Q235NH 対 Q355GNH – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
Q235NHとQ355GNHは、エンジニアが荷重支持、溶接、または圧力を含むコンポーネントを設計する際によく比較する一般的に指定される中国の構造用鋼です。典型的な意思決定の文脈には、コストと必要な降伏強度のバランスを取ること、低温衝撃要件に対する材料の選択、そして高い靭性と強度のための追加の微合金化が正当化されるかどうかの判断が含まれます。
主な技術的な違いは、Q355GNHがより高い最小降伏強度を提供するように指定され、処理されており、一般的にQ235NHと比較して靭性と強度を向上させるための微合金化または厳格な処理管理を含んでいることです。両者は非ステンレスの構造用鋼であり、通常は正規化または熱機械処理された状態で供給されるため、エンジニアが溶接性、低温での靭性、成形性、材料コストを取引しなければならないときに直接比較されます。
1. 規格と指定
- 一般的な参照規格：
- 中国：GB/T 700（一般炭素構造用鋼）；GB/T 1591（低合金高強度構造用鋼）；GB/T 232（熱間圧延シート/プレート）、および正規化および衝撃試験されたバリアントをカバーする関連の国家規格。
- 国際的な同等性：正確な1:1のASTM/ENの同等物はありませんが、Q235は低炭素軟鋼（例：A36/A283ファミリー）に相当し、Q355はEN（S355ファミリー）およびASTM高強度構造用鋼の低範囲HSLA鋼に相当します。
- JISおよびEN規格は比較設計に使用できますが、Qグレードの名称を変更することはありません。
- 分類：
- Q235NH：炭素構造用鋼（正規化、衝撃試験されたバリアント）。
- Q355GNH：低合金/高強度構造用鋼（より高強度グレード、細粒または制御された処理は「G」で示され、正規化、衝撃試験されたバリアント）。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、供給者のデータシートや国家規格で一般的に参照される典型的な組成範囲を示しています。これらの値は指標的なものであり、常に製鋼所の証明書や特定の規格版で確認してください。
| 元素 | 典型的なQ235NH（wt%） | 典型的なQ355GNH（wt%） |
|---|---|---|
| C（炭素） | ~0.12–0.20 | ~0.12–0.22 |
| Mn（マンガン） | ~0.30–1.40 | ~0.50–1.60 |
| Si（シリコン） | ≤0.35（典型的） | ≤0.50（典型的） |
| P（リン） | ≤0.045（最大） | ≤0.035–0.045（最大） |
| S（硫黄） | ≤0.045（最大） | ≤0.045（最大） |
| Cr（クロム） | ≤0.30（存在する場合） | しばしば≤0.30；一部の仕様ではやや高くなる場合があります |
| Ni（ニッケル） | 微量からなし | 微量から低（時折存在） |
| Mo（モリブデン） | 典型的ではない | 微量（特定のバリアントで可能） |
| V、Nb、Ti（微合金化） | 一般的にはなし | Q355バリアントにおいて、粒子を細かくし、強度を高めるために微合金化（V、Nb、Ti）を含む場合があります |
| N（窒素） | 制御（靭性のため） | 制御（靭性のため） |
注： - Q235NHは本質的に低炭素、低合金鋼であり、正規化および衝撃試験された状態で提供されます；組成は延性と溶接性を最大化するためにシンプルに保たれています。 - Q355GNHは、炭素とマンガンの軽微な増加および/または制御された微合金添加（V、Nb、Ti）と熱機械処理を通じて、より高い降伏強度を目指し、粒子サイズを細かくし、靭性を改善しますが、高合金含有量に頼ることはありません。
合金化が性能に与える影響： - 炭素は強度と硬度を増加させますが、著しく増加すると溶接性と延性を低下させます。 - マンガンは硬化性と引張強度を増加させ、脱酸を助けます。 - 微合金化元素（Nb、V、Ti）は、粒界を固定する微細な析出物を生成し、析出強化を通じて降伏強度を増加させ、適切に処理された場合に靭性を改善します。 - 硫黄とリンは脆化と疲労/溶接性能の低下を避けるために低く保たれます。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - Q235NH：正規化後のフェライト-パーライト微細構造。正規化は、圧延された材料に対して粒子サイズを細かくし、非正規化の熱間圧延鋼と比較して等方的な靭性を改善します。 - Q355GNH：処理に応じて、テンパー処理されたベイナイトまたは低温パーライトの割合が高い細粒フェライト。微合金化され、熱機械的に制御されている場合、Q355GNHは、微細な炭化物またはカーボナイトライド析出物を伴う、より洗練された均一なフェライト粒子サイズを示すことがあります。
