JPH04128315A - 耐震特性と耐火特性と低温靭性に優れた鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、構造物の製作に用いられる鋼管を対象とし、
地震発生時に倒壊までの充分な抵抗力を有し、かつ耐火
材の被覆を簡略化あるいは省略しても、火災時に充分な
強度を有し、さらに寒冷地での使用にも耐えられる、耐
震特性と耐火特性と低温靭性に優れた鋼管の製造方法に
関するものである。

（従来の技術） 近年鉄鋼材料を扱う各分野にわたって、競争力向上のた
めの使用特性の向上、製造コストの低減など各種の要求
が高まっている。

このうち建築分野では、構造物の安全性向上のため、特
に耐震性向上のた擾｛降伏比の低下が望まれている。こ
れまでは主に厚板分野でこの要求が強かったが、最近で
は鋼管分野でこの要求が高まっている。低降伏比を有す
る厚鋼板の製造方法に関しては、種々の方法が検討され
ているが、残念ながら鋼管の分野では、少なくとも建築
用として検討された例はほとんどないのが現状である。

例えば電縫鋼管は、ホットコイルを成形して製造するが
、成形の際の加工硬化により降伏比が上昇するため、降
伏比の低い鋼管の製造には、不利な製造方法とされてい
る。例えば、低降伏比油井用電縫鋼管の製造方法として
、特開昭５７−１６１１８号公報記載の方法があるが、
この方法では低降伏比化のためにＣ量をかなり添加（Ｃ
量：　０．２６〜０．４８％）しているために、溶接性
の観点からＣｅｑ上限の規定される建築構造用には適用
できない。また同様に、低降伏比高張力電縫鋼管の製造
方法として、特開昭５７−１６１１９号公報記載の方法
があるが、これはホットコイルの段階で極低ＹＲ鋼を製
造し、電縫鋼管を製造する際の加工硬化を抑えるために
、歪量をかなり制限しているが、実操業ではかなり困難
を伴う。

また一方、鉄骨構造等の構造物では、火災時においても
充分な強度を保証するため、鋼材にロックウール等の被
覆を施し、鋼材の温度が３５０℃以上に上昇しないよう
に義務付けられていた。

近年、建築基準法が改正され、鋼材の高温における強度
に応じ耐火被覆を簡略あるいは省略できるようになった
。即ち、鋼材が６００℃のような高温において充分な強
度（常温の規格降伏強度の２／３以上）を有する場合、
耐火被覆を省略し、裸使用が可能になるといわれている
。

鋼材の高温での強度についてはこれまでにもよく調べら
れており、開発材はボイラー用鋼あるいは圧力容器用鋼
として規格化されている。また、特公昭５１−１５１８
８号公報に開示されているように、現在でも種々の改良
・開発等が継続実施されている。これらは、高温で致方
あるいは数十万時間といった長時間使用の場合の強度、
すなわちクリープ強度の高い鋼材である。

（発明が解決しようとする課題） 建築用低降伏比鋼管として、引張り強さ４０ｋｇｆ／−
以上で降伏比７５％以下という要求があるが、現状の製
造方法では製造が不可能である。つまり、ホットコイル
を丸く成形しただけで製造する非調質型、いわゆるアズ
ロール型では、その成形時の加工硬化のために、また調
質型、いわゆるＱＴ型では、その組織が焼戻しマルテン
サイトとなるため、降伏比７５％以下は達成されていな
い。

また、耐震構造用として必要な鋼材の材質特性として最
近、降伏比だけでなく応力−歪曲線の形状が注目され出
した。つまり、鋼材が充分な塑性伸び能力を持つために
は、第１図、第２図で示したＡｃの増加が必要であると
いわれ始めている。

そのためには、ＹＲの低下はもちろんであるが、さらに
降伏点伸びの増大によって達成できる。第１図、第２図
を比較すると明かなように、耐震構造用としては第２図
のような鋼材が適しているといえる。つまり耐震構造用
としては、降伏点伸びを有し、かつ降伏比の低い鋼管が
必要である。

また、本発明で問題にしようとしている耐火特性は火災
時の高々数時間以内での強度であり、これまで古くから
開発の対象であった高温強度とは全く別個のものである
。

本発明が解決しようとする課題は、鉄骨構造等の構造物
において、耐火被覆を省略する場合の重要な特性である
６００℃での強度が従来鋼より著しく改善された鋼管を
提供することである。

さらに、本発明が解決しようとする課題は、この耐震特
性と耐火特性の両方を満足し、さらに低温靭性にも優れ
た鋼管を提供することである。

（課題を解決するための手段） そこで本発明者らは、降伏比を低下させるために、多数
の実験と詳細な検討を加えた結果、降伏比を低下させる
ためには、鋼のミクロ組織をフェライトと第２相の炭化
物の２相組織にする必要性を確認した。さらに、降伏比
を下げるためには、降伏点を下げ、引張り強さを高める
ことが重要であることも確認した。

