EH40 vs FH40 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

EH40とFH40は、海事、オフショアおよび重板産業で最もよく見られる高強度構造鋼の2つです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、非常に厚い板に必要な厚さ方向の靭性と溶接性を提供するグレードと、標準的な板厚および溶接構造に対するコスト対強度のバランスを提供するグレードの間で選択のジレンマに直面することがよくあります。典型的な意思決定の文脈には、船舶やオフショアプラットフォームの船体およびデッキの板、亀裂阻止靭性が重要な重い製造物、大きな溶接構造物で熱サイクルと溶接後の特性が性能を支配する場合が含まれます。

2つの主な実用的な違いは、板厚と厚さ方向の性能の最適化です：1つのグレードは、標準的な熱機械処理が必要な強度と靭性を提供する従来の重板用途に通常指定され、もう1つは、異なる合金化および加工戦略を使用して極端な板厚と改善された厚さ方向の特性に合わせて調整されています。これが、設計者が非常に厚い板を指定する際や、板厚全体で非常に均一な靭性を要求する際にEH40とFH40を比較する理由です。

1. 規格と指定

EH40とFH40は、船舶建造およびオフショア建設に使用される高強度低合金（HSLA）構造鋼として最もよく説明されます。これらはASTM番号のような単一の国際試験方法ではなく、分類団体や国家規格によって採用または参照されるグレードファミリーとして現れます。考慮すべき典型的な規格と分類：

• 国家および地域の規格：GB（中国）、JIS（日本）、EN（ヨーロッパ）、ISO。
• 分類団体：ABS、DNV-GL、ロイド登録 — これらの団体には、EH/FHファミリーに相関する船体および構造鋼の指定が含まれます。
• 一般的な材料規格：ASTM/ASMEは、クラス指定と併用できる機械的特性要件および試験手順を提供します。

材料タイプの識別： - EH40：HSLA構造鋼（微合金化および熱機械制御を伴う低合金炭素鋼）。 - FH40：HSLA構造鋼、通常は非常に厚い板用途に最適化され、厚さ方向の靭性が向上し、特定の合金化/加工の修正が施されています。

注：正確な化学的および機械的要件は、規格および製鋼所の証明書によって異なる；常に調達のために契約仕様または分類団体の表記を参照してください。

2. 化学組成と合金化戦略

以下の表は、EH40およびFH40スタイルのHSLA鋼で一般的に見られる代表的な組成範囲を示しています。これらは製鋼所で使用され、分類文書に見られる代表的な範囲です；実際の認証された化学組成は、供給ロットの製鋼所証明書から取得する必要があります。

元素	EH40（典型的範囲、wt%）	FH40（典型的範囲、wt%）
C	0.08 – 0.16	0.06 – 0.14
Mn	0.6 – 1.5	0.6 – 1.8
Si	0.02 – 0.50	0.02 – 0.50
P（最大）	≤ 0.03 – 0.04	≤ 0.03 – 0.04
S（最大）	≤ 0.010 – 0.025	≤ 0.010 – 0.025
Cr	trace – 0.4	trace – 0.6
Ni	trace – 0.6	trace – 0.8
Mo	trace – 0.05	trace – 0.08
V	0.00 – 0.08	0.00 – 0.10
Nb（Nb/Ta）	≤ 0.05	≤ 0.06
Ti	trace	trace
B	trace（ppm）	trace（ppm）
N	制御レベル（ppm）	制御レベル（ppm）

説明ノート： - これらのグレードは、強度が炭素、マンガン、微合金化元素（V、Nb、Ti）の組み合わせと加工（熱機械制御）から来るHSLA鋼です。 - FH40スタイルの化学組成は、非常に厚いセクションでの細かい炭化物/窒化物の析出を促進し、厚さ方向の靭性を向上させるために、炭素がわずかに低く、微合金の添加がやや多くなることがあります。 - 合金化は硬化性と強度を増加させますが（Mn、Cr、Mo）、溶接部における冷間割れのリスクも高めます；微合金化（Nb、V、Ti）は、析出強化と結晶粒の細化によって低炭素で高強度を可能にします。

