GB、DIN、JIS、AISI間の歯車用鋼材規格の比較：換算でわかることとわからないこと

浸炭鋼、焼入れ焼戻し鋼、窒化鋼（20CrMnTi、16MnCr5、SCM420、8620、42CrMo4、38CrMoAl）の相互参照表。GBの機械的性質範囲と5つの代替確認項目付き。

GB、DIN、JIS、AISI間の歯車用鋼材規格の比較：換算でわかることとわからないこと

一つの歯車を例に取る。中国起源の図面は20CrMnTiを指定している。ドイツの買い手の図面は16MnCr5または20MnCr5を指定している。日本からはSCM420、アメリカからは8620が来る。意味の上ではこれら四つは同じ近傍に位置するが、どれ一つとして他と同一と見なしてはならない。規格を相互参照するとき、実際に行っているのは、ある規格体系で定義された鋼種を、第二の体系の最も近い対応鋼種と、化学成分範囲と焼入れ性要求を基準にして並べることである。得られるのは近似の対応関係に過ぎない。代替は別問題であり、図面が指定する鋼種以外で部品を製造することであり、作業量を倍増させる：組成の上限と下限、端焼入れ曲線、介在物限界、熱処理設定のそれぞれが新たな検証を要求する。以下に、三つの一般的な歯車用鋼ファミリー（浸炭、焼入れ焼戻し、窒化）をカバーする四体系の相互参照表、GB鋼種の機械的性質帯、および代替に先立つ五つの確認項目を示す。

I. 区別すべき三つの用語

鋼種の相互参照。 化学成分範囲と機械的性質の近似関係を用いて、規格体系Aの鋼種を体系Bの比較的近い鋼種に対応させる。これが生み出すのは候補範囲であり、代替の許可ではない。

代替（材料置換）。 顧客の図面がある鋼種を指定し、供給者が別の鋼種で製造する。組成、焼入れ性、清浄度、熱処理経路はすべてこの段階で再確認する必要があり、ほとんどの場合、顧客は承認を書面で行わなければならない。

焼入れ性。 焼入れ中に鋼が形成できる硬化層の深さがこの特性を定義する。端焼入れ試験（ジョミニー）が測定方法であり、GB/T 225が国内での実施規格である。名称が一致またはほぼ一致する二つの鋼種でも、異なる焼入れ性曲線をたどることがある — 代替を試みるときの頻繁な失敗点である。

II. 浸炭歯車用鋼：四体系の相互参照

  • 中国GB 20CrMnTi： — （直接の相当鋼種なし）
    • 日本JIS： SMK22
    • 米国AISI/SAE： —
    • 一般的な用途： 自動車変速機型浸炭歯車、国内での使用量が多い
  • 中国GB 20CrMo： 20CrMo5 / 1.7320
    • 日本JIS： SCM420
    • 米国AISI/SAE： 4118 / 4120
    • 一般的な用途： 中小モジュールの浸炭歯車
  • 中国GB 20CrNi2Mo： 20NiCrMo2-2 / 1.6523
    • 日本JIS： SNCM420
    • 米国AISI/SAE： 4320
    • 一般的な用途： 重負荷浸炭歯車
  • 中国GB 20CrNiMo： 20NiCrMo2-2 / 1.6523
    • 日本JIS： SNCM220
    • 米国AISI/SAE： 8620
    • 一般的な用途： 汎用浸炭歯車

表に「—」とある場合、その体系には直接対応できる一般的な鋼種がないことを意味する。それはドイツの浸炭鋼で同じ歯車を製造できないという意味ではなく、作業が焼入れ性と組成の確認を経なければならず、双方が確認した後にのみ代替が行われるという意味である。逆の場合も重要である：顧客が16MnCr5や20MnCr5のようなドイツ規格の浸炭鋼を指定する場合、供給者はまず断面サイズと必要な有効硬化層深さを見てから、どちらを採用するかを決めるべきである。

