JP7238282B2 - Ｐｃ鋼棒 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＣ鋼棒に関し、さらに詳しくは、コンクリート構造体用の高強度ＰＣ鋼棒に関する。

鉄筋コンクリートは各種の構造物に使用されるコンクリート構造体である。コンクリート単体は圧縮荷重には強いものの、引張荷重や曲げ荷重に対してはあまり強くない。そこで、引張荷重や曲げ荷重に強い鋼材をコンクリート内に打設したものが鉄筋コンクリートである。このため、コンクリート内に打設する鋼材には、優れた強度（引張強度ＴＳ及び耐力ＹＰ）が求められる。

構造体の強度をさらに高めるために、プレストレストコンクリート（ＰＣ）が採用される。プレストレストコンクリートとは、長手方向にあらかじめ圧縮応力が付与されたコンクリートである。プレストレストコンクリートは次の方法で製造される。鋼材を長手方向に引張り、緊張したままコンクリートを打設する。打設後、コンクリートを固化する。コンクリートの固化後、鋼材の緊張を解放する。緊張が解放されることにより、鋼材が弾性収縮する。これにより、コンクリートの長手方向に圧縮応力が付与され、プレストレストコンクリートが形成される。この圧縮応力が、プレストレストコンクリートにかかる引張荷重や曲げ荷重を相殺するため、プレストレストコンクリートは鉄筋コンクリートよりも高強度のコンクリート構造体となる。

このようなプレストレストコンクリートに利用される鋼材を、ＰＣ鋼棒と称する。ＰＣ鋼棒の機械特性は、ＪＩＳ Ｇ ３１３７（２００８）に規格化されている。規格化されたＰＣ鋼棒のうち、最も高強度のＤ種では、引張強度ＴＳが１４２０ＭＰａ以上、耐力ＹＰが１２７５ＭＰａ以上、全伸びが５．０％以上と規定されている。またＰＣ鋼棒は、コンクリートに圧縮荷重を付与するために緊張して打設される緊張筋と、緊張せずに打設する非緊張筋とがある。これらを互いに固定するために、ＰＣ鋼棒には溶接性が求められる。

ところで、プレストレストコンクリートは、運搬時や設置工事時、使用時において、曲げ荷重を受けることがある。曲げ荷重によりコンクリート中に打設されたＰＣ鋼棒も変形するが、荷重と変形とが過大な場合はＰＣ鋼棒が折損して圧縮の残留応力が消失し、プレストレストコンクリートが変形したり折損したりするリスクが生じる。ここで、プレストレストコンクリート内のＰＣ鋼棒の一様伸びが高ければ、曲げ変形に折損しにくく、プレストレストコンクリートの折損等を抑制できる。したがって、ＰＣ鋼棒には強度（引張強度ＴＳ、耐力ＹＰ）、全伸びとともに、十分な一様伸びも求められる。

これらの要求に対応するためのＰＣ鋼棒が特開平１１－１５８５８２号公報（特許文献１）、特開２００３－２６８４９３号公報（特許文献２）及び特開２００１－２９４９８０号公報（特許文献３）に提案されている。

特許文献１に記載のＰＣ鋼棒は、化学組成としてＣを０．２～１％含有し、さらにマルテンサイト組織で炭化物の平均直径が０．１μｍ以下である。特許文献１のＰＣ鋼棒は次の方法で製造される。圧延線材を異形丸棒に引き抜き後、焼入れ焼戻し処理を行う。焼入れ処理の加熱方式は例えば高周波誘導加熱であり、焼戻し処理は例えば６００℃以上で実施する。

特許文献２に記載のＰＣ鋼棒は、Ｃ：０．１５～０．２９質量％、Ｓｉ：０．８～２．０質量％、Ｍｎ：０．８～２．０質量％、Ａｌ：０．００５～０．０５０質量％、Ｎｂ：０．００５～０．１５０質量％、Ｎ：０．００３０～０．０１５０質量％を含み、さらに、Ｃｒ：０．０５～２．００質量％、Ｍｏ：０．０５～１．００質量％、Ｖ：０．０５～１．００質量％、の１種又は２種以上を（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）≧０．５質量％含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるＰＣ鋼材を熱間圧延し、冷却速度０．２℃／ｓｅｃ以上で冷却してマルテンサイト組織とし、３５０～６５０℃の範囲で焼戻しを行って得られた鋼材である。上記ＰＣ鋼棒では、引張強さが１４２０Ｎ／ｍｍ^２以上、０．２％耐力が１２７５Ｎ／ｍｍ^２以上、一様伸びが５％以上である、と特許文献２には記載されている。

特許文献３に記載のＰＣ鋼棒の化学組成は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌを含有し、任意元素として、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｂを含有してもよく、残部はＦｅ及び不純物からなる。特許文献３のＰＣ鋼棒は次の方法で製造される。上記化学組成の鋼材をオーステナイト単相域又はオーステナイトとフェライトとの二相域で熱間圧延する。熱間圧延後の鋼材に対して、高周波誘導加熱による焼入れ（高周波焼入れ）を実施する。その後、高周波誘導加熱又は直接通電加熱により鋼材を再加熱して、焼戻しを実施する。

特開平１１－１５８５８２号公報 特開２００３－２６８４９３号公報 特開２００１－２９４９８０号公報

特許文献１～特許文献３に記載のＰＣ鋼棒はいずれも、上記ＪＩＳ規格のＤ種に準じた引張強度ＴＳ、耐力ＹＰ及び全伸びを有し、かつ、一様伸びにも優れると記載されている。

しかしながら、特許文献１に開示されたＰＣ鋼棒では、圧延線材を高周波加熱その他の方法で再加熱して焼入れ処理（以下、オフライン焼入れと定義する）を実施するため、工程増加の分、製造コストが高くなる。

