JP2011202209A - 耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温強度を高める合金元素Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｂの含有量を制限し、かつ、十分な耐火性能及び低温靭性を有する耐火鋼材、即ち、耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材並びにその製造方法を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．００２〜０．０５０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５０〜２．００％、Ｍｏ：０．０５％以上、０．２０％未満、Ｂ：０．０００３〜０．００３０％、Ｎ：０．００１０〜０．０１００％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、Ａｌ：０．００２〜０．１００％を含有し、更に、Ｐ、Ｓ、Ｏの各々の含有量を、Ｐ＜０．０２００％、Ｓ＜０．０１００％、Ｏ＜０．０１００％に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｍｏ及びＢの含有量［質量％］が、Ｍｏ／Ｂ≦２８６を満足することを特徴とする耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼構造物、特に建築用構造物に使用され、火災に曝された場合に、６００℃において高い降伏強度を有し、同時に、溶接熱影響部の耐ＳＲ（Ｓｔｒｅｓｓ Ｒｅｌｉｅｆ）割れ性（耐再熱脆化性）に優れ、かつ低温靭性にも優れた耐火鋼材及びその製造方法に関する。

近年、建築構造物に使用される鋼材には、高温強度に優れた、いわゆる「耐火鋼」の特性（耐火性能）を有することが求められるようになってきた。これは、環境問題等を考慮して鋼材を耐火被覆無しで用いる、「新耐火設計法」に基づいて国土交通省が取り決めている特性であり、国土交通省告示３３３号（２００４年）に基づく性能に準ずるものである。

耐火性能とは、被覆のない状態で鋼材が火災等に曝された際、ある一定の時間、鋼材が必要とする強度を発揮し続けることである。鋼材の耐火性能を向上させることにより、建築構造物等の倒壊を防止することができる。特に、鋼材に耐火被覆を設けない場合、火災の規模や環境温度等は種々想定されることから、構造物の強度を支える鋼材には、高温強度を可能な限り高くすることが要求される。

従来より、高温強度に寄与する、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｃｕなどの合金と、Ｂを添加した耐火鋼が提案されている（例えば、特許文献１〜５、参照）。しかし、合金元素を多量に添加すると、鋼材を溶接した場合、溶接熱影響部（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ、ＨＡＺという。）が高温に曝されると、著しく脆化するという問題がある。高温でのＨＡＺの脆化は、高温変形時の延性を損なう現象で再熱脆化と呼ばれる。

また、鋼材を建築構造物に適用するには、母材及びＨＡＺの低温靭性も要求される。特に、近年、建築物の大型化及び高層化や溶接効率の向上のため、厚鋼材の使用や高入熱溶接の適用が増加しつつある。したがって、鋼材が厚くなり、また、溶接入熱が高くなった場合でも、十分な耐震性を獲得するために、母材及びＨＡＺの低温靱性を高める必要がある。

特開平０８−１４３９５６号公報 特開平０９−１３７２１８号公報 特開平１１−２７９６８３号公報 特開２００７−０５１３２１号公報 特開２００７−１９１７４６号公報

従来の耐火鋼材は、高温強度を得るために、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｂなどを添加しており、合金コストが高い。また、これらの元素を過剰に添加すると、熱間圧延の変形抵抗が高くなり、製造性を損ない、析出物に起因して、母材やＨＡＺの低温靭性が低下することがある。更に、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂは炭化物を形成する元素であり、Ｃｕも加熱によって鋼中に析出する元素であるため、これらの添加量が増えると、高温に曝される時間が長くなった場合に、延性が低下することがある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、高温強度を高める合金元素の含有量を制限し、かつ、十分な耐火性能及び低温靭性を有する耐火鋼材、即ち、耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材並びにその製造方法を提供するものである。なお、本発明では、高温強度を６００℃における耐力、耐再熱脆化性を６００℃で１時間保持されたＨＡＺの絞り値、低温靭性を０℃におけるシャルピー吸収エネルギーで評価する。

本発明者らは、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｂなど、従来、高温強度の向上に利用されていた元素を多量に添加することなく、製造性や低温靭性を維持し、効果的に高温強度を高めるために検討を行った。その結果、Ｍｏ及びＢの複合添加が有効であり、更に、高温強度を確保しつつ、６００℃で１時間保持された際の再熱脆化を抑制するためには、ＭｏとＢの含有量の比Ｍｏ／Ｂの制限が必要であることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１） 質量％で、
Ｃ ：０．００２％以上、０．０５０％以下、
Ｓｉ：０．０１％以上、０．５０％以下、
Ｍｎ：０．５０％以上、２．００％以下、
Ｍｏ：０．０５％以上、０．２０％未満、
Ｂ ：０．０００３％以上、０．００３０％以下、
Ｎ ：０．００１０％以上、０．０１００％以下、
Ｔｉ：０．００５％以上、０．０３０％以下、
Ａｌ：０．００２％以上、０．１００％以下
を含有し、更に、Ｐ、Ｓ、Ｏの各々の含有量を、
Ｐ ：０．０２００％未満、
Ｓ ：０．０１００％未満、
Ｏ ：０．０１００％未満
に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｍｏ及びＢの含有量［質量％］が、下記（式１）を満足することを特徴とする耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材。
Ｍｏ／Ｂ≦２８６ ・・・ （式１）

