Q345対Q390 – 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、橋、クレーン、重機、圧力を受ける製品のために構造用鋼を指定する際に、一般的にQ345とQ390の選択に直面します。この決定は、通常、溶接性、低温での靭性、製造コスト、入手可能性などの要因に対して、より高い保証引張強度と断面厚さの許容をバランスさせるものです。

高いレベルで、Q345とQ390の主な違いは保証された最小引張強度です：Q345は345 MPa、Q390は390 MPaで指定されています。この保証された強度の変化は、化学組成のわずかな調整と冶金的処理（微合金化、制御圧延、熱処理）によって達成され、これにより硬化性、靭性、製造挙動に影響を与えます。これらのグレードは、低合金/高強度構造用鋼のファミリー内で隣接する位置を占めているため、しばしば比較され、安全係数、重量、または板厚が引張強度の小さな変化を魅力的にする設計で頻繁に互換性があります。

1. 規格と指定

• これらのグレードが現れる一般的な規格と指定：
• GB/T（中国）：Q345とQ390は中国の規格（例：GB/T 1591および高強度低合金構造用鋼の関連製品仕様）で広く参照されています。
• EN（ヨーロッパ）：粗いクロスリファレンスにはS355からS420の範囲の鋼が含まれますが（直接の同等性は正確ではありません；常に製造証明書を確認してください）。
• ASTM/ASME（アメリカ）：ASTM A572/A709グレード（例：グレード50）が同様の役割を果たしますが、直接の化学的および機械的な一致は検証する必要があります。
• JIS（日本）および他の国家規格：地域の同等物は存在しますが、命名法が異なります。
• 分類：Q345とQ390はどちらも高強度低合金（HSLA）構造用炭素鋼です。これらはステンレス鋼や工具鋼ではなく、性能のために高合金レベルではなく、制御された化学組成と熱機械的処理に依存しています。

2. 化学組成と合金戦略

表：重量パーセントによる代表的（典型的）組成範囲。これらは違いを示すための指標的な商業分析であり、正確な限界とサブグレード特有の値については適用される規格および製造証明書を参照してください。

元素	Q345（典型的範囲、wt%）	Q390（典型的範囲、wt%）
C	~0.10–0.20	~0.10–0.22
Mn	~0.8–1.6	~0.9–1.8
Si	~0.20–0.50	~0.20–0.50
P	≤ 0.035（最大）	≤ 0.035（最大）
S	≤ 0.035（最大）	≤ 0.035（最大）
Cr	微量–~0.30	微量–~0.30
Ni	微量–~0.30	微量–~0.30
Mo	微量–~0.08	微量–~0.10（時々高くなる）
V	微量–小（微合金化）	微量–小（微合金化）
Nb（Cb）	微量–小（微合金化）	微量–小（微合金化）
Ti	微量–小（安定剤）	微量–小
B	微量（稀）	微量（稀）
N（報告されている場合）	通常は低く、制御されている	通常は低く、制御されている

注意： - Q345とQ390は主に炭素マンガン鋼であり、微合金添加物（Nb、V、Ti）が一部の製造ルートで強度を高めるために使用されますが、過剰な炭素は使用されません。 - Q390の配合は、炭素、マンガン、または制御された微合金添加物と熱処理プロセスのわずかな増加を許可する場合があり、より高い引張強度要件を満たすことができます。 - 正確な添加物（例：Mo、Cr）は、一部の製品バリアントに現れることがあり、硬化性や高温性能を向上させますが、両方のグレードは一般的に低合金鋼のままです。

合金化が性能に与える影響： - 炭素とマンガンは、固体溶液強化と変態強化を可能にする主要な強度形成要素です。炭素が高いほど強度と硬化性が増しますが、補償がない場合は溶接性と靭性が低下します。 - 微合金元素（Nb、V、Ti）は、微細な炭化物/窒化物を形成し、炭素当量を大幅に増加させることなく、析出と粒子細化を通じて引張強度を増加させます。 - Cr、Mo、またはNi（存在する場合）の小さな添加は硬化性を増加させ、厚いセクションでより高い強度を達成するのに役立ちますが、炭素当量を増加させ、溶接性に影響を与える可能性があります。

