JP6314527B2 - 鋼矢板 - Google Patents
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Description
本発明は、鋼矢板に関する。
鋼矢板は護岸、土留めなどの工事において用いられる鋼材である。鋼矢板には、その断面形状からハット形、Ｕ形、直線形などの種類がある。また、鋼矢板を用いた構造形式には、自立式、タイロッド式などの種類がある。
例えば、自立式は、鋼矢板の剛性と鋼矢板が埋め込まれた地盤の抵抗力（水平方向の抵抗力）によって外力に抵抗する構造形式である。この方式は、地盤が良好で水深が小さい場合に適用される場合が多い。タイロッド式は、鋼矢板と控え工をタイロッドまたはタイワイヤーで連結することで壁体を安定させる構造形式である。
自立式の場合には、鋼矢板自体を支持する部材がなく鋼矢板にしなりが生じるため、ヤング率を考慮した設計が必要となる。一方、タイロッド式の場合には、タイロッドによりしなりが抑制されるので、降伏強度を考慮した設計が必要となり、鋼矢板の高強度化が求められる。特に、タイロッド式に用いる鋼矢板には、降伏強度が４３０Ｎ／ｍｍ２以上であること、さらに最近では、降伏強度が４６０Ｎ／ｍｍ２以上であること、が望まれる場合がある。
鋼矢板には、高い降伏強度に加えて良好な靱性と溶接性を兼ね備えていることが望まれる場合がある。しかし、鋼矢板は、やや複雑な断面形状を有しているため、その製造時の温度履歴に制約があり、寸法精度を良好にする観点から、ウェブの圧下を高温で終了させ、その後の加速冷却を実施しないことが望まれている。このため、圧下後にミクロ組織が成長して、製品の結晶粒が粗大になるなど、靱性が低下しやすい。
従来から高強度の鋼矢板に関する技術は多く開示されている。
例えば、特許文献１には、高強度広幅鋼矢板に関する技術が開示されている。特許文献１で開示された技術によれば、降伏強度が３９０Ｎ/ｍｍ２以上の高強度鋼矢板が得られるとされている。
また、特許文献２には、鋼矢板の製造方法に関する技術が開示されている。特許文献２で開示された技術によれば、ウェブの靱性に優れる鋼矢板が得られるとされている。
さらに、特許文献３にも鋼矢板に関する技術が開示されている。特許文献３で開示された技術によれば、降伏強度が４３０Ｎ／ｍｍ２以上で、かつ良好な靱性を有する鋼矢板が得られるとされている。
特許文献１で開示された技術を用いれば、降伏強度が３９０Ｎ/ｍｍ２以上の鋼矢板が得られるとされているものの、該技術を用いても、その実施例で「発明例」として具体的に示されているように、高い降伏強度（４６０Ｎ／ｍｍ２以上）と優れた靱性（０℃でのシャルピー吸収エネルギーで３００Ｊ以上）を同時に有する鋼矢板を安定的に得ることは極めて難しい。
特許文献２で開示された技術を用いれば、ウェブの靱性に優れる鋼矢板が得られるとされているものの、該技術を用いても、その実施例で「発明例」として具体的に示されているように、４６０Ｎ／ｍｍ２以上という高い降伏強度と０℃でのシャルピー吸収エネルギーで３００Ｊ以上という優れた靱性を同時に有する鋼矢板を安定的に得ることは難しい。
特許文献３で開示された技術を用いれば、降伏強度が４３０Ｎ／ｍｍ２以上で、かつ良好な靱性を有する鋼矢板が得られる。しかしながら、一層安定して高い降伏強度（４６０Ｎ／ｍｍ２以上）と優れた靱性（０℃でのシャルピー吸収エネルギーで３００Ｊ以上）を同時に有する鋼矢板を得るためには、改善すべき余地がある。
本発明は、このような従来技術の問題を解決するため、一般に用いられる鋼矢板のサイズの中では最も板厚が大きく、高い降伏強度と高靱性の確保が難しい２７．６ｍｍ厚さであっても、上記の、４６０Ｎ／ｍｍ２以上の高い降伏強度とＪＩＳ Ｚ ２２４２−２００５に規定された幅１０ｍｍの標準Ｖノッチ試験片を用いた場合の０℃でのシャルピー吸収エネルギー（以下、単に「０℃でのシャルピー吸収エネルギー」という。）で３００Ｊ以上の優れた靱性を同時に有する鋼矢板を提供することを目的とする。
鋼矢板の圧延においては、良好な寸法精度を確保することが必要である。このため、通常は、鋼材の強度および靱性を向上させるために、圧延時に比較的低温域での累積圧下率を大きく増加させたり、圧延中または圧延後に加速冷却を適用したりすることは難しい。また、一般に、鋼矢板の板厚が大きいほど高い降伏強度と優れた靱性を同時に得ることが難しい。
本発明者らは、鋼矢板のウェブの圧延を模擬した圧延条件、すなわち、圧延終了温度が９００℃以上で、かつ、圧延中または圧延後に加速冷却を適用しない条件で、板厚が２８ｍｍの鋼材を圧延しても、４６０Ｎ／ｍｍ２以上という高い降伏強度と０℃でのシャルピー吸収エネルギーで３００Ｊ以上という優れた靱性が得られる条件を調査し、本発明を完成させた。
本発明の要旨は、下記に示す鋼矢板にある。
（Ａ）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１％以上０．０４％未満、
Ｓｉ：０．０１〜０．６０％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｎｂ：０．０５％を超えて０．２０％以下、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．１０％および
Ｎ：０．０００５〜０．００９０％と、
Ｃｕ：０．０１〜２．０％、
Ｎｉ：０．０１〜３．０％、
Ｃｒ：０．０１〜１．０％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
Ｖ：０．００１〜０．３０％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１０％および