特許文献２では、熱間圧延からの冷却工程で焼入れを実施する（以下、直接焼入れと定義する）ため、工程コストは抑制できる。しかしながら、合金元素としてＮｂを含有し、かつ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖを総量で０．５％以上含有する。これらの合金元素により、上記の機械特性が得られやすくなるものの、これらの合金元素は高価である。そのため、素材のコストが高くなる。特にＣｒはＭｏ、Ｖと比較して焼戻し後の強度維持効果が小さい。そのため、Ｍｏ、Ｖを含有せずにＣｒのみを含有する場合、Ｃｒ含有量が０．９％以上となる。この場合、原料コストが増大する。

特許文献３に開示されたＰＣ鋼棒では、フェライトとマルテンサイトとからなり、一様伸びを得るためにフェライトの平均面積率が２０～４０％と高い。しかしながら、特許文献３では、フェライト及びマルテンサイトの粒径を５μｍ以下と規定しており、このような組織を得るためには、直接焼入れにおいて高速な冷却を行うための特殊な圧延及び冷却プロセスを必要とする。このため、直接焼入れであるにもかかわらず、工程コストが増大する。

また、プレストレストコンクリートを製造するとき、コンクリートの固化を促進するために、ＰＣ鋼棒をコンクリート打設する時に熱処理が実施される。しかしながら、特許文献１～特許文献３では、コンクリート打設時の熱処理後の機械特性について着目した記載がない。

本発明の目的は、製造コストを抑え、高い引張強度、耐力及び全伸びを有し、かつ、コンクリート打設時の熱処理後において、高い一様伸びを有する、ＰＣ鋼棒を提供することである。

本発明によるＰＣ鋼棒は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．２１～０．２９％、Ｓｉ：０．８０～１．４０％、Ｍｎ：１．００～２．００％、Ｃｒ：０．１０～０．８０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｍｏ及びＶのいずれか１種以上：合計で０．０５～０．５０％、Ｎｉ：０～０．５０％、Ｃｕ：０～０．５０％、Ｔｉ：０～０．１００％、Ａｌ：０～０．１００％、及び、Ｂ：０～０．００６０％、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、ミクロ組織において、マルテンサイトの面積率が７０．０％以上であり、ベイナイトの面積率が５．０％以上であり、初析フェライト及びパーライトの総面積率が０％であり、引張強度ＴＳが１４２０ＭＰａ以上であり、耐力ＹＰが１２７５ＭＰａ以上であり、全伸びが５．０％以上であり、１８０℃で３時間保持した後の一様伸び、又は、８０℃で３時間保持した後の一様伸びが４．０％以上である。

本発明によるＰＣ鋼棒は、製造コストを抑え、高い引張強度、耐力及び全伸びを有し、かつ、コンクリート打設時の熱処理後において、高い一様伸びを有する。

本発明者らは、製造コストを抑えつつ、ＪＩＳ Ｇ ３１３７（２００８）中のＤ種の機械特性（引張強度ＴＳが１４２０ＭＰａ以上、耐力ＹＰが１２７５ＭＰａ以上、全伸びが５．０％以上）を満たし、かつ、コンクリート打設時の熱処理後においても高い一様伸びを有するＰＣ鋼棒について調査、検討を行った。ここで、耐力ＹＰとは、０．２％塑性伸びを生じるときの公称応力を意味する。

ＰＣ鋼棒が利用されるプレストレストコンクリートでは、運搬時や設置工事時、使用時等にプレストレストコンクリートに負荷される曲げ荷重に起因した、曲がりや折損を抑制する必要がある。したがって、ＰＣ鋼棒には、プレストレストコンクリートが運搬時や設置工事時、使用時等に負荷される曲げ変形での折損を抑制できるように、プレストレストコンクリートに打設された状態での十分な一様伸びが求められる。

ＰＣ鋼棒を用いてプレストレストコンクリートを製造する場合、コンクリートの固化を促進するために、コンクリート打設時に熱処理が実施される。コンクリート打設時の熱処理には、蒸気養生と、オートクレーブ養生との２種類が存在する。

蒸気養生は、次の方法で実施する。６５～８０℃の温度で蒸気圧が１気圧の（０．１ＭＰａ）の環境下に、ＰＣ鋼棒を含むコンクリートを３～５時間保持する。また、オートクレーブ養生は次の方法で実施する。１８０～１９０℃の温度で蒸気圧が１０～１１気圧（１．０～１．１ＭＰａ）の環境下に、ＰＣ鋼棒を含むコンクリートを３～５時間保持する。以上の養生により、コンクリートの固化を促進する。

本発明者らは、ＰＣ鋼棒がコンクリートに打設された状態での一様伸びは、コンクリート打設に相当する模擬熱処理後の一様伸びによって評価できると考えた。

そこで、コンクリート打設熱処理（蒸気養生及びオートクレーブ養生）を模擬した次の２つのコンクリート打設模擬熱処理のいずれかを実施した後のＰＣ鋼棒の一様伸びを、コンクリート打設熱処理後の一様伸びに相当するとして、評価に用いた。
蒸気養生模擬熱処理：大気下において８０℃で３時間保持
オートクレーブ養生模擬熱処理：大気下において１８０℃で３時間保持
具体的には、ＰＣ鋼棒に対して、上記コンクリート打設模擬熱処理（蒸気養生模擬熱処理、オートクレーブ養生模擬熱処理）のいずれかを実施した後、常温（２５℃）において、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１）に準拠した引張試験を実施して、応力－歪み曲線を作成する。作成された応力－歪み曲線から求めた一様伸びを、「コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸び」と定義する。

