SPHC 対 SPHD – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
SPHCとSPHDは、製造、 automotive コンポーネント、一般構造、軽製造に広く使用される一般的に指定されたJIS（日本工業規格）熱間圧延鋼グレードです。エンジニアや調達チームは、コスト、成形性、溶接性、およびスタンプ、曲げ、または溶接部品に必要な機械的性能のバランスを取る際に、しばしばそれらの間で選択します。
部品選択に関連する主な技術的な違いは、SPHDがSPHCに対してより高い塑性（延性と成形性）を提供するように製造され、指定されていることです。SPHCは一般目的の熱間圧延商業品質グレードです。両者は低炭素、低合金鋼であるため、選択のジレンマは通常、成形性能（深絞り、広範な曲げ）と商業品質製品の広範な入手可能性および低コストの間で中心となります。
1. 規格と指定
- JIS: SPHCとSPHDは、熱間圧延軟鋼のファミリーに属するJIS指定グレードです。
- その他の規格:
- ASTM/ASME: 大まかな同等物は一般目的の熱間圧延低炭素鋼（例：ASTM A1011商業グレード）ですが、特定の特性要件と認証を参照せずに直接の1対1の同等性を仮定すべきではありません。
- EN: 構造用または一般品質の熱間圧延製品に対して、S235JR/S235J0などのEN鋼が同様の役割を果たします。再度、クロスウォークは化学的および機械的要件によって検証される必要があります。
- GB（中国）: 様々なQ235ファミリー鋼が同様の市場に対応しています。
- 分類: SPHCとSPHDはどちらも低炭素、非ステンレスの炭素鋼です（HSLAではなく、工具鋼でもなく、ステンレスでもありません）。それらは高強度または耐腐食用途ではなく、成形および一般構造用途を目的としています。
2. 化学組成と合金戦略
SPHCとSPHDはどちらも低炭素、低合金鋼として設計されています。彼らは最小限の意図的な合金化に依存しています。合金戦略は、良好な冷間成形性、溶接性、および低コストを確保するために、炭素と残留元素を低く保つことです。
| 元素 | SPHC（典型的） | SPHD（典型的） | 備考 |
|---|---|---|---|
| C（炭素） | 低（低炭素グレード） | 低（しばしば同等またはやや低い） | 低いCは成形性と溶接性を好みます。SPHDはより高い延性のために調整されています。 |
| Mn（マンガン） | 小から中程度のレベルで存在 | 小から中程度のレベルで存在 | Mnは強度と硬化性を制御します。強度と成形性のバランスを取るために中程度に保たれています。 |
| Si（シリコン） | 微量から低 | 微量から低 | 主に脱酸化のため; 成形性を損なわないように制御されています。 |
| P（リン） | 制御された低 | 制御された低 | 脆化を避けるために低く保たれています。 |
| S（硫黄） | 制御された低 | 制御された低 | 低く保たれています; 硫黄は加工性を改善することができますが、延性を低下させる可能性があります。 |
| Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B | 通常は意図的に添加されない | 通常は意図的に添加されない | これらの微合金化/硬化元素は最小限または存在しません; グレードはHSLAではありません。 |
| N（窒素） | 微量 | 微量 | 包含物と機械的応答のために制御される場合があります。 |
説明: 両グレードの合金意図は最小限の添加物です: 脱酸化と基本的な強度のための十分なMnとSiを確保し、硬化性を高めるか延性を低下させる元素（C、Cr、Moなど）を低レベルに保ちます。SPHDの仕様と製鋼処理は、重要な化学合金化を通じてではなく、より厳しい制限とプロセス制御を通じて改善された塑性を目指しています。
3. 微細構造と熱処理応答
微細構造: - 両グレードの圧延後の微細構造は通常、低炭素熱間圧延鋼に典型的なパーライトポケットを持つフェライトです。パーライトの体積分率は炭素が低いため小さいです。 - 包含物の形態と粒径は製鋼実践と圧延/焼鈍スケジュールに依存します。
