JPH10152751A

JPH10152751A - 冷間加工後延性の優れた支保工用高強度形鋼および支保工

Info

Publication number: JPH10152751A
Application number: JP26035597A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Hitomi; 潔人見; Haruyuki Imamura; 晴幸今村; Yoshiaki Maki; 義明牧; Shinzo Saito; 晋三斎藤; Kiyoshi Uchida; 清内田; Hiroyuki Hasegawa; 博行長谷川
Original assignee: Nippon Steel Corp; Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-25
Publication date: 1998-06-09
Anticipated expiration: 2017-09-25
Also published as: JP3425517B2

Abstract

(57)【要約】【課題】冷間加工後の延性に優れた降伏強さ440MPa以
上、かつ引張強さ590MPa以上を有する高強度支保工用形
鋼を提供する。【解決手段】重量％で、Ｃ：0.10〜0.20％、Si：0.01
〜0.65％、Mn：0.90〜1.60％、Ｐ：0.035 ％以下、Ｓ：
0.015 ％以下、Al：0.005 〜0.050 ％、Ｎ：0.0150％以
下を含み、さらにTi：0.003 〜0.030 ％、Nb：0.005 〜
0.060 ％、Ｖ：0.005 〜0.100 ％のうちから選ばれた１
種または２種以上、かつ次式（Ｎ）＝Ｎ−（10Ti/48+
4V/51+3Nb/93) で定義される（Ｎ）を0.0030％以下に調
整し、冷間加工後の延性低下を抑制するとともに、強度
と溶接性を向上するためにCeq （％）を0.47％以下とす
る。必要に応じ、Cu、Ni、Cr、Mo、Ｂの１種以上を含有
してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高強度形鋼に関
し、とくにトンネル工事に使用され、掘削断面を保持す
る支保工に用いられる降伏強さ440MPa以上、かつ引張強
さ590MPa以上を有する高強度形鋼および高強度形鋼を用
いた支保工に関する。

【０００２】

【従来の技術】トンネル工事では、トンネル完成までの
間、土圧などの荷重を支え、掘削トンネルの断面を保持
し、掘削したトンネル内の安全を保つため、支保工が使
用されている。トンネル工事に使用される支保工は、Ｈ
形鋼をアーチ状に冷間曲げ加工されたものであり、この
ため、支保工に使用されるＨ形鋼は、安全性の観点から
曲げ加工後でも高い延性が要求される。

【０００３】従来、トンネルの支保工用鋼材としては、
JIS G 3101に規定される一般構造用圧延鋼材のうち、降
伏強さ245MPa以上、かつ引張強さ 400〜510MPaを有する
SS400 が使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、従来の
SS 400鋼材より高強度の鋼材を支保工に適用すれば、鋼
材の断面積を減少させても同一荷重に耐えることができ
るため、鋼材の断面積を減少でき、支保工の小断面化、
軽量化を図れ、その結果、トンネル内の作業性の向上が
期待できることに着目した。しかし、一般に、鋼材の強
度が増加するにしたがい、延性が低下するとともに、冷
間加工による延性低下が著しくなる。低強度のSS 400鋼
では、母材延性が高いため、冷間加工による延性低下が
大きくても、冷間加工後に良好な延性を維持できる。し
かし、高強度鋼では、もともとの延性が低く、かつ冷間
加工による延性低下度が大きいため、冷間加工による延
性低下量を極力小さくしなければ、冷間加工後に良好な
延性を確保できない。

【０００５】冷間加工による延性低下を抑制するため
に、例えば、特開平6-136482号公報、特開平7-224351号
公報には、降伏強度：24.5〜41.5kgf/mm²、かつ引張強
さ：34.6〜55.1kgf/mm²の低強度鋼にTiを添加して、Ti
N を形成させ冷間加工後の延性を高める方法が提案され
ている。しかしながら、TiN の微細分散による延性向上
効果に不明な点があり、この方法を、単に高強度鋼材に
適用するだけでは、冷間曲げ加工による延性低下を抑制
し、冷間加工後の延性に優れた降伏強さ440MPa以上、か
つ引張強さ590MPa以上の高強度鋼材を得ることが容易に
はできなかった。

