JP2002080938A - 耐土壌腐食性および耐震性に優れた圧延形鋼およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、土壌環境における耐食性、およ
び耐局部座屈性に優れた圧延Ｈ形鋼およびその製造方法
を提供する。 【解決手段】 質量％で、Ｃｒ：０．５〜２％を含有
し、必要に応じてＣｕ：０．１〜１％、Ｎｉ：０．１〜
２％、Ａｌ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．１〜２％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｖ：０．００５〜０．３
％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％の一種または二種以上
を含有するＰｃｍ：０．２０以下の鉄基合金を、Ａｒ3
点以上で圧延Ｈ形鋼とする熱間圧延終了後、オーステナ
イトとフェライトの２相域から、６００℃以下まで３℃
／ｓ以上で冷却し、形鋼軸方向の引張試験におけるフラ
ンジの降伏強さから公称歪で５％までの加工硬化指数を
０．２０以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地中環境での耐食
性（耐土壌腐食性）およびに耐震性に優れた圧延形鋼お
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、建築構造物の基礎構造にはコンク
リートが用いられてきたが、構造物の経済性向上と基礎
工事工程の簡略化を目標に、鋼製地中梁による基礎構造
が検討され、適用上の主な問題点として地中環境での耐
食性（耐土壌腐食性）と耐震性が挙げられている。

【０００３】土壌環境での鋼の腐食は軽微であるが、５
０年以上の構造物の寿命に見合う耐久性が要求される。
長期耐用性には土壌の性質が大きく影響し、埋設される
土壌の性質によっては０．１５ｍｍ／年程度におよぶ孔
食を生じることが知られている。

【０００４】従来、地中に埋設する鋼構造物には、電気
防食が主に用いられてきたが、その対象はパイプライン
であり、建築物の基礎梁などの鋼構造物に適用しうる有
効な防食技術は確立されていない。

【０００５】土壌環境での鋼の腐食に関しては、鋼成分
としてＣｒが有効なことが知られ、３％を超えて含有し
た場合、平均腐食量が低下すること、また、孔食に対し
てはＭｏ，Ｎｉ等の効果が知られている。

【０００６】特開昭５８−２５４５８号公報には、海
水,淡水、海洋大気、土壌に使用され得る鋼材として、
Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ等を添加し、生成する錆
の安定性を高める技術が記載されている。

【０００７】特開平１０−１９５６０６号公報には、地
中環境を含む種々の腐食環境における耐食性に優れ、酸
洗性と加工性にも優れる鋼としてＣａおよびＭｇを添加
した２〜９．９％Ｃｒ鋼が開示されている。

【０００８】しかし、これらの先行技術には鋼構造物に
使用した場合、必須となる溶接性および耐震性に関して
は記載されていない。

【０００９】特開平４−９９２８７号公報には、厳しい
腐食環境の土壌に接して使用される鋼材に亜鉛鍍金を施
す技術が開示されているが、大型構造物への亜鉛鍍金は
大幅なコスト上昇をもたらし、実用的とは言い難い。

【００１０】一方、近年、震災対策として鋼構造物の安
全性の向上が要求され、鋼材自体の耐震性を向上させる
ことが重要となってきている。現在、鋼材の製造方法と
しては制御圧延と制御冷却技術を組み合わせたＴＭＣＰ
が主流であり、機械的特性の向上と共に、合金元素の低
減、熱処理の省略を可能とする技術として、厚板を中心
に形鋼にも適用されている。

【００１１】しかし、建築物の柱材として用いられてい
る厚物のＨ形鋼にＴＭＣＰを適用する場合、圧延時での
形状確保に主眼が置かれるため、材質のみに着目した製
造条件が採用できず、耐震性の観点から十分な材質を得
ることが出来ない場合もあった。

【００１２】ＴＭＣＰによるＨ形鋼の製造技術に関する
先行技術として特開平８−１９９２８９号公報、特開平
８−１９９２９０号公報、特開平８−１９９２３３号公
報等が挙げられる。

【００１３】これらは、０．５〜１．５％のＣｒ，０．
３〜１％のＣｕ，０〜１％のＮｉ等を含有する鋼を７５
０〜１０５０℃の温度範囲で仕上圧延を終了させ、更に
４００〜７００℃まで０．５〜１０℃／ｓで急冷する製
造方法によって優れた強靭性と耐候性を有する鋼材を提
供するものである。しかし、土壌腐食は考慮されておら
ず、フランジ各部位の材質均一性および耐震性も考慮さ
れていない。

