JP3985523B2 - 継手部疲労特性に優れた直線型形鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、継手部疲労特性に優れた直線型形鋼に関し、詳しくは、土木構造物を形成するために使用される連結要素部材に用いられ、とりわけ継手部の疲労特性が求められる部材へ適用される直線型形鋼およびその製造方法に関するものである．
背景技術
直線型形鋼は、図１に示すように、直線状のウエブ１の両端に曲がり爪２０と玉爪２１からなる継手２を有する。曲がり爪２０と玉爪２１とで囲まれた袋状空間を継手懐２２と称し、その出口を継手開口２３と称する。直線型形鋼を継手連結するときには、一の直線型形鋼の継手懐２２内に他の直線型形鋼の玉爪２１を挿入する。
直線型形鋼の製造方法としては、生産性の面で有利な圧延（熱間圧延）、なかでも孔型ロール（カリバロール）を用いる孔型圧延が主に採用されている。
図２は、直線型形鋼の孔型圧延工程の一例を示す孔型系列図であり、同図に示すように、直線型形鋼は、通常、鋼素材（ブルーム）を例えば孔型Ｋ１４〜Ｋ１１により上下対称に圧延してウエブ１の両端にフランジ２Ａを有する粗形鋼片を作製する第１の工程と、粗形鋼片を例えば孔型Ｋ１０〜Ｋ３により上下非対称に圧延してウエブ１の寸法（幅、厚み）を調整するとともにフランジ２Ａを突条２０Ａと玉爪２１を有する粗形継手２Ｂに成形する第２の工程と、突条２０Ａを例えば孔型Ｋ２、Ｋ１により反ウエブ部側に押し曲げて曲がり爪２０を形成（これを「爪曲げ」という）して粗形継手２Ｂを継手２に仕上げる第３の工程により製造されている。
図３は、図２に対応する孔型圧延設備の一例を示す配置図である。この例では、孔型Ｋ１４〜Ｋ１１はブルーミングミル（ＢＭミル）に、孔型Ｋ１０〜Ｋ７はブレークダウンミル（ＢＤミル）に、孔型Ｋ６〜Ｋ４は中間ミル（Ｓ１ミル）に、孔型Ｋ３〜Ｋ１は仕上ミル（ＳＦミル）に、それぞれ割り当てられている。第１の工程で製造された粗形鋼片は、通常、常温付近まで放冷され、その後に再加熱されて第２の工程以降の熱間圧延を施される。
孔型Ｋ２、Ｋ１による爪曲げの過程を図４に示す。同図に示されるように、爪曲げは圧延進行に伴う上下のロール隙変化によって行われる。なお、同図において、２０Ｂは突条２０Ａから曲がり爪２０に変形する途上の被曲げ成形部である。
このプロセスで製造される直線型形鋼は、熱間押出し成形法にて製造される直線型形鋼と比較して、極めて生産性が高く量産可能であるため、安価に安定供給できるという大きなメリットがある。
ところで、近年、都市部交通渋滞緩和のため交通円滑化を図る目的で、鉄道と道路の立体交差化が推進されている。踏切立体化には、鉄道の下に道路を通すアンダーパスと鉄道の上に道路を通すオーバーパスの二通りに大別される。アンダーパス工法の短工期、低コスト化を図る目的で、直線型形鋼を用いた工法（Ｊｏｉｎｔｅｄ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＪＥＳ工法）が注目されている。この工法の詳細を図５に示す。これは、線路６０下に道路トンネル３０を新設する際のトンネル壁構築工法であり、そこでは二つの非対称連結要素部材４と一つの連結板材４１とをコの字形に溶接接合してなる非対称連結要素４００を、継手部４０、４０の嵌合にて次々と連結することで、構造物３００（この場合、トンネル壁枠体）を容易に構築することができ、別段の工事桁準備の必要がなく、工期面、工費面で有利な工法として注目されている。なお、非対称連結要素部材４は、例えば図１に示した直線型形鋼をそのウエブ１幅中央部で切断して一方の天地を逆にした上で、中間に別途用意した平板を溶接することにより、製作できる。
発明の開示
上述したように、直線型形鋼を製造するにあたって、孔型圧延工程の第３の工程で爪曲げ成形を行うが、該爪曲げの際に、図６に示すように、曲がり爪２０の内面にしわ疵１０が形成される．
このようなしわ疵は、これまで特に問題になることはなかった。すなわち、通常、直線型形鋼の継手厚さ（評価部位は図１参照）は１６ｍｍ程度以下と比較的薄く、従って、発生するしわ疵の深さも浅く、これで十分に要求される静的引張強度を保証できることから、しわ疵が問題視されることがなかったのである。
ところが、上述したＪＥＳ工法での構造要素部材にみられるように、より高い継手強度が要求される趨勢にある。これに適合させるには、継手厚さを従来より厚くすることが必要となり、その場合、爪曲げ時における曲がり爪内面の縮み率が大きくなるため、しわ疵深さが増大する。この爪内面に存在するしわ疵は、継手部に繰返し応力が作用するような構造部材へ適用された場合には、ノッチ効果となって、その疲労寿命が悪化するという問題が起こる。すなわち、線路上を電車が通過する度に、特にその上床版部に荷重が反復作用するため、非対称連結要素部材４の継手部４０の嵌合部は特に疲労しやすい状態に置かれる。そのため、この使途に供される直線型形鋼では、継手部、特に曲がり爪部に優れた疲労特性が要求される。従来はしわ疵と疲労特性の関係が明らかでなかった。
そこで、本発明は、疲労特性に悪影響を及ぼさないしわ疵の程度を明らかにするとともに、継手内面に生じるしわ疵を有効に軽減でき、継手部疲労特性に優れた直線型形鋼およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは直線型形鋼の継手部疲労特性を改善すべく検討した結果、直線型形鋼の圧延プロセス全般において継手部内面のしわ疵深さの軽減を図る方策、さらに、連結要素部材としての要求強度と溶接性に適合した成分系、ならびにしわ疵深さが低減する圧延曲げ成形条件との関連性を見出し、本発明を完成させた。本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）平板状のウエブ部とその幅方向両端に玉爪と曲がり爪とからなる継手部を有する直線型形鋼において、前記曲がり爪の内面側に存在するしわ疵の深さが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする継手部疲労特性に優れた直線型形鋼。
（２）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有することを特徴とする（１）記載の継手部疲労特性に優れた直線型形鋼。
（３）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含有し、加えて、次の第１群〜第３群（第１群）Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｎｂ：０．１０％以下、Ｂ：０．００５０％以下から選ばれた１種または２種以上、
（第２群）Ａｌ：０．１％以下、
（第３群）Ｔｉ：０．１０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下、ＲＥＭ：０．０１０％以下から選ばれた１種または２種以上のうち１群または２群以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式で定義される炭素当量Ｃｅｑが０．４５％以下になる化学組成を有することを特徴とする（１）記載の継手部疲労特性に優れた直線型形鋼。
