Q390対Q420 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
Q390とQ420は、建設、重機械、製造業界で広く指定されている高強度構造用鋼の2つです。エンジニアや調達チームは、強度要件、製造の複雑さ、ライフサイクルコストのバランスを取る際に、しばしばこれらの間で選択します。たとえば、溶接性が容易な低コストグレードと、断面サイズと重量を削減する高強度グレードの選択です。
主な技術的な違いは、Q420がQ390よりも高い最小降伏強度を指定されていることであり、その高い降伏強度を達成するには、通常、より厳密な成分管理と強力な微合金化/硬化性戦略が必要で、これが溶接性や成形挙動に影響を与える可能性があります。したがって、デザイナーが高い強度（および潜在的な重量削減）と製造の容易さおよび靭性性能を天秤にかける必要がある場合、これらの2つのグレードが比較されます。
1. 規格と指定
- これらのグレードを参照する一般的な規格には、以下が含まれます：
- 中国規格GB/T 1591 — 高強度低合金構造用鋼（Q指定が由来する規格）。
- 地域の同等物/類似物はプロジェクト文書に指定される場合がありますが、Q390/Q420はASTM名ではなくGBスタイルの降伏ベースの指定です。
- 分類：
- Q390とQ420は、主に構造用途向けに設計されたHSLA（高強度低合金）炭素鋼です（ステンレス鋼や工具鋼ではありません）。
- これらはステンレス鋼ではなく、微合金化と制御された化学組成を持つ炭素ベースの構造用鋼です。
2. 化学組成と合金戦略
- 両グレードは、制御された合金化を伴う低炭素ベースを使用し、微合金化元素（V、Nb、Ti、B）や、一部の供給バリエーションにおけるCr/Moの小さな添加を含む場合があります。正確な限界は規格の版や製造者によって異なるため、ミル証明書を常に参照する必要があります。
| 元素 | Q390 / Q420における典型的な役割と存在 |
|---|---|
| C（炭素） | 溶接性と靭性を保つための低炭素含有量；両グレードは強度のために高炭素ではなく制御されたCに依存しています。 |
| Mn（マンガン） | 主な強化元素および脱酸素剤；硬化性と引張特性を向上させるために適度な量で存在します。 |
| Si（シリコン） | 脱酸化および強度への寄与；溶接性の問題を避けるために適度に保たれています。 |
| P（リン） | 脆化と靭性の喪失を避けるために不純物として低く保たれています。 |
| S（硫黄） | 最小限に抑えられています；微量で存在する場合があり、加工性のために制御されていますが、靭性のためには減少しています。 |
| Cr（クロム） | 通常は低いか存在しない；特定のバリエーションで硬化性を改善するために少量が使用される場合があります。 |
| Ni（ニッケル） | 標準Qグレードでは一般的ではありません；靭性のために特別なバリエーションでのみ現れる場合があります。 |
| Mo（モリブデン） | 硬化性を改善するために特別に指定された鋼に小量が時折追加されます。 |
| V（バナジウム） | 析出強化と粒子細化のための一般的な微合金化元素です。 |
| Nb（ニオブ） | 微合金化を通じて粒子細化と強化に使用されます（TMCP製品に一般的）。 |
| Ti（チタン） | 脱酸素剤として存在し、TiNを介してNを制御します；使用されるときに細かい粒径に寄与します。 |
| B（ホウ素） | 非常に少量で使用される場合、硬化性を大幅に向上させます；厳密に制御されています。 |
| N（窒素） | 制御されており；Ti/Nbと相互作用して安定した窒化物を形成し、粒径と靭性に影響を与えます。 |
説明：Q390とQ420の主な合金戦略は、低炭素を維持し、微合金化（V、Nb、Ti、および時折B）を熱機械処理と組み合わせて、要求される降伏強度を靭性と溶接性を考慮して得ることです。高い降伏要件を満たすように設計されたQ420バリエーションは、Q390に対して硬化性を相対的に増加させる微合金化または熱機械的制御にやや依存する場合があります。
3. 微細構造と熱処理応答
- 典型的な微細構造：
