Q345B 対 Q345D – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

Q345BおよびQ345Dは、中国の低合金構造鋼ファミリーの2つの温度/グレードバリアントであり、一般的にGB/T 1591の下で参照されます。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、溶接構造物、橋、クレーン、寒冷気候用機器を設計する際に、これらを互いに比較することがよくあります。典型的な意思決定の文脈は、必要な機械的強度、溶接性、生産コスト、およびサービス温度での必要な衝撃靭性のバランスを取ります。

これら2つのグレードの主な実用的な違いは、低温での指定された性能にあります：1つは環境条件下での一般的な構造用途を意図しており、もう1つは低温（環境下より低い）での高い破壊靭性を提供するように指定され、処理されています。他の多くの化学的および機械的パラメータが共有されている（または非常に似ている）ため、選択はしばしば低温靭性の要件、製造制約、および予算に基づいて行われます。

1. 規格と指定

• 主要規格：GB/T 1591 — 「熱間圧延低合金構造鋼」（中国）。
• 国際的な同等物/関連仕様：ASTM/ASMEまたはENにおいて直接の1対1の一致はなく、類似の高強度低合金（HSLA）鋼が存在します（例えばASTM A572、S355ファミリー）が、化学成分や衝撃基準に違いがあります。
• タイプによる分類：HSLA（高強度低合金）炭素構造鋼。
• 指定：
• Q345B — Q = 降伏点、345 ≈ 345 MPaの最小降伏、"B"は特定の衝撃試験温度クラスを示します（通常0 °C）。
• Q345D — 同じ名目強度クラスで、"D"はより厳しい（低温）衝撃試験要件を示します（通常−20 °C）。

2. 化学組成と合金戦略

以下は、Q345グレードに通常制御される共通元素のコンパクトな比較です。示されている値は、実際に使用される代表的な典型的限界です（正確な限界については、該当するGB/T 1591の版または製鋼所証明書を参照してください）。

元素	典型的範囲または限界 (Q345B)	典型的範囲または限界 (Q345D)	備考
C (炭素)	≤ ~0.20 wt%	≤ ~0.20 wt%（しばしば低め）	低いCは溶接性と靭性を改善します；Dはやや厳しいC制御で生産されることがあります。
Mn (マンガン)	~0.4–1.6 wt%	~0.4–1.6 wt%	Mnは強度と硬化性を増加させます；両者の典型的な含有量は似ています。
Si (シリコン)	≤ ~0.50 wt%	≤ ~0.50 wt%	脱酸；適度な量は強度を助け、靭性を損なうことはありません。
P (リン)	≤ 0.035 wt%	≤ 0.035 wt%	脆化を避けるために低く保たれます。
S (硫黄)	≤ 0.035 wt%	≤ 0.035 wt%	靭性と溶接性のために低く保たれます。
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	一般的に微量または最大限界を超えて指定されていない	同様で、Dは時々より厳しい微合金添加または粒子細化制御を持つことがあります	微合金化（Nb, V, Ti）と制御された処理が使用され、Dの低温靭性を改善するために粒子を細化します。

合金戦略の機能： - 炭素とマンガンは主な強度の寄与者です；高いMnは強度を増加させますが、制御されない場合は硬化性と冷間割れの可能性を高めます。 - 微合金化（Nb, V, Ti）は、炭素等価を大幅に増加させることなく、粒子細化と析出強化を促進するために少量添加されることがあります — これは低温衝撃靭性を改善するための好ましいルートです。 - トランプ元素PとSの制御は両グレードにとって重要です；低いレベルは延性と破壊抵抗を維持するのに役立ちます。

（特定の熱または製品形状の正確な組成については、常に製鋼所証明書または適用される規格版を確認してください。）

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - Q345BおよびQ345Dは、圧延状態で主にフェライト-パーライト微細構造を提供するように製造されています。微細構造は化学成分、冷却速度、および熱機械処理の関数です。