記
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４ （１）
右辺の元素記号：その元素の成分含有量（質量％）
（４）鉄道の下に道路を通すためのトンネル壁枠体部材に用いられることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の継手部疲労特性に優れた直線型形鋼。
（５）鋼素材を上下対称に熱間圧延してウエブ端にフランジを有する粗形鋼片となす第１の工程と、前記粗形鋼片を上下非対称に熱間圧延してウエブを寸法調整しかつフランジを突条を含む粗形継手に成形する第２の工程と、さらに前記突条を熱間曲げ成形圧延して曲がり爪となすことにより粗形継手を継手に仕上げる第３の工程を有する、ウエブ端に玉爪と曲がり爪とからなる継手を有する直線型形鋼の製造方法において、前記鋼素材を、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含有する化学組成とし、前記第３の工程での爪曲げ開始温度をＡｒ３超えまたはＡｒ３−５０℃以下の温度とすることを特徴とする継手部疲労特性に優れた直線型形鋼の製造方法。
（６）前記第３の工程での爪曲げ終了温度を７００℃以上とすることを特徴とする（５）記載の継手部疲労特性に優れた直線型形鋼の製造方法。
（７）前記第１の工程と第２の工程の間で粗形鋼片のフランジ外面を冷間で平滑化処理することを特徴とする（５）または（６）に記載の直線型形鋼の製造方法。
（８）前記平滑化処理は、この平滑化処理を受けた面の表面粗さＲｍａｘが２０μｍ以下になるように行うことを特徴とする（７）記載の直線型形鋼の製造方法。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明に至る経緯も含めて、本発明による実施形態について述べる。
まず、爪曲げ成形時に発生するしわ疵が、直線型形鋼の継手部の疲労特性に与える影響について検討した。
図７は、疲労特性におよぼすしわ疵寸法の影響を示すグラフである。同図は、ＴＳ（引張強さ）４００〜５７０ＭＰａ級の直線型形鋼の継手部について作用応力１２０ＭＰａで疲労試験を行い破断までの疲労寿命を測定した結果である。同図には、疲労寿命が１００万回となるしわ疵の長さと深さの理論計算結果も併記した。
理論計算のやり方は、しわ疵の存在による応力拡大係数の変化に着目し、ＷＥＳ２８０５−１９９７に記載されている応力拡大係数（Ｋ値）の式により、疲労試験時のＫ値を導出した。この場合、作用応力１２０ＭＰａのときに曲がり爪内面に作用する応力をＦＥＭ（有限要素法）で解析し（解析結果３８０ＭＰａ）、しわ疵の長さや深さをパラメータとしてＫ値の変化を求めた。一方、材料のΔＫｔｈ（亀裂が成長するかしないかの臨界値で、Ｋ値がΔＫｔｈより大きいと亀裂は成長する）やｄａ／ｄＮ（疲労試験１回あたりの亀裂成長量）は実験により求め、Ｋ値がΔＫｔｈよりも大きい場合には、しわ疵から疲労亀裂がｄａ／ｄＮの量だけ進展するものとし、疲労寿命が１００万回となるしわ疵の長さと深さを求めた．
同図のＳＭ４００は０．１６％Ｃ−０．３２％Ｓｉ−０．６５％Ｍｎ−０．０１８％Ｐ−０．００８％Ｓ鋼であり，ＳＭ４９０は０．１６％Ｃ−０．４１％Ｓｉ−１．３５％Ｍｎ−０．０１３％Ｐ−０．００５％Ｓ−０．１２％Ｃｕ−０．０１５％Ｎｂ−０．０１２％Ｔｉ鋼である（％は質量％）。同図から、しわ疵深さ０．５ｍｍ以下の領域で疲労寿命１００万回以上が達成されること、および、疲労特性は鋼組成（強度レベル）に大きく影響されないことがわかる。また、疲労特性は、しわ疵長さ２ｍｍ以上の範囲ではしわ疵長さにほとんど影響されず、しわ疵深さでほぼ決まることがわかる。以上の検討結果から、しわ疵深さを０．５ｍｍ以下に限定する必要がある。しわ疵深さを０．３ｍｍ以下とすると、疲労寿命が２００万回以上となるのでより好ましい。なお、しわ疵深さは、曲がり爪内面に生成したしわ疵を研削等で手入れする方法、第１の工程で得られる粗形鋼片のフランジ外面を平滑化処理する方法（後述）、あるいは第３の工程における爪曲げ温度を管理する方法（後述）等により、低減することができる。
さて、直線型形鋼の継手部の疲労特性は、上述したように、曲がり爪内面のしわ疵深さに左右されるものの、鋼組成には大きく影響されないことから、鋼の成分設計にあたっては、疲労特性を考慮する必要はない。しかしながら、例えばＪＥＳ工法の連結要素部材に直線型形鋼が使用される場合、土被り量が少なく、静的作用応力が低い部材に対しては、ＴＳ４００ＭＰａ級で十分であるが、土被りが深くなる場合には、ＴＳ５７０ＭＰａ級の直線型形鋼が必要となる。この場合、成分系を変えずに熱処理で強度調整することも考えられるが、図１に示したように継手部の形状が複雑で高い寸法精度が要求されるため、熱処理時に生じる熱変形を考慮すれば、ある程度の合金元素の添加も許容し、熱処理によらず成分系で強度を調整する必要があると考えた。さらに、連結要素部材を製造する際に溶接施工を行う場合もあることから、化学組成の成分設計に対しては溶接性を考慮しておく必要がある。
以上のことから、本発明の直線型形鋼は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成とした。さらにまた、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含有し、加えて、次の第１群〜第３群
（第１群）Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｎｂ：０．１０％以下、Ｂ：０．００５０％以下から選ばれた１種または２種以上、
（第２群）Ａｌ：０．１％以下、
（第３群）Ｔｉ：０．１０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下、ＲＥＭ：０．０１０％以下から選ばれた１種または２種以上のうち１群または２群以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式で定義される炭素当量Ｃｅｑが０．４５％以下になる化学組成とした。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４ （１）
右辺の元素記号：その元素の成分含有量（質量％）
以下、各成分の限定理由について述べる．
Ｃ：０．０１〜０．２％
Ｃは、強度を確保する観点から、最低でも０．０１％以上を必要とし、一方、０．２％を超えての添加は溶接性を阻害することから、０．０１〜０．２％とした。
Ｓｉ：０．８％以下
Ｓｉは、Ａｌを添加しない場合には脱酸剤として必要であり、さらに鋼中へ固溶して強度上昇にも寄与するが、０．８％超えて添加すると溶接ＨＡＺ靱性を低下させることから上限を０．８％とした。なお、好ましくは０．０５〜０．６％である。
Ｍｎ：１．８％以下
