Q235対Q345 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

Q235およびQ345は、中国で最も広く使用されている構造用鋼の一つであり、中国製鋼材が指定される国際的なサプライチェーンでも多用されています。エンジニア、調達担当者、製造計画者は、コスト、溶接性、成形性、使用時の強度要件をバランスさせる際に、これらの鋼種のいずれかを選択する機会が頻繁にあります。典型的な選択場面には、建築用柱・梁、圧力枠、荷役装置、溶接構造物の材料選定があり、降伏強さ、低温時の靭性、加工のしやすさを比較検討する必要があります。

技術的な本質的違いは、Q345が合金元素の添加および微合金化によりQ235よりも高強度の構造用鋼であることにあります。これにより、多くの製品形態において設計上の降伏レベルが高い一方で、許容範囲の靭性と溶接性を維持します。両鋼種は類似した構造用途で使用されるため、成分、処理反応、機械的性質、加工挙動の直接比較が、用途に最適な鋼種を決定します。

1. 規格および呼称

• GB/T（中国）：Q235およびQ345は、GB/T 700（一般構造用鋼）、およびQ345系の低合金高強度構造用鋼を定義するGB/T 1591に規定されています。
• ASTM/ASME：直接の同等鋼種はありませんが、ASTM A36（多くの特性でQ235に類似）や各種ASTMの低合金鋼（Q345相当の強度レベル）があります。
• EN（欧州）：構造用鋼のS235JR（概ねQ235相当）やS355（概ねQ345相当）が同様の強度区分に該当します。
• JIS（日本）：JISの構造用鋼種は1対1での対応はなく、機械的・化学的要件による比較が必要です。

区分： - Q235：炭素構造用鋼（低炭素普通鋼）。 - Q345：低合金構造用鋼／HSLA（高強度低合金鋼）で、制御された微合金化と不純物管理が施されています。

2. 化学成分および合金化戦略

下表は典型的な成分範囲と特徴的な合金元素を示しています。厳密な上限・下限はサブグレード（Q235A/B/C/D/E、Q345A/B/C/D/Eなど）や製品厚みにより異なります。

元素	Q235（典型的質量％）	Q345（典型的質量％）	備考
C	0.14–0.22	0.10–0.20	Q345は溶接性向上のため炭素量を若干低めに設定し、合金元素Mnや微合金元素で強度を確保。
Mn	0.30–1.40	1.00–1.60	Q345の高いMn含有が引張強さと降伏強さを向上させ、焼入性にも寄与。
Si	0.10–0.35	0.10–0.50	シリコンは脱酸剤であり、強度への影響は小さい。
P	≤0.045（典型）	≤0.035–0.045	Q345系では低リンにより靭性が向上。
S	≤0.045（典型）	≤0.045	両鋼種とも脆化防止のため低レベルに管理。
Cr	痕跡量	痕跡量～小量（≤0.30）	Q345の一部ロットに痕跡的に含有する場合あり。
Ni	痕跡量	痕跡量	標準のQ235/Q345では意図的な合金元素ではない。
Mo	痕跡量	痕跡量	微合金化や特殊ロットに含むことがある。
V, Nb, Ti	痕跡量／Q235では微合金化は通常なし	≤0.05（微合金化）	Q345の一部サブグレードは、粒径細化と析出硬化による降伏強さ向上のため微合金化元素を使用。
B	痕跡量	痕跡量	非常に微量で、ppmレベルで焼入性に影響。
N	痕跡量	痕跡量	微合金鋼の溶接性および強度制御のため管理。

合金元素の効果： - Q345はMn増量とNb、V、Tiなどの制御された微合金化により炭素量を大きく増やさずに降伏強さを向上、粒径細化と靭性改善を実現。 - いずれも低炭素で溶接性を確保しつつ、Q345は微合金化と高めのMnで焼入性と降伏強さを高めている。 - 硫黄とリンは脆性抑制および靭性向上のため両鋼種で低減管理。

