JPH0737649B2 - 降伏比の低い建築用耐火鋼板の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は建築、土木および海洋構
造物等の分野において、各種構造物に用いる低降伏比お
よび耐火性を有する鋼板の製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般構造用圧延鋼材（ＪＩＳ Ｇ ３１
０１）、溶接構造用圧延鋼材（ＪＩＳＧ ３１０６）、
溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材（ＪＩＳ Ｇ ３１４
４）、高耐候性圧延鋼材（ＪＩＳ Ｇ ３１２５）およ
び一般構造用炭素鋼鋼管（ＪＩＳＧ ３４４４）、一般
構造用角型鋼管（ＪＩＳ Ｇ ３４６６）（以下周知鋼
材という）などが、建築、土木および海洋構造物などの
分野における各種建造用鋼築材として、広く利用されて
いる。

【０００３】ところで、各種建造物のうち、特に生活に
密着したビルや事務所および住居などの建造物に前記周
知鋼材を用いる場合は、火災における安全性を確保する
ため、十分な耐火被覆を施すことが義務づけられてお
り、建築関係諸法令では、火災時に鋼材温度が、３５０
℃以上にならないように規定している。

【０００４】つまり、前記周知材は建造物に使用する場
合３５０℃程度で耐力が常温時の６０〜７０％になり、
建造物の倒壊を引き起こす恐れがあるため、耐火被覆を
入念に施し、火災時における熱的損傷により該鋼材が載
荷力を失うことのないようにして利用する。そのため、
鋼材費用に比し耐火被覆施行費が高額になり、建設コス
トが大幅に上昇することを避けることができない。

【０００５】近時建築物の高層化が進展し、設計技術の
向上とその信頼性の高さから、耐火設計について見直し
が行われるに至り、前述の３５０℃の温度制限によるこ
となく、鋼材の高温強度と建物に実際に加わっている荷
重より、耐火被覆の能力を決定できるようになり、場合
によっては無被覆で鋼材を使用することが可能になっ
た。たとえば、特開平０２−７７５２３号公報には、Ｎ
ｂ−Ｍｏ複合添加および高温圧延により耐火性の優れた
建築用鋼材として経済的価格で市場供給できるような鋼
材が開示されている

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述のように耐火物に
周知材を利用すると安価ではあるが、高温強度が低いた
め割高な耐火被覆を施さねばならないため建設コストを
高くすると共に建造物の利用空間を狭くするという課題
がある。本発明の目的は、低コストでＭｏを多量に添加
しない低降伏比でかつ高温強度に優れた鋼の製造方法を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、耐火性能を損
なうことなく、建築用鋼の低降伏鋼を製造することを目
的とする。本発明者らは、火災時に置ける鋼材強度につ
いて研究の結果、無被覆使用を目標とした場合、火災時
の最高到達温度が１０００℃であることから、鋼材が該
温度で常温耐力の７０％以上の耐力を備えるためには、
やはり高価な金属元素を多量に添加せねばならず、経済
性を失することを知った。

【０００８】つまり、周知の鋼材費とそれに加え耐火被
覆を施工する費用以上に鋼材単価が高くなり、そのよう
な鋼材は実際的に利用することができない。そこで、研
究を進めた結果、６００℃での高温耐力が常温時の７０
％となる鋼材が最も経済的であることをつきとめ、高価
な添加元素の量を少なくし、かつ耐火被覆を薄くするこ
とが可能で、火災荷重が小さい場合は、無被覆で使用す
ることができる鋼材すなわち本発明鋼および鋼材とその
製造方法に加えて耐火性能を付与した鋼材を開発した。

【０００９】よって、本発明の要旨とするところは、重
量％でＣ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．６％以
下、Ｍｎ：０．８〜１．６％、Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．００５％以下、Ｍｏ：０．２５〜０．７０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０４％、Ｔｉ：０．００５〜
０．０２５％、Ａｌ：０．０６％以下、Ｎ：０．００６
％以下、さらに必要によりＶ：０．００５〜０．１％、
Ｎｉ：０．０５〜０．１％、Ｃｕ：０．０５〜０．１
％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｃａ：０．００１〜
０．００６％の１種または２種以上を含有し、残部が鉄
および不可避的不純物からなる組成のスラブを１０００
〜１２００℃の温度範囲に再加熱し、８５０〜１０００
℃での累積圧下量が３０％以上となるように圧延を行
い、圧延後ただちに焼入れし、続いて７４０〜８２０℃
の温度範囲に再加熱して、焼入れを行った後、４５０〜
７００℃の温度範囲で焼戻処理することを特徴とする降
伏比の低い建築用耐火鋼板の製造法である。

