JPH07173532A - 溶接性の優れた建築用低降伏比型耐火鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 C:0.04〜0.15％、 Si:0.05〜0.60％、 Mn:0.
50〜1.50％、Mo:0.10 〜0.40％、Nb:0.005〜0.060 ％、
V:0.005〜0.060 ％、Ti:0.005〜0.030 ％、Al:0.002〜
0.10％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からな
り、かつ、下記(1) 式で規定される P_CMの値が0.20％以
下である鋼片を1050℃以上の温度に加熱し、 850〜950
℃の温度範囲で圧延終了後、空冷し、 700〜750 ℃の温
度から 3〜20℃／秒の冷却速度で 400〜550 ℃の温度ま
で加速冷却したのち、 500〜650 ℃の温度で焼戻しす
る。また、必要に応じて、 Cu:0.05〜0.40％、 Ni:0.05
〜0.50％、 Cr:0.10〜0.40％、 Ca:0.0005〜0.0050％の
内の１種以上を添加することができる。 P_CM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B（％）……(1) 【効果】 高温で高い耐力を確保し、かつ、常温の降伏
比が低く、さらに優れた溶接性および条切り特性を有す
る溶接性の優れた建築用低降伏比型耐火鋼を得ることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐火鋼の製造方法に関
し、詳しくは、 600℃の高温においても高い耐力を有
し、かつ溶接性の優れた建築用低降伏比型耐火鋼の製造
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Si−Mn系の建築用鋼では、 350℃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、工期などの面から足かせと
なる耐火被覆を施している。

【０００４】しかし、最近提起された『新耐火設計法』
では、鋼材の高温耐力に基づき設計が行われるために高
温耐力の優れた鋼材（耐火鋼材）を使用すれば、耐火被
覆の削減あるいは省略が認められるようになった。

【０００５】現状、高温耐力の優れた鋼としては、ボイ
ラ・圧力容器用として広く使用されているCr−Mo鋼があ
る。本鋼は、 600℃の耐力は217N/mm²以上と優れている
が、合金元素を多量に含有するために耐溶接割れ性が悪
く、溶接施工が難しい。このために、 600℃で高い耐力
を有し、従来と同じ設計・施工のできる耐火鋼が幾つか
提案されている。

【０００６】例えば、特開平3-173715号公報に開示され
ている鋼は、Cr、Mo、Nbを複合添加し、制御圧延法によ
り製造され、優れた高温耐力を有しているが、制御圧延
法であり、 P_CMの値が高く、溶接性が良くない。また、
特開平3-6322号公報に開示されている鋼は、多量のMoを
添加した鋼をＡr₃点以下から加速冷却することによりミ
クロ組織をフェライトとベイナイトの混合組織とし、常
温の降伏比を低く抑え、600 ℃の強度を確保している。
しかし、加速冷却のままではガス切断により条切りを行
う際、残留応力が高いために横曲がりや反りの形状不良
を生じやすいという欠点がある。

【０００７】一方、加速冷却による残留応力を低減させ
るために焼戻しを行うと、Mo、Nbなどの炭窒化物が析出
し常温の降伏比を上昇させるために、通常、建築設計で
要求されている降伏比80％以下を満足することができな
い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】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、化学成分を調整
し、圧延終了温度を限定し、圧延終了後加速冷却を行
い、その後、焼戻しすることによって、高温で高い耐力
を確保し、さらに常温の降伏比が低く、かつ優れた溶接
性および条切り特性を有する溶接性の優れた建築用低降
伏比型耐火鋼の製造方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来の建築用
耐火鋼における上記の問題点に鑑み、本発明者らが鋭意
研究を行った結果、化学成分を限定し、Delayed 加速冷
却−焼戻し法を適用することにより、高温で高い耐力を
確保し、さらに常温の降伏比が低く、かつ優れた溶接性
および条切り特性を有する建築用耐火鋼を製造するとい
うものである。つまり、低 P_CMで高強度を確保するとと
もに優れた条切り特性を有するためには、熱間圧延後に
Ａr₃点以上の温度からの加速冷却とその後の焼戻しが有
効であるが、この方法ではミクロ組織がベイナイトとな
り、しかも焼戻し時にMo、Nbが析出するために降伏比が
高くなる。そこで、オーステナイトとフェライトの二相
域から加速冷却を行った後、焼戻しを行うことにより、
ミクロ組織を軟質相のフェライトとベイナイトの混合組
織とし、降伏比を低下できることを明らかにし、溶接性
および条切り特性の優れた建築用低降伏比型耐火鋼の製
造方法を可能とした。

