Q355対Q390 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
Q355およびQ390は、建設、重機、一般的な製造に広く使用される高強度構造鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらの選択時に材料コスト、溶接性、靭性、最小設計降伏強度のトレードオフを頻繁に考慮します。典型的な意思決定の文脈には、溶接構造フレーム用の低コストグレードを選択することと、同じ荷重の下で断面サイズや重量を減らすために高強度グレードを選択することが含まれます。
両者の主な違いは、その強度の指定です：Q390はQ355よりも高い最小降伏強度が指定されており、これが加工、微合金化戦略、靭性制御、製造慣行の違いを生み出します。これらの鋼は、構造鋼製品ラインで隣接する強度階層を占めているため、一般的に比較され、溶接および成形構造の性能対コストで競争します。
1. 規格と指定
- これらのグレードが登場する主要な規格または近い同等物：
- GB/T（中国）：Q355、Q390（構造鋼）。
- EN（ヨーロッパ）：S355およびS420シリーズに類似の強度が見られますが、化学的および機械的要件は異なります。
- ASTM/ASME（アメリカ）：正確な直接同等物はありません。最も近い一般的なグレードにはASTM A572（グレード50/60）およびA656（正規化）が含まれますが、同等性は化学成分および機械データによって確認する必要があります。
-
JIS（日本）：類似の高強度構造鋼が存在しますが、直接のクロスリファレンスには確認が必要です。
-
分類：
- Q355およびQ390は、いずれも高強度、低合金の構造炭素鋼（HSLAファミリー）です。これらはステンレス鋼や工具鋼ではありません。一般的に、強度と靭性のバランスを得るために、制御された炭素含有量と微合金化（Nb、V、Ti）および熱機械的加工に依存しています。
2. 化学組成と合金化戦略
注：化学成分は供給者、製品形状、および特定のサブグレード（例：Q355A/B/C/D/E）によって異なります。以下の表は、商業用Q355およびQ390鋼で一般的に見られる指標的な存在と典型的な範囲を示しています。設計または溶接の前に、実際の値を製鋼所試験証明書（MTC）および適用される規格から確認してください。
| 元素 | Q355（典型的、指標的） | Q390（典型的、指標的） | 役割 / 効果 |
|---|---|---|---|
| C（炭素） | 低から中程度（約0.05–0.22%） | 低から中程度（約0.06–0.22%） | 強度と硬度を増加させ、含有量が増加するにつれて溶接性と靭性を減少させます。 |
| Mn（マンガン） | 0.6–1.6% | 0.6–1.6%（硬化性のためにしばしばやや高い） | 強化剤、脱酸剤；硬化性と引張強度を増加させます。 |
| Si（シリコン） | 0.02–0.5% | 0.02–0.5% | 脱酸剤；強度への影響は小さい。 |
| P（リン） | ≤0.035%（制御済み） | ≤0.035% | 不純物；高いPは靭性を減少させるため、低く保たれます。 |
| S（硫黄） | ≤0.035%（制御済み） | ≤0.035% | 不純物；高い場合は延性と加工性を減少させます。 |
| Cr（クロム） | 微量–低（存在する場合） | 微量–低（存在する場合） | 存在する場合、硬化性と強度を改善します。 |
| Ni（ニッケル） | 微量–低 | 微量–低 | 添加時に低温での靭性と強度を向上させます。 |
| Mo（モリブデン） | ≤0.1%（時折添加） | ≤0.1%（時折添加） | 硬化性とクリープ抵抗を改善します。 |
| V（バナジウム） | 微合金化（ppm–0.1%） | 微合金化（ppm–0.1%） | 強化のために炭化物/窒化物を析出させ、粒子の細化を改善します。 |
| Nb（ニオブ） | 微合金化（ppm–0.05%） | 微合金化（ppm–0.05%） | TMCPでの再結晶化を制御し、析出強化によって降伏を増加させます。 |
| Ti（チタン） | 可能な微合金化（ppm） | 可能な微合金化（ppm） | Nを制御し、粒子を細化します。 |
| B（ホウ素） | 微量（使用される場合） | 微量（使用される場合） | 非常に少量の添加が硬化性を増加させます。 |
| N（窒素） | 制御済み（ppm） | 制御済み（ppm） | 析出に影響を与え、Ti/Nbと組み合わせて強度のために窒化物を形成します。 |
