JPH04293716A

JPH04293716A - 再加熱後の高温強度特性に優れた構造用耐火鋼材の製造方法

Info

Publication number: JPH04293716A
Application number: JP5682191A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Shikauchi; 伸夫鹿内; Hajime Wada; 肇和田; Tetsuya Sanpei; 哲也三瓶; Hiroshi Ishikawa; 博石川; Makoto Muraki; 誠村木
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 1992-10-19
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: JP2551250B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば火災等で数時
間程度の短時間、高温状態になることが懸念される建築
物、橋梁等の鉄骨構造物に使用する鋼材の製造方法に関
し、特に、一旦火災等で高温状態になった後での再使用
も可能である再加熱後の高温強度特性に優れた構造用耐
火鋼材の製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術および発明が解決しようとする課題】通常、
構造用鋼材は常温で十分な所定の強度を有するように製
造されているが、一般に、温度の上昇に伴い強度は低下
する。特に、従来の構造用鋼材は５００℃程度以上の高
温状態では、顕著な強度低下を示すことが、既に、知ら
れている。そのため、火災等で高温状態になることが懸
念される構造物、特に、人間が居住する建築物では、高
温状態でも構造物が倒壊したり、著しく変形することが
ないようにし、さらに、安全性を確保することを目的と
して鋼材の温度が著しく高くならないように耐火被覆が
施されている。

【０００３】このような現状の耐火に対する対策におい
て、高温状態でも鋼材の強度低下を小さく抑えることが
できれば、耐火被覆の厚さを低減すること、あるいは、
耐火に対してのその他の対策を軽減することが可能にな
る。

【０００４】高温での強度を保証した鋼材については、
圧力容器用鋼材の分野でその研究が行われてきており、
例えば、日本工業規格（ＪＩＳ）では、ＪＩＳ　　Ｇ　
　３１２４；中・常温圧力容器用高強度鋼鋼板等で既に
規格化されている。また、具体的に規定はしていないが
、常温を超える中・高温での強度が高いことを前提とし
た圧力容器用鋼として、例えば、ＪＩＳでは、ＪＩＳ　
　Ｇ　　３１１８；中・常温圧力容器用炭素鋼鋼板、Ｊ
ＩＳ　　Ｇ　　３１１９；ボイラ及び圧力容器用マンガ
ンモリブデン鋼及びマンガンモリブデンニッケル鋼鋼板
、ＪＩＳ　　Ｇ　　３１２０；圧力容器用調質型マンガ
ンモリブデン鋼及びマンガンモリブデンニッケル鋼鋼板
、ＪＩＳ　　Ｇ　　４１０９；ボイラ及び圧力容器用ク
ロムモリブデン鋼鋼板等がある。また、特公告昭６０−
３５９８５では圧力容器用高強度強靭鋼が開示されてい
る。ここで開示されている鋼は、特に高温での特性を規
定するまでもなく、圧力容器用鋼であることで既にある
程度の高温強度を前提としている。

【０００５】しかしながら、このような鋼の場合には、
通常、高温強度を高くするために、Ｃｒ，Ｍｏ等の高価
な合金元素を０．５％以上と多量に添加している。する
ことが一般的に行われている。また、ＪＩＳ　　Ｇ　　
３１２４；中・常温圧力容器用高強度鋼鋼板では、比較
的合金元素の添加量は少ないが、高温での強度の規定は
、高々４００℃までである。つまり、４００℃を超える
かなり高い温度では、十分な強度が得られない。また、
これらの鋼材は、圧力容器用鋼材を前提としたものであ
り、構造用鋼材としては十分な特性を有しているとは言
えない。さらに、構造物において火災が生じた場合には
、鋼材は一度高温状態になるため、鋼材の特性が変化す
ることが予想され、火災後も構造物を再使用する場合に
は、その部分を取り替える必要が生じる。部材の取り替
えは、当然のことながら経済的な観点から望ましくない
。

