JP5612982B2

JP5612982B2 - 高強度鉄筋およびその製造方法

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Publication number: JP5612982B2
Application number: JP2010214013A
Authority: JP
Inventors: 亮廣松ヶ迫; 難波　茂信; 茂信難波; 浩行富山
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: JP2012067363A

Description

本発明は高強度鉄筋およびその製造方法に関するものである。

近年、土地の有効利用と建築費の低減を目的として、鉄筋コンクリート構造からなる高層住宅の建設が盛んに行われている。この様な高層住宅の建設に当たっては、居住空間を確保しつつ更に耐震性を得る為に、鉄筋の高強度化が不可欠である。ところが、鉄筋を高強度化すると、鉄筋の延性は一般に低下してしまい、曲げ加工性が低下する等の施工上の問題が生じる。

例えば、特許文献１〜３には、高強度鉄筋の製造方法が開示されている。特許文献１〜３はいずれも各種成分と圧延条件を調整することにより、降伏棚の伸びの大きい高強度鉄筋が製造できる旨を開示している。また特許文献４は、機械構造部品の素材として適用できる非調質に関するものであり、各種成分と、フェライトの結晶粒度、およびフェライトとパーライトのラメラ間隔を調整することによって、非調質鋼の耐疲労特性が向上できる旨を開示している。

しかし、特許文献１〜４はいずれも高強度鉄筋または非調質鋼の曲げ加工性について検討されたものではなく、これらの曲げ加工性は不十分なものであった。

特開平１１−５０１４７号公報特開平０５−２０９２２３号公報特開平０４−１９３９０８号公報特開平０９−５３１４２号公報

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、曲げ加工性に優れた高強度鉄筋およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を達成した本発明の高強度鉄筋は、Ｃ：０．２５〜０．４５％（質量％の意味。以下、化学組成について同じ。）、Ｓｉ：０．２５〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：０．１５％以下、Ｃｕ：０．２５％以下、Ｎｉ：０．２５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．０２５％以下、Ｖ：０．３０超〜０．５０％であり、残部は鉄および不可避不純物からなる高強度鉄筋であって、下記式（１）および式（２）を満たすと共に、フェライトの面積率が３０％以上であり、かつフェライトおよびパーライトの合計面積率が８５％以上であることを特徴とする。
１．４＜［Ｃ］＋０．１２３［Ｓｉ］＋０．２８［Ｍｎ］−１．０３［Ｓ］＋０．３２３［Ｃｒ］＋１．６９［Ｖ］＜１．６・・・（１）
０．４３［Ｃ］＋０．４９［Ｍｎ］＋０．２７［Ｃｒ］＜１・・・（２）
（但し、式（１）、（２）中、［］は各成分の含有量（質量％）を示す。）

本発明の高強度鉄筋は、Ｃｒ、ＣｕおよびＮｉの合計量が０．２５％以下であることが好ましい。

本発明は高強度鉄筋の製造方法も包含し、該製造方法は上記記載の化学成分の鋼を、圧延前加熱温度９００〜１０００℃、圧延終了温度８５０〜９５０℃で圧延することを特徴とする。

本発明によれば、各種成分組成を適切に調整するとともに、強度に影響する元素の含有量および過冷組織（ベイナイトおよびマルテンサイト）の生成に影響する元素の含有量を相互に調整し、過冷組織の生成を抑制しているため、強度と曲げ加工性を両立した鉄筋を提供することが可能である。

本発明者らは、鉄筋の強度と曲げ加工性を両立するため検討を重ねた。その結果、各種成分の個々の含有量を適切に調整するとともに、強度に影響を与える元素（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｒ、Ｖ）の含有量の相互関係を調整し、さらに過冷組織（ベイナイトおよびマルテンサイト）の生成に影響を与える元素（Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ）の含有量の相互関係を調整すれば、鉄筋の強度と曲げ加工性を両立できることを見出し、本発明を完成した。以下、各成分の含有量について説明する。

