JP4916189B2

JP4916189B2 - 曲げ加工性と耐穴あけ性に優れた鋼板

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Publication number: JP4916189B2
Application number: JP2006057042A
Authority: JP
Inventors: 達也熊谷; 寛英村岡; 憲武小口; 昌臣木部
Original assignee: Nippon Steel Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: JP2007231395A

Description

本発明は、地中に埋設された管が、埋設後に行われる他の工事、特に削進工法による側面からのトンネル掘削工事によって損傷を受けないように防護する曲げ加工性と耐穴あけ性に優れた鋼板に関するものである。

地中に敷設された幹線ガス導管などの重要な埋設管は、埋設後の道路工事や下水道工事、電気や電話などのケーブル管などの他の埋設工事の際に損傷されないように防護しておく必要がある。これらの埋設工事は、従来地表面から直接掘削して管を設置するいわゆる開削工法によるものが多かったが、最近では小口径管推進工法のようないわゆる非開削工法が増加している。具体的には、鋼管の先端に超硬のメタルクラウンを配した刃口を用い、これを回転させながら地中を掘り進むいわゆる削進工法（図１）などである。この工法では操作が遠隔になるため削進中の先端部分が確認できないため、推進精度の向上がなされてはいるものの万一の損傷を想定しておく必要がある。また水平方向や斜め方向からの削進が可能であるので、埋設管には上面の損傷に対する防護に加え、側面からの損傷に対する防護も有効である。

従来の防護手段としては、埋設管の外径より大きい幅の鋼板製あるいは鉄筋コンクリート製の防護板を、埋設管上方に埋設する方法が主であり、例えば特許文献１に開示されているように普通鋼板と耐摩耗性鋼板とを重ね合わせるなどの工夫がなされたりしている。しかしながら、このような構造では側面からの削進工法による損傷に対しては防護効果が期待できない。また、耐摩耗性鋼板を用いるため材料コストが高い。

また、特許文献２に開示されている防護方法は門型フレームと防護鋼板を上面および側面に配置する構造をとっており、側面からの損傷に対する防護機能を有する構成となっている。しかしながら、この方法では構造が複雑であるため施工コストが高くなり、また防護鋼板としては９ｍｍ厚程度の普通鋼ないしは６ｍｍ厚程度の高張力鋼を使用するとしている（高張力鋼の強度については特に記載されてはいないが、普通鋼の２／３の厚さで同等の性能となるということから、普通鋼の１．５倍程度の強度、すなわち６０キロハイテンクラスの高張力鋼と推察される）が、この程度の強度および厚さの鋼板では、超硬材料を肉盛りした削進ビットを用いる削進工法による工事の際の損傷に対する防護機能として十分とはいえない。
このように、従来は上面および側面からの削進工法による損傷からの防護を簡便にかつ経済的にできる方法はなかった。
特開２００１−２０８２４２号公報特開２００１−３１１１３１号公報

本発明の目的は、最近増加しつつある埋設管工事の非開削工法、特に超硬材料を配した削進ビットを用いる削進工法に対して、上面および側面からの損傷から埋設管を防護するための、工事が簡便で経済的な防護方法に用いるのに最適な、曲げ加工性と耐穴あけ性に優れる廉価な鋼板を提供することである。

上面および側面からの損傷を防止するために、単純には図２に示すように上面と側面両
側に３枚の防護体を配置すればよいのであるが、鋼板を３面に埋設するには施工に非常に手間がかかる。特に既設の埋設管を後から防護しようとする場合には広く深く掘削する必要があり、経済的な方法とはいえない。そこで発明者らは、施工が簡便で、かつ上面および側面からの損傷を防護する方法として、鋼板を図３に示すような形状にあらかじめ曲げ加工して、同図に示すように配置する方法を考案した。この方法によれば埋設施工は一度ですみ、既設の埋設管を後から防護しようとする場合にも掘削範囲が小さく、比較的簡便な工事での施工が可能になる。

一方、防護鋼板を配置する意味は、例えば小口径管推進工法によって水平方向に掘削推進中に、埋設管に到達する前に防護鋼板に到達し、防護鋼板を切削するのに時間を要して推進が長時間停滞することにより作業者が防護鋼板の存在を認知して、埋設管の損傷を回避させることにある。したがって、防護構造として十分な効果を発揮するかどうかは、推進工法による切削によって完全に穿孔できるまでにどの程度の時間を要するかによって決まる。通常、穿孔に要する時間が６０分以上であれば、作業者は防護鋼板の存在を確実に認知し得るものと考えられる。