熱処理と処理の影響： - 正規化（オーステナイトからの空冷）：両グレードは、微細構造を均一化し、靭性を改善するために正規化から利益を得ます — グレードの「N」で指定されています。 - 熱機械圧延（制御圧延）：Q355バリアントにより頻繁に使用され、粒子の細分化と析出強化を通じて、炭素含有量を大幅に増加させることなく、より高い強度と靭性を達成します。 - 窒化およびテンパー処理：Q235NHには通常適用されません；さらに高い強度を目指すQ355バリアントは、他の製品ラインで窒化およびテンパー処理された状態で入手可能ですが、それはグレードの指定と供給チェーンの期待を変更します。
実用的な意味： - Q235NHは熱処理（正規化）を行いやすく、微細構造（フェライト-パーライト）を予測しやすいです。 - Q355GNHは、より厳しいプロセス管理と微合金化に応じます；同じ熱処理が、粒子と析出物の細分化により、より高い降伏強度と優れた低温靭性を生み出すことができます。
4. 機械的特性
以下の表は、2つのグレードに一般的に関連付けられる典型的な機械的特性の範囲を要約しています；契約された材料は証明書で確認してください。
| 特性 | Q235NH（典型的） | Q355GNH（典型的） |
|---|---|---|
| 最小降伏強度（Rp0.2） | ~235 MPa（命名基準） | ~355 MPa（命名基準） |
| 引張強度（Rm） | ~370–500 MPa | ~490–630 MPa |
| 伸び（A） | 高い延性；例：≥20–26%（厚さによって異なる） | Q235NHよりも低い伸び；例：≥18–22%（厚さによって異なる） |
| 衝撃靭性 | 指定された温度でのシャルピーVノッチ；良好な靭性のために正規化 | しばしば低温で指定される；微合金化/プロセス管理を通じて改善された靭性 |
| 硬度 | 低い（加工/成形が容易） | 高い（強度が増加；中程度の硬度の増加） |
解釈： - 強度：Q355GNHは設計上、より強い材料であり、最小降伏強度が大幅に高く、引張範囲も高いです。 - 靭性：適切な処理と衝撃試験を行えば、両グレードは靭性要件を満たすことができます；Q355GNHは、強度が高くなることで靭性が損なわれないように、より注意深い処理が必要です。 - 延性/成形性：Q235NHは一般的により延性があり、成形操作において許容度が高いです。
5. 溶接性
溶接性は、炭素当量と硬化性、さらに微合金化と厚さに依存します。
有用な経験則： - 溶接性を評価する際に一般的に使用される炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 予測される冷間割れ指数 $P_{cm}$： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - Q235NH：低炭素、限られた合金化 — 一般的に優れた溶接性を持ち、一般的な厚さに対して低い予熱要件があり、水素誘発冷間割れのリスクが低いです。 - Q355GNH：高いMnと可能な微合金化が硬化性を増加させます；これにより、Q235NHに対して$CE_{IIW}$と$P_{cm}$が上昇し、厚いセクションを溶接する際に予熱、インターパス温度、および水素管理に対する注意が必要であることを示します。適切な溶接手順仕様と資格が推奨されます。 - 微合金化は強度を増加させますが、熱サイクルが制御されていない場合、溶接熱影響部に局所的な硬いゾーンの傾向を増加させる可能性があります。
6. 腐食と表面保護
- Q235NHとQ355GNHはどちらも炭素（または低合金）鋼であり、ステンレスではないため、露出した環境に対して保護措置が必要です。
- 一般的な保護戦略：熱浸漬亜鉛メッキ、亜鉛リッチプライマー、エポキシまたはポリウレタンコーティング、浸漬構造物のための陰極保護、および適切な表面処理。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの非ステンレス鋼には適用されません。ステンレス合金の場合、指数、 $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ は意味があります；重要なCr/Mo/N含有量のないQグレードには関連しません。