【０００６】本発明は、上記した問題点を有利に解決
し、冷間加工後延性に優れた降伏強さ440MPa以上、かつ
引張強さ590MPa以上を有する支保工用高強度形鋼および
支保工を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、高強度形
鋼の冷間加工による延性低下を防止するため、高強度鋼
の化学成分と冷間加工前後の延性の関係について調査し
た。その結果、冷間加工による延性低下は、Ti、Nb、
Ｖ、Ｎ量に依存し、次（１）式（Ｎ）＝Ｎ−（10Ti/48 ＋４Ｖ/51 ＋3Nb/93） ……（１）で定義される（Ｎ）が小さいほど、冷間加工後に良好な
延性が得られることを見いだした。

【０００８】本発明は、上記した知見をもとに構成され
た。すなわち、本発明は、重量％で、Ｃ：0.10〜0.20
％、Si：0.01〜0.65％、Mn：0.90〜1.60％、Ｐ：0.035
％以下、Ｓ：0.015 ％以下、Al：0.005 〜0.050 ％、
Ｎ：0.0150％以下を含み、さらに、Ti：0.003 〜0.030
％、Nb：0.005 〜0.060％、Ｖ：0.005 〜0.100 ％のう
ちから選ばれた１種または２種以上を含有し、残部Feお
よび不可避的不純物からなり、かつ次（１）式（Ｎ）＝Ｎ−（10Ti/48 ＋４Ｖ/51 ＋3Nb/93） ……（１）で定義される（Ｎ）が0.0030％以下、および次（２）式 Ceq ＝Ｃ＋Si/24 ＋Mn/6＋Cr/5＋Mo/4＋Ni/40 ＋Ｖ/14 ……（２）で定義されるCeq が0.30〜0.47％であることを特徴とす
る冷間加工後延性に優れ、降伏強さ440MPa以上、かつ引
張強さ590MPa以上を有する支保工用形鋼であり、また、
本発明では、上記した組成に加えて、さらにCu：0.30％
以下、Ni：0.30％以下、Cr：0.30％以下、Mo：0.20％以
下、Ｂ：0.0020％以下のうちから選ばれた１種または２
種以上を含有してもよく、またさらに、Ca：0.0050％以
下、REM ：0.010 ％以下のうちから選ばれた１種または
２種を含有してもよく、また、これら合金元素群を複合
して添加してもよい。

【０００９】また、本発明は、上記した組成のうちのい
ずれかの組成を有する形鋼からなることを特徴とする支
保工である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の支保工用形鋼は、Ｈ形
鋼、Ｉ形鋼等を含む。また、本発明における支保工は上
記した形鋼から冷間加工により、所定の形状に加工され
たものである。まず、本発明の支保工用形鋼、支保工の
成分限定理由について説明する。

【００１１】Ｃ：0.10〜0.20％Ｃは、鋼の強度を増加させる元素であり、所定の強度を
確保するためには0.10％以上の含有が必要であるが、0.
20％を超える含有は延性が低下するとともに、溶接性が
劣化する。このため、Ｃは0.10〜0.20％の範囲とした。
なお、好ましい範囲は、0.13〜0.17％である。

【００１２】Si：0.01〜0.65％ Siは、脱酸剤として作用するとともに、鋼の強度を増加
させる元素であり、この効果を得るためには、0.01％以
上の添加を必要とするが、0.65％を超えて添加すると、
延性が低下する。このため、Siは、0.01〜0.65％の範囲
とした。 Mn：0.90〜1.60％ Mnは、鋼の強度を増加させる元素であり、所定の強度を
確保するためには0.90％以上の添加を必要とする。しか
し、1.60％を超える添加は溶接性を劣化させる。このた
め、Mnは0.90〜1.60％の範囲とした。

