HRB400 vs HRB500E – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

HRB400およびHRB500Eは、建設および工学構造物で広く使用されている熱間圧延リブ補強鋼（リブバー）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、コスト、施工性、機械的能力、耐震性能のトレードオフを頻繁に考慮します。典型的な意思決定の文脈には、より高い強度が断面サイズを削減できる鉄筋コンクリート設計や、地震における延性とエネルギー散逸が重要なプロジェクトが含まれます。

主な技術的な違いは、HRB500EがHRB400よりも約25％高い降伏強度を提供するように指定されていることですが、同時に延性と耐震性能の基準も満たしています。両者はリブ補強バーとして製造された炭素鋼であるため、構造設計、製造、溶接の考慮において一般的に比較されます。

1. 規格と指定

HRB400およびHRB500Eに関連する主要な規格と指定： - GB/T 1499（中国） — HRB指定はここから始まります（熱間圧延リブバー）。 - EN 1992 / EN 10080（ヨーロッパ） — 比較可能なクラスが存在します（B500、B400シリーズ）。 - ASTM/ASME — 異なる番号付け（例：ASTM A615/A706は補強バー用）ですが、性能ベースの比較が可能です。 - JIS（日本） — JIS G3112および関連規格はリブバーの同等品をカバーしています。

鋼の種類による分類： - HRB400およびHRB500Eは、必要に応じて微合金化された炭素鋼です — ステンレス鋼や工具鋼ではありません。 - それらは、必要な降伏強度と延性を得るために化学成分と加工が制御された主に構造用炭素鋼の建設/HSLAスタイルの補強鋼に分類されます。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、各グレードの典型的な元素の存在と冶金的役割を要約しています。正確な限界は規格や供給者によって異なるため、特定のロットについては製鋼所の証明書を参照してください。

元素	HRB400 — 典型的な役割	HRB500E — 典型的な役割
C（炭素）	強度と溶接性のバランスを取るための低〜中程度の炭素；主な強度の寄与者。	やや高いまたは制御された炭素含有量；溶接性を過度に劣化させずに高い降伏強度を達成するためにバランスを取っています。
Mn（マンガン）	主な脱酸剤および固体溶液強化剤；引張/降伏をサポートします。	強度と硬化性を高めるために、しばしば同様またはわずかに増加します。
Si（シリコン）	脱酸剤；強度のための少量。	同様の役割；延性と溶接特性を維持するために制限されています。
P（リン）	低く保たれる；過剰な場合は脆化と靭性の低下を引き起こします。	特に耐震グレードのために制御された低レベル。
S（硫黄）	低く保たれる；機械加工性に影響を与えますが、高い場合は靭性/溶接性を劣化させます。	低レベルが指定されている；過剰なSは避けられます。
Cr、Ni、Mo	一般的なリブバーでは最小限；特別な合金リブバーでない限り制限されています。	HRB500Eは硬化性や微合金化のために微量を含む場合がありますが、組成的にはステンレス鋼/低合金リブバーではありません。
V、Nb、Ti（微合金化）	時折、粒径を精製し、強度/靭性を改善するために少量追加されます。	HRB500Eは、より高い降伏強度と改善された延性を達成するために、一般的に微合金化と熱機械的加工を使用します。
B（ホウ素）	リブバーでは稀；硬化性制御が必要な場合に微量使用されます。	同様 — 通常は重要な量では存在しません。
N（窒素）	制御される；降伏および微合金析出挙動に影響を与えます。	必要な機械的特性をサポートするために制御されています。

合金戦略の要約： - HRB400は、主に化学成分と従来の圧延によって達成され、400 MPaの名目降伏強度で溶接性と延性を優先します。 - HRB500Eは、しばしばわずかに調整された化学成分（例：制御されたMnと微合金化）と熱機械的圧延/制御冷却の組み合わせによって、より高い名目降伏強度と耐震延性を達成します。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - HRB400：従来処理されたリブバーにおけるフェライト-パーライト優勢の微細構造；圧延および冷却に応じて適度に粗い粒径。 - HRB500E：一部の熱機械的処理製品におけるより細かいフェライト-パーライトまたはベイナイト/テンパー加工マルテンサイト様成分；微合金化による粒子精製と析出強化がより高い強度を達成するのに役立ちます。

加工の影響： - 圧延後の正規化または制御冷却は、両グレードの粒径を精製し、靭性を向上させます。 - 標準リブバーに対する焼入れおよび焼戻しはコストのため一般的ではありませんが、HRB500Eのために熱機械的制御加工（TMCP）が頻繁に使用され、改善された降伏強度と延性を持つ細粒微細構造を生成します。 - 制御された圧延を伴う微合金元素（V、Nb、Ti）の使用は、析出強化と粒子精製を促進し、大きな炭素ペナルティなしに強度を改善します。

4. 機械的特性

標準化された名目および典型的な定性的特性：

特性	HRB400	HRB500E
名目降伏強度	約400 MPa（指定）	約500 MPa（指定）
引張強度	中程度；従来の鉄筋コンクリート設計に適切	高い究極強度で高い降伏に対応；処理に依存するが、より大きなマージン
伸び（延性）	良好；通常は非耐震高強度バーよりも高い	高強度にもかかわらず良好な伸び/延性を保持するように設計されています（「E」は強化された耐震延性を示します）
衝撃靭性	典型的な環境に対して適切；温度と生産に依存	耐震靭性要件を満たすように指定されている；通常は単位質量あたりのエネルギー吸収が優れています
硬度	比較条件下でHRB500Eよりも低い	強化された微細構造と高い降伏により高い

