JP3852279B2 - 耐震性に優れた圧延h形鋼の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高層建築物の梁材等、鋼構造物に用いられる圧延H形鋼で、特に地震時の耐局部座屈性に優れた圧延H形鋼の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
今日の高層建築物には、大地震に見舞われた時、梁部材の塑性変形により地震エネルギーを吸収させ、大崩壊を回避する人的安全性を重視した限界状態設計法が適用される。建築物の梁部材には大地震の際、大きな引張り、圧縮応力が加わり局部座屈を起こし、座屈した場所から亀裂が発生し崩壊に至る場合がある。従って、限界状態設計法で使用される梁部材には優れた耐座屈性が要求される。
【0003】
建築・土木用の梁材には、圧延形鋼の一つであるH形鋼が、大量にかつ安定して製造できるため、その優れた経済性とあいまって、広く用いられている。これまで建築用の圧延形鋼については、特開平5−25588号公報、特開平5−345915号公報に低降伏比の観点から耐震性を向上させる技術が開示されているが、梁部材を対象に直接、耐座屈性に注目した提案は極めて少ない。
【0004】
鋼材、鋼管分野では特開平10−331324号公報、特開平10−121653号公報などに代表されるように耐座屈性に注目した技術が公開されているが、これらの技術はフランジ、ウエブに全く同じ特性の鋼材が使用できる組立てH形鋼において有効な技術であり、圧延H形鋼のようにフランジ、ウエブが接合している形鋼に適用することは難しい。
【0005】
圧延H形鋼の場合、耐座屈性に関与している部位を明確にし、その部位の材質を制御することが重要であるが、このような観点からの検討は行なわれておらず、耐震性に優れた圧延H形鋼が望まれている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、軸方向に作用する圧縮応力による局部座屈を起こしにくく、建築・土木用の梁材などに好適な耐震性に優れた圧延H形鋼の製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため、圧延H形鋼を対象に、フランジ、ウエブの特性と耐座屈性の関係を詳細に検討し、圧延H形鋼の耐座屈性がフランジの特性に支配され、ウエブの寄与は極めて小さいことを見出した。
【0008】
すなわち、本発明は上記知見を基に、更に検討を加えてなされたものである。
【0009】
1.質量%で、C:0.04〜0.18%、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.6〜1.7%、P≦0.05%、S≦0.01%、Al≦0.08%、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を圧延終了温度Ar 3 点以上で熱間圧延後、オーステナイトとフェライトの2相域から、フランジ部を冷却速度3℃/S以上で600℃以下まで冷却することを特徴とする、形鋼軸方向の引張試験においてフランジの降伏強度から公称歪みで5%までの加工硬化指数が0.20以上の耐震性に優れた圧延H形鋼の製造方法。
【0010】
2.前記鋼に、更に、質量%で、Cu:0.05〜1.0%,Ni:0.05〜0.8%,Cr:0.05〜1.0%の一種又は二種以上を含有する1記載の耐震性に優れた圧延H形鋼の製造方法。
【0011】
3.前記鋼に、更に、質量%で、Mo:0.05〜1.0%,Nb:0.005〜0.1%,V:0.005〜0.1%の一種または二種以上を含有する1又は2記載の耐震性に優れた圧延H形鋼の製造方法。
【0012】
4.前記鋼に、更に、質量%で、Ti:0.005〜0.03%を含有する1乃至3の何れかに記載の耐震性に優れた圧延H形鋼の製造方法。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明で規程する機械的特性、成分組成、及び製造条件について詳細に説明する。
【0015】
1.機械的特性
加工硬化指数:0.20以上
本発明では、圧延H形鋼において、フランジの降伏強度から公称歪で5%までの加工硬化指数を0.20以上とする。尚、加工硬化指数は、フランジ部から採取した試験片を用いた引張試験により求めるが、採取位置、試験片形状は特に限定しない。又、降伏強度とは、下降伏点および降伏点が出ない場合、0.2%耐力を意味する。
【0016】
