JPH0713250B2 - 耐火性の優れた建築用低降伏比鋼の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は建築、土木及び海洋構造物等の分野における、
各種構造物に用いる耐火性の優れた低降伏比鋼の製造方
法に関する。

（従来の技術） 周知の通り建築、土木及び海洋構造物等の分野における
各種構造物用構築材として、一般構造用圧延鋼材（JIS
G 3103）、溶接構造用圧延鋼材（JIS G 3106）、溶接構
造用耐候性熱間圧延鋼材（JIS G 3114）、高耐候性圧延
鋼材（JIS G 3444）、一般構造用角形鋼板（JIS G 346
6）等が広く利用されている。

前記周知鋼材は、通常高炉によって得られた溶銑を脱S,
脱Ｐしたのち転炉精錬を行ない、連続鋳造もしくは分塊
工程において鋼片とし、ついで熱間塑性加工をすること
により、所望の特性を備えたものとして製品化される。

ところで、各種建造物のうち、特に生活に密着したビル
や事務所及び住居等の建造物に前記周知鋼材を用いる場
合、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℃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、たとえば、一般構造用圧延鋼材（JIS G 3101）に規
定される形鋼を柱材とする構造物の例では、その表面に
スラグウール、ガラスウール、アスベスト等を基材とす
る吹き付け材やフェルトを展着するほか、防火モルタル
で包皮する方法及び前記断熱材層の上に、さらに金属薄
板すなわちアルミニウムやステンレス薄板で保護する方
法等、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工費が高額になり、
建築コストが大幅に上昇することを避けることができな
い。

そこで、構築材として丸あるいは角鋼管を用い、冷却水
が循環するように構成し、火災時における温度上昇を防
止し載荷力を低下させない技術が提案され、ビルの建築
コストの引き下げと利用空間の拡大が図られている。

たとえば、実公昭52−16021号公報には、建築物の上部
に水タンクを置き、中空鋼管からなる柱材に冷却水を供
給する耐火構造建造物が開示されている。また、特願平
２−72566号明細書では、一定量のMoの添加とC/Mn比の
制限及び焼入性の確保によりミクロ組織をベイナイトと
して、600℃の高温強度が常温強度の70％以上確保でき
ることが示されている。

しかしながら、この方法では、常温の降伏比は低いが、
Ｓ−Ｓカーブは明確な降伏点は見られずラウンド型とな
る。このタイプの鋼は見かけ上の降伏比は低いが、耐震
性に十分とは言えないことが明らかにされ、問題点を含
んでいた。

第１図（ａ）はミクロ組織がフェライト主体の場合のＳ
−Ｓカーブ、第１図（ｂ）はミクロ組織がベイナイト主
体のＳ−Ｓカーブである。

（発明が解決しようとする課題） 本発明者らは、火災時における鋼材温度について研究の
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。

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、さらに研究を進めた結果、600℃での高温耐力
が常温時の70％以上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、且つ、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の製造方法を開
発した。

（課題を解決するための手段） 本発明は前述の課題を克服し、目的を達成するもので、
重量比で、C0.04〜0.11％、Si0.6％以下、Mn0.3〜0.7
％、Mo0.5〜0.8％、Ni0.05〜0.50％、Cu0.05〜0.50％、
Cr0.05〜0.50％、Al0.1％以下、N0.006％以下に加えてV
0.005〜0.05％、Ti0.005〜0.03％、Zr0.005〜0.03％、C
a0.0005〜0.005％、REM0.001〜0.005％の一種または二
種以上、残部がFe及び不可避的不純物を含み、しかも
（１）式で与えられるDi^*値が0.80未満の成分組成より
なる鋼片を1150〜1300℃の温度域で再加熱後、熱間圧延
を800〜1000℃の温度範囲で終了し、その後空冷してミ
クロ組織をフェライト主体とする耐火性の優れた建築用
低降伏比鋼の製造方法である。

（１）式 （作用） さて、本発明の特徴は、中Ｃ−中Mn鋼に一定量のMoを添
加し（１）式で与えられるDi^*値（ここでDi^*とは焼入れ
に寄与する合金元素の効果を定量化したものである。）
が0.80未満の組成の鋼片を高温で再加熱したのち、比較
的高温で圧延を終了することにあり、本発明法によって
製造した鋼及び鋼材（以下鋼）は適当な常温耐力と明確
な降伏現象（降伏点が明瞭に認められる）を伴った低い
降伏強度を有するとともに、高温耐力が高い特性を備え
ている。

