HRB400 vs HRB500 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

HRB400とHRB500は、構造コンクリートの設計と施工で頻繁に指定される、広く使用されている熱間圧延鉄筋のグレードです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらのグレードを選択する際に、強度と延性、溶接性と硬化性、材料コストと性能といった競合する優先事項のバランスを取らなければなりません。典型的な意思決定の文脈には、地震設計（延性とエネルギー吸収が重要）、重負荷メンバー（高い降伏強度が魅力的）、および製造ワークフロー（溶接性と曲げ性能が優先される）が含まれます。

HRB400とHRB500の主な実用的な違いは、設計/名目降伏レベルです：HRB400は約400 MPaの降伏を指定され、HRB500は約500 MPaを目指します。この高い降伏目標は、機械的性能、靭性、製造挙動に影響を与える組成および処理の選択を促進するため、設計、調達、製造において一般的に比較されます。

1. 規格と名称

• GB（中国）：HRB400、HRB500は、コンクリート補強用の熱間圧延変形鋼棒に関する中国のGB T 1499.xシリーズで一般的な名称です。
• EN（ヨーロッパ）：鉄筋のグレードは異なる名称で指定され（例：B500B、B500C）、性能的にはHRB500に大まかに対応しますが、化学的および試験規則は異なります。
• ASTM/ASME（アメリカ）：ASTM A615/A706は、グレード60または75の棒（約420–520 MPaの降伏）を指定し、化学的制限、伸び、溶接性に関する異なる要件を含みます。
• JIS（日本）：JIS G3112およびその他の規格は、異なるグレード名と基準を使用します。
• 分類：HRB400とHRB500は、低合金/高強度の鉄筋としてしばしば製造される炭素鋼です。狭義にはステンレス鋼、工具鋼、または標準的な構造HSLA鋼ではありませんが、現代のHRB500の生産では、特性を達成するために微合金化（V、Nb、Ti）および熱機械制御が一般的に使用されています。

2. 化学組成と合金戦略

以下は、HRB400およびHRB500クラスの性能を満たすことを目的とした現代の熱間圧延変形棒で遭遇する典型的な組成範囲の簡潔な表です。これらは、特定の標準からの規定値ではなく、代表的なプロセス駆動の範囲です—実際の化学的制限は適用される仕様によって設定されます。

元素	典型的範囲、HRB400（wt%）	典型的範囲、HRB500（wt%）	備考
C	0.10 – 0.25	0.08 – 0.20	HRB500は溶接性を制御するためにCを制限し、強度を上げるために他の手段（Mn、微合金化、変形）を使用します
Mn	0.40 – 1.10	0.50 – 1.30	Mnは強度と硬化性を増加させます; HRB500はより高いMnを含む場合があります
Si	0.10 – 0.60	0.10 – 0.60	脱酸; 強度に影響します
P	≤ 0.045	≤ 0.045	靭性を保つために低く保たれます
S	≤ 0.045	≤ 0.045	延性を保つために低く保たれます
Cr	微量 – 0.30	微量 – 0.30	一般的に低い; 時々少量使用されます
Ni	微量 – 0.30	微量 – 0.30	標準の鉄筋では稀です
Mo	微量	微量	標準の鉄筋では一般的ではありません
V	微量 – 0.08	0.02 – 0.12	微合金化（V）は、HRB500での析出強化を通じて降伏を上げるために一般的に使用されます
Nb	微量 – 0.06	0.01 – 0.06	Nbは粒子を細かくし、強度を増加させることができます
Ti	微量 – 0.03	微量 – 0.03	安定剤、粒子制御
B	微量	微量	一部の鋼における非常に少量の添加
N	微量	微量	強化のために微合金化（Nb、Ti）と相互作用します

合金化が性能に与える影響： - 炭素とマンガンは主な強度の要因です; それらを増加させると強度が上がりますが、溶接性と延性が低下する可能性があります。 - 微合金化元素（V、Nb、Ti）は、粒子の細化と析出強化によって、比例的に高い炭素なしでより高い降伏を可能にし、靭性を改善し、高炭素ルートよりも良好な溶接性を許可します。 - シリコンとマンガンも脱酸と強度に影響を与えます; リンと硫黄は靭性を保護するために制御されます。

