Q345B 対 Q345C – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
Q345は、橋梁、圧力容器、重機、構造部品に世界中で使用される一般的な中国規格の高強度低合金（HSLA）構造鋼シリーズです。Q345ファミリー内では、接尾辞のB、C、D、Eは、同じ基本的な化学的および機械的目標を満たすバリエーションを示しますが、徐々に低い衝撃温度でテストされます。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、異なる周囲またはサービス温度、製造制約、コスト目標に直面する構造物の材料を指定する際に、Q345BとQ345Cの間で選択しなければならないことがよくあります。
Q345BとQ345Cの主な技術的な違いは、保証された衝撃靭性温度です：Q345CはQ345Bよりも低温の衝撃試験条件を指定されており、これが低温サービスの選択に影響を与えます。名目上の化学成分と降伏強度は類似しているため、決定は通常、低温での靭性、溶接性の考慮、およびコスト/入手可能性のトレードオフに依存します。
1. 規格と指定
- 主要規格：GB/T 1591 — 「溶接構造用熱間圧延鋼」（中国）。Q345シリーズはこの規格で定義されています。
- その他の関連規格と同等物（文脈に応じて）：
- ASTM/ASME：直接の1対1はない；比較可能な構造鋼にはASTM A572グレード50、S355（EN）が含まれますが、化学的および靭性要件は異なります。
- EN：S355ファミリー（構造鋼） — 類似の意図、異なる特性マトリックスおよび衝撃温度分類。
- JIS：JIS G3106（高靭性構造鋼） — 異なる分類アプローチ。
- 材料分類：Q345シリーズ = HSLA（高強度低合金）炭素鋼で、溶接構造用途に適しており、ステンレス鋼や工具鋼ではありません。
2. 化学組成と合金戦略
表：Q345シリーズの典型的な元素範囲（GB/T 1591ファミリーを代表）。これらは業界の実践で使用される指標範囲です；材料を指定する際は、正確な値について常にミル証明書を確認してください。
| 元素 | 典型的な範囲 / 制限（Q345シリーズ、代表的） |
|---|---|
| C（炭素） | ≤ 0.20（溶接性を保つための低炭素） |
| Mn（マンガン） | 0.50 – 1.60（強度と硬化性） |
| Si（シリコン） | 0.10 – 0.50（脱酸；強度） |
| P（リン） | ≤ 0.035（不純物制限） |
| S（硫黄） | ≤ 0.035（不純物制限） |
| Cr（クロム） | ≤ ~0.30（存在する場合、適度な硬化性/腐食） |
| Ni（ニッケル） | ≤ ~0.30（靭性のために時々存在） |
| Mo（モリブデン） | ≤ ~0.08（微合金化されている場合、硬化性に小さな影響） |
| V（バナジウム） | 微量から≤ ~0.08（粒子細化のための微合金化） |
| Nb（ニオブ） | 微量から≤ ~0.05（析出強化のための微合金） |
| Ti（チタン） | 微量（脱酸、粒子制御） |
| B（ホウ素） | 微量（非常に低い、存在する場合） |
| N（窒素） | 制御された、低い（靭性に影響） |
説明： - Q345グレードは低炭素HSLA鋼として設計されています。炭素とマンガンは基本的な強度を提供します。シリコンは脱酸とわずかな強度向上に使用されます。 - 微合金化元素（Nb、V、Ti）は、粒子構造を細化し、析出強化を提供するために制御された量で使用され、炭素当量を過度に上昇させることなく靭性を維持するのに役立ちます。 - 合金は溶接性を保つためにシンプルに保たれています；硬化性を増加させる複雑または重い合金化は一般的に避けられます。
3. 微細構造と熱処理応答
- 典型的な圧延後の微細構造：フェライト–パーライトで、粒子細化と析出強化を担当する微合金析出物（NbC、VC、TiN）が分散している可能性があります。