3. 微細構造と熱処理応答

EH40およびFH40グレードの典型的な微細構造は、加工に強く依存します：

• EH40（標準重板、TMCPまたは正規化）：
• 典型的な微細構造：冷却速度と合金化に応じて、細粒のフェライト–パーライトまたは分散したベイナイトを含むフェライト。
• 熱機械制御加工（TMCP）は、降伏強度を高め、良好な靭性を得るために、制御された量の低ベイナイトまたは劣化したパーライトを伴う精製されたフェライトマトリックスを生成します。

• 正規化は、厚い板の構造を均一化するために使用できます；大きな構造板に対しては、歪みとコストのために急冷とテンパーは一般的ではありません。

• FH40（非常に厚い板に最適化）：

• 厚さ方向の特性に重点を置く：冷却と微合金析出物の厳密な制御、しばしば低炭素およびより多くの微合金化を伴い、非常に厚い板の中心線を通じて靭性を維持します。
• 微細構造は、バンディングを減少させ、分散した炭化物および窒化物を伴うアシキュラー・フェライトまたは細かい多角形フェライトを促進するように設計されています。
• 熱機械圧延スケジュール、加速冷却、および制御された再加熱が使用され、厚さ方向に均一な結晶粒の細化を達成します。

熱処理応答： - 正規化は均一性と靭性を改善しますが、極端な厚さには実用的でない場合があります。 - 制御された圧延と加速冷却は、完全な急冷とテンパーなしで必要な強度と延性の組み合わせを得るための産業的手段です。 - FH40は、非常に厚い板に対して厚さ方向の靭性を保証するために、より厳格なプロセス制御と追加の非破壊試験を必要とする場合があります。

4. 機械的特性

以下は、EH40およびFH40スタイルのHSLA板に一般的に指定される代表的な機械的特性範囲です。値は厚さ、加工、および仕様の制限によって異なるため、契約要件を参照してください。

特性	EH40（典型的）	FH40（典型的）
引張強度（MPa）	490 – 650	480 – 640
降伏強度（MPa）	355 – 485	320 – 460
伸び（50 mmまたは指定されたものに対する%）	18 – 26	18 – 26
シャルピー衝撃（J）	低温で指定；典型的には−20 °Cから−40 °Cで27 J	厚さ方向の要求が厳格；低温および/または高厚さ試験で27 J
硬度（HB）	160 – 250	150 – 240

解釈： - EH40とFH40は名目強度範囲で重なります；EH40は標準厚さでわずかに高い降伏目標のために指定されることがよくあります。 - FH40は、わずかに高い降伏強度よりも厚さ方向の靭性を強調するように構成されることが一般的です — これは、わずかに低い名目降伏強度を意味することがありますが、厚い板での亀裂阻止および破壊靭性が優れています。 - 延性（伸び）は、各グレードが仕様に従って生産されるときに比較可能です；靭性性能、特に厚さ方向および低温での性能が差別化要因です。

5. 溶接性

これらのHSLA鋼の溶接性は、炭素含有量、炭素等価、および微合金化含有量によって決まります。水素助長冷間割れに対する感受性を定性的に評価するために使用される一般的な溶接性指数には以下が含まれます：

• 炭素等価（IIW形式）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - 炭素が低く、Mnが制御されていることは溶接性を好みます；微合金化元素（Nb、V、Ti）は硬化性を増加させ、これが水素と拘束が制御されていない場合にHAZ内の硬いゾーンや冷間割れのリスクを高める可能性があります。 - FH40スタイルの化学組成（低炭素およびより多くの微合金化を伴う）は、硬化性と靭性のバランスを取るために選択されることが多いです；プレヒート、制御されたインターパス温度、低水素手順、および溶接後の熱処理の考慮は、板厚および仕様に応じて対処する必要があります。 - 非常に厚い板の場合、熱入力、プレヒート、およびHAZ冷却速度の制御が重要です；溶接手順の資格（WPS/PQR）および水素制御がより厳しくなります。