加工応答: - SPHC: 標準的な制御冷却で一般的な熱間圧延製品として製造されます。微細構造は一般的に粗いフェライト/パーライトです。これらの商業グレードには正規化はほとんど適用されず、熱処理による機械的特性の向上は限られています。なぜなら、これらは焼入れ/焼戻し用途を意図していないからです。 - SPHD: 化学的には類似していますが、SPHDは成形性を改善するために加工され、指定されています。これには、熱間圧延の仕上げ温度の厳密な制御、粒構造を精製するための制御冷却、延性を改善するための軽い焼鈍が含まれる可能性があります。その効果は、より細かいフェライト微細構造と、成形性を向上させるクリーンな包含物集団です。
一般的な熱処理と熱機械的ルートの影響: - 焼鈍（中間または完全）は、両グレードの延性を増加させますが、SPHDは延性を保持することを目的とした加工履歴で供給される可能性が高いです。 - 焼入れと焼戻しまたは重い熱処理は、これらのグレードには一般的ではありません; 低炭素と硬化性元素の欠如のため、マルテンサイト硬化応答のために配合されていません。 - 熱機械的制御（制御圧延と加速冷却）は、延性を犠牲にすることなく強度を適度に増加させることができます — 通常はHSLA鋼のルートであり、SPHC/SPHDではありません。
4. 機械的特性
以下は、これらのJIS熱間圧延商業グレードの典型的な挙動を反映した定性的な比較です。特定の製鋼証明書と購入仕様は、設計計算に使用する必要があります。
| 特性 | SPHC | SPHD | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強度 | 低炭素熱間圧延鋼の典型的 | SPHCに類似 | 両者は低強度の炭素鋼であり; 引張範囲は重なります。 |
| 降伏強度 | 中程度 | 同等またはやや低い | SPHDは、成形性を改善し、絞り中の早期ネッキングを避けるために、やや低い降伏を確保するために指定される場合があります。 |
| 伸び（延性） | 良好 | SPHCより高い | SPHDは成形操作のためにより高い伸びと優れた塑性のために指定されています。 |
| 衝撃靭性 | 変動、常温で中程度 | 変動、中程度から良好 | 衝撃は厚さ、加工に依存します; SPHDの優れた延性は、成形に重要なアプリケーションでの靭性の向上にしばしばつながります。 |
| 硬度 | 低から中程度 | 低から中程度 | どちらのグレードも硬くはなく; 硬度は類似し、主に加工と最終厚さの機能です。 |
説明: 重要な選択要因は成形性です: SPHDは、一般目的のSPHCと比較して、より高い伸びと優れた塑性変形挙動（深絞り、厳しい曲げ）を提供することを目指しています。強度の違いは通常小さく重なります; SPHDを選択することは、強度の増加ではなく、成形中の予測可能で改善された塑性挙動に関することがほとんどです。
5. 溶接性
SPHCとSPHDの両方の溶接性は、低炭素および低合金含有量のために一般的に良好ですが、微合金化と加工が冷間割れや熱影響部（HAZ）硬化に対する感受性に影響を与える可能性があります。
一般的な溶接性評価式: - 炭素当量（IIW）: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（溶接性パラメータ）: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈（定性的）: - これらの低炭素グレードに対して、$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の値は通常低く、標準的な炭素鋼溶接消耗品および予熱手順で良好な一般的溶接性を示します。 - SPHDの改善された延性は、成形操作中の溶接による歪みや割れのリスクを低下させますが、SPHDはやや低い降伏と高い延性で供給される可能性があるため、薄いゲージでの残留歪みの可能性を考慮する必要があります。 - 中程度の厚さの場合、予熱および溶接後の熱処理は一般的に必要ありませんが、常に厚さ、拘束、およびサービス環境に基づいた溶接手順仕様（WPS）に従ってください。
6. 腐食と表面保護
- SPHCもSPHDもステンレス鋼ではなく、大気および工業環境で腐食の影響を受けます。
- 標準的な保護:
- 熱浸漬亜鉛メッキ、電気亜鉛メッキ、または前塗装/コーティングシステムは、犠牲的またはバリア保護を提供します。
- 有機コーティング（塗料、粉体コート）は、仕上げ部品に一般的です。
