Q355NH 対 Q355B – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
Q355NHおよびQ355Bは、Q355ファミリー内で広く使用されている中国指定の構造用鋼の2つです。エンジニア、調達マネージャー、製造計画者は、橋梁、圧力保持構造物、重機フレーム、溶接製品のための板およびセクション材料を指定する際に、一般的にこれらの選択に直面します。典型的な決定要因には、強度と靭性のトレードオフ、溶接性および製造制約、そして大気腐食に対するライフサイクル保護と最低初期コストの比較が含まれます。
両者は非ステンレスの炭素/低合金構造用鋼ですが、プロジェクト選定における一般的な比較軸は、屋外または産業環境における表面耐久性です。言い換えれば、どちらも本質的にはステンレス鋼や専用の耐候性鋼ではないため、大気腐食性能—化学組成、微細構造、表面保護によって駆動される—が多くの仕様において決定要因となります。したがって、設計者はQ355NHとQ355Bを強度と靭性だけでなく、各々がコーティング、亜鉛メッキ、または未コーティング時の曝露にどのように反応するかを比較します。
1. 規格と指定
- 主要な中国規格：GB/T 1591（またはその後継文書）がQ355シリーズの構造用鋼を規定しています。地元の製鋼所の証明書および納入基準は、正確な要件を指定します。
- 同等または関連する国際指定：ASTM/ASMEグレードに直接的な1対1の同等物はありません。Q355は、ASTM A572グレード50やENのS355などのHSLA鋼と機能的に比較されることが多いですが、正確な化学組成や試験方法は異なります。
- 分類：Q355NHおよびQ355Bは、いずれも非ステンレスの低合金/高強度構造用鋼（HSLAカテゴリ）です。これらは工具鋼、ステンレス鋼、または高合金耐食グレードではありません。
2. 化学組成と合金戦略
表：2つのグレードの合金および不純物元素の定性的存在。正確な製鋼所の制限はリリース基準および厚さに依存します。常に製鋼所の試験証明書を確認してください。
| 元素 | Q355B（典型的な制御） | Q355NH（典型的な制御） |
|---|---|---|
| C（炭素） | 強度と溶接性のために低–中レベルで制御 | 類似の炭素制御；靭性のためにより厳しい制限が指定される場合があります |
| Mn（マンガン） | 主な強度/脱酸素化元素として存在 | 存在；強度と硬化性制御のために同様に使用されることが多い |
| Si（シリコン） | 脱酸剤としての小さな制御量 | 小さな制御量 |
| P（リン） | 限られた不純物（低く保たれる） | 限られた不純物；より厳しい最大値がある場合があります |
| S（硫黄） | 限られた不純物（低く保たれる） | 限られた不純物；しばしば類似またはより厳しい |
| Cr（クロム） | 通常非常に低いか微量 | 通常非常に低いか微量（ステンレス合金レベルではない） |
| Ni（ニッケル） | 通常微量/不在 | 通常微量/不在 |
| Mo, V, Nb, Ti（微合金） | 一部の製造ルートで小量存在する場合があります | 靭性向上および粒子細化が指定される場合に微合金（Nb, V, Ti）が含まれることがあります |
| Cu（銅） | 通常微量；設計上の特徴ではない | 一部の製鋼所で生産される特定の耐候性バリアントに小量意図的に存在する場合があります（証明書を確認） |
| N（窒素）、B（ホウ素） | 微量；制御される | 微量；制御される |
説明： - 両グレードは、主に強度のためにCおよびMnを制御し、PおよびSを有害な不純物として制限することによって設計されています。微合金元素（Nb, V, Ti）は、Q355のバリアント全体で粒子を細かくし、強度を高め、炭素の大幅な増加なしに靭性を維持するためにしばしば使用されます。 - 大気腐食抵抗を改善するための意図的な添加物（たとえば、耐候性鋼で使用される小さなCu、P、またはCrの添加）は、基本的なQ355指定には内在せず、製鋼所の証明書で確認する必要があります。実際には、大気腐食抵抗は、標準のQ355化学組成よりも、耐候性サービス用に特に指定された保護コーティングおよび合金に大きく依存します。
3. 微細構造と熱処理応答
- 典型的な圧延後の微細構造：両グレードは、フェライト–パーライトマトリックスを持つ熱間圧延板として供給されます。フェライトとパーライトの相対的な割合および微細な炭化物または微合金沈殿物の存在が強度と靭性を決定します。