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％から選択される１種以上と、
Ｃａ：０〜０．０１％、
ＲＥＭ：０〜０．０２％、
Ｍｇ：０〜０．０１％、
Ｓｎ：０〜０．５０％と、
残部：Ｆｅおよび不純物とであり、
下記の(1)式で表されるＰＴが２０以下であり、
不純物としてのＰ、ＳおよびＯがそれぞれ、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．０４％以下および
Ｏ：０．００５％以下
であり、
組織が、パーライト分率：１０％以下、残部：フェライトであり、
降伏強度が、４６０Ｎ／ｍｍ２以上であり、０℃でのシャルピー吸収エネルギーが３００J以上である、鋼矢板。
ＰＴ＝−１２４＋６４６Ｃ−１２Ｃｕ−６０Ｎｉ＋２６５Ｖ＋３６１Ｎｂ＋３３１６Ｔｉ＋１４６９７Ｂ・・・(1)
ただし、(1)式中の元素記号は、その元素の鋼中含有量（質量％）を表す。
Ｃ：０．０１％以上０．０４％未満、
Ｓｉ：０．０１〜０．６０％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｎｂ：０．０５％を超えて０．２０％以下、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．１０％および
Ｎ：０．０００５〜０．００９０％と、
Ｃｕ：０．０１〜２．０％、
Ｎｉ：０．０１〜３．０％、
Ｃｒ：０．０１〜１．０％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
Ｖ：０．００１〜０．３０％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１０％および
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％から選択される１種以上と、
Ｃａ：０〜０．０１％、
ＲＥＭ：０〜０．０２％、
Ｍｇ：０〜０．０１％、
Ｓｎ：０〜０．５０％と、
残部：Ｆｅおよび不純物とであり、
下記の(1)式で表されるＰＴが２０以下であり、
不純物としてのＰ、ＳおよびＯがそれぞれ、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．０４％以下および
Ｏ：０．００５％以下
であり、
組織が、パーライト分率：１０％以下、残部：フェライトであり、
降伏強度が、４６０Ｎ／ｍｍ２以上であり、０℃でのシャルピー吸収エネルギーが３００J以上である、鋼矢板。
ＰＴ＝−１２４＋６４６Ｃ−１２Ｃｕ−６０Ｎｉ＋２６５Ｖ＋３６１Ｎｂ＋３３１６Ｔｉ＋１４６９７Ｂ・・・(1)
ただし、(1)式中の元素記号は、その元素の鋼中含有量（質量％）を表す。
（Ｂ）前記化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％および
ＲＥＭ：０．００１〜０．０２％、
から選択される1種以上を含有する、上記（Ａ）に記載の鋼矢板。
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％および
ＲＥＭ：０．００１〜０．０２％、
から選択される1種以上を含有する、上記（Ａ）に記載の鋼矢板。
（Ｃ）前記化学組成が、質量％で、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
を含有する、上記（Ａ）または（Ｂ）に記載の鋼矢板。
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
を含有する、上記（Ａ）または（Ｂ）に記載の鋼矢板。
（Ｄ）前記化学組成が、質量％で、
Ｓｎ：０．０３〜０．５０％、
を含有する、上記（Ａ）から（Ｃ）までのいずれかに記載の鋼矢板。
Ｓｎ：０．０３〜０．５０％、
を含有する、上記（Ａ）から（Ｃ）までのいずれかに記載の鋼矢板。
本発明の鋼矢板は、４６０Ｎ／ｍｍ２以上という高い降伏強度と０℃でのシャルピー吸収エネルギーで３００Ｊ以上という優れた靱性を有するので、自立式またはタイロッド式の工法に用いる鋼矢板として好適である。本発明の鋼矢板は、特にタイロッド式に用いる鋼矢板として好適である。本発明の鋼矢板は溶接性にも優れているため、溶接作業も容易に実施することができる。
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、化学組成における各元素の含有量の「％」は「質量％」を意味する。
［１］鋼矢板の化学組成について：
Ｃ：０．０１％以上０．０４％未満
Ｃは、鋼材の強度を高める作用を有する。この効果を得るために、Ｃ含有量は０．０１％以上とする。しかし、Ｃの含有量が０．０４％以上となると、上述した優れた靱性の確保、さらには優れた溶接性の確保が難しくなる場合がある。よって、Ｃ含有量は０．０１％以上０．０４％未満とする。Ｃ含有量は０．０２％以上とすることが望ましく、０．０３％以上とすることがさらに望ましい。
Ｃ：０．０１％以上０．０４％未満
Ｃは、鋼材の強度を高める作用を有する。この効果を得るために、Ｃ含有量は０．０１％以上とする。しかし、Ｃの含有量が０．０４％以上となると、上述した優れた靱性の確保、さらには優れた溶接性の確保が難しくなる場合がある。よって、Ｃ含有量は０．０１％以上０．０４％未満とする。Ｃ含有量は０．０２％以上とすることが望ましく、０．０３％以上とすることがさらに望ましい。
Ｓｉ：０．０１〜０．６０％
Ｓｉは、脱酸作用を有する元素である。この効果を得るために、Ｓｉ含有量は０．０１％以上とする。しかし、Ｓｉの含有量が０．６０％を超えると、母材および溶接熱影響部の靱性が著しく悪化する。よって、Ｓｉ含有量は０．０１〜０．６０％とする。好ましい下限は０．０３％であり、より好ましい下限は０．０５％である。好ましい上限は０．４５％であり、より好ましい上限は０．２０％である。
