JP4656416B2

JP4656416B2 - 溶接性に優れた耐火鋼材

Info

Publication number: JP4656416B2
Application number: JP2006009992A
Authority: JP
Inventors: 喜臣岡崎; 俊夫村上; 栄一田村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2026-01-18
Also published as: JP2007191746A; CN101003881A; KR20070076528A

Description

本発明は、例えば、火災などの高温に曝される可能性のある建築構造材などに適した耐火鋼材に関する。

一般に構造用鋼材は、室温（常温）では十分な強度が確保できるように設計されているが、５００℃以上の高温状態になると大幅に強度が低下する。このため、火災等により高温に曝される建築構造用鋼材では、高温状態で脆くなって、構造物が倒壊したり著しく変形することがないように、鋼材に耐火被覆が施される。
このような耐火被覆は、建築コストを高め、また工期の長期化を招くことにもなるので、近年、この種の耐火被覆を施さなくとも高温でも強度を維持する耐火鋼材が開発されてきた。例えば、特公平４−５０３６２号公報（特許文献１）には、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ等の微細炭化物により析出強化した鋼材が記載されている。しかし、このような析出強化元素により強化した鋼材は、建築用鋼材として要求される溶接性、特にＨＡＺ靭性を低下させるという問題があった。

これに対して、出願人は、特開２００２−２４９８５４号公報（特許文献２）に記載されているように、高温でのＣｕの析出を活用し、前記Ｍｏ等の元素を低減した耐火鋼材を提案した。この鋼材により、溶接入熱５ｋＪ／ｍｍ程度の溶接に対応できるようになったが、溶接施工効率低減の観点から一層の大入熱溶接が望まれている今日においては、十分な溶接性が得られているとは言えない。

また、大入熱溶接に対応できる耐火鋼材として、特開２００１−２６２２６９号公報（特許文献３）には、酸化物とＴｉＮの複合介在物を活用することにより、ＨＡＺ靭性を改善したＭｏ含有耐火鋼材が提案されているが、ＨＡＺ靭性の改善、特に６０キロ級の高強度鋼材のＨＡＺ靭性レベルが不十分で、また酸化物系介在物を均一に分散させることが製造上難しいという課題もある。

一方、建築分野向けの６０キロ級の高ＨＡＺ靭性鋼材として、特開２００５−３６２９５号公報（特許文献４）には、溶接ＨＡＺの硬化性を表す炭素当量（ＣＥ_N）、平均アスペクト比を規定し、島状マルテンサイト相、ε−Ｃｕ相を基地中に分散させた大入熱建築用鋼材が提案されているが、製造段階での組織制御が複雑である上、高温強度（高温耐力）が低いため、十分な耐火性を有しているとは言えない。
特公平４−５０３６２号公報特開２００２−２４９８５４号公報特開２００１−２６２２６９号公報特開２００５−３６２９５号公報

上記のとおり、十分な高温強度（耐火性）と溶接性（溶接ＨＡＺ靭性）とを兼備した高強度鋼材は未だ開発されておらず、本発明は５０〜６０キロ級（室温での引張強さ４９０〜５９０ＭＰａ）の高強度でありながら、優れた耐火性と溶接性とを兼備した耐火鋼材を提供することを目的とする。

本発明の耐火鋼材は、化学成分が、mass％で、Ｃ：０．０２超〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｔｉ：０．０１５〜０．１０％、Ｃｒ：０．２〜２．０％、Ｎ：０．００２〜０．０１０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｍｏ：０．３０％未満、Ｎｂ：０．００５％未満、Ｖ：０．００５％未満を含み、下記ＴＳ値が０〜０．１０％、ＣＳ値が０．１２〜０．２２％とされ、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものである。但し、［Ｘ］は元素Ｘのmass％を示す。
ＴＳ＝［Ｔｉ］−３．４×［Ｎ］
ＣＳ＝６．４×［Ｃ］−１．４［Ｔｉ］＋０．００４×［Ｃｒ］＋３．２×［Ｎ]

本発明の耐火鋼材によれば、溶接ＨＡＺのベイナイト組織を粗大化するＭｏ、Ｎｂ、Ｖの３元素の含有量を制限したので、ＨＡＺ靭性を確保することができる。また、Ｓ量を抑制した上、ＴＳ値が０以上、０．１０以下となる範囲で、ＴｉをＮに対して十分に添加し、かつＣＳ値を０．１２〜０．２２％の範囲でＣｒを適量添加したので、高温時に先ずＴｉＣが微細析出させ、それを核としてＣｒ炭化物が微細析出し、さらにＢを適量添加することで、粗大化し易いといわれているＣｒ炭化物の粗大化を抑制し、前記ＴｉＣの微細析出と相まってＣｒ炭化物の微細化により優れた高温強度（高温耐力）を確保することができる。

