JPH04308033A

JPH04308033A - 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: JPH04308033A
Application number: JP7169691A
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; Kotaro Hatakeyama; 畠山　耕太郎
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1991-04-04
Filing date: 1991-04-04
Publication date: 1992-10-30
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: JP2551254B2

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１００
０〜１３５０℃に加熱し、これを熱間圧延する際に、９
００℃以上の温度において圧下率を３０％以上とし、仕
上げ温度をＡｒ３　−１００℃〜Ａｒ３　＋１００℃と
した後、冷却速度２〜２０℃／秒で強制的に冷却し、４
００〜６００℃で冷却を停止し、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、冷却停止後、７００℃以下に際加熱し
てから空冷することもできる。

【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、
、本願発明者等が上記課題を解決するために鋭意検討し
た結果、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とにより、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
ことを見出した。上記内容の本発明は、このような本願
発明者等の知見に基づいてなされたものである。次に、
各添加元素の含有量の限定理由を示す。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】まず、上述の成分組成の鋼を１０００〜１
３５０℃に加熱する。これは、加熱温度が１０００℃未
満では所定の圧延終了温度を確保することが困難である
と共に、圧延に伴う歪等が著しくなり、逆に１３５０℃
を超えると加熱コストが顕著に増大するためである。

【００２９】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３０％
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９００℃以上の温度
域において圧下率を３０％以上とした。

【００３０】圧延仕上げ温度がＡｒ３　〜Ａｒ３　−１
００℃の範囲では二相域圧延となり、強度が上昇する効
果があるが、Ａｒ３　−１００℃未満では圧延後の強制
冷却による強度上昇効果が小さくなると共に、鋼材の特
性の異方性が顕著になる。また、Ａｒ３　〜Ａｒ３　＋
１００℃の範囲では、未再結晶域での圧延効果により結
晶粒径が微細化する効果があると共に、強制冷却による
強度上昇効果が明確であるが、Ａｒ３　＋１００℃を超
える温度では、強制冷却による効果はあるものの、結晶
粒径が粗大であるため、延靱性が著しく低下する。この
ため、仕上げ温度をＡｒ３−１００℃〜Ａｒ３　＋１０
０℃の範囲とした。

【００３１】その後の強制冷却は、上述したように、強
度上昇効果を付与するものであるが、その冷却速度が２
〜２０℃／秒から外れると、所望の効果が得られない。しかし、４００〜６００℃に至った後は、空冷しても何
等差支えない。

【００３２】なお、熱間圧延後に生じた歪等の除去及び
切断後に発生する歪の防止等の観点から、必要に応じて
、強制冷却後７００℃以下の温度に加熱してから空冷し
てもよい。７００℃以下としたのは、７００℃を超える
と部分的に二相域に加熱される可能性があり材質が著し
く変化するからである。

【００３３】

【実施例】以下、この発明の実施例について説明する。

【００３４】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。

【００３５】表２に供試鋼Ａ〜Ｈを用いて製造した鋼板
（板厚４０ｍｍ）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。符号Ａ−１〜Ｆ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Ｇ−１
〜Ｈはこれらの範囲から外れる比較例である。

【００３６】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。

【００３７】比較例のＧ−１〜２は、製造条件が本発明
の範囲内であるが、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、実施例のＣと比較して、製
造ままの常温強度、高温強度が同等程度であるのにもか
かわらず、再加熱後の高温強度が著しく低下しており、
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。同様に、比較例Ｈは対応する実施例
Ａ−１に比較して、製造ままの常温・高温強度は同等水
準であるが、再加熱後の高温強度は低下しており、本発
明の目的を満足していないことが確認された。

【００３８】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。

【００３９】

【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。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

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１０００〜１３５０
℃に加熱し、これを熱間圧延する際に、９００℃以上の
温度において圧下率を３０％以上とし、仕上げ温度をＡ
ｒ３　−１００℃〜Ａｒ３　＋１００℃とした後、冷却
速度２〜２０℃／秒で強制的に冷却し、４００〜６００
℃で冷却を停止し、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】　　前記冷却停止後、７００℃以下に際加
熱し空冷する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製造用耐火鋼材の構造方法。
【請求項３】　　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
１０００〜１３５０℃に加熱し、これを熱間圧延する際
に、９００℃以上の温度において圧下率を３０％以上と
し、仕上げ温度をＡｒ３　−１００℃〜Ａｒ３　＋１０
０℃とした後、冷却速度２〜２０℃／秒で強制的に冷却
し、４００〜６００℃で冷却を停止し、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４】　　前記冷却停止後、７００℃以下に際加
熱し空冷することを特徴とする請求項３に記載の再加熱
後の高温強度特性に優れた製造用耐火鋼材の構造方法。