合金化戦略の概要： - Q355は通常、適度な炭素とMnで生産され、降伏、延性、靭性のバランスを達成するために制御された圧延および/または正規化に依存します。 - Q390は、同様の基本化学を使用することが多いですが、より高い微合金化ややや調整されたMn/硬化性を取り入れて、靭性を維持しながらより高い最小降伏を達成します。これは、炭素の大幅な増加ではなく、熱機械的制御加工（TMCP）および微合金析出によって一般的に達成されます。
3. 微細構造と熱処理応答
- 典型的な微細構造：
- Q355：従来の熱間圧延または正規化製品のフェライト–パーライトマトリックス；TMCPを使用した場合は、より細かいフェライトと微合金析出物の分散。
-
Q390：一部のTMCP製品では、制御された割合のベイナイトを含む細粒フェライト；靭性を犠牲にすることなく降伏を高めるために、Nb/V/Tiからのより制御された析出強化が一般的です。
-
熱処理および加工の影響：
- 正規化は、粒子サイズを細化し、靭性を改善し、構造を均一化します—改善された衝撃特性が必要な場合に使用されます。
- 焼入れおよび焼戻しは、標準的なQ355/Q390構造製品形状には一般的ではありませんが、より高い強度と調整された靭性を達成するためにプレートや特注部品に使用されることがあります。
-
TMCP（熱機械的制御加工）は、両グレードに共通しており、制御された圧延、加速冷却、微合金析出を通じて高強度と良好な低温靭性を達成します—特にQ390にとっては、炭素を大幅に増加させることなく、より高い降伏目標を達成するのに効果的です。
-
実用的な注意：両グレードは、圧延または正規化条件で設計されています。完全な硬化熱処理は通常不要であり、正確なプロセス制御なしでは溶接性と延性を損なう可能性があります。
4. 機械的特性
以下の表は、商業用プレートおよびコイル製品で一般的に見られる代表的な機械的特性の範囲を示しています。値は厚さ、サブグレード（A/B/C/D/E）、および加工に依存します—常に供給者の試験証明書で確認してください。
| 特性 | Q355（典型的、指標的） | Q390（典型的、指標的） |
|---|---|---|
| 最小降伏強度（MPa） | ~355 MPa | ~390 MPa |
| 引張強度（MPa） | ~470–630 MPa（テンパーおよび厚さによって異なる） | ~490–650+ MPa（テンパーおよび厚さによって異なる） |
| 伸び（A%） | 高い延性範囲；例：薄いプレートの場合、典型的には20%+ | Q355と比較してやや減少；例：製品によってはしばしば低から中程度の10代から20%まで |
| シャルピー衝撃靭性 | 良好（指定され、適切なTMCP/正規化で製造された場合） | 同じ衝撃仕様を満たすために、処理により多くの注意が必要—可能ですが確認が必要 |
| 硬度（HB/HRB） | 中程度 | 一般的に強度を満たすためにやや高い |
解釈： - Q390は仕様上、より強いグレード（より高い降伏およびしばしばより高い引張）です。これを達成するには、微細構造の制御が必要であり、延性をわずかに減少させる可能性があり、制御されない場合は衝撃靭性に影響を与える可能性があります—特に厚いセクションや低温サービス条件では。 - Q355は一般的により延性があり、製造において許容度が高く、厚いセクションの指定された靭性を容易に達成できます。
5. 溶接性
重要な要素：炭素含有量、炭素当量、厚さ、微合金化元素の存在。
有用な経験的指標（解釈して定性的に使用；実際の化学成分で溶接手順の資格を計算）： - 国際溶接協会の炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 溶接性評価のためのPcm： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - Q355およびQ390は、より高炭素の工具鋼と比較して良好な溶接性を持つように設計されています。ただし、Q390のより高い強度目標は、しばしばやや高い硬化性（Mnまたは微合金化から）を意味し、これがQ355と比較して$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を上昇させる可能性があります。 - 実用的な影響： - 厚いQ390セクションでは、冷却亀裂を避けるために予熱およびインターパス温度を高くする必要があるかもしれません。 - 溶接消耗品および手順の選択（強度に合わせた適切なフィラー金属の靭性）は、実際のMTC値を使用して手順の資格を取得することによって決定されるべきです。 - 薄いセクションには後処理の熱処理はほとんど必要ありませんが、厚い溶接部品や重要なサービス条件が存在する場合には必要になることがあります。
