Q235NH vs SPA-H – 成分、熱処理、特性、および用途
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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、圧力容器、ボイラー、または構造物の製作に使用する炭素鋼を選択する際に、コスト、溶接性、性能のトレードオフに直面することがよくあります。Q235NHとSPA-Hは、東アジアおよび国際的なサプライチェーンで一般的に指定される2つのグレードであり、どちらも溶接された圧力機器および一般的な構造用途を目的とした低合金/低炭素鋼ですが、異なる国家標準システムと生産哲学から生まれています。
主な違いは、Q235NHが中国の国家標準に基づいて規定された、正規化された圧力容器対応のプレーン炭素鋼であるのに対し、SPA-Hは独自の化学成分および納入条件の期待を持つ日本式のボイラー/圧力容器鋼グレードであることです。これらの2つの材料は異なる基準で生産されているため、強度、靭性、溶接性、表面保護のニーズに対してどちらが適しているかを判断するために、調達およびエンジニアリングの議論でしばしば比較されます。
1. 標準および指定
- Q235NH
- 起源：中国国家標準ファミリー（GB）。
- 典型的な標準参照：GB/T 1591（圧力容器鋼および正規化グレード用）およびGB/T 700（一般構造鋼指定Q235用）。
-
カテゴリ：圧力容器サービス用の炭素/低合金構造鋼；正規化または熱機械処理された状態で供給され、接尾辞「NH」は圧力機器のための正規化および改善された衝撃靭性を示します。
-
SPA-H
- 起源：日本の工業標準（ボイラーおよび圧力容器プレートのJIS/Gまたは同等の業界仕様でよく見られる）。
- 典型的な標準参照：日本のボイラー/圧力容器プレート標準（JIS G3115または同様の番号の国内仕様 — 名前は供給者や歴史的標準によって異なることに注意）。
- カテゴリ：ボイラーおよび圧力容器用の炭素鋼；溶接された容器のためのより高いプレート品質および靭性要件を満たすことを目的としています。
分類の概要： - 両者はプレーン炭素/低合金鋼（ステンレス鋼ではなく、工具鋼でもなく、高強度合金のHSLAでもない）。SPA-Hのバリアントは、Q235NHと比較して不純物の管理が厳格であり、納入条件のテストがわずかに異なる場合があります。
2. 化学組成および合金戦略
この2つのグレードは、靭性および溶接性要件を満たすために、少量の合金および不純物管理を伴う低炭素鋼です。以下の表は、実務で一般的に使用される典型的または最大値として表現された代表的な組成範囲を示しています。これらの数値は代表的なものであり、特定のロット受入試験については常にミル証明書で確認してください。
| 元素 | Q235NH（代表的） | SPA-H（代表的） |
|---|---|---|
| C（炭素） | ~0.12–0.22 %（最大 ~0.22） | ~0.10–0.18 %（典型的最大 ~0.18） |
| Mn（マンガン） | ~0.30–0.80 % | ~0.30–1.00 % |
| Si（シリコン） | ~0.02–0.30 % | ~0.01–0.35 % |
| P（リン） | ≤ 0.035 %（管理済み） | ≤ 0.025–0.035 %（厳格に管理） |
| S（硫黄） | ≤ 0.035 %（管理済み） | ≤ 0.035 %（管理済み） |
| Cr（クロム） | 微量 – 最大0.30 %（存在する場合） | 微量 – 最大0.30 % |
| Ni（ニッケル） | 微量（通常は添加されない） | 微量（通常は添加されない） |
| Mo（モリブデン） | 通常は添加されない；微量のみ | 通常は添加されない；微量のみ |
| V, Nb, Ti（微合金） | Q235NHにはまれに添加される（典型的ではない） | 一部のSPA-H派生物には微量の微合金が含まれる場合がある |
| B, N | 微量；Nはしばしば管理される | 微量；Nはしばしば管理される |
合金が性能に与える影響： - 炭素は主な強度決定要素であり、低炭素は強度の一部を犠牲にして溶接性と靭性を改善します。 - マンガンは硬化性と引張強度を増加させ、硫黄の脆化効果（MnS形成）に対抗します。 - 低レベルのシリコンは脱酸剤であり、強度をわずかに増加させます。 - PおよびSの厳格な管理は、ノッチ靭性と溶接の完全性にとって重要です；圧力容器鋼は、一般的な構造鋼よりも低い最大値を指定することがよくあります。 - SPA-Hのバリアントは、時にはより厳格な不純物管理を強調し、一部の供給者の配合では、強度と靭性を調整するために制御された微合金添加が行われることがあります。
3. 微細構造および熱処理応答
典型的な微細構造： - Q235NH：正規化された状態で供給され（接尾辞NH）、微細なフェライト–パーライトの混合物が再加熱と空冷（正規化）によって生成されます。これにより、以前のオーステナイトの粒径が細かくなり、圧延された板に対して衝撃靭性が改善されます。 - SPA-H：通常、均一性と清浄性に注意を払い、正規化または正規化および焼き戻しされた状態で供給されます。微細構造もフェライト–パーライトですが、圧延および冷却の実践や微合金添加に応じて、より細かい分散が得られる可能性があります。
