1040スチール: 特性と主要な用途
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1040スチールは、中炭素合金鋼として分類され、主に鉄で構成され、炭素含有量は約0.40%です。この鋼グレードは、強度、延性、硬度のバランスに優れ、多様なエンジニアリング用途に適しています。1040スチールの主な合金元素には、硬化性と強度を高めるマンガン、および製鋼時の脱酸を改善するシリコンが含まれます。
包括的な概要
1040スチールは、中程度の炭素含有量を特徴としており、強度と延性の良い組み合わせを提供します。マンガンの存在は、鋼の硬化性を高めるだけでなく、靭性と耐摩耗性も改善します。シリコンは、鋼の酸化抵抗を高め、機械的特性を改善する上で重要な役割を果たします。
1040スチールの利点:
- 強度と硬度: 1040スチールは高い引っ張り強度と硬度を示し、耐久性が求められる用途に適しています。
- 汎用性: 様々な機械的特性を得るために熱処理が可能で、特定の用途に基づいてカスタマイズができます。
- 良好な加工性: 高炭素鋼と比較して、1040は加工性に優れ、製造プロセスでの作業が容易になります。
1040スチールの制限:
- 耐腐食性: 1040スチールは腐食に対する耐性が限られており、特定の環境では保護コーティングが必要になる場合があります。
- 溶接性の問題: 中程度の炭素含有量は、溶接時に課題を引き起こす可能性があり、亀裂を避けるために予熱と溶接後の熱処理が必要です。
歴史的に、1040スチールは自動車や機械分野で広く使用され、その機械的特性が高く評価されています。性能とコスト効率のバランスにより、マーケットでの地位は強固です。
別名、規格、および同等品
| 標準機関 | 指定/グレード | 起源国/地域 | 備考/コメント |
|---|---|---|---|
| UNS | G10400 | アメリカ | AISI 1040に最も近い同等品 |
| AISI/SAE | 1040 | アメリカ | 一般的に使用される指定 |
| ASTM | A29/A29M | アメリカ | 炭素鋼の一般的な仕様 |
| EN | C40E | ヨーロッパ | 小さな成分の違い |
| DIN | 1.0402 | ドイツ | 類似の特性、ヨーロッパで使用 |
| JIS | S40C | 日本 | わずかな変動のある同等グレード |
| GB | Q345B | 中国 | 比較可能だが、合金元素が異なる |
| ISO | 1040 | 国際 | 標準的な指定 |
同等グレード間の違いは、特定の合金元素とその比率にあることが多く、特定の用途での鋼の性能に影響を与えることがあります。たとえば、1040とC40Eの両方が類似の機械的特性を示しますが、後者はマンガン含量の変動によるわずかな硬化性特性の違いがある場合があります。
主要特性
化学組成
| 元素（記号と名前） | 割合範囲（%） |
|---|---|
| C（炭素） | 0.38 - 0.43 |
| Mn（マンガン） | 0.60 - 0.90 |
| Si（シリコン） | 0.15 - 0.40 |
| P（リン） | ≤ 0.04 |
| S（硫黄） | ≤ 0.05 |
1040スチールの主要な合金元素は次のような重要な役割を果たします：
- 炭素（C）： 熱処理を通じて硬度と強度を高めます。
- マンガン（Mn）： 硬化性と靭性を改善し、ストレス下でのパフォーマンスを向上させます。
- シリコン（Si）： 脱酸剤として機能し、強度と酸化抵抗を高めます。
機械的特性
| 特性 | 状態/テンパ | 試験温度 | 典型的な値/範囲（メトリック） | 典型的な値/範囲（インペリアル） | 試験方法の参考標準 |
|---|---|---|---|---|---|
| 引っ張り強度 | 焼なまし | 室温 | 570 - 700 MPa | 83 - 102 ksi | ASTM E8 |
| 降伏強度（0.2%オフセット） | 焼なまし | 室温 | 310 - 450 MPa | 45 - 65 ksi | ASTM E8 |
| 伸び | 焼なまし | 室温 | 20 - 25% | 20 - 25% | ASTM E8 |
| 硬度（ブリネル） | 焼なまし | 室温 | 170 - 210 HB | 170 - 210 HB | ASTM E10 |
| 衝撃強度 | シャルピーVノッチ | -20 °C | 27 - 35 J | 20 - 26 ft-lbf | ASTM E23 |
1040スチールの機械的特性は、高い強度と靭性が要求される用途に適しています。その降伏強度と引っ張り強度は、構造用途に特に有利であり、伸びは良好な延性を示し、破断せずに変形を可能にします。
物理的特性
| 特性 | 状態/温度 | 値（メトリック） | 値（インペリアル） |
|---|---|---|---|
| 密度 | 室温 | 7.85 g/cm³ | 0.284 lb/in³ |
| 融点 | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| 熱伝導率 | 室温 | 50 W/m·K | 29 BTU·in/(hr·ft²·°F) |
| 比熱容量 | 室温 | 0.46 kJ/kg·K | 0.11 BTU/lb·°F |
| 電気抵抗率 | 室温 | 0.0000017 Ω·m | 0.0000017 Ω·in |
1040スチールの密度は、その substantial mass を示しており、構造用途における強度に寄与しています。融点は高温プロセスにおいて重要であり、熱伝導率は熱放散を必要とする用途において重要です。
腐食抵抗
| 腐食性物質 | 濃度（%） | 温度（°C/°F） | 抵抗評価 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 大気 | 変動 | 常温 | 良好 | 錆にかかりやすい |
| 塩素化合物 | 低 | 常温 | 不良 | 浸食のリスク |
| 酸 | 変動 | 常温 | 不良 | お勧めできません |
