JPH09227944A - 低温用建築鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】安定した低温靭性を有し、かつ低温（−２０℃
〜−６０℃）で８０％以下の低降伏比を示し、新耐震設
計を可能にする低温低降伏比建築鋼管の製造方法を提供
すること。 【解決手段】重量比で、酸素含有量が３０ｐｐｍ以下の
鉄基合金を熱間で圧延してなる鋼板を鋼管に成形し、端
部を溶接した後、その鋼管をオーステナイト域に加熱
し、以下の（１）式を満たす冷却速度Ｃ．Ｒ．で室温ま
で冷却し、低温靱性に優れ、かつ低温でも低降伏比を有
する低温用建築鋼管を得る。 ２０．６≧１１．２Ｃｅｑ＋Ｃ．Ｒ．≧７．６……
（１） ただし、Ｃeq＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24 ＋Ni/40 ＋Cr/5＋Mo/4
＋Ｖ/14

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新耐震設計法で設
計される建築分野において、低温倉庫などの使用環境温
度が室温より低い建築物に用いられる低温建築鋼管の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】昭和５６年に改正施行された建築物の耐
震設計法は、それまでの構造体各部に生ずる応力度を鋼
材の降伏点以内に留めるという弾性設計に変えて、鋼材
が降伏後、最大強さに達するまでの塑性域での変形能力
を活用して、地震入力エネルギーを吸収させ、建物の耐
震安全性を確保しようとするものである。このことか
ら、新耐震設計法が適用される建築物の鋼材は、降伏後
の変形性能を表すパラメーターである降伏比（ＹＲ）が
低いこと、すなわち低降伏比であることが求められるよ
うになっている。

【０００３】ＴＳ５００ＭＰａ級の鋼材は、熱間圧延を
再結晶域で仕上げ、組織の粗粒化を図り、低降伏比を確
保している。また、ＴＳ６００ＭＰａ級あるいはそれ以
上の高強度鋼では、フェライト／オーステナイトの２相
域から焼入することで、フセライトとベイナイトあるい
はマルテンサイトとの２相組織にすることで低降伏比を
確保している。

【０００４】オフィスや住居用の建築物、すなわちビル
は常温で使用されるため、上述の新耐震設計も常温を前
提になされている。したがって、従来の低降伏比鋼も常
温（０〜３０℃）でのＹＲ値が８０％以下あるいは７５
％以下になるように製造されている。

【０００５】しかしながら、建築物の中には、寒冷地の
建物、低温用倉庫例えばまぐろ用の冷凍倉庫のように使
用温度が低温（−２０℃以下）であるような建築物があ
る。これらの中でまぐろ用の冷凍倉庫では−５５℃で使
用される。そのような低温用建築物も新耐震設計法を適
用し、耐震安全性を確保するためには、低温で低降伏費
を示す鋼材が必要となるが、従来の低降伏比鋼は常温で
の使用を前提としているため、常温の降伏費は示されて
いるものの、低温の降伏比は明らかでない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者ら
は、従来の低降伏比鋼における低温での引張特性および
靭性について検討した。多くの低降伏比鋼は上述したよ
うに低降伏比を得るために粗粒であり、そのため低温靭
性が低く、例えば−５５℃で使用される低温用倉庫には
使用できないことが判明した。

【０００７】低温靭性に優れた低降伏比鋼に関する技術
として、特開平２−１９７５２２号公報、特開平５−２
１４４０号公報に開示されたものがある。両公報とも−
５５℃使用の低温用倉庫に適用可能なほど優れた靭性値
が示されているが、低温でのＹＲ値は示されていない。
そこで、両公報に沿って試作した鋼の低温引張特性につ
いて調べた結果、例えば−５５℃ではＹＲが８０％以上
となってしまうことが判明した。また、靭性に関しても
必しも良好な値ばかりではなく大きくばらつく結果とな
った。

【０００８】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであって、安定した低温靭性を有し、かつ低温（−２
０℃〜−６０℃）で８０％以下の低降伏比を示し、新耐
震設計を可能にする低温低降伏比建築鋼管の製造方法を
提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、第１に、重量比で、酸素含有量が３０ｐ
ｐｍ以下の鉄基合金を熱間で圧延してなる鋼板を鋼管に
成形し、端部を溶接した後、その鋼管をオーステナイト
域に加熱し、以下の式を満たす冷却速度Ｃ．Ｒ．で室温
まで冷却することを特徴とする、低温靱性に優れ、かつ
低温でも低降伏比を有する低温用建築鋼管の製造方法を
提供する。

