431対440C – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

AISI/SAE 431および440Cは、強度、耐摩耗性、耐腐食性のバランスを必要とする用途で一般的に競合する2つの広く使用されているマルテンサイト系ステンレス鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、より高い硬度と耐摩耗性を優先するか、合理的なコストでの靭性と耐腐食性のより良いバランスを選択するというジレンマに直面しています。典型的な意思決定の文脈には、ベアリング、バルブ部品、ファスナー、シャフト、ナイフまたは工具用途が含まれ、熱処理の経路、表面仕上げ、環境が最適な選択を決定します。

これらのグレードの主な違いは、合金戦略にあります：一方は、炭素とクロムを高めることで非常に高い硬度と耐摩耗性を提供するように配合されている（440C）、もう一方は、追加の合金化を通じて改善された靭性と高い耐腐食性を達成するために、潜在的なピーク硬度の一部を犠牲にしています（431）。そのトレードオフは、熱処理応答、加工性、溶接性、典型的な用途の違いの基盤となっています。

1. 規格と指定

• 一般的な国際規格と指定：
• AISI/SAE: 431, 440C
• ASTM/ASME: 様々なASTM仕様がこれらの合金をバー、ワイヤー、または引き抜き製品で参照しています（特定のASTM製品規格を参照してください）
• EN: 最も近い同等物は、時々ENマルテンサイト系ステンレスカテゴリにマッピングされます（製造業者のデータシートを確認してください）

• JIS/GB: 日本および中国の規格には、類似のマルテンサイト系ステンレスグレードがあります；正確な同等物が必要な場合は変換表を参照してください。

• 分類：

• 431: マルテンサイト系ステンレス鋼（中〜高クロムを含むステンレス合金で、ニッケルと少量のモリブデン添加） — プレーンカーボン鋼よりも高い強度と耐腐食性が必要な場所で使用されます。
• 440C: 高炭素マルテンサイト系ステンレス鋼 / 工具グレードステンレス — 硬度と耐摩耗性を最適化；ステンレス工具鋼と見なされます。

2. 化学組成と合金戦略

以下は、供給業者データおよび一般的な仕様で遭遇する典型的な名目範囲を示す簡潔な組成表です。これらはおおよその範囲であり、意図された製品形状の特定のミル証明書または規格に対して常に確認してください。

合金化が挙動に与える影響： - 炭素：決定的な違い — 440Cの高炭素は、炭化物を伴うマルテンサイトの体積分率を高め、焼入れ/焼戻し後にはるかに高い硬度と耐摩耗性を可能にします。431の低炭素は、靭性を保持するためにピーク硬度を抑えます。 - クロム：両グレードは、受動性のために比較可能なクロムを持つマルテンサイト系ステンレスです；炭素と組み合わさることで、Crは炭化物の形成と硬化性に影響を与えます。 - ニッケルとモリブデン：431に存在し、耐腐食性と靭性を高めます；440Cは通常、耐摩耗性のために炭化物形成のためのCrと高炭素を優先するため、重要なNiとMoを省略します。 - 炭化物形成元素（Cr、V）：440Cにおいて硬い炭化物を促進し、耐摩耗性を向上させますが、靭性を低下させます。

3. 微細構造と熱処理応答

• 典型的な微細構造：
• 431：比較的少ない大きな炭化物を持つマルテンサイトマトリックス。適切にオーステナイト化され、焼入れおよび焼戻しされると、431は良好な靭性と適度な量の細かい炭化物を持つ焼戻しマルテンサイトを提供します。強度と延性のバランスを達成するために焼戻しに良く応答します。

• 440C：高炭素および高クロムのために、クロムリッチな炭化物（M23C6および類似のタイプ）で重く populatedされたマルテンサイトマトリックス。硬化後、微細構造にはマルテンサイトに埋め込まれた硬い炭化物の高体積分率が含まれ、高い硬度と耐摩耗性を生み出しますが、衝撃靭性は低下します。

• 熱処理感度：

• オーステナイト化温度と時間は炭化物の溶解を制御します。440Cは過度の結晶成長や残留オーステナイトを避けるために慎重なオーステナイト化制御が必要です。その後、硬いマルテンサイトを形成するために焼入れし、低〜中温度で焼戻しを行うことで目標硬度を達成します；ただし、過度の焼戻しは硬度を大幅に低下させます。
• 431は、靭性を必要に応じて強度と交換するために、より高い温度での焼戻しを可能にする広い焼戻しウィンドウを許容します。
• 熱機械処理（制御された圧延、制御された冷却）は、両グレードの以前のオーステナイトの粒径を精製し、靭性を向上させることができますが、440Cの高炭素は達成可能な延性改善の程度を制限します。

4. 機械的特性

特性は熱処理に強く依存します。典型的な比較挙動（定性的および指標範囲）：

解釈： - 440Cは、その高炭素と炭化物の多さにより、優れたピーク硬度と耐摩耗性を達成します。これにより、硬化状態での引張強度も高くなりますが、延性と衝撃靭性は犠牲になります。 - 431は、完全に硬化された440Cと比較して、より良い強度-靭性バランスを提供し、動的または疲労負荷サービスにおける亀裂に対する抵抗が改善されます。

