45# 対 40Cr – 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、回転シャフト、ギア、ピン、機械部品のために、プレーンカーボン鋼と低合金鋼の間で選択を迫られることがよくあります。45#（一般的に中炭素プレーン鋼として指定される）と40Cr（クロム合金中炭素鋼）は、隣接する組成領域に位置しているため、しばしば比較されますが、硬化性、強度、熱処理応答は異なります。
根本的な違いは、40Crのクロム添加が焼入れおよび焼戻し後の硬化性と達成可能な強度を増加させるのに対し、45#は硬度と強度を達成するために炭素含有量と断面サイズに依存することです。この違いは、通し硬化、断面厚さ、熱処理後の機械的目標が重要な場合の選択を促します。
1. 規格と指定
- 45#: 中国のGB/Tグレード「45#」としてよく見られます。西洋の同等グレード：おおよそAISI/SAE 1045（中炭素鋼）。プレーンカーボン鋼（非合金）として分類されます。
- 40Cr: GB/Tで「40Cr」として見られます。おおよその同等物：AISI/SAE 5140/4140ファミリー（低合金クロム鋼）。低合金鋼として分類されます。
比較可能な鋼をカバーする他の関連規格システム： - ASTM/ASME: SAE/AISIシリーズ（例：1045、4140）。 - EN: EN 8 / C45（45#に最も近い）；40Crは正確な化学組成に応じてEN 19/42CrMo4の変種に近似します。 - JIS: JISは異なる数値コードの下で類似の中炭素および合金鋼を示します。 - GB: 中国のGB/T規格による45#および40Cr。
2. 化学組成と合金戦略
表：典型的な組成範囲（wt%）。実際の規格限界は標準および製鋼所に依存します。
| 元素 | 45#（典型的） | 40Cr（典型的） |
|---|---|---|
| C | 0.42–0.50 | 0.37–0.44 |
| Mn | 0.50–0.80 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.17–0.37 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | —（微量） | 0.80–1.20 |
| Ni | —（微量） | ≤0.30（存在しない場合もあり） |
| Mo | —（微量） | ≤0.08（小さいか存在しない） |
| V, Nb, Ti, B, N | 微量/制御 | 微量/制御 |
合金が特性に与える影響： - 炭素：主な硬化性と常温強度；Cが高いほど達成可能な硬度が増加しますが、靭性と溶接性が低下します。 - クロム（40Crにおいて）：硬化性と焼戻し抵抗を高め、焼入れおよび焼戻し後の強度と耐摩耗性を改善します；また、炭化物構造を精製します。 - マンガンとシリコン：脱酸と強度；Mnは硬化性に寄与します。 - 燐と硫黄は靭性と加工性を維持するために低く保たれます。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - 45#: アニーリングまたは正規化状態では、微細構造はフェライト + パーライトであり、中程度のパーライト比は約0.45%Cに一致します。焼入れ + 焼戻しにより、所望の硬度に調整されたテンパーされたマルテンサイトが生成されますが、45#は強い合金元素を欠いているため、硬化性は限られています—コアマルテンサイトは比較的小さな断面でのみ達成可能です。 - 40Cr: 正規化状態では、合金炭化物を含むフェライト + パーライト；焼入れ後は、Crのおかげで45#に比べて大きな断面でマルテンサイトを形成する能力があります。焼戻しにより、より良い強度–靭性バランスと改善された焼戻し抵抗を持つテンパーされたマルテンサイトが生成されます。
一般的な加工の影響： - 正規化：両グレードは粒子サイズを精製し、予測可能なフェライト/パーライト微細構造を生成します；40Crはより細かい炭化物分散を形成する可能性があります。 - 焼入れ & 焼戻し：40Crは厚い断面でより高い強度と靭性を達成します；45#は小さな断面で比較可能な硬度に達することができますが、脆い挙動を避けるために慎重な制御が必要です。 - 表面硬化（誘導、浸炭）：両グレードは適しています；40Crは硬化した表面を持つタフなコアが必要な場合に好まれ、表面耐摩耗性を向上させるために浸炭することができます。
4. 機械的特性
注意：機械的特性は熱処理と断面サイズによって大きく異なります。以下の値は、決定的な規格値ではなく、エンジニアリング比較に使用される典型的な範囲です。
| 特性（典型的範囲） | 45# | 40Cr |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | 520–750 | 600–1100 |
| 降伏強度（MPa） | 300–500 | 400–950 |
| 伸び（%） | 10–18 | 8–16 |
| 衝撃靭性（シャルピーV, J） | 15–60（熱処理依存） | 20–80（テンパーされた焼入れ状態でより良い） |
| 硬度（HBまたはHRC） | HB 160–250（HRC ~15–30） | HB 180–320（HRC ~18–36） |
解釈： - 強度：40Crは通常、焼入れ & 焼戻し後により高い引張強度と降伏強度を達成できます。これはCrによって強化された硬化性とテンパーされたマルテンサイトの安定性によるものです。 - 靭性：適切に焼戻しされた場合、40Crは大きな断面でより良い強度–靭性バランスを提供します。小さな断面やアニーリング状態では、45#も比較可能な靭性を示すことがあります。 - 延性：アニーリングされた45#はわずかに高い伸びを示す傾向があります；高強度熱処理後の40Crは延性が低くなります。
5. 溶接性
溶接性は炭素含有量、合金元素、厚さ（硬化傾向）に依存します。役立つ重症度指数：