【００１３】Ｐ：0.035 ％以下Ｐは、粒界等に偏析し鋼の延性、靱性を低下させる元素
であり、できるだけ低減する。しかし、0.035 ％までは
許容できる。このことからＰは0.035 ％以下とした。Ｓ：0.015 ％以下Ｓは、鋼中ではほとんどが介在物となり、鋼の延性を阻
害するため、0.015 ％以下とする。なお、より良好な延
性を確保するためには0.005 ％以下とするのが望まし
い。

【００１４】Al：0.001 〜0.050 ％ Alは、脱酸剤として有効な元素で、0.001 ％以上は必要
であるが、0.050 ％を超えて添加しても脱酸効果は飽和
する。むしろ、0.050 ％を超えて添加すると延性が低下
する。このため、Alは0.001 〜0.050 ％の範囲に限定し
た。 Ti：0.003 〜0.030 ％、Nb：0.005 〜0.060 ％、Ｖ：0.
005 〜0.100 ％のうちから選ばれた１種または２種以上 Ti、Nb、ＶはいずれもＮとの親和力が強く、窒化物を形
成し、固溶Ｎを減少させ、かつ強度を増加させるのに効
果的である。本発明では、固溶Ｎ量の低減と、降伏強さ
440MPa以上、かつ引張強さ590MPa以上を確保するため
に、Ti、Nb、Ｖのうちのいずれか１種または２種以上を
含有させる。なかでも、TiはＮとの親和力が強く、Ｎを
固定するために有効である。

【００１５】熱間圧延による形鋼の製造において、炭窒
化物を析出させ所望の強度を得るためには、Tiは0.003
％以上、Nbは0.003 ％以上、Ｖは0.003 ％以上の添加が
必要である。しかし、Tiは0.030 ％、Nbは0.060 ％、Ｖ
は0.100 ％を超えて添加すると延性が劣化する。このた
め、Tiは0.003 〜0.030 ％、Nbは0.005 〜0.060 ％、Ｖ
は0.005 〜0.100 ％の範囲とした。

【００１６】Ｎ：0.0150％以下Ｎは、窒化物形成元素と結合する以外は、固溶Ｎとな
る。固溶Ｎは、冷間曲げ加工後に歪時効をおこし、延性
を著しく劣化させる。固溶Ｎの低減には、Ｎ量を低減す
るのが望ましい。また、Ti、Nb、Ｖを添加することによ
り固溶Ｎ量の低減が可能であるが、Ｎ量が0.0150％を超
えると溶接性、延性、靱性等の低下が顕著となるため、
Ｎの上限は0.0150％に限定した。なお、望ましくは0.00
50％以下である。

【００１７】（Ｎ）：0.0030％以下固溶Ｎ量は、窒化物を形成するTi、Nb、Ｖを添加するこ
とにより低減できる。添加したTi、Nb、Ｖの全量が窒化
物を形成するわけではないので、窒化物形成のために必
要なTi、Nb、Ｖ量は化学量論的に決定される量よりも過
剰に添加する必要がある。また、Ti、Nb、Ｖは、それぞ
れ窒化物の形成能力が異なるため、それぞれ、必要添加
量が異なる。

【００１８】熱間圧延により製造された高強度形鋼にお
ける冷間加工による延性低下は、次（１）式（Ｎ）＝Ｎ−（10Ti/48 ＋4 Ｖ/51 ＋3Nb/93） ……（１）で定義される（Ｎ）に依存する。なお、（１）における
ＮはＮ含有量（total Ｎ量）（重量％）、TiはTi含有量
（重量％）であり、ＶはＶ含有量（重量％）、NbはNb含
有量（重量％）である。また、（１）式に記載された元
素のうち、鋼中に含まれない元素がある場合には、
（１）式中の当該元素量を零として（１）式を計算する
とものとする。

