SA516 Gr60 対 Q345R – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
SA516（ASTM A516/A542ファミリー）グレード60と中国のQ345Rは、エンジニアや調達専門家が頻繁に比較する圧力容器および構造用鋼の2つの一般的に指定される材料です。選択のジレンマは、通常、強度とコスト（軽量構造のための高い降伏強度）を、破壊靭性と規格遵守（圧力を保持する、低温、または循環環境における材料の挙動）とのバランスを取ることに集中します。決定は、必要な降伏/引張レベル、必要なシャルピー衝撃性能、溶接制約、および地域の入手可能性によって駆動されることが一般的です。
両者の主な技術的な違いは、設計意図と名目上の強度の階層です：Q345Rは、より高い降伏強度を持つ低合金構造/圧力容器鋼（名目上の降伏強度が高い）として指定されているのに対し、SA516グレード60は、ボイラーや圧力用途に適した強度と低温靭性のバランスを提供するために設計された圧力容器用炭素鋼グレードです。したがって、強度対厚さと靭性/溶接性/仕様適合のトレードオフにおいて一緒に現れます。
1. 規格と指定
- SA516グレード60：ASTM A516/A516Mに準拠（ボイラーおよび圧力容器プレートのASMEセクションIIで一般的に参照される）。これは、圧力容器における中〜高温サービス用に製造された炭素鋼プレートです。炭素圧力容器鋼（非ステンレス、非工具）として分類されます。
- Q345R：中国の規格GB/T 713（圧力容器およびボイラー鋼板）で定義されている低合金構造/圧力容器鋼です。Q345は名目上の最小降伏強度345 MPaを示し、「R」サフィックスはプレートが圧力容器用であることを示します。低合金/HSLA圧力容器鋼として分類されます。
その他の関連規格（文脈的、参照用および同等物）： - EN：EN 10028シリーズは圧力容器鋼（例：P265GH、P355GH）をカバーしており、これはヨーロッパの実践において類似の役割を果たします。 - JIS：圧力容器鋼のためのJIS G3115および関連規格。 - GB：Q345Rの中国GB/T 713は直接的な国家規格です。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、各グレードの代表的な元素範囲を示しています。これらは指標であり、規範的な限界ではありません — 調達または設計のためには常に制御規格または製鋼所証明書を参照してください。
| 元素（wt%） | SA516グレード60（代表的） | Q345R（代表的） |
|---|---|---|
| C | ~0.20–0.28（低〜中程度） | ≤ ~0.18–0.22（制御された低） |
| Mn | ~0.60–1.10 | ~0.80–1.60 |
| Si | ~0.10–0.35 | ~0.15–0.50 |
| P | ≤ 0.035（最大） | ≤ 0.035（最大） |
| S | ≤ 0.035（最大） | ≤ 0.035（最大） |
| Cr | 微量〜少量（通常≤0.30） | 微量〜少量（≤0.30） |
| Ni | 微量（通常≤0.30） | 微量（通常≤0.30） |
| Mo | 通常≤0.08 | 通常≤0.08 |
| V, Nb, Ti | 通常なしまたは一部の熱処理で微合金化 | 一部のバッチで微合金化（Nb、V、Ti）を含む場合があります |
| B, N | 制御された場合のppmレベル | 制御された場合のppmレベル |
合金化が性能に与える影響： - 炭素（C）は強度と硬化性を高めますが、過剰合金化すると溶接性と靭性が低下します。両グレードはバランスを保つためにCを中程度に保っています。 - マンガン（Mn）は硬化性と強度を増加させます；Q345Rはしばしばその高い降伏目標を達成するためにより高いMnを持っています。 - シリコン（Si）は脱酸剤であり、強度をわずかに増加させることができます。 - 微合金化元素（Nb、V、Ti）は、Q345Rのバリエーションで使用され、靭性を犠牲にすることなく降伏強度を高めるために粒子細化と析出強化を行います。 - クロム、ニッケル、モリブデンが少量存在する場合、硬化性と高温強度を増加させます。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - SA516グレード60：通常、正規化または圧延されたプレートとして製造され、制御された粒子サイズを持つフェライト-パーライトマトリックスを生成します。微細構造は良好な靭性を強調します（細かくされたフェライトと均等に分散したパーライト）。通常、焼入れおよび焼戻し状態で供給されることはありません。 - Q345R：制御された圧延と、多くの場合、微合金化および熱機械処理（TMCP）を用いて製造され、冷却速度に応じて細かいフェライトまたはベイナイト-フェライト微細構造を生成します。これにより、高い降伏強度を維持しながら良好な靭性を保持します。