Ｓｉは、脱酸作用を有する元素である。この効果を得るために、Ｓｉ含有量は０．０１％以上とする。しかし、Ｓｉの含有量が０．６０％を超えると、母材および溶接熱影響部の靱性が著しく悪化する。よって、Ｓｉ含有量は０．０１〜０．６０％とする。好ましい下限は０．０３％であり、より好ましい下限は０．０５％である。好ましい上限は０．４５％であり、より好ましい上限は０．２０％である。
Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは、鋼材の強度を高める作用を有する。この効果を得るために、Ｍｎ含有量は０．５％以上とする。しかし、その含有量が２．０％を超えると、溶接割れが起こりやすくなる。このため、Ｍｎの含有量は０．５〜２．０％とする。好ましい下限は１．０％であり、より好ましい下限は１．２％である。また、好ましい上限は１．７％、より好ましい上限は１．６％である。
Ｍｎは、鋼材の強度を高める作用を有する。この効果を得るために、Ｍｎ含有量は０．５％以上とする。しかし、その含有量が２．０％を超えると、溶接割れが起こりやすくなる。このため、Ｍｎの含有量は０．５〜２．０％とする。好ましい下限は１．０％であり、より好ましい下限は１．２％である。また、好ましい上限は１．７％、より好ましい上限は１．６％である。
Ｎｂ：０．０５％を超えて０．２０％以下
Ｎｂは、鋼材の強度を向上させる効果を有する。この効果を得るために、Ｎｂは０．０５％を超えて含有させる。しかし、その含有量が０．２０％を超えると、母材と溶接熱影響部の靱性が悪化する。よって、Ｎｂの含有量を０．０５％を超えて０．２０％以下とする。好ましい下限は０．０５５％であり、より好ましい下限は０．０６％である。好ましい上限は０．１５％であり、より好ましい上限は０．１０％である。
Ｎｂは、鋼材の強度を向上させる効果を有する。この効果を得るために、Ｎｂは０．０５％を超えて含有させる。しかし、その含有量が０．２０％を超えると、母材と溶接熱影響部の靱性が悪化する。よって、Ｎｂの含有量を０．０５％を超えて０．２０％以下とする。好ましい下限は０．０５５％であり、より好ましい下限は０．０６％である。好ましい上限は０．１５％であり、より好ましい上限は０．１０％である。
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．１０％
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。この効果を得るために、Ａｌをｓｏｌ．Ａｌ（「酸可溶Ａｌ」）として０．００４％以上含有させる。しかし、ｓｏｌ．Ａｌ含有量が０．１０％を超えると、溶接熱影響部の靱性が悪化する場合がある。よって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は０．００４〜０．１０％とする。好ましい下限は０．００５％である。好ましい上限は０．０５０％であり、より好ましい上限は０．０３０％である。
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。この効果を得るために、Ａｌをｓｏｌ．Ａｌ（「酸可溶Ａｌ」）として０．００４％以上含有させる。しかし、ｓｏｌ．Ａｌ含有量が０．１０％を超えると、溶接熱影響部の靱性が悪化する場合がある。よって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は０．００４〜０．１０％とする。好ましい下限は０．００５％である。好ましい上限は０．０５０％であり、より好ましい上限は０．０３０％である。
Ｎ：０．０００５〜０．００９０％
Ｎは、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｖとともに析出物を形成し、母材および溶接熱影響部の強度や靱性を改善するのに大変有効な場合がある。これらの効果を得るために、Ｎを０．０００５％以上含有させる。しかし、その含有量が０．００９０％を超えると、母材および溶接熱影響部の靱性が悪化する。よって、Ｎ含有量は０．０００５〜０．００９０％とする。好ましい下限は０．００２０％である。好ましい上限は０．００６０％である。
Ｎは、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｖとともに析出物を形成し、母材および溶接熱影響部の強度や靱性を改善するのに大変有効な場合がある。これらの効果を得るために、Ｎを０．０００５％以上含有させる。しかし、その含有量が０．００９０％を超えると、母材および溶接熱影響部の靱性が悪化する。よって、Ｎ含有量は０．０００５〜０．００９０％とする。好ましい下限は０．００２０％である。好ましい上限は０．００６０％である。
本発明の鋼矢板は、強度、靱性を向上させるために、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、ＴｉおよびＢから選択される１種以上を、下記に述べる量で含有する。
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
Ｃｕは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｃｕを０．０１％以上含有させた場合に得られる。しかし、Ｃｕ含有量が２．０％を超えると、鋼材の表面性状および靱性が悪化し、溶接割れが起こりやすくなる。よって、Ｃｕを含有させる場合の含有量は０．０１〜２．０％とする。好ましい下限は０．１０％である。好ましい上限は０．５０％である。
