S275 vs S355 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

S275とS355は、EN 10025で規定されている広く使用されているヨーロッパの構造用鋼です。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、強度、溶接性、加工要求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、安全マージンを維持しながら重量を最小化すること（高強度を優先）、加工の容易さと溶接リスクのバランスを取ること（低炭素当量を優先）、部品のコストと入手可能性を管理することが含まれます。

主な技術的な違いは、S355がS275よりも高い最小降伏強度を規定されていることであり、多くのS355サブグレードはマイクロ合金化やより厳しい靭性要件を取り入れており、これらが処理と選択に影響を与えます。両者は、類似の化学組成を持つ低合金/HSLA構造用鋼であるため、構造性能、靭性、コストのバランスを取る必要があるビーム、プレート、セクション、溶接製品の比較によく用いられます。

1. 規格と呼称

• EN: EN 10025ファミリー — S275とS355はヨーロッパの構造用鋼グレード（例：S275JR、S355J0、S355J2）です。
• ASTM/ASME: 直接の1対1のASTM等価物はありませんが、ASTM A36（低強度）やASTM A572グレード（高強度低合金）が類似の役割を果たします。
• JIS: 日本の規格は直接的に対応していませんが、類似の特性を持つ軟鋼/構造用鋼があります。
• GB（中国）: GB/T構造用鋼グレードには比較可能なクラスがあります。等価性を仮定するのではなく、特定の材料証明書を参照してください。
• 分類: S275とS355は、マイクロ合金化された場合、HSLA（高強度低合金）ファミリー内の炭素マンガン構造用鋼と見なされます。ステンレス鋼、工具鋼、高合金鋼ではありません。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、一般的に供給されるS275およびS355グレードの典型的な組成範囲を示しています。これらは指標的な範囲であり、正確な化学的制限は特定のEN 10025サブグレードおよび製造業者の認証に依存します。設計計算のためにミル証明書を常に確認してください。

元素	典型的なS275（wt%）	典型的なS355（wt%）
C（炭素）	0.10 – 0.20	0.12 – 0.22
Mn（マンガン）	0.60 – 1.50	0.60 – 1.70
Si（シリコン）	≤ 0.55（通常0.10–0.35）	≤ 0.55（通常0.10–0.35）
P（リン）	≤ 0.035（最大指定）	≤ 0.035（最大指定）
S（硫黄）	≤ 0.035（最大指定）	≤ 0.035（最大指定）
Cr（クロム）	微量 – 指定なし	微量 – 時々存在
Ni（ニッケル）	微量 – 指定なし	微量 – 時々存在
Mo（モリブデン）	微量がある場合	微量がある場合
V（バナジウム）	通常なし; 一部のマイクロ合金グレードにはVが含まれる	マイクロ合金バリアントにVが含まれる場合がある
Nb（ニオブ / Cb）	一般的になし	一部のS355バリアントでは制御された量で存在することが多い
Ti（チタン）	脱酸剤として任意で存在	マイクロ合金材料に任意で存在
B（ホウ素）	通常使用されない	構造グレードではまれに使用される
N（窒素）	低く、制御されている	低く、制御されている

合金化が挙動に与える影響: - 炭素とマンガンは主に基礎強度と硬化性を制御します。CとMnが高いほど強度は増しますが、溶接性と成形性は低下します。 - シリコンと微量のCr、Ni、Moの添加は、強度と硬化性をわずかに増加させることができます。 - マイクロ合金化元素（Nb、V、Ti）は、炭素の大幅な増加なしに析出強化と粒子細化を可能にし、S355バリアントが355 MPaの降伏を達成しながら、溶接性と靭性を維持するのに有益です。 - 靭性と溶接性を保持するために、リンと硫黄は低く保たれます。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造: - 熱間圧延されたS275: 主にフェライトで、冷却速度と炭素含量に応じて多角形フェライトと一部のパーライトが含まれます。粒子サイズとフェライトの形態は熱機械的圧延によって制御されます。 - 熱間圧延されたS355: フェライト-パーライトで、マイクロ合金化されたバリアントではフェライト粒子サイズが細かくなります。マイクロ合金グレードでは、炭化物-窒化物（NbC、VC）の析出が、転位運動を妨げることによって強度を高めます。