（２） 更に、質量％で、
Ｃｕ：０．３０％以下、
Ｎｉ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．０２０％未満、
の１種又は２種以上を含有し、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｂの含有量［質量％］が、下記（式２）を満足することを特徴とする上記（１）に記載の耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材。
（Ｍｏ＋１．６Ｃｕ＋１．３Ｎｉ＋８．５Ｎｂ）／Ｂ≦２８６ ・・・ （式２）

（３） 更に、質量％で、
Ｖ ：０．２０％以下、
Ｚｒ：０．１０％以下、
Ｃｒ：０．２０％以下、
Ｗ ：０．３０％以下
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材。

（４） 更に、質量％で、
Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｙ ：０．００１〜０．０５０％、
Ｌａ：０．００１〜０．０５０％、
Ｃｅ：０．００１〜０．０５０％
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材。

（５） 更に、下記（式３）によって求められるＣeqが０．２０〜０．４０であり、下記（式４）によって求められるＰcmが０．０５〜０．２０であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材。
Ｃeq＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５・・・（式３）
Ｐcm＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５
＋Ｖ／１０＋５Ｂ ・・・（式４）
ここで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、及び、Ｂは、各元素の含有量
［質量％］である。

（６） 上記（１）〜５の何れか１項に記載の鋼成分を有する鋼片を、１１００℃以上１３００℃以下の温度に加熱し、仕上温度を８００℃以上として熱間圧延を行い、その後、放冷することを特徴とする耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材の製造方法。

（７） 更に、４００℃以上６５０℃未満の温度範囲で、５分以上３６０分以内の焼戻し熱処理を行うことを特徴とする上記（６）に記載の耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材の製造方法。

本発明によれば、耐火性能に優れ、特に、６００℃における耐力が、室温における耐力の２／３以上であり、耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材並びにその製造方法を提供することが可能になり、また、熱間圧延時の変形抵抗が抑制され、生産性に優れた耐火鋼材の提供が可能となるなど、産業上の貢献が極めて顕著である。

Ｍｏ及びＢの含有量の比と耐再熱脆化性との関係を示す図である。 Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｂの含有量の関係式と耐再熱脆化性との関係を示す図である。

本発明者らは、まず、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗなどの合金元素を添加することなく、高温強度を高め、耐再熱脆化性を確保する方法について検討を行った。鋼材の高温強度は、常温での強化機構と同様、固溶強化、析出強化、転位密度の増加によって向上する。Ｃは強度の向上に極めて有効な元素であるが、耐火鋼材では、炭化物が多量に析出すると母材やＨＡＺの低温靭性を損ない、再熱脆化が顕著になるため、Ｃを多量に添加することができない。本発明者らの検討により、再熱脆化を防止するためには、Ｃ量の上限を０．０５質量％以下にする必要があることがわかった。

また、Ｍｏは、固溶強化に寄与する元素として知られているが、高温強度の向上にはＭｏ炭化物による析出強化を活用している。一方、Ｍｏを過剰に添加すると、耐再熱脆化性が低下するため、適正なＭｏ量の上限は０．２０質量％未満であることがわかった。更に、本発明者らは、Ｍｏ炭化物の析出を抑制しつつ、高温強度を獲得するために、Ｂに注目した。即ち、ＢとＭｏとを同時に添加すれば、熱間圧延後に加速冷却を行うことなく、ベイナイトやアシキュラーフェライトなど、転位密度が高い組織を生成させることが可能であり、高温強度を確保できると考えた。

Ｂ及びＭｏを同時に添加すると焼入れ性が著しく向上し、Ｂを添加すれば、Ｍｏの添加量を抑制しても、高温強度の確保が可能であることがわかった。したがって、耐火鋼材の高温強度を確保するためにはＢの添加が有効であり、一方、耐火鋼材の再熱脆化特性を確保するためにはＭｏ量の抑制が必要である。そこで、本発明者らは、ＭｏとＢの含有量［質量％］の比Ｍｏ／Ｂを適正な範囲にする必要があると考え、Ｍｏ／Ｂと耐再熱脆化特性との関係について検討を行った。

図１は、Ｍｏ／Ｂと、耐再熱脆化性との関係を示す図である。図１の縦軸は、Ｍｏ及びＢの含有量を変化させた鋼材から試験片を採取し、再現ＨＡＺ熱サイクルを与え、ＳＲ絞り試験を行った際の絞り値である。再現ＨＡＺ熱サイクルは、具体的には、溶接入熱２ｋＪ／ｍｍを想定し、昇温速度を１００℃／ｓに設定して１４００℃に加熱し、２ｓ保持した後、８００℃から５００℃までの温度域を１６ｓで冷却する熱処理である。ＳＲ絞り試験は、再現ＨＡＺ熱サイクルを与えた試験片を、直ちに、室温から火災想定温度である６００℃に１℃／ｓで昇温し、１時間保持した後、引張応力を負荷して破断させ、絞り値（ＳＲ絞り値）を測定する試験方法である。本発明者らは、研究開発の過程で、この試験が溶接熱影響部（ＨＡＺ）の高温延性の評価に適していることを確認した。

