PC1570 vs PC1860 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
PC1570とPC1860は、プレテンションおよびポストテンションのテンション、ストランド、バーに使用される高強度プレストレスト鋼のファミリーで一般的に遭遇する2つのグレードです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、強度、靭性、溶接性、疲労性能、コストのトレードオフを考慮しながら、これらの選択を行うことがよくあります。たとえば、断面サイズを減少させるためにより高い名目強度を指定するか、取り扱いを容易にし、脆性破壊のリスクを減少させるためにより低強度だがより延性のある製品を好むかの選択です。
これらのグレードの主な技術的な違いは、異なる引張能力のレベルに対する設計意図です：1つのグレードは、指定された究極強度が低く、与えられた断面に対して一般的により大きな延性と靭性を目指していますが、もう1つは、より強力な合金化と加工を通じて達成される、かなり高い指定究極強度（およびそれに対応するプレストレス能力）を目指しています。これにより、構造的需要、プレストレストスキーム、疲労/摩耗環境、製造制約に応じて、2つのグレードは補完的な選択肢となります。
1. 標準と指定
- プレストレスト鋼および高強度ワイヤー/ストランドが指定される一般的な国際および地域の標準には、以下が含まれます：
- ASTM/ASME（例：鋼ストランドのASTM A416、高強度鋼ワイヤーのASTM A722）
- EN（例：コンクリートの補強用鋼のためのEN 10080 — 溶接可能な補強鋼 — およびプレストレスト鋼のための他のEN標準）
- JIS（プレストレスト鋼をカバーする日本工業規格）
- GB（プレストレスト鋼およびワイヤーの中国国家標準）
- 分類：
- PC1570とPC1860はどちらも高強度プレストレスト鋼（プレストレス用に特別に調整された炭素/合金鋼）です。
- これらはステンレス鋼ではなく、プレストレスト用の高強度炭素またはマイクロ合金鋼のカテゴリーに属します（いくつかのバリエーションは熱機械的に処理されたり、冷間引き抜かれたりします）。
2. 化学組成と合金戦略
正確な化学分析は供給者および適用される標準によって異なりますが、合金哲学は一貫しています：延性と溶接性を保持するために低/制御された炭素を維持し、脱酸と強度のために制御されたレベルのSiおよびMnを追加します。マイクロ合金添加物（V、Ti、Nb）または少量のCr/Moは、過度に炭素を上昇させることなく、硬化性、テンパー抵抗、および強度を向上させるために高強度グレードで使用されます。
| 元素 | PC1570における典型的な役割/存在 | PC1860における典型的な役割/存在 |
|---|---|---|
| C（炭素） | 制御された、比較的低から中程度で延性と疲労抵抗を保持 | やや高い制御または同等；許容可能な靭性でより高い引張強度を達成するために厳密な制御が必要 |
| Mn（マンガン） | 強化と脱酸；中程度のレベル | 同様またはやや高めで硬化性を改善 |
| Si（シリコン） | 脱酸と強度の寄与；制御された状態を維持 | 制御され、時には強度のためにやや高め |
| P（リン） | 最小限に保持；靭性に有害 | 最小限に保持 |
| S（硫黄） | 最小限に保持；機械加工性と不純物に影響 | 最小限に保持 |
| Cr（クロム） | 通常は低または不在；一部のグレードでは硬化性のために少量のCrを含む場合があります | 高強度バリエーションに少量存在する場合があります |
| Ni（ニッケル） | 一般的ではない；特別な化学組成でのみ使用 | 稀；特別な鋼で少量の添加が可能 |
| Mo（モリブデン） | 稀だが、テンパー抵抗のために少量使用される場合があります | 高強度バリエーションのために微量使用される場合があります |
| V、Nb、Ti（マイクロ合金元素） | しばしば微量で存在し、粒子細化と強度を向上させる | より高い強度を確保するために、より多くまたはやや高めの添加が行われる可能性があります |
| B（ホウ素） | 使用される場合、硬化性を改善するためにppmレベルで | 高強度グレードの硬化性を助けるためにppmで使用される場合があります |
| N（窒素） | 脆化を避けるために低レベルで制御 | 低く制御 |
注意： - 供給者は製品ごとに正確な化学限界を公表します。上記の表は、固定された組成ではなく、機能的戦略を要約しています。 - より高い名目強度のグレードは、過度な炭素なしに強度を達成するために、通常、制御されたマイクロ合金化と加工に依存します。
3. 微細構造と熱処理応答
- 典型的な微細構造は生産ルートに依存します：
