JP2812706B2 - 耐火強度の優れた構造用鋼材およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は構造物の製作に用いられる耐火材の被覆を簡
略化あるいは省略しても、火炎時において十分な強度を
有する鋼材とその製造方法に関する。

（従来の技術） 鉄骨構造等の構造物では、火炎時においても十分な強
度を保証するため、鋼材に、ロックウール等の耐火材の
被覆を施し、鋼材の温度が350℃以上に上昇しないよう
に対策することが義務付けられていた。

近年、建築基準法が改正され、鋼材の高温における強
度に応じ耐火被覆を簡略あるいは省略できるようになっ
た。即ち鋼材が600℃において十分な強度（常温の規格
降伏強度の2/3以上）を有する場合、耐火被覆を省略
し、裸使用が可能になると言われている。

鋼材の高温での強度についてはこれまでにもよく調べ
られており、開発材はボイラー用鋼あるいは圧力容器用
鋼として規格化されている。また、特公昭51−15188号
公報のように、現在でも種々の改良・開発等が継続実施
されている。

これらは、高温で数万あるいは数十万時間といった長
時間使用の場合の強度、即ちクリープ強度の高い鋼材で
ある。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は鉄骨構造等の構造物において、耐火被覆を省
略する場合の重要な特性である600℃での強度が従来鋼
より著しく改善された鋼材とその製造方法を提供するこ
とにある。

本発明で問題にしようとしている耐火強度は、火災時
の高々数時間以内での強度であり、これまで古くから開
発の対象であった高温強度とは全く別個のものである。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは、600℃での構造用鋼材の強度に及ぼす
化学成分の効果を種々検討した結果、ＶあるいはMoを単
独あるいは複合して含有する鋼をポロン処理することが
耐火強度の向上に有効であることを見出した。

本発明はこの知見を基に成されたものであり、 （１）重量％にて、V:0.005〜0.2％、B:0.003〜0.0025
％を含み、ボロン処理を行った炭素当量（Ceq＝Ｃ＋Mn/
6＋si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14）が0.30〜0.45％
であること、（２）重量％にて、Mo:0.005〜0.6％、B:
0.0003〜0.0025％を含み、ボロン処理を行った炭素当量
（Ceq＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4）が0.30
〜0.45％であること、（３）重量％にて、V:0.005〜0.2
％、Mo:0.005〜0.6％、B:0.0003〜0.0025％を含み、ボ
ロン処理を行った炭素当量（Ceq＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24＋Ni
/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14）が0.30〜0.45％であることを
特徴とする。

更に本発明は前記（１）〜（３）記載の鋼を、900〜1
050℃で加熱し、800〜1000℃で圧延終了し、圧延後放冷
または加速冷却することを特徴とし、又は圧延・冷却
後、850〜1000℃で焼きならすことを特徴とする耐火強
度の優れた構造用鋼材の製造方法である。

（作用） 以下、本発明についてさらに詳細に説明する。

ここでボロン処理とは、ボロンの焼入れ性向上効果を
発揮させるための処理を総称しており、ボロンを0.003
〜0.0025％添加し、さらに、0.03％以上のAlあるいは0.
005％以上のTiを添加し、鋼中のＮを固定する処理を指
している。

ボロン処理による0.1％Ｃ−0.15％Si−1.2％Mn−0.01
5％Ｐ−0.005％Ｓ−0.2％Mo−０〜0.2％Ｖ−0.06％Al−
0.001％Ｂ鋼の600℃での耐火強度の変化を第１図に示
す。

600℃での耐火強度を求めるに際し、火災時の鋼材温
度の上昇挙動を考慮し、第２図のような昇温パターンで
試験片を加熱し、600℃にて15分加熱保持後0.15％/min
の引張速度で変形させ、塑性歪みが0.2％での強度を耐
火強度として求めた。

第１図に示すように、Ｖ添加量と共に耐火強度が向上
している。又ボロン処理（○印）により耐火強度の向上
が認められ、ボロン処理による耐火強度の向上はＶ含有
量が多い程大きく、ボロン処理とＶ添加の相互作用が存
在する。同様に、Mo添加あるいはMo＋Ｖ複合添加とボロ
ン処理の相互作用も存在し、耐火強度が向上する。

ボロン処理との相互作用が存在するＶあるいはMoの添
加量の下限はともに0.005％であり、0.2％超のＶあるい
は0.6％超のMoでは効果が飽和するため、添加量の上限
をそれぞれ0.2％および0.6％とする。

しかして、耐火強度が向上するのは、高温での変形が
始まり、移動を開始した転位に、V,Mo,V＋Moを主体とす
る炭化物が核生成析出し、転移の移動を阻害するためで
ある。ＶあるいはMo単独添加またはＶとMoの複合添加で
も耐火強度向上効果を有するが、ボロン処理との併用に
よる相互作用により、このような析出物を多数かつ安定
的に析出させるようになるため極めて好都合である。

