JP4656417B2

JP4656417B2 - 低降伏比耐火鋼材

Info

Publication number: JP4656417B2
Application number: JP2006010025A
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: JP2007191747A; CN100453679C; CN101003878A; KR100799822B1; KR20070076529A

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、析出物の適正な析出制御が困難で、耐震性の面から低降伏比が求められるにもかかわらず、降伏比が上昇し、このため建築用鋼材して不十分な点があった。

これに対して、出願人は、特開平８−３３３６２６号公報（特許文献２）に記載されているように、所定量のＭｏ及びＣｒ下で、０．０１０〜０．０５０％のＶあるいは／及び０．００５〜０．０３０％のＮｂを複合添加することで高温耐力を維持しつつ常温における降伏強度の上昇を抑えた耐火鋼材を提案したが、強度レベルが低く、高温下での強度（耐力）劣化も大きく、耐火鋼として不十分なものであった。

一方、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの添加量を低減し、高温でのＣｕの析出強化を活用した耐火性に優れた建築用低降伏比鋼板が特開平２−２６３９１６号公報（特許文献３）で提案されている。しかし、この鋼板は室温での引張強さが主に４０〜５０キロ級であり、６０キロ級になると降伏比の低下が不十分である。また、特開２００２−２４９８４５号公報（特許文献４）には、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの添加を抑制しつつ、Ｃｕの析出強化を活用した耐火鋼材が記載されているが、やはり降伏比の低下が不十分であった。
特公平４−５０３６２号公報特開平８−３３３６２６号公報特開平２−２６３９１６号公報特開２００２−２４９８４５号公報

上記のとおり、常温における十分な低降伏比と高温強度（耐火性）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（常温での引張強さ４９０〜５９０ＭＰａ）の高強度でありながら、低降伏比でかつ優れた耐火性を備え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：０．０４〜０．１５％、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：０．０２〜０．０８％、Ｃｕ：０．５０〜２．５％、Ｎ：０．００２〜０．０１０％、Ｍｏ：０．２０％未満、Ｎｂ：０．００５％未満、Ｖ：０．００５％未満を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、下記ＭＳ値が４．２〜６．５％とされ、被見面積１μm²中に粒径が５nm〜３０nmのＣｕ含有析出物が２５０個未満とされたものである。
ＭＳ＝５×［Ｃ］＋［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］＋２×［Ｃｕ]
但し、［Ｘ］は元素Ｘのmass％を示す。

Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの３元素は、熱間圧延後に析出するため降伏比を上昇させるが、本発明の耐火鋼材によれば、これらの３元素の含有量を制限した所定成分としたので、安定的に低降伏比を実現することができ、また溶接ＨＡＺ靭性を向上させることができる。また、Ｔｉの積極添加とＣｕの添加を併用することで、ＨＡＺ靭性を損なうことなく、高温強度（高温耐力）を向上させることができ、優れた耐火性を得ることができる。特に、Ｃｕ含有析出物量を制限することで、鋼材中に固溶するＣｕを確保し、これによって高温時にＣｕの析出を促進し、優れた高温強度を得ることができる。さらに、オーステナイト安定化の指標であるＭＳ値を４．２〜６．５％とすることで、組織中にマルテンサイトを容易に適量生成させることができ、これにより高温強度を損なうことなく常温強度をより向上させることができ、これによって降伏比の低下を促進することができる。