本発明者らは、ＪＩＳ Ｇ ３１３７（２００８）のＤ種相当の全伸びが５．０％以上であること、プレストレストコンクリートの健全性確保には一様伸びが重要であること、局部伸びも１％以上は見込めることから、「コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸び」が４．０％以上であれば、プレストレストコンクリートの曲がりや折損を十分に抑制できると考えた。そして、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％以上となるＰＣ鋼棒を低コストに製造するための条件を検討した。

まず、製造コストの低減対策として、本発明者らは次の事項を検討した。熱間圧延後の鋼材を冷却後、再加熱して焼入れを実施するオフライン焼入れでは、焼入れ前に鋼材を再加熱する必要がある。一方、熱間圧延後の高温状態の鋼材に対して焼入れを実施する焼入れ方法を、直接焼入れと定義する。直接焼入れの場合、オフライン焼入れと異なり、常温の鋼材を再加熱する工程を省略できる。そのため、直接焼入れを採用した場合、オフライン焼入れと比較して、製造コストを低減できる。

次に、本発明者らは、直接焼入れを実施して製造されたＰＣ鋼棒が、上記ＪＩＳ規格のＤ種の機械特性、及び「コンクリート打設後の一様伸び」が４．０％以上を満たすための化学組成を検討した。その結果、ＰＣ鋼棒が、質量％で、Ｃ：０．２１～０．２９％、Ｓｉ：０．８０～１．４０％、Ｍｎ：１．００～２．００％、Ｃｒ：０．１０～０．８０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｍｏ及びＶのいずれか１種以上：合計で０．０５～０．５０％、Ｎｉ：０～０．５０％、Ｃｕ：０～０．５０％、Ｔｉ：０～０．１００％、Ａｌ：０～０．１００％、及び、Ｂ：０～０．００６０％を含有する化学組成を有し、かつ、直接焼入れを含む製造工程の製造条件を適切に制御すれば、上記Ｄ種の機械特性を満たすことを見出した。

しかしながらこの場合、ＰＣ鋼棒のミクロ組織が実質的にマルテンサイト単相となれば、延性が低下する。そのため、全伸び及びコンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが低下し、さらには、直接焼入れ後の矯直時に割れが発生する場合がある。一方、ＰＣ鋼棒のミクロ組織中で初析フェライト及びパーライトが出現すると、上記Ｄ種の強度（引張強度ＴＳ及び耐力ＹＰ）及びコンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％以上を満たすことが困難な場合が生じる。

そこで、本発明者らは、ＰＣ鋼棒のミクロ組織にベイナイトを含めることを考えた。ベイナイトの靱性はマルテンサイトよりも高いため、一様伸びを高めることができる。さらに、ベイナイトの強度は初析フェライト及びパーライトよりも高い。したがって、ＰＣ鋼棒のミクロ組織にベイナイトを適量含めれば、上記Ｄ種の強度を満たし、かつ、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びも高めることができる。本発明者らがさらなる検討を行った結果、上記化学組成のＰＣ鋼棒のミクロ組織が、面積率で７０．０％以上のマルテンサイトと、５．０％以上のベイナイトとを含有し、初析フェライト及びパーライトの総面積率が０％であれば、上記Ｄ種の強度を満たし、かつ、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％以上となることを見出した。

以上の知見に基づいて完成した本発明によるＰＣ鋼棒は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．２１～０．２９％、Ｓｉ：０．８０～１．４０％、Ｍｎ：１．００～２．００％、Ｃｒ：０．１０～０．８０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｍｏ及びＶのいずれか１種以上：合計で０．０５～０．５０％、Ｎｉ：０～０．５０％、Ｃｕ：０～０．５０％、Ｔｉ：０～０．１００％、Ａｌ：０～０．１００％、及び、Ｂ：０～０．００６０％、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、ミクロ組織において、マルテンサイトの面積率が７０．０％以上であり、ベイナイトの面積率が５．０％以上であり、初析フェライト及びパーライトの総面積率が０％であり、引張強度ＴＳが１４２０ＭＰａ以上であり、耐力ＹＰが１２７５ＭＰａ以上であり、全伸びが５．０％以上であり、１８０℃で３時間保持した後の一様伸び、又は、８０℃で３時間保持した後の一様伸びが４．０％以上である。

上記化学組成は、Ｎｉ：０．１０～０．５０％、Ｃｕ：０．０５～０．５０％、Ｔｉ：０．００５～０．１００％、Ａｌ：０．００５～０．１００％、及び、Ｂ：０．００１０～０．００６０％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。

以下、本発明によるＰＣ鋼棒について詳述する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。

［化学組成］
本発明によるＰＣ鋼棒の化学組成は、次の元素を含有する。

Ｃ：０．２１～０．２９％
炭素（Ｃ）は、鋼の強度を高める。Ｃ含有量が０．２１％未満であれば、ＪＩＳ Ｇ ３１３７（２００８）中のＤ種に準拠した引張強度ＴＳ及び耐力ＹＰが得られない。一方、Ｃ含有量が０．２９％を超えれば、焼入れ後の強度が高くなりすぎる。この場合、上記ＪＩＳ規格中のＤ種に準じた全伸びを満たすことができない。したがって、Ｃ含有量は０．２１～０．２９％である。Ｃ含有量の好ましい下限は、０．２２％であり、さらに好ましくは０．２３％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．２８％であり、さらに好ましくは０．２７％である。