【００１４】更に、フランジ厚の大きいＨ形鋼の制御圧
延では、中心部より表面近傍の冷却速度が著しく増大す
るため、厚さ方向の強度差が問題となることがある。

【００１５】鋼板の厚さ方向の強度差を低減する技術と
して特開平３−１８８２１６号公報、特開平１１−２７
９６３６号公報、特開平１１−２７９６３７号公報に冷
却を一旦中断し表面に生成した硬質のベイナイトを復熱
により軟化させた後、再び冷却を開始することが記載さ
れている。

【００１６】しかし、これらに記載されている技術は、
厚鋼板を対象にしたものであり、厚物Ｈ形鋼とは圧延時
の加熱温度、冷却速度が大きく異なり、低温加熱あるい
は高冷却速度における最適化を行うものである。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、建築
物の基礎構造等に用いられる厚物Ｈ形鋼であって、耐土
壌腐食性およびフランジ各部位の材質均一性に優れ、耐
震性を有するものは開発されていない。

【００１８】本発明は、以上の点に鑑みなされたもの
で、地中環境での耐食性（耐土壌腐食性）、および耐震
性に優れる圧延形鋼およびその製造方法を提供すること
にある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、圧延Ｈ形
鋼の耐土壌腐食性に及ぼす成分組成の影響を明らかにす
るため、地中梁など建築物の地中鋼構造物の周辺土壌が
鋼材の耐食性、孔食に及ぼす影響について詳細に検討を
行った。

【００２０】その結果、地中梁など建築物の地中鋼構造
物を埋め戻して埋設した場合は、パイプラインを埋め戻
した場合と比較して通気性が良い土壌となること、そし
てそのような土壌においては、Ｃｒを０．５％以上含有
する鋼の場合、５０年以上の耐久性の指針である腐食速
度０．０２ｍｍ／年の優れた耐食性が得られることを見
出した。本発明で耐土壌腐食性とは、上述した通気性が
良い土壌において良好な耐食性を有するものとする。

【００２１】また、形鋼の耐震性に関して、本発明者ら
は、フランジ、ウエブの特性と耐座屈性の関係について
検討を行い、耐食性形鋼の耐座屈特性がフランジの特性
に支配され、ウエブの寄与は無視できるとの知見を得
た。

【００２２】更に、材質均一性に関しては、厚物圧延Ｈ
形鋼の場合、形状確保の観点から加熱温度は１２００℃
を超え、また、制御冷却時の平均冷却速度も一般的には
５℃／ｓ未満となる。

【００２３】そして、冷却を一旦停止した際の復熱も、
厚鋼板のように単に両面から冷却される場合と異なり、
ウエブの影響を複雑に受けるため、この部位を含むフラ
ンジ１／２Ｆの厚さ方向の材質均一性が特に重要とな
る。

【００２４】本発明は、以上の知見を基に更に検討を加
えてなされたものである。すなわち、本発明は、 １． 質量％で、Ｃｒ：０．５〜２％を含有し、Ｐｃ
ｍ：０．２０以下の鉄基合金よりなり、形鋼軸方向の引
張試験におけるフランジの降伏強さから公称歪で５％ま
での加工硬化指数が０．２０以上であることを特徴とす
る耐土壌腐食性および耐震性に優れた圧延形鋼。

【００２５】但し、Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２
０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５
＋Ｖ／１０＋５Ｂ ２． 質量％で、Ｃｒ：０．５〜２％を含有し、更にＣ
ｕ：０．１〜１％、Ｎｉ：０．１〜２％、Ａｌ：０．１
〜１．５％、Ｍｏ：０．１〜２％の一種または二種以上
を含有するＰｃｍ：０．２０以下の鉄基合金よりなり、
形鋼軸方向の引張試験におけるフランジの降伏強さから
公称歪で５％までの加工硬化指数が０．２０以上である
ことを特徴とする耐土壌腐食性および耐震性に優れた圧
延形鋼。

【００２６】但し、Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２
０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５
＋Ｖ／１０＋５Ｂ ３． 質量％で、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｖ：
０．００５〜０．３％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％の
一種または二種以上を含有する１または２記載の耐土壌
腐食性および耐震性に優れた圧延形鋼。

【００２７】４． １乃至３のいずれかに記載の化学成
分を有する鋼をＡｒ3点以上で熱間圧延終了後、オース
テナイトとフェライトの２相域から、６００℃以下まで
３℃／ｓ以上で冷却することを特徴とする耐土壌腐食性
および耐震性に優れた圧延形鋼の製造方法。