熱処理および熱機械処理の影響： - 正規化（両グレード）：粒径を細かくし、均一性を改善し、同様の強度レベルで靭性を増加させます。正規化は、圧力容器サービス用に指定された場合、両グレードの標準的な経路です。 - 焼入れおよび焼き戻し：Q235NHまたはSPA-Hには一般的ではなく、これらのグレードは低から中程度の強度の溶接可能な鋼として意図されているため、Q&Tは異なるカテゴリ（高強度合金鋼）に押し上げることになります。 - 熱機械制御処理（TMCP）：一部の現代のプレートは、過剰な炭素や微合金添加なしで、より良い強度–靭性バランスを達成するためにTMCPによって製造されます。特定のミルからのSPA-Hプレートは、低合金含有量で厳しい靭性要件を達成するためにTMCPで製造される場合があります。
4. 機械的特性
以下の表は、これらのグレードの受入基準として一般的に使用される典型的な機械的特性の範囲を提供します；実際の契約値は、適用される標準またはミル試験報告書から取得する必要があります。
| 特性 | Q235NH（典型的受入） | SPA-H（典型的受入） |
|---|---|---|
| 引張強度（Rm） | ~370–500 MPa（厚さによって異なる） | ~380–520 MPa（仕様および厚さによって異なる） |
| 降伏強度（Rp0.2またはReL） | 名目上 ~235 MPa（Q235指定） | 通常、いくつかのSPA-H仕様ではQ235NHよりもやや高い；板の厚さによる |
| 伸び（A%） | ≥ 20%（厚さによる） | ≥ 18–22%（厚さおよび仕様による） |
| 衝撃靭性（シャルピーVノッチ） | 指定された温度での最小値（例：指定された温度で27 J） | しばしば同様または厳しいCVNの最小値および/または低い試験温度を要求 |
| 硬度（HB） | 通常は低い（軟らかい） — 例：鋼および厚さに応じてHB 120–200範囲 | 類似の範囲；SPA-Hはより良い靭性のためにわずかに低い硬度に制御される場合がある |
解釈： - Q235NHは名目上235 MPaの降伏強度を基に設計されています（したがって「235」）。SPA-Hのバリアントは、類似の引張範囲で指定されることが一般的ですが、正確なJISまたは供給者の仕様に応じて、より厳しい靭性またはわずかに高い強度で生産されることがあります。 - 靭性（指定された温度での衝撃エネルギー）は、組成（P、S、N）、粒径（正規化による）、および板の厚さに大きく影響されます。SPA-Hのバリアントは、寒冷サービス用ボイラーに対してより厳しい衝撃要件を強調することがあります。
5. 溶接性
溶接性は、炭素含有量、硬化性元素（Mn、Cr、Mo、V）、および不純物管理に依存します。溶接性を評価するために一般的に使用される2つの経験的指標が以下に示されています。
-
国際溶接協会の炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
いくつかの規格で使用される国際炭素当量（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： - Q235NHとSPA-Hの両方が低炭素鋼であるため、計算された$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の値は一般的に低く、従来のフィラー金属および中程度の予熱慣行で良好な溶接性を示します。 - Q235NHのわずかに高い名目炭素（いくつかのSPA-H配合に対して）は、厚い部分や高熱入力手順を使用する場合に予熱の必要性を増加させる可能性があります。SPA-Hの厳格な不純物管理および生産条件は、しばしばわずかに良好な溶接靭性および水素誘発冷却亀裂への感受性を低下させます。 - 微合金添加（SPA-Hの一部のバリアントに存在する場合）は、硬化性をわずかに増加させ、必要な予熱または溶接後の熱処理の量に影響を与える可能性があります。 - すべての場合において、厚さ、ジョイント設計、溶接拘束、および水素管理（フィラー選択、消耗品の湿気）は、グレード選択単独よりも決定的です。溶接手順の資格（WPS/PQR）を使用し、特定の化学組成に対して$P_{cm}$または$CE_{IIW}$を計算して、予熱/溶接後の熱処理の制限を設定してください。
6. 腐食および表面保護
- Q235NHとSPA-Hの両方はプレーン炭素鋼（非ステンレス）です。腐食抵抗のために表面保護に依存しています。
- 典型的な保護：熱浸漬亜鉛メッキ、亜鉛リッチプライマーおよび多層コーティング、工業用塗料、溶剤系またはエポキシ系ライニング、浸漬機器のための陰極保護。
- PRENのような腐食抵抗指数が参照される場合、それはプレーン炭素鋼には適用されません。ステンレス鋼の場合： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ これはQ235NHやSPA-Hには適用されません。なぜなら、クロムおよびモリブデンの含有量は無視できるからです。
