A653 SS-Gr33 対 Gr37 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

ASTM A653は、亜鉛めっき（ガルバナイズド）炭素鋼および高強度低合金鋼の鋼板を対象としています。工場出荷時の呼称には、降伏強さの最小値で表示される等級があり、代表例として構造用のGr33やGr37がよく使われています。エンジニアや調達担当者、製造計画者は、溶接性、成形性、耐食性、コストのバランスを考慮しながら、わずかに異なる強度レベルの中から選択する必要があります。

両等級の主な技術的な違いは、保証される最低強度レベルにあります。Gr37はGr33よりも高い構造用強度クラスに対応しています。化学成分や製造意図（めっき用の冷間圧延低炭素鋼）ではほぼ同様であるため、選択は通常、必要な荷重容量と加工のしやすさおよびコストのバランスによって決まります。

1. 規格と呼称

• ASTM/ASME: ASTM A653 / A653M — 鋼板の標準規格（溶融亜鉛めっき鋼板または熱浸亜鉛鉄合金めっき鋼板）。SS-Gr33やSS-Gr37などのグレード名は、構造用としての最小降伏強さ（ksi単位）を示します。
• EN: 同等の製品群はEN 10346（連続熱浸亜鉛めっき鋼フラット製品）およびEN 10142/EN 10147（特定のめっき製品）で規定されていますが、呼称は一対一で対応しません。
• JIS/GB: 日本と中国の規格にも独自の同等製品群があります（例：JIS G3302が熱浸亜鉛めっき鋼板、GB/T 2518/2518Mが鋼板相当品）が、命名規則が異なり、機械的性質で比較すべきです。
• 分類: SS-Gr33とSS-Gr37はどちらも低炭素構造用鋼であり、めっき鋼板製品向けです。ステンレス鋼や工具鋼ではなく、主にめっき用の炭素鋼・低合金鋼です。

2. 化学成分と合金設計

この製品群は、成形性、めっき性、適切な強度向上に最適化された低炭素炭素マンガン鋼に基づいています。厳密な組成範囲は規格や工場認証で規定されますが、典型的に注目される元素とその役割は以下の通りです。

元素	典型的な役割・関連性
C（炭素）	基礎強度と焼入性を制御。成形性・溶接性を保つため低く抑えられる。
Mn（マンガン）	強度と焼入性を適度に向上させ、過剰なCを避けながら目標降伏強さを実現。
Si（ケイ素）	脱酸剤で、微量はめっき付着性や熱処理の影響を調整。
P（リン）	一般に制限される。強度増加が可能だが、延性や耐食性を損なう。
S（硫黄）	延性と成形性維持のため低く抑制。高Sは切削性向上だが性能低下を招く。
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	通常、A653構造用標準グレードでは不使用か微量の微合金元素として存在。高強度タイプではNb、Ti、Vの微合金化で析出強化し、降伏強さや靭性を向上。
N（窒素）	管理され、微合金化鋼では強度や成形性に寄与。

補足：亜鉛めっき構造用鋼板では、成形性およびめっき品質を最大化するため、炭素含有量を低く抑えることが意図されています。製造元は認証済みの成分範囲を提供するため、正確な値はミルテストレポートでご確認ください。Gr37の実現には微合金元素添加が行われる場合があり、焼入性や強度に影響します。

合金設計が挙動に与える影響: - Mn添加や微合金元素（Nb, V, Ti）添加、C増加は降伏強さと引張強さを高めますが、延性を低下させ炭素当量を増加させる傾向があります。 - 低炭素およびSi/P/Sの管理により冷間成形性を保ち、均一なめっき付着と被覆性を促進します。

3. 微細組織と熱処理応答

両等級共に、冷間圧延後およびめっき板用通常の焼鈍サイクル後に得られる典型的な微細組織は以下の通りです。 - フェライト主体のマトリックスで、Cが上限近い場合は微細なパーライト島を含むことがある。 - 微合金化タイプでは、NbC、TiC、VCなどの微細析出物が析出して析出強化をもたらす。

処理応答: - 連続焼鈍＋バッチ焼鈍：完全にフェライトまたはフェライト＋微細パーライトの組織を生成し、良好な延性と亜鉛めっきに適した表面状態を得る。 - 正火および焼入れ焼戻し：A653鋼板には通常適用されず、板材や棒鋼の高強度製品向けで標準の亜鉛めっき鋼板では用いらない。 - 熱間機械加工処理（TMCP）：Gr37はTMCPや微合金化により、同程度のC量でも精錬されたフェライトと析出物が分散し、降伏強さと靭性を向上させている場合がある。

実務的な意味合い：両等級は従来型の冷間圧延＋焼鈍で製造可能だが、Gr37は高いひずみ量やTMCP、微合金化によってより高い降伏強さを延性低下なしに実現しています。

4. 機械的性質

Gr33とGr37の典型的な機械的特性の比較例を示します。契約値は必ず供給者の認証試験成績書からご確認ください。

特性	SS-Gr33（典型値）	SS-Gr37（典型値）	コメント
最低降伏強さ	約33 ksi（約228 MPa）	約37 ksi（約255 MPa）	Gr37は構造用設計におけるより高い保証降伏強さを提供。
引張強さ（典型範囲）	重ね合いあり：中程度の引張強さ（例：板厚・製造による45～60 ksi程度）	重ね合いあり：上限は同等かやや高い傾向	引張強さは冷間加工、焼きなまし条件、板厚により変動。
伸び率（％）、延性	板厚が同程度なら高めの延性	高強度に伴い伸び率はやや低下	低降伏強さは一般的に成形性・伸展性に有利。
衝撃靭性	適切に処理すれば両者良好。板厚・焼鈍に依存。	微合金化やCE上昇によりやや低下する場合あり。	この板厚なら主な差別化要因ではない。
硬さ	低め	やや高め	降伏・引張強度傾向と相関。