Ｃｕは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｃｕを０．０１％以上含有させた場合に得られる。しかし、Ｃｕ含有量が２．０％を超えると、鋼材の表面性状および靱性が悪化し、溶接割れが起こりやすくなる。よって、Ｃｕを含有させる場合の含有量は０．０１〜２．０％とする。好ましい下限は０．１０％である。好ましい上限は０．５０％である。
Ｎｉ：０．０１〜３．０％
Ｎｉは、鋼材の強度および靱性を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｎｉを０．０１％以上含有させた場合に得られる。しかし、Ｎｉ含有量が３．０％を超えると、鋼材の表面性状が悪化することがある。よって、Ｎｉを含有させる場合には、その含有量を０．０１〜３．０％とする。好ましい下限は０．１０％である。好ましい上限は１．０％、より好ましい上限は０．５０％である。
Ｎｉは、鋼材の強度および靱性を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｎｉを０．０１％以上含有させた場合に得られる。しかし、Ｎｉ含有量が３．０％を超えると、鋼材の表面性状が悪化することがある。よって、Ｎｉを含有させる場合には、その含有量を０．０１〜３．０％とする。好ましい下限は０．１０％である。好ましい上限は１．０％、より好ましい上限は０．５０％である。
Ｃｒ：０．０１〜１．０％
Ｃｒは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｃｒを０．０１％以上含有させた場合に得られる。しかし、Ｃｒ含有量が１．０％を超えると、溶接割れが起こりやすくなる。よって、Ｃｒを含有させる場合には、その含有量を０．０１〜１．０％とする。好ましい下限は０．１０％である。好ましい上限は０．５０％である。
Ｃｒは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｃｒを０．０１％以上含有させた場合に得られる。しかし、Ｃｒ含有量が１．０％を超えると、溶接割れが起こりやすくなる。よって、Ｃｒを含有させる場合には、その含有量を０．０１〜１．０％とする。好ましい下限は０．１０％である。好ましい上限は０．５０％である。
Ｍｏ：０．０１〜１．０％
Ｍｏは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｍｏを０．０１％以上含有させた場合に得られる。しかし、Ｍｏ含有量が１．０％を超えると、溶接割れが起こりやすくなる。よって、Ｍｏを含有させる場合には、その含有量を０．０１〜１．０％とする。好ましい下限は０．１０％である。好ましい上限は０．５０％である。
Ｍｏは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｍｏを０．０１％以上含有させた場合に得られる。しかし、Ｍｏ含有量が１．０％を超えると、溶接割れが起こりやすくなる。よって、Ｍｏを含有させる場合には、その含有量を０．０１〜１．０％とする。好ましい下限は０．１０％である。好ましい上限は０．５０％である。
Ｖ：０．００１〜０．３０％
Ｖは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｖを０．００１％以上含有させた場合に得られる。しかし、Ｖ含有量が０．３０％を超えると靱性が悪化するおそれがある。よって、Ｖを含有させる場合には、その含有量を０．００１〜０．３０％とする。好ましい下限は０．０１０％であり、より好ましい下限は０．０４０％である。好ましい上限は０．１５％である。
Ｖは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｖを０．００１％以上含有させた場合に得られる。しかし、Ｖ含有量が０．３０％を超えると靱性が悪化するおそれがある。よって、Ｖを含有させる場合には、その含有量を０．００１〜０．３０％とする。好ましい下限は０．０１０％であり、より好ましい下限は０．０４０％である。好ましい上限は０．１５％である。
Ｔｉ：０．００１〜０．１０％
Ｔｉは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素であり、また、Ｎとともに析出物（ＴｉＮ）を形成し、溶接熱影響部の靱性を改善するのにも有効な元素である。さらに、Ｔｉには、固溶Ｎ量を調整して、Ｂ（ボロン）の働きを制御する効果もある。これらの効果は、Ｔｉを０．００１％以上含有させた場合に得られる。しかし、その含有量が０．１０％を超えると、母材と溶接熱影響部の靱性が悪化する。よって、Ｔｉを含有させる場合には、その含有量は０．００１〜０．１０％とする。好ましい下限は０．００５％である。好ましい上限は０．０２５％であり、より好ましい上限は０．０２０％であり、さらに好ましい上限は０．０１４％である。
Ｔｉは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素であり、また、Ｎとともに析出物（ＴｉＮ）を形成し、溶接熱影響部の靱性を改善するのにも有効な元素である。さらに、Ｔｉには、固溶Ｎ量を調整して、Ｂ（ボロン）の働きを制御する効果もある。これらの効果は、Ｔｉを０．００１％以上含有させた場合に得られる。しかし、その含有量が０．１０％を超えると、母材と溶接熱影響部の靱性が悪化する。よって、Ｔｉを含有させる場合には、その含有量は０．００１〜０．１０％とする。好ましい下限は０．００５％である。好ましい上限は０．０２５％であり、より好ましい上限は０．０２０％であり、さらに好ましい上限は０．０１４％である。
