JP2003221645A - 建築用耐火鋼材およびその製造方法 - Google Patents
建築用耐火鋼材およびその製造方法Info
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Abstract
0の規格を満足し、さらに650℃YS/常温YS≧
0.5、700℃YS/常温YS≧0.4の関係を満た
す高温強度を確保し、且つ優れた溶接性(Y割れ停止温
度0℃以下)を満足する生産原価の低い、高温耐火特
性、溶接性に優れた低降伏比構造用高張力鋼鋼およびそ
の製造方法を提供する。 【解決手段】質量%で、C:0.01〜0.13%、S
i:0.01〜0.5%、Mn:0.01〜0.5%、
Mo:0.3〜1.3%、Ti:0.03〜0.1%、
sol.Al:0.003〜0.07%、N:0.01
%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物から
なる。
Description
程度、高温状態になる建築物、橋梁等の鉄骨構造物に用
いる鋼材で、特に、650〜700℃の高温での使用に
耐え得る鋼材およびその製造方法に関する。
下し、500℃以上では顕著な強度低下を示す。このた
め、従来、火災などでの高温状態において鋼材が350
℃以上とならないように耐火被覆を施すことや、鋼材自
体の高温強度を向上させることが提案されてきた。
Mo,V,Nb,Ti等を添加し、600℃や650℃
における降伏強度を向上させた常温強度400〜490
N/mm2級鋼が提案されている。
の鋼材は主に600℃での安全性(耐火性:600℃に
おいて常温規格降伏強度の2/3以上の降伏強度)を保
証するものであり、更に高温においての使用が考慮され
たものではない。例えば、700℃での降伏強度は、常
温規格降伏強度の1/3程度に過ぎない。
金元素を添加すると、常温強度が高くなりすぎてSN材
のJIS規格強度を超えてしまい、JIS規格を外れた
ものとなる。また、さらに高合金化すると、溶接性や靭
性の劣化を招くという問題点もある。
たものであり、その目的は、JISに規定されたSN4
00またはSN490の規格強度を満足し、さらに65
0℃YS/常温YS≧0.5、700℃YS/常温YS
≧0.4の関係を満たす高温強度を確保し、且つ優れた
溶接性(Y割れ停止温度0℃以下)を満足する生産原価
の低い鋼およびその製造方法を提供することにある。
温強度に及ぼす成分組成について詳細に検討を行った。
その結果、高温耐火時にMo,Tiの微細な複合炭化物
を析出させることにより、高温強度を格段に向上できる
ことを見出した。さらに、Mnを0.01〜0.5%と
低くし、Mo,Tiを複合添加した場合、低降伏比を損
なわずに700℃での高温強度が向上し、且つ優れた溶
接性が得られることを見出した。
常温強度、高温強度の両者に寄与する(Mo+Ti)を
高め、常温強度にのみ寄与するMn量を低減し、(Mo
+Ti)/Mn比を高くし、高温強度/常温強度比を高
くすることを得てなされたものであり、以下に示す手段
を用いている。
C:0.01〜0.13%、Si:0.01〜0.5
%、Mn:0.01〜0.5%、Mo:0.3〜1.3
%、Ti:0.03〜0.1%、sol.Al:0.0
03〜0.07%、N:0.01%以下を含有し、残部
がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とす
る。
質量%で、(Mo+Ti)/Mn≧1を満足することが
好ましい。
0.01〜0.10%、Nb:0.005〜0.10
%、Cr:0.03〜0.5%、Cu:0.03〜0.
