S235対S275 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
S235およびS275は、EN規格によって指定された広く使用されているヨーロッパの構造用炭素鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらの選択時にコスト、溶接性、成形性、強度のトレードオフを考慮することが一般的です。典型的な意思決定の文脈には、軽負荷構造用により経済的なグレードを選択することと、断面サイズ、重量削減、または規制の最小降伏が重要な場合にわずかに高い強度のグレードを選択することが含まれます。
S235とS275の主な技術的な違いは、最小指定降伏強度です：S275はS235よりも高い保証された降伏強度を持っています。その違いは荷重を支える用途での選択を促進しますが、両グレードは化学組成と加工が類似しているため、他の要因（溶接性、靭性、入手可能性、表面保護）が最終的な選択を決定することがよくあります。
1. 規格と指定
- EN: EN 10025シリーズ（S235、S275のバリアントとして最も一般的なS235JR、S235J0、S235J2、S275JRなど）。
- ASTM/ASME: 直接の1対1のASTM等価物はない; 比較可能なASTMグレードは通常、直接の代替ではなく、必要な特性に基づいて指定されます。
- JIS: 日本の規格は構造用鋼を異なる方法で分類します; 選択には特性に基づくマッチングが必要です。
- GB（中国）: GB規格には使用が類似する構造用鋼が含まれますが、直接の指定はありません; 機械的および化学的要件によってマッチします。
一般的な鋼のファミリーによる分類： - S235およびS275は、プレーンカーボン/低合金構造用鋼です（ステンレス鋼ではなく、工具鋼でもなく、高合金でもありません）。一部のミルバリアントには微合金化（Nb、V、Ti）や熱機械的加工が含まれる場合がありますが、それでも構造用鋼として分類されます（意図的に微合金化された場合はHSLAと一緒にグループ化されることがよくあります）。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | S235（典型的な存在量） | S275（典型的な存在量） |
|---|---|---|
| C（炭素） | 低炭素; 溶接性のために制御されている | 低炭素; S235よりもわずかに高い上限がある場合がある |
| Mn（マンガン） | 中程度（主な強度および硬化性の影響因子） | 中程度; 目標降伏を達成するための類似またはわずかに高い制限 |
| Si（シリコン） | 少量（脱酸） | 少量 |
| P（リン） | 低く保たれる（不純物） | 低く保たれる |
| S（硫黄） | 低く保たれる（不純物） | 低く保たれる |
| Cr、Ni、Mo | 標準グレードでは意図的に合金化されていない（微量の可能性あり） | 同じ |
| V、Nb、Ti（微合金化） | 特定の熱機械的処理されたバリアントに存在する場合がある（微量から小さな%） | 特定のバリアントに存在する場合がある |
| B（ホウ素） | 標準グレードでは通常添加されない | 通常添加されない |
| N（窒素） | 制御されている; 老化と靭性に影響を与える | 制御されている |
注意: - ENグレードは、厚さとバリアント（例：JR、J0）に依存する最大限度を指定します。一般的な合金戦略は、良好な溶接性と成形性を維持しながら、降伏/引張目標を提供するための低炭素化学です。微合金化と熱機械的圧延は、炭素の大幅な増加なしに強度を高めるために使用されることがあります。
合金化が挙動に与える影響： - 炭素は強度と硬化性を増加させますが、過剰になると溶接性と靭性を低下させます。 - マンガンは強度と硬化性に寄与し、硫黄の脆化を抑制します。 - シリコンは主に脱酸剤です; 高いシリコンは強度をわずかに増加させることがあります。 - 微合金化元素（V、Nb、Ti）は、粒子サイズを細かくし、沈殿強化と制御された圧延を通じてより高い降伏強度を可能にしますが、大きな炭素の増加はありません。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - 圧延および正規化されたS235およびS275は、主にフェライト-パーライトの微細構造です。粒子サイズとパーライトの割合は、冷却速度と熱機械的加工によって異なります。 - 熱機械的に圧延されたり微合金化されたバリアントは、より細かいフェライト粒子サイズと分散した炭化物/沈殿物（NbC、VC、TiC）を示し、同様の化学的炭素レベルで強度を向上させます。