Ｃ：０．２５〜０．４５％
Ｃは、鋼の強度を確保するために重要な元素である。そこでＣ量は０．２５％以上と定めた。Ｃ量は好ましくは０．２７％以上であり、より好ましくは０．３０％以上である。一方、Ｃ量が過剰になると強度が高まりすぎることによって、曲げ加工性が劣化する。そこでＣ量は０．４５％以下と定めた。Ｃ量は好ましくは０．４３％以下であり、より好ましくは０．４０％以下である。

Ｓｉ：０．２５〜２．０％
Ｓｉは、固溶強化により鋼の強度を向上させる元素である。そこでＳｉ量は０．２５％以上と定めた。Ｓｉ量は好ましくは０．４０％以上であり、より好ましくは０．５０％以上である。一方、Ｓｉ量が過剰になると加工性が著しく低下する。そこでＳｉ量は２．０％以下と定めた。Ｓｉ量は、好ましくは１．９％以下であり、より好ましくは１．８％以下である。

Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎは、固溶強化により強度および焼入れ性を向上させる元素である。そこでＭｎ量を０．１％以上と定めた。Ｍｎ量は好ましくは０．１５％以上であり、より好ましくは０．２％以上である。一方、Ｍｎ量が過剰になると加工性が著しく低下する。そこでＭｎ量は２．０％以下と定めた。Ｍｎ量は好ましくは１．８％以下であり、より好ましくは１．６％以下である。

Ｐ：０．０５％以下
Ｐは、不可避的な不純物として鋼に混入する元素であるが、粒界に偏析し、強度のばらつきを強めるため、極力低減すべき元素である。そこでＰ量は０．０５％以下と定めた。Ｐ量は好ましくは０．０４％以下であり、より好ましくは０．０３％以下である。Ｐは、少なければ少ないほど好ましい元素であるが、極端な低減は製鋼コストの増加を招く。Ｐ量の下限は、例えば０．００３％である。

Ｓ：０．０５％以下
Ｓは、不可避的な不純物として鋼に混入する元素であるが、ＭｎＳとして析出し、曲げ加工性を低下させるため、極力低減すべき元素である。そこでＳ量は０．０５％以下と定めた。Ｓ量は好ましくは０．０４％以下であり、より好ましくは０．０３％以下である。Ｓは、Ｐと同様に、少なければ少ないほど好ましい元素であるが、極端な低減は製鋼コストの増加を招く。Ｓ量の下限は、例えば０．００３％である。

Ｃｒ：０．１５％以下
Ｃｕ：０．２５％以下
Ｎｉ：０．２５％以下
Ｃｒ、ＣｕおよびＮｉはいずれも焼入れ性の向上に寄与する元素であり、ベイナイトやマルテンサイトなどの過冷組織を発生させやすい元素である。また、鋳造時に偏析しやすく、局所的に過冷組織を発生させやすく、過冷組織は曲げ加工性に悪影響を与えるため、曲げ加工性のばらつきの大きな原因となる。そこで、過冷組織の生成を抑制するためＣｒ量は０．１５％以下、Ｃｕ量は０．２５％以下、Ｎｉ量は０．２５％以下と定めた。Ｃｒ量は好ましくは０．１４％以下であり、より好ましくは０．１３％以下である。Ｃｕ量およびＮｉ量は、いずれも０．２％以下が好ましく、０．１５％以下がより好ましい。Ｃｒ量、Ｃｕ量、Ｎｉ量の下限は、いずれも例えば０．０１％である。

また、過冷組織の生成を抑制するため、焼入れ性向上元素であるＣｒ、ＣｕおよびＮｉの合計含有量は０．２５％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．２０％以下であり、さらに好ましくは０．１５％以下である。

