Q235対Q255 – 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、溶接フレーム、プレート、セクションのために構造用炭素鋼を指定する際に、Q235とQ255の間で頻繁に選択を行います。この決定は、コストと加工の容易さと、より高い降伏強度と使用中の性能（例えば：より高い荷重容量またはセクションサイズの削減）の必要性とのバランスを取ることが一般的です。典型的な決定の文脈には、溶接構造部材、一般的な製造、強度と溶接性が重要な中程度の圧力または貯蔵容器が含まれます。

Q235とQ255の主な技術的な違いは、設計降伏強度です：Q255はQ235よりも高い最小降伏強度が指定されています。その降伏目標は、化学成分の管理、加工、および選択のトレードオフに微妙な違いをもたらし、設計と製造において一般的に比較される2つのグレードを形成します。

1. 規格と指定

• GB（中華人民共和国）：Q235、Q255（国家構造用炭素鋼グレード）。これらは炭素構造鋼として指定されています。
• 他のシステムの同等物（機能的であり、同一ではない）：Q235は構造用途においてASTM A36 / EN S235JRと比較されることが多いですが、直接的な同等性は化学成分と機械試験のレビューを必要とします。
• 分類：Q235とQ255の両方は、プレーンカーボン（低合金フリー）構造鋼であり、現代の意味でのステンレス鋼、工具鋼、または高強度低合金（HSLA）鋼ではありません—ただし、製鋼所の実践には、機械的特性を満たすために微合金化や制御圧延が含まれる場合があります。

注意：規格と製品形状は異なります（プレート、ストリップ、バー、セクション）；常に購入注文で必要な正確な規格と製品形状を指定してください。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、主要な元素の相対的な存在とその役割を要約しています。これらのエントリは、規定された標準限界ではなく、典型的な製鋼所の実践と相対的なレベルを説明しています—契約値については製鋼所の証明書と適用される標準を参照する必要があります。

元素	Q235（典型的な相対レベル）	Q255（典型的な相対レベル）	目的 / 効果
C（炭素）	低から中程度（強度を制御）	低から中程度（過度の硬度なしに高い降伏を満たすために制御されることが多い）	主な強度制御；Cが高いと強度と硬化性が増加しますが、溶接性と延性が低下します。
Mn（マンガン）	中程度（脱酸、強度）	中程度（降伏のためにやや高いか厳密に制御される場合があります）	硬化性と強度を増加させます；強度のために低Cを補うのに役立ちます。
Si（シリコン）	低（脱酸剤）	低（脱酸剤）	脱酸剤；強度への影響は小さい。
P（リン）	微量（低く保たれる）	微量（低く保たれる）	不純物—過剰は特に低温で靭性を低下させます。
S（硫黄）	微量（低く保たれる）	微量（低く保たれる）	不純物—延性と加工性を低下させます；Mn-Sの組み合わせは硫化物の形態に影響を与えます。
Cr、Ni、Mo、V、Nb、Ti、B	通常は微量 / 意図的に添加されない	通常は微量 / 一部の製鋼所で微合金化が含まれる場合があります	意図的に添加されると、これらは硬化性、粒子の細かさ、強度を制御します（微合金化）。基本的なQ235/Q255では通常は見られません。
N（窒素）	微量	微量	Al、Ti、Nbと結合して窒化物を形成することができます；靭性と老化に影響を与えます。

合金化が挙動に与える影響： - Cを上げたり合金化（Cr、Mo、V）を増やすと、強度と硬化性が増加しますが、加工によって補償されない場合は溶接性と靭性が低下します。 - Mnはこれらのグレードでの主な意図的合金元素です；強度と成形性のバランスを取ります。 - 微合金化（V、Nb、Ti）は、低炭素でより高い降伏を許可し、強度を改善しながらも溶接性の損失を最小限に抑えることができます—存在する場合は、製鋼所の文書に明記されるべきです。

3. 微細構造と熱処理応答

両グレードの典型的な圧延後の微細構造： - フェライト–パーライトの微細構造は、炭素構造鋼の圧延および正規化された製品形状で支配的です。 - Q255は、より高い降伏目標のため、制御圧延や微合金化により、わずかに大きなパーライトの割合や細かいフェライト粒子サイズを示す場合がありますが、基本的な微細構造は通常の商業プロセスではフェライト + パーライトのままです。

