DIN 1651 Grade 45S20 冷間引抜・焼入れ焼戻し鋼 - 高強度・高切削性
DIN 1651 Grade 45S20 (1.0727) の概要
DIN 1651 Grade 45S20 (材料番号 1.0727) は、35S20 より炭素含有量を高めた (0.42-0.50%) 中炭素快削鋼で、より高い強度が要求される大量生産部品に使用されます。35S20 と同様に全殺鋼製法、硫黄 0.18-0.25% 含有による優れた切削性を備え、高速切削が可能です。靭性要求が厳しくない断面形状の部品に適し、自動車工学、工具製造、装置工学 (ネジ、ナット、小部品) への応用が主です。冷間引抜後、焼入れ焼戻し (C+QT) 状態で供給されます。
化学組成 (質量%)
| 元素 | 含有範囲 | 35S20 との差異 |
|---|---|---|
| 炭素 (C) | 0.42 - 0.50 | +0.10% (焼入れ性・強度向上) |
| マンガン (Mn) | 0.70 - 1.10 | 同等 |
| リン (P) | ≤ 0.06 | 同等 |
| ケイ素 (Si) | 0.10 - 0.30 | 同等 |
| 硫黄 (S) | 0.18 - 0.25 | 同等 (快削性維持) |
物理的特性
一般特性
| 特性 | 温度 | 値 |
|---|---|---|
| 密度 | 20.0 °C | 7.80 - 7.85 g/cm³ |
機械的特性 (C+QT 状態、20°C)
| 特性 | 値 | 35S20 (参考) |
|---|---|---|
| 引張強さ | 620 - 840 MPa | 540 - 760 MPa |
| 降伏強さ | 375 - 480 MPa | 325 - 420 MPa |
| 伸び | 10 - 14 % | 13 - 17 % |
| ポアソン比 | 0.28 (25°C) | 0.28 (20°C) |
| せん断弾性率 | 81 GPa | 81 GPa |
弾性率の温度依存性
| 温度 (°C) | 弾性率 (GPa) |
|---|---|
| -100 | 217 |
| 20 | 210 - 212 |
| 100 | 207 |
| 200 | 193 - 199 |
| 300 | 185 - 192 |
| 400 | 175 - 184 |
| 500 | 175 |
| 600 | 164 |
熱的特性
| 特性 | 温度 | 値 | 備考 |
|---|---|---|---|
| 熱膨張係数 | -100 °C | 1.08E-5 1/K | |
| 20 °C | 1.19E-5 1/K | ||
| 100 °C | 1.10E-5 - 1.25E-5 1/K | ||
| 200 °C | 1.18E-5 - 1.30E-5 1/K | ||
| 300 °C | 1.36E-5 1/K | ||
| 400 °C | 1.32E-5 - 1.41E-5 1/K | ||
| 500 °C | 1.45E-5 1/K | ||
| 600 °C | 1.49E-5 1/K | ||
| 最高使用温度 | - | 500 °C | 炭素鋼の典型的値 |
| 融点 | - | 1380 - 1514 °C | 中炭素鋼の典型的値 |
| 比熱容量 | -100 °C | 423 J/(kg·K) | |
| 20 °C | 461 J/(kg·K) | ||
| 100 °C | 479 - 490 J/(kg·K) | ||
| 200 °C | 499 - 530 J/(kg·K) | ||
| 300 °C | 517 J/(kg·K) | ||
| 400 °C | 536 - 600 J/(kg·K) | ||
| 500 °C | 558 J/(kg·K) | ||
| 600 °C | 587 J/(kg·K) | ||
| 熱伝導率 | 20 °C | 41.7 - 49.0 W/(m·K) | 35S20 よりやや低い |