腐食選択の注記： - 表面処理はコストを追加しますが、サービス寿命を大幅に延ばすことができます；厚いコーティングや亜鉛メッキは、天候にさらされる構造部材に一般的です。 - 大気またはスプラッシュゾーンの場合、亜鉛メッキまたはデュプレックスシステム（亜鉛 + 塗料）を検討してください。
7. 製造、加工性、および成形性
- 切断：両グレードは、火炎またはプラズマ切断が容易です；厚いプレートには酸素燃料切断が一般的です。Q355GNHは、硬度が高いため、やや高いエネルギーまたは遅い切断パラメータを必要とする場合があります。
- 成形および曲げ：Q235NHは優れた成形性とスプリングバック特性を持っています；Q355GNHは成形可能ですが、割れを避けるためにより厳しい曲げ半径のルールとより制御されたプロセスパラメータが必要です。
- 加工性：Q235NHの低炭素含有量は良好な加工性をもたらします。Q355GNHは、強度が高く、微合金化されている可能性があるため、工具に対してやや摩耗性が高く、遅い送り/切削速度を必要とする場合があります。
- 表面仕上げ：両者は典型的な表面処理を受け入れます；溶接前後の研磨および仕上げの実践は類似していますが、Q355GNHは熱影響部でより高い硬度を示す場合があります。
8. 典型的な用途
| Q235NH（一般的な用途） | Q355GNH（一般的な用途） |
|---|---|
| 経済性と成形性が重要な一般的な構造要素（ビーム、チャンネル） | より高い荷重容量またはセクション厚さの削減が必要な構造部材（橋、クレーン、重いフレーム） |
| 正規化状態と靭性が必要なパイプ支持、非重要な圧力部品 | 動的荷重にさらされる溶接構造物や、重量削減が必要な場合（オフショアプラットフォーム、重機フレーム） |
| 広範な成形/溶接を伴う製造部品 | 最小降伏強度が約355 MPaで、低温での衝撃特性が保証された部品 |
選択の理由： - 成形、コスト効率、優れた溶接性が製造の優先事項である場合はQ235NHを選択してください。 - 構造の重量削減、より高い設計応力、または降伏に対するより高い安全係数が必要であり、製造管理が靭性を確保できる場合はQ355GNHを選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：Q235NHは、よりシンプルな化学組成と低い処理要求のため、一般的にQ355GNHよりもトンあたりのコストが低いです。Q355GNHは、より厳格なプロセス管理、高い強度レベル、および可能な微合金添加のため、通常はより高価です。
- 入手可能性：両グレードは、中国のグレードが在庫されている市場で、プレート、コイル、および構造セクションで広く入手可能です。厚さ、幅、および認定された衝撃試験レベルによる入手可能性はベンダーに依存します — Q235バリアントは一般的により広く在庫されています。
調達のヒント： - 必要な機械試験、衝撃温度、および製鋼所の試験証明書を明示的に指定してください；価格差は、より高強度のグレードを選択する際に（薄いセクション）製造コストの削減によって相殺される可能性があります。
10. 要約と推奨
| カテゴリ | Q235NH | Q355GNH |
|---|---|---|
| 溶接性 | 非常に良好（低CE） | 良好から中程度（高CE；より多くの溶接管理が必要な場合があります） |
| 強度 – 靭性のバランス | 中程度の強度、高い延性/靭性 | 処理を通じて設計された靭性を持つ高強度 |
| コスト | 低い | 高い |
推奨： - 優れた成形性と溶接性、低い材料コストが必要で、設計荷重が約235 MPaの降伏材料で満たされる場合はQ235NHを選択してください。 - 設計がより高い最小降伏強度（≈355 MPa）を必要とし、重量削減のためにセクションの薄型化を許可し、製造プロセスが靭性を保持するためにやや厳しい溶接および成形管理を受け入れられる場合はQ355GNHを選択してください。
最終的な注記：供給されたプレートまたはセクションの製鋼所試験証明書を常に取得し、レビューしてください。購入文書に必要な衝撃試験温度と受入レベルを指定し、Q235NHからQ355GNHに移行する際の溶接手順の資格を検証してください。