JP2001020032A - 耐火性及び耐候性に優れた支保工用ｈ形鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度で、冷
間加工後の機械的性質の経時劣化が少なく、耐火性及び
耐候性に優れた鋼アーチ支保工用Ｈ形鋼である。 【解決手段】 本発明の耐火性及び耐候性に優れた支保
工用Ｈ形鋼は、重量％で、Ｃ：０．１４〜０．１８％、
Ｓｉ：０．２５〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜１．８％、
Ｃｕ：０．３５〜０．６０％、Ｍｏ：０．０２〜０．６
０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｐ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、Ｎ：０．００５０％以下、Ｈ：
０．０００２５％以下を含有し、更に、Ｖ：０．０１〜
０．２％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．
００２〜０．１０％の群から選択された１種又は２種以
上を含有し、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物か
らなり、（１）式で定義される炭素当量（Ｃeq）が０．
４７以下であることを特徴とする。 Ｃeq=[%C]+[%Mn]/6+[%Si]/24+[%Cr]/5+[%Mo]/4+[%Ni]/40+[%V]/14……（１）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、坑道やトンネル等
の掘削断面を支持する強度部材として用いられる鋼アー
チ支保工用Ｈ形鋼に関し、詳しくは引張強度が５９０Ｍ
Ｐａ以上で且つ良好な耐火性及び耐候性を有する支保工
用Ｈ形鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】坑道やトンネル等の掘削断面を支持する
強度部材として、形鋼をアーチ状に加工した鋼アーチ支
保工が広く用いられている。鋼アーチ支保工用Ｈ形鋼に
は、主に良好な延性、良好な冷間加工性、更に良好な溶
接性が求められ、従来から主にＪＩＳＧ３１０１に定め
られているＳＳ４００相当の鋼材が用いられている。し
かし、近年の掘削機器の大型化やトンネル幅の拡大化に
伴い、掘削断面が大型化し、更に扁平化する傾向があ
り、鋼アーチ支保工にも高強度化が求められている。
又、高強度化により支保工用形鋼の断面積が低減できれ
ば、鋼材使用量、運搬費の縮小を図ることが可能であ
り、坑道やトンネル等の掘削構造物の施工コストの削減
に寄与する。

【０００３】このような要求に応え、５９０ＭＰａ以上
の引張強度を有する高強度支保工用Ｈ形鋼に関する技術
が、特開平１０−１５２７５１号公報、特開平１０−１
７６２４０号公報、及び特開平１０−１９５６０３号公
報等に開示されている。

【０００４】ところで、坑道内やトンネル内における火
災のような万が一の災害時においても掘削構造物を崩落
から守るために、支保工用Ｈ形鋼の耐火性の向上が求め
られている。即ち、坑道やトンネルの掘削断面の大型化
は、裏を返せば万が一の災害の重大化につながるため、
単なる高強度化のみではなく、耐火性や耐候性等の、よ
り確実な安全をもたらす特性が求められているのであ
る。

【０００５】しかしながら、このような要求に応える鋼
アーチ支保工用Ｈ形鋼、即ち、冷間加工して使用される
ことを前提とし、良好な曲げ加工性、延性、及び溶接性
を有し、引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度で、且つ
冷間加工後の機械的性質の経時劣化が少なく、更に、耐
火性及び耐候性に優れる鋼アーチ支保工用Ｈ形鋼は従来
提案されていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みなされたもので、その目的とするところは、良好な曲
げ加工性、延性、及び溶接性を有し、引張強度が５９０
ＭＰａ以上の高強度で、且つ冷間加工後の機械的性質の
経時劣化が少なく、更に、耐火性及び耐候性に優れた鋼
アーチ支保工用Ｈ形鋼を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の第１の発明による耐火性及び耐候性に優れた支保工用
Ｈ形鋼は、重量％で、Ｃ：０．１４〜０．１８％、Ｓ
ｉ：０．２５〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜１．８％、Ｃ
ｕ：０．３５〜０．６０％、Ｍｏ：０．０２〜０．６０
％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｐ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、Ｎ：０．００５０％以下、Ｈ：
０．０００２５％以下を含有し、更に、Ｖ：０．０１〜
０．２％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．
００２〜０．１０％の群から選択された１種又は２種以
上を含有し、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物か
らなり、下記（１）式で定義される炭素当量（Ｃeq）が
０．４７以下であり、且つ、引張強度が５９０ＭＰａ以
上であることを特徴とするものである。 Ｃeq=[%C]+[%Mn]/6+[%Si]/24+[%Cr]/5+[%Mo]/4+[%Ni]/40+[%V]/14……（１）

