JP4063865B2 - 高強度鋼構造部材の製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高強度鋼構造部材を製造する方法に係り、さらに詳しく言えば高強度鋼素材が冷間加工されて所望の幾何学的横断面を有する構造部材に成形され、該部材の強度は素材と実質的に同等以上である。
【０００２】
【従来の技術】
鋼部品および構造部材の製造のために多数の方法が存在する。これらの方法には冷間成形技術、例えば圧延、すえ込み、ヘディング（ｈｅａｄｉｎｇ）、押出し加工など当業者に周知のものがある。すえ込み加工では、金属素材の一部またはすべての断面積が増加する。ヘディングは、素材がワイヤ、ロッドまたはバー部材である場合のすえ込み加工の特殊な形式である。ボルトの頭部はヘディング技術を使用して作られることが多い。押出し加工において、金属素材は所望の横断面形状のダイ開口を通過せしめられ、所定長さの均一横断面形状体が得られる。圧延は、素材をその全長に亙ってローラ間を繰返し通過せしめて所望形状にする。圧延は、その全長に亙って均一横断面形状を有する長い構造部材を製造する上で特に適している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
高強度鋼構造部材を製造する周知の上述方法は、鋼素材を軟化させる焼鈍等によって開始される。次に、焼鈍された鋼の素材は上述加工技術の一つを含む冷間加工技術によって所望の幾何学的形状になされる。成形された構造部材は次に熱処理（すなわち、オーステナイト化、焼入れ後に焼戻しを行うことによる硬化）を行って所望の高強度機械的性質を与えられる。得られた部材の鋼材料は焼戻しマルテンサイト・マイクロ組織を有する。この熱処理により得られた機械的性質は一致しないことが多く、部材相互間で著しく変化する場合がある。さらに、焼鈍および熱処理工程は、部材を加熱することに伴うエネルギ消費と必要な労力および処理費用のために、高強度鋼構造部材を製造する全工程の費用を著しく増大させる。
【０００４】
高強度鋼構造部材を製造する別の方法では、初めに鋼素材をオーステナイト化し、焼入れ焼戻しにより硬化させて、熱処理後の素材の機械的性質を、冷間加工可能であるようになし、上述冷間加工技術の一つによって所望の幾何学的横断面を得る。この方法による完成部材の鋼材料もまた焼戻しマルテンサイト・マイクロ組織を有する。この方法は部材相互間の強度差が小さいという点で明らかに前述方法より有利であるが、熱処理工程の費用は高い。
【０００５】
高強度材料素材の冷間加工は公知である。本願発明者の出願に係る米国特許明細書第３９０４４４５号には所定長の高強度鋼棒材をＵボルトに冷間成形する技術が示されている。該特許は、重量％で、実質的に、炭素約０．５０〜０．５５％、マンガン約１．２０〜１．６５％、バナジウム約０．０３〜０．０５％、残部が実質的に鉄である組成を有する鋼材料から成る所定長の鋼棒材が開示されている。棒材を曲げることは、他の冷間加工技術、例えば据込み、押出し加工よりも厳しくない。この発明以前は、高強度素材を据込みまたは押出し加工などの技術によって部品または構造部材に冷間成形することは、完成製品に亀裂または破損を生じやすく、または少なくとも各工程間に焼鈍または応力除去工程を実施する一連の冷間加工によって徐々に成形する必要があると考えられていた。亀裂または破損は部材を損傷する。さらに、上述冷間成形および焼鈍工程を実施することは高強度鋼構造部材の製造時間および費用を増大させる。
【０００６】
Ｗ．Ｔ．ランクフォード他著「鋼の製造、成形、処理」の第９０１〜９０９頁に、１２３２℃（２２５０°Ｆ）に加熱した素材を圧延してフランジ付きのビームを製造することが記載されている。