- 保管および出荷中に油または一時的な錆防止剤が使用される場合があります。
- PRENはこれらの非ステンレス鋼には適用されません。ステンレスの代替品を評価する場合、PRENインデックスを使用できます: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 腐食許容（材料厚さ、コーティング選択）は環境と予想される寿命に基づいています; 亜鉛メッキは構造的露出に対する一般的な経済的選択です。
7. 製造、加工性、成形性
- 成形性: SPHDは成形（絞り、深絞り、複数の曲げ）に最適化されており、同等の加工履歴でSPHCよりも少ない割れ、より良いしわ抵抗、および高い均一な伸びを示します。
- 曲げ: SPHDは、エッジ割れのリスクを低下させながら、よりタイトな曲げ半径と深い絞りを許容します。
- 加工性: 両グレードは中程度の加工性を持っています; SPHCはやや高い硫黄含有量（加工性を向上させるために指定された場合）で、加工が容易になる可能性がありますが、標準的な実践は必要に応じて加工性を向上させたサブグレードを選択することです。
- 切断およびスタンピング: 両者は容易にスタンプされます; SPHDは複雑な絞りが必要な場合、高速プレスでより良く動作する可能性があります。
- 二次操作（溶接後の成形、熱直し）は残留応力を考慮する必要があります; SPHDの高い延性は、成形中のスプリングバックの変動を低下させることがよくあります。
8. 典型的な用途
| SPHC（典型的な用途） | SPHD（典型的な用途） |
|---|---|
| 重い成形が重要でない一般構造部品: チャンネルセクション、一般的な製造、重要でないパネル | 深絞りされた自動車パネル、キッチンウェアコンポーネント、重要な塑性変形を必要とする治具 |
| 軽フレーム、単純なスタンプ部品、溶接構造コンポーネント | 複雑なスタンプおよび絞り部品、精密成形部品、成形後に厳密な寸法制御を必要とする部品 |
| ボックスセクション、ブラケット、一般的な商業シート用途 | 高成形性パネル、複数の操作成形シーケンスで処理された部品 |
選択の理由: - SPHCは広範な入手可能性、低コストを優先し、成形操作が単純であるか、より高い降伏が許容される場合に選択してください。 - SPHDは、プロセスが深絞り、厳しい曲げ、または予測可能な塑性挙動とより高い伸びが必要な他の高ストレイン成形操作を含む場合に選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト: SPHCは通常、より広い生産量と厳格でないプロセス制御のため、低コストの一般目的製品です。SPHDは、化学、加工、および保証された成形性メトリックの厳密な制御のために、わずかなプレミアムがかかる場合があります。
- 入手可能性: SPHCは多くの厚さとコイルで複数の製鋼所から広く入手可能です。SPHDの入手可能性は製鋼所と地域によってやや制限される場合がありますが、通常は自動車および家電供給チェーンのために在庫されています。製品形態（コイル、シート、プレート）の入手可能性は製鋼所と市場によって異なります; 常に供給者とリードタイムを確認してください。
10. まとめと推奨
まとめ表
| 特性 | SPHC | SPHD |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（一般） | 良好（一般）；成形アセンブリに対してやや良好 |
| 強度–靭性バランス | 標準的な低炭素バランス | 同等の強度、成形のための改善された延性/靭性 |
| コスト | 一般的に低い | 成形性のための加工により通常やや高い |
推奨: - 深い成形や最大の延性が重要でない一般構造およびスタンプ部品のために、入手可能性とコストを優先する要件がある場合はSPHCを選択してください。 - 部品が重要な塑性変形（深絞り、厳しい曲げ、複数段階の成形）を受け、予測可能でより高い伸びと改善された成形性が必要な場合はSPHDを選択してください。
結論: SPHCとSPHDは、重なり合う強度を持つ兄弟の低炭素熱間圧延グレードです。主要なエンジニアリングの決定は成形性に依存します—成形の厳しさに合ったグレードを選択し、化学的および機械的限界のために製鋼証明書を確認し、完全な生産の前に代表的な材料バッチで成形および溶接手順を検証してください。