SB材（SB410）の使用温度・クリープ・溶接と選び方を解説 | ニュース・ブログ | 創業1913年鋼板・鋼材の専門商社

SB410などのSB材は何度まで使用できるのでしょうか。高温環境で生じるクリープや黒鉛化、許容引張応力、溶接時の注意点、SBV・SCMVなど他鋼種との使い分けを特殊鋼の専門商社が解説します。

執筆・監修者
熊谷憧一郎（くまがいしょういちろう）
クマガイ特殊鋼株式会社代表取締役社長。1977年生まれ、愛知県出身、成蹊大学経済学部卒業。2000年に大手総合商社へ入社し、ステンレス鋼材の販売に4年間従事。その後、現在の会社に入社し営業・加工技術の実務経験を積み、2013年より現職。特殊鋼販売技師の資格を有し、特殊鋼材の販売・加工に一貫して携わる。

SB材とは？SB材の規格・成分・機械的性質の解説は以下のリンクからどうぞ！！

SB材とは？SB410の規格・成分・機械的性質・用途を解説 | ニュース・ブログ | 創業1913年鋼板・鋼材の専門商社｜クマガイ特殊鋼株式会社

1.鋼材の使用中変化

先のVol.1で述べた通り、ボイラや圧力容器は温度や圧力が高い状態で使われることになります。温度が高いと室温での試験結果とは異なる機械的性質を示しますし、高温で圧力がかかった状態で使用し続けると機械的性質自体が微妙に変化していきます。

これらを考慮した鋼材規格や設計条件が必要になってきます。ここが常温、常圧で使用される一般の鋼材と大きく異なるところです。

鋼材の品質は、表面はさびなどで変化するのは良く知られていますが、内部の品質も実は微妙に変化を続けているのです。JIS上、常温と定義される5～35℃では、ほとんど無視できる程度の変化ですが、温度が上がるにつれて、いろいろな変化が生じてきます。

150℃を超える温度になると、鋼中に含まれる炭素(C)や窒素(N)などの微小な元素が動きやすくなります。

さらに温度が上がり、300℃とかの温度になるとより顕著になり、それが原因で常温に戻した時に以前と異なる機械的性質を示すことがあります。

400～600℃のようなさらに高い温度域では、長時間保持すると金属組織が前より大きく変わったりします。特に450℃を超えるような領域では、黒鉛化と呼ばれる事象が生じ、強度の低下が大きくなります。

鋼は鉄の原子と炭素の原子が混在して強度の高い金属組織を形成しているのですが、高温で炭素が移動して集まってきて、炭素の塊になってしまい（黒鉛化）、残りは鉄がほとんどのフェライトと呼ばれる柔らかい相になって、大幅に軟化してしまうのです。

何の変哲もない鋼材が、温度が上がることでいつの間にか内部まで変化してしまっているのは不思議ですね。

SB材が使われる温度域は、0～538℃程度を想定しています。この中でも、大きく分けて350℃以下と400℃以上の２つの温度域に分けられます。

350℃以下では、その温度での高温引張強さが重視されます。比較的、鋼材の組織変化が少ないため、高温で使用中の強度がどうなるかを、実際に温度を上げた状態のまま引張試験を実施して確認するのです。

中温、高温について書きますが、ここでは通常試験する常温より温度が高いという意味で、共通で高温という表現を使っています。

2.クリープ現象

使用温度が400℃以上では高温強度に加えて、クリープ強度と呼ばれる高温で長時間引張り続けた場合に鋼材が破断するかどうかを考慮に入れる必要があります。

クリープ現象はその温度での降伏点よりも低い応力でも、長期間荷重をかけているとわずかずつ変形が進み破断に至る現象です。高温で圧力がかかった状態で長期使用される圧力容器やボイラなどではこの現象を考慮する必要があります。

450℃以上では、このクリープ現象の評価に先ほどの黒鉛化も加わりますので、より複雑になります。クリープ現象は10万時間（11.4年）で破断が起きるかどうかで判断します。

しかしながら、非常に時間のかかる評価の上、鋼種や使用温度は広範囲で、試験・成分のばらつきもありすべての破断強度を正確に把握するのは困難です。そのためある程度の試験結果から内挿、外挿も使い、クリープ強度を決めています。

3.許容引張応力

許容される引張応力が圧力容器の構造に関するJIS B8265に決められています。

SB材のところを、表５に抜粋しますが、温度が高くなると極端に許容応力が小さくなることがわかります。また、モリブデン鋼は炭素鋼より高温側での強度の落ち方が小さくなっています。