【００１９】本発明では、（１）式で定義される（Ｎ）
を0.0030％以下とするように成分を調整する。（Ｎ）が
0.0030％を超えると、冷間加工後の延性が低下する。
（Ｎ）を0.0030％以下とすることにより、冷間加工後で
も17％以上の伸び（JIS 1A引張試験片）を得ることがで
きる。なお、好ましくは、（Ｎ）は0.0010％以下で、こ
の場合、冷間加工後に19％以上の伸びが得られる。

【００２０】（Ｎ）と冷間加工前後の延性の関係につい
て説明する。Ｎ、Ti、Ｖ、Nb含有量を変化させた、表１
に基本成分を示す低強度鋼（Ｘ）と高強度鋼（Ｙ）につ
いて、熱間圧延によりＨ形鋼を製造し、熱間圧延のまま
と圧延後冷間加工を施し各Ｈ形鋼の延性について調査し
た。なお、冷間加工における加工率は２％とした。ま
た、冷間加工後の引張試験は、室温で１ヶ月以上経過さ
せた後行った。冷間加工前後の延性を（Ｎ）で整理し、
図１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】降伏強さ245MPa以上、かつ引張強さ400 〜
510MPaを有する低強度鋼Ｘについても従来知見どおり
（Ｎ）の増加により冷間加工後の延性は低下している。
しかし、特に、降伏強さ440MPa以上、かつ引張強さ590M
Pa以上の高強度鋼Ｙでは、冷間加工後の延性は（Ｎ）の
影響が顕著であり、冷間圧延後に良好な延性を確保する
ためには、（Ｎ）を小さくする必要がある。高強度鋼Ｙ
では、（Ｎ）が0.0030％以下とすることにより、冷間加
工後の伸びを17％以上、（Ｎ）を0.0010％以下とするこ
とにより、冷間加工後の伸びを19％以上とすることがで
きる。

【００２３】Cu：0.30％以下、Ni：0.30％以下、Cr：0.
30％以下、Mo：0.20％以下、Ｂ：0.0020％以下のうちか
ら選ばれた１種または２種以上 Cu、Ni、Cr、Mo、Ｂはいずれも焼入れ性を増加し、鋼の
強度を増加させる元素であり、強度確保のために、必要
に応じ添加できる。しかし、Cu：0.30％、Ni：0.30％、
Cr：0.30％、Mo：0.20％、Ｂ：0.0020％を超える添加は
溶接性を劣化させるため、それぞれ上限とした。

【００２４】Ca：0.0050％以下、REM ：0.010 ％以下の
うちから選ばれた１種または２種 Ca、REM はいずれもＯ、Ｓとの親和力が強く硫化物、酸
化物あるいはそれらの複合介在物となり、球状の硫化
物、酸化物系介在物を形成し、介在物の形状制御を行う
作用を有している。この作用により鋼の延性向上に寄与
する。しかし、Caは0.0050％、REM は0.010 ％を超える
添加は、介在物量が多くなり延性を劣化させるため、そ
れぞれを上限とした。

【００２５】Ceq （％）：0.30〜0.47％次（２）式 Ceq ＝Ｃ＋Si/24 ＋Mn/6＋Cr/5＋Mo/4＋Ni/40 ＋Ｖ/14 ……（２）で定義されるCeq を0.30〜0.47％に制限する。なお、
（２）式におけるＣはＣ含有量（重量％）を、SiはSi含
有量（重量％）を、MnはMn含有量（重量％）を、CrはCr
含有量（重量％）を、MoはMo含有量（重量％）を、Niは
Ni含有量（重量％）を、ＶはＶ含有量（重量％）を、そ
れぞれ表す。なお鋼中に含有されない元素については、
（２）式中の該当する元素量を零として（２）式を計算
するものとする。

