3Cr14鋼(420タイプ):特性と主な用途

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3Cr14鋼は、マルテンサイト系ステンレス鋼に分類される高炭素合金であり、その優れた硬度と耐腐食性で知られています。主にクロム(約14%)で構成されており、強度や酸化抵抗を向上させます。炭素(約0.4%)の追加は硬度を高め、高い耐摩耗性を必要とする用途に適しています。

包括的な概要

3Cr14鋼は、420型ステンレス鋼ファミリーの一部で、熱処理プロセスを通じて形成されるマルテンサイト構造が特徴です。この鋼種は、強度、硬度、適度な耐腐食性の組み合わせを要求される用途で特に重視されます。主な合金元素であるクロムと炭素は、その性質を定義する上で重要な役割を果たします:

  • クロム:耐腐食性を高め、鋼の硬度に寄与します。
  • 炭素:硬度と強度を向上させますが、延性を低下させる可能性があります。
  • マンガン:硬化性と強度を改善します。
  • シリコン:酸化抵抗と強度を向上させます。

利点と制限

利点(長所) 制限(短所)
高い硬度と耐摩耗性 限定的な延性と靭性
さまざまな環境での良好な耐腐食性 応力腐食割れ(SCC)に対する感受性
優れた刃保持性、切削工具に最適 脆性を避けるために慎重な熱処理が必要
他の高性能鋼に比べて比較的低コスト 高温用途には適さない

3Cr14鋼は、パフォーマンスとコストのバランスのため、マーケットで重要な位置を占めています。ナイフ、外科手術器具、鋭さと耐久性が重要な他のツールの製造に一般的に使用されています。歴史的には、ツール製造や医療機器の進歩を可能にし、さまざまな分野の専門家に信頼できる選択肢を提供してきました。

代替名、基準、および等価物

基準機関 表記/グレード 原産国/地域 注記/備考
UNS S42000 アメリカ 3Cr14に最も近い等価物
AISI/SAE 420 アメリカ 成分差がわずかにある
ASTM A276 アメリカ ステンレス鋼バーの標準仕様
EN 1.4028 ヨーロッパ 類似の性質を持つ等価グレード
JIS SUS420J2 日本 類似の腐食抵抗だが異なる熱処理応答

これらのグレード間の違いは、特定の成分や熱処理の応答にあり、特定の用途における性能に影響を与えることがあります。たとえば、3Cr14とAISI 420はどちらも良好な硬度を持っていますが、後者はより高いクロム含有量によりわずかに優れた耐腐食性を持つ可能性があります。

主要特性

化学組成

元素(記号と名称) 割合範囲(%)
C(炭素) 0.35 - 0.45
Cr(クロム) 13.0 - 15.0
Mn(マンガン) 0.5 - 1.0
Si(シリコン) 0.5 - 1.0
P(リン) ≤ 0.04
S(硫黄) ≤ 0.03

3Cr14鋼の主な合金元素は、その性質に大きく影響を与えます。クロムは耐腐食性を高めるために不可欠であり、炭素は所望の硬度を達成するために重要です。マンガンは鋼の強度と硬化性に寄与し、様々な要求の厳しい用途に適しています。

機械的特性

特性 条件/状態 典型的な値/範囲(メートル法 - SI単位) 典型的な値/範囲(インペリアル単位) 試験方法の基準標準
引張強度 アニーリング済み 600 - 800 MPa 87 - 116 ksi ASTM E8
耐力(0.2%オフセット) アニーリング済み 400 - 600 MPa 58 - 87 ksi ASTM E8
伸び アニーリング済み 10 - 15% 10 - 15% ASTM E8
硬度(HRC) 焼入れ&焼戻し済み 50 - 55 HRC 50 - 55 HRC ASTM E18
衝撃強さ - 30 - 50 J(-20°Cで) 22 - 37 ft-lbf ASTM E23

3Cr14鋼の機械的特性により、高強度と耐摩耗性を必要とする用途に適しています。その引張強度と耐力は大きな荷重に耐える能力を示し、硬度は切削用途での耐久性を確保します。衝撃強度は中程度ではありますが、多くの産業用途には適しています。

物理的特性

特性 条件/温度 値(メートル法 - SI単位) 値(インペリアル単位)
密度 - 7.75 g/cm³ 0.28 lb/in³
融点 - 1450 - 1500 °C 2642 - 2732 °F
熱伝導率 20 °C 25 W/m·K 17.3 BTU·in/(hr·ft²·°F)
比熱容量 20 °C 0.5 kJ/kg·K 0.12 BTU/lb·°F
電気抵抗率 20 °C 0.7 µΩ·m 0.7 µΩ·in
熱膨張係数 20 - 100 °C 16.5 x 10⁻⁶ /K 9.2 x 10⁻⁶ /°F

3Cr14鋼の物理的特性は、さまざまな用途に適していることを示しています。密度は堅牢な材料を示唆し、融点は良好な熱安定性を示しています。熱伝導率と比熱容量は、熱処理または熱サイクルを伴う用途にとって重要です。

