JP4085795B2 - 建築用耐火鋼材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火災などで数時間程度、高温状態になる建築物、橋梁等の鉄骨構造物に用いる鋼材で、特に、６５０〜７００℃の高温での使用に耐え得る鋼材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造用鋼は、温度の上昇に伴い強度が低下し、５００℃以上では顕著な強度低下を示す。このため、従来、火災などでの高温状態において鋼材が３５０℃以上とならないように耐火被覆を施すことや、鋼材自体の高温強度を向上させることが提案されてきた。
【０００３】
例えば、特許文献１、特許文献２等には、Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ等を添加し、６００℃や６５０℃における降伏強度を向上させた常温強度４００〜４９０Ｎ／ｍｍ2級鋼が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平２−１７０９４３号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平２−１６３３４１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの鋼材は主に６００℃での安全性（耐火性：６００℃において常温規格降伏強度の２／３以上の降伏強度）を保証するものであり、更に高温においての使用が考慮されたものではない。例えば、７００℃での降伏強度は、常温規格降伏強度の１／３程度に過ぎない。
【０００７】
また、高温強度を確保するために多量の合金元素を添加すると、常温強度が高くなりすぎてＳＮ材のＪＩＳ規格強度を超えてしまい、ＪＩＳ規格を外れたものとなる。また、さらに高合金化すると、溶接性や靭性の劣化を招くという問題点もある。
【０００８】
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＪＩＳに規定されたＳＮ４００またはＳＮ４９０の規格強度を満足し、さらに６５０℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．５、７００℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．４の関係を満たす高温強度を確保し、且つ優れた溶接性（Ｙ割れ停止温度０℃以下）を満足する生産原価の低い鋼およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋼材の高温強度に及ぼす成分組成について詳細に検討を行った。その結果、高温耐火時にＭｏ，Ｔｉの微細な複合炭化物を析出させることにより、高温強度を格段に向上できることを見出した。さらに、Ｍｎを０．０１〜０．５％と低くし、Ｍｏ，Ｔｉを複合添加した場合、低降伏比を損なわずに７００℃での高温強度が向上し、且つ優れた溶接性が得られることを見出した。
【００１０】
すなわち、本発明は、具体的な指針として常温強度、高温強度の両者に寄与する（Ｍｏ＋Ｔｉ）を高め、常温強度にのみ寄与するＭｎ量を低減し、（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎ比を高くし、高温強度／常温強度比を高くすることを得てなされたものであり、以下に示す手段を用いている。
【００１１】
本発明の建築用耐火鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１３％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜０．５％、Ｍｏ：０．３〜１．３％、Ｔｉ：０．０３〜０．１％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００３〜０．０７％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１２】
また、Ｍｏ、ＴｉおよびＭｎの含有量が、質量％で、（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎ≧１を満足することが好ましい。
【００１４】
また、６５０℃から７００℃の温度範囲に１０分から３０分加熱保持した後に室温まで冷却したときの硬さが、ビッカース硬度Ｈｖ１０で、加熱前よりも１０以上高いことが好ましい。
【００１５】
さらに、６５０℃から７００℃の温度範囲に１０分から３０分加熱保持したときに析出するＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物の析出量が、下記（１）式で定義される炭化物炭素当量値で５０ｐｐｍ以上であることが好ましい。炭化物炭素当量値が５０ｐｐｍを下回る場合は、所望の高温強度が得られなくなる。
【００１６】
Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＭｏＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］…（１）
ここで、
Δ［ＣａｓＴｉＣ］＝１２／４８×｛（高温保持後のＴｉ炭化物析出量）−（高温保持前のＴｉ炭化物析出量）｝
Δ［ＣａｓＭｏＣ］＝１２／９６×｛（高温保持後のＭｏ炭化物析出量）−（高温保持前のＭｏ炭化物析出量）｝
Δ［ＣａｓＶＣ］＝１２／５１×｛（高温保持後のＶ炭化物析出量）−（高温保持前のＶ炭化物析出量）｝
但し、Ｖ無添加の場合は、Δ［ＣａｓＶＣ］＝０
【００１７】
また、前記Ｔｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物の析出量が、さらに下記（２）式を満足することが好ましい。
【００１８】
０．９≦Δ［ＣａｓＭｏＣ］／（Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］）≦２．０…（２）
但し、Ｖ無添加の場合はΔ［ＣａｓＶＣ］＝０。
【００１９】
本発明の建築用耐火鋼材の製造方法は、前記組成を有する鋼を１０００℃以上に加熱した後、圧延終了温度を８００℃から１０００℃までの範囲とする熱間圧延を行うことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明での成分組成及び製造条件の限定理由について詳細に説明する。以下の説明において「％」で示す単位は全て質量％である。
【００２１】
（成分組成）
（１）Ｃ：０．０１〜０．１３％
Ｃは、常温強度と共に、６００℃以上で、Ｔｉ等との微細複合炭化物を析出して高温降伏強度を向上させるため、０．０１％以上添加する。一方、０．１３％を超えて添加すると、構造用鋼としての延靭性や溶接性が劣化する。従って、Ｃ含有量は０．０１〜０．１３％の範囲とする。
【００２２】
（２）Ｓｉ：０．０１〜０．５％
Ｓｉは、脱酸および固溶強化に寄与するため、０．０１％以上添加する。一方、０．５％を超えて添加すると延靭性が低下し、常温強度が過剰となる。従って、Ｓｉ含有量は０．０１〜０．５％の範囲とする。
【００２３】
（３）Ｍｎ：０．０１〜０．５％
Ｍｎは、本発明において重要な元素である。高温強度／常温強度比を高くするために、常温強度にのみ寄与するＭｎ量を低減する。
Ｍｎは、ＪＩＳで規定するＳＮ材としての常温強度を確保するために、０．０１％以上添加する。一方、０．５％を超えて添加すると、常温強度が高くなり高温強度／常温強度比が低下するとともに、ＳＮ材としての常温強度を超える場合がある。また、溶接性も劣化する。従って、Ｍｎ含有量は０．０１〜０．５％の範囲とする。
【００２４】
