AISI/SAE 4145はクロムモリブデン低合金鋼で、4140よりも焼入れ性が強く、到達強度が高いため、深部硬化と高降伏が要求される大断面や坑内石油・ガス部品に特に適している。この性能は、炭素をわずかに高くし、CrとMoの添加量を制御することで達成され、通常、特定の硬度または最小降伏目標値に焼入れ・焼戻しして供給される。
速報
| 項目 | 短い説明 |
|---|---|
| 一般名 | AISI 4145、SAE 4145、4145 MOD（改良型） |
| タイプ | Cr-Mo系低合金鋼（通し焼入れ） |
| 代表的な用途 | ドリルカラー、ダウンホールコンポーネント、重量シャフト、大口径バー、石油・ガスの焼入れ・焼戻し部品、高強度機械部品 |
| 代表的な熱処理 | 指定された硬度（特定の用途では通常30～36HRCまたはそれ以上）に焼き入れ・焼き戻しする。 |
| 主な特徴 | 4140よりも高い焼入れ性、高い到達強度、Q&T後の良好な寸法安定性。 |
| 一般的なフォームファクター | 丸棒、鍛造ブランク、チューブ、機械加工部品 |
| 典型的な納入状態 | お客様のご要望に応じて、焼ならし、熱間圧延、または焼入れ・焼戻しを行います。 |
化学組成（代表的な仕様範囲）
以下は、業界のデータシートと製品仕様書から作成した実用的な成分表である。特に4145改質材では、大断面の焼入れ性を向上させるため、マンガン、クロム、モリブデンを添加する場合がある。
| エレメント | 典型的な範囲 (wt %) | 備考 |
|---|---|---|
| カーボン（C） | 0.43 - 0.48 | 4140よりも高く、強度と焼入れ性の向上に大きく寄与している。 |
| マンガン (Mn) | 0.75 - 1.00 | 脱酸素剤と靭性向上剤。 |
| リン (P) | ≤ 0.035 | 不純物制限。 |
| 硫黄 (S) | ≤ 0.040 | 不純物制限。 |
| ケイ素 (Si) | 0.15 - 0.35 | 強化と脱酸。 |
| クロム（Cr） | 0.80 - 1.10 | 焼入れ性と焼戻し抵抗性を向上させる。 |
| モリブデン (Mo) | 0.15 - 0.35 | 焼入れ性のキー；0.20が一般的。 |
| バナジウム、ニッケル、銅 | トレースまたはコントロール | 標準的なものではなく、一部の変更された等級には小さな追加が含まれている。 |
実践的なメモ： 4145MODの変種は、より大きな断面で指定された最小降伏または硬度を満たすために、Moおよび/またはCrを意図的に増加させることがある。
機械的特性（代表的な範囲と設計値）
機械的特性は熱処理に大きく依存します。以下は、供給業者のデータおよび技術データシートから引用した業界標準値です。最終設計には、特定の熱処理証明書を使用してください。
標準的な納入範囲（標準化またはアニール済み
| プロパティ | 典型的な範囲 |
|---|---|
| 引張強さ（極限） | 650 - 850 MPa（条件により異なる） |
| 降伏強度（0.2%） | 420 - 600 MPa |
| 伸び（A75mmまたは50mm） | 12 - 20 % |
| 面積の縮小 | 40 - 60 % |
| 硬度（HB） | 195 - 235 HB（コンディションによる） |
焼入れ・焼戻しターゲットレンジ（一般的な方法）
| 焼戻しターゲット | 典型的な引張 | 典型的な収量 | 硬度 |
|---|---|---|---|
| ミディアム・ストレングス・テンパー | 800 - 1000 MPa | 600 - 800 MPa | 28 - 36 HRC |
| 高強度テンパー | 900 - 1100 MPa | 700 - 900 MPa | 36 - 50 HRC |
| 超高硬度（特殊） | 1200MPaまで | 1000MPaまで | 55～62HRC（特殊加工） |
デザインの実践： 安全上重要な部品には、最低降伏点 (例えば110 ksi / 758 MPa)と最大焼戻し硬度の両方を指定し、圧延および熱処理認定を要求する。4145は、油田用鋼管やドリルカラーに最低降伏点で供給されることが多い。
熱処理と焼入れ性挙動
焼き入れ
代表的な焼入れ媒体には、棒材や鍛造材用の油焼入れやポリマー焼入れがある。大きな断面や非常に厳しい焼入れ性が要求される場合には、割れを回避し、均一な硬度を得るために、制御された焼入れプロトコルが要求されます。
焼き戻し
焼戻し温度の選択は、強度と靭性のバランスをとる。焼戻し温度が低いほど、衝撃靭性は低下するが、高い硬度と強度が得られる。一般的には、目標HRCまたは最小歩留まりを達成するために焼戻し温度を指定します。
硬化性
4145は、炭素とMo含有量がやや高いため、4140よりも高い焼入れ性を示す。このため、深い焼入れを必要とする形状に適している。超大径用には、十分な芯部硬度を確保するため、MoまたはMnを高めた4145MODを使用することもある。
典型的な熱処理シーケンス（工業用例）
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850～900℃で焼ならし、炉冷で圧延応力を除去する（オプション）。
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820～870℃でオーステナイト化する（正確な温度は供給業者による）。