【００１０】本発明は、第２に、重量比で、Ｃ：０．０
６〜０．１８％、Ｓｉ：０．０５〜０．４０％、Ｍｎ：
０．５〜１．７％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０
１０％以下、Ａｌ：０．００１〜０．０６％、Ｎ：３０
ｐｐｍ以下、Ｏ：３０ｐｐｍ以下を含有する鋼を熱間で
圧延してなる鋼板を鋼管に成形し、端部を溶接した後、
その鋼管をオーステナイト域に加熱し、以下の（１）式
を満たす冷却速度Ｃ．Ｒ．で室温まで冷却することを特
徴とする、低温靱性に優れ、かつ低温でも低降伏比を有
する低温用建築鋼管の製造方法を提供する。

【００１１】本発明は、第３に、重量比で、Ｃ：０．０
６〜０．１８％、Ｓｉ：０．０５〜０．４０％、Ｍｎ：
０．５〜１．７％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０
１０％以下、Ａｌ：０．００１〜０．０６％、Ｎ：３０
ｐｐｍ以下、Ｏ：３０ｐｐｍ以下を含有し、さらにＴ
ｉ：０．００５〜０．０１５％、Ｎｂ：０．００５〜
０．０４％、Ｖ：０．００５〜０．１％、Ｃｕ：０．０
５〜０．６％、Ｎｉ：０．０５〜０．６％、Ｃｒ：０．
０５〜１．０％、Ｍｏ：０．０２〜０．６％の１種また
は２種以上を含有する鋼を熱間で圧延してなる鋼板を鋼
管に成形し、端部を溶接した後、その鋼管をオーステナ
イト域に加熱し、以下の式を満たす冷却速度Ｃ．Ｒ．で
室温まで冷却することを特徴とする、低温靱性に優れ、
かつ低温でも低降伏比を有する低温用建築鋼管の製造方
法を提供する。 ２０．６≧１１．２Ｃｅｑ＋Ｃ．Ｒ．≧７．６……（１） ただし、Ｃeq＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24 ＋Ni/40 ＋Cr/5＋Mo/4
＋Ｖ/14

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明者らは、ミクロ組織と低温
ＹＲとの関係について鋭意検討した結果、以下に示す重
要な知見を得るに至った。まず、図１にフェライト＋パ
ーライト組織およびフェライト＋ベイナイト組織におけ
る引張試験温度とＹＲ値との関係を示す。この図に示す
ように、両組織ともＹＲ値は引張試験温度が低温になる
ほど上昇するが、その程度はフェライト＋パーライト組
織よりもフェライト＋ベイナイト組織のほうが低い。す
なわち、低温ではフェライト＋ベイナイト組織のほうが
低いＹＲ値を得ることができる。そして、粗粒フェライ
トとベイナイトとの混合組織にすることで、−１００℃
でも８０％以下のＹＲ値が達成されることが確認され
た。

【００１３】また、フェライトとベイナイトとの混合組
織の低温靭性は、図２に示すようにかなりのばらつき有
しているが、その下限値は酸素含有量により支配され、
酸素含有量を３０ｐｐｍ以下にすることでｖＥ-55(min)
＞１００Ｊを満たす安定した靭性が得られることが確認
された。これは、酸素含有量を３０ｐｐｍ以下にするこ
とでマイクロクラックの発生起点となる鋼中酸化物が減
少、微細化したためであると考えられる。

【００１４】以上のことから、安定した低温靭性を有
し、かつ低温（−２０℃〜−６０℃）で８０％以下の低
ＹＲを示し、新耐震設計を可能にする低温低降伏比鋼管
の必要条件は、酸素含有量が３０ｐｐｍ以下で粗粒フェ
ライトとベイナイトとの２相組織であることが見出され
た。

【００１５】組織をフェライトとベイナイトとの２相組
織とするためには、オーステナイト域からの加速冷却が
有効であることが知られている。上述した特開平２−１
９７５２２号公報、特開平５−２１４４０号公報に開示
された技術もこの加速冷却の技術が応用されている。し
かし、オーステナイト域から加速冷却する場合には、そ
の鋼の焼入性に応じて冷却速度を制御しなければ、ベイ
ナイト組織、フェライトとベイナイトとの２相組織は得
難い。