3. 微細構造と熱処理応答

熱間圧延鉄筋の典型的な微細構造は、化学成分と熱機械処理によって制御され、古典的な熱処理ではありません：

• HRB400：通常、従来の熱間圧延によって生産され、冷却速度と合金化に応じて混合フェライト-パーライトまたはテンパー加工されたマルテンサイト/フェライト-パーライト微細構造を発展させます。粒子サイズとパーライト/フェライトの分布が強度と延性を制御します。正規化（再加熱後の制御冷却）は、粒子を細かくし、靭性を改善することができます。
• HRB500：主に熱機械圧延、加速冷却（制御された急冷）、または微合金化を通じてより高い降伏を達成します。典型的な微細構造には、バイナイトまたは分散したV/Nb/Tiからの析出物を含むより細かいフェライト-パーライトが含まれます。一部のプロセスでは、延性のあるフェリティックコアを持つマルテンサイト-バイナイト表面層が設計され、高い降伏と曲げ性を組み合わせます。

処理の影響： - 正規化は、両方のグレードの靭性を改善することができます。 - 急冷とテンパー加工または加速冷却は強度を増加させますが、延性を維持し、脆化を避けるために慎重な制御が必要です。 - 熱機械制御処理（TMCP）は、HRB500に広く使用され、高い降伏を得るために許容可能な延性と溶接性を維持し、過剰な炭素に頼ることなく実現します。

4. 機械的特性

以下の表は、通常、2つのグレードに関連付けられる特性機械的特性の目標を示しています。値は性能の範囲を示しており、実際の保証値は適用される標準または契約仕様から来ます。

特性	HRB400（典型的）	HRB500（典型的）	コメント
名目降伏強度（MPa）	400	500	基本的な設計の違い—HRB500はより高い設計降伏を提供します
引張強度（MPa）	~480 – 650	~540 – 750	引張強度は降伏と共に増加します; 範囲は棒のサイズと処理に依存します
伸び（%）	~14 – 22	~9 – 18	HRB400は一般的により高い伸び/延性を示します
衝撃靭性	通常は良好; プロセスに依存します	高強度が硬化によって達成される場合は低くなる可能性があります; TMCPは靭性を保持できます	靭性はプロセスに依存します
硬度（HRB/HRC該当）	中程度	高い	引張強度と相関します

どちらが強い、靭性がある、または延性があるか： - HRB500は降伏としばしば究極の引張強度の観点でより強い材料です。 - HRB400はより延性があり、曲げや溶接が重要な詳細でより高い伸びとエネルギー吸収を示す場合があります。 - 靭性は厳密には降伏に結びついていません; 現代のHRB500はTMCPと微合金化を通じて、HRB400に匹敵する許容可能な靭性を達成できますが、生産ルートは指定され、検証される必要があります。

5. 溶接性

鉄筋の溶接性は、炭素当量と硬化性を増加させる元素の存在に依存します。一般的な指標：

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

および

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈（定性的）： - 高い$CE_{IIW}$または$P_{cm}$は、硬化した熱影響部位や冷却割れのリスクが高いことを示します; 予熱と制御されたインターパス温度が必要な場合があります。 - HRB500鋼はしばしばより高いMnを含み、硬化性を増加させる微合金化を含む場合があるため、炭素が制御され、製造手順が調整されない限り、HRB400よりも溶接に対して寛容ではない可能性があります。 - 低炭素の生産ルートを微合金化とTMCPと組み合わせて使用することで、HRB500クラスの棒の溶接性を維持するのに役立ちます。溶接手順の資格、熱入力の制御、および溶接後の冷却を考慮する必要があります。

6. 腐食と表面保護

• HRB400とHRB500は炭素鋼であり、内因的な腐食抵抗を提供しません。したがって、設計と仕様は環境への曝露と適切な保護を考慮する必要があります。
• 一般的な保護戦略：熱浸漬亜鉛メッキ、エポキシコーティング、ポリマーコーティング、機械的バリア（コンクリートカバー）、または曝露の厳しさに応じたカソード保護。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）はステンレス合金に使用され、炭素補強鋼には適用されません。参考のため：