Ｍｎは、焼き入れ性を増加させ、強度を上昇させる安価な元素であるが、１．８％を超えての添加は溶接性を阻害することから、その上限を１．８％とした。なお、好ましくは０．５〜１．６％である。
Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下
不純物元素であるＰ、Ｓは、極力低減することが望ましいが、直線型形鋼として特に問題とならない範囲と脱Ｐ、脱Ｓ所要コストとを勘案して、Ｐは０．０３０％以下、Ｓは０．０２０％以下とした。
上記元素以外にさらに必要に応じて、主に強度調整の観点からＣｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｂの１種または２種以上を、また、主に脱酸効率の観点からＡｌを、また、溶接ＨＡＺ靱性向上の観点からＴｉ，Ｃａ，ＲＥＭの１種または２種以上を添加することができる。
具体的には、ＳＭ４９０ＭＰａおよびＳＭ５７０ＭＰａ級の高強度材料が求められる場合には、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎのみでは高強度化は難しく、（第１群）Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｎｂ：０．１０％以下、Ｂ：０．００５０％以下の１種または２種以上を添加するのが好ましい。各成分量の上限は、溶接性、溶接ＨＡＺ靱性、経済性を考慮して設定した。
また、脱酸効率向上のためには、（第２群）Ａｌ：０．１％以下を、そして溶接ＨＡＺ靱性の向上のためには、（第３群）Ｔｉ：０．１０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下、ＲＥＭ：０．０１０％以下の１種または２種以上を添加するのが好ましい。各成分量の上限は、鋼の清浄性を考慮して設定した。
炭素当量Ｃｅｑ：０．４５％以下
Ｃｅｑは、０．４５％を超えると溶接時に予熱が必要となって施工性を阻害するので、０．４５％以下に規制した。
次に、しわ疵生成の観点から爪曲げ成形挙動について検討した。
まず、爪曲げ成形時のしわ疵発生挙動を実験室的に明らかにするための再現方法につい本発明者らは検討し、図８に示すような実機爪曲げを模したラボ実験装置を考案した。このラボ実験装置は、支座５１，５２で支持した試験片７を両支座５１，５２間に配置した先端Ｒ１０（曲率半径１０ｍｍ）のポンチ５０で押して曲げる３点曲げ試験において、ポンチ５０として幅中央部に開口部５０Ｓを設けたものを用いることで試験片７に実機での曲がり爪内面と同様の無拘束状態の内曲がり面をつくるものであり、これによれば、図９に示すように、実機爪曲げの場合と同様のしわを再現することができる。
上記ラボ実験により、以下の３鋼種を供試材とし、試験片温度（測温箇所を図８に示す）を種々変えて熱間３点曲げ試験を行い、曲げ開始温度としわ疵深さ（前記無拘束部分の断面ミクロ観察像から測定）との関係を調べた。
・ＳＭ４００鋼：０．１５％Ｃ−０．３％Ｓｉ−０．６％Ｍｎ鋼
・ＳＭ４９０鋼：０．１５％Ｃ−０．３％Ｓｉ−１．４％Ｍｎ−０．１％Ｃｕ− ０．０２％Ｎｂ−０．０１５％Ｔｉ鋼
・ＳＭ５７０鋼：０．０３３％Ｃ−０．５５％Ｓｉ−１．５５％Ｍｎ−０．０５ ２％Ｎｂ−０．０１５％Ｔｉ−０．００２０％Ｂ鋼
その結果を図１０に示す。ＳＭ４００鋼では曲げ開始温度がＡｒ３直下（Ａｒ３以下でかつＡｒ３−５０℃超え）の温度域に相当する特定温度域に入る場合にしわ疵が最も深くなっており、Ａｒ３相当温度が低くなるＳＭ４９０鋼およびＳＭ５７０鋼では、かかる特定温度域が低温側へ移行している。図１０より、しわ疵深さを低減するには、曲がり爪の曲げ開始温度を前記特定温度域を回避する温度、すなわちＡｒ３超またはＡｒ３−５０℃以下の温度とする必要がある。
前記特定温度域でしわ疵が助長される機構は、次のように考えられる。
まず、Ａｒ３超のγ（オーステナイト）域では、母地の表面と内部とで組織差がなく両者の変形抵抗は温度のみで決まる。同じ組織では変形抵抗は、温度が高いほど低い。温度は表面の方が内部よりも低いから変形抵抗は表面の方が内部よりも高い。よって表面のしわ発達が抑制される。
次に、Ａｒ３以下Ａｒ３−５０℃超えの温度域では、表面と内部の組織差が大きくなる。すなわち、内部はγ単相のままであるが表面はγよりも変形抵抗の低いα（フェライト）相が一部存在する（γ＋α）２相となる。そのため、表面と内部の変形抵抗の大小関係が等価ないしは逆転して表面にしわが発達しやすくなり、しわ疵が深くなる。
さらに、Ａｒ３−５０℃以下の温度域では、（γ＋α）２相領域が内部に移行し、この移行した場所から表面までの範囲はα単相となる。このα単相範囲ではより低温の表面の方がより高温の内部よりも変形抵抗が高い。よって表面のしわ発達が抑制される。
次に、爪曲げ終了温度について検討した。図１１は前記４００ＭＰａおよび４９０ＭＰａ級鋼について８ｍｍφ−１２ｍｍｈの円柱状試験片を採取し、１２００℃に加熱後、所定の温度で５０％圧縮させた場合の変形抵抗の変化を示すものである。いずれの鋼も７００℃以下の温度となるにつれて変形抵抗が急激に上昇していることがわかる。この急激な変形抵抗の上昇により、目標とする爪形状へ成形することが困難となって所定の寸法形状が得られず、ひいては継手部同士の嵌合も困難となる。従って、爪曲げ終了温度は７００℃以上とするのが好ましい。よって、爪曲げ成形時の爪曲げ開始温度はＡｒ３以下Ａｒ３−５０℃超えの範囲を回避し、また曲げ終了温度は７００℃以上が好ましいとした。
次に、しわ疵深さの更なる低減について種々検討した。その結果、熱間圧延の第１の工程と第２の工程との間で、粗形鋼片フランジ外面を冷間で平滑化処理を施すことによって、しわ疵をより低減できることを知見した。
すなわち、図１２に示すように、常法に従って第１の工程を実行し、得られた粗形鋼片１に対し、そのフランジ外面３に冷間（１００℃以下）で平滑化処理を施し、以後、常法に従って第２〜第３の工程を順次実行する。平滑化処理の対象箇所は、フランジ外面３の全部である必要はなく、曲がり爪２０の内面（突条２０Ａの外側面）に相当する一部（例えば図１２のＡ部）で十分である。図１３は、粗形鋼片フランジ外面の荒れ状態の例を示す断面図であり、（ａ）は平滑化処理しなかった場合、（ｂ）はホットスカーフ（熱間材のガス溶削）にて平滑化処理した場合、（ｃ）はコールドスカーフ（冷間材のガス溶削）にて平滑化処理した場合である。平滑化処理なしでは５０μｍ以上の凹凸を有する粗面状態となっている（図１３（ａ））。ホットスカーフでは凹凸が１０〜３０μｍ程度に軽減するが依然として粗面状態である（図１３（ｂ））。これに対し、コールドスカーフではほとんど鏡面と呼べる状態となる（図１３（ｃ））。
図１４は、突条２０Ａ外面の荒れ状態の例を示す表面粗さプロフィル図であり、（ａ）は粗形鋼片フランジ外面の平滑化処理なしの場合、（ｂ）は粗形鋼片フランジ外面をコールドスカーフにて平滑化処理した場合である。粗形鋼片フランジ外面を平滑化処理しない場合は、突条外面は著しく荒れた状態となる（図１４（ａ））が、粗形鋼片フランジ外面を冷間で平滑化処理することにより突条外面は極めて滑らかな状態となる（図１４（ｂ））。