Ａｌ：０．００５〜０．１％
Ａｌは、脱酸と結晶粒微細化に有効な元素である。そこでＡｌ量は０．００５％以上と定めた。Ａｌ量は好ましくは０．００８％以上であり、より好ましくは０．０１０％以上である。一方、Ａｌ量が過剰になっても効果が飽和する。そこでＡｌ量は０．１％以下と定めた。Ａｌ量は好ましくは０．０８％以下であり、より好ましくは０．０５％以下である。

Ｎ：０．０２５％以下
Ｎは、ＡｌＮなどを形成して、結晶粒微細化および強度の向上に有効な元素である。そこで、Ｎ量は０．００２５％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．００４０％以上である。一方、Ｎ量が過剰になると加工性が著しく低下する。そこでＮ量は０．０２５％以下と定めた。Ｎ量は好ましくは０．０２％以下であり、より好ましくは０．０１５％以下である。

Ｖ：０．３０超〜０．５０％
Ｖは、鋼の強度の向上に有効な元素である。そこでＶ量を０．３０％超と定めた。Ｖ量は好ましくは０．３０２％以上であり、より好ましくは０．３０４％以上である。一方、Ｖ量は過剰になると強度が上昇しすぎたり、ベイナイトが生成して加工性が悪化する他、過剰になっても効果が飽和し、コストの上昇を招く。そこでＶ量は０．５０％以下と定めた。Ｖ量は好ましくは０．４０％以下であり、より好ましくは０．３５％以下であり、特に０．３２％以下としても良い。

本発明の鉄筋の基本成分は以上の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し、原材料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避不純物が鋼中に含まれることは当然に許容される。

さらに上記元素は下記式（１）および式（２）を満たす。但し、式（１）、（２）中、［］は各成分の含有量（質量％）を示す。

１．４＜［Ｃ］＋０．１２３［Ｓｉ］＋０．２８［Ｍｎ］−１．０３［Ｓ］＋０．３２３［Ｃｒ］＋１．６９［Ｖ］＜１．６・・・（１）
上記式（１）における式：［Ｃ］＋０．１２３［Ｓｉ］＋０．２８［Ｍｎ］−１．０３［Ｓ］＋０．３２３［Ｃｒ］＋１．６９［Ｖ］（以下、該式で得られる値を「式（１）の値」と呼ぶ。）は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｒ、Ｖの各元素の含有量（質量％）を説明変数とし、鉄筋の強度を目的変数として重回帰分析を行った結果得られた式である。式（１）の値が１．４以下であると鉄筋の強度が不十分となる。式（１）の値が大きくなるほど、鉄筋の強度は向上するため、式（１）の値は、１．４２以上が好ましく、より好ましくは１．４５以上であり、さらに好ましくは１．４８以上である。一方、式（１）の値が大きくなりすぎると、強度が向上しすぎることによって曲げ加工性が劣化する。そこで式（１）の値の上限は１．６未満とする。式（１）の値は１．５８以下とすることが好ましく、より好ましくは１．５７以下であり、さらに好ましくは１．５５以下である。

０．４３［Ｃ］＋０．４９［Ｍｎ］＋０．２７［Ｃｒ］＜１・・・（２）
上記式（２）における式：０．４３［Ｃ］＋０．４９［Ｍｎ］＋０．２７［Ｃｒ］（以下、該式で得られる値を「式（２）の値」と呼ぶ。）は、「Ｄ．Ｖ．Ｄｏａｎｅ，Ｊ．Ｓ．Ｋｉｒｋａｌｄｙ、ＨａｒｄｅｎａｂｉｌｉｔｙＣｏｎｃｅｐｔｗｉｔｈＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｏＳｔｅｅｌ,（１９７８）」に記載された、ベイナイトの生成しやすさを表す式である。式（２）の値が１以上であると、ベイナイトおよびマルテンサイトが多く生成し、曲げ加工性が劣化する。式（２）の値は、好ましくは０．９８以下であり、より好ましくは０．９７以下、さらに好ましくは０．９６以下である。

