Q355GNH 対 Q415GNH – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
Q355GNHとQ415GNHの選択は、高強度構造鋼を扱うエンジニア、調達マネージャー、製造プランナーにとって一般的な設計および調達のジレンマです。典型的な意思決定の文脈には、より高い荷重容量と薄い断面（強度）を溶接性、低温での靭性、全体的なコストとバランスさせることが含まれます。製造業者は、形成および機械加工のトレードオフとサービス中の性能を天秤にかけます。
これらの2つのグレードは、構造用プレートおよびセクションに使用される微合金高強度低合金（HSLA）鋼のファミリー内で隣接する強度帯に位置しています。主な機能的な違いは、Q355GNHと比較してQ415GNHの保証降伏強度が高いことで、これが加工要件、靭性管理、および選択の根拠における下流の違いを生み出します。
1. 規格と指定
- 類似の鋼が現れる主要な規格ファミリー：GB/中国国家規格（Qシリーズグレード）、EN（欧州）、ASTM/ASME（米国）、およびJIS（日本）。正確なグレード名と要件は規格によって異なり、変換表はガイドラインのみです。
- 分類：Q355GNHとQ415GNHは、良好な強度–靭性バランスを持つように設計された非ステンレス、低炭素、微合金HSLA構造鋼です。これらは工具鋼やステンレス鋼ではありません。
- 典型的な製品形状：プレート、コイル、および溶接構造；接尾辞（GNHなど）は、製造業者または国家の命名スキームにおいて、プロセスおよび特性の修飾子（例：正規化、熱機械的圧延、強化された低温靭性）を一般的に符号化します。購入仕様における正確な接尾辞の意味を確認してください。
2. 化学組成と合金戦略
両グレードの微合金HSLA戦略は、溶接性と靭性を保持するために炭素を低く保ちながら、微合金元素（Nb、V、Ti）および制御されたNを少量添加して、粒子を精製し、強度を高めることです。これは、大きな炭素の増加によるものではなく、析出および粒子精製によって行われます。
| 元素 | Q355GNH（典型的な役割） | Q415GNH（典型的な役割） |
|---|---|---|
| C（炭素） | 低 — 硬化性を制限し、溶接性を助ける | 低 — 靭性を保持するためにQ355と同様か、わずかに制御される可能性がある |
| Mn（マンガン） | 中程度 — 固体溶液強化および脱酸 | 中程度 — より高い降伏を支えるためにわずかに高い可能性がある |
| Si（シリコン） | 微量–中程度 — 脱酸剤 | 微量–中程度 |
| P（リン） | 低く保たれる — 脆化制御 | 低く保たれる |
| S（硫黄） | 低く保たれる — 加工性、清浄性 | 低く保たれる |
| Cr、Ni、Mo | 通常は最小または微量 — 主な硬化メカニズムではない | 強度/硬化性を支えるために一部のバリアントに少量存在する可能性がある |
| V、Nb、Ti（微合金） | 粒子を精製し、析出強化するために微合金量で存在する | 存在する；わずかに高い析出強化のために最適化される可能性がある |
| B（ホウ素） | 稀/微量 — 使用される場合は、硬化性のために制御される | 稀/微量 |
| N（窒素） | 制御される — 微合金金属と炭化物を形成する | 制御される — 強化制御のためにわずかに高い可能性がある |
注：正確な化学限界は関連する国家または製鋼所の規格に指定されており、グレード接尾辞および製品形状によって異なります。この表は絶対濃度ではなく、定性的な役割を示しています。
合金が特性に与える影響： - 低炭素は、溶接性と延性を許容範囲内に保ちます。 - Mnおよび制御されたSiは、固体溶液強化および加工挙動を提供します。 - 微合金元素（Nb、V、Ti）は、大きな炭素の増加なしに粒子精製と析出硬化を通じて高い降伏強度を可能にし、靭性を保持します。 - Q415の要件を満たすための合金または加工強度の小さな増加は、硬化性を高め、追加の熱制御を必要とする可能性があります。
3. 微細構造と熱処理応答