ＰＣＴ出願ＷＯ９４／１３８４２には、引張り強度８００Ｎ／ｍｍ2以上、降伏強度６００Ｎ／ｍｍ2以上で、組成が炭素０．３〜０．６５％、マンガン０．３〜２．５％、アルムニウム、ニッケル、チタンまたはバナジウム０．０３〜０．３５％、残部が鉄である高強度鋼材料製素材から部品を成形する方法が示されている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、フェライト・パーライト・マイクロ組織を有し所望の高強度特性を有する鋼素材から高強度鋼構造部材を製造する方法が提供される。該方法によれば、素材が圧延、据込み、鍛造、押出しなどの加工技術によって冷間加工されて所望の構造部材になされ、該構造部材の機械的強度が当初素材の強度と実質的に同等以上であり、好適には、熱処理を必要とせずに所望の高強度機械的性質を有する。
【０００８】
本明細書において、用語「素材」とは、通常の意味（すなわち、所望の幾何学的横断面を有する完成部材に成形されるべき金属片）で使用されている。素材は、棒材、ワイヤ、バー材およびそれらの切断長さ材（幅または厚さに対比して長さが大きいもの）等の金属片を含む。素材は、構造部材がその横断面形状において少なくとも１つのフランジを有する点で該構造部材と区別される。フランジとは、厚さが横断面形状体の外径よりも小さく、該構造部材の耐荷重性を向上させる部材である。
【０００９】
本発明は、フェライト・パーライト・マイクロ組織を有し、約８００Ｎ／ｍｍ2（１２０００ｐｓｉ）以上の引張り強度と約６００Ｎ／ｍｍ2（９００００ｐｓｉ）以上の降伏強度とを有し、重量比で炭素約０．３０〜０．６５％、マンガン約０．３０〜２．５％、アルミニウム、ニオブ（コロンビウム）、チタン、バナジウム、およびそれらの混合物から成る群から選ばれた有効量最大約０．３５％の少なくとも１種の微粒化剤、および残部としての鉄から成る高強度鋼材料の素材から高強度鋼構造部材を製造する方法に係わる。
【００１０】
本発明の一観点によれば、例えば圧延、据込み、鍛造、押出し加工などの技術を使用して上述素材を冷間加工し、所望の幾何学的横断面とフェライト・パーライト・マイクロ組織とを有する部材を得る高強度鋼構造部材を製造する方法が提供され、得られた構造部材の機械的性質である引張り強度および降伏強度は素材と実質的に同等以上である。
【００１１】
また、本発明によれば、前記技術による高強度鋼素材の冷間加工を含み、機械的性質である引張り強度と降伏強度が素材と実質的に同等以上である高強度鋼構造部材の製造方法が提供される。この方法によれば、靭性を向上させるための追加の処理工程を要することなく、所望機械的性質である引張り強度と降伏強度を有する構造部材が製造される。或る種の部材については、その幾何学的横断面形状を少なくとも一部の理由として、鋼部材の機械的性質（例えば、引張り強度、降伏強度、伸び率（％）、硬度、断面減少率（％）など）を向上、低下させる等のために、約２３０℃（４５０°Ｆ）〜約６５０℃（１２００°Ｆ）の温度範囲での応力除去を行う必要があるだろう。
本発明の原理、目的、および効果は、以下の詳細な説明によってさらに明らかにされる。
【００１２】
詳細な説明
本発明方法は、各種の高強度鋼構造部材を製造する上で有用である。詳細には、均一な横断面形状を実質的に全長に亙って有する細長い高強度鋼構造部材を製造する。例えばＯ、Ｌ、Ｃ、Ｚ、Ｉ、Ｔ、Ｗ、Ｕ、Ｖ字形を有する構造部材およびその他の部材の冷間成形技術を説明する。
【００１３】
