JPH05117745A

JPH05117745A - 建築構造用４９０Ｎ／ｍｍ２級耐候性耐火鋼材の製造方法

Info

Publication number: JPH05117745A
Application number: JP27560491A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Yano; 和彦矢野; Shoji Tone; 正二登根; Kiyoshi Iwai; 清岩井; Yoshiyuki Nakatani; 義幸中谷
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-10-23
Filing date: 1991-10-23
Publication date: 1993-05-14

Abstract

(57)【要約】【目的】 600℃で常温耐力の 2/3以上を有する建築用
耐候性鋼材を製造する。【構成】 C:0.03〜0.08％、 Si:0.05〜0.60％、 Mn:0.
50〜1.50％、P:0.02％以下、S:0.005 ％以下、 Cu:0.30
〜0.60％、Ni:0.005〜0.40％、 Cr:0.45〜1.00％、 Mo:
0.05〜0.15％、Nb:0.005〜0.040 ％、Ti:0.005〜0.030
％含有し、必要により V:0.005〜0.080 ％、 Ca:0.0005
〜0.0050％のうちから１種または２種含有し、かつ、Mo
＋Nb＋ V＋Ti≦0.15％、Ceq:0.40％以下である鋼片を10
50〜1200℃の温度域に加熱し、1000℃以下での圧下率を
50％以上とし、 850〜900 ℃の温度範囲で圧延を終了し
た後、Ａr₃変態点以上の温度から、 3〜20℃／秒の冷却
速度で 400〜550 ℃の温度範囲まで加速冷却する。 Ceq＝ C＋Si/24 ＋Mn/6＋ Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14
（％）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、建築物の主要部材であ
る柱や梁を建築物の外にだした「外部鉄骨架構」に使用
される鋼材の製造方法に関し、詳しくは、耐候性に優
れ、十分な高温強度と優れた溶接性を有する建築構造用
490N/mm²級耐候性耐火鋼材の製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】建築構造物では、火災時に鉄骨が高温に
さらされると強度が下がり、建築物としての耐力が低下
するため、建築基準法により鉄骨の耐火被覆施工が義務
づけられている。

【０００３】従来の建築構造用490N/mm²級鋼材では、 3
50℃を超えると火災時に構造部材に要求される長期耐力
（常温耐力の 2/3）の217N/mm²を下回るため、鉄骨の温
度が350℃を超えないように工事費、工期などの面から
は足かせとなる耐火被覆を施している。

【０００４】しかし、最近追加された「新耐火設計法」
では、 600℃における耐力が常温耐力の 2/3以上を有す
る高温耐力の優れた鋼材（耐火鋼材）を使用すれば、耐
火被覆の簡略あるいは省略が認められるようになってい
る。特に、建築物を「外部鉄骨架構」とした場合、鋼材
は火災時に窓等からの火炎の吹き出しによる温度上昇し
か受けないため、鋼材温度が 600℃以下となり無被覆に
できる可能性が極めて高く、耐候性を有した耐火鋼材の
必要性が高まっている。

【０００５】また、 600℃での耐力が常温耐力の 2/3以
上を満足する建築用鋼材として、特開平 3−6322号公報
が提案されているが、この鋼材は耐候性を有する耐火鋼
材を目的としたものではない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】「外部鉄骨架構」に使
用される鋼材としては、JIS G 3114に規定される溶接構
造用耐候性鋼材があるが、この鋼材は 600℃での耐力が
常温耐力の 2/3（217N/mm²）を満足しない。現在、高温
耐力の優れた鋼材としては、ボイラ・圧力容器用として
広く使用されているCr−Mo鋼材がある。この鋼材は、 6
00℃での耐力は217N/mm²以上を有するが、 Ceqが高いた
めに、溶接性および大入熱溶接継手靱性が悪く、溶接施
工上難点がある。また、このCr−Mo鋼材は、ボイラ・圧
力容器用のため、耐候性を有していない。

【０００７】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたもので、耐候性および高温耐力確保に有効な元
素を添加し、さらに Ceqを規制して、制御圧延、加速冷
却を行うことによって、十分な高温耐力と耐候性を有
し、しかも、従来の溶接構造用耐候性鋼材と同様の設計
・施工が可能な母材特性、溶接性および溶接継手靱性の
優れた建築構造用490N/mm²級耐候性耐火鋼材の製造方法
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来の建築用
鋼材における上記の問題点に鑑み、前述の先行発明とは
異なった観点から、本発明者らが鋭意研究を行なった結
果、化学成分を限定し、制御圧延および加速冷却を適用
することにより、 Ceqを大幅に低減でき、溶接性と溶接
継手靱性の優れた耐候性を有する490N/mm²級耐火鋼材の
製造が可能であるという知見を得て完成されたものであ
る。

