JP2005290397A

JP2005290397A - 鉄系形状記憶合金を用いた鋼構造物等における鉄骨接合法

Info

Publication number: JP2005290397A
Application number: JP2004102595A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Ogawa; 孝寿小川; Atsumichi Kushibe; 淳道櫛部; Akira Umekuni; 章梅国; Masahiko Tono; 雅彦東野; Tadahiro Kakizawa; 忠弘柿沢; Masao Kojima; 正朗小島; Hirofumi Kaneko; 洋文金子; Toru Usami; 徹宇佐美; Takahiro Sawaguchi; 孝宏澤口; Takehiko Kikuchi; 武丕児菊池
Original assignee: National Institute for Materials Science; Takenaka Komuten Co Ltd
Current assignee: National Institute for Materials Science; Takenaka Komuten Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】特定の鉄系形状記憶合金を用いた理想的な鋼構造物等における鉄骨接合法を提供する。
【解決手段】特定の鉄系形状記憶合金を用いて室温下での僅かな歪付与でかつ低温での形状回復作業で高能率、高精度な接合を実現した。
【選択図】図７

Description

本発明は、鋼構造物等における鉄骨接合法、詳しくは、従来の形状記憶合金に比べて著しく形状回復能に優れ、安価で高強度を有する鉄系形状記憶合金で製したビスまたはリベットまたはボルト体等を、鉄骨の柱−柱、柱−梁の接合、またはプレート同志等の接合の接合媒体として介装させ、その優れた形状記憶合金の形状回復作用により強固な接合を実現するとした鉄系形状記憶合金を用いた鋼構造物等における鉄骨接合法に関する。

鋼構造物等の接合にあっては、ネジ、ボルト類では、ネジ類自体の加工も含めて、部品や構造物自体にも加工を施さねばならず工作上の工程の省略にさらに改善の余地があり、さらに機械的振動によって生ずるネジ・ボルトの締め付け力のゆるみは、特殊な手段を用いない限り、完全に阻止することはなかなか難しい。かかる事情から、特に、現場鉄骨接合にあっては、溶接が主流である。

しかし、溶接にあっては、その材料の一部を溶融点以上にまで加熱して再度凝固させるという特徴を有しているために、例えば、鋼などのように、各種熱処理により特性を付与された材料は、溶接部ではその特性を失うことになり、溶接われ及びじん性劣化などの問題点を生ずるようになる。
そこで、接合部の品質を向上させたり、溶接施工を省力化して工期短縮とコストダウンを図るために、溶接に替わる現場鉄骨接合技術の開発が強く望まれ、従来からニッケル−チタン合金や銅合金製の形状記憶合金継手の形状回復作用を利用したものが多く提案されているが、いずれの場合も、下記のような問題点があり、構造材料の接合としては実用化されていない。
ａ）材料高価であること、形状回復力や合金の強度が小さいので大きな力がかかる構造材料の接合には使えないこと。
ｂ）わずかな温度変化により形状が変化する（変態／逆変態温度が接近している）ため締結しても温度が変化すると歪みが生じること。
ｃ）これらの非鉄合金が鉄骨と接触すると異種金属接触腐食が生じること。

上記の材料高価、異種金属接触腐食のネックを解消したものとして、Ｆｅ−２０％ＭｎをベースにＣ、Ｓｉ、Ａｌを微量混入の鋼を用いたところの「部分的形状記憶効果を有する鋼を素材とする鋼構造物等に継手用部材を室温で予め加工して塑性変形歪を付与しておき、次いで該部材を継手の所定位置に組み込み固定したのち、前記鋼の変態点以上に加熱することを特徴とする鋼構造物等の継手の接合法。」の提案がある。
特許出願公告昭６２−９７６２号公報

形状記憶合金を用いて、現場接合をするについての作業性の評価は、種々の点に及び検討されるが、上記の特許文献１の場合にあっては、以下の難点が指摘される。

すなわち、その実施例１の記載からは、
ａ）用いている鋼が第１表よりＭｎ量２０％前後とされているが、この含有量からこのものではトレーニングが５回以上必要となり、非常に手間がかかると言う不利がある。
ｂ）同じく鋼の配合から、上記のトレーニングをしたにもかかわらず、形状回復、回復力が限定された程度のものとなる。
ｃ）鋼の変態温度（Ｍｓ）、逆変態温度（Ａｓ）が、公報の第１図中に現れているが、両表の差は小さい（Ｍｎ含有量からも推定可）。よって、温度の揺らぎにより形状変化が生じやすく、締結部の緩み、ガタツキを起こし易い。