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

しかし、この指標は、ステンレス鋼被覆またはステンレス鉄筋の代替が考慮されていない限り、HRBグレードには無関係です。

7. 製造、加工性、および成形性

• 切断：両方のグレードは、研磨または機械的切断において類似しています。高強度のHRB500は、切削工具をより早く鈍らせ、冷間切断操作により多くのエネルギーを必要とする場合があります。
• 曲げ/成形：HRB400は一般的により良い曲げ性と延性のマージンを提供します; HRB500は、特に小径や急冷後の曲げ加工が使用された場合に、割れを避けるためにより厳密なプロセス制御と指定された曲げ直径を必要とします。
• 加工性：鉄筋はめったに加工されません; HRB500の硬度が高いと、二次加工のための工具摩耗が増加します。
• 表面仕上げ：変形（リブ）と表面品質は、圧延とビレットの品質によって制御されます; HRB500の生産は、アンカー要件を満たすためにリブと表面の完全性を確保する必要があります。

8. 典型的な用途

HRB400 – 典型的な用途	HRB500 – 典型的な用途
一般的な鉄筋コンクリート：経済性と延性が優先されるスラブ、ビーム、基礎	高い降伏がバーの断面積を減少させる重負荷構造メンバー：柱、長大スパン構造、橋
非地震または軽度の地震地域、プレキャスト要素	延性要件を満たす資格のある高強度鉄筋で指定された地震設計
現場での取り扱い中に曲げや冷間加工が一般的な環境	鋼のトン数を削減し、高い設計応力または制約された寸法を強調するプロジェクト
溶接性と曲げが日常的な大量コンクリートおよびルーチン建設	特殊インフラ：高容量の杭、ポストテンション補助メンバー（注意が必要）

選択の理由： - 延性、製造の容易さ、広範な入手可能性を優先する用途にはHRB400を選択してください。 - メンバーのサイズや重量を意味のある形で減少させることができる場合、HRB500を選択してください。ただし、製造および溶接手順は高強度材料のニーズを考慮する必要があります。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト：HRB500は、より厳しい処理、可能な微合金添加、およびより厳密な品質管理のため、通常HRB400よりもトンあたりのコストが高くなります。ただし、全体の鋼の質量が減少する場合、構造あたりのコストは低くなる可能性があります。
• 入手可能性：HRB400はほとんどの市場で広く入手可能です。HRB500の入手可能性は地域の生産慣行と需要に依存します; 多くの現代の鉄筋工場はHRB500を生産していますが、製品の形状（コイル、ストレートバー）、サイズ、および認定グレードは異なる場合があります。
• 調達の注意点：購入注文で必要な生産ルート、衝撃試験、および溶接資格を指定して、構築性の期待に合わないHRB500材料の供給を避けてください。

10. まとめと推奨

指標	HRB400	HRB500
溶接性	低いCEによるより良いマージン; 製造が容易	より要求される; 制御された手順と予熱が必要な場合があります
強度–靭性のバランス	名目降伏は低いが、一般的により高い延性	より高い降伏; 靭性は処理に依存します（TMCPが推奨されます）
コスト	トンあたりのコストが低い; より広く入手可能	トンあたりのコストが高いが、重量削減による潜在的な節約

HRB400を選択する場合： - プロジェクトが延性、現場での頻繁な曲げ/冷間変形、簡素な溶接手順、または低コストでの保証された入手可能性を強調する場合。

HRB500を選択する場合： - セクションサイズ、重量を減少させるためにより高い設計降伏が必要な場合、または特定の構造能力の制約を満たす必要があり、溶接、曲げ、および調達の管理を強制できる場合。

最終的な注意点：HRB400とHRB500の実際の性能は、名目グレードだけでなく、生産ルートと品質管理により大きく依存します。選択したグレードが構造および建設のニーズを満たすことを保証するために、契約で機械的受け入れ基準、必須試験（曲げ、引張、衝撃が必要な場合）、および製造/溶接手順を指定してください。