JP3863647B2 - トンネル支保工用h形鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はトンネル工事における支保に用いられる高強度H形鋼およびその製造法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
トンネルの支保のパターンとしては地質の状況に応じて種々のものが実用化されており、詳細はトンネル標準示方書(山岳編)などに述べられている。ロックボルトを地中に打ち込む方法は共通であるが、トンネルの内壁を支保するものとしてはコンクリートを吹き付けるもの、鋼製の支保工をアーチ型に曲げ加工して用いるものが主なものである。
【0003】
従来は鋼製の支保工として曲げ加工性の良い400N/mm2 級の高張力の形鋼が用いられてきた。しかしながら、近年のトンネルの大断面化により、トンネルの断面形状が従来の円形から偏平になり、荷重形態も軸力のみが主たる外力であったものから、軸力と曲げ力が組み合わさったものに変化してきた。そのため、従来の400N/mm2 級の鋼製の支保工を用いると、断面積と断面係数の大きなものが必要となり、施工工期が長くなり、且つ施工コストは大幅に増加するという問題点があった。
【0004】
しかしながらこれまでにトンネル支保用に400N/mm2 級を超える支保工が用いられた例はない。これは、トンネル支保工には強度のみならず、耐溶接割れ性が良好なこと、水素性欠陥がないこと、靭性が良好なことなど、多くの要求が伴うため、高強度鋼でこれらの要求を満足することは難しかったためである。
【0005】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明は、耐溶接割れ性が良好で水素性欠陥が極めて少なく、さらに靭性も良好な引張強度590N/mm2 級のトンネル支保工用H形鋼とその製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記のような従来のトンネル支保工用H形鋼の欠点を有利に排除しうる、耐溶接割れ性が良好で水素性欠陥が極めて少なく、さらに靭性も良好な引張強度590N/mm2 級のトンネル支保工用H形鋼とその製造方法であり、その要旨とする所は次の通りである。
【0007】
(1) 重量%で、
C :0.08%〜0.17%、 Si:0.05%〜0.22%、
Mn:0.9%〜1.8%、 Al:0.005%〜0.10%、
Ti:0.005%〜0.05%、Nb:0.02%〜0.07%、および
Mo:0.1%〜0.5%、 V :0.01%〜0.1%の1種または2種を含有し、
不純物として、
S :0.010%以下、 P :0.020%以下、
H :2.5ppm以下、 N :50ppm超120ppm以下に制限し、
残部がFeおよび不可避的不純物からなるフランジとウェブの厚みが6mm以上25mm以下で、金属組織が全面にわたり上部ベイナイト組織が60%以上であることを特徴とする引張り強度が全面にわたり590N/mm2以上780N/mm2以下のトンネル支保工用H形鋼。
【0009】
(2) 前項(1)に記載の鋼に、さらに重量%で、
Cu:0.05%〜0.5%、 Ni:0.05%〜0.5%、
Cr:0.05%〜0.5%、 Co:0.05%〜0.5%、
W :0.05%〜0.5%
の1種または2種以上を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり590N/mm2以上780N/mm2以下のトンネル支保工用H形鋼。
【0010】
(3) 前項(1)または(2)に記載の鋼に、さらに重量%で、B:0.0002%〜0.0025%を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり590N/mm2以上780N/mm2以下のトンネル支保工用H形鋼。
【0011】
(4) 前項(1)乃至(3)のいずれか1項に記載の鋼に、さらに重量%で、Rem:0.002%〜0.10%、Ca:0.0003%〜0.0030%の1種または2種以上を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり590N/mm2以上780N/mm2以下のトンネル支保工用H形鋼。
【0012】
(5) 前項(1)乃至(4)のいずれか1項に記載の鋼に、さらに重量%で、Mg:0.0003%〜0.01%を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり590N/mm2以上780N/mm2以下のトンネル支保工用H形鋼。
【0013】