【０００８】第２の発明による耐火性及び耐候性に優れ
た支保工用Ｈ形鋼は、第１の発明に記載の鋼組成に加え
て更に、重量％で、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃｒ：０．６
％以下、Ｃｏ：０．６％以下、Ｗ：０．６％以下、Ｂ：
０．００５０％以下、Ｃａ：０．００５０％以下、ＲＥ
Ｍ：０．０２％以下の群から選択された１種又は２種以
上を含有し、前記（１）式で定義される炭素当量（Ｃe
q）が０．４７以下であり、且つ、引張強度が５９０Ｍ
Ｐａ以上であることを特徴とするものである。

【０００９】以下に、本発明において、良好な曲げ加工
性、延性、及び溶接性を有し、引張強度が５９０ＭＰａ
以上の高強度で且つ冷間加工後の機械的性質の経時劣化
が少なく、更に、耐火性及び耐候性に優れた鋼アーチ支
保工用Ｈ形鋼の化学成分組成を上述したように限定した
理由を、それぞれの作用と共に説明する。

【００１０】Ｃ：Ｃは鋼材の強化には不可欠な元素であ
る。但し、Ｃ含有量が０．１４重量％（以下、単に
「％」と表示する）未満では、圧延後放冷ままでは十分
な強度が得られない。一方、０．１８％を越えると溶接
性が低下する。従って、Ｃ含有量は０．１４〜０．１８
％の範囲内に限定しなければならない。

【００１１】Ｓｉ：Ｓｉは脱酸剤として有効であるばか
りでなく、引張強度で５９０ＭＰａ以上の高強度を得る
ための強化元素としても重要な元素である。但し、その
含有量が０．２５％未満では、その効果が十分でなく、
一方、１．０％を越えると延性及び溶接性を損なう。従
って、Ｓｉ含有量は０．２５〜１．０％の範囲内に限定
しなければならない。

【００１２】Ｍｎ：Ｍｎは引張強度で５９０ＭＰａ以上
の高強度を得るための強化元素として重要な元素であ
る。しかし、その含有量が１．０％未満では目的とする
強度が得られず、一方、１．８％を越えると溶接性を低
下させる。従って、Ｍｎ含有量は１．０〜１．８％の範
囲内に限定しなければならない。

【００１３】Ｃｕ：Ｃｕは引張強度で５９０ＭＰａ以上
の高強度を得るための強化元素として重要な元素である
ばかりでなく、耐候性を向上させるためには不可欠な元
素である。但し、その含有量が０．３５％未満ではその
効果が十分でなく、一方、０．６０％を越えると圧延に
おける表面疵の発生が著しくなり、圧延や精整等の生産
性に支障を来す。従って、Ｃｕ含有量は０．３５〜０．
６０％の範囲内に限定しなければならない。

【００１４】Ｍｏ：Ｍｏは鋼の高温における変形抵抗を
有効に増加させ、耐火性の向上に大きく寄与する元素で
ある。又、固溶強化更に焼入性の向上による常温強度の
上昇にも寄与する。しかし、その含有量が０．０２％未
満では期待する効果が十分に得られず、一方、０．６０
％を越えると溶接性を阻害する。従って、Ｍｏ含有量は
０．０２〜０．６０％の範囲内に限定しなければならな
い。

