クロムモリブデン 硬度と材質特性の関係

クロムモリブデン 硬度の特性と応用

クロムモリブデン 硬度と材質SCM435の基本特性

 

クロムモリブデン鋼（通称クロモリ鋼）は、炭素鋼にクロム（Cr）とモリブデン（Mo）を添加した合金鋼です。鉄（Fe）を主成分とし、これらの合金元素を添加することで、優れた機械的特性を発揮します。代表的な材料であるSCM435の硬度は、熱処理後で269～331HBWの範囲となります。

 

SCM435の化学組成は以下の通りです。

• 炭素（C）：0.33～0.38%
• ケイ素（Si）：0.15～0.35%
• マンガン（Mn）：0.60～0.90%
• リン（P）：0.030%以下
• 硫黄（S）：0.030%以下
• ニッケル（Ni）：0.25%以下
• クロム（Cr）：0.90～1.20%
• モリブデン（Mo）：0.15～0.30%

この材料の特徴は、クロムとモリブデンの添加により焼入性が向上し、材料の中心部まで均一な硬度を得やすいことです。標準的な熱処理（830～880℃での焼入れ、530～630℃での焼戻し）を施すことで、高い強度と靭性を兼ね備えた状態になります。

 

機械構造用合金鋼としてJIS規格（JIS G 4053:2016）に定められており、SCM435の「SCM」はスチール（S）、クロム（C）、モリブデン（M）の頭文字を表し、「435」の「4」は合金元素量コード、「35」は炭素量の代表値を100倍した数値を意味しています。

 

クロムモリブデン 硬度に影響する焼入れ温度と組織変化

 

クロムモリブデン鋼の硬度は、焼入れ温度によって大きく影響を受けます。新潟県工業技術総合研究所の実験によると、SCM435を800～950℃の範囲で焼入れした場合、850℃以上で約300HV0.5の硬度が得られることが確認されています。

 

焼入れ温度による硬度と金属組織の変化は以下の通りです。

1. 800～825℃での焼入れ。
   • 硬度：300HV0.5未満
   • 組織：基地組織は焼戻しマルテンサイトだが、白色のフェライトが局所的に残存
   • 特徴：フェライトは焼戻しマルテンサイトより軟らかいため、全体の硬度が低下
2. 850～875℃での焼入れ（推奨温度範囲）。
   • 硬度：約300HV0.5
   • 組織：均一な焼戻しマルテンサイト
   • 特徴：最適な硬度と組織バランスを実現
3. 900～950℃での焼入れ。
   • 硬度：約300HV0.5
   • 組織：粗い焼戻しマルテンサイト
   • 特徴：硬度は維持されるが、組織が粗くなり靭性（じん性）が低下

重要なポイントとして、焼入れ温度が高すぎると、金属組織が粗大化し、硬度は十分でも靭性が低下するため注意が必要です。600℃での焼戻し後もこの傾向は維持されるため、最終製品の用途に応じた熱処理条件の選定が重要となります。

 

新潟県工業技術総合研究所による詳細な焼入れ温度と金属組織の関係の研究結果

クロムモリブデン 硬度と強度から見る実用性能

 

クロムモリブデン鋼の実用性能を評価する上で、硬度と強度の関係は非常に重要です。SCM435の機械的特性は以下の通りです。

特性	数値
降伏点	785MPa以上
引張強さ	930MPa以上
伸び	15%以上
絞り	50%以上
シャルピー衝撃値	78J/cm²以上
硬度	269～331HBW

これらの数値は、焼入れ（830～880℃油冷）および焼戻し（530～630℃急冷）後の参考値です。一般的な炭素鋼と比較して、クロムモリブデン鋼SCM435は約1.7倍の引張強さを持ちます。

 

実用面での主な特長は。

1. 高強度と靭性のバランス。
   • 高い引張強さと降伏点を持ちながら、15%以上の伸びを確保
   • 衝撃に対する抵抗力（シャルピー衝撃値）も高く、突発的な力にも対応可能
2. 優れた耐摩耗性。
   • 高い硬度により摩擦や摩耗による劣化を抑制
   • 機械部品の長寿命化に貢献
3. 耐腐食性。
   • クロムの添加により、一般的な炭素鋼より優れた耐腐食性を発揮
   • ただし、ステンレス鋼ほどの耐食性はない点に注意
4. 高温性能。
   • 500℃前後の高温環境下でも強度の低下が少ない
   • モリブデンの添加により、高温クリープ抵抗性を向上
5. 適度な「しなり」。
   • 自転車フレーム等に用いられる理由の一つが、適度な弾性変形能力
   • 振動吸収性にも優れ、使用時の快適性を向上

これらの特性から、クロムモリブデン鋼は高負荷かつ摩耗環境下で使用される機械部品に適しており、強度と耐久性が求められる用途に広く採用されています。

 

クロムモリブデン 硬度の測定方法とその重要性

 

