JP2577130B2 - 低降伏比高曲げ剛性構造用鋼板とその製造方法 - Google Patents

低降伏比高曲げ剛性構造用鋼板とその製造方法

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JP2577130B2 JP2268639A JP26863990A JP2577130B2 JP 2577130 B2 JP2577130 B2 JP 2577130B2 JP 2268639 A JP2268639 A JP 2268639A JP 26863990 A JP26863990 A JP 26863990A JP 2577130 B2 JP2577130 B2 JP 2577130B2
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【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、低い降伏比と優れた伸び特性を確保しつ
つ、圧延方向に直角な方向(以下C方向と称す)の曲げ
剛性を飛躍的に向上せしめた構造用鋼板とその製造方法
に関するものである。
<従来の技術> 一般に鋼板の剛性は、形状が一定ならばヤング率に比
例する。従って、特定方向の剛性向上が求められる使用
場所に、C方向高ヤング率鋼板のC方向と該特定方向を
揃えてい用いれば、板厚の増大や、形状の変更を行うこ
となしに構造物の剛性を高めることが可能である。
しかしながら、従来鋼においては、単結晶や電磁鋼板
のような特殊な例を除くとヤング率はほぼ21,000kgf/mm
2程度で一定と考えられ、特に注目すべき材質特性とは
見なされていなかった。
しかし近年、特定方向の剛性に着目すれば、製造法に
よってC方向のヤング率を24,000kgf/mm2程度に高めた
鋼材が得られることが判明した。
一方、高ヤング率鋼に関する提案は、例えば特公昭58
−14849号公報に、高ヤング率鋼材の製造法が開示され
ている。ここに開示された高ヤング率鋼材は、化学成分
を規定した鋼を二相域圧延し、圧延仕上げ後300℃まで
の冷却速度を制御し、次いで700℃以下の温度で焼き戻
すことにより、C方向のヤング率を約10%程度高め得る
ことが示されている。
また、特公昭62−4448号公報には、Cを0.03重量%未
満とした鋼を、Ar3点以下600℃以上の温度範囲での圧下
率を規定し、450℃以上720℃以下で巻取ることでC方向
のヤング率を最高24,300kgf/mm2まで高め得る方法が提
案されている。
つまり、これらの方法は2相域あるいはフェライト域
での圧延加工により圧延集合組織を発達させ、鋼板特定
方向のヤング率を向上させることを特徴とするものであ
る。
<発明が解決しようとする課題> しかしながら、前記した提案はいずれも実用時に次に
述べるような問題点を内在しており、それぞれに改善が
待たれている。
即ち、特公昭58−14849号公報の提案では、ヤング率
を向上させるための製造法として集合組織の形成を著し
く促進させる圧延法(α−γ二相域大圧下圧延)が適用
されているが、母材靱性の確保が難しく、そのため保証
温度は0℃であり、更に降伏比(降伏点/引張強度)が
高く、かつ伸びが十分に確保されておらず、近年、さら
なる安全性確保の点から構造物の重要部材が具備するこ
とを求められている「低い降伏比と優れた伸び特性」の
要望を満たさないものである。
また、特公昭62−4448号公報による提案は、C≦0.03
%の成分限定を必須条件としており、実質的には極軟鋼
の製造方法に関するものであり、構造用鋼の要求強度を
満たすことはできない。
そこで、本発明は、特に曲げ荷重のかかる部材の曲げ
剛性を支配する鋼板表層部のヤング率を向上させつつ、
地震等による構造物の崩壊時に、変形によって構造物の
被害を最小限にとどめるために、必要な特性である降伏
比や伸び特性を鋼板中心部の組織により確保できる鋼板
とその製造方法の提供を課題とするものである。
<課題を解決するための手段> 本発明は上記課題を達成するために、 (1)それぞれ板厚の4〜10%を占める上下各表層部が
占積率で50%以上の加工フェライトを有する組織から成
り、その他の内層部が加工フェライトが存在しない組織
からなる事を特徴する降伏比が80%以下でかつヤング率
が23,000Kgf/mm2以上である低降伏比高曲げ剛性構造用
鋼板を第1の手段とし、 (2)構造用鋼をAr3点以上の温度から0.4℃/秒以上の
冷却速度で冷却し、スラブの板厚のそれぞれ4〜10%を
占める上下各表層部をAr3点未満の温度にすると共に、
その他の内層部をAr3点以上の温度として圧延を行う事
を特徴とする降伏比が80%以下でかつヤング率が23,000
