炭素当量｜鋼材の溶接割れやすさを示す指標

炭素当量

炭素当量とは、鋼材に含まれる炭素以外の合金元素が焼入れ性や溶接性に及ぼす影響を、炭素の量に換算して数値化した指標である。鋼中に存在するマンガンやクロム、モリブデンといった元素は、それぞれ焼きが入りやすさに寄与する度合いが異なるため、炭素の含有率だけでは材料の性質を正確に評価できない場合が多い。そこで各元素の影響度に応じた係数を炭素量に加算し、鋼材全体としての「みかけの炭素量」を求める考え方が炭素当量である。機械構造用鋼材の分野では、溶接部における低温割れの発生しやすさを事前に見積もる指標として広く用いられており、予熱温度や入熱条件の設定に直結する重要な数値として扱われている。

炭素当量の算出方法

炭素当量の算出には複数の計算式が存在するが、もっとも広く用いられているのは国際溶接学会（IIW）が提唱したCEV式である。CEV = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15という式で表され、炭素（C）を基準として、マンガン、クロム、モリブデン、バナジウム、ニッケル、銅の含有率を分母の係数で除して合算する。分母の値が大きい元素ほど、炭素と比較して焼入れ性への寄与が小さいことを意味し、この係数は多数の溶接試験データをもとに経験的に定められたものである。CEV式は比較的炭素量が高く板厚のある一般構造用鋼材や機械構造用鋼材でよく利用され、値が大きいほど溶接時の低温割れ感受性が高いと判断される。

パーカーマン式（Pcm）

造船やパイプライン分野で普及している低炭素・微量合金の合金鋼に対しては、CEV式では感度が不足する場合があるため、伊藤氏とベッシリオ氏が提案したPcm式が用いられる。Pcm = C + Si/30 + (Mn+Cu+Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5Bという式であり、炭素の係数を1のまま残しつつ他元素の影響度をより細分化して評価する点が特徴である。炭素量が0.17パーセント程度以下の低炭素鋼における溶接時の低温割れ発生傾向を精度よく予測できるため、厚板の突き合わせ溶接や高強度の溶接構造用圧延鋼材の設計において重宝されている。

溶接性との関係

炭素当量が高い鋼材ほど焼入れ性に優れる反面、溶接時の熱影響部でマルテンサイトが生成しやすくなり、拡散性水素の存在下で焼割れに類似した低温割れが発生する危険性が増大する。溶接後の冷却過程で母材が急激に硬化すると、残留応力と水素の集積が重なり合い、微小な割れが進展する要因となる。そのため設計者は、鋼材の炭素当量から想定される硬化傾向をあらかじめ把握したうえで、溶接材料の選定や入熱量の管理を行う必要がある。特に低水素系の溶接材料を採用することは、拡散性水素の侵入量を抑え、割れの発生を防ぐ有効な手段として広く知られている。

予熱温度の設定

炭素当量の値は、溶接前に施す予熱温度を決定する際の重要な判断材料となる。一般に炭素当量が0.40パーセントを下回る鋼材は溶接性が良好とされ、予熱を省略できる場合が多い一方、0.40から0.60パーセントの範囲では割れ防止のために50度から150度程度の予熱が推奨される。さらに0.60パーセントを超える高炭素当量の鋼材では、150度以上の予熱に加えて後熱処理を組み合わせることが一般的である。これらの条件は溶接WPSにも定量的に反映され、施工管理の基準として運用されている。以下は炭素当量の区分と溶接時の目安を示したものである。

焼入れ性との関係

炭素当量は本来、鋼材の焼入れ性を評価するために発展してきた概念であり、溶接分野だけでなく熱処理の現場でも参照される。焼入れによってマルテンサイト組織を得やすいかどうかは、炭素量そのものに加え、マンガンやクロムなどの合金元素がオーステナイトの安定化にどの程度寄与するかによって左右される。炭素当量の値が高い鋼材は、組織中にセメンタイトを多く析出させる素地を持ち、比較的緩やかな冷却速度でも十分な硬化が得られるため、油冷や空冷といった穏やかな焼入れ方法を選択できる利点がある。一方で前述のとおり溶接時には割れのリスクが高まるという二律背反の関係にある点に留意しなければならない。

代表的な鋼種における炭素当量の目安

実際の鋼材における炭素当量は、化学成分表の数値をもとに容易に試算できる。たとえば一般構造用圧延鋼材のSS400は炭素量が0.25パーセント程度と低く、炭素当量もおおむね0.35パーセント前後にとどまるため、多くの場合予熱なしで溶接が可能である。機械構造用炭素鋼のS45Cは炭素量が0.45パーセントに達し、マンガンなどの含有量もやや高いことから、炭素当量は0.55パーセントを超える場合があり、溶接には注意が必要となる。さらにクロムやモリブデンを添加した低合金鋼のSCM440では、炭素量自体はS45Cと同程度であっても合金元素の寄与により炭素当量は0.60パーセント台まで上昇することが多く、溶接前の予熱および溶接後の後熱処理が欠かせない。このように鋼種ごとの炭素当量のおおよその水準をあらかじめ把握しておくことは、現場での施工計画を立てるうえで実務的な指針となる。

鋼材選定時の留意点

構造物や機械部品の設計にあたっては、要求される強度や耐摩耗性と、施工上の溶接性のバランスを踏まえて鋼材を選定することが求められる。炭素鋼の種類にみられるように、炭素量が低い一般構造用圧延鋼材は加工性に優れる反面、強度面で制約を受けやすい。これに対し、合金元素を多く含む炭素鋼や鋳鋼は炭素当量が高くなる傾向にあり、耐摩耗性や耐熱性に優れるものの、溶接部の管理に細心の注意を要する。したがって鋼材の規格表に示される化学成分から炭素当量を算出し、設計要求と製造条件の双方を満たす材料を選び出す作業が、品質確保の第一歩となる。