熱処理応答： - これらのグレードは主に圧延または正規化された状態での使用を目的としています。通常、異なるグレードとして特別に注文されない限り、焼入れおよび焼戻しのために供給されることはありません。 - 正規化（臨界温度以上に加熱し、空冷すること）は、粒子サイズを細かくし、微細構造を均一化し、靭性を改善します。 - 焼入れと焼戻しは強度と靭性を増加させますが、標準のS235/S275仕様では一般的ではなく、EN 10025の要件との適合性を変更する可能性があります。 - 熱機械的制御加工（TMCP）は、粒子を細かくし、微合金沈殿物を分散させることで、低炭素でより高い強度（例：S275特性）を達成するために一般的に使用されます。
4. 機械的特性
| 特性 | S235（EN指定に基づく典型的な値） | S275（EN指定に基づく典型的な値） |
|---|---|---|
| 最小降伏強度（ReH） | 235 MPa（指定の基準） | 275 MPa（指定の基準） |
| 引張強度（Rm） | 典型的な範囲は構造用鋼の帯域と重なります（例：数百MPa） | 通常、S235よりも高い上限範囲 |
| 伸び（A） | 一般的に良好な延性; 伸びは通常成形に十分（厚さによって異なる） | 高い降伏のため、同等の厚さでわずかに低い伸びだが、依然として良好な延性 |
| 衝撃靭性 | バリアント（JR、J0、J2）は、所定の温度での最小衝撃エネルギーを定義します; 一般的に室温で良好 | 類似の靭性バリアントが利用可能; 選択は必要な衝撃温度に依存 |
| 硬度 | 構造用鋼に典型的な低から中程度の硬度; 簡単に加工可能 | 高い降伏のため、平均してわずかに高い硬度 |
説明： - S275は設計上、強度の高いグレードです。なぜなら、保証された最小降伏が高いためです。降伏の増加は、引張強度のわずかな増加と伸び/成形性の小さな減少を伴うことが多いですが、靭性は適切なJR/J0/J2バリアントを選択するか、正規化処理を使用することで一致させることができます。 - 両グレードは低炭素であるため、適切な供給条件で供給されると、良好な延性と衝撃靭性を保持します。
5. 溶接性
重要な要因： - S235およびS275の両方は、標準手順に従うと一般的に良好な溶接性を持ちます。 - 高い炭素等価または微合金化元素の存在は、硬化性と冷間割れの可能性を高めます; したがって、厚いセクションや高いCEまたはPcmを持つ鋼に対しては、予熱およびインターパス温度が指定される場合があります。
有用な溶接性指数：
- 炭素等価（IIW）：
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Pcm（溶接性の低下）：
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈： - 両グレードにおいて、CEおよびPcmの値は通常、高強度合金鋼と比較して低く、標準的な消耗品および手順での簡単な溶接を示します。ただし、厚さが増加するか、微合金化が存在する場合、CE/Pcmが上昇し、適切な溶接制御（予熱、インターパス温度、必要に応じて溶接後の熱処理）を適用する必要があります。 - 機械的特性に一致する正しいフィラー金属を指定し、重要なジョイントのアンダーマッチを避けてください。サイクルまたは疲労に敏感な構造の場合、残留応力やHAZ内の硬度の可能性を考慮してください。
6. 腐食と表面保護
- S235およびS275は非ステンレスの炭素鋼であり、大気や攻撃的な腐食に対する内因的な抵抗を提供しません。保護戦略には以下が含まれます：
- 大気腐食および長期屋外曝露のための熱浸漬亜鉛メッキ。
- 塗料システムおよびプライマー（例：エポキシ、ポリウレタン、亜鉛リッチプライマー）。
-
修理およびタッチアップのためのローカルコーティング（スプレー、ブラシ）またはメタライジング。
-
PRENのようなステンレスの指標は、非ステンレスの構造用鋼には適用されません。完全性のために、PRENの公式（ステンレス合金に使用される）は次のとおりです：
