Q345R 対 SA516 Gr70 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

エンジニアと調達チームは、圧力容器用鋼を選定する際に、コスト、溶接性、機械的性能の間でトレードオフに直面することがよくあります。Q345RとASTM A516グレード70（SA516 Gr70）は、溶接圧力機器、貯蔵タンク、中温容器のために頻繁に比較される2つのグレードです。典型的な意思決定の文脈には、低温衝撃性能のための材料選定、国家コード要件（ASME対国家基準）を満たすこと、またはコストとサプライチェーンの最適化が含まれます。

両者の主な違いは、基準の出所と微合金化戦略です：Q345RはHSLA特性を持つ中国の圧力容器グレードで、降伏強度を上げるために意図的に微合金化されています。一方、SA516 Gr70は、良好な引張特性と定義された熱処理/試験条件下での予測可能な低温靭性のために指定されたASTM/ASME圧力容器用炭素鋼です。これにより、設計においては比較可能ですが、加工、溶接手順の資格、地域的な入手可能性においては異なります。

1. 基準と指定

• Q345R
• 主要基準：GB/T 713（圧力容器用鋼）および中国の関連GB/T仕様。
• 分類：微合金化された炭素マンガン圧力容器鋼（HSLA特性）。
• SA516グレード70（A516 Gr70）
• 主要基準：ASTM A516/A516M — 圧力容器用のASMEセクションII、パートA材料で広く使用されています。
• 分類：炭素圧力容器鋼（限られた微合金化が許可された従来の炭素マンガン鋼）。
• よく見られる関連基準とクロスリファレンス：EN（例：P355シリーズ）、JIS、その他の国家基準 — しかし、Q345RとA516 Gr70は、両方が溶接圧力機器用に指定されているため、一般的に比較されます。

両者は、溶接保持部品を意図した非ステンレス炭素鋼であり、いずれも高合金ステンレス材料ではありません。

2. 化学組成と合金化戦略

代表的な化学組成範囲（wt%）。これらは実際に使用される典型的な範囲であり、正確な限界は制御基準および材料ミル証明書から確認する必要があります。

元素	Q345R（典型的、wt%）	SA516 Gr70（典型的、wt%）
C	0.10 – 0.20	≤ 0.27（典型的0.12 – 0.27）
Mn	0.70 – 1.60	0.70 – 1.20
Si	0.15 – 0.50	0.15 – 0.40
P	≤ 0.025 – 0.030	≤ 0.035
S	≤ 0.020 – 0.030	≤ 0.035
Cr	微量 – ≤ 0.30	微量 – ≤ 0.30
Ni	微量 – ≤ 0.30	微量 – ≤ 0.30
Mo	微量 – ≤ 0.20	微量 – ≤ 0.20
V	微量 – 約0.10まで（微合金化）	微量（時折微合金化）
Nb (Cb)	微量 – 約0.05まで（微合金化）	微量（時折少量存在）
Ti	微量	微量
B	微量	微量
N	微量	微量

注意： - Q345Rの配合は、より高い降伏強度と改善された粒子細化を達成するために、制御された微合金化（Nb、V、Ti）およびP/Sの厳密な管理を組み込むことがよくあります。 - SA516 Gr70は、靭性と溶接性のために最適化された組成を持つプレーン炭素マンガン圧力容器鋼として通常指定されます。一部のミルは微合金化されたバリアントを供給しますが、グレードは固定された微合金パッケージではなく、機械的および衝撃受容基準によって定義されます。

合金化が挙動に与える影響： - 炭素とマンガンは主に強度と硬化性を制御します。炭素が高いほど強度は増しますが、溶接性と靭性は低下します。 - 微合金化元素（Nb、V、Ti）は、析出強化と粒子細化を通じて降伏強度を改善し、炭素の大幅な増加なしに特定の強度レベルで靭性を向上させます。 - 低レベルのCr、Ni、Mo（存在する場合）は硬化性を増加させ、靭性に影響を与える可能性があります。これらは一般的に両方のグレードで低いか、存在しません。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - Q345R：主に正規化または圧延された板として供給され、微合金析出物（Nb/Ti/V）によって細かくされたフェライト-パーライトマトリックスを持ちます。微合金化された炭化物/窒化物からの粒子細化と分散強化は、延性を保持しながら降伏強度を増加させます。 - SA516 Gr70：通常、フェライト-パーライトマトリックスを持つ正規化または圧延された炭素マンガン鋼として供給されます。ターゲット熱処理または制御圧延は、ASTMの受け入れに従った延性と衝撃抵抗を提供します。

