S136対420 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

S136と420の選択は、金型部品、精密部品、または腐食にさらされるハードウェアに取り組むエンジニア、調達マネージャー、製造プランナーにとって繰り返しの決定です。この選択は、腐食抵抗と表面仕上げをコストと製造の容易さとバランスさせることが多く、通常は部品の機能、期待されるサービス環境、および必要なライフサイクルコストによって決まります。

高いレベルでは、S136と420の両方は、硬度とある程度の腐食抵抗が必要な場所で使用されるマルテンサイト系ステンレス鋼ですが、異なる優先事項で設計されています。最も重要な実用的な違いは、S136が表面腐食に対する耐性と優れた研磨性を向上させるために最適化されたステンレス金型鋼であるのに対し、420はより広く入手可能でコストが低い汎用のマルテンサイト系ステンレス鋼であることです。これらの違いは、合金戦略、熱処理応答、表面仕上げ、および業界での選択基準に影響を与えます。

1. 規格と指定

• S136: ステンレス金型鋼として商業的に供給されており（金型鋼の供給業者やOEMによく参照される）、腐食抵抗と研磨性が必要な工具や金型インサートに通常指定されます。これは、従来の炭素工具鋼ではなく、ステンレス金型鋼のファミリーに属するマルテンサイト系ステンレス工具鋼です。
• 420: AISI/SAEによってAISI 420 / UNS S42000として指定されており、ASTMおよび多くの国際規格におけるマルテンサイト系ステンレス鋼です。これは、ステンレス工具およびエンジニアリング鋼として広く使用されています。

タイプによる典型的な分類: - S136 — ステンレスマルテンサイト金型/工具鋼（ステンレス特性を持つ工具鋼ファミリー）。 - 420 — マルテンサイト系ステンレス鋼（汎用ステンレス合金; エンジニアリングやカトラリーでよく使用される）。

(正確な規格番号と商業指定は供給業者によって異なる場合があります; 特定の注文については常に供給業者の材料証明書を確認してください。)

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、各グレードにおける一般的な合金元素の関心と定性的な存在を示しています。正確な濃度は供給業者や製品形状によって異なるため、調達の際は製鋼所の証明書を参照してください。

元素	S136（典型的、定性的）	420（典型的、定性的）
C（炭素）	中程度 — 硬化性と表面硬度を達成しつつ、研磨性を可能にするように調整されている	中程度 — 幅広い商業範囲; 最終的な硬度と強度を制御する
Mn（マンガン）	低〜中程度（保持されたオーステナイトと不純物を制限するために制御されている）	低〜中程度（脱酸剤、硬化性に影響）
Si（シリコン）	低（脱酸）	低（脱酸）
P（リン）	微量/低（靭性と腐食抵抗のために低く保たれている）	微量/低
S（硫黄）	非常に低（研磨性と腐食抵抗を改善するために最小限に抑えられている）	古いグレードではS136よりも高いことが多い（加工性を改善し、腐食抵抗を低下させる）
Cr（クロム）	比較的高い（ステンレス特性と腐食抵抗を提供するため）	高い（古典的には12〜14%; ステンレス特性を提供）
Ni（ニッケル）	低（微量で存在する場合がある）	低（通常は低〜微量）
Mo（モリブデン）	非常に低または不在（いくつかの金型グレードは腐食と靭性のバランスを取るためにMoを意図的に制御する）	通常は低または不在（指定されない限り）
V（バナジウム）	低〜中程度（存在する場合は、耐摩耗性と粒子の細化のため）	低（いくつかのバリアントに存在する場合がある）
Nb、Ti、B	通常は制御されているか不在（研磨性と特性を改善するために安定剤と微合金が制御されている）	通常は不在または微量
N（窒素）	低（腐食と靭性に対する影響のため、多くのバリアントで避けられる）	低（通常）

合金が性能に与える影響（高レベル） - クロム: ステンレス特性の主要元素。高く均一に分布したCrと低硫黄は、表面腐食とピッティングに対する抵抗を促進します。 - 炭素: 焼入れと焼戻し後の硬度と耐摩耗性を高めますが、高い不純物レベルと組み合わせるとマルテンサイトの硬化性と硬いゾーンの亀裂の感受性、腐食抵抗の低下を増加させます。 - 硫黄とマンガン: 高いSは加工性を改善しますが、研磨性と腐食抵抗を低下させます; S136はミラー仕上げのためにSを非常に低く保ちます。 - 微合金元素（V、Nb、Ti）: 炭化物を細化し、耐摩耗性と靭性のバランスを改善するために少量添加されます; その存在は金型鋼で表面仕上げを保持するために厳密に制御されています。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造 - S136と420の両方は、適切な焼入れ後にマルテンサイトを形成することを意図しています。焼鈍状態では、加工に応じてフェライト/パーライトまたは焼鈍マルテンサイト構造を含みます。焼入れ後の微細構造は、マルテンサイトに保持されたオーステナイトと炭化物を加えたものです; 焼戻しは硬度を低下させ、微細構造を安定させます。