- 冷間引き抜きされたプレストレストワイヤーは、歴史的に高い引張強度と疲労抵抗を支える細かい層間間隔を持つ重く引き抜かれたパーライトまたはテンパー微細構造を発展させます。
- 熱機械的に処理されたバーや焼入れ・焼戻し製品は、マイクロ合金元素からの析出強化を伴う細粒のベイナイトまたはテンパー・マルテンサイト構造を発展させます。
- PC1570（低名目強度）：
- 制御された冷間引き抜きやテンパリング、または比較的延性の高い微細構成要素を保持する低強度の焼入れ/焼戻しサイクルによって、必要な特性をより容易に達成します。
- フェライト/パーライトまたはテンパー・マルテンサイト/ベイナイトの良好な靭性のバランスを示します。
- PC1860（高名目強度）：
- より高い引張レベルに達するためには、より強い硬化性および/またはより厳しい変形が必要です。微細構造はしばしばより細かいベイナイトまたはテンパー・マルテンサイトと高い転位密度、さらに析出強化を示します。
- 熱処理（例：焼入れ + 焼戻しまたは制御冷却）は、高い究極強度を達成しつつ、必要な伸びと疲労性能を保持するよう最適化されています。
- 加工の影響：
- 正規化は、粒子サイズを細かくすることによって均一性と靭性を改善します。
- 焼入れと焼戻しは強度を高め、強度と靭性のトレードオフを最適化するよう調整できます。
- 熱機械的制御加工（TMCP）は、高強度バリエーションのために強度と靭性の両方を改善する細粒微細構造を生成できます。
4. 機械的特性
定量的な値は標準および供給者によって異なります。以下の表は相対的な挙動とエンジニアが期待すべきことを強調しています。
| 特性 | PC1570 | PC1860 |
|---|---|---|
| 引張強度（究極） | 低名目カテゴリー — 高強度を設計されているが、より高いグレードの対照よりも低い | 高名目カテゴリー — かなり大きな究極強度とプレストレス能力を設計されている |
| 降伏強度（または証明） | 通常は低い；より多くの塑性予備を提供 | より高い降伏/証明レベルで、より高いプレストレスト力をサポート |
| 伸び（延性） | 同じ断面に対して一般的により高い延性（より大きな伸び） | 同じ強度レベルでPC1570と比較して減少した伸び；それでも延性要件を満たすために制御されています |
| 衝撃靭性 | 通常はより良い靭性、特に低温で、合金化が保守的であれば | 強度が優先される場合、靭性が低くなる可能性があります；制御された合金化と加工が脆化を軽減します |
| 硬度 | 低から中程度の硬度 | より高い引張強度を反映する高い硬度 |
解釈： - PC1860はより高い引張および証明応力を達成しますが、通常は延性をいくらか犠牲にし、合金化とテンパリングが慎重に制御されない限り、より高い硬度と低い測定衝撃エネルギーを持つ可能性があります。 - 選択は、構造設計が各テンションごとの最大プレストレスを必要とするか（PC1860を優先）、より良い延性/靭性と取り扱いの余裕を必要とするか（PC1570を優先）を考慮する必要があります。
5. 溶接性
溶接性は炭素当量/硬化性およびマイクロ合金元素の存在に依存します。評価のために、エンジニアはしばしば以下のような指標を使用します：
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
および
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的な解釈： - PC1570：一般的に低い硬化性要件と保守的なマイクロ合金化のため、より良い内在的な溶接性と高強度バリエーションよりも低い冷間亀裂傾向を示す傾向があります。厚いセクションには、予熱と制御されたインターパス温度がしばしば必要です。 - PC1860：高い硬化性（合金化または高い炭素当量から）は、硬く脆いHAZ微細構造や水素助けによる冷間亀裂に対する脆弱性を高めます。溶接手順は通常、より厳格な予熱/後熱および水素制御を必要とします。ほとんどのプレストレストアプリケーションでは、ワイヤーやストランドの直接溶接は制限されており、機械的スプライシングまたは承認された溶接/接合方法が指定されています。 - 実用的な注意：テンションに関しては、明示的に資格が与えられない限り、プレストレストゾーンでのスプライシング/溶接は避けられることが多く、機械的カプラーや工場で溶接された端末が一般的です。
6. 腐食と表面保護
- PC1570もPC1860もステンレス鋼ではなく、腐食抵抗は限られており、表面状態、コーティング、および環境に依存します。
- 典型的な保護：
- 犠牲的保護が許容されるバー/ストランドのための熱浸漬亜鉛メッキ。
- 外部、半露出、または攻撃的な環境で使用されるストランドのためのエポキシコーティング、ポリマーシース、またはグリース/グリースを塗布したダクト。