上記耐火鋼材において、ＨＡＺ靭性向上元素としてＡ群（Ｚｒ：０．００５〜０．０５０％、Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭ（希土類元素）：各々０．０００５〜０．００５０％）の元素から、あるいは高温強度向上元素としてＢ群（Ｃｕ，Ｎｉ：各々０．１〜２．０％、但しＡＳ値（＝[Mn]+[Ni]+2*[Cu]）：４．５％以下）の元素から、１種以上の元素をさらに添加することができる。

本発明の耐火鋼材によれば、溶接ＨＡＺ組織を粗大化し、その靭性を劣化させるＭｏ、Ｎｂ、Ｖの添加を抑制しつつ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｂの所定量の添加により、これらの炭化物を高温下で微細析出させることができ、優れた溶接性と高温強度（高温耐力）を備える。このため、耐火鋼材として好適であり、その製造方法も容易で、生産性も良好である。

まず、本発明の耐火鋼材の化学成分について説明する。以下、単位はmass％である。Ｃ：０．０２超〜０．１５％
Ｃは、強化元素として添加される。０．０２％以下では４９０ＭＰａ以上の強度を確保することが困難となり、一方０．１５％を超えるとＨＡＺ中の硬質のＭＡ組織（Martensite Austenite Constituent マルテンサイトとオーステナイトとの混合組織）が増加するためＨＡＺ靭性が低下する。このため、Ｃ量は０．０２％超、好ましくは０．０３％以上とし、その上限を０．１５％、好ましくは０．１２％とする。

Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは、強度の確保及び脱酸のために添加される。０．１％未満ではこれらの効果が過少であり、一方１．０％を超えると硬質ＭＡ組織が増加し、ＨＡＺ靭性が劣化する。このため、Ｓｉの下限を０．１％、好ましくは０．１２％とし、一方その上限を１．０％、好ましくは０．８０％とする。

Ｍｎ：１．０〜２．０％
Ｍｎは、強度確保のために添加される。１．０％未満では所定強度が得られず、一方２．０％を超えると、ＨＡＺの強度が高くなり過ぎて、延性が返って劣化するようになる。このため、Ｍｎの下限を１．０％、好ましくは１．２％とし、一方その上限を２．０％、好ましくは１．８％とする。

Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは粒界破壊を助長する不純物元素であり、ＨＡＺ靭性確保のため０．０２０％以下、好ましくは０．０１２％以下に止める。

Ｓ：０．０１０％以下
ＳはＨＡＺの高温割れを助長する不純物元素であり、またＴｉと結びついてＴｉ量を低下させる。ＨＡＺ靭性確保及びＴｉ量低下防止の点から０．０１０％以下、好ましくは０．００８％に止める。

Ａｌ：０．００５〜０．０５０％
Ａｌは、脱酸元素として添加される。０．００５％未満では脱酸が不十分となるため、延性が低下し、一方０．０５０％超になるとＳｉと同様、ＨＡＺ靭性が劣化するようになる。このため、Ａｌ量の下限を０．００５％、好ましくは０．０１０％とし、その上限を０．０５０％、好ましくは０．０４０％とする。

Ｔｉ：０．０１５〜０．１０％
Ｔｉは窒化物を形成することでＨＡＺ靭性を向上させる。また微細なＴｉＣを生成し、これを核としてＣｒ炭化物の微細析出化に寄与し、これらの作用により高温強度を向上させる。Ｔｉ量が０．０１５％未満ではこれらの効果が過少であり、一方０．１０％を超えるとＨＡＺ靭性が返って低下するようになる。このため、Ｔｉ量の下限を０．０１５％、好ましくは０．０２０％とし、その上限を０．１０％、好ましくは０．０８０％とする。

Ｃｒ：０．２〜２．０％
ＣｒはＣｒ炭化物を形成することにより高温強度の確保に寄与する。０．２％未満ではかかる作用が過少となり、一方２．０％を超えるとＣｒ炭化物の粗大化を免れず、返って高温強度が低下するようになる。このため、Ｃｒ量の下限を０．２％、好ましくは０．５％とし、一方その上限を２．０％、好ましくは１．５％とする。