3. 微細構造と熱処理応答

• 典型的な微細構造：
• Q345：制御圧延および正規化または熱機械的制御処理（TMCP）によって生成され、細粒のフェライト-パーライトまたは分散した微合金析出物を持つフェライトを得ます。微細構造は、中程度の強度レベルで靭性と延性を強調します。
• Q390：類似の基礎微細構造ですが、わずかに高い転位密度、より多くの析出強化、またはプロセスに応じたわずかに高い保持パーライト/焼きなましバイナイトを提供するように設計されています。厚いセクションでは、制御冷却後に高強度の微細構造を促進するために、硬化性が増加します。
• 熱処理と加工の影響：
• 正規化/精製：両方のグレードは、粒子サイズを精製し、微細構造を均一化するために正規化から利益を得ます；Q390は時々、均一な高強度を確保するためにより積極的なTMCPスケジュールを受けます。
• 焼入れおよび焼戻し：標準のQ345/Q390製品には一般的ではありません（これらは通常TMCP鋼として供給されます）が、焼入れと焼戻しは、マルテンサイトへの意図的な変態とその後の焼戻しを伴う高強度バリアントに適用できます—これにより靭性と加工性が大幅に変わります。
• 熱機械的処理：TMCP（制御圧延/冷却）は、特にQ390において、高強度と良好な靭性および溶接性を達成するために一般的に使用され、処理は過剰な炭素なしでわずかに高い強度目標を補償します。

4. 機械的特性

表：代表的な機械的特性。値は指標的であり、板厚、試験規格、サブグレードに依存します—調達には製造証明書を使用してください。

特性	Q345（典型的）	Q390（典型的）
最小引張強度（Rp0.2）	345 MPa	390 MPa
引張強度（Rm）	~470–630 MPa	~520–690 MPa
伸び（A50mm）	≥ 20%（厚さによって異なる）	≥ 18%（厚さによって異なる）
衝撃靭性（シャルピーVノッチ）	一般的なサービス温度で良好；サブグレード依存	比較可能だが、低温サービスのためにより厳格なサブグレード管理が必要な場合があります
硬度（HBW）	中程度	わずかに高い（処理に依存）

解釈： - 強度：Q390は仕様上、より強力で（より高い最小引張強度）、同じ形状で断面厚さを減少させるか、より高い荷重容量を可能にします。 - 靭性と延性：Q345は通常、与えられた化学組成に対してわずかに良好な伸びを示し、時には低温靭性が良好です。これは、わずかに低い強度目標としばしば低い硬化性によるものです。しかし、現代のTMCPプロセスにより、Q390は必要な試験温度で良好な靭性を達成できます—サブグレードと板厚が重要です。 - トレードオフ：Q390の引張強度の保証が増加することは、通常、延性のわずかな犠牲を伴い、溶接条件に対する感度が増加する可能性があります。微合金化とプロセス制御が補償しない限り。

5. 溶接性

溶接性は、炭素含有量、炭素当量（硬化性）、厚さ、および拘束によって決まります。役立つ予測式には以下が含まれます：

• IIW炭素当量： $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$

• 国際Pcm式（定性的指標）： $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

定性的解釈： - 低い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値は、溶接性が容易であり、硬く脆いHAZ微細構造を形成する傾向が低いことを示します。Q345とQ390の両方は、溶接性を最適化した材料と微合金化で製造されています；しかし： - Q345は平均してわずかに低い炭素当量値を持ち、厚いセクションでの溶接がわずかに容易です。 - Q390は、より高い強度目標のため、実際にはより高いマンガンまたは微合金化を持ち、したがって炭素当量が高くなる可能性があり、厚いセクションや拘束されたジョイントでの前加熱、制御された熱入力、または溶接後の熱処理の必要性が増加します。 - 緩和：靭性と強度に合わせたフィラー金属の使用、制御されたインターパス温度、前加熱、適切な溶接消耗品と手順の選択は、両方のグレードの溶接可能なアセンブリを通常保証します。常に代表的な厚さと最低設計温度に対して溶接手順を確認してください。

6. 腐食と表面保護

• Q345とQ390はどちらも非ステンレスの炭素マンガン鋼であり、素の鋼以上の内因的な腐食抵抗を提供しません。標準的な保護戦略には以下が含まれます：
• 大気曝露のための熱浸漬亜鉛メッキ。
• 表面処理（例：研磨ブラスティング）を伴う塗装システム（工場プライマー + 仕上げコート）。
• 攻撃的な環境のための熱スプレーまたはポリマーコーティング。
• これらのグレードにはステンレス特有の指数は適用されません。したがって、ステンレスの腐食抵抗に使用されるPREN式はここでは関連性がありません： $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• 選択ガイダンス：腐食性能が必要な場合（海洋、化学曝露）、腐食抵抗合金を選択するか、保護システムを指定してください。Q345とQ390の選択は、腐食抵抗に実質的な影響を与えませんが、微小な合金の違いに腐食に影響を与える元素が含まれる場合を除きます（稀）。