【００１５】Ａｌ：ＡｌはＳｉと同様脱酸に有効な元素
であるが、その含有量が０．０５％を越えると延性を損
ねる。従って、Ａｌ含有量は０．０５％以下に限定しな
ければならない。

【００１６】Ｐ：Ｐは不純物として含まれ、その含有量
が０．０３５％を越えると靭性を大幅に損ねる。従っ
て、Ｐ含有量は０．０３５％以下に限定しなければなら
ない。

【００１７】Ｓ：Ｓは不純物として含まれ、その含有量
が０．０２０％を越えると延性及び靭性を大幅に損ね
る。従って、Ｓ含有量は０．０２０％以下に限定しなけ
ればならない。

【００１８】Ｎ：Ｎは冷間加工後の機械的性質の経時劣
化を引き起こす元素であり、固溶しているＮは冷間加工
後の時間の経過に伴い、冷間加工により生成された転位
と結び付いて、強度を上昇させる一方で靭性を低下させ
る、所謂、歪時効を顕在化させる。従って、冷間加工を
施して使用する支保工用Ｈ形鋼としてはＮ含有量を規制
する必要があり、歪時効を抑止する観点から、Ｎ含有量
は０．００５０％以下に限定しなければならない。

【００１９】Ｈ：Ｈは遅れ破壊を引き起こす元素であ
り、特に高強度鋼においては厳密に管理・規制すべき元
素である。従って、遅れ破壊を抑止する観点から、Ｈ含
有量は０．０００２５％以下に限定しなければならな
い。

【００２０】Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ：これらの元素はＣ及びＮ
と反応して析出物を形成し、鋼の常温及び高温での強度
上昇に著しく寄与するため、引張強度５９０ＭＰａ以上
の高強度と優れた耐火性を得るためには、こられのうち
の１種又は２種以上を含有させる必要がある。又、特に
冷間加工後の機械的性質の経時劣化を引き起こす固溶Ｎ
を析出物として固定する効果があるため、機械的性質の
経時劣化抑止の観点からも極めて重要な元素である。但
し、Ｖ含有量が０．０１％未満ではその効果が十分では
なく、一方、０．２％を越えると延性、溶接性が低下す
るので、Ｖ含有量は０．０１〜０．２％の範囲内に限定
しなければならない。Ｎｂ含有量が０．００５％未満で
は期待される効果が得られず、一方、０．１０％を越え
ると延性の低下が顕著になるので、Ｎｂ含有量は０．０
０５〜０．１０％の範囲内に限定しなければならない。
又、Ｔｉ含有量が０．００２％未満では期待される効果
が得られず、一方、０．１０％を越えると延性が低下す
るので、Ｔｉ含有量は０．００２〜０．１０％の範囲内
に限定しなければならない。

【００２１】炭素当量（Ｃeq）：上記の（１）式で定義
した炭素当量（Ｃeq）が０．４７を越えると溶接割れが
発生し、支保工用Ｈ形鋼としては適さない。従って、炭
素当量（Ｃeq）は０．４７以下に限定しなければならな
い

【００２２】本発明では上記の合金元素の外に、Ｈ形鋼
の強度特性に応じて、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｗ、Ｂ、Ｃ
ａ、ＲＥＭの群から選択された１種又は２種以上を含有
させることができる。以下にその成分の限定理由を述べ
る。

【００２３】Ｎｉ：Ｎｉは主に鋼中に固溶して存在し、
固溶強化と共に焼入性を向上させて鋼の強化に寄与す
る。又、Ｃｕ添加に伴い生ずる表面疵の発生を抑える効
果があり、Ｃｕ添加に伴う表面疵防止の観点から、Ｃｕ
含有量の１／２以上を含有させることが好ましい。一方
で、添加元素としては高価であり、必要以上の添加は経
済的にも好ましくないばかりか、溶接性の低下を来す。
従って、Ｎｉ含有量は０．６％以下に限定しなければな
らない。