構造部材が、少なくとも１つのフランジを含む均一横断面形状の細長い部材である点で、素材と構造部材が区別される。フランジは、厚さが横断面形状の外径寸法（すなわち、幅、高さ、その他の構造部材の外側寸法）より小さい部材である。構造部材に高い耐荷重能力を与える該フランジによって構造部材と素材とが区別される。換言すれば、フランジのある構造部材は同一組成材料でフランジのない構造部材より高い耐荷重能力を有する。荷重としては、軸線方向すなわち端部荷重、横断方向すなわち側方荷重、または他の種類の荷重があり得る。フランジは、構造部材の他の部分に対して連続的または不連続的に一体に成形される。不連続フランジとしては、Ｉ字形ビームの中央部分と上下部分、Ｌ字形トラスの一方の脚と他方の脚がある。連続フランジの例としては、Ｏ字形構造部材の「うね部分」すなわち局所部分がある。少なくとも１つのフランジを有する構造部材の例としてＯ、Ｌ、Ｃ、Ｚ、Ｉ、Ｔ、Ｗ、ＵおよびＶ字形部材がある。
【００１４】
望ましい実施例において、本発明の高強度鋼構造部材製造方法は、フェライト・マトリックス中の微細パーライトから成るマイクロ組織を有し、約８００Ｎ／ｍｍ2（１２００００ｐｓｉ）以上、望ましくは約１０００Ｎ／ｍｍ2（１５００００ｐｓｉ）以上の引張り強度と、約６００Ｎ／ｍｍ2（９００００ｐｓｉ）以上、望ましくは約９００Ｎ／ｍｍ2（１３００００ｐｓｉ）以上の降伏強度とを有する高強度鋼素材を提供する工程を含む。通常、パーライト成分は微細であって光学的に約１０００倍に拡大してもその薄片の分解はできない。一形態としては、素材として使用される高強度鋼材料は、熱間減厚され冷間で引抜き加工されて前記機械的性質である引張り強度と降伏強度を有している。
【００１５】
この素材を得るために使用される高強度鋼材料は、重量％で下記組成を有する。
炭素 約０．３０〜約０．６５％
マンガン 約０．３０〜約２．５％
アルミニウム、ニオブ、チタン、バナジウムおよびその混合物から成る群から選ばれた有効量最大約０．３５％の少なくとも１種の鉄微粒化剤
鉄 残部
【００１６】
さらに望ましくは、高強度鋼材料は重量％で下記組成を有する。
炭素 約０．４０〜約０．５５％
マンガン 約０．３０〜約２．５％
アルミニウム、ニオブ、チタン、バナジウムおよびそれらの混合物から成る群から選ばれた有効量最大約０．２０％の少なくとも１種の鉄微粒化剤
鉄 残部
【００１７】
さらに望ましくは、高強度鋼材料は重量％で下記の組成を有する。
炭素 約０．５０〜約０．５５％
マンガン 約１．２０〜約１．６５％
アルミニウム、ニオブ、チタン、バナジウムおよびその混合物から成る群から選ばれた有効量約０．０３〜約０．２０％の少なくとも１種の微粒化剤
鉄 残部
【００１８】
アルミニウム、ニオブ（コロンビウム）、チタン、バナジウムは微粒化剤として作用するが、バナジウムは微粒化剤として最も適している。また、前記組成材は、本発明の実施に影響を与えない他の元素を含んでもよい。
【００１９】
前記組成、および機械的性質である前記引張り強度と降伏強度を有する素材は、次いで環境温度すなわち室温から約１５０℃（３００°Ｆ）までの間の温度（望ましくは環境温度）で、据込み、鍛造または押出し加工などの技術で冷間加工されて所望の幾何学的横断面を有する部材になされ、該部材の機械的性質である引張り強度と降伏強度は実質的に素材と同等以上である。成形された部材は、機械的性質である前記引張り強度と降伏強度を有しており、望ましくは、例えば靭性を改善するための最終的応力除去工程のような追加の処理工程を要することなく生産される。しかし或る幾何学的横断面の場合および部材の適用例によっては、応力除去工程が必要である。
【００２０】