7. 製造、加工性、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で類似の挙動を示します；Q390はわずかに異なる熱入力を必要とする場合があります。
• 加工性：両方とも加工性は中程度です；高強度のQ390は、強度が増加し、微細な析出物が硬くなる可能性があるため、重加工時にやや高い工具摩耗を示す場合があります。
• 成形/曲げ：Q345はわずかに高い延性を持ち、一般的に冷間成形や曲げに対してより寛容です。Q390は成形可能ですが、特に厚い板や高い既存のひずみを持つセクションでは、亀裂を避けるためにより大きな曲げ半径や制御された成形シーケンスが必要になる場合があります。
• 表面仕上げ：両方とも標準的な仕上げ方法を受け入れます；Q390で作業する際には、より高い残留応力が発生する可能性があるため、製造中の応力緩和と歪み制御に注意を払ってください。

8. 典型的な用途

表：各グレードの典型的な用途とその理由。

Q345 — 典型的な用途	Q390 — 典型的な用途
建物や橋における一般的な構造部品（梁、柱）で、良好な靭性と溶接性が求められる場合	断面厚さの減少または荷重容量の増加が求められる重い構造部材（クレーンレール、重機フレーム）
タンク、トレーラー、一般的な製造のための溶接鋼板	輸送および重機の構造セクションで、より高い引張強度が軽量設計を可能にする場合
冷間成形セクションおよび製造フレーム	より高い静的荷重を受ける部品や疲労設計の余裕が限られている場合
農業および一般工学の鋼材（コストに敏感）	剛性対重量または強度対重量の利点がより高い材料コストを正当化する場合

選択の理由： - 製造の容易さ、より高い延性、コストが優先され、低い引張強度が設計に対して十分な場合はQ345を選択してください。 - より高い保証引張強度（小さな断面、重量削減）が設計に利益をもたらす場合はQ390を選択してください。ただし、溶接手順、製造管理、および靭性要件が満たされていることが前提です。

9. コストと入手可能性

• コスト：Q390は通常、Q345よりもトンあたりのコストが高く、より厳しいプロセス管理や潜在的に高い合金含有量、またはより厳密なTMCPスケジュールによるものです。価格プレミアムは市場、厚さ、地理的地域によって異なります。
• 入手可能性：両方とも主要な鋼生産地域の標準製品ラインです；Q345は一般的に広く入手可能で、一般的な構造グレードです。Q390は多くの市場で一般的に在庫されていますが、特定の厚さ、板サイズ、およびサブグレードの入手可能性はより制限される場合があります—リードタイムを確認する必要があります。
• 製品形態：両方とも熱間圧延板、コイル、時には正規化または熱機械的に圧延された板として供給されます。特殊な板（超厚セクションまたは特定の衝撃試験済みサブグレード）の場合、リードタイムが増加します。

10. 概要と推奨

表：迅速な比較（定性的）。

指標	Q345	Q390
溶接性	良好（容易、低CE）	良好から普通（厚いセクションでは前加熱が必要な場合があります）
強度–靭性のバランス	靭性と延性に偏ったバランス	より高い強度；適切なプロセス管理で靭性を達成可能
コスト	低い（一般的に）	高い（高強度のプレミアム）

推奨： - Q345を選択する場合： - 設計が345 MPaの引張強度を受け入れ、優先事項がより高い延性、容易な溶接、低い材料コストである場合。 - 製造が重要な成形または冷間加工を伴う場合、または広範な前加熱なしでの通常の溶接が必要な場合。 - 在庫の入手可能性と経済性が重要な場合。

• Q390を選択する場合：
• 断面厚さまたは重量を減少させるため、または特定の荷重容量要件を満たすために、より高い保証引張強度（390 MPa）が必要な場合。
• 製造手順がわずかに高い溶接管理（前加熱、資格のあるWPS）を受け入れ、靭性要件が適切なサブグレードとプロセスを選択することで満たされる場合。
• プロジェクトが下流の製造、輸送、または重量に敏感な設計でのコスト削減によって高い材料コストを正当化する場合。

最終的な注意：Q345とQ390はHSLA構造鋼ファミリー内の隣接する選択肢です。最適な選択は、コンポーネントレベルの要件（引張強度、最低サービス温度での靭性）、製造制約（溶接と成形）、ライフサイクルコスト（コーティングとメンテナンス）、および入手可能性によって推進されます。常に鋼の供給者から化学的および機械的証明書を確認し、代表的な材料と厚さで溶接手順を確認し、低温サービスや動的荷重にさらされる用途に対して必要な衝撃エネルギーと試験温度を指定してください。