熱処理応答: - 正規化: 両グレードは、穏やかな粒子細化とわずかに高い強度と靭性で正規化に応答します。大きな構造セクションにはまれに使用されます。 - 突然冷却と焼戻し: 標準のS275/S355構造納品には典型的ではありません。特別に熱処理されたバリアントに適用される可能性がありますが、通常のEN 10025の実践の範囲外です。 - 熱機械制御加工（TMCP）: S355では、高い降伏強度と改善された靭性を得るために一般的であり、高炭素を必要としません。TMCPは、より細かい粒子を生成し、強度と延性の好ましいバランスを提供します。

加工ルートの影響: - S355のマイクロ合金化/TMCP材料は、単に炭素を増加させることに比べて、溶接性と靭性をほとんど犠牲にすることなく、より高い降伏強度を達成します。 - S275は一般的に冷間成形に対してより寛容であり、低強度としばしば低炭素当量のため、溶接前加熱の要求が少なくなります。

4. 機械的特性

以下は代表的な機械的特性の範囲です。値はサブグレード（JR、J0、J2）、厚さ、加工に依存します。範囲は指標的なものとして扱い、供給されたミル試験証明書と照らし合わせて確認してください。

特性	S275（典型的）	S355（典型的）
降伏強度（MPa、最小）	275	355
引張強度（MPa）	410 – 560	470 – 630
伸び（%）	20 – 25（厚さに依存）	18 – 22（厚さに依存）
衝撃靭性（シャルピーV、J）	JR: +20°Cで27 J; J0/J2バリアントは低温用	JR/J0/J2が利用可能: 例として、+20°Cで27 J（JR）または0°C / −20°Cで27 J（J0/J2）サブグレードに応じて
硬度（HBW、典型的）	~120 – 180（変動あり）	~140 – 200（変動あり）

解釈: - 強度: S355は設計上、より強いグレードです（指定された降伏強度が高く、引張範囲も高い）。 - 靭性: 両グレードは、適切なサブグレードを選択することで、類似の衝撃エネルギー評価を供給できます（例：JR対J0/J2）。厚さと熱処理が靭性性能を決定します。 - 延性: S275は通常、わずかに高い伸びを示し、成形操作においてやや寛容です。 - 硬度は強度と相関し、S355は通常、より高い硬度を示し、加工や工具の摩耗に影響を与えます。

5. 溶接性

溶接性は主に炭素含量と炭素当量（硬化性）によって支配されます。マイクロ合金化や残留物も重要です。

一般的な溶接性指数: - 国際溶接協会の炭素当量: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 国際溶接協会の実用パラメータ: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈: - S355は、炭素と可能なマイクロ合金化添加物が多いため、S275よりもわずかに高い炭素当量を持つことが一般的です。これにより、管理されない場合、溶接による硬化ゾーンや水素割れの傾向が増加します。 - マイクロ合金化されたS355グレードは、通常、低炭素とNb/V/Tiの添加に依存しています。これにより、相対的に制御されたCEで高い強度を得ることができ、高炭素鋼と比較して過剰な溶接前加熱を軽減します。 - 実用的なガイダンス: 厚いセクションや低温サービスの場合、CEまたはPcm評価に従って前加熱と制御されたインターパス温度を適用し、必要に応じて適切な消耗品と溶接後熱処理を使用してください。

6. 腐食と表面保護

• S275もS355もステンレス鋼ではなく、一般的な腐食抵抗は類似しており、プレーン炭素マンガン鋼に典型的な基本的な抵抗に限られます。
• 典型的な保護戦略:
• 大気腐食保護のための熱浸漬亜鉛メッキ（構造要素に一般的）。
• 建築および海洋曝露構造物のための塗装システム（プライマー + トップコート）。
• 攻撃的な環境のためのメタライジング、ポリマーコーティング、または犠牲アノード。
• ステンレス指数（PREN）は、S275/S355には適用されません。なぜなら、これらはステンレス鋼ではないからです: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この式は、重要なCr/Mo/Nを含むステンレス合金に対してのみ意味があります。