【００２８】５． １乃至３のいずれかに記載の圧延形
鋼を用いた地中埋設用鋼構造物。

【００２９】

【発明の実施の形態】１．機械的特性 加工硬化指数：０．２０以上 本発明では、圧延Ｈ形鋼のフランジの降伏強度から公称
歪で５％までの加工効果指数を０．２０以上と規定す
る。

【００３０】図１は、本発明範囲内の化学成分を有する
０．１２Ｃ−１．１Ｍｎ−０．３２Ｃｕ−０．５５Ｃｒ
系鋼を用い、フランジ、ウエブにおける降伏強度から公
称歪みで５％までの加工硬化指数（ｎ値）を種々変化さ
せた耐食圧延Ｈ形鋼の耐座屈性を、図２に示す試験機を
用いた圧縮試験により評価した結果を示す。

【００３１】座屈発生限界歪はフランジの加工硬化指数
を０．１４から０．２２に増加させた場合、１．７と大
きくなるが、ウエブの加工硬化指数を同様に増加させて
も大きくならず、圧延Ｈ形鋼の耐座屈性はフランジの特
性に支配され、ウエブの寄与は極めて小さいことが確認
された。

【００３２】図３は、フランジの加工硬化指数と座屈発
生限界歪の関係を示すもので、フランジの加工硬化指数
を０．２０とした場合、ウエブの特性に拘わらず座屈発
生限界歪は０．８％以上と優れた特性が得られる。

【００３３】このように、耐食圧延形鋼において、フラ
ンジの降伏強度から公称歪で５％までの加工硬化指数を
０．２０以上とすることにより、ウエブの特性に拘わら
ず、耐座屈性が飛躍的に向上する。

【００３４】２．成分組成 本発明は鉄基合金を対象とし、基本成分組成において
は、Ｃｒ，Ｐｃｍを規定する。

【００３５】Ｃｒ Ｃｒは、鋼の表面に形成される酸化物皮膜に含有され、
通気性の良い土壌環境において耐食性を示す。０．５％
未満での添加ではその効果が十分でなく、一方、２％を
超えて添加しても効果が飽和し、溶接性が劣化するの
で、０．５〜２％とする。

【００３６】図４は、埋め戻した通気性のよい土壌環境
における鋼の１年間における腐食量と鋼中Ｃｒ量の関係
を示すもので、Ｃｒ量が０．５〜２％において最大腐食
量は約０．０２ｍｍ／年で、約５０年寿命とされる地中
構造物に必要とされる腐食代約１ｍｍを超えることはな
い。

【００３７】図５に土中埋設試験方法を模式的に示す。
試験材を屋外の通気性の良い埋め戻された土中またはｐ
Ｈ改良土に埋設後、６ヶ月,1年、2年、5年、１０年経過
時に掘り起こし計測を行う。

【００３８】Ｐｃｍ≦０．２０ Ｐｃｍは溶接性を示す指標で、０．２０を超える鋼では
溶接性が低下するため、０．２０以下とする。特に溶接
継手部の健全性が要求される鋼構造物の場合には溶接性
の確保は重要である。

【００３９】本発明では、上記範囲にＣｒ，Ｐｃｍを規
定した鉄基合金でその目的とする特性を満足することが
可能であるが、更にその特性を向上させる場合、Ｃｕ，
Ｎｉ，Ａｌ，Ｍｏ、Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉの一種または二種以
上を規定する。

【００４０】Ｃｕ Ｃｕは、地中にＣｌイオンが含まれる場合に、孔食内部
での金属の溶解速度を抑制し、孔食の伸展を抑える効果
を有する。０．１％未満ではその効果が十分でなく、１
％を超えて添加しても熱間加工時に表面われを生じるた
め、０．１〜１％とする。

【００４１】Ｎｉ Ｎｉは、Ｃｕと同様に地中にＣｌイオンが含まれる場合
に、孔食内部での金属の溶解速度を抑制し、孔食の伸展
を抑える効果を有する。含有量が０．１％未満ではその
効果が十分でなく２％を超えて含有してもその効果は飽
和し、経済性を損なうので、０．１〜２％とする。

【００４２】尚、ＮｉはＣｕ含有材における熱間加工時
の表面割れを抑制する効果があり、Ｃｕ含有量の１／２
以上を含有することが好ましい。

【００４３】Ａｌ ＡｌはＣｒと同様な効果があり、Ｃｒに加えて更に含有
することができる。０．１％未満の含有では効果が十分
でなく、１．５％を超えると溶接時にスラグを多発し、
作業性を低下させるため、１．５％以下とする。