【００２４】Ｃｒ：Ｃｒも主に鋼中に固溶して存在し、
固溶強化と共に焼入性を向上させて鋼の強化に寄与す
る。又、Ｃｕと共に耐候性を向上させる。但し、添加元
素としては高価であり、必要以上の添加は経済的にも好
ましくないばかりか、溶接性の低下を来す。従って、Ｃ
ｒ含有量は０．６％以下に限定しなければならない。

【００２５】Ｃｏ：Ｃｏも主に鋼中に固溶して存在し、
固溶強化と共に焼入性を向上させて鋼の強化に寄与す
る。但し、添加元素としては高価であり、必要以上の添
加は経済的にも好ましくないばかりか、溶接性の低下を
来す。従って、Ｃｏ含有量は０．６％以下に限定しなけ
ればならない。

【００２６】Ｗ：Ｗは鋼の強度を向上させる元素であ
る。但し、添加元素としては高価であり、必要以上の添
加は経済的にも好ましくないばかりか、溶接性の低下を
来す。従って、Ｗ含有量は０．６％以下に限定しなけれ
ばならない。

【００２７】Ｂ：Ｂは熱間圧延中のオーステナイト粒界
に偏析する傾向があり、焼入性を向上させて鋼の強化に
寄与する。但し、その含有量が０．００５０％を越える
と溶接性を著しく劣化させる。従って、Ｂ含有量は０．
００５０％以下に限定しなければならない。

【００２８】Ｃａ：ＣａはＳと反応して化合物を形成
し、不純物として鋼中に存在するＳを固定して、機械的
性質に及ぼすＳの悪影響を軽減する働きがある。但し、
その含有量が０．００５０％を越えると粗大化合物を形
成し、延性及び靭性を劣化させる。従って、Ｃａ含有量
は０．００５０％以下に限定しなければならない。

【００２９】ＲＥＭ：ＲＥＭはＯやＳと結びついて化合
物を形成し、延性を向上させる。但し、その含有量が
０．０２％を越えると粗大化合物を形成し、延性及び靭
性を低下させる。従って、ＲＥＭ含有量は０．０２％以
下に限定しなければならない。

【００３０】

【発明の実施の形態】転炉や電気炉又はこれら精錬炉と
ＲＨ真空脱ガス装置等の二次精錬炉との組み合せによ
り、上記化学成分組成に溶製された溶鋼を普通造塊法又
は連続鋳造法にて凝固させ、所定の形状の鋼片又は鋳片
を得る。その後、熱間圧延によりＨ形鋼に加工する。

【００３１】熱間圧延の際、鋼片又は鋳片の加熱温度
は、強化元素であるＮｂ、Ｖ、Ｔｉ等を十分に固溶さ
せ、且つ圧延による造形で十分な寸法精度が得られるだ
けの高温とすることが好ましい。具体的には、例えば１
１５０℃以上とすれば良い。又、圧延はおおよそ８００
℃以上の温度で終了すれば良く、圧延終了後、特段の加
速冷却の必要はなく、放冷によって所望の特性を得るこ
とができる。尚、圧延終了温度を９００℃以下にするこ
とで、所謂、制御圧延の効果により、より高靭性とする
ことができる。

【００３２】支保工用Ｈ形鋼をこのように、適正な合金
元素を添加しつつ炭素当量（Ｃeq）を規制して製造する
ことにより、良好な曲げ加工性、良好な延性、及び良好
な溶接性を有し、引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度
で、且つ冷間加工後の機械的性質の経時劣化が少なく、
更に、耐火性及び耐候性に優れた鋼アーチ支保工用Ｈ形
鋼を安定して製造することが可能となる。

【００３３】

【実施例】２６種類の化学成分組成の鋼を転炉とＲＨ真
空脱ガス装置との組み合せにより溶製し、次いで、連続
鋳造機にてブルーム鋳片とした後、この鋳片を１２００
℃に加熱して熱間圧延によりＨ形鋼とした。熱間圧延は
概ね８５０〜９００℃で終了し、Ｈ形鋼の寸法はウェブ
高さ：１５４ｍｍ、フランジ幅：１５１ｍｍ、ウェブ
厚：８ｍｍ、フランジ厚１２ｍｍである。表１に２６種
類（鋼Ｎo.１〜２６）の各供試鋼の化学成分組成及び炭
素当量（Ｃeq）を示す。尚、Ｐ、Ｓ、Ｈの含有量は表１
には記載していないが、何れの鋼も本発明の範囲内に調
整されている。

