Q370R 対 Q420R – 成分、熱処理、特性、および用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
はじめに
Q370RおよびQ420Rは、中国の圧力容器用鋼の名称であり、圧力を保持する機器向けの高強度で非ステンレスの構造鋼を示します。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2つのグレードの間で選択のジレンマに直面することが一般的です。比較的加工と溶接が容易な低強度グレードを選ぶか、薄いセクションと重量削減を可能にする高強度グレードを選ぶかの選択です。ただし、高強度グレードは、より厳しい熱処理および溶接管理を課す可能性があります。
これらのグレード間の基本的なトレードオフは、実現可能な設計強度と、製造における実用的な溶接性および靭性管理のバランスです。両方のグレードは、圧力容器、ボイラー、および重構造部品など、類似の用途領域で使用されるため、合金戦略、熱処理に対する微細構造の応答、機械的挙動、および製造の影響における違いを理解することは、最適な材料選択にとって不可欠です。
1. 規格と指定
- 主要な国家システム：中国のGB（国家規格）。これらの指定の接尾辞「R」は、圧力保持機器への適用を示します。
- ASTM/ASMEまたはENシステムにおいて、単一の直接的な1対1の対応はありません。国際規格に対する選択は、直接的なグレードの置き換えではなく、必要な機械的および靭性特性を一致させることによって行うべきです。
- 分類：Q370RおよびQ420Rは、圧力容器用のHSLAタイプ鋼として一般的に分類される非ステンレスの高強度炭素マンガン（低合金）鋼です。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、比較のための典型的な組成要素を要約しています。正確な保証された化学範囲は、製造者および標準シート/仕様によって異なります。表は、誤解を避けるために数値ではなく定性的な指標を意図的に使用しています。
| 元素 | Q370R（典型的な強調） | Q420R（典型的な強調） |
|---|---|---|
| C（炭素） | 中程度 — 強度と溶接性のバランスを取るように制御 | わずかに高いか、降伏強度を上げるために異なる制御 |
| Mn（マンガン） | 中程度 — 主な強度および脱酸素化元素 | 中程度から高い — 強度と硬化性に寄与 |
| Si（シリコン） | 低–中程度 — 脱酸素化、限られた強化 | 低–中程度 |
| P（リン） | 低く保たれる — 不純物管理 | 低く保たれる |
| S（硫黄） | 靭性と溶接性のために最小限に抑えられる | 最小限に抑えられる |
| Cr（クロム） | 通常非常に低いか存在しない | 一部のバリアントに微量存在する可能性がある |
| Ni（ニッケル） | 通常低いか存在しない | 通常低いか存在しない |
| Mo（モリブデン） | しばしば存在しないか最小限 | 硬化性を改善するために小量存在することがある |
| V、Nb、Ti（微合金化） | 粒子細化のために微量の微合金化を含む可能性がある | 与えられた厚さで強度を増加させるために微合金化を含む可能性が高い |
| B（ホウ素） | 通常存在しないか微量 | 一部の高強度バリアントで微量のBが使用されることがある |
| N（窒素） | 不純物/二次強化として制御される | 制御される |
合金化が挙動に与える影響： - 炭素とマンガンは主な強化剤であり、それらを増加させると降伏強度と引張強度が上昇しますが、硬化性と溶接熱影響部（HAZ）における硬いマルテンサイトの形成傾向も増加します。 - 微合金化元素（Nb、V、Ti）は、析出強化と粒子細化を提供し、過剰な炭素なしで高強度を実現し、適切に処理された場合に靭性を改善します。 - MoまたはCrの少量の添加は、硬化性と高温強度を増加させることができますが、注意深く管理しないと溶接性に悪影響を及ぼす可能性があります。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - 従来の処理の下で、Q370Rは良好な延性と靭性のバランスを考慮して設計された細粒のフェライト-パーライトまたはフェライトプラスバイナイト微細構造に傾く傾向があります。 - Q420Rは、より高い降伏/引張特性を目指しており、通常、より細粒のフェライトに、より多くのバイナイトまたはテンパー処理されたマルテンサイト成分を重いセクションまたは熱機械処理を使用する際に依存します。微合金化と制御された圧延/正規化は、過剰な炭素含量なしで強度を達成するための手段です。