クロムモリブデン鋼の硬度測定は、品質管理や材料特性評価において非常に重要です。主要な硬度測定方法とその特徴を理解することで、適切な材料評価が可能になります。

 

主な硬度測定方法：

1. ビッカース硬度（HV）。
   • ダイヤモンド製の四角錐圧子を使用
   • SCM435の測定では一般的にHV0.5（試験力4.9N）が用いられる
   • 熱処理後の局所的な硬度分布評価に適している
   • 例：焼入れ後のSCM435は約300HV0.5
2. ブリネル硬度（HBW）。
   • 硬球を試験片に押し込む方法
   • 広い面積での平均的な硬度評価が可能
   • 鍛造・圧延材の硬度評価に適している
   • 例：SCM435の標準硬度範囲は269～331HBW
3. ロックウェル硬度（HRC）。
   • ダイヤモンド圧子または硬球を使用
   • 現場での迅速な測定に適している
   • 熱処理部品の品質管理によく使われる
   • 例：浸炭焼入れ後の表面硬度はHRC60～70に達する

硬度測定の重要ポイント：

• 測定位置の選定。
  • 部品の重要機能部分で測定
  • 表面と中心部など複数箇所での測定が望ましい
  • 熱処理による硬度勾配の把握が必要
• 熱処理確認としての硬度測定。
  • 焼入れ深さの確認
  • 焼戻し条件の適切性評価
  • 局所的な硬化不良の検出
• 品質トレーサビリティ。
  • ロット管理のための硬度記録
  • 製品性能保証のためのデータ蓄積

  硬度測定におけるよくある誤解として、「高い硬度=良い製品」という考え方がありますが、実際には用途に応じた適切な硬度があります。例えば、SCM435Hでは焼入れ端から9mmの位置でHRC45～55の範囲内に硬度が収まることが保証されていますが、これは最大硬度を目指すのではなく、均一な特性を確保するための管理値です。

   

  適切な硬度測定と評価は、クロムモリブデン鋼部品の信頼性確保において不可欠であり、設計段階から考慮すべき重要な品質指標といえます。

   

  クロムモリブデン 硬度の産業応用と選定ポイント

   

  クロムモリブデン鋼、特にSCM435は、その硬度特性を活かして様々な産業分野で幅広く応用されています。産業別の応用例と選定時の重要ポイントを解説します。

   

  主な応用分野：

  1. 自動車産業。
     • エンジン部品（コンロッド、クランクシャフト）
     • シャーシ部品（ボルト、ナット類）
     • パワートレイン部品（ギア、シャフト）
     • 高い強度と耐久性が要求される安全部品
  2. 航空宇宙産業。
     • 航空機の脚部品
     • エンジン構造部品
     • 高温・高荷重環境下で使用される制御機構部品
  3. 自転車製造。
     • 高級フレーム材料（クロモリフレーム）
     • 適度な「しなり」と振動吸収性を活かした設計
     • 長期使用を前提とした耐久性重視の部品
  4. 一般機械・工具。
     • 高荷重用ボルト・ナット
     • 工作機械の構造部品
     • 耐摩耗性を要する摺動部品

  選定時の重要ポイント：

  • 必要硬度の決定。
    • 使用環境（摩耗、衝撃、静的荷重など）に基づく適切な硬度設定
    • 表面硬度と内部硬度のバランス考慮
  • 熱処理方法の選択。
    • 全体焼入れ：均一な強度が必要な場合
    • 浸炭焼入れ：表面硬度と内部靭性のバランスが必要な場合
    • 高周波焼入れ：局所的な硬化が必要な場合
  • コスト効率の検討。
    • 特殊合金と比較するとSCM435は比較的コスト効率が高い
    • 加工性の良さによる製造工程の効率化も考慮
  • 代替材料との比較。

    材料	強度	耐摩耗性	コスト	加工性
    SCM435	高	良好	中	良好
    炭素鋼	中	中程度	低	優れている
    ステンレス鋼	中～高	中程度	高	やや難しい
    チタン合金	非常に高	良好	非常に高	難しい

  少し知られていない応用として、SCM435は500℃前後の高温環境下でも強度維持が可能なため、高温高圧の工業プロセス設備の部品にも採用されています。例えば、化学プラントのバルブ部品や圧力容器の一部には、その特性を活かした設計が見られます。

   

  浸炭焼入れを施したSCM435部品は、表面硬度HV700～1000（HRC60～70）、内部硬度HV200～400（HRC20～40）という、表面と内部で大きく異なる特性を持つことができます。この特性は、ギアやカムなど、表面の耐摩耗性と内部の靭性を同時に要求される部品に最適です。

   

  浸炭焼入れによるSCM435の硬度特性に関する詳細情報
  クロムモリブデン鋼の選定においては、単に硬度だけでなく、強度、靭性、耐摩耗性、耐熱性などのバランスを総合的に判断することが重要です。特に高強度部品の設計においては、熱処理条件の最適化が製品寿命に大きく影響するため、材料選定と熱処理条件を一体として考える視点が欠かせません。