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油またはポリマーで急冷する。大断面の場合は、残留応力を低減するために制御冷却を検討する。
-
指定されたHRCまたは機械的性質に達するのに必要な温度で焼戻しする。焼戻しサイクルは、多くの場合、厚さ1インチあたり1～2時間である。
実践的な注意： 4145は、予熱が不適切であったり、急冷が厳しすぎたり、加工中に水素脆化が生じたりすると、焼入れ割れを起こしやすい。溶接後に熱処理が必要な場合が多い。
機械加工性、溶接、成形に関する注意事項
加工性
焼ならし状態では、4145は他のCr-Mo鋼と同様に加工できるが、炭素含有量が高いため、4140より加工性はやや劣ることが多い。焼入れ・焼戻し状態では、炭化物の析出と高い硬度が被削性を低下させるので、切削速度と超硬工具を適宜選択すること。
溶接
溶接性は、普通炭素鋼に比べて制限される。予熱、低水素消耗品、およびパス間温度 の管理を強く推奨する。可能な場合は、より低強度、低硬度 の状態で溶接し、適切な溶接後熱処理(PWHT) を施して靭性を回復し、残留応力を緩和する。4145は、サプライヤーによっては「溶接性が悪い」 とされているが、正しい手順で溶接可能である。
成形
再結晶温度以上の熱間成形は日常的である。冷間加工は、材料が比較的軟らかい焼鈍状態でない限り、制限すべきである。
設計指針と選択基準
代替品ではなく4145を選ぶ場合は、以下の点を考慮すること：
-
以下の場合は4145を選択する。 深部硬化 そして 高収量 が必要です。この合金は、重量のあるシャフト、マンドレル、およびダウンホールの油田部品によく使用されます。
-
ある硬度での最大靭性を優先する場合、炭素含有 量が若干低い4140が望ましい。比較データでは、同等のHRCで4145の方が硬度はやや高いが衝撃靭性はわずかに劣ることが多い。
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重要な部品については、適用温度における硬度範囲と最小衝撃エネルギー（シャルピーVノッチ）の両方を指定する。完全なミル試験報告書と熱処理記録を要求する。
注意すべき故障モード
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焼戻しが正しく行われなかった場合、焼入れ割れや焼戻し脆化が発生する。
-
酸洗、電気めっき、溶接の際に水素が導入されると、水素アシスト割れが発生する。
-
残留引張応力や劣悪な表面仕上げが存在する場合、繰り返し荷重による疲労亀裂が発生する。
腐食と保護措置
4145は耐食性に乏しく、過酷な環境ではコーティング、メッキ、または耐食性被覆が必要です。坑内での使用には、表面処理と腐食許容量を設計に含める必要があります。
一般的なアプリケーションと業界の例
-
石油・ガス：ドリルカラー、サブアセンブリー、ダウンホールヘビーコンポーネント、大口径チューブラー（4145MODがよく使用される）。
-
大きな断面でより高い焼入れ性が要求される重機械シャフトとスピンドル。
-
高強度への貫通焼入れが必要な産業用工具および部品。
ケースのスナップショット 多くの油田部品メーカーがドリルカラーに4145MODを指定しているのは、相当な直径で必要な降伏強度とコア硬度が得られるからです。
国際的な同等物および基準
正確な等価物は、国や標準化団体によって異なる。次の表は、調達のためによく使われる相互参照とコメントを示したものです。
| 指定/規格 | 同等または注 |
|---|---|
| SAE/AISI 4145 | ベースとなる米国の呼称 |
| 4145 MOD | 焼入れ性を向上させるため、MoまたはMnを高めた改良型。 |
| DIN/EN | 1.7225系(例：42CrMo4/4140)などの類似鋼種があるが、化学的性質の違いを確認する必要がある。大断面の焼入れには、EN等級の適合性を確認すること。 |
| 日本工業規格 | 直接1対1のJISはなく、材料特性のマッチングを使用するか、変換表を参照すること。 |
| UNS G41450 | 4145のUNS指定 |
調達のヒント 炭素とモリブデンのわずかな違いが焼入れ性に重 要な影響を与えるため、純粋に名称だけで代用 してはならない。
並べて比較：4145と4140の比較（実用的なまとめ）
| 特徴 | 4140 | 4145 |
|---|---|---|
| 炭素含有量 | ~0.38 - 0.43 % | ~0.43 - 0.48 %（それ以上） |
| 硬化性 | グッド | 大断面でのより良い、より深い硬化 |
| 代表的な使用例 | シャフト、ギア、一般的な焼入れ・焼戻し部品 | より大きなセクション、ドリルカラー、より高い歩留まりを必要とするヘビーデューティーコンポーネント |
| 等しいHRCでの靭性 | やや良い | やや低い（高い硬度とのトレードオフ） |
| 溶接性 | 4145より良い | より低く、より厳格な管理が必要 |
| 一般的な選択 | 良好な切削性と靭性が要求される | より大きな断面では、より高い焼入れ性と強度が要求される。 |
品質管理、検査、仕様書作成
サプライヤーからの要請：
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全元素の内訳が記載された化学工場証明書（C of C）。