熱処理の挙動と考慮事項 - S136: 清浄性と制御された炭化物分布に重点を置いて、真空焼鈍または事前硬化状態で頻繁に供給されます。腐食抵抗を保持しながら目標硬度に達するために標準的な焼入れと焼戻しサイクルを受け入れます。S136は高品質の表面仕上げが指定されているため、脱炭と表面酸化物を制限するために真空または制御雰囲気の熱処理が一般的です。 - 420: 従来の硬化に予測可能に応答します（オーステナイト化 → 焼入れ → 焼戻し）。420の熱処理は柔軟で、焼戻し温度に応じて高い靭性または高い硬度のために最適化できます。大気中の熱処理は一般的なエンジニアリングショップでよく使用されます。

正規化、焼入れ＆焼戻し、熱機械処理 - 正規化は両方の鋼の粒子サイズを細化し、機械加工操作の前に有用です。 - 焼入れ＆焼戻しは硬度と靭性のバランスを設定します。S136は腐食特性を保持するために、より保守的なオーステナイト化と焼戻しサイクルを真空処理と組み合わせて使用することが多いです。 - 熱機械処理（圧延と制御冷却）はバー/プレート生産により関連性が高く、両方の鋼の最終特性は主にその後の熱処理によって決まります。

4. 機械的特性

両方のグレードは熱処理に敏感であるため、絶対的な数値は供給業者、熱処理スケジュール、および製品形状に依存します。以下の表は、固定数値ではなく、典型的な機械的傾向の定性的な比較ビューを提供します。

特性	S136	420
引張強度	完全に硬化したときに高い（高い表面硬度のために設計されている）	完全に硬化したときに高い（Cに応じて類似の達成範囲）
降伏強度	典型的な金型硬度に焼戻し後に高い	比較可能; 焼戻しに応じて変動
伸び（延性）	中程度 — 高い硬度で低い伸びに傾く	中程度 — 調整可能; 一部の420バリアントは低い硬度でより良い延性を提供
衝撃靭性	非常に高い硬度で中程度から低い（金型鋼はしばしば硬度と表面品質のためにいくらかの靭性を犠牲にする）	中程度 — 炭素と加工に応じて同等の硬度でS136よりもわずかに高くなることがある
硬度（硬化）	研磨後に達成可能な高い硬度と持続的な表面硬度	達成可能な高い硬度; 炭素に応じて幅広い商業範囲

解釈 - 両方の鋼は、工具や耐摩耗部品に使用可能な類似の硬度レベルに硬化できます; 最終的な機械的バランスは炭素含有量と焼戻しに依存します。S136の製造と加工の重点は、清浄な微細構造と表面仕上げを生産することにあり、これが耐摩耗性と腐食抵抗をサポートしますが、一般的な420グレードよりもわずかに異なる炭素と焼戻しの選択が指定されることがあります。

5. 溶接性

マルテンサイト系ステンレス鋼の溶接性は、炭素と合金含有量が熱影響部（HAZ）で硬く脆いマルテンサイトを促進するため、オーステナイト系グレードに比べて難しいです。広く使用されている2つの溶接性指数:

• 炭素当量（IIW）: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• 当量Pcm（古いBE）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 - 高い$CE_{IIW}$または$P_{cm}$値は、HAZの亀裂のリスクが高く、事前加熱/溶接後熱処理の必要性を示唆します。S136と420の両方は、通常、慎重な溶接手順を必要とします: 事前加熱、低熱入力、溶接後の焼戻しまたは応力緩和が一般的な慣行です。 - S136は、グレードが高い炭素またはより厳密に制御された清浄性を持つ場合、やや許容度が低くなる可能性があります（感作を避け、表面仕上げを保持するため）。逆に、一般的なエンジニアリング用に調製された一部の420バリアントは、硫化物の含有物や高いMnを含むことがあり、ショップ溶接を容易にしますが、腐食抵抗を損なう可能性があります。 - 重要なアセンブリの場合、溶接は手順仕様（PQR/WPS）と試験で確認する必要があります; ブレージングや機械的固定が高い完全性の金型表面には好ましい場合があります。

6. 腐食と表面保護

• 12〜14%の範囲のクロムを含むマルテンサイト系ステンレス鋼の腐食抵抗は中程度であり、多くの屋内の非攻撃的環境や多くのポリマーの射出成形に十分です。S136は、硫黄、非金属含有物、および表面脱炭を制御することによって、より高い表面腐食抵抗とミラーポリッシュ性を実現するように設計されています。
• 厳しい環境では、S136も420もオーステナイト系（304/316）やデュプレックスステンレスのピッティング抵抗や一般的な腐食抵抗には及びません。局所的な腐食抵抗を評価する際には、ピッティング抵抗当量数（PREN）が有用です: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• 典型的なS136と420の化学組成（低Moおよび低N）では、PREN値は控えめです; したがって、S136は高いPRENをMoやNの添加によって得るのではなく、清浄性と最適化されたCr分布を通じて、実用的な表面腐食抵抗を達成します。

