ST37 vs ST52 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
ST37およびST52は、エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーが仕様書、材料証明書、旧式の図面でまだ遭遇する、伝統的なヨーロッパの構造用鋼グレードです。選択のジレンマは通常、強度とコスト、溶接性/成形性と荷重性能のトレードオフに集中します。要するに、ST52は大幅に高い強度と設計応力容量を提供し、ST37はより簡単な加工と低い材料コストを提供します。
これらの2つのグレードは、構造用鋼のファミリーで隣接する位置を占めているため、一般的に比較されます。一方は一般建設に適した低強度で高い加工性を持つ炭素鋼であり、もう一方は高い降伏/引張特性を持ち、断面サイズや死重を減少させるために意図された高強度の構造用鋼です。特定の用途に適したグレードを指定するためには、組成、微細構造、熱処理応答、加工の影響を理解することが不可欠です。
1. 規格と指定
- 歴史的/地域的規格：
- DIN 17100: 元のST37、ST52の指定（古いドイツの規格）。
- EN 10025: 現代のヨーロッパの同等物（例：S235シリーズ ≈ ST37; S355シリーズ ≈ ST52の工学実践）。
- ASTM/ASME: 直接の1対1はなし（ASTM A36、A572グレード50はおおよその機能的同等物）。
- JIS/GB: 異なるシステム; 地元の同等物は異なり、クロスリファレンスが必要です。
- タイプによる分類：
- ST37: プレーン炭素/低合金構造鋼（非ステンレス、非工具）。
- ST52: 高強度構造炭素/低合金鋼（しばしば熱機械的または微合金化されて降伏を高める）。
- 両者はステンレス鋼や工具鋼ではなく、通常は建設用グレードの炭素/微合金鋼（現代の同等物におけるHSLAのような挙動）と見なされます。
2. 化学組成と合金戦略
以下は、一般的な工学ガイダンスに使用される典型的な組成ウィンドウです。正確な限界は特定のサブグレード、供給者、および適用される規格に依存します; 数値は一般的な商業バリアントの代表的な質量パーセント範囲として扱ってください。
| 元素 | 典型的なST37（代表的） | 典型的なST52（代表的） |
|---|---|---|
| C | ≤ ~0.17–0.20 % | ≤ ~0.20–0.24 % |
| Mn | ≤ ~1.40 % | ≤ ~1.40–1.60 % |
| Si | ≤ ~0.40 % | ≤ ~0.20–0.50 % |
| P | ≤ 0.035 % (最大) | ≤ 0.035 % (最大) |
| S | ≤ 0.035 % (最大) | ≤ 0.035 % (最大) |
| Cr | ≤ 0.30 % | 微量から≤ 0.30 % |
| Ni | 微量 | 微量 |
| Mo | 微量 | 微量 |
| V | 通常なし | 微合金化の可能性（≤ 0.10 %） |
| Nb | 通常なし | 微合金化の可能性（≤ 0.05 %） |
| Ti | 通常なし | 微量の可能性 |
| B | 存在する場合は微量 | 存在する場合は微量 |
| N | 微量 | 微量 |
合金戦略と効果： - ST37: 組成は非常に低い炭素と最小限の合金化を強調し、良好な溶接性、延性、シンプルな熱間圧延加工を目指しています。 - ST52: やや高い炭素と制御された添加（またはV/Nb/Tiによる微合金化）およびMn/Siの厳密な管理により、より細かいフェライト-パーライト微細構造と析出強化を促進し、より高い降伏強度と引張強度を生み出します。これらの変化は、ST37と比較して成形性/溶接性がやや低下する代償として、硬化性と強度を高めます。
3. 微細構造と熱処理応答
- 典型的な微細構造（熱間圧延後）：
- ST37: 冷却速度に応じて粗いから細かいフェライトとパーライト; 主にフェライトマトリックスで低いパーライト含有量。微細構造は標準的な加工と溶接に対して寛容です。
