SUP7対SUP9 – 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、構造部品、圧力を保持する部品、または摩耗にさらされる部品のための密接に関連した鋼材グレードの選択にしばしば直面します。典型的な意思決定の文脈には、強度と延性のバランス、溶接性と硬化性のバランス、ライフサイクルコスト（材料と製造および保護）と使用中の性能のバランスが含まれます。

SUP7とSUP9は同じファミリーの隣接するグレードであり、異なる合金化および加工の重点を持ちながら、類似の用途空間をターゲットにしているため、一般的に比較されます。主な実用的な違いは、SUP9がペアの中でより高性能（アップグレードされた）メンバーとして位置付けられていることです。これは、追加の合金化または加工オプションを通じて強度と硬化性を向上させるように設計されています。一方、SUP7は、より良い固有の加工性と低コストを持つベースライン性能を強調しています。この方向性の関係は、設計者が機械的性能と製造性の最適化されたトレードオフを必要とする部品の材料を選択する際に、両方のグレードを評価する理由を説明しています。

1. 規格と指定

• 一般的に参照されるシステム：JIS（日本工業規格）、GB（中国国家規格）、EN（欧州）、およびASTM/ASME（アメリカ）。SUPシリーズの命名規則は、東アジアの規格やサプライヤーカタログで頻繁に見られます。
• 材料カテゴリ：SUP7とSUP9は、非ステンレスの低合金/マイクロ合金炭素鋼です（工具鋼やステンレス鋼ではありません）。通常、構造および圧力用途向けに設計されており、サプライヤーや最終用途に応じて、正規化、焼入れおよび焼戻し、または熱機械的に圧延された状態で供給されることがあります。

2. 化学組成と合金化戦略

SUP7–SUP9ペアは、主に強度、硬化性、および靭性を変更することを目的とした段階的な合金化およびマイクロ合金添加によって区別されます。以下の表は、特定の質量分率を誤って表現しないように、定性的な記述子（存在/微量/典型的でない）を使用しています。実際の組成は、設計または調達のために適用される規格またはサプライヤーデータシートから取得する必要があります。

元素	SUP7（典型的な役割）	SUP9（典型的な役割）
C（炭素）	低から中程度；ベースラインの強化と硬化性	中程度；より高い強度/硬化性をサポートするためにわずかに高い
Mn（マンガン）	存在；脱酸、強度、靭性	存在；硬化性を助けるためにしばしば同様またはわずかに高い
Si（シリコン）	脱酸のために少量存在	少量存在
P（リン）	制御された不純物（低く保たれる）	制御された不純物（低く保たれる）
S（硫黄）	制御された；低ppmで存在する可能性がある	制御された；機械的特性のために低く保たれる
Cr（クロム）	強度/硬化のために微量/低量で存在する可能性がある	SUP7よりも高いレベルで存在することが多く、硬化性と焼戻し抵抗を増加させる
Ni（ニッケル）	支配的ではない；多くのバリアントで微量または不在	靭性向上のために一部のSUP9バリアントに存在する可能性がある
Mo（モリブデン）	通常は主要な添加物ではない；一部のバリアントで微量	SUP9で硬化性と高温強度を改善するために頻繁に使用される
V（バナジウム）	粒子細化のためのマイクロ合金化（微量）が可能	粒子を細かくし、強度を高めるためにマイクロ合金化がより可能性が高いか、わずかに高いレベルで行われる
Nb（ニオブ）	微量のマイクロ合金化が可能	SUP9マイクロ合金バリアントに存在する可能性がある
Ti（チタン）	一部の鋼で安定剤として微量	一部のバリアントで微量
B（ホウ素）	典型的ではないが、高硬化バリアントで微量使用される可能性がある	SUP9バリアントで硬化性を高めるために微量のホウ素が可能
N（窒素）	制御された；窒化物の形成と靭性に影響を与える	制御された；靭性とマイクロ合金の析出に重要な組成制御