- Q345BとQ345Cの微細構造：同じ圧延および冷却スケジュールの下で、基材の金属組織は本質的に同じです。Q345Cの低温靭性要件は、化学成分（特に非常に低い不純物）の厳密な管理、圧延/制御冷却スケジュール、および時には粒子サイズを細化するための微合金含有量の増加または熱機械処理によって達成されます。
- 熱処理応答：
- 正規化：粒子サイズを細化し、靭性をわずかに改善することができます；厚さ方向の特性が改善される必要がある場合に有用です。
- 焼入れおよび焼戻し：Q345には一般的ではありません；これらの鋼は正規化/制御圧延条件で強度/靭性を満たすように製造されています。Q&Tは特性を大幅に変更し、Q345グレードの標準納品ではありません。
- 熱機械処理（制御圧延および加速冷却）は、特にQ345Cおよび低温バリエーションの低温衝撃性能に必要な細粒フェライト-パーライト構造を開発するために、製鋼所によって一般的に使用されます。
4. 機械的特性
表：Q345ファミリーの典型的な機械的特性範囲。値は代表的なものであり、特定のミル証明書および厚さ依存の値を確認してください。
| 特性 | 典型的なQ345（一般） | Q345B | Q345C |
|---|---|---|---|
| 降伏強度（ReL） | ~345 MPa（指定の基準） | ≥ 345 MPa | ≥ 345 MPa |
| 引張強度（Rm） | ~470 – 630 MPa（厚さと加工に依存） | 上記の典型的な範囲 | 上記の典型的な範囲 |
| 伸び（A） | ≥ ~20%（厚さによって異なる） | 同等 | 同等 |
| 衝撃靭性（シャルピーVノッチ） | 温度クラスに応じた指定エネルギー | −20 °Cで27 J（典型的な要件） | −40 °Cで27 J（典型的な要件） |
| 硬度（HB） | 典型的に120 – 190 HB（加工依存） | 同等 | 同等 |
解釈： - 強度：両グレードは同じ名目降伏（345 MPa）および類似の引張範囲に指定されており、どちらのグレードも納入状態では本質的に強くありません。 - 靭性：Q345CはQ345Bよりも低温での衝撃靭性を保証します。これにより、Q345Cは氷点下のサービス温度での脆性破壊リスクが懸念される場合に好まれます。 - 延性：伸びと延性は、同じ厚さと加工を前提とすれば、両者の間で類似しています。
5. 溶接性
- Q345鋼は良好な溶接性を持つように設計されています：低炭素含量と制御された合金化により、冷間割れの感受性が最小限に抑えられます。ただし、溶接性は炭素当量とPcmに基づいて評価する必要があります。
- 溶接挙動を推定するために使用される一般的な炭素当量およびパラメータの式： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- 定性的解釈：
- Q345BとQ345Cは、一般的に高炭素鋼に対して低い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値を持ち、比較的低い予熱要件と良好な一般的な溶接性を示します。
- Q345Cの不純物の厳密な管理と低温靭性のための微合金調整は、製鋼所の化学成分に応じて計算された炭素当量をわずかに増加または減少させる可能性があるため、溶接手順の資格は実際の材料証明書の値と厚さに基づくべきです。
- 重いセクションの場合、低いインターパス温度と適切な予熱/溶接後熱処理の推奨は、溶接コードおよび計算されたCE/Pcmに従うべきです。
6. 腐食と表面保護
- Q345BとQ345Cは非ステンレス構造鋼であり、固有の腐食抵抗は類似しており、控えめです。露出した用途には通常、表面保護が必要です。
- 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。
- 適切なプライマーとトップコート（エポキシ、ポリウレタンシステム）を使用した工場または現場での塗装。