3. 微細組織および熱処理反応

典型的な圧延直後の微細組織： - Q235：主にフェライト・パーライト組織で、炭素含有量が低いため比較的軟らかく延性の高い母相形成。パーライトによる強化は限定的。 - Q345：フェライト・パーライト組織で粒径が細かく、NbC、V(C,N)、TiNなどの微合金化由来の析出物を分散し、析出硬化と粒径細化による強度向上。

熱処理への反応： - 焼なまし／正火：両鋼種とも正火処理で粒径細化と強度調整が可能。Q345は微合金化析出物による粒成長抑制効果が大きい。 - 焼入れ・焼戻し：両者とも対応可能だが、Q345は低炭素かつ微合金により高い強度レベルが得られ、焼き入れ性が高い。焼戻しにより靭性と強度のバランスを調整可能。 - 熱間加工制御処理（TMCP）：Q345で広く採用され、微細組織化と靭性向上を低合金化で実現。Q235は通常の熱間圧延で、TMCPによる強度向上効果は限定的。

まとめ：Q345は合金化と現代的な熱間加工により、Q235に対して厚み方向を含めて性質のばらつきを抑えつつ、比較的均衡の取れた靭性を維持しながら高い降伏強さを実現している。

4. 機械的性質

下表に典型的な最小値または範囲を示します。正確な値はサブグレード、板厚、および熱処理条件により異なります。

特性	Q235（典型値）	Q345（典型値）
降伏強さ（MPa）	約235（最低保証値）	約345（最低保証値）
引張強さ（MPa）	約375–500	約470–630
伸び（50 mmゲージ長、％）	≥20–26	≥18–22
衝撃靭性（シャルピーVノッチ）	変動あり；常温で十分、低温靭性は仕様による	TMCP加工Q345系は低温靭性が一般的に良好；−20℃での指定あり
硬さ（HB）	製品により低めの範囲	高めだが中程度（溶接可能に設計）

解釈： - Q345は微合金化と合金元素の追加により最低限の降伏強さおよび引張強さが高い。 - Q235は圧延直後で一般的に延性に優れるが、Q345は適切な熱処理により競合性のある延性と改善された靭性を持ちながら強度重量比が高い。 - 衝撃靭性は低温使用時に指定が必要。TMCP処理されたQ345系は低温下で優れた靭性を示す。

5. 溶接性

溶接性は炭素含有量、炭素当量、微合金元素の有無に依存します。代表的指標は以下の通りです。

• 国際溶接学会（IIW）炭素当量式： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• 国際予測指標： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的な解釈： - Q235は炭素とMn含有量が控えめなため、一般的に低い$CE_{IIW}$となり、薄板では予熱がほとんど不要で良好な溶接性を示す。 - Q345は高めのMnと微合金元素の存在により$CE_{IIW}$や$P_{cm}$が若干上昇し、厚板などでは予熱や間隔温度管理が重要となり、冷割れや水素脆化の防止に留意が必要。 - Q345の微合金元素は局所的な焼入性を高めるため、溶接手順書（WPS）で板厚、熱入力、及び水素管理の考慮が必須。 - 低水素電極の使用、熱入力制御、必要に応じた予熱および後熱処理（PWHT）を実施することで、両鋼種の溶接継手の健全性を確保可能。

6. 防錆および表面保護

• Q235およびQ345はともにステンレス鋼ではなく、耐食性は低合金普通炭素鋼のレベルです。
• 一般的な保護方法としては、溶融亜鉛メッキ、亜鉛電気めっき、有機塗装（塗料や粉体塗装）、および設計段階での腐食被膜余裕を設けることが挙げられます。
• 大気環境や軽度の化学雰囲気下では、亜鉛メッキに加え塗装を施すことが通常の対策です。

