SCM420
鉻鉬滲碳用合金鋼
SCM420 為 JIS G 4053 鉻鉬低碳合金鋼，含碳量 0.18–0.23%，相當於 21MoCrS4（DIN EN 10084）、近似 AISI 4120（SAE）。滲碳後表面硬度可達 58–62 HRC，心部強度優於 SCM415，適合較大截面或重載滲碳齒輪。
鋼種概述
SCM420 是 JIS G 4053 規範下的鉻鉬低碳合金鋼，碳含量 0.18–0.23%，含 Cr（0.90–1.20%）與 Mo（0.15–0.25%）。JIS 規範將其歸類為滲碳用鋼，定位介於 SCM415 與 SCM440 之間——碳含量比 SCM415 高出約 0.05%，帶來更高的心部淬火硬度與調質強度，同時仍保持滲碳所需的低碳基材特性。這個碳含量位置，使 SCM420 在需要較深滲碳層、較高心部強度的重載齒輪與傳動軸場合，成為比 SCM415 更合適的選擇。
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化學成分（JIS G 4053）
| 元素 | 規範範圍（%） |
|---|---|
| C（碳） | 0.18 – 0.23 |
| Si（矽） | 0.15 – 0.35 |
| Mn（錳） | 0.60 – 0.90 |
| P（磷） | ≤ 0.030 |
| S（硫） | ≤ 0.030 |
| Ni（鎳） | ≤ 0.25 |
| Cr（鉻） | 0.90 – 1.20 |
| Mo（鉬） | 0.15 – 0.25 |
SCM420 與 SCM415 化學成分對照
SCM415 與 SCM420 的主要差異在碳含量。SCM415 的碳較低（上限 0.18%），心部韌性更佳、切削性更好、滲碳製程更寬鬆；SCM420 的碳較高（下限 0.18%），心部在相同淬火條件下硬度約高 3–5 HRC，齒根彎曲疲勞強度設計餘裕更大。對大多數一般負荷的傳動齒輪而言，SCM415 的心部強度已足夠；只有在設計計算顯示心部強度不足，或需要更深滲碳層的重載件，則選用 SCM420。
| 元素 | SCM415 | SCM420 | 差異意義 |
|---|---|---|---|
| C（碳） | 0.13 – 0.18% | 0.18 – 0.23% | SCM420 心部硬度更高，約高 3–5 HRC |
| Cr（鉻） | 0.90 – 1.20% | 0.90 – 1.20% | 相同 |
| Mo（鉬） | 0.15 – 0.25% | 0.15 – 0.25% | 相同 |
熱處理後機械性質（參考值）
| 狀態 | 抗拉強度（MPa） | 降伏強度（MPa） | 伸長率（%） | 硬度 |
|---|---|---|---|---|
| 正火（Normalizing） | 約 750–850 | 約 550–650 | ≥ 16 | 約 HB 190–230 |
| 滲碳淬火 + 低溫回火（表面） | — | — | — | 58–62 HRC |
| 滲碳淬火 + 低溫回火（心部） | — | — | — | 約 HRC 32–42 |
以上為熱處理後參考值，心部硬度受滲碳層深度、截面尺寸與淬火條件影響。SCM420 的心部硬度參考值略高於 SCM415（約 28–38 HRC），差異來自較高的基礎碳含量。如需特定規格，双享可依需求協助說明。
熱處理特性
氣體滲碳製程
氣體滲碳通常在 900–930°C 下進行，在約 926°C 處理 4 小時可達 0.75–1.25 mm 滲碳層。若需更深的滲碳層（如 1.5–2.0 mm），SCM420 較高的基礎碳含量通常有助於提高滲碳後心部硬度與齒根彎曲疲勞設計餘裕，適合承受赫茲接觸應力較高的大模數齒輪，但實際硬度梯度仍需依熱處理條件與檢測結果確認。以上熱處理條件為常見參考範圍，實際製程需依工件尺寸、有效截面、滲碳層深度、爐型、碳勢、淬火介質與變形要求調整；最終硬度與有效硬化層深應以熱處理規格與檢測報告為準。
淬火與低溫回火
淬火硬化通常採用油冷，淬火溫度 820–870°C。Cr 與 Mo 的組合使 SCM420 的淬透性與 SCM415 相近，在適當截面與油冷條件下可獲得較佳心部硬化；實際心部硬度需依有效截面與淬火條件確認。低溫回火（150–180°C）穩定麻田散鐵、消除淬火應力，表面硬度保持 58–62 HRC。SCM420 在低溫回火後的心部硬度略高於 SCM415，齒根彎曲疲勞強度的設計餘裕更大。
硬化能保證（H 鋼）
SCM420H 透過 Jominy 端淬試驗確認每批淬透性落在規定的帶狀範圍內，讓熱處理廠設定滲碳製程時有更穩定的預期。對批量生產的汽機車齒輪件而言，淬透性的批次一致性直接影響成品尺寸公差與壽命穩定性，H 鋼是要求嚴格的量產客戶的標準選擇。
不適合單純調質使用
SCM420 碳含量上限（0.23%）接近可進行輕度調質的臨界範圍，部分應用中以正火加輕度調質作為中等強度結構件使用，但調質後強度仍與 SCM440 有明顯差距。正式用途上仍以滲碳淬火為主，需要調質強度應選 SCM440。