Ｓｉ：０．８０～１．４０％
シリコン（Ｓｉ）は、鋼の焼戻し軟化を抑制する。Ｓｉの含有により、高温での焼戻しを実施しても高い耐力ＹＰを維持しつつ、全伸びを高めることができる。Ｓｉ含有量が０．８０％未満であれば、上記効果が得られない。一方、Ｓｉ含有量が１．４０％を越えれば、鋼の延性が低下して、上記ＪＩＳ規格のＤ種に準拠した全伸び及び／又はコンクリート打設模擬熱処理後の十分な一様伸びが得られない。したがって、Ｓｉ含有量は０．８０～１．４０％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．９０％であり、さらに好ましくは１．００％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は１．２０％である。

Ｍｎ：１．００～２．００％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Ｍｎ含有量が１．００％未満であれば、上記効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が２．００％を超えれば、偏析が生じやすく、また、粗大なＭｎＳが生成する。粗大なＭｎＳは、ＰＣ鋼棒の靱性及び疲労強度を低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．００～２．００％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は１．２０％であり、さらに好ましくは１．４０％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．８０％である。

Ｃｒ：０．１０～０．８０％
クロム（Ｃｒ）は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Ｃｒはさらに、焼戻し時の硬さを高める。Ｃｒはさらに、全伸び及びコンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びを高める。Ｍｏ及びＶの含有と重畳しても、Ｃｒ含有量が０．１０％未満であれば、上記効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が０．８０％を超えれば、焼入れ性が高くなりすぎ、焼入れ後のベイナイト分率が十分に得られないため、ＰＣ鋼棒の全伸び及び／又はコンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．１０～０．８０％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．３０％であり、さらに好ましくは０．４０％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は０．６０％であり、さらに好ましくは０．５５％である。

Ｐ：０．０３０％以下
リン（Ｐ）は不純物である。Ｐは鋼を脆化する。特に、旧オーステナイト粒界に偏析したＰは、鋼の衝撃値を低下し、さらに、水素の侵入による遅れ破壊を引き起こす。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０３０％未満であり、さらに好ましくは０．０１５％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。

Ｓ：０．０３０％以下
硫黄（Ｓ）は不純物である。Ｓは鋼を脆化する。Ｓはさらに、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成する。粗大なＭｎＳは破壊起点となるため、鋼の破壊特性が低下する。ＭｎＳはさらに、腐食の起点となり得る。そのため、鋼の耐食性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０３０％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０３０％未満であり、さらに好ましくは０．０１５％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。

Ｍｏ及びＶのいずれか１種以上：合計で０．０５～０．５０％
モリブデン（Ｍｏ）及びバナジウム（Ｖ）は、Ｃｒと重畳して鋼の焼入れ性を高め、かつ、焼戻し硬さを高める。焼戻し硬さを高めることにより、高温での焼戻しが可能となる。その結果、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％以上になる。Ｍｏ及びＶのいずれか１種以上が合計で０．０５％未満であれば、上記効果が得られない。一方、Ｍｏ及びＶのいずれか１種以上が合計で０．５０％を超えれば、鋼の延性及び靱性が低下する。したがって、Ｍｏ及びＶのいずれか１種以上の合計含有量は０．０５～０．５０％である。Ｍｏ及びＶのいずれか１種以上の合計含有量の好ましい下限は０．１０％である。Ｍｏ及びＶのいずれか１種以上の合計含有量の好ましい上限は０．４０％であり、さらに好ましくは０．３０％である。

本発明によるＰＣ鋼棒の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、本発明のＰＣ鋼棒を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、本発明のＰＣ鋼棒に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

［任意元素について］
上述のＰＣ鋼棒の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｉ及びＣｕからなる群から選択される１種以上を含有してもよい。Ｎｉ及びＣｕはいずれも任意元素であり、鋼の耐食性及び靱性を高める。

Ｎｉ：０～０．５０％
ニッケル（Ｎｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｎｉは鋼の耐食性と靭性とを高める。Ｎｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｉ含有量が０．５０％を超えれば、上記効果が飽和する。Ｎｉ含有量が０．５０％を超えればさらに、原料コストが高くなり、かつ、製造性も低下する。したがって、Ｎｉ含有量は０～０．５０％である。上記効果をより有効に得るためのＮｉ含有量の好ましい下限は０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．４０％であり、さらに好ましくは０．２５％である。

Ｃｕ：０～０．５０％
銅（Ｃｕ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、ＣｕはＮｉと同様に鋼の耐食性と靭性とを高める。Ｃｕが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ含有量が０．５０％を超えれば、上記効果が飽和する。Ｃｕ含有量が０．５０％を超えればさらに、原料コストが高くなり、かつ、製造性も低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０～０．５０％である。上記効果をより有効に得るためのＣｕ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．３０％であり、さらに好ましくは０．２０％である。

上述のＰＣ鋼棒の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｔｉを含有してもよい。

Ｔｉ：０～０．１００％
チタン（Ｔｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、ＴｉはＣ又はＮと結合してＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物等の析出粒子を形成する。これらの析出粒子は、オーステナイト中においてピン止め粒子として機能し、オーステナイト粒を微細化する。Ｔｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．１００％を超えれば、上記析出粒子が粗大化して、破壊起点となる。この場合、ＰＣ鋼棒の延性及び靱性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０～０．１００％である。上記効果をより有効に得るためのＴｉ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０４０％である。

上述のＰＣ鋼棒の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ａｌを含有してもよい。

Ａｌ：０～０．１００％
アルミニウム（Ａｌ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ａｌは鋼を脱酸する。Ａｌが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ａｌ含有量が０．１００％を超えれば、酸化物系介在物が粗大化して破壊起点となる。この場合、ＰＣ鋼棒の延性及び靱性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０～０．１００％である。上記効果をより有効に得るためのＡｌ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０４０％である。