さらに降伏点伸びを有するためには、Ａ、〜Ａ　ｃ　３
間の２相域で歪を付与も、フェライト中に生成した転位
を固溶炭素、固溶窒素でただちに固着し、その後の急冷
でフェライトと第２相の炭化物の２相組織として、これ
により降伏点伸びと低降伏比の両方を有する鋼管が得ら
れることを確認した。

さらに本発明者らは、以上の知見で得られた耐震特性に
優れた鋼管に耐火特性を与えるために、多数の実験と詳
細な検討を加えた結果、合金元素として、■ＭｏとＮｂ
の複合添加、■ＭｏとＶの複合添加、■ＭｏとＮｂとＶ
の複合添加、が効果的であることを見出した。つまり、
材料が高温にさらされた時にＭｏの効果で固着転位の消
滅が遅れ、逆にその転位を核としてＭｏとＮｂや、Ｍｏ
とＶの複合炭化物が微細に分散析出し、高温で生成した
転位の移動を阻止するという効果である。

本発明は、このような知見に基づき、耐震特性と耐火特
性を有する鋼管の製造を可能にしたもので、その要旨と
するところは、重量％にて、Ｍｏを０．１〜２．５％含
有し、かつＮｂ：０．０１０〜０．１５％、Ｖ：０．０
１０〜０．３０％の１種または２種を含む低炭素鋼鋼管
をＡＣ３２００℃以上に加熱し、Ａｃ＝　　２００℃〜
Ａｃｘ　　２０℃の温度範囲で０．１％以上の歪を付与
し、成形後直ちに、または成形後空冷した後ＡＣＩ　　
２５０℃−Ａｃｓ　　７０℃の温度範囲から、１５℃／
ｓｅｃ以上の速度で冷却し、その後２００〜６００℃の
温度範囲で焼戻しすることを特徴とする特許 に優れた鋼管の製造方法にある。

（作　用） 本発明に従い、加熱温度をＡｃｓ２００℃以上にするこ
とによって、パイプ成形の加工硬化の影響を除去し、次
いで温間で新たに歪を付与し、その時に発生した転位を
直ちに固着し、その後２、冷することによって２相鋼化
を達成することに成功した。

次に本発明の鋼管成形・加熱・歪付与・冷却・焼戻しの
条件について述べる。

まず、鋼管の製造については特に規定はなく、どのよう
なものでも許容される。つまり、シームレス鋼管、ＵＯ
鋼管、スパイラル鋼管、電線鋼管、鍛接鋼管等どのよう
なパイプ製造方法でも可である。これは、その後の熱処
理での加熱温度を加工歪が除去される温度に規定するた
めである。

次に成形後加熱温度をＡＣ３　　２００℃以上にしたの
は、この温度範囲に加熱することによって、冷却後の２
相鋼化を達成しつつ鋼管製造の成形歪の除去を同時に狙
うためである。

ＡＣ３２００℃−Ａｃｚ　　２０℃の温度範囲で歪を付
与するのは、２相域で歪を付与し、フェライト中に製置
の転位を導入し、固溶炭素、固溶窒素で直ちに固着し、
その後の急冷によって生成する２相鋼に降伏点伸びを持
たせるためである。歪量としては、０．１％以上あれば
適量の転位を導入できると考えられるが、逆に歪量が多
すぎると降伏点伸びはあるものの陣伏比が上昇しすぎる
ため、歪量は５０％以下が望ましい。歪付与の方法とし
ては、長手方向、周方向、肉厚方向およびその組み合わ
せ等、どの方向でも可である。つまり、単独の方向また
は複数の方向の歪の加算が０．　１％以上となるような
歪であればよい。また歪の種類としては、引張り歪、圧
縮歪とも可である。この温度範囲での加工は通常温間サ
イジングであるが、その他引き抜き等の方法も加えて、
０．１％以上の歪を付与できれば、その方法は問わない
。

また、前記温度範囲で歪を付与するのは、Ｍｏ添加鋼に
耐火特性を持たせるために必要不可欠である。つまり、
材料が高温にさらされた時にＭｏの効果で固着転位の消
滅が遅れ、逆にその転位を核にしてＭｏとＮｂや■の複
合炭化物を微細に分散析出させ、それによって高温で生
成した転位の移動を阻止するという効果である。もし歪
を付与しないと、炭化物の析出核がないため、粗大に析
出し、析出物が高温強度に寄与しなくなる。