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オーステナイト化温度、焼入れ媒体、焼戻し温度と時間、指定されたポイントで測定された硬度プロファイルを含む熱処理レポート。
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機械試験報告書：引張、降伏、伸び、面積減少、シャルピーVノッチ衝撃値（該当する場合）。
-
コアの硬度と表面の硬度を確認するため、大断面の硬度トラバース結果。
-
必要に応じて非破壊検査（鍛造品の場合はUT、合金の確認が必要な場合はPMI）。
仕様書の例（簡潔なもの）
「材料は SAE/AISI 4145（または指定された場合は 4145 MOD）とし、化学組成と機械的特性はサプライヤー の C of C に従うものとする。部品は、最低降伏強度が X MPa、硬度が Y～Z HRC となるように熱処理を施すものとし、サプライヤーは適合を示す熱処理記録と硬度トラバースを提出すること。
エンジニアが使うテーブル
表A：代表的な硬度と焼戻し温度（例示。）
| 焼戻し温度 (°C) | 焼戻し後の標準硬度（HRC） |
|---|---|
| 200 | 48 - 55 |
| 300 | 42 - 48 |
| 400 | 36 - 42 |
| 500 | 28 - 36 |
| 600 | 22 - 28 |
注：これらは指標であり、オーステナイト化温度や正確な化学的性質によって異なる。設計上重要な部品については、工場に焼戻し表を請求すること。
表B：代表的なCCT/焼入れ性観察結果
| 断面寸法（mm） | 4145（焼入れ）の予想硬度浸透率 |
|---|---|
| ≤ 25 mm | 標準オーステナイト化およびオイルクエンチによる完全マルテンサイト断面 |
| 25 - 75 mm | コアの高硬度化が可能。非常に大きな部分については4145MODを確認すること。 |
| > 75mm | 硬度勾配は増加する。4145MODを指定するか、目標値を達成するために熱処理を調整する。 |
よくあるご質問
-
4145と4140の主な違いは何ですか？
4145は炭素がやや高く、Moも高い場合があるため、より高い焼入れ性と高い到達強度が得られ、大断面やダウンホール部品に適している。 -
4145は溶接できるか？
しかし、溶接には予熱、低水素消耗 品、そして多くの場合PWHTが必要である。冶金的 管理のない高強度状態での溶接は避けること。 -
4145MODとは？
大断面部品の焼入れ性を向上させる目的で改良された化学物質で、油田用部品によく使用される。 -
4145の典型的な熱処理は？
820～870℃の範囲でオーステナイト化 し、急冷（オイル／ポリマー）し、選択したHRCま たは強度目標まで焼戻しする。具体的なサイクルは、断面のサイズと最終的な特性によって異なります。 -
4145は高温での使用に適しているか？
4145は高温クリープ合金ではなく、他のCrMo鋼と同様に中程度の高温でも強度を保持するが、非常に高温での連続使用は意図されていない。持続的な高温での使用については、特定の合金ファミリーを評価してください。 -
どのような検査証明書が必要ですか？
製鋼所の化学的証明書、熱処理報告書、機械的試験報告書（必要な場合は引張、降伏、衝撃）、大断面の硬度トラバース。 -
炭素含有量はパフォーマンスにどう影響するのか？
4145の炭素がやや高いため、焼入れ・焼戻し後の達成可能な硬度と強度は高くなるが、溶接性は低下し、衝撃靭性も低炭素鋼に比べ若干低下する可能性がある。 -
4145はベアリングやギアに使われるのか？
通常、転がり軸受には使用されません。貫通硬化と高い芯部強度が優先される重荷重用ギアおよびシャフト用途に使用できる。 -
4145部品の一般的な故障モードは？
保護されていない場合、過酷な環境下での応力腐食や腐食疲労、不適切な熱処理による焼き入れ割れ、表面処理で水素が混入した場合の水素関連割れ。 -
標準的な仕様言語はどこにありますか？
サプライヤーのデータシート、SAE/AISIリファレンス、油田用材料の仕様書に必要な文言が記載されていることが多い。
エンジニアとバイヤーのための最終選考チェックリスト
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工場証明書で正確な化学組成を確認する。
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必要な最小歩留まりと最大硬度、さらに必要な衝撃エネルギーを定義する。
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大断面の熱処理記録と硬度トラバースを指定する。
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溶接組立品の場合は、予熱とPWHTの手順と溶接工の資格が必要。
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腐食性サービスについては、コーティングまたは被覆を定義し、適合性を確認する。
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