Q355NH 対 SPA-H – 成分、熱処理、特性、および用途

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、圧力容器シェル、構造プレート、または重厚な製造鋼を指定する際に、Q355NHとSPA-Hの間で頻繁に選択を行います。この決定は、強度と溶接性、低温サービスにおける靭性とコスト、地域の入手可能性とのバランスを取ることが多いです。典型的な決定の文脈には、圧力容器設計（衝撃靭性と規格遵守が重要）、構造部材（高い降伏強度が重量を節約する）、および製造ワークフロー（溶接手順と予熱要件がコストを左右する）が含まれます。

この2つのグレードの主な実用的な違いは、合金化と加工戦略にあります：Q355NHは、制御された熱処理後に強度と衝撃靭性を最適化した正規化された高降伏微合金鋼/HSLA型鋼であり、SPA-H（多くの市場でASTM/ASME A516 Grade 70などの従来の圧力容器炭素鋼プレートの商標名として一般的に使用される）は、圧力容器サービスのために延性と溶接性が指定されています。化学組成は基本元素において類似していますが、微合金化と許可される微量元素において異なるため、性能の違いは微妙ですが設計と製造において重要です。

1. 規格と指定

• Q355NH
• 中国の規格（GB/T 1591シリーズ）に基づいて一般的に指定され、一部の市場ではEN/ISOの同等品を満たすように供給されます。
• 分類：高強度低合金（HSLA）/ノッチ靭性を向上させた構造鋼；「N」は正規化を示し、「H」は追加の衝撃試験要件（低温靭性）を示します。
• SPA-H
• 圧力容器調達において一般的に使用される商業/商標名；多くのサプライヤーカタログでASTM A516 Grade 70 / ASME SA-516 Grade 70などのASME/ASTM圧力容器プレート仕様に頻繁に関連付けられています（ミル証明書で正確な同等性を確認してください）。
• 分類：炭素圧力容器鋼（ボイラーおよび圧力容器プレート用の従来の炭素鋼）。

注：ミル試験証明書（MTC）で参照される正確な規格を常に確認してください。異なる市場やサプライヤーは商標名を異なる方法で使用する場合があります。

2. 化学組成と合金化戦略

以下の表は、ミル認証および製品データシートで一般的に見られる典型的な元素範囲を示しています。これらは代表的な範囲であり、実際の値は供給元のミルの証明書から確認する必要があります。

元素	典型的なQ355NH（代表的な範囲）	典型的なSPA-H（代表的な範囲、例：A516 Gr70）
C	0.10 – 0.20 %	0.16 – 0.28 %
Mn	0.6 – 1.6 %	0.70 – 1.20 %
Si	0.10 – 0.50 %	0.10 – 0.35 %
P	≤ 0.035 %	≤ 0.035 %
S	≤ 0.035 %	≤ 0.035 %
Cr	微量 – 0.30 %（存在する場合）	微量 – 0.30 %（存在する場合）
Ni	微量 – 0.40 %	微量 – 0.40 %
Mo	通常は非常に低いかなし；最大で約0.10 %可能	微量 – 0.10 %
V	微合金化を含む場合がある（微量、例：0.01–0.12 %）	通常は添加されない
Nb (Cb)	微合金化を含む場合がある（微量、例：≤0.06 %）	通常は添加されない
Ti	微合金化の可能性（微量）	通常は添加されない
B	硬化性制御に使用される場合は微量	通常は添加されない
N	微量レベル；靭性のために制御される	微量レベル

合金化が性能に与える影響： - 炭素とマンガンは主な強度の要因であり、Cが高いほど強度が増しますが、制御されない場合は溶接性と靭性が低下します。 - Q355NHで使用される微合金元素（Nb、V、Ti）は、粒子の細化と析出強化を促進し、制御された熱処理後に降伏強度と靭性を向上させ、炭素当量の増加を最小限に抑えます。 - Cr、Ni、またはMoの少量添加（SPA-Hバリアントや特定の靭性要件を満たすためにより一般的に見られる）は、硬化性と耐食性をわずかに向上させる可能性がありますが、通常は低いか存在しません。 - 硫黄とリンは、両方のグレードで靭性を保護するために低く保たれています。