熱処理および加工の影響： - 正規化（加熱後の空冷）は、両方のグレードの粒子サイズを細かくし、微細構造を均一化し、靭性を改善します。 - 急冷およびテンパー処理（Q&T）は、バルク圧力容器プレートにはあまり一般的ではありませんが、より高い強度と制御された靭性を必要とする部品には適用される可能性があります。Q420Rは、指定された値に到達するために熱機械圧延または正規化と制御冷却で生産または仕上げされる可能性が高いです。 - 加速冷却を伴う熱機械制御加工（TMCP）は、強度と靭性を同時に改善する細粒のバイナイト/フェライト微細構造を生成することができ、特にQ420Rでは強度目標が高いために有用です。
4. 機械的特性
数値保証は仕様および製造者によって異なるため、以下の比較は定性的であり、意図された仕様の範囲内での相対的な期待を示しています。
| 特性 | Q370R | Q420R |
|---|---|---|
| 引張強度 | 中程度 | 高い（より高い強度クラスを満たすように設計されている） |
| 降伏強度 | 中程度 | 高い（主な差別化要因） |
| 伸び（延性） | 良好 | 良好だが、高強度のため同じ厚さでわずかに減少 |
| 衝撃靭性 | 一般的に良好（圧力使用向けに設計されている） | 同等である可能性があるが、比較可能な靭性を確保するためにはより厳しい加工と管理が必要 |
| 硬度 | 中程度 | 高い（高強度を反映） |
解釈： - Q420Rは、より高い降伏強度と引張強度を提供するように設計されています。適切な靭性を維持するために、製造者は単純な炭素の増加ではなく、微合金化と制御された熱機械加工に依存しています。 - 加工と品質管理が厳しくない場合、高強度グレードは延性が低下し、特に厚いセクションや低温サービスにおいて脆性破壊メカニズムに対する感受性が増加する可能性があります。
5. 溶接性
溶接性は主に炭素含量、硬化性のための効果的な合金化、および残留不純物レベルに依存します。溶接性を評価するために使用される2つの一般的な経験的指標：
-
炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm（溶接亀裂感受性のためのより保守的な指標）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - Q370Rは通常、Q420Rよりも低い効果的な炭素当量を持ち、前加熱/後溶接要件が容易で、HAZの硬化や冷間亀裂のリスクが低くなります。 - Q420Rは、より高い強度目標と潜在的な微合金添加物またはわずかに高いMnのため、通常はより高いCEまたはPcmを持ち、したがって、より厳格な溶接手順を必要とする可能性があります：制御されたインターパス温度、前加熱、場合によっては後溶接熱処理（PWHT）、または低水素消耗品。 - 適切に指定された溶接消耗品、制御された熱入力、および水素管理は、Q420RのHAZ靭性を維持し、脆性破壊を避けるために必要です。溶接手順の資格は、代表的な厚さで実施されるべきです。
6. 腐食と表面保護
- Q370RおよびQ420Rは、非ステンレスの炭素/低合金鋼であり、ステンレスグレードのような内因的な腐食抵抗を提供しません。
- 標準的な保護戦略：塗装/コーティングシステム、亜鉛メッキ（熱浸漬または電気）、腐食防止剤、またはサービス環境に応じたクラッディング/ライニング。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの非ステンレス鋼には適用されません。参考までに、ステンレス合金に使用される一般的なPREN式は： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 腐食環境の選択は、適切な保護システムまたは必要に応じてステンレス/合金クラッディングの選択に焦点を当てるべきです。