穿孔に要する時間は、もちろん工法や施工条件によって差はあるが、同じ工法であれば鋼板の板厚に比例して長くなる。普通鋼ＳＳ４００について一般的な小口径管推進工法により試験した結果、１時間当たりの切削深さは概ね７〜２０ｍｍ／ｈｒであった。したがって、ＳＳ４００では３０ｍｍあれば、多くの場合６０分以上の穿孔時間が期待できる。しかし３０ｍｍの板厚の鋼材は重量が大きくなるため、これを埋設するための施工の負荷が大きくなる。施工性を考えれば、防護鋼板の板厚は少なくとも９ｍｍ以下、望ましくは６ｍｍ以下が望ましいと考えられる。
こうしたことから、本発明における防護用鋼板は、ＳＳ４００の５倍以上の耐推進切削性を有することを目標とした。

発明者らは種々の硬度の鋼板で小口径管推進工法による穿孔試験を行った結果、穿孔に要する時間は硬度によって大きく影響され、ＳＳ４００の５倍以上の耐推進切削性を有するためには、ブリネル硬さ３６０以上であればよいという知見を得るに至った。

ブリネル硬さ３６０以上の鋼板としては、例えば従来から用いられているいわゆる耐摩耗鋼がある。しかしながら、このような高硬度の鋼板は一般的には曲げ加工しにくく、上述のようにあらかじめ曲げ加工しておく施工方法には不向きである。そこで、発明者らは、ブリネル硬さ３６０以上の高硬度を有しながら、曲げ加工性の良い材料を得るべく検討を行った。なお、この場合の曲げ加工性としては、例えばＪＩＩＳの１８０°曲げ試験において曲げ半径５ｔ（板厚ｔの５倍）で割れが生じることなく曲げが可能であれば十分である。

硬さについては、鋼のＣ含有量を一定範囲として、鋼板を圧延後急冷、あるいは圧延終了後に再加熱して急冷するなどの方法でマルテンサイト主体組織または、マルテンサイトと下部ベイナイトの混合組織であって、マルテンサイトと下部ベイナイトの組織分率の和が８５％以上、かつフェライトの組織分率が１０％以下の組織とすることでブリネル硬さ３６０以上が得られる。そしてこのC含有量範囲でMn/Cの値を一定値、具体的には８以上
とすることで曲げ加工性が向上することを知見した。さらに、ＭｎＳは圧延によって延伸されてクラック様の形態になるので曲げ加工時の割れの起点になり、曲げ加工性を低下させることがわかった。特に９ｍｍ以下の板厚の比較的薄い鋼板では圧下率が大きくなるので延伸度が大きく、そのためＭｎＳ量が加工性に及ぼす影響が大きくなる。本発明鋼のような高硬度鋼材の曲げ加工性を向上させるためにはＭｎＳをできるだけ少なくすることが非常に重要であることを知見した。このように、Ｃ含有量を一定範囲としたうえで組織分率を一定範囲とし、さらにMn含有量およびＳ量を限定し、かつMn/Cを一定割合とすること
でブリネル硬さ３６０以上の硬さと、十分な曲げ加工性が確保できることを見出し、高硬度と曲げ加工性を具備する新たな鋼板を得ることができた。そしてこの鋼板を用いることにより、上述の施工法による防護構造を簡便に経済的に得ることができる本発明を得るに至った。

本発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．１２％以上、０．１８％以下、Ｓｉ：０．０５％以上０．６０％以下、Ｍｎ：２．２５％以下でありかつ、Ｍｎ／Ｃ＞８、Ｓ：０．００8％以下、Ａｌ：０．００５％以上、０．１％以下を含み、さらに、Ｃｒ：０．０５％以上、０．５％以下、Ｍｏ：０．０５％以上、０．５％以下、Ｃｕ：０．１％以上、０．５％以下、Ｎｉ：０．１％以上、０．５％以下、Ｖ：０．０１％以上、０．１％以下、のうちの１種または２種以上を含有し、残部Fｅおよび不可避的不純物からなる組成を有するとともに、マルテンサイト主体組織または、マルテンサイトと下部ベイナイトの混合組織であって、マルテンサイトと下部ベイナイトの組織分率の和が８５％以上、かつフェライトの組織分率が１０％以下であり、平均ブリネル硬さが３６０以上４５０以下であることを特徴とする曲げ加工性と耐穴あけ性に優れた鋼板。

