Q390対Q420 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

Q390およびQ420は、中国および関連市場で一般的に指定される高強度構造鋼で、従来の軟鋼よりも高い降伏強度が必要な荷重支持用途に使用されます。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、強度、靭性、溶接性、成形性、コストのバランスを取る際に、これらの2つのグレードのいずれかを選択する必要があります。典型的な選択の文脈には、重工業（橋、クレーン、オフショアジャケット構造）、圧力支持フレーム、およびより厳しい降伏または重量削減目標を満たさなければならない構造部品が含まれます。

主な実用的な違いは、Q420がQ390よりも高い最小降伏強度を提供するように指定されていることで、これが鋼の生産方法（合金化、熱機械的処理、または熱処理）に影響を与え、したがって靭性、溶接性、成形挙動に影響を与えます。両者は高強度低合金（HSLA）鋼として分類され、ステンレス鋼や工具鋼ではないため、比較は強度と靭性のトレードオフ、製造制約、腐食に対する保護措置に焦点を当てます。

1. 規格と指定

• 比較可能なグレードが参照される一般的な国内および国際規格：
• GB/T（中国）：Qシリーズ鋼（例：Q390、Q420）は、中国の構造鋼の仕様で定義されています。
• EN（ヨーロッパ）：最も近い同等品は、特性に応じた構造Sグレード（例：S355またはS420）です。
• JIS（日本）：直接の1対1の対応はなく、JISグレードは他の指定に焦点を当てています。
• ASTM/ASME（米国）：直接の単一標準マッピングはなく、機械的/特性のマッチングを使用します（例：高強度構造鋼用のASTM A572）。
• 分類：Q390およびQ420は、構造用途に最適化されたHSLA（高強度低合金）炭素鋼です。これらはステンレス鋼、工具鋼、または特殊合金鋼ではありません。

2. 化学組成と合金戦略

HSLA Qシリーズ鋼の典型的な組成傾向は、強度を達成しながら靭性と溶接性を保持するために、低炭素と少量のマンガン、シリコン、および微合金元素の制御された添加を強調しています。以下の表は、示唆的な典型的範囲（wt%）を示しています。購入した材料の正確な組成は、ミル証明書または適用される標準で常に確認してください。

表：典型的な組成範囲（wt%） — 示唆的なものであり、正確な数値については仕様またはミル証明書を参照してください

元素	Q390（典型的範囲、wt%）	Q420（典型的範囲、wt%）
C	0.06 – 0.18	0.06 – 0.16
Mn	0.40 – 1.60	0.50 – 1.60
Si	0.10 – 0.50	0.10 – 0.50
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	0 – 0.50	0 – 0.50
Ni	0 – 0.30	0 – 0.30
Mo	0 – 0.10	0 – 0.10
V（微合金）	0 – 0.12	0 – 0.12
Nb（微合金）	0 – 0.08	0 – 0.08
Ti	0 – 0.02	0 – 0.02
B	0 – 0.002	0 – 0.002
N	0.005 – 0.020	0.005 – 0.020

説明 - 炭素：硬化性を制限し、溶接性を保持するために低から中程度に保たれます。高強度グレードでは、微合金化または熱機械的圧延と組み合わせて、やや低い炭素が使用されることがあります。 - マンガンとシリコン：強度を高め、脱酸剤として機能します。Mnは硬化性と引張強度に寄与します。 - 微合金化（V、Nb、Ti、B）：少量の添加により、析出強化と粒子細化が可能になり、溶接性を損なうことなく高い降伏強度を実現します。 - マイナー合金化（Cr、Ni、Mo）：特定の硬化性または環境耐性が必要な場合にのみ使用されます。