CeqはCeq＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/
14として定義され、溶接性の指標であるとともに、40〜
50キロ鋼の常温での強度との相関が深い。製造熱処理条
件にもよるが、圧延ままでCeqが0.30％より小さいと構
造用の鋼材としての強度が得られず、Ceqが0.45％より
大きいと強度が上がり過ぎ、延性、靱性および溶接性の
低下が問題となる。

このため、Ceqとして0.30〜0.45％なるようにC,Si,M
n,Ni,Cr,Mo,Vを規制する。また、各元素は下記の範囲内
であることが好ましい。

Ｃは常温強度および耐火強度を高めるのに有効な元素
であり、0.05％以上の添加が好ましい。しかし、添加量
が多過ぎると溶接性を害するので添加量の上限は0.15％
が好ましい。

Siは脱酸のため0.02％以上添加するが、添加量が多い
と靱性を低下するため上限を0.5％とするのが好まし
い。

MnはＳを固定し、強度を高めるのに有効な元素である
が、添加量が多いと材料内の偏析を著しくし、靱性の異
方性を増すため、0.1〜1.5％とするのが好ましい。

Niは鋼材の靱性を向上させる元素であり、このような
効果を要する時、0.05％以上添加する。しかし、0.5％
超では添加コストが上昇しすぎ、構造用鋼材として不適
当であるため、上限を0.5％とすることが好ましい。

Crは焼入れ性を増すとともに、焼もどしで炭窒化物を
析出し、耐火強度を向上させる元素である。このような
効果を要する時、0.05％以上を添加する。しかし、1.5
％超の添加は構造用鋼材としては不必要なため、上限を
1.5％とすることが好ましい。

Ｐは鋼中でミクロ偏析し靱性の方向差を著しくするば
かりでなく、靱性を低下させる元素であるため、上限を
0.03％とすることが好ましい。

Ｓは鋼中で非金属介在物MnSを形成し、靱性の方向差
を大きくし、且つシャルピー試験での上部棚エネルギー
を低下させるため、上限を0.02％とするのが好ましい。

Cuは鋼材の焼入れ性を上昇し、また耐食性を向上する
元素である。このような効果を要する時、0.05％以上を
添加する。しかし、0.5％超の添加で熱間加工性を損な
う。このため、Cu量の添加量の上限を0.5％とすること
が好ましい。

Nbは安定な炭窒化物を形成し、鋼の耐火強度を向上さ
せる効果を有する元素である。また、圧延により加工融
起析出し、結晶粒界の移動を妨げ、再結晶粒の粗大化を
阻止する。このような効果を必要とする場合、0.005％
以上の添加が必要である。一方、0.05％超では添加量に
見合った効果が得られないため、経済的に0.05％以下に
抑制することが好ましい。

TiはＮを固定し、ボロンの焼入性向上効果を発揮させ
る元素である。また、Nbと同様炭窒化物を形成し、鋼の
耐火強度を向上させる効果を有する。このような効果を
必要とする場合、0.005％以上の添加が必要である。し
かし、0.05％を超えるとTiCが増えすぎ、却って靱性を
害するので上限は0.05％とすることが好ましい。

Alは鋼の脱酸に不可欠な元素であり、この目的から0.
003％以上を添加する。また、Ｎを固定し、ボロンの効
果を発揮させる目的の場合には0.03％以上を添加する。
しかし、0.1％超の添加は不必要であるため、上限は0.1
％が好ましい。

Ｎは鋼の耐火強度を上昇させるが、添加量が多過ぎる
と溶接性を害するため、添加を0.02％以下とすることが
好ましい。

次に、圧延条件について述べる。

前記のような化学成分を有する鋼は転炉、電気炉で溶
製した後、必要に応じて取鍋精錬や真空脱ガス処理を施
して得られ、通常鋳型あるいは一方向凝固鋳型で造塊し
た後、分塊でスラブとされる。また、スラブは連続鋳造
法により溶鋼から直接製造しても良い。分塊での均熱・
圧下はいかなるものであっても構わない。

即ち、スラブを冷却した後均熱してもよく、分塊のま
ま熱片で均熱炉に装入しても良い。1000〜1300℃で均熱
の後、圧延または鍛造によりスラブとする。

スラブ厚は製品板厚の1.3〜2.5倍程度が好ましい。最
終圧延前の加熱温度はAlまたはTiの窒化物が分解しない
温度が好ましく、1050℃以下とする。加熱温度が低すぎ
ると、合金元素の固溶が十分でなく、また圧下のため余
分なエネルギーが必要となる。このため加熱温度の下限
を900℃とする。

圧延終了温度は800〜1000℃とする。すなわち800℃未
満では耐火強度が却って低下し、1000℃を超えると、圧
延によるオーステナイト粒の細粒化が十分でなく、組織
が粗くなり靱性確保が困難になり好ましくない。

次に圧延後の冷却条件は放冷または加速冷却を採用す
る。圧延終了後、自然冷却すれば良く、板厚にもよるが
概ね５〜30/minで冷却することになる。加速冷却は、板
厚の厚い場合、あるいは鋼材のCeqを低くしたい場合
に、圧延終了後水スプレー等により冷却する方法であ
り、100mm超の板厚に対しても概ね120℃/min以上の冷却
速度が確保できる。