クリープ領域未満では引張強さの1/4、降伏点の2/3の小さい方を採用していますが、前者の方が小さいのでそちらが採用されています。

クリープ温度域になるとクリープ強度のばらつきや安全率も考慮し、決められた数字になっています。

これより小さい応力で設計されれば、長期間の使用で破壊することもなく使用できると判断されます。しかしながら、高温ではかなり小さい数値なので、どうしても板厚が厚くなってしまう傾向にあります。

SB材は538℃までの使用を想定していますが、このような高温領域ではSBVやSCMVのようなもっと許容応力の高い鋼材を使った方が効率的なように思います。鋼種によっては650℃まで想定しているものもあります。

中・常温での使用に限るなら、JIS G3124の中・常温で使用されるボイラ・圧力容器用の高強度鋼板（SEV材）を使用する手もあります。

なお、許容引張応力については、圧力容器の設計に関するJIS B8267や発電用火力設備の技術基準では表６に示すように、450℃以下くらいでもう少し高い数値を使っています。
安全率を3.5倍とるか、4倍とるかの違いのようです。ASTMの改定に合わせて、3.5倍でいいという方向に進んでいるようですが、現時点では低い側の数値を取らざるを得ないのではないかと思います。早く統一して欲しいですね。

表5 鉄鋼材料の許容引張応力（JIS B8265抜粋）
種類	各温度(℃)における許容引張応力（N/mm²）
種類	0〜325	350	375	400	425	450	475	500	525	538℃
SB410	103	102	98	89	75	62	46	32	22	17
SB450	112	111	105	95	80	63	46	32	22	17
SB480	121	119	113	101	84	67	51	34	22	17
SB450M	112	112	112	112	109	106	97	70	44	33
SB480M	121	121	121	121	120	118	101	70	44	33

【高温環境での材料選定にお悩みですか？】

表からも分かる通り、400℃を超える高温域では炭素鋼（SB450等）の許容引張応力は急激に低下しますが、モリブデン鋼（SB450M・SB480M）は強度を維持します。クマガイ特殊鋼では、こうした過酷な環境に耐えうるSB材各種を常時在庫し、高精度な切断加工に対応しています。

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表6 鉄鋼材料の許容引張応力（JIS B8267抜粋）
種類	各温度(℃)における許容引張応力（N/mm²）
種類	0〜250	275	300	325	350	375	400	425	450	475	500	525	538℃
SB410	118	117	114	112	108	103	90	75	62	46	32	22	17
SB450	128	127	125	122	118	112	96	80	63	46	32	22	17
SB480	138	137	135	132	128	122	102	84	67	51	34	22	17
SB450M	128	128	128	128	128	128	128	127	124	102	70	44	33
SB480M	138	138	138	138	138	138	138	137	134	104	70	44	33

設計・購買ご担当者様へ：JIS B8265 / B8267対応のSB材をお探しですか？

クマガイ特殊鋼では、高温環境下での強度に優れたモリブデン鋼（SB450M・SB480M）をはじめ、各種ボイラ・圧力容器用鋼板を豊富に在庫しております。
お客様の図面・仕様に合わせた高精度な切断加工（プラズマ・ガス溶断等）から全国配送まで一貫対応いたします。

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4.使用温度域

結局、JISでは中温、高温の定義は見つかりませんでしたので明確には区分できないのですが、中温はその温度での強度を重視する100～350℃程度、高温はクリープ強度を重視する400～550℃程度をイメージするのがいいように思います。あくまでも私見です。
また、SB材を常温で使っても強度上は問題は無いと思うのですが、靭性が十分でない場合がありうるので、あとの使い分けで述べる常温用を使うべきでしょう。

【実務向け解説】鋼材の使用温度域と求められる特性の目安

上記の図は、クマガイ特殊鋼の実務経験に基づく「温度帯ごとの鋼材特性の目安」です。設計時の材料選定において、どの温度域でどのようなリスクが発生するかを直感的に把握するための参考にしてください。