また、実施例２の記載からは、形状記憶処理に８００℃に加熱することが必要とされているが、８００℃のような高温で合金を変形させる場合、合金の酸化を防ぐため、大気中でなく不活性ガス（例えば、窒素ガス、アルゴンガス）中で行うか、あるいは真空チャンバー中で行う必要があるが、量産設備では技術的に不可能なので、実際には大気中で圧延などで変形し、表面のスケールを除去（研磨、酸洗など）するので、寸法に誤差が生じる。
さらに、８００℃で所定のサイズに変形させたのち室温まで冷却させると熱膨張変化によりサイズが縮むので、寸法誤差が生じる。

本発明は、上記の如き従来の事情に鑑みなされたもので、より作業性に優れる鉄系形状記憶合金を用いた鋼構造物等における鉄骨接合法の提供を課題とする。

本発明は、Ｍｎ：１５〜４０重量％、Ｓｉ：３〜１５重量％、Ｃｒ：０〜２０重量％、Ｎｉ：０〜２０重量％、Ｎｂ：０．１〜１．５重量％、Ｃ：０．０１〜０．２重量％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物として、Ｃｕ：３重量％以下、Ｍｏ：２重量％以下、Ａｌ：１０重量％以下、Ｃｏ：３０重量％以下、Ｎ：５０００ｐｐｍ以下を含み、ＮｂとＣの原子比が、１．０〜１．２の範囲であって、室温、または、５００℃〜８００℃の温度範囲で５〜４０％加工したのち、４００℃〜８００℃の温度範囲でかつ１分〜２時間時効加熱処理することによりＮｂＣ炭化物を析出させたところのＮｂＣ添加Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金からなる、ビスまたはリベットまたはボルト体を、室温で４〜８％軸部の断面積を収縮させ、これを鋼構造物接合部材間に穿孔の孔に装着ののち、１００〜６００℃に加熱する形状回復作業にて、軸部の断面膨張または長さ収縮を生じさせ、鉄骨間の接合をするとしたものである。

その意義は、以下の通りである。すなわち、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金が提案、発明されて以来久しいが、その利用状況は、未だ充分に活用されているとは言えず、実用化段階に至っているとはいえない状況にあった。その最大の原因は、この合金はトレーニングといわれる特殊な加工熱処理をしなければ、十分な形状記憶効果を示さないことにあるものであった。ここにトレーニングとは、室温で２〜３％の変形を施した後、逆変態点以上の６００℃近傍で加熱するという処理を数回以上繰り返す形状記憶加工操作を指すものである。上記事情に鑑み、近年、本出願人のグループにいおいて鋭意研究した結果、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金にＮｂとＣ元素を少量添加し適当な時効熱処理により、微細なＮｂＣ炭化物を析出させることによって煩雑なトレーニング加工操作なしでも十分良好な形状記憶効果を示すことを見出し、本出願人は、特開２００１−２２６７４７号に特許出願をした。また、このＮｂＣ添加合金について、その加工熱処理手段を本出願人グループがさらに鋭意研究を進めた結果、このＮｂ、Ｃ添加のＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金は、これを５００〜８００℃の温度範囲で加工した後時効すると更に優れた形状記憶特性が得られることを発見し、これについても特開２００３−１０５４３８号、特開２００３−２７７８２７号に特許出願をした。

さらに、本出願人はこれで満足をせずに更に改善点を追求した。
つまり、５００〜８００℃という高温での加熱処理を要する点において依然として問題が残っており、そこに使い難さがあったことは否めないものであった。
これを極力低い温度での加工でも形状記憶特性を発現することができないものか、鋭意研究を重ねた結果、室温での加工でも形状記憶特性が顕著であり、充分に前示目的を達成することが出来ることを見出した。
すなわち、Ｎｂ、Ｃを添加してなるＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金を室温で加工し、次いで加熱時効処理してＮｂＣ炭化物を析出させるという基本的な操作を適用するだけで、その合金の形状記憶特性を発現できるという思いもよらない作用効果が奏せられることを見出したのである。
これを特願２００２−３６７０６２号に出願した。