Ｎ：０．００２〜０．０１０％
ＮはＴｉの一部と結びついてＴｉＮを形成し、ＨＡＺ靭性の改善に寄与する。０．００２％未満ではかかる効果が過少であり、一方０．０１０％を超えるとＴｉＣの析出量が低下するようになるので高温強度が低下するようになり、また窒化物が過多となってＨＡＺ靭性も低下するようになる。このため、Ｎ量の下限を０．００２０％、好ましくは０．００２５％とし、一方その上限を０．０１０％、好ましくは０．００８％とする。

Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
ＢはＣｒ炭化物の成長を抑制することから高温強度の向上に寄与する。０．０００５％未満ではかかる効果が過少であり、一方０．００５０％超ではＨＡＺ靭性が返って低下するようになる。

Ｍｏ：０．３０％未満
ＭｏはＨＡＺのベイナイト組織を粗大化し、靭性を低下させるので少ないほうが好ましい。無添加でもよい。本発明の成分系では０．３０％未満まで許容されるが、０．２０％未満に止めることが好ましい。

Ｎｂ、Ｖ：各々０．００５％未満
Ｍｏと同様、ＨＡＺのベイナイト組織を粗大化し、靭性を低下させるので少ないほうが好ましい。無添加でもよい。本発明の成分系では０．００５％未満まで許容されるが、０．００４％以下に止めることが好ましい。

ＴＳ値（＝[Ti]-3.4*[N]）：０〜０．１０％
ＴＳ値は、Ｔｉ炭化物の析出可否を示す指標である。本発明ではＳ量が制限されていることから、Ｔｉはほとんど硫化物を形成することなく、大部分が炭窒化物として析出する。ＴＳ値はＴｉ総量から窒化物として固定されたＴｉ量を差し引いた値に該当する。ＴＳ値が０％以上でないとＴｉＣが確保できないが、０．１０％を超えるとＴｉＣが過多となり、ＨＡＺ靭性が返って低下するようになる。このため、ＴＳ値を０％以上、０．１０％以下とする。好ましくは、下限を０．０１％、上限を０．０８％とするのがよい。

ＣＳ値（＝6.4*[C]-1.4[Ti]+0.004*[Cr]+3.2*[N]）：０．１２〜０．２２％
ＣＳ値は、熱力学計算で算出したＣｒ炭化物量と主要元素の影響を定量化したものであり、ＴｉＣとＣｒ炭化物のバランスの指標である。０．１２％未満ではＣｒ炭化物がほとんど生成しないようになり、０．２２％超ではＣｒ炭化物が粗大化し、返って高温強度が低下するようになる。このため、ＣＳ値の下限を０．１２％、好ましくは０．１３％とし、その上限を０．２２％、好ましくは０．２０％とする。

本発明の耐火鋼材は、上記基本成分の他、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなるが、さらにＨＡＺ靭性向上元素としてＡ群（Ｚｒ，Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭ（希土類元素））の元素から、あるいは高温強度向上元素としてＢ群（Ｃｕ，Ｎｉ）の元素から、１種以上の元素を所定量添加して下記(1) 、(2) 、(3) の成分とすることができる。
(1) 基本成分＋Ａ群から１種以上の元素
(2) 基本成分＋Ｂ群から１種以上の元素
(3) 上記(1) の成分＋Ｂ群から１種以上の元素

上記特性向上元素の添加量、並びにより具体的な作用について説明する。
Ｚｒ：０．００５〜０．０５０％
Ｚｒは窒化物の形成によりＨＡＺ靭性を改善するので、０．００５％以上の添加が好ましい。一方、０．０５０％超と過剰に添加すると窒化物が粗大化し、ＨＡＺ靭性が返って低下するようになる。このため、０．０５０％以下に止めることが望ましい。
Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭ：各々０．０００５〜０．００５０％
これらの元素は介在物の形態を球状化することによって靭性を改善する作用を有する。そのためには０．０００５％以上の添加が望ましい。一方、各々０．００５０％超と過剰に添加すると酸化物を形成し、ＨＡＺ靭性が返って低下するようになる。このため、０．００５０％以下に止めるのがよい。

Ｃｕ，Ｎｉ：各々０．１〜２．０％
これらの元素はＨＡＺ靭性に影響を与えず、強度を向上させる。各々０．１％未満では強度向上作用が過少であり、２．０％を超えて添加しても作用が飽和し、材料コスト高を招来する。このため、各々０．１％以上、２．０％以下添加することが望ましい。

