JPH0832945B2

JPH0832945B2 - 耐火強度の優れた建築構造用鋼材およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0832945B2
Application number: JP63317842A
Authority: JP
Inventors: 豊土田; 良太山場
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1988-12-16
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1996-03-29
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPH02163341A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は構造物の製作に用いられる鋼板を対象とし、
耐火材の被覆を簡略化あるいは省略しても、火災時にお
いて十分な強度を有する建築構造用鋼材とその製造方法
に関わる。

（従来の技術）鉄骨構造等の構造物では、火災時においても十分な強
度を保証するため、鋼材にロックウール等の耐火材の被
覆を施し、鋼材の温度が350℃以上に上昇しないように
対策することが義務付けられていた。

近年、建築基準法が改正され、鋼材の高温における強
度に応じ耐火被覆を簡略あるいは省略できるようになっ
た。即ち、鋼材が600℃において十分な強度（常温の規
格降伏強度の2/3以上）を有する場合、耐火被覆を省略
し、裸使用が可能になると言われている。

鋼材の高温での強度についてはこれまでにもよく調べ
られており、開発材はボイラー用鋼あるいは圧力容器用
鋼として規格化されている。また、特公昭57−15188号
公報のように、現在でも種々の改良・開発等が継続実施
されている。

これらは、高温で数万あるいは数十万時間といった長
時間使用の場合の強度、すなわちクリープの高い鋼材で
ある。

（発明が解決しようとする課題）本発明で問題にしようとしている耐火強度は火災時の
高々数時間以内での強度であり、これまで古くから開発
の対象であった高温強度とは全く別個のものである。

しかして本発明は鉄骨構造等の構造物において、耐火
被覆を省略する場合の重要な特性である600℃での強度
が、従来鋼より著しく改善された建築構造用鋼材とその
製造法を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明者らは、600℃の構造用鋼材の強度に及ぼす化
学成分の効果を種々検討した結果、Ｖ添加あるいはMoお
よびＶの複合添加が極めて有効であることを見出した。

本発明はこの知見を基に成されたものであり、（１）
重量％にて、Ｖを0.005〜0.2％含有し、炭素当量（Ceq
＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋V/14）が0.35〜0.50
％であることを特徴とする耐火強度の優れた建築構造用
鋼材、（２）重量％にて、Ｖを0.005〜0.2％およびMoを
0.005〜0.6％含有し、炭素当量（Ceq＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24
＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14）が0.35〜0.50％であるこ
とを特徴とする耐火強度の優れた建築構造用鋼材、
（３）前記（１）または（２）記載の鋼を、1000〜1280
℃で加熱し、800〜1000℃で圧延終了し、圧延後放冷ま
たは加速冷却することを特徴とする耐火強度の優れた建
築構造用鋼材の製造方法、（４）前記（１）または
（２）記載の鋼を、1000〜1280℃で加熱し、800〜1000
℃で圧延終了し、圧延後焼きならすことを特徴とする耐
火強度の優れた建築構造用鋼材の製造方法である。

（作用）以下、本発明についてさらに詳細に説明する。

Ｖ添加による0.1％Ｃ−0.15％Si−1.2％Mn−0.015％
Ｐ−0.005％Ｓ−0.55％Cr鋼の600℃での耐火強度の変化
を第１図に示す。

600℃での耐火強度を求めるに際し、火災時の鋼材温
度の上昇挙動を考慮し、第３図のような昇温パターンで
試験片を加熱し、600℃にて15分加熱保持後、0.15％/mi
nの引張速度で変形させ、組成歪みが0.2％での強度を耐
火強度として求めた。

耐火強度は「通常時には一般の建築構造用鋼と全く同
等の引張強度を有しており、火災による鋼材の温度上昇
過程で、鋼材内部の状態が変化し、高温での強度を上昇
させる」ことにより得られる。従って、昇温過程に依存
する強度である。また、高温での強度の持続時間は居住
者が退避できるのに十分な時間であり、１〜３時間でよ
い。このため、耐火強度を求めるに当たり、火災時の鋼
材の昇温速度で試験片を加熱しながら試験が行われる。

第１図に示すように、Ｖ添加量と共に耐火強度が向上
している。0.005％未満のＶ添加では効果が顕著でな
い。また、0.2％超のＶ添加では耐火強度向上効果が飽
和する傾向を示す。

さらに、第２図に示すように、Ｖによる耐火強度の向
上はMo添加と相乗効果を有することが認められ、Moとの
複合添加による耐火強度の改善が著しい。Mo添加量が0.
6％超では添加に見合った効果が認められないため、添
加量の上限を0.6％とする。また、0.005％未満では効果
が認められないため、Mo添加の下限を0.005％とする。

しかして、V,V＋Mo添加により耐火強度が向上するの
は、高温での変形が始まり、移動を開始した転移に、V,
V＋Moを主体とする炭化物が核生成析出し、転位の移動
を阻害するためであり、Ｖ単独でも効果があるが、Ｖ＋
Moの複合添加がこのような析出物を多量かつ多数析出さ
せるようになるため好都合である。