つまり、常温耐力に対し600℃の温度における耐力の割
合が大きい。この理由は中Ｃのベース成分に相当量のMo
を添加した鋼で、フェライト組成（フェライト面積率60
％以上）としているためである。

つぎに、本発明にかかる特徴的な成分元素とその添加量
について説明する。

Moは微細な炭窒化物を形成し、さらに、固溶体強化によ
って高温強度を増加させるが、ミクロ組織がフェライト
でNbを添加しない本発明鋼の場合、その添加量は比較的
多く必要である。そのため、Mo添加量の下限は0.5％で
ある。しかしながら、Mo量が多すぎると、溶接性が悪く
なり、さらに、溶接熱影響部（HAZ）の靱性が劣化する
ので、Mo量の上限は0.8％とする必要がある。

さて、常温において、溶接構造用圧鋼材（JIS G 3106）
に規定する性能を満足し、且つ、600℃の高温において
高い耐力を維持せしめるためには、鋼成分と共に鋼の再
加熱及び圧延にかかる条件が重要である。

前述のMo添加による高温強度の増大を図るには、Moを再
加熱時に十分に溶体化させる必要があり、このため再加
熱温度の下限を1150℃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靱性が劣化するので、
その上限は1300℃にせねばならない。

さらに、圧延終了温度を800℃以上とする理由は圧延中
にMoの炭窒化物を析出させないためである。周知の低温
圧延（制御圧延）はラインパイプ等低温靱性が必要な鋼
材では必須要件であるが、本発明鋼のように低温靱性に
ついて、高い要求がなく、常温強度と600℃の強度及び
そのバランスが重要な場合には、ミクロ組織を比較的粗
粒のフェライト主体とするため、圧延を高温で終了せね
ばならない。

また、本発明において、圧延終了温度の上限を1000℃と
したのは、建築用鋼としての靱性を確保するためであ
る。

さて、高温強度を上昇せしめるため、Moを利用すること
は、従来のボイラー用鋼管等に利用されている鋼では知
られているが、この鋼は基本的な特性を得るため、圧延
／造管後調質熱処理を施しており、本発明鋼とは製造プ
ロセスが異なる。

また、建築用に用いる耐火鋼材として先に本出願人が出
願している特開平２−77523号公報がある。この鋼は微
量のMoとNbを添加し、高温加熱−高温圧延により製造す
るプロセスである。この製造法は本発明鋼と同じである
が、高温強度を得るため、MoとNbの複合添加を必須とし
ており、本発明のMoの単独添加とは異なる。

さらに、Nb添加鋼は一般的に低降伏比化は難しいことが
知られており、その理由は、フェライト粒径を細粒にす
る効果や圧延中にNbが析出するためと考えられている。
このため、比較的薄い鋼板では、圧下比が大きいことや
圧延温度が低下しやすいため、上記の理由から常温の降
伏比が増加しやすい。この発明鋼では、常温の降伏比が
75％以下で製造できることが明らかにされているが、薄
手の低降伏比鋼板を工業的に製造することは難しいと考
えられる。

本発明鋼は常温では70％以下の低降伏比で600℃では、
常温の70％以上の降伏強度を有する板厚40mm以下の鋼板
の製造に適しており、工業的な生産に適している。

つぎに、本発明における前記Mo以外の成分限定理由につ
いて詳細に説明する。

Ｃは母材及び溶接部の強度確保ならびにMoの添加効果を
発揮させるために必要であり、0.04％未満では効果が薄
れるので下限は0.04％とする。また、Ｃ量が多すぎると
常温の降伏比が上昇し、さらに、HAZの低温靱性に悪影
響を及ぼすので、0.11％が上限となる。

Siは脱酸上鋼に含まれる元素で、Si量が多くなると溶接
性、HAZ靱性が劣化するため、その上限を0.6％とした。

つぎに、Mnは強度、靱性を確保する上で不可欠の元素で
あり、その下限は0.3％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靱性が劣化するた
め、Mnの上限を0.7％とした。

Cr量は母材及び溶接部の強度を高める元素であるが、0.
05％未満の添加量では効果が薄く、Cr量が0.5％を超え
ると溶接性やHAZ靱性を劣化させるため、上下限をそれ
ぞれ0.05％,0.5％とした。

Niは溶接性、HAZ靱性に悪影響を及ぼすことなく、母材
の強度、靱性を向上させるが、0.05％未満では効果が薄
く、0.5％超の添加は建築用鋼としての目的に対し、極
めて高価になるため経済性を失うので、上下限をそれぞ
れ0.50％,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
温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、0.05％未満では効果が薄く、0.5％を超え
ると熱間圧延時にCu割れが発生するため上下限をそれぞ
れ0.05％,0.5％とした。