この出願では、実施例にＦｅ−２８Ｍｎ−６Ｓｉ−５Ｃｒ−０．５３Ｎｂ−０．０６Ｃ合金（数値は、重量％）を溶製準備し、その得られた形状記憶合金の形状記憶特性が、室温で圧延加工後、４００〜１０００℃の温度範囲で１分〜２時間の加熱による時効処理を行うことによって形状記憶性がいかに改善されるかを示している。
すなわち、図１は、時効のみを施した場合（圧延率０％）と室温で１０％、２０％、３０％圧延した場合の形状回復率の違いを示したグラフである。時効処理は、いずれも８００℃で１０分間行った。比較のためにＮｂＣを添加していないＦｅ−２８Ｍｎ−６Ｓｉ−５Ｃｒ合金について、焼鈍したままの試料と５回トレーニングした試料の結果も示してある。横軸は室温における引っ張り変形による変形量（％）であり、縦軸の形状回復率（％）は試料を６００℃に加熱した場合の伸びの回復率である。４００℃まで加熱した場合もこれとほぼ同一の形状回復率が得られる。この実験において用いた試料片は、厚さ０．６ｍｍ、幅１〜４ｍｍ、長さ（ゲージ長）１５ｍｍに調製した試験片を用いて行った。

この図からわかるように、１０％の圧延した試料はその形状記憶回復率は、５回トレーニングしたＮｂＣ無添加の合金と比べると、同程度かやや劣っている程度のものとなっている。実用的に必要な変形量は約４％であるが、この変形量においても約９０％の形状記憶回復率を示していることは、実用合金として使用可能なことを強く示唆している。これと同じ形状回復率をＮｂＣ無添加の通常のＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ基形状記憶合金で得るために少なくとも５回のトレーニングが必要であることを考えるとその作用効果は優れていると言える。圧延率が高くなり、２０％となると無加工（時効のみ）の場合と形状回復率は殆ど同じか少し良くなる程度である。さらに圧延率が３０％になると時効のみの場合よりも、初期歪みの大きいところでは逆に経常回復率が悪くなることを示している。

これに対して、実用上重要な形状記憶特性の一つである形状回復力は、図２に示す通り室温で２０％圧延、３０％圧延後、時効処理をした資料の方が著しく向上している。図２はその形状回復力向上の程度を時効のみの場合（圧延率０％）及び室温で１０％圧延後時効処理をした場合と比較して示しているものである。横軸の回復歪がゼロのときの回復力は、室温で引っ張り変形した後そのまま両端を固定して逆変態温度以上に加熱し、その後再び室温に戻したときの発生応力を意味する。また、回復歪が例えば２％のときの回復力は、歪が２％回復した後に両端を固定して測定した発生応力を意味するものである。室温で与えた初期の歪は４〜６％で試験を行った。なお、その際用いた試験片は、第１図の結果を得るのに用いたものと同一の試料を用いた。なお、図２において、横軸の回復歪は、実用例でいえば、パイプの締結部品に使用した場合には、パイプと締結部品（形状記憶合金）との許容されるクリーアランスの程度を直径に対する割合（％）で表わしたものと対応する。この形状回復力は圧延率が高いところで著しく向上している。室温での圧延率が２０〜３０％ではその回復歪が０％のところで３１０ＭＰａ、２％の回復歪でも２００ＭＰａの回復力が得られる。また、１０％の圧延率の場合でも、トレーニングした場合と全く同じの形状回復力が得られることが分かった。すなわち、この図の結果から圧延率０％、圧延率１０％に比し、高圧延率（２０％、３０％）の場合は形状回復力が著しい増大がみられることが理解される。なお、図２には比較のため、ＮｂＣ無添加の溶体化試料及び５回トレーニングした試料の形状回復力を示したが、その回復力は本発明の態様によるものに比してかなり小さいことが分かった。

以上述べたように、この出願の発明では、Ｎｂ、Ｃを添加してなる特定の組成を有するＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金に対して、時効処理に先立って行われる加工処理を、特定の加工率の範囲であれば、室温で加工処理することによって可能とすることに初めて成功したものである。

つまり、上記特定合金の採用でもって、先ずは、室温で形状記憶特性の発現ができる利点を享受することとなるが、その他１回のトレーニングで形状記憶加工操作が済み得る利点、大なる形状回復量、形状回復力を享受し得る利点、形状記憶処理が室温で歪４〜８％の付与で済み得る利点等をも享受する。
本発明にあっては、この最終の室温加工以前の温間圧延であっても優位は損なわれることがない。
つまり、本発明ではたとえ温間圧延であっても、トレーニングよりも工程数がはるかに少なくて済むこと、トレーニングの場合、目的とする形状回復歪の方向とトレーニング処理中の加工の方向が一致しなければならないため最終製品の形状が制限されるが、そのように方位伝存性がない。

