JP3774577B2

JP3774577B2 - 制震デバイス用低降伏点鋼

Info

Publication number: JP3774577B2
Application number: JP28228598A
Authority: JP
Inventors: 義之渡部; 淳彦吉江
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2018-10-05
Also published as: JP2000109953A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として地震による建物への入力エネルギーを特定の部位に吸収させ耐震性能を確保するためのエネルギー吸収デバイス用低降伏点鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より行われている耐震設計は、大地震時に柱や梁の構造体が塑性化することによりエネルギーを吸収しようとするものであり、建築物の倒壊を防ぎ人的被害の防止を大前提としながら、建設コストも比較的低く抑えることができる非常に合理的な設計法である。
【０００３】
一方、近年の耐震設計技術の発展により、制振・免震構造の開発と実用化が進み、地震による建物への入力エネルギーを特定の部位（エネルギー吸収デバイス）に吸収させ耐震性能を確保するとともに、主要構造である柱、梁の損傷を防止する設計技術が注目されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような制震デバイス用として低降伏点鋼が利用される。その原理は、通常の柱や梁の構造材よりも降伏点が低いことにより、地震時に早期に降伏し、地震による振動エネルギーを塑性エネルギーに変換することで振動応答を抑えるというものである。
【０００５】
低降伏点化するためには、特開平３−３１４６７号公報に開示されているように添加元素のほとんどない純鉄に近いものとし、場合によっては特開平５−２１４４４２号公報、特開平５−３２０７６０号公報、特開平５−３２０７６１号公報などに開示されているように純鉄に近い成分をさらに高温で焼準処理される。これらはいずれも粗粒なフェライトにすることによる低降伏点化のため、低温靭性に劣るという欠点があった。また、いずれもＣを０．００５％以下とする必要があり、製鋼工程への負荷が高く、添加元素はほとんどないにも関わらずコスト的には必ずしも有利ではないという問題があった。さらに、これらの鋼では（極）低Ｃ＋粗粒フェライトであるため、引張試験における荷重−伸び曲線は降伏点の出ないラウンドものとなって、降伏比が低く、地震エネルギー吸収後、すなわち加工硬化による降伏点の上昇が大きく、エネルギー吸収デバイス用鋼としては好ましくないという問題があった。本発明は、Ｃを極端に低減することなしに制震デバイス用鋼として優れた性能を発揮する低降伏点鋼を提供することを課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、Ｃを極端に低減することなくＣ、Ｎ、Ｔｉ当量間の関係を適切に制限することにより実効的なＣを低減し、組織を制御することで制震デバイス用鋼として優れた性能を発揮するようにしたものである。
【０００７】
本発明の要旨は、以下の通りである。
【０００８】
（１）質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０６％以下、
Ｓｉ：０．４％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｐ：０．０２５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ａｌ：０．０６％以下、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、
Ｎ：０．００６％以下に加え、
Ｎｂ：０．００５〜０．０８％、
Ｖ：０．００５〜０．１２％、
Ｔａ：０．００５〜０．１％、
の範囲内で、
Ｔｉ（ｅｑ．）＝Ｔｉ＋Ｎｂ／１．９４＋Ｖ／１．０６＋Ｔａ／３．７７
と定義するＴｉ当量とＣ、Ｎ量との間の関係が
−０．０１％≦Ｃ−［Ｔｉ（ｅｑ．）−３．４Ｎ］／４≦０．０１％
を満足するようＮｂ、Ｖ、Ｔａのうち一種以上を含有し（ただし、Ｎｂ、Ｖの一方または両者だけを含有する場合を除く）、残部が鉄および不可避的不純物からなり、ミクロ組織がフェライト単相で、かつ任意の断面におけるフェライト粒径としての平均切片長さが１５〜６０μｍであることを特徴とする制震デバイス用低降伏点鋼。
【０００９】
（２）鋼組成としてさらに、質量％で、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの１種以上を、それぞれ０．０３〜０．５０％の範囲で含有することを特徴とする上記（１）項記載の制震デバイス用低降伏点鋼。
【００１０】
（３）鋼組成としてさらに、質量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．００４％を含有することを特徴とする上記（１）又は（２）記載の制震デバイス用低降伏点鋼。
【００１１】