説明： - HRB500Eは降伏強度が高く、一般的に引張強度も高いです。従来の高強度鋼は延性を失う可能性がありますが、HRB500Eは加工と微合金化を通じて靭性/延性を維持または改善するように設計されており、強度と変形能力の両方が要求される耐震用途に適しています。

5. 溶接性

溶接性は炭素当量、硬化性、微合金含有量に依存します。一般的な指標：

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

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

解釈（定性的）： - HRB400：炭素当量が低く、硬化性寄与者が少ないため、一般的により良い溶接性と低い予熱要件をもたらします。 - HRB500E：強度が高く、Mnや微合金化が増加する可能性があるため、$CE_{IIW}$および$P_{cm}$が上昇し、溶接手順が制御されていない場合、HAZ硬化や冷間割れの感受性が増加します。ただし、HRB500Eは通常、化学制御と建設用の検証済み溶接手順で製造されており、予熱、インターパス温度、および消耗品の選択は供給者の推奨に従うべきです。 - 両方の場合において、製鋼所の試験証明書を確認し、特に耐震地域のHRB500Eに対して重要な溶接接続の手順資格を実施してください。

6. 腐食と表面保護

• HRB400およびHRB500Eは、非ステンレスの炭素鋼であり、内因的な腐食抵抗は限られています。
• 標準的な表面保護オプション：亜鉛メッキ（熱浸漬）、エポキシコーティング、機械的に適用されたコーティング、または非常に腐食性の環境向けのステンレス/被覆代替品。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）は、ステンレス合金に関連するため、プレーン炭素リブバーには適用されません：

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

• コーティングされたまたは腐食抵抗性のリブバー、陰極保護、またはコンクリートミックスおよびカバー設計の調整の使用は一般的な緩和アプローチです。腐食の観点からHRB400とHRB500Eの選択は、通常、内因的な合金の違いよりも保護システムによって駆動されます。

7. 製造、機械加工性、および成形性

• 切断：両グレードは酸素燃料、研磨、または機械的手段で容易に切断されます；HRB500Eは強度が高いため、わずかに多くの電力/工具摩耗が必要な場合があります。
• 曲げ/成形：HRB400は、与えられたバー直径に対してより容易に曲げられ、より大きな許容曲げ半径を持ちます；HRB500Eは、割れを避けるために、コードで指定された正確なプロセス制御と曲げ半径が必要です。
• 機械加工性：リブバーは作業硬化とリブ形状のために一般的に悪いです — HRB500Eはより大きな工具摩耗を示す場合があります。
• プレファブリケーション工場は、HRB500Eのスプリングバックの違いを考慮し、性能を確保するために曲げおよびアンカーの詳細を調整する必要があります。

8. 典型的な用途

HRB400 — 典型的な用途	HRB500E — 典型的な用途
延性と経済性が優先される住宅および低層商業鉄筋コンクリート	高い降伏強度と制御された延性が要求される耐震地域および重要な構造要素
マスコンクリート、非耐震ビーム、スラブ、および柱	高層構造物、橋、耐震改修、および高強度リブバーを使用して断面を減少させるように設計された部材
軽度の曝露条件での一般的な補強	延性とエネルギー散逸の要求を満たしながら、バーのサイズ/重量を減少させる必要がある用途

選択の理由： - 標準的な延性と溶接性が十分で、コスト感度が高い場合はHRB400を選択してください。 - バー面積の設計削減、耐震詳細、または単位面積あたりの高い荷重容量が必要な場合はHRB500Eを選択してください。ただし、製造および溶接の制御が実施されていることが前提です。

9. コストと入手可能性

• コスト：HRB500Eは、より厳しい化学制御、加工（TMCP）、および耐震性能の資格のため、通常HRB400よりもキログラムあたり高価ですが、構造能力あたりのコストは有利な場合があります。
• 入手可能性：HRB400は多くの市場でより一般的に在庫されています；HRB500Eの入手可能性は地域の需要と生産者の能力に依存します。特別なサイズや認定された耐震ロットには長いリードタイムが適用される場合があります。
• 製品形状：両者は通常、ストレートバーまたはコイルとして供給され、標準的なカット長さで提供されます；各グレードでプレファブリケーションケージやメッシュが利用可能な場合があります。

10. まとめと推奨

基準	HRB400	HRB500E
溶接性	良好（低CE）	制御があれば良好（高CEの可能性）
強度-靭性バランス	信頼できる延性を持つ中程度の強度	設計された延性/靭性を持つ高い降伏強度
コスト	単価が低い	単価が高いが、材料量の削減による総コスト削減の可能性

HRB400を選択する場合： - プロジェクトが最低の材料コストと従来の建設方法を優先する場合。 - 用途が非耐震であるか、標準的な延性と容易な溶接が好まれる場合。 - 地元の入手可能性と標準的な製造ワークフローがHRB400を支持する場合。

HRB500Eを選択する場合： - 設計がメンバーサイズを減少させるために高い降伏強度を要求する場合や、コード制限を満たす必要がある場合。 - 構造が耐震ゾーンにあるか、検証されたエネルギー散逸と制御された延性を要求する場合。 - 調達がわずかに高い単価を受け入れ、製造/溶接手順がグレードに調整される場合。

最終的な注意：常に製鋼所の試験証明書、供給者の溶接および取り扱いの推奨事項、プロジェクトのコード要件を確認してください。重要な構造物については、互換性と手順の資格（溶接、曲げ、アンカー）を実施し、選択したグレードが詳細、耐久性、安全目標に合致することを確認するために構造エンジニアと調整してください。