図１に示したように、Ｍｏ／Ｂが２８６以下になると、ＳＲ絞り値が３０％以上になり、耐再熱脆化性が良好である。即ち、Ｂの含有量に対して、相対的にＭｏの含有量を低下させた場合に、耐再熱脆化性を確保することができる。この理由は明確ではないが、ＭｏとＢを同時に含有する粒界析出物、例えば、（Ｆｅ，Ｍｏ）_２３（Ｃ，Ｂ）_６などの生成が抑制され、再熱割れが抑制できるものと推定している。

次に、焼入れ性の向上のため、選択的に添加する、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗの含有量について検討を行った。特に、Ｃｕ及びＮｉを過剰に添加すると、高温で保持した際にＨＡＺの粒界が局所的に変態して耐再熱脆化性を損なう。また、Ｎｂは、特に、Ｃの添加量が多い場合、粒界に炭化物を生成して、耐再熱脆化性が著しく低下する。そこで、本発明者らは、Ｍｏ、Ｂ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＮｂの含有量を適正な範囲にする必要があると考え、耐再熱脆化特性に及ぼす影響について検討を行った。

図２は、（Ｍｏ＋１．６Ｃｕ＋１．３Ｎｉ＋８．５Ｎｂ）／Ｂと、耐再熱脆化性との関係を示す図である。図２の縦軸は、図１と同様、ＳＲ絞り値である。図２に示したように、Ｂ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂの含有量［質量％］が、
（Ｍｏ＋１．６Ｃｕ＋１．３Ｎｉ＋８．５Ｎｂ）／Ｂ≦２８６
を満足すると、ＳＲ絞り値が３０％以上になり、耐再熱脆化性が良好である。即ち、焼入れ性を高めるために、選択的に合金を添加する場合は、Ｍｏ／Ｂに加え、Ｂ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂの含有量を上記の関係にする必要がある。

以下、本発明の耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材について説明する。まず、化学成分について説明する。なお、以下の説明において、各元素の添加量は全て質量％で表す。

Ｃ：０．００２％以上、０．０５０％以下
Ｃは、鋼材の強度の向上に有効な元素であり、室温及び高温での強度を確保するため、０．００２％以上を添加する。Ｃ量の好ましい下限値は０．００５％以上であり、更に好ましくは０．０１０％以上を添加する。Ｃは、６００℃で安定な炭化物を析出させ、高温強度の確保に寄与するものの、０．０５０％超を添加すると、母材やＨＡＺの低温靭性、耐再熱脆化性が低下するため、上限を０．０５０％以下とする。Ｃ量の好ましい上限は、０．０４５％以下であり、更に好ましくは０．０４０％以下とする。

Ｓｉ：０．０１％以上、０．５０％以下
Ｓｉは、脱酸元素であるとともに、焼入れ性の向上にも寄与する元素であり、０．０１％以上を添加する。Ｓｉ量の好ましい下限は、０．０５％以上であり、０．１０％以上の添加が更に好ましい。一方、Ｓｉを過剰に添加した場合、ＨＡＺに残留オーステナイトが生成し、低温靭性が低下するため、上限を０．５０％以下とする。Ｓｉ量の好ましい上限は、０．４５％以下であり、０．４０％以下が更に好ましい。

Ｍｎ：０．５０％以上、２．００％以下
Ｍｎは、焼入れ性の向上に寄与する元素であり、強度及び靭性を向上させるために０．５０％以上を添加する。高温強度を高めるには、０．８０％以上のＭｎを添加することが好ましい。Ｍｎ量のより好ましい下限は、１．００％以上である。一方、２．００％を超えてＭｎを添加すると、Ａｃ_１変態点が低下し、６００℃に再熱された際にＨＡＺの粒界がオーステナイトに変態し、耐再熱脆化性を損なう。Ｍｎ量の上限は、１．８０％以下が好ましく、１．７０％以下が更に好ましい。

Ｍｏ：０．０５％以上、０．２０％未満
Ｍｏは、Ｂと同時に添加することによって、焼入れ性を顕著に高める元素である。また、Ｍｏは炭化物を形成する元素であり、高温強度を確保するために、０．０５％以上を添加する。Ｍｏ量の好ましい下限は、０．０８％以上である。一方、過剰に添加すると、６００℃程度の高温に加熱された際に、炭化物が粗大化し、耐再熱脆化性が低下するため、上限を０．２０％未満とする。Ｍｏ量の好ましい上限は、０．１５％以下である。

Ｂ：０．０００３％以上、０．００３０％以下
Ｂは、微量の添加で焼入れ性を上昇させる元素であり、特に、Ｍｏと同時に添加すると、著しく焼入れ性が向上する。効果を得るには、０．０００３％以上のＢを添加することが必要である。アシキュラーフェライトやベイナイトなど、転位密度が高い組織の生成を促進し、高温強度を高めるには、０．０００５％以上のＢを添加することが好ましい。一方、Ｂ量が、０．００３０％を超えると、ＨＡＺにＢの窒化物が析出し、耐再熱脆化特性を損なうため、上限を０．００３０％以下とする。Ｂ量の好ましい上限は０．００２０％以下であり、０．００１５％以下が更に好ましい。

