Z25対Z35 - 構成、熱処理、特性、および用途

はじめに

エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、構造、圧力保持、または重加工作業のために鋼を指定する際、しばしば2つの近接した製品グレードの間で選択を迫られます。Z25とZ35の間の決定は、通常、必要な強度と厚さ方向の性能とコスト、溶接性、入手可能性とのバランスを取るものです。一般的な決定の文脈には、溶接された容器シェル、橋のための重板、層状破壊（デラミネーション）のリスクや方向性靭性が懸念される製造構造が含まれます。

高いレベルでは、Z35はZ25と比較して高性能グレードとして位置付けられています：一般的に、層状破壊に対する厚さ方向の抵抗が大きく、強度が高く、通常は制御された化学成分と熱機械的処理によって達成されます。Z25は、コストを抑え、製造と溶接が容易である場合に、十分な強度と靭性が必要な場合に選択されます。これらのグレードは、類似の適用領域をターゲットにしているため比較されますが、上記のトレードオフを最適化するために合金戦略と処理が異なります。

1. 規格と指定

• Z接頭辞または同様の番号の製品グレードが現れる主要な規格：国家および独自の指定（EN、ASTM/ASME、JIS、GB）または製鉄所の規格。注：Z25とZ35は、一部の製鉄所や仕様者によって使用される製品グレードラベルであり、S275やS355のような普遍的なASTM名ではありません。
• ファミリーによる分類：
• Z25：通常、低合金またはマイクロ合金の構造鋼（低から中強度範囲）。
• Z35：通常、厚さ方向の挙動を改善し、より高い降伏強度/引張強度を最適化した高強度のマイクロ合金または低合金鋼。
• ユーザーは、調達および設計検証のためにZ25/Z35を特定の標準仕様または供給者の製鉄所証明書にマッピングする必要があります。

2. 化学組成と合金戦略

Z25とZ35の正確な化学成分は供給者特有です。以下の表は、この性能範囲の鋼の典型的な合金元素と、製鉄所の製品データで一般的な定性的または指標的な範囲を示しています。常に分析証明書で確認してください。

表：典型的な組成範囲（指標的；製鉄所証明書を参照） | 要素 | Z25（典型的な戦略） | Z35（典型的な戦略） | |---|---:|---:| | C（炭素） | 低から中；溶接性と延性のために最適化（指標的：〜0.08–0.20%） | 低から中；強度と溶接性のバランスを取るために制御（指標的：〜0.08–0.22%） | | Mn（マンガン） | 強度と硬化性を助けるために中程度（指標的：〜0.3–1.2%） | 強度を増加させるために中程度からやや高め（指標的：〜0.4–1.4%） | | Si（シリコン） | 脱酸のための少量（≈0.1–0.4%） | 同様、靭性のために制御（≈0.1–0.4%） | | P（リン） | 靭性のために低く保たれる（<0.03%） | 靭性のために低く保たれる（<0.03%） | | S（硫黄） | 延性のために低く保たれる（<0.02%） | 延性のために低く保たれる（<0.02%） | | Cr、Ni、Mo（合金） | 基本グレードでは通常最小限または不在；合金バリアントには少量の添加が含まれる場合があります | バリアントグレードで硬化性と靭性を改善するために小さな制御された添加が含まれる場合があります | | V、Nb、Ti（マイクロ合金） | 粒子を精製し強度を高めるために微量のマイクロ合金（ppmレベル）が含まれる場合があります | 厚さ方向の靭性を改善するために、よりエンジニアリングされたマイクロ合金成分と処理が行われる可能性が高い | | B（ホウ素） | 通常不在または非常に低いレベル | 一部の製鉄所によって硬化性を高めるために微量の添加が使用される場合があります（ppm） | | N（窒素） | 包含物の安定性と強度を管理するために制御 | 制御されている；低Nは靭性を助けることが多い |

合金が特性に与える影響： - 炭素とマンガンは強度と硬化性を高めますが、過剰な場合は溶接性と靭性を低下させる可能性があります。 - マイクロ合金元素（Nb、Ti、V）は、炭素の大幅な増加なしに粒子の精製と析出硬化を通じて強度を増加させることを可能にします。 - 制御された低間隙（P、S、N）とクリーンスチールプラクティスは延性と厚さ方向の性能を改善します。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造と応答：

• Z25：
• プロセスルート：従来の熱間圧延にオプションの正規化または軽い焼き戻し。
• 微細構造：主にフェライト-パーライトまたは制御されたパーライトを持つ細粒フェライト；マイクロ合金バリアントは降伏強度を高める微細な析出物を示します。