Kgf/mm2以上である低降伏比高曲げ剛性構造用鋼板の製
造方法を第2の手段とする。
本発明が対象とする構造用鋼は、例えば前記した特公
昭58−14849号公報に記載され、次記するように、通常
の溶接構造用鋼が所要の材質を得るために、従来から当
業分野での活用で確認されている作用・効果の関係を基
に定めている添加元素の種類と量を同様に使用して同等
の作用と効果が得られる。従って、これ等を含む鋼を本
発明は対象鋼とするものである。
これ等の各成分元素とその添加理由と量を以下に示
す。
Cは、鋼の強度を向上する有効な成分として添加する
ものであるが、0.20%を超える過剰な含有量では、二相
域圧延時の変形抵抗を増して圧延を困難にするばかり
か、溶接部に島状マルテンサイトを析出し、鋼の靱性を
著しく劣化させるので、0.20%以下に規制している。
Siは溶鋼の脱酸元素として必要であり、また強度増加
元素として有用であるが、1.0%を超えて過剰に添加す
ると、鋼の加工性を低下させ、溶接部の靱性を劣化させ
る。また、0.01%未満では脱酸効果が不十分なため、添
加量を0.01〜1.0%に規制している。
Mnも脱酸成分元素として必要であり、0.3%未満では
鋼の清浄度を低下し、加工性を害する。また鋼材の強度
を向上する成分として0.3%以上の添加が必要である。
しかし、Mnは変態温度を下げるので、過剰の添加により
二相域圧延温度が下がりすぎ、変形抵抗の上昇をきたす
ので、2.0%を上限としている。
Al及びNは、Al窒化物による鋼の微細化の他、圧延過
程での固溶、析出により、鋼の結晶方位の整合及び再結
晶に有効な働きをさせるために添加する。しかし、添加
量が少ないときにはその効果がなく、過剰の場合には鋼
の靱性を劣化させるので、Al:0.001〜0.20%、N:0.020
%以下に限定している。
以上が、本発明が対象とする鋼の基本成分であるが、
母材強度の上昇あるいは、継手靱性の向上の目的のた
め、要求される性質に応じて、合金元素を添加する場合
は、該添加により変態温度を下げ過ぎると、2相域での
変形抵抗が増して圧延が困難になるので、合金の添加量
としては、Ni,Cr,Mo,Cu,W,Co,V,Nb,Ti,Zr,Ta,Hf,希土類
元素,Y,Ca,Mg,Te,Se,Bを1種類以上添加してよいが、添
加量は合計で4.5%以内に規制している。
この様にして製造された鋼片の加熱温度は、オーステ
ナイトの粗大化防止から1250℃を上限としている。
また、それ自体公知の制御冷却及びまたはテンパー処
理を行うことは、本発明鋼板の特性に障害なく実施出来
るので、その使用に制限はない。
また、鋼板の板厚の10%を超え、上下各表層部合計で
板厚の20%を超える部分に、加工フェライトを占積率50
%以上有するヤング率の高い集合組織を発達させると、
鋼板のヤング率は向上するものの、優れた伸び特性や低
降伏比は得られない。
また、鋼板の板厚の4%未満、上下各表層部合計で板
厚の8%未満の部分に上記集合組織を発達させても、本
発明のの課題を達成するのに必要なヤング率は得られな
い。
従って本発明は、上下各表層の厚みを各々板厚の4%
以上10%以下に規制するものである。
このため、本発明は、板厚の4〜10%に各々該当する
鋼板上下各表層部の温度をAr3点未満の温度に低下さ
せ、その他の内層部はAr3点以上の温度にして圧延を行
うため、構造用鋼をAr3点以上の温度から0.4℃/秒以上
の冷却速度で冷却することを定めた。これにより、表層
部のヤング率は向上し、その他の内層部は優れた降伏比
および伸び特性を維持している。
<作用> 従来の方法でヤング率を向上させるには、鋼板全体を
Ar1点以下で加工する必要があった。
この場合、ヤング率は向上するものの、靱性、伸び特
性が劣化してしまい、且つ近年建築分野で要求されてい
る低降伏比を具備させることができず、建築用構造材料
として使用できなかった。
本発明者等は、前記課題を達成するために、下記の化
学成分を有する一般的な構造用鋼を用いて種々実験検討
を繰り返した。
C:0.10〜0.15% Si:0.15〜0.25% Mn:0.8〜1.6% Ai:0.01〜0.05% N:0.0020〜0.0050% 結果を図1〜図4に示す。
図1は、鋼材に曲げモーメントが作用した時の板厚内
部に発生する応力を模式的に示したものである。
内層部の応力は表層部の応力より小さいため、応力の
高い表層部のみが高ヤング率を保持すれば鋼板中に生ず
る歪みの最大値は鋼板全体にわたりヤング率が向上した
鋼板の歪み最大値と同じレベルを維持出来るので、曲げ
応力が作用した場合の鋼板全体の剛性も向上する。
そこで、種々高剛性表層部の厚みを変化させて曲げ剛
性(曲げ応力が部材に作用する場合の部材としての剛
性)の実験を実施したところ、図2を得た。この図から