Ｎ：０．００１０％以上、０．０１００％以下
Ｎは、窒化物を生成する元素であり、鋼材の組織を微細化し、低温靭性、特にＨＡＺの低温靭性を高めるために、含有量の下限を０．００１０％以上とする。一方、Ｎを過剰に添加すると、窒化物が粗大化し、低温靭性、特にＨＡＺの低温靭性を損なうため、上限を０．０１００％以下とする。また、Ｎ量が多い場合、ＨＡＺにＢの窒化物が生成し、耐再熱脆化性を損なうことがあるため、Ｎ量の上限を０．００８０％以下にすることが好ましい。Ｎ量の更に好ましい上限は、０．００７０％以下である。

Ｔｉ：０．００５％以上、０．０３０％以下
Ｔｉは、炭化物及び窒化物を形成する元素であり、鋼材の組織を微細化し、低温靭性、特にＨＡＺの低温靭性を向上させるために、０．００５％以上を添加する。Ｔｉ量の下限は、０．０１０％以上が好ましい。一方、Ｔｉを過剰に添加すると、粗大な炭化物や窒化物が生成し、低温靭性や耐再熱脆化性を損なうため、上限を０．０３０％以下とする。Ｔｉ量の上限は、０．０２５％以下が好ましく、０．０２０％以下がより好ましい。

Ａｌ：０．００２％以上、０．１００％以下
Ａｌは、鋼材の脱酸に必要な元素であり、０．００２％以上を添加する。Ａｌ量の下限値は、０．００５％以上が好ましい。一方、Ａｌ含有量が０．１００％を超えると、粗大な酸化物クラスターを形成し、鋼材の低温靱性を損なう場合があり、上限値を０．１００％以下とする。Ａｌ量の上限は、０．０５０％以下が好ましい。

Ｐ：０．０２００％未満
Ｓ：０．０１００％未満
Ｏ：０．０１００％未満
Ｐ、Ｓ、Ｏは、不純物であり、過剰に含有すると、母材及びＨＡＺの低温靭性に影響を及ぼし、耐再熱脆化性が低下を損なうため、それぞれ、０．０２００％未満、０．０１００％未満、０．０１００％未満に制限する。Ｐ、Ｓ、Ｏの好ましい上限は、０．０１５％以下、０．００８％以下、０．００３％以下である。Ｐ、Ｓ、Ｏの含有量は、少ないほど好ましいため下限を規定しないが、工業的には不可避的に、それぞれ、０．０００５％以上、０．０００１％以上、０．０００５％以上が含まれる。

Ｍｏ／Ｂ≦２８６
本発明は、耐再熱脆化性を確保するためにＭｏの添加量を抑制し、高温強度を高めるために、Ｂを添加するため、Ｂ量をＭｏ量に対して、相対的に高めることが必要である。本発明らは、（Ｍｏ／Ｂ）の上限を実験的に２８６以下と定めた。（Ｍｏ／Ｂ）の上限は、２５０以下が好ましく、２００以下がより好ましく、１５０以下が更に好ましく、１００以下が最適である。（Ｍｏ／Ｂ）の下限は、Ｍｏ量の下限とＢ量の上限によって決定される。

室温及び高温での強度を高めるため、焼入れ性の向上や析出強化に寄与する、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗの１種又は２種以上を添加してもよい。ただし、本発明では、コスト、製造性、低温靭性、耐再熱脆化性の観点から、これらの合金の添加量を抑制することが好ましい。

Ｃｕ：０．３０％以下
Ｃｕは、焼入れ性を高め、析出強化に寄与する元素であり、効果を得るために０．０１％以上を添加してもよい。しかし、Ｃｕを過剰に添加すると、析出物を生じて低温靭性や耐再熱脆化性を損なうため、Ｃｕを添加する場合は上限を０．３０％以下とする。また、Ｃｕを過剰に添加すると、ＨＡＺの粒界がオーステナイトに変態して、粒界強度が低下し、耐再熱脆化性を損なうことがある。

Ｎｉ：０．３０％以下
Ｎｉは、焼入れ性を向上させ、低温靭性の向上にも寄与する元素であり、効果を得るために０．０１％以上を添加してもよい。一方、Ｎｉを過剰に添加すると、ＨＡＺの粒界がオーステナイトに変態して、粒界強度が低下し、耐再熱脆化性を損なうため、Ｎｉを添加する場合は、上限を０．３０％以下とする。

Ｎｂ：０．０２０％未満
Ｎｂは、炭化物や窒化物を生成し、鋼材の組織の微細化による低温靭性の向上や、析出強化による強度の向上に寄与する。Ｎｂは、鋼材の焼入れ性を高める元素でもあり、効果を得るために０．００１％以上を添加してもよい。一方、Ｎｂの添加量が０．０２０％以上になると、ＨＡＺの粒界に粗大なＮｂＣが析出し、著しい再熱脆化を引き起こすため、Ｎｂを添加する場合は、上限を０．０２０％未満とする。Ｎｂ量は、０．０１０％以下が好ましく、０．００５０％以下が更に好ましい。なお、Ｎｂを添加する場合には、Ｃの含有量を０．０１０％以下に抑制することが好ましい。

Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂの１種又は２種以上を含有する場合は、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｂの含有量［質量％］が、下記（式２）を満足することが必要である。
（Ｍｏ＋１．６Ｃｕ＋１．３Ｎｉ＋８．５Ｎｂ）／Ｂ≦２８６ ・・・ （式２）
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂは、再熱脆化を引き起こす元素であるため、Ｍｏ／Ｂの限定に加えて、上記（式２）を満足することが必要である。｛（Ｍｏ＋１．６Ｃｕ＋１．３Ｎｉ＋８．５Ｎｂ）／Ｂ｝の上限は、（Ｍｏ／Ｂ）の上限と同様、実験的に２８６以下と定めた。｛（Ｍｏ＋１．６Ｃｕ＋１．３Ｎｉ＋８．５Ｎｂ）／Ｂ｝の上限は、２５０以下が好ましく、２００以下がより好ましく、１５０以下が更に好ましく、１００以下が最適である。

Ｖ：０．２０％以下
Ｖは、炭化物や窒化物を生成し、鋼材の低温靭性や強度の向上に寄与する元素である。Ｖは、鋼材の焼入れ性を高める元素でもあり、効果を得るために０．０１％以上を添加してもよい。一方、Ｖの添加量が０．２０％を超えると、耐再熱脆化性を損なうため、Ｖを添加する場合は、上限を０．２０％以下とする。

Ｚｒ：０．１０％以下
Ｚｒは、炭化物や窒化物を生成し、鋼材の組織の微細化による低温靭性の向上や、析出強化による強度の向上に寄与する元素であり、効果を得るために０．００１％以上を添加してもよい。一方、Ｚｒの添加量が０．１０％を超えると、析出物が粗大になり、特にＨＡＺの低温靭性を損なうため、Ｚｒを添加する場合は、上限を０．１０％以下とする。

Ｃｒ：０．２０％以下
Ｃｒは、鋼材の焼入れ性を高める元素であり、効果を得るために０．０１％以上を添加してもよい。一方、Ｃｒは、炭化物を生成する元素でもあり、過剰に添加すると、耐再熱脆化性を損なうため、Ｃｒを添加する場合は、上限を０．２０％以下とする。

Ｗ：０．３０％以下
Ｗは、鋼材の焼入れ性を高める元素であり、Ｂと同時に添加すると、Ｂの焼入れ性を著しく向上させる効果を有することから、０．０１％以上を添加してもよい。一方、Ｗを過剰に添加すると、粗大な金属間化合物が析出して耐再熱脆化性を損なうため、Ｗを添加する場合は上限を０．３０％以下とする。

更に、酸化物や硫化物など、介在物の形態を制御し、熱間加工性の改善や低温靭性の向上に寄与する元素であるＭｇ、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅの１種又は２種以上を添加してもよい。

Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％以下
Ｃａ：０．０００５〜０．００５％以下
Ｙ ：０．００１〜０．０５０％以下
Ｌａ：０．００１〜０．０５０％以下
Ｃｅ：０．００１〜０．０５０％以下
Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅは、強力な脱酸元素であり、微細な酸化物を生成して、ＨＡＺの粒径の粗大化の防止に有効である。また、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅは硫化物を生成する元素でもあり、圧延方向に延伸したＭｎＳの生成を抑制し、熱間加工性や低温靭性の向上に寄与する。これらの効果を得るために、Ｍｇ：０．０００５％以上、Ｃａ：０．０００５％以上、Ｙ：０．００１％以上、Ｌａ：０．００１％以上、Ｃｅ：０．００１％以上の１種又は２種以上を添加してもよい。一方、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅを、過剰に添加すると、粗大な酸化物を生成して低温靭性を損なうことがあるため、それぞれ、上限を、Ｍｇ：０．００５％以下、Ｃａ：０．００５％以下、Ｙ：０．０５０％以下、Ｌａ：０．０５０％以下、Ｃｅ：０．０５０％以下にすることが好ましい。低温靭性を確保するためには、それぞれ、上限を、Ｍｇ：０．００４％以下、Ｃａ：０．００４％以下、Ｙ：０．０４０％以下、Ｌａ：０．０４０％以下、Ｃｅ：０．０４０％以下にすることが好ましい。

更に、本発明では、焼入れ性を高めて、ラス状組織を内包するアシキュラーフェライト、ベイナイトなどの転位密度が高い組織の生成を促進し、室温強度及び高温強度を確保することから、炭素当量Ｃeqを０．２０〜０．４０とすることが好ましい。炭素当量Ｃeqのより好ましい範囲は、０．２２〜０．３８であり、０．２３〜０．３６が更に好ましい。炭素当量Ｃeqは、Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、及び、Ｖの含有量［質量％］から、下記（式３）によって計算される。

また、溶接性の観点から、溶接性指標Ｐcmを０．２０以下にすることが好ましい。溶接性指標Ｐcmの更に好ましい上限は、０．１５である。一方、溶接性指標Ｐcmを下げすぎると焼入れ性が不足することがあり、溶接性指標Ｐcmの下限値を０．０５以上にすることが好ましい。溶接性指標Ｐcmの更に好ましい下限は、０．１０である。溶接性指標Ｐcmは、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、及び、Ｂの含有量［質量％］から、下記（式４）によって計算される。
Ｃeq＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５・・・（式３）
Ｐcm＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５
＋Ｖ／１０＋５Ｂ ・・・（式４）
ここで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、及び、Ｂは、各元素の含有量
［質量％］である。このうち、選択的に含有される元素である、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖを意図的に添加しない場合は、上記（式３）及び（式４）においては、０として計算する。