しかして、本発明にあっては、以下の効果を奏する。
（１）鉄系形状記憶合金継手、鉄骨加工（穴あけ加工など）は工場加工できるので、これと前述の本発明の利点（優れた回復力）とが結ばれるために、高精度の現場接合ができ、構造物全体の品質が安定化する。
（２）溶接施工に比し、溶接施工と溶接管理の手間が省けるので、省力化によるコストダウンと工期短縮が可能となると共に、前記特許文献１に比し、変態逆変態温度差（Ｍｎ２８％のものにあっては、変態温度―２０℃以下、逆変態温度２００℃以上）が大きく、温度の揺らぎによる形状変化がない。

本発明が採用の上記の出願人開発の鉄系形状記憶合金でもって製する継手材料の軸部の断面形状が丸または四角またはＣ型等のビスまたはリベットまたはボルトの形状を有したもので、室温で歪４〜８％を付与するところの軸部の断面を収縮させたりまたは長さを伸展させるケースとしてのロッドの形状の特徴と期待される用途を図３の（１）〜（３）に示す。

用途の実例は、図４の（１）〜（３）に示される。
図中（１）は図３の（１）に該当し、本発明採用の鉄系形状記憶合金でボルト体１本を作り、スエージングで円周方向から圧縮力を加えたものを、鉄骨柱２，２間のスプライスプレート３の締結ボルトとして使用して、形状回復（膨張）でガタ付き無しの究極の締結を実現しようとする。ちなみに、この用途での性能テストは以下の通りのものとなった。
すなわち、図５ａ，ｂに示す如く、平行部の板厚２０、板幅１５０ｍｍのスプライスプレート３（材質：ＳＮ４９０鋼）２枚を介して鋼板同士を組合せた試験体を準備し、スプライスプレート３及び鋼板にそれぞれに直径２７ｍｍのボルト穴を加工精度直径２７ｍｍ±１ｍｍ、計４箇所ずつ開けた。加熱温度による径方向の形状回復量が図６に示すような特性を有する鉄系形状記憶合金リベット１′（軸部の直径２９ｍｍ）を作製し、室温にて２０％の引張歪を付与して軸径を約直径２５ｍｍまで細くした。スプライスプレート３と鋼板の穴の位置を合わせ、そこに細くしたリベット１′を差込み、リベット１′を約３００℃に加熱して、リベットの軸部を形状回復（膨張）させ、強固に締結させた。このようにして作製した継手試験体を用いて引張試験を行い、破断強度と破断位置を調べた。破断４は鋼板の平行部で生じ、破断荷重は１６８ｋＮであった。なお、リベット１′接合部は健全であり、本発明の高強度継手の効果が確認された。究極のせん断能が得られる。

図４中（２）は、図３の（２）に該当し、柱５と鉄骨梁６，６との取り合いを支圧力と摩擦力とでもってなし遂げようとするものである。強力な締付け力を前提としている。ボルト体７に単軸引張に伴う垂直断面の圧縮変形を加えたもの（ネジ加工は後工程で施す）を鉄骨梁６の端板６′間に架配し、ナット８で締結し、しかる後に形状回復をさせる。ボルト孔の削孔精度が不可欠となる。

図４中（３）は、図３中の（３）に該当し、Ｃ型ロッド９に圧縮（曲げ変形）を加え、これをプレート１０，１０間のハト目結合に利用するものである。中実でないので軽量化が期し得る。

前記した図４の（１）〜（３）に示した鉄骨接合を本発明採用のＭｎ：１５〜４０重量％、Ｓｉ：３〜１５重量％、Ｃｒ：０〜２０重量％、Ｎｉ：０〜２０重量％、Ｎｂ：０．１〜１．５重量％、Ｃ：０．０１〜０．２重量％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物として、Ｃｕ：３重量％以下、Ｍｏ：２重量％以下、Ａｌ：１０重量％以下、Ｃｏ：３０重量％以下、Ｎ：５０００ｐｐｍ以下を含み、ＮｂとＣの原子比が、１．０〜１．２の範囲であって、室温、または、５００℃〜８００℃の温度範囲で５〜４０％加工したのち、４００℃〜８００℃の温度範囲でかつ１分〜２時間時効加熱処理することによりＮｂＣ炭化物を析出させたところのＮｂＣ添加Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金よりなるビスまたはリベットまたはボルト体を、（溶解）−（鍛造・圧延・スエージング等による丸ビレット化）−（９００℃〜１４００℃での均一化熱処理）−（室温または５００〜８００℃、５〜４０％加工）−（４００〜１０００℃、１分〜２時間時効加熱処理）−（室温下、４〜８％の軸断面圧縮）−（旋盤、酸洗等によるボルト体成型及びスケール除去）の工程で一貫製造するとしたところの一連の鉄骨接合工程を図７〜１１に示す。各図中の「（１）主な製造工程」、「（２）その他の製造工程」中の「形状変形処理」の工程は、本発明以外の合金を用いる場合は、室温で歪みを与えたのち８００℃に加熱するトレーニング工程が最低５回必要である。