歪付与温度をＡＣ３２００℃−ＡＣ．−２０℃にしたの
は、冷却後の２相鋼化を狙ったためであり、さらにフェ
ライト中の加工歪量の適正化を狙ったためである。すな
わち、Ａ　ｃ　、直上で成形後急冷すると、２相鋼化す
るものの、フェライトの加工歪が多すぎるためにフェラ
イトの強度が高く、結果的に低降伏比を達成するこ七｛
できない。Ａ　ｃ　Ｈ〜Ａ　ｃ　３の中間よりも高温、
つまりＡＣ３　　２００℃より高温から冷却することに
よって、この２相鋼化と歪適量化を両立できるため、こ
の温度を下限とした。歪付与での温度を高くしていくと
、降伏比最下限を通過して今度は逆に降伏比が増加して
いく、これはフェライトの面積率が減少していくためで
、Ａ　ｃ　３に近づくと降伏比が急激に増加する。

これはフェライトの面積率がゼロに近づくためである。

このことから、歪付与温度の上限として、ＡＣ３２０℃
を設定した。

Ａｃ＋２００℃〜Ａｃ、−２０℃の温度範囲での歪付与
後の急冷は、再加熱時にオーステナイト化してＣの濃化
した部分を焼入組織とすることで充分硬化させ、引張り
強さを高め、低降伏比を得るためである。冷却が不十分
だと、焼入組織が充分に硬化せず、結果として低降伏比
が得られないため、冷却速度を１５°（／ｓｅｃ以上に
規定した。冷却方法は通常水冷であるが、冷却速度さえ
確保できれば、その方法は問わない。

ところで、歪付与後急冷までの間に（例えば設備制約上
）空冷処理を入れざるを得ない場合がある。その場合、
あまり空冷しすぎると導入された転位が消滅してしまい
、２相域で歪を付与した意味がなくなる。従って空冷処
理を入れる場合は、ＡＣ３−２００℃〜ＡＣ３−２０℃
で歪付与を完了し、空冷後ＡＣ：＋　　２５０℃−ＡＣ
：＋　　７０℃から急冷することとした。

ところで、鋼種によっては加熱後急冷だけでは靭性のよ
くならないものがあり、靭性改善のために急冷後焼戻し
処理が必要な場合がある。その際の焼戻し温度としては
、フェライトと第２相の炭化物の２相組織について、そ
の前の急冷で充分硬化した第２相部分をあまり高温で焼
戻すと軟化しすぎ、これが引張り強さの低下、つまり降
伏比の上昇の原因となるため、上限を６００℃とした。

しかし焼戻し温度が低くて、２００　’Ｃ以下になると
ほとんど焼戻しの効果がなくなり、靭性が改善されない
場合があるため、その下限を２００℃とした。

本発明は低炭素鋼に適用して好結果を得ることができる
。好ましい成分組成としては、Ｃ：　０．０３〜０．３
０％ Ｓｉ：０．０２〜０．５０％ Ｍｎ：　０．２０〜２．００％ Ａｔ　：　Ｏ，ＯＯ１〜０．１００％ Ｎ　：　０．０００５〜０．０１００％Ｍｏ：　０．１
０〜２．５０％ Ｎｂ：０．０１０〜０．１５％ Ｖ　：　Ｏ，ＯＩ　Ｏ〜０．３０％ を基本成分とする低炭素鋼である。ただし、Ｎｂと■に
ついては、そのどちらかが添加されていればよい（もち
ろん両方でもよい）、さらに、前記基本成分の他に鋼の
要求特性によって、 Ｃｕ　：　２．０％以下 Ｎｉ：９．５％以下 Ｃｒ　：　５．５％以下 Ｔｉ：０．１５％以下 Ｂ　：　０．　ＯＯ０３〜０．００３０％Ｃａ　：　０
．　ＯＯ８０％以下 の１種またｔよ２種以上を添加してもよい。

Ｍｏは上記で述べたように、鋼が高温にさらされた時、
固着転位の導入されたフェライト中に、炭化物として微
細分散析出し、高温で生成した転位の移動を阻害させる
ために少なくとも０．１０％の添加は必要不可欠である
が、添加量が多すぎると溶接性を阻害するため、上限は
２．５％とする。

ＮｂはＭｏとの複合炭化物を生成させるため、またオー
ステナイト粒の細粒化や強度上昇のために有用で少なく
とも０．０１０％添加されるが、多くなると溶接性を阻
害するので添加量の上限は０．１５％とする。

■はＮｂと同様に、Ｍｏとの複合炭化物を生成させるた
め、また析出強化のために有用で少なくとも０、０１０
％添加されるが、多くなると溶接性を阻害するため、添
加量は０．３％を上限とする。