このように、第１〜第２の工程間で粗形鋼片のフランジ外面を冷間で平滑化処理することにより、フランジ外面を滑らかにすることができ、そのことにより突条外面が極めて滑らかになり、爪曲げの際のしわ発生サイトが低減して曲がり爪内面のしわ疵が軽微なものに抑制され、優れた継手強度性能を有する製品を得ることができる。
かかる冷間での平滑化処理は、この平滑化処理を受けた面の表面粗さＲｍａｘが２０μｍ以下となるように行うのが好ましい。こうすることにより、曲がり爪内面のしわ疵が最大深さ０．３ｍｍ以下の軽微なものに抑制され、疲労寿命が２００万回以上になるほどの、優れた継手強度性能を有する製品を得ることができる。
冷間での平滑化処理の手段としては、コールドスカーフ以外にグラインダ研削があるが、グラインダ研削では表面粗さＲｍａｘを２０μｍ以下にすることが困難であるため、コールドスカーフが好ましい。コールドスカーフによれば、適正なメタルリフロー状態をつくることができて、ほとんど鏡面状態の仕上がり面を得ることができる。なお、コールドスカーフ１回で十分に平滑化しきれない場合には、２回以上繰り返してもよい。
〈実施例〉
表１に示す組成になる素材を、図２に示す製造方法に従って表２に示す条件で熱間圧延し、ウエブ厚１６ｍｍのウエブ部両端に継手厚さ２１ｍｍの曲がり爪と玉爪とからなる継手部を有する直線型形鋼を製造した。
製造プロセスでは、仕上圧延における曲がり爪の曲げ開始温度や曲げ終了温度、仕上圧延前の素材の表面手入れ状態を変えて製造した。また、突条を曲げ成形して曲がり爪となす第３の工程においては、曲げ成形時の摩擦係数を低減して焼付きおよび曲げ成形精度を劣化させないため、極圧添加剤としてリン酸エステルを主成分とする潤滑剤を水と混合して成形部に吹付けるようにした。なお、潤滑剤としては、成形時の摩擦係数が０．１５〜０．２５となるものであればいずれでもよく、リン化合物や硫化油脂などの硫黄化合物が好適に用いられる。
得られた製品について曲がり爪内面のしわ疵深さを測定するとともにウエブ部機械的性質と継手部疲労特性を調査した。しわ疵深さは、圧延方向に沿って１００ｍｍおきに採った１０個の圧延方向に直交する断面について観察・測定し、該測定データの最大値で評価した。継手部疲労特性は、長さ７０ｍｍに切り出した継手部を嵌合し、連結部にモルタルを充填して作製した疲労試験片に、負荷範囲：０〜１２０ＭＰａ、負荷サイクル：１０Ｈｚの条件で応力を負荷し、疲労破壊に至るまでの応力負荷反復回数（疲労寿命）で評価した。
機械的性質については，ウエブ部（ウエブ高さの１／４部）よりＪＩＳ Ｚ ２２０１に規定されている１Ｂ号試験片を圧延方向から採取し、引張試験により，引張強さおよび降伏点（耐力）を求めた。
結果を表２に示す。曲がり爪内面にスケール疵が０．５ｍｍ超の深さで存在する直線型形鋼では、疲労寿命が１００万回未満となり、疲労特性が低い。一方、曲がり爪の曲げ開始温度を高くする、曲がり爪内面となる素材部分を深さ２ｍｍ以上スカーフ処理する、あるいは、圧延された直線型形鋼の曲がり爪内面を深さ０．３ｍｍ以上切削することにより、しわ疵深さが低減し、疲労特性は疲労寿命１００万回以上にまで向上した。また、曲がり爪内面の手入れなしでもしわ疵深さが０．５ｍｍ以下となると、疲労寿命１００万回以上に達する優れた疲労特性が得られた。特に、しわ疵深さが０．３ｍｍ未満のものは、疲労寿命５００万回超とほぼ疲労限に達しており、しわ疵からの疲労亀裂の伝播は認められなかった。
このように、しわ疵深さを０．５ｍｍ以下に制限することにより、優れた疲労特性を有するＴＳ４００ ＭＰａ級以上の直線型形鋼を生産性の高い熱間圧延により安価に製造することができる。
産業上の利用可能性
本発明によれば、鉄道下に道路を通す際に構築される枠体構造物のエレメント用素材に適した高い強度と優れた疲労特性（連結部疲労特性）を有する直線型形鋼を能率良く製造できるようになり、特に、圧延製造工程の上流側に冷間平滑化工程を挿入することにより曲がり爪内面のしわ疵を有効に軽減しえたので、熱間圧延成形により安価に大量に供給できるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
図１は、直線型形鋼の継手形状を示す断面図である。
図２は、直線型形鋼の孔型圧延工程の一例を示す孔型系列図である。
図３は、図２に対応する孔型圧延設備の一例を示す配置図である。
図４は、孔型Ｋ２、Ｋ１による爪曲げ過程を示す要部断面図である。
図５は、ＪＥＳ工法の概要を示す説明図である。
図６は、曲がり爪内面に生じたしわ疵を示す要部断面図である。
図７は、疲労特性におよぼすしわ疵寸法の影響を示すグラフである。
図８は、実機曲げを模したラボ実験方法を示す説明図である。
図９は、ラボ実験（ａ）と実機爪曲げ（ｂ）の無拘束曲げ面の性状を比較して示す断面図である。
図１０は、曲げ開始温度としわ疵深さの関係を示すグラフである。
図１１は、鋼の変形抵抗の温度依存性を示す模式図である。
図１２は、平滑化処理を含む工程流れ図である。
図１３は、粗形鋼片フランジ外面の荒れ状態の例を示す断面図である。
図１４は、突条外面の荒れ状態の例を示す表面プロフィル図である。
〈符号の説明〉
１ ウエブ
２ 継手
２Ａ フランジ
２Ｂ 粗形継手
３ フランジ外面
４ 非対称連結要素部材
７ 試験片
１０ しわ疵
２０ 曲がり爪
２０Ａ 突条
２１ 玉爪
２２ 継手懐
２３ 継手開口
３０ 道路トンネル
４０ 継手部
４１ 連結板材
５０ ポンチ
５０Ｓ 開口部
５１，５２ 支座
６０ 線路
３００ 構造物（トンネル壁枠体）
４００ 非対称連結要素
本発明は、継手部疲労特性に優れた直線型形鋼に関し、詳しくは、土木構造物を形成するために使用される連結要素部材に用いられ、とりわけ継手部の疲労特性が求められる部材へ適用される直線型形鋼およびその製造方法に関するものである．
背景技術
直線型形鋼は、図１に示すように、直線状のウエブ１の両端に曲がり爪２０と玉爪２１からなる継手２を有する。曲がり爪２０と玉爪２１とで囲まれた袋状空間を継手懐２２と称し、その出口を継手開口２３と称する。直線型形鋼を継手連結するときには、一の直線型形鋼の継手懐２２内に他の直線型形鋼の玉爪２１を挿入する。
直線型形鋼の製造方法としては、生産性の面で有利な圧延（熱間圧延）、なかでも孔型ロール（カリバロール）を用いる孔型圧延が主に採用されている。
図２は、直線型形鋼の孔型圧延工程の一例を示す孔型系列図であり、同図に示すように、直線型形鋼は、通常、鋼素材（ブルーム）を例えば孔型Ｋ１４〜Ｋ１１により上下対称に圧延してウエブ１の両端にフランジ２Ａを有する粗形鋼片を作製する第１の工程と、粗形鋼片を例えば孔型Ｋ１０〜Ｋ３により上下非対称に圧延してウエブ１の寸法（幅、厚み）を調整するとともにフランジ２Ａを突条２０Ａと玉爪２１を有する粗形継手２Ｂに成形する第２の工程と、突条２０Ａを例えば孔型Ｋ２、Ｋ１により反ウエブ部側に押し曲げて曲がり爪２０を形成（これを「爪曲げ」という）して粗形継手２Ｂを継手２に仕上げる第３の工程により製造されている。