5%、Ni:0.03〜0.5%、Ca:0.0005
〜0.005%、Mg:0.0005〜0.005%、
REM:0.0005〜0.02%からなる群より選択
される1種または2種以上をさらに含有することが好ま
しい。
10分から30分加熱保持した後に室温まで冷却したと
きの硬さが、ビッカース硬度Hv10で、加熱前よりも
10以上高いことが好ましい。
に10分から30分加熱保持したときに析出するTi−
Mo系炭化物またはTi−Mo−V系炭化物の析出量
が、下記(1)式で定義される炭化物炭素当量値で50
ppm以上であることが好ましい。炭化物炭素当量値が
50ppmを下回る場合は、所望の高温強度が得られな
くなる。
i析出量)−(高温保持前のTi析出量)} Δ[CasMoC]=12/96×{(高温保持後のM
o析出量)−(高温保持前のMo析出量)} Δ[CasVC]=12/51×{(高温保持後のV析
出量)−(高温保持前のV析出量)} 但し、V無添加の場合はΔ[CasVC]=0。
−Mo−V系炭化物の析出量が、さらに下記(2)式を
満足することが好ましい。
記組成を有する鋼を1000℃以上に加熱した後、圧延
終了温度を800℃から1000℃までの範囲とする熱
間圧延を行うことを特徴とする。
の限定理由について詳細に説明する。以下の説明におい
て「%」で示す単位は全て質量%である。
細複合炭化物を析出して高温降伏強度を向上させるた
め、0.01%以上添加する。一方、0.13%を超え
て添加すると、構造用鋼としての延靭性や溶接性が劣化
する。従って、C含有量は0.01〜0.13%の範囲
とする。
%以上添加する。一方、0.5%を超えて添加すると延
靭性が低下し、常温強度が過剰となる。従って、Si含
有量は0.01〜0.5%の範囲とする。
常温強度比を高くするために、常温強度にのみ寄与する
Mn量を低減する。Mnは、JISで規定するSN材と
しての常温強度を確保するために、0.01%以上添加
する。一方、0.5%を超えて添加すると、常温強度が
高くなり高温強度/常温強度比が低下するとともに、S
N材としての常温強度を超える場合がある。また、溶接
性も劣化する。従って、Mn含有量は0.01〜0.5
%の範囲とする。
を向上させる。また、Ti,Vとの複合添加により後述
するTi−Mo系炭化物またはTi−Mo−V系炭化物
を形成して高温強度を向上させるため、0.3%以上添
加する。一方、1.3%を超える添加は、常温強度が高
くなり過ぎてJISで規定するSN材の規格を超えると
ともに、溶接性、靭性が劣化する。従って、Mo含有量
は0.3〜1.3%の範囲とする。
物またはTi−Mo−V系炭化物を形成して高温強度を
向上させるため、0.03%以上添加する。一方、0.
1%を超えて添加すると、溶接性および靭性が劣化す
る。従って、Ti含有量は0.03〜0.1%の範囲と
する。
寄与するMn量を低減して(Mo+Ti)/Mnを1以
上とすることが好ましく、さらに、1.5以上とするこ
とがより好ましい。但し、元素記号は鋼材中の各元素の
含有量(質量%)を表す。この値が1未満では、目標と
するYS比(650℃YS/常温YS≧0.5、700
℃YS/常温YS≧0.4)が得られないか、あるいは
常温強度が高くなり、SN材の規格強度を超えてJIS
規格から外れる恐れがある。
接性を低下させるため、その含有量は、夫々0.03%
以下とする。下限は構造用鋼としての生産原価を満足す
る範囲で低減させることが望ましいが、特に限定しな
い。
7% Alは脱酸のため、また、sol.AlはAlNとして
鋼中に析出し、結晶粒の微細化に有効なため、0.00
3%以上添加する。一方、0.07%を超えて過剰に添
加すると介在物が多くなり、延靭性が低下する。従っ
て、sol.Alの含有量は0.003〜0.07%の
範囲とする。
0.01%を超えて添加すると溶接部靭性が低下し、T
i添加の効果が損なわれる。従って、N含有量は0.0
1%以下、好ましくは0.006%以下とする。
成分が上記組成範囲内であれば目的とする性能は十分に
得られるが、更にその特性を向上させるため、V,N