（４）Ｍｏ：０．３〜１．３％
Ｍｏは、焼入れ性の向上、析出強化に寄与して常温強度を向上させる。また、Ｔｉ，Ｖとの複合添加により後述するＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物を形成して高温強度を向上させるため、０．３％以上添加する。一方、１．３％を超える添加は、常温強度が高くなり過ぎてＪＩＳで規定するＳＮ材の規格を超えるとともに、溶接性、靭性が劣化する。従って、Ｍｏ含有量は０．３〜１．３％の範囲とする。
【００２５】
（５）Ｔｉ：０．０３〜０．１％
Ｔｉは、Ｍｏ，Ｖとの複合添加によりＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物を形成して高温強度を向上させるため、０．０３％以上添加する。一方、０．１％を超えて添加すると、溶接性および靭性が劣化する。従って、Ｔｉ含有量は０．０３〜０．１％の範囲とする。
【００２６】
（６）（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎ≧１
高温強度／常温強度比を高くするため、常温強度にのみ寄与するＭｎ量を低減して（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎを１以上とすることが好ましく、さらに、１．５以上とすることがより好ましい。但し、元素記号は鋼材中の各元素の含有量（質量％）を表す。この値が１未満では、目標とするＹＳ比（６５０℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．５、７００℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．４）が得られないか、あるいは常温強度が高くなり、ＳＮ材の規格強度を超えてＪＩＳ規格から外れる恐れがある。
【００２７】
（７）Ｐ，Ｓ：０．０３％以下
Ｐ，Ｓは不可避的不純物であり、延靭性、加工性及び溶接性を低下させるため、その含有量は、夫々０．０３％以下とする。下限は構造用鋼としての生産原価を満足する範囲で低減させることが望ましいが、特に限定しない。
【００２８】
（８）ｓｏｌ．Ａｌ：０．００３〜０．０７％
Ａｌは脱酸のため、また、ｓｏｌ．ＡｌはＡｌＮとして鋼中に析出し、結晶粒の微細化に有効なため、０．００３％以上添加する。一方、０．０７％を超えて過剰に添加すると介在物が多くなり、延靭性が低下する。従って、ｓｏｌ．Ａｌの含有量は０．００３〜０．０７％の範囲とする。
【００２９】
（９）Ｎ：０．０１％以下
Ｎは、ＡｌＮとして析出して結晶粒を微細化するが、０．０１％を超えて添加すると溶接部靭性が低下し、Ｔｉ添加の効果が損なわれる。従って、Ｎ含有量は０．０１％以下、好ましくは０．００６％以下とする。
【００３０】
以上が本発明の基本成分組成であり、基本成分が上記組成範囲内であれば目的とする性能は十分に得られるが、更にその特性を向上させるため、Ｖ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭのうちの１種または２種以上を添加することが可能である。
【００３１】
（１０）Ｖ：０．０１〜０．１０％
Ｖは、析出強化に寄与して常温強度、高温強度を上昇させるため、０．０１％以上添加する。特に、Ｍｏ，Ｔｉとの複合添加により、Ｔｉ−Ｍｏ−Ｖ系複合炭化物が微細析出し、顕著な効果が得られる。一方、０．１％を超えて添加すると硬化し、更に溶接性が劣化する。従って、Ｖを添加する場合、その含有量は０．０１〜０．１０％の範囲とする。
【００３２】
（１１）Ｎｂ：０．００５〜０．０３％
Ｎｂは、析出強化に寄与して常温強度、高温強度を上昇させるため、０．００５％以上添加する。特に、Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖとの複合添加により、複合炭化物が微細に析出し、顕著な効果が得られる。一方、０．１０％を超えて添加すると硬化し、更に溶接性が劣化する。従って、Ｎｂを添加する場合、その含有量は０．００５〜０．０３％の範囲とする。
【００３３】
（１２）Ｃｒ：０．０３〜０．５％
Ｃｒは、固溶強化に寄与して常温強度、高温強度を上昇させるため、０．０３％以上添加する。特に、Ｍｏ，Ｔｉ，Ｎｂとの複合添加により、複合炭化物が微細析出し、顕著な効果が得られる。一方、０．５％を超えて添加すると硬化し、更に溶接性が劣化する。従って、Ｃｒを添加する場合、その含有量は０．０３〜０．５％の範囲とする。
【００３４】
（１３）Ｃｕ：０．０３〜０．５％
Ｃｕは、固溶強化に寄与して常温強度を上昇させるため、０．０３％以上添加する。一方、０．５％を超えて添加すると硬化し、鋼板表面疵を生じる。従って、Ｃｕを添加する場合、その含有量は０．００３〜０．５％の範囲とする。
【００３５】
（１４）Ｎｉ：０．０３〜０．５％
Ｎｉは、低温靭性、強度を向上させるため、０．０３％以上添加する。一方、０．５％を超えて添加すると硬化し、生産原価を上昇させる。従って、Ｎｉを添加する場合、その含有量は０．０３〜０．５％の範囲とする。
【００３６】
（１５）Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭ
Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭの元素は、介在物の形態制御やＳ等の不純物元素の固定により靭性を向上させる。添加する場合は、その含有量をＣａ：０．０００５〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．０２％の範囲とする。
【００３７】
（１６）高温耐火時の析出物
本発明鋼を６００〜７００℃の高温に加熱すると、微細なＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物が析出して高い高温強度を示す。これらの析出物は高温耐火時に多量に析出するため、結果的に、高い高温強度／常温強度比となる。
【００３８】
（ｉ）ビッカース硬度Ｈｖ１０
本発明の目的である６５０℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．５、７００℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．４を満足するためには、高温加熱時に一定量以上のＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物を析出させる必要がある。
【００３９】
このためには、６５０℃から７００℃の温度範囲に１０分から３０分加熱保持した後に室温まで冷却したときの硬さを、ビッカース硬度Ｈｖ１０で、加熱前より１０以上高くする。Ｈｖ１０の差が１０未満である場合、高温加熱時に析出するＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物の量が不足し、上記特性が得られない恐れがある。
ここで、ビッカース硬度Ｈｖ１０とは、圧子の荷重条件を１０ｋｇとして測定したときの硬さ指数をいう。なお、硬さの差は、同一鋼板の加熱前後にける板厚方向１／４ｔの位置における常温硬度の値の差とする。
【００４０】
（ii）Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＭｏＣ］
Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＭｏＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］