(6) 前項(1)乃至(5)のいずれか1項に記載の成分を含有する鋼片または鋳片を1250℃以上に加熱した後に、900℃以上の温度域でフランジ厚6mm以上25mm以下、ウエブ厚さ6mm以上25mm以下の範囲にあるH形鋼への圧延を終了し、圧延後放冷することを特徴とする引張り強度が全面にわたり590N/mm2以上780N/mm2以下のトンネル支保工用H形鋼の製造方法。
【0014】
【発明実施の形態】
以下本発明について詳細に説明する。
本発明の根幹をなす技術思想は以下の通りである。
大断面のトンネルに従来の400N/mm2 級の鋼製の支保工を用いると、断面積と断面係数の大きなものが必要となり、施工工期が長くなり、且つ施工コストは大幅に増加してしまう。従来のサイズで大断面のトンネルに耐え得る断面係数を有するためには、H形鋼の強度は590N/mm2 以上必要である。
【0015】
一般に、鋼を高強度化する方法としては固溶強化、析出効果、変態強化、加工硬化などの機構が用いられる。H形鋼のように部位によって厚みが異なり、よって熱間圧延後に変態する際の冷却速度も異なる場合は、強化機構が冷却速度に比較的依存しない固溶強化、加工硬化を用いることが好ましい。しかし過度の固溶強化は溶接性を損ない、且つ製造コストを著しく上昇させる。またH形鋼を冷間加工で製造することは加工装置に多大なパワーが要求されるため不可能に近く、よって加工硬化による高強度化も期待できない。
析出効果、変態強化は変態時の冷却速度依存性が非常に大きいため、これまではH形鋼の高強度化機構としては不適であった。
【0016】
しかしながら本発明者らは、所定の成分系の鋼を用いて、所定のサイズのH形鋼を製造すれば、全部位にわたって上部ベイナイト組織が60%以上となり、590N/mm2 以上780N/mm2 以下の範囲の任意の強度が安定して得られることを見出だした。
【0017】
一般にH形鋼はフランジの板厚がウェブの板厚の1.5倍程度であるため、最終形状になるまでの圧下比はフランジとウェブで大きく異なる。このため、変態直前のオーステナイト粒径がフランジで大きくウェブで小さくなり、変態挙動も異なったものとなる。すなわちフランジではベイナイト変態が起こりやすく、ウェブでは起こりにくいため、全部位にわたって上部ベイナイト組織が60%以上とはならない。さらに本発明で規定しているサイズのH形鋼は比較的フランジとウェブの板厚が薄いため圧延のパス数が多くなる。この結果、圧延仕上げ温度がAr3 点を切って材質異方性がでやすくなる。これを防止するために通常は1300℃程度の高温加熱をする。そのため圧延開始時のオーステナイト粒径が非常に粗大で圧延終了時のオーステナイト粒径は圧下比の影響を受けやすくなる。
【0018】
本発明では高温加熱でも安定して均一なオーステナイト粒径を得るためにあえてNを高め、さらに適量のTiを添加することにより、本発明で規定したサイズのH形鋼であればフランジとウェブのオーステナイト粒径を比較的整粒で同じようなサイズに揃えることを可能とした。
また、本発明の製造法では、熱間圧延後に特に水冷などの特別な処置を講ずることなく安定してベイナイト組織が得られるため、製造コストの上昇を招くこともない。
【0019】
また、トンネル支保工には強度のみならず、耐溶接割れ性が良好なこと、水素性欠陥がないこと、靭性、延性が良好なことなど、多くの要求が伴い、従来の高強度鋼でこれらの要求を満足することは難しかったが、本発明のように比較的少ない合金添加量で変態直前のオーステナイト粒径は均一化を図り、変態後の組織を60%以上の上部ベイナイト組織とすれば、耐溶接割れ性、靭性、延性ともに良好な特性が得られることも見出だした。また、水素性欠陥の防止は鋼中の水素量を制限することにより達成可能である。
【0020】
以下に製造方法の限定理由を詳細に説明する。
まず本発明における出発材の成分の限定理由について述べる。
Cは、鋼を強化するのに有効な元素であり、0.08%未満では十分な強度が得られない。一方、その含有量が0.17%を超えると硬化しすぎて割れやすくなる。
【0021】
Siは脱酸元素として、また鋼の強化元素として有効であるが、0.05%未満の含有量ではその効果がない。一方、0.22%を超えると、溶接部の靭性を損なう。
【0022】
Mnは鋼の強化に有効な元素であり、0.9%未満では十分な効果が得られない。一方、その含有量が1.8%を超えると鋼の加工性を劣化させる。
【0023】
Alは脱酸元素として添加される。0.005%未満の含有量ではその効果がなく、0.1%を超えると、鋼の表面性状を損なう。
【0024】
SはMnSを生成し、超音波探傷時の不合格の原因となるため、含有量を0.01%以下に制限する。
【0025】
Pは靭性を劣化するため、含有量を0.02%以下に制限する。
【0026】
Hは水素性欠陥の原因となる。すなわち、水素は圧延前の鋼片または鋳片内にあるポロシティー内に集まり、圧延によりそのポロシティーが圧着するのを阻害するため、含有量を2.5ppm 以下に制限する。
【0027】
