靭性、切削性、耐疲労性のバランスの取れた組み合わせを必要とする多くの汎用エンジニアリング部品向け、 AISI 4140 は、より汎用性が高く、広く使用されている。高強度、高硬度、焼入れまたは焼戻し後の硬度 が優先される場合。例えば、大径シャフト、油田用ダウン ホール部品、高荷重鍛造部品など。 AISI 4145 (およびその改良型/高炭素変種)が頻繁に好まれる選択肢となる。この2つの合金は密接に関連したクロム-モリブデン鋼であるが、炭素と加工のわずかな違いが、材料選択の指針となるべき明確な性能トレードオフにつながる。
簡単な技術スナップショットと経営陣の比較
AISI 4140とAISI 4145は共にAISI/SAE 4000シリーズのクロムモリブデン低合金鋼に属します。これらの鋼は同じ主要合金元素（Cr、Mo、Mn、Si）を共有しているため、基本的な冶金学は類似しているが、次のような違いがある。 4145は通常、公称炭素含有量が高い。 一般的な4140の組成よりも高い。高い炭素は強度と焼入れ性を向上させるが、その代償として靭性と切削性は若干低下する。実際には、これは4145が所定の焼入れ・焼戻しスケジュールでより高い貫通硬化レベルに達することができることを意味し、これは大きな断面や高応力部品にとって貴重である。
化学組成（代表的な範囲とその意味するもの）
以下は、一般的に報告されている2つの等級の公称組成である。生産者が若干異なる分析を提供することもあり、また標準品や「変更」品が存在することもある（例えば4145H、4145M）。購入ロットの正確な化学組成については、製造所の証明書を参照されたい。
代表的な化学組成（公称範囲、wt%）
| エレメント | AISI 4140（代表値） | AISI 4145 (代表値) |
|---|---|---|
| カーボン（C） | 0.38 - 0.43 | 0.43 - 0.48 |
| クロム（Cr） | 0.80 - 1.10 | 0.80 - 1.10 |
| モリブデン (Mo) | 0.15 - 0.25 | 0.15 - 0.25 |
| マンガン (Mn) | 0.60 - 1.00 | 0.75 - 1.00 |
| ケイ素 (Si) | 0.15 - 0.35 | 0.15 - 0.30 |
| 硫黄 (S) | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| リン (P) | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| 鉄（Fe） | バランス | バランス |
最も重要な違いは、炭素量である。炭素量が多いほど、焼入れ・焼戻し後の引張強さと潜在硬度が高くなります。また、焼入れ性が若干高くなり、目標硬度を達成するのに必要な断面寸法が小さくなります。この特性は、4145が大径部品や重量のある鍛造部品によく選ばれる理由です。
熱処理後の機械的性質と微細構造
機械的特性は、熱処理、断面寸法、加工業者によって異なります。以下の代表的な範囲は、ガイダンスとしてのみ使用すること。常に製造所の試験報告書を要求し、重要な部品については受入試験を実施すること。
代表的な機械的性質（焼入れ・焼戻し状態、指標範囲）
| プロパティ | AISI 4140 (QT代表) | AISI 4145 (QT標準) |
|---|---|---|
| 引張強さ（MPa） | 750～1,350（気性による） | 800 - 1,500 |
| 降伏強さ（0.2%オフセット、MPa） | ~500 - 1,200 | ~550 - 1,250 |
| エロンゲーション（%） | 10 - 20 | 8 - 18 |
| 面積の縮小（%） | 30 - 60 | 25 - 55 |
| 硬度（焼入れ・焼戻し後のHRC） | 20～60（ワイドレンジ） | 25 - 62 (大断面でより高いHRCを達成できる) |
組織: 両鋼ともオーステナイト化と急冷後、冷却速度に応じて炭化物を保持したマルテンサイトを形成する。焼戻しは炭化物の析出と焼戻し変態により硬度を下げ、靭性を向上させる。4145は炭素量が多い傾向があるため、一定の焼戻し温度に対するマルテンサイト硬さは4140より高くなる。
焼入れ性、熱処理方法、加工上の注意点
硬化性
焼入れ性は、焼入れ中に断面を通してマルテンサイトを形成する鋼の能力を表します。4145の炭素含有量はやや多く、焼入れ性を高め、深部で達成可能な硬度を増加させます。深い硬度が要求される大断面(シャフト、ダウンホールツール部品)では、この特性はしばしば決定的となります。
代表的な熱処理ウィンドウ
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オーステナイズ（共通）： 800 - 860°C (1475 - 1580°F)、セクションのサイズと供給者の推奨による。
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クエンチ媒体： 両合金ともオイルクエンチが一般的で、薄肉部や歪みを最小限に抑える必要がある場合は、ポリマークエンチャントや制御ガス冷却が使われることもある。
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気性が荒い： 焼戻し温度は、目標とする硬さと靭性のトレードオフに達するように選択される（例えば、200-650℃）。高い焼戻し温度は強度を低下させるが、靭性を増加させる。4145は、重要な用途のために、ある温度範囲での焼戻し脆化を避けるために、しばしば慎重な焼戻しを必要とする。
実用上の注意: 4145は石油・ガスおよび重機で多用されるため、供給業者はしばしば指定された硬度まで焼入れ・焼戻しした状態で納入する。4145の典型的な供給硬度範囲は、一部のダウンホール鋼では30～36HRCですが、必要に応じてより高い硬度レベルに加工することも可能です。
製品形態、供給条件、規格
一般的な供給形態：
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丸棒（研磨、旋削、鍛造）
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シャフトおよびカップリング用鍛造品およびビレット
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特殊用途のチューブおよびケーシング
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一部の工場における平板および棒材
これらの鋼種を参照する一般的な規格や仕様には、SAE/AISIリスト、チューブとケーシングに関する各種ASTM規格、ダウンホールコンポーネントに関する油田材料規格などがあります。一部の分野では、化学的性質や加工を調整 して性能を向上させた改良型（4145H、4145M） も参照されている。供給業者はしばしばUNS番号を提示する：4140 → UNS G41400, 4145 → UNS G41450.