6. 腐食および表面保護
- Q355およびQ390はステンレス鋼ではなく、腐食抵抗は炭素鋼の典型的なものです。
- 一般的な保護方法：
- 長期的な大気保護のための熱浸漬亜鉛メッキ。
- 環境に合わせた塗装システム、プライマーおよびコーティング（海洋、工業、農村）。
- 厳しい環境のためのクラッディングまたはメタライジング。
- ステンレスまたは耐腐食性の特性が必要な場合は、適切なステンレス合金を選択してください；PRENはQ355/Q390には適用されません。参考までに、ステンレス合金のPRENは： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 明確化：PRENはプレーン炭素HSLA鋼には無関係です—代わりにコーティング戦略や耐腐食合金を使用してください。
7. 製造、加工性、および成形性
- 切断：両グレードは酸素燃料切断、プラズマ、レーザー切断が容易です；エッジの品質とスケーリングは厚さおよび切断方法に依存します。
- 成形/曲げ：Q355は通常、名目上の降伏が低いため、より良い成形性（より大きな最小曲げ半径）を持っています。Q390は成形可能ですが、亀裂を避けるためにより大きな曲げ半径または段階的成形技術が必要です；強度が増すにつれてスプリングバックが増加します。
- 加工性：Q390の高強度（および関連する微合金化）は、Q355と比較して加工性をわずかに低下させる可能性があります；それに応じて工具と速度を選択してください。
- 表面仕上げ：両者は一般的な表面処理（ショットブラスト、プライミング、塗装）を受け入れます；溶接および製造は局所的に特性を変更し、歪み制御に注意が必要です。
8. 典型的な用途
| Q355 — 一般的な用途 | Q390 — 一般的な用途 |
|---|---|
| 標準強度要件を持つ構造ビーム、柱、橋 | より高い降伏による薄いセクションでの重量削減が必要な構造 |
| 一般的な鋼製造、フレーム、支持物、タンク（非加圧） | より高い強度対重量が望ましい重機フレーム |
| 高い靭性と良好な溶接性が優先される溶接構造 | クレーンレール、高負荷シャーシ部品、および断面モジュラスを最適化する設計 |
| 一般建設用のパイプおよびプロファイル（指定された場合） | TMCPを通じて制御された靭性で降伏を向上させる必要がある用途 |
選択の理由： - 延性、溶接性、コストが主な懸念事項であり、設計荷重が355 MPaの降伏によって満たされる場合はQ355を使用してください。 - より高い最小降伏が断面サイズや重量を減少させることを可能にし、製造プロセスと溶接手順が靭性を確保し、亀裂を避けるために制御されている場合はQ390を使用してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：Q390は通常、Q355よりもトンあたりやや高価で、より厳しい加工管理と潜在的な追加の微合金化によるものです。価格のプレミアムは市場、供給者、製品形状によって異なります。
- 入手可能性：Q355はより一般的に在庫され、より広範な製品形状と厚さで入手可能です。Q390の入手可能性は地域の製鋼所の生産と顧客の需要に依存し、一般的でない厚さや厳しい公差のプレートグレードには長いリードタイムが発生することがあります。
10. 概要と推奨
| 属性 | Q355 | Q390 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 非常に良好（より許容度が高い） | 良好ですが、より多くの注意が必要（より高い硬化性の可能性） |
| 強度–靭性のバランス | 多くの用途に対して良好な延性と靭性 | より高い強度、靭性に合わせるためのプロセス制御が必要 |
| コスト | 低い（一般的に） | 高い（一般的に） |
推奨： - 信頼性のある溶接性、より高い延性、広範な入手可能性を持つコスト効果の高い構造鋼が必要な場合はQ355を選択してください—設計降伏が355 MPaの最小を許可し、製造の容易さが重要な場合に理想的です。 - より高い最小降伏が断面サイズや重量を減少させる必要があり、靭性を維持するために加工、溶接手順、場合によっては予熱/インターパス条件を制御する準備ができている場合はQ390を選択してください—材料の強度が明確な設計または重量の利点を提供する高負荷構造に理想的です。
最終的な実用的な注意：常に製鋼所試験証明書から正確な化学組成と機械的特性を確認し、実際の材料ロット、厚さ、および意図されたサービス条件に対して溶接手順が資格を取得していることを確認してください。