【００２６】支保工では、仮付溶接、あるいは溶接接合
により各部材を固定する場合がある。しかもトンネル内
という作業環境が悪いところでの溶接となる。溶接割れ
の発生は構造物の安全性を劣化させるため、割れ発生は
防止しなければならない。このため、Ceq を0.47％以下
とする。Ceq が0.47を超えると溶接割れが発生する危険
が増大するため、上限とした。一方、降伏強さ440MPa以
上、かつ引張強さで590MPa以上の高強度を得るために
は、Ceq が0.30％以上必要である。このため、Ceq を0.
30〜0.47％の範囲に限定した。

【００２７】その他、本発明の支保工用形鋼は残部Feお
よび不可避的不純物からなる。降伏強さ（ＹＳ）：440MPa以上、かつ引張強さ（Ｔ
Ｓ）：590MPa以上強度の高い鋼材を支保工に適用することにより、支保工
用形鋼の断面を減少することができる。支保工用一般Ｈ
形鋼として、Ｈ-250、Ｈ-200、Ｈ-175、Ｈ-150、Ｈ-12
5、Ｈ-100の各断面サイズがあり、従来のＹＳ：245MPa
（ＴＳ：400MPa）級Ｈ形鋼の断面サイズを１ランク以上
減少するには、少なくともＹＳ：440MPa（ＴＳ：590MP
a）級以上の高強度鋼が必要となる。すなわち、従来の
ＹＳ：245MPa級（ＴＳ≧400MPa）Ｈ形鋼より１ランク以
上小さい断面のＨ形鋼で同等の曲げモーメントに耐える
には、少なくともＹＳで440MPa級（ＴＳ≧590MPa）以上
の高強度鋼のＨ形鋼とする必要がある。このようなこと
から、支保工用形鋼の降伏強さを440MPa以上、かつ引張
強さを590MPa以上に限定した。

【００２８】本発明の支保工用形鋼の保有する特性は、
次のとおりである。本発明の支保工用形鋼は、従来のSS
400より強度が高い、降伏強さが440MPa以上、かつ引張
強さが590MPa以上で、冷間加工後の延性として、0.5 〜
4.0 ％の冷間加工を施したのちの値で、17％以上の伸び
を有するという冷間加工後延性の優れた形鋼である。し
たがって、上記した形鋼を用いた支保工は、440MPa以上
の降伏強さと590MPa以上の引張強さと17％以上の伸びを
有することになり、支保工としても高延性・高強度の支
保工となる。

【００２９】これにより、従来の支保工にくらべ、高強
度の支保工用形鋼を使用でき、形鋼断面の減少が可能と
なる。例えば、従来のSS 400鋼材では、Ｈ 200×200 サ
イズのＨ形鋼で支保工を作製していたが、本発明の高強
度形鋼を使用すればＨ 150×150 サイズまでの２ランク
の縮小（ダウンサイズ）ができる。

【００３０】

【実施例】

（実施例１）表２に示す化学組成の鋼を転炉で溶製し、
連続鋳造法により 270×340mm 断面のブルームとした。
このブルームから表３に示す熱間圧延条件で、表３に示
すサイズのＨ形鋼を製造した。これらＨ形鋼のフランジ
Ｔ／４部の機械的性質（降伏強さ、引張強さ、伸び）を
調査し、表３に示す。さらに、各Ｈ形鋼に2 〜2.8 ％の
冷間曲げ加工を施したのち、機械的性質を同様に調査
し、表３に併記した。また、支保工とつなぎ板とをＴ字
継手溶接し、割れの有無を調べた。

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】本発明例はいずれも、440MPa以上の降伏強
さ、590MPa以上の引張強さを有し、かつ冷間加工による
歪時効は小さく、冷間曲げ加工後で17％以上の伸びを有
している。これに対し、本発明から外れる比較例は、い
ずれも冷間加工後の延性が低下し、17％以上の伸びが得
られなかったり、強度が不足したり、溶接割れが発生し
たりしている。

