BQ-S対DQ-S – 組成、熱処理、特性、および応用

はじめに

エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、加工や仕上げの微妙な違いが下流の性能やコストに影響を与える、密接に関連した鋼材の選択に直面することがよくあります。BQ-SとDQ-Sの間の決定は、通常、表面品質と仕上げ要件をバルク機械性能、溶接性、価格とバランスさせる際に生じます。典型的な決定の文脈には、精密な表面処理を必要とする部品（シャフト、ベアリング、装飾バー）と、表面仕上げが二次的な重加工または構造部品が含まれます。

これらの2つのグレードファミリーの主な違いは、製造中に課せられる最終的な表面状態と加工制御にあります：1つのグレードは、より高い表面の完全性と仕上げ公差で供給され、もう1つは経済性と標準的な加工のために最適化されています。表面状態は検査の受け入れ、二次加工、コーティングの付着性、疲労抵抗に影響を与えるため、これらのグレードは設計や調達の議論でしばしば比較されます。

1. 規格と呼称

• 類似のグレードが現れる一般的な規格：ASTM/ASME（例：A106、A36、AISIファミリー）、EN（例：EN 10025、EN 10277の明るい鋼）、JIS、国のGB/IS規格。特定の専有または製鋼所の呼称（BQ-SやDQ-Sなど）は、しばしば供給者特有であり、より広く標準化された化学/加工クラスにマッピングされます。
• タイプによる分類：
• BQ-S：通常、明るい（改善された表面）仕様に生産され、仕上げられた炭素鋼または低合金鋼 — バー、シャフト、低表面欠陥を必要とする部品にしばしば使用されます。
• DQ-S：通常、引き抜き/標準的に焼入れされたまたは経済的に加工された炭素/低合金鋼で、標準的な表面仕上げと寸法公差を持ちます。
• これらのグレードは一般的に炭素鋼または低合金鋼であり、ステンレス鋼、工具鋼、またはHSLAではありませんが、合金レベルは供給者によって異なる場合があります。

2. 化学組成と合金戦略

BQ-SおよびDQ-Sファミリーの化学組成は、供給者および性能目標によって異なります。以下の表は、絶対的な製鋼所証明書ではなく、代表的な指標傾向を示しています。調達または設計計算のために、常に供給者の証明書で化学分析を確認してください。

元素	典型的な役割	BQ-S（指標）	DQ-S（指標）
C（炭素）	強度、焼入れ性、溶接性のトレードオフ	低–中（表面処理のために制御される）	低–中（強度のためにやや高くなる場合がある）
Mn（マンガン）	焼入れ性、引張強度、脱酸	中程度	中程度–やや高い
Si（シリコン）	脱酸、強度	低–中程度	低–中程度
P（リン）	不純物（脆化リスク）	厳しく制限される	制限される（やや高くなる場合がある）
S（硫黄）	加工性（自由切削）だが疲労には有害	非常に低い（改善された表面グレードは不純物を制限）	低い（加工性が必要な場合は高い含有量を許可する場合がある）
Cr（クロム）	硬度、耐腐食性、焼戻し反応	通常は低/微量	通常は低/微量
Ni（ニッケル）	低温での靭性	通常は低/微量	通常は低/微量
Mo（モリブデン）	焼入れ性	微量またはなし（指定されていない限り）	微量またはなし
V、Nb、Ti（微合金）	粒子の細化、沈殿による強度	一貫した仕上げと機械的特性のために制御される場合がある	経済的なルートで強度を高めるために存在する場合がある
B（ホウ素）	焼入れ性（ppmレベル）	めったに使用されない；存在する場合は制御される	めったに使用されない；存在する場合は制御される
N（窒素）	強度（微合金と共に）	低く、表面と疲労のために制御される	低く、必要に応じて制御される

説明： - 優れた表面品質を目指す製造業者（BQ-S）は、トランプ元素（P、S、不純物）や微細構造の清浄度を厳しく制御し、疲労性能を改善し、より良い仕上げを可能にします。DQ-Sは、コスト効果の高い加工を強調し、機械的要件が満たされる限り、いくつかの元素に対してより広い受け入れ範囲を許容できます。 - Mnや微合金元素（V、Nb、Ti）などの合金元素は、強度と靭性を調整するために主に使用され、高炭素含有量に頼らず、溶接性を保持します。