引張り強度約８００Ｎ／ｍｍ2（１２００００ｐｓｉ）以上、降伏強度約６００Ｎ／ｍｍ2（９００００ｐｓｉ）以上の高強度鋼材料素材は本発明方法の出発材料として使用されるが、周知の任意適宜の方法で製造される。本発明者による米国特許第３９０４４４５号明細書はその１つの方法を示しており、その全内容を本明細書に援用する。該明細書には、Ｕボルトなどのねじ締着部材を生産するに適した高強度鋼棒材の生産処理工程が示されている。開示された工程において、棒材はＡＳＴＭ Ｎｏ．５〜８の微粒化組織を有している。開示された方法において、前述した範囲の組成を有する鋼が、標準的な熱間減厚処理を受け、最終ゲージ寸法の１０％〜１５％になされる。熱間減厚加工された棒材は、迅速に空気冷却するために個々の長さに切断される。その後、個々の棒材は最終的寸法に冷間で仕上げられる。最終工程は、機械的強度特性を増加するための制御された応力除去工程である。この応力除去工程は棒材を約２６０〜４５０℃（５００〜８５０°Ｆ）で約１時間加熱するが、この工程は必ずしも必要ではない。
【００２１】
【実施例】
以下に、米国特許明細書第３９０４４４５号に開示された方法によって高強度鋼棒材から構造部材を製造する本発明の実施例を示す。
例
高強度鋼製Ｉ字形材が下記の重量組成を有する。
炭素 ０．５２％
マンガン １．４３％
燐 ０．００９％
硫黄 ０．０１７％
珪素 ０．２２％
バナジウム ０．０７５％
クロム ０．０５％
モリブデン ０．０１％
鉄 残部
【００２２】
材料の中央部分の厚さは約０．４５０ｃｍ（０．１７７インチ）であり、頂部および底部フランジの厚さは約０．４０６ｃｍ（０．１６インチ）である。全体の高さは６．７１ｃｍ（２．６４インチ）、全幅は各フランジの幅と同一で４．６３６ｃｍ（１．８２５インチ）である。０．３１８ｃｍ（０．１２５インチ）半径のすみ肉で中央部分すなわちウエブの各面と各フランジとが結合されていた。このＩ字形材は長さ約０．９ｍ（３フィート）であった。この引張り強度は９１１Ｎ／ｍｍ2（１３３０００ｐｓｉ）、降伏強度は６１０Ｎ／ｍｍ2（８９０００ｐｓｉ）であった。
【００２３】
Ｉ字形材は、テーパ付与されたダイを通じて室温で２９０ＫＮ（６５０００ポンド）の力で押出し加工され、仕上Ｉ字形構造部材になされた。冷間加工されたＩ字形材は幅４．６３６ｃｍ（１．８２５インチ）、高さ６．７１ｃｍ（２．６４インチ）であった。Ｉ字形材の中央部分の厚さは０．４１ｃｍ（０．１６インチ）であり、１対の間隔をおかれた厚さ０．３９４ｃｍ（０．１５５インチ）の上下フランジの間に延在している。すなわち、各フランジの厚さ０．３９４ｃｍ（０．１５５インチ）は他の外形寸法、すなわち幅４．６３６ｃｍ（１．８２５インチ）、高さ６．７１ｃｍ（２．６４インチ）より小である。半径０．３１８ｃｍ（０．１２５インチ）のすみ肉が中央部分すなわちウエブと上フランジまたは下フランジとの接合部面に形成されている。この冷間加工されたＩ字形材は、試験の結果、引張り強度９７３Ｎ／ｍｍ2（１４２０００ｐｓｉ）、降伏強度８０８Ｎ／ｍｍ2（１１８０００ｐｓｉ）であった。
【００２４】
仕上げＩ字形材の引張り強度と降伏強度とは棒部材の当初強度より大であり、従って、それ以上の強化処理の必要はない。完成した部材は棒部材が最初に有した所望の機械的性質としての延性を有しており、靭性を高めるための追加の処理工程は不要である。しかし、或る使用目的のためには、応力除去工程が必要であろう。
【００２５】
熱処理工程（オーステナイト化、焼入れ焼戻しによる硬化）を使用する従来の方法に対比して本発明によれば、冷間加工後に所望の高強度の機械的性質を与えるために熱処理を行った場合の完成構造部材は狭い範囲内で整合する機械的性質を有する。すなわち、本発明は狭い範囲内で高い強度水準を有する構造部材を確実に生産可能である。
本発明の範囲は、明細書中に示した実例によって限定されるものではなく、請求の範囲の定義に従う。

Claims (9)