【００１０】

【作用】発明者らは低降伏比と耐火性を合わせて有する
鋼板の製造方法について鋭意検討を重ねた結果、微量Ｎ
ｂ、所定量のＭｏを含有した鋼を全く新しい熱間圧延、
熱処理を加えることにより、目的を達成できることを見
いだした。

【００１１】Ｍｏは周知の通り高温強度を増加させるこ
とが知られている。しかしながら、本発明鋼の適用分野
では溶接性が重視されるため、その添加量は低い方が望
ましい。かかる状況のため、厚鋼板では圧延のままの製
造方法において所定の強度を得るために多量のＭｏ添加
が必須であった。本発明者らは、Ｎｂを０．００５〜
０．０４％、Ｍｏを０．２５〜０．７０％の範囲で、新
たに見いだした熱処理方法を適用することにより、低降
伏比と耐火性の優れた鋼板の製造を可能とした。

【００１２】すなわち、ＮｂおよびＭｏの複合添加鋼を
圧延後直後に急冷することにより析出を抑え、さらに次
の再加熱焼入れ処理で析出させることにより、高温強度
をさらに増加させることを見いだした。そのことによ
り、各々の元素は微細な炭窒化物を形成し、さらに、Ｍ
ｏは固容体強化によって高温強度を増加させるが、Ｍｏ
単独添加では６００℃という高温強度において十分な耐
力を得るためにはその添加量の増加が必要であった。

【００１３】本発明者らは研究の結果、該高温領域にお
ける耐力を増加させるには、Ｎｂ，Ｍｏを複合添加し、
圧延直後に急冷することが極めて有効なことを見いだし
た。常温において、溶接構造圧延鋼材に規定する性能を
満足し、かつ、６００℃の高温において高い耐力を維持
せしめるためには、鋼の成分と共に鋼の再加熱および圧
延にかかる条件が重要であって、前述のＮｂ，Ｍｏの複
合添加による高温耐力の増加を図るためには、再加熱時
にこれらの元素の充分に溶体化させる必要があり、この
ため再加熱温度の下限は１０００℃とする。また、再加
熱温度が高すぎると結晶粒が大きくなって低温靭性が劣
化するので、その上限は１２００℃にしなければならな
い。

【００１４】さらに、８５０〜１０００℃での累積圧下
を３０％以上でγの細粒化をはかり、また、圧延中にＮ
ｂ，Ｍｏの炭窒化物の析出を抑え、かつ圧延後急冷する
ことにより、同様に析出を抑える。もしオーステナイト
域でこれらの元素が析出すると、析出サイズが大きくな
り高温耐力が著しく低下する。

【００１５】高強度を得るためには従来から焼入れ処理
することが知られているが、発明鋼の様に低降伏比と耐
火性の両得性を満足させることは困難である。本発明者
らは従来にない２回の焼入処理（１回目は圧延直後に、
２回目は再加熱後焼入れ）によりこの課題を解決した。

【００１６】すなわち、１回目の圧延直後焼入れにより
細粒オーステナイトから焼入れし、２回目の加熱でオー
ステナイトとフェライトの２相共存域に加熱し、この温
度より焼入れることにより、約３０〜７０％のフェライ
トとマルテンサイトおよびベイナイトの混合組織とし、
その後焼戻処理により所定の材質特性を得るものであ
る。２回目焼入れの再加熱温度はＮｂを析出させないた
めに極力低い温度が望ましい。

【００１７】低降伏比、耐火性を有する鋼の製造方法の
要点を前に述べたが、これだけでは発明の目的は達し得
ない。すなわち、他の合金元素も適正な範囲に制御する
必要がある。