図1に、フランジ、ウエブにおける降伏強度から公称歪みで5%までの加工硬化指数(n値)を種々変化させた圧延H形鋼の耐座屈性を図2に示す試験機を用いた圧縮試験により評価した結果を示す。座屈発生限界歪はフランジの加工硬化指数を0.15から0.22に増加させた場合、1.5倍と大きくなるが、ウエブの加工硬化指数を増加させても大きくならず、すなわち、圧延H形鋼の耐座屈性はフランジの特性に支配され、ウエブの寄与は極めて小さいことが確認された。
【0017】
図3は、フランジの加工硬化指数と座屈発生歪の関係を示すもので、フランジの加工硬化指数を0.20以上とした場合、ウエブの特性に関わらず、座屈発生歪は0.8%以上と優れた特性が得られる。
【0018】
2.成分組成
C:0.04〜0.18%
Cは、鋼の強度を確保するために0.04%以上添加するが、0.18%を超えて多量に含有した場合、靭性あるいは溶接性が劣化するため、0.04〜0.18%とする。
【0019】
Si:0.01〜0.5%
Siは、脱酸のため及び強度を確保するために添加し、本発明では必要とする強度を確保するために含有量を0.01%以上とするが、0.5%を超えるとHAZ靭性及び溶接性が劣化するので、0.01〜0.5%とする。
【0020】
Mn:0.6〜1.7%
Mnは、鋼材の強度・靭性を向上させ、FeSの生成抑制のため、0.6%以上添加するが、1.7%を超えると焼入れ性を増加させ、溶接時に硬化相を生じ、割れ感受性が高くなるため、0.6〜1.7%とする。
【0021】
P:0.05%以下、S:0.01%以下
P,Sは鋼中に混入する不純物として不可避的に存在するが、Pの低減は粒界破壊の防止に有効であり、Sの低減は溶接熱影響部の水素割れ防止に有効であるため、P,Sの含有範囲をそれぞれ0.05%以下、0.01%以下とする。
【0022】
Al:0.08%以下
Alは、脱酸のため、添加されるが、多量に含有すると鋼の清浄度を低下させ、溶接部の靭性を劣化させるため0.08%以下とする。
【0023】
N:0.008%以下
Nは、鋼中に含まれる不可避的な不純物であるが、多量に含まれるとHAZ靭性が劣化し、連続鋳造スラブの疵の発生を助長させるため、0.008%以下とする。
【0024】
本発明は以上を基本成分とすることで、圧延後のオフラインでの熱処理を要することなく十分な特性が得られるが、更に特性を向上させるため以下の元素を一種又は二種以上添加することができる。
【0025】
Cu:0.05〜1.0%
Cuは、強度上昇および靭性改善に非常に有効で、その効果を十分得るため0.05%以上添加するが、1.0%を超えて添加されると析出硬化が著しくまた鋼材表面に割れが生じやすくなるため1.0%以下とする。
【0026】
Ni:0.05〜0.8%
Niは、母材の強度ならびに靭性を向上させるため0.05%以上添加するが、0.8%を超えて添加すると高価となるため、0.05〜0.8%とする。
【0027】
Cr:0.05〜1.0%
Crは、焼入れ性向上に有効であるが、0.05%未満では効果が小さく、1.0%を超えて添加すると溶接性やHAZ靭性を劣化させるので、0.05〜1.0%とする。
【0028】
Mo:0.05〜1.0%
Moは、焼入れ性を高めるとともに焼戻し軟化抵抗を高め、強度上昇に有効であるが、0.05%未満では効果が小さく、1.0%を超えると溶接性を劣化させるとともに炭化物を析出し降伏比を上昇させるため、0.05〜1.0%とする。
【0029】
Nb:0.005〜0.1%未満
Nbは、微細炭窒化物の析出効果により強度上昇、靭性向上に有効であるが、0.005%未満では効果が得られず、0.1%以上添加すると、過度の析出効果により降伏比低下が妨げられるため、0.005〜0.1%未満とする。
【0030】
V:0.01〜0.1%
Vは、少量で焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化抵抗を高めるが、0.01%未満ではその効果が得られず、0.1%を超えて添加すると溶接性を劣化させるため、0.01〜0.1%とする。
【0031】
Ti:0.005〜0.03%
Tiは、TiNがHAZ部の結晶粒粗大化を抑制し、HAZ靭性を向上させるが、0.005%未満ではその効果が得られず、0.03%を超えて添加すると溶接の冷却過程でTiCが析出し、HAZ靭性が劣化するので、0.005〜0.03%とする。
【0032】
3.製造条件
本発明では熱間圧延条件、冷却条件を以下のように規程する。これらの規程は少なくともフランジの製造において満足されていれば良く、ウエブについては特にその製造条件は規定しない。
【0033】
熱間圧延
上記、好適成分の鋼スラブ、ブルーム等を加熱後、熱間圧延を行う。加熱温度が1350℃以上では圧延、冷却後の組織が著しく粗大化し、靭性が大幅に劣化する。一方、1050℃以下の場合、Ar3点以上でH形鋼を圧延することが難しくなるため、1050〜1350℃とすることが望ましい。