| アルカリ | 変動 | 常温 | 良好 | 中程度の抵抗 |
1040スチールは、大気中の腐食に対しては良好な耐性を示しますが、特に湿度の高い環境では錆びやすいです。塩素に富む環境では性能が不良で、浸食が発生する可能性があります。304や316などのステンレス鋼と比較すると、1040スチールの腐食抵抗は著しく低く、海洋や化学用途には不向きとなります。
耐熱性
| 特性/限度 | 温度（°C） | 温度（°F） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 最大連続使用温度 | 400 °C | 752 °F | これを超えると特性が低下 |
| 最大間欠使用温度 | 500 °C | 932 °F | 短期間の暴露 |
| スケーリング温度 | 600 °C | 1112 °F | この温度で酸化のリスク |
| クリープ強度の考慮 | 400 °C | 752 °F | 著しく弱くなり始める |
高温では、1040スチールは約400 °C（752 °F）までその強度を維持しますが、この範囲を超えると機械的特性を失い始めます。高温での酸化が発生する可能性があるため、高温用途では保護コーティングや代替材料が必要になります。
加工特性
溶接性
| 溶接プロセス | 推奨フィラー金属（AWS分類） | 典型的なシールドガス/フラックス | 備考 |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | アルゴン/CO2 | 予熱を推奨 |
| TIG | ER70S-2 | アルゴン | 溶接後の熱処理が必要 |
| スティック | E7018 | - | 予熱が必要 |
1040スチールは様々な方法で溶接できますが、亀裂を防ぐために予熱がしばしば必要です。溶接後の熱処理は、溶接部の完全性をさらに向上させることができます。必要な機械的特性を維持するために、フィラー金属の慎重な選択が重要です。
加工性
| 加工パラメーター | [1040スチール] | AISI 1212 | 備考/ヒント |
|---|---|---|---|
| 相対加工性インデックス | 70 | 100 | 1212はより加工しやすい |
| 典型的な切削速度（旋盤加工） | 30 m/min | 50 m/min | 工具の摩耗に応じて調整 |
1040スチールは良好な加工性を持っていますが、低炭素鋼ほど加工しやすくはありません。摩耗を最小限に抑え、望ましい表面仕上げを得るために、最適な切削速度と工具を選択する必要があります。
成形性
1040スチールは中程度の成形性を示します。冷間成形は可能ですが、作業硬化を避けるため注意が必要で、これにより亀裂が発生する可能性があります。熱間成形も可能で、複雑な形状を実現できます。
熱処理
| 処理プロセス | 温度範囲（°C/°F） | 典型的な浸漬時間 | 冷却方法 | 主目的/期待される結果 |
|---|---|---|---|---|
| 焼なまし | 700 - 800 °C / 1292 - 1472 °F | 1 - 2時間 | 空気 | 軟化、延性の向上 |
| 水冷 | 800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F | 30分 | 油/水 | 硬化 |
| テンパリング | 400 - 600 °C / 752 - 1112 °F | 1時間 | 空気 | 脆性の低減、靭性の向上 |
熱処理プロセスは、1040スチールの微細構造を大きく変化させ、硬度と強度を増加させます。水冷とその後のテンパリングは、靭性と硬度の望ましいバランスを得るために一般的に使用されます。
典型的な用途と最終利用
| 業界/セクター | 具体的な用途例 | この用途で利用される主要な鋼の特性 | 選択理由（簡潔に） |
|---|---|---|---|
| 自動車 | クランクシャフト | 高強度、靭性 | 高ストレス部品に必要 |
| 機械 | ギア | 耐摩耗性、加工性 | 耐久性に必須 |
| 建設 | 構造用ビーム | 強度、延性 | 重い荷重を支える |
| 工具 | 切削工具 | 硬度、耐摩耗性 | 鋭さを維持 |
その他の用途には以下があります:
- パイプとチューブ: 強度のために構造用途で使用されます。
- ファスナー: 機械用のボルトやスクリューに一般的に使用されます。
1040スチールは、強度と延性の組み合わせが求められる用途、特に耐摩耗性が重要な場合に選ばれます。
重要な考慮事項、選択基準、およびさらなる洞察
| 特徴/特性 | 1040スチール | AISI 4140 | AISI 1018 | 簡潔な利点/欠点またはトレードオフのメモ |
|---|---|---|---|---|
| 主要機械的特性 | 高強度 | 高靭性 | 低強度 | 4140は靭性が優れていますが、コストが高いです。 |
| 主要な腐食面 | 良好 | 良好 | 良い | 1018は腐食抵抗が優れています。 |
| 溶接性 | 中程度 | 良好 | 優れた | 1018は溶接が容易です。 |
| 加工性 | 良好 | 中程度 | 優れた | 1018はより加工しやすいです。 |
| 成形性 | 中程度 | 不良 | 良好 | 1018は成形性が優れています。 |
| おおよその相対コスト | 中程度 | 高い | 低い | 1018はよりコスト効率が良いです。 |
| 典型的な入手可能性 | 一般的 | あまり一般的でない | 非常に一般的 | 1018は広く入手可能です。 |
1040スチールを選択する際の考慮事項には、その機械的特性、コスト効果、入手可能性が含まれます。強度と延性の良いバランスを提供しますが、より高い靭性を要求する用途には、AISI 4140の方が好まれる場合がありますが、コストも高くなります。対照的に、加工性と成形性が重視される用途には、AISI 1018が選択されることがあります。
まとめると、1040スチールは多様な産業で広く使用される中炭素合金鋼で、好ましい機械的特性を持っていますが、その制限を慎重に考慮することが最適な用途のパフォーマンスには不可欠です。