6. 腐食および表面保護

• EH40とFH40は、非ステンレスの低合金鋼であり、腐食環境（海水、大気曝露）での表面保護が必要です。
• 一般的な保護方法：ホットディップ亜鉛メッキ（適用可能な場合）、多層エポキシシステム、ポリウレタン上塗り、メタライジング（熱スプレー）、および水中用途のための犠牲アノード。
• ステンレス性指数（例：PREN）は、これらの炭素/合金鋼には適用されません： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この式は、重要なCr、Mo、およびNを含むステンレス鋼に対してのみ意味があります；EH40/FH40の場合、CrおよびMoのレベルはPRENに基づく腐食分類には低すぎます。
• コーティングおよび陰極保護の選択は、設計寿命、メンテナンスアクセス、および意図された環境（スプラッシュゾーン、水中、大気）を考慮する必要があります。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性：両グレードは加工性が中程度です；低炭素のバリアント（FH40に典型的）は、やや加工しやすい場合があります。重いセクションの切削には、炭化物またはコーティングされた工具および適切な送り/速度が推奨されます。
• 成形性/曲げ：EH40は高い降伏を目指すため、低炭素のFH40と比較して許容される成形ひずみが減少する可能性があります。厚い板の冷間曲げは制限されており、加熱またはロール曲げが必要な場合が多いです；成形限界は仕様に従って曲げ試験で検証する必要があります。
• 切断および熱切断：プラズマおよび酸素燃料切断は厚い板に標準です。プレヒートおよび制御された切断後の清掃は、残留応力および熱影響を受けた微細構造を減少させます。
• 溶接およびコーティングのための表面準備は、非常に厚い板で層状剥離や中心線欠陥が故障の引き金にならないように注意深く制御する必要があります。

8. 典型的な用途

EH40（一般的な用途）	FH40（一般的な用途）
標準的な重板に対して高い名目降伏が望まれる船体およびデッキの板	厚さ方向の靭性が重要な非常に厚い船体またはデッキ板（例：氷級セクション、大型オフショアプラットフォーム基板）
重い製造物における構造部材（梁、ブラケット）	中心線の脆化を最小限に抑える必要がある深いセクションの溶接構造物および厚い遷移板
強度とコストのバランスが重要な非加圧保持部品	厚さ方向で亀裂阻止および破壊靭性が保証される必要がある重要な溶接接合部

選択の理由： - EH40：従来のTMCPが必要な特性を提供する標準生産厚さ範囲で高強度のために選ばれます。 - FH40：板厚が通常のTMCPウィンドウを超える場合や、より厳しい厚さ方向の靭性要求がある場合に選ばれます；加工および化学組成は、板の深部に特性を維持するように最適化されています。

9. コストと入手可能性

• コスト：一般的に両グレードはHSLA価格帯にあります；FH40は、より厳格なプロセス制御、より厳しい試験、および非常に厚い板のための特別な圧延スケジュールの可能性によりプレミアムがかかる場合があります。
• 入手可能性：EH40スタイルの板は、標準厚さ範囲で多くの製鋼所から一般的に入手可能です。FH40スタイルの板は入手可能ですが、特別注文、長いリードタイム、および非常に厚いセクションの厚さ方向試験の認証が必要な場合があります。
• 製品形態：板、カットサイズ、およびプレファブリケーションアセンブリ。非常に厚いFH40板は、製鋼所が少ないため、リードタイムおよび最小注文数量について早期に調整する必要があります。

10. 要約と推奨

属性	EH40	FH40
溶接性	標準的な制御で良好；HAZの硬化性に注意	良好だが、非常に厚いセクションには厳格なWPSが必要
強度–靭性のバランス	標準厚さで高い名目強度	非常に厚い板で最適化された厚さ方向の靭性
コスト	通常、標準生産で低い	特別な加工および試験のためのプレミアムの可能性

推奨： - 標準的な重板厚さで高強度のHSLA板が必要な場合はEH40を選択してください。標準TMCPまたは正規化が十分な厚さ方向の靭性を提供し、一般的な構造用途のために強度対コストを優先します。 - 非常に厚い板（極端な厚さ）を指定する場合や、設計が厚さ方向の破壊靭性と最小限の中心線脆化を保証する必要がある場合はFH40を選択してください；FH40スタイルの化学組成と加工は、大きな断面を通じて均一な特性を維持するのに役立ちますが、調達および加工コストが高くなる可能性があります。

最終的な注意：重要な用途については、契約において必要な厚さ依存の機械的および靭性基準、溶接手順の資格、および非破壊検査を指定してください。製鋼所の証明書を確認し、必要に応じて独立した試験を実施して、選択したグレードがプロジェクト固有の厚さ方向および溶接性能要件を満たしていることを確認してください。