III. 焼入れ焼戻し歯車用鋼：四体系の相互参照

  • 中国GB 40Cr： 41Cr4 / 1.7035
    • 日本JIS： SCr440
    • 米国AISI/SAE： 5140
    • 一般的な用途： 中負荷焼入れ焼戻し歯車
  • 中国GB 42CrMo： 42CrMo4 / 1.7225
    • 日本JIS： SCM440
    • 米国AISI/SAE： 4140 / 4142
    • 一般的な用途： 汎用高強度歯車、歯車軸
  • 中国GB 35CrMo： 34CrMo4 / 1.7220
    • 日本JIS： SCM435
    • 米国AISI/SAE： 4135
    • 一般的な用途： 中断面歯車
  • 中国GB 45鋼： C45 / 1.0503
    • 日本JIS： S45C
    • 米国AISI/SAE： 1045
    • 一般的な用途： 低速軽負荷歯車
  • 中国GB 40CrNiMo： 40CrNiMo6 / 1.6511
    • 日本JIS： SNCM439
    • 米国AISI/SAE： 4340
    • 一般的な用途： 高強度歯車軸
  • 中国GB 34CrNiMo： 34CrNiMo6 / 1.6582
    • 日本JIS： —
    • 米国AISI/SAE： —
    • 一般的な用途： 大断面焼入れ焼戻し歯車

焼入れ焼戻し鋼は浸炭鋼よりも整然と対応する。クロム含有およびモリブデン含有ファミリーがどの体系にも成熟したシリーズを持っているからである。一つ注意点がある。45鋼とC45およびS45Cの対応はよく知られているが、45鋼単独では焼入れ性が限られており、断面が大きくなると、断面全体の硬さ低下が42CrMoよりも急激になる。したがって、大断面部品の焼入れ焼戻しに45鋼を使用するのは注意を要する。

IV. 窒化歯車用鋼：相互参照

一般的な用途中国GBドイツDIN / W-Nr日本JIS米国AISI/SAE
精密窒化歯車38CrMoAl31CrMoV9 / 1.8519SACM645Nitralloy 135M

どの体系も窒化鋼種は少ないため、選択の幅は浸炭鋼よりも狭い。窒化はひずみが小さく、歯面硬さが高いため、熱処理後に研削するのが不便な精密部品に適する。代償は硬化層が薄いことであり、強い衝撃条件には不向きである。

V. 一般的なGB鋼種の機械的性質範囲

これらの数値は鋼種の階層を素早く判断するのに役立つ。具体的な値は製鋼所の品質証明書および受入再検査による。

硬さ鋼種熱処理状態引張強さ Rm (MPa)降伏強さ ReL (MPa)伸び A (%)衝撃エネルギー Akv (J)
芯部 30~42 HRC20CrMnTi浸炭焼入れ＋低温焼戻し≥1080≥835≥10≥55
芯部 30~42 HRC20CrMo浸炭焼入れ＋低温焼戻し≥885≥685≥12≥55
芯部 35~45 HRC20CrNi2Mo浸炭焼入れ＋低温焼戻し≥1180≥980≥9≥63
241~286 HB40Cr焼入れ焼戻し≥980≥785≥9≥47
269~321 HB42CrMo焼入れ焼戻し≥1080≥930≥12≥63
217~255 HB45鋼焼入れ焼戻し≥650≥360≥16≥39

この表から一行が読み取れる。浸炭鋼は表面硬化層から強度を得る一方、芯部硬さは靭性を保つために30~45 HRCに保たれる。焼入れ焼戻し鋼は焼入れ硬化から強度を得て、硬さは240~320 HBの帯に入る。どちらの経路を取るかは、歯面接触応力と歯元曲げ応力のどちらがより重要かによって決まり、どちらの鋼種がより進んでいるかにかかっているのではない。

VI. 体系間比較の共通単位としての硬さ

ある図面はHRC、別の図面はHB、さらに別の図面はHVを記載するかもしれない。したがって、一つの歯車を三つすべてと比較判断する必要があるときは、換算のステップが避けられない。最もよく遭遇する階層（値は概算）：

  • HRC 25： 255
    • HV： 260
    • 典型的な対応： 中炭素鋼、焼入れ焼戻し
  • HRC 30： 285
    • HV： 290
    • 典型的な対応： 焼入れ焼戻し鋼
  • HRC 40： 370
    • HV： 380
    • 典型的な対応： 中炭素鋼、焼入れ焼戻し
  • HRC 48： 455
    • HV： 470
    • 典型的な対応： 40Cr高周波焼入れ
  • HRC 52： 510
    • HV： 525
    • 典型的な対応： 合金鋼、焼入れ
  • HRC 58： 580
    • HV： 610
    • 典型的な対応： 20CrMnTi、浸炭焼入れ
  • HRC 62： 640
    • HV： 670
    • 典型的な対応： 高速度鋼 / 浸炭鋼