（４）質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０６％以下、
Ｓｉ：０．４％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｐ：０．０２５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ａｌ：０．０６％以下、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、
Ｎ：０．００６％以下に加え、
Ｎｂ：０．００５〜０．０８％、
Ｖ：０．００５〜０．１２％、
Ｔａ：０．００５〜０．１％、
の範囲内で、
Ｔｉ（ｅｑ．）＝Ｔｉ＋Ｎｂ／１．９４＋Ｖ／１．０６＋Ｔａ／３．７７
と定義するＴｉ当量とＣ、Ｎ量との間の関係が
−０．０１％≦Ｃ−［Ｔｉ（ｅｑ．）−３．４Ｎ］／４≦０．０１％
を満足するようＮｂ、Ｖ、Ｔａのうち一種以上を含有し、さらに、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの１種以上を、それぞれ０．０３〜０．５０％の範囲で含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、ミクロ組織がフェライト単相で、かつ任意の断面におけるフェライト粒径としての平均切片長さが１５〜６０μｍであることを特徴とする制震デバイス用低降伏点鋼。
（５）鋼組成としてさらに、質量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．００４％を含有することを特徴とする上記（４）項記載の制震デバイス用低降伏点鋼。
（６）引張試験において、上下降伏点を有し、さらに下降伏点と引張強さとの比が５０％以上であることを特徴とする上記（１）〜（５）項の内のいずれか１つに記載の制震デバイス用低降伏点鋼。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明が、請求項の通りに鋼組成を限定した理由について説明する。
【００１３】
Ｃは、靭性を劣化させ、強度上昇させるパーライトなどの硬質第二相の生成に大きな影響を及ぼすもので、本発明鋼においては低いほど好ましい。しかし、脱炭のための製鋼コストを考慮し、下限を０．００５％とした。一方、その上限については、後述するように実質的なＣ量低減のためのＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａの適正添加により、かなりの量まで許容できるが、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａの必要添加量が多くなり、コスト的にも、また溶接部の靭性の観点からも好ましくないため、上限を０．０６％に限定した。
【００１４】
Ｓｉは脱酸上鋼に含まれる元素であるが、多く添加すると溶接性、ＨＡＺ靭性が劣化するため、上限を０．４％に限定した。鋼の脱酸はＴｉ、Ａｌのみでも十分可能であり、ＨＡＺ靱性、焼入性などの観点から低いほど好ましく、必ずしも添加する必要はない。
【００１５】
Ｍｎは固溶強度元素として母材の強度を上昇させるため、必要とする強度レベルに応じて、任意に添加できる。しかし、Ｍｎ量が多すぎると焼入性が上昇して溶接性、ＨＡＺ靭性を劣化させるだけでなく、連続鋳造スラブの中心偏析を助長するので上限を１．５％とした。
【００１６】
Ｐは本発明鋼においては不純物であり、Ｐ量の低減はＨＡＺにおける粒界破壊を減少させる傾向があるため、少ないほど好ましい。含有量が多いと母材、溶接部の低温靭性を劣化させるため上限を０．０２５％とした。
【００１７】
ＳはＰと同様本発明鋼においては不純物であり、母材の低温靭性の観点からは少ないほど好ましい。含有量が多いと母材、溶接部の低温靭性を劣化させるため上限を０．０１５％とした。
【００１８】
Ａｌは、一般に脱酸上鋼に含まれる元素であるが、脱酸はＳｉまたはＴｉだけでも十分であり、本発明鋼においては、その下限は限定しない。しかし、Ａｌ量が多くなると鋼の清浄度が悪くなるだけでなく、溶接金属の靭性が劣化するので上限を０．０６％とした。
【００１９】
Ｔｉは、Ｃを固定し、実効的なＣ量を低減させる上で本発明においては不可欠な元素である。Ｃの固定は、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａでも可能であるが、Ｔｉに比べて越すとが高く、またＴｉはＣ固定の効率が良く、母材特性も損なわないので、添加することが最も好ましく、０．００５％以上の添加を必須とした。上限については、Ｃ固定の観点からＣ量に応じた必要量が算出されるが、Ｔｉの絶対量が増えると、ＨＡＺ靭性を損なうため、上限を０．０５％とした。Ｃ固定に対して化学量論的に不足する分は、後述するＮｂ、Ｖ、Ｔａで補うこととした。
【００２０】
Ｎｂ、Ｖ、ＴａはいずれもＣを固定し、Ｔｉの補完的な意味を持つ。Ｃ固定の観点から化学量論的に等価なＴｉ量＝Ｔｉ当量（Ｔｉ（ｅｑ．））として、
Ｔｉ（ｅｑ．）＝Ｔｉ＋Ｎｂ／１．９４＋Ｖ／１．０６＋Ｔａ／３．７７と表すことができる。
【００２１】