高温加熱時に析出するＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物は下記の組成、析出量を有することが望ましい。
【００４１】
６５０℃から７００℃の温度範囲に１０分から３０分保持した場合に、新たに析出する析出物は（Ｔｉ−Ｍｏ）Ｃの複合炭化物であり、その析出量は、下記（１）’式で表される炭化物炭素当量値で、５０ｐｐｍ以上であることが好ましい。Ｍｏは通常Ｍｏ2Ｃとして析出するが、透過型電子顕微鏡による観察と抽出浅さの分析結果から、本発明鋼では（Ｔｉ−Ｍｏ）Ｃとして析出し、この複合炭化物が高温強度向上に寄与していることが判明した。析出量が炭化物炭素当量値で５０ｐｐｍ未満の場合、所望の高温強度が得られない恐れがある。
【００４２】
なお、十分な高温強度を得るためには炭化物炭素当量値を７０ｐｐｍ以上とすることがさらに好ましい。また、炭化物炭素当量値の上限は、溶接性および靭性を劣化させない観点から、３００ｐｐｍとすることが望ましい。よって、最も好ましい範囲としては炭化物炭素当量値を７０〜３００ｐｐｍとする。
Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＭｏＣ］…（１）’。
【００４３】
なお、Ｖを添加した場合には、（Ｔｉ−Ｍｏ−Ｖ）Ｃの複合炭化物が形成され、さらに高温強度は向上する。この場合、その析出量は、下記（１）式で表される炭化物炭素当量値で、５０ｐｐｍ以上であることが好ましい。
Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＭｏＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］…（１）。
【００４４】
ここで、上記Δ［ＣａｓＴｉＣ］、Δ［ＣａｓＭｏＣ］、Δ［ＣａｓＶＣ］は、それぞれ以下のように求められる。
Δ［ＣａｓＴｉＣ］＝１２／４８×｛（高温保持後のＴｉ炭化物析出量）−（高温保持前のＴｉ炭化物析出量）｝
Δ［ＣａｓＭｏＣ］＝１２／９６×｛（高温保持後のＭｏ炭化物析出量）−（高温保持前のＭｏ炭化物析出量）｝
Δ［ＣａｓＶＣ］＝１２／５１×｛（高温保持後のＶ炭化物析出量）−（高温保持前のＶ炭化物析出量）｝
但し、Δ［ＣａｓＴｉＣ］、Δ［ＣａｓＭｏＣ］、Δ［ＣａｓＶＣ］は、高温保持した時に、それぞれＴｉ炭化物、Ｍｏ炭化物、Ｖ炭化物が組織中に新たに析出する際に消費される炭素量を示す。なお、各金属元素の析出量は、１０％アセチルアセトン−メタノール電解抽出により鋼中から抽出した残渣をＩＣＰ発光分析法により求める。
【００４５】
（iii）Δ［ＣａｓＭｏＣ］／（Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］）
Ｔｉ−Ｍｏ系複合炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系複合炭化物中の金属元素の比が下記式（２）を満足すると、析出物が非常に小さく且つ安定であり、他の析出物に比べて高温強度向上に非常に有効である。この下記（２）式の範囲外では、析出物サイズが大きくなり、高温強度への寄与が不十分となる恐れがある。
０．９≦Δ［ＣａｓＭｏＣ］／（Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］）≦２．０…（２）
但し、Ｖ無添加の場合は、Δ［ＣａｓＶＣ］＝０である。
【００４６】
（製造方法）
（１７）スラブ加熱温度：１０００℃以上
スラブ加熱温度は、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖを固溶させ、Ｍｏ，Ｔｉの複合添加による高温強度向上効果を得るため、ＪＩＳに規定されているＳＮ４９０材の規格強度を満足するためには１０００℃以上とする。
【００４７】
（１８）圧延終了温度：８００〜１０００℃
圧延終了温度は、８００℃未満では高温強度が低下し、１０００℃を超えると結晶粒が粗大化して焼入れ性が向上し、常温強度が高くなりすぎるため、ＪＩＳに規定されているＳＮ４９０材の規格強度を満足するためには８００〜１０００℃の温度範囲とする。
【００４８】
【実施例】
供試鋼Ａ〜Ｗを用いて、種々の製造条件により鋼板を製造した。表１に、用いた供試鋼Ａ〜Ｗの化学成分を示す。鋼Ａ〜Ｃは本発明範囲内の成分組成を有する発明鋼であり、鋼Ｄ〜Ｎは参考鋼であり、鋼Ｏ〜Ｗは本発明範囲外の成分組成を有する比較鋼である。
【００４９】
また、表２に、製造条件として、供試鋼の鋼種、鋼板の板厚（ｍｍ）、発明製造プロセス、製造プロセス、圧延時の加熱温度（℃）、圧延終了温度（℃）および冷却条件を示す。なお、発明製造プロセスの表示は請求項７記載の方法に従った場合には、○とし、それ以外の場合には、×と示した。
【００５０】
得られた鋼板について、常温引張試験および高温引張試験をそれぞれ行った。常温引張特性として、降伏強度ＹＳ（Ｎ／ｍｍ2）、引張強度ＴＳ（Ｎ／ｍｍ2）および降伏比ＹＲ（％）を求め、高温引張特性として、試験温度６００℃、６５０℃、７００℃での降伏強度ＹＳ（Ｎ／ｍｍ2）を求めた。また、各試験温度での高温ＹＳと常温ＹＳの比（高温ＹＳ／常温ＹＳ）をＹＳ比（％）として求めた。これらの結果を表２に併記する。なお、常温引張試験はＪＩＳ Ｚ ２２４１、高温引張試験はＪＩＳ Ｇ ０５６７に準じて行った。
【００５１】
ここで、常温強度はＪＩＳ Ｇ ３１３６に規定されているように、ＹＳ：２３５〜３５５Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については２１５〜３３５Ｎ／ｍｍ2）、ＴＳ：４００〜５１０Ｎ／ｍｍ2を満足するものをＳＮ４００材とし、ＹＳ：３２５〜４４５Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については２９５〜４１５Ｎ／ｍｍ2）、ＴＳ：４９０〜６１０Ｎ／ｍｍ2を満足するものをＳＮ４９０材として、これらの規格強度範囲を満たしていないものを本発明範囲外とした。
【００５２】
高温強度は、ＳＮ４００材としては、６００℃でＹＳ≧１５７Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については１４３Ｎ／ｍｍ2）（ＳＮ４００の常温ＹＳ規格下限の２／３）、６５０℃でＹＳ≧１３８Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については１２６Ｎ／ｍｍ2）、７００℃でＹＳ≧１１８Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については１０８Ｎ／ｍｍ2）（ＳＮ４００の常温ＹＳ規格下限の１／２）を基準値とし、ＳＮ４９０材としては、６００℃でＹＳ≧２１７Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については１９７Ｎ／ｍｍ2）（ＳＮ４９０の常温ＹＳ規格下限の２／３）、６５０℃でＹＳ≧１９０Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については１７３Ｎ／ｍｍ2）、７００℃でＹＳ≧１６３Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については１４８Ｎ／ｍｍ2）（ＳＮ４９０の常温ＹＳ規格下限の１／２）を基準値として、これを満たしていないものを本発明範囲外とした。
【００５３】
なお、発明製造プロセスが本発明範囲から外れる比較例１〜３の鋼板については、ＳＮ４９０材として基準値を設けた。
【００５４】