本発明によれば、地中に埋設された管が、埋設後に行われる他の工事、特に最近増加している埋設管工事の非開削工法、特に超硬材料を配した削進ビットを用いる削進工法による上面および側面からの損傷から埋設管を防護するための、曲げ加工性と耐穴あけ性に優れた鋼板、およびその鋼板を用いた防護構造物が提供できる。

Ｃは、鋼板の硬度を得るための必須元素である。鋼板組織のマルテンサイトと下部ベイナイトの組織分率の和を８５％以上、かつフェライトの組織分率を１０％以下としたときに、Ｃ量が０．１２％以上でブリネル硬さ３６０以上となり、また０．１８％以下では概ねブリネル硬さ４５０以下となる。ブリネル硬さが４５０を超えると曲げ加工性の確保が非常に難しくなる。そのためＣ量は０．１２％以上、０．１８％以下の範囲に限定する。

Ｓｉは、製鋼上脱酸元素として必要である。この目的のためには０．０５％以上添加する。Ｓｉは硬度を高める効果もあるが、０．６％を超えて添加すると靭性が低下して曲げ性を阻害するので上限を０．６０％とする。

Ｍｎは、特にＣとの含有比Ｍｎ／Ｃが鋼の延性に影響する。発明者らの検討では、良好な曲げ加工性を得るためにはＭｎ／Ｃ＞８であることが必要である。ただしＭｎが２．２５％を超えると偏析が強くなりかえって曲げ延性を低下させることがあるので添加量は２．２５％以下とする。

Ｓは、ＭｎＳを形成して高硬度材の曲げ加工性に大きく影響するので、極力低下すべきである。ブリネル硬さ３６０以上４５０以下の鋼材のＪＩＩＳの１８０°曲げ試験におい
て、５ｔ（板厚の５倍の曲げ半径）以下で割れが生じることなく曲げを可能とするためには、Ｓ量を０．００８％以下とすることが必須である。

Ａｌは、通常脱酸元素として添加される範囲の０．００５％以上、０．１％以下とする。

さらに鋼板の焼入性を高めて、鋼板組織のマルテンサイト組織分率を高めることを目的として、焼入性向上元素Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｖを含有しても良い。焼入れ性を高めるために必要なそれぞれの添加量はＣｒ０．０５％以上、Ｍｏ０．０５％以上、Ｃｕ０．１％以上、Ｖ０．０１％以上である。しかし合金添加量が多くなるとコスト上昇要因となり、かつ曲げ延性を阻害する場合があるので、それぞれの添加量はＣｒ０．５％以下、Ｍｏ０．５%以下、Ｃｕ０．５%以下、Ｖ０．１%以下とする。
また、曲げ加工性を向上させるために０．１％以上のＮｉを含有しても良いが、合金添加量が多くなるとコスト上昇要因となるので、添加量を０．５％以下とする。

鋼板の組織は冷却速度と焼入れ性に依存する。本発明の目的は比較的廉価な鋼材を提供することにあるので、Ｍｎ以外の高価な合金元素は極力低く抑える。合金量を抑制してもこのＣ含有量範囲の鋼材をマルテンサイトないしは下部ベイナイト組織分率８５％以上とするには、十分な冷却速度が必要である。具体的には、鋼板を圧延した後にＡｒ₃以上の
温度から加速冷却を行う（直接焼入れ）か、あるいは圧延後Ａｃ₃温度以上に再加熱した
のち水冷（再加熱焼入れ）を行い、その際の８００℃から５００℃の間の冷却速度４０℃／ｓｅｃ以上とする。

表１に示す成分組成の鋼を溶製して得られた鋼片を、６ｍｍないし９ｍｍ厚さの鋼板とした。表２にそれら鋼板の板厚、製造方法と８００℃→５００℃の冷却速度、ブリネル硬さ、マルテンサイトおよび下部ベイナイト組織分率の和、フェライト組織分率、曲げ試験により求めた最小曲げ半径を示す。これらのうち鋼板Ａ〜Ｇは本発明鋼であり、鋼板Ｈ〜Ｎ、およびＳＳ４００は比較例である。表１中に下線で示す数字は成分が特許範囲を逸脱しているもの、表２中に下線で示す数字は特性が下記の目標値を満足していないものである。