ＡＳ値（＝[Mn]+[Ni]+2*[Cu]）：４．５％以下
Ｃｕ、Ｎｉを添加する場合、上記のとおり強度向上に有効であり、６０キロ級の高強度鋼を得ることができるようになるが、これらは、Ｍｎと同様、オーステナイト安定化元素であり、過剰な添加は高温時にオーステナイト化し易くなり、高温強度が低下するようになる。このため、Ｎｉ、Ｃｕを添加する場合、ＡＳ値を４．５％以下に止めることが望ましい。

本発明の耐火鋼材は、上記成分の鋼を常法によって熱間圧延することによって製造される。すなわち、上記成分の鋼を溶製し、その鋼片を１１００〜１２００℃程度の温度に加熱した後、仕上圧延温度を８５０℃程度として熱間圧延を終了し、空冷により冷却することによって製造される。
このようにして製造された鋼材の組織は、フェライトおよび低温変態生成物（ベイナイトあるいは／及びマルテンサイト）からなる組織となるが、本発明の耐火鋼材はいずれの組織であってもよい。
次に、本発明の熱延鋼板及びその製造方法を実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例により限定的に解釈されるものではない。

表１、表２に示す鋼種を溶製し、その鋼片を１１５０℃に加熱し、熱間圧延を施し、仕上圧延終了温度を８５０℃として圧延を終了し、空冷して板厚５０mmの試験用鋼板を製作した。
各試料の鋼板を用いて、常温引張試験及び６００℃における高温引張試験を行い、常温での耐力（ＹＳ）及び引張強さ（ＴＳ）並びに高温でのＹＳを調べた。引張試験は、ＪＩＳＺ２２０１に従って鋼板板厚の１／４部位から引張試験片を加工し、ＪＩＳＺ２２４１に従って実施した。これらの測定結果を表３に示す。常温引張強さが４９０ＭＰａ以上、高温ＹＳ／常温ＹＳが７５％以上が合格レベルと評価される。

また、溶接性を調べるため試料鋼板に対して熱サイクル試験を実施した。熱サイクル試験は、溶接入熱量が６５ｋＪ／ｃｍに相当する熱サイクルとして、１４００℃に加熱した後に８００℃から５００℃に５００sec で冷却する熱サイクルを１回与えるものであり、熱サイクル試験後、鋼板より衝撃試験片を採取し、シャルピー衝撃試験（試験温度０℃）を実施し、衝撃吸収性特性吸収エネルギー（vＥ0）を測定した。vＥ0が１５０Ｊ以上がＨＡＺ靭性の合格レベルと評価される。試験結果を表３に併せて示す。

表３より、発明例の試料No. １〜２０は、常温引張強さが４９０ＭＰａ以上でありながら、高温ＹＳ／常温ＹＳが７５％以上であり、６００℃における高温状態においても相当な強度が確保されていることがわかる。しかも、熱サイクル試験の結果も衝撃吸収エネルギーが１５０Ｊ以上確保されており、優れたＨＡＺ靭性を兼備している。特に、Ｃｕ、ＮｉをＡＳ値が４．５％以下で添加した試料No. １５〜２０は、常温強度が６００ＭＰａ以上であるが、高い高温強度（高温耐力）が確保されており、しかもＨＡＺ靭性にも優れている。

Claims

化学成分が、mass％で
Ｃ：０．０２超〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、
Ｔｉ：０．０１５〜０．１０％、Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｎ：０．００２〜０．０１０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｍｏ：０．３０％未満、Ｎｂ：０．００５％未満、
Ｖ：０．００５％未満を含み、下記ＴＳ値が０〜０．１０％、ＣＳ値が０．１２〜０．２２％とされ、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる、溶接性に優れた耐火鋼材。
ＴＳ＝［Ｔｉ］−３．４×［Ｎ］
ＣＳ＝６．４×［Ｃ］−１．４［Ｔｉ］＋０．００４×［Ｃｒ］＋３．２×［Ｎ]
但し、［Ｘ］は元素Ｘのmass％を示す。
化学成分が、さらにＺｒ：０．００５〜０．０５０％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．００５０％の１種以上を含む、請求項１に記載した耐火鋼材。
化学成分が、さらにＣｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜２．０％の１種以上を含み、かつ下記ＡＳ値が４．５％以下である、請求項１又は２に記載した耐火鋼材。
ＡＳ＝［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］＋２×［Ｃｕ］