42CrMo鋼:特性と主要な用途
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42CrMo鋼は、中炭素の合金鋼であり、その優れた機械的特性とさまざまな工学用途における汎用性で広く認められています。低合金鋼として分類され、主にクロム(Cr)とモリブデン(Mo)を主要な合金元素として含み、これにより強度、靭性、焼入れ性が大幅に向上します。42CrMoの典型的な化学成分には、約0.38-0.45%の炭素、0.90-1.20%のクロム、0.15-0.25%のモリブデンのほか、微量のマンガン、シリコン、硫黄が含まれます。
包括的概要
42CrMo鋼の固有の特性は、高強度と耐摩耗性が求められる用途に適しています。その顕著な特徴には、高い疲労強度、優れた焼入れ性、および高温に耐える能力が含まれ、動的荷重がかかる部品に理想的です。
利点:
- 高強度と靭性:クロムとモリブデンの組み合わせにより、引張強度と衝撃抵抗が向上します。
- 良好な硬化能力:42CrMoは、広範な硬度レベルを達成するために熱処理することができ、さまざまな用途に適応可能です。
- 耐摩耗性:その合金元素が耐摩耗性を改善し、重作業への適用が可能です。
制限:
- 溶接性の問題:合金元素の存在が溶接プロセスを複雑にする可能性があり、フィラー材料と前後の処理を慎重に選択する必要があります。
- コスト:低グレード鋼と比較して、合金元素や加工要件のために42CrMoは高価になることがあります。
歴史的に、42CrMoはギア、シャフト、クランクシャフトなどの高強度部品の製造に使用されてきました。信頼性と厳しい環境での性能により、市場において重要な位置を占めています。
代替名称、標準、及び同等品
| 標準機関 | 指定/グレード | 発祥国/地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| UNS | G41400 | 米国 | 42CrMoに最も近い同等物 |
| AISI/SAE | 4140 | 米国 | 微小な組成差 |
| ASTM | A829 | 米国 | 合金鋼の標準規格 |
| EN | 42CrMo4 | ヨーロッパ | ヨーロッパでの同等指定 |
| DIN | 1.7225 | ドイツ | ドイツの標準で一般的に使用される |
| JIS | SCM440 | 日本 | 類似の特性だが異なる用途 |
| GB | 42CrMo | 中国 | 中国の標準における直接の同等物 |
| ISO | 42CrMo | 国際 | 標準化された指定 |
同等グレード間の違いは、性能に影響を与える可能性があります。たとえば、SCM440と42CrMoは似たような機械的特性を共有していますが、SCM440は焼入れ特性が若干異なるため、特定の用途に対する適性に影響を与える可能性があります。
主要な特性
化学成分
| 元素(記号と名前) | 割合範囲(%) |
|---|---|
| C(炭素) | 0.38 - 0.45 |
| Cr(クロム) | 0.90 - 1.20 |
| Mo(モリブデン) | 0.15 - 0.25 |
| Mn(マンガン) | 0.60 - 0.90 |
| Si(シリコン) | 0.15 - 0.40 |
| S(硫黄) | ≤ 0.035 |
| P(リン) | ≤ 0.035 |
42CrMo鋼における主要な合金元素は、その性能に重要な役割を果たします:
- クロム(Cr):焼入れ性と耐腐食性を向上させ、鋼の全体的な強度に寄与します。
- モリブデン(Mo):特に焼入れ後の条件で高温強度と靭性を向上させます。
- 炭素(C):硬度と強度を増加させますが、延性を維持するためにバランスが必要です。
機械的特性
| 特性 | 条件/熱処理 | 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) | 試験方法の参考標準 |
|---|---|---|---|---|---|
| 引張強度 | 焼入れ・焼戻し | 室温 | 850 - 1000 MPa | 123 - 145 ksi | ASTM E8 |
| 降伏強度(0.2%オフセット) | 焼入れ・焼戻し | 室温 | 600 - 800 MPa | 87 - 116 ksi | ASTM E8 |