他の材料を考慮すべき時: - 塩素が豊富または化学的に攻撃的な環境の場合、コーティングだけに頼るのではなく、耐腐食合金を検討してください。

7. 加工、機械加工性、成形性

• 切断: プラズマ、酸素燃料、レーザー切断は日常的です。S355の高強度は、わずかに高い切断エネルギーと熱影響部（HAZ）特性への注意を必要とする場合があります。
• 成形/曲げ: S275は、降伏強度が低く、やや高い伸びを持つため、一般的に冷間成形が容易であり、小さな曲げ半径に耐えることができます。S355は、亀裂を避けるために、より大きな曲げ半径または事前加熱が必要です。
• 機械加工性: 両者は自由加工鋼とは見なされません。S355の高い強度と硬度は、工具の摩耗を増加させ、達成可能な送り速度を低下させる可能性があります。適切な工具、速度、冷却剤を使用してください。
• 仕上げ: 表面処理、矯正、応力緩和の手法は、標準的な構造用鋼の手順に従います。溶接組立の場合、S355は高い拘束応力のため、変形制御をより考慮する必要があります。

8. 典型的な用途

S275 – 典型的な用途	S355 – 典型的な用途
軽量構造セクション、二次ビーム、パーリン、ブラケット、適度な強度が十分でコストが重要な一般的な製造	主ビーム、重構造部材、橋の部品、オフショアジャケット構造、高負荷クレーンレールで、より高い降伏強度と減少したセクション厚さ（重量削減）が重要
建築鋼構造、キャットウォーク、プラットフォーム、ファサードサポート	高負荷フレーム、重板、より高い設計応力または減少した厚さを必要とする構造部品
頻繁に成形される一般的な溶接製品	低温での高靭性と高強度対重量が優先される製品

選択の理由: - コストが低く、成形/溶接が容易で、許容される厚さが厚い場合はS275を選択してください。 - より高い降伏強度が薄いセクションと重量削減を可能にする場合、または設計コードが最小降伏値を義務付けている場合はS355を選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト: S355は、より高い合金管理と追加の加工（TMCP、マイクロ合金化、試験）のため、通常S275よりもプレミアムがかかります。このプレミアムは市場条件や製品形状によって異なります。
• 入手可能性: 両グレードは、プレート、シート、圧延セクション、構造プロファイルで広く入手可能です。S355は、重板や高強度構造用途においてやや一般的であり、S275は軽量構造セクションにしばしば使用されます。
• リードタイム: 特殊なサブグレード（例：特定の衝撃評価、厚さ、またはマイクロ合金バリアント）はリードタイムを延長する可能性があります。早期の仕様とサプライヤーとのコミュニケーションが推奨されます。

10. まとめと推奨

まとめ表（定性的）:

属性	S275	S355
溶接性	良好（低CE）	良好–中程度（高CEの可能性; マイクロ合金化が助ける）
強度–靭性のバランス	中程度の強度; 良好な延性	高い強度; 適切なサブグレードで良好な靭性を維持できる
コスト	低い	高い（高強度のプレミアム）

推奨: - 275 MPaの降伏が十分で、製造の簡素化と低い切断/工具摩耗が優先され、重量削減が主要な目的でない場合は、コスト効果が高く、容易に成形および溶接できる構造用鋼としてS275を選択してください。 - セクションの厚さや重量を減らすためにより高い降伏強度が必要な場合、またはより高い設計応力と改善された靭性（適切なサブグレードを使用）が必要な場合はS355を選択してください。プログラムがわずかに高い材料コスト、厳しい溶接管理（前加熱/インターパス）、および潜在的に増加した機械加工努力を受け入れられる場合はS355を使用してください。

最終的な注意事項: - 調達文書において、正確なEN 10025サブグレード（例：JR、J0、J2、またはN/T条件）および厚さ制限を常に指定してください。 - ミル試験証明書を要求し、設計計算、溶接手順仕様（WPS）、および製造計画のために化学組成と機械的特性を確認してください。 - 重要な溶接構造物や低温サービスの場合、$CE_{IIW}$または$P_{cm}$を使用して炭素当量を評価し、溶接コードおよび規格に従って前加熱またはPWHTを適用してください。