【００４４】Ｍｏ Ｍｏは地中にＣｌイオンが含まれた場合、Ｃｒのみを含
有した鋼で発生する孔食を抑制する効果があるため含有
する。孔食内部での金属の溶解速度を抑制し、孔食の伸
展を抑える効果を有する。

【００４５】０．１％未満の含有では効果が十分でな
く、２％を超えて含有すると溶接性を劣化させるため、
０．１〜２％を含有する。

【００４６】Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉは、鋼中のＣと炭化物を形成し、溶接性
に及ぼすＣの影響を減少させることが可能であり、一定
量以上の添加を選択できる。但し、Ｎｂは０．００５
％、Ｖは０．００５％、Ｔｉは０．００３％のそれぞれ
の添加量未満では炭化物が十分生成せず、一方、Ｎｂは
０．１％、Ｖは０．３％，Ｔｉは０．１％を超えて添加
すると、炭化物の析出が過度となり、溶接時にクラック
を生じやすくなるため、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｖ：０．００５〜０．３％、Ｔｉ：０．００３〜０．１
％とする。

【００４７】尚、鋼構造物に用いられる鋼として、Ｃ，
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓは以下の量を含有することが好まし
い。

【００４８】Ｃ：０．０３〜０．１８％ Ｃは、鋼の強度を確保するために０．０３％以上添加す
るが、０．１８％を超えて多量に含有した場合、靭性あ
るいは溶接性が劣化するため、０．０３％以上、０．１
８％以下（０．０３〜０．１８％）とする。

【００４９】Ｓｉ：０．０１〜１．５％ Ｓｉは、脱酸のため必然的に含まれるが、強度を確保す
るため本発明では含有量を０．０１％以上とする。１．
５％を超えるとＨＡＺ靭性及び溶接性が劣化するので、
０．０１〜１．５％とする。

【００５０】Ｍｎ：０．３〜２．０％ Ｍｎは、鋼材の強度・靭性を向上させ、赤熱脆性の原因
となるＦｅＳの生成抑制のため、０．３％以上添加する
が、２．０％を超えると焼入れ性を増加させ、溶接時に
硬化相を生じ、割れ感受性が高くなるため、０．３〜
２．０％とする。

【００５１】Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下 Ｐ，Ｓは鋼中に混入する不純物として不可避的に存在す
るが、Ｐの低減は粒界破壊の防止に有効であり、Ｓの低
減は溶接熱影響部の水素割れ防止に有効であるため、
Ｐ，Ｓの含有範囲をそれぞれ０．０５％以下、０．０１
％以下とする。

【００５２】３．製造条件 本発明では、熱間圧延条件、冷却条件を以下のように規
定する。これらの規定は少なくともフランジの製造にお
いて満足されていればよく、ウエブについては特にその
製造条件を規定しない。

【００５３】熱間圧延 熱間圧延は、仕上圧延温度がＡｒ3点未満ではフェライ
トの圧延による加工硬化のため、降伏点が上昇し、０．
２０以上の加工硬化指数が得られない。このため仕上温
度をＡｒ3点以上とする。

【００５４】冷却条件 ミクロ組織をフェライトと硬質相の混合組織とし、加工
硬化指数を０．２０以上とするため、圧延終了後、オー
ステナイトとフェライトの２相域から、６００℃以下ま
で、３℃／ｓｅｃ以上で冷却する。

【００５５】

【実施例】表１に示す成分組成の鋼を圧延Ｈ形鋼とし、
耐震性、耐土壌腐食性などの特性について調査を行っ
た。

【００５６】試験体は、３００×３００×１０×１５ｍ
ｍ（ｂ／ｔ_f＝１０、但し、ｂ：フランジ幅の１／２，
ｔ_f：フランジ厚さ）とし、長さ８００ｍｍの圧延Ｈ形
鋼として圧縮試験に供した。

【００５７】耐食性試験は、Ｃｌイオンを１０ｐｐｍ含
み、ｐＨを調整した水溶液に試験片を１ヶ月浸漬した際
の腐食速度で評価した。試験片は、フランジ部分より全
厚×６０×５０（ｍｍ）の寸法で切り出し、表面機械研
磨後、手研磨仕上げし、試験に供した。