b,Cr,Cu,Ni,Ca,Mg,REMのうちの1
種または2種以上を添加することが可能である。
せるため、0.01%以上添加する。特に、Mo,Ti
との複合添加により、Ti−Mo−V系複合炭化物が微
細析出し、顕著な効果が得られる。一方、0.1%を超
えて添加すると硬化し、更に溶接性が劣化する。従っ
て、Vを添加する場合、その含有量は0.01〜0.1
0%の範囲とする。
させるため、0.005%以上添加する。特に、Mo,
Ti,Vとの複合添加により、複合炭化物が微細に析出
し、顕著な効果が得られる。一方、0.10%を超えて
添加すると硬化し、更に溶接性が劣化する。従って、N
bを添加する場合、その含有量は0.005〜0.10
%の範囲とする。
させるため、0.03%以上添加する。特に、Mo,T
i,Nbとの複合添加により、複合炭化物が微細析出
し、顕著な効果が得られる。一方、0.5%を超えて添
加すると硬化し、更に溶接性が劣化する。従って、Cr
を添加する場合、その含有量は0.03〜0.5%の範
囲とする。
め、0.03%以上添加する。一方、0.5%を超えて
添加すると硬化し、鋼板表面疵を生じる。従って、Cu
を添加する場合、その含有量は0.003〜0.5%の
範囲とする。
以上添加する。一方、0.5%を超えて添加すると硬化
し、生産原価を上昇させる。従って、Niを添加する場
合、その含有量は0.03〜0.5%の範囲とする。
の不純物元素の固定により靭性を向上させる。添加する
場合は、その含有量をCa:0.0005〜0.005
%、Mg:0.0005〜0.005%、REM:0.
0005〜0.02%の範囲とする。
なTi−Mo系炭化物またはTi−Mo−V系炭化物が
析出して高い高温強度を示す。これらの析出物は高温耐
火時に多量に析出するため、結果的に、高い高温強度/
常温強度比となる。
700℃YS/常温YS≧0.4を満足するためには、
高温加熱時に一定量以上のTi−Mo系炭化物またはT
i−Mo−V系炭化物を析出させる必要がある。
度範囲に10分から30分加熱保持した後に室温まで冷
却したときの硬さを、ビッカース硬度Hv10で、加熱
前より10以上高くする。Hv10の差が10未満であ
る場合、高温加熱時に析出するTi−Mo系炭化物また
はTi−Mo−V系炭化物の量が不足し、上記特性が得
られない恐れがある。ここで、ビッカース硬度Hv10
とは、圧子の荷重条件を10kgとして測定したときの
硬さ指数をいう。なお、硬さの差は、同一鋼板の加熱前
後にける板厚方向1/4tの位置における常温硬度の値
の差とする。
oC] Δ[CasTiC]+Δ[CasMoC]+Δ[Cas
VC] 高温加熱時に析出するTi−Mo系炭化物またはTi−
Mo−V系炭化物は下記の組成、析出量を有することが
望ましい。
から30分保持した場合に、新たに析出する析出物は
(Ti−Mo)Cの複合炭化物であり、その析出量は、
下記(1)’式で表される炭化物炭素当量値で、50p
pm以上であることが好ましい。Moは通常Mo2Cと
して析出するが、透過型電子顕微鏡による観察と抽出浅
さの分析結果から、本発明鋼では(Ti−Mo)Cとし
て析出し、この複合炭化物が高温強度向上に寄与してい
ることが判明した。析出量が炭化物炭素当量値で50p
pm未満の場合、所望の高温強度が得られない恐れがあ
る。
物炭素当量値を70ppm以上とすることがさらに好ま
しい。また、炭化物炭素当量値の上限は、溶接性および
靭性を劣化させない観点から、300ppmとすること
が望ましい。よって、最も好ましい範囲としては炭化物
炭素当量値を70〜300ppmとする。 Δ[CasTiC]+Δ[CasMoC]…(1)’。
o−V)Cの複合炭化物が形成され、さらに高温強度は
向上する。この場合、その析出量は、下記(1)式で表
される炭化物炭素当量値で、50ppm以上であること
が好ましい。 Δ[CasTiC]+Δ[CasMoC]+Δ[CasVC]…(1)。
asMoC]、Δ[CasVC]は、それぞれ以下のよ
うに求められる。 Δ[CasTiC]=12/48×{(高温保持後のT