図３は、図２に対応する孔型圧延設備の一例を示す配置図である。この例では、孔型Ｋ１４〜Ｋ１１はブルーミングミル（ＢＭミル）に、孔型Ｋ１０〜Ｋ７はブレークダウンミル（ＢＤミル）に、孔型Ｋ６〜Ｋ４は中間ミル（Ｓ１ミル）に、孔型Ｋ３〜Ｋ１は仕上ミル（ＳＦミル）に、それぞれ割り当てられている。第１の工程で製造された粗形鋼片は、通常、常温付近まで放冷され、その後に再加熱されて第２の工程以降の熱間圧延を施される。
孔型Ｋ２、Ｋ１による爪曲げの過程を図４に示す。同図に示されるように、爪曲げは圧延進行に伴う上下のロール隙変化によって行われる。なお、同図において、２０Ｂは突条２０Ａから曲がり爪２０に変形する途上の被曲げ成形部である。
このプロセスで製造される直線型形鋼は、熱間押出し成形法にて製造される直線型形鋼と比較して、極めて生産性が高く量産可能であるため、安価に安定供給できるという大きなメリットがある。
ところで、近年、都市部交通渋滞緩和のため交通円滑化を図る目的で、鉄道と道路の立体交差化が推進されている。踏切立体化には、鉄道の下に道路を通すアンダーパスと鉄道の上に道路を通すオーバーパスの二通りに大別される。アンダーパス工法の短工期、低コスト化を図る目的で、直線型形鋼を用いた工法（Ｊｏｉｎｔｅｄ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＪＥＳ工法）が注目されている。この工法の詳細を図５に示す。これは、線路６０下に道路トンネル３０を新設する際のトンネル壁構築工法であり、そこでは二つの非対称連結要素部材４と一つの連結板材４１とをコの字形に溶接接合してなる非対称連結要素４００を、継手部４０、４０の嵌合にて次々と連結することで、構造物３００（この場合、トンネル壁枠体）を容易に構築することができ、別段の工事桁準備の必要がなく、工期面、工費面で有利な工法として注目されている。なお、非対称連結要素部材４は、例えば図１に示した直線型形鋼をそのウエブ１幅中央部で切断して一方の天地を逆にした上で、中間に別途用意した平板を溶接することにより、製作できる。
発明の開示
上述したように、直線型形鋼を製造するにあたって、孔型圧延工程の第３の工程で爪曲げ成形を行うが、該爪曲げの際に、図６に示すように、曲がり爪２０の内面にしわ疵１０が形成される．
このようなしわ疵は、これまで特に問題になることはなかった。すなわち、通常、直線型形鋼の継手厚さ（評価部位は図１参照）は１６ｍｍ程度以下と比較的薄く、従って、発生するしわ疵の深さも浅く、これで十分に要求される静的引張強度を保証できることから、しわ疵が問題視されることがなかったのである。
ところが、上述したＪＥＳ工法での構造要素部材にみられるように、より高い継手強度が要求される趨勢にある。これに適合させるには、継手厚さを従来より厚くすることが必要となり、その場合、爪曲げ時における曲がり爪内面の縮み率が大きくなるため、しわ疵深さが増大する。この爪内面に存在するしわ疵は、継手部に繰返し応力が作用するような構造部材へ適用された場合には、ノッチ効果となって、その疲労寿命が悪化するという問題が起こる。すなわち、線路上を電車が通過する度に、特にその上床版部に荷重が反復作用するため、非対称連結要素部材４の継手部４０の嵌合部は特に疲労しやすい状態に置かれる。そのため、この使途に供される直線型形鋼では、継手部、特に曲がり爪部に優れた疲労特性が要求される。従来はしわ疵と疲労特性の関係が明らかでなかった。
そこで、本発明は、疲労特性に悪影響を及ぼさないしわ疵の程度を明らかにするとともに、継手内面に生じるしわ疵を有効に軽減でき、継手部疲労特性に優れた直線型形鋼およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは直線型形鋼の継手部疲労特性を改善すべく検討した結果、直線型形鋼の圧延プロセス全般において継手部内面のしわ疵深さの軽減を図る方策、さらに、連結要素部材としての要求強度と溶接性に適合した成分系、ならびにしわ疵深さが低減する圧延曲げ成形条件との関連性を見出し、本発明を完成させた。本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）平板状のウエブ部とその幅方向両端に玉爪と曲がり爪とからなる継手部を有する直線型形鋼において、前記曲がり爪の内面側に存在するしわ疵の深さが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする継手部疲労特性に優れた直線型形鋼。
（２）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有することを特徴とする（１）記載の継手部疲労特性に優れた直線型形鋼。
（３）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含有し、加えて、次の第１群〜第３群（第１群）Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｎｂ：０．１０％以下、Ｂ：０．００５０％以下から選ばれた１種または２種以上、
（第２群）Ａｌ：０．１％以下、
（第３群）Ｔｉ：０．１０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下、ＲＥＭ：０．０１０％以下から選ばれた１種または２種以上のうち１群または２群以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式で定義される炭素当量Ｃｅｑが０．４５％以下になる化学組成を有することを特徴とする（１）記載の継手部疲労特性に優れた直線型形鋼。
記
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４ （１）
右辺の元素記号：その元素の成分含有量（質量％）
（４）鉄道の下に道路を通すためのトンネル壁枠体部材に用いられることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の継手部疲労特性に優れた直線型形鋼。
（５）鋼素材を上下対称に熱間圧延してウエブ端にフランジを有する粗形鋼片となす第１の工程と、前記粗形鋼片を上下非対称に熱間圧延してウエブを寸法調整しかつフランジを突条を含む粗形継手に成形する第２の工程と、さらに前記突条を熱間曲げ成形圧延して曲がり爪となすことにより粗形継手を継手に仕上げる第３の工程を有する、ウエブ端に玉爪と曲がり爪とからなる継手を有する直線型形鋼の製造方法において、前記鋼素材を、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含有する化学組成とし、前記第３の工程での爪曲げ開始温度をＡｒ３超えまたはＡｒ３−５０℃以下の温度とすることを特徴とする継手部疲労特性に優れた直線型形鋼の製造方法。
（６）前記第３の工程での爪曲げ終了温度を７００℃以上とすることを特徴とする（５）記載の継手部疲労特性に優れた直線型形鋼の製造方法。
（７）前記第１の工程と第２の工程の間で粗形鋼片のフランジ外面を冷間で平滑化処理することを特徴とする（５）または（６）に記載の直線型形鋼の製造方法。