【０００９】すなわち、制御圧延法あるいは焼きならし
法による耐候性を有する490N/mm²級鋼材ではフェライト
とパーライトが主体の混合組織であるのに対し、Mo、Nb
を添加した本発明鋼材では、制御圧延直後から加速冷却
を行うことによりベイナイトが主体の組織となる。これ
が高温耐力を大幅に上昇させる主因であることを明らか
にし、低 Ceqの490N/mm²級耐火鋼材の製造を可能とし
た。

【００１０】本発明の第１発明は、C:0.03〜0.08％、 S
i:0.05〜0.60％、 Mn:0.50〜1.50％、P:0.02％以下、S:
0.005 ％以下、 Cu:0.30〜0.60％、Ni:0.005〜0.40％、
Cr:0.45 〜1.00％、 Mo:0.05〜0.15％、Nb:0.005〜0.04
0 ％、Ti:0.005〜0.030 ％を含有し、かつ、Mo＋Nb＋Ti
≦0.15％とし、残部がFeおよび不可避的不純物からな
り、さらに、下記式で規定される Ceqの値が0.40％以下
である鋼片を1050〜1200℃の温度域に加熱し、1000℃以
下での圧下率を50％以上とし、 850〜900 ℃の温度範囲
で圧延を終了した後、Ａr₃変態点以上の温度から、 3〜
20℃／秒の冷却速度で 400〜550 ℃の温度範囲まで加速
冷却する建築構造用490N/mm²級耐候性耐火鋼材の製造方
法である。 Ceq＝ C＋Si/24 ＋Mn/6＋ Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14
（％）

【００１１】第２発明は、さらに V:0.005〜0.080 ％、
Ca:0.0005〜0.0050％のうちから１種または２種を含有
し、かつ、Mo＋Nb＋ V＋Ti≦0.15％とする請求項１記載
の建築構造用490N/mm²級耐候性耐火鋼材の製造方法であ
る。

【００１２】

【作用】以下に、本発明をさらに詳細に説明する。ま
ず、本発明の化学成分の限定理由について説明する。C
は、強度上昇に寄与する元素であるが、0.03％未満では
強度を確保することは困難であり、また、0.08％を超え
て多量に添加すると溶接性および靱性を劣化させる。し
たがって、 Cの添加量は0.03〜0.08％の範囲とする。

【００１３】Siは、脱酸のために必須の元素であるが、
0.05％未満ではその効果が少なく、また、0.60％を超え
て添加すると溶接性を劣化させる。このため、Siの添加
量は0.05〜0.60％の範囲とする。

【００１４】Mnは、鋼の強度および靱性を確保するため
に必要な元素であるが、0.50％未満ではこのような効果
は少なく、また、1.50％を超えて多量に添加すると溶接
性および靱性を劣化させる。したがって、Mnの添加量は
0.50〜1.50％の範囲とする。

【００１５】P は、 0.020％を超えて添加すると、ミク
ロ偏析により溶接性および靱性を劣化させる。したがっ
て、 Pの添加量は0.020 ％以下とする。

【００１６】S は、 0.005％を超えて添加すると、粗大
なＡ系介在物を形成しやすくなり、靱性を劣化させる。
したがって、 Sの添加量は0.005 ％以下とする。

【００１７】Cuは、耐候性に有効な元素であり、また析
出強化による強度上昇に寄与する元素であるが、0.30％
未満ではこのような効果は少なく、また、0.60％を超え
て添加すると、熱間加工割れが発生しやすい。したがっ
て、Cuの添加量は0.30〜0.60％の範囲とする。

【００１８】Crは、Cuと同様、耐候性および高温強度の
上昇に有効な元素であるが、0.45％未満ではこのような
効果は少なく、また、1.00％を超えて多量に添加すると
溶接性および溶接継手靱性が劣化する。したがって、Cr
の添加量は0.45〜1.00％の範囲とする。

【００１９】Niは、強度と靱性の向上および含Cu鋼の熱
間加工割れ発生防止に有効な元素であるが、0.05％未満
ではこのような効果は少なく、また、0.40％を超えて添
加してもこのような効果は飽和し、経済的にも無駄であ
る。したがって、Niの添加量は0.05〜0.40％の範囲とす
る。

【００２０】Moは、高温強度を確保するために不可欠の
元素であり、 600℃における耐力を大幅に上昇させる。
しかしながら、0.05％未満ではこのような効果は少な
く、また、0.15％を超えて添加すると溶接性および溶接
継手靱性が劣化する。したがって、Moの添加量は0.05〜
0.15％の範囲とする。