非理想的なシナリオのための表面保護オプション - 部品のサービスが追加の保護を必要とする場合: 電気めっきニッケル、PVDコーティング、窒化（腐食と硬度の目標に適合する場合）、またはポリマーコーティングが使用できます。420の一般的な腐食保護（コスト理由で選択された場合）には、標準的なコーティング（ステンレス部品には一般的ではない亜鉛メッキ）や塗料またはパッシベーション処理がオプションです。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性: 焼鈍または自由加工バリアントの420は、非常に硬化されたS136よりも一般的に加工が容易です。S136はしばしば事前硬化または真空焼鈍状態で供給され、加工は柔らかい状態で行い、その後最終熱処理と仕上げ研磨/ポリッシュが行われるべきです。
• 研磨とポリッシュ: S136はミラーポリッシュ性に最適化されており、その低硫黄と含有物の制御により、表面欠陥が少ない優れた表面仕上げを生み出します。420は高い光沢に研磨できますが、含有物のためにより多くの表面特徴を生じる可能性があります。
• 成形性/曲げ: 両方とも硬化時の冷間成形性に制限があります; 成形は焼鈍状態で行うべきです。
• 表面仕上げ: S136の加工は、光学または医療用金型のために最終的な電解研磨または機械的研磨を促進します; 420は仕上げ可能ですが、しばしば表面欠陥の修正がより多く必要です。

8. 典型的な用途

S136（典型的な用途）	420（典型的な用途）
高光沢の射出成形金型およびコア（プラスチック、光学部品）	カトラリー、刃物、汎用ナイフ
医療用または食品接触部品のための腐食抵抗金型インサート	シャフト、バルブ部品、一般的な工具
ミラー仕上げを要求する医療機器および精密部品のための金型	コストが要因となるシンプルな金型、治具、手工具
表面品質と軽度の腐食性媒体に対する抵抗が重要な部品	ポンプ部品、ベアリング、および低コストでステンレス特性を必要とする部品

選択の理由 - 表面仕上げ、プロセス流体や洗浄剤からの腐食に対する抵抗、および研磨状態での長期的な寸法安定性が優先される金型や工具にはS136を選択してください。 - コスト感度、広範な入手可能性、および汎用ステンレス特性が、最適化された研磨性や専門的な腐食抵抗よりも重要な場合は420を選択してください。

9. コストと入手可能性

• 420: 幅広く入手可能で、世界中の多くの製鋼所でバー、プレート、シート、鍛造品として生産されています。大量生産と複数の供給業者のため、専門の金型鋼よりも一般的に単位コストが低いです。
• S136: 通常、工具鋼のディストリビューターや選択された製鋼所を通じて入手可能な特殊なステンレス金型鋼です。追加の加工（例: 真空溶解、含有物制御）とより限られた生産ロットのため、キログラムあたりのコストが高くなります。標準的な工具在庫サイズでの入手可能性は良好ですが、商品形状の420よりも普及していない場合があります。

10. まとめと推奨

まとめ表（定性的）

属性	S136	420
溶接性	中程度から難しい; 資格のある手順が必要	中程度から難しい; Cとバリアントに依存
強度–靭性（バランス）	高硬度で中程度の靭性（表面の完全性に最適化）	達成可能な硬度は比較可能; より多くの靭性のために調整可能
コスト	高い（特殊金型鋼）	低い（商品マルテンサイト系ステンレス）

S136を選択する場合... - 優れた表面仕上げ、ミラーポリッシュ性、攻撃的な洗浄やポリマー加工環境における表面腐食に対する改善された抵抗を提供する金型または工具材料が必要です。S136は、高価値の射出金型、医療機器の工具、および表面欠陥や腐食ピットが許容できないアプリケーションに最適な選択です。

420を選択する場合... - 汎用工具、カトラリー、シャフト、または極端な研磨性や最適化された腐食抵抗が主要な要件でない部品のために、広く入手可能で低コストのマルテンサイト系ステンレス鋼が必要です。熱処理の柔軟性と広い供給業者の選択が必要な場合は420を使用してください。

最終的な注意 - 両方のグレードは熱処理に敏感であり、調達時に正確な供給業者の組成、製品形状、および意図された熱処理サイクルの仕様が必要です。重要な部品については、製鋼所の証明書を要求し、表面状態（例: 真空焼鈍、事前硬化）を指定し、生産前に溶接および仕上げプロセスを確認してください。