【００１８】以下にこれらの限定範囲について述べる。
Ｃは母材および溶接部および強度保証ならびにＮｂ，Ｍ
ｏの添加効果を発揮させるために必要であり、０．０５
％以下では効果が薄れるので下限は０．０５％とする。
さらに、Ｃ量が多すぎると溶接熱影響部（ＨＡＺ）の低
温靭性に悪影響を及ぼすだけでなく、母材靭性、溶接性
をも劣化させるので、０．１５％が上限となる。

【００１９】Ｓｉは脱酸上鋼に含まれる元素で、Ｓｉが
多くなると溶接性、ＨＡＺ靭性が劣化するため、その上
限を０．６％とした。本発明鋼ではＡｌ脱酸で十分であ
り、さらにＴｉ脱酸でも良い。ＳｉについてＨＡＺ靭性
の点からは含有量を０．１５％程度とすることが望まし
い。

【００２０】Ｍｎは強度、靭性を確保する上で不可避の
元素であり、その下限は０．８％である。しかし、Ｍｎ
量が多すぎると焼入性が増加して溶接性、ＨＡＺ靭性が
劣化するだけでなく、目標とする規格に適合する母材強
度を得ることができない。このためＭｎ量の上限を１．
６％とした。

【００２１】Ｐは多すぎると靭性、板厚方向強度を劣化
させるので、その上限を０．０３％以下とした。ＳもＰ
と同様に多すぎると靭性、板厚方向強度を劣化させるの
で、その上限を０．００５％以下とした。

【００２２】Ｍｏは高温強度を保証するために欠かせな
い元素で特にフェライト地の強化に有効である。このた
め、０．２５％以上の添加は必要であるが、０．７０％
を超えると溶接性や母材靭性を劣化させるため、その上
下限を０．２５％，０．７０％とした。ＮｂはＭｏとの
複合添加により高温強度を確保するために欠かせない元
素である。また、靭性確保に有効であり、０．００５％
以下では効果がなく、０．０５％を超えて含有されると
溶接部の靭性を劣化させる。よって、Ｎｂの含有量を
０．００５〜０．０５％と限定した。

【００２３】ＴｉＮにより組織の細粒化をはかり、再加
熱焼戻時の非常に微細かつ均一なγ粒を生成することに
有効であり、Ｔｉ：０．００５％以下では効果が薄れる
のでその下限を０．００５％とする。一方、０．０２５
％超になると靭性が著しく損なわれるため、上限を、
０．０２５％とする。Ａｌは一般に脱酸上鋼に含まれる
元素であるが、ＳｉおよびＴｉによっても脱酸は行われ
るので、本発明ではＡｌについて下限は限定しない。し
かし、Ａｌ量が多くなると鋼の清浄度が悪くなり、溶接
部の靭性は劣化するので上限を０．０６％とした。

【００２４】Ｎは一般に不可避的不純物として鋼中に含
まれるものであるが、Ｔｉと結合し炭窒化物ＴｉＮを形
成して靭性向上に効果を発揮する。このため最小量とし
て０．００１％必要であるが、Ｎ量が多くなるとＨＡＺ
靭性の劣化や連続鋳造スラブの表面疵の発生などを助長
するので、その上限を０．００６％とした。

【００２５】本発明鋼の基本成分は以下の通りであり、
十分に目的を達成できるが、さらに目的に対し特性を高
めるため、以下に述べる元素すなわちＶ，Ｎｉ，Ｃｕ，
Ｃｒ，Ｃａを１種または２種以上選択的に添加すると強
度、靭性の向上について、さらに好ましい結果が得られ
る。Ｖは０．００５〜０．１０％の範囲においてＨＡＺ
靭性を向上させる。しかし、０．００５％以下では効果
がなく０．１０％を超えるとＨＡＺ靭性に好ましくない
影響がある。Ｎｉは溶接性、ＨＡＺ靭性に悪影響を及ぼ
すことなく、母材の強度、靭性を向上させるが０．０５
％以下では効果が薄く、０．５％以上の添加は建築用鋼
としての目的に対し、きわめて高価になるため経済性を
失うので、上限を０．５％とした。ＣｕはＮｉとほぼ同
様の効果を持つほか、Ｃｕ析出物による高強度の増加や
耐食性、耐候性の向上にも効果を有する。しかし、Ｃｕ
量が１．０％を超えると熱間圧延時にＣｕ割れが発生し
製造が困難になり、また０．０５％以下では効果がない
のでＣｕ量は０．０５〜０．１％に限定する。