したがって、実際の添加量は、後述するＣ、Ｎ、Ｔｉ当量間の関係から自ずと限定される。添加する場合には、その効果を発現させるため、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａは各々最低０．００５％の添加が必要である。Ｎｂ、Ｖ、Ｔａは三者とも添加する必要はなく、単独添加でも良いが、おのおのの上限はコストやＨＡＺ靭性の観点から、０．０８％、０．１２％、０．１％に限定しており、二種以上の複合添加は、おのおのの絶対量を低減できるため好ましい。
【００２２】
Ｎは不可避的不純物として鋼中に含まれるものであるが、Ｃを固定するためのＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａを窒化物として消費してしまうため、上限を０．００６％に限定した。
【００２３】
鋼の個々の成分を上記の通り限定した上で、Ｃ、Ｎ、Ｔｉ当量間の関係を
−０．０１％≦Ｃ−［Ｔｉ（ｅｑ．）−３．４Ｎ］／４≦０．０１％
となるように限定する。Ｃ−［Ｔｉ（ｅｑ．）−３．４Ｎ］／４はＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、ＴａがＣ、Ｎを固定した後、化学量論的に残存するＣ量を表し、パーライトなどの硬質組織生成に関わる実効的なＣ量である。硬質組織は脆性破壊発生の起点となり、靭性を劣化させるため、実効Ｃ量は０．０１％以下とする必要がある。実効Ｃ量が負ということはＴｉ当量が過剰であることを意味し、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａのコストや過剰添加による粗大析出物による靭性劣化、さらには固溶Ｃ、Ｎの完全固定による上下降伏点の消失の点から−０．０１％以上とした。実効Ｃ量を上記範囲に限定することで、ミクロ組織は必然的にフェライト単相となる。換言すれば、破壊の起点となる硬質組織の生成を抑制しフェライト単相としなければ、高靭性は達成し得ない。
【００２４】
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏは、特に粗粒フェライトの場合に、目的とする（下）降伏点レベルに応じて、固溶強化元素としてそれぞれ任意に添加することができる。不可避的混入ではなく、意図的に添加し、強度レベルに寄与するためそれぞれ添加量の下限は０．０３％とした。ただし、多量に添加すると、溶接熱影響部の靭性を劣化させるため、上限はいずれも０．５０％に限定した。
【００２５】
実効Ｃ量を上記範囲に限定し、硬質組織生成を抑制することで靭性は著しく改善されるが、さらに、Ｃａを添加することでＭｎＳの形態を制御し、靭性をより改善することが可能となる。ＭｎＳの形態制御の効果を発揮するためには、最低０．０００５％の添加が必要である。しかし、過剰な添加はＣａ−Ｏ−Ｓ系の粗大介在物を形成し、靭性に悪影響を及ぼすため、上限を０．００４％とした。
【００２６】
さらに、上記フェライト単相組織で、低降伏点と降伏比５０％以上を達成するためには、フェライト粒径を適正範囲に制御する必要がある。降伏強度は、フェライト粒径との相関が高く、粗粒ほど強度が低くなる。しかし、粗粒になると降伏点伸びが小さくなり、ついには上下降伏点が消失してしまう。このため、フェライト粒径は、任意の断面での平均切片長さで１５〜６０μｍに限定した。上下限は、上下降伏点を有し、かつ低降伏点を維持できる範囲である。この上下降伏点は、高降伏比化のため、必ず出現するよう制御しなければならない。上下降伏点が消失し、引張試験における荷重−伸び曲線がラウンドになると、降伏強度として一般に０．２％耐力がとられ、みかけの降伏強度が低くなって降伏比が低くなるためである。降伏比が高いということは、制震デバイス用鋼として地震エネルギー吸収後の加工硬化による降伏点の上昇が小さいことを意味し、当該用途鋼にとっては非常に好ましいものである。上下降伏点が出現することで降伏比は必然的に高くなるが、本発明の権利範囲を明確に主張するため、下降伏点と引張強さとの比で５０％以上に限定するが、歪み（加工）硬化の観点からは、高いほど望ましく、６０％以上が好ましい。
【００２７】
なお、本発明においては製造方法は特に限定しないが、必要とする降伏点レベルに応じて、フェライト粒径制御の観点から普通圧延のみならず若干の制御圧延を行っても良く、さらに圧延後は放冷のほか、必要に応じ、焼き戻し処理や焼きならし処理を施した場合でも、鋼成分、組織その他が本発明の限定範囲を満足することができれば、本発明の目的とする性能を発揮することが可能である。
【００２８】
【実施例】
転炉−連続鋳造−厚板工程で種々の鋼成分の鋼板（厚さ１２〜５０ｍｍ）を製造し、その組織、機械的性質および溶接継ぎ手性能を調査した。
【００２９】
表１に比較鋼とともに本発明鋼の鋼成分を、また表２に鋼板のミクロ組織と諸特性、およびその時の製造プロセスを示す。なお、溶接は、レ形開先、入熱３．５ｋＪ／ｍｍのＣＯ₂溶接（多層盛）で、シャルピー試験片は１／４板厚から採取し、ノッチ位置はＦＬ（溶融線）およびＨＡＺ中央とした。
【００３０】
本発明に則った鋼板（本発明鋼）は、いずれも良好な特性を有する。
【００３１】
これに対し、本発明によらない比較鋼は、いずれかの特性が劣る。すなわち、鋼成分の点から、比較鋼はいずれもＣ、Ｔｉ当量（Ｔｉ（ｅｑ．））、Ｎ量間の関係が適正でなく、Ｃ−［Ｔｉ（ｅｑ．）−３．４Ｎ］／４の値が本発明が規定する範囲を逸脱しているため、総じて母材および溶接部靭性に劣る。