本発明の鉄筋の組織は、フェライトの面積率が３０％以上であり、かつフェライトおよびパーライトが占める合計面積率が８５％以上である。本発明のフェライトおよびパーライト以外の残部組織は、ベイナイトおよびマルテンサイトであり、ベイナイトやマルテンサイトが多く生成すると、これらの組織を起点にして曲げ加工時に割れが発生する。そこでベイナイトおよびマルテンサイトの生成は極力抑制し、フェライトおよびパーライトの面積率を確保することが必要である。そこでフェライトおよびパーライトの面積率の合計は、全組織に対する割合で８５面積％以上とする。フェライトおよびパーライトの合計面積率は、好ましくは８７面積％以上であり、より好ましくは９０面積％以上（特に９２面積％以上）である。

さらに、フェライトの面積率は、全組織に対する割合で３０面積％以上とする。このようにすることで、良好な曲げ加工性を確保することができる。フェライトの面積率は、好ましくは３３面積％以上であり、より好ましくは３６面積％以上であり、さらに好ましくは４０面積％以上である。フェライトの面積率の上限は、通常６５面積％程度である。

本発明において、フェライトの結晶粒度番号は、通常９．５〜１０．５番程度である。

また、本発明の鉄筋の降伏強度（降伏点が現れない場合は０．２％耐力）は、例えば６８５ＭＰａ以上である。

本発明の鉄筋の形状は特に限定されず、鉄筋の直径は通常１９．１〜５０．８ｍｍ程度である。

本発明の高強度鉄筋を製造するに際しては、上記の化学組成を満たす鋼を溶製し、鋳造し、熱間圧延するという一連の製造工程の中で、特に圧延前加熱温度および圧延終了温度を適切に制御することが重要である。以下、圧延前加熱温度および圧延終了温度についてそれぞれ詳細に説明する。

圧延前の加熱温度は、Ｖの固溶量と旧オーステナイト結晶粒度に影響を与えるものであり、その結果、強度と過冷組織の出やすさに影響する。圧延前加熱温度が９００℃未満であると、Ｖの固溶量が不足するため、Ｖの析出強化による強度向上の作用が得られず、鉄筋の強度が不足する。一方、圧延前加熱温度が１０００℃を超えると、結晶粒が大きくなることによって延性が低下し、曲げ加工性が劣化する。また結晶粒が大きくなると焼入れ性が増し、過冷組織（ベイナイト、マルテンサイト）が生成しやすくなる。そこで、圧延前加熱温度は９００℃以上１０００℃以下とする。圧延前加熱温度は、好ましくは９１０℃以上、９９０℃以下であり、より好ましくは９２０℃以上、９８０℃以下である。

圧延終了温度は、転位密度と旧オーステナイト結晶粒度に影響を与えるものであり、その結果曲げ加工性に影響する。圧延終了温度が８５０℃未満であると、圧延中にフェライトが生成してしまい、加工を受けた、すなわち転位密度の高いフェライトが生成してしまう。このような転位密度の高いフェライトは、変形能が低いため、加工時に割れの起点となって曲げ加工性を劣化させる。一方、圧延終了温度が９５０℃を超えると、結晶粒が大きくなることによって延性が低下し、曲げ加工性が劣化する。また結晶粒が大きくなると、焼入れ性が増し、フェライト分率は減少し、過冷組織が生成しやすくなる。そこで圧延終了温度は８５０℃以上９５０℃以下とする。圧延終了温度は、８６０℃以上、９４０℃以下が好ましく、より好ましくは８７０℃以上、９３０℃以下である。

また、過冷組織の生成を抑制するため、圧延終了後の冷却速度は、１℃／秒以下とすることが好ましく、より好ましくは０．８℃／秒以下である。

本発明の鉄筋は、高層住宅、高層橋脚などの建築物、構造物に用いられる鉄筋コンクリートに好適に用いることができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