  1. 特定の均一横断面形状を有する高強度鋼構造部材を製造する方法であり、高強度鋼材料素材を準備し、該素材に冷間圧延加工を施して均一横断面形状を有する構造部材を得る工程を含み、該均一横断面形状は、該横断面形状体の外径よりも厚さの小さい少なくとも１つのフランジを含み、該少なくとも１つのフランジが構造部材の荷重負担能力を増大させる、該高強度鋼構造部材の製造方法において、
    高強度鋼材料素材がフェライト・パーライト・マイクロ組織を有し、引張り強度が少なくとも８００Ｎ／ｍｍ2（１２００００ｐｓｉ）、降伏強度が少なくとも６００Ｎ／ｍｍ2（９００００ｐｓｉ）であり、
    前記高強度鋼材料素材は、重量％で、
    炭素 ０．３０〜０．６５％
    マンガン ０．３０〜２．５％
    アルミニウム、ニオブ、チタン、バナジウムおよびそれらの混合物から成る群から得られた有効量０．０３〜０．３５％の少なくとも１種の微粒化剤
    鉄 残部
    から成る組成を有し、該素材は、据込み、鍛造または押出しによって択一的に形成され、構造部材の引張り強度と降伏強度とを含む機械的性質が実質的に素材の機械的性質と同等以上であることを特徴とする高強度鋼構造部材の製造方法。
  2. 前記機械的性質を有する構造部材が靭性を改善するための追加の処理工程を要することなく製造されることを特徴とする請求項１に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
  3. 前記高強度鋼材料が、素材を製造するために、予め熱間減厚加工および冷間引抜き加工を受けていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
  4. 前記高強度鋼材料から成る素材が、少なくとも１０００Ｎ／ｍｍ2（１５００００ｐｓｉ）の引張り強度と、少なくとも９００Ｎ／ｍｍ2（１３００００ｐｓｉ）の降伏強度とを有することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
  5. 前記高強度鋼材料の組成が、重量％で、
    炭素 ０．４０〜０．５５％
    マンガン ０．３０〜２．５％
    アルミニウム、ニオブ、チタン、バナジウムおよびその混合物から成る群から選ばれた有効量０．０３〜０．２０％の少なくとも１種の微粒化剤
    鉄 残部
    であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
  6. 前記高強度鋼材料の組成が、重量％で、
    炭素 ０．５０〜０．５５％
    マンガン １．２０〜１．６５％
    アルミニウム、ニオブ、チタン、バナジウムおよびそれらの混合物から成る群から選択された有効量０．０３〜０．２０％の少なくとも１種の微粒化剤
    鉄 残部
    であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
  7. 前記冷間加工が環境温度から温度１５０℃（３００°Ｆ）までの温度範囲で実施されることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
  8. 前記機械的性質を有する構造部材がその物理的性質を改善するために温度２３０℃（４５０°Ｆ）〜６５０℃（１２００°Ｆ）で応力除去を受けることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
  9. 前記均一横断面形状がＯ、Ｌ、Ｃ、Ｚ、Ｉ、Ｔ、Ｕ、Ｖ、Ｗ字形から成る群から選択されることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
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