【００１６】図３は、オーステナイト域から加速冷却す
る場合の、鋼成分から決まるＣeqと冷却速度Ｃ．Ｒ．と
が焼入れ後のミクロ組織に及ぼす景況について詳細に調
査した結果を示したものである。この図から、ベイナイ
ト組織を含ませるためには、直線Ｌ：１１．２Ｃｅｑ＋
Ｃ．Ｒ．＝７．６よりも上側の冷却速度としなければな
らないことがわかる。しかし、直線Ｍ：２０．６＝１
１．２Ｃｅｑ＋Ｃ．Ｒ．より上側の領域になるとマルテ
ンサイト組織が生じ、低温靭性が著しく劣化する。ゆえ
に、直線Ｌと直線Ｍとの間の領域である２０．６≧１
１．２Ｃｅｑ＋Ｃ．Ｒ．≧７．６の領域に鋼成分および
冷却速度を調整することにより、低温でも低ＹＲ特性を
満たす組織を得ることが可能となる。したがって、本発
明では以下の（１）を満たすこととした。 ２０．６≧１１．２Ｃｅｑ＋Ｃ．Ｒ．≧７．６……（１） 次に、本発明の組成について説明する。

【００１７】本発明では、酸素含有量３０ｐｐｍ以下、
および冷却速度との関係で上記（１）式を満たすような
組成を有していればよい。本発明に係る鋼管の好ましい
組成は、重量比で、Ｃ：０．０６〜０．１８％、Ｓｉ：
０．０５〜０．４０％、Ｍｎ：０．５〜１．７％、Ｐ：
０．０２０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．
００１〜０．０６％、Ｎｉ：３０ｐｐｍ以下、Ｏ：３０
ｐｐｍ以下である。

【００１８】好ましい成分の範囲をこのように規定した
理由は以下のとおりである。Ｃは、最も安価で高強度化
に有効な元素である。しかし、０．０６％未満では厚物
で強度が不足して多量の合金元素の添加が必要となり、
コスト高を招く。一方、０．１８％を超えて添加すると
溶接性が著しく低下する。したがって、Ｃ量を０．０６
〜０．１８％の範囲とする。

【００１９】Ｓｉは、鋼材の強度、溶鋼の予備脱酸に必
要な元素である。予備脱酸のためには、０．０５％以上
の添加が必要である。一方、０．４％を超えて過剰に添
加した場合には、鋼材の靭性、溶接ＨＡＺ靭性を劣化さ
せる。したがって、Ｓｉ量を０．０５〜０．４％の範囲
とする。

【００２０】Ｍｎは、母材の強度を確保するために必要
な元素である。しかし、０．５％未満では厚物で強度が
不足して多量の合金元素の添加が必要となり、コスト高
を招く。一方、Ｍｎは中央偏析しやすい元素であり、
１．７％を超えて添加すると板厚中央部が著しく脆化す
る。したがって、Ｍｎ量を０．５〜１．７％の範囲とす
る。

【００２１】Ｐ、Ｓは、鋼中の不純物として含有される
ものであるが、これらの量が増加すると鋼の靭性や溶接
性に悪影響を及ぼすので、それぞれ０．０２０％以下、
０．０１０％以下とする。

【００２２】Ａｌは、脱酸に必要な元素である。Ａｌ量
として０．００１％未満では、十分な脱酸効果を期待す
ることができない。一方、０．０６％を超えて過剰に添
加すると、連続鋳造スラブの表面に疵が発生しやすい。
したがって、Ａｌ量を０．００１〜０．０６０％の範囲
とする。

【００２３】Ｎは、固体鋼中に固溶Ｎや窒化物系介在物
として存在するが、固溶Ｎや粗大窒化物系介在物は、鋼
の低温靭性を劣化させる。Ｎが３０ｐｐｍを超えて含有
すると固溶Ｎが存在し、また、最終凝固部には粗大な窒
化物（例えばＴｉＮやＮｂＮ）が生成しやすくなり、優
れた低温靭性が得られない。したがって、Ｎ含有量を３
０ｐｐｍ以下とする。

【００２４】本発明に係る鋼管は、靭性、強度等を上昇
させる観点から、さらにＴｉ：０．００５〜０．０１５
％、Ｎｂ：０．００５〜０．０４％、Ｖ：０．００５〜
０．１％、Ｃｕ：０．０５〜０．６％、Ｎｉ：０．０５
〜０．６％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ：０．０
２〜０．６％の１種または２種以上を含有してもよい。