処理ルートとその影響： - 正常化：変態温度を超えて加熱し、空冷することで、靭性をわずかに改善できる洗練された、より均一なフェライト-パーライト構造が生成されます。 - 制御圧延/熱機械制御処理（TMCP）：変態前にオーステナイト粒子サイズを減少させ、分散したパーライトまたはベイナイトを持つ細粒フェライトを促進します — これはQ345Dの低温衝撃要件を満たす一般的なルートです、合金化を増加させることなく。 - 窒化および焼戻し：これらのグレードには典型的ではありません、なぜならQ345は熱間圧延構造鋼として指定されているからです；窒化-焼戻しは高い強度を生み出しますが、異なる製品クラスです。 - 熱処理応答の違い：基礎化学が似ているため、応答の違いは通常、Q345Dの圧延スケジュールと微合金添加のより厳しい制御によって達成され、より細かい粒子サイズと低温での高いシャルピーVノッチエネルギーを保証します。

粒子サイズと靭性： - より細かい前オーステナイト粒子サイズと低い包含サイズ/分布は靭性を改善し、延性から脆性への遷移温度を低下させます — これは通常、Q345Dが環境下より低い温度でQ345Bを上回るメカニズムです。

4. 機械的特性

Q345グレードの代表的な機械的特性（典型的な値；正確な製品については規格または製鋼所試験証明書を確認してください）：

特性	典型的Q345B	典型的Q345D	備考
最小降伏強度 (MPa)	~345 MPa	~345 MPa	両グレードは同じ最小降伏を目指しています（名前は345 MPaを示します）。
引張強度 (MPa)	~470–630 MPa	~470–630 MPa	引張範囲が重なっています；特定の製品形状（板、コイル）および厚さが値に影響します。
伸び (A%)	≥ ~20%（厚さによる）	≥ ~20%（厚さによる）	Dは一般的に靭性を改善しながら同様の延性を維持します。
衝撃靭性 (シャルピーV)	通常0 °Cで指定されます（例：27 Jが典型的）	より低い温度で指定されます、例：−20 °C（低温で同じエネルギーレベル）	主要な差別化要因：Q345Dは低温での受け入れ可能な衝撃エネルギーを要求します。
硬度 (HB)	通常は中程度；硬度制御グレードではありません	同様	硬度は通常、溶接および成形に適した範囲内にあります；主要な仕様制御ではありません。

解釈： - 強度：両グレードは同じ名目降伏および類似の引張範囲を提供します — どちらも同じ仕様で供給される場合、静的強度において本質的に「強い」わけではありません。 - 靭性：Q345Dは低温での衝撃靭性を提供するように処理および認定されています；したがって、寒冷環境で脆性破壊を経験する可能性は低くなります。 - 延性：それぞれの認定温度でテストされた場合、両者は比較可能です；靭性向上戦略はQ345Dの延性を保持することを目指しています。

5. 溶接性

溶接性は主に炭素含有量、炭素等価（硬化性）、および微合金化によって支配されます。

一般的な溶接性の公式（定性的比較に役立ちます）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ および $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - Q345BおよびQ345Dは比較的低い炭素と中程度のMnを持ち、一般的に構造用途に対して良好な溶接性を与えます。 - Q345Dは、低温靭性を満たすためにCの制御をやや厳しくし、最適化された微合金化/粒子サイズを持つことができます。これは、溶接手順が熱入力と予熱要件を制御する場合、実際に溶接後の靭性を助けることができます。 - 両グレードの炭素等価値は通常低から中程度であり、標準的な予熱/後熱手順および一般的な溶接消耗品がほとんどの場合に十分であることを示唆しています；ただし、厚いセクション、拘束、およびジョイント設計は予熱と制御された熱入力を必要とすることがあります。 - 常にPWHT（溶接後熱処理）および予熱の推奨事項を、実際のCEまたは$P_{cm}$を使用した溶接手順の認定から導き出してください。

6. 腐食および表面保護

• Q345BおよびQ345Dはどちらもステンレスではなく、両者は非ステンレスの低合金構造鋼であり、攻撃的な環境で腐食します。
• 典型的な保護戦略：熱浸漬亜鉛メッキ、亜鉛またはエポキシ塗装システム、耐候性コーティング（合金組成がそれを支持する場合）、浸漬環境での陰極保護、または犠牲的コーティングの使用。
• ステンレスまたは耐腐食性インデックスの使用について：PRENはこれらの非ステンレス鋼には適用されません。ステンレスの文脈でのPREN公式のリマインダー： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• 実際には、Q345BとQ345Dの間の小さな組成の違いよりも、露出クラス（大気、海洋、化学）に応じて表面保護を選択してください。