CeqはCeq＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/
14として定義され、溶接性の指標であるとともに、40〜
50キロ鋼の常温での強度との相関が深い。製造熱処理条
件にもよるが、圧延ままでCeqが0.35％より小さいと建
築構造用の鋼材としての強度が得られず、Ceqが0.50よ
り大きいと強度が上がり過ぎ、延性、靭性および溶接性
の低下が問題となる。

このため、Ceqとして0.35〜0.50％となるようにC,Si,
Mn,Ni,Cr,Mo,Vを規制する。

また、各元素は下記の範囲内であることが好ましい。

Ｃは常温強度および耐火強度を高めるのに有効な元素
であり、0.05％以上の添加が好ましい。しかし、添加量
が多過ぎると溶接性を害するので添加量の上限は0.15％
が好ましい。

Siは脱酸のため0.02％以上添加するが、添加量が多い
と靭性を低下するため上限を0.5％とするのが好まし
い。

MnはＳを固定し、強度を高めるのに有効な元素である
が、添加量が多いと材料内の偏析を著しくし、靭性の異
方性を増すため、0.1,〜1.5％とするのが好ましい。

Niは鋼材の靭性を向上させる元素であり、このような
効果を要する時、0.05％以上添加する。しかし、0.5％
超では添加コストが上昇しすぎ、建築構造用鋼材として
不適当であるため、上限を0.5％とすることが好まし
い。

Crは焼入れ性を増すとともに、焼もどして炭窒化物を
析出し、耐火強度を向上させる元素である。このような
効果を要する時、0.05％以上を添加する。しかし、1.5
％超の添加は建築構造用鋼材としては不必要なため、上
限を1.5％とすることが好ましい。

Ｐは鋼中でミクロ偏析し靭性の方向差を著しくするば
かりでなく、靭性を低下させる元素であるため、上限を
0.03％とすることが好ましい。

Ｓは鋼中で非金属介在物MnSを形成し、靭性の方向差
を大きくし、且つシャルピー試験での上部棚エネルギー
を低下させるため、上限を0.02％とすることが好まし
い。

Cuは鋼材の焼入れ性を上昇し、また耐食性を向上する
元素である。このような効果を要する時、0.05％以上を
添加する。しかし、0.5％超の添加で熱間加工性を損な
う。このため、Cu量の添加量の上限を0.5％とすること
が好ましい。

Nbは安定な炭窒化物を形成し、鋼の耐火強度を向上さ
せる効果を有する元素である。また、圧延により加工誘
起析出し、結晶粒界の移動を妨げ、再結晶粒の粗大化を
阻止する。このような効果を必要とする場合、0.005％
以上の添加が必要である。一方、0.05％超では添加量に
見合った効果が得られないため、経済的に0.05％以下に
抑制することが好ましい。

TiはNbと同様、炭窒化物を形成し、鋼の耐火強度を向
上させる効果を有する。このような効果を必要とする場
合、0.005％以上の添加が必要である。しかし、0.05％
を超えるとTiCが増えすぎ、却って靭性を害するので上
限は0.05％とすることが好ましい。

Alは鋼の脱酸に不可欠な元素であり、この目的から0.
003％以上を添加する。しかし、0.05％超の添加は不必
要であるため、0.003〜0.05％が好ましい。

Ｎは鋼の耐火強度を上昇させるが、添加量が多過ぎる
と溶接性を害するため、添加を0.02％以下とすることが
好ましい。

次に、圧延条件について述べる。

前記のような化学成分を有する鋼は転炉、電気炉で溶
製した後、必要に応じて取鍋精練や真空脱ガス処理を施
して得られ、通常鋳型あるいは一方向凝固鋳型で造塊し
た後、分塊でスラブとされる。また、スラブは連続鋳造
法により溶鋼から直接製造しても良い。

分塊での均熱・圧下はいかなるものであっても構わな
い。即ち、スラブを冷却した後均熱してもよく、分塊の
まま熱片で均熱炉に装入しても良い。1000〜1300℃で均
熱の後、圧延または鍛造によりスラブとする。スラブ厚
は製品板厚の1.3〜2.5倍程度が好ましい。

最終圧延前の加熱温度は添加した元素の固溶のため10
00℃以上とする。しかし、1280℃を超えると、オーステ
ナイト粒が粗大化しすぎ、圧延によって細粒化を図るこ
とが困難になるため、1280℃以下とすることが好まし
い。

圧延終了温度は800〜1000℃とする。すなわち、800℃
未満では耐火強度が却って低下し、1000℃を超えると、
圧延によるオーステナイト粒の細粒化が十分でなく、組
織が粗くなり靭性確保が困難になり好ましくない。