本発明の耐火鋼材の鋼の金属組織は、成分組成や製造条件、特に、熱間圧延後の冷却速度に応じて、ポリゴナルなフェライトや、ラス状組織を内包するアシキュラーフェライト及びベイナイトが生じる。これらアシキュラーフェライト及びベイナイトは、転位密度が高く、室温強度だけでなく、高温強度の向上に有効である。ベイナイトは、粒内に炭化物が生成しているため、粒内の炭化物の有無によってベイナイトとアシキュラーフェライトとを判別することができる。

なお、本発明の耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材は、６００℃における高温耐力に優れる鋼材である。このような高温耐力は、鋼材の組成によって温度毎に変化する。例えば、７００℃以上の温度で高温耐力に優れた鋼材が、必ずしも７００℃未満の温度で高い高温耐力を発揮するわけではない。これは、材料が火災の環境に曝されたときに、予め合金成分として含有する炭化物等の析出（２次硬化と称される）が、どの温度域で生じるかによって高温耐力が大きく影響されるためである。本発明は、６００℃の高温耐力を獲得するための合金組成を新たに提案するものであり、他の温度域での高温耐力に優れた鋼材とは全く異なる設計思想に基づくものである。

また、本発明の耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材の強度の目標値は、室温での引張強度（ＴＳ）が４００〜５５０ＭＰａであり、室温での耐力（ＹＳ）が２３５ＭＰａ以上である。また、高温強度（高温耐力）は、６００℃での耐力の下限値が、室温の耐力の下限値２３５ＭＰａの２／３であること、即ち、１５７ＭＰａ以上を目標値とする。また、低温靭性については、０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが２７Ｊ以上であることが必要である。これらの機械特性及び高温特性の範囲及び下限値の基準は、必ずしも実際の工業規格に定められたものではなく、設計計算で推定される値であり、安全率を含んだ目安である。

耐再熱脆化性については、ＳＲ絞り値が３０％以上を目標の下限値とする。ＳＲ絞り値は６００℃でのＨＡＺの絞り値であり、ＨＡＺを含む試験片又は再現熱サイクルを施した試験片を用いて６００℃で引張試験を行い、評価する。ＳＲ絞り値の目標の下限値は、破断後の断面を電子顕微鏡観察し、その際に見られる不安定粒界破壊の破面が、全破面に占める割合の５０％となる時の絞り値として、３０％以上とした。すなわち、ＳＲ絞り値が３０％以上であれば、破断面の粒界破面率が５０％以下となり、高温延性が獲得できることを実験的に確認して決定した。

次に、本発明の耐再熱脆化性と低温靭性に優れた耐火鋼材の製造方法について説明する。耐火鋼材は、形状から厚鋼板とＨ形鋼に大別されるが、鋼片を加熱し、熱間圧延を行って、製造される。熱間圧延後に焼戻し熱処理を施してもよい。

鋼を溶製し、鋳造して鋼片とする。生産性の観点から、連続鋳造が好ましい。得られた鋼片は、熱間圧延によって鋼板又は形鋼に成形され、冷却される。なお、本発明が対象とする鋼材は、圧延された鋼板、Ｈ形鋼、Ｉ形鋼、山形鋼、溝形鋼、不等辺不等厚山形鋼等の形鋼が含まれる。このうち、耐火性及び耐再熱脆化特性が要求される建材には、特にＨ形鋼が好適である。

鋼片加熱温度：１１００℃以上１３００℃以下
熱間圧延をオーステナイト域で行うために、鋼片を１１００〜１３００℃に加熱する。鋼片の加熱温度を１１００℃以上にするのは、十分に析出物を鋼中に固溶させるためである。一方、鋼片の加熱温度が高すぎると、組織が粗大になり、低温靭性が低下するため、加熱温度を１３００℃以下とする。

熱間圧延の仕上温度：８００℃以上
加熱後、所定の板厚まで複数回の熱間圧延を行い、仕上温度を８００℃以上とする。これは、熱間圧延の仕上温度が８００℃未満になると変形抵抗が高くなるためである。また、熱間圧延の仕上温度が８００℃未満になると、冷却開始温度が低下して組織が制御できず、低温靭性を損なうことがある。

本発明の耐火鋼材は、熱間圧延後、放冷することによって、強度及び低温靭性を確保することができる。即ち、本発明の耐火鋼材は、ＭｏとＢを同時に添加しているため焼入れ性に優れ、また、析出強化元素の含有量を抑制しているため、空冷しても転位密度が高くアシキュラーフェライト及びベイナイトが生成し、析出物の生成は抑制される。なお、熱間圧延後、水冷など、加速冷却を行ってもよいが、この場合は、冷却速度を３〜１５℃／ｓとすることが好ましい。

Ｈ形鋼を製造する場合、熱間圧延は、孔型圧延によるブレークダウン工程、エッジャー圧延機及びユニバーサル圧延機による中間圧延工程、及び、ユニバーサル圧延機による仕上圧延工程によって実施される。なお、Ｈ形鋼のウェブ高を制御するスキューロール圧延工程を含んでもよい。