【００２５】Ｔｉは、ＴｉＮを形成して加熱時のオース
テナイト結晶粒粗大化を抑制して母材靭性の向上に寄与
する元素である。しかし、０．００５％未満のＴｉ添加
では、この靭性向上効果が発揮されない。一方、０．０
１５％を超えて添加すると、溶接の冷却過程でＴｉＣが
析出し、ＨＡＺ靭性の劣化を招く。したがって、Ｔｉ量
を０．００５〜０．０１５％とする。

【００２６】Ｎｂ、Ｖ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏは、高
強度化に寄与する元素であるが、Ｎｂ＜０．００５％、
Ｖ＜０．００５％、Ｃｕ＜０．０５％、Ｎｉ＜０．０５
％、Ｃｒ＜０．０５％、Ｍｏ＜０．０２％では、明瞭な
強度上昇効果が認められない。これらのうち、ＮｂはＮ
ｂ（ＣＮ）、ＶはＶＣが析出することにより高強度化に
寄与するが、Ｎｂが０．０４％、Ｖが０．１０％を超え
ると、降伏比を著しく上昇させてしまう。また、Ｃｕ、
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏは、固溶強化や焼入性向上効果を通し
て高強度化に寄与するが、Ｃｕが０．６０％を超えると
Ｃｕ割れ発生の危険性を著しく増大させ、Ｎｉは効果な
元素であるため０．６０％以下が現実的であり、Ｃｒが
１．０％、Ｍｏが０．６％を超えると溶接性を著しく劣
化させる。したがって、これらの量をそれぞれＮｂ：
０．００５〜０．０４％、Ｖ：０．００５〜０．１％、
Ｃｕ：０．０５〜０．６％、Ｎｉ：０．０５〜０．６
％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ：０．０２〜０．
６％とする。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 （実施例１）表１に示す酸素量の異なる鋼１および鋼２
を用い、表１に示す条件で鋼管を製造した。これら鋼管
のミクロ組織、降伏比ならびに−５５℃での吸収エネル
ギーについて表１に併記する。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１に示すように、本発明を満足する鋼管
１−１は優れた低温靭性を有し、しかも低温において低
い降伏比を示した。しかし鋼１を用いても、製造条件が
本発明を満足しないものは、本発明で想定する低温靭性
および低温での降伏比を満足しない。一方、酸素量の多
い鋼１を用いた場合には、製造条件にかかわらず優れた
低温靭性が得られない。なお、表１中、αはフェライ
ト、Ｂはベイナイト、Ｍはマルテンサイトを意味する。
また、鋼１、２の他の成分の量は以下のとおりである。

【００３０】鋼１ Ｃ：０．０９％、Ｓｉ：０．３６％、Ｍｎ：１．５８
％、Ｐ：０．００６％、Ｓ：０．００２％、Ａｌ：０．
３１％、Ｎ：０．００２３％ 鋼２ Ｃ：０．１１％、Ｓｉ：０．２２％、Ｍｎ：１．３１
％、Ｐ：０．００９％、Ｓ：０．００１％、Ａｌ：０．
４１％、Ｎ：０．００２４％ （実施例２）表２に示す成分組成を有する供試鋼を、軽
圧下プロセスを含む連続鋳造にてスラブとし、これらス
ラブを表３に示す製造条件にて鋼管とした。なお、表３
には得られた鋼管の降伏比、靭性、外径／管厚比を併記
する。また、ｖＥ-55(ave)、ｖＥ-55(min)は、それぞれ
Ｎ数９のシャルピー試験における吸収エネルギーの平均
値および最小値を示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】表３をみると、オーステナイト域に加熱
後、２０．６≧１１．２Ｃｅｑ＋Ｃ．Ｒ．≧７．６（Ｃ
eq：炭素当量、Ｃ．Ｒ．：冷却速度）の条件で冷却した
鋼管の場合（Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１、Ｇ
１、Ｈ１、Ｉ１、Ｊ１）は、−５５℃でのＹＲ値が８０
％以下の低い値となり、低温靭性も優れた値となった。
これに対して、水冷を施していないため、２０．６≧１
１．２Ｃｅｑ＋Ｃ．Ｒ．≧７．６を満たしていないＡ２
は、本発明鋼管のＡ１に比較して−５５℃でのＹＲ値が
高く、靭性も低い。