【００１０】その要旨は、(1) C:0.04〜0.15％、 Si:0.
05〜0.60％、 Mn:0.50〜1.50％、Mo:0.10 〜0.40％、N
b:0.005〜0.060 ％、 V:0.005〜0.060 ％、Ti:0.005〜
0.030％、Al:0.002〜0.10％を含有し、残部がFeおよび
不可避的不純物からなり、かつ、下記(1) 式で規定され
る P_CMの値が0.20％以下である鋼片を1050℃以上の温度
に加熱し、 850〜950 ℃の温度範囲で圧延終了後、空冷
し、 700〜750 ℃の温度から 3〜20℃／秒の冷却速度で
400〜550 ℃の温度まで加速冷却したのち、 500〜650
℃の温度で焼戻しする溶接性の優れた建築用低降伏比型
耐火鋼の製造方法である。 P_CM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B（％）……(1)

【００１１】(2) 上記(1) に、さらに Cu:0.05〜0.40
％、 Ni:0.05〜0.50％、 Cr:0.10〜0.40％、 Ca:0.0005
〜0.0050％の内から選んだ１種または２種以上を含有す
る溶接性の優れた建築用低降伏比型耐火鋼の製造方法で
ある。

【００１２】

【作用】以下に、本発明における加熱、圧延、加速冷却
および熱処理条件の限定理由について説明する。

【００１３】加熱温度を1050℃以上に限定した理由は、
常温強度および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である。さらに、圧延終了温度につ
いては、圧延終了温度が 850℃未満の場合は、フェライ
トの細粒化により常温の降伏比が高くなり、80％以下の
降伏比を得ることができず、また、集合組織が発生し、
これに起因して音響異方性が高くなり、超音波斜角探傷
において屈折角や探傷位置が変化するために溶接部の健
全性が検査できなくなる。一方、圧延終了温度が 950℃
を超えると、オーステナイトが粗粒となるために靱性が
劣化する。したがって、圧延終了温度は 850〜950 ℃の
温度範囲に限定する。

【００１４】上記条件による制御圧延後に行う加速冷却
は、オーステナイト域から冷却すると多量のベイナイト
が生成し、その後の焼戻しによりMo、Nbなどの炭窒化物
が析出するために常温の降伏比が高くなる。したがっ
て、焼戻し後軟質相のフェライトを生成させるためにオ
ーステナイトとフェライトの二相域から冷却を開始させ
る必要がある。この温度は、 700℃未満では組織がフェ
ライトとパーライトになるため、強度が不足し、また、
750℃超えでは組織がベイナイト主体となり、降伏比が
高くなる。したがって、加速冷却の開始温度は 700〜75
0 ℃の範囲とする。

【００１５】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、また、 3℃／秒より
も遅い冷却速度では強度上昇効果が得られない。したが
って、冷却速度は 3〜20℃／秒の範囲とする。さらに、
冷却停止温度は 400〜550 ℃の範囲に限定する。これ
は、冷却停止温度が 400℃未満では島状マルテンサイト
が生成し、靱性が著しく劣化するとともに、加速冷却後
の熱間矯正が難しくなるためであり、一方、 550℃を超
えると強度上昇効果が小さくなるためである。

【００１６】その後、残留応力を除去するために 500〜
650 ℃の温度範囲で焼戻しを行う。この焼戻しは 500℃
未満では残留応力の除去が不十分であり、一方、 650℃
を超えると常温強度が大幅に低下する。したがって、焼
戻し温度は 500〜650 ℃の範囲に限定する。

【００１７】つぎに、本発明における化学成分の限定理
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、0.04％未満では強度を確保することは困難であ
り、また、0.15％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、その添加量は0.04
〜0.15％の範囲とする。

【００１８】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
て過多に添加すると溶接性を劣化させる。このため、そ
の添加量は0.05〜0.60％の範囲とする。

