S355 対 S460 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
S355とS460は、EN 10025シリーズの仕様で広く使用されている構造用鋼の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、低コストで加工しやすい鋼と、軽量構造や断面サイズの削減を可能にする高強度材料の選択にしばしば直面します。典型的なトレードオフには、溶接性対強度、加工の容易さ対重量削減、設計温度での利用可能な靭性が含まれます。
主な技術的な違いは、S460がS355よりも高い最小降伏強度を提供することであり、これは組成管理と熱機械的処理または微合金化によって達成されます。これらのグレードは、化学的基盤と処理オプションが重なるため、構造効率、溶接手順、ライフサイクルコストを最適化する際に一般的に比較されます。
1. 規格と呼称
- EN: S355とS460は、EN 10025（例：非合金構造用鋼のためのEN 10025‑2）で指定されています。バリアントには、衝撃特性（JR、J0、J2）や処理（M = 熱機械的圧延、N = 正常化）のための接尾辞が含まれます。
- ISO: 同等の呼称はISOの構造用鋼リストに現れることがありますが、ENの名称がヨーロッパでは最も一般的です。
- ASTM/ASME: これらの鋼はASTMグレードに直接対応するものではありません（ASTMは異なる化学組成と命名法を使用します）。ENとASTM鋼の選択は、直接的な名称の置き換えではなく、特性の比較が必要です。
- JIS/GB: 日本（JIS）および中国（GB）の規格には独自の構造用鋼グレードがあります。互換性のためにクロスリファレンステーブルが使用されます。
- 分類: S355とS460は、HSLAタイプ（高強度低合金）の構造用鋼です。微合金元素（Nb、V、Ti）を含む可能性のある非ステンレスの炭素マンガン鋼です。これらは合金工具鋼やステンレス鋼ではありません。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | 典型的なS355（EN 10025バリアント） | 典型的なS460（EN 10025バリアント） |
|---|---|---|
| C (最大) | ~0.20–0.24 wt%（バリアントによって異なる） | ~0.16–0.22 wt%（バリアントによって異なる） |
| Mn (典型) | ≤1.60 wt% | ≤1.60 wt% |
| Si (最大) | ≤0.55 wt% | ≤0.55 wt% |
| P (最大) | ≤0.035 wt% | ≤0.035 wt% |
| S (最大) | ≤0.035 wt% | ≤0.035 wt% |
| Cr | 微量から低（必須ではない） | 微量から低 |
| Ni | 微量から低 | 微量から低 |
| Mo | 微量から低 | 微量から低 |
| V (微合金) | 微合金バリアントに存在する可能性がある | 微合金グレードで頻繁に使用される |
| Nb (微合金) | 存在する可能性がある | S460M/Nバリアントで一般的に使用される |
| Ti (微合金) | 時々存在する | 時々存在する |
| B (ppmレベル) | 微合金バリアントに可能 | 微合金バリアントに可能 |
| N (制御) | 靭性のために制御される | 靭性のために制御される |
注意: - 値は指標範囲です。正確な限界はEN 10025のサブグレード（例：S355JR、S355J0、S355J2、S460M、S460N）およびメーカーの認証に依存します。 - S460は、炭素の大幅な増加ではなく、熱機械的圧延（TMCP）および微合金化（Nb、V、Ti）を通じて一般的に高い降伏強度を達成します。 - 合金戦略: 溶接性と靭性のために低炭素および制御されたリン/硫黄を維持し、微合金元素を追加して粒径を精製し、溶接性を損なうことなく析出強化を促進します。
合金が特性に与える影響: - 炭素: 強度と硬化性を増加させますが、過剰な場合は溶接性と靭性を低下させます。 - マンガン: 強度と硬化性を促進します。制御された量では、脱酸化と靭性をサポートします。 - Si: 脱酸化剤; 中程度のレベルは強度を助けますが、靭性に影響を与える可能性があります。 - Nb、V、Ti: 微合金元素で、低濃度に保たれると、粒子の精製と析出硬化を通じて高い強度を可能にし、溶接性に対する最小限の悪影響を与えます。 - Mo、Cr、Ni: これらのグレードでは主要ではありませんが、存在する場合は硬化性や耐食性に影響を与える可能性があります。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造: - S355（圧延/正常化後）: 平圧延条件下で比較的粗い粒子を持つフェライト-パーライト微細構造; 正常化によって靭性が改善されます。 - S460（TMCPまたは正常化）: 一部の熱機械的圧延製品において、制御された量のベイナイト/テンパー加工マルテンサイトを持つ細粒フェライト; 微合金析出物が粒径を精製し、強度を加えます。