【００３２】
個々に説明すると、比較鋼６は、Ｃ量が高く、Ｃ固定のための炭化物形成元素（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ）の総量が不足しているため、Ｃ固定が不十分となってフェライト単独組織が得られず母材の靭性が劣る。また、Ｃ量が多いことやフェライト粒径が小さいために下降伏点が高い。さらに、Ｔｉ量が本発明の上限規定を超えているため、溶接部靭性にも劣る。比較鋼７は、炭化物形成元素（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ）が添加されておらず、Ｃ量の絶対値が低いためにフェライト単独組織ではあるが、Ｃ固定が不十分で母材および溶接部靭性に劣る。比較鋼８は、Ｎ量が高いためにＣ固定のための炭化物形成元素を消費し、Ｃ固定が不十分となってフェライト単独組織が得られず、下降伏点がやや高く、母材および溶接部靭性にも劣る。比較鋼９は、炭化物形成元素が過剰なため、母材および溶接部靭性に劣るばかりでなく、降伏点が消失するため降伏比が低い。比較鋼１０は、Ｃ固定のためのＴｉが添加されていないため、Ｃ固定が不十分となってフェライト単独組織が得られず、下降伏点かやや高く、母材および溶接部靭性にも劣る。
【００３３】
【表１】

【００３４】
【表２】

【００３５】
【発明の効果】
本発明により、建築物の地震時のエネルギー吸収デバイス用として靭性に優れた低降伏点鋼が安価に供給可能となり、地震時の建物の安全性をより一層高めることが可能となった。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０６％以下、
Ｓｉ：０．４％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｐ：０．０２５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ａｌ：０．０６％以下、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、
Ｎ：０．００６％以下に加え、
Ｎｂ：０．００５〜０．０８％、
Ｖ：０．００５〜０．１２％、
Ｔａ：０．００５〜０．１％、
の範囲内で、
Ｔｉ（ｅｑ．）＝Ｔｉ＋Ｎｂ／１．９４＋Ｖ／１．０６＋Ｔａ／３．７７
と定義するＴｉ当量とＣ、Ｎ量との間の関係が
−０．０１％≦Ｃ−［Ｔｉ（ｅｑ．）−３．４Ｎ］／４≦０．０１％
を満足するようＮｂ、Ｖ、Ｔａのうち一種以上を含有し（ただし、Ｎｂ、Ｖの一方または両者だけを含有する場合を除く）、残部が鉄および不可避的不純物からなり、ミクロ組織がフェライト単相で、かつ任意の断面におけるフェライト粒径としての平均切片長さが１５〜６０μｍであることを特徴とする制震デバイス用低降伏点鋼。
鋼組成としてさらに、質量％で、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの１種以上を、それぞれ０．０３〜０．５０％の範囲で含有することを特徴とする請求項１記載の制震デバイス用低降伏点鋼。
鋼組成としてさらに、質量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．００４％を含有することを特徴とする請求項１又は２記載の制震デバイス用低降伏点鋼。
質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０６％以下、
Ｓｉ：０．４％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｐ：０．０２５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ａｌ：０．０６％以下、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、
Ｎ：０．００６％以下に加え、
Ｎｂ：０．００５〜０．０８％、
Ｖ：０．００５〜０．１２％、
Ｔａ：０．００５〜０．１％、
の範囲内で、
Ｔｉ（ｅｑ．）＝Ｔｉ＋Ｎｂ／１．９４＋Ｖ／１．０６＋Ｔａ／３．７７
と定義するＴｉ当量とＣ、Ｎ量との間の関係が
−０．０１％≦Ｃ−［Ｔｉ（ｅｑ．）−３．４Ｎ］／４≦０．０１％
を満足するようＮｂ、Ｖ、Ｔａのうち一種以上を含有し、さらに、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの１種以上を、それぞれ０．０３〜０．５０％の範囲で含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、ミクロ組織がフェライト単相で、かつ任意の断面におけるフェライト粒径としての平均切片長さが１５〜６０μｍであることを特徴とする制震デバイス用低降伏点鋼。
鋼組成としてさらに、質量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．００４％を含有することを特徴とする請求項４記載の制震デバイス用低降伏点鋼。
引張試験において、上下降伏点を有し、さらに下降伏点と引張強さとの比が５０％以上であることを特徴とする請求項１〜５の内のいずれか１つに記載の制震デバイス用低降伏点鋼。