i析出量)−(高温保持前のTi析出量)} Δ[CasMoC]=12/96×{(高温保持後のM
o析出量)−(高温保持前のMo析出量)} Δ[CasVC]=12/51×{(高温保持後のV析
出量)−(高温保持前のV析出量)} 但し、Δ[CasTiC]、Δ[CasMoC]、Δ
[CasVC]は、高温保持した時に、それぞれTi炭
化物、Mo炭化物、V炭化物が組織中に新たに析出する
際に消費される炭素量を示す。なお、各金属元素の析出
量は、10%アセチルアセトン−メタノール電解抽出に
より鋼中から抽出した残渣をICP発光分析法により求
める。
sTiC]+Δ[CasVC]) Ti−Mo系複合炭化物またはTi−Mo−V系複合炭
化物中の金属元素の比が下記式(2)を満足すると、析
出物が非常に小さく且つ安定であり、他の析出物に比べ
て高温強度向上に非常に有効である。この下記(2)式
の範囲外では、析出物サイズが大きくなり、高温強度へ
の寄与が不十分となる恐れがある。 0.9≦Δ[CasMoC]/(Δ[CasTiC]+Δ[CasVC])≦ 2.0…(2) 但し、V無添加の場合は、Δ[CasVC]=0であ
る。
Tiの複合添加による高温強度向上効果を得るため、J
ISに規定されているSN490材の規格強度を満足す
るためには1000℃以上とする。
℃ 圧延終了温度は、800℃未満では高温強度が低下し、
1000℃を超えると結晶粒が粗大化して焼入れ性が向
上し、常温強度が高くなりすぎるため、JISに規定さ
れているSN490材の規格強度を満足するためには8
00〜1000℃の温度範囲とする。
り鋼板を製造した。表1に、用いた供試鋼A〜Wの化学
成分を示す。鋼A〜Nは本発明範囲内の成分組成を有す
る発明鋼であり、鋼O〜Wは本発明範囲外の成分組成を
有する比較鋼である。
鋼種、鋼板の板厚(mm)、発明製造プロセス、製造プ
ロセス、圧延時の加熱温度(℃)、圧延終了温度(℃)
および冷却条件を示す。なお、発明製造プロセスの表示
は請求項7記載の方法に従った場合には、○とし、それ
以外の場合には、×と示した。
び高温引張試験をそれぞれ行った。常温引張特性とし
て、降伏強度YS(N/mm2)、引張強度TS(N/
mm2)および降伏比YR(%)を求め、高温引張特性
として、試験温度600℃、650℃、700℃での降
伏強度YS(N/mm2)を求めた。また、各試験温度
での高温YSと常温YSの比(高温YS/常温YS)を
YS比(%)として求めた。これらの結果を表2に併記
する。なお、常温引張試験はJIS Z 2241、高
温引張試験はJIS G 0567に準じて行った。
に規定されているように、YS:235〜355N/m
m2(板厚50mmの鋼板については215〜335N
/mm2)、TS:400〜510N/mm2を満足する
ものをSN400材とし、YS:325〜445N/m
m2(板厚50mmの鋼板については295〜415N
/mm2)、TS:490〜610N/mm2を満足する
ものをSN490材として、これらの規格強度範囲を満
たしていないものを本発明範囲外とした。
0℃でYS≧157N/mm2(板厚50mmの鋼板に
ついては143N/mm2)(SN400の常温YS規
格下限の2/3)、650℃でYS≧138N/mm2
(板厚50mmの鋼板については126N/mm2)、
700℃でYS≧118N/mm2(板厚50mmの鋼
板については108N/mm2)(SN400の常温Y
S規格下限の1/2)を基準値とし、SN490材とし
ては、600℃でYS≧217N/mm2(板厚50m
mの鋼板については197N/mm2)(SN490の
常温YS規格下限の2/3)、650℃でYS≧190
N/mm2(板厚50mmの鋼板については173N/
mm2)、700℃でYS≧163N/mm2(板厚50
mmの鋼板については148N/mm2)(SN490
の常温YS規格下限の1/2)を基準値として、これを
満たしていないものを本発明範囲外とした。
外れる比較例1〜3の鋼板については、SN490材と
して基準値を設けた。
た。溶接性の評価としては、Y割れ試験を行い、靭性の
評価としては、0℃におけるシャルピー吸収エネルギー