3. 微細構造と熱処理応答

Q390およびQ420の微細構造は、処理経路に応じて、通常は細かいフェライト-パーライトまたはフェライト-ベイナイトの混合物です： - 圧延/正規化：分散したパーライトを持つ細かいフェライトマトリックスが一般的です。正規化は粒子サイズを細かくし、靭性を改善します。 - 熱機械的処理（TMCP）：制御された圧延と加速冷却により、細かい多角形フェライトとベイナイトが促進され、合金含有量を低く抑えながら高い降伏強度を実現します — Q420の一般的な経路です。 - 焼入れと焼戻し：通常の構造Qグレードには典型的ではありませんが、高強度と靭性の組み合わせが必要な場合に使用されます。焼戻しマルテンサイトまたは焼戻しベイナイトを生成し、より高い硬度を得ます。 - 微合金析出：Nb、V、Tiの析出物が粒界を固定し、再結晶を抑制し、粒子細化と析出強化を通じて強度を提供します。

処理の影響 - Q420は、靭性を保持しながら高い保証降伏強度を達成するために、TMCPおよび微合金化に依存することが多く、同等の処理下でQ390と比較してベイナイト微細構造の割合がやや高くなることがあります。 - 熱処理（正規化対焼入れと焼戻し）は、靭性と硬度を大きく変える可能性があります。厚いセクションは冷却が遅く、したがって粗い微細構造と低い靭性を持ちます。

4. 機械的特性

表：典型的な機械的特性範囲（示唆的；厚さ、処理、標準に依存）

特性	Q390（典型的）	Q420（典型的）
最小降伏強度（Rp0.2）	≈ 390 MPa（指定）	≈ 420 MPa（指定）
引張強度（Rm）	~ 470 – 630 MPa	~ 520 – 680 MPa
伸び（A、% 50 mmあたり）	~ 20 – 26%	~ 17 – 22%
衝撃靭性（シャルピーVノッチ、J）	用途/グレード依存；通常は0°Cから−20°Cで指定；典型的には27 – 47 J	同様の範囲ですが、同じ厚さ/処理で平均して低くなる傾向があります
硬度（HB）	通常、同じ処理のQ420よりも低い	やや高く、高強度を反映しています

解釈 - 強度：Q420は、仕様により高い最小降伏強度を提供します。その強度を靭性を犠牲にせずに達成するには、炭素含有量を大幅に上げるのではなく、TMCPおよび微合金化に依存する傾向があります。 - 靭性対延性：同じ処理の場合、Q420はやや延性が低く、Q390よりも衝撃エネルギーが低くなる可能性があります。厚いセクションでの許容できる靭性を維持するためには、圧延と冷却の厳密な制御が必要です。 - 設計の影響：降伏に対するマージンが重要な場合や、重量削減が求められる場合はQ420を使用します。コストが低く、やや良い延性または衝撃靭性が必要な場合はQ390を使用します。

5. 溶接性

溶接性は主に炭素含有量、合金化（硬化性）、および微合金化によって支配されます。一般的に使用される2つの経験的指標は、IIW炭素等価とPcm式です：

• IIW炭素等価： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm式（冷間割れ感受性の推定のため）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈 - Q390およびQ420は、良好な溶接性をサポートするために比較的低い炭素で設計されています。ただし、Q420は微合金化およびTMCP誘導微細構造により、効果的な硬化性がやや高くなる可能性があり、高熱入力溶接や厚いセクションでのマルテンサイト形成のリスクが増加します。 - 厚いプレートやPcm/CE値が高いジョイントには、予熱、制御されたインターパス温度、および低水素消耗電極を使用してください。重要な用途には、溶接後熱処理（PWHT）が必要になる場合があります。 - 薄いから中程度の厚さのルーチンショップ溶接の場合、両方のグレードは適切な手順で容易に溶接可能です。Q420は、ジョイント設計と熱管理により注意を要することが多いです。

6. 腐食と表面保護

• Q390およびQ420は、いずれもステンレス鋼ではなく、ほとんどの炭素鋼と同様に大気および化学的腐食の影響を受けます。
• 標準的な保護戦略：熱浸漬亜鉛メッキ、亜鉛ラメラコーティング、エポキシ/ウレタン塗装システム、海洋/オフショア環境用の陰極保護、腐食に対する設計詳細（排水、異種金属の分離）です。
• PRENは適用されません：ステンレス鋼の場合、ピッティング抵抗等価数が関連します： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指標は炭素/HSLA鋼には使用されないため、PRENはQ390/Q420に適用されるべきではありません。