- 耐候性鋼コーティングは異なる設計アプローチであり、Q345には固有ではありません。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）はステンレス合金に適用され、Q345鋼には適用されません。参考のために： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指数は、局所的な腐食に対抗するための十分なCr/Mo/Nを欠くため、炭素/HSLA鋼には意味がありません。
7. 加工、機械加工性、および成形性
- 切断：プラズマ、酸素燃料、レーザー切断が一般的に使用されます；切断パラメータは厚さと微細構造に依存しますが、両グレードで類似しています。
- 曲げ/成形：Q345グレードは、厚さに関連する適切な曲げ半径を使用する場合、容易に成形できます；厚いセクションのタイトな曲げは、スプリングバックと超低温サービス（Q345C）での破壊靭性が重要になる可能性に注意が必要です。
- 機械加工性：典型的な炭素鋼の機械加工性；微合金化元素は、プレーンな低炭素鋼に対して機械加工性をわずかに低下させる可能性がありますが、劇的ではありません。工具と切削速度は実際の硬度に基づいて選択する必要があります。
- 表面仕上げと後処理：両グレードは、標準的な表面準備および仕上げ操作（研削、ショットブラスト、コーティング）に良好に反応します。
8. 典型的な用途
| Q345B — 典型的な用途 | Q345C — 典型的な用途 |
|---|---|
| 一般的な構造セクション：ビーム、チャンネル、建物やクレーン用のプレート、周囲条件が適度な場合 | 寒冷地や冷却サービスにおける構造部品（例：北極の海上構造物、冷蔵保管支持） |
| 橋梁、-20 °Cの靭性が十分な一般土木工事 | 低温での靭性が確認された圧力容器およびフレーム（例：−40 °C） |
| 溶接性とコストが重要な機械基盤および溶接フレーム | 石油化学パイプライン支持、低温脆性破壊リスクが高い寒冷地域のインフラ |
| 標準的なQ345性能で十分なコストに敏感な加工 | 低温での脆性破壊に対する安全マージンが優先される用途 |
選択の理由： - サービス温度、安全コード、またはリスク評価が約−20 °C以下の露出を予測する場合、Q345C（または寒冷クラスのグレード）が魅力的になります。その閾値を超える周囲/サービス温度が維持される場合、Q345Bはしばしば十分であり、より経済的です。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：Q345Cは通常、プロセス制御、テスト、および低温衝撃性能を保証するための処理化学の調整により、Q345Bよりもわずかに高価です。
- 入手可能性：両グレードは、中国規格鋼の確立された供給チェーンがある地域で広く入手可能です。プレート/コイルの厚さ、特注寸法、および認証（例：低温サービスのためのミル熱追跡可能性）がリードタイムとコストに影響します。
- 製品形態：プレート、熱間圧延コイル、構造形状；入手可能性は製鋼所および地域の在庫によって異なります。
10. 概要と推奨
表：簡単な比較
| 属性 | Q345B | Q345C |
|---|---|---|
| 溶接性 | 非常に良好（低C、制御された合金化） | 非常に良好（類似）、証明書からCE/Pcmを確認 |
| 強度–靭性バランス | 標準Q345バランス | 改善された低温靭性保証 |
| コスト | 低い（典型的） | 高い（典型的、テスト/処理による） |
推奨： - Q345Bを選択する場合：あなたのアプリケーションが約−20 °C（またはそれ以上）での衝撃靭性が十分な環境で運用され、コスト効果を優先し、標準的な構造性能と溶接性が十分である場合。 - Q345Cを選択する場合：構造物または部品が著しく氷点下の周囲またはサービス温度にさらされる場合（約−40 °Cでの靭性が確認される必要がある）、またはプロジェクトコードやリスク評価が低温衝撃分類を義務付けている場合。
最終的な注意：Q345BとQ345Cの決定は主に低温衝撃性能に依存しますが、責任ある仕様には、実際の化学組成、炭素当量（または計算された$P_{cm}$）、厚さ依存の機械的特性、および靭性と溶接性に影響を与える追加の強化（熱機械処理、制御圧延）を確認する必要があります。