| 伸び | 焼入れ・焼戻し | 室温 | 12 - 20% | 12 - 20% | ASTM E8 |
| 硬度(HRC) | 焼入れ・焼戻し | 室温 | 28 - 34 HRC | 28 - 34 HRC | ASTM E18 |
| 衝撃強度(シャルピー) | 焼入れ・焼戻し | -20°C | 30 - 50 J | 22 - 37 ft-lbf | ASTM E23 |
42CrMo鋼の機械的特性は、動的荷重や高ストレス環境を伴う用途に特に適しています。その高い引張強度と降伏強度は、顕著な機械的ストレス下での構造的完全性を確保しますが、その伸びと衝撃抵抗は突然の衝撃に対する耐久性を提供します。
物理的特性
| 特性 | 条件/温度 | 値(メートル法) | 値(インペリアル法) |
|---|---|---|---|
| 密度 | 室温 | 7.85 g/cm³ | 0.284 lb/in³ |
| 融点/範囲 | - | 1420 - 1540 °C | 2590 - 2810 °F |
| 熱伝導率 | 室温 | 45 W/m·K | 31 BTU·in/(hr·ft²·°F) |
| 比熱容量 | 室温 | 460 J/kg·K | 0.11 BTU/lb·°F |
| 電気抵抗率 | 室温 | 0.0000017 Ω·m | 0.0000017 Ω·in |
| 熱膨張係数 | 室温 | 11.5 x 10⁻⁶/K | 6.4 x 10⁻⁶/°F |
密度や熱伝導率などの重要な物理特性は、重量と熱放散が重要な用途にとって重要です。42CrMoの密度は、過度な重量を伴わずに強度を必要とする部品に適しており、その熱伝導率は高性能環境での効果的な熱管理を可能にします。
耐腐食性
| 腐食性物質 | 濃度(%) | 温度(°C) | 耐性評価 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 塩素化合物 | 3-5 | 25-50 | 普通 | ピッティングのリスク |
| 硫酸 | 10-20 | 20-80 | 不良 | SCCに対して脆弱 |
| アルカリ溶液 | 5-10 | 20-60 | 良好 | 中程度の耐性 |
| 大気 | - | - | 良好 | 一般的に耐性あり |
42CrMo鋼は、特に大気条件やアルカリ環境において中程度の耐腐食性を示します。ただし、塩素が豊富な環境ではピッティングや、酸性条件下での応力腐食割れ(SCC)に対して脆弱です。ステンレス鋼と比較すると、42CrMoの耐腐食性は限られており、腐食性の高い環境での用途には不向きです。
4140やSCM440のようなグレードと比較すると、42CrMoは大気腐食に対して似たような耐性を示しますが、特定の合金元素の影響により酸性または塩性環境では異なる性能を示す可能性があります。
熱抵抗
| 特性/限界 | 温度(°C) | 温度(°F) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 最大連続使用温度 | 400 | 752 | 高温用途に適しています |
| 最大間欠使用温度 | 500 | 932 | 短期間の曝露のみ |
| スケーリング温度 | 600 | 1112 | この温度を超えると酸化のリスクがあります |
| クリープ強度考慮は約 | 400 | 752 | 長期用途に重要です |
高温では、42CrMoはその強度と靭性を維持し、エンジン部品や高ストレス機械の用途に適します。ただし、最大使用限界を超える温度への長時間の曝露を避ける必要があります。さもなければ、酸化や材料劣化を引き起こす可能性があります。
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混合 | 予熱が推奨されます |
| TIG | ER80S-Ni | アルゴン | 溶接後の熱処理が必要です |
| スティック | E7018 | - | 予熱とパス間温度制御が必要です |
42CrMo鋼は溶接可能ですが、亀裂を避けるために予熱及び溶接後の熱処理を慎重に考慮する必要があります。適切なフィラー金属の使用は、互換性を確保し、溶接ジョイントの完全性を維持するために重要です。