を測定した。これらの結果も表2に併記する。ここで、
溶接性は、割れ防止予熱温度(Y割れ停止温度)が0℃
を超えるものを本発明範囲外とし、靭性は、シャルピー
吸収エネルギーvE0≧100Jを基準値として、これ
を満たしていないものを本発明範囲外とした。
1,3の鋼板については、700℃加熱保持前後の硬さ
の評価と析出物の形態分析を行った。硬さの評価として
は、700℃に加熱する前の試験片と、700℃に加熱
し、約30分間保持した後、常温まで冷却した試験片と
を用い、これら試験片につき荷重10kgのビッカース
硬度を測定し、加熱前後におけるビッカース硬度差を求
めた。
℃加熱保持前後の試験片のTi,Mo,V析出量(抽出
金属量)を測定し、Δ[CasTiC]、Δ[CasM
oC]、Δ[CasVC]を求めた。この結果から析出
物の炭化物炭素当量値および金属比:Δ[CasMo
C]/(Δ[CasTiC]+Δ[CasVC])を求
めた。なお、各金属元素の析出量は、10%アセチルア
セトン−メタノール電解抽出により鋼中から残渣を抽出
し、抽出残渣を用いてICP発光分析法により抽出金属
量として定量した。これらの結果を表3に示す。
い、本発明に従って製造した実施例1〜18の鋼板は、
常温強度がJISで規定するSN490の規格を満た
し、600℃、650℃および700℃でのYSがすべ
て基準値を満足した。また、600℃でのYS比≧61
%、650℃でのYS比≧55%、700℃でのYS比
≧47%と優れた値が得られた。さらに、Y割れ防止温
度は0℃以下、0℃におけるシャルピー吸収エネルギー
は100J以上と優れた値が得られた。
温度が1000℃未満と本発明範囲から外れて低かった
比較例1の鋼板は、SN490材として、常温強度がJ
IS規格よりも低く、高温強度YSも低かった。なお、
SN400材としては、JISに規定されている常温強
度の規格を満足し、また、高温強度YSの基準値も満た
していた。
温度が1000℃を超えて高かった比較例2の鋼板は、
SN490材として、常温強度がJIS規格を超えてい
た。
温度が800℃未満と本発明範囲を外れて低かった比較
例3の鋼板は、SN490材として、高温強度YSが低
かった。
加で、(Mo+Ti)/Mnが1未満のO鋼を用いた比
較例4〜7の鋼板はいずれの条件においても、SN49
0材として、高温強度が低く、また、Y割れ防止温度も
25℃と高かった。
i)/Mnが1未満のP鋼,Q鋼,R鋼を用いた比較例
8〜10の鋼板は、常温強度がJISで規定されている
SN490材の規格を超え、Y割れ防止温度も高かっ
た。
i)/Mnが1未満のS鋼を用いた比較例11の鋼板
は、常温強度はJISで規定されているSN400材及
び490材の規格をともに満たすが、高温強度はSN4
00材として見ても低かった。
た比較例12の鋼板は、常温強度がJISで規定されて
いるSN490材の規格を超えるとともに、Y割れ防止
温度が25℃と高く、さらに靭性が劣化していた。
た比較例13の鋼板は、SN490材の製造プロセスを
用いたにもかかわらず、SN400材の常温強度止まり
であった。さらに、高温強度はSN400材の基準値を
も下回っていた。
た比較例14の鋼板は、SN490材として、高温強度
YS比が低く、Y割れ防止温度が50℃と高く、さらに
靭性が劣化していた。
た比較例15の鋼板は、SN490材として、Y割れ防
止温度が50℃と高かった。
A,B,D鋼を用い、本発明範囲範囲内にある製造条件
で製造した実施例1,5,6,8の鋼板は、700℃加
熱保持後の硬度が、加熱保持前よりもビッカース硬度H
v10で10以上上昇していた。また、Ti−Mo系複
合炭化物またはTi−Mo−V系複合炭化物の析出量も
炭化物炭素当量値換算で50ppm以上であり、金属比
も0.9〜2.0の範囲内にあった。この結果、表2に
示すように高温強度に優れていた。
熱温度が低かった比較例1、圧延終了温度が低かった比
較例3の鋼板は、加熱保持前後の硬度差がHv10で1
0未満と低く、析出物の量も50ppm未満と少なかっ
た。さらに、比較例1の鋼板については、金属比が2.
