S235JR 対 S275JR – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
S235JRおよびS275JRは、プレート、シート、圧延セクションで使用される最も一般的に指定されるヨーロッパの構造炭素鋼の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、コストと加工の容易さと、高い強度と設計マージンの必要性との間で選択のジレンマに直面することがよくあります。典型的な意思決定の文脈には、溶接された荷重支持構造のための鋼の選択、成形と塗装が主な保護手段である経済的な製造、または強度のわずかな増加がセクションのサイズと重量を減少させる場合が含まれます。
これらのグレード間の主な技術的な違いは、指定された最小降伏強度（数値グレード識別子）であり、これが異なる設計選択を促進します：S275JRは、S235JRよりも高い最小降伏強度を提供し、同様の化学組成と基本的な加工ルートを維持します。彼らはEN 10025の下で同じ低合金、非ステンレス鋼のファミリーを共有しているため、強度、靭性、溶接性、コストのトレードオフのために構造設計と製造で一般的に比較されます。
1. 規格と指定
- EN: S235JRおよびS275JRは、EN 10025-2（非合金構造鋼）で定義されています。
- ISO: 対応するISO/EN識別子はしばしば相互参照されます；ISOの同等の説明は最小降伏強度クラスを反映しています。
- ASTM/ASME: これらのグレードには直接の1対1のASTM名はありません；ASTMの実践では類似の低炭素構造鋼が利用可能ですが、仕様言語と受入基準は異なります。
- JIS/GB: 日本（JIS）および中国（GB）の規格は比較可能な構造炭素鋼を提供しますが、直接の同等物は機械的および化学的受入基準を確認する必要があります。
- 分類: S235JRおよびS275JRは、プレーンカーボン/低合金構造鋼（ステンレスではなく、工具鋼でもなく、重要な微合金添加を伴う高強度低合金（HSLA）でもない）であり、通常は構造炭素鋼としてグループ化されます。
2. 化学組成と合金戦略
表: 典型的な化学組成（おおよその範囲；正確な値についてはEN 10025および供給者のミル証明書を参照してください—値は厚さと納入条件によって異なります）
| 元素 | S235JR（典型、wt%） | S275JR（典型、wt%） |
|---|---|---|
| C（炭素） | ≤ ~0.17–0.20（低） | ≤ ~0.20–0.22（低–中程度） |
| Mn（マンガン） | ~0.8–1.6（中程度） | ~1.0–1.6（中程度） |
| Si（シリコン） | ≤ ~0.3（脱酸剤） | ≤ ~0.3（脱酸剤） |
| P（リン） | ≤ 0.035（不純物制御） | ≤ 0.035（不純物制御） |
| S（硫黄） | ≤ 0.035（不純物制御） | ≤ 0.035（不純物制御） |
| Cr（クロム） | 通常 ≤ 微量 | 通常 ≤ 微量 |
| Ni（ニッケル） | 通常 ≤ 微量 | 通常 ≤ 微量 |
| Mo（モリブデン） | 通常 ≤ 微量 | 通常 ≤ 微量 |
| V, Nb, Ti, B（微合金） | 一般的に重要な量では存在しない | 一般的に重要な量では存在しない |
| N（窒素） | 低（残留） | 低（残留） |
注意: - これらの鋼は、溶接性と成形性を保持するために意図的に低炭素および低合金含有量です。正確な最大値は厚さと特定のENテーブルに依存します；供給者は測定値を記録したミルテスト証明書（MTC）を発行します。 - 合金戦略: 両グレードは、脱酸のために制御されたマンガンとシリコンを使用した「低炭素」アプローチを採用しています。標準バージョンでは、硬化性と炭素等価を低く保つために、Cr、Mo、Niまたは微合金元素の重要な添加を避けます。
合金が特性に与える影響: - 炭素は強度と硬化性を増加させますが、上昇すると溶接性と靭性を低下させます；両グレードは靭性と溶接の容易さを保持するために炭素を低く保ちます。 - マンガンは硬化性と引張強度に寄与し、靭性を維持するために制限されています。 - シリコンは脱酸剤として機能し、強度をわずかに増加させます。 - リンと硫黄は脆化と熱脆性を最小限に抑えるために制御されており；その最大値は低いレベルでのみ許可されています。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造: - 製造された（正規化/圧延された）S235JRおよびS275JRの微細構造は、主にフェライトとパーライトで構成されています。パーライトの相対的な割合は、炭素とマンガンが高くなるにつれてわずかに増加します。これが、S275JR（わずかに高い炭素/マンガン）がわずかに高い強度を示す理由です。 - どちらのグレードも、標準供給条件での急冷および焼戻し処理を意図していません；それらは、製鋼所のプロセスと注文に応じて、熱間圧延、正規化、または焼鈍された状態で供給されます。
