440A 対 440C – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
440Aと440Cは、硬度、耐摩耗性、および中程度の耐腐食性の組み合わせが求められる場所で広く使用される、密接に関連したマルテンサイト系ステンレス鋼です。エンジニアや調達チームは、コスト、刃保持力または耐摩耗寿命、加工の複雑さのトレードオフを考慮しながら、これらの材料の選択を行います。たとえば、低コストで加工が容易な材料と、優れた硬度と耐摩耗性を持つ高炭素グレードの選択の間での比較です。
これらのグレードの主な性能の違いは、炭素含有量の違いと、炭素がクロムや他の合金元素と相互作用してマルテンサイトの硬化性、炭化物の形成、最終的な機械的特性を制御する方法に起因しています。その結果、440Cは通常、440Aと比較して、靭性が低下し、溶接や機械加工がより困難になる代償として、より高い硬度と耐摩耗性を達成します。
1. 規格と指定
これらのグレードは、いくつかの国家および業界の規格で指定され、相互参照されています。これらのグレードが見つかる一般的な指定システムには、以下が含まれます：
- AISI / ASTM / ASME: AISI/UNS命名法（マルテンサイト系ステンレス鋼）によって参照されることが多い。
- EN（欧州規格）/ ISO同等物: クロムを含むマルテンサイト系ステンレスの指定の下でENリストに見られる。
- JIS（日本工業規格）: SUS440AおよびSUS440Cとして特定される。
- GB（中国規格）および他の国家規格: 地元のグレード名の下に類似の組成が現れる。
材料分類: 440Aと440Cはどちらもマルテンサイト系ステンレス鋼（一般的にベアリング/工具/ナイフ鋼として使用される）です。これらはHSLA鋼ではなく、優れた靭性や成形性よりも硬度と耐摩耗性を目的とした熱処理可能なステンレス/工具鋼です。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、2つのグレードの典型的な組成範囲を重量パーセントで示しています。これらの範囲は、一般的な仕様（JIS/EN/AISIファミリー）を代表するものであり、比較目的で意図されています。
| 元素 | 440A（典型的範囲、wt%） | 440C（典型的範囲、wt%） |
|---|---|---|
| C | 0.60 – 0.75 | 0.95 – 1.20 |
| Mn | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| Si | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| P | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 16.0 – 18.0 |
| Ni | ≤ 0.75 | ≤ 0.75 |
| Mo | ≤ 0.75（通常は低い） | ≤ 0.75（通常は低い） |
| V, Nb, Ti | 通常はなし | 通常はなし |
| B, N | 微量 / 指定なし | 微量 / 指定なし |
合金戦略と冶金的結果: - 約16–18%のクロムは、受動的な酸化膜を通じてステンレス特性を提供し、同時に耐摩耗性に影響を与える炭化物（Cr-炭化物）の形成を促進します。 - 炭素は主要な差別化要因です: 440Cの高炭素は、より多くの硬い炭化物を形成し、焼入れ後のマルテンサイトの硬度を増加させ、耐摩耗性と刃保持力を向上させます。 - マンガンとシリコンは脱酸剤および微量合金元素であり、モリブデンが存在する場合は、硬化性と耐腐食性をわずかに改善します。 - Ni、V、その他の微量合金元素の低レベルは一般的に欠如または最小限であり、特性はCr-C相互作用に依存しています。
3. 微細構造と熱処理応答
微細構造の比較: - 両方のグレードは、硬化後にマルテンサイトマトリックスを形成し、マトリックス内にクロム炭化物が分散します。炭化物のサイズ、体積比、および分布は炭素に強く依存します。 - 440A（低炭素）: より少ない炭化物を生成し、炭化物の体積比が小さくなる; マルテンサイトは炭素で飽和しにくく、硬度が低く、比較的良好な靭性を持ちます。 - 440C（高炭素）: クロム炭化物の体積比が高く、マルテンサイト内の炭素含有量が高くなります; 結果として、より高い硬度と改善された耐摩耗性を持ちますが、靭性と延性は低下します。