処理ルートの影響: - 正常化: 再加熱と空冷は、両グレードの粒径を精製し、靭性を改善します; “N”の付いたS460バリアントは、特性の一貫性を保証するために正常化されます。 - 熱機械的制御処理（TMCP）: S460Mに広く使用され、高い強度を低炭素当量で達成します — 改善された靭性を持つ細かく高強度のフェライト/マトリックスを生成します。 - 突然冷却とテンパー: 標準の構造用S355/S460グレードには典型的ではありません（これらは圧延または正常化された状態で供給されます）。急冷とテンパーは、より高強度の急冷合金鋼に使用される異なるルートであり、ENグレード仕様を超えて特性を大きく変えることになります。
4. 機械的特性
| 特性 | S355（典型的） | S460（典型的） |
|---|---|---|
| 最小降伏強度 (Rp0.2) | ~355 MPa（EN 10025に基づく平面製品） | ~460 MPa |
| 引張強度 (Rm) | ~470–630 MPa（バリアントおよび厚さに依存） | ~510–680 MPa（バリアントおよび厚さに依存） |
| 伸び (A, % 最小) | ~20–22%（厚さに依存; 厚さが増すと低下） | ~14–20%（厚さおよびバリアントに依存） |
| 衝撃靭性 (Charpy V) | バリアントによって指定（例：JR/J0/J2に応じて+20°C / 0°C / −20°Cで27 J） | 低温用にしばしば指定される（バリアントは設計温度で同等または改善された靭性を保証） |
| 硬度（典型的、非HT） | 低〜中程度（構造に依存; 構造用鋼のために通常は低硬度範囲） | 中程度（高強度は通常、やや高い硬度をもたらす） |
解釈: - S460は降伏強度およびしばしば引張強度において強いグレードです; 強度の増加は主に微合金化とTMCPによって得られ、炭素の大幅な増加によるものではありません。 - S355は、より低い証明応力要件のため、多くの製品/バリアント比較においてわずかに延性が高い傾向があります（より高い伸び）。 - 靭性はバリアントに依存します; 両グレードは低温サービスに適した衝撃要件で指定できます。S460は、制御された処理を通じて高強度レベルで靭性を保持するように設計されています。
5. 溶接性
溶接性の考慮は、炭素含有量、炭素当量、および微合金化に依存します。一般的な予測式には以下が含まれます:
-
IIW炭素当量: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
溶接亀裂感受性のためのより一般的なパラメータ ($P_{cm}$): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈: - S355とS460は、適切な予熱、インターパス温度制御、および一致するフィラー材料があれば、一般的に溶接可能と見なされます。S460は、微合金化による高い硬化性とやや高い強度のため、S355よりも冷却亀裂を避けるために、より厳密な溶接手順（低熱入力制限、より高い予熱または場合によっては溶接後の熱処理）が必要になる場合があります。 - 一般的なEN S355およびS460バリアントの炭素当量は、急冷合金鋼と比較して一般的に低〜中程度ですが、S460M/NバリアントはNb/Vの添加により高いCEを持つ可能性があります。常にメーカーの化学組成と厚さに対してCEまたは$P_{cm}$を計算し、予熱および消耗品の選択を定義してください。
6. 腐食と表面保護
- S355もS460もステンレス鋼ではありません; それらはパッシブフィルム形成のための重要なクロムやニッケルを欠いています。したがって、腐食保護はコーティングと設計によって行われます:
- ホットディップ亜鉛メッキ、亜鉛リッチプライマーと塗装システム、メタライジング、または耐腐食ライニングが一般的です。
- 排水のための設計、隙間を避け、適切な場合には犠牲的コーティングを使用します。
