JPS581182B2 - 低温用棒鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は低温における性質のすぐれた棒鋼たとえば低温
で使用される鉄筋コンクリート用棒鋼に関する。

現在の鉄筋コンクリート用棒鋼はＪＩＳ Ｇ ３１１２
に、その化学成分および機械的性質が規定されており、
現在ではこの表にある成分範囲のもので同表中の機械的
性質を満足するものが鉄筋用棒鋼として製造され、使用
されている。

これらの鉄筋は北海道の様な寒冷地や高地、アラスカ、
シベリア、南極といった寒冷地、極地に建設使用される
鉄筋コンクリート構造物にも使用されており、また鉄筋
コンクリート製の冷凍庫やＬＮＧをはじめとする液化ガ
スの貯蔵庫にも用いられている。

しかるに現在製造され使用されている鉄筋は規格上はも
とより、実際使用されるうえでも常温もしくはそれ以上
の温度で使用されることを想定したものであって、上術
の如き低温で使用される場合の性質に対しては何ら考慮
されていない。

本発明者は現行の鉄筋の低温における性質を調査した結
果、次のような点題点があることが明らかになった。

即ち、低温、例えば−２０℃以下の温度で、切欠引張り
強さが低下し、切欠強度比が小さくなることおよび曲げ
加工し、自然時効させたあとの切欠引張り強さ、切欠強
度比の低下が低温において非常に顕著になることである
。

鉄筋コンクリート構造物に用いられている鉄筋にはほと
んど異形模様がつけられているが、それらは棒鋼表面の
切欠として作用すること、施工時に棒鋼表面に疵などの
切欠がはいること、溶接などによって生じる欠陥が切欠
となること、低温ではこうした切欠によって非常に脆く
破断じやすくなることを考えると上記の問題点は非常に
重大であり、構造物の安全性を高めるためにこれら諸点
の改善が望まれる。

本願発明は特にコンクリート構造物に用いられる鉄筋の
素材たる棒鋼の低温での性質の改善を目的とするもので
あるが、ここで低温番こおいて要求される鉄筋の性質が
従来から扱われている鋼の低温性質と相違していること
について述べる。

従来から鋼の低温における靭性の改善を目指して多くの
努力がなされ、種々の成果を生んでいるが、此の場合の
靭性とは溶接欠陥や加工その他に起因する欠陥、鋼の内
質的欠陥が低温下で負荷を受けた伏態で亀裂を生じ、そ
の亀裂が伝幡して構造物全体の破壊に到る状況について
扱ったものであり、外力負荷下での亀裂の発生および伝
幡・停止の挙動を云々するか、あるいは鋼材に衝撃的に
力が負荷された場合の亀裂の発生・伝幡、破壊過程での
衝撃エネルギーをどの様にしてどれだけ吸収するか、等
々の挙動を言々するものである。

しかるに鉄筋コンクリート構造物の場合には、鉄筋はコ
ンクリート中に多数埋め込まれていて鉄筋間の材料的な
連続性がないため、１本の鉄筋が仮に何らかの原因で脆
性的に破壊してもそれが隣近の鉄筋に破壊を伝幡するこ
とにはならないため、従来から扱われている亀裂の伝幡
・停止特性で鉄筋の性質を評価することは出来ない。

またコンクリートの中に埋められている鉄筋にシャルピ
ー試験のような衝撃エネルギーの吸収特性で評価するこ
とも適当でない。

結局鉄筋コンクリート構造物においては、静的な荷重負
荷に対して鉄筋の担う荷重が鉄筋の降伏に（あるいは極
端な場合破断に）致らないかどうか、が重要な問題とな
っている。

静的な荷重の負荷に対しては、鋼の降伏点および引張強
さは温度が下るほど上昇するから、常湛の強度設計のま
ゝでも低湿で何ら問題ないことになる。

しかし既述した如く鉄筋には異形模様および種々の欠陥
による切欠が存在するため低温における鉄筋の性質とし
ては、鋼板等でいわれる性質とは異なり、低温での切欠
引張強さが非常に重要になってくる。

更に、鉄筋は施工時に種々の曲げ加工を受けたまゝで使
用されており、こうした曲げ加工によって上述の性質が
著しく劣化することに対する改善も極めて重要な問題と
なる。

本発明は、従来の棒鋼において全く顧慮されたことのな
い諸性質が低温で使用される棒鋼たとえば低温で使用さ
れる鉄筋コンクリート構造物の鉄筋に必要であることを
見い出し、それら諸性質の改善を実現した低温用棒鋼を
世に送り出すことに成功したものである。