次に圧延後の冷却条件は放冷または加速冷却を採用す
る。圧延終了後、自然冷却すれば良く、板厚にもよるが
概ね５〜30℃/minで冷却することになる。加速冷却は、
板圧の厚い場合、あるいは鋼材のCeqを低くしたい場合
に、圧延終了後スプレー等により冷却する方法であり、
100mm超の板厚に対しても概ね120℃/min以上の冷却速度
が確保できる。

このようにして製造した鋼板は切断、溶接等の加工の
後、構造材料として使用できる。更に、上記の各種二次
加工の後焼きならしを行って使用することもできる。こ
の場合は耐火強度を向上させるために添加したV,V＋Mo
の効果を十分に引き出すために、800℃以上の焼きなら
し温度が必要である。

また、焼きならしの加熱温度が高すぎると靭性を害す
るため1000℃以下とする必要がある。焼きならしの冷却
方法は空冷（放冷）を基本とするが、水冷等による加速
冷却を用いてもよい。焼きならしを実施する場合、圧延
ままで使用する場合と比較して、同一成分では耐火強度
の向上は得にくいが、靭性が優れており、さらに板内で
の特性変動が少ない安定した鋼板を供給することができ
る。

（実施例１）第１表に示す化学成分を有する鋼を1150℃で加熱後、
圧延により25mm厚に圧延し、放冷した。圧延終了温度は
890〜910℃であり、冷却速度はほぼ25℃/minであった。

第２表に鋼材の常温での引張特性、０℃でのシャルピ
ー衝撃吸収エネルギーおよび600℃での耐火強度を示
す。

本発明鋼である0.005％以上のＶを含有する鋼板（A,
B,C）、および0.005％以上のＶと0.003％以上のMoを同
時に含有する鋼板（D,E,F,G,H,I）は、MoおよびＶの含
有量が0.003％未満である従来鋼（J,K,L,M,N,O）と同等
の常温での引張特性（引張強さ、0.2％耐力、破断伸
び、破断絞り）を有し、且つ600℃での耐火強度が20kg
f/mm²以上と良好である。

（実施例２）第１表に示した鋼のA,Fを用い第３表の条件で鋼板を
製造し、特性を調査した。

調査結果を第４表に示す。

鋼板（ｃ）では加熱温度が本発明範囲より低く、耐火
強度が低い。鋼板（ｄ）では、加熱温度が高く本発明外
であり、靭性が低い。鋼板（ｅ）では圧延終了温度が低
いため、靭性は良好であるが、耐火強度が低い。鋼板
（ｆ）では圧延終了温度が高すぎるため、耐火強度は良
好であるが、靭性が劣る。

これに対し、本発明法で製造した鋼板（ａ）および
（ｂ）では耐火強度と靭性が共に優れた値を示す。

（実施例３）第１表に示した化学成分を有する鋼を1150℃で加熱
後、圧延により25mm厚に圧延し、放冷した。圧延終冷却
し、910℃で加熱後空冷により焼きならしを行なった。
冷却速度はほぼ25℃/minであった。第５表に鋼材の常温
での引張特性、０℃でのシャルピー衝撃吸収エネルギー
および600℃での耐火強度を示す。

（実施例４）第１表に示した鋼のA,F用い、第６表の条件で鋼板を
製造し、特性を調査した。

調査結果を第７表に示す。

（発明の効果）本発明方法による鋼板は溶接構造用鋼材（JISG3106）
の常温での降伏強さ、引張強さおよび靭性を満足するば
かりでなく、耐火鋼として重要である高温での耐火強度
がすぐれており、鉄骨構造等の建築物の製作において耐
火被覆を簡略あるいは省略可能であり工業的価値が大き
い。

【図面の簡単な説明】

第１図はＶ添加量による耐火強度の変化を表わす図表、
第２図はMoを0.15％含有する場合の耐火強度へのＶ添加
効果を表わす図表、第３図は耐火強度を求める場合の試
験片の昇温パターンを表わす図表である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％にて、Ｖを0.005〜0.2％含有し、炭
素当量（Ceq＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋V/14）
が0.35〜0.50％であることを特徴とする耐火強度の優れ
た建築構造用鋼材。
【請求項２】重量％にて、Ｖを0.005〜0.2％およびMoを
0.005〜0.6％含有し、炭素当量（Ceq＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24
＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14）が0.35〜0.50％であるこ
とを特徴とする耐火強度の優れた建築構造用鋼材。
【請求項３】特許請求の範囲第１項または第２項記載の
鋼を、1000〜1280℃で加熱し、800〜1000℃で圧延終了
し、圧延後放冷または加速冷却することを特徴とする耐
火強度の優れた建築構造用鋼材の製造方法。
【請求項４】特許請求の範囲第１項または第２項記載の
鋼を、1000〜1280℃で加熱し、800〜1000℃で圧延終了
し、冷却後焼きならすことを特徴とする耐火強度の優れ
た建築構造用鋼材の製造方法。