上述のＰＣ鋼棒の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｂを含有してもよい。

Ｂ：０～０．００６０％
ボロン（Ｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｂは鋼の焼入れ性を高め、ＰＣ鋼棒の引張強度ＴＳ及び耐力ＹＰを高める。Ｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｂ含有量が０．００６０％を超えれば、粗大な析出物（Ｆｅ_２３（ＣＢ）やＢＮ等）を形成して、ＰＣ鋼棒の延性及び靱性を低下する。したがって、Ｂ含有量は０～０．００６０％である。上記効果をより有効に得るためのＢ含有量の好ましい下限は０．００１０％であり、さらに好ましくは０．００１５％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００５０％であり、さらに好ましくは０．００４０％である。

［ミクロ組織］
本発明のＰＣ鋼棒のミクロ組織において、マルテンサイトの面積率は７０．０％以上であり、ベイナイトの面積率は５．０％以上である。初析フェライト及びパーライトの総面積率は０％である。つまり、本発明のＰＣ鋼棒のミクロ組織（マトリクス）は、マルテンサイトとベイナイトとからなる。

マルテンサイトの面積率が７０．０％未満であれば、上記ＪＩＳ規格のＤ種に準拠した引張強度ＴＳ及び耐力ＹＰが得られない。また、初析フェライト及びパーライトが存在すれば、上記ＪＩＳ規格のＤ種に準拠した引張強度ＴＳ及び耐力ＹＰが得られず、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが十分に得られない。

ベイナイトの面積率が５．０％未満であれば、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％未満となり、十分な一様伸びが得られない。さらに、後述の製造工程において直接焼入れを実施したとき、ミクロ組織中のマルテンサイトの面積率が過剰に高くなりすぎ、矯直工程において、鋼材に割れが発生したり、鋼材が破断したりする場合がある。

ＰＣ鋼棒のミクロ組織において、マルテンサイト面積率が７０．０％以上、ベイナイト面積率が５．０％以上であり、初析フェライト及びパーライトの総面積率が０％であれば、上記ＪＩＳ規格のＤ種の機械特性を満たし、かつ、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％以上となる。

上記ミクロ組織において、ベイナイトの面積率の好ましい下限は１０．０％である。ベイナイトの面積率の好ましい上限は２０．０％である。

［ミクロ組織中の各相の面積率の測定方法］
ミクロ組織中の各相（マルテンサイト、ベイナイト、初析フェライト、パーライト）の面積率は次の方法で測定できる。

ＰＣ鋼棒の長手方向に垂直な断面において、Ｒ／２位置（ＰＣ鋼棒の中心と表面とを結ぶ線分（半径）を二等分する位置）を含むサンプルを採取する。サンプルのうち、Ｒ／２を含む表面（観察面という）を機械研磨する。機械研磨された観察面を３％ナイタル（質量％で３％硝酸を含有するエタノール溶液）でエッチングする。エッチングされた観察面のうち、任意の５視野（各視野の面積は１００μｍ×８０μｍ）に対して、１０００倍の光学顕微鏡で観察する。

光学顕微鏡の観察視野に対し、各相（マルテンサイト、ベイナイト、初析フェライト、パーライト）を同定し、各視野における各相の総面積（μｍ^２）を求める。各相の同定は炭化物の有無や炭化物形態、組織形態を基に判定する。５視野全てにおけるマルテンサイトの総面積（μｍ^２）、ベイナイトの総面積（μｍ^２）、初析フェライトの総面積（μｍ^２）、及び、パーライトの総面積（μｍ^２）を求める。得られた各相の総面積の、５視野の総面積に対する比を各相の面積率（％）と定義する。

［機械特性］
［引張強度ＴＳ、耐力ＹＰ及び全伸び］
本発明によるＰＣ鋼棒は、上記化学組成及びミクロ組織を有し、さらに、次の機械特性を有する。
引張強度ＴＳ：１４２０ＭＰａ以上
耐力ＹＰ：１２７５ＭＰａ以上
全伸び：５．０％以上

これらの機械特性はいずれも、ＪＩＳ Ｇ ３１３７（２００８）に規定された、Ｄ種の機械特性を満たす。

［コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸び］
本発明によるＰＣ鋼棒はさらに、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％以上である。コンクリート打設模擬熱処理は、下記に定義されたオートクレーブ養生模擬熱処理、及び蒸気養生模擬熱処理のうちのいずれかである。

オートクレーブ養生模擬熱処理は次の方法で実施する。大気下で温度１８０℃の環境下にＰＣ鋼棒を３時間配置する。

蒸気養生模擬熱処理は、次の方法で実施する。大気下で温度８０℃の環境下にＰＣ鋼棒を３時間配置する。

コンクリート打設模擬熱処理は、上記オートクレーブ養生模擬熱処理又は蒸気養生模擬熱処理のいずれでもよい。コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びは次の方法により求める。コンクリート打設模擬熱処理後のＰＣ鋼棒の横断面（ＰＣ鋼棒の長手方向に垂直な断面）のＲ／２位置を中心軸に持ち、ＰＣ鋼棒の長手方向と平行な引張試験片を作製する。作製された引張試験片に対して、常温（２５℃）、大気中にて、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１） 付属書Ｄに規定の２号試験片に準拠した引張試験を実施して、応力－歪み曲線を得る。なお、ＰＣ鋼棒にインデント等が付与されており横断面が丸形状でない場合は、ＰＣ鋼棒の規格としての公称径を用いて応力を計算する。得られた応力－歪み曲線から、一様伸び（％）を求める。

［製造方法］
本発明によるＰＣ鋼棒の製造方法の一例を説明する。なお、以降で説明する製造方法は、本発明のＰＣ鋼棒の製造方法の一例である。そのため、他の製造方法によっても、上記化学組成、ミクロ組織、及び、機械特性を有するＰＣ鋼棒が製造される場合がある。