典型的な熱処理応答: - アニーリング: 両方のグレードは、加工前に応力を緩和し、柔らかくするためにアニーリングされます。アニーリングされた微細構造は通常、フェライト/パーライトと未溶解の炭化物を含み、硬度は加工に十分低いです。 - 焼入れ: セクションサイズと望ましい特性に応じて、油焼入れまたは空気/油焼入れを行います。オーステナイト化温度は、過度の結晶成長なしに適切な炭化物を溶解するように選択されます。 - 焼戻し: 焼戻しは脆さを減少させ、硬度を調整します。高炭素のため、440Cは特定の焼戻し温度でより高い焼戻し硬度を達成しますが、焼戻し脆性に対してより敏感であり、慎重な焼戻し選択が必要です。 - 熱機械処理: 制御された鍛造と溶解処理は、炭化物の分布を精製し、靭性と耐摩耗性を改善できます; 両方のグレードはこのような経路に応じますが、440Cは粗い炭化物を避けるためにより厳密なプロセス制御を要求します。
4. 機械的特性
機械的特性は熱処理に強く依存します。以下の表は、単一の絶対数値ではなく比較行動を要約しています — 製造および調達の選択決定を支援するために構成されています。
| 特性 | 440A（典型的な行動） | 440C（典型的な行動） |
|---|---|---|
| 引張強さ | 中程度から高い（硬化に依存） | より高い（完全に硬化した場合） |
| 降伏強さ | 中程度 | より高い |
| 伸び（延性） | より高い（より延性） | より低い（硬化時に脆くなる） |
| 衝撃靭性 | より良い（脆性破壊に対する抵抗が大きい） | より低い（硬化時により脆い） |
| 硬度（HRC、典型的な硬化範囲） | 約48 – 56 HRC | 約56 – 62 HRC |
説明: - 440Cは、より高い炭素がより硬いマルテンサイトとより多くのクロム炭化物を可能にするため、より高いピーク硬度と引張強度を達成します。それはまた、440Aに対して延性と衝撃靭性を低下させます。 - 靭性と壊滅的破壊に対する抵抗が優先される場合、440Aは一般的に同等の熱処理後により良い性能を発揮します。耐摩耗性と刃保持力が重要な場合、440Cが通常好まれます。
5. 溶接性
マルテンサイト系ステンレス鋼の溶接は、硬く脆いマルテンサイトを形成し、熱影響部（HAZ）で亀裂が発生する傾向があるため、注意が必要です。主な影響要因には、炭素含有量、硬化性（Crおよび他の合金）、および微量合金が含まれます。
有用な組成指標（定性的に解釈）: - 炭素当量（IIW）: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ より高い$CE_{IIW}$は、HAZの硬化と亀裂のリスクが高いことを示します; 440Cはその高い炭素のため、一般的に440Aよりも高い値を示します。
- Pcm（溶接性パラメータ）: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ より高い$P_{cm}$は、溶接性が悪化し、前加熱/溶接後の熱処理の要求が高くなることと相関します。
定性的解釈: - 440A（低炭素）は440Cよりも溶接が容易ですが、依然として前加熱、制御されたインターパス温度、およびHAZの亀裂を避けるための溶接後の焼戻しまたは応力緩和が必要です。 - 440C（高炭素）は溶接がより困難です。多くの場合、溶接は避けられ、機械的固定やブレージングが好まれることがあります。溶接が必要な場合は、厳格な前加熱、溶接パラメータ、および溶接後の熱処理プロトコルが必須です。
6. 腐食と表面保護
- 440Aと440Cは、クロム含有量によってステンレスですが、耐腐食性はオーステナイト系ステンレス鋼（300シリーズ）と比較して中程度です。クロム炭化物が形成され、臨界温度範囲で保持されると、局所的にクロムが枯渇し（感作）、局所的な耐腐食性が低下します。
- 攻撃的な環境では、表面保護（パッシベーション、コーティング）または代替合金を検討する必要があります。
PREN（ピッティング耐性等価数）式は、MoとNが重要な場合のステンレス鋼に対して: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - 適用: PRENは、顕著なMoとNを持つ二相およびオーステナイト系グレードに対して最も意味があります。440A/440Cの場合、低いMoとNを持つため、PRENは低く、有用な識別子ではありません。 - 実用的な注意: 耐腐食性が重要な場合（例: 海洋、酸性）、マルテンサイト系に依存するのではなく、より高いMo/N含有量を持つステンレスグレード（またはオーステナイト/二相合金）を選択してください。