【００２１】Nbは、析出強化および変態強化による高温
強度の上昇と、細粒化による靱性の向上が図れる元素で
あるが、 0.005％未満ではこのような効果は少なく、ま
た、0.040％を超えて過多に添加すると溶接継手靱性が
劣化する。したがって、Nbの添加量は 0.005〜0.040％
の範囲とする。

【００２２】Tiは、溶接熱影響部のオーステナイト粒の
粗大化を抑制するとともに、微細フェライトの生成促進
により、溶接継手靱性の向上に有効な元素である。しか
し、0.005％未満ではかかる効果は少なく、また、0.030
％を超えて添加すると溶接性が劣化する。したがって、
Tiの添加量は 0.005〜0.030 ％の範囲とする。

【００２３】なお、本発明における第２発明では、上記
の元素の他に必要に応じて、 VおよびCaのうちから１種
または２種を添加することができる。

【００２４】V は、析出強化により強度上昇に有効な元
素であるが、 0.005％未満ではこのような効果はほとん
ど期待出来ず、また、 0.080％を超えて過多に添加する
と溶接性が劣化する。したがって、 Vの添加量は 0.005
〜0.080 ％の範囲とする。

【００２５】Caは、微量で板厚方向の特性を改善する元
素であるが、0.0005％未満ではこのような効果は少な
く、また、0.0050％を超えて添加するとこのような効果
は飽和するとともに、大型介在物が発生して超音波欠陥
を生じやすくなる。このため、Caの添加量は0.0005〜0.
0050％の範囲とする。

【００２６】さらに、第１発明および第２発明とも、溶
接部の低温割れおよび大入熱溶接時の熱影響部（ＨＡ
Ｚ）の靱性の劣化を防止するために、Mo、Nb、 V、Tiの
個々の添加範囲を限定する一方、その総量を0.15％と
し、かつ炭素当量（Ceq ）を0.40％以下に限定する。

【００２７】つぎに、本発明における製造条件の限定理
由について説明する。加熱温度については、高温強度の
確保に必要なNbおよびMoを鋼中に固溶させるために、下
限を1050℃とし、一方、Cu添加による熱間圧延中での加
工割れを防止するために、上限を1200℃とする。

【００２８】また、1000℃以下での圧下率は靱性の確保
に有効な細粒オーステナイトを得るために50％以上が必
要である。

【００２９】さらに、圧延終了温度は 850℃未満の場
合、フェライトの細粒化により、降伏比が高くなり、耐
震性の面から建築構造用鋼材に要求される80％以下の降
伏比を得ることができない。一方、圧延終了温度が 900
℃を超えると、オーステナイトが粗粒となるため、母材
靱性が劣化する。したがって、圧延終了温度は 850〜90
0 ℃の範囲とする。

【００３０】上記条件による熱間圧延終了後、加速冷却
を行なうが、高温耐力を向上させるベイナイト量を増加
させるには冷却開始までの時間が短く、冷却開始が高温
ほど望ましい。特に冷却開始温度がＡr₃変態点より低く
なると、フェライトが生成し、冷却による高温強度の上
昇効果が小さくなるため、冷却開始温度の下限はＡr₃変
態点とする。また、冷却速度は20℃／秒を超える強冷却
を行うと、強度が規格上限を超え、一方、 3℃／秒より
も遅い冷却速度では強度上昇効果が小さくなる。したが
って、冷却速度は 3〜20℃／秒の範囲とする。

【００３１】さらに、冷却停止温度は 400〜550 ℃に限
定する。これは 400℃未満では島状マルテンサイトが生
成し、母材靱性が著しく劣化するためであり、また、 5
50℃を超えると、強度上昇効果が小さくなるためであ
る。

【００３２】以上の製造方法を用いることにより、従
来、Ceq が高いために溶接性および大入熱溶接継手靱性
が悪く、溶接施工上難点があるCr−Mo鋼に替えて、溶接
性と溶接継手靱性の優れた耐候性を有する490N/mm²級耐
火鋼材の製造が可能であ。

【００３３】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明するが、本発明
はこれにより限定されるものではない。供試鋼板は表１
に示す化学成分を有する鋼片を表２に示す加熱・圧延条
件および冷却条件にしたがって、板厚25mmに仕上げたも
のである。これらの鋼板から試験片を採取し、常温引張
試験、シャルピ衝撃試験、600℃の高温引張試験、最高
硬さ試験および再現熱サイクルシャルピ試験を行った。
その結果を表３に示す。なお、再現熱サイクルの条件は
加熱温度を1350℃とし、 800から500 ℃までの冷却時間
を 220秒とした。また、最高硬さ試験はJIS Z 3101に準
じて行った。

