AISI/SAE 4140 すなわち、清潔な前処理、低水素の消耗品、 適切な予熱と制御されたパス間温度、必要 な場合には溶接後の熱処理である。このような保護措置が守られ、溶接手順 が適切であれば、4140の溶接継手は、4140を シャフト、歯車、高応力部品に使用するのと同 じ強度と靭性の要求を満たすことができる。しかし、冷却速度、水素、 断面温度の管理を怠ると、硬くて脆い熱影響部や 冷間割れが発生する危険性がある。
4140鋼とは？
SAE/AISI 4140はクロムモリブデン低合金中炭素鋼（一般にUNS G41400と呼ばれる）です。代表的な化学成分範囲はおおよそ以下の通りです：C 0.38-0.43%、Mn 0.75-1.00%、Cr 0.80-1.10%、Mo 0.15-0.25%、Si 0.15-0.30%。この化学組成は、適切な熱処理後に良好な焼入れ性、高い疲労強度と靭性を生み出す。その焼入れ性から、4140は、焼ならし、焼戻し、または焼入れ焼戻しされた状態で供給される高応力部品に広く使用されている。
なぜそれが溶接にとって重要なのか： 炭素レベルと合金化によって、鋼は急冷時に硬いマルテンサイトを形成する傾向が高まる。マルテンサイトHAZ組織は硬く脆いため、水素や残留応力が存在すると割れる可能性がある。したがって、冷却速度と水素の管理は、溶接を成功させるための中心的テーマである。
2.4140製部品で溶接性が重要な理由
4140は、シャフト、車軸、ギア、カップリング、油田用部品など、部品の不具合がコストや安全性に大きく影響する場合に使用される。溶接は、補修、取り付け、組立部品の加工によく必要とされる。高いHAZ硬度や亀裂を生じさせるような不適切な溶接は、使用中に致命的な故障を引き起こす可能性がある。4140の溶接は不可能ではないが、適格な手順を踏まなければ、そのリスクは低炭素鋼よりも著しく高くなる。
3.4140の溶接性を支配する冶金的要因
3.1 炭素当量と焼入れ性
炭素当量(CE)式は、例えば古典的なIIW式やAWS式など、炭素と合金元素を組み合わせて焼入れ性と冷間割れ感受性を示します。4140のCEは軟鋼よりも高いため、硬くて脆いHAZを避けるためには、より多くの予熱またはPWHTを必要とする。実際的な規則：溶接を計画する場合、4140を軟鋼のよ りも熱処理可能な合金のように扱うこと。
3.2 素材の事前状態
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アニールまたはノーマライズ： 溶接が最も容易で、硬度が低く、割れの危険性が低い。
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焼入れ・焼戻し／プリハードン： 最もリスクが高い。予備硬化部位の溶接には、一般的に、特別な 制御または局部的軟化（例えば、高温への予熱 や局部的焼きなまし）が必要であり、溶接後に PWHTを行なうことが多い。多くの情報源は、やむを得ない場合を除き、完 全に硬化した4140の溶接は避けるよう助言し ている。
3.3 断面の厚さとヒートシンク効果
厚い断面は大きなヒートシンクになるが、急峻な熱勾配が生じ、割れを助長する。予熱とパス間制御は、断面の厚さに合わせる必要がある。
3.4 水素と汚染
水分、潤滑油、オイル、錆、コーティング、または濡れた電極から導入される水素は、低温割れのリスクを劇的に増加させます。低水素の消耗品を使用し、厳重なクリーニングを行い、必要に応じて周囲の湿度を管理してください。
4.予熱、通過間温度、冷却制御
プリヒートとインターパス温度を使用する理由
予熱は冷却速度を遅くし、拡散性水素を逃がし、 HAZでの未焼戻しマルテンサイトの形成を防ぐ。パス間温度は、先に析出した溶接金属または HAZがパス間の臨界温度以下に冷却されるのを 防ぐ。これらのステップにより、熱応力が低減され、 割れが発生しにくくなる。
推奨範囲（実用表）
これらはWPSの製図に使用される工学的推奨値である。最終的な値は、炭素当量、厚さ、部品の臨界性、適格性試験によって決定されなければならない。
| ベースメタルの状態 | 厚さ（mm / インチ） | 標準的な予熱 (°C / °F) | インターパス温度 (°C / °F) | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| アニール／ノーマライズ | <6 mm (¼") | 100-150°C (212-300°F) | 同レベルを維持 | クリーンと水素制御のための軽い予熱。 |
| 正規化 | 6～25mm（1/4～1インチ） | 150-260°C (300-500°F) | 150-260°C | 一般的な使用温度：200～250℃。 |
| 焼き入れ／焼き戻し | 6-25 mm | 200-260°C (400-500°F) | 200-260°C | クリティカルな部品はPWHTを検討すること。 |
| 厚さ25mm（1インチ）以上 | >25mm以上（1インチ以上） | 260～370度C（500～700度F） | 予熱の維持 | CEおよびサービスの重要性に応じて増加する。一部のWPSでは250～370℃としている。 |
実践的なメモ： 多くの加工業者が、小型部品では200-300°F (100-150°C) の予熱/インターパスで、重要で厚い部品 や硬化前の部品では500-700°F (260-370°C) の予熱/インターパスで、 信頼性の高い溶接ができたと報告している。正確な数値は、CEと事前の熱処理による。
5.溶接後熱処理(PWHT)
PWHTは残留応力を緩和し、HAZの硬いマルテンサイトを焼戻し、延性を回復する。重要な部品には、PWHTが必要な場合が多い。4140に対する典型的なPWHT（応力除去焼戻し）の推奨範囲は、およそ以下の通りです。 550-650°C (1020-1200°F) ホールド時間は一般的に次のように表される。 厚さ25mmにつき1時間 制御された徐冷。正確なサイクルは、設計仕様、契約要件、または法令に従わなければならない。