溶接、機械加工、表面処理の考慮点
溶接
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熱勾配を緩和し、割れを防止するため、溶接前に予熱することを推奨する。特に4145は炭素量が多く、硬化しやすいためである。一般的な予熱：板厚および継手の設計に より150～300℃。高強度または重要な部品には、溶接後熱処理 (PWHT)が義務付けられている場合がある。
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低水素の消耗材を使用し、承認された溶接手順に 従うこと。焼入れ・焼戻し状態で溶接する場合、PWHTを行 うと靭性が回復することがある。
機械加工
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どちらの鋼も焼きなまし状態での加工性はそれなりに良いが、硬度が高くなるにつれて加工性は低下する。4145は炭素がやや高いため、高硬度材の加工はより厳しくなる。適切な工具、クーラント、速度が不可欠である。
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焼入れ・焼戻し後に厳しい寸法管理が必要な場合は、荒加工で取り代を出し、熱処理を施した後、最終仕上げ加工を行う。
表面処理
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これらのクロム-モリブデンバルク合金には、一般的に浸炭処理は施されず、通常、通し焼入れ処理によって硬化される。代表的な表面処理には、窒化処理（一部の使用条件）、ショット・ピーニング、局部摩耗面の高周波焼入れ、必要な場合には腐食保護のためのメッキ／コーティングなどがある。
用途に応じた選択 - 4140と4145のどちらを選ぶか
AISI4140を選択する：
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この部品には、靭性と延性のバランスの取れた組み合わせと、中程度から高強度が要求される。
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加工性と仕上げのコスト効率が優先される。
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コンポーネントは、動的負荷、疲労、またはねじり応力を受けます（シャフト、ギア、スピンドル、多くの産業におけるファスナー）。
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あなたは、広く標準化され、広く入手可能で、多くの製材所から供給され、加工・熱処理方法が確立されている鋼種を好む。
AISI4145を選択する：
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特に大きな断面では、より高い焼入れ性とわずかに高い到達硬度が要求される。
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焼入れ／焼戻し後のより強靭で高強度な微細構造が有用な、持続的な高静荷重または摩耗を伴う用途（重荷重用シャフト、油田掘削用部品、ダウンホールツール）。
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あるサプライヤーは、石油・ガス仕様または鍛造用途向けに、熱処理と認証を合わせた4145を提供している。
品質管理、試験、検査
重要な部品については、要求と見直しを行う：
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工場証明書 実際の化学分析とともに。
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硬度マップ 熱処理後の断面（目標HRCまたはHBを確認）。
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引張試験と衝撃試験 (シャルピーVノッチ）。
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非破壊検査 (UT、MPI)を鍛造品と溶接組立品に使用する。
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金属組織検査 粒度、焼戻しマルテンサイトの分布、過度の介在物や偏析などの重大な欠陥がないことを確認する。
石油・ガスの坑内使用の場合、プロジェクト仕様書により、追加の疲労試験または破壊力学試験が要求される場合がある。
サイド・バイ・サイド比較表
要約比較（決定マトリックス）
| 基準 | AISI 4140 | AISI 4145 |
|---|---|---|
| 典型的なカーボン | 中程度（0.38-0.43） | やや高い (0.43-0.48) |
| 硬化性 | グッド | ベター（大きなセクションに有効） |
| タフネス | やや高い | 同程度の硬さでやや低い |
| 被削性（焼きなまし） | グッド | 良い（しかし、機械加工が難しいグレード） |
| 代表的な用途 | シャフト、ギア、ピン、一般エンジニアリング | 重量シャフト、掘削工具、大型鍛造品 |
| 熱処理コントロール | 定評ある | 用途によっては慎重な焼き戻しが必要 |
| 空室状況 | 非常に広く入手可能 | 幅広く入手可能で、多くの工場がバリエーションを提供している。 |
代表的な熱処理加工の注意点（クイックリファレンス）
| プロセスステップ | 4140典型 | 4145典型的な例 |
|---|---|---|
| オーステナイズ | 800-860°C | 800-860°C |
| クエンチ | オイル（一般的） | 油（一般的なもの）；大きな部分は入念な焼き入れが必要） |
| テンパー | 200-650°C ターゲットの硬度による | 200-650°C; 必要に応じて靭性を回復させるためにより高い焼戻しを選択する。 |
実用的な選択チェックリスト
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確認 要求硬度 そして、その硬さが厚みによって達成されなければならないのかどうか。
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レビュー デザイン断面大断面では焼入れ性が高くなる。
