JP2816008B2 - 耐火性の優れた建築用低降伏比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） 本発明は建築、土木、海洋構造物等の分野において、
各種建造物に用いる耐火性の優れた低降伏比鋼材とその
製造方法に関する。

（従来の技術） 建築、土木および海洋構建物等の分野における各種建
造物用鋼材として、一般構造用圧延鋼材、溶接構造用圧
延鋼材、溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材、高耐候性圧延
鋼材および一般構造用炭素鋼管、一般構造用角形鋼管な
どが広く利用されている。

各種建造物のうち、特に生活に密着したビルや事務所
および住居などの建造物に前記鋼材を用いる場合は、火
災における安全性を確保するため、充分な耐火被覆を施
すことが義務づけられており、旧建築関係諸法令では、
火災時に鋼材温度が350℃以上にならぬように規定され
ていた。そのため、鋼材費用に比べて耐火被覆施工費が
高額になり、建築コストが大幅に上昇することを避ける
ことができなかった。

一方、昭和62年３月に「新耐火設計法」が実施される
にいたって、高温においても常温規格値と遜色のない強
度を有する鋼材では、耐火被覆を大幅に削減できるとと
もに、建造物の火災条件・設計条件によっては無被覆の
鉄骨建造物を設計することが可能となった。

しかし、この場合においても、スレンレススチールに
代表されるような耐熱鋼材は価格が非常に高いため、高
温特性は良好であるが、生産技術や施工技術面に加えて
経済的な面で建築材料としての利用は非常に困難であっ
た。

このような中で、高温特性が優れ、かつ経済的価格で
市場に供給しうる耐火性の優れた鋼材の製造方法が見直
され、最近では600℃において常温強度の2/3程度を有す
るNb−Mo複合添加鋼材（特願昭63−143740号）、Mo添加
鋼材（特願平２−72566号）等が開発されて、実際の建
造物に使用され始めている。

しかし、これらの鋼材は高温強度を高めるために、高
温強度を上げるのに有効なNb,Mo,V等の特定元素を１種
類以上添加、さらにその製造方法においても添加元素を
固溶せしめるために鋼片を1100〜1300℃の温度域で再加
熱した後に、熱間圧延を800〜1100℃で終了する工程を
経なければならない。したがって、建築用鋼材として
は、その成分系はかなり限定されており、しかも再加熱
工程を含むなどコスト的に割高になっているのが現状で
ある。

他方、合金元素の低減化を図ったMo添加鋼において
も、一定量のMo添加とC/Mn比の制限及び焼入性の確保に
より、ミクロ組織をベイナイト組織として、その定量的
コントロールを行うことで、建築用鋼材としての利用も
可能となりつつある。しかし、この場合も常温の降伏比
は低いが、応力−歪曲線には明確な降伏点は見られずラ
ウンド型となる。そのため、このタイプの鋼は見かけ上
の降伏比は低いが、耐震性に十分とは言えないことが明
らかにされ、問題点を含んでいた。

（発明が解決しようとする課題） 現状では、ステンレススチールに代表されるような耐
熱鋼材は建築材料としての利用は非常に困難であり、ま
た、600℃での高温耐力が常温時の70％以上となる鋼材
の製造方法が最も経済的であるにもかかわらず、現実的
には上記に示したMo−Nb鋼あるいはMo鋼等の再加熱工程
を含む製造方法しか見あたらないのが現状である。

本発明者らはこれらの現状から、再加熱工程を省略し
た直接圧延法の適用を確立し、しかも高価な添加元素の
量を少なくし、且つ、耐火被覆を薄くすることが可能
で、火災荷重が小さい場合は、無被覆で使用することが
できる鋼材の容易且つ安価に実施し得る製造方法を鋭意
検討し本発明を完成するにいたった。