| 100 °C | 43.4 W/(m·K) | ||
| 200 °C | 43.2 W/(m·K) | ||
| 300 °C | 41.4 W/(m·K) | ||
| 400 °C | 39.1 W/(m·K) | ||
| 500 °C | 36.7 W/(m·K) | ||
| 600 °C | 34.1 W/(m·K) | ||
| 熱拡散率 | 20 °C | 11.6 mm²/s | 35S20 (12.5) より低い |
| 100 °C | 11.3 mm²/s | ||
| 200 °C | 10.5 mm²/s | ||
| 300 °C | 9.5 mm²/s | ||
| 400 °C | 8.3 mm²/s | ||
| 500 °C | 7.1 mm²/s | ||
| 600 °C | 5.8 mm²/s |
電気的特性
| 特性 | 温度 | 値 |
|---|---|---|
| 電気抵抗率 | 20 °C | 1.20E-7 - 2.50E-7 Ω·m |
| 100 °C | 2.95E-7 Ω·m | |
| 200 °C | 3.65E-7 Ω·m | |
| 300 °C | 4.53E-7 Ω·m | |
| 400 °C | 5.56E-7 Ω·m | |
| 500 °C | 6.74E-7 Ω·m | |
| 600 °C | 8.13E-7 Ω·m |
35S20 と 45S20 の比較と使い分け
| 比較項目 | 35S20 (1.0726) | 45S20 (1.0727) | 選定指針 |
|---|---|---|---|
| 炭素含有量 | 0.32-0.39% | 0.42-0.50% | 45S20 は高強度化可能 |
| 引張強さ (QT後) | 540-760 MPa | 620-840 MPa | +80 MPa 向上 |
| 降伏強さ (QT後) | 325-420 MPa | 375-480 MPa | +50 MPa 向上 |
| 伸び (QT後) | 13-17% | 10-14% | 靭性は 35S20 に軍配 |
| 焼入れ性 | 中程度 | 良好 (大径材対応可) | φ50mm 以上なら 45S20 有利 |
| 切削性 | 優秀 | 優秀 (硬度高めでやや劣る) | 工具寿命は 35S20 略同等 |
| 溶接性 | 悪い | より悪い (炭素当量高) | 両グレードとも溶接非推奨 |
| 材料コスト | 基準 | +5-10% 程度高 | 性能向上分のコスト増 |
熱処理条件 (C+QT)
- 焼入れ温度: 820 - 850 °C (35S20 より 10-20°C 低め)
- 冷却媒体: 水、油、またはポリマー焼入剤 (寸法・形状により選定)
- 焼戻し温度: 540 - 680 °C (用途要求強度により選定)
- 焼戻し時間: 最低 1時間/25mm 厚さ、最低 2時間
焼戻し温度別機械的特性の目安 (45S20)
| 焼戻し温度 (°C) | 引張強さ (MPa) | 降伏強さ (MPa) | 伸び (%) | 硬度 (HB) |
|---|---|---|---|---|
| 540 | ~950 | ~750 | ~7 | ~280 |
| 600 | ~800 | ~600 | ~10 | ~240 |
| 650 | ~700 | ~500 | ~12 | ~210 |
| 680 | ~630 | ~420 | ~15 | ~190 |
切削加工特性
- 硫黄 0.18-0.25% による MnS 介在物が切りくずを確実に分断
- 焼入れ焼戻し後の硬度 (200-280 HB) は、超硬工具 (P10-P20 級) で安定加工可能
- 推奨切削条件 (旋削、超硬 P10、湿式): Vc = 120-180 m/min, f = 0.15-0.30 mm/rev, ap = 1-3 mm
- 高送り・高能率加工にも対応可能 (ワイパーインサート併用で面粗さ Ra 0.8 μm 達成)
主要用途