本発明は、鋼構造物等における鉄骨接合において、溶接以上の効果を溶接の不具合を全く解消して提供するものとなるので、当該分野における作業性向上に寄与する。

本発明採用合金の物性説明図である。本発明採用合金の物性説明図である。（１）〜（３）鉄骨接合において好適なロッドの形状とその用途の説明図である。（１）〜（３）は図３の用途の実例の説明図である。ａ，ｂは本発明接合のテスト説明図である。図５において用いた試料の物性説明図である。本発明の一連の工程説明図である。本発明の一連の工程説明図である。本発明の一連の工程説明図である。図８と図９の組み合わせた接合法を示す本発明の一連の工程説明図である。図８と図９の組み合わせた接合法を示す本発明の一連の工程説明図である。

符号の説明

１′ リベット
２鉄骨柱
３スプライスプレート
４破断
５柱
６鉄骨梁
７ボルト体
８ナット
９Ｃ型ロッド
１０プレート

Claims

Ｍｎ：１５〜４０重量％、Ｓｉ：３〜１５重量％、Ｃｒ：０〜２０重量％、Ｎｉ：０〜２０重量％、Ｎｂ：０．１〜１．５重量％、Ｃ：０．０１〜０．２重量％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物として、Ｃｕ：３重量％以下、Ｍｏ：２重量％以下、Ａｌ：１０重量％以下、Ｃｏ：３０重量％以下、Ｎ：５０００ｐｐｍ以下を含み、ＮｂとＣの原子比が、１．０〜１．２の範囲であって、室温、または、５００℃〜８００℃の温度範囲で５〜４０％加工したのち、４００℃〜８００℃の温度範囲でかつ１分〜２時間時効加熱処理することによりＮｂＣ炭化物を析出させたところのＮｂＣ添加Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金からなる、ビスまたはリベットまたはボルト体を、室温で４〜８％軸部の断面積を収縮させ、これを鋼構造物接合部材間に穿孔の孔に装着ののち、１００〜６００℃に加熱する形状回復作業にて、軸部の断面膨張または長さ収縮を生じさせ、鉄骨間の接合をするとした鋼構造物等における鉄骨接合方法。
ＮｂＣ添加Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金よりなるビスまたはリベットまたはボルト体の断面形状が、丸または四角またはＣ型であることを特徴とする請求項１記載の鉄骨接合方法。
ＮｂＣ添加Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金よりなるビスまたはリベットまたはボルト体の軸部断面積の収縮が、スエージングまたは孔型圧延または軸方向の引張変形によってなされることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鉄骨接合方法。
ＮｂＣ添加Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金よりなるボルト体を、鉄骨間のスプライスプレートの締結ボルトとして施工することを特徴とする、請求項１乃至３記載の鉄骨接合方法。
ＮｂＣ添加Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金よりなるボルト体を、柱と鉄骨梁との取り合いを支圧力と摩擦力とで達成する締結ボルトへ施工することを特徴とする、請求項１乃至３記載の鉄骨接合方法。
ＮｂＣ添加Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金よりなるＣ型リベット若しくはＣ型リベットとボルト体を、プレート間の締結ボルトへ施工することを特徴とする、請求項１乃至３記載の鉄骨接合方法。
請求項１乃至３で特定されたＮｂＣ添加Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金よりなるビスまたはリベットまたはボルト体を、（溶解）−（鍛造・圧延・スエージング等による丸ビレット化）−（９００℃―１４００℃での均一化熱処理）−（室温または５００〜８００℃、５〜４０％加工）−（４００〜１０００℃、１分〜２時間時効加熱処理）−（室温下、４〜８％の軸断面圧縮）−（旋盤、酸洗等によるボルト体成型及びスケール除去）の工程で製造するとした、ＮｂＣ添加Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金からなるビスまたはリベットまたはボルト体の一貫製造方法。