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％
Ｂは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。また、Ｎとともに析出物（ＢＮ）を形成し、母材、溶接熱影響部の靱性を改善する効果もある。これらの効果は、Ｂを０．０００１％以上含有させた場合に得られる。しかし、Ｂの含有量が０．００５０％を超えると、溶接割れが起こりやすくなる。よって、Ｂを含有させる場合には、その含有量を０．０００１〜０．００５０％とする。好ましい下限は０．０００５％である。好ましい上限は０．００２５％であり、より好ましい上限は０．００２０％である。
Ｂは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。また、Ｎとともに析出物（ＢＮ）を形成し、母材、溶接熱影響部の靱性を改善する効果もある。これらの効果は、Ｂを０．０００１％以上含有させた場合に得られる。しかし、Ｂの含有量が０．００５０％を超えると、溶接割れが起こりやすくなる。よって、Ｂを含有させる場合には、その含有量を０．０００１〜０．００５０％とする。好ましい下限は０．０００５％である。好ましい上限は０．００２５％であり、より好ましい上限は０．００２０％である。
なお、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、ＴｉおよびＢから選択される２種以上を含有させる場合には、その合計含有量を２．０％以下とすることが好ましい。合計含有量は１．０％以下とするのがより好ましい。
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｃａは、硫化物（特にＭｎＳ）の形態を制御し、靱性を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るために、Ｃａを含有させてもよい。ただし、その含有量が過剰な場合、Ｃａを含む介在物が粗大となる。粗大化した介在物がクラスター化すると、鋼の清浄度を害し、溶接性にも悪影響を及ぼすことがある。よって、Ｃａを含有させる場合には、その含有量は０．０１％以下とする。Ｃａの含有量は、溶接性の観点から０．００６％以下にすることが好ましい。
Ｃａは、硫化物（特にＭｎＳ）の形態を制御し、靱性を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るために、Ｃａを含有させてもよい。ただし、その含有量が過剰な場合、Ｃａを含む介在物が粗大となる。粗大化した介在物がクラスター化すると、鋼の清浄度を害し、溶接性にも悪影響を及ぼすことがある。よって、Ｃａを含有させる場合には、その含有量は０．０１％以下とする。Ｃａの含有量は、溶接性の観点から０．００６％以下にすることが好ましい。
一方、前記したＣａの効果を安定して得るためには、Ｃａの含有量は、０．０００５％以上とすることが好ましい。
ＲＥＭ：０〜０．０２％、
ＲＥＭは、硫化物（特にＭｎＳ）の形態を制御し、靱性を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るために、ＲＥＭを含有させてもよい。ただし、その含有量が過剰な場合、ＲＥＭを含む介在物が粗大となる。粗大化した介在物がクラスター化すると、鋼の清浄度を害し、溶接性にも悪影響を及ぼすことがある。よって、ＲＥＭを含有させる場合には、その含有量は０．０２％以下とする。ＲＥＭの含有量は０．０１％以下とすることが好ましい。
ＲＥＭは、硫化物（特にＭｎＳ）の形態を制御し、靱性を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るために、ＲＥＭを含有させてもよい。ただし、その含有量が過剰な場合、ＲＥＭを含む介在物が粗大となる。粗大化した介在物がクラスター化すると、鋼の清浄度を害し、溶接性にも悪影響を及ぼすことがある。よって、ＲＥＭを含有させる場合には、その含有量は０．０２％以下とする。ＲＥＭの含有量は０．０１％以下とすることが好ましい。
一方、前記したＲＥＭの効果を安定して得るためには、ＲＥＭの含有量は、０．００１％以上とすることが好ましい。
なお、「ＲＥＭ」とは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、これらの元素から選択される１種以上を含有させることができる。ＲＥＭの含有量は上記元素の合計量を意味する。
上記のＣａおよびＲＥＭは、そのうちのいずれか１種のみ、または、２種の複合で含有させることができる。なお、これらの元素の２種を複合して含有させる場合の合計含有量の上限は、０．０３％である。合計含有量は０．０２％以下とするのが好ましい。
Ｍｇ：０〜０．０１％、
Ｍｇは、微細に分散した酸化物を形成し、溶接熱影響部のオーステナイト粒径の粗大化を抑制して靱性を向上させる効果を発揮する。この効果を得るために、Ｍｇを含有させてもよい。ただし、Ｍｇ含有量が０．０１％を超えると、粗大な酸化物を生成して靱性を劣化させることがある。このため、Ｍｇを含有させる場合には、その含有量は０．０１％以下とする。Ｍｇの含有量は０．００５％以下とすることが好ましい。
Ｍｇは、微細に分散した酸化物を形成し、溶接熱影響部のオーステナイト粒径の粗大化を抑制して靱性を向上させる効果を発揮する。この効果を得るために、Ｍｇを含有させてもよい。ただし、Ｍｇ含有量が０．０１％を超えると、粗大な酸化物を生成して靱性を劣化させることがある。このため、Ｍｇを含有させる場合には、その含有量は０．０１％以下とする。Ｍｇの含有量は０．００５％以下とすることが好ましい。
一方、前記したＭｇの効果を安定して得るためには、Ｍｇの含有量は、０．０００５％以上とすることが好ましい。