上記耐火鋼材において、マルテンサイト分率を１０〜３５％とすることで、強度をより向上させ、降伏比をより低下させることができる。また、強度向上元素としてＡ群（Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｎｉ：０１〜３．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％）の元素から、ＨＡＺ靭性向上元素としてＢ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、降伏比を上昇させるＭｏ、Ｎｂ、Ｖの添加を抑制した所定成分としたので、常温における降伏比を低下させることができ、耐震性を向上させることができ、しかもＨＡＺ靭性に優れる。また、所定量のＴｉ、Ｃｕを添加するとともにＣｕ含有析出物の個数を制限することで、Ｃｕの固溶を促進し、固溶したＣｕを高温下で析出させることができるので、優れた高温強度を確保することができる。また、その製造方法も容易であり、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：０．０４〜０．１５％
Ｃは、強化元素として添加される。０．０４％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％を超えるとフェライトが形成されず、過冷組織となり、降伏比が上昇するようになる。このため、Ｃ量の下限を０．０４％、好ましくは０．０５％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（マルテンサイトとオーステナイトとの混合組織）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、フェライトが形成されず、過冷組織となって降伏比が上昇するようになる。このため、Ｍｎの下限を１．０％、好ましくは１．２％とし、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、延性の確保、降伏比の低減のため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、ＨＡＺ靭性確保の点から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、硬質ＭＡ組織が増加し、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：０．０２〜０．０８％
Ｔｉは炭化物となって析出することにより高温強度を向上させる。一方、０．０８％を超えると炭化物の析出が著しくなり、降伏比が上昇するようになる。このため、Ｔｉ量の下限を０．０２％、好ましくは０．０２５％とし、その上限を０．０８％、好ましくは０．０７０％とする。

Ｃｕ：０．５０〜２．５％
Ｃｕは、Ｃｕの析出強化により高温強度を向上させるとともに、オーステナイト安定化元素としてマルテンサイト組織の形成に寄与する。しかし、過剰に添加すると熱間加工性の低下、溶接性（ＨＡＺ靭性）の低下を招来する。このため、Ｃｕ量の下限を０．５０％、好ましくは０．７０％とし、その上限を２．５％、好ましくは２．０％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も低下するようになり、また窒化物が過多となってＨＡＺ靭性が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。

Ｍｏ：０．２０％未満
Ｍｏは降伏比を低下させ、また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０．２０％未満まで許容されるが、０．１６％以下に止めることが好ましい。

Ｎｂ、Ｖ：各々０．００５％未満
Ｍｏと同様、降伏比の低下、ＨＡＺ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。

ＭＳ値（＝5*[C]+[Mn]+[Ni]+2*[Cu]）：４．２〜６．５
Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕは強度向上に有効な元素であり、これらの元素をＭＳ値で４．２％以上添加することで６０キロ級の高強度鋼を容易に得ることができるようになるが、これらの元素は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、ＭＳ値の上限を６．５％に止める。

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、さらに強度（常温）向上元素としてＡ群（Ｂ，Ｎｉ，Ｃｒ）の元素から、ＨＡＺ靭性向上元素としてＢ群（Ｚｒ，Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭ（希土類元素））の元素から１種以上の元素をさらに添加して下記(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。
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｂは強度向上に寄与するが、過剰な添加は強度過多となるため、ＨＡＺ靭性を低下させる。このため、添加量は０．０００５％以上、０．００５０％以下とするのがよい。
Ｎｉ：０．１〜３．０％
Ｎｉは、ＨＡＺ靭性を劣化させることなく、強度を向上させるが、過剰な添加は強度過多となるため、ＨＡＺ靭性を低下させる。このため、添加量は、０．１％以上、３．０％以下とするのがよい。
Ｃｒ：０．１〜１．０％
ＣｒもＮｉと同様、ＨＡＺ靭性を劣化させることなく、強度を向上させるが、過剰に添加しても効果が飽和し、材料コスト高を招来する。このため、添加量は０．１％以上、１．０％以下とするのがよい。

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。

本発明の耐火鋼材は、上記化学成分を有するが、さらに固溶Ｃｕ量を確保するため、粒径が５〜３０nmサイズのＣｕ含有析出物の個数が被見面積１μm²中２５０個未満に制限される。かかる析出物が２５０個以上となると、室温での降伏比が上昇すると共に、Ｃｕの固溶量が不足するようになり、Ｃｕの高温下での析出量が減少し、高温強度が低下するようになる。

また、本発明の耐火鋼材の組織は、後述の製造方法から明らかなように、マルテンサイト（Ｍ）を２〜１０％程度含み、その他、フェライト（Ｆ）、ベイナイト（Ｂ）あるいはこれらを共に含む複合組織となるが、本発明の耐火鋼材はＦ＋Ｍ、Ｂ＋Ｍ、Ｆ＋Ｂ＋Ｍのいずれの組織であってもよい。もっとも、マルテンサイト分率については、好ましくは１０〜３５％、より好ましくは２０〜３５％とするのがよい。１０〜３５％とすることで、降伏比の低い、６０キロ級の鋼材が容易に得られる。１０％未満では降伏比の低下効果が少なく、一方３５％超になると、硬くなり過ぎて降伏比が返って上昇するようになる。