一般的な加工ルートの影響： - 正規化：粒子を細かくし、より均一な機械的特性を生み出すことができます；より良い靭性が必要な場合に使用されます。 - 急冷および焼戻し：Q235/Q255の一般的な用途ではありません；はるかに高い強度を持つマルテンサイトまたはベイナイトの微細構造を生成しますが、通常の指定範囲外です。 - 熱機械制御加工（TMCP）：適用されると、粒子サイズが細かくなり、強度–靭性の組み合わせが改善され、炭素を低く保つことができます—これは過度のCなしで降伏を上げる一般的なルートです。

含意： - 日常的な加工のために、両グレードは予測可能な延性フェライト–パーライトの挙動を提供するように加工されます。溶接性を維持しながらより高い強度が必要な場合は、単に炭素を増やすのではなく、TMCPまたは微合金化されたバージョンを探してください。

4. 機械的特性

保証された機械的な違いは降伏強度です。

特性	Q235（典型的）	Q255（典型的）	備考
名目降伏強度（最小）	235 MPa	255 MPa	これらの名目値は、グレード名によって示される設計降伏点です。
引張強度	中程度；製品形状による	やや高いか同等；製品形状による	最終的な引張強度は、厚さ、圧延、熱処理によります。
伸び（延性）	成形および溶接に対して良好な延性	比較可能ですが、より高強度の加工が使用される場合はやや低くなる可能性があります	延性は化学成分と加工に依存します；低炭素は延性を改善します。
衝撃靭性	適切な加工で良好	靭性のために加工されていれば比較可能；低温ではより保守的かもしれません	シャルピー試験は製品および熱処理に依存します。
硬度	典型的な構造鋼の硬度	高い降伏製品でやや高い	硬度は引張特性と相関します。

説明： - Q255は設計降伏基準によって強度が高い；鋼の生産方法によっては、Q255は炭素を大幅に上げることなく微合金化と圧延制御によってより高い降伏を達成できます。炭素が低く保たれ、微合金化/TMCPが使用される場合、靭性と溶接性は許容範囲内に保たれます。 - 実際の靭性と延性は、グレード単独よりも加工履歴と不純物によって決まります。

5. 溶接性

炭素鋼の溶接性は、炭素等価と局所的な硬化性によって強く制御されます。

一般的な炭素等価式（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

ヨーロッパで使用される別の指標： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - より低い炭素等価（CE）は、冷間割れのリスクが低く、予熱/後熱の要件が減少することを示します。 - Q235は通常、低炭素で生産され、日常的な溶接プロセス（SMAW、GMAW、FCAW）に対して優れた溶接性を示します。 - Q255は、より高い降伏目標を持ち、炭素をわずかに増やすか、他の戦略（Mn制御、微合金化、TMCP）によって生産されることがあります。サプライヤーが微合金化/TMCPでより高い降伏を達成し、炭素を低く保つ場合、溶接性は良好です。降伏を達成するためにより高い炭素が使用されると、CEが増加し、予熱/後熱および資格のある溶接手順がより重要になります。 - 常に製鋼所の証明書でCEまたはPcmの値を要求し、適用される溶接手順仕様（WPS）に従ってください。重要な溶接構造の場合は、必要に応じてPWHTの推奨事項と水素制御を実施してください。

6. 腐食と表面保護

• これらのグレードはプレーンカーボン鋼（非ステンレス鋼）であり、腐食抵抗は合金化されていない炭素鋼のそれに制限されます。
• 典型的な保護戦略：
• 大気腐食抵抗のための熱浸漬亜鉛メッキ。
• エンジニアリングシステムのための有機コーティング（プライマー、塗料、粉体コーティング）。
• 露出に応じた金属的コーティング（亜鉛リッチプライマー、エポキシオーバーレイ）。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）はステンレス鋼の指標です： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Q235/Q255には適用されません。なぜなら、十分なCr、Mo、またはNを含まないため、ステンレス鋼ではないからです。
• コーティングされた炭素鋼を超える腐食抵抗が必要な場合は、Q235/Q255に依存するのではなく、ステンレス鋼または腐食抵抗合金を指定してください。