7. 製造、加工性、および成形性
- 切断：両方のグレードは、現代の酸素燃料、プラズマ、またはレーザー処理で同様に切断されますが、Q420Rの高強度はわずかに多くの電力を要求し、より硬い切り口/残留物を生成する可能性があります。
- 曲げおよび成形：Q370Rは、わずかに低い降伏強度のため、一般的に冷間成形および曲げに対してより耐性があります。Q420Rは、より厳しい曲げ半径の制御を必要とし、厚いセクションのためにより大きな成形許容値または温間成形を必要とする場合があります。
- 加工性：両方はプレート形状で合理的に加工可能ですが、高強度の微合金鋼（Q420R）は工具の摩耗を加速させる可能性があります。工具のグレードと切削パラメータは、それに応じて調整する必要があります。
- 仕上げ：表面処理（ショットブラスト、研削）は大きく異なりませんが、Q420Rの高硬度はプロセスタイムに影響を与える可能性があります。
8. 典型的な用途
| Q370R — 典型的な用途 | Q420R — 典型的な用途 |
|---|---|
| 良好な靭性と簡単な製造が優先される一般的な圧力容器およびボイラー | 高い設計強度が薄いセクションまたは重量削減設計を可能にする圧力容器および構造部品 |
| 内部圧力が中程度で、溶接生産性が重要なタンクおよび容器 | 高圧容器、重-duty構造フレーム、およびより高い応力要求にさらされる部品 |
| コストに敏感な製造と簡単な溶接手順が望まれる用途 | 質量を最小限に抑えるか、許容応力を最大化することが重要で、製造管理が強化できる用途 |
選択の理由： - 製造速度、簡単な溶接手順、および厚いプレートでの実績のある靭性が最優先の場合はQ370Rを選択してください。 - 設計制約がより高い許容応力を要求する場合や、重量/厚さを最小限に抑える必要があり、より厳格な溶接手順と品質管理を受け入れられる場合はQ420Rを選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：Q420Rは、より高い強度処理、潜在的な微合金添加物、および厳格な品質管理のため、一般的にQ370Rよりも1キログラムあたりのコストが高くなります。ただし、薄いQ420Rセクションを使用することによる重量削減は、総部品コストにおいて材料コストを相殺する可能性があります。
- 入手可能性：両方のグレードは、中国のグレードが供給される市場で圧力機器用に一般的にプレート形状で生産されます。地域の供給チェーンや製造所の生産に依存します。リードタイムは、厚さ、テンパー、および試験要件によって影響を受ける可能性があります。
10. まとめと推奨
| 特性 | Q370R | Q420R |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れている / 標準手順で容易に溶接可能 | より厳格な溶接管理が必要で、時には前加熱/PWHTが必要 |
| 強度–靭性のバランス | 靭性と延性を優先した良好なバランス | 高い強度；靭性は達成可能だが、制御された加工が必要 |
| コスト（材料ベース） | キログラムあたり低い | キログラムあたり高いが、薄いセクションによる全体的なコスト削減の可能性 |
結論としての推奨： - 製造生産性、簡単な溶接手順、および標準的な厚さとマージンが許容される従来の圧力容器作業において、 robustな靭性を優先する場合はQ370Rを選択してください。 - 設計がより高い許容応力を必要とする場合や、重量/厚さを最小限に抑える必要があり、より厳格な調達/加工管理を強制できる場合、適格な溶接手順を指定し、靭性とHAZ挙動のためのサプライヤーのプロセス能力を確保できる場合はQ420Rを選択してください。
最後の注意：常にグレード選択は特定のコード要件、厚さ依存の特性表、およびプロジェクトの溶接手順の資格に基づいて行ってください。疑問がある場合は、製鋼所の材料証明書を要求し、必要な衝撃エネルギーと硬度の制限を指定し、部品の厚さと接合構成を代表する溶接手順および資格試験を実施してください。