【０００６】構造用鋼材で耐火性を付与した鋼材は、特
開平２−７７５２３に開示されているが、ここで開示さ
れた鋼はＭｏ添加量が０．４〜０．７％と高くなってお
り、通常使用されている構造用鋼材としては高合金系成
分になっている。さらに、特開平２−７７５２３では製
造までの高温強度特性に関しては規定しているものの、
一旦火災を生じた後の鋼材の特性に関しては何ら示され
ておらず、高温状態になった後にこの鋼材を再使用する
ことは困難である。

【０００７】このように、高温での強度を十分に確保し
、さらに、火災等で高温状態になった後でも優れた高温
強度特性を保証でき、再使用にも十分に耐えることので
きる構造用耐火鋼材は、ほとんど開発されていないのが
現状である。すなわち、現状の問題点をまとめると、以
下のようになる。

【０００８】（１）構造用鋼材としての十分な特性（高
溶接性、高延靭性等）を満足しつつ、４００℃程度以上
での高い高温強度を保持した鋼材の製造方法が確立して
いない。（２）（１）の特性を満足するためには、高価な合金元
素を大量に添加するため、鋼材コストが非常に高い。（３）一旦高温状態になった後の鋼材の常温・高温特性
が劣化し、再使用できない。

【０００９】この発明は、かかる事情に鑑みてなされた
ものであって、高価な合金元素を多量に添加しなくても
高温において高い強度を保持し、かつ、一旦高温状態に
なった後でも良好な高温強度特性を維持し、または向上
させることができ、さらに、従来の構造用鋼材の利点で
ある高溶接性、高い延靭性を有する再加熱後の高温強度
特性に優れた構造用耐火鋼材の製造方法を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するために、重量％表示で、Ｃ：０．０５％以上、０．２０％未満Ｓｉ：０．１％以上、２．０％未満Ｍｎ：０．３％以上、２．０％未満Ｐ：０．０３％以下Ｓ：０．０３％以下Ｍｏ：０．１％以上、０．４％未満Ｔｉ：０．００３％以上、０．１％未満Ｖ：０．０１％
以上、０．１％未満ｓｏｌ．Ａｌ：０．００２％以上、０．２％未満Ｎ：０
．００１０％以上、０．０２０％未満

【００１１】を含
み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼を１０５
０〜１３５０℃に加熱し、これを熱間圧延する際に、Ａ
ｒ３　＋２００℃以上の温度において圧下率を５０％以
上とし、仕上げ温度をＡｒ３　〜Ａｒ３　＋２００℃と
した後、空冷することを特徴とする再加熱後の高温強度
特性に優れた構造用耐火鋼材の製造方法を提供する。こ
の発明は、また、上記組成の鋼に、さらに、Ｃｕ：０．
０１％以上、１．５％未満Ｎｉ：０．０２％以上、１．５％未満Ｃｒ：０．０５％以上、１．０％未満Ｂ：０．０００５％以上、０．００５％未満Ｎｂ：０．
００５％以上、０．０５％未満

【００１２】のうち１種
または２種以上を含む鋼に対して、上記工程と同様の工
程を施すことを特徴とする再加熱後の高温強度特性に優
れた構造用耐火鋼材の製造方法を提供する。この場合に
、必要に応じて、空冷後７００℃以下に加熱し空冷する
工程、または熱間圧延後８５０℃以上に加熱する工程を
加えることができる。

【００１３】本発明において、最も重要な点は、溶接性
、コスト等を考慮した上で、鋼材を製造した状態におい
て十分に高い高温強度特性を有しているとともに、一旦
、高温状態になった後でも十分な常温・高温強度特性を
保持していることである。このようなことを考慮して、
この発明では、主としてＭｏ，Ｖ，Ｔｉを複合添加した
鋼に対して特定条件の熱間圧延を施す。これらＭｏ，Ｖ
，Ｔｉを所定量存在させることにより、溶接性を低下さ
せず、かつコストを上昇させずに、十分に高い高温強度
特性を付与することができ、かつ再加熱後の常温・高温
強度特性を十分に高いものとすることができる。