解釈：Gr37はより高強度で単位面積あたりの荷重能力が高く、Gr33は重変形加工における成形性やエネルギー吸収性（靭性）に優れます。

5. 溶接性

両等級とも、低炭素で一般的な製造用に設計されためっき鋼板であるため、溶接性は概ね良好です。主なポイントは以下のとおりです。 - 低炭素含有量と低焼入性により、冷割れリスクが抑えられ、標準的な溶接材を用いた融着溶接が容易です。 - Gr37で微合金化や高Mn添加により高降伏強さを実現している場合、炭素当量が高くなるため、厚板での予熱やインターパス温度管理など溶接条件の調整が必要になることがあります。

溶接性評価のための炭素当量の指標例： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ およびより包括的な指標： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈の指針： - SS-Gr33およびSS-Gr37は共にCや合金元素が低いため、通常$CE_{IIW}$や$P_{cm}$は低く、良好なアーク溶接性能が期待できます。 - 供給元のミル試験でGr37に高いMn含有や微合金化が確認された場合は、炭素当量はやや高くなるため、厚板での低予熱や熱入力管理など溶接条件調整を検討してください。 - 亜鉛めっき被覆は亜鉛蒸気による気孔発生のリスクがあるため、適切な溶接技術、煙の排気、個人防護が必要です。

6. 耐食性と表面保護

これらの等級は、熱浸亜鉛めっきやガルバニールドなどの保護金属コーティングを前提に製造されており、ステンレス鋼ではありません。耐食性は合金成分によるものではなく、めっき層およびコーティングシステムが提供します。

• 代表的な保護方式：熱浸亜鉛めっき（Z）、ガルバニールド（ZA）、およびめっき後に塗装やコイルコーティングを施す複合処理。環境や要求寿命に応じて選択されます。
• PREN（穴食い耐性換算値）はステンレス鋼に関連する指標であり、A653の亜鉛めっき炭素鋼には適用されません： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指標は亜鉛めっき炭素鋼には該当しません。

実務的な注意点： - 腐食性の高い環境では、長期間の腐食防止のためにめっき量や複合コーティング（亜鉛＋塗装）を選択してください。 - 成形作業には、成形後の補修や割れに強いコーティングの使用を検討ください。

7. 加工性、切削性、成形性

• 切断加工：レーザー加工、プラズマ切断、機械的せん断は両等級で似た挙動を示しますが、Gr37は強度が高いため冷間せん断ではやや高い切断力を要します。
• 曲げ・成形：Gr33は優れた成形性と低いばね戻りを示します。一方、Gr37はばね戻りが大きく、同じ変形を得るにはより大きな曲げ半径か強い力が必要です。
• 加工性：どちらも切削性は自由切削鋼に比べて最適化されていません。強度が高いと工具摩耗がわずかに増加する可能性がありますが、加工上の注意点はほぼ同様です。
• 仕上げ：亜鉛メッキ面はコーティング損傷を避けるよう取り扱う必要があります。曲げ半径が小さすぎると成形時にコーティングが割れることがあり、特に高強度のGr37板がより注意を要します。

8. 代表的な用途

SS-Gr33（代表的用途）	SS-Gr37（代表的用途）
建築用外装パネル、屋根材、被覆材で成形性とファスナー性能が重要な場合	軽構造用の荷重支持部材、スタッド、パーリンで高降伏点により板厚を薄くできる場面
自動車用内装パネル、深絞りが必要な非構造部品	自動車用構造部品のプレス品で、板厚を増やさずに強度マージンを確保したい場合
HVAC用ダクトや家電製品で、コーティングの付着性と成形性が重要な場合	冷間成形プロファイル、ブラケット類、板厚当たりの剛性が求められる部品
コストと成形性を優先した一般的な板金製品	より高い降伏強さ材料を用い、断面寸法や重量の削減が求められる用途

選定ポイント：大きな成形・引張や衝撃吸収が予想される場合や、厳しい成形条件下でコーティングの損傷を最小限に抑えたい場合はGr33を選択してください。設計上、高い最低降伏強さが必要で構造荷重に対応したり、同等性能で板厚を薄くしたい場合はGr37をお勧めします。

9. コストと入手性

• コスト：Gr37は高い降伏強さ基準を満たすために加工コストや微合金添加が必要となるため、通常Gr33よりやや高価です。総材料費に対する差は小さいものの、大量購入時には無視できない差となります。
• 入手性：どちらもコイル及び板材形態で広く流通しています。特定のコーティング、幅、厚みに関しては製鋼所の生産状況や流通在庫に左右されます。特殊コーティングや厳しい公差を指定する場合は納期が長くなることがあります。

10. まとめと推奨

属性	SS-Gr33	SS-Gr37
溶接性	非常に良好	非常に良好～良好（微合金の場合はやや注意が必要）
強度と靭性のバランス	良好な成形性と靭性	より高い降伏強さ、若干低い延性
コスト	低め	やや高め

推奨： - 深絞り・成形性重視、成形後のコーティング保護、優れた延性・靭性、低コストを重視する場合はSS-Gr33を選択してください。 - 設計上より高い最低降伏強さが必須で断面厚みを薄くしたい場合、成形性のわずかな低下が許容できる場合はSS-Gr37がお勧めです。

最後に：必ず製鋼所の試験成績書を取り寄せ、購入予定の特定コイルまたは板の化学成分・機械的特性を確認してください。Mn含有量の変動や微合金元素の有無は溶接工程や成形結果に影響を及ぼします。耐食寿命の期待に応じてコーティングの種類・質量も明示してください。