【0034】
熱間圧延の仕上げ圧延温度はAr3点未満で圧延を行った場合、フェライトの圧延による加工硬化のため、降伏点が上昇し、本発明の骨子である0.20%以上の加工硬化指数が得られないため、Ar3点以上とする。
【0035】
冷却条件
フェライトと硬質相の混合組織を有し、0.20%以上の加工硬化指数を得るため、圧延終了後、オーステナイトとフェライトの2相域から、フランジ部の表裏面を水などを用いて600℃以下まで、冷却速度3℃/sec以上で冷却する。
【0036】
【実施例】
(実施例1)
表1に示す本発明の化学成分を満足する供試鋼を用い、圧延H形鋼を製造し、耐座屈性を評価した。試験体は200×200×8×12(mm)と300×300×10×15(mm)で、それぞれ、長さ800mmとした。試験結果を表2に示す。No.1,5は、Ar3点以下で圧延し、空冷、N0.2,6はAr3点以上で圧延し、空冷により、およびNo.3,4,7,8はAr3点以上で圧延し、2相域からフランジ部の表裏面を加速冷却し製造した。
【0037】
フランジの降伏強度から公称歪みで5%までの加工硬化指数(n値)が0.20未満の実施例1,2,5,6はいずれのサイズでも、圧縮歪0.8%で座屈が発生したが、本発明条件を満足している実施例3,4,7,8ではいずれのサイズで圧縮歪0.8%でも座屈が全く発生せず、良好な耐座屈性が得られている。
【0038】
尚、フランジの加工硬化指数は、フランジ部の1/4Fより採取したJIS1A号試験片による引張試験で求めた。
【0039】
【表1】
【0040】
【表2】
【0041】
(実施例2)
表3に示す本発明の化学成分を満足する供試鋼を用い、表4に示す製造条件で300×300×10×15(mm)、長さ800mmの試験体を製作し、耐座屈特性を試験した。製造条件は耐座屈特性に及ぼすn値の影響を調べるため、熱間圧延後の冷却条件を種々変化させた。
【0042】
その結果、H形鋼圧延後、空冷した実施例9、12、15、H形鋼圧延後、オーステナイト(γ)域からフランジ部を加速冷却した実施例13はいずれも加工硬化指数が0.20未満であり、圧縮歪0.8%で座屈が発生した。一方、本発明条件を満足する実施例10,11,14,16,17は圧縮歪0.8%で座屈が全く発生せず、良好な耐座屈性を有していることが確認された。
【0043】
【表3】
【0044】
【表4】
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フランジの加工硬化指数が0.20以上と変形能に優れ、軸方向に作用する圧縮応力に対して、局部座屈を起こしにくく、耐座屈性に優れているH形鋼が得られので、巨大地震の際、大きな引張、圧縮応力が加わる建築物の梁材などに用いた場合、大崩壊を回避し、人的安全性を確保することが可能で産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】フランジ、ウエブのn値と座屈発生限界歪の関係を示す図。
【図2】耐座屈性評価試験法の概要を模式的に示す図。
【図3】フランジの降伏強さから公称歪で5%までの加工硬化指数と座屈発生限界歪の関係を示す図。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.04〜0.18%、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.6〜1.7%、P≦0.05%、S≦0.01%、Al≦0.08%、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を圧延終了温度Ar 3 点以上で熱間圧延後、オーステナイトとフェライトの2相域から、フランジ部を冷却速度3℃/S以上で600℃以下まで冷却することを特徴とする、形鋼軸方向の引張試験においてフランジの降伏強度から公称歪みで5%までの加工硬化指数が0.20以上の耐震性に優れた圧延H形鋼の製造方法。
- 前記鋼に、更に、質量%で、Cu:0.05〜1.0%,Ni:0.05〜0.8%,Cr:0.05〜1.0%の一種又は二種以上を含有する請求項1記載の耐震性に優れた圧延H形鋼の製造方法。
- 前記鋼に、更に、質量%で、Mo:0.05〜1.0%,Nb:0.005〜0.1%,V:0.005〜0.1%の一種または二種以上を含有する請求項1又は2記載の耐震性に優れた圧延H形鋼の製造方法。
- 前記鋼に、更に、質量%で、Ti:0.005〜0.03%を含有する請求項1乃至3の何れかに記載の耐震性に優れた圧延H形鋼の製造方法。
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