（課題を解決するための手段） 本発明は前述の課題を克服し、目的を達成するもの
で、その具体的手段を下記ア〜エ項に示す。

ア．重量比で、C 0.04〜0.15％、Si 0.6％以下、Mn 0.3
〜1.0％、Ti 0.005〜0.05％、Al 0.1％以下、N 0.006％
以下、残部がFeおよび不可避不純物、さらにMo（0.4〜
0.8％）、Ｗ（0.8〜1.6％）の１種あるいは２種からな
り、常温において70％以下の低降伏比（降伏強度／引張
速度）と600℃での高温強度が常温強度の70％以上を有
する建築用耐火鋼材。

イ．重量比で、Cr 0.05〜1.0％、V 0.005〜0.10％、Zr
0.005〜0.03％、Ta 0.005〜0.05％、Ca 0.0005〜0.005
％、REM 0.001〜0.005％、の１種あるいは２種以上を含
むア項記載の建築用耐火鋼材。

ウ．重量比で、C 0.04〜0.15％、Si 0.6％以下、Mn 0.3
〜1.0％、Ti 0.005〜0.05％、Al 0.1％以下、N 0.006％
以下、残部がFeおよび不可避不純物、さらにMo（0.4〜
0.8％）、Ｗ（0.8〜1.6％）の１種あるいは２種からな
る鋼片を連続鋳造後に、直接圧延を800〜1000℃で終了
することによって製造される耐火性の優れた建築用低降
伏比鋼材の製造方法。

エ．重量比で、Cr 0.05〜1.0％、V 0.005〜0.10％、Zr
0.005〜0.03％、Ta 0.005〜0.05％、Ca 0.0005〜0.005
％、REM 0.001〜0.005％の１種あるいは２種以上を含む
ウ項記載の建築用耐火鋼材の製造方法。

（作用） さて、本発明の特徴は、中Ｃ−中Mn鋼に一定量のTiを
添加した組成の鋼片を連続鋳造後に、再加熱工程を経る
ことなく、直接圧延処理を施し、800〜1000℃の温度域
で圧延を終了することにあり、本発明によって製造した
鋼及び鋼材（以下鋼）は、適当な常温耐力と明確な降伏
現象（降伏点が明瞭に認められる）を伴った低い降伏強
度を有するとともに、高温耐力が高い特性を備えてい
る。

つまり、常温耐力に対し600℃の温度における耐力の
割合が大きい。この理由は中Ｃのベース成分に相当量の
Tiを添加した鋼で、フェライト組織（フェライト面積率
60％以上）としているためである。

つぎに、本発明にかかる特徴的な成分元素とその添加
量について説明する。

まず、Tiは連続鋳造後に直接圧延を施した場合には非
平衡状態のために一部が固溶状態にあり、鋼片の再結晶
温度を上昇せしめ、結果的にフェライト粒径を微細化す
る作用がある。

すなわち、本発明鋼は高温での再加熱工程を経ること
なく特願昭63−143740号と特願平２−72566号で既に提
出されているMo−Nb鋼、Mo鋼と同程度のフェライト粒径
にすることができる。

さらに、Tiは圧延終了後のオーステナイトからフェラ
イトへの変態時にTi（C,N）となって析出することによ
り、建築用構造物に必要な常温強度を得ることを可能に
する。この強度上昇はフェライト中におけるTi（C,N）
の析出強化作用によるものである。

通常、直接圧延材ではフェライト粒径が粗大であるた
め靭性が劣化し、しかも常温強度が十分に得られない。
したがって、直接圧延法を用いた本発明鋼においては、
結晶粒微細化作用と析出強化作用の両方を有するTiの添
加は必須であると言える。また、十分なTi量があれば、
常温まで冷却された段階においても微量のTiが固溶して
いるため、600℃の高温時にこれが変態時と同様な炭窒
化物を形成して高温強度を上昇せしめる効果がある。