耐腐食性

腐食性物質 濃度(%) 温度(°C/°F) 耐性評価 注記
塩素化合物 3-5% 20-60 °C (68-140 °F) 普通 ピット腐食のリスク
硫酸 10% 20 °C (68 °F) 悪い 推奨されない
酢酸 5% 20 °C (68 °F) 普通 SCCのリスク
海水 - 20 °C (68 °F) 良好 中程度の耐性

3Cr14鋼は、特に塩素や有機酸が存在する環境で中程度の耐腐食性を示します。ただし、特定の条件下、特に塩素にさらされると、応力腐食割れ(SCC)に対して感受性があります。他のステンレス鋼、例えば304や316と比較すると、3Cr14の耐腐食性は低く、非常に腐食性の環境には適していません。

耐熱性

特性/限界 温度(°C) 温度(°F) 備考
最大連続使用温度 400 °C 752 °F 間欠的使用に適している
最大間欠使用温度 450 °C 842 °F 酸化耐性に限界がある
スケーリング温度 600 °C 1112 °F 高温でのスケーリングリスク

高温では、3Cr14鋼はその強度を維持しますが、酸化およびスケーリングが発生する可能性があります。機械的特性の低下のリスクにより、400 °Cを超える連続使用は推奨されません。

加工特性

溶接性

溶接プロセス 推奨されるフィラー金属(AWS分類) 典型的なシールドガス/フラックス 注記
TIG ER420 アルゴン 事前加熱を推奨
MIG ER420 アルゴン + CO2 溶接後の熱処理が必要な場合があります

3Cr14鋼は、標準的な技術を使用して溶接できますが、亀裂を避けるために注意が必要です。溶接前の事前加熱と溶接後の熱処理を行うことで、これらのリスクを軽減できます。フィラー金属の選択が重要で、耐腐食性を維持するために互換性を確保する必要があります。

切削性

切削パラメータ 3Cr14鋼 AISI 1212鋼 注記/ヒント
相対切削性指数 60 100 中程度の切削性
典型的な切削速度 30 m/min 50 m/min 合金工具を使用

3Cr14鋼は中程度の切削性を持ち、最適な結果を得るためには切削工具と速度の慎重な選択が必要です。性能向上のために合金工具の使用が推奨されます。

成形性

3Cr14鋼は、高い硬度のため成形性が限られています。冷間成形は可能ですが、作業硬化を引き起こす可能性があり、曲げ半径や成形プロセスの慎重な制御が必要です。熱間成形はより実行可能ですが、脆性を避けるために指定された温度範囲内で行う必要があります。

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 主要目的 / 期待される結果
アニーリング 800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F 1 - 2 時間 空気 硬度を減少させ、延性を改善
焼入れ 1000 - 1100 °C / 1832 - 2012 °F 30 分 油または水 硬度を増加させる
焼戻し 200 - 600 °C / 392 - 1112 °F 1 時間 空気 脆性を減少させ、靭性を強化

熱処理プロセスは、3Cr14鋼の微細構造と特性に大きく影響します。焼入れは硬度を高め、焼戻しは脆性を減少させ、さまざまな用途に適した特性を持つようにします。

典型的な用途および最終用途

産業/セクター 特定用途例 この用途で利用された鋼の主要特性 選択理由(簡潔に)
刃物 キッチンナイフ 高い硬度、刃保持性 優れた切削性能
医療 外科手術器具 耐腐食性、滅菌能力 安全性と耐久性
自動車 バルブ部品 強度、耐摩耗性 応力下での信頼性
航空宇宙 ファスナー 高強度、軽量 重要な荷重を支える能力
  • その他の用途には:
  • 産業用ブレード
  • ハサミ
  • 手工具

3Cr14鋼は、鋭さと耐久性を必要とする用途、特に耐腐食性が重要な環境で選ばれます。硬度と靭性のバランスにより、さまざまな産業における要求の厳しい用途に適しています。

重要な考慮事項、選択基準、さらなるインサイト

特徴/特性 3Cr14鋼 AISI 440C鋼 AISI 304鋼 簡潔な長所/短所またはトレードオフの注記
主要機械的特性 高い硬度 より高い硬度 低い硬度 3Cr14は硬度と靭性のバランスを提供
主要な耐腐食性 中程度 良好 優れた 3Cr14はオーステナイト系よりも耐腐食性が低い
溶接性 中程度 悪い 良好 3Cr14は注意を払って溶接可能; 304は容易
切削性 中程度 良好 優れた 3Cr14はより慎重な加工が必要
成形性 限られた 限られた 良好 304は複雑な形状の成形性が優れている
概算相対コスト 中程度 高い 低い 3Cr14は高性能用途に対してコスト効率が良い
典型的な入手可能性 一般的 やや一般的でない 非常に一般的 3Cr14はさまざまな形状で広く入手可能

3Cr14鋼を選択する際は、その機械的特性、耐腐食性、溶接や切削の適合性を考慮する必要があります。性能とコストの良好なバランスを示していますが、耐腐食性や加工の容易さが極めて重要な特定の用途には、AISI 440CやAISI 304のような代替品がより適している場合があります。

要約すると、3Cr14鋼は高硬度と中程度の耐腐食性を必要とする用途で優れた素材であり、さまざまな産業で人気のある選択肢となっています。

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