7. 加工、加工性、成形性

• 成形/曲げ：Q235は降伏が低いため非常に良好な成形性を持ちます；Q255は成形可能ですが、製品やテンパリングに応じてより大きな曲げ半径やより多くの力が必要になる場合があります。
• 切断：同じ手法が適用されます；酸素切断、レーザー、プラズマ切断は日常的です。より硬いまたは高強度のバージョンは、より多くの工具摩耗を引き起こす可能性があります。
• 加工性：低炭素鋼は中程度の加工性を持ちます；硫化物の含有物や自由加工バリアント（Q235/Q255の標準ではない）は加工性を改善しますが、衝撃特性を低下させる可能性があります。
• 表面仕上げと後処理：両方とも溶接、ドリル、ねじ切り、標準的な表面処理を良好に受け入れます；典型的な構造用途では、特に指定されない限り、後溶接熱処理はほとんど必要ありません。

8. 典型的な用途

Q235 — 典型的な用途	Q255 — 典型的な用途
一般的な構造部品（ビーム、チャンネル、柱）	より高い降伏が重量またはセクションの削減を可能にする構造部材
溶接製品（フレーム、ラック、エンクロージャ）	より高い設計応力を持つ重いフレーム、クレーン、吊り上げ部品
一般製造用のプレートおよびシート、低荷重タンク	降伏のわずかな増加がマージンを改善し、材料クラスを変更せずに済む用途
非重要サービス用のパイプおよびプロファイル	わずかに高い降伏が寿命または剛性を改善する機械部品

選択の理由： - Q235は広範な入手可能性、優れた溶接性、従来の構造部品に対する最低の材料コストを優先する場合に選択してください。 - Q255は、プロジェクトの要件がより高い最小降伏を指定している場合に選択し、セクションサイズ、重量、またはたわみを削減しながら、類似の製造プロセスを維持できるようにします。サプライヤーが微合金化/TMCPによってより高い降伏を達成しているか、単に高炭素によっているかを確認してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：Q255は通常、より高い特性要件または追加の加工（TMCP、微合金化）により、Q235に対して適度なプレミアムを要求します。このプレミアムは地域、製鋼所、市場条件によって異なります。
• 入手可能性：Q235は非常に一般的で、多くの製品形状で広く在庫されています。Q255はそれほど普及していませんが、主要な製鋼所から一般的に入手可能です；入手可能性は製品形状（プレート、コイル、バー）および地域の生産に依存します。
• 調達のヒント：機械的特性証明書と化学成分の限界を指定してください；供給が厳しい場合は、代替サプライヤーの資格を確認するか、同様の保証特性を持つHSLAグレードを受け入れることを検討してください。

10. まとめと推奨

属性	Q235	Q255
溶接性	優れた（低C、低CEが典型）	良好から普通（より高い降伏へのルートに依存；微合金化/TMCP = 良好）
強度–靭性のバランス	標準的な構造バランス	より高い降伏；バランスは加工に依存
コスト	低い（広く生産されている）	やや高い（より高い降伏要件または加工）

推奨事項： - 最大の溶接性、加工の容易さ、最低の材料コスト、235 MPaの降伏が設計要件を満たす標準的な構造性能を優先する場合はQ235を選択してください。 - 設計がより高い最小降伏（255 MPa）を必要とし、サプライヤーの化学成分と加工が過度の炭素なしでこの降伏を達成することを確認した場合はQ255を選択してください。

最終的な調達ガイダンス： - 常に製鋼所の試験証明書（化学組成および機械試験）、炭素等価値、および微合金化またはTMCP加工に関する詳細を要求してください。 - 重要なサービスにおける溶接アセンブリの場合は、必要な予熱/後熱、水素制御を指定し、実際のプレート/セクションサプライヤー製品を使用して接合資格を実施してください。 - 腐食抵抗、高温サービス、または非常に高い靭性が必要な場合は、Q235/Q255の代替品に依存するのではなく、代替の鋼グレードや合金の選択を検討してください。