【００１４】図１に本発明の範囲内の鋼であるＭｏ−Ｖ
鋼および比較鋼であるＭｏ−Ｎｂ鋼の再加熱温度と常温
・高温強度特性との関係を示す。本発明鋼であるＭｏ−
Ｖ鋼では再加熱温度が上昇すると、むしろ常温・高温強
度が上昇し、特に、高温強度の上昇効果が顕著である。それに対して、比較鋼であるＭｏ−Ｎｂ鋼では再加熱温
度の上昇により単調に強度は低下する傾向を示す。つま
り、本発明に係る製造方法を適用することにより再加熱
後の常温・高温強度特性が改善されることが明らかであ
る。次に、各添加元素の含有量の限定理由を示す。

【００１５】Ｃ：　　Ｃは鋼の常温強度、高温強度を安
定して確保するための有効な元素である。しかし、０．
０５％未満では、所定の十分な強度を得るのが困難であ
り、また、０．２０％以上では溶接性が劣化する。この
ため、Ｃの含有量を０．０５％以上０．２０％未満に規
定する。

【００１６】Ｓｉ：　　Ｓｉは脱酸元素として有効な元
素であり少なくとも０．１％以上の添加が必要である。また、Ｓｉは固溶強化に対して有効な元素であるが、２
．０％以上の添加量では延靭性が低下したり、介在物が
増加する等の問題がある。このため、Ｓｉの含有量を０
．１％以上２．０％未満に規定する。

【００１７】Ｍｎ：　　Ｍｎは強度確保の上で有効な元
素であり、そのためには０．３％以上の添加が必要であ
る。また、２．０％以上では溶接性が劣化する。このた
め、Ｍｎの含有量を０．３％以上２．０％未満に規定す
る。

【００１８】Ｐ，Ｓ：　　Ｐ，Ｓは不純物元素であり、
延靭性の低下、加工性、溶接性の低下等の問題の原因と
なるため、できるだけ少なくすることが望ましい。しか
しながら、著しく低減するとコストの上昇を招く。この
ため、これらの含有量を、コストの上昇を招かず、しか
も顕著な材質劣化を生じない範囲である０．０３％以下
に規定する。

【００１９】Ｍｏ：　　Ｍｏは焼入性の向上、析出強化
等により鋼の強度を上昇させる有効な元素であり、特に
、中・高温強度に対しては有効である。しかし、０．１
％未満ではその効果を得ることが困難であり、また、０
．４％以上の多量添加はコスト上昇になる上に溶接性も
劣化させる。このため、Ｍｏの含有量を０．１％以上０
．４％未満に規定する。

【００２０】Ｖ：　　Ｖは微量添加でも高温強度上昇に
対して有効であるだけでなく、再加熱後の常温・高温強
度特性改善に有効な元素である。しかし、０．０１％未
満ではこのような効果が得られず、また、０．１％以上
の多量添加は溶接性を劣化させるとともにコスト上昇に
なる。このため、Ｖの含有量を０．０１％以上０．１％
未満に規定する。

【００２１】Ｔｉ：　　ＴｉはＴｉＮを形成しオーステ
ナイト粒を微細化する効果があり、靭性向上に有効であ
るとともに、固溶Ｔｉは高温状態でＴｉＣを形成し、高
温強度も上昇させ、さらに、再加熱後の常温・高温強度
靭性も改善する。しかし、０．００３％未満ではこれら
の効果が得られず、また、０．１％以上の大量添加は溶
接性を劣化させる。このため、Ｔｉの含有量を０．００
３％以上０．１％未満に規定する。

【００２２】ｓｏｌ．Ａｌ：　　ｓｏｌ．ＡｌはＡｌＮ
として鋼中に析出し、結晶粒の微細化に有効な元素であ
る。しかし、０．００２％未満ではその効果が得られず
、また、０．２％以上の添加では酸化物系の介在物が多
くなり、延靭性が劣化する。このため、ｓｏｌ．Ａｌの
含有量を０．００２％以上０．２％未満に規定する。