なお、Tiは炭窒化物を形成して、溶接熱影響部（HA
Z）靭性を向上させる作用も有する。含有Al量が少ない
場合には、Tiの酸化物を形成することによってもHAZ靭
性を向上させる。特にAlが0.01％以下ではTiが脱酸剤と
しても作用するために、母材中にもTiの酸化物が形成さ
れ、これが母材のフェライト粒径を微細化し、結果的に
常温強度の上昇にも寄与する。

以上に述べたTiの効果は0.005％未満では効果がな
く、0.05％を超えるとHAZ靭性に好ましくない影響があ
るため、0.005〜0.05％に限定する。ただし、高温強度
確保とHAZ靭性への悪影響を極力さける必要がある場合
のTiの好ましい範囲は0.01〜0.03％である。

Moは微細な炭窒化物を形成し、さらに、固溶体強化に
よって高温強度を増加させる。また、本発明鋼中のTi
（C,N）をアトムプローブ電界イオン顕微鏡で観察する
と、Mo無添加鋼に比べると、そのサイズは微細であり、
600℃において数時間の保持を行っても成長していない
ことが観察される。

一般に600℃において１時間以上保持すると高温強度
に有効なTi,Nb,V等の炭窒化物は成長するために強度が
低下してくるが、Mo添加材では析出物の成長が抑制さ
れ、高温強度の低下が抑制される。この理由は、添加し
たMoが変態時に析出したTi（C,N）および600℃で析出す
るTi（C,N）の周辺に偏析することにより、これら析出
物の成長を抑えそのサイズ径を維持するためと考えられ
る。

したがって、本発明においてはMoの添加はTiと同様に
重要である。特願平２−72566号のMo単独鋼の場合にはN
bを添加していないために、その添加量が比較的多く必
要であったが、本発明ではTiが特願昭63−143740号のMo
−Nb鋼におけるNbと同様な効果があるため、Mo添加量の
下限を0.4％とした。しかしながら、Mo量が多すぎると
溶接性が悪くなり、さらに、HAZの靭性が劣化するの
で、Mo量の上限は0.8％とする必要がある。

Moと同様な作用をする元素としてはＷも有効であり、
本発明鋼はこれら元素を１種または２種を同時に含むも
のである。Ｗの添加量はその効果がMoに比べて小さいこ
とから0.8〜1.6％を必要とする。なお、Mo,WがTi（C,
N）に固溶されることなく、Ti（C,N）／マトリックス界
面に偏析する理由は、本来これら元素がTi（C,N）の結
晶構造と異なる炭化物、すなわちMo₂C,W₂Cを形成しやす
いことと、原子サイズがいずれもFe,Tiに比べて大きい
ことに起因していることは容易に推測される。

さて、常温において、溶接構造用鋼材（JISG3106）に
規定する性能を満足し、且つ、600℃の高温において高
い耐力を維持せしめるためには、鋼成分と共に鋼の圧延
終了温度が重要である。

前述のTi添加による常温強度の増大を図るには、圧延
終了温度を800℃以上を必要とする。この理由は、直接
圧延では圧延温度域が低いと強度が低下する傾向がみら
れ、十分な常温強度が得られないことによる。この原因
としては、圧延温度が低い場合には、圧延段階において
オーステナイト中にTi（C,N）が多量に析出するため、
常温強度を担うフェライト中でのTi（C,N）量が減少す
ることによる。

本発明鋼では、600℃の高温強度を得る際にも固溶Ti
を利用していることから、十分な固溶Ti量を確保するた
めに圧延を高温で終了せねばならない。一方、本発明に
おいて、圧延終了温度の上限を1000℃としたのは、建築
用鋼としての靭性を確保するためである。

他方、高温強度を上昇せしめるため、Moを利用するこ
とは、従来のボイラー用鋼管等に利用されている鋼では
知られているが、この鋼は基本的な特性を得るため、圧
延／造管後調質熱処理を施しており、本発明鋼とは製造
プロセスが異なる。

また、建築用に用いる耐火鋼材としては特願昭63−14
3740号明細書に記述されたものがある。この鋼はMoとNb
を同時に添加し、高温加熱−高温圧延により製造するプ
ロセスである。