【００５８】表２に圧延Ｈ形鋼の製造条件、および特性
試験の結果を示す。表中、耐座屈性の試験結果は、圧縮
量が０．８％において局部座屈が、生じた場合、×印、
生じなかった場合、○印とした。

【００５９】耐座屈性は、本発明の範囲内となるフラン
ジの加工硬化指数が０．２０以上となる実施例３，４，
７，１０，１１，１４，１５，１７，１９，２１〜３１
では局部座屈が生ぜず、良好な耐震性が得られた。

【００６０】一方、フランジの加工硬化指数が０．２０
未満となる実施例１，２，５，６，８，９，１２，１
３，１６，１８，２０，３２では、局部座屈が生じた。

【００６１】耐食性は、Ｃｒ量が本発明範囲外で少ない
供試鋼１８による実施例３１以外、全ての実施例におい
て最大腐食速度は０．０２ｍｍ／年を下回り、約５０年
の寿命とされる地中構造物に必要な腐食代約１ｍｍが確
保できることが確認された。

【００６２】また、表２における溶接性は、溶接継手の
靭性を評価するもので、市販の強度５０キロ級ワイヤを
用い、電流６５０Ａ−電圧４０Ｖ−溶接速度４０ｃｍ／
分により溶接した継手の衝撃特性により評価を行った。
Ｖノッチ衝撃試験におけるノッチ位置はボンド部より２
ｍｍとし、試験温度０℃で衝撃値を求めた。

【００６３】その結果、Ｐｃｍが０．２２７で本発明範
囲外となる実施例３０、Ｃｒ量が、本発明範囲外で多い
実施例３２では得られた衝撃値は２０Ｊ以下と他の実施
例と比較して著しく劣っていた。

【００６４】

【表１】

【００６５】

【表２】

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、土壌環境で十分な耐食
性を有し、且つ局部座屈が生じにくく優れた耐震性を有
し、地中梁など建築物の地中鋼構造物に最適な圧延Ｈ形
鋼が、生産性良く得られ、産業上極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】座屈発生歪量に及ぼすフランジ、ウエブの加工
硬化指数の影響を示す図。

【図２】耐座屈特性を評価する圧縮試験方法を模式的に
示す図。

【図３】座屈発生限界歪みに及ぼすフランジの加工硬化
指数の影響を示す図。

【図４】埋め戻された土壌における鋼材の腐食量に及ぼ
すＣｒ量に影響を示す図。

【図５】土中埋設試験方法を模式的に示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三田尾 眞司 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 山本 定弘 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 正村 克身 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 Ｆターム(参考） 4K032 AA01 AA04 AA05 AA11 AA12 AA14 AA16 AA19 AA20 AA22 AA23 AA24 AA27 AA29 AA31 AA35 AA36 CC03 CC04 CD02

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、Ｃｒ：０．５〜２％を含有
   し、Ｐｃｍ：０．２０以下の鉄基合金よりなり、形鋼軸
   方向の引張試験におけるフランジの降伏強さから公称歪
   で５％までの加工硬化指数が０．２０以上であることを
   特徴とする耐土壌腐食性および耐震性に優れた圧延形
   鋼。但し、Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ
   ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１
   ０＋５Ｂ
2. 【請求項２】 質量％で、Ｃｒ：０．５〜２％を含有
   し、更にＣｕ：０．１〜１％、Ｎｉ：０．１〜２％、Ａ
   ｌ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．１〜２％の一種また
   は二種以上を含有するＰｃｍ：０．２０以下の鉄基合金
   よりなり、形鋼軸方向の引張試験におけるフランジの降
   伏強さから公称歪で５％までの加工硬化指数が０．２０
   以上であることを特徴とする耐土壌腐食性および耐震性
   に優れた圧延形鋼。但し、Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍ
   ｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ
   ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ
3. 【請求項３】 質量％で、Ｎｂ：０．００５〜０．１
   ％、Ｖ：０．００５〜０．３％、Ｔｉ：０．００３〜
   ０．１％の一種または二種以上を含有する請求項１また
   は２記載の耐土壌腐食性および耐震性に優れた圧延形
   鋼。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の化学
   成分を有する鋼をＡｒ3点以上で熱間圧延終了後、オー
   ステナイトとフェライトの２相域から、６００℃以下ま
   で３℃／ｓ以上で冷却することを特徴とする耐土壌腐食
   性および耐震性に優れた圧延形鋼の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１乃至３のいずれかに記載の圧延
   形鋼を用いた地中埋設用鋼構造物。