表１、２に示す化学組成の鋼を、通常の溶製法に従って溶製し、鋳造し、１５５ｍｍ×１５５ｍｍのインゴットを得、該インゴットを表３、４に示す圧延前加熱温度および圧延終了温度で熱間圧延し、呼び名Ｄ５１の異形棒鋼（神戸製鋼所製のネジコン（登録商標））を得た。なお、圧延終了温度の調整は、圧延速度を調整することによって行い、また圧延終了後は放冷した（冷却速度は０．３５〜０．７５℃／秒）。

得られた異形棒鋼を、以下の要領で評価した。

（１）組織の同定および面積率の測定
異形棒鋼の横断面（軸心に垂直な断面）におけるＤ／４位置（Ｄは、棒鋼の直径）の９０μｍ×７０μｍの領域を、光学顕微鏡で観察（倍率１００倍）および撮影し、画像解析して面積率を測定した。測定は３視野行い、これらの平均値をフェライトの面積率および、フェライトおよびパーライトの合計面積率とした。

（２）降伏強度の測定
上記異形棒鋼から、ＪＩＳＺ２２０１に規定される３号試験片を採取し（断面積２０．２７ｃｍ²）、ＪＩＳＺ２２４１にしたがって引張試験を行い、降伏点または０．２％耐力を測定した。

（３）曲げ加工性の評価
上記異形棒鋼からＪＩＳＺ２２０４に規定される２号試験片を採取し、ＪＩＳＺ２２４８に従って曲げ試験を行った。曲げ角度は９０°、内側半径は１０１．６ｍｍである。各実験Ｎｏ．についてそれぞれ３本試験を行い、３本とも試験片の外側に亀裂を生じなかった場合を「○（合格）」、一本でも亀裂が生じた場合を「×（不合格）」と判断した。

（４）フェライト結晶粒度の測定
上記異形棒鋼の横断面（軸心に垂直な断面）におけるＤ／４位置（Ｄは、棒鋼の直径）の、２３μｍ×１８μｍの領域を、光学顕微鏡で観察（倍率４００倍）および撮影し、ＪＩＳＺ０５５１に従って、フェライト結晶粒度を測定した。測定は３視野行い、これらの平均値をフェライト結晶粒度とした。

結果を表３、４に示す。

実験Ｎｏ．１〜６、１１〜２４は、化学成分および製造方法が全て本発明の要件を満たすものであり、強度と曲げ加工性を両立できる結果となった。

一方、実験Ｎｏ．７〜１０、２５〜４７は、化学成分および製造方法の少なくともいずれかが本発明要件を外れたため、強度と曲げ加工性の少なくともいずれかが不十分な結果となった。

実験Ｎｏ．７〜１０は、圧延前加熱温度または圧延終了温度が不適切であった例である。実験Ｎｏ．７は圧延前加熱温度が高かったために、過冷組織が過剰に生成、すなわちフェライトおよびパーライトの合計量が不足したため、曲げ加工性が劣化した。実験Ｎｏ．８は、圧延前加熱温度および圧延終了温度が低く、強度が低下した。実験Ｎｏ．９は圧延終了温度が高く、フェライト分率が不足し、曲げ加工性が劣化した。実験Ｎｏ．１０は圧延終了温度が低く、転位密度の高いフェライトが生成したため、曲げ加工性が劣化した。

実験Ｎｏ．２５〜２７は、式（１）の値が小さい鋼材（鋼材Ｎｏ．２１〜２３）を用いた例であり、強度が低下した。実験Ｎｏ．２８〜３０は、式（１）の値が大きい鋼材（鋼材Ｎｏ．２４〜２６）を用いた例であり、強度が向上しすぎることによって曲げ加工性が劣化した。

実験Ｎｏ．３１〜３５は、式（２）の値が大きい鋼材（鋼材Ｎｏ．２７〜３１）を用いた例であり、フェライトおよびパーライトの合計量が不足し、曲げ加工性が劣化した。実験Ｎｏ．３６〜３７は、式（１）および（２）の値が大きい鋼材（鋼材Ｎｏ．３２〜３３）を用いた例であり、フェライトおよびパーライトの合計量が不足するとともに、強度が高くなりすぎたことによって、曲げ加工性が劣化した。