【００２３】Ｎ：　　ＮはＡｌＮまたはＴｉＮを析出さ
せる元素であり、結晶粒の微細化に有効である。しかし
、０．００１０％未満ではその効果が得られず、また、
０．０２０％以上の多量添加では溶接部の靭性が劣化す
る。このため、Ｎの含有量を０．００１０％以上０．０
２０％未満に規定する。

【００２４】Ｎｂ：　　Ｎｂは常温強度に有効な上に高
温強度の上昇に対しても有効な元素である。しかし、０
．００５％未満ではその効果が得られず、また、０．０
５％を超えて添加すると溶接部の靭性が劣化する。この
ため、Ｎｂの含有量を０．００５％以上０．０５％未満
に規定する。

【００２５】Ｃｕ：　　Ｃｕは固溶強化に有効な元素で
あり、また１％程度以上では析出強化も期待できる元素
である。また、耐腐食性に対しても有効である。しかし
、０．０１％未満ではその効果が得られず、また１．５
％以上の添加はコスト上昇に加えて鋼板の表面キズの問
題がある。このため、Ｃｕ含有量を０．０１％以上１．
５％未満に規定する。

【００２６】Ｎｉ：　　Ｎｉは低温靭性の向上に有効な
元素である。しかし、０．０２％未満ではその効果は小
さく、また、Ｎｉは高価であるため１．５％以上ではコ
スト上昇が著しい。このため、Ｎｉ含有量を０．０２％
以上１．５％未満に規定する。

【００２７】Ｃｒ：　　Ｃｒは固溶強化元素として有効
であり、また、高温強度の上昇および耐食性に対しても
有効である。しかし、０．０５％未満ではその効果が得
られず、また、１．０％以上ではコスト上昇とともに、
溶接性を劣化させる。このため、Ｃｒの含有量を０．０
５％以上１．０％未満に規定する。

【００２８】Ｂ：　　Ｂは微量添加で鋼の焼入性を上昇
させる有効な元素であり、０．０００５％以上であれば
十分にその効果を示す。また、０．００５％以上では、
焼入性向上効果も小さくなるとともに、溶接性を劣化さ
せる。このため、Ｂの含有量を０．０００５％以上０．
００５％未満に規定する。次に、製造プロセスについて
説明する。

【００２９】まず、上述の成分組成の鋼を１０５０〜１
３５０℃に加熱する。これは、加熱温度が１０５０℃未
満では所定の圧延終了温度を確保することが不可能であ
り、１３５０℃を超えると加熱コストが顕著に増大する
ためである。

【００３０】次いで、熱間圧延を施す。この場合に、所
望の特性を得るためにはオーステナイト結晶粒の微細化
を図る必要があるが、そのためにオーステナイト再結晶
域での加工を十分に行う必要があり、少なくとも５０％
以上の加工が必要である。この観点から、熱間圧延条件
を、オーステナイト再結晶域であるＡｒ３　＋２００℃
以上の温度域において圧下率を５０％以上とした。

【００３１】また、圧延仕上げ温度がＡｒ３　温度未満
では、二相域圧延となり、常温強度が著しく高くなると
ともに、鋼材の特性の異方性が顕著になる。このような
観点から、仕上げ温度をＡｒ３　以上に規定する。また
、Ａｒ３　＋２００℃以上において圧下率を５０％以上
とする観点から、仕上げ温度の上限はＡｒ３　＋２００
℃とした。

【００３２】なお、必要に応じて、７００℃以下の温度
に加熱した後空冷する工程を加えることもできる。これ
により、熱間圧延後に生じた歪等の除去および切断後に
発生する歪の防止を図ることができる。この温度が７０
０℃を超えると、部分的に二相域に加熱される可能性が
あるため、この際の加熱温度の上限を７００℃とした。