本発明者等は、要求される高剛性の保証には表層部のヤ
ング率で対応することが望ましいことを見出した。
そこでヤング率の支配要因の探索実験を重ねた結果図
3を得た。
この図から本発明者等は、加工フェライトを占積率で
50%以上有する集合組織があれば、所要ヤング率が確保
出来ることを知見した。
これ等の知見を基に本発明者等は更に所要表層厚みの
確認実験を重ねた結果、表層部のヤング率を内層部のヤ
ング率より10%向上させると、表層部の厚みを片側それ
ぞれ板厚の4%維持すると必要な高剛性の保証が可能で
あり、表層部のヤング率を内層部のヤング率より20%向
上させると、表層部の厚みを片側それぞれ板厚の8%維
持すると必要な高剛性の保証が可能なことがわかった。
図4は、高ヤング率を有する表層部の厚み(片側)
と、引張試験での降伏比、破断までの伸びを示す。図に
より、高剛性表層部が板厚の10%以下であれば、降伏
比、破断までの伸びとも十分建築用構造用鋼として要求
されるレベルのそれぞれ80%以下、36%以上にあること
を知見した。
本発明は以上の各知見を基に、曲げ剛性の保証に高剛
性表層部の厚みを確保し、内層部までの高剛性に必要な
集合組織を発達させないことにより、鋼全体の低降伏
比、および破断までの伸びを保証し、これ等の層別特性
を複合化した構造用鋼板を確立して本発明の課題を達成
したのである。
<実施例> (1) 供試鋼 本発明の鋼成分は、前記した一般的な構造用鋼の元素
と添加量であれば、何れの組合せても良いが、構造用鋼
の分野で強度レベルが異なる代表的な実施例の化学成分
を比較例と共に表1に示す。
表1に示す供試鋼は鋼番1、2が40キロ級鋼、鋼番3
〜6が50キロ級鋼、鋼番7が60キロ級鋼である。又、供
試鋼は必要に応じてV,Nb,Ni,Ti,Cu,Ni,Cr,Mo等の合金元
素を添加している。
(2) 製造条件及び材質結果 製造条件及び得られた材質を表2に示す。
No.A1〜A14の本発明例は、C方向の曲げ剛性は10%〜
16%の向上が得られて、十分目標を満足し、且つ降伏
比、及び伸び特性の優れた構造用鋼板が得られた。
これに対し、No.B1〜B14の比較例はそれぞれに問題が
あり、前記要望を満たす構造用鋼板が得られなかった。
即ち、高剛性表層部が10%以上であるNo.B1〜B5の比
較例は、降伏比、伸びともに所要の域に到達しなかっ
た。
また表層部のヤング率が10%以下であるNo.B6,B7の比
較例及び表層部の厚みが4%未満のNo.B8,B9の比較例
は、曲げ剛性が不良で、計画した用途には使用できなか
った。
<発明の効果> 本発明は、高ヤング率を発揮する集合組織を有する表
層部と、該集合組織がない内層部を構成比を限定して組
合せ、その特定方向の曲げ剛性が10%程度以上と高く、
且つ降伏比、伸びの優れた構造用鋼板を実現したもの
で、当業分野を中心に産業界にもたらす効果は極めて大
きい。
【図面の簡単な説明】
図1は鋼材に曲げモーメントが作用した時の板厚内部に
発生する応力を模式的に示す。 図2は高剛性表層部厚みと鋼板の曲げ剛性の関係を示
す。 図3は、加工フェライトの占積率とヤング率の関係を示
す。 図4は、高剛性表層部の厚み(片側)と引張試験での降
伏比、破断伸びを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土師 利昭 大分県大分市大字西ノ洲1番地 新日本 製鐵株式会社大分製鐵所内 (56)参考文献 特開 昭60−56017(JP,A) 特開 昭64−57901(JP,A) 特開 平3−64413(JP,A) 特開 平3−215624(JP,A) 特開 昭63−50427(JP,A) 特開 昭57−149422(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】それぞれ板厚の4〜10%を占める上下各表
    層部が占積率で50%以上の加工フェライトを有する組織
    から成り、その他の内層部が加工フェライトが存在しな
    い組織からなる事を特徴とする降伏比が80%以下でかつ
    ヤング率が23,000Kgf/mm2以上である低降伏比高曲げ剛
    性構造用鋼板。
  2. 【請求項2】構造用鋼をAr3点以上の温度から0.4℃/秒
    以上の冷却速度で冷却し、スラブの板厚のそれぞれ4〜
    10%を占める上下各表層部をAr3点未満の温度にすると
    共に、その他の内層部をAr3点以上の温度として圧延を
    行う事を特徴とする降伏比が80%以下でかつヤング率が
    23,000Kgf/mm2以上である低降伏比高曲げ剛性構造用鋼
    板の製造方法。
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