実験Ｎｏ．３８は、Ｃ量が多く、式（１）の値が大きかった鋼材（鋼材Ｎｏ．３４）を用いた例であり、フェライト分率が不足し、曲げ加工性が劣化した。実験Ｎｏ．３９は、Ｖ量が少なく、式（１）の値が小さかった鋼材（鋼材Ｎｏ．３５）を用いた例であり、強度が不足した。実験Ｎｏ．４０は、Ｖ量が少ない鋼材（鋼材Ｎｏ．３６）を用いた例であり、フェライト分率が不足し、曲げ加工性が劣化した。実験Ｎｏ．４１は、Ｖ量が多く、式（１）の値が大きかった鋼材（鋼材Ｎｏ．３７）を用いた例であり、フェライトおよびパーライトの合計量が不足するとともに、強度が高くなりすぎたことによって、曲げ加工性が劣化した。実験Ｎｏ．４２は、ＣｕおよびＮｉ量が多く、Ａｌ量が少なかった鋼材（鋼材Ｎｏ．３８）を用いた例であり、フェライトおよびパーライトの合計量が不足し、曲げ加工性が劣化した。実験Ｎｏ．４３は、Ｓｉ量が多く、式（１）の値が大きかった鋼材（鋼材Ｎｏ．３９）を用いた例であり、強度が上昇しすぎたことによって、曲げ加工性が劣化した。実験Ｎｏ．４４は、Ｃｒ量が多く、式（１）および（２）の値がいずれも高い鋼材（鋼材Ｎｏ．４０）を用いた例であり、フェライトおよびパーライトの合計量が不足し、曲げ加工性が劣化した。

実験Ｎｏ．４５は、Ｃｒ量が多く式（２）の値が大きい鋼材（鋼材Ｎｏ．４１）を用いた例であり、フェライトおよびパーライトの合計量が不足し、曲げ加工性が劣化した。実験Ｎｏ．４６は、Ｍｎ量が多く、式（２）の値が大きい鋼材（鋼材Ｎｏ．４２）を用いた例であり、フェライトおよびパーライトの合計量が不足し、曲げ加工性が劣化した。実験Ｎｏ．４７は、Ａｌ量が少なく、Ｎ量が多く、式（１）の値が小さかった鋼材（鋼材Ｎｏ．４３）を用いた例であり、強度が不足した。

Claims

Ｃ：０．２５〜０．４５％（質量％の意味。以下、化学組成について同じ。）、
Ｓｉ：０．２５〜２．０％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．０５％以下、
Ｃｒ：０．１５％以下、
Ｃｕ：０．２５％以下、
Ｎｉ：０．２５％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．１％、
Ｎ：０．０２５％以下、
Ｖ：０．３０超〜０．５０％であり、残部は鉄および不可避不純物からなる高強度鉄筋であって、
下記式（１）および式（２）を満たすと共に、
フェライトの面積率が３０％以上であり、かつフェライトおよびパーライトの合計面積率が８５％以上であることを特徴とする高強度鉄筋。
１．４＜［Ｃ］＋０．１２３［Ｓｉ］＋０．２８［Ｍｎ］−１．０３［Ｓ］＋０．３２３［Ｃｒ］＋１．６９［Ｖ］＜１．６・・・（１）
０．４３［Ｃ］＋０．４９［Ｍｎ］＋０．２７［Ｃｒ］＜１・・・（２）
（但し、式（１）、（２）中、［］は各成分の含有量（質量％）を示す。）
Ｃｒ、ＣｕおよびＮｉの合計含有量が０．２５％以下である請求項１に記載の高強度鉄筋。
請求項１または２に記載の化学成分の鋼を、圧延前加熱温度９００〜１０００℃、圧延終了温度８５０〜９５０℃で圧延することを特徴とする高強度鉄筋の製造方法。