3. 微細構造と熱処理応答

• Q355NH
• 典型的な加工：制御された圧延の後に正規化（「N」指定）または熱機械的制御加工（TMCP）の後に正規化が行われる場合があります。
• 典型的な微細構造：細粒のフェライト-パーライトまたはフェライトに微合金化からの分散した細かいベイナイト島とナノスケールの析出物（NbC、VN、またはTiN）が含まれます。正規化は、以前のオーステナイト粒子を細化し、ノッチ靭性を向上させます。
• 熱処理応答：正規化と制御冷却は、粒子サイズと析出物の分布を細化し、重い急冷および焼戻しサイクルなしで降伏強度と低温靭性を向上させます。
• SPA-H（従来の圧力容器炭素鋼）
• 典型的な加工：熱間圧延プレート、供給者/仕様に応じて正規化条件はオプション。
• 典型的な微細構造：正規化されていない場合、TMCP微合金鋼と比較して比較的粗い粒子を持つフェライト-パーライト。
• 熱処理応答：正規化は靭性を改善する可能性がありますが、従来のA516のような鋼は、化学組成と圧延慣行を通じて衝撃要件を満たすように設計されており、重い微合金化は行われません。急冷と焼戻しは、これらのプレートの標準供給ルートの一部ではありません。

意味：Q355NHの微合金化と正規化は、特に高い降伏強度と良好な低温靭性を必要とするアプリケーションにおいて、有利な強度-靭性バランスを提供します。

4. 機械的特性

以下は代表的な機械的特性の範囲です；正確な保証値は特定の規格およびミル試験証明書から得られます。

特性	Q355NH（典型的）	SPA-H（典型的、例：A516 Gr70）
最小降伏強度 (MPa)	~355 MPa（Q355の設計意図）	~240–280 MPa（一般的に~260 MPa）
引張強度 (MPa)	470 – 630 MPa（典型的範囲）	415 – 585 MPa（典型的範囲）
伸び (% on 200 mm or 50 mm)	≈ 20%（厚さによって異なる）	≈ 18–22%（厚さによって異なる）
シャルピー衝撃靭性	Q355NHのために低温で指定（例：-20から-50°C）	圧力容器鋼の低温で指定（例：-20°C）、厚さに依存
硬度 (HBまたはHRC)	中程度；HSLA強化により従来の炭素プレートより高い	中程度；同じ厚さのQ355NHより一般的に低い

解釈： - Q355NHは、指定された最小降伏強度が高く（したがって「355」）、正しく処理された場合、従来の圧力容器鋼と比較して低温での靭性が優れているか同等です。 - SPA-H/A516 Gr70型鋼は、圧力容器サービスに対して十分な引張強度と非常に良好な延性および靭性を提供しますが、降伏強度が低いため、同じ荷重に対してより厚いまたは重いセクションを許可します。

5. 溶接性

両方のグレードの溶接性評価は、炭素含有量、硬化性、および微合金化元素の存在に焦点を当てています。一般的に使用される2つの経験的指標：

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

定性的解釈： - $CE_{IIW}$および$P_{cm}$の値が低いほど、溶接性が高く、予熱要件が低くなります。Q355NHとSPA-Hの両方は、比較的控えめな炭素当量を持つ低合金炭素鋼です。 - Q355NH：微合金化（Nb、V）および一部の熱ロットでのやや高いMnは、局所的に硬化性を高め、厚い溶接部での急冷および水素割れに対する感受性を高める可能性があります。その結果、Q355NHは、従来の炭素A516型鋼と比較して、厚いセクションに対してより慎重な溶接手法（適切な予熱、インターパス温度管理、低水素消耗品）が必要になる場合があります。 - SPA-H/A516 Gr70スタイルのプレート：一般的に標準手順を使用して非常に溶接しやすい；降伏強度が低く、微合金化元素が少ないため、水素誘発割れの懸念が少なくなりますが、予熱およびPWHTの考慮は厚さ、拘束、およびサービス温度に依存します。

ベストプラクティス：測定されたCE/Pcm値、厚さ、および必要な衝撃特性に基づいて溶接手順仕様（WPS）を決定し、適用可能な場合は常にコードで定められた予熱および溶接後熱処理に従ってください。

6. 腐食と表面保護

• Q355NHとSPA-Hの両方は、非ステンレスの炭素鋼です。大気中または水中環境での腐食抵抗は、保護なしでは限られています。
• 一般的な表面保護オプション：
• ホットディップ亜鉛メッキ（中程度の腐食保護のため；厚さと基材の適合性を確認してください）。
• エポキシまたはポリマーコーティング、融合結合エポキシ（FBE）、または攻撃的な環境用の多層システム。
• 塗装システム（環境に応じた表面準備およびプライマー/トップコートの選択）。
• ステンレス特有の指標（PRENなど）は、これらの非ステンレスグレードには適用されません。ステンレス鋼の場合、PREN指標は：