熱処理応答： - 正規化（臨界温度以上からの空冷）は、両方のグレードの粒子サイズを細かくし、靭性を改善します。 - これらのグレードの圧力容器用板に対しては、焼入れと焼戻しは一般的ではありません — 圧延または正規化された状態で機械的および衝撃特性を満たすように設計されています。 - 熱機械制御加工（TMCP）は、Q345Rに一般的に適用され、制御圧延と加速冷却を通じてより高い降伏強度と改善された靭性を生み出します。 - 両者において、溶接後熱処理（PWHT）は、厚さ、接合設計、サービス温度に応じて残留応力を減少させ、HAZを焼戻すために設計コードによって時折要求されます。

4. 機械的特性

代表的な機械的特性範囲。実際の値は厚さ、熱処理、および証明書データに依存します。

特性	Q345R（代表的）	SA516 Gr70（代表的）
引張強度（MPa）	約470 – 620	約485 – 620
降伏強度（MPa）	約345（名目設計値）	約240 – 300（最小約250典型）
伸び（A%）	20 – 25%（厚さに依存）	18 – 22%
衝撃靭性（シャルピーVノッチ）	仕様に応じて室温または零下温度で指定；一般的にTMCPで良好	ASTM A516に従って指定（しばしば−29°C/−20°Fで試験）し、定義された最小エネルギーを持つ
硬度（HBW）	通常は200 HBW未満（製品に依存）	通常は200 HBW未満

解釈： - Q345Rは、HSLAメカニズムを通じてより高い名目降伏（「345」は345 MPa降伏クラスを示す）を提供するように設計されており、同じ断面に対してより高い設計強度を与えます。 - SA516 Gr70は、ASTM要件に従って製造および試験された際に、実証済みの低温衝撃挙動を持つ堅牢な引張特性を示します。その低い降伏は成形を容易にし、時折、非常に制約のある条件で靭性を改善します。 - 実際には、Q345Rは重量に敏感な設計に対してより高い降伏を提供し、SA516 Gr70はASMEベースの製造のために、引張強度と確認された衝撃靭性の良好な組み合わせを提供します。

5. 溶接性

溶接性の考慮は、炭素含有量、炭素当量（硬化傾向）、および微合金化に依存します。

定性的に使用される一般的な炭素当量の公式： - IIW炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（より保守的）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - 両方のグレードは、一般的なプロセス（SMAW、GMAW、SAW）で溶接可能と見なされます。SA516 Gr70は、一般的に許可される炭素上限が高いため、厚さの影響と予熱要件に注意が必要です。A516は、ASMEに従った確立された溶接手順とフィラー金属で広く使用されています。 - Q345Rの微合金化と厚いセクションでの潜在的な硬化性は、適切な予熱とインターパス温度で溶接しない場合、HAZ硬化や水素誘発冷間割れに対する感受性を高める可能性があります。したがって、Q345Rの溶接手順の資格は、衝撃および引張要件に合わせた消耗品の選択、予熱、インターパス温度に注意を払うことを含むことがよくあります。 - 上記の公式を使用することで、予熱とPWHTの必要性を判断するのに役立ちます：より高い$CE_{IIW}$または$P_{cm}$は、より厳格な予熱または低い冷却速度が推奨されることを示唆します。

6. 腐食と表面保護

• Q345RもSA516 Gr70もステンレスではなく、腐食抵抗は炭素鋼のものであり、両者は腐食性環境での表面保護が必要です。
• 典型的な保護：コーティングシステム（エポキシ、ポリウレタン）、プライマー、塗装、熱浸漬亜鉛メッキ（圧力容器要件に適合する場合）。埋設または海水サービスの場合、ライニング、カソード保護、または合金アップグレードの選択が一般的です。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）はステンレス合金用であり、非ステンレス炭素鋼には適用されませんが、参考のために： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — PRENはQ345RやSA516 Gr70には適用されません。

腐食抵抗のある代替品を考慮すべき時： - 設計条件に攻撃的な媒体、塩化物、またはメンテナンスなしの長期間のサービスが含まれる場合は、腐食抵抗合金（ステンレス、デュプレックス、または腐食抵抗クラッディング）を選択してください。圧力容器に対して、強度と腐食抵抗を組み合わせるために、SA516またはQ345Rをステンレス層でクラッディングすることが時折使用されます。