本発明の耐火鋼材は、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、冷却することによって製造される。熱間圧延後の冷却速度については、所定サイズのＣｕ含有析出物の個数を１μm²当たり２５０個未満にするためには、８００〜５００℃における冷却速度を５℃/sec以上とする必要がある。５℃/sec未満では、前記Ｃｕ含有析出物の個数が２５０個超と多量に析出するようになる。冷却速度を５℃/sec以上にするには、熱間圧延後、鋼材を水冷すればよく、この際、板厚に応じて冷却水量を調整することで冷却速度を調整することができる。

５００℃以下の冷却速度については、本発明の成分系では、マルテンサイト変態終了温度である２００℃までを空冷（冷却速度０．５〜１℃/sec程度）することによりマルテンサイトが２〜１０％程度生成して、強度の向上、降伏比の低下に寄与する。さらに５００〜２００℃での冷却速度を２．５℃/sec以上にすることで、マルテンサイト分率を１０％以上に増大させることができ、３５％以下の範囲で降伏比をさらに低下させることができる。鋼材を水冷することにより、冷却速度を２．５℃/sec以上とすることができ、冷却速度が速いほどマルテンサイト分率は上昇する。マルテンサイト分率を３５％程度とするには、板厚に応じて冷却水量を調整し、８００〜２００℃における冷却を３０℃/sec程度以下の冷却速度で行えばよい。

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、表３に示す冷却速度で冷却して板厚５０mmの試験用鋼板を製作した。冷却方法については、冷却速度が１℃/sec以下のものは空冷により、２．５℃/sec以上のものは水冷により冷却した。

各試料鋼板の板厚１／４部位から組織観察試験片を採取し、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて倍率２０万倍で５視野を観察し、Ｃｕ含有析出物の粒径を測定すると共に、被見面積１μm²中の粒径５〜３０nmの個数をカウントした。前記粒径は、Ｃｕ含有析出物の面積を画像ソフト（Micromedia社製のImage-Pro）を用いて測定し、各粒についてその面積から円相当径を求め、これを粒径とした。また、同様にして、被見面積中のマルテンサイトの面積を測定し、これを被見面積で除してマルテンサイト分率を求めた。これらの測定結果を表３に示す。

また、各試料の鋼板を用いて、常温引張試験を行い、耐力（ＹＳ）及び引張強さ（ＴＳ）を測定し、降伏比（ＹＲ）を求めた。また、６００℃における高温引張試験を行い、ＹＳを測定した。引張試験は、ＪＩＳＺ２２０１に従って鋼板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、ＹＲが７５％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２５ｋＪ／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２００sec 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１００Ｊ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. １〜２５は、常温引張強さが４９０ＭＰａ以上、ＹＲが７５％以下でありながら、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１００Ｊが確保されており、良好なＨＡＺ靭性を兼備している。特に、マルテンサイトを２０〜３５％含むものは、常温強度が６００ＭＰａ以上で、しかもＹＲが７１％以下に収まっており、さらに高温強度、ＨＡＺ靭性にも優れている。

Claims

化学成分が、mass％で
Ｃ：０．０４〜０．１５％、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：０．０２〜０．０８％、Ｃｕ：０．５０〜２．５％、
Ｎ：０．００２〜０．０１０％、Ｍｏ：０．２０％未満、
Ｎｂ：０．００５％未満、Ｖ：０．００５％未満を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、下記ＭＳ値が４．２〜６．５％とされ、被見面積１μm²中に粒径が５nm〜３０nmのＣｕ含有析出物が２５０個未満とされた、低降伏比耐火鋼材。
ＭＳ＝５×［Ｃ］＋［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］＋２×［Ｃｕ]
但し、［Ｘ］は元素Ｘのmass％を示す。
マルテンサイト分率が１０〜３５％とされた請求項１に記載した耐火鋼材。
化学成分が、さらにＢ：０．０００５〜０．００５０％、Ｎｉ：０．１〜３．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％の１種以上を含む請求項１又は２に記載した耐火鋼材。
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から３のいずれか１項に記載した耐火鋼材。