Ｓｎ：０〜０．５０％、
Ｓｎは、Ｓｎ２＋となって溶解し、腐食を抑制する作用を有する。これは、Ｓｎ２＋が腐食促進作用を有するＦｅ３＋を速やかに還元するからである。また、Ｓｎは、鋼のアノード溶解反応を抑制し耐食性を向上させる作用も有する。これらの効果を得るためにＳｎを含有させてもよい。ただし、Ｓｎ含有量が０．５０％を超えると、これらの効果は飽和する。よって、Ｓｎを含有させる場合には、その含有量を０．５０％以下とする。Ｓｎ含有量の好ましい上限は０．３０％である。
Ｓｎは、Ｓｎ２＋となって溶解し、腐食を抑制する作用を有する。これは、Ｓｎ２＋が腐食促進作用を有するＦｅ３＋を速やかに還元するからである。また、Ｓｎは、鋼のアノード溶解反応を抑制し耐食性を向上させる作用も有する。これらの効果を得るためにＳｎを含有させてもよい。ただし、Ｓｎ含有量が０．５０％を超えると、これらの効果は飽和する。よって、Ｓｎを含有させる場合には、その含有量を０．５０％以下とする。Ｓｎ含有量の好ましい上限は０．３０％である。
一方、前記したＳｎの効果を安定して得るためには、Ｓｎ含有量の下限は、０．０３％とすることが好ましく、０．０５％とすることが一層好ましい。
ＰＴ：２０以下
本発明に係る鋼矢板は、
ＰＴ＝−１２４＋６４６Ｃ−１２Ｃｕ−６０Ｎｉ＋２６５Ｖ＋３６１Ｎｂ＋３３１６Ｔｉ＋１４６９７Ｂ・・・(1)
で表されるＰＴが、２０以下でなければならない。
本発明に係る鋼矢板は、
ＰＴ＝−１２４＋６４６Ｃ−１２Ｃｕ−６０Ｎｉ＋２６５Ｖ＋３６１Ｎｂ＋３３１６Ｔｉ＋１４６９７Ｂ・・・(1)
で表されるＰＴが、２０以下でなければならない。
既に述べたとおり、上記(1)式中の元素記号は、その元素の鋼中含有量（質量％）を意味する。
鋼中の各元素をそれぞれ規定するだけでは、鋼矢板のウェブの圧延を模擬した圧延条件（圧延終了温度が９００℃以上で、かつ、圧延中または圧延後に加速冷却を適用しない条件）で、板厚が２８ｍｍの鋼材を圧延した場合に、降伏強度が４６０Ｎ／ｍｍ２以上で、かつ優れた靱性を有する鋼矢板を得ることができないことがある。
そのため、本発明者らは、種々の化学組成を有する鋼を用いて、上記の圧延条件で圧延する実験を数多く実施した。その結果、上記のＰＴを２０以下にした場合に、図１に示すように、幅１０ｍｍの標準Ｖノッチ試験片を用いた場合の破面遷移温度（ｖＴｓ）が低下して靱性が良好になることが明らかになり、高い０℃でのシャルピー吸収エネルギーと高い降伏強度との両立が可能になることを見出した。ＰＴは、１０以下とすることがより好ましく、０以下とすることがさらに好ましく、−１０以下とすることが一層好ましい。なお、ＰＴの下限は、計算精度を考慮して−１５０とする。
本発明の鋼矢板において、その化学組成の残部は、Ｆｅおよび不純物である。不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石あるいはスクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入するもの、が例示される。
なお、Ｐ、ＳおよびＯは、不純物としての含有量が高いと、鋼の特性を顕著に悪化させる可能性がある。よって、これらの元素については、その含有量を下記の範囲に制限する必要がある。
Ｐ：０．０４％以下
Ｐは、鋼材中に不純物として存在し、靱性を悪化させる元素である。そのため、Ｐ含有量は０．０４％以下とする必要がある。なお、不純物元素としてのＰ含有量はできる限り少なくすることが望ましいが、０．０４％以下であれば大きな問題がないので、その上限を０．０４％とする。好ましい上限は０．０２％である。より好ましい上限は０．０１２％である。
Ｐは、鋼材中に不純物として存在し、靱性を悪化させる元素である。そのため、Ｐ含有量は０．０４％以下とする必要がある。なお、不純物元素としてのＰ含有量はできる限り少なくすることが望ましいが、０．０４％以下であれば大きな問題がないので、その上限を０．０４％とする。好ましい上限は０．０２％である。より好ましい上限は０．０１２％である。
Ｓ：０．０４％以下
Ｓは、鋼材中に不純物として存在し、靱性に有害な元素である。そのため、Ｓ含有量は０．０４％以下とする必要がある。なお、不純物元素としてのＳ含有量はできる限り少なくすることが望ましいが、０．０４％以下であれば大きな問題がないので、その上限を０．０４％とする。好ましい上限は０．０１％であり、より好ましい上限は０．００７％であり、さらに好ましい上限は０．００４％である。
Ｓは、鋼材中に不純物として存在し、靱性に有害な元素である。そのため、Ｓ含有量は０．０４％以下とする必要がある。なお、不純物元素としてのＳ含有量はできる限り少なくすることが望ましいが、０．０４％以下であれば大きな問題がないので、その上限を０．０４％とする。好ましい上限は０．０１％であり、より好ましい上限は０．００７％であり、さらに好ましい上限は０．００４％である。
Ｏ：０．００５％以下
Ｏ（酸素）は、鋼材中に不純物として存在し、母材靱性に悪影響を及ぼす元素である。そのため、Ｏ含有量は０．００５％以下とする必要がある。なお、不純物元素としてのＯ含有量はできる限り少なくすることが望ましいが、０．００５％以下であれば大きな問題がないので、その上限を０．００５％とする。好ましい上限は０．００３％であり、より好ましい上限は０．００２％である。
Ｏ（酸素）は、鋼材中に不純物として存在し、母材靱性に悪影響を及ぼす元素である。そのため、Ｏ含有量は０．００５％以下とする必要がある。なお、不純物元素としてのＯ含有量はできる限り少なくすることが望ましいが、０．００５％以下であれば大きな問題がないので、その上限を０．００５％とする。好ましい上限は０．００３％であり、より好ましい上限は０．００２％である。