- 物理的封入（グラウト/注入）は、プレストレストコンクリートテンションでの標準的な実践です。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）はステンレス鋼の指標であり、非ステンレスプレストレスト鋼には一般的に適用されません。参考のため：
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
ただし、この指標は意図的にCr、Mo、Nを重要なレベルで含むステンレス合金にのみ関連します。
7. 製造、機械加工性、および成形性
- 機械加工性：
- 高強度グレード（PC1860）は、工具に対して硬く、より研磨性が高い傾向があります；切削速度と工具寿命を調整する必要があります。
- PC1570は、硬度が低いため、機械加工と成形が容易です。
- 成形性と曲げ：
- 延性は許容される曲げ半径と冷間成形プロセスを決定します；PC1570は通常、より厳しい曲げと冷間成形を許容し、亀裂のリスクが低くなります。
- PC1860は、より大きな曲げ半径、制御された熱処理、または特別な成形プロセスを必要とする場合があります。
- 表面仕上げ：
- 高硬度鋼は、攻撃的な仕上げ操作中に微細亀裂を発生させる可能性があります；研削とショットブラストの制御が重要です。
- 設置と取り扱い：
- PC1860の高いプレストレスレベルは、より高い蓄積弾性エネルギーと壊滅的な破壊時のリスクのため、より厳格な取り扱い、固定、およびテンション装置の要件を課します。
8. 典型的な用途
| PC1570 — 典型的な用途 | PC1860 — 典型的な用途 |
|---|---|
| 中程度から高いプレストレスが必要で、設置の容易さと靭性の向上が求められる一般的なプレストレストコンクリート部材（例：プレキャストビーム、スラブ、小型テンション） | セクションサイズを最小限に抑えるために各テンションごとの最大プレストレスが必要な高容量テンション、または長スパン/高負荷の橋、重いスラブのポストテンション、および特別な用途 |
| 疲労抵抗と延性が優先される要素（多くの荷重サイクルを持つ橋） | スペースまたはダクトの数を最小限に抑える必要があり、ストランドごとのより高い証明応力が経済的に有利なアプリケーション |
| より複雑な現場製造が必要な状況で、より高い溶接性/成形性が有益 | 高強度要素とカプラーの工場製造で、より高い強度が延性の低下を補います |
選択の理由： - プレストレス能力と延性のバランスが構造的需要、テンション間隔、建設制約に一致するグレードを選択してください。耐久性と腐食保護戦略を共因子として考慮してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：
- PC1860は、追加の合金化、より厳しい加工、およびより厳密な品質管理のため、一般的に単位質量あたりのコストが高くなります。
- PC1570は通常、コストが低く、一般的な製品形態（ワイヤー、ストランド、バー）で広く生産されています。
- 製品形態による入手可能性：
- 両方のグレードは一般的にワイヤーおよびストランドとして入手可能です；高グレードは特定の製品形態（例：特別に製造された高強度ストランド、バーまたは冷間引き抜きワイヤー）でより一般的に見られる場合があり、大量または特別なコーティングのためにリードタイムが長くなる可能性があります。
- 調達アドバイス：
- PC1860については、供給者との早期の関与が推奨され、リードタイム、熱処理ルート、および疲労と破壊靭性の品質保証を確認する必要があります。特に大規模プロジェクトの場合。
10. まとめと推奨
| 基準 | PC1570 | PC1860 |
|---|---|---|
| 溶接性 | より良い（低いCE、標準的な注意で溶接しやすい） | より困難（高いCE/硬化性；より厳格な制御が必要） |
| 強度–靭性バランス | より延性があり、多くのアプリケーションでより良い靭性 | より高い強度だが、靭性を保持するために慎重な加工が必要 |
| コスト | 低い | 高い |
推奨： - PC1570を選択する場合： - プロジェクトが延性、靭性、疲労抵抗、より容易な製造または現場での取り扱いを優先し、各テンションごとのプレストレスの調整が許容され、コストまたは迅速な入手が重要な場合。 - PC1860を選択する場合： - 設計が各テンションごとの最大プレストレス能力を必要とし、テンションの数または断面サイズを最小限に抑え、プロジェクトがより厳格な溶接/仕様制御、潜在的に高い材料コスト、および熱処理と靭性の供給者の資格を受け入れることができる場合。
最終的なエンジニアリングノート：供給者または支配的な仕様とともに正確な化学的および機械的限界を常に確認し、資格のある溶接およびスプライシング手順をレビューし、選択した生産ルートの疲労および破壊クリティカル性能をテストまたは供給者データによって検証してください。