【００３４】

【表１】

【００３５】得られたＨ形鋼の表面性状を目視により検
査し、疵の無いものを良好とし、疵が発生したものを不
良と判定した。次いで、フランジ幅方向１／４の位置か
ら長手方向に沿って、ＪＩＳＺ２２０１に定められた１
Ａ号引張試験片（ゲージ長さ：２００ｍｍ）、及びＪＩ
ＳＺ２２０２に規定の４号衝撃試験片（フランジ厚さ中
心から採取）を採取し、常温における引張試験及び０℃
における衝撃試験を実施した。目視検査で不良と判定さ
れたものは、表面を手入れした後、試験片を採取した。
合否の判定基準は、引張強度が５９０ＭＰａ以上で、０
℃における衝撃値（ｖＥ０）が５０Ｊ以上のものを合格
とした。

【００３６】引張試験片に５％の予歪を加えて２５０℃
で１時間時効させた後、引張試験を行い、その特性を調
査した。更に、５％の予歪を加えて２５０℃で１時間時
効させた引張り試験片の平行部板厚中心からＪＩＳＺ２
２０２に規定の４号衝撃試験片を採取し、０℃における
衝撃試験を実施した。そして、０℃における衝撃値（ｖ
Ｅ０）が５０Ｊ以上のものを、冷間加工後の機械的性質
の経時劣化が少なく、機械的性質に優れると判定した。

【００３７】フランジから平行部径６．２５ｍｍ、ゲー
ジ長さ２５ｍｍの引張試験片を採取して６００℃におけ
る引張試験を実施し、耐火性を評価した。具体的には、
６００℃における降伏強度が、常温における規格降伏強
度の下限である４４０ＭＰａの２／３以上、即ち２９３
ＭＰａ以上であれば、耐火性に優れると判定した。

【００３８】溶接性を評価するために、Ｈ形鋼を圧延方
向と垂直な方向に切断して、切断面に蓋をするように板
を合わせて隅肉溶接を行い、超音波探傷試験（ＵＳＴ）
により溶接割れの有無を判定し、溶接割れの無いものを
合格とした。

【００３９】耐候性を評価するために、フランジ板厚中
心から幅１００ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、厚み５ｍｍの板
状試験片を採取し、国内臨海工業地帯にて２年間暴露試
験を行い、腐食量の測定値から耐候性を評価した。腐食
量が０．３ｍｍ以下であれば耐候性に優れると判定し
た。表２に各供試鋼のこれら評価試験の調査結果を示
す。

【００４０】

【表２】

【００４１】表２から明らかなように、本発明鋼である
鋼Ｎo.１〜９は、５９０ＭＰａ以上の母材引張強度、５
０Ｊ以上の母材衝撃値（ｖＥ０）、２９３ＭＰａ以上の
６００℃における降伏強度、５０Ｊ以上の歪時効後の衝
撃値（ｖＥ０）、１０％以上の歪時効後の延性、良好な
圧延表面性状、優れた溶接性、更に、優れた耐候性の全
てを併せ持つことが確認できた。これに対して、比較鋼
である鋼Ｎo.１０〜２６では、上記の特性の何れかが満
足されない。