PREN（ステンレス合金用）はこれらの非ステンレス構造用鋼には適用されませんが、参考までに記載します： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指標はQ235/Q345には意味がありません。なぜなら、Cr、Mo、Nの含有量が低く、受動腐食抵抗を付与するには不十分だからです。

7. 加工性、切削性、成形性

• 成形性：Q235は降伏点が低く延性が高いため、冷間曲げ、ロール成形、深絞りに適しています。小半径曲げや大きな成形が必要な場合、Q235はより少ない力で加工でき、ばね戻りも少ないです。
• 切削性：両者とも加工性は良好ですが、より高強度のQ345は工具寿命を短くし、切削力がやや高くなることがあります。切削性は硫黄含有量（自由切削鋼の違い）にも依存します。
• 切断およびパンチング：Q235は切断やパンチングが比較的容易です。Q345はより堅牢な工具と高い力を要する場合がありますが、一般的な加工設備で問題なく処理可能です。
• 表面仕上げ：両材とも従来の仕上げ加工に対応し、亜鉛めっきや塗装の前処理は同様です。

8. 典型的な用途

Q235の用途	Q345の用途
建築用途における角鋼、チャンネル、Iビームなどの一般構造用断面。延性が重要でコスト重視のケース	より高い降伏強さが求められる構造部材、同負荷で断面が薄くできる部材（橋梁、クレーン、重機）
軽量なフレーム、ブラケット、一般鋼板加工	圧力フレーム、重量級溶接構造物、海上プラットフォーム（高強度・高靭性が必要な場合）
低圧力水系の配管、ガードレール、フェンス	高静的または動的荷重にさらされる溶接構造物、機械のベース部や重量物吊り上げ部品
大きな成形や加工を要する部品でコスト重視のもの	軽量化と強度の最適化を図りたい用途や、厚板でも靭性を維持する必要がある場合

選定のポイント： - コストと成形性が最優先の単純構造部材や加工部品にはQ235を選択。 - 高い許容応力や断面の薄肉化、靭性向上が求められる場合はコスト増を考慮しつつQ345を選択。

9. コストと入手性

• Q235は化学成分が単純で加工管理の要求が低いため、一般的に1トンあたりのコストはQ345より低いです。
• Q345は化学成分の厳密管理、微合金元素の添加、高度な加工（TMCP）により一定の機械的特性を保証するため、コストは高めです。
• 入手性：どちらも鋼板、コイル、棒材、形鋼の形状で広く流通しています。Q235は汎用品として一般的ですが、市場によっては特定のサブグレードや厚みでQ345の指定が必要になる場合があります。
• 調達のポイント：混乱を避け、価格や納期を安定させるため、具体的なサブグレード、厚み範囲、要求される機械的・衝撃特性を明記してください。

10. まとめと推奨

まとめ表（定性的）：

属性	Q235	Q345
溶接性	優秀で一般的に許容範囲が広い	非常に良好だが厚板は予熱管理が必要な場合もある
強度–靭性	中程度の強度、高い延性	高い降伏・引張強さと良好な靭性（特にTMCP品）
コスト	低い	高い
成形性	厳しい成形に適している	十分だがより大きな力や工具が必要

結論と推奨： - Q235を選ぶ場合：設計でコスト効率と広範な冷間成形、もしくは単純な溶接加工を重視し、標準的な降伏強さ（約235 MPa）で十分な構造用途向け。 - Q345を選ぶ場合：より高い設計降伏強さと引張強さで断面を薄くしたい場合や重量削減を図る場合、靭性向上が必要（特に低温部品）、HSLA微合金元素とTMCP加工板の効果を活かした溶接構造物の指定がある場合。

最終的な注意点：調達仕様書を作成する際には、必ず特定の標準サブグレード（例：Q235B、Q345C）および要求機械的・試験証明書の記載を行ってください。溶接・厚板・低温用途の場合は、Charpy衝撃試験値、熱処理条件、溶接施工資格要件を明示して、使用条件に合ったグレードであることを確実にしてください。