42CrMo4 / EN 1.7225）を示す場合は、42CrMo4を選択してください。
最終的な注意：これら2つのラベルの冶金的および機械的性能は大きく重なり合っている；決定要因はしばしば非冶金的（標準遵守、製鋼所の認証、トレーサビリティ、地域の入手可能性）である。重要な部品については、グレード名だけに依存するのではなく、必要な熱処理、機械的特性の受け入れ基準、およびNDT/溶接後熱処理手順を常に指定してください。