420Cステンレス鋼:特性と主要用途

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420Cステンレス鋼は、マルテンサイト系ステンレス鋼に分類され、高強度と中程度の耐腐食性で知られています。420Cの主な合金成分には、クロム(約12-14%)、炭素(約0.15-0.40%)、および少量のマンガン、シリコン、リンが含まれます。クロムの存在により鋼の耐腐食性が向上し、炭素は硬度と強度に寄与します。

包括的な概要

420Cステンレス鋼は、熱処理によって高硬度を達成する能力が特徴で、耐摩耗性が求められる用途に適しています。そのマルテンサイト構造により、さまざまなエンジニアリング用途において重要な靭性と強度のバランスが可能です。この鋼は、適切に処理されると、58 HRCまでの硬度レベルを達成することができます。

利点:
- 高硬度:高硬度レベルを達成できるため、420Cは切削工具や耐摩耗性アプリケーションに理想的です。
- 中程度の耐腐食性:オーステナイト系グレードほどの耐腐食性はありませんが、穏やかな環境での腐食に対しては良好な保護を提供します。
- 優れた機械的特性:強度と靭性の良好なバランスを提供し、さまざまなアプリケーションに適しています。

制限:
- 低い耐腐食性:オーステナイト系ステンレス鋼と比較すると、420Cは腐食に対してより敏感であり、特に塩素環境ではその傾向が強いです。
- 高温での脆性:硬度が脆性を招くことがあり、特に適切に焼戻しされない場合に顕著です。
- 溶接の難しさ:高炭素含有量が溶接を困難にし、しばしば予熱および溶接後の熱処理が必要となります。

歴史的に、420Cは、硬度と中程度の耐腐食性のユニークな組み合わせが有用な、ナイフや外科用器具、さまざまな産業部品などの用途で使用されてきました。

代替名称、規格、及び同等物

規格団体 名称/グレード 原産国/地域 備考/注記
UNS S42000 アメリカ合衆国 AISI 420の最も近い同等品
AISI/SAE 420C アメリカ合衆国 AISI 420に対する小さな成分の違い
ASTM A276 アメリカ合衆国 ステンレス鋼バーの標準仕様
EN 1.4021 ヨーロッパ AISI 420と同等、特定の機械特性あり
JIS SUS420J2 日本 似た特性だが組成に若干の違いあり

これらのグレード間の違いは、特定の用途における性能に影響を与える可能性があります。たとえば、AISI 420と420Cは似ていますが、420Cの炭素含有量が高いほど硬度が向上する可能性がある一方で、靭性が低下する場合があります。

主要特性

化学組成

元素(記号および名称) 含有率範囲(%)
C(炭素) 0.15 - 0.40
Cr(クロム) 12.0 - 14.0
Mn(マンガン) 0.5 - 1.0
Si(シリコン) 0.1 - 1.0
P(リン) ≤ 0.04
S(硫黄) ≤ 0.03

420Cにおけるクロムの主な役割は耐腐食性を向上させることであり、炭素は硬度と強度に大きく寄与します。マンガンとシリコンは鋼の硬化能力および全体的な機械特性を改善します。

機械的特性

特性 状態/焼戻し 試験温度 典型的な値/範囲(メートル法) 典型的な値/範囲(インペリアル法) 試験方法の参照標準
引張強度 焼きなまし 室温 520 - 700 MPa 75 - 102 ksi ASTM E8
降伏強度(0.2%オフセット) 焼きなまし 室温 350 - 500 MPa 51 - 73 ksi ASTM E8
伸び 焼きなまし 室温 10 - 15% 10 - 15% ASTM E8
硬度(HRC) 焼入れ&焼戻し 室温 50 - 58 HRC 50 - 58 HRC ASTM E18
衝撃強度 焼入れ&焼戻し -20°C 30 - 50 J 22 - 37 ft-lbf ASTM E23

高い引張強度と降伏強度の組み合わせにより、420Cは荷重下での変形抵抗が求められる用途に適しています。その硬度により、切削用途で鋭いエッジを維持することができます。

物理特性

特性 状態/温度 値(メートル法) 値(インペリアル法)
密度 室温 7.75 g/cm³ 0.28 lb/in³
融点 - 1450 - 1510 °C 2642 - 2750 °F
熱伝導率 室温 25 W/m·K 17.3 BTU·in/h·ft²·°F
比熱容量 室温 460 J/kg·K 0.11 BTU/lb·°F
電気抵抗率 室温 0.72 µΩ·m 0.0000143 Ω·in

420Cの密度は比較的重い材料であることを示しており、安定性を必要とする用途において有利です。融点は高温用途に適しており、熱伝導率は中程度で、熱交換器にはあまり理想的ではありません。