本発明のＰＣ鋼棒の製造方法の一例は、熱間圧延工程と、矯直工程と、焼戻し工程とを含む。以下、各工程について説明する。

［熱間圧延工程］
上述の化学組成を有する素材を準備する。素材はたとえば、鋳片（ブルーム、スラブ又はビレット）、又は、鋼塊である。素材は次の方法により製造される。上記化学組成の溶鋼を製造する。溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片を製造する。又は、溶鋼を用いて造塊法により鋼塊（インゴット）を製造する。以上の工程により、素材を準備する。

準備された素材に対して熱間加工工程を実施して、ＰＣ鋼棒の中間品（以下、中間鋼材という）を製造する。熱間加工工程では通常、１又は複数回の熱間加工を実施する。各熱間加工を実施する前に、素材を加熱する。その後、素材に対して熱間加工を実施する。熱間加工はたとえば、熱間鍛造や、熱間圧延である。複数回熱間加工を実施する場合、初期の熱間加工はたとえば、分塊圧延又は熱間鍛造による粗加工工程であり、最終の熱間加工はたとえば、連続圧延機を用いた仕上げ圧延工程である。最終の熱間加工前の素材の温度はたとえば、９００～１２００℃である。連続圧延機では、一対の水平ロールを有する複数の水平スタンドと、一対の垂直ロールを有する複数の垂直スタンドとが交互に一列に配列される。上記熱間加工工程により製造される中間鋼材は、横断面が円形状の線材である。中間鋼材の直径はたとえば、７．４ｍｍ～１１．５ｍｍである。仕上げ圧延工程で使用される連続圧延機の最終の圧延スタンドの圧延ロール表面には、中間鋼材の表面に、コンクリートを付着させるための凹凸（インデント）を形成するための溝が形成されていてもよい。

熱間加工工程において、最終の圧延スタンドの下流には、ステルモア方式の冷却コンベアが配置されている。ステルモア方式のコンベア上において、中間鋼材はリング状に形成される。圧延直後にリング状に形成された中間鋼材は、高温に保持されたまま、水冷され、焼入れされる。具体的には、リング状に形成された中間鋼材を水冷槽に搬送して浸漬し、焼入れする。このように、本発明では、圧延後の中間鋼材をいったん常温まで冷却した後に再加熱して焼入れを実施するのではなく、圧延後の中間鋼材に対してそのまま焼入れ（直接焼入れ）を実施する。

上記圧延工程における製造条件は次のとおりである。

巻取り温度：７５０～９５０℃
巻取り温度は、中間鋼材をリング状に形成した位置での中間鋼材の温度を意味する。巻取り温度が７５０℃未満であれば、ＰＣ鋼棒のミクロ組織において、初析フェライト及びパーライトが生成し、初析フェライト及びパーライトの面積率が０％よりも大きくなる。その結果、ＪＩＳ規格の上記Ｄ種の引張強度ＴＳ及び／又は耐力ＹＰを満たすことができない。一方、巻取り温度が９５０℃を超えれば、ＰＣ鋼棒のミクロ組織において、実質的にマルテンサイト単相となり、ベイナイトの面積率が５．０％未満となる。その結果、全伸び及び／又は一様伸びが低くなる、又は、直接焼入れ後の矯直工程で、中間鋼材に割れが発生する。したがって、巻取り温度は７５０～９５０℃である。

搬送時間：５～４０秒
搬送時間とは、中間鋼材が、巻取り温度の測定地点から水冷槽に至るまでの時間（つまり、巻取り温度の測定地点から焼入れ開始直前までに掛かる時間）である。中間鋼材は通常、巻取り温度の測定地点から、水冷槽に至るまでの間、ステルモア方式のコンベア上で搬送される。なお、搬送中の中間鋼材は空冷される。

搬送時間が５秒未満であれば、すなわち、中間鋼材を直接水冷槽に落下させる場合、水冷槽での鋼材のリング形状が悪化する。一方、搬送時間が４０秒を超えれば、焼入れ温度が低くなりすぎる。この場合、初析フェライト及びパーライトが生成する。その結果、ＪＩＳ規格の上記Ｄ種の引張強度ＴＳ及び／又は耐力ＹＰを満たすことができない。したがって、搬送時間は５～４０秒である。

冷却速度：２．０～１０．０℃／秒
冷却速度は、中間鋼材の温度が、直接焼入れ開始直前の温度から、２００℃に至るまでの冷却速度の平均値（℃／秒）を意味する。

冷却速度が２．０℃／秒未満であれば、ＰＣ鋼棒のミクロ組織における初析フェライト及びパーライトが生成する。一方、冷却速度が１０．０℃／秒を超えれば、ＰＣ鋼棒のミクロ組織が実質的にマルテンサイトのみとなり、ベイナイトの面積率が５．０％未満となる。したがって、冷却速度は２．０～１０．０℃／秒である。

［矯直工程］
直接焼入れ後の中間鋼材は、リング状に巻き取られている。そこで、直接焼入れ後の中間鋼材を矯直し、かつ、焼戻しを実施して、所望の機械特性（上記ＪＩＳ規格のＤ種に準拠した引張強度ＴＳ、耐力ＹＰ及び全伸び）を得る。

具体的には、直接焼入れ後、巻き取られたリング状の中間鋼材を、周知の駒矯直機を用いて矯直して、直線状にする。矯直後の中間鋼材の真直度はたとえば、５ｍｍ／２ｍ以下である。中間鋼材の軟化を目的として、矯直前の中間鋼材に対して、１００℃程度の熱処理（ベーキング）を実施し、ベーキング後の中間鋼材を矯直してもよい。同時に、中間鋼材への矯直時の疵発生防止を目的に、矯直前に潤滑皮膜処理を施しても良い。