3. 微細構造と熱処理反応

• 典型的な微細構造：
• 両方のグレードは、正規化または焼入れ＆焼戻しされた場合、化学成分と熱処理に応じて、焼戻しフェライト/パーライトまたはベイナイト/焼戻しマルテンサイトの微細構造を示します。
• BQ-S：加工は均一で細かい粒子の微細構造と表面不純物の減少を強調します。熱機械制御と細かい熱間圧延パススケジュールがより一般的で、一貫した近表面微細構造を確保します。

• DQ-S：微細構造は主に目標機械的要件のために設計されており、表面処理はそれほど集中的ではない場合があります。

• 熱処理の効果：

• 正規化：粒子サイズを細かくし、バンディングを減少させます；両方のグレードは良好に反応しますが、BQ-Sは表面欠陥が最小限に抑えられ、微細構造の均一性が表面性能を改善するため、より多くの利益を得ます。
• 焼入れ＆焼戻し：マルテンサイトを形成し、その後焼戻しすることで強度を劇的に高めます。最終的な靭性は焼戻し温度と合金含有量に依存します；DQ-Sは、やや高い焼入れ性添加剤のために与えられた焼入れに対してより高い強度を達成する場合がありますが、BQ-Sは靭性と表面品質のバランスをより良く提供できます。
• 熱機械加工（制御圧延）：炭素の最小限の増加で強度と靭性を改善した細かい粒子の微細構造を生成します；BQ-Sでは表面の完全性を維持するために広く使用されます。

4. 機械的特性

これらのグレードファミリーはプロセス依存であるため、機械的特性は通常、製品形状と熱処理ごとに指定されます。以下の表は設計比較のための典型的な相対特性を示しています；絶対値は供給者データから取得する必要があります。

特性	BQ-S（典型的）	DQ-S（典型的）	備考
引張強度（UTS）	中程度–高い（良好な均一性）	中程度–高い（より高く調整可能）	UTSはCと微合金および熱処理によって制御される
降伏強度（0.2% YS）	中程度（一定）	中程度–高い（微合金で高くなる場合がある）	焼戻しの選択がYS/UTSの比率に影響を与える
伸び（%）	良好（一定の延性）	良好–中程度（強度目標による）	BQ-Sは表面仕上げのニーズにより延性が最適化されることが多い
衝撃靭性（シャルピー）	高い（クリーンな鋼と細かい粒子）	中程度–高い（適切な処理で達成可能）	表面欠陥は疲労に重要な部品での明らかな靭性を低下させる
硬度（HRC/HB）	中程度（仕上げ制御が表面のひび割れを回避）	変動（焼入れ硬化されると高くなる場合がある）	硬度は熱処理と組成によって制御される

解釈： - BQ-Sは、靭性と延性のバランスを強調し、一貫した特性と表面起因の故障を減少させる傾向があります。 - DQ-Sは、やや厳しい表面品質管理の代償として、より高い強度レベルを得るために調整可能です。

5. 溶接性

溶接性は炭素含有量、合金、全体的な焼入れ性に影響されます。役立つ経験的指標には、IIW炭素等価とより詳細なPcmが含まれます。

• 一般的な議論：
• 低炭素および低合金含有量は、溶接性を改善し、予熱要件を減少させます。
• 微合金元素（V、Nb、Ti）および高Mn/Cr/Moは焼入れ性を高め、HAZのひび割れの可能性を増加させるため、溶接手順はそれを考慮する必要があります。

• BQ-Sグレードは、表面の完全性を保持し、溶接後の仕上げを簡素化するために、通常、低いまたはより厳しく制御された炭素および不純物レベルを維持します。

• 定性的評価のための公式：

• IIW炭素等価： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ 定性的に解釈：高い$CE_{IIW}$はより高い焼入れ性とHAZのひび割れのリスクを示し、低い値は予熱が少なくて済む容易な溶接を示します。

• より包括的なPcm： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ 定性的に解釈：$P_{cm}$は冷却ひび割れの感受性の洗練された予測を提供します；低い値は日常的な溶接に好ましいです。

• 実用的なガイダンス：

• いずれのグレードでも、供給者の溶接推奨に従い、指示された場合は予熱/後熱を適用し、化学組成および必要な機械的性能に適合した適切なフィラー金属を使用してください。
• BQ-Sは、溶接およびその後の仕上げ中に表面損傷を避けるためにより注意深い取り扱いが必要ですが、その低い不純物含有量は溶接手順を簡素化できます。