この製造法は本発明と異なるだけでなく、高温強度を
得るため、MoとNbの複合添加を必須としている。本発明
鋼は常温では低降伏比で、600℃では、常温の70％以上
の降伏強度を有する厚板40mm以下の鋼板の製造に適して
おり、特に再加熱工程の省略によるコストダウンは実生
産上からも大きなメリットである。

つぎに、本発明における前記Ti,Mo以外の成分限定理
由について詳細に説明する。

Ｃは母材及び溶接部の強度確保ならびにTi,Moの添加
効果を発揮させるために必要であり、0.04％未満では効
果が薄れるので下限は0.04％とする。また、Ｃ量が多す
ぎると常温の降伏比が上昇し、さらに、HAZの低温靭性
に悪影響を及ぼすので、0.15％が上限となる。

Siは脱酸上鋼に含まれる元素で、Si量が多くなると溶
接性、HAZ靭性が劣化するので、その上限を0.6％とし
た。

つぎに、Mnは強度、靭性を確保する上で不可欠の元素
であり、その下限は0.3％である。しかし、Mn量が多す
ぎると焼入性が増大して溶接性、HAZ靭性が劣化するた
め、Mnの上限を1.0％とした。

Alは一般に脱酸上鋼に含まれる元素であるが、Si及び
Tiによっても脱酸は行われるので、本発明鋼については
下限は限定しない。しかし、Al量が多くなると鋼の清浄
度が悪くなり、溶接部の靭性が劣化するので上限を0.1
％とした。

Ｎは一般に不可避的不純物として鋼中に含まれるもの
であるが、Ｎ量が多くなるとHAZ靭性の劣化や連続鋳造
スラブの表面キズの発生等を助長するので、その上限を
0.006％とした。

なお、本発明鋼は、不可避的不純物としてＰ及びＳを
含有する。P,Sは高温強度に与える影響は小さいので、
その量については特に限定しないが、一般に靭性、厚板
方向強度等に関する鋼の特性は、これらP,S元素の少な
いほど向上する。望ましいP,S量はそれぞれ0.02％,0.00
5％以下である。

本発明鋼材の基本成分は以上の通りであり、十分に目
的を達成できるが、さらに以下に述べる元素即ち、Cr,
V,Zr,Ta,Ca,REMを選択的に添加すると、強度や靭性の向
上について、さらに好ましい結果が得られる。

つぎに、前記添加元素とその添加量について説明す
る。

Crは母材および溶接部の強度を高める元素であり、耐
候性の向上にも効果はあるが、1.0％を超えると溶接性
やHAZ靭性を劣化させ、また、0.05％以下では効果が薄
い。したがって、Cr量は0.05〜1.0％とする。

Ｖは炭窒化物を形成して強度を増加させ、0.005〜0.1
0％の範囲においてHAZ靭性を向上させる。しかし、0.00
5％以下では効果が無く0.10％を超えるとHAZ靭性に好ま
しくない影響がある。

ZrとTaはＶとほぼ同じ効果をもつが、その効果が有効
な範囲はZrが0.005〜0.03％、Taが0.005〜0.05％であ
る。

Ca,REMは硫化物（MnS）の形態を制御し、溶接部のラ
メラーテアの改善や耐水素誘起割れ性の改善に効果を発
揮するほか、シャルピー吸収エネルギーを増加さけ、低
温靭性を向上させる効果がある。しかし、Ca量は0.0005
％未満では実用上効果がなく、また、0.005％を超える
と、CaO,CaSが大量に生成して大型介在物となり、鋼の
靭性のみならず、清浄度も害し、さらに、溶接性、耐ラ
メラーテア性にも悪影響を与えるので、Ca添加量の範囲
を0.0005〜0.005％とする。

また、REMについてもCaと同様な効果があり、添加量
を多くするとCaと同様な問題が生じ、さらに経済性も悪
くなるので、REM量の下限を0.001％、上限を0.005％と
した。