焼戻し熱処理温度：４００℃以上６５０℃未満
焼戻し熱処理の保持時間：５分以上３６０分以内
熱間圧延を行い、放冷した後、焼戻し熱処理を施してもよい。４００℃以上で焼戻し熱処理を行うことにより、低温靭性を顕著に高めることができる。低温靭性を高めるためには、焼戻し熱処理の保持時間を５分以上にすることが好ましい。一方、焼戻し熱処理の温度が高すぎると、析出物が粗大化して、高温強度や耐再熱脆化性を損なうことがあるため、６５０℃未満で焼戻し熱処理を行うことが好ましい。また、焼戻し熱処理の保持時間が３６０分を超えると、生産性が低下し、加熱温度によっては析出物が粗大化して、高温強度や耐再熱脆化性を損なうことがある。

表１及び表３に示す成分組成を有する鋼を溶製し、連続鋳造により鋼片を鋳造した。表２及び表４に各鋼の（Ｍｏ＋１．６Ｃｕ＋１．３Ｎｉ＋８．５Ｎｂ）／Ｂ、Ｍｏ／Ｂ、Ｃeq、Ｐcmの計算値を示す。得られた鋼片を表５及び６に示す条件で、熱間圧延し、放冷して鋼板を製造した。一部の鋼板には焼戻し熱処理を施し、その他の鋼板は熱間圧延ままとした。鋼板の板厚中央部から、圧延方向に対して垂直方向となる板幅方向を長手として、常温引張特性、シャルピー特性及び高温引張特性を調査するためのサンプルを採取した。

室温の引張特性は、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して評価した。試験数を２として、降伏強度及び引張強度の平均値を算出した。室温における強度については、耐力が２３５ＭＰａ以上、引張強度が４００〜５５０ＭＰａを良好と評価した。母材の低温靭性は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠し、試験温度を０℃としてシャルピー衝撃試験を行って評価した。なお、母材の低温靭性は、試験数を３としてシャルピー吸収エネルギーの平均値を算出し、２７Ｊ以上を良好と評価した。

また、高温強度（高温耐力）については、平行部の直径６ｍｍ、平行部長さ３０ｍｍの高温引張試験片を用いて、ＪＩＳ Ｇ ０５６７の高温引張試験の規定に基づき、引張歪み速度０．５％／分で試験片を変形させ、応力歪み線図を採取して高温耐力を測定した。この際の耐力は、全て０．２％耐力とした。６００℃における耐力は、室温の耐力のしきい値２３５ＭＰａの２／３である１５７ＭＰａ以上を良好と評価した。

更に、直径１０ｍｍの試験片を鋼材から採取し、再現熱サイクルを付与し、引張試験後、絞り値（ＳＲ絞り値）を測定した。再現熱サイクルは、昇温速度の設定値を１００℃／ｓとして１４００℃に加熱して２ｓ保持し、８００℃から５００℃までを１６ｓで冷却するものである。ＳＲ絞り値は、再現熱サイクルが付与された試験片を室温から６００℃に１℃／ｓで加熱し、１時間保持した後、引張応力を加え、破断させて、絞り値を測定した。ＳＲ絞り値は、３０％以上を良好と評価した。

また、ＨＡＺの低温靭性については、４５度のＸ開先を加工した鋼板をサブマージアーク溶接し、得られた溶接継手を用いて評価した。この際、溶接入熱は常時２ｋ〜３ｋＪ／ｍｍであることを、溶接時の出力、電流、電圧値より計算して確認した。ＪＩＳ Ｚ ３１２８に準拠して、溶接継手から試験片を採取し、０℃でシャルピー試験を行って評価した。試験片のＶノッチは、溶融線から母材側に１ｍｍの位置に設けた。なお、ＨＡＺの低温靭性は、試験数を３としてシャルピー吸収エネルギーの平均値を算出し、２７Ｊ以上を良好と評価した。

結果を表７及び８に示す。「室温引張特性」の「ＹＳ」及び「ＴＳ」は、それぞれ、室温における耐力及び引張強度であり、vＥ_０は、０℃におけるシャルピー吸収エネルギーである。「高温特性（６００℃）」の「ＹＳ」及び「ＳＲ絞り値」は、それぞれ、６００℃における耐力及びＳＲ絞り値である。鋼材Ｎｏ．１〜２９は、成分組成、製造条件が本発明の範囲内であり、室温の引張特性、低温靭性、高温強度、耐再熱脆化性に優れている。

一方、鋼材Ｎｏ．３０はＣ量が多いため、強度が高くなり、ＨＡＺの低温靭性及び耐再熱脆化性が低下している。鋼材Ｎｏ．３１は、Ｃ量が少なく、室温及び高温での強度が低下している。鋼材Ｎｏ．３２はＳｉ量が多いため、ＨＡＺの低温靭性が低下している。鋼材Ｎｏ．３３は、Ｓｉ量が少なく、焼入れ性が不足し、室温強度及び低温靭性が低下している。鋼材Ｎｏ．３４はＭｎ量が多いため、耐再熱脆化性が低下している。鋼材Ｎｏ．３５は、Ｍｎ量が少なく、室温強度及び高温強度が低下している。