Nは本発明において重要な役割を担う。1250℃を超えるような高温加熱ではオーステナイト粒径が粗大化し、圧延終了時のオーステナイト粒径がフランジとウェブで大きく異なり、変態後の金属組織の様相が大きく変動してしまう。そこで適量のTiとの組み合わせにより加熱時のオーステナイト粒径を均一細粒化する。さらに加熱時にTiと結合しないNは圧延中、圧延後のTi,NbおよびVの炭窒化物を微細分散させることにより強度の向上に寄与する。Nが50ppm 以下では加熱時のオーステナイト粒径の均一細粒化が不十分である。またNが120ppm を超えると固溶N量の増加により延性・靭性が著しく劣化するため、含有量を50ppm 超120ppm 以下に限定する。
【0028】
TiはNと結合して加熱時のオーステナイト粒径を均一細粒化する。さらに、圧延中、圧延後にもN,Cと炭窒化物を生成し強度を上昇させる。添加量が0.005%未満では加熱時のオーステナイト粒径が均一細粒化しない。また添加量が0.05%超ではTiCが過剰に析出し靭性を著しく劣化させるため、添加量を0.005%以上0.05%以下に制限する。
【0029】
Nbは本発明鋼にとって特に主要な役割を果たす元素であり、MoあるいはVと複合添加することにより、低冷却速度での鋼の焼き入れ性を著しく増加させ、ベイナイト組織を生成させる。その添加量が0.02%未満ではその効果がなく、0.07%超ではその効果が飽和し、且つ溶接部の靭性を劣化させるため、添加量の範囲を0.02%以上0.07%以下とする。
【0030】
Moも本発明鋼にとって特に主要な役割を果たす元素であり、Nbと複合添加することにより、低冷却速度での鋼の焼き入れ性を著しく増加させ、ベイナイト組織を生成させる。その添加量が0.1%未満ではその効果がなく、0.5%超では溶接性を劣化させるため、添加量の範囲を0.1%以上0.5%以下とする。
【0031】
Vも本発明鋼にとって特に主要な役割を果たす元素であり、Nbと複合添加することにより、低冷却速度での鋼の焼き入れ性を著しく増加させ、ベイナイト組織を生成させる。その添加量が0.01%未満ではその効果がなく、0.1%超では溶接部の靭性を劣化させるため、添加量の範囲を0.01%以上0.1%以下とする。
Mo,Vはいずれか一方でもよく、あるいは両方の複合添加であってもよい。
【0032】
Cu,Ni,Cr,Co,Wは、いずれも鋼の焼入れ性を向上させる元素であり必要に応じて1種または2種以上添加する。
【0033】
本発明における場合、その添加により鋼の強度を高めることができるが、過度の量の添加は鋼を硬化させ割れやすくするため、添加する場合はCu≦0.5%、Ni≦0.5%、Cr≦0.5%、Co≦0.5%、W≦0.5%に限定する。また添加量が少なすぎると効果がないため、添加量の下限をいずれの元素とも0.05%とする。
【0034】
Bは鋼の焼入れ性を向上させる元素であって必要に応じて添加する。本発明における場合、その添加により鋼の強度を高めることができるが、過度の添加はBの析出物を増加させて鋼の靭性を損なうためその含有量の上限を0.0025%とする。また添加量が少なすぎると効果がないため、添加量の下限を0.0002%とする。
【0035】
RemとCaはSの無害化に有効であり、必要に応じて1種または2種を添加する。添加量が少ないとSが有害のまま残り、過度の添加は靭性を損なうため、Rem:0.002%〜0.10%、Ca:0.0003%〜0.0030%の範囲で添加する。
【0036】
Mgは微細な酸化物となり鋼の組織を微細化し靭性を向上させるために、必要に応じて添加する。0.0003%未満ではその効果がなく、0.01%を超えると酸化物を起点とした割れが生じやすくなるため、含有量を0.0003%〜0.01%の範囲とする。
【0037】
次に本発明におけるH形鋼のサイズの条件について述べる。フランジ厚さ、ウェブ厚さともに6mm以上25mm以下の範囲に制限することにより、本発明鋼の成分範囲でほぼ均一な変態直前のオーステナイト粒径と60%以上の変態後のベイナイト組織を得ることができる。ベイナイト組織分率が60%未満では十分な強度が得られない場合がある。また引張強度が590N/mm2 であればこの厚みの範囲で十分な断面係数と支保力を有することができる。
【0038】
次に本発明におけるH形鋼の製造条件について述べる。本発明鋼の焼き入れ性を十分に活用するためには、Nb,MoおよびVを圧延前の加熱工程で十分に溶体化させることが必要であるため加熱温度の下限を1250℃とする。さらに圧延終了温度が低くなりすぎると圧延歪みが残留した状態で変態するため焼き入れ性が低下し、所定の強度が得られない。よって本発明では熱間圧延中にオーステナイトを十分に再結晶させて、圧延歪みをほぼ完全に除去する必要があるため、圧延仕上げ温度を900℃以上とする。加熱温度の高温化は圧延温度の確保の観点からも必要である。このような加熱・圧延条件を採用すれば、圧延後は特に水冷する必要はなく、放冷で十分である。