【００３３】本発明においては、上述のように圧延まま
あるいはその後の７００℃以下での加熱−空冷によって
所定の特性が達成できるが、熱間圧延後に８５０℃以上
に加熱する工程を付加することによって、製造した鋼材
を熱間加工あるいは組織の微細化により低温靭性を向上
させることも可能である。この場合に、８５０℃未満の
温度では組織の微細化が達成できないとともに、低温靭
性向上効果が小さい。このため、この際の加熱温度を８
５０℃以上にする。

【００３４】

【実施例】以下、この発明の実施例について説明する。

【００３５】表１に供試鋼に化学成分およびＡｒ３　温
度を示す。符号Ａ〜Ｆの鋼は本発明の範囲内の成分・組
成のものであり、符号Ｇ，Ｈは本発明の成分・組成から
外れる比較鋼である。比較鋼Ｇは本発明の範囲内の鋼Ｃ
の比較であり、比較鋼Ｇでは本発明で必須元素であるＶ
が添加されていない。同様に、比較鋼Ｈは本発明鋼Ａの
比較であり、この比較鋼ＨにもやはりＶが添加されてお
らず、本発明の範囲外になっている。

【００３６】表２に供試鋼Ａ〜Ｈを用いて製造した鋼板
（板厚３５ｍｍ）の製造条件および常温引張試験、高温
引張試験結果を示す。高温引張試験に関しては、製造ま
ま材で実施するとともに、６００℃に再加熱した鋼材に
ついても実施した。表２において、符号の頭に示された
アルファベットは表１のＡ〜Ｈに対応し、例えばＡ−１
と表記してある場合は、表１に示した鋼Ａを用いたこと
を示す。

【００３７】符号Ａ−１〜３、Ｂ、Ｃ−１、Ｄ、Ｅ−１
、Ｅ−２、Ｆ−１、Ｆ−２は本発明の範囲内の成分・組
成、および製造条件を満足する実施例であり、符号Ａ−
４、Ｃ−２、Ｇ−１，２、Ｈ−１〜３はこれらの範囲か
ら外れる比較例である。

【００３８】表２から明らかなように、実施例の場合に
は、圧延ままでも、熱処理後においても、再加熱後の高
温降伏強度（ＹＳ）が製造ままの高温降伏強度よりも２
〜３ｋｇｆ／ｍｍ２　程度以上上昇している。この結果
から、本発明の範囲内であれば、火災を想定した再加熱
処理後の高温強度特性が優れていることが確認された。

【００３９】これに対して、比較例のＡ−４は成分・組
成は本発明の範囲内であるが、熱処理温度が本発明の範
囲外であるため、実施例のＡ−３に比較して常温強度、
高温強度が著しく低くなっている。また、比較例のＣ−
２も成分・組成は本発明の範囲内であるが、仕上げ温度
がＡｒ３　温度以下になっている。このため、常温強度
が実施例のＣ−１よりも著しく高くなっているが、高温
強度は本発明鋼と同等程度であり、常温強度と高温強度
のバランスが著しく悪くなっている。さらに、再加熱後
の高温強度の上昇効果も実施例のＣ−１に比較して小さ
く、本発明の目的としている再加熱後の良好な高温強度
特性が得られていない。

【００４０】比較例のＧ−１〜Ｈ−３は、表１に示した
ように、成分・組成が本発明の範囲外であるため、製造
条件が本発明の範囲内であるにもかかわらず、再加熱後
の高温強度は、製造まま材の高温強度よりもむしろ低下
しており、本発明の目的としている再加熱後の良好な高
温強度特性が得られていない。この中でＨ−１は実施例
Ｃ−１の比較である。Ｈ−１の製造ままの高温強度はＣ
−１とほぼ同等であるが、再加熱後の高温強度はＨ−１
では低下しているのに対してＣ−１では約２ｋｇｆ／ｍ
ｍ２　上昇している。

【００４１】このように、本発明の範囲内の成分・組成
および製造条件の鋼では６００℃程度における高温強度
特性に優れているとともに、火災後の再使用を考慮した
場合でも、再加熱後の高温強度はむしろ上昇し、構造用
耐火鋼材として優れた特性を有していることが確認され
た。