鋼材Ｎｏ．３６はＭｏ量が多く、鋼材Ｎｏ．３８はＢ量が多いため、耐再熱脆化性が低下している。鋼材Ｎｏ．３７はＭｏ量が少なく、鋼材Ｎｏ．３９はＢ量が少ないため、高温強度が低下している。鋼材Ｎｏ．４０はＴｉ量が多く、鋼材Ｎｏ．４２はＮ量が多いため、ＨＡＺの低温靭性及び耐再熱脆化性が低下している。鋼材Ｎｏ．４１はＴｉ量が少なく、鋼材Ｎｏ．４３はＮ量が少ないため、ＨＡＺの低温靭性が低下している。

鋼材Ｎｏ．４４はＣｒ量が多く、鋼材Ｎｏ．４５はＶ量が多く、鋼材Ｎｏ．４６はＮｉ量が多く、鋼材Ｎｏ．４７はＣｕ量が多く、鋼材Ｎｏ．４８はＷ量が多いため、耐再熱脆化性が低下している。鋼材Ｎｏ．４９はＺｒ量が多く、ＨＡＺの低温靭性が低下している。鋼材Ｎｏ．５０はＯ量が多く、鋼材Ｎｏ．５１はＰ量が多く、鋼材Ｎｏ．５２はＳ量が多いため、母材及びＨＡＺの低温靭性が低く、耐再熱脆化性も低下している。鋼材Ｎｏ．５３〜５７は（Ｍｏ＋１．６Ｃｕ＋１．３Ｎｉ＋８．５Ｎｂ）／Ｂが高く、鋼材Ｎｏ．５８及び５９はＭｏ／Ｂが高いため、耐再熱脆化性が低下している。

表９に示す成分組成を有する鋼を溶製し、連続鋳造により鋼片を鋳造した。表１０に各鋼の（Ｍｏ＋１．６Ｃｕ＋１．３Ｎｉ＋８．５Ｎｂ）／Ｂ、Ｍｏ／Ｂ、Ｃeq、Ｐcmの計算値を示す。得られた鋼片をユニバーサル圧延設備列により、表１１に示す条件で、熱間圧延し、放冷してＨ形鋼を製造した。一部のＨ形鋼には焼戻し熱処理を施し、その他のＨ形鋼は熱間圧延ままとした。

Ｈ形鋼のフランジの板厚の中心部でフランジ幅全長）の１／４の部位から、常温引張特性、シャルピー特性及び高温引張特性を調査するためのサンプルを採取した。なお、ＨＡＺの低温靭性を評価した溶接継手は、Ｈ形鋼のフランジから試料を採取して評価した。結果を表１２に示す。鋼材Ｎｏ．１０１〜１１８は、成分組成、製造条件が本発明の範囲内であり、室温の引張特性、低温靭性、高温強度、耐再熱脆化性に優れている。

Claims (7)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．００２％以上、０．０５０％以下、
   Ｓｉ：０．０１％以上、０．５０％以下、
   Ｍｎ：０．５０％以上、２．００％以下、
   Ｍｏ：０．０５％以上、０．２０％未満、
   Ｂ ：０．０００３％以上、０．００３０％以下、
   Ｎ ：０．００１０％以上、０．０１００％以下、
   Ｔｉ：０．００５％以上、０．０３０％以下、
   Ａｌ：０．００２％以上、０．１００％以下
   を含有し、更に、Ｐ、Ｓ、Ｏの各々の含有量を、
   Ｐ ：０．０２００％未満、
   Ｓ ：０．０１００％未満、
   Ｏ ：０．０１００％未満
   に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｍｏ及びＢの含有量［質量％］が、下記（式１）を満足することを特徴とする耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材。
   Ｍｏ／Ｂ≦２８６ ・・・ （式１）
2. 更に、質量％で、
   Ｃｕ：０．３０％以下、
   Ｎｉ：０．３０％以下、
   Ｎｂ：０．０２０％未満、
   の１種又は２種以上を含有し、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｂの含有量[質量％]が、下記（式２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材。
   （Ｍｏ＋１．６Ｃｕ＋１．３Ｎｉ＋８．５Ｎｂ）／Ｂ≦２８６ ・・・ （式２）
3. 更に、質量％で、
   Ｖ ：０．２０％以下、
   Ｚｒ：０．１０％以下、
   Ｃｒ：０．２０％以下、
   Ｗ ：０．３０％以下
   の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材。
4. 更に、質量％で、
   Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０％、
   Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、
   Ｙ ：０．００１〜０．０５０％、
   Ｌａ：０．００１〜０．０５０％、
   Ｃｅ：０．００１〜０．０５０％
   の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材。
5. 更に、下記（式３）によって求められるＣeqが０．２０〜０．４０であり、下記（式４）によって求められるＰcmが０．０５〜０．２０であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材。
   Ｃeq＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５・・・（式３）
   Ｐcm＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５
   ＋Ｖ／１０＋５Ｂ ・・・（式４）
   ここで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、及び、Ｂは、各元素の含有量
   ［質量％］である。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の鋼成分を有する鋼片を、１１００℃以上１３００℃以下の温度に加熱し、仕上温度を８００℃以上として熱間圧延を行い、その後、放冷することを特徴とする耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材の製造方法。
7. 更に、４００℃以上６５０℃未満の温度範囲で、５分以上３６０分以内の焼戻し熱処理を行うことを特徴とする請求項６に記載の耐再熱脆化性及び低温靭性に優れた耐火鋼材の製造方法。

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