標準的な加工後の両グレードの典型的な微細構造は、熱機械的経路に応じて、制御された量のテンパー処理されたベイナイトまたは多角形フェライトおよび微合金析出物を持つ細粒フェライトです。
- Q355GNH：正規化または制御圧延を通じて、制御されたフェライト–パーライトまたはフェライト–ベイナイトマトリックスを生成するように加工され、細かい粒径を持ちます。微合金析出物（Nb/Ti/V炭化物）は、粒成長を妨げ、降伏強度に寄与します。
- Q415GNH：より高い保証降伏を達成するために、加工はしばしば熱機械的圧延強度を高めるか、より強力な析出強化を使用します。これにより、ベイナイト構造の割合が高くなるか、より密な析出物を持つ洗練されたフェリティックマトリックスが生成され、強度が増しますが、より厳しい熱制御が必要です。
熱処理応答： - 正規化/精製：両グレードは、粒径を精製し、靭性を改善するために正規化または制御圧延の恩恵を受けます。 - 急冷およびテンパー処理：これらのHSLA構造グレードでは通常は行われず、製品の分類が変更されます。 - 熱機械的制御加工（TMCP）：特に両者に効果的であり、強度–靭性バランスを得るためにしばしば使用されます。Q415GNHの場合、TMCPパラメータは、より高い目標に向けて降伏を高めるために、より攻撃的である可能性があります。
4. 機械的特性
数少ない定量的な確実性の一つは、グレード番号が中国のQシリーズの規則に基づいてMPaでの名目最小降伏強度を示すことです。
| 特性 | Q355GNH | Q415GNH |
|---|---|---|
| 最小降伏強度（MPa） | 355（指定による名目値） | 415（指定による名目値） |
| 引張強度 | 通常はQ415より低い；延性破壊挙動を維持するように設計されている | 通常はQ355より高く、より高い降伏に合わせている |
| 伸び（延性） | 同等の厚さおよび加工で一般的により延性が高い | 一般的に高強度レベルで延性がわずかに低下する |
| 衝撃靭性（低温） | TMCPおよび正規化加工で良好な靭性を持つように設計されている | 比較可能な靭性を達成できるが、しばしばより厳しい加工および試験が必要 |
| 硬度 | 同様の加工条件下でQ415より低い | 強度と析出物の密度が高いため高い |
解釈： - Q415GNHは、より高い保証降伏強度を提供し、したがって同じ荷重に対して薄い構造を可能にしますが、靭性および溶接手順に対してより厳しい制御を課す可能性があります。 - Q355GNHは、同等の加工ルートに対してより良い成形性を提供し、破壊時の伸びがやや高い傾向があります。
5. 溶接性
溶接性は、炭素当量および硬化性に依存します。定性的評価には、認識された指標を使用します：
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
およびより包括的な：
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - 両グレードは、良好な溶接性を支えるために、低炭素およびHSLA微合金化で設計されています。$CE_{IIW}$および$P_{cm}$は、中炭素の急冷鋼と比較して相対的に低く保たれます。 - Q415GNHは、Mnまたは微合金含有量の増加や強力な加工により、Q355GNHよりもわずかに高いCEおよびPcm値を持つ可能性があります。これにより、厚いセクションでのHAZ硬化および水素支援亀裂の感受性が高まる可能性があります。 - 実際には、Q415はしばしばより厳しい制御を必要とします：低水素溶接消耗品、予熱または制御されたインターパス温度、重要な厚いセクションまたは低温サービスのための溶接後熱処理。 - 両グレードについて、製鋼所の証明書に従い、疑問がある場合は接合資格試験を実施してください。
6. 腐食および表面保護
- これらは非ステンレス鋼であり、腐食抵抗は低合金炭素鋼のそれに制限されます。選択は、保護されていない限り、周囲の腐食を前提とするべきです。
- 表面保護のオプション：熱浸漬亜鉛メッキ、亜鉛リッチプライマー、二成分工業用コーティング、エポキシシステム、または必要に応じて冶金的クラッディング。
- PRENは、これらがステンレス合金ではないため適用されません。ステンレス材料の場合は、