0を超えて高かった。この結果、表2に示すように実施
例の鋼板に比べ高温強度が劣っていた。
し、本発明に従って製造された鋼板は、高温強度に優れ
ている。
ISに規定されたSN400またはSN490の規格強
度を満足し、さらに650℃YS/常温YS≧0.5、
700℃YS/常温YS≧0.4の関係を満たす高温強
度を確保し、且つ優れた溶接性(Y割れ停止温度0℃以
下)を満足する生産原価の低い鋼およびその製造方法を
提供することができ、産業上極めて有用である。
Claims (7)
- 【請求項1】 質量%で、C:0.01〜0.13%、
Si:0.01〜0.5%、Mn:0.01〜0.5
%、Mo:0.3〜1.3%、Ti:0.03〜0.1
%、sol.Al:0.003〜0.07%、N:0.
01%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物
からなることを特徴とする高温耐火特性および溶接性に
優れた建築用耐火鋼材。 - 【請求項2】 Mo、TiおよびMnの含有量が、質量
%で、(Mo+Ti)/Mn≧1を満足することを特徴
とする請求項1記載の建築用耐火鋼材。 - 【請求項3】 鋼成分として、質量%で、V:0.01
〜0.10%、Nb:0.005〜0.10%、Cr:
0.03〜0.5%、Cu:0.03〜0.5%、N
i:0.03〜0.5%、Ca:0.0005〜0.0
05%、Mg:0.0005〜0.005%、REM:
0.0005〜0.02%からなる群より選択される1
種または2種以上をさらに含有することを特徴とする請
求項1または2のいずれか一方に記載の建築用耐火鋼
材。 - 【請求項4】 650℃から700℃の温度範囲に10
分から30分加熱保持した後に室温まで冷却したときの
硬さが、ビッカース硬度Hv10で、加熱前よりも10
以上高いことを特徴とする請求項1ないし3のうちのい
ずれか1項に記載の建築用耐火鋼材。 - 【請求項5】 650℃から700℃の温度範囲に10
分から30分加熱保持したときに析出するTi−Mo系
炭化物またはTi−Mo−V系炭化物の析出量が、下記
(1)式で定義される炭化物炭素当量値で50ppm以
上であることを特徴とする請求項1ないし4のうちのい
ずれか1項に記載の建築用耐火鋼材。 Δ[CasTiC]+Δ[CasMoC]+Δ[CasVC]…(1) ここで、 Δ[CasTiC]=12/48×{(高温保持後のT
i析出量)−(高温保持前のTi析出量)} Δ[CasMoC]=12/96×{(高温保持後のM
o析出量)−(高温保持前のMo析出量)} Δ[CasVC]=12/51×{(高温保持後のV析
出量)−(高温保持前のV析出量)} 但し、V無添加の場合は、Δ[CasVC]=0 - 【請求項6】 前記Ti−Mo系炭化物またはTi−M
o−V系炭化物の析出量が、さらに下記(2)式を満足
することを特徴とする請求項5に記載の建築用耐火鋼
材。 0.9≦Δ[CasMoC]/(Δ[CasTiC]+Δ[CasVC])≦2 .0…(2) 但し、V無添加の場合は、Δ[CasVC]=0 - 【請求項7】 請求項1ないし3のうちのいずれか1項
に記載の組成を有する鋼を1000℃以上に加熱した
後、圧延終了温度を800℃から1000℃までの範囲
とする熱間圧延を行うことを特徴とする高温耐火特性お
よび溶接性に優れた490N/mm2級建築用耐火鋼材
の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002342732A JP4085795B2 (ja) | 2001-11-26 | 2002-11-26 | 建築用耐火鋼材およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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