- ST52: 微合金化されたり、熱機械的制御プロセス（TMCP）で製造された場合、より細かい粒状のフェライト-パーライトまたはフェライト-ベイナイトの混合物。微合金化されたバリアントでは非常に細かい炭化物/ニオブ/チタン炭窒化物の析出が降伏強度を高めるのに役立ちます。
- 熱処理応答：
- 正規化/粒径の精製：両グレードは、重要な部品での粒径を精製し、靭性を改善するために正規化から利益を得ます; ST52は通常、制御冷却（TMCP）と正規化からの強度向上が大きいです。
- 焼入れと焼戻し：これらのグレードの構造用途では標準的な実践ではありません; どちらかを焼入れ焼戻し条件にすることは可能ですが、指定と特性が変わります—構造用鋼のための現代的なアプローチは、硬化-焼戻しサイクルではなくTMCPと微合金化です。
- 熱機械的加工：ST52相当の鋼は、許容できる靭性でより高い強度を得るためにTMCPで製造されることが多いです; ST37は通常、制御された変形からの強化が少ないシンプルな熱間圧延パスを受けます。
4. 機械的特性
設計ガイダンスのための代表的な機械的特性範囲（実際の証明書値は厚さ、熱処理、およびサブグレードによって異なります）。
| 特性 | ST37（代表的） | ST52（代表的） |
|---|---|---|
| 最小降伏強度 (Rp0.2) | ~235 MPa | ~355 MPa |
| 引張強度 (Rm) | ~360–510 MPa | ~510–680 MPa |
| 伸び (A, % on 50 mm) | ≥ ~22–26 % | ≥ ~16–22 % |
| 衝撃靭性 (典型的な試験) | 20–27 J at +20 °C (変動あり) | 27 J at −20 °C (J2バリアント) 可能 |
| 硬度 (HB) | ~120–160 HB | ~150–220 HB (強度のため高い) |
解釈： - ST52は明らかに強いグレードです（より高い降伏および引張）。その強度の向上は、組成の管理と加工（TMCP、微合金化）から生じます。 - ST37は一般的により延性があり、塑性変形が容易です; 環境温度の構造用途に対して比較可能または十分な靭性を示すことがよくあります。 - 靭性はサブグレード（例：J0、J2バリアント）、厚さ、および熱処理に大きく依存します; 多くのST52相当の鋼は、零下温度での衝撃特性が改善されたものが利用可能です。
5. 溶接性
溶接性は炭素含有量、炭素当量、および硬化性を高める微合金元素の存在に依存します。役立つ指標：
-
炭素当量 (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm (伊藤-別所): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - ST37は、炭素が低く、硬化性を高める合金元素が少ないため、一般的にST52よりも低い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を持ち、したがって、低い予熱で溶接が容易で、冷間割れのリスクが少なくなります。 - ST52の微合金化またはやや高いCおよびMnは硬化性を高めます; これにより、急冷時に熱影響部（HAZ）で硬いマルテンサイト微細構造のリスクが高まり、厚い部分では制御された予熱、インターパス温度、および場合によっては溶接後熱処理（PWHT）が必要になります。 - 重要な溶接構造物については、測定された組成と厚さに基づいて$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の閾値を使用して溶接性評価を実施し、適切な溶接手順仕様（PQR/WPS）を含めてください。
6. 腐食と表面保護
- ST37およびST52はどちらも非ステンレスの炭素鋼であり、一般的および大気腐食に対して脆弱です。
- 典型的な保護戦略：
- 屋外/保管露出部品のための熱浸漬亜鉛メッキ。
- 美観と腐食抵抗を高めるための有機コーティング（エポキシプライマー、ポリウレタン上塗り）。
- 攻撃的な環境でのメタライジング（熱スプレー）または犠牲アノード。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は非ステンレスの炭素鋼には適用されません。ステンレス鋼または二相鋼の場合は次のように使用します： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ しかし、この指標はST37/ST52材料には適用されません。