さらに、溶接性および靭性の評価を行った。溶接性の評価としては、Ｙ割れ試験を行い、靭性の評価としては、０℃におけるシャルピー吸収エネルギーを測定した。これらの結果も表２に併記する。ここで、溶接性は、割れ防止予熱温度（Ｙ割れ停止温度）が０℃を超えるものを本発明範囲外とし、靭性は、シャルピー吸収エネルギーｖＥ０≧１００Ｊを基準値として、これを満たしていないものを本発明範囲外とした。
【００５５】
また、実施例１，５，６、参考例１および比較例１，３の鋼板については、７００℃加熱保持前後の硬さの評価と析出物の形態分析を行った。硬さの評価としては、７００℃に加熱する前の試験片と、７００℃に加熱し、約３０分間保持した後、常温まで冷却した試験片とを用い、これら試験片につき荷重１０ｋｇのビッカース硬度を測定し、加熱前後におけるビッカース硬度差を求めた。
【００５６】
また、析出物の形態分析としては、７００℃加熱保持前後の試験片のＴｉ，Ｍｏ，Ｖ析出量（抽出金属量）を測定し、Δ［ＣａｓＴｉＣ］、Δ［ＣａｓＭｏＣ］、Δ［ＣａｓＶＣ］を求めた。この結果から析出物の炭化物炭素当量値および金属比：Δ［ＣａｓＭｏＣ］／（Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］）を求めた。なお、各金属元素の析出量は、１０％アセチルアセトン−メタノール電解抽出により鋼中から残渣を抽出し、抽出残渣を用いてＩＣＰ発光分析法により抽出金属量として定量した。これらの結果を表３に示す。
【００５７】
表２に示すように、本発明鋼Ａ〜Ｃ及び参考鋼Ｄ〜Ｎを用い、本発明に従って製造した実施例１〜７及び参考例１〜１１の鋼板は、常温強度がＪＩＳで規定するＳＮ４９０の規格を満たし、６００℃、６５０℃および７００℃でのＹＳがすべて基準値を満足した。また、６００℃でのＹＳ比≧６１％、６５０℃でのＹＳ比≧５５％、７００℃でのＹＳ比≧４７％と優れた値が得られた。さらに、Ｙ割れ防止温度は０℃以下、０℃におけるシャルピー吸収エネルギーは１００Ｊ以上と優れた値が得られた。
【００５８】
一方、本発明鋼Ａを用いたが、スラブ加熱温度が１０００℃未満と本発明範囲から外れて低かった比較例１の鋼板は、ＳＮ４９０材として、常温強度がＪＩＳ規格よりも低く、高温強度ＹＳも低かった。なお、ＳＮ４００材としては、ＪＩＳに規定されている常温強度の規格を満足し、また、高温強度ＹＳの基準値も満たしていた。
【００５９】
同様に、本発明鋼Ａを用いたが、圧延終了温度が１０００℃を超えて高かった比較例２の鋼板は、ＳＮ４９０材として、常温強度がＪＩＳ規格を超えていた。
【００６０】
同様に、本発明鋼Ａを用いたが、圧延終了温度が８００℃未満と本発明範囲を外れて低かった比較例３の鋼板は、ＳＮ４９０材として、高温強度ＹＳが低かった。
【００６１】
Ｍｎ量が０．５％を超えて高く、Ｔｉ無添加で、（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎが１未満のＯ鋼を用いた比較例４〜７の鋼板はいずれの条件においても、ＳＮ４９０材として、高温強度が低く、また、Ｙ割れ防止温度も２５℃と高かった。
【００６２】
Ｍｎ量が１％を超えて高く、（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎが１未満のＰ鋼，Ｑ鋼，Ｒ鋼を用いた比較例８〜１０の鋼板は、常温強度がＪＩＳで規定されているＳＮ４９０材の規格を超え、Ｙ割れ防止温度も高かった。
【００６３】
Ｍｏ量が０．３％未満と低く、（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎが１未満のＳ鋼を用いた比較例１１の鋼板は、常温強度はＪＩＳで規定されているＳＮ４００材及び４９０材の規格をともに満たすが、高温強度はＳＮ４００材として見ても低かった。
【００６４】
Ｍｏ量が１．３％を超えて高いＴ鋼を用いた比較例１２の鋼板は、常温強度がＪＩＳで規定されているＳＮ４９０材の規格を超えるとともに、Ｙ割れ防止温度が２５℃と高く、さらに靭性が劣化していた。
【００６５】
Ｔｉ量が０．０３％未満と低いＵ鋼を用いた比較例１３の鋼板は、ＳＮ４９０材の製造プロセスを用いたにもかかわらず、ＳＮ４００材の常温強度止まりであった。さらに、高温強度はＳＮ４００材の基準値をも下回っていた。
【００６６】
Ｔｉ量が０．１％を超えて高いＶ鋼を用いた比較例１４の鋼板は、ＳＮ４９０材として、高温強度ＹＳ比が低く、Ｙ割れ防止温度が５０℃と高く、さらに靭性が劣化していた。
【００６７】
Ｃ量が０．１３％を超えて高いＷ鋼を用いた比較例１５の鋼板は、ＳＮ４９０材として、Ｙ割れ防止温度が５０℃と高かった。
【００６８】
また、表３に示されるように、本発明鋼Ａ，Ｂ及び参考鋼Ｄを用い、本発明範囲内にある製造条件で製造した実施例１，５，６及び参考例１の鋼板は、７００℃加熱保持後の硬度が、加熱保持前よりもビッカース硬度Ｈｖ１０で１０以上上昇していた。また、Ｔｉ−Ｍｏ系複合炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系複合炭化物の析出量も炭化物炭素当量値換算で５０ｐｐｍ以上であり、金属比も０．９〜２．０の範囲内にあった。この結果、表２に示すように高温強度に優れていた。
【００６９】
一方、本発明鋼Ａを用いたが、圧延時の加熱温度が低かった比較例１、圧延終了温度が低かった比較例３の鋼板は、加熱保持前後の硬度差がＨｖ１０で１０未満と低く、析出物の量も５０ｐｐｍ未満と少なかった。さらに、比較例１の鋼板については、金属比が２．０を超えて高かった。この結果、表２に示すように実施例の鋼板に比べ高温強度が劣っていた。
【００７０】
このように、本発明範囲内の成分組成を有し、本発明に従って製造された鋼板は、高温強度に優れている。
【００７１】
【表１】
【００７２】
【表２−１】
【００７３】
【表２−２】
【表３】
【００７４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、ＪＩＳに規定されたＳＮ４００またはＳＮ４９０の規格強度を満足し、さらに６５０℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．５、７００℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．４の関係を満たす高温強度を確保し、且つ優れた溶接性（Ｙ割れ停止温度０℃以下）を満足する生産原価の低い鋼およびその製造方法を提供することができ、産業上極めて有用である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、火災などで数時間程度、高温状態になる建築物、橋梁等の鉄骨構造物に用いる鋼材で、特に、６５０〜７００℃の高温での使用に耐え得る鋼材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造用鋼は、温度の上昇に伴い強度が低下し、５００℃以上では顕著な強度低下を示す。このため、従来、火災などでの高温状態において鋼材が３５０℃以上とならないように耐火被覆を施すことや、鋼材自体の高温強度を向上させることが提案されてきた。
【０００３】
例えば、特許文献１、特許文献２等には、Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ等を添加し、６００℃や６５０℃における降伏強度を向上させた常温強度４００〜４９０Ｎ／ｍｍ2級鋼が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平２−１７０９４３号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平２−１６３３４１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの鋼材は主に６００℃での安全性（耐火性：６００℃において常温規格降伏強度の２／３以上の降伏強度）を保証するものであり、更に高温においての使用が考慮されたものではない。例えば、７００℃での降伏強度は、常温規格降伏強度の１／３程度に過ぎない。