【００４２】例えば、Ｃ含有量の多い鋼Ｎo.１０は炭素
当量（Ｃeq）が高く、靭性、溶接性が不十分である。
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎの何れかが少ない鋼Ｎo.１１、１２、１
３は常温における引張強度が不十分である。Ｍｎ、Ｃ
ｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの何れかが多い鋼Ｎo.１４、１
７、１９、２０、２２は溶接性が悪く、更に、所定量以
上のＣｕを含む鋼Ｎo.１７は、溶接性が悪いばかりでな
く、圧延材の表面性状が不良であり、支保工として適さ
ない。炭素当量（Ｃeq）が高い鋼Ｎo.１８も溶接性が悪
い。所定量のＭｏを含有しない鋼Ｎo.２１、２３はいず
れも６００℃における降伏強度が不十分であり、耐火性
に劣る。Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉの何れをも所定量含まない鋼Ｎ
o.２４、２５は常温及び６００℃における強度が不十分
である。所定量のＣｕを含まない鋼Ｎo.１５、１６は本
発明鋼の約２倍の腐食量を示し、耐候性が不十分であ
る。Ｎを規定量より多く含む鋼Ｎo.２６は、圧延ままの
母材特性は良好なものの、歪時効により、著しい延性及
び靭性の低下を示す。

【００４３】更に、上記Ｈ形鋼を冷間においてアーチ状
に加工して冷間加工性を評価した。曲げ半径を１．８
ｍ、２．０ｍ、２．５ｍ、３．０ｍの４水準とし、半径
２．０ｍ以上の曲げ加工で割れが生じなければ、冷間加
工性に優れると判定した。調査結果を表３に示す。表３
に示すように、この判定基準によれば、鋼Ｎo.１０、１
４、１７、１８、１９、２０、２２を除いて、曲げ加工
性は十分であった。

【００４４】

【表３】

【００４５】このように本発明鋼である鋼Ｎo.１〜９は
良好な曲げ加工性を示すと共に、延性、、溶接性に優
れ、且つ冷間加工後の機械的性質の経時劣化が少なく、
更に、耐火性及び耐候性に優れており、高強度支保工用
Ｈ形鋼として優れた材質的機能を有することが判明し
た。

【００４６】

【発明の効果】本発明により、大型化及び扁平化する掘
削断面を支保するための十分な強度と加工性とを併せ持
ち、更に優れた耐火性及び耐候性を併せ持つ鋼アーチ支
保工用Ｈ形鋼を製造することが可能となる。その結果、
本発明のＨ形鋼からなる鋼アーチ支保工は環境に曝して
長期間且つ安全に使用することが可能であると共に、火
災においても崩落を生じ難く、更に、高強度化による形
鋼断面積の低減等に伴うコスト削減も可能であり、産業
上多大な効果がもたらされる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．１４〜０．１８％、
   Ｓｉ：０．２５〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜１．８％、
   Ｃｕ：０．３５〜０．６０％、Ｍｏ：０．０２〜０．６
   ０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｐ：０．０３５％以下、
   Ｓ：０．０２０％以下、Ｎ：０．００５０％以下、Ｈ：
   ０．０００２５％以下を含有し、更に、Ｖ：０．０１〜
   ０．２％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．
   ００２〜０．１０％の群から選択された１種又は２種以
   上を含有し、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物か
   らなり、（１）式で定義される炭素当量（Ｃeq）が０．
   ４７以下であり、且つ、引張強度が５９０ＭＰａ以上で
   あることを特徴とする耐火性及び耐候性に優れた支保工
   用Ｈ形鋼。 Ｃeq=[%C]+[%Mn]/6+[%Si]/24+[%Cr]/5+[%Mo]/4+[%Ni]/40+[%V]/14……（１）
2. 【請求項２】 請求項１に記載の鋼組成に加えて更に、
   重量％で、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃｒ：０．６％以下、
   Ｃｏ：０．６％以下、Ｗ：０．６％以下、Ｂ：０．００
   ５０％以下、Ｃａ：０．００５０％以下、ＲＥＭ：０．
   ０２％以下の群から選択された１種又は２種以上を含有
   し、（１）式で定義される炭素当量（Ｃeq）が０．４７
   以下であり、且つ、引張強度が５９０ＭＰａ以上である
   ことを特徴とする耐火性及び耐候性に優れた支保工用Ｈ
   形鋼。 Ｃeq=[%C]+[%Mn]/6+[%Si]/24+[%Cr]/5+[%Mo]/4+[%Ni]/40+[%V]/14……（１）