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

これは、どちらのグレードもステンレスではないため、ここには適用されません。

腐食許容：圧力容器の場合、設計者は通常、腐食許容を含め、サービス条件に応じてコーティングおよび陰極保護を指定します。

7. 製造、加工性、および成形性

• 切断：プラズマ、酸素燃料、レーザー切断は両方のグレードに容易に適用されます；Q355NHの高強度は、熱切断時にわずかにエッジ硬度を増加させる可能性がありますが、違いは小さいです。
• 曲げおよび成形：SPA-H（A516型）は、降伏強度が低く、良好な延性のため、一般的に成形が容易です。Q355NHの高い降伏強度はスプリングバックを増加させ、より高い成形力を必要とする可能性がありますが、適切な手順を使用すれば、その微細構造は良好な成形性を許可します。
• 加工性：両方とも中程度；どちらも自由切削合金ではありません。Q355NHの微合金化は、平面炭素SPA-Hに対して加工性をわずかに低下させる可能性がありますが、厚板および構造作業ではその影響は小さいです。
• 仕上げ：表面研削、ショットブラスト、およびポリッシングは、両方のグレードで同様に機能します。

8. 典型的な用途

Q355NH（典型的な用途）	SPA-H / A516 Gr70（典型的な用途）
高強度構造部材、橋の部品、クレーンブーム、より高い降伏強度が重量を節約する重厚なセクション	圧力容器シェルおよびヘッド、低から中圧ボイラー、一般的な圧力保持機器
より高い最小降伏強度と指定された低温靭性を必要とする圧力容器（コードが許可する場合）	貯蔵タンク、熱交換器、および標準ボイラープレート
正規化されたプレートで良好な低温靭性が必要なオフショアの二次構造物およびプラットフォーム	プロセス産業の圧力容器および配管スカートで従来の容器プレートが指定される場合

選択の理由： - 重量削減のためにより高い降伏強度が必要な場合、または保証された低温衝撃靭性とHSLA性能を持つ正規化プレートが必要な場合はQ355NHを選択してください。 - 標準コードの受け入れ、より簡単な溶接手順、やや低い降伏強度が許容される場合は、SPA-H/A516型鋼を選択してください。

9. コストと入手可能性

• Q355NH：中国および多くのアジア市場で広く製造され、入手可能；他の地域での入手可能性は輸入供給チェーンに依存します。価格は大口購入に対して競争力があり、厚さとプレートサイズに依存します。
• SPA-H / A516 Gr70：北米、ヨーロッパ、アジアの多くのミルから世界的に入手可能；圧力容器プレートのサイズと厚さに対する確立された供給チェーン。
• 相対コスト：類似の市場条件下では、微合金化されたQ355NHは高性能ロットや厳しい衝撃要件に対して控えめなプレミアムを持つ可能性があります；逆に、地域の供給ダイナミクスが価格差を支配することがよくあります。

製品形態：両方のグレードは熱間圧延プレートとして入手可能；追加の加工（正規化、フライス加工、切断）はリードタイムに影響します。

10. まとめと推奨

基準	Q355NH	SPA-H（例：A516 Gr70）
溶接性	良好ですが、微合金化により厳しい予熱/制御が必要な場合があります	標準手順で非常に良好
強度-靭性バランス	高い降伏強度、細化された微細構造、良好な低温靭性	良好な引張強度と延性；降伏強度は低いが、容器サービスに対して優れた延性
コストと入手可能性	アジアで競争力がある；ミルと加工に依存	世界的に広く入手可能；圧力容器の標準

推奨： - より高い最小降伏強度と低温靭性を改善するために処理された鋼（正規化/TMCP）が必要な場合はQ355NHを選択してください。Q355NHは、構造用途およびコードの受け入れと溶接手順の資格が許可される一部の圧力容器に適した選択です。 - 確立された圧力容器の実践、標準WPSの下での最大の溶接および製造の容易さ、従来のボイラーおよび圧力容器アプリケーションに対する広範なグローバルな入手可能性を優先する場合は、SPA-H（一般的にA516 Gr70型圧力容器プレート）を選択してください。

最終的な注意：特定の熱およびプレート厚さに対するミル試験証明書から正確な規格、組成、および保証された機械的特性を常に確認してください。測定された炭素当量指標および完成した設備を支配するコードまたは顧客要件に基づいて、溶接手順、予熱、および溶接後熱処理を選択してください。