- 選択ガイダンス：大気曝露には亜鉛メッキまたはコーティングされた鋼を選択してください；内部サービス（例：ボイラー、タンク）には適切なライニングまたは腐食許容を指定してください。攻撃的な化学環境には、プレーン炭素鋼を保護しようとするのではなく、腐食抵抗合金を選択してください。
7. 製造、加工性、および成形性
- 成形性：両グレードの低炭素および正規化された微細構造により、冷間曲げ、圧延、プレスブレーキによって容易に成形できます。厚いプレートには適切な曲げ半径が必要です；正規化された状態は延性を改善し、スプリングバックの変動を減少させます。
- 加工性：低炭素鋼は合理的に加工されます；加工性は硬度および不純物含有量に依存します。SPA-Hプレートは、より厳格な清浄度管理により、時にはより良い表面仕上げおよび工具寿命を生み出すことがあります。
- 切断および熱処理プロセス：プラズマ、酸素燃料、およびレーザー切断が一般的に使用されます。切断/冷間加工されたエッジのための予熱推奨は、溶接性評価に従うべきです。
- 表面仕上げ：両者は研削、ショットブラスト、および典型的な塗装システムを受け入れます。厳しい公差または表面品質（例：圧力容器のシール面）が要求されるアプリケーションには、正規化された状態での最終加工が推奨されます。
8. 典型的な用途
| Q235NH – 典型的な用途 | SPA-H – 典型的な用途 |
|---|---|
| 経済性と十分な靭性が要求される低から中温サービス用の一般的な圧力容器プレート | より厳しい靭性および不純物管理が指定されるボイラーおよび圧力容器プレート |
| 溶接および成形が主な関心事である構造部品およびフレーム | 日本式プレート標準を指定する圧力容器シェル、ボイラー胴体、および部品 |
| タンク、低圧配管支持、および溶接製作物 | 納入時の衝撃要件が厳しいアプリケーションや、供給者のJISタイプのトレーサビリティが要求される場合 |
選択の理由： - コスト効率と広く入手可能な中国標準プレートが主な考慮事項であり、指定された正規化された靭性と溶接性が設計要件を満たす場合はQ235NHを選択してください。 - より厳しい不純物および靭性受入基準が要求される場合や、日本の標準に指定された既存の設備に合わせる必要がある場合はSPA-Hを選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：Q235NHは、GB標準プレートが一般的な地域での国内生産量が多いため、特別に輸入されたSPA-Hプレートよりも経済的であることが多いです。SPA-Hは、輸入された場合や、より厳格な清浄度および試験体制で生産された場合に、より高価になることがあります。
- 入手可能性：Q235NHは中国の多くのミルおよび輸出業者から広く入手可能です；SPA-Hの入手可能性は地域の生産およびミル在庫に依存します。プレートの厚さ、切断サービス、および認証（例：ミル証明書、衝撃試験証明書）は、両者のリードタイムに影響を与えます。
- 製品形態：両者は一般的にプレートとして供給されます；厚いプレート、低温での試験衝撃値、または追加のミル認証に対してコストプレミアムが増加します。
10. 概要と推奨
概要表（定性的）
| 属性 | Q235NH | SPA-H |
|---|---|---|
| 溶接性 | 非常に良好（低C、正規化） | 非常に良好または一部の仕様でやや良好（高い清浄度） |
| 強度–靭性バランス | 235 MPaの降伏強度と十分な靭性を基に設計 | 比較可能な引張特性；しばしばより厳しい衝撃基準に指定される |
| コスト | しばしば低い / 良好な価値 | 仕様および試験の要求により高くなる場合がある |
推奨： - Q235NHを選択する場合： - 典型的な圧力容器または構造用途に対して良好な溶接性を持つコスト効果の高い、広く入手可能な正規化プレートが必要です。 - 設計が名目上235 MPaの降伏クラスを要求し、指定された衝撃および厚さの制限がQ235NHのサービス温度および靭性の要求を満たす場合。 - ミル証明書および正規化された納入状態が調達およびコード遵守に受け入れ可能です。
- SPA-Hを選択する場合：
- プロジェクトが日本式ボイラー/圧力容器仕様に準拠した材料、より厳しい不純物管理、または納入時の衝撃要件を要求する場合。
- トレーサビリティ、特定の供給者資格、または寒冷サービスやより重い応力がかかる溶接製作物のために、清浄度および靭性に対するより正確な管理が行われる可能性のあるプレートが必要な場合。
- わずかに高いコストが、より厳しい受入基準や既存の設備/材料基準に合わせる必要性によって正当化される場合。
締めくくりのメモ：Q235NHとSPA-Hは、溶接された容器および一般的な構造プレート作業に対して実用的な選択肢です。適切な選択は、正確な仕様要件（機械的、衝撃温度、厚さ）、溶接手順の制約、腐食保護計画、および商業的要因（リードタイムとコスト）に依存します。常にミル試験報告書で正確な化学および機械的値を確認し、特定の材料ロットのために炭素当量計算および溶接手順の資格を実施してください。