一般的な熱処理への応答: - 正規化: 結晶粒サイズを精製し、靭性と強度をわずかに増加させます；両グレードは同様に応答し、機械的均一性または清浄度の向上が望まれる場合に正規化が使用できます。 - 焼鈍: 鋼を柔らかくし、成形性を改善します；成形操作の前に延性を高める必要がある場合に使用されます。 - 急冷および焼戻し: 可能ですが、一般的ではありません—これらのグレードは重要な硬化性合金を欠いているため、急冷および焼戻しは高強度を発展させることはなく、化学組成とセクションの厚さが厳密に制御されない限り、靭性が低下するリスクがあります。 - 熱機械処理（制御圧延）: S235JRまたはS275JRの標準機能ではありませんが、適用される場合は降伏強度と靭性を増加させ、製品をHSLAの挙動に近づけることができます。このような製品は通常異なる名称で指定されます。
4. 機械的特性
表: 典型的な機械的特性（指標範囲—規格またはMTCで確認）
| 特性 | S235JR（典型） | S275JR（典型） |
|---|---|---|
| 最小降伏強度（Rp0.2） | 235 MPa | 275 MPa |
| 引張強度（Rm） | 360–510 MPa | 410–560 MPa |
| 伸び（A） | ≥ ~22–26%（セクション/厚さに依存） | ≥ ~20–23%（セクション/厚さに依存） |
| シャルピー衝撃（JR） | 27 J at 20°C（JRグレード要件） | 27 J at 20°C（JRグレード要件） |
| 硬度 | 典型的な範囲 ~110–150 HB（状態によって異なる） | 典型的な範囲 ~120–160 HB（状態によって異なる） |
解釈: - 強度: S275JRは仕様上、2つの中でより強いです—その高い最小降伏強度と通常の高い引張強度は、同じ荷重に対してセクションサイズを減少させることを可能にします。 - 延性と靭性: S235JRは通常、降伏強度が低いためにわずかに高い伸びを示し、これがわずかに良い成形性に変換される可能性があります。両グレードは衝撃靭性の検証（JR = 27 J at +20°C）を必要とし、一般的な環境での基本的なノッチ靭性を保証します。 - なぜ違いが存在するのか: S275JRのわずかに高い許可された炭素とマンガン（平均的に）は、パーライト/フェライトのバランスとひずみ硬化の可能性を通じて強度を増加させます。
5. 溶接性
溶接性の考慮事項: - 両グレードは、低炭素含有量と低炭素等価のため、一般的なプロセス（SMAW、GMAW/MIG、FCAW、TIG）を使用して容易に溶接可能であると広く考えられています。 - 炭素等価指数は、溶接工やエンジニアが予熱と消耗品の選択を評価するのに役立ちます。役立つ式には以下が含まれます： - $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - 解釈: S235JRおよびS275JRは、低いCと他の合金元素の少量を持っているため、$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の値は低く、低い硬化性と低い冷間割れの傾向を示します。S275JRは、名目上の炭素/マンガンが高いため、炭素等価をわずかに上昇させる可能性があるため、厚いセクションや拘束された溶接ではわずかに許容度が低くなる可能性があります。 - 実用的なアドバイス: 構造鋼に適合する標準のフィラー金属を使用し（基材よりも強度が同等またはわずかに高いものを選択して歪みを減少させる）、インターパス温度を制御し、厚さ、拘束、測定された炭素等価に基づいて適切な予熱を適用してください。
6. 腐食と表面保護
- これらのグレードは非ステンレスの炭素鋼であり、内在的な腐食抵抗は限られています。選択は環境曝露と意図された保護システムを考慮する必要があります。
- 典型的な表面保護オプション:
- ホットディップ亜鉛メッキ: 大気腐食抵抗が必要な構造鋼に一般的です。
- 塗装システム: プライマー、中塗り、上塗りは、大気、工業、または海洋環境に対する特別な保護を提供します。
- メタライジング（亜鉛/アルミコーティング）、粉体コーティング、または必要に応じてクラッディング。
- PREN: ピッティング抵抗等価数の式、 $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ は、S235JRおよびS275JRがステンレス鋼ではなく、局所的な腐食指数を意味のあるものにするために重要なCr、Mo、またはNを含まないため、ここでは適用されません。