- 国際溶接協会の炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-オーステナイト溶接性パラメータ（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： - 45#: C ≈ 0.45%で非常に低い合金含有量を持つため、$CE_{IIW}$は中程度です；厚い断面では亀裂を避けるために予熱と制御冷却が推奨されますが、全体的な溶接性は同じ硬度の合金鋼よりも良好です。なぜなら、硬化性を促進する元素が少ないからです。 - 40Cr: クロムは$(Cr+Mo+V)$項を介して$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の寄与を高めます；したがって、40Crは厚い断面で硬いマルテンサイトHAZの傾向が高く、通常は予熱、インターパス温度制御、または溶接後熱処理（PWHT）が必要です。低水素電極と制御された溶接手順の使用が推奨されます。
推奨：重要な溶接や厚い断面の場合は、40Crの高い硬化性を考慮した手順を選択してください；小さな部品や溶接が偶発的な場合は、45#の方が溶接しやすいです。
6. 腐食と表面保護
- 45#も40Crも化学組成によってはステンレスまたは耐腐食性ではありません。腐食抵抗は、特定の合金（例：高いCrまたはMo）が存在しない限り、バルクでは類似しています。
- 一般的な保護：大気曝露のための塗装、油塗り、リン酸塩処理、亜鉛メッキ；摩耗腐食環境のためのメッキまたはコーティング。熱処理された40Cr部品には、熱処理後の加工に適したコーティングを選択してください。
- 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；参考のため： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ しかし、この指数は重要なCr、Mo、Nを含むステンレス合金にのみ関連します。
7. 製造、加工性、成形性
- 加工性：アニーリング状態の45#（1045）は合理的に加工しやすいです；炭素が高いと、硬化した材料を切削する際に工具の摩耗が増加します。40Crは硬化するとよりタフになり、工具に対してより研磨性が高くなる可能性があります；正規化またはアニーリング状態では加工は管理可能です。
- 成形性/曲げ：アニーリングされた45#はより成形しやすいです；正規化状態の40Crはアニーリングされた45#よりも延性が低く、曲げ半径が大きくなるか、硬化状態で成形する場合は予熱が必要です。
- 表面仕上げ：適切に熱処理された場合、両者は研削、旋削、ポリッシングに良く反応します；切削速度と工具材料の選択は硬度と焼戻しを考慮する必要があります。
8. 典型的な用途
| 45#（典型的な用途） | 40Cr（典型的な用途） |
|---|---|
| 低から中程度の負荷のシャフト、アクスル、スタッド、ピン、クランク部品 | 重負荷のシャフト、ギア、クランクシャフト、高強度ピン、ギアブランク |
| 中程度の強度が必要でコストが重要な一般的な機械部品 | より深い硬化と大きな断面での高疲労強度が必要な部品 |
| 小さな断面での焼入れ/焼戻し後のボルトおよびブローチ部品 | 耐摩耗性のための鍛造部品、浸炭/焼入れ部品 |
選択の理由： - コスト、中程度の強度、より簡単な熱処理または溶接が優先され、小さな断面の場合は45#を選択してください。 - より高い通し硬化、より良い焼戻し安定性、および特に大きな断面でのより高い耐荷重能力が必要な場合は40Crを選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：45#は合金添加がないため、通常40Crよりもトンあたりのコストが低いです。40CrはCr含有量と合金鋼として指定されるため、プレミアムがかかります。
- 入手可能性：両グレードはバー、プレート、鍛造品、丸棒で世界中で一般的に入手可能です。45#は一般目的の在庫として普及しています；40Crはエンジニアリング用途のために広く在庫されており、通常は正規化、焼入れ & 焼戻し、鍛造状態で提供されます。
- リードタイム：標準的なメトリックバーと鍛造品はすぐに入手可能です；特別な化学組成や厳しい公差の鍛造品はリードタイムを延ばす可能性があります。
10. まとめと推奨
まとめ表（高レベルの定性的）：
| 特性 | 45# | 40Cr |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（厚い断面の場合は予熱が必要） | より難しい（より高い予熱/PWHTが必要なことが多い） |
| 強度–靭性（熱処理後） | 中程度 | 高い（より良い通し硬化 & 焼戻し応答） |
| コスト | 低い | 高い |
次の条件に該当する場合は45#を選択してください： - 小から中程度の断面のためのコスト効果の高い中炭素鋼が必要です。 - 溶接の容易さとより簡単な熱処理手順が優先されます。 - アプリケーションが合理的な強度と良好な加工性および成形性（アニーリングまたは正規化後）を必要とします。
次の条件に該当する場合は40Crを選択してください： - 焼入れ & 焼戻し後により高い硬化性と強度/靭性が必要で、特に大きな断面で。 - 部品がより高い疲労荷重、重いサービスにさらされるか、硬化した表面を持つタフなコアが必要です。 - 熱処理後の予測可能な性能とより良い焼戻し抵抗が重要であり、それがより高い材料コストを正当化する場合。
結論として：最終的な選択は、必要な機械的目標、断面厚さ、熱処理能力、溶接要件、および総ライフサイクルコストによって決定されるべきです。疑問がある場合は、グレードだけでなく、必要な機械的特性と熱処理状態を指定してください；材料エンジニアがその目標を達成するために最も経済的なグレードとプロセスを選択できます。