非ステンレス用途の表面保護（材料が不十分な場合）: 炭素/合金鋼に対しては、亜鉛メッキ、メッキ、変換コーティング、および塗料が選択肢ですが、440A/440Cの場合、通常のアプローチはパッシベーション（酸パッシベーション）および隙間/ピッティングの発生を最小限に抑えるための制御された表面仕上げです。
7. 加工、機械加工性、および成形性
- 機械加工性: 440A（低硬度）は、アニーリング状態で440Cよりも一般的に加工しやすいです。440Cの高炭素および炭化物含有量は、工具の摩耗を増加させ、特別な工具/コーティングを使用しない限り、切削速度を低下させます。
- 研削および仕上げ: 440Cは精密研削および研磨に良く反応します — そのため、ナイフブレードやベアリング部品に人気があります。等しい送り速度で440Aよりも摩耗性が高く、遅いです。
- 成形性および曲げ: 両方のグレードは、オーステナイト系ステンレス鋼に対して冷間成形性が限られています。440Aは、硬化性が低いため、成形中にやや許容度が高いです; 440Cは通常、柔らかくアニーリングされた後にのみ成形され、その後熱処理されます。
- 成形後の熱処理は一般的な慣行です; 最終的な機械加工は、熱処理および焼戻し後、または研削操作を通じて行われることがよくあります。
8. 典型的な用途
| 440A — 典型的な用途 | 440C — 典型的な用途 |
|---|---|
| 低コストの食器、安価なナイフブレード、刃保持力が許容される外科用具 | 高級ナイフブレード、精密食器、長い刃保持力を持つカミソリの刃 |
| 小型ベアリング、中程度の負荷/摩耗および耐腐食性が十分なバルブ部品 | ボールベアリング、スラストワッシャー、高い耐摩耗性が求められるバルブシート |
| 中程度の硬度と靭性がバランスされたスプリングおよびシャフト | 高いスライディング摩耗にさらされる耐摩耗リング、シール、および油圧部品 |
| 加工経済性が重要な一般用途部品 | 高い硬度、耐摩耗性、細かい表面仕上げが求められる用途 |
選択の理由: - コスト、加工の容易さ、摩耗要求が中程度である場合は、440Aを選択してください。 - 刃保持力、耐摩耗性、ピーク硬度が決定的であり、より厳しい加工管理（熱処理、仕上げ研削）が適用できる場合は、440Cを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト: 440Aは通常、炭素含有量が低く、加工がやや容易なため、440Cよりもコストが低いです。ただし、市場価格は炭素だけでなく、クロム含有量や形状（バー、ストリップ）によっても影響されます; 両方とも商品ステンレスグレードであり、広く入手可能です。
- 製品形状による入手可能性: 両方のグレードは、バー、ストリップ、シート/プレート（限られた厚さ）、ワイヤー、およびスプリングテンパー形状で容易に入手できます。440Cは特にベアリング、ナイフブランク、および精密部品用の硬化および研削されたバーで一般的です。
- リードタイム: 標準商業形状は通常短いリードタイムを持ちます; 特殊形状（例: 大型鍛造品、カスタム熱処理サイクル）は時間がかかる場合があります。
10. まとめと推奨
まとめ表 — 相対評価:
| 属性 | 440A | 440C |
|---|---|---|
| 溶接性 | より良い（ただし注意が必要） | より悪い（亀裂のリスクが高い） |
| 強度 – 靭性のバランス | 中程度の強度、より良い靭性 | より高い強度/硬度、低い靭性 |
| コスト | 低い / より経済的 | 高い（加工および機械加工コスト） |
次の条件に該当する場合は440Aを選択してください: - 合理的な耐腐食性、中程度の硬度、より良い靭性、低い加工コストを持つマルテンサイト系ステンレス鋼が必要です。 - 最大の耐摩耗寿命や刃保持力よりも、機械加工性、溶接の容易さ（注意を払って）、または衝撃下での耐久性が重要です。 - アプリケーションがコストに敏感であり、摩耗環境が中程度です。
次の条件に該当する場合は440Cを選択してください: - 最大の硬度、耐摩耗性、刃保持力が優先属性です（例: 精密ナイフ、ベアリング、シール面）。 - より厳密な熱処理管理、溶接後/プロセス後の焼戻し、そして潜在的に増加した機械加工または研削コストを受け入れることができます。 - 設計が摩耗寿命が高靭性や溶接の容易さよりも重要な硬化部品を要求しています。
最終的な注意: 両方のグレードは、正しく指定され、処理されると優れた性能を発揮できます。主要な決定要因は、サービス環境（摩耗対衝撃）、加工制約（溶接、機械加工）、およびライフサイクルコストです。重要な部品については、試験を要求し、冶金学者に相談して、特定の熱処理サイクルや意図されたサービスに合わせた表面仕上げを定義してください。