耐腐食性

腐食性物質 濃度(%) 温度(°C/°F) 耐性評価 備考
塩素 3-5 20-60 °C / 68-140 °F 良い ピッティング腐食のリスク
10-20 20-40 °C / 68-104 °F 悪い 応力腐食割れに敏感
アルカリ溶液 5-10 20-60 °C / 68-140 °F 良い 中程度の耐性

420Cはさまざまな環境での腐食に対して中程度の耐性を示しますが、特に塩素が豊富な条件下ではピッティングに対して敏感です。304や316のようなオーステナイト系グレードと比較すると、420Cの耐腐食性はかなり低く、海洋または非常に腐食性の環境には不向きです。

耐熱性

特性/制限 温度(°C) 温度(°F) 備考
最大連続使用温度 400 °C 752 °F 間欠使用に適している
最大間欠使用温度 500 °C 932 °F 酸化耐性は限られている
スケーリング温度 600 °C 1112 °F この温度を超えるとスケーリングのリスクがあります

高温では420Cは強度を維持しますが、酸化やスケーリングが発生する可能性があり、高温用途での性能に影響を与えることがあります。適切な熱処理により特性を向上させることができますが、脆性を避けるためには注意が必要です。

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
TIG ER420 アルゴン 予熱推奨
MIG ER420 アルゴン + CO2 溶接後の熱処理が必要

420Cの溶接は高炭素含有量のために困難であり、ひび割れが発生する可能性があります。これらの問題を軽減し、溶接の完全性を確保するために、予熱および溶接後の熱処理がしばしば必要です。

加工性

加工パラメータ 420C AISI 1212 備考/ヒント
相対加工性指数 60 100 シャープなツーリングが必要
典型的な切削速度 30-50 m/min 80-100 m/min 工具の摩耗に応じて調整

420Cは中程度の加工性を持ち、最適な結果を得るために切削工具や速度の慎重な選択が必要です。高硬度は工具の摩耗を引き起こす可能性があるため、頻繁な工具の交換が必要です。

成形性

420Cはマルテンサイト構造のため、成形性で特に知られているわけではありません。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ます。一方、高温成形はより実行可能ですが、脆性を避けるためには温度管理が必要です。

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 主な目的 / 期待される結果
焼きなまし 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
焼戻し 200 - 600 °C / 392 - 1112 °F 1時間 空気 脆性を減少させ、靭性を向上

熱処理は420Cの微細構造に大きな影響を与え、柔らかい状態から焼入れによって硬化された状態に変えます。焼戻しはストレスを解消し、靭性を改善するために重要であり、さまざまな用途に適しています。

典型的な用途と最終使用

産業/分野 特定の応用例 この用途で利用される主要鋼特性 選択理由
カトラリー キッチンナイフ 高硬度、エッジ保持 鋭さと耐久性
医療機器 外科用器具 耐腐食性、硬度 滅菌と精密性
自動車 弁部品 強度、耐摩耗性 ストレス下での耐久性
航空宇宙 着陸装置部品 高強度対重量比 安全性と信頼性

その他の用途には:
* - 工業用ブレード
* - ポンプシャフト
* - ファスナー

420Cは、硬度と中程度の耐腐食性が求められる用途で選ばれ、摩耗に耐え、鋭さを維持しなければならない工具や部品に理想的です。

重要な考慮事項、選択基準、およびさらなる洞察

特徴/特性 420C AISI 440C AISI 304 簡単な利点/欠点またはトレードオフメモ
主要機械的特性 高硬度 より高い硬度 低い硬度 440Cはより優れた耐摩耗性を提供
主要耐腐食性 中程度の耐性 良好な耐性 優れた耐性 304は腐食性環境により適している
溶接性 困難 困難 良好 304は溶接が容易
加工性 中程度 中程度 良好 304は加工が容易
概算相対コスト 中程度 高価 安価 304はコスト効果が良い
典型的な入手可能性 一般的 あまり一般的ではない 非常に一般的 304は広く入手可能

420Cを選定する際には、その硬度と耐腐食性のバランスを考慮する必要がありますが、オーステナイト系グレードに対する溶接性と耐腐食性の制約を考慮し、用途の要件と比較する必要があります。また、代替グレードのコスト効果や入手可能性も意思決定プロセスに影響を与える可能性があります。

結論として、420Cステンレス鋼は、特に高い硬度と中程度の耐腐食性が求められるさまざまな用途に適した多用途な材料です。その特性、利点、制限を理解することは、特定の用途に対する材料を選定する際にエンジニアやデザイナーにとって重要です。

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