［焼戻し工程］
矯直後の中間鋼材に対して、焼戻しを実施する。焼戻しはたとえば、駒矯直機と同一ラインに配置された高周波加熱装置を用いて実施される。

高周波加熱装置による焼戻しでは、好ましい加熱温度（以下、焼戻し温度という）は３５０～６００℃である。焼戻し温度が３５０℃未満であれば、ＰＣ鋼棒の引張強度ＴＳ及び耐力ＹＰが高すぎて、全伸びが低くなる。一方、焼戻し温度が６００℃を超えれば、ＰＣ鋼材の引張強度ＴＳと耐力ＹＰとが低くなりすぎ、上記ＪＩＳ規格のＤ種に準拠した機械特性が得られない。したがって、焼戻し温度は３５０～６００℃である。

以上の製造方法では、いわゆるオフラインでの焼入れを実施せずに、直接焼入れを実施することによって、本発明のＰＣ鋼棒を製造できる。そのため、本発明のＰＣ鋼棒は、製造コストを抑えることができ、合金元素を多量に含有しなくても、上記ＪＩＳ規格のＤ種に準拠した機械特性（引張強度ＴＳ、耐力ＹＰ、及び、全伸び）を有することができる。さらに、コンクリート打設模擬熱処理後においても十分な一様伸びを有する。そのため、本発明のＰＣ鋼棒を用いてコンクリート打設熱処理を実施して製造されたプレストレストコンクリートは、運搬時や設置工事時、使用時等においても、打設されたＰＣ鋼棒が折損しにくく、プレストレストコンクリートも曲がりにくく、破損しにくい。

以下、本発明の実施例について説明する。本実施例は、本発明の効果を確認するための一例である。したがって、本発明は、本実施例に限定されない。

表１に記載の化学組成を有するブルームを製造した。

具体的には、溶鋼を用いて、連続鋳造法により鋳片（ブルーム）を製造した。製造されたブルームに対して分塊圧延を実施して、ビレットを製造した。分塊圧延後のビレットを常温まで空冷した。

ビレットを再加熱して、仕上げ圧延を実施した。仕上げ圧延には連続圧延機を使用した。仕上げ圧延後の巻取り温度（℃）、搬送時間（秒）、直接焼入れ時の冷却速度（℃／秒）は表２に示すとおりであった。

製造されたリング状の中間鋼材に対して１００℃で３時間保持するベーキングを実施した。その後、駒矯直機を用いて中間鋼材を直線状に矯直した。矯直された中間鋼材に対して高周波加熱による焼戻しを実施した。焼戻し温度は表２に示すとおりであった。以上の工程により、ＰＣ鋼棒を製造した。

［ミクロ組織観察試験］
ＰＣ鋼棒の長手方向に垂直な断面において、Ｒ／２位置を含むサンプルを採取した。サンプルのうち、Ｒ／２位置を含む表面（観察面という）を機械研磨した。機械研磨された観察面を３％ナイタル（質量％で３％硝酸を含有するエタノール溶液）でエッチングした。エッチングされた観察面のうち、任意の５視野（各視野の面積は１００μｍ×８０μｍ）に対して、１０００倍の光学顕微鏡で観察した。各視野における相（マルテンサイト、ベイナイト、初析フェライト、パーライト）を同定し、各視野における各相の総面積（μｍ^２）を求めた。５視野全てにおけるマルテンサイトの総面積（μｍ^２）、ベイナイトの総面積（μｍ^２）、初析フェライトの総面積（μｍ^２）、及び、パーライトの総面積（μｍ^２）を求めた。得られた各相の総面積の、５視野の総面積に対する比を各相の面積率（％）と定義した。測定結果を表２に示す。

［引張強度ＴＳ、耐力ＹＰ及び全伸び評価試験］
各試験番号のＰＣ鋼棒について、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１） 付属書Ｄの２号試験片に準拠して引張試験片を採取した。引張試験片において、圧延線径φ１０．３ｍｍ、公称径φ１０．０ｍｍであり、標点間距離は８０ｍｍ、平行部長さは１５０ｍｍであった。引張試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１）に準拠して、常温（２５℃）、大気中において引張試験を実施して、引張強度ＴＳ（ＭＰａ）、耐力ＹＰ（ＭＰａ）、及び、全伸び（％）を求めた。得られた結果を表２に示す。

［コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸び評価試験］
各試験番号のＰＣ鋼棒において、引張強度ＴＳ、耐力ＹＰ及び全伸び評価試験と同様の引張試験片を採取した。引張試験片に対して、各試験番号において、次のコンクリート打設模擬熱処理（養生）を実施した。
試験番号１、５～１２、２３、２７、２９、３１：オートクレーブ養生模擬熱処理（表２中にて「Ｏ養生」と記載）
試験番号２～４、１３、１５～１７、１９～２１、２５、２６：蒸気養生模擬熱処理（表２中にて「Ｊ養生」と記載）

コンクリート打設模擬熱処理として、オートクレーブ養生模擬熱処理では、大気中において、引張試験片を１８０℃で３時間保持した。蒸気養生模擬熱処理では、大気中において、引張試験片を８０℃で３時間保持した。

コンクリート打設模擬熱処理後の引張試験片を用いて、常温（２５℃）、大気中において、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１）に準拠した引張試験を実施して、応力－歪み曲線を得た。得られた応力－歪み曲線から、一様伸び（％）を求めた。得られた結果を表２に示す。