PWHTが必須の場合
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供給される部品は高硬度に焼き入れ・焼き戻しされ、その後溶接される。
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高圧または疲労に敏感な部品。
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WPSまたは規定が溶接後の焼き戻しを要求している場合。
PWHTがオプションとなる場合
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焼きなまし処理された4140部品の小さな修理は、CEが低く、クリティカルなサービスではない。
6.フィラーメタルとプロセスの選択
溶接プロセスの選択
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GMAW（ミグ/マグ） 適切な低水素ワイヤーを使用するのが一般的である。
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SMAW（スティック） 低水素(H4/H8)電極を使用した修理は、現場修理で広く使用されている。
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GTAW (TIG) は、精密溶接や薄い部分に使用される。
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ソウ 入熱が制御可能な重セクションに使用できる。
フィラーメタルの選択（要約表）
| 申し込み | 代表的なフィラー | ストレングス・マッチ | 備考 |
|---|---|---|---|
| 強度とマッチング構成 | ER80S-D2(GMAW)、E9018M-H4(SMAW) またはそれ以上の強度の低水素系消耗品 | オーバーマッチかマッチか | ベースメタルの強度と靭性に近づけるために、合金化した低水素フィラーを使用する。 |
| 修理のための保守的な選択 | ER70S-2（GMAW）、PWHT付き | PWHTしないと強度が低下する | 溶接は容易だが、弱いHAZを避けるため、ま たは焼戻しのためにPWHTが必要な場合があ る。 |
| 軟鋼への異材溶接 | 移行用に設計された充填材。 | アプリケーション依存 | 希釈と靭性に注意。 |
ガイダンス 可能な限りフィラーの強度を合わせる。低強度フィラーを使用する 場合は、PWHTを計画し、機械的試験と硬さ調 査で検証する。
7.溶接手順（WPS）の要点とサンプルパラメータ
4140用の認定WPSは、母材の状態、 溶加材の種類と分類、予熱とインターパス、 入熱、移動速度、パス数、継手形状、PWHT、 NDT合格基準、溶接士の資格、PQR記録を 文書化しなければならない。
WPSパラメータ概要例（ノーマライズ4140厚板、12mm厚の例）
| 項目 | 値（例） |
|---|---|
| ベースメタル | AISI 4140、焼きなまし |
| 厚さ | 12mm（0.47インチ） |
| プロセス | GMAW(パルスまたは短絡による薄肉溶接) |
| フィラー | ER80S-D2（線径1.2mm） |
| シールドガス | 98% Ar / 2% O₂またはAr/CO₂ミックス（ショップスタンダードによる |
| プリヒート | 180-220°C (350-430°F) - 溶接部が100°Cに冷えるまで維持する。 |
| インターパス | ≤220°C |
| 熱入力 | 1.0～2.0kJ/mm（HAZの過度な成長を最小限に抑えるよう制御する） |
| PWHT | 設計上必要な場合、1インチにつき600℃、1時間 |
| 非破壊検査 | 目視 100%；重要部品についてはコードに従ったX線検査または超音波検査 |
| 硬度 | 最大HAZ 350 HV（または仕様による）；PQRによる試験 |
この例は正式なWPS言語に変換され、PQRと機械的試験（必要な場合は引張、曲げ、シャルピーVノッチ）によって検証されなければならない。
8.溶接後の検査とNDT
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硬度調査： 溶接断面全体のHAZ硬度を測定する。焼入れ/焼戻し処理された4140部品の場合、許容 HAZ硬度は設計によって設定されなければな らない。HAZ硬度が～350HV（約32～36HRC）以 上で制御できない場合は、PWHTが必要であるこ とを示すことが多い。
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目視と寸法チェック： 亀裂、アンダーカット、融合の欠如。
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NDT： 重要部品のX線透視検査または超音波検査。
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メタログラフィー： HAZの微細構造および効果的なPWHTを検証するための、法医学的または適格性確認作業用。
9.代表的な故障モードと修理戦略
9.1 コールド（水素）クラッキング
原因がある： HAZの高硬度＋拡散性水素＋引張残留応力。
緩和： 予熱、低水素消耗品、制御されたインターパス、PWHT。
9.2 HAZ脆化と過度の硬度
原因がある： マルテンサイトへの急冷；焼き入れした4140をPWHTせずに溶接した場合によく見られる。
修理する： HAZの硬度を下げるため、焼戻し温度（PWHT） まで再加熱する。亀裂が存在する場合は、 欠陥溶接金属とHAZを健全な金属まで除去し、 適格WPSに従って再溶接し、PWHTを適用 する。