かゝる低温性質は従来の棒鋼に対し一顧だにされなかっ
たものであり、各種の低温用鋼材にこれまで扱われてき
た諸性質とは異なった低温用棒鋼に固有の性質であり、
その性質を備えるものとして開発された本発明の低温用
棒鋼は次のとおりの組成をもち、かつ−１００℃で１．
０以上の切欠強度比を有するものである。

（１） Ｃ：０．０５〜０．４％、Ｓｉ：０．１〜１．
５％、Ｍｎ：０．２５〜２．５％、但しＭｎとＣの含有
量の比（以下Ｍｎ％／（４と略記する）は４．５以上、
ＳｏｌＡｌ： ０．０３５〜０．５％、残部Ｆｅおよび
不純物から成る組成。

（２） 上記（１）の成分の外に、Ｎｉ：１．０％以下
、Ｃｒ：２．０％以下、のうちの１種以上を含む組成。

（３）上記（１）の成分の他にそれぞれ０．５％以下の
■，Ｎｂ，Ｔｉの１種以上を含む組成。

（４）上記（３）の成分に加えて、更にＮｉ：１．０％
以下、Ｃｒ：２．０％以下のうちの１種以上を含有する
組成。

（５）上記（３）の成分の他に、０．０５％以下のＣａ
を含む組成。

（６）上記（４）の成分の他に、０．０５％以ＦのＣａ
を含む組成。

上記本発明の棒鋼は、溶製後は造塊一分塊法或いは連続
鋳造法によってビレットにされる。

ビレットから棒鋼への圧延は通常の棒鋼製造と同じ熱間
圧延法で加工され、加工後は特別の冷却方法或いは焼入
れ、焼戻しのような熱処理を行うことなく、熱延のまゝ
で前述したとおりの所望の低温性質をもつに到る。

次に上記のように組成その他の限定をした理由を説明す
る。

■ Ｃ量は棒鋼の強度を支配する元素として重要である
。

たとえば鉄筋の規格強度の最小値降伏点２４ｋｇ／ｍｍ
２を確保するためにはＣ量が０．０５係以上必要である
。

Ｃ量は高いほど降伏強さが上昇するがそれに伴なって延
性が低下し、０．４％をこれると−１００℃での切欠引
張強度が低下し、室温での破断荷重以下まで減少するよ
うになるので０．４％を上限とした。

■ Ｓｉは脱酸剤として０．１％以上の添加が必要であ
る。

またＳｉの添加によって棒鋼の降伏点が上昇し、繰返し
引張試験における降伏強度を上昇させることからも適当
量のＳｉ添加は望ましい。

しかしＳｉが１．５％をこえる伸び・曲げ性が低下し、
低温用棒鋼として延性に不安を生じるようになるのでＳ
ｉ量の範囲を０．１〜１．５％とした。

■ Ｍｎは鋼の脱酸剤として、また熱間加工性の改善の
ために少なくとも０．２５％の添加が必要である。

Ｍｎの添加は強度を上昇させる効果があると共に、Ｃ量
を増した時に必然的に生じる延性の低下をはじめ低温で
の切欠強度の低下、歪時効によるこれらの性質の劣化が
非常に顕著になることを補なって、上記諸性質を回復さ
せる効果がある。

後述する様な種々の検討の結果、こうした性質改善効果
をもたらすＭｎ量はＣ量に応じて変化し、Ｍｎ／Ｃ≦４
．５となるようにする必要がある。

一万Ｍｎ量が２． ５％をこえると粗大なフエライトの
混入した粗い組織になるのでＭｎ量は２．５％を上限と
しなければならない。

■ ＡＡは通常鉄筋用の棒鋼には添加しない。

しかし全Ｎ量が通常の棒鋼に含まれる程度に高い場合、
Ａｌの添加は低温での切欠強度比の改善に寄与する。

鋼中にＶ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ等が共存する場合、これら
の成分によってもＮの害はある程度除去されるのでＡｌ
の添加は少量でもよいが、これらの成分が含まれない鋼
では上記の効果を奏するにはＳｏｌＡｌとして、０．０
３５％以上の含有が必要である。

しかし、ＳｏｌＡｌとして０．５％をこえると取鍋など
のノズルが詰ってストッパー等によるノズル操作が困難
となるトラブルが起りやすい。

■ Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉは炭化物あるいは窒化物を形成して
組織を微細化し、低温での切欠引張り強度を上昇させる
。

これらの成分の効果は非常に微量でも具現するが、とく
にＶ，Ｎｂは０．０１％以上、Ｔｉは０．０２％以上で
顕著に現われるようになる。

しかし、Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉは０．５％をこえると効果が飽
和し、逆に脆化現象が現われるようになるので、これら
の値を上限値とした。

■ Ｎｉ，Ｃｒは鋼の焼入性を調整するために添加する
もので、鉄筋が太径になって冷却速度が小さくなった場
合に変態温度が高くなり組織が不均一、粗大になるのを
補正するためのものである。