熱処理応答： - 正規化：両鋼は正規化（加熱後、空冷）に応じて粒子細化と靭性の向上を示しますが、Q345RのTMCPルートはしばしば別々の正規化を不要にします。 - 焼入れおよび焼戻し：標準供給形態ではどちらのグレードにも一般的ではありません；焼入れおよび焼戻しは強度を大幅に高めることができますが、靭性が変化し、溶接後の熱処理の考慮が必要になります。SA516は通常、圧力容器用に圧延または正規化された状態で使用されます。 - 熱機械圧延（TMCP）：Q345R（および他のHSLA鋼）に一般的で、高い降伏強度と良好な靭性を達成するために使用されます；これにより、微細構造が細かくなり、与えられた厚さに対して高い降伏強度が得られます。
4. 機械的特性
代表的な機械的挙動（指標範囲；供給者の試験証明書で確認）：
| 特性 | SA516グレード60（典型的） | Q345R（典型的） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | 中程度；典型的な範囲 ~410–520 MPa | 中〜高；典型的な範囲 ~470–630 MPa |
| 降伏強度（MPa） | 中程度；一般的にQ345Rより低い（厚さによる） | 高い；名目上の目標 ~345 MPa（グレード指定に従う） |
| 伸び（A%） | 良好な延性；しばしば≥20%（厚さによる） | 良好な延性；しばしば≥17–22%（厚さ依存） |
| 衝撃靭性（シャルピーVノッチ） | 指定された温度で良好な衝撃エネルギーを設計（圧力容器性能） | 良好な靭性、指定されたCVN温度で確保されることが多いが、加工に依存 |
| 硬度（HBW） | 中程度（成形/溶接に適している） | 中程度からやや高い（熱処理および微合金化に依存） |
説明： - Q345Rは、（その命名規則と設計意図によって）より高い降伏レベルを目指しており、通常、同じ荷重に対して軽量セクションを可能にしますが、より高い降伏は延性に敏感な設計の余裕を減少させる可能性があります。 - SA516グレード60は、指定された衝撃温度での圧力容器サービスのために設計され、薄〜中程度の厚さのプレートでの破壊靭性に自信を与えます。 - 実際の値はプレートの厚さ、圧延スケジュール、および熱処理によって異なります。最終設計のためには常に製鋼所証明書と材料試験を使用してください。
5. 溶接性
溶接性の考慮は、炭素含有量、硬化性（Mn、Cr、Mo）、および微合金化に依存します。2つの有用な経験的指標は、IIW炭素当量とPcm式です：
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈（定性的）： - 低い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$は、低い予熱要件での溶接性の向上を示唆します。SA516グレード60とQ345Rの両方は、一般的なプロセス（SMAW、GMAW、SAW）を使用して溶接可能であることを意図していますが、パラメータは異なります。 - SA516グレード60：中程度の炭素と制御された合金化により、従来の容器製造に対して容易に溶接可能です；厚いセクションや低温サービスの場合、予熱とPWHTに注意が必要で、これにより水素割れを避け、靭性を保持します。 - Q345R：やや高いMnと可能な微合金化により、硬化性がやや増加します；厚いセクションの場合、予熱と制御されたインターパス温度が必要になる場合があります。Q345Rは通常溶接可能ですが、GB/Tの溶接推奨事項および資格手続きを遵守する必要があります。 - 両方の場合において、資格のある溶接手順（WPS/PQR）を使用し、設計コードに従って溶接後の非破壊試験および衝撃試験を実施してください。
6. 腐食および表面保護
- これらは非ステンレス鋼であり、内因性の腐食抵抗は限られています。
- 標準的な保護：コーティング（エポキシ、ポリウレタン）、プライマー、塗装システム、およびホットディップ亜鉛メッキ（適切な場合）を一般的に使用します。選択はサービス環境（大気、海洋スプラッシュ、化学曝露）に依存します。