［２］鋼矢板のミクロ組織と降伏強度について：
本発明の鋼矢板は、［１］項に記載の化学組成を有し、さらに、
組織が、パーライト分率：１０％以下、残部：フェライト、
であって、
降伏強度が、４６０Ｎ／ｍｍ２以上、
である。
本発明の鋼矢板は、［１］項に記載の化学組成を有し、さらに、
組織が、パーライト分率：１０％以下、残部：フェライト、
であって、
降伏強度が、４６０Ｎ／ｍｍ２以上、
である。
前述した鋼矢板のウェブの圧延を模擬した圧延条件で、板厚が２８ｍｍの鋼材を圧延した場合、そのミクロ組織はフェライトとパーライトを含む組織となる。なお、本明細書でいう残部の「フェライト」には、分類法によって「（グラニュラー）ベイニティックフェライト」や「ベイナイト」などと称されるものを含む。
パーライトは、引張強度（ＴＳ）を高める効果があるが、その分率（面積率）が大きくなると０℃でのシャルピー吸収エネルギーで３００Ｊ以上という優れた靱性の確保が困難になる。このため、パーライト分率は１０％以下とする。パーライト分率は、５％以下とすることが好ましい。なお、パーライト分率は低い方がよく、０％が最適である。
また、降伏強度が４６０Ｎ／ｍｍ２以上であれば、例えばタイロッド式工法の場合にも安定して適用することができる。このため、降伏強度は４６０Ｎ／ｍｍ２以上とする。降伏強度の上限は、６６０Ｎ／ｍｍ２である。
［３］鋼矢板の製造条件について
組織が、パーライト分率が１０％以下、残部がフェライトであって、降伏強度が、４６０Ｎ／ｍｍ２以上である本発明の鋼矢板は、例えば、次のようにして得ることができる。
組織が、パーライト分率が１０％以下、残部がフェライトであって、降伏強度が、４６０Ｎ／ｍｍ２以上である本発明の鋼矢板は、例えば、次のようにして得ることができる。
まず、転炉、電気炉などを用いて溶製し、化学組成を［１］項に記載したものに調整する。
化学組成を調整した溶鋼は、次に、インゴットに鋳造して鋼塊にし、その後の熱間加工によって、スラブ、ブルーム、ビレットなどいわゆる「鋼片」に加工してもよい。また、溶鋼を連続鋳造して、直接にスラブ、ブルーム、ビレットなどいわゆる「鋼片」にしてもよい。
次いで、上記のようにして得た鋼片を用いて、加熱、圧延を行うことで鋼矢板を製造することができる。加熱、圧延における各工程の好ましい条件を以下に示す。
圧延前の加熱温度と加熱時間は、鋼材の熱間圧延を容易に行うため、それぞれ１０００℃以上、１時間以上とすることが好ましい。この温度、時間で圧延前の加熱を行えば、炭窒化物の固溶が促進するなどの効果が得られ、強度および靱性が向上する。加熱温度は、１２００℃以上とするのがより好ましい。ただし、加熱温度が高すぎる場合や加熱時間が長すぎる場合には、オーステナイト結晶粒が粗大化して靱性が劣化することがある。したがって、加熱温度は１３５０℃以下とするのが好ましく、また加熱時間は１０時間以下とするのが好ましい。
圧延は、全ての温度域における合計圧下率が５０％以上となる条件で行うことが好ましく、７５％以上となる条件で行うことがより好ましく、８５％以上となる条件で行うことがさらに好ましい。これにより、オーステナイト結晶粒が小さくなり、靱性が改善する。
ここで、「全ての温度域における合計圧下率」とは、｛（圧延前の鋼片の厚さ）−（圧延仕上厚さ）｝／（圧延前の鋼片の厚さ）×１００（％）を意味する。
また圧延は、９００℃以下の温度域における合計圧下率が２０％以下となる条件で行うことが好ましい。これにより、圧延荷重を小さくすることができ、良好な形状を確保することが容易になる。９００℃以下の温度域における合計圧下率は１０％以下とするのがより好ましい。
ここで、「９００℃以下の温度域における合計圧下率」とは、｛（９００℃に達した時点の厚さ）−（圧延仕上厚さ）｝／（９００℃に達した時点の厚さ）×１００（％）を意味する。
さらに、圧延仕上温度は、７００℃以上とすることが好ましい。これにより、良好な形状がより確実に得られる。好ましい下限は７５０℃であり、より好ましい下限は８００℃である。
上記各温度は、被圧延材の代表位置（例えば中央部）における表面温度を意味する。
圧延中、圧延後の加速冷却を適用することにより、強度および靱性を改善できる場合があるが、変形が懸念されるため加速冷却は特に必要とされない。ただし、本発明の実施において、圧延中の圧延設備の冷却水が鋼材にかかる場合もある。また、圧延後は放冷することが好ましいが、本発明の実施において、冷却床においてスプレー水が鋼材にかかる場合もある。しかし、上述した程度の水がかかることによる鋼矢板の特性への影響はほとんどない。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表１に示す化学組成を有する厚さ２５０ｍｍの鋼片を、１２５０℃に加熱し、加熱後にその温度で４時間保持し、熱間圧延して、鋼矢板を作製した。表２に、熱間圧延の条件を示す。なお、仕上板厚は２８ｍｍとし、圧延後は放冷した。
得られた各鋼板について、常温での引張試験および０℃でのシャルピー衝撃試験を行った。また、合わせて組織観察も行った。それぞれの試験は、下記のとおりに行った。各試験結果を表２に併記した。
＜引張試験＞
板厚中央部から、試験片の軸が圧延方向に対して平行になるように採取したＪＩＳ Ｚ ２２４１−２０１１に規定された１Ａ号板状引張試験片を用いて、室温で引張試験を実施し、降伏強度（ＹＳ。０．２％耐力とした）、および引張強度（ＴＳ）を求めた。ＹＳは４６０Ｎ／ｍｍ２以上であることを、ＴＳは５５０Ｎ／ｍｍ２以上であることを目標とした。
板厚中央部から、試験片の軸が圧延方向に対して平行になるように採取したＪＩＳ Ｚ ２２４１−２０１１に規定された１Ａ号板状引張試験片を用いて、室温で引張試験を実施し、降伏強度（ＹＳ。０．２％耐力とした）、および引張強度（ＴＳ）を求めた。ＹＳは４６０Ｎ／ｍｍ２以上であることを、ＴＳは５５０Ｎ／ｍｍ２以上であることを目標とした。