【０００７】
また、高温強度を確保するために多量の合金元素を添加すると、常温強度が高くなりすぎてＳＮ材のＪＩＳ規格強度を超えてしまい、ＪＩＳ規格を外れたものとなる。また、さらに高合金化すると、溶接性や靭性の劣化を招くという問題点もある。
【０００８】
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＪＩＳに規定されたＳＮ４００またはＳＮ４９０の規格強度を満足し、さらに６５０℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．５、７００℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．４の関係を満たす高温強度を確保し、且つ優れた溶接性（Ｙ割れ停止温度０℃以下）を満足する生産原価の低い鋼およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋼材の高温強度に及ぼす成分組成について詳細に検討を行った。その結果、高温耐火時にＭｏ，Ｔｉの微細な複合炭化物を析出させることにより、高温強度を格段に向上できることを見出した。さらに、Ｍｎを０．０１〜０．５％と低くし、Ｍｏ，Ｔｉを複合添加した場合、低降伏比を損なわずに７００℃での高温強度が向上し、且つ優れた溶接性が得られることを見出した。
【００１０】
すなわち、本発明は、具体的な指針として常温強度、高温強度の両者に寄与する（Ｍｏ＋Ｔｉ）を高め、常温強度にのみ寄与するＭｎ量を低減し、（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎ比を高くし、高温強度／常温強度比を高くすることを得てなされたものであり、以下に示す手段を用いている。
【００１１】
本発明の建築用耐火鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１３％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜０．５％、Ｍｏ：０．３〜１．３％、Ｔｉ：０．０３〜０．１％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００３〜０．０７％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１２】
また、Ｍｏ、ＴｉおよびＭｎの含有量が、質量％で、（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎ≧１を満足することが好ましい。
【００１４】
また、６５０℃から７００℃の温度範囲に１０分から３０分加熱保持した後に室温まで冷却したときの硬さが、ビッカース硬度Ｈｖ１０で、加熱前よりも１０以上高いことが好ましい。
【００１５】
さらに、６５０℃から７００℃の温度範囲に１０分から３０分加熱保持したときに析出するＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物の析出量が、下記（１）式で定義される炭化物炭素当量値で５０ｐｐｍ以上であることが好ましい。炭化物炭素当量値が５０ｐｐｍを下回る場合は、所望の高温強度が得られなくなる。
【００１６】
Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＭｏＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］…（１）
ここで、
Δ［ＣａｓＴｉＣ］＝１２／４８×｛（高温保持後のＴｉ炭化物析出量）−（高温保持前のＴｉ炭化物析出量）｝
Δ［ＣａｓＭｏＣ］＝１２／９６×｛（高温保持後のＭｏ炭化物析出量）−（高温保持前のＭｏ炭化物析出量）｝
Δ［ＣａｓＶＣ］＝１２／５１×｛（高温保持後のＶ炭化物析出量）−（高温保持前のＶ炭化物析出量）｝
但し、Ｖ無添加の場合は、Δ［ＣａｓＶＣ］＝０
【００１７】
また、前記Ｔｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物の析出量が、さらに下記（２）式を満足することが好ましい。
【００１８】
０．９≦Δ［ＣａｓＭｏＣ］／（Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］）≦２．０…（２）
但し、Ｖ無添加の場合はΔ［ＣａｓＶＣ］＝０。
【００１９】
本発明の建築用耐火鋼材の製造方法は、前記組成を有する鋼を１０００℃以上に加熱した後、圧延終了温度を８００℃から１０００℃までの範囲とする熱間圧延を行うことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明での成分組成及び製造条件の限定理由について詳細に説明する。以下の説明において「％」で示す単位は全て質量％である。
【００２１】
（成分組成）
（１）Ｃ：０．０１〜０．１３％
Ｃは、常温強度と共に、６００℃以上で、Ｔｉ等との微細複合炭化物を析出して高温降伏強度を向上させるため、０．０１％以上添加する。一方、０．１３％を超えて添加すると、構造用鋼としての延靭性や溶接性が劣化する。従って、Ｃ含有量は０．０１〜０．１３％の範囲とする。
【００２２】
（２）Ｓｉ：０．０１〜０．５％
Ｓｉは、脱酸および固溶強化に寄与するため、０．０１％以上添加する。一方、０．５％を超えて添加すると延靭性が低下し、常温強度が過剰となる。従って、Ｓｉ含有量は０．０１〜０．５％の範囲とする。
【００２３】
（３）Ｍｎ：０．０１〜０．５％
Ｍｎは、本発明において重要な元素である。高温強度／常温強度比を高くするために、常温強度にのみ寄与するＭｎ量を低減する。
Ｍｎは、ＪＩＳで規定するＳＮ材としての常温強度を確保するために、０．０１％以上添加する。一方、０．５％を超えて添加すると、常温強度が高くなり高温強度／常温強度比が低下するとともに、ＳＮ材としての常温強度を超える場合がある。また、溶接性も劣化する。従って、Ｍｎ含有量は０．０１〜０．５％の範囲とする。
【００２４】
（４）Ｍｏ：０．３〜１．３％
Ｍｏは、焼入れ性の向上、析出強化に寄与して常温強度を向上させる。また、Ｔｉ，Ｖとの複合添加により後述するＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物を形成して高温強度を向上させるため、０．３％以上添加する。一方、１．３％を超える添加は、常温強度が高くなり過ぎてＪＩＳで規定するＳＮ材の規格を超えるとともに、溶接性、靭性が劣化する。従って、Ｍｏ含有量は０．３〜１．３％の範囲とする。
【００２５】
（５）Ｔｉ：０．０３〜０．１％
Ｔｉは、Ｍｏ，Ｖとの複合添加によりＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物を形成して高温強度を向上させるため、０．０３％以上添加する。一方、０．１％を超えて添加すると、溶接性および靭性が劣化する。従って、Ｔｉ含有量は０．０３〜０．１％の範囲とする。
【００２６】
（６）（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎ≧１