• 熱処理応答：正規化は粒子を精製し靭性を改善します；このクラスでは重い急冷および焼き戻し処理は一般的ではありません。

• Z35：

• プロセスルート：制御された圧延（熱機械的制御処理、TMCP）と微細構造を精製し、細かいベイナイト/フェライト成分を促進するための加速冷却を使用する場合があります。
• 微細構造：いくつかの低合金バリアントに分散したベイナイトまたは焼き戻されたマルテンサイト/ベイナイトポケットを持つ細粒フェライト；層状破壊リスクを減少させるためのエンジニアリングされた包含物制御。
• 熱処理応答：TMCPと制御冷却は、単純な正規化よりも強度を高め、厚さ方向の靭性を改善します；急冷および焼き戻しは指定されている場合は可能ですが、分類が変更されます。

一般的なルートの影響： - 正規化：粒子サイズを精製し微細構造を均一化します；両方のグレードの靭性を改善します。 - 急冷および焼き戻し：強度を大幅に高めますが、より厳格な溶接および前加熱/後加熱の制御が必要です。 - TMCP：重い合金化なしで微細構造を精製することにより、高い強度と靭性を良好な溶接性で実現します。

4. 機械的特性

正確な機械的値は製鉄所の認証、製品形状（板、コイル、鍛造部品）、および熱処理に依存します。以下の表は指標的な比較範囲と定性的な記述子を示しています；特定の値は調達文書で確認してください。

表：指標的な機械的特性（典型的な範囲；製鉄所データを参照） | 特性 | Z25（指標的） | Z35（指標的） | |---|---:|---:| | 引張強度 | 中程度 — 通常、構造鋼の低から中範囲 | 高い — 通常Z25を超え、より高い証明強度を反映 | | 降伏強度 | 低/中範囲（一般的な構造に適している） | 高い；より高い静的荷重に設計されている | | 伸び（%） | 良好な延性；成形および製造に適している | やや低いか同等；処理に依存 | | 衝撃靭性（シャルピー、-または指定温度） | 中程度；清浄度と処理に依存 | 厚さ方向および方向性靭性が高い；層状破壊に抵抗するように設計されている | | 硬度（HBまたはHRC） | 中程度 | 高いが、多くのグレードで溶接可能な範囲内 |

どちらが強いか、靭性があるか、延性があるか、そしてその理由： - 強度：Z35は、やや高い合金含有量とプロセス制御の組み合わせにより、Z25よりも高い降伏強度と引張強度を提供するように設計されています。 - 靭性：Z35は、クリーンスチールプラクティス、包含物形状制御、熱機械的処理により、厚さ方向およびデラミネーション抵抗が改善される傾向があります。これは、層状破壊のリスクが存在する場合に重要です。 - 延性：Z25は、強度が低いため、いくつかの条件下でわずかに高い均一伸びを示すことがありますが、慎重に処理されたZ35は、強度を高めながら良好な延性を保持できます。

5. 溶接性

溶接性は主に炭素当量と硬化性によって導かれます。定性的評価にはIIW炭素当量とPcmインデックスを使用できます：

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈（定性的）： - Z25：比較的低い炭素と単純な化学成分を持ち、$CE_{IIW}$と$P_{cm}$が低くなる傾向があり、溶接が容易で、前加熱/後加熱の要件が少なく、冷却割れの感受性が低くなります。 - Z35：高い強度と追加のマイクロ合金またはやや高いMnが$CE_{IIW}$と$P_{cm}$をわずかに増加させる可能性があります。これにより、より注意深い溶接手順仕様（PQR/WPS）、前加熱の可能性、および水素制御への注意が必要になります。 - 両方のグレードにおいて：厚さ、ジョイント構成、および製造プラクティス（清浄度、水素焼き出し、電極選択）が溶接性能に大きく影響します。ターゲットプレート化学を使用して溶接手順の資格を確認してください。

6. 腐食と表面保護

• 非ステンレスグレード：Z25とZ35は通常、非ステンレスの低合金鋼です。腐食保護はコーティングと設計によって提供されます：
• ホットダイプ亜鉛メッキ、亜鉛リッチプライマー、エポキシコーティング、またはメタライズは一般的な保護戦略です。
• 環境に基づいてコーティングシステムを選択します（C3–C5腐食性カテゴリまたは海洋対田舎/工業）。
• ステンレスの考慮事項：PRENは、グレードがステンレス合金でない限り適用されません。参考までに、ステンレス合金は次のように使用されます： $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ —ステンレス鋼のピッティング抵抗を推定するために使用されます。
• ステンレスを考慮すべき時：外部コーティングなしで長期的な腐食抵抗が必要な場合は、Z25/Z35に依存するのではなく、ステンレスファミリーに移行してください。