【0039】
【実施例】
次に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
まず表1に示す化学成分の鋼を表2に示す製造条件で表2中に示すサイズのH形鋼とした。このH形鋼の各位置での金属組織、強度、伸び、靭性さらには最高硬さ試験における最高硬度、溶接部のUST欠陥判定結果は表3に示すようになる。
【0040】
【表1】
【0041】
【表2】
【0042】
【表3】
【0043】
【発明の効果】
表3によると、本発明のH形鋼はいずれもベイナイト主体の組織を有し、引張強度590N/mm2以上を有し、且つ伸び、衝撃値ともに比較法のH形鋼に比べて良好である。またH形鋼の部位による材質の差、すなわち、フランジにおけるベイナイト組織率とウェブにおけるベイナイト組織率の差も小さく安定していることがわかる。さらに最高硬さ試験における最高硬度は、のきなみ280程度と低く、十分な耐溶接割れ性を有することがわかる。さらに溶接部のUST欠陥判定結果から不合格材は皆無であった。Tiが不足しているものおよびNが低いものはフランジとウェブの組織に差があり、機械的性質、すなわち、表3に示す降伏点、引張強度、伸び、および0℃での吸収エネルギーにも差があるものとなっているが、0.005%以上0.05%以下のTiおよび50ppm以上120ppm以下のNを含有するものは、フランジとウェブの組織と機械的性質の差が十分小さい。このように本発明鋼および発明法を適用することにより、大断面トンネルの支保工として使用するに十分な特性を有する引張強度590N/mm2以上のH形鋼が得られることが確認できた。
Claims (6)
- 重量%で、
C :0.08%〜0.17%、
Si:0.05%〜0.22%、
Mn:0.9%〜1.8%、
Al:0.005%〜0.10%、
Ti:0.005%〜0.05%、
Nb:0.02%〜0.07%、および
Mo:0.1%〜0.5%、V:0.01%〜0.1%の1種または2種を含有し、
不純物として、
S :0.010%以下、
P :0.020%以下、
H :2.5ppm以下、
N :50ppm超120ppm以下
に制限し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるフランジとウェブの厚みが6mm以上25mm以下で、
金属組織が全面にわたり上部ベイナイト組織が60%以上であることを特徴とする引張り強度が全面にわたり590N/mm2以上780N/mm2以下のトンネル支保工用H形鋼。 - 請求項1に記載の鋼に、さらに重量%で、
Cu:0.05%〜0.5%、
Ni:0.05%〜0.5%、
Cr:0.05%〜0.5%、
Co:0.05%〜0.5%、
W :0.05%〜0.5%
の1種または2種以上を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり590N/mm2以上780N/mm2以下のトンネル支保工用H形鋼。 - 請求項1または2に記載の鋼に、さらに重量%で、B:0.0002%〜0.0025%を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり590N/mm2以上780N/mm2以下のトンネル支保工用H形鋼。
- 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の鋼に、さらに重量%で、
Rem:0.002%〜0.10%、
Ca: 0.0003%〜0.0030%の1種または2種以上を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり590N/mm2以上780N/mm2以下のトンネル支保工用H形鋼。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の鋼に、さらに重量%で、Mg:0.0003%〜0.01%を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり590N/mm2以上780N/mm2以下のトンネル支保工用H形鋼。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の成分を含有する鋼片または鋳片を1250℃以上に加熱した後に、900℃以上の温度域でフランジ厚6mm以上25mm以下、ウエブ厚さ6mm以上25mm以下の範囲にあるH形鋼への圧延を終了し、圧延後放冷することを特徴とする引張り強度が全面にわたり590N/mm2以上780N/mm2以下のトンネル支保工用H形鋼の製造方法。
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