高温強度／常温強度比を高くするため、常温強度にのみ寄与するＭｎ量を低減して（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎを１以上とすることが好ましく、さらに、１．５以上とすることがより好ましい。但し、元素記号は鋼材中の各元素の含有量（質量％）を表す。この値が１未満では、目標とするＹＳ比（６５０℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．５、７００℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．４）が得られないか、あるいは常温強度が高くなり、ＳＮ材の規格強度を超えてＪＩＳ規格から外れる恐れがある。
【００２７】
（７）Ｐ，Ｓ：０．０３％以下
Ｐ，Ｓは不可避的不純物であり、延靭性、加工性及び溶接性を低下させるため、その含有量は、夫々０．０３％以下とする。下限は構造用鋼としての生産原価を満足する範囲で低減させることが望ましいが、特に限定しない。
【００２８】
（８）ｓｏｌ．Ａｌ：０．００３〜０．０７％
Ａｌは脱酸のため、また、ｓｏｌ．ＡｌはＡｌＮとして鋼中に析出し、結晶粒の微細化に有効なため、０．００３％以上添加する。一方、０．０７％を超えて過剰に添加すると介在物が多くなり、延靭性が低下する。従って、ｓｏｌ．Ａｌの含有量は０．００３〜０．０７％の範囲とする。
【００２９】
（９）Ｎ：０．０１％以下
Ｎは、ＡｌＮとして析出して結晶粒を微細化するが、０．０１％を超えて添加すると溶接部靭性が低下し、Ｔｉ添加の効果が損なわれる。従って、Ｎ含有量は０．０１％以下、好ましくは０．００６％以下とする。
【００３０】
以上が本発明の基本成分組成であり、基本成分が上記組成範囲内であれば目的とする性能は十分に得られるが、更にその特性を向上させるため、Ｖ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭのうちの１種または２種以上を添加することが可能である。
【００３１】
（１０）Ｖ：０．０１〜０．１０％
Ｖは、析出強化に寄与して常温強度、高温強度を上昇させるため、０．０１％以上添加する。特に、Ｍｏ，Ｔｉとの複合添加により、Ｔｉ−Ｍｏ−Ｖ系複合炭化物が微細析出し、顕著な効果が得られる。一方、０．１％を超えて添加すると硬化し、更に溶接性が劣化する。従って、Ｖを添加する場合、その含有量は０．０１〜０．１０％の範囲とする。
【００３２】
（１１）Ｎｂ：０．００５〜０．０３％
Ｎｂは、析出強化に寄与して常温強度、高温強度を上昇させるため、０．００５％以上添加する。特に、Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖとの複合添加により、複合炭化物が微細に析出し、顕著な効果が得られる。一方、０．１０％を超えて添加すると硬化し、更に溶接性が劣化する。従って、Ｎｂを添加する場合、その含有量は０．００５〜０．０３％の範囲とする。
【００３３】
（１２）Ｃｒ：０．０３〜０．５％
Ｃｒは、固溶強化に寄与して常温強度、高温強度を上昇させるため、０．０３％以上添加する。特に、Ｍｏ，Ｔｉ，Ｎｂとの複合添加により、複合炭化物が微細析出し、顕著な効果が得られる。一方、０．５％を超えて添加すると硬化し、更に溶接性が劣化する。従って、Ｃｒを添加する場合、その含有量は０．０３〜０．５％の範囲とする。
【００３４】
（１３）Ｃｕ：０．０３〜０．５％
Ｃｕは、固溶強化に寄与して常温強度を上昇させるため、０．０３％以上添加する。一方、０．５％を超えて添加すると硬化し、鋼板表面疵を生じる。従って、Ｃｕを添加する場合、その含有量は０．００３〜０．５％の範囲とする。
【００３５】
（１４）Ｎｉ：０．０３〜０．５％
Ｎｉは、低温靭性、強度を向上させるため、０．０３％以上添加する。一方、０．５％を超えて添加すると硬化し、生産原価を上昇させる。従って、Ｎｉを添加する場合、その含有量は０．０３〜０．５％の範囲とする。
【００３６】
（１５）Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭ
Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭの元素は、介在物の形態制御やＳ等の不純物元素の固定により靭性を向上させる。添加する場合は、その含有量をＣａ：０．０００５〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．０２％の範囲とする。
【００３７】
（１６）高温耐火時の析出物
本発明鋼を６００〜７００℃の高温に加熱すると、微細なＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物が析出して高い高温強度を示す。これらの析出物は高温耐火時に多量に析出するため、結果的に、高い高温強度／常温強度比となる。
【００３８】
（ｉ）ビッカース硬度Ｈｖ１０
本発明の目的である６５０℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．５、７００℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．４を満足するためには、高温加熱時に一定量以上のＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物を析出させる必要がある。
【００３９】
このためには、６５０℃から７００℃の温度範囲に１０分から３０分加熱保持した後に室温まで冷却したときの硬さを、ビッカース硬度Ｈｖ１０で、加熱前より１０以上高くする。Ｈｖ１０の差が１０未満である場合、高温加熱時に析出するＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物の量が不足し、上記特性が得られない恐れがある。
ここで、ビッカース硬度Ｈｖ１０とは、圧子の荷重条件を１０ｋｇとして測定したときの硬さ指数をいう。なお、硬さの差は、同一鋼板の加熱前後にける板厚方向１／４ｔの位置における常温硬度の値の差とする。
【００４０】
（ii）Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＭｏＣ］
Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＭｏＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］
高温加熱時に析出するＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物は下記の組成、析出量を有することが望ましい。
【００４１】
６５０℃から７００℃の温度範囲に１０分から３０分保持した場合に、新たに析出する析出物は（Ｔｉ−Ｍｏ）Ｃの複合炭化物であり、その析出量は、下記（１）’式で表される炭化物炭素当量値で、５０ｐｐｍ以上であることが好ましい。Ｍｏは通常Ｍｏ2Ｃとして析出するが、透過型電子顕微鏡による観察と抽出浅さの分析結果から、本発明鋼では（Ｔｉ−Ｍｏ）Ｃとして析出し、この複合炭化物が高温強度向上に寄与していることが判明した。析出量が炭化物炭素当量値で５０ｐｐｍ未満の場合、所望の高温強度が得られない恐れがある。
【００４２】
なお、十分な高温強度を得るためには炭化物炭素当量値を７０ｐｐｍ以上とすることがさらに好ましい。また、炭化物炭素当量値の上限は、溶接性および靭性を劣化させない観点から、３００ｐｐｍとすることが望ましい。よって、最も好ましい範囲としては炭化物炭素当量値を７０〜３００ｐｐｍとする。
Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＭｏＣ］…（１）’。
【００４３】
なお、Ｖを添加した場合には、（Ｔｉ−Ｍｏ−Ｖ）Ｃの複合炭化物が形成され、さらに高温強度は向上する。この場合、その析出量は、下記（１）式で表される炭化物炭素当量値で、５０ｐｐｍ以上であることが好ましい。
Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＭｏＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］…（１）。
【００４４】
ここで、上記Δ［ＣａｓＴｉＣ］、Δ［ＣａｓＭｏＣ］、Δ［ＣａｓＶＣ］は、それぞれ以下のように求められる。
Δ［ＣａｓＴｉＣ］＝１２／４８×｛（高温保持後のＴｉ炭化物析出量）−（高温保持前のＴｉ炭化物析出量）｝
Δ［ＣａｓＭｏＣ］＝１２／９６×｛（高温保持後のＭｏ炭化物析出量）−（高温保持前のＭｏ炭化物析出量）｝
Δ［ＣａｓＶＣ］＝１２／５１×｛（高温保持後のＶ炭化物析出量）−（高温保持前のＶ炭化物析出量）｝
但し、Δ［ＣａｓＴｉＣ］、Δ［ＣａｓＭｏＣ］、Δ［ＣａｓＶＣ］は、高温保持した時に、それぞれＴｉ炭化物、Ｍｏ炭化物、Ｖ炭化物が組織中に新たに析出する際に消費される炭素量を示す。なお、各金属元素の析出量は、１０％アセチルアセトン−メタノール電解抽出により鋼中から抽出した残渣をＩＣＰ発光分析法により求める。
【００４５】
（iii）Δ［ＣａｓＭｏＣ］／（Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］）
Ｔｉ−Ｍｏ系複合炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系複合炭化物中の金属元素の比が下記式（２）を満足すると、析出物が非常に小さく且つ安定であり、他の析出物に比べて高温強度向上に非常に有効である。この下記（２）式の範囲外では、析出物サイズが大きくなり、高温強度への寄与が不十分となる恐れがある。
０．９≦Δ［ＣａｓＭｏＣ］／（Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］）≦２．０…（２）
但し、Ｖ無添加の場合は、Δ［ＣａｓＶＣ］＝０である。
【００４６】
（製造方法）
（１７）スラブ加熱温度：１０００℃以上
スラブ加熱温度は、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖを固溶させ、Ｍｏ，Ｔｉの複合添加による高温強度向上効果を得るため、ＪＩＳに規定されているＳＮ４９０材の規格強度を満足するためには１０００℃以上とする。
【００４７】
（１８）圧延終了温度：８００〜１０００℃
圧延終了温度は、８００℃未満では高温強度が低下し、１０００℃を超えると結晶粒が粗大化して焼入れ性が向上し、常温強度が高くなりすぎるため、ＪＩＳに規定されているＳＮ４９０材の規格強度を満足するためには８００〜１０００℃の温度範囲とする。
【００４８】
【実施例】
供試鋼Ａ〜Ｗを用いて、種々の製造条件により鋼板を製造した。表１に、用いた供試鋼Ａ〜Ｗの化学成分を示す。鋼Ａ〜Ｃは本発明範囲内の成分組成を有する発明鋼であり、鋼Ｄ〜Ｎは参考鋼であり、鋼Ｏ〜Ｗは本発明範囲外の成分組成を有する比較鋼である。
【００４９】
また、表２に、製造条件として、供試鋼の鋼種、鋼板の板厚（ｍｍ）、発明製造プロセス、製造プロセス、圧延時の加熱温度（℃）、圧延終了温度（℃）および冷却条件を示す。なお、発明製造プロセスの表示は請求項７記載の方法に従った場合には、○とし、それ以外の場合には、×と示した。
【００５０】
得られた鋼板について、常温引張試験および高温引張試験をそれぞれ行った。常温引張特性として、降伏強度ＹＳ（Ｎ／ｍｍ2）、引張強度ＴＳ（Ｎ／ｍｍ2）および降伏比ＹＲ（％）を求め、高温引張特性として、試験温度６００℃、６５０℃、７００℃での降伏強度ＹＳ（Ｎ／ｍｍ2）を求めた。また、各試験温度での高温ＹＳと常温ＹＳの比（高温ＹＳ／常温ＹＳ）をＹＳ比（％）として求めた。これらの結果を表２に併記する。なお、常温引張試験はＪＩＳ Ｚ ２２４１、高温引張試験はＪＩＳ Ｇ ０５６７に準じて行った。
【００５１】
ここで、常温強度はＪＩＳ Ｇ ３１３６に規定されているように、ＹＳ：２３５〜３５５Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については２１５〜３３５Ｎ／ｍｍ2）、ＴＳ：４００〜５１０Ｎ／ｍｍ2を満足するものをＳＮ４００材とし、ＹＳ：３２５〜４４５Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については２９５〜４１５Ｎ／ｍｍ2）、ＴＳ：４９０〜６１０Ｎ／ｍｍ2を満足するものをＳＮ４９０材として、これらの規格強度範囲を満たしていないものを本発明範囲外とした。
【００５２】
高温強度は、ＳＮ４００材としては、６００℃でＹＳ≧１５７Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については１４３Ｎ／ｍｍ2）（ＳＮ４００の常温ＹＳ規格下限の２／３）、６５０℃でＹＳ≧１３８Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については１２６Ｎ／ｍｍ2）、７００℃でＹＳ≧１１８Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については１０８Ｎ／ｍｍ2）（ＳＮ４００の常温ＹＳ規格下限の１／２）を基準値とし、ＳＮ４９０材としては、６００℃でＹＳ≧２１７Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については１９７Ｎ／ｍｍ2）（ＳＮ４９０の常温ＹＳ規格下限の２／３）、６５０℃でＹＳ≧１９０Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については１７３Ｎ／ｍｍ2）、７００℃でＹＳ≧１６３Ｎ／ｍｍ2（板厚５０ｍｍの鋼板については１４８Ｎ／ｍｍ2）（ＳＮ４９０の常温ＹＳ規格下限の１／２）を基準値として、これを満たしていないものを本発明範囲外とした。
【００５３】
なお、発明製造プロセスが本発明範囲から外れる比較例１〜３の鋼板については、ＳＮ４９０材として基準値を設けた。
【００５４】
さらに、溶接性および靭性の評価を行った。溶接性の評価としては、Ｙ割れ試験を行い、靭性の評価としては、０℃におけるシャルピー吸収エネルギーを測定した。これらの結果も表２に併記する。ここで、溶接性は、割れ防止予熱温度（Ｙ割れ停止温度）が０℃を超えるものを本発明範囲外とし、靭性は、シャルピー吸収エネルギーｖＥ０≧１００Ｊを基準値として、これを満たしていないものを本発明範囲外とした。
【００５５】
また、実施例１，５，６、参考例１および比較例１，３の鋼板については、７００℃加熱保持前後の硬さの評価と析出物の形態分析を行った。硬さの評価としては、７００℃に加熱する前の試験片と、７００℃に加熱し、約３０分間保持した後、常温まで冷却した試験片とを用い、これら試験片につき荷重１０ｋｇのビッカース硬度を測定し、加熱前後におけるビッカース硬度差を求めた。
【００５６】
また、析出物の形態分析としては、７００℃加熱保持前後の試験片のＴｉ，Ｍｏ，Ｖ析出量（抽出金属量）を測定し、Δ［ＣａｓＴｉＣ］、Δ［ＣａｓＭｏＣ］、Δ［ＣａｓＶＣ］を求めた。この結果から析出物の炭化物炭素当量値および金属比：Δ［ＣａｓＭｏＣ］／（Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］）を求めた。なお、各金属元素の析出量は、１０％アセチルアセトン−メタノール電解抽出により鋼中から残渣を抽出し、抽出残渣を用いてＩＣＰ発光分析法により抽出金属量として定量した。これらの結果を表３に示す。
【００５７】