（８）前記平滑化処理は、この平滑化処理を受けた面の表面粗さＲｍａｘが２０μｍ以下になるように行うことを特徴とする（７）記載の直線型形鋼の製造方法。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明に至る経緯も含めて、本発明による実施形態について述べる。
まず、爪曲げ成形時に発生するしわ疵が、直線型形鋼の継手部の疲労特性に与える影響について検討した。
図７は、疲労特性におよぼすしわ疵寸法の影響を示すグラフである。同図は、ＴＳ（引張強さ）４００〜５７０ＭＰａ級の直線型形鋼の継手部について作用応力１２０ＭＰａで疲労試験を行い破断までの疲労寿命を測定した結果である。同図には、疲労寿命が１００万回となるしわ疵の長さと深さの理論計算結果も併記した。
理論計算のやり方は、しわ疵の存在による応力拡大係数の変化に着目し、ＷＥＳ２８０５−１９９７に記載されている応力拡大係数（Ｋ値）の式により、疲労試験時のＫ値を導出した。この場合、作用応力１２０ＭＰａのときに曲がり爪内面に作用する応力をＦＥＭ（有限要素法）で解析し（解析結果３８０ＭＰａ）、しわ疵の長さや深さをパラメータとしてＫ値の変化を求めた。一方、材料のΔＫｔｈ（亀裂が成長するかしないかの臨界値で、Ｋ値がΔＫｔｈより大きいと亀裂は成長する）やｄａ／ｄＮ（疲労試験１回あたりの亀裂成長量）は実験により求め、Ｋ値がΔＫｔｈよりも大きい場合には、しわ疵から疲労亀裂がｄａ／ｄＮの量だけ進展するものとし、疲労寿命が１００万回となるしわ疵の長さと深さを求めた．
同図のＳＭ４００は０．１６％Ｃ−０．３２％Ｓｉ−０．６５％Ｍｎ−０．０１８％Ｐ−０．００８％Ｓ鋼であり，ＳＭ４９０は０．１６％Ｃ−０．４１％Ｓｉ−１．３５％Ｍｎ−０．０１３％Ｐ−０．００５％Ｓ−０．１２％Ｃｕ−０．０１５％Ｎｂ−０．０１２％Ｔｉ鋼である（％は質量％）。同図から、しわ疵深さ０．５ｍｍ以下の領域で疲労寿命１００万回以上が達成されること、および、疲労特性は鋼組成（強度レベル）に大きく影響されないことがわかる。また、疲労特性は、しわ疵長さ２ｍｍ以上の範囲ではしわ疵長さにほとんど影響されず、しわ疵深さでほぼ決まることがわかる。以上の検討結果から、しわ疵深さを０．５ｍｍ以下に限定する必要がある。しわ疵深さを０．３ｍｍ以下とすると、疲労寿命が２００万回以上となるのでより好ましい。なお、しわ疵深さは、曲がり爪内面に生成したしわ疵を研削等で手入れする方法、第１の工程で得られる粗形鋼片のフランジ外面を平滑化処理する方法（後述）、あるいは第３の工程における爪曲げ温度を管理する方法（後述）等により、低減することができる。
さて、直線型形鋼の継手部の疲労特性は、上述したように、曲がり爪内面のしわ疵深さに左右されるものの、鋼組成には大きく影響されないことから、鋼の成分設計にあたっては、疲労特性を考慮する必要はない。しかしながら、例えばＪＥＳ工法の連結要素部材に直線型形鋼が使用される場合、土被り量が少なく、静的作用応力が低い部材に対しては、ＴＳ４００ＭＰａ級で十分であるが、土被りが深くなる場合には、ＴＳ５７０ＭＰａ級の直線型形鋼が必要となる。この場合、成分系を変えずに熱処理で強度調整することも考えられるが、図１に示したように継手部の形状が複雑で高い寸法精度が要求されるため、熱処理時に生じる熱変形を考慮すれば、ある程度の合金元素の添加も許容し、熱処理によらず成分系で強度を調整する必要があると考えた。さらに、連結要素部材を製造する際に溶接施工を行う場合もあることから、化学組成の成分設計に対しては溶接性を考慮しておく必要がある。
以上のことから、本発明の直線型形鋼は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成とした。さらにまた、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含有し、加えて、次の第１群〜第３群
（第１群）Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｎｂ：０．１０％以下、Ｂ：０．００５０％以下から選ばれた１種または２種以上、
（第２群）Ａｌ：０．１％以下、
（第３群）Ｔｉ：０．１０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下、ＲＥＭ：０．０１０％以下から選ばれた１種または２種以上のうち１群または２群以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式で定義される炭素当量Ｃｅｑが０．４５％以下になる化学組成とした。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４ （１）
右辺の元素記号：その元素の成分含有量（質量％）
以下、各成分の限定理由について述べる．
Ｃ：０．０１〜０．２％
Ｃは、強度を確保する観点から、最低でも０．０１％以上を必要とし、一方、０．２％を超えての添加は溶接性を阻害することから、０．０１〜０．２％とした。
Ｓｉ：０．８％以下
Ｓｉは、Ａｌを添加しない場合には脱酸剤として必要であり、さらに鋼中へ固溶して強度上昇にも寄与するが、０．８％超えて添加すると溶接ＨＡＺ靱性を低下させることから上限を０．８％とした。なお、好ましくは０．０５〜０．６％である。
Ｍｎ：１．８％以下
Ｍｎは、焼き入れ性を増加させ、強度を上昇させる安価な元素であるが、１．８％を超えての添加は溶接性を阻害することから、その上限を１．８％とした。なお、好ましくは０．５〜１．６％である。
Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下
不純物元素であるＰ、Ｓは、極力低減することが望ましいが、直線型形鋼として特に問題とならない範囲と脱Ｐ、脱Ｓ所要コストとを勘案して、Ｐは０．０３０％以下、Ｓは０．０２０％以下とした。
上記元素以外にさらに必要に応じて、主に強度調整の観点からＣｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｂの１種または２種以上を、また、主に脱酸効率の観点からＡｌを、また、溶接ＨＡＺ靱性向上の観点からＴｉ，Ｃａ，ＲＥＭの１種または２種以上を添加することができる。
具体的には、ＳＭ４９０ＭＰａおよびＳＭ５７０ＭＰａ級の高強度材料が求められる場合には、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎのみでは高強度化は難しく、（第１群）Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｎｂ：０．１０％以下、Ｂ：０．００５０％以下の１種または２種以上を添加するのが好ましい。各成分量の上限は、溶接性、溶接ＨＡＺ靱性、経済性を考慮して設定した。
また、脱酸効率向上のためには、（第２群）Ａｌ：０．１％以下を、そして溶接ＨＡＺ靱性の向上のためには、（第３群）Ｔｉ：０．１０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下、ＲＥＭ：０．０１０％以下の１種または２種以上を添加するのが好ましい。各成分量の上限は、鋼の清浄性を考慮して設定した。