- 圧延またはTMCP（熱機械制御加工）製品：冷却速度と微合金添加に応じて、細かいフェライト-パーライトまたは制御されたベイナイト成分を含むフェライト。
- Q390は、主に細かいフェライト微細構造とNb/V/Tiからの分散した析出物で必要な強度を達成することがよくあります。
- Q420は、いくつかの加工ルートで高い降伏を達成するために、低温変態生成物（細かいベイナイトまたはテンパー処理されたマルテンサイト島）の割合が高くなる場合があります。
- 熱処理応答：
- 正規化：以前のオーステナイト粒子サイズを細かくし、靭性を改善することができます；両グレードは正規化に応じて均一性が改善されますが、得られる利点は厚さと組成に依存します。
- 焼入れとテンパー：標準的なコモディティQグレードには通常使用されません（コストと歪みの懸念）、ただし、亜臨界テンパー/制御冷却は、必要に応じて高い強度と靭性を生み出すことができます。
- TMCP：最も一般的なルート — 制御された圧延の後、加速冷却が細かい粒構造と分散強化を生み出します；両グレードに効果的ですが、Q420の熱処理スケジュールは、衝撃靭性を犠牲にすることなく高い降伏を確保するように最適化されています。
4. 機械的特性
注意：機械的特性は厚さ、加工（TMCP、正規化）、および試験温度に依存します。グレード名の降伏値は、指定された試験条件下での保証された最小降伏強度をMPaで示します。
| 特性 | Q390（典型的） | Q420（典型的） |
|---|---|---|
| 最小降伏強度（MPa） | 390（指定） | 420（指定） |
| 引張強度（MPa） | 適度；降伏以上のマージンは加工によって異なります（一般的な範囲はミル仕様と厚さに依存） | 高い降伏を維持するために必要な全体的な引張範囲が高い |
| 伸び（%） | 構造用鋼に対して一般的に良好な靭性（厚さに依存） | 同等の加工に対してQ390に比べて靭性がわずかに低下する場合があり、微合金化/硬化性によって高い強度が達成される場合 |
| 衝撃靭性（指定温度でのJ） | TMCPと低Cが使用されると良好；一般的なサービス温度で靭性を保持 | 高い硬化性が脆い微細構造への感受性を高める場合、靭性が同等またはわずかに低下する |
| 硬度（HB、典型的） | 同様の加工に対してQ420より低い | 高い降伏のために高い；加工性と圧痕抵抗に影響を与える |
解釈：Q420は仕様によって意図的に強度が高く、強度が主に微合金化と制御された加工を通じて達成される場合、靭性は受け入れ可能なまま維持されることがあります。しかし、高い強度目標は加工ウィンドウを狭めます：Q420を達成することは硬化性を増加させる可能性があり、慎重な合金設計と熱処理によって補償されない場合、内在的な溶接性と延性を低下させる可能性があります。
5. 溶接性
- 溶接性の考慮事項は、炭素含有量、炭素当量、および微合金化または硬化性を増加させる元素の存在に焦点を当てています。
- 有用な指標：
- 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Pcm（溶接性パラメータ）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- 定性的解釈：
- 低炭素および低CE値は、低い予熱と冷間亀裂のリスクを減少させることで、溶接性が容易であることを示します。
- Q390は、やや低い強度が要求されるように設計されているため、Q420バリエーションと比較してCEが低いことが多く、一般的に予熱が少なくて済むため、溶接が容易です。
- Q420は成功裏に溶接できますが、硬いマルテンサイトゾーンや水素冷間亀裂を避けるために、厚い部分ではより保守的な予熱/インターパス温度、水素管理、および溶接後熱処理（PWHT）が必要になる場合があります。
- 実用的な推奨事項：
- 厚さと計算されたCE/Pcmに基づいて、必要に応じて低水素消耗品を使用し、予熱を行ってください。
- 重要な用途の場合、ミルの溶接性データを要求し、代表的な厚さでの資格溶接手順を考慮してください。
6. 腐食と表面保護
- これらは炭素HSLA鋼であり、ステンレス鋼のように腐食に対して耐性があるわけではありません。