- PREN（ピッティング耐性等価数）は非ステンレス構造用鋼には適用されませんが、参考のために: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指標はステンレス合金に関連しており、S355/S460には意味がありません。
7. 加工、機械加工、および成形性
- 切断: プラズマ、酸素燃料、レーザー、およびウォータージェット切断は両グレードの標準です。高強度のS460は、硬度が高いため、バーナー切断でわずかに工具の摩耗やスプリングバックが高くなる可能性があります。
- 曲げ/成形: S355は降伏応力が低いため、冷間成形や曲げが容易です; S460はより高い成形力と厳密なスプリングバック制御を必要とします。成形限界は厚さ、熱処理、およびバリアントに依存します。
- 機械加工: 両者は標準的な炭素/微合金鋼であり、機械加工性は一般的に中程度です。S460の高強度と微合金析出物は、機械加工性をわずかに低下させ、切削工具の摩耗を増加させる可能性があります。
- 仕上げ: 表面処理（ショットブラスト、塗装、亜鉛メッキ）は両グレードで類似しています; 溶接アセンブリのための予熱および応力緩和の考慮はグレードごとに異なります。
8. 典型的な用途
| S355 — 典型的な用途 | S460 — 典型的な用途 |
|---|---|
| 標準強度が十分な建物構造（梁、柱） | 高強度が断面サイズを削減する橋や長大スパン構造 |
| 一般的な構造部品、フレーム、およびプラットフォーム | 重量削減要件のある重機フレーム |
| 溶接鋼建物および二次鋼構造 | 強度対重量が重要なオフショア/オンショア鋼構造における高性能構造要素 |
| 中程度の荷重用の製作セクション、プレート、およびプロファイル | クレーンガーダー、大型溶接製作物、および材料厚さの削減が望ましい構造 |
選択の理由: - コスト、加工の容易さ、標準的な構造性能が優先される場合はS355を選択します。これは、建物構造や一般的な製作のデフォルトとしてしばしば使用されます。 - 設計が高い降伏強度から利益を得る場合はS460を選択します — 例えば、部材サイズを削減する、より厳しいたわみや座屈要件を満たす、または輸送制限のあるシステムで重量を削減するため — 溶接および製作の管理が実施される限り。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト: S460は、より厳密な処理管理（TMCP/正常化）、潜在的な微合金含有量、および生産量が少ないため、一般的にS355よりもトンあたりのコストが高くなります。価格プレミアムは市場、製品形状、および厚さによって異なります。
- 入手可能性: S355はプレート、熱間圧延セクション、および構造形状で広く入手可能です。S460はプレートおよび構造セクションで広く入手可能ですが、特定の厚さ、処理レベル、または衝撃バリアントに対してはリードタイムが長くなる可能性があります。
- 製品形状の影響: 認証されたS460M/N特性を持つプレートやコイルは、標準のS355よりも供給が制限される可能性があります; 調達はリードタイムとサプライヤーの資格を考慮する必要があります。
10. 概要と推奨
| 基準 | S355 | S460 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（標準手順） | 良好〜中程度（より厳密な管理が必要な場合あり） |
| 強度–靭性のバランス | 中程度の強度と良好な延性 | TMCPによるエンジニアリング靭性を持つ高強度 |
| コスト | 低い | 高い（高強度/処理のためのプレミアム） |
S355を選択する場合: - 加工の簡便さ、広い入手可能性、低い材料コストが優先される場合。 - 設計荷重と重量制約が高強度セクションなしで満たされる場合。 - 標準的な溶接手順とルーチンの予熱/インターパス制御が望ましい場合。
S460を選択する場合: - 構造効率と重量削減が重要な場合（例：長スパン、クレーンガーダー、制約のある輸送）。 - プロジェクトがより厳密な溶接/製作管理をサポートでき、ライフサイクルまたは性能の利益を実現するために高い材料コストを受け入れられる場合。 - 設計によって指定された衝撃靭性とより高い証明応力値が必要な場合。
結論: S355とS460は、信頼性のある構造性能を提供するように設計されています; 選択は、必要な降伏強度、製作制約、設計温度/靭性要件、および総所有コストによって決まります。常に供給者のミル証明書から正確な化学的および機械的限界を確認し、重要な製作のために炭素当量と溶接手順の資格を実施してください。