5. 溶接性

溶接性は、炭素当量、硬化性、微合金化の影響を受けます。

有用な指標： - 国際溶接協会の炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 溶接リスクのための一般的なPcm式： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - 440C：高炭素は高い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値をもたらし — マルテンサイト形成、亀裂、熱影響部での水素助長冷却亀裂のリスクが高まります。予熱、溶接後の熱処理、低水素手順が通常必要です；完全な硬度が必要な部品の溶接は一般的に推奨されず、相当な溶接後の熱処理が適用される必要があります。 - 431：低炭素とNi/Moの存在は、440Cと比較して硬化性を抑制し、亀裂の感受性を低下させます。それでも、低炭素オーステナイト系ステンレス鋼ほど溶接性は高くありません；予熱と制御された冷却が推奨され、用途に応じて溶接後の焼戻しが必要になる場合があります。

6. 腐食と表面保護

• ステンレスの挙動：
• 両グレードはマルテンサイト系ステンレスであり、クロムにより受動的な膜を形成できます。しかし、耐腐食性は微細構造、炭化物の沈殿、合金添加に依存します。
• 431のNiと適度なMoは、特に440Cのクロムが炭化物に結びついている場合、440Cよりも多くの環境で適度に優れた耐腐食性を与えます。
• PRENの使用：
• PRENはオーステナイト/フェライト系ステンレスグレードに一般的に使用されます；マルテンサイト系、低窒素合金にはあまり意味がありません。それでも、式は次の通りです： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• これらのグレードでは、窒素は通常低く、PREN計算はマルテンサイト特有の現象（例：炭化物の沈殿）を捉えません。
• 非理想的な環境のための表面保護：
• 440Cは、特に塩素を含むまたは湿った環境で使用される場合、追加の表面保護またはパッシベーションが必要です；メッキ、パッシベーション、コーティング、または設計された腐食許容が考慮されるべきです。
• より高い耐腐食性が必要な場合は、マルテンサイト系グレードの代わりにオーステナイト系ステンレス鋼またはデュプレックスファミリーを検討してください。

7. 加工性、機械加工性、成形性

• 機械加工性：
• 440C：焼鈍状態では加工が難しく（高い炭化物含有のため）、硬化後はさらに難しくなります。仕上げのために研削が一般的で、工具の摩耗が大きくなります。炭化物工具と適切な切削速度の使用が標準です。
• 431：特に焼鈍または柔らかい焼戻し状態では、440Cよりも良好な加工性を持ちます。工具の寿命と切削パラメータはより寛容です。
• 成形性：
• 440Cは冷間成形性が限られており；成形は通常、焼鈍状態または機械加工によって行われます。
• 431は焼鈍状態でより成形性が高く；成形後に熱処理が可能です。
• 仕上げ：
• 両方とも研磨仕上げを受け入れることができます；440Cは硬い炭化物が耐摩耗性を助けるため、ベアリング/ナイフ表面の高い研磨を達成できますが、研磨には時間がかかります。

8. 典型的な用途

選択の理由： - サイクリック負荷、衝撃、または中程度の腐食曝露がある場合、431はその靭性と耐腐食バランスのために選ばれることが多いです。 - 耐摩耗性、エッジ保持、高硬度が設計要件の主なドライバーである場合、440Cはより厳しい加工と低靭性にもかかわらず、好ましい選択です。

9. コストと入手可能性

• コスト：
• 440Cは、合金含有量が高く、熱処理および研削要件が厳しく、機械加工での工具摩耗が増加するため、完成した硬化/研削形状ではより高価になる傾向があります。
• 431は、特に生産ルートが完全硬化を避け、適度な焼戻しのみを必要とする場合、通常は生産および機械加工のコストが低くなります。
• 入手可能性：
• 両グレードは、特殊なステンレス鋼および工具鋼の供給業者からバー、プレート、ワイヤー形状で広く入手可能です。440Cは小径ベアリングおよびナイフブランクで非常に一般的です；431はバーおよび鍛造部品に一般的です。
• 形状の考慮：
• 440Cの完成した硬化部品は、研削および研磨された状態で供給される場合があります — これらの付加価値形状はコストとリードタイムを増加させます。
• 440Cの大きな鍛造品や厚壁部品は、均一な特性を達成するのが難しいため、あまり一般的ではありません；431はより大きな断面に適応しやすいです。

10. まとめと推奨

まとめ表（定性的）：

結論 — 機能的な優先事項に基づいて選択： - より良い靭性、さまざまなサービス環境での耐腐食性の改善、加工/溶接の容易さが必要な場合は431を選択してください — 回転シャフト、バルブ部品、ファスナー、衝撃または疲労にさらされる部品に。 - 最大の硬度、耐摩耗性、エッジ保持が主なドライバーであり、メッキ、仕上げ、より厳しい熱処理および溶接の制約を管理できる場合は440Cを選択してください — ベアリング、切削エッジ、耐摩耗部品、精密工具に。

最終的な注意：両方の合金は、意図された機械的特性と耐腐食性能の組み合わせを達成するために、熱処理、後処理、表面準備の慎重なマッチングが必要です。最終選択の前に、常にミル証明書、供給業者のデータシートを参照し、アプリケーション固有のテスト（疲労、摩耗、腐食）を実施してください。