【００１９】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、その添加量は
0.50〜1.50％の範囲とする。

【００２０】Moは、高温強度を確保するために不可欠な
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、0.10％未満ではこのような効果は得られ
ず、また、0.40％を超えて添加すると大入熱溶接継手靱
性を劣化させる。したがって、その添加量は0.10〜0.40
％の範囲とする。

【００２１】Nbは、析出硬化および変態強化による高温
強度の上昇および細粒化による靱性の向上が図られる元
素である。しかし、0.005 ％未満ではこのような効果は
得られず、また、0.060 ％を超えて過多に添加すると大
入熱溶接継手靱性が劣化する。したがって、その添加量
は 0.005〜0.060 ％の範囲とする。

【００２２】V は、析出硬化により高温強度を上昇させ
るが、0.005 ％未満ではこのような効果は殆ど期待でき
ず、また、0.060 ％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、その添加量は 0.005〜0.060 ％
の範囲とする。

【００２３】Tiは、加熱オーステナイト粒の粗大化を抑
制するとともに、フェライトの核生成サイトとなり、細
粒化に有効な元素でる。しかし、 0.005％未満ではかか
る効果を発揮することができず、また、 0.030％を超え
て添加すると母材靱性を劣化させる。したがって、その
添加量は 0.005〜0.030 ％の範囲とする。

【００２４】Alは、脱酸に必要であるとともに結晶粒の
微細化に寄与する元素であるが、0.002 ％未満ではこれ
らの効果は少なく、一方、0.10％を超えて添加すると酸
化物系介在物が多くなり靱性を劣化させる。したがっ
て、その添加量は 0.002〜0.10％の範囲とする。ただ
し、脱酸を強化したい場合は、 0.020〜0.10％の範囲が
望ましい。

【００２５】なお、本発明では、上記の元素の他に必要
に応じて、Cu、Ni、CrおよびCaの内の１種または２種以
上を添加することができる。

【００２６】Cuは、固溶強化による強度上昇に有効な元
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％を超えて添加すると熱間加工性および溶接
性を損なう。このため、その添加量は0.05〜0.40％の範
囲とする。

【００２７】Niは、靱性の向上に有効な元素であるが、
0.05％未満ではこのような効果は得られない。また、0.
50％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、その添加量は0.05〜0.
50％の範囲とする。

【００２８】Crは、高温強度の向上に有効な元素である
が、0.10％未満ではこのような効果は期待しがたく、0.
40％を超えて多量に添加すると溶接性が劣化する。この
ため、その添加量は0.10〜0.40％の範囲とする。

【００２９】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なく、
一方、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、大型介在物が生成するため超音波欠
陥を生じやすくなる。このため、その添加量は0.0005〜
0.0050％の範囲とする。

【００３０】さらに、本発明では溶接時の低温割れ防止
のために行われる予熱を省略する目的で式(1) で示す P
_CM (溶接割れ感受性指数) を0.20％以下に限定する。

【００３１】以上述べた条件を用いることにより、高温
で高い耐力を確保し、さらに常温の降伏比が低く、か
つ、優れた溶接性および条切り特性を有する建築用耐火
鋼の製造が可能である。

【００３２】

【実施例】以下に、実施例を挙げて本発明について説明
する。 実施例１ 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・加速冷却・熱処理条件にしたがって製造
したものである。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
および最高かたさ試験を行った。その結果を表２表に併
記する。なお、最高かたさ試験はJIS Z3101に準じて行
った。

【００３３】表１に本発明法Ａ〜Ｈおよび比較例Ｉ〜Ｎ
の化学成分を、表２に加熱・圧延・加速冷却・熱処理条
件さらに引張特性、衝撃特性、高温特性および溶接性を
それぞれ示す。

【００３４】表２から明らかなように、本発明法Ａ〜Ｈ
は、 600℃における耐力は217N/mm²以上と優れた高温耐
力を有し、かつ、最高かたさもHV300 未満であり、溶接
熱影響部の硬化性が低い。また、降伏比は建築用鋼材に
要求されている80％以下を十分に満足し、シャルピ衝撃
試験における破面遷移温度も-40 ℃以下と良好である。