加工注意事項
未滲碳狀態切削性
SCM420 在未滲碳狀態下切削性良好，正火後硬度約 HB 190–230，略高於 SCM415（HB 170–210），但仍在一般切削刀具的處理範圍內，車削、鑽孔、滾齒等均無困難。一般建議在滲碳淬火前完成所有成形加工，滲碳後僅保留磨削精修餘量。
滾齒與插齒時機
齒輪零件通常在正火狀態下完成滾齒或插齒加工，再送滲碳淬火。若精度要求極高，可在滲碳淬火後進行磨齒，預留磨削餘量 0.10–0.25 mm（依模數與精度等級）。
滲碳遮蔽
螺紋孔、配合止口、鍵槽等不需硬化的部位，應在滲碳前採用鍍銅或塗佈防滲碳塗料遮蔽，避免硬化後難以加工或配合面破壞。
鍛造前處理
若棒材須進行熱鍛成形，建議在 1050–1200°C 的熱鍛溫度範圍內作業，鍛後正火（880–920°C 後空冷）均化晶粒、消除鍛造應力，再進入滲碳製程。正火後的組織均勻性直接影響後續滲碳的碳濃度分布均勻性。
變形控制
SCM420 滲碳後的淬火變形量與 SCM415 相近，但因碳含量略高，淬火時的體積膨脹量略大，尺寸敏感的薄壁或長軸件建議使用分級淬火（麻回火）降低變形，或預留更充裕的磨削餘量。
焊接性
低碳含量使 SCM420 焊接性優於大多數合金鋼，但實務上多以滲碳件型態使用，焊接應用較少。若有必要應在滲碳前進行，並做好焊後退火。
國際規範對照
| 規範體系 | 對應牌號 | 對應程度 |
|---|---|---|
| JIS（日本） | SCM420（G 4053） | 基準規範 |
| AISI/SAE（美國） | 4120 / 5120 | 近似對應（4120 含 Mo 但 Cr 偏低；5120 無 Mo） |
| DIN / EN（德國／歐盟） | 20MnCrS5（1.7149） | 近似對應（無 Mo，Mn 偏高） |
| ISO | 20MnCr5（ISO 683-11） | 近似對應 |
| DIN / EN（德國／歐盟） | 20CrMo4（1.7321） | 近似對應（含 Mo，Cr 範圍不同） |
| GB（中國） | 20CrMo | 近似對應（Cr 範圍略有差異） |
SCM420 在各規範體系中無完全對應的單一牌號，主要差異在 Cr-Mo 組合與 Mn 含量的取捨。DIN/EN 的 20MnCr5 系列以較高 Mn 補償無 Mo 的淬透性，與 SCM420 的 Cr+Mo 組合在淬透性上表現接近，但回火脆性抑制效果不同。選用替代材料時請確認 Mo 含量是否符合工件設計需求。
典型應用場景
自排變速箱與汽機車傳動件
自排變速箱的主動軸齒輪、行星排齒輪座、轉矩轉換器驅動件等承受高扭矩、需要心部較高強度的傳動件，SCM420 滲碳後的心部硬度優勢在此類應用上轉化為更長的疲勞壽命。
工具機重型主軸傳動
主軸箱內的大模數斜齒輪、蝸桿副、重型進給傳動齒輪等接觸應力較高的場合，需要更深的有效滲碳層與更高的心部抗彎強度，SCM420 在此優於 SCM415。
工程機械與農業機械
終傳動齒輪、角傳動箱齒輪、挖掘機回轉齒圈的行星齒輪等大型傳動件，SCM420 較高的心部硬度（HRC 32–42）在承受偶發重載衝擊時有更大的安全餘裕。
精密機械傳動件
減速機各級齒輪組、凸輪軸、螺旋傘齒輪等，SCM420 的表面耐磨性與 SCM415 相同，但心部強度更高，適合負荷計算顯示 SCM415 心部強度不足時直接升級替換。
手工具與動力工具
高扭矩傳動爪件、換擋撥叉、棘輪座等在衝擊負荷下反覆作動的零件，SCM420 較高的心部硬度提供更好的抗塑性變形能力，延長工具使用壽命。
供貨規格
| 形式 | 規格範圍 | 備註 |
|---|---|---|
| 熱軋圓棒（SCM420） | Ø 13 – 100 mm | 豐興來源 |
| 熱軋圓棒（SCM420） | Ø 14 – 130 mm | 中鋼來源 |
| 熱軋圓棒（SCM420） | Ø 25 – 250 mm | 進口來源 |
| 熱軋圓棒（SCM420H） | Ø 13 – 100 mm | 硬化能保證鋼 |
| 磨光圓棒 | Ø 6 – 100 mm | — |
長度 5–12 m，可依需求裁切供貨。每批出貨均附材質證明書，化學成分與爐號完整可查。H鋼種規格另附硬化能保證報告，可依需求提供。
選材建議
SCM420 定位在 SCM415 與 SCM440 之間，選用的核心判斷是：零件需要滲碳，且 SCM415 的心部強度不夠，但又不需要 SCM440 的全截面調質強度。若零件需要更深的滲碳層（超過 1.5 mm）、大模數或重型齒輪，且心部彎曲疲勞強度有較高要求，則選用 SCM420。
負荷屬一般程度、SCM415 心部強度已足夠
SCM415 成本更低，無需升級。SCM420 的心部強度優勢約 3–5 HRC，若設計計算顯示 SCM415 有充足餘裕，升級帶來的效益有限。
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