表２に示すように、本発明鋼Ａ〜Ｃ及び参考鋼Ｄ〜Ｎを用い、本発明に従って製造した実施例１〜７及び参考例１〜１１の鋼板は、常温強度がＪＩＳで規定するＳＮ４９０の規格を満たし、６００℃、６５０℃および７００℃でのＹＳがすべて基準値を満足した。また、６００℃でのＹＳ比≧６１％、６５０℃でのＹＳ比≧５５％、７００℃でのＹＳ比≧４７％と優れた値が得られた。さらに、Ｙ割れ防止温度は０℃以下、０℃におけるシャルピー吸収エネルギーは１００Ｊ以上と優れた値が得られた。
【００５８】
一方、本発明鋼Ａを用いたが、スラブ加熱温度が１０００℃未満と本発明範囲から外れて低かった比較例１の鋼板は、ＳＮ４９０材として、常温強度がＪＩＳ規格よりも低く、高温強度ＹＳも低かった。なお、ＳＮ４００材としては、ＪＩＳに規定されている常温強度の規格を満足し、また、高温強度ＹＳの基準値も満たしていた。
【００５９】
同様に、本発明鋼Ａを用いたが、圧延終了温度が１０００℃を超えて高かった比較例２の鋼板は、ＳＮ４９０材として、常温強度がＪＩＳ規格を超えていた。
【００６０】
同様に、本発明鋼Ａを用いたが、圧延終了温度が８００℃未満と本発明範囲を外れて低かった比較例３の鋼板は、ＳＮ４９０材として、高温強度ＹＳが低かった。
【００６１】
Ｍｎ量が０．５％を超えて高く、Ｔｉ無添加で、（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎが１未満のＯ鋼を用いた比較例４〜７の鋼板はいずれの条件においても、ＳＮ４９０材として、高温強度が低く、また、Ｙ割れ防止温度も２５℃と高かった。
【００６２】
Ｍｎ量が１％を超えて高く、（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎが１未満のＰ鋼，Ｑ鋼，Ｒ鋼を用いた比較例８〜１０の鋼板は、常温強度がＪＩＳで規定されているＳＮ４９０材の規格を超え、Ｙ割れ防止温度も高かった。
【００６３】
Ｍｏ量が０．３％未満と低く、（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎが１未満のＳ鋼を用いた比較例１１の鋼板は、常温強度はＪＩＳで規定されているＳＮ４００材及び４９０材の規格をともに満たすが、高温強度はＳＮ４００材として見ても低かった。
【００６４】
Ｍｏ量が１．３％を超えて高いＴ鋼を用いた比較例１２の鋼板は、常温強度がＪＩＳで規定されているＳＮ４９０材の規格を超えるとともに、Ｙ割れ防止温度が２５℃と高く、さらに靭性が劣化していた。
【００６５】
Ｔｉ量が０．０３％未満と低いＵ鋼を用いた比較例１３の鋼板は、ＳＮ４９０材の製造プロセスを用いたにもかかわらず、ＳＮ４００材の常温強度止まりであった。さらに、高温強度はＳＮ４００材の基準値をも下回っていた。
【００６６】
Ｔｉ量が０．１％を超えて高いＶ鋼を用いた比較例１４の鋼板は、ＳＮ４９０材として、高温強度ＹＳ比が低く、Ｙ割れ防止温度が５０℃と高く、さらに靭性が劣化していた。
【００６７】
Ｃ量が０．１３％を超えて高いＷ鋼を用いた比較例１５の鋼板は、ＳＮ４９０材として、Ｙ割れ防止温度が５０℃と高かった。
【００６８】
また、表３に示されるように、本発明鋼Ａ，Ｂ及び参考鋼Ｄを用い、本発明範囲内にある製造条件で製造した実施例１，５，６及び参考例１の鋼板は、７００℃加熱保持後の硬度が、加熱保持前よりもビッカース硬度Ｈｖ１０で１０以上上昇していた。また、Ｔｉ−Ｍｏ系複合炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系複合炭化物の析出量も炭化物炭素当量値換算で５０ｐｐｍ以上であり、金属比も０．９〜２．０の範囲内にあった。この結果、表２に示すように高温強度に優れていた。
【００６９】
一方、本発明鋼Ａを用いたが、圧延時の加熱温度が低かった比較例１、圧延終了温度が低かった比較例３の鋼板は、加熱保持前後の硬度差がＨｖ１０で１０未満と低く、析出物の量も５０ｐｐｍ未満と少なかった。さらに、比較例１の鋼板については、金属比が２．０を超えて高かった。この結果、表２に示すように実施例の鋼板に比べ高温強度が劣っていた。
【００７０】
このように、本発明範囲内の成分組成を有し、本発明に従って製造された鋼板は、高温強度に優れている。
【００７１】
【表１】
【表２−１】
【表２−２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、ＪＩＳに規定されたＳＮ４００またはＳＮ４９０の規格強度を満足し、さらに６５０℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．５、７００℃ＹＳ／常温ＹＳ≧０．４の関係を満たす高温強度を確保し、且つ優れた溶接性（Ｙ割れ停止温度０℃以下）を満足する生産原価の低い鋼およびその製造方法を提供することができ、産業上極めて有用である。
Claims (6)
- 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１３％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜０．５％、Ｍｏ：０．３〜１．３％、Ｔｉ：０．０３〜０．１％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００３〜０．０７％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高温耐火特性および溶接性に優れた建築用耐火鋼材。
- Ｍｏ、ＴｉおよびＭｎの含有量が、質量％で、（Ｍｏ＋Ｔｉ）／Ｍｎ≧１を満足することを特徴とする請求項１記載の高温耐火特性および溶接性に優れた建築用耐火鋼材。
- ６５０℃から７００℃の温度範囲に１０分から３０分加熱保持した後に室温まで冷却したときの硬さが、ビッカース硬度Ｈｖ１０で、加熱前よりも１０以上高いことを特徴とする請求項１または２のいずれか一方に記載の高温耐火特性および溶接性に優れた建築用耐火鋼材。
- ６５０℃から７００℃の温度範囲に１０分から３０分加熱保持したときに析出するＴｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物の析出量が、下記（１）式で定義される炭化物炭素当量値で５０ｐｐｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし３のうちのいずれか１項に記載の高温耐火特性および溶接性に優れた建築用耐火鋼材。
Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＭｏＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］…（１）
ここで、Δ［ＣａｓＴｉＣ］＝１２／４８×｛（高温保持後のＴｉ炭化物析出量）−（高温保持前のＴｉ炭化物析出量）｝
Δ［ＣａｓＭｏＣ］＝１２／９６×｛（高温保持後のＭｏ炭化物析出量）−（高温保持前のＭｏ炭化物析出量）｝
Δ［ＣａｓＶＣ］＝１２／５１×｛（高温保持後のＶ炭化物析出量）−（高温保持前のＶ炭化物析出量）｝
但し、Ｖ無添加の場合は、Δ［ＣａｓＶＣ］＝０ - 前記Ｔｉ−Ｍｏ系炭化物またはＴｉ−Ｍｏ−Ｖ系炭化物の析出量が、さらに下記（２）式を満足することを特徴とする請求項４に記載の高温耐火特性および溶接性に優れた建築用耐火鋼材。
０．９≦Δ［ＣａｓＭｏＣ］／（Δ［ＣａｓＴｉＣ］＋Δ［ＣａｓＶＣ］）≦２．０…（２）
但し、Ｖ無添加の場合は、Δ［ＣａｓＶＣ］＝０ - 請求項１または２のいずれか一方に記載の組成を有する鋼を１０００℃以上に加熱した後、圧延終了温度を８００℃から１０００℃までの範囲とする熱間圧延を行うことを特徴とする高温耐火特性および溶接性に優れた４９０Ｎ／ｍｍ 2 級建築用耐火鋼材の製造方法。
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