【００３４】表１に本発明鋼Ａ〜Ｄおよび比較鋼Ｅ〜Ｇ
の化学成分を、表２に加熱・圧延条件および冷却条件
を、表３に引張特性、衝撃特性、高温特性、大入熱ＨＡ
Ｚ靱性および溶接性をそれぞれ示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】

【表３】

【００３８】表３から明らかなように、本発明鋼Ａ〜Ｄ
は、いずれも 600℃における耐力が217N/mm²以上と優れ
た高温耐力を有し、常温の引張特性は490N/mm²級の規格
値を（降伏点または耐力:315N/mm² 以上、引張強さ:490
〜610N/mm²、降伏比:80 ％以下）をもちろん満足してい
る。かつ、再現熱サイクルシャルピ試験における吸収エ
ネルギ vＥ₂₀は 100Ｊ以上であり、大入熱ＨＡＺ靱性も
良好である。さらに、最高硬さもHV350 未満であり、良
好な溶接性を有している。また、シャルピ試験における
母材の破面遷移温度も−40℃以下と良好である。

【００３９】一方、比較鋼Ｅは、C およびCeq が本発明
の範囲から高めに外れているため、常温での引張強さが
高く、母材靱性、大入熱ＨＡＺ靱性および溶接性が悪
い。比較鋼Ｆは、MoおよびMo＋Nb＋ V＋Tiが本発明の範
囲から高めに外れているため、大入熱ＨＡＺ靱性および
母材靱性ともに悪い。比較鋼ＧはMoおよびV が添加され
ていないため、 600℃における耐力が低い。

【００４０】また、比較鋼Ａ１〜Ａ４は、表１に示す本
発明鋼Ａの鋼片を本発明の製造条件範囲外で製造したも
のであるが、比較鋼Ａ１は圧延終了温度が本発明の範囲
から高めに外れているため、オーステナイトが粗粒とな
り母材靱性が悪い。比較鋼Ａ２は加速冷却を行っていな
い（圧延まま）ため、フェライト−パーライト主体の組
織となり、常温強度および高温耐力とも低い。比較鋼Ａ
３は冷却開始温度Ａr₃変態点以下のため、ベイナイトの
生成が少なく、常温強度および高温耐力が低い。さらに
比較鋼Ａ４は冷却速度が本発明の範囲から高めに外れて
いるため、常温での引張強さが490N/mm²級鋼材の規格上
限値（610N/mm²）を超え、かつ母材靱性も悪い。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる建
築構造用490N/mm²級耐候性耐火鋼材の製造方法は、耐候
性および高温耐力確保に有効な元素を添加し、さらに C
eqを規制して、制御圧延、加速冷却を行うことによっ
て、十分な高温耐力と耐候性を有し、溶接性および溶接
継手靱性の優れた建築構造用490N/mm²級耐候性耐火鋼材
を製造するものであって、本発明によれば、耐候性を有
し、 600℃における十分な耐力と良好な溶接性、溶接継
手靱性とを兼ね備え、かつ、降伏比の低い鋼材を製造す
ることが可能である。このため、従来必要とされていた
耐火被覆の省略が可能な建築物の「外部鉄骨架構」への
適用が可能であるとともに、さらに、溶接施工および耐
震性の点からも、構造物の安全性を高めることができる
という優れた効果を有するものであり、産業上極めて有
用である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 C:0.03〜0.08％、 Si:0.05〜0.60％、 M
n:0.50〜1.50％、P:0.02％以下、S:0.005 ％以下、 Cu:
0.30〜0.60％、Ni:0.005〜0.40％、Cr:0.45〜1.00％、
Mo:0.05〜0.15％、Nb:0.005〜0.040 ％、Ti:0.005〜0.0
30 ％を含有し、かつ、Mo＋Nb＋Ti≦0.15％とし、残部
がFeおよび不可避的不純物からなり、さらに、下記式で
規定される Ceqの値が0.40％以下である鋼片を1050〜12
00℃の温度域に加熱し、1000℃以下での圧下率を50％以
上とし、 850〜900 ℃の温度範囲で圧延を終了した後、
Ａr₃変態点以上の温度から、 3〜20℃／秒の冷却速度で
400〜550 ℃の温度範囲まで加速冷却することを特徴と
す建築構造用490N/mm²級耐候性耐火鋼材の製造方法。 Ceq＝ C＋Si/24 ＋Mn/6＋ Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14
（％）
【請求項２】さらに V:0.005〜0.080 ％、 Ca:0.0005
〜0.0050％のうちから１種または２種を含有し、かつ、
Mo＋Nb＋ V＋Ti≦0.15％とする請求項１記載の建築構造
用490N/mm²級耐候性耐火鋼材の製造方法。