＜シャルピー衝撃試験＞
板厚中央部から、試験片の長辺が圧延方向に対して平行になるように採取したＪＩＳ Ｚ ２２４２−２００５に規定された幅１０ｍｍの標準Ｖノッチ試験片を用いてシャルピー衝撃試験を実施し、０℃でのシャルピー吸収エネルギー（ｖＥ０。試験片３本の平均値）を求めた。ｖＥ０は３００Ｊ以上であることを目標とした。
板厚中央部から、試験片の長辺が圧延方向に対して平行になるように採取したＪＩＳ Ｚ ２２４２−２００５に規定された幅１０ｍｍの標準Ｖノッチ試験片を用いてシャルピー衝撃試験を実施し、０℃でのシャルピー吸収エネルギー（ｖＥ０。試験片３本の平均値）を求めた。ｖＥ０は３００Ｊ以上であることを目標とした。
＜組織観察＞
ミクロ組織観察は、圧延方向と板厚方向を含む面を鏡面研磨し、ナイタールで腐食して試料を作製し、光学顕微鏡を用いて、板厚方向中央部を倍率５００倍で５視野観察した。得られた組織については、画像処理により組織を解析した。なお、主たる組織はフェライトであって、組織が硬軟複合組織と明確に分離できる場合に硬質組織はパーライトであったので、表２にはパーライト面積率（分率）のみを記載した。
ミクロ組織観察は、圧延方向と板厚方向を含む面を鏡面研磨し、ナイタールで腐食して試料を作製し、光学顕微鏡を用いて、板厚方向中央部を倍率５００倍で５視野観察した。得られた組織については、画像処理により組織を解析した。なお、主たる組織はフェライトであって、組織が硬軟複合組織と明確に分離できる場合に硬質組織はパーライトであったので、表２にはパーライト面積率（分率）のみを記載した。
表２に示すように、本発明例の試験番号１〜８はいずれも、ＹＳが４６０Ｎ／ｍｍ２以上、ＴＳは５５０Ｎ／ｍｍ２以上、ｖＥ０が３００Ｊ以上であり、パーライト分率が１０％以下であった。本発明例のうち、試験番号８は、全ての温度域における合計圧下率が４１％とやや低いため、ｖＥ０が３００Ｊと、他の本発明例よりも低い水準にとどまった。
個々の元素の含有量は本発明で規定する範囲内であるものの、(1)式で表されるＰＴが本発明で規定する条件を満足しない鋼９を用いた比較例の試験番号９は、ｖＥ０が目標値に達しない９８Ｊであった。
さらに、ＣとＮｂの含有量と(1)式で表されるＰＴが本発明で規定する条件から外れる鋼１０を用い、しかもパーライト分率も本発明で規定する条件を満足しない比較例の試験番号１０は、ＹＳが４６０Ｎ／ｍｍ２を下回って、本発明の規定から外れ、さらにｖＥ０が目標値に達しない３９Ｊであった。
本発明の鋼矢板は、４６０Ｎ／ｍｍ２以上という高い降伏強度と０℃でのシャルピー吸収エネルギーで３００Ｊ以上という優れた靱性を有するので、自立式またはタイロッド式の工法に用いる鋼矢板として好適である。本発明の鋼矢板は、特にタイロッド式に用いる鋼矢板として好適である。本発明の鋼矢板は溶接性にも優れているため、溶接作業も容易に実施することができる。
Claims (4)
- 化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１％以上０．０４％未満、
Ｓｉ：０．０１〜０．６０％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｎｂ：０．０５％を超えて０．２０％以下、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．１０％および
Ｎ：０．０００５〜０．００９０％と、
Ｃｕ：０．０１〜２．０％、
Ｎｉ：０．０１〜３．０％、
Ｃｒ：０．０１〜１．０％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
Ｖ：０．００１〜０．３０％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１０％および
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％から選択される１種以上と、
Ｃａ：０〜０．０１％、
ＲＥＭ：０〜０．０２％、
Ｍｇ：０〜０．０１％、
Ｓｎ：０〜０．５０％と、
残部：Ｆｅおよび不純物とであり、
下記の(1)式で表されるＰＴが２０以下であり、
不純物としてのＰ、ＳおよびＯがそれぞれ、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．０４％以下および
Ｏ：０．００５％以下
であり、
組織が、パーライト分率：１０％以下、残部：フェライトであり、
降伏強度が、４６０Ｎ／ｍｍ２以上であり、０℃でのシャルピー吸収エネルギーが３００J以上である、鋼矢板。
ＰＴ＝−１２４＋６４６Ｃ−１２Ｃｕ−６０Ｎｉ＋２６５Ｖ＋３６１Ｎｂ＋３３１６Ｔｉ＋１４６９７Ｂ・・・(1)
ただし、(1)式中の元素記号は、その元素の鋼中含有量（質量％）を表す。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％および
ＲＥＭ：０．００１〜０．０２％、
から選択される1種以上を含有する、請求項１に記載の鋼矢板。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
を含有する、請求項１または２に記載の鋼矢板。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｓｎ：０．０３〜０．５０％、
を含有する、請求項１から３までのいずれかに記載の鋼矢板。
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