合金化が主要な特性に与える影響： - 強度と焼戻し抵抗：Cr、Mo、Ni、V、Nbなどの元素は、強度と高温焼戻し抵抗を増加させます。SUP9は一般的にこれらの寄与者が多いです。 - 硬化性：Cr、Mo、およびBのような少量の添加物は硬化性を高め、厚いセクションがより高い焼入れ硬度を達成できるようにします。SUP9は通常、高い硬化性を持つように設計されています。 - 靭性と粒子制御：マイクロ合金化元素（V、Nb、Ti）と厳密な組成制御により、靭性を改善するためにより細かいフェライト/パーライトまたは焼戻しマルテンサイトの微細構造が可能になります。 - 耐腐食性：どちらのグレードもステンレスではなく、腐食性能は固有の合金化ではなく、コーティングや環境に依存します（Cr/Niの添加はわずかに助けることがあります）。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な納入時の微細構造： - SUP7：通常、正規化または正規化および焼戻しされた状態で納入されます；微細構造は炭素含量と熱処理に応じてフェライト–パーライトまたは焼戻しバイナイト/マルテンサイトに傾きます。 - SUP9：焼入れおよび焼戻し後により高い割合のバイナイトまたは焼戻しマルテンサイトを達成するように設計されています；また、細粒バイナイト構造を達成するために熱機械的に制御された圧延条件でも入手可能です。

加工の影響： - 正規化：両方のグレードは粒子サイズを細かくし、構造を均一化します；正規化は靭性と均一性を改善しますが、焼入れおよび焼戻しよりも強度は低くなります。 - 焼入れおよび焼戻し：SUP9はQ&Tからより多くの利益を得ます。なぜなら、その合金化が硬化性と焼戻し抵抗を増加させ、与えられた焼入れの厳しさに対してより高い焼戻し強度を可能にするからです。SUP7はQ&Tが可能ですが、通常は靭性をバランスさせるために低い焼戻し範囲に制限されます。 - 熱機械的加工（TMCP）：適用されると、TMCPは両方のグレードで細粒の微細構造を生成できます；SUP9バリアントは、極端な熱処理を必要とせずに強く、靭性のある微細構造を生成するように最適化できます。

微細構造の結果： - SUP9の合金化とマイクロ合金添加の増加は、実用的なセクション厚さでより硬く、強い相（焼戻しマルテンサイトまたはバイナイト）を促進しますが、SUP7は重度に熱処理されない限り、より延性のあるフェライト–パーライトに傾きます。

4. 機械的特性

組成と加工が特性に強く影響するため、以下の表は絶対的な数値ではなく、定性的な比較記述子を提供します。設計のためには、サプライヤーまたは標準認証された試験データを使用してください。

特性	SUP7	SUP9
引張強度	中程度	高い（引張強度を増加させるように設計されている）
降伏強度	中程度	高い（合金化/マイクロ合金による降伏の増加）
伸び（延性）	高い（同等の条件でより延性）	同等の強度レベルに対してSUP7に対して低いが、適切に焼戻しされれば許容可能
衝撃靭性	良好、特に正規化された場合	適切に熱処理されれば同等またはそれ以上；同様の低温靭性を達成するためにTMCP/Q&Tが必要な場合がある
硬度	低から中程度	Q&T後の高い能力；より高い焼入れ硬度の可能性

解釈：SUP9はより高い強度と硬化性を提供するように設計されています。しかし、高強度を達成することは通常、延性を低下させます。制御された微細構造（TMCP、マイクロ合金化）を適用しない限り。SUP7はベースライン条件で加工性と延性を優先します。

5. 溶接性

溶接性は、炭素当量と硬化合金の存在に依存します。役立つ予測式（ここでは数値の代入はありません）には、以下が含まれます：

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

および

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

定性的な解釈： - SUP7：低炭素およびより単純な合金化は通常、低い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値をもたらし、低い予熱と低い亀裂感受性での溶接を容易にします。 - SUP9：追加のCr、Mo、およびマイクロ合金化は硬化性を高め、したがって$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を増加させる傾向があります；これにより、HAZでのマルテンサイト形成のリスクが高まり、適切な予熱/溶接後熱処理（PWHT）、制御されたインターパス温度、および消耗品のマッチングが使用されない限り、冷間亀裂に対する感受性が増加します。 - 実用的なガイダンス：SUP9の場合、厚いセクションや高制約のジョイントに対して制御された溶接手順（予熱、インターパス温度制御、場合によってはPWHT）を計画することを期待してください。SUP7の場合、標準的な溶接慣行は多くのアプリケーションに対して十分であることが多いです。