9.3 歪みと寸法ドリフト
原因がある： 熱サイクルと拘束溶接。
緩和： 溶接順序、短時間運転、ヒートブランケット、制御冷却。
10.推奨テーブルとビジュアル
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化学成分表 (SAE公式レンジ) - テクニカルビジターが迅速にグレードを確認するのに役立ちます。
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厚さ別プリヒート/インターパス/PWHTクイックリファレンス - 溶接工や検査官にとって実用的。
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フィラーメタル選択マトリックス - ER80ファミリーとER70ファミリーを比較し、長所と短所を挙げている。
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WPSチェックリスト表 - コードに準拠した手技に最低限必要な要素。
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硬度と焼戻し温度の関係 - PWHTの選択と目標とする機械的特性をサポートする。
11.よくある質問
Q1: 4140は予熱なしで溶接できますか？
A: 限られた非臨界的な場合（薄肉部、焼鈍状態）に限り、予 熱なしで溶接できる。焼ならし、焼入れ、またはそれ以上の厚さの部 品では、HAZ硬化と水素割れを避けるため、予熱 を強く推奨する。
Q2: 12mmの4140鋼板の予熱温度は？
A: 一般的な熱処理温度は150-250℃（300-480°F）である。プリハードンや重要部品には高い方を使用し、PQRで認定する。
Q3: 4140の溶接後にPWHTは必要ですか？
A: 重要な部品、溶接された焼入れ・焼戻し材、HAZ硬度が高い場合は、そうなる。一般的な焼戻し/PWHTの温度範囲は550～650℃であり、板厚に応じて温度を保持する。焼きなまし材の小さな補修には必要ないかもしれない。
Q4: 4140に最適な溶加材は？
A: ER80Sファミリーのような低水素、高強度フィラー、または適切に分類されたカバー電極を使用してください。選択は、望ましい機械的特性とPWHTの必要性によります。
Q5: 水素をコントロールする方法は？
A: 乾燥した低水素の電極／ワイヤーを使用し、製造元に従ってカバー付き電極をベークし、油分や錆を除去し、湿度を管理し、予熱を使用して拡散を促す。
Q6: HAZで許容される硬度はどのくらいですか？
A：許容可能なHAZ硬度は設計によって異なります。多くの仕様では、HAZ硬度を所定のHRC値（例えば、部品によっては30～36HRC）に制限しています。常に設計と相談して制限値を設定し、靭性を検証するために試験を行ってください。
Q7: 焼入れした4140を焼戻しせずに溶接できますか？
A: これはリスクが高い。焼入れした4140を焼戻しせずに溶接すると、HAZが脆くなり、割れが発生しやすくなります。PWHTを計画するか、冶金学者にご相談ください。
Q8: TIG溶接は4140に適していますか？
A: はい。GTAW/TIGは、薄切片や精密さと低希釈が要求される接合に優れた制御を提供します。
Q9: 4140のWPSはどのように認定すればいいのですか？
A: 代表的なクーポンを用いてPQRを実施し、すべてのパラメータを記録し、機械的試験（引張、ガイド曲げ、必要に応じてシャルピーV）と硬度マッピングを実施する。
Q10:溶接後にひび割れが見つかったら？
A: 停止し、根本原因を調査し、影響を受けた溶接 部とHAZを健全な金属まで除去し、再洗浄を行 い、予熱/水素制御を調整し、手順を再確認す る。多くの場合、部品を使用 に戻す前にPWHTが必要である。
12.4140溶接前の実践的チェックリスト
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材料の熱処理と硬度を確認する。
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炭素当量を計算する。
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溶接部の清掃：油脂、塗料、錆、スケールを除去する。
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必要に応じて、低水素の消耗品とベーク電極を選択する。
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予熱温度と通過間温度を設定し、温度クレヨンまたは熱電対で確認する。
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WPSとPQRを準備するか、既存の適格なWPSに従う。
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設計上必要であれば、PWHTを計画する。
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溶接後のNDTと硬度チェックを予定する。
13.クロージング・エキスパート・ノート
4140は、そのバランスのとれた強度、靭性、耐摩耗性により、エンジニアリングの定番となっている。冶金学を尊重すれば、4140を安全に溶接することは、予測可能なエンジニアリングである。どんな重要な部品でも、4140を軟鋼のように扱ってはならない。予熱を計画し、水素を管理し、物理的試験でWPSを認定する。疑問がある場合は、冶金学者または溶接技師に相談し、耐用年数を守るために文書化されたPQR/WPS記録と溶接後試験を信頼すること。
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