7. 加工性、機械加工性、成形性

• 切断：両方のグレードは、フレームカット、プラズマカット、またはレーザーカットが可能です；Z35の高い強度は、切断パラメータの調整を必要とし、熱影響部が硬くなる可能性があります。
• 機械加工性：Z25は強度が低く、析出硬化が少ないため、通常はやや加工しやすいです。Z35は、マイクロ合金化と高強度により、工具の摩耗に対して厳しい場合があります；それに応じて工具と速度を選択してください。
• 成形性と曲げ：Z25は、降伏強度が低いため、与えられた厚さで一般的により良い曲げ性を提供します。Z35は適切に設計されれば成形可能ですが、最小曲げ半径が大きくなる可能性があり、スプリングバックが大きくなることがあります。
• 熱入力と成形：重い成形や溶接後の成形の場合、グレードの指定された熱処理を考慮し、プロセスが望ましくない強度損失を引き起こさないことを確認してください。

8. 典型的な用途

表：各グレードの典型的な使用 | Z25（典型的な用途） | Z35（典型的な用途） | |---|---| | 標準的な強度と良好な溶接性が優先される一般構造用の板と梁 | より高い強度と改善された厚さ方向の性能が要求される重加工部品と板 | | 製造フレーム、コンベヤー、および一般的な鋼構造 | 層状破壊のリスクがある圧力容器スカート、重いフランジ、および溶接構造 | | 腐食保護のためのコーティングを施した中程度の負荷の溶接タンクとビン | 厚さ方向の靭性が重要な橋、沖合または近海の構造要素 | | コスト、調達の容易さ、簡単な溶接を優先する用途 | より高い荷重容量、疲労抵抗、デラミネーションリスクの低減を優先する用途 |

選択の理由： - コスト、簡単な製造、全体的な延性/溶接性が主な要因である場合はZ25を選択してください。 - より強く、より靭性のある板で、エンジニアリングされた厚さ方向の性能が必要な場合はZ35を選択してください（例：厚い溶接接合部、重い荷重を支える溶接アセンブリ）。

9. コストと入手可能性

• コスト：Z35は通常、より厳密な化学制御、マイクロ合金化、TMCP処理、または追加の資格手順のためにZ25よりもプレミアムがかかります。プレミアムは地域や生産者によって異なります。
• 入手可能性：Z25は通常、複数の製鉄所サイズ、厚さ、製品形状でより広く入手可能です。Z35は標準の板コイルや板として入手可能ですが、特殊な厚さや小ロット注文では制限されることがあります；認証されたZ35材料のリードタイムは長くなる可能性があります。

10. 要約と推奨

表：主要なトレードオフを要約 | 特性 | Z25 | Z35 | |---|---:|---:| | 溶接性 | 高い；PQR/WPSが容易 | 良好だが前加熱/水素制御により注意が必要 | | 強度–靭性のバランス | 中程度の強度と良好な延性 | より高い強度と改善された厚さ方向の靭性 | | コスト | 低い | 高い |

推奨： - 次の条件に該当する場合はZ25を選択してください： - プロジェクトがコスト効果、簡単な溶接、一般的な構造性能を優先する場合。 - 板の厚さ、ジョイント構成、サービス条件が層状破壊や厚さ方向の応力リスクを高めない場合。 - 幅広い入手可能性と短いリードタイムが必要な場合。

• 次の条件に該当する場合はZ35を選択してください：
• より高い降伏/引張強度と層状または厚さ方向の破壊に対する強化された抵抗が必要な場合。
• 設計に重い溶接接続、厚い板、または方向性靭性が重要な条件（疲労に敏感またはサイクリック荷重）が含まれる場合。
• より耐久性のある構造的結果のために、より高い材料コストとおそらく厳格な製造管理を受け入れる場合。

最終的な注意：Z25とZ35は、正確な化学成分と機械的保証が製鉄所証明書および適用される仕様から取得されなければならない略称の製品グレードラベルです。安全上重要なまたは溶接された圧力保持アプリケーションの場合は、常に必要な機械的特性（降伏、引張、温度での衝撃）、最大許容化学値、および調達および図面における必要な溶接手順を指定してください。