Ｎｉ１％、Ｃｒ２％、をこえると低温変態生成物を混入
した不均一組織となってかえって性質が劣化する。

こうしたことからこれら元素の含有量の上限値を現定し
た。

■ Ｃａは脱酸作用及び非金属介在物ＭｎＳを小さくし
、球状化する効果を有しており、Ｃａ添加により低温に
おける切欠強度比を向上させる。

その効果は０．００１％以上に現われ、０．０５％をこ
えると飽和する。

次に本発明において、棒鋼の−１００℃での切欠強度比
を１．０以上とした理由は次のとおりである。

切欠強度比とは、通常の引張り試験片（例えばＪＩＳ１
４号試験片）を用いて得られた引張り強さ（Ｔｓ）に対
する切欠付引張り試験片（詳細は後述する）を用いて得
られる引張り強さ（ｎＴｓ）の比、即ち、ｎＴｓ／Ｔｓ
を示すものである。

例えば、ＬＮＧ貯蔵庫においては、貯蔵開始後５〜１０
年でコンクリート壁内部の温度が−１００°程度まで低
下するが、その時、コンクリート内部の鉄筋の切欠強度
比が１．０より小さくなると通常の引張り強さ以下の応
力で破断してしまう危険がある。

そこで−１００℃を目安としてその時の切欠強度比１．
０以上を確保できる棒鋼であればＬＮＧ貯蔵庫のコンク
リート鉄筋をはじめ、殆んどの低温用構造物の材料とし
て安全であるといえる。

〔実施例〕

第１表に示す組成の鋼を溶製し、第２表に示す製造条件
で棒鋼（３０ｍｍφ）を製造した。

なお、これらの鋼のうち鋼種記号１〜１５は転炉溶製し
たものであるが、特に低窒素の本発明鋼５，６，７は鋳
込時にアルゴンシールを行なつた。

また鋼種記号１６〜５５は、低周波誘導加熱溶解炉にて
大気中溶製鋳込を行なって１Ｔｏｎ鋼塊を製造し、それ
らを熱間プレスで鋼片に熱間鍛伸したのち棒鋼圧延工場
で棒鋼を製造した。

棒鋼の圧延サイズは鋼種記号１〜１５については３０ｍ
ｍφ、鋼種記号１６〜５３については５０ｍｍφである
。

このときの製造条件には第２表のイ〜ハをとった。

これらの棒鋼について機械的性質を試験した結果を第３
表に示す。

試験条件および試験結果の評価法は次のとおりである。

け）引張試験 ＪＩＳ１４号試験片、平行部直径１０ｍｍ、室温および
−１００℃にて、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して試験
。

（２） 切欠引張り試験 試験片形状は図に示すとおり。

室温および−１００℃にて、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準
拠して試験。

（３）切欠引張り強さ（ｎＴｓ） 切欠引張り試験における最大荷重を試験片の試験前の切
欠底における断面積で除した値。

（４）切欠強度比 （１）の引張り試験で得られた引張り強さ（Ｔｓ）に対
する（３）の切欠引張り強さ（ｎＴｓ）の比、即ちｎＴ
ｓ／Ｔｓ （５）歪時効後の性質 鉄筋の曲げ加工における加工に相当する１０％塑性歪を
付与した後、１５０℃×３ｈｒの人工時効を施した。

この時効条件は大型コンクリート構造物において、コン
クリート凝固時の発熱昇温による歪時効に相当する。

試験片は（２）の切欠試験片と同一である。

次にＭｎ／Ｃ≧４．５となるようにする必要がある理由
について述べる。

第１表の鋼種記号１〜４と同記号５〜８の炭素鋼を比較
してみる。

これらの鋼は炭素鋼でＭｎ／℃比がかわっている。

第３表の結果をみてみる。製造条件イの群の鋼１〜４と
５と６〜８を比較してみるとＭｎ／Ｃ＝１．５７〜４．
４２の従来鋼及び比較鋼に対してＭｎ／Ｃ＝５．１０〜
７．９０の鋼６〜８の特性の優れていることがわかる。

鋼種記号９〜５３の本発明鋼ではいずれの条件をとろう
とも、従来鋼より優れた特性を示している。

Ｍｎ／Ｃ≧４．５になると特性が優れる冶金的理由は、 ■ Ｃ量が少なくなるとセメンタイト量が減少し、パー
ライト体積率も減少する。

このことは鋼を脆くする第２相（即ちセメンタイトある
いはパーライト粒）の体積率を減少して破壊にいたるま
でのエネルギーを増大させることになる。

■ またＭｎ量が増加すると、フエライト地の延、靭性
が向上すること、および圧延後の冷却中の変態開始温度
が低下してフエライト粒が微細化する。

これらの事情からＭｎ／Ｃ比が大きくなるほど特性が優
れる。

一方低温用棒鋼としては−１００℃での切欠強度比を１
．３以上にすることが必要であり、この条件を満たすた
めにはＭｎ／Ｃ≧４．５とする必要のあることが今回の
発明で明らかになったものである。