- 典型的な保護方法：熱浸漬亜鉛メッキ、亜鉛電気メッキ（適切な場合）、有機コーティング（プライマー/トップコート）、および海洋または攻撃的な工業環境向けの特殊コーティング。
- PREN（ピッティング耐性等価数）はQグレードには適用されません。なぜなら、これらはステンレス鋼ではないからです： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- この指標は、重要なCr、Mo、およびNを含むステンレス合金にのみ適用され、Q390/Q420には使用すべきではありません。
- 選択ポイント：腐食耐性がプロジェクトの推進要因である場合、保護システムを指定するか、基材鋼の化学組成に依存するのではなく、ステンレス/デュプレックス合金を検討してください。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性：
- 両グレードは標準的な手法で加工可能です；高強度（Q420）は通常、工具の摩耗を増加させ、フィード/スピードの調整が必要になる場合があります。
- 成形性と曲げ：
- 低降伏鋼（Q390）は、一般的にひび割れなく狭い半径に成形および曲げるのが容易です；Q420は、より大きな曲げ半径または制御された成形方法が必要になる場合があります。
- 切断および熱処理プロセス：
- 熱切断（プラズマ/酸素燃料）は両グレードで類似していますが、切断後のエッジ条件や熱影響部は、下流の疲労や溶接に対して考慮する必要があります。
- 表面仕上げ：
- 塗装やメッキの場合、表面の清浄度と前処理は同じです；Q420の硬い表面は、研磨仕上げに影響を与える可能性があります。
8. 典型的な用途
| Q390 — 一般的な用途 | Q420 — 一般的な用途 |
|---|---|
| 適度な高強度と良好な溶接性が必要な一般的な構造鋼作業（建物のフレーム、非重要な橋、プラットフォーム） | 重量削減が重要な重い構造用途（長大橋、重クレーン、大型土木機械） |
| 製造速度と溶接の容易さが優先される構造部品 | 同じ荷重に対してより大きな断面モジュラスが必要な部品（容量を維持しながら板厚を減少） |
| 二次構造部材、一般的な製造 | 主要な荷重支持部材、高容量構造部材、および特殊な溶接構造 |
選択の理由：製造の容易さ、低コスト、良好な靭性が主な場合はQ390を選択してください。単位面積あたりの高強度と重量/スペースの削減が必要で、製造計画がやや厳格な溶接/成形管理を受け入れる場合はQ420を選択してください。
9. コストと供給状況
- 相対コスト：
- Q420は、より高い保証降伏強度とおそらくより厳密な成分/加工管理のため、通常Q390よりも適度なプレミアムを要求します。
- 供給状況：
- 両グレードは、GB規格が一般的な地域の主要な製鋼所で広く生産されています。製品形態（板、コイル、セクション）による供給状況は、市場や厚さによって異なる場合があります。
- 調達ノート：
- 大規模プロジェクトの場合、最良のリードタイムと価格を確保するために、必要な納品基準、機械的特性の受け入れ基準、および供給形態を早めに指定してください。
10. まとめと推奨
| 基準 | Q390 | Q420 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（一般的にCEが低い） | 良好だが、より多くの予熱/制御が必要な場合がある |
| 強度–靭性のバランス | 良好、多くのTMCP製品に対して好ましい靭性 | 強度が高い；靭性は達成可能だが、より厳密な制御が必要 |
| コスト | 低い | 高い（適度なプレミアム） |
結論： - 製造と溶接が容易で、やや低い材料コストで良好な靭性を優先する場合はQ390を選択してください。また、断面サイズが低い最小降伏を許容できる場合。 - 断面サイズや重量を減少させるために高い設計降伏が必要で、製造中により厳格な溶接、成形、熱制御を受け入れられる場合はQ420を選択してください。
実用的な最終ノート：常に供給者のミル証明書、熱処理記録、および供給ロットの溶接性ガイダンスを要求してください。重要な構造物の場合、代表的な厚さと加工条件での資格溶接を要求し、現場での性能を確保するためにサービス温度での衝撃エネルギーと靭性の制限を指定することを検討してください。