【００４２】

【発明の効果】この発明によれば、高価な合金元素を多
量に添加しなくても高温において高い強度を保持し、か
つ、一旦高温状態になった後でも良好な高温強度特性を
維持し、または向上させることができ、さらに、従来の
構造用鋼材の利点である高溶接性、高い延靭性を有する
再加熱後の高温強度特性に優れた構造用耐火鋼材の製造
方法が提供される。このため、従来、耐火特性を要求さ
れていた構造物で当然使用されていた耐火被覆の厚さを
低減あるいは設計・施工法の簡便化が期待できるととも
に、その他の耐火に対する対策も軽減できる等の効果が
ある。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明鋼と比較鋼の再加熱後の常温、高温引張
試験の結果を示すグラフ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　重量％表示で、Ｃ：０．０５％以上、０．２０％未満Ｓｉ：０．１％以上、２．０％未満Ｍｎ：０．３％以上、２．０％未満Ｐ：０．０３％以下Ｓ：０．０３％以下Ｍｏ：０．１％以上、０．４％未満Ｔｉ：０．００３％以上、０．１％未満Ｖ：０．０１％
以上、０．１％未満ｓｏｌ．Ａｌ：０．００２％以上、０．２％未満Ｎ：０
．００１０％以上、０．０２０％未満を含み、残部がＦ
ｅおよび不可避不純物からなる鋼を１０５０〜１３５０
℃に加熱し、これを熱間圧延する際に、Ａｒ３　＋２０
０℃以上の温度において圧下率を５０％以上とし、仕上
げ温度をＡｒ３　〜Ａｒ３　＋２００℃とした後、空冷
することを特徴とする再加熱後の高温強度特性に優れた
構造用耐火鋼材の製造方法。
【請求項２】　　さらに、前記空冷後７００℃以下に加
熱し空冷する工程を加えたことを特徴とする請求項１に
記載の再加熱後の高温強度特性に優れた構造用耐火鋼材
の製造方法。
【請求項３】　　さらに、熱間圧延後８５０℃以上に加
熱する工程を加えたことを特徴とする請求項１に記載の
再加熱後の高温強度特性に優れた構造用耐火鋼材の製造
方法。
【請求項４】　　重量％表示で、Ｃ：０．０５％以上、０．２０％未満Ｓｉ：０．１％以上、２．０％未満Ｍｎ：０．３％以上、２．０％未満Ｐ：０．０３％以下Ｓ：０．０３％以下Ｍｏ：０．１％以上、０．４％未満Ｔｉ：０．００３％以上、０．１％未満Ｖ：０．０１％
以上、０．１％未満ｓｏｌ．Ａｌ：０．００２％以上、０．２％未満Ｎ：０
．００１０％以上、０．０２０％未満を含み、さらにＣｕ：０．０１％以上、１．５％未満Ｎｉ：０．０２％以上、１．５％未満Ｃｒ：０．０５％以上、１．０％未満Ｂ：０．０００５％以上、０．００５％未満Ｎｂ：０．
００５％以上、０．０５％未満のうち１種または２種以
上を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼を
１０５０〜１３５０℃に加熱し、これを熱間圧延する際
に、Ａｒ３　＋２００℃以上の温度において圧下率を５
０％以上とし、仕上げ温度をＡｒ３〜Ａｒ３　＋２００
℃とした後、空冷することを特徴とする再加熱後の高温
強度特性に優れた構造用耐火鋼材の製造方法。
【請求項５】　　さらに、前記空冷後７００℃以下に加
熱し空冷する工程を加えたことを特徴とする請求項４に
記載の再加熱後の高温強度特性に優れた構造用耐火鋼材
の製造方法。
【請求項６】　　さらに、熱間圧延後８５０℃以上に加
熱する工程を加えたことを特徴とする請求項４に記載の
再加熱後の高温強度特性に優れた構造用耐火鋼材の製造
方法。