【００３４】また、酸素含有量が３０ｐｐｍを超えるＬ
１、Ｎ１、Ｐ１は、ｖＥ-55(min)の値が低く、安定した
低温靭性が得られていない。なお、これらのうちＬ１，
Ｎ１はＮ含有量も３０ｐｐｍを超えるものであり、この
ことも低靭性となった原因である。Ｍ１、Ｏ１はＮ含有
量が３０ｐｐｍを超えたものであり、これらも低靭性で
あった。さらに、Ｋ１はＭｎ量とＮｂ量が本発明の範囲
から外れており、低靭性であった。さらにまた、Ｍ１は
Ｃｕ量、Ｎ１はＭｏ量、Ｏ１はＶ量、Ｐ１はＣ、Ｔｉ量
も外れているが、このことも本発明で想定している特性
が得られなかった一因となっているものと考えられる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
安定した低温靭性を有し、かつ低温（−２０℃〜−６０
℃）で８０％以下の低降伏比を示し、新耐震設計を可能
にする低温低降伏比建築鋼管を製造することが可能とな
り、本発明を適用した鋼管を用いることにより建物の安
全性が増加するといった極めて大きな効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フェライト＋パーライト組織およびフェライト
＋ベイナイト組織における引張試験温度と降伏比との関
係を示す図。

【図２】酸素含有量と−５５℃で試験したシャルピー衝
撃試験における吸収エネルギー（ｖＥ-55 ）との関係を
示す図。

【図３】組織に及ぼす炭素当量および冷却速度の影響を
示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和田 典己 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 村岡 隆二 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で、酸素含有量が３０ｐｐｍ以下
   の鉄基合金を熱間で圧延してなる鋼板を鋼管に成形し、
   端部を溶接した後、その鋼管をオーステナイト域に加熱
   し、以下の（１）式を満たす冷却速度Ｃ．Ｒ．で室温ま
   で冷却することを特徴とする、低温靱性に優れ、かつ低
   温でも低降伏比を有する低温用建築鋼管の製造方法。 ２０．６≧１１．２Ｃｅｑ＋Ｃ．Ｒ．≧７．６……（１） ただし、Ｃeq＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24 ＋Ni/40 ＋Cr/5＋Mo/4
   ＋Ｖ/14
2. 【請求項２】 重量比で、Ｃ：０．０６〜０．１８％、
   Ｓｉ：０．０５〜０．４０％、Ｍｎ：０．５〜１．７
   ％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ａ
   ｌ：０．００１〜０．０６％、Ｎ：３０ｐｐｍ以下、
   Ｏ：３０ｐｐｍ以下を含有する鋼を熱間で圧延してなる
   鋼板を鋼管に成形し、端部を溶接した後、その鋼管をオ
   ーステナイト域に加熱し、以下の（１）式を満たす冷却
   速度Ｃ．Ｒ．で室温まで冷却することを特徴とする、低
   温靱性に優れ、かつ低温でも低降伏比を有する低温用建
   築鋼管の製造方法。 ２０．６≧１１．２Ｃｅｑ＋Ｃ．Ｒ．≧７．６……（１） ただし、Ｃeq＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24 ＋Ni/40 ＋Cr/5＋Mo/4
   ＋Ｖ/14
3. 【請求項３】 重量比で、Ｃ：０．０６〜０．１８％、
   Ｓｉ：０．０５〜０．４０％、Ｍｎ：０．５〜１．７
   ％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ａ
   ｌ：０．００１〜０．０６％、Ｎ：３０ｐｐｍ以下、
   Ｏ：３０ｐｐｍ以下を含有し、さらにＴｉ：０．００５
   〜０．０１５％、Ｎｂ：０．００５〜０．０４％、Ｖ：
   ０．００５〜０．１％、Ｃｕ：０．０５〜０．６％、Ｎ
   ｉ：０．０５〜０．６％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、
   Ｍｏ：０．０２〜０．６％の１種または２種以上を含有
   する鋼を熱間で圧延してなる鋼板を鋼管に成形し、端部
   を溶接した後、その鋼管をオーステナイト域に加熱し、
   以下の式を満たす冷却速度Ｃ．Ｒ．で室温まで冷却する
   ことを特徴とする、低温靱性に優れ、かつ低温でも低降
   伏比を有する低温用建築鋼管の製造方法。 ２０．６≧１１．２Ｃｅｑ＋Ｃ．Ｒ．≧７．６……（１） ただし、Ｃeq＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24 ＋Ni/40 ＋Cr/5＋Mo/4
   ＋Ｖ/14