（実 施 例） 以下では周知の転炉、連続鋳造、さらに再加熱を伴わ
ない直接圧延によって鋼板を製造し、常温と600℃の強
度を調査した結果に基づいて本発明を説明するが、本発
明はこれによって限定されるものではない。

第１表のNo.1〜No.17に本発明鋼を、No.18〜No.23に
比較鋼の化学成分を示す。続いて、第２表に本発明鋼と
比較鋼の加熱、圧延後の製造条件とその強度特性を示
す。

第２表の本発明鋼No.1〜No.17の例では、いずれもミ
クロ組織のフェライト分率が60％を超えており、常温の
降伏比（降伏強度／引張強度）が70％以下と低く、600
℃の降伏強度が常温の70％以上を有している。

これに対し、比較鋼No.18ではTiが添加されていない
ため、常温、600℃の強度とも低く、常温の降伏強度に
対する600℃の降伏強度の割合が70％に達しないレベル
であった。また、比較鋼No.19においてもMoが低いためN
o.18と同様であった。一方、比較鋼No.20はMoが高すぎ
るため、600℃での強度は十分であるが、常温の降伏比
が高すぎ80％にも達した。No.21とNo.22はそれぞれMnと
Ｃが低いため、いずれも常温、600℃の強度と低く、常
温の降伏強度に対する600℃の降伏強度の割合が70％に
達しないレベルであった。さらに、No.23ではその化学
成分がNo.2と同じであるにもかかわらず、圧延終了温度
が低いために常温、600℃の強度がいずれも低いレベル
であった。

（発明の効果） 本発明の化学成分及び製造法で製造した鋼材は600℃
での降伏強度が高く且つ、600℃の降伏強度が常温強度
の70％以上で、常温の降伏比も70％以下と低く、耐火性
及び耐震性の優れた全く新しい鋼である。

フロントページの続き (72)発明者 為広 博 千葉県君津市君津１番地 新日本製鐵株 式会社君津製鐵所内 (56)参考文献 特開 平４−107240（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−50362（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−205630（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 C21D 8/00,8/02

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量比で、 C 0.04〜0.15％、 Si 0.6％以下、 Mn 0.3〜1.0％、 Ti 0.005〜0.05％、 Al 0.1％以下、 N 0.006％以下 残部がFeおよび不可避不純物、さらにMo（0.4〜0.8
   ％）、Ｗ（0.8〜1.6％）の１種あるいは２種からなり、
   常温において70％以下の低降伏比（降伏強度／引張強
   度）と600℃での高温強度が常温強度の70％以上を有す
   る建築用耐火鋼材。
2. 【請求項２】重量比で、 Cr 0.05〜1.0％、 V 0.005〜0.10％、 Zr 0.005〜0.03％、 Ta 0.005〜0.05％、 Ca 0.0005〜0.005％、 REM 0.001〜0.005％ の１種あるいは２種以上を含む請求項１記載の建築用耐
   火鋼材。
3. 【請求項３】重量比で、 C 0.04〜0.15％、 Si 0.6％以下、 Mn 0.3〜1.0％、 Ti 0.005〜0.05％、 Al 0.1％以下、 N 0.006％以下 残部がFeおよび不可避不純物、さらにMo（0.4〜0.8
   ％）、Ｗ（0.8〜1.6％）の１種あるいは２種からなる鋼
   片を連続鋳造後に、直接圧延を800〜1000℃で終了する
   耐火性の優れた建築用低降伏比鋼材の製造方法。
4. 【請求項４】重量比で、 Cr 0.05〜1.0％、 V 0.005〜0.10％、 Zr 0.005〜0.03％、 Ta 0.005〜0.05％、 Ca 0.0005〜0.005％、 REM 0.001〜0.005％ の１種あるいは２種以上を含む請求項３記載の建築用耐
   火鋼材の製造方法。