6. 腐食と表面保護

• 非ステンレス鋼（BQ-SおよびDQ-Sの典型）では、コーティングと表面処理に依存します：
• 一般的な保護：熱浸漬亜鉛メッキ、電気メッキ、有機コーティング（塗料、粉体塗装）、および変換コーティング（リン酸塩）。
• BQ-Sの表面の清浄度と仕上げ品質は、コーティングの付着性と均一性を改善します；表面欠陥が少ないことで、下膜腐食の開始点が減少します。
• ステンレスまたは合金バリアント（存在する場合）については、局所的な腐食指標としてPRENが適用されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• BQ-SまたはDQ-Sのバリアントに重要なCr/Mo/Nが含まれている場合、PRENを使用してピッティング抵抗を比較します；そうでない場合、PRENは典型的な炭素鋼には適用されません。
• 表面に注意が必要な場合：疲労に弱い部品、スライディング接触、または外観が重要な部品は、BQ-Sファミリーのより高い表面制御を要求し、コーティングの寿命を最大化し、腐食による故障を減少させます。

7. 加工性、機械加工性、成形性

• 加工性：
• 硫黄含有量と自由切削添加剤は加工性に影響を与えます。自由切削グレードとして意図されたDQ-Sバリアントは、加工性を改善するために高いSまたは追加のPb/Caを持つ場合がありますが、疲労抵抗を低下させます。
• BQ-Sは通常、低いSと厳格な不純物制御を持ち、原材料の加工性はわずかに低下しますが、加工後の表面仕上げは優れています。
• 成形性と曲げ：
• 両方のグレードは延性が指定されている場合に成形可能ですが、BQ-Sの表面状態は成形操作中の表面ひび割れのリスクを減少させます。
• 仕上げ：
• BQ-Sは表面を傷つけないように優しく取り扱う必要があります；欠陥が少ないため、研磨や微細研削がより簡単です。
• DQ-Sは、 substantialな加工や粗い仕上げが表面の不完全さを取り除く場合に好まれることが多いです。

8. 典型的な用途

BQ-S（高い表面品質）	DQ-S（経済的/標準仕上げ）
精密シャフト、スピンドル、ベアリングジャーナル、装飾バー、冷間引き抜き部品、厳しい表面公差と優れた疲労抵抗を必要とする部品	構造部材、汎用シャフト、 substantialな材料除去が計画されている加工部品、コストに敏感な用途
優れたコーティング付着性と外観を必要とする用途	バルク機械的特性が主で、表面仕上げが加工によって修正できる用途

選択の理由： - 表面の完全性、疲労寿命、コーティング性能、または外観が決定的な場合はBQ-Sを選択してください。 - コスト、入手可能性、または積極的な加工除去の必要性がエンジニアリングされた表面の必要性を上回る場合はDQ-Sを選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：
• BQ-Sは通常、より厳しいプロセス制御、追加の仕上げ操作、および厳格な化学/不純物基準のためにプレミアムを要求します。
• DQ-Sは通常、より安価で、仕上げステップが少なく生産されます。
• 製品形状による入手可能性：
• 両方のグレードは一般的にバー、ロッド、鍛造品として入手可能ですが、特定の直径や仕上げクラスのBQ-Sは専門の供給者に限定される場合があります。
• BQ-Sのリードタイムは、製鋼所が厳しい仕上げ公差を満たすためにバッチ生産を行う場合、長くなる可能性があります。

10. 概要と推奨

カテゴリ	BQ-S	DQ-S
溶接性	良好（低不純物；HAZ制御が容易）	良好–変動（合金に依存）
強度–靭性のバランス	非常に良好（制御された微細構造、高靭性）	良好（必要に応じて高強度に調整可能）
コスト	高い（仕上げとプロセス制御のプレミアム）	低い（経済的、広い入手可能性）

推奨： - 優れた表面の完全性、より良い疲労性能、優れたコーティング付着性、または最終的な表面仕上げを達成するための最小限の後処理が必要な場合はBQ-Sを選択してください。典型的な使用例には、精密回転シャフト、ベアリング表面、および露出した建築部品が含まれます。 - 低い材料コスト、より大きな入手可能性、または表面の不完全さを取り除くための重加工を意図している場合はDQ-Sを選択してください。DQ-Sは構造部品、粗加工部品、および最終的な表面仕上げが二次プロセスを通じて得られる場合に適しています。

最終的な注意：BQ-SとDQ-Sは、化学、加工、仕上げの哲学の組み合わせを反映する供給者特有の呼称であることが多いです。エンジニアリング設計および調達のためには、常に製鋼所の証明書と機械試験報告書を要求し、必要な表面受け入れ基準を指定し、選択したグレードが使用条件を満たすことを保証するために溶接/熱処理手順を定義してください。