［評価結果］
表２を参照して、試験番号１～１２の化学組成は適切であり、製造条件も適切であった。そのため、製造されたＰＣ鋼棒のミクロ組織において、マルテンサイトの面積率は７０．０％以上であり、ベイナイトの面積率は５．０％以上であった。さらに、初析フェライト及びパーライトの総面積率は０．０％であった。その結果、引張強度ＴＳは１４２０ＭＰａ以上、耐力ＹＰは１２７５ＭＰａ以上であり、全伸びは５．０％以上であった。さらに、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びは４．０％以上であった。

一方、試験番号１３では、Ｃ含有量が低すぎた。そのため、マルテンサイト面積率が７０．０％未満となり、コンクリート打設模擬熱処理後の引張強度ＴＳが低すぎた。

試験番号１４では、Ｃ含有量が高すぎた。そのため、ベイナイト面積率が５．０％未満であった。その結果、矯直工程において、鋼材に割れが発生した。

試験番号１５では、Ｓｉ含有量が低すぎた。その結果、コンクリート打設模擬熱処理後の引張強度ＴＳが低すぎた。

試験番号１６では、Ｓｉ含有量が高すぎた。その結果、全伸びが５．０％未満であり、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％未満であった。

試験番号１７では、Ｃｒ含有量が低すぎ、そのため、フェライトが生成した。その結果、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％未満であった。

試験番号１８では、Ｃｒ含有量が高すぎた。そのため、ベイナイト面積率が５．０％未満であった。その結果、矯直工程において、鋼材に割れが発生した。

試験番号１９では、Ｐ含有量が高すぎた。そのため、全伸びが５．０％未満であり、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％未満であった。

試験番号２０では、Ｓ含有量が高すぎた。そのため、全伸びが５．０％未満であり、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％未満であった。

試験番号２１及び２３では、Ｍｏ及びＶのいずれか１種以上の合計含有量が低すぎた。そのため、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％未満であった。

試験番号２２及び２４では、Ｍｏ及びＶのいずれか１種以上の合計含有量が高すぎた。そのため、ベイナイト面積率が５．０％未満であった。その結果、矯直工程において、鋼材に割れが発生した。

試験番号２５では、化学組成は適切であったものの、焼戻し温度が３５０℃未満であった。そのため、全伸びが５．０％未満であり、かつ、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％未満であった。

試験番号２６では、化学組成は適切であったものの、焼戻し温度が６００℃を超えた。そのため、引張強度ＴＳが１４２０ＭＰａ未満であり、耐力ＹＰも１２７５ＭＰａ未満であった。

試験番号２７では、化学組成は適切であったものの、巻取り温度が低かった。そのため、初析フェライト及びパーライトの総面積率が０％を超えた。その結果、引張強度ＴＳが１４２０ＭＰａ未満であり、かつ、コンクリート打設模擬熱処理後の一様伸びが４．０％未満であった。

試験番号２８では、化学組成は適切であったものの、巻取り温度が高すぎた。そのため、ベイナイトの面積率が５．０％未満であった。その結果、矯直工程において、鋼材に割れが発生した。

試験番号２９では、化学組成は適切であったものの、搬送時間が長すぎた。そのため、初析フェライト及びパーライトの総面積率が０％を超えた。その結果、引張強度ＴＳが１４２０ＭＰａ未満であり、耐力ＹＰが１２７５ＭＰａ未満であった。

試験番号３０では、化学組成は適切であったものの、冷却速度が速すぎた。そのため、ベイナイトの面積率が５．０％未満であった。その結果、矯直工程において、鋼材に割れが発生した。

試験番号３１では、化学組成は適切であったものの、冷却速度が遅すぎた。そのため、初析フェライト及びパーライトの総面積率が０．０％を超えた。その結果、引張強度ＴＳが１４２０ＭＰａ未満であり、耐力ＹＰが１２７５ＭＰａ未満であった。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

Claims (2)

1. ＰＣ鋼棒であって、
   化学組成が、質量％で、
   Ｃ：０．２１～０．２９％、
   Ｓｉ：０．８０～１．４０％、
   Ｍｎ：１．００～２．００％、
   Ｃｒ：０．１０～０．８０％、
   Ｐ：０．０３０％以下、
   Ｓ：０．０３０％以下、
   Ｍｏ及びＶのいずれか１種以上：合計で０．１０～０．４０％、
   Ｎｉ：０～０．５０％、
   Ｃｕ：０～０．５０％、
   Ｔｉ：０～０．１００％、
   Ａｌ：０～０．１００％、及び、
   Ｂ：０～０．００６０％、
   を含有し、
   残部はＦｅ及び不純物からなり、
   前記ＰＣ鋼棒の長手方向に垂直な断面において、Ｒ／２位置（ＰＣ鋼棒の半径を二等分する位置）でのミクロ組織において、
   マルテンサイトの面積率が７０．０％以上であり、
   ベイナイトの面積率が５．０％以上であり、
   初析フェライト及びパーライトの総面積率が０％であり、
   引張強度ＴＳが１４２０ＭＰａ以上であり、
   耐力ＹＰが１２７５ＭＰａ以上であり、
   全伸びが５．０％以上であり、
   １８０℃で３時間保持した後の一様伸び、又は、８０℃で３時間保持した後の一様伸び
   が４．０％以上である、ＰＣ鋼棒。
2. 請求項１に記載のＰＣ鋼棒であって、
   前記化学組成は、
   Ｎｉ：０．１０～０．５０％、
   Ｃｕ：０．０５～０．５０％、
   Ｔｉ：０．００５～０．１００％、
   Ａｌ：０．００５～０．１００％、及び、
   Ｂ：０．００１０～０．００６０％
   からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する、ＰＣ鋼棒。