【００３４】例えば、No.11 、No.12 、No.13 、No.14
の比較例は、（Ｎ）が0.0030％を超えて本発明範囲を外
れており、歪時効が大きく冷間加工後の延性が低下して
いる。No.15 の比較例は、Ｃ、Mn量が本発明から外れて
いるため、所定の高強度が得られない。No.16 の比較例
は、Ｃ量、Ｃeqが本発明から外れているため、溶接割れ
が発生している。（実施例２）表４に示す化学組成の鋼を転炉で溶製し、
連続鋳造法により 270×340mm 断面のブルームとした。
このブルームを1280℃に加熱し、圧延終了温度 850℃の
熱間圧延を施し、Ｈ 150×150 のＨ形鋼とした。このＨ
形鋼に曲げ半径２Ｍ〜 6.9Ｍ（曲げ加工率 3.2〜 1.1
％）の冷間曲げ加工を施し、鋼製支保工とした。この鋼
製支保工の機械的性質を表５に示す。

【００３５】

【表４】

【００３６】

【表５】

【００３７】表５から本発明の支保工（No.2-1〜No.2-
6）は、強度も高く、19％以上の伸びを示すすぐれた高
強度の鋼製支保工であるといえる。これに対し、（Ｎ）
の高い比較例の支保工（No.2-7〜No.2-9）は、高強度は
得られているものの、伸びが低く延性低下が著しく、と
くに曲げ加工率3.2 ％の支保工No.2-9の伸びは9.5 ％と
低い。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、冷間加工後の延性に優
れた支保工用高強度形鋼が工業的に容易に製造できる。
このような高強度形鋼は、支保工用形鋼の小断面化、軽
量化が図れ、トンネル工事の作業性向上に貢献でき、産
業上格段の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷間加工前後の伸びにおよぼす（Ｎ）の影響を
示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者今村晴幸岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者牧義明岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者斎藤晋三岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者内田清岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者長谷川博行東京都千代田区大手町二丁目６番３号新日本製鐵株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.10〜0.20％、 Si：0.01〜0.65％、 Mn：0.90〜1.60％、Ｐ：0.035 ％以下、Ｓ：0.015 ％以下、 Al：0.005 〜0.050 ％Ｎ：0.0150％以下を含み、さらに、 Ti：0.003 〜0.030 ％、Nb：0.005 〜0.060 ％、Ｖ：0.
005 〜0.100 ％のうちから選ばれた１種または２種以上
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ
下記（１）式で定義される（Ｎ）が0.0030％以下、およ
び下記（２）式で定義されるCeq が0.30〜0.47％である
ことを特徴とする冷間加工後延性に優れ、降伏強さ440M
Pa以上、かつ引張強さ590MPa以上を有する支保工用形
鋼。記（Ｎ）＝Ｎ−（10Ti/48 ＋４Ｖ/51 ＋3Nb/93） ……（１）ここに、Ｎ、Ti、Ｖ、Nb：各元素の含有量（重量％） Ceq ＝Ｃ＋Si/24 ＋Mn/6＋Cr/5＋Mo/4＋Ni/40 ＋Ｖ/14 ……（２）ここに、Ｃ、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Ｖ：各元素の含有量
（重量％）
【請求項２】請求項１に記載の組成に加えてさらに、
重量％で、 Cu：0.30％以下、Ni：0.30％以下、Cr：0.30％以下、M
o：0.20％以下、Ｂ：0.0020％以下のうちから選ばれた
１種または２種以上を含有することを特徴とする冷間加
工後延性に優れ、降伏強さ440MPa以上、かつ引張強さ59
0MPa以上を有する支保工用形鋼。
【請求項３】請求項１または２に記載の組成に加えて
さらに、重量％で、 Ca：0.0050％以下、REM ：0.010 ％以下のうちから選ば
れた１種または２種を含有することを特徴とする冷間加
工後延性に優れ、降伏強さ440MPa以上、かつ引張強さ59
0MPa以上を有する支保工用形鋼。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の形
鋼からなることを特徴とする支保工。