■ 常温（5〜35℃）: 一般的な機械的性質（引張強さ・降伏点）をベースに設計が行われる基本の温度帯です。
■ 中温（約100℃〜350℃付近）：求められる特性「高温強度」: 温度上昇に伴い材料の強度が低下し始める領域です。常温の数値だけでなく、各温度における「許容引張応力」を確認し、低下分を見込んだ「高温強度」に基づく設計が必要になります。
■ 高温（約350℃〜600℃付近）：求められる特性「高温強度 / クリープ強度」: 高温強度の低下に加え、一定の応力がかかり続けることで時間とともに変形が進行する「クリープ現象」が発生します。この領域では、単なる強度だけでなく「クリープ強度」を考慮した材料選定（SB450Mなどのモリブデン鋼）が不可欠です。
⚠️ 400℃後半〜：炭素鋼の「黒鉛化」リスクに注意: 図の右下に示した通り、400℃後半から500℃を超える高温域で通常の炭素鋼を長時間使用すると、組織内の炭化物が分解し、もろくなる「黒鉛化（脆化現象）」が起こるリスクが高まります。これを防ぐために、モリブデン（M）などを添加した合金鋼が必要になります。

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5.SB材の溶接

圧力容器では、円筒状の胴板の両端を鏡板と呼ばれる鏡餅に似た形状の蓋をするような形が多いです。これらは溶接して使われることが一般的であり、SB材も溶接されることを前提にしています。

溶接材料は、SB410～SB480の炭素鋼は、SM材などと同じ軟鋼および490MPa級高張力用の溶接材料が使われます。

一方、モリブデン鋼に対しては、溶接材料にもMoを0.5％程度含む専用の溶接材料が必要です。日本溶接協会が下記に紹介しています。

C―0.5Mo鋼溶接に対する溶接材料選定基準および溶接時の留意点

いずれにしても、溶接部の品質は重要なので、溶接士の資格認定も必要ですし、機械試験、非破壊試験、耐圧試験など各種評価がなされます。

6.SB材の市中在庫　汎用性

SB材はSS400やSM材に比較すると用途が限られるので、市中在庫は限られています。クマガイ特殊鋼では、SB410を中心に在庫しておりますので、お問い合わせください。SRにも対応可能です。

7.SB410の物理的性質

最後になりましたが、SB410の各温度における物理的性質を表７に記載します。これは、JIS B8265の付属書から一部抜粋したものですので、必要に応じ原文を参照ください。

表7 SB410の物理的性質、機械的性質例（JIS B8265抜粋）
項目	温度 ℃
項目	20	50	100	150	200	250	300	400	500	538	550
ヤング率 GPa	203	201	198	195	193	189	184	171	150	–	137
線膨張係数×10⁻⁶/K	11.5	11.8	12.1	12.4	12.7	13.0	13.3	13.8	14.4	14.6	–
降伏点 N/mm²	225	–	201	195	189	180	167	154	137	123	–

【熱応力計算・強度計算にお困りの設計者様へ】

温度上昇に伴い、SB410の「ヤング率」や「降伏点」は低下し、「線膨張係数」は増加します。熱膨張による歪みや、高温下での強度不足を防ぐための材料選定・板厚計算は非常に重要です。
クマガイ特殊鋼では、SB410を含むボイラ・圧力容器用鋼板を各板厚で在庫し、図面通りの精密切断・開先加工まで一貫して対応可能です。

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8.ボイラ・圧力容器用鋼の使い分け

これまで、ボイラ・圧力容器用鋼としてSB材を中心に書いてきました。

表８にはSB材以外も含めて、JIS規格を一覧表にしてみました。表の下部には低温用や原子力用を除く、圧力容器用鋼材も加えています。これだけでも、ボイラ用として4種類、圧力容器用として8種類もあるので、使い分けは非常にややこしいですね。

図１はボイラ用の規格について常温の強度レベルと使用温度域で図示してみましたが、重なっているところも多く、鋼材選択は単純ではありません。

この図では表せない高温での許容引張応力なども考慮して選択することが必要です。特に、高温での許容引張応力を重視する場合は、Cr、Moなどの添加された鋼材を選択することが有効です。

まずは、SB材が使えるかどうか、課題があるときはより上位グレードでの検討を進めるのがいいでしょう。

表8 JIS材ボイラ、圧力容器用鋼一覧
用途	JIS番号	規格略号	温度域			強度レベル(キロ鋼)
用途	JIS番号	規格略号	常温	中温	高温	40	50	55	60
ボイラ・圧力容器	G3103	SB		〇	〇	〇	〇
	G3119	SBV		〇	〇			〇
	G3124	SEV	〇	〇			〇		〇
	G4109	SCMV	〇	〇	〇	〇	〇
圧力容器	G3115	SPV	〇	〇		〇	〇		〇
	G3118	SGV	〇	〇		〇	〇
	G3120	SQV	〇	〇				〇	〇
	G4110	SCMQ			〇				〇