7. 製造、加工性、成形性

• 加工性：両者は同様の加工性を持つ標準的な炭素鋼であり、Q345Rのわずかに高い強度や微合金化が工具の摩耗をわずかに増加させる可能性があります。
• 成形性/曲げ：SA516 Gr70の低い降伏は、タイトな半径の成形や冷間曲げを容易にします。Q345Rの高い降伏は、より大きな曲げ半径やより多くの力を要求し、スプリングバックを避けるために慎重な制御が必要です。
• 切断および熱プロセス：酸素燃料、プラズマ、レーザー切断は両者にとって一般的です。Q345Rの微合金化は切断に実質的な影響を与えませんが、厚いセクションでのHAZ脆化を避けるために切断中の熱入力により多くの注意が必要な場合があります。
• 仕上げ：標準的な研削、研磨、コーティングのための表面準備は、両方のグレードで一般的です。

8. 典型的な用途

Q345R — 典型的な用途	SA516 Gr70 — 典型的な用途
中国/アジアでGB基準が使用される圧力容器およびボイラー；より高い降伏を必要とする重い溶接圧力部品	ASMEおよびその他の国際コードに従った圧力容器、ボイラー、貯蔵タンク、および配管；北米および輸出市場で一般的に使用される
より高い降伏が軽量セクションを可能にする厚板溶接構造	確認された低温衝撃靭性が必要な製造タンクおよびボイラー
HSLA微合金強度の恩恵を受ける機器の構造部品	一般的な圧力保持部品およびASME仕様の配管/板システムへの改造

選択の理由： - より高い設計降伏と重量削減が主な要因であり、調達/製造がGB基準およびサプライヤーと一致している場合はQ345Rを選択してください。 - ASME/ASTMの遵守、十分に文書化された溶接手順、および文書化された低温衝撃試験が必要な場合はSA516 Gr70を選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：地域に依存します。Q345Rは、中国およびアジアでの地元生産と一般的な使用により、コスト競争力があることがよくあります。SA516 Gr70は、米国、ヨーロッパ、および多くのグローバル市場で一般的に入手可能です。価格競争力は、地元のミルベース、厚さ、および注文サイズに依存します。
• 入手可能性：SA516 Gr70は、ASTMに適合したミルプレートで広く入手可能です。Q345Rは、中国および隣接市場で広く入手可能であり、輸出業者から国際的に調達することができます。リードタイムと証明書のトレーサビリティは、国境を越えた調達のために確認する必要があります。
• 製品形状：両者は、板、切断形状、時には圧延コイルとして供給されます。SA516は、ASMEボイラーおよび圧力容器に対してより頻繁に指定されるため、認証されたプレートのサプライヤーネットワークはこれらのサプライチェーンで強力です。

10. 要約と推奨

指標	Q345R	SA516 Gr70
溶接性	良好；厚いセクションでは微合金化/硬化性のためにより厳格な予熱が必要な場合があります	優れた；確立されたASME溶接手順で広く使用されています
強度–靭性のバランス	より高い名目降伏（HSLA効果）；TMCP/正規化で良好な靭性	ASTM試験に従ったバランスの取れた引張強度と検証された低温靭性
コストと入手可能性	中国/アジア市場でコスト効果が高い；強力な地元の入手可能性	ASME/ASTMサプライチェーンで広く入手可能；良好なグローバル流通

推奨： - より高い名目降伏が必要で、重量/セクションの削減を望み、GBコードまたはサプライヤーベース内で作業し、微合金化と厚さの影響を考慮して溶接/予熱および受け入れ試験を制御できる場合はQ345Rを選択してください。 - ASME/ASTMの遵守、確立された試験制度による予測可能な低温衝撃性能、そして馴染みのある溶接消耗品と手順で広範なグローバル入手可能性が必要な場合はSA516 Gr70を選択してください。

最終的な注意：材料選定は常に制御設計コード、プロジェクトの溶接手順仕様（WPS/PQR）、必要な衝撃試験温度、およびミル証明書に対して検証されるべきです。疑問がある場合は、ミル証明書の正確な化学的および機械的限界を確認し、選択されたグレードに一致する代表的な板厚と熱入力で溶接手順を資格付けしてください。