組織の面積分率は、鋼板から採取した試験片を鏡面研磨した後ナイタールおよび特開昭５９−２１９４７３公報開示の腐食を行い、圧延方向と圧延に直角方向それぞれの鋼板断面を１０視野ずつ、５００〜１０００倍の光学顕微鏡および１０００〜５００００倍の走査型電子顕微鏡にて観察し、マルテンサイト、下部ベイナイト上部ベイナイト、残留オーステナイト、フェライト組織を同定して算出する。組織の各相の和は１００％であるが、炭化物、酸化物、硫化物などは合計の面積分率から除外する。目標値は、マルテンサイトと下部ベイナイトの組織分率の和が８５％以上、フェライトの組織分率が１０％以下である。

鋼板の硬さは、ＪＩＳＺ２２４３に準拠して、鋼板の表面下１ｍｍ部位と裏面下１ｍｍ部位、および板厚中心部それぞれにつき５点ずつブリネル硬さを測定し、それら１５点の平均値をとった。目標値は、ブリネル硬さ３６０以上４５０以下である。

鋼板の曲げ試験は、ＪＩＳＺ２２０４に規定の１号試験片（幅５０ｍｍ）を用い、試験片の長さ方向が圧延方向に直角となるように採取した。ＪＩＳＺ２２４８に規定の押曲げ法により、鋼板の板厚ｔを基準に０．５ｔピッチで曲げ半径ｒを変化させて１８０°
曲げを行った。曲げ試験後に、湾曲部の外側の割れその他の欠陥の有無で合否を判定し、欠陥の生じない最小の曲げ半径を、板厚ｔの倍数で求めた。目標値は、最小曲げ半径５ｔ以下である。

製造した鋼板のうち最小曲げ半径が５ｔ以下のものについて耐切削性（耐削進性）を評価した。鋼板表面に対して９０°の角度で、一般的な推進工法による削進条件で削進速度を求め、ＳＳ４００との比較を行った。具体的には、[1]直径４００ｍｍの鋼管の先端に
超硬合金を埋め込んだ切削ビットを用いて、加圧力１５００ｋｇｆ、鋼管の回転数６ｒ．ｐ．ｍ．の条件、および[2]直径７００ｍｍの鋼管の先端に同じく超硬合金を埋め込んだ
切削ビットを用いて、加圧力２５００ｋｇｆ、回転数４ｒ．ｐ．ｍ．の２つの条件で３０〜６０分の削進試験を行い、ＳＳ４００に対する耐削進性指数＝ＳＳ４００の１時間当たりの削進深さ／各供試材の１時間当たりの削進深さを算出した。ＳＳ４００に対する耐削進性指数＞５を本発明鋼の耐削進性の目標値とした。結果を表３に示す。本発明鋼板である鋼板Ａ〜Ｇは、試験条件−[1]、試験条件−[2]とも目標値以上の耐削進性を示すが、ブリネル硬さの低い比較鋼板ＨおよびＮは、いずれも目標とした耐削進性に達しない。

さらに６ｍｍ厚のＳＳ４００と、表２に示す６ｍｍ厚の鋼板Ａとをそれぞれ門型に曲げ加工して、図３に示した本発明法の配置で実際に埋設して、上記[2]の条件で削進試験を
行った。その結果、防護鋼板に到達してから鋼板を貫通するまでの時間がＳＳ４００では２２分であったのに対し、鋼板Ａでは貫通に２３５分を要した。

一般的な削進工法の装置配置例である。従来の防護体配置例である。本発明の防護体構造と配置例である。

符号の説明

１メタルクラウン
２鋼管
３遠隔制御装置
４推進装置
５防護鋼板
６埋設管

Claims

質量％で、
Ｃ：０．１２％以上、０．１８％以下、
Ｓｉ：０．０５％以上０．６０％以下、
Ｍｎ：２．２５％以下でありかつ、Ｍｎ／Ｃ＞８、
Ｓ：０．００8％以下、
Ａｌ：０．００５％以上、０．１％以下
を含み、さらに、
Ｃｒ：０．０５％以上、０．５％以下、
Ｍｏ：０．０５％以上、０．５％以下、
Ｃｕ：０．１％以上、０．５％以下、
Ｎｉ：０．１％以上、０．５％以下、
Ｖ：０．０１％以上、０．１％以下、
のうちの１種または２種以上を含有し、残部Fｅおよび不可避的不純物からなる組成を有するとともに、マルテンサイト主体組織または、マルテンサイトと下部ベイナイトの混合組織であって、マルテンサイトと下部ベイナイトの組織分率の和が８５％以上、かつフェライトの組織分率が１０％以下であり、平均ブリネル硬さが３６０以上４５０以下であることを特徴とする曲げ加工性と耐穴あけ性に優れた鋼板。