A36 対 S275 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

A36とS275は、世界の産業で最も頻繁に指定される構造用鋼の2つです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、コスト、溶接性、機械的性能のバランスを考慮しながら、建物、橋、機械フレーム、重工業製品の設計時にこれらのグレードを評価します。典型的な意思決定の文脈には、わずかに高い降伏強度と材料の入手可能性の選択、冷間成形や溶接構造のためのグレードの選択、製造の熱処理計画に合わせた材料特性のマッチングが含まれます。

これらのグレードの主な違いは、A36が広く使用されているアメリカの標準構造炭素鋼であるのに対し、S275は広く同等のヨーロッパの構造グレードであることです。彼らは似たような性能空間を占めていますが、標準で指定された制限、典型的な化学成分の管理、およびいくつかの機械的特性の保証において異なります。異なる規制システムの下で指定されているため、直接の代替には、セクションの厚さの制限、納入条件、および追加のサブグレード要件（例：衝撃試験）を確認する必要があります。

1. 標準と指定

• A36: ASTM A36 / A36Mで指定 — アメリカおよび北アメリカで構造形状、プレート、バーに一般的。プレーンカーボン構造鋼として分類されます。
• S275: EN 10025-2（および関連するEN標準）で指定 — ヨーロッパで一般的。非合金構造鋼であり、サブグレードにはS275JR、S275J0、S275J2（異なる衝撃試験温度）が含まれます。
• その他の関連標準および比較可能なグレード：
• JIS: 日本の構造鋼は異なる指定（例：SS400）を持ち、別途標準化されています。
• GB: 中国の標準（例：Q235）は機能的に類似する場合がありますが、保証された特性や試験が異なります。
• ASME/ISOの参照: 圧力容器や高温用途の材料選択は、これらの構造グレード仕様を超える追加の標準を参照します。

分類: A36とS275はどちらもプレーンカーボン/非合金構造鋼（HSLA、工具鋼、またはステンレス鋼ではない）ですが、S275は一部のサブグレードで微合金元素を含む場合があります。

2. 化学組成と合金戦略

注意: - 上記の値は、一般的な実践で引用される典型的な制限または範囲を意図しています。正確な許容組成は、特定の標準版およびサブグレード（例：S275JR対S275J2）に依存します。 - 両グレードは、強度のために主に炭素とマンガンに依存しています。シリコンとマンガンは脱酸剤および軽度の強化剤として機能し、リンと硫黄は鋼を脆化させ、溶接性を損なうため低く保たれます。 - 合金戦略: これらは硬化性のために意図的に合金化された鋼ではありません（例：Cr、Mo、Niは主な寄与者ではない）。微合金化（V、Nb、Ti）が現れる場合、それは粒子制御と析出強化による降伏強度の増加のためであり、バルク硬化性のためではありません。

合金が特性に与える影響: - 炭素は強度と硬化性を高めますが、延性と溶接性を低下させ、冷間割れのリスクを高めます。 - マンガンは靭性を改善し、硫黄脆化に対抗します; 高いレベルでは、硬化性をわずかに増加させます。 - 微合金化元素（存在する場合）は、粒子サイズを精製し、溶接性を大きく損なうことなく降伏強度を増加させます。

3. 微細構造と熱処理応答

標準的な圧延および空冷後の両グレードの典型的な微細構造はフェライト-パーライト構造です: - フェライトは延性と靭性を提供します。 - パーライトは強度を提供します。

加工への応答: - 正常化（変態範囲を超えて加熱し、空冷すること）：粒子サイズを精製し、両鋼の強度と靭性を適度に増加させることができますが、典型的な構造部材には一般的に指定されません。 - 突然冷却および焼戻し: A36またはS275には一般的ではありません。これらのグレードは熱間圧延された非急冷鋼として設計されています。急冷および焼戻しを適用すると過剰処理となり、鋼の化学成分が硬化性のために制御されていない限り、予測不可能な特性を生じる可能性があります。 - 熱機械圧延: A36の標準的なルートではありません; 現代の製鉄所のS275ファミリー鋼は、均一性と靭性を高めるために制御された圧延を受けることがあります。これにより、特性の分布がわずかに厳密になります。 - サブグレードの違い（例：S275JR対S275J2）は、衝撃試験を反映し、時には指定された温度での靭性を保証するために微細構造の厳密な管理を反映します。

どちらのグレードも硬化可能な急冷焼戻し合金として意図されていないため、特性を変更する主な方法は、圧延/正常化（粒子精製）または異なる仕様への切り替え（例：より高い降伏強度のためのHSLAグレード）です。

4. 機械的特性

解釈: - S275はA36よりもわずかに高い保証された最小降伏強度を持っており、同じ断面での重量削減や荷重容量の向上を許可する可能性があります。 - 引張範囲はかなり重なっており、両鋼は圧延状態で類似の引張挙動を示します。 - 靭性: 衝撃試験を含むS275のサブグレード（JR、J0、J2）は明示的な保証を提供し、低温サービスや動的荷重において重要です。 - 延性の違いはわずかであり、実際の選択はサブグレード、厚さ、および供給者の熱処理履歴に依存します。