- Q355B：強度と延性のバランスを持つ一般的な構造用に生産されています。微合金化は最小限である場合があり、粒子サイズと不純物制御は典型的な製造手段です。
- Q355NH：「N」と「H」の修飾子は、関連するQグレードの名称において、通常、正規化および低温靭性要件の強化を示します。正規化（変態範囲からの空冷）は粒子サイズを細かくし、より細かいフェライト–パーライト微細構造と厚さ全体にわたるより均一な特性を生成します。
- 熱処理応答：
- 正規化は粒子を細かくし、衝撃靭性と均一性を改善する傾向があります；これはNH指定鋼に典型的です。
- 焼入れおよび焼戻しは、Q355クラスの板の通常の処理ルートではありません（これらは焼入れおよび焼戻し鋼ではありません）が、溶接後の局所的な熱処理や特別な部品には可能です。
- 熱機械制御加工（TMCP）を使用して、追加の正規化なしでより高い強度と細かい微細構造を得ることができます。
- 実際の効果：より厳しい熱処理および粒子サイズ制御で処理されたQ355NHバリアントは、通常、標準の圧延および冷却スケジュールで処理されたQ355Bよりも、特に低温での靭性が改善され、厚さ全体の特性がより一貫しています。
4. 機械的特性
表：定性的および一般的に引用される典型的な特性期待値。値および試験温度は厚さおよび特定の標準に依存します：プロジェクトに重要な値については製鋼所の試験証明書を確認してください。
| 特性 | Q355B（典型的） | Q355NH（典型的） |
|---|---|---|
| 降伏強度 | 名目355 MPa（指定された降伏クラス）を中心に設計 | 名目355 MPaを中心に設計；類似または同じクラス |
| 引張強度 | Q355板に一般的に報告される典型的な範囲（製造者依存） | 類似の引張範囲；生産ルートにより範囲が厳しくなる場合があります |
| 伸び（延性） | 中程度の延性；成形および溶接に適している | 特に正規化された納品において、同等またはやや高い保持延性 |
| 衝撃靭性 | 一般的な構造用衝撃要件（室温である場合があります） | しばしば低温衝撃試験で指定される（零下試験での靭性向上） |
| 硬度 | 溶接および機械加工に適した中程度の硬度 | 正規化された微細構造により、比較的またはやや低い局所硬度 |
解釈： - 両グレードは、降伏クラス約355 MPaを中心に設計されています。主な機械的な違いは、低温での靭性と厚さ全体の均一性です—Q355NHは、改善された衝撃靭性（例：−20 °C以下）および正規化処理が望ましい場合に通常指定されます。 - Q355Bは、低温靭性が制御要件でない場合に適した従来の構造グレードです。
5. 溶接性
溶接性は、炭素含有量、炭素当量（硬化傾向）、および微合金元素の存在に依存します。一般的に使用される2つの指標：
-
IIW炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
国際Pcm： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Q355BとQ355NHの定性的解釈： - 両グレードは、適切な予熱/インターパス制御を行った場合、標準的な構造溶接手順に対して合理的に溶接可能と見なされます。低から中程度の炭素と制御されたMnは、一般的な溶接消耗品に適した範囲で炭素当量を維持します。 - Q355NHが意図的な微合金化を含む場合や、正規化された状態で供給される場合、そのHAZ硬化の傾向はQ355Bとはわずかに異なる場合があります。正規化された微細構造はHAZの軟化を減少させ、靭性を改善することができ、これにより溶接後の挙動がより好ましくなることがよくあります。 - 実用的なガイダンス：常にバッチおよび厚さに対して関連する炭素当量を計算し、フィラー金属メーカーの推奨を遵守し、計算または経験に基づいて冷間割れや靭性の低下のリスクがある場合にのみ予熱/インターパス制御およびPWHTを使用してください。
6. 腐食および表面保護
- Q355NHおよびQ355Bは、いずれも非ステンレス鋼であり、オーステナイト鋼や二相ステンレス鋼のような保護的なパッシブフィルムを形成しません。保護されない限り、自然な大気腐食（錆）が発生します。
- 典型的な保護戦略：亜鉛メッキ（熱浸漬または電気）、保護塗料システムの指定、ポリマー被覆、または海洋環境での犠牲アノードの使用。
- 腐食抵抗指数が関連する場合（ステンレスグレードの場合）、ピッティング抵抗等価数（PREN）が使用されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指数は、Cr、Mo、およびNが保護レベルで存在しないため、Q355鋼には適用されません。