【００３５】一方、比較例Ｉは、C および P_CMが本発明
の限定範囲から高めに外れているため、母材靱性および
溶接性が悪い。比較例Ｊは、Moが本発明の限定範囲から
高めに外れているため、母材靱性および溶接性が悪い。
比較例Ｋは、Tiが添加されていないために母材靱性が悪
い。また、比較例Ｌ、Ｍは、前者はMoが、後者はNbがそ
れぞれ添加されていないために、 600℃における耐力が
低い。また、比較例Ｎは、V が添加されていないため
に、 600℃における耐力が低い。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】実施例２ 供試鋼板は表３に示す加熱・圧延・加速冷却・熱処理条
件にしたがって、板厚60mm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℃の高温引張試験を行った。その結果を
表３表に併記する。なお、供試鋼板の化学成分は表１の
本発明法Ａと同じである。

【００３９】本発明法A1〜A5は、加熱温度が1050〜1250
℃、圧延終了温度が 860〜940 ℃、冷却開始温度が 700
〜740 ℃、冷却停止温度が 420〜520 ℃、冷却速度が 5
〜10℃／秒、焼戻し温度が 600〜630 ℃であり、常温強
度、降伏比、破面遷移温度および高温耐力はいずれも良
好である。

【００４０】一方、比較例A6は、加熱温度が1000℃であ
るため、Nbが十分に固溶していないため、常温強度およ
び高温耐力が低い。比較例A7は、圧延終了温度が 830℃
と低いため、フェライトが細粒となり常温の降伏比が80
％を超えている。また、比較例A8は、圧延終了温度が 9
60℃と高いため、オーステナイトが粗粒となり破面遷移
温度が高い。比較例A9は、冷却開始温度が 680℃と低い
ため、フェライト量が増加し、常温強度および高温耐力
が低い。比較例A10 は、冷却開始温度が 760℃と高いた
め、強度上昇効果が大きく、常温強度が高いため、常温
の降伏比が80％を超え、靱性も劣化している。比較例A1
1 は、冷却停止温度が 580℃と高いために強度上昇効果
が小さく、常温強度および高温耐力ともに低い。さら
に、比較例A12 は、冷却速度が 2℃／秒と小さいため、
常温強度および高温耐力が低い。また、比較例A13 は、
冷却停止温度が 350℃と低いため島状マルテンサイトの
生成により、破面遷移温度が高い。

【００４１】

【表３】

【００４２】なお、上記実施例は厚鋼板の製造方法に関
するものであるが、本発明は他の鋼製品、例えば条鋼、
形鋼の製造にも適応し得ることは言うまでもない。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明によれば、高温で高い耐力を確保し、かつ、常温
の降伏比が低く、さらに優れた溶接性および条切り特性
を有する溶接性の優れた建築用低降伏比型耐火鋼を得る
ことができる。このため、本発明法による建築用耐火鋼
は、従来必要とされていた耐火被覆を大幅に低減あるい
は省略することができ、さらに、耐震性の点から構造物
の安全性を高め、かつ、施工能率を向上させることがで
きる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 C:0.04〜0.15％、 Si:0.05〜0.60％、 M
   n:0.50〜1.50％、Mo:0.10 〜0.40％、Nb:0.005〜0.060
   ％、 V:0.005〜0.060 ％、Ti:0.005〜0.030％、Al:0.00
   2〜0.10％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物か
   らなり、かつ、下記(1) 式で規定される P_CMの値が0.20
   ％以下である鋼片を1050℃以上の温度に加熱し、 850〜
   950 ℃の温度範囲で圧延終了後、空冷し、 700〜750 ℃
   の温度から 3〜20℃／秒の冷却速度で 400〜550 ℃の温
   度まで加速冷却したのち、 500〜650 ℃の温度で焼戻し
   することを特徴とする溶接性の優れた建築用低降伏比型
   耐火鋼の製造方法。 P_CM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B（％）……(1)
2. 【請求項２】 Cu:0.05〜0.40％、 Ni:0.05〜0.50％、
   Cr:0.10〜0.40％、Ca:0.0005〜0.0050％の内から選ん
   だ１種または２種以上を含有する請求項１記載の溶接性
   の優れた建築用低降伏比型耐火鋼の製造方法。