7. 加工、機械加工性、成形性
- 成形性：
- ST37: 降伏強度が低く、伸びが高いため、冷間成形性と曲げ性能が優れています; ロール加工、プレスブレーキ、ストレッチ成形が容易です。
- ST52: 成形性が低下; スプリングバックが大きく、同じ厚さの場合の最小曲げ半径が大きくなります。
- 機械加工性：
- 高強度の微合金鋼（ST52）は、低強度鋼よりもわずかに加工が難しいことが多いです; 引張強度と硬い相のために工具の摩耗が増加する可能性があります。
- 両グレードは標準的な切削液と工具の実践に良く反応します; 切削速度と送りの選択は強度の違いを考慮する必要があります。
- 接合と仕上げ：
- ST37: ねじ切り、冷間パンチング、成形操作は簡単です。
- ST52: より堅牢な工具とプレス能力が必要になる場合があります; 穴あけとねじ切りには、より堅牢な工具と遅い送りが必要になることがあります。
8. 典型的な用途
| ST37（典型的な用途） | ST52（典型的な用途） |
|---|---|
| 一般的な構造部材：非重要荷重用の梁、柱、屋根垂木 | 高強度構造部材：クレーンレール、断面削減が重要な重梁 |
| 二次構造、フレーム、非重要シャーシ部品 | 溶接圧力フレーム、重機フレーム、リフト部品 |
| 低圧サービス用の配管、一般的な製作部品 | 断面厚さを減少させてより高い荷重容量を必要とする用途（例：トラックシャーシ、橋の部品） |
| コストと溶接/成形の容易さが優先される製作 | 重量削減、より高い安全係数、または小さな断面が必要な用途 |
選択の理由： - 製作の容易さ、コスト、適切な環境温度の靭性が優先される場合はST37を選択してください。断面サイズを減少させるためにより高い降伏強度が必要な場合や、より高い荷重/剛性基準を満たす必要がある場合はST52を選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：ST37は通常、ST52よりもトンあたりのコストが低く、化学成分がシンプルで生産ルートが広いためです。ST52は高強度の加工と可能な微合金化のためにプレミアムがかかります。
- 入手可能性：両グレードまたはその現代のEN同等物（S235 / S355ファミリー）は、プレート、コイル、構造形状、シートで広く入手可能です; 厚さとサブグレード（衝撃試験済みバリアント）による入手可能性は、製鉄所の提供と地域の供給チェーンに依存します。
- 調達のヒント：購入注文で化学的および機械的受け入れ基準と必要な靭性温度を指定して、旧式のST名と現在のEN指定の間の曖昧さを避けてください。
10. まとめと推奨
| メトリック | ST37 | ST52 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れた（低いCE） | 良好から中程度（制御が必要） |
| 強度–靭性バランス | 低強度、高延性/靭性 | 高強度、指定されて加工されれば良好な靭性 |
| コスト | 低い | 高い |
結論と直接的な推奨： - 製作の容易さ、低コスト、一般的な構造および非重要用途に対する良好な溶接性/成形性を優先する場合はST37を選択してください。断面サイズや重量を減少させるためにより高い降伏および引張強度が必要な場合、またはより高い荷重や疲労要件を満たす必要がある場合はST52を選択してください—より高い材料コストと、より制御された溶接および成形手順の必要性を受け入れてください。
仕様のための実用的な次のステップ： - 常に旧式のST指定を現在の規格（例：S235 / S355）とクロスリファレンスし、化学成分と機械的特性を示す製鉄所の試験証明書を要求してください。 - 溶接された厚いまたは冷間サービス部品については、炭素当量指数を計算し、関連する場合は溶接予熱/PWHTおよび衝撃要件を指定してください。 - 疑問がある場合は、単純なトレードオフ分析（質量削減対製作コスト対材料プレミアム）を実施し、コードまたは契約で要求される場合は溶接手順の資格を実施してください。