6. 腐食と表面保護

• SUP7もSUP9もステンレスではありません。大気中または水中環境での腐食抵抗は類似しており、主に表面保護と環境によって制御されます。
• 典型的な保護措置：熱浸漬亜鉛メッキ、電気メッキ、有機コーティング（塗料、エポキシ）、メタライジング、または埋設/浸漬用途のための陰極保護。
• PRENのようなステンレス型指標は、これらの低合金炭素鋼には適用されません；PRENの式はステンレス合金にのみ関連します：

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

• SUP9バリアントの少量のCr/Ni/Moは、SUP7と比較して局所腐食に対する抵抗をわずかに改善しますが、どちらのグレードもステンレス鋼が必要な場合に腐食抵抗のために選択すべきではありません。

7. 加工性、機械加工性、および成形性

• 機械加工性：SUP7の低強度、低硬度の状態は一般的に機械加工が容易で、工具の摩耗が少なくなります。SUP9は高強度または焼戻し状態では機械加工性が低下し、切削力や工具寿命の懸念が増加する可能性があります。
• 成形性と曲げ性：SUP7は同等の冶金条件でより良い成形性と曲げ性を提供します。SUP9は高強度を指定する場合、曲げ半径を大きくする必要があるか、成形中のひずみを低くするか、中間アニーリングステップを必要とする場合があります。
• 表面仕上げ：両方のグレードは一般的な仕上げ操作（ショットブラスト、研削、機械加工）に良く反応します。高強度状態のSUP9の研削/硬加工は、より高い温度と摩耗を生成します。
• 加工計画：焼戻し条件に基づいて成形および機械加工の余裕を選択してください；SUP9の場合、納入時の強度と加工の実用性のバランスを最適化するために、正規化または焼戻しされた条件を指定することを検討してください。

8. 典型的な用途

SUP7 — 典型的な用途	SUP9 — 典型的な用途
標準的な強度と良好な溶接性/成形性が要求される一般的な構造部品（ビーム、ブラケット、プレート）	より高い強度またはより良い硬化性が要求される重-duty構造部材および部品（厚いセクション、シャフト、圧力部品）
コストと加工の容易さが優先される製作アセンブリ	より高い負荷、疲労、または摩耗にさらされる部品で、強度の増加が必要なもの
中程度の強度と高い延性が要求されるラインパイプまたは圧力用途（仕様に応じて）	同じ形状でより高い強度を達成するために焼入れおよび焼戻しまたはTMCP用に設計された部品

選択の理由： - 加工効率、コストの低さ、延性が優先され、強度要件が中程度である場合はSUP7を選択してください。 - より高い強度や厚さ方向の硬化性の向上が求められ、適切な溶接および熱処理の実践が適用できる場合はSUP9を選択してください。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト：SUP7は通常、より単純な合金化と標準的な形状での広い入手可能性のため、低コストのオプションです。SUP9は追加の合金化および加工オプション（Q&T、TMCP）があるため、より高価になる傾向があります。
• 製品形状による入手可能性：SUP7は通常、プレート、シート、および標準バーサイズで広く入手可能です。SUP9の入手可能性は市場および製鉄所の能力に依存します；特殊な焼入れおよび焼戻しまたはマイクロ合金バリアントは、注文により特定の製品範囲で入手可能な場合があります。
• 調達の考慮事項：材料コストだけでなく、製造、熱処理、溶接手順の資格、および検査も考慮して、グレード間のライフサイクルコストを比較してください。

10. 概要と推奨

概要表（定性的）：

属性	SUP7	SUP9
溶接性	良好（低いCE/Pcm）	より多くの制御が必要（高いCE/Pcmの可能性）
強度–靭性のバランス	中程度の強度で良好な延性	より高い強度の可能性；靭性は加工に依存
コスト	低い（材料および典型的な加工）	高い（合金化および熱処理コスト）

推奨： - SUP7を選択する場合：コスト効果が高く、加工が容易な鋼が必要で、一般的な構造または圧力用途に対して良好な延性と許容可能な強度が必要な場合。 - SUP9を選択する場合：設計がより高い引張強度または降伏強度、厚いセクションのための改善された硬化性、または高い焼戻し抵抗を必要とし、より厳しい溶接管理、潜在的なPWHT、およびわずかに高い材料コストを受け入れることができる場合。

最終的な注意：SUP7とSUP9は製品バリアントと加工ルートのファミリーをカバーしています。最終的な材料選択または資格の前に、関連する規格、製鉄所証明書、およびサプライヤーデータシートを常に参照して、正確な化学組成、認証された機械試験結果、および推奨される溶接/熱処理の実践を確認してください。