炭素当量Ｃｅｑ：０．４５％以下
Ｃｅｑは、０．４５％を超えると溶接時に予熱が必要となって施工性を阻害するので、０．４５％以下に規制した。
次に、しわ疵生成の観点から爪曲げ成形挙動について検討した。
まず、爪曲げ成形時のしわ疵発生挙動を実験室的に明らかにするための再現方法につい本発明者らは検討し、図８に示すような実機爪曲げを模したラボ実験装置を考案した。このラボ実験装置は、支座５１，５２で支持した試験片７を両支座５１，５２間に配置した先端Ｒ１０（曲率半径１０ｍｍ）のポンチ５０で押して曲げる３点曲げ試験において、ポンチ５０として幅中央部に開口部５０Ｓを設けたものを用いることで試験片７に実機での曲がり爪内面と同様の無拘束状態の内曲がり面をつくるものであり、これによれば、図９に示すように、実機爪曲げの場合と同様のしわを再現することができる。
上記ラボ実験により、以下の３鋼種を供試材とし、試験片温度（測温箇所を図８に示す）を種々変えて熱間３点曲げ試験を行い、曲げ開始温度としわ疵深さ（前記無拘束部分の断面ミクロ観察像から測定）との関係を調べた。
・ＳＭ４００鋼：０．１５％Ｃ−０．３％Ｓｉ−０．６％Ｍｎ鋼
・ＳＭ４９０鋼：０．１５％Ｃ−０．３％Ｓｉ−１．４％Ｍｎ−０．１％Ｃｕ− ０．０２％Ｎｂ−０．０１５％Ｔｉ鋼
・ＳＭ５７０鋼：０．０３３％Ｃ−０．５５％Ｓｉ−１．５５％Ｍｎ−０．０５ ２％Ｎｂ−０．０１５％Ｔｉ−０．００２０％Ｂ鋼
その結果を図１０に示す。ＳＭ４００鋼では曲げ開始温度がＡｒ３直下（Ａｒ３以下でかつＡｒ３−５０℃超え）の温度域に相当する特定温度域に入る場合にしわ疵が最も深くなっており、Ａｒ３相当温度が低くなるＳＭ４９０鋼およびＳＭ５７０鋼では、かかる特定温度域が低温側へ移行している。図１０より、しわ疵深さを低減するには、曲がり爪の曲げ開始温度を前記特定温度域を回避する温度、すなわちＡｒ３超またはＡｒ３−５０℃以下の温度とする必要がある。
前記特定温度域でしわ疵が助長される機構は、次のように考えられる。
まず、Ａｒ３超のγ（オーステナイト）域では、母地の表面と内部とで組織差がなく両者の変形抵抗は温度のみで決まる。同じ組織では変形抵抗は、温度が高いほど低い。温度は表面の方が内部よりも低いから変形抵抗は表面の方が内部よりも高い。よって表面のしわ発達が抑制される。
次に、Ａｒ３以下Ａｒ３−５０℃超えの温度域では、表面と内部の組織差が大きくなる。すなわち、内部はγ単相のままであるが表面はγよりも変形抵抗の低いα（フェライト）相が一部存在する（γ＋α）２相となる。そのため、表面と内部の変形抵抗の大小関係が等価ないしは逆転して表面にしわが発達しやすくなり、しわ疵が深くなる。
さらに、Ａｒ３−５０℃以下の温度域では、（γ＋α）２相領域が内部に移行し、この移行した場所から表面までの範囲はα単相となる。このα単相範囲ではより低温の表面の方がより高温の内部よりも変形抵抗が高い。よって表面のしわ発達が抑制される。
次に、爪曲げ終了温度について検討した。図１１は前記４００ＭＰａおよび４９０ＭＰａ級鋼について８ｍｍφ−１２ｍｍｈの円柱状試験片を採取し、１２００℃に加熱後、所定の温度で５０％圧縮させた場合の変形抵抗の変化を示すものである。いずれの鋼も７００℃以下の温度となるにつれて変形抵抗が急激に上昇していることがわかる。この急激な変形抵抗の上昇により、目標とする爪形状へ成形することが困難となって所定の寸法形状が得られず、ひいては継手部同士の嵌合も困難となる。従って、爪曲げ終了温度は７００℃以上とするのが好ましい。よって、爪曲げ成形時の爪曲げ開始温度はＡｒ３以下Ａｒ３−５０℃超えの範囲を回避し、また曲げ終了温度は７００℃以上が好ましいとした。
次に、しわ疵深さの更なる低減について種々検討した。その結果、熱間圧延の第１の工程と第２の工程との間で、粗形鋼片フランジ外面を冷間で平滑化処理を施すことによって、しわ疵をより低減できることを知見した。
すなわち、図１２に示すように、常法に従って第１の工程を実行し、得られた粗形鋼片１に対し、そのフランジ外面３に冷間（１００℃以下）で平滑化処理を施し、以後、常法に従って第２〜第３の工程を順次実行する。平滑化処理の対象箇所は、フランジ外面３の全部である必要はなく、曲がり爪２０の内面（突条２０Ａの外側面）に相当する一部（例えば図１２のＡ部）で十分である。図１３は、粗形鋼片フランジ外面の荒れ状態の例を示す断面図であり、（ａ）は平滑化処理しなかった場合、（ｂ）はホットスカーフ（熱間材のガス溶削）にて平滑化処理した場合、（ｃ）はコールドスカーフ（冷間材のガス溶削）にて平滑化処理した場合である。平滑化処理なしでは５０μｍ以上の凹凸を有する粗面状態となっている（図１３（ａ））。ホットスカーフでは凹凸が１０〜３０μｍ程度に軽減するが依然として粗面状態である（図１３（ｂ））。これに対し、コールドスカーフではほとんど鏡面と呼べる状態となる（図１３（ｃ））。
図１４は、突条２０Ａ外面の荒れ状態の例を示す表面粗さプロフィル図であり、（ａ）は粗形鋼片フランジ外面の平滑化処理なしの場合、（ｂ）は粗形鋼片フランジ外面をコールドスカーフにて平滑化処理した場合である。粗形鋼片フランジ外面を平滑化処理しない場合は、突条外面は著しく荒れた状態となる（図１４（ａ））が、粗形鋼片フランジ外面を冷間で平滑化処理することにより突条外面は極めて滑らかな状態となる（図１４（ｂ））。
このように、第１〜第２の工程間で粗形鋼片のフランジ外面を冷間で平滑化処理することにより、フランジ外面を滑らかにすることができ、そのことにより突条外面が極めて滑らかになり、爪曲げの際のしわ発生サイトが低減して曲がり爪内面のしわ疵が軽微なものに抑制され、優れた継手強度性能を有する製品を得ることができる。
かかる冷間での平滑化処理は、この平滑化処理を受けた面の表面粗さＲｍａｘが２０μｍ以下となるように行うのが好ましい。こうすることにより、曲がり爪内面のしわ疵が最大深さ０．３ｍｍ以下の軽微なものに抑制され、疲労寿命が２００万回以上になるほどの、優れた継手強度性能を有する製品を得ることができる。
冷間での平滑化処理の手段としては、コールドスカーフ以外にグラインダ研削があるが、グラインダ研削では表面粗さＲｍａｘを２０μｍ以下にすることが困難であるため、コールドスカーフが好ましい。コールドスカーフによれば、適正なメタルリフロー状態をつくることができて、ほとんど鏡面状態の仕上がり面を得ることができる。なお、コールドスカーフ１回で十分に平滑化しきれない場合には、２回以上繰り返してもよい。
〈実施例〉
表１に示す組成になる素材を、図２に示す製造方法に従って表２に示す条件で熱間圧延し、ウエブ厚１６ｍｍのウエブ部両端に継手厚さ２１ｍｍの曲がり爪と玉爪とからなる継手部を有する直線型形鋼を製造した。
製造プロセスでは、仕上圧延における曲がり爪の曲げ開始温度や曲げ終了温度、仕上圧延前の素材の表面手入れ状態を変えて製造した。また、突条を曲げ成形して曲がり爪となす第３の工程においては、曲げ成形時の摩擦係数を低減して焼付きおよび曲げ成形精度を劣化させないため、極圧添加剤としてリン酸エステルを主成分とする潤滑剤を水と混合して成形部に吹付けるようにした。なお、潤滑剤としては、成形時の摩擦係数が０．１５〜０．２５となるものであればいずれでもよく、リン化合物や硫化油脂などの硫黄化合物が好適に用いられる。