歯車の一般的な硬さ要求階層：

  • 歯車タイプ 浸炭焼入れ歯車： 浸炭＋焼入れ＋低温焼戻し
    • 一般的な硬さ範囲： 58~62 HRC
    • 説明： 歯面硬質、芯部靭性、耐衝撃性
  • 歯車タイプ 焼入れ焼戻し＋高周波焼入れ歯車： 焼入れ焼戻し＋歯面高周波焼入れ
    • 一般的な硬さ範囲： 48~55 HRC
    • 説明： 歯面硬質、芯部は靭性を保持
  • 歯車タイプ 焼入れ焼戻し歯車： 焼入れ焼戻し
    • 一般的な硬さ範囲： 280~320 HB
    • 説明： 中強度、中低速用
  • 歯車タイプ 窒化歯車： 焼入れ焼戻し＋ガス/プラズマ窒化
    • 一般的な硬さ範囲： ≥50 HRC（窒化層）
    • 説明： ひずみ小、耐摩耗性
  • 歯車タイプ 焼入れ硬化歯車： 焼入れ硬化＋低温焼戻し
    • 一般的な硬さ範囲： 45~55 HRC
    • 説明： 小モジュール歯車

これらの換算関係は近似範囲内でのみ成立する。20 HRC未満ではロックウェルCスケールは大きな誤差を生じ、代わりにHRBスケールを使用すべきである。450 HB未満では、HRCとHBは近似的に HRC ≈ (HB − 200) / 10 と推定できる。20 HRC未満の領域では測定誤差が大きくなるため、検査スケールは受入時に合意すべきである。

VII. 代替前に確認すべき五項目

  • 化学成分： 各規格でSi、Mn、Cr、Ni、Moの上限と下限に違いがある。元素ごとに確認する
  • 焼入れ性： 端焼入れデータに従って比較し、鋼種名から推測しない。断面が大きいほど重要
  • 清浄度： 各規格でSおよびP含有量と介在物レベルに対する要求が異なる
  • 熱処理プロセス： 材料変更後、浸炭温度、カーボンポテンシャル、焼入れ媒体、焼戻しパラメータを再確認する必要がある
  • 顧客仕様： 図面が規格と鋼種を明示的に指定している場合、仕様に従って購入する。変更には顧客の確認が必要

VIII. 実務的な知見

  • 輸出注文では、顧客がどの規格に基づいて検査するかをまず確認する。 図面には20CrMnTiとあっても、ドイツの顧客はドイツ規格で検査する。困難は通常、部品を製造できるかどうかではなく、どの値に対して検査に提出するかである。技術協定に材料規格番号と組成範囲を記載する一文があれば、後で議論するよりも多くの手間を省ける。
  • 鋼種ラベルよりも端焼入れ曲線を信頼する。 製鋼所は同じ公称鋼種でも異なる焼入れ性幅で出荷する。焼入れ性が要求される場合、購入仕様にJ値を記載し、受入再検査で検証する。証明書から鋼種だけを読むよりも優れている。
  • 材料変更は熱処理パラメータを引きずる。 図面の注記だけを変更し、浸炭プロセスを以前と同じに呼び出すのは、バッチ異常の一般的な原因である — ニッケル含有量が変わると、同じカーボンポテンシャルと時間で得られる有効硬化層深さも変わる。
  • 検査報告書には鋼種、規格番号、熱処理状態を完全に記載すべきである。 輸出検査では、「合金鋼、HRC58」とだけ記載された報告書では、顧客は図面要求と照合できない。三つすべてを完全に記載することでトレーサビリティチェーンが閉じる。

材料鋼種と完成歯車の間にはいくつかの段階がある：精密平歯車の機械加工と検査、軸型伝動部品の旋削、フライス加工、熱処理、精密機械加工と歯車研削プロセス。ラックなどの標準シリーズ部品では、品番自体が材料をコード化している：GY-CSTGH-020-10-S では、位置CはS45C、MはSCM440を表し、020 はモジュールM2、10 は長さ1000mmを表す。図面が材料と熱処理を含む技術検討を必要とする場合、お問い合わせください。

PinyiGearは、図面に基づいて精密歯車と伝動部品を供給し、材料と熱処理の文書は注文書に記載された規格までトレーサブルです。

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