- 実用的なガイダンス: 曝露クラス（ISO 12944または同様のガイダンス）に基づいて保護スキームを選択し、長期的な耐久性のためにコーティングまたは亜鉛メッキを優先してください。
7. 加工性、機械加工性、成形性
- 切断: プラズマ、炎、酸素燃料切断プロセスが通常使用されます；標準のカーバイドおよびHSS工具を使用した機械加工は、比較的低い硬度のために簡単です。
- 機械加工性: 中程度—典型的な炭素鋼の機械加工性；S235JRは、降伏強度が低く、わずかに低い加工硬化傾向のため、S275JRよりも機械加工がやや容易です。
- 成形性と曲げ: 両グレードは供給された状態で良好に成形されます；S235JRは、より高い伸びのため、タイトな曲げや深い引き抜きに対してわずかに許容度が高いです。成形限界は、特定の厚さに対する曲げ試験または供給者のガイドラインによって検証する必要があります。
- 表面仕上げ: 両者は従来の表面処理（研削、ショットブラスト、塗装）に良好に応答します。特定の残留応力の緩和や特性の変更が設計によって要求されない限り、これらのグレードには溶接後の熱処理はほとんど必要ありません。
8. 典型的な用途
| S235JR — 典型的な用途 | S275JR — 典型的な用途 |
|---|---|
| コストと成形性が重要な一般的な構造部材：軽量フレーム、重要でない支持構造、溶接されたエンクロージャー、そしてパーリン | 設計荷重が高い構造部材または小さな断面が望ましい場合：橋の部品（重要でない）、重いビーム、荷重支持フレーム、クレーンレール（指定されている場合） |
| 塗装/亜鉛メッキによって腐食保護が提供される建築鋼構造物やフェンス | より高い降伏強度を必要とする中重量の構造部品、コネクタ、および製造部材 |
| 成形が頻繁に行われる製造用の一般目的のプレートおよびプロファイル | 強度対重量比の改善が必要な状況、セクションの厚さと重量を減少させることを可能にします |
選択の理由: - 最大の成形性、低い材料コスト、より高い延性が優先され、必要な降伏強度がその限界内にある場合はS235JRを選択してください。 - より高い最小降伏強度が必要で、セクションサイズを減少させるか、設計荷重を満たす必要がある場合は、S275JRを選択してください。これにより、常温での良好な溶接性と靭性を保持できます。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト: S275JRは、強度仕様が高く、化学組成と機械的要件がわずかに厳しいため、通常S235JRよりもわずかに高く価格設定されていますが、市場価格は鋼材商品サイクルに応じて変動します。
- 入手可能性: 両グレードは広く生産され、多くの製品形態（プレート、シート、コイル、セクション）で入手可能です。S235JRは非常に低価格の消費者構造市場でより一般的である傾向がありますが、S275JRは構造鋼の供給者やサービスセンターによって強く在庫されています。
- 製品形態: 入手可能性は厚さと仕上げによって異なる場合があります—ホット圧延正規化プレート、漬け込みおよび油処理されたシート、または事前亜鉛メッキオプションのリードタイムについては供給者に相談してください。
10. まとめと推奨
表: 簡単な比較要約
| パラメータ | S235JR | S275JR |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れた | 優れた（わずかに高いCEの可能性） |
| 強度–靭性バランス | 良好（より高い延性） | 靭性を保持したより良い強度 |
| コスト | 低い（一般的に） | 中程度（一般的にS235JRより高い） |
結論: - 最大の成形性、わずかに高い延性、低い材料コストを優先し、プロジェクトの降伏強度要件が235 MPaを超えない場合はS235JRを選択してください。これは一般的な構造製作、建築部品、および曲げ/成形の容易さが重要な状況に最適です。 - より高い最小降伏強度が必要で、セクションサイズを減少させるか、より高い設計荷重を満たす必要がある場合はS275JRを選択してください。これは、強度対重量の利点と許容応力のわずかな増加が重要な重い構造用途に適しています。
最終的な実用的な注意: - 常に供給者のミルテスト証明書および適用される規格（EN 10025または指定された納入規格）に対して機械的および化学的値を確認してください。 - 予熱および消耗品の選択は、測定された炭素等価（$CE_{IIW}$または$P_{cm}$）および部品の拘束に基づいて行い、グレード名だけに基づいて行わないでください。 - 調達の早い段階で保護コーティングを考慮し、製造工程（例：コーティングを通じた溶接、製造後のホットディップ亜鉛メッキ）との互換性を確保してください。