| 分野 | 部品例 | 要求特性 | 45S20 採用理由 |
|---|---|---|---|
| 自動車 | クランクシャフト、カムシャフト (小型エンジン) | 高疲労強度、耐摩耗性 | 炭素量多で焼入れ深度確保、快削性で量産加工 |
| 自動車 | トランスミッション ギア、スプライン シャフト | 高表面硬度、芯部靭性 | 浸炭焼入れ前材料としても優秀 (表面硬化後 HRC 58-62) |
| 建設機械 | ピストン ロッド、シリンダー ロッド | 高強度、直線性、メッキ適性 | 焼入れ焼戻しで高強度 + 硬質クロムメッキ密着良好 |
| 工具・金型 | エジェクタ ピン、ガイド ピン、ブッシュ | 耐摩耗性、寸法安定性 | 高周波焼入れ対応、快削性で複雑形状加工容易 |
| 農業機械 | 耕うん爪 ボルト、連結ピン | 高せん断強度、耐衝撃性 | 中炭素快削鋼のバランス良好 |
注意事項・制限事項
- 溶接性: 炭素当量 (Ceq) 約 0.65% で溶接割れ感受性極めて高い。溶接構造には不適
- 靭性: シャルピー衝撃値 室温 15-30 J。低温環境 (-20°C 以下) 使用時は要検討
- 大径材の焼入れ性: φ80mm 程度まで油焼入れで芯部硬化可能 (35S20 は φ50mm 程度)
- 応力腐食割れ (SCC): 残留引張応力 + 特定環境 (アンモニア、亜硝酸塩等) で発生リスク。焼戻しで残留応力除去必須
- 水素脆性: 高強度部 (HRC 35 以上) ではメッキ工程後の脱水素焼き鈍 (190-220°C × 2h 以上) 必須
同等・代替グレード
| 規格 | グレード | 特徴・相違点 |
|---|---|---|
| JIS G 4051 | S45C | 一般構造用炭素鋼。快削性なし。切削性重視なら 45S20/SUM43 |
| JIS G 4804 | SUM43 | 最も近い日本規格快削鋼 (C: 0.40-0.47%, S: 0.07-0.15%) |
| ISO 683-4 | 44SMn28 / 46S20 | 国際規格対応グレード |
| ASTM A29 | 1144 / 1146 | 米国快削炭素鋼。1144 は応力除去焼鈍材 |
| DIN EN 10277-3 | 46S20 (1.0728) | 欧州冷間仕上鋼材規格。C+QT 指定で同等特性 |
調達・品質管理のポイント
- 熱処理条件 (焼入れ温度、冷却媒体、焼戻し温度) を発注仕様書に明記
- 納入時検査: 硬度試験 (ブリネル/ロックウェル)、引張試験、化学成分分析 (溶解分析証明書)
- 非破壊検査: 超音波探傷試験 (大径材 φ50mm 以上推奨)、磁粉探傷試験 (表面欠陥)
- トレーサビリティ: 熱番号 (Heat No.) 管理、ミルシート (検査証明書) 保管必須
金属
- DIN 1651 45S20 鋼 – 冷間引抜き・応力除去、高強度用途向け
- EN 10277-3 46SPb20 グレード - 高強度用途向けプレミアム冷間引抜・焼入焼戻し鋼
- EN 10277-5 Grade 42CrMoS4 – 高負荷自動車・機械用プレミアム冷間引抜き焼入れ焼戻し鋼
- EN 10277-3 35SPb20 – 高強度用途向け冷間引抜・焼入れ焼戻し鋼
- DIN 1651 Grade 45SPb20 冷間引抜・焼入れ焼戻し鋼 - 高強度用途向け
- DIN 1651 Grade 60SPb20 高強度冷間引抜・焼入れ焼戻し鋼 - 自動車・工具用途向け
- DIN 1651 35SPb20 冷間引抜き焼入れ焼き戻し鋼 - 精密切削加工用材料
- EN 10277-5 34CrS4 冷間引抜焼入れ焼戻し鋼 - 自動車・機械向けプレミアム性能
- 41CrS4冷間引抜き・焼入れ焼戻し鋼（EN 10277-5） - 自動車・機械部品仕様
- 51CrV4鋼（EN 10277-5）冷間引抜き・焼入れ焼戻し材（+C+QT） - 航空宇宙・重機械向け高性能合金
- EN 10277-5 グレード C60R：高強度冷間引抜き・焼入れ・焼戻し鋼