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定義 サービス負荷タイプ動的疲労や衝撃は4140の靭性を好むが、静的荷重や摩耗の多い荷重は4145の強度を好む。
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サプライヤーに問い合わせる 工場証明書 化学と熱処理の記録付き。
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溶接が含まれる場合は、以下を含む。 予熱/PWHTの要件 図面で
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重要部品については、予想使用温度でのシャルピー衝撃試験を要求する。
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石油・ガスの場合は、関連する業界仕様への準拠とトレーサビリティを確認する。
よくあるご質問
Q1: 4140と4145は互換性がありますか？
簡単な答え：非重要部品については、両者は類似し ており、交換可能な場合もあるが、同一ではない。重要な部品については、化学的性質、機械的性質、熱処理認定を確認してから代用してください。
Q2: 引張試験でより強いのはどのグレードですか？
同程度の焼戻し条件では、4145の方が炭素量が多いため引張強さはやや高くなる傾向があるが、実際の強さは焼戻し、焼き入れ、断面寸法に大きく依存する。
Q3: 大径シャフトにはどのグレードが適していますか？
4145は、焼入れ性が向上するため、大断面で高い硬度と強度が要求される場合によく使用される。
Q4: 溶接しやすい鋼材はありますか？
一般に、4140の方が炭素がわずかに低いため、 溶接はやや容易とされている。予熱と適切な消耗品を使用すれば、どちらも 溶接可能だが、サービス・クリティカルな場 合、PWHTが必要になることがある。
Q5: 両グレードを同じ炉サイクルで熱処理できますか？
確かに、オーステナイト化温度は類似しているが、焼戻しと焼き入れの制御は、特定の鋼種と断面サイズに合わせて、目標特性に達するように調整する必要がある。
Q6: 自動車部品ではどちらのグレードが一般的ですか？
4140は、その優れた特性とコストパフォーマンスにより、ギア、シャフト、ファスナーなどの自動車部品に広く使用されている。
Q7: 4145は石油・ガス用途に使用されていますか？
4145とその改良型は、強度と焼入れ性が高いため、ダウンホールや掘削工具によく使用される。
Q8: 一般的に注意すべき故障モードは何ですか？
高強度・高硬度部品の場合：脆性破壊、焼戻し脆化、溶接部での水素アシスト割れ、表面または表面下の疲労が主な懸念事項である。適切な試験と設計マージンが不可欠である。
Q9：ENまたは他のシステムで、標準に相当するものはありますか？
はい、4140はEN 42CrMo4/1.7225と密接に対応しています。正確な同等材は、組成と要求される機械的特性に基づいて相互参照する必要があります。
Q10: 図面上でどのように材料を指定すればよいですか？
正確な等級（AISI 4140またはAISI 4145）、要求される熱処理条件（例：QT～40～45HRC）、要求される試験（UT、硬度マッピング、シャルピー、引張）、およびトレーサビリティ／工場証明書の要件を明記すること。該当する場合は、溶接の指示も含める。
発注書用試験検査チェックリスト
P.O.または技術仕様書を書く際には、以下を要求する：
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完全な化学分析と熱処理記録を含む製粉証明書。
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断面にわたる硬さの検証（シャフトについては少なくとも3点）。
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指定された機械的試験（常温での引張試験、動的用途の場合はシャルピーVノッチ試験）。
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大型鍛造品や重要部品のNDT。
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熱とバッチに遡るトレーサビリティ。
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石油・ガス業界特有の証明書（該当する場合）
実践事例
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ヘビーデューティ・トランスミッション・シャフト（産業用クレーン）： 軸受の摩耗や高い接触応力に耐えるためにより深い貫通焼入れが必要な場合は4145を選ぶ。十分な靭性を保つため、最終焼戻しのバランスをとる。
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高速スピンドル（工作機械）： 高い靭性、熱処理後の寸法安定性、耐動疲労性が不可欠な場合は4140を選択する。
閉会勧告
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材料の化学的性質、断面の大きさ、熱処理能力、そして計画されたQCは、ひとつの意思決定チェーンを形成する。
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指定された熱処理と断面に関する代表的な機械的特性データを工場に問い合わせてください。公称値だけに頼らないでください。
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ミッション・クリティカルな部品については、完全なNDTと機械試験を要求し、残留応力と予想疲労寿命の有限要素解析を検討する。
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熱処理が可能な地域が限られている場合は、検証済みの証明書付きで、すでに指定された焼入れ・焼戻し状態で納入された材料を調達する。
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