更に、圧延後、焼きならしを行って使用することもで
きる。この場合は耐火強度を向上させるために添加した
V,Mo,V＋Moの効果を十分に引き出すために、850℃以上
の焼きならし温度が必要である。

また、焼きならしの加熱温度が高すぎると靱性を害す
るため1000℃以下とする必要がある。焼きならしの冷却
方法は空冷（放冷）を基本とするが、水冷等による加速
冷却を用いてもよい。

焼きならしを実施する場合、圧延ままで使用する場合
と比較して、同一成分では耐火強度が得にくいが、靱性
が優れており、さらに板内での特性変動が少ない安定し
た鋼板を供給することができる。

このようにして製造した鋼板は切断、溶接等の加工の
後、構造材料として使用できる。

（実施例１） 第１表に示す化学成分を有する鋼を1000℃で加熱後、
圧延により25mm厚に圧延し、放冷した。

圧延終了温度は890〜910℃であり、冷却速度はほぼ25
℃/minであった。

第２表に鋼材の常温での引張特性、０℃でのシャルピ
ー衝撃吸収エネルギーおよび600℃での耐火強度を示
す。

本発明のボロン処理鋼である0.005％以上のＶを含有
する鋼板（AA,BB,CC）、0.005％以上のMoを含有する鋼
板（DD,EE,FF）、および0.005％以上のＶと0.003％以上
のMoを同時に含有する鋼板（GG,HH,II）は、ボロン処理
を行わない比較鋼板（A,B,C,D,E,F,G,H,I）に比べて、
常温での引張特性（引張強さ、0.2％耐力、破断伸び、
破断絞り）が優れているばかりでなく、600℃での耐火
強度が著しく良好である。

（実施例２） 第１表に示した鋼のAA,DD,およびGGを用い、第３表の
条件で鋼板を製造し、特性を調査した。

調査結果を第４表に示す。

鋼板（ｃ）では、加熱温度が本発明範囲より低く、耐
火強度が低い。鋼板（ｆ）では圧延終了温度が高く本発
明外であり、靱性が低い。鋼板（ｉ）では圧延終了温度
が低いため、靱性は良好であるが、耐火強度が低い。

これに対し、本発明法で製造した鋼板（ａ），
（ｂ），（ｄ），（ｅ），（ｇ）および（ｈ）では耐火
強度と靱性が共に優れた値を示す。

（実施例３） 第１表に示した鋼のBB,EE,HHを用い第５表の条件で鋼
板を製造し、特性を調査した。

調査結果を第６表に示す。

鋼板（ｃ）では、焼きならし温度が本発明範囲より低
く、耐火強度が低い。鋼板（ｆ）では、焼きならし温度
が高く本発明外であり、靱性が低い。鋼板（ｉ）では焼
きならし温度が低いため、靱性は良好であるが、耐火強
度が低い。

これに対し、本発明法で製造した鋼板（ａ），
（ｂ），（ｄ），（ｅ），（ｇ）および（ｈ）では耐火
強度と靱性が共に優れた値を示す。

（発明の効果） 本方法による鋼板は溶接構造用鋼材（JIS G3106）の
常温での降伏強さ、引張強さおよび靱性を満足するばか
りでなく、耐火鋼として重要である高温での耐火強度が
優れており、鉄骨構造等の建築物の製作において耐火被
覆を簡略あるいは省略可能であり、工業的価値が大き
い。

【図面の簡単な説明】

第１図はＶ添加量による耐火強度の変化へのボロン処理
の影響を表わす図表、第２図は耐火強度を求める場合の
試験片の昇温パターンを表わす図表である。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％にて、 V:0.005 〜0.2％、 B:0.0003〜0.0025％、 を含み、ボロン処理を行った炭素当量（Ceq＝Ｃ＋Mn/6
   ＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14）が0.30〜0.45％で
   あることを特徴とする耐火強度の優れた構造用鋼材。
2. 【請求項２】重量％にて、 Mo:0.005 〜0.6％、 B :0.0003〜0.0025％、 を含み、ボロン処理を行った炭素当量（Ceq＝Ｃ＋Mn/6
   ＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14）が0.30〜0.45％で
   あることを特徴とする耐火強度の優れた構造用鋼材。
3. 【請求項３】重量％にて、 V :0.005 〜0.2％、 Mo:0.005 〜0.6％、 B :0.0003〜0.0025％、 を含み、ボロン処理を行った炭素当量（Ceq＝Ｃ＋Mn/6
   ＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14）が0.30〜0.45％で
   あることを特徴とする耐火強度の優れた構造用鋼材。
4. 【請求項４】特許請求の範囲（１）〜（３）記載の鋼
   を、900〜1050℃で加熱し、800〜1000℃で圧延終了し、
   圧延後放冷または加速冷却することを特徴とする耐火強
   度の優れた構造用鋼材の製造方法。
5. 【請求項５】特許請求の範囲（１）〜（３）記載の鋼を
   圧延・冷却後、850〜1000℃で焼きならすことを特徴と
   する耐火強度の優れた構造用鋼材の製造方法。