Ｃｕは強度上昇、耐食性向上に有用で添加されるが、２
．０％を越えて添加しても強度の上昇代がほとんどなく
なるので、含有量の上限は２．０％とする。

Ｎｉは低温靭性の改善に有セ添加されるが、高価な元素
であるため、含有量は９．５％を上限とする。

Ｃｒは強度上昇や耐食性向上に有用で添加されるが、多
くなると低温靭性、溶接性を阻害するため、含有量は５
．５％を上限とする。

Ｔｉはオーステナイト粒の細粒化に有用で添加されるが
、多くなると溶接性を阻害するため、含有量は０．１５
％を上限とする。

Ｂは微量の添加によって、鋼の焼入性を著しく高める効
果を有する。この効果を有効に得るためには、少なくと
も０．０００３％を添加することが必要である。しかし
過剰に添加するとＢ化合物を生成して、靭性を劣化させ
るので、上限は０．００３０％とする。

Ｃａは硫化物系介在物の形態制御に有用で添加されるが
、多くなると鋼中介在物を形成し鋼の性質を悪化させる
ため、含有量はｏ、ｏｏｓｏ％を上限とする。

（実施例） 第１表に供試材の化学成分を示し、第２表に鋼管のサイ
ズ、熱処理条件と、得られた鋼管の機械的性質を示す。

第２表で示した鋼管ＮａＡ１．Ｂｌ、Ｃ１，ＤＩ。

Ｈｌ、Ｉ　１．Ｊｌ、Ｋ１．Ｌｌ、Ｍｌ、Ｎｌ、０１、
Ｐｉ、Ｑｌ、Ｒ１，Ｓｌ、ＴＩ、Ｕｌ、Ｖｌは実施鋼で
あり、本発明の狙いとする低陣伏比（降伏比７０％以下
）と高Ａ　ｃ　（Ａ　ｃ　＞　７５　ｋｇ　ｆ／−・χ
）を達成しており、かつ高い高温強度（ＹＳ、。。／Ｙ
Ｓ＞０．６６７）を同時に達成している。

これに対し、Ａ２は加熱温度が高すぎるため降伏比が高
（なっている。Ａ３は加熱温度が低すぎるため降伏比が
高くなっている。Ａ４は加熱後の冷却速度が不足のため
降伏比が高くなっている。

Ａ５は焼戻し温度が高すぎるため、降伏比が高くなって
いる。

また、Ｂ２は焼戻し温度が低すぎるため、低温靭性が改
善されていない。

Ｃ２は冷却速度が不足のため降伏比が高くなっている。

Ｂ２は加熱温度が低すぎるため降伏比が高（なっている
。

Ｅｌ、ＦｌはＭｏが添加されていないために高温強度が
低い。

Ｇ１はＭｏが添加されているものの、Ｎｂと■のどちら
も添加されていないために高温強度が低い。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り、本発明は特別に高価な合金元
素を使用することなく、４０ｋｇｆ／−以上の高強度を
有する耐震特性と耐火特性の両方を有し、さらに低温靭
性にも優れた鋼管を、安価に製造可能としたもので、産
業上その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は鋼材のストレス−ストレインの関係を
示す図であり、第２図のようなストレス−ストレインの
関係を有する鋼材の方が、塑性伸び能力に優れ、すなわ
ち耐震特性に優れることを示している。 第 図 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％にて、Ｍｏを０．１〜２．５％含有し、か
   つＮｂ：０．０１０〜０．１５％、Ｖ：０．０１０〜０
   ．３０％の１種または２種を含む低炭素鋼鋼管をＡｃ＿
   ３−２００℃以上に加熱し、Ａｃ＿３−２００℃〜Ａｃ
   ＿３−２０℃の温度範囲で０．１％以上の歪を付与し、
   引き続き１５℃／ｓｅｃ以上の速度で冷却し、その後２
   ００〜６００℃の温度範囲で焼戻しすることを特徴とす
   る耐震特性と耐火特性と低温靭性に優れた鋼管の製造方
   法。
2. （２）重量％にて、Ｍｏを０．１〜２．５％含有し、か
   つＮｂ：０．０１０〜０．１５％、Ｖ：０．０１０〜０
   ．３０％の１種または２種を含む低炭素鋼鋼管をＡｃ＿
   ３−２００℃以上に加熱し、Ａｃ＿３−２００℃〜Ａｃ
   ＿３−２０℃の温度範囲で０．１％以上の歪を付与し、
   その後空冷を行い、引き続きＡｃ＿３−２５０℃〜Ａｃ
   ＿３−７０℃の温度範囲から１５℃／ｓｅｃ以上の速度
   で冷却し、その後２００〜６００℃の温度範囲で焼戻し
   することを特徴とする耐震特性と耐火特性と低温靭性に
   優れた鋼管の製造方法。