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【図解の解説】各鋼材のカバー領域（温度 × 強度）

上の図は、ボイラ・圧力容器用鋼材を「使用温度領域（横軸）」と「強度レベル（縦軸）」でマッピングしたものです。選定に迷った際は、以下の適用範囲を参考にしてください。

SCMV（青枠）：【常温〜高温】×【40〜50キロ鋼】
温度帯を問わず幅広く使用できる万能なカバー範囲を持っています。
SB（赤枠）：【中温〜高温】×【40〜50キロ鋼】
高温環境下での標準的な強度を担う、ボイラ用鋼のベースとなる領域です。
SEV（オレンジ枠）：【常温〜中温】×【50〜60キロ鋼】
高温には達しないものの、高い圧力がかかる（高強度が求められる）環境に適しています。
SBV（緑枠）：【中温〜高温】×【55キロ鋼】
高温域において、SB材よりも一段高い強度（55キロレベル）がピンポイントで要求される場面で活躍します。

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9.SB材の使用温度・溶接・選び方に関するよくある質問

SB材に関するよくあるご質問

SB410は何度まで使用できますか？

SB410の使用上限温度を、鋼種名だけから一律に決めることはできません。使用温度だけでなく、圧力、板厚、使用時間、許容引張応力、溶接条件、適用される法令や設計規格を確認する必要があります。
本記事で示している使用温度域は鋼材選定の目安であり、その温度まで無条件に使用できることを保証するものではありません。実際の設計では、JIS B 8265やJIS B 8267など、適用する規格の最新版をご確認ください。

SB材のクリープとは何ですか？

クリープとは、高温環境で鋼材に荷重がかかり続けることにより、降伏点より低い応力でも時間の経過とともに変形が進む現象です。
ボイラや圧力容器は、高温・高圧の状態で長期間使用されることがあります。そのため、常温での引張強さだけでなく、使用温度と時間を考慮したクリープ強度の確認が重要です。

高温になると許容引張応力が低下するのはなぜですか？

鋼材は温度が高くなると強度が低下し、長時間の使用ではクリープや金属組織の変化も考慮する必要があります。そのため、設計で使用できる許容引張応力は、一般的に温度の上昇に伴って小さくなります。
ただし、許容引張応力は鋼種だけで決まるものではありません。適用する設計規格や使用温度、板厚などに基づいて確認します。

SB材の黒鉛化とはどのような現象ですか？

黒鉛化とは、高温環境で長期間使用することにより、鋼中の炭素が黒鉛として析出し、鋼材の強度低下につながる現象です。
発生の可能性は温度、使用時間、鋼材の成分などによって変わります。高温で長期間使用する設備では、クリープとあわせて考慮する必要があります。

SB410とSB450M・SB480Mはどう使い分けますか？

SB410は炭素鋼、SB450MとSB480Mはモリブデンを含む鋼材です。一般に、モリブデンを含む鋼材は高温での軟化に対する抵抗があり、高温域における強度の維持が求められる場合に検討されます。
ただし、数字の大きさやモリブデンの有無だけで鋼種を決めることはできません。使用温度、圧力、必要板厚、溶接性、熱処理、調達性などを総合的に比較します。

SB材を溶接するときの注意点は何ですか？

SB材は溶接して使用されることが多い鋼板ですが、鋼種、板厚、継手形状などに合った溶接材料と施工条件を選ぶ必要があります。特にモリブデン鋼には、母材の成分や性能に対応した溶接材料が求められます。
また、条件によっては予熱、溶接後熱処理、機械試験、非破壊試験などが必要になります。実際の施工では、適用規格と溶接施工要領を確認してください。

SB材・SBV材・SCMV材はどのように使い分けますか？

SB材は、炭素鋼またはモリブデン鋼によるボイラ・圧力容器用鋼板です。SBV材はマンガンモリブデン鋼またはマンガンモリブデンニッケル鋼、SCMV材はクロムモリブデン鋼に分類されます。
より高い温度や圧力、許容引張応力、耐熱性などが求められる場合は、SBV材やSCMV材なども候補になります。ただし、鋼種ごとに強度、溶接性、熱処理、価格、入手性が異なるため、使用条件に応じた選定が必要です。

SB410の切断や加工も依頼できますか？

クマガイ特殊鋼では、SB410をはじめとするボイラ・圧力容器用鋼板を取り扱っています。定尺や切板の販売に加え、切断、孔明け、面加工、曲げ、溶接などもご相談いただけます。
お問い合わせの際は、鋼種、板厚、寸法、数量、使用目的、加工内容、必要な検査や証明書の有無などをお知らせください。図面や仕様書がある場合は、より具体的な検討が可能です。

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