- PRENのようなステンレス指標は、SA516グレード60またはQ345Rには適用されません。なぜなら、これらはステンレスクロムレベルを持たない炭素/低合金鋼だからです。ステンレス材料の場合、指標は次のようになります：
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
しかし、これはこれらのグレードには関連しません。
7. 製造、加工性、および成形性
- 切断：両グレードは、標準的な熱的（プラズマ、酸素燃料）および機械的（鋸引き）方法で加工および切断できます。スラグの付着とHAZ特性には通常の切断後処理が必要です。
- 曲げ/成形：SA516グレード60は、フェライト-パーライト構造のために通常良好な成形性を持ち、広く冷間成形されてシェルに使用されます。Q345Rは、より高い降伏材料として、タイトな曲げにはあまり寛容ではなく、スプリングバックと必要な曲げ半径は、より高い降伏および加工硬化挙動に合わせて調整する必要があります。
- 加工性：両者は典型的な炭素鋼と同様の加工性を持ちます；Q345Rは合金化に応じてやや研磨性が高い場合があります。適切な工具とフィードを使用し、重い製造の場合には指定があれば予熱を考慮する必要があります。
- 表面仕上げ：溶接、研削、および溶接後の清掃は、標準的な容器製造の実践に従います；コーティング前のスケール除去は不可欠です。
8. 典型的な用途
| SA516グレード60 | Q345R |
|---|---|
| ボイラー用の圧力容器シェルおよびヘッド、中圧容器、低温靭性が要求されるタンク | 高い降伏と低い重量が求められる圧力容器プレート；地域の実践における大規模な構造用溶接圧力容器 |
| ASME/ASTM仕様に準拠する必要がある貯蔵および輸送タンク | GB/Tの実践に従ったボイラーおよび容器；高い降伏が断面サイズを減少させる構造部品 |
| 証明されたCVN性能が要求される低温および循環サービス | TMCPおよびHSLAの利点が使用される一般的な構造および圧力用途 |
選択の理由： - 設計が検証された圧力容器性能、指定されたシャルピー衝撃レベル、およびASME/ASTMの管轄における広範な受け入れを強調する場合はSA516グレード60を選択してください。 - プロジェクトが中国の規格に指定されている場合や、設計者が厚さあたりの高い降伏とGB/T規格が支配する地域での好ましい入手可能性を求める場合はQ345Rを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：Q345Rは、GB/T製品が大量に生産される地域ではコスト競争力があるか、低いことが多いです；より高い降伏は重量と総材料コストを削減できます。SA516グレード60は、ASME認証プレートおよび文書が必要な地域ではプレミアムがかかる場合があります。
- 入手可能性：SA516グレード60は、ASMEコードの遵守が求められる世界中で広く入手可能です；Q345Rは、中国およびGB/T規格に向けた供給チェーンで広く入手可能です。製品形態（コイル、プレート、カット・トゥ・レングス）および厚さの入手可能性は製鋼所および地域によって異なります。
10. まとめと推奨
まとめ表（定性的）：
| 属性 | SA516グレード60 | Q345R |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（容器製造用に設計されている） | 良好だが、やや高い硬化性の可能性 — WPSに従う |
| 強度-靭性バランス | 容器の靭性と延性に最適化されている | 高い降伏；TMCP/微合金化時に良好な靭性 |
| コスト / 入手可能性 | ASME市場で一般的；中程度のコスト | GB/T市場でしばしば低コスト；地域的に高い入手可能性 |
推奨： - 文書化されたシャルピー衝撃性能、低温サービスでの実証された挙動、およびボイラーや容器に対する広範なコード受け入れが必要な場合はSA516グレード60を選択してください。 - プロジェクトがGB/T規格に従う場合や、断面厚さ/コストを削減するために高い名目上の降伏（345 MPa）が必要で、意図したサービス環境に対して溶接手順と靭性を確認できる場合はQ345Rを選択してください。
締めくくりのメモ：両材料は成熟した、よく理解された鋼です。最終的な材料選択は、制御設計コード、運転温度での必要な機械的および衝撃特性、溶接および製造制約、供給チェーンの考慮によって駆動されるべきです。常に製鋼所証明書から化学および機械データを確認し、必要に応じて特定の試験（引張、CVN、PWHT検証）を要求して、サービスに適合することを確認してください。