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指数は、S235/S275には無関係です。なぜなら、これらのクロム、モリブデン、窒素の含有量は非常に低く、腐食抵抗を提供することを意図していないからです。
7. 加工、機械加工、および成形性
- 成形：両グレードは延性があり成形可能です; S235は一般的に降伏が低いため成形が容易です。タイトな半径が必要な場合、設計がS275の高強度を要求しない限り、S235が好まれる場合があります。
- 曲げ：S275は高い降伏のため、スプリングバックがわずかに大きくなります; 必要に応じて工具/バックベンディングを調整してください。
- 切断およびドリル：両方ともプラズマ、酸素燃料、レーザーまたは機械的プロセスで容易に加工できます。強度が増すと工具の摩耗がわずかに増加します; S235からS275に移行する際はフィードと工具を調整してください。
- 機械加工：正規化/圧延条件であれば両方とも良好です; もし高硬度のバリアントや重度の微合金化製品が使用される場合、機械加工性が低下することがあります。
- 仕上げ：典型的な表面準備およびプライミング要件は類似しており、溶接スパッタの除去および研削方法は同一です。
8. 典型的な用途
| S235（典型的な用途） | S275（典型的な用途） |
|---|---|
| 軽から中程度の構造部品：一般的な建物のセクション、フレーム、支持、手すり、軽構造部材 | より高い最小降伏が必要な重い構造部材：シャーシフレーム、クレーン部品、大きな梁および柱 |
| 冷間成形セクション、高延性および良好な溶接性が優先される溶接フレーム | 同じ荷重に対して小さな断面が必要な状況や、重量削減が有益な場合 |
| 非重要な機械部品、農業機器、フェンス | 中程度の負荷の機械部品、インフラにおける荷重支持部品で、わずかに高い強度が性能を向上させる |
選択の理由： - 成形、コスト、溶接の容易さが優先され、設計の降伏要件が235 MPaで満たされる場合はS235を選択してください。 - 設計コード、荷重ケース、または重量/断面の最適化が高い保証降伏（275 MPa）を要求し、良好な溶接性と靭性を保持する場合は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：S275は通常、より高い降伏仕様と時には厳しい製造/プロセス管理のため、S235よりもわずかに高価です。価格差はミル製品市場ではしばしば控えめです。
- 入手可能性：両グレードは、ほとんどの市場でプレート、コイル、バー、および構造形状で広く入手可能です。S235は一般的な構造用在庫として非常に一般的です; S275も一般的で、特に高い降伏限界を指定する地域や用途で見られます。
- 製品形態：さまざまな厚さのプレートおよびシート; 長尺製品（アングル、チャンネル）およびセクション; 厚さおよび供給条件（JR、J0、J2; 正規化; TMCP）による入手可能性はミルおよび地域によって異なります。
10. まとめと推奨
| 属性 | S235 | S275 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れた（非常に良好） | 非常に良好だが、厚いまたは微合金化された場合はやや敏感 |
| 強度–靭性のバランス | 低い最小降伏; 優れた延性 | 高い最小降伏; 適切な供給条件で類似の靭性オプションが利用可能 |
| コスト | 通常は低い | 通常はわずかに高い |
推奨： - S235を選択する場合： - 設計の最小降伏要件が235 MPaを超えない場合。 - 成形の容易さ、低コスト、最大延性が優先される場合。 - 軽から中程度の構造部品のために最も広範な標準的な入手可能性が必要な場合。
- S275を選択する場合：
- プロジェクトがセクションサイズや重量を削減するために275 MPaの高い保証降伏を必要とする場合。
- わずかに高い引張/降伏特性が必要で、高合金鋼に移行することなく。
- 正しい加工で良好な溶接性と靭性を維持しながら、構造部材に強度の余裕を持たせたい場合。
最終的な注意：S235とS275の間で選択する際は、常に必要な供給条件（JR/J0/J2、正規化、TMCP）、厚さ依存の限界、およびプロジェクト固有の制約（溶接手順、衝撃温度、腐食保護）を確認してください。価格だけでなく、機能要件（荷重、疲労、環境）に合わせて鋼のグレードをマッチさせ、再作業を避け、長期的な性能を確保してください。