得られた製品について曲がり爪内面のしわ疵深さを測定するとともにウエブ部機械的性質と継手部疲労特性を調査した。しわ疵深さは、圧延方向に沿って１００ｍｍおきに採った１０個の圧延方向に直交する断面について観察・測定し、該測定データの最大値で評価した。継手部疲労特性は、長さ７０ｍｍに切り出した継手部を嵌合し、連結部にモルタルを充填して作製した疲労試験片に、負荷範囲：０〜１２０ＭＰａ、負荷サイクル：１０Ｈｚの条件で応力を負荷し、疲労破壊に至るまでの応力負荷反復回数（疲労寿命）で評価した。
機械的性質については，ウエブ部（ウエブ高さの１／４部）よりＪＩＳ Ｚ ２２０１に規定されている１Ｂ号試験片を圧延方向から採取し、引張試験により，引張強さおよび降伏点（耐力）を求めた。
結果を表２に示す。曲がり爪内面にスケール疵が０．５ｍｍ超の深さで存在する直線型形鋼では、疲労寿命が１００万回未満となり、疲労特性が低い。一方、曲がり爪の曲げ開始温度を高くする、曲がり爪内面となる素材部分を深さ２ｍｍ以上スカーフ処理する、あるいは、圧延された直線型形鋼の曲がり爪内面を深さ０．３ｍｍ以上切削することにより、しわ疵深さが低減し、疲労特性は疲労寿命１００万回以上にまで向上した。また、曲がり爪内面の手入れなしでもしわ疵深さが０．５ｍｍ以下となると、疲労寿命１００万回以上に達する優れた疲労特性が得られた。特に、しわ疵深さが０．３ｍｍ未満のものは、疲労寿命５００万回超とほぼ疲労限に達しており、しわ疵からの疲労亀裂の伝播は認められなかった。
このように、しわ疵深さを０．５ｍｍ以下に制限することにより、優れた疲労特性を有するＴＳ４００ ＭＰａ級以上の直線型形鋼を生産性の高い熱間圧延により安価に製造することができる。
本発明によれば、鉄道下に道路を通す際に構築される枠体構造物のエレメント用素材に適した高い強度と優れた疲労特性（連結部疲労特性）を有する直線型形鋼を能率良く製造できるようになり、特に、圧延製造工程の上流側に冷間平滑化工程を挿入することにより曲がり爪内面のしわ疵を有効に軽減しえたので、熱間圧延成形により安価に大量に供給できるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
図１は、直線型形鋼の継手形状を示す断面図である。
図２は、直線型形鋼の孔型圧延工程の一例を示す孔型系列図である。
図３は、図２に対応する孔型圧延設備の一例を示す配置図である。
図４は、孔型Ｋ２、Ｋ１による爪曲げ過程を示す要部断面図である。
図５は、ＪＥＳ工法の概要を示す説明図である。
図６は、曲がり爪内面に生じたしわ疵を示す要部断面図である。
図７は、疲労特性におよぼすしわ疵寸法の影響を示すグラフである。
図８は、実機曲げを模したラボ実験方法を示す説明図である。
図９は、ラボ実験（ａ）と実機爪曲げ（ｂ）の無拘束曲げ面の性状を比較して示す断面図である。
図１０は、曲げ開始温度としわ疵深さの関係を示すグラフである。
図１１は、鋼の変形抵抗の温度依存性を示す模式図である。
図１２は、平滑化処理を含む工程流れ図である。
図１３は、粗形鋼片フランジ外面の荒れ状態の例を示す断面図である。
図１４は、突条外面の荒れ状態の例を示す表面プロフィル図である。
〈符号の説明〉
１ ウエブ
２ 継手
２Ａ フランジ
２Ｂ 粗形継手
３ フランジ外面
４ 非対称連結要素部材
７ 試験片
１０ しわ疵
２０ 曲がり爪
２０Ａ 突条
２１ 玉爪
２２ 継手懐
２３ 継手開口
３０ 道路トンネル
４０ 継手部
４１ 連結板材
５０ ポンチ
５０Ｓ 開口部
５１，５２ 支座
６０ 線路
３００ 構造物（トンネル壁枠体）
４００ 非対称連結要素
Claims (8)
- 平板状のウエブ部とその幅方向両端に玉爪と曲がり爪とからなる継手部を有する直線型形鋼において、前記曲がり爪の内面側に存在するしわ疵の深さが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする継手部疲労特性に優れた直線型形鋼。
- 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有することを特徴とする請求項１記載の継手部疲労特性に優れた直線型形鋼。
- 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含有し、加えて、次の第１群〜第３群（第１群）Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｎｂ：０．１０％以下、Ｂ：０．００５０％以下から選ばれた１種または２種以上、
（第２群）Ａｌ：０．１％以下、
（第３群）Ｔｉ：０．１０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下、ＲＥＭ：０．０１０％以下から選ばれた１種または２種以上
のうち１群または２群以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式で定義される炭素当量Ｃｅｑが０．４５％以下になる化学組成を有することを特徴とする請求項１記載の継手部疲労特性に優れた直線型形鋼。
記
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４ （１）
右辺の元素記号：その元素の成分含有量（質量％） - 鉄道の下に道路を通すためのトンネル壁枠体部材に用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の継手部疲労特性に優れた直線型形鋼。
- 鋼素材を上下対称に熱間圧延してウエブ端にフランジを有する粗形鋼片となす第１の工程と、前記粗形鋼片を上下非対称に熱間圧延してウエブを寸法調整しかつフランジを突条を含む粗形継手に成形する第２の工程と、さらに前記突条を熱間曲げ成形圧延して曲がり爪となすことにより粗形継手を継手に仕上げる第３の工程を有する、ウエブ端に玉爪と曲がり爪とからなる継手を有する直線型形鋼の製造方法において、前記鋼素材を、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含有する化学組成とし、前記第３の工程での爪曲げ開始温度をＡｒ３超えまたはＡｒ３−５０℃以下の温度とすることを特徴とする継手部疲労特性に優れた直線型形鋼の製造方法。
- 前記第３の工程での爪曲げ終了温度を７００℃以上とすることを特徴とする請求項５記載の継手部疲労特性に優れた直線型形鋼の製造方法。
- 前記第１の工程と第２の工程の間で粗形鋼片のフランジ外面を冷間で平滑化処理することを特徴とする請求項５または６に記載の直線型形鋼の製造方法。
- 前記平滑化処理は、この平滑化処理を受けた面の表面粗さＲｍａｘが２０μｍ以下になるように行うことを特徴とする請求項７記載の直線型形鋼の製造方法。
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