加工性
| 加工パラメータ | 42CrMo鋼 | AISI 1212鋼 | 備考/ヒント |
|---|---|---|---|
| 相対加工性指数 | 60 | 100 | 42CrMoは加工が難しいです |
| 典型的切削速度(旋盤加工) | 30 m/min | 60 m/min | 最良の結果のためにカーバイド工具を使用してください |
42CrMoの加工は、その硬さと靭性のため、低炭素鋼の加工よりも難しい場合があります。所望の表面仕上げと公差を達成するためには、最適な切削速度と工具を使用する必要があります。
成形性
42CrMo鋼は、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に注意が必要です。複雑な形状には熱間成形が好まれ、欠陥のリスクを低減し、延性を改善します。
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 | 主要な目的 / 期待される結果 |
|---|---|---|---|---|
| アニーリング | 600 - 700 / 1112 - 1292 | 1-2時間 | 空気または炉 | 硬度を低下させ、延性を改善します |
| 焼入れ | 850 - 900 / 1562 - 1652 | 30分 | 油または水 | 硬度と強度を増加させます |
| 焼戻し | 400 - 600 / 752 - 1112 | 1時間 | 空気 | 脆さを低下させ、靭性を強化します |
42CrMoの熱処理プロセスは、その微細構造を大きく変化させ、機械的特性を向上させます。焼入れは硬度を高め、焼戻しは硬度と靭性のバランスを取るため、高ストレス用途に適しています。
典型的な用途と最終用途
| 産業/セクター | 具体的な用途の例 | この用途で利用される鋼の主要特性 | 選択理由 |
|---|---|---|---|
| 自動車 | クランクシャフト | 高強度、疲労抵抗 | 動的荷重下での耐久性に必要 |
| 航空宇宙 | 着陸装置部品 | 靭性、耐摩耗性 | 安全性と性能にとって重要 |
| 機械工業 | ギアボックス | 硬度、衝撃強度 | 信頼性のある操作に必要 |
| 石油・ガス | ドリルビット | 耐摩耗性、靭性 | 厳しい掘削環境に必要 |
その他の用途には:
- 重機部品
- 建設における構造部品
- 高性能工具
42CrMoは、高いストレスと摩耗に耐える能力を持つため、これらの用途に選ばれ、重要な部品における longevity と信頼性を確保しています。
重要な考慮事項、選択基準、およびさらなる知見
| 特性/プロパティ | 42CrMo鋼 | AISI 4140鋼 | SCM440鋼 | 簡潔なメリット/デメリットまたはトレードオフメモ |
|---|---|---|---|---|
| 主要機械特性 | 高強度 | 中程度の強度 | 高強度 | 42CrMoは4140よりも優れた靭性を提供します |
| 主要な腐食側面 | 普通 | 良好 | 普通 | 4140は腐食に対する耐性が優れています |
| 溶接性 | 中程度 | 良好 | 中程度 | 4140は42CrMoよりも溶接が容易です |
| 加工性 | 中程度 | 良好 | 中程度 | 4140は42CrMoよりも加工が容易です |
| 成形性 | 中程度 | 良好 | 中程度 | 4140は42CrMoよりも成形性が優れています |
| 概算相対コスト | 中程度 | 中程度 | 中程度 | コストは一般的に同程度です |
| 典型的な入手可能性 | 一般的 | 一般的 | 一般的 | すべてのグレードは広く入手可能です |
42CrMo鋼を選択する際の考慮要素には、その機械的特性、コスト効率、および入手可能性が含まれます。高い強度と靭性を提供する一方で、溶接性と加工性には慎重な計画が必要です。さらに、腐食性環境における性能は、特定のアプリケーション要件に応じてAISI 4140やSCM440などの代替品と比較して評価する必要があります。
結論として、42CrMo鋼は高強度と靭性が重要な広範囲な用途に適した多用途かつ頑丈な材料です。その特性やさまざまな条件下での挙動を理解することは、エンジニアや設計者が情報に基づいた材料選択を行うために重要です。