7. 製造、加工性、成形性

• 成形性：低強度のQ390は、同等の厚さでQ420よりも冷間成形性（曲げ性、プレス成形）が一般的に優れています。Q420は、より大きな曲げ半径または高い成形力を必要とする場合があります。
• 加工性：両方のグレードは類似しており、加工性は許容されますが、強度が増すと低下します。高強度（Q420）は通常、工具の摩耗を増加させ、より堅牢な工具と切削パラメータを要求します。
• 切断/溶接公差：Q420は、より高い降伏強度のために平坦性やスプリングバックに対してより敏感である可能性があります。製造公差はそれを考慮する必要があります。
• 表面仕上げ：両方とも塗料や亜鉛メッキに適しています。前処理と表面準備は標準です。

8. 典型的な用途

表：グレード別の典型的な用途

Q390（典型的な用途）	Q420（典型的な用途）
コスト効率と良好な延性が優先される一般的な構造ビーム、柱、フレーム	セクションサイズと重量を削減するために高い降伏強度が求められるクレーン部品、重い桁、橋の部材
中程度の負荷のシャーシおよび車両フレーム	腐食保護を伴う高強度対重量が重要なオフショアジャケット部材およびプラットフォーム部品
農業および建設機械	塑性降伏に対するマージンが厳しい高負荷構造部品（ホイスト、ウインチ、重機）
貯蔵タンクおよび非圧力構造シェル（適切な保護を伴う）	輸送構造における重量削減のために設計された製造部材

選択の理由 - 設計が重量削減、より小さなセクション、またはより高い構造負荷要求を満たすために高い降伏強度を必要とする場合はQ420を選択します。Q420は、製造工場が高強度材料の溶接手順と型枠を制御できる場合に好まれます。 - やや良い延性、成形の容易さ、低コスト/供給リスクが優先される場合はQ390を選択します。

9. コストと入手可能性

• コスト：Q420は、通常、より高い処理要求（TMCP、微合金化制御）および厳しい特性保証のため、Q390よりもトンあたりのコストが高くなります。価格差はミル、地域、製品形状（板、コイル、セクション）によって異なります。
• 入手可能性：Q390は、一般的な構造ミルやディストリビューターでより一般的に在庫されています。Q420は、HSLA鋼の需要が高い地域でより入手可能である可能性がありますが、特殊な製品形状や厚さには両方のグレードでリードタイムが必要な場合があります。

10. まとめと推奨

表：簡単な比較

基準	Q390	Q420
溶接性	良好；厚いセクションでやや良いマージン	良好だが、厚いセクションではより厳しい熱管理が必要
強度–靭性のバランス	延性/靭性に偏ったバランス	より高い降伏強度；延性/靭性の一部をトレードオフする可能性あり
コスト（相対的）	低い	高い

推奨事項 - Q390を選択する場合：コスト効率の良いHSLA鋼が必要で、適度な構造負荷に対して良好な延性と成形/溶接の容易さが求められる場合；製造速度と工具の摩耗を低く抑えることが優先される場合；または在庫の可用性と低価格が決定的な場合。 - Q420を選択する場合：設計がセクションサイズまたは重量を削減するために高い保証降伏強度を必要とする場合、または降伏に対する構造的マージンを増やす必要がある場合；製造および溶接手順が熱入力を制御でき、材料コストのわずかな増加を受け入れることができる場合。

最終的な注意 調達文書には、正確な標準、厚さの制限、必要な衝撃エネルギー（温度）、および溶接手順の資格を常に指定してください。ミル証明書およびバッチ試験報告書は、納入された化学成分および機械的結果がプロジェクトの性能および製造制約を満たしていることを確認するためにレビューする必要があります。