7. 製造、加工性、および成形性

• 成形性：両グレードは、指定された厚さ内で、推奨される最小曲げ半径を満たす場合、HSLA鋼に典型的な良好な冷間成形および曲げ特性を示します。Q345Dの強化された低温靭性は、成形性を実質的に低下させません。
• 加工性：両者は加工性が中程度です — 材料の状態（微合金化、強度レベル）が工具寿命に影響します。高強度鋼に対する典型的な加工上の注意（剛性のあるセットアップの使用、適切な冷却剤、および適切な切削パラメータの使用）が適用されます。
• 切断および溶接：標準的な酸素燃料、プラズマ、およびレーザー切断は両者に対して同様に機能します。溶接消耗品は機械的特性要件に合わせて選択されます；低温での衝撃靭性が溶接ゾーンで必要な場合は、適合する消耗品と認定された手順を使用してください。

8. 典型的な用途

Q345B（典型的な用途）	Q345D（典型的な用途）
一般的な構造部材：ビーム、柱、標準気候用の溶接プレートガーダー	寒冷気候用の構造部材：オフショアの上部構造、冷蔵保管フレーム、寒冷地域の橋
クレーン、ホイスト、および環境またはやや環境下で適用される一般的な製造	低い環境または一時的な零下温度にさらされるコンポーネント、または−20 °Cでの破壊靭性が必要な場合
機械フレーム、製造用鋼、汎用プレート	低温サービス基準を持つ重い溶接鋼構造、低温靭性が指定されている特定の圧力機器
非腐食性サービス用の配管継手およびフランジ	追加の低温衝撃性能が要求される場合のQ345Bと同様

選択の理由： - 標準的な環境サービス温度で運用されるコストに敏感なプロジェクトにはQ345Bを選択してください。 - 中程度の低温での検証された衝撃靭性が要求される場合（例：−20 °C）、またはコード、クライアントの仕様、またはリスク評価が要求する場合はQ345Dを選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：Q345Bは一般的にQ345Dよりもやや安価です。なぜならDは通常、低温靭性を検証するためにより厳しいプロセス制御または追加の試験を必要とするからです。価格差はほとんどのコモディティプレート/コイルにとっては控えめですが、厚さや納期が厳しい場合には上昇する可能性があります。
• 入手可能性：Q345Bは広く生産され、多くの製品形状（プレート、コイル、ビーム）で入手可能です。Q345Dも一般的に入手可能ですが、長いリードタイムがあるか、特に厚いセクションや特定の製鋼所熱処理が必要な場合には受注生産されることがあります。
• 製品形状は供給に影響します：一般的なサイズのプレートおよび構造形状は容易に入手可能ですが、特殊な寸法、重いプレートの厚さ、または異常な表面公差はリードタイムを延ばす可能性があります。

10. 概要と推奨

概要表

属性	Q345B	Q345D
溶接性	非常に良好（低C、中程度のCE）	非常に良好；同じ溶接制御が必要な場合があります；プロセス制御により、しばしば同様またはやや良好なPWHT挙動を示します
強度-靭性バランス	環境温度での良好な一般的バランス	比較可能な強度に対してより良い低温靭性
コスト	低い（典型的）	やや高い（典型的）

推奨事項： - 構造が主に環境またはやや寒冷な温度で運用される場合、コスト管理が重要で、標準的な溶接/製造手順が使用される場合はQ345Bを選択してください。 - 材料が持続的な零下または冷衝撃環境にさらされる場合、設計またはコードが低温での検証された衝撃エネルギーを要求する場合（例えば−20 °C）、またはリスク評価が低いサービス温度での脆性破壊制御を指摘する場合はQ345Dを選択してください。

最後の注意： Q345BおよびQ345Dは、同じ名目降伏強度を持つ効果的なHSLA構造鋼です。実用的な区別要因は、検証された低温靭性とそれを達成するために使用される処理制御です。常に必要な衝撃温度およびエネルギー値を購入文書に明示的に指定し、選択されたグレードがプロジェクトの破壊靭性および製造ニーズを満たすことを保証するために、納入された熱の製鋼所試験証明書およびシャルピーVノッチ結果を要求してください。