【００２６】Ｃｒは母材および溶接部の強度を高め、
０．０５％以上で耐食性、耐候性を向上させるが１．０
％を超えると溶接性やＨＡＺ靭性を劣化させ、また０．
０５％以下では効果が薄い。従って、Ｃｒ量を０．０５
〜０．１％に限定した。ＣａはＭｎＳの形態を制御し、
シャルピー吸収エネルギーを増加させ低温靭性を向上さ
せる効果がある。しかし、０．００１％以下では実用上
効果がなく、また、０．００６％を超えるとＣａＯ，Ｃ
ａＳが多量に生成して大形介在物となり、鋼の靭性のみ
ならず清浄度も害し、さらに溶接性にも悪影響を与える
ので、Ｃａ添加量の範囲を０．００１〜０．００６％と
する。

【００２７】

【実施例】表１に示す組成のスラブを製造し、これを表
２に示す条件下で製造を行った。得られた鋼の機械的性
質および耐火特性を表２にまとめて示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】鋼１１〜１８は適切な化学成分ではないの
で、適正な材質特性が得られない。まず鋼１１はＣ量が
少なく強度が得られない。鋼１２ではＭｎ量が少ないた
め強度が得られない。鋼１３はＭｏが少なく強度が不足
している。鋼１４ではＮｂ量が少なく強度が不足してい
る。鋼１５ではＣ量が多く低降伏比化、靭性の確保が困
難である。鋼１６はＭｎ量が多く靭性が劣化している。
鋼１７では、Ｍｏ量が多く低降伏比化、靭性の確保が困
難である。鋼１８ではＮｂ量が多く靭性の劣化が認めら
れる。

【００３２】また、鋼１９〜２２は本発明製造条件から
はずれており、適正な材質特性が得られない。鋼１９は
ＤＱＴにより常温での強度不足であり、また低降伏化お
よび靭性確保も困難である。鋼２０はＱＴ処理のため低
降伏比を有さない。鋼２１は圧延ままで常温強度が確保
できない。鋼２２は焼準処理のため常温強度が低くなっ
ている。一方、本発明鋼である鋼１〜１０は常温、高温
強度、低降伏比および高靭性をすべて満足している。

【００３３】

【発明の効果】本発明により、低降伏比でかつ高温強度
に優れた厚板の製造が可能になり、工業的に効果の大き
い発明である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で Ｃ ：０．０５〜０．１５％、 Ｓｉ：０．６％
   以下、 Ｍｎ：０．８〜１．６％、 Ｐ ：０．０３
   ％以下、 Ｓ ：０．００５％以下、 Ｍｏ：０．２５
   〜０．７０％、 Ｎｂ：０．００５〜０．０４％、 Ｔｉ：０．００
   ５〜０．０２５％、 Ａｌ：０．０６％以下、 Ｎ ：０．００
   ６％以下、 残部が鉄および不可避的不純物からなる組成のスラブを
   １０００〜１２００℃の温度範囲に再加熱し、８５０〜
   １０００℃での累積圧下量が３０％以上となるように圧
   延を行い、圧延後ただちに焼入れし、続いて７４０〜８
   ２０℃の温度範囲に再加熱して、焼入れを行った後、４
   ５０〜７００℃の温度範囲で焼戻処理することを特徴と
   する降伏比の低い建築用耐火鋼板の製造法。
2. 【請求項２】 重量％で Ｖ ：０．００５〜０．１％、 Ｎｉ：０．０５
   〜０．１％、 Ｃｕ：０．０５〜０．１％、 Ｃｒ：０．０５
   〜１．０％、 Ｃａ：０．００１〜０．００６％、 の１種または２種以上を含有する請求項１に記載の降伏
   比の低い建築用耐火鋼板の製造法。