5. 溶接性

プレーンカーボン鋼の溶接性は一般的に良好ですが、炭素含有量、合金の組み合わせ、セクションの厚さ、および溶接手順に依存します。

関連する溶接性指数: - 炭素当量 (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm式（冷間割れの感受性を評価するのに便利）: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈: - A36とS275は通常、低い炭素当量を持ち、一般的なアークプロセスに対して良好な溶接性を提供します。低いPとSおよび中程度のMnは溶接品質を助けます。 - S275は時折、マンガンの制限が高いため、CEがA36よりわずかに高くなる場合がありますが、実際には両者とも標準的な消耗品で容易に溶接可能であり、厚いセクションや制約のある溶接に対してのみ予熱/実践が推奨されます。 - 微合金化は硬化性をわずかに増加させます; 存在する場合は、冷間割れを避けるために溶接手順（予熱/インターパス制御）に考慮する必要があります。 - 重要な溶接構造の場合、実際の製鉄所分析を用いて関連する$CE_{IIW}$または$P_{cm}$を計算し、予熱、インターパステンパ、消耗品の選択に関する規範に従ってください。

6. 腐食と表面保護

• A36もS275もステンレスではなく、両者とも露出環境での腐食保護が必要です。
• 一般的な保護方法: 熱浸漬亜鉛メッキ、溶剤系またはエポキシ塗料、粉体塗装、メタライジング。選択は環境の厳しさとサービス寿命に依存します。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）はステンレス鋼にのみ関連します: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — A36やS275のような非合金構造鋼には適用されません。
• 大気中の露出に対しては、亜鉛メッキまたは適切な塗装システムが通常のアプローチです。埋設または海洋露出に対しては、これらのプレーン鋼の代わりに、より堅牢なコーティング、陰極保護、または腐食抵抗合金の使用を検討する必要があります。

7. 加工性、機械加工性、および成形性

• 機械加工性: 両グレードは同様に加工されます; A36は広く公正な機械加工性を持つと考えられています。S275も同様ですが、実際の機械加工性は正確な化学成分と圧延の実践に依存します。
• 冷間成形/曲げ: 両鋼は、厚さと曲げ半径が標準表に従う場合に成形可能です。低炭素と急冷硬化微細構造の不在は成形性を助けます。大きな曲げや非常に冷間成形の厚いセクションは、曲げ半径のガイドラインを参照する必要があります。
• 切断およびドリル: 標準的な炎切断、プラズマ、機械的切断が適用されます。精密作業には、レーザーまたはウォータージェット切断が推奨されます。
• 表面仕上げ: 両グレードの熱間圧延表面にはミルスケールがある場合があります; 塗装または接着用途の場合、表面処理（ブラスト、酸洗い）が必要です。
• 溶接加工: 軽鋼用の標準的な電極選択; 薄いセクションには一般的に予熱および溶接後処理は不要ですが、厚いまたは非常に制約のある溶接には必要な場合があります。

8. 典型的な用途

選択の理由: - ASTM標準に指定する場合、北米の製鉄所から調達する場合、または250 MPaの降伏が許容され、コスト/入手可能性が主な要因である場合はA36を選択してください。 - EN/ヨーロッパの調達内で作業する場合、わずかに高い最小降伏が望まれる場合、または指定された衝撃特性（JR/J0/J2）が必要な場合はS275を選択してください。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト: 多くの市場では、A36とS275はそれぞれの標準制度の下で国内で調達される場合、同様の価格が設定されています。価格の違いは主に地域の製鉄所の供給、製鉄所の仕上げ（プレート、コイル、構造セクション）、および市場条件によって推進されます。
• 入手可能性: A36は北米で広く入手可能; S275はヨーロッパで広く入手可能です。グローバルプロジェクトは、地元の在庫業者およびベンダーの認証を確認する必要があります。特定の製品形状（厚いプレート、ワイドフランジビーム、認証試験報告書）はリードタイムおよびプレミアム価格に影響を与えます。
• 価値の考慮: S275のわずかに高い降伏は重量削減の機会を提供できますが、調達および製造の互換性は材料単位コストと比較して考慮する必要があります。

10. 要約と推奨

推奨事項: - ASTMベースの仕様で作業している場合、実績のあるコスト効果の高い北米の構造鋼が必要で、衝撃試験済みのサブグレードやS275のわずかに高い降伏が必要ない場合はA36を選択してください。 - 調達および設計基準がENベースであり、より高い保証された降伏強度または指定された衝撃性能（JR/J0/J2）が必要な場合、またはEN 10025シリーズの材料認証が必要な場合はS275を選択してください。

最終的な注意: A36とS275はしばしば実用的な同等物として扱われますが、代替の前に製鉄所の試験証明書、サブグレードの指定、厚さ依存の特性要件、および溶接/検査のニーズを常に確認してください。溶接および低温用途の場合、衝撃試験を確認し、実際の化学分析から炭素当量値を計算して予熱および消耗品戦略を決定してください。