第３表の試験結果から明らかなとおり、本願発明に係る
棒鋼ろ、（イ）、（ロ）、（ハ）いずれの製法によるも
のでも低温での切欠強度が高く−１００℃での切欠強度
比は全て１．０以上となっている。

更に１０％歪時効後の切欠強度比を比較すると、従来鋼
では室温での値と−１００℃での値に大差があっテ、低
温での劣化が顕著であるのに対して、本発明棒鋼ではそ
の劣化が極めて少ない。

以上の結果から綜合して、本発明の棒鋼が例えば異形鉄
筋として低温構造物に使用された場合、従来の鉄筋をは
るかにしのぐ破壊抵抗を示し、構造物の安全性増大に多
大の寄与をなすことが明らかである。

【図面の簡単な説明】

図は切欠引張り試験に用いた試験片の形状を示すもので
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ：０．０５〜０．４％、Ｓｉ：０．１〜１．５％
   、Ｍｎ：０．２５〜２．５％、但しＭｎとＣの含有量の
   比（Ｍｎ％／Ｃ％）は４．５以上、ＳｏｌＡｌ：０．０
   ３５〜０．５％、残部Ｆｅおよび不純物から成り、−１
   ００℃での切欠強度比が１．０以上である非調質低温用
   棒鋼。 ２ Ｃ：０．０５〜０．４％、Ｓｉ：０．１〜１．５％
   、Ｍｎ：０．２５〜２．５％、但しＭｎとＣの含有量の
   比（Ｍｎ％／Ｃ％）は４．５以上、ＳＯｌＡｌ：０．０
   ３５〜０．５％、更にＮｉ：１．０５以下、Ｃｒ：２．
   ０％以下のうちの１種以上、残部Ｆｅおよび不純物から
   成り、−１００℃での切欠強度比が１．０以上である非
   調質低温用棒鋼。 ３ Ｃ：０．０５〜０．４％、Ｓｉ：０．１〜１．５％
   、Ｍｎ：０．２５〜２．５％、但しＭｎとＣの含有量の
   比（Ｍｎ％／Ｃ％）は４．５以上、ＳｏｌＡｌ：０．０
   ３５〜０．５％、更にＶ，Ｎｂ，Ｔｉそれぞれ０．５％
   以下のうちの１種以上、残部Ｆｅおよび不純物から成り
   、−１００℃での切欠強度比が１．０以上である非調質
   低温用棒鋼。 ４ Ｃ：０．０５ 〜０．４％、Ｓｉ：０．１〜１．
   ５％、Ｍｎ：０．２５〜２．５％、但しＭｎとＣの含有
   量の比（Ｍｎ％／Ｃ％）は４．５以上、ＳｏｌＡｌ：０
   ．０３５〜０．５％、更にＮｉ：１．０％以下、Ｃｒ：
   ２．０％以下のうちの１種以上とＶ，Ｎｂ，Ｔｉのそれ
   ぞれ０．５％以下のうちの１種以上、残部Ｆｅおよび不
   純物から成り、−１００℃での切欠強度比が１．０以上
   である非調質低温用棒鋼。 ５ Ｃ：０．０５〜０．４％、Ｓｉ：０．１〜１．５％
   、Ｍｎ：０．２５〜２．５％、但しＭｎとＣの含有量の
   比（Ｍｎ％／Ｃ％）は４．５以上、ＳＯｌＡｌ：０．０
   ３５〜０．５％、Ｃａ：０．０５％以下、更にＶ，Ｎｂ
   ，Ｔｉそれぞれ０．５％以下のうちの１種以上、残部Ｆ
   ｅおよび不純物から成り、−１００℃での切欠強度比が
   １．０以上である非調質低温用棒鋼。 ６ Ｃ：０．０５〜０．４％、Ｓｉ：０．１〜１．５％
   、Ｍｎ：０．２５〜２．５％、但しＭｎとＣの含有量の
   比（Ｍｎ％／Ｃ％）は４．５以上、ＳｏｌＡｌ＝０．０
   ３５〜０．５％、Ｃａ：０．０５％以下、更にＮｉ：１
   ．Ｏ％以下、Ｃｒ：２．０％以下のうちの１種以上とＶ
   ，Ｎｂ，Ｔｉのそれぞれ０．５％以下のうちの１種以上
   、残部Ｆｅおよび不純物から成り、−１００℃での切欠
   強変比が１．０以上である非調質低温用棒鋼。