- 重要な注意：一部の製鋼所は、短期的な大気抵抗を改善するために小さな銅またはリンの添加物を含むバリアントを製造する場合があります；そのようなバリアントは標準のQ355B/Q355NHではなく、明示的に指定および認証される必要があります。産業または沿岸の大気中での長期未コーティングの屋外サービスには、専用の耐候性鋼を選択するか、適切な緩和システムを適用してください。
7. 製造、機械加工、および成形性
- 成形および曲げ：両グレードは、標準によって意図された通常の板厚範囲で容易に冷間成形可能です。Q355NHは、正規化された粒子構造により、やや厳しい曲げ半径やより一貫したスプリングバックを許可する場合があります。
- 機械加工性：両者は典型的な炭素/HSLA鋼であり、機械加工性は平均的です。微合金化および高強度は、低炭素の軟鋼に対して工具寿命をわずかに短くする可能性があります。
- 表面処理および仕上げ：両者は標準的な表面処理—ショットブラスト、プライミング、亜鉛メッキ、および塗装を受け入れます。重要な外観または腐食に敏感な用途の場合、表面の清浄度および前処理（例：指定されたSa基準へのグリットブラスト）が不可欠です。
8. 典型的な用途
典型的な使用と選定理由を示す2列の表。
| Q355B – 典型的な用途 | Q355NH – 典型的な用途 |
|---|---|
| 一般的な構造部品：建物の鋼構造、フレーム、ビーム、チャンネル | 改善された低温靭性を必要とする構造部品または正規化された納品が指定される圧力容器のスカートおよび支持部 |
| 機械基盤、溶接フレーム、重要でない屋外構造物 | 厚さ全体の靭性およびHAZ性能が重要な重い溶接製品 |
| 標準の強度と溶接性で十分なコストに敏感な用途 | 低温衝撃抵抗が指定される橋梁、オフショアの基礎、または寒冷気候で運用される機器 |
選定理由： - Q355Bは、標準的な構造用に選択し、低温靭性が優先されない場合やコストが重要な要因である場合に選択してください。 - Q355NHは、プロジェクトの仕様が正規化された納品、改善された低温靭性、または厚さ全体の特性制御を厳しく要求する場合に選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：Q355Bは、通常、製造ルートおよび試験要件がより標準的であるため、低コストのオプションです。Q355NHの納品は、正規化、低温での追加の衝撃試験、またはより厳しい化学制御が必要な場合、価格が高くなる可能性があります。
- 製品形状による入手可能性：両グレードは、熱間圧延板、広フランジセクション、および溶接管として一般的に入手可能ですが、地域や製鋼所のバックログによって入手可能性は異なります。特別な化学組成や認証された正規化板（Q355NH）は、リードタイムが長くなる場合があります；調達の早い段階で入手可能性を確認してください。
10. 概要と推奨
概要表（高レベルの定性的比較）。
| 特性 | Q355B | Q355NH |
|---|---|---|
| 溶接性 | 標準手順に対して良好 | 良好；正規化された微細構造がHAZ靭性を改善する可能性 |
| 強度–靭性バランス | 355 MPa降伏を中心に設計；良好なバランス | 類似の降伏クラス；正規化された場合、より良い低温靭性および厚さ全体の一貫性 |
| コスト | 低い（標準構造グレード） | 高い（追加の処理/試験が可能） |
推奨： - Q355Bを選択する場合：プロジェクトが標準的な強度（≈355 MPa降伏）を持つコスト効果の高い、一般的に入手可能な構造鋼を必要とし、周囲温度および靭性要件が通常の土木/構造範囲内であり、未コーティングのサービス寿命が主要な懸念でない場合。 - Q355NHを選択する場合：仕様が改善された低温衝撃靭性、正規化処理、または厚さ全体の特性制御を厳しく要求する場合（厚板または重い溶接製品の場合）、またはプロジェクトコードが重要な溶接または冷間サービス部品のためにNHバリアントを明示的に指定する場合。
最終的な実用的な注意： - どちらのグレードもステンレス鋼や専用の耐候性材料ではありません；長期的な大気腐食抵抗が必要で、コーティングなしの場合は、耐候性鋼またはステンレス合金を指定するか、堅牢な保護システム（亜鉛メッキ、多層塗装）を設計してください。 - 受け入れ前に、化学組成、熱処理履歴、機械試験値、および衝撃試験温度について製鋼所の試験証明書を常に確認してください。溶接構造の場合、適切な炭素当量を計算し、計算および経験に基づいて示された通りに適格な溶接手順および予熱/インターパス制御を遵守してください。