Alは一般に脱酸上鋼に含まれる元素であるが、Si及びTi
によっても脱酸は行なわれるので、本発明鋼については
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、溶接部の靱性が劣化するので上限を0.1％
とした。

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、Ｎ量が多くなるとHAZ靱性の劣化や連続鋳造ス
ラブの表面キズの発生等を助長するので、その上限を0.
006％とした。

なお、本発明鋼は、不可避的不純物としてＰ及びＳを含
有する。P,Sは高温強度に与える影響は小さいので、そ
の量について特に限定しないが、一般に靱性、板厚方向
強度等に関する鋼の特性は、これらP,S元素の量が少な
いほど向上する。望ましいP,S量はそれぞれ0.02％,0.00
5％以下である。

基本的な特性を得るための成分は以上のとおりである
が、本発明鋼は用途が厳しい条件（溶接部の水素割れ性
が要求されたり、大入熱の溶接が適用される）での適用
を考慮しており、以下に述べる元素即ちV,Ti,Zr,Ca,REM
を選択的に添加することにより特性の向上を図ってい
る。

ＶとＮと結合してVNを形成し、高温強度を向上させる
が、0.005％未満では効果が認められず、0.05％超ではH
AZ靱性を害するので0.005〜0.05％の範囲に限定した。

Tiは炭窒化物を形成してHAZ靱性を向上させる。Al量が
少ない場合、Tiの酸化物を形成しHAZ靱性を向上させる
が、0.005％未満では効果がなく、0.03％を超えるとHAZ
靱性に好ましくない影響があるため、0.005〜0.03％に
限定する。

ZrはTiとほぼ同じ効果をもつが、その効果が有効な範囲
は0.005〜0.03％である。

Ca,REMは硫化物（MnS）の形態を制御し、溶接部のラメ
ラーテアの改善や耐水素有機割れ性の改善に効果を発揮
するほか、シャルピー吸収エネルギーを増加させ、低温
靱性を向上させる効果がある。しかし、Ca量は0.0005％
未満では実用上効果がなく、また、0.005％を超える
と、CaO,CaSが多量に生成して大形介在物となり、鋼の
靱性のみならず清浄度も害し、さらに、溶接性、耐ラメ
ラーテア性にも悪影響を与えるので、Ca添加量の範囲を
0.0005〜0.005％とする。また、REMについてもCaと同様
な効果があり、添加量を多くするとCaと同様な問題を生
じ、さらに経済性も悪くなるのでREM量の下限を0.001
％、上限を0.005％とした。

（実施例） 周知の転炉、連続鋳造、厚板工程で鋼板を製造し、常温
と600℃の高温強度を調査した。

第１表のNo.1〜No.15に本発明鋼を、No.16〜No.21に比
較鋼の化学成分を示す。

続いて、第２表に本発明鋼と比較鋼の加熱、圧延等の製
造条件とその強度特性を示す。

第２表の本発明鋼No.1〜No.15の例では、ミクロ組織の
フェライト分率が60％超で、常温の降伏比（降伏強度／
引張強度）が70％以下と低く、600℃の降伏強度が常温
の70％以上を有している。

これに対し、比較鋼No.16では、Mnが低いため、常温、6
00℃の強度とも低く、常温の降伏強度に対する600℃の
降伏強度の割合が70％に達しないレベルであった。ま
た、比較鋼No.17では、Mnが高すぎるため、600℃の降伏
強度は十分であるが、常温の降伏比が高すぎ77％にも達
した。比較鋼No.18では、Moが低いため、600℃の降伏強
度が低く、70％に達しないレベルであった。これとは逆
に、比較鋼No.19では、Moが高すぎ、600℃の降伏強度は
十分であるが、常温の降伏比が高すぎ、80％にも達し
た。比較鋼No.20では、Ｃが低いため、常温と600℃の降
伏強度が低く、常温の降伏強度に対する600℃の降伏強
度の割合が70％に達しないレベルであった。さらに、比
較鋼No.21では、Ｃが高すぎるため、600℃の降伏強度は
十分であるが、常温の降伏比が高すぎ、82％にも達し
た。

（発明の効果） 本発明の化学成分及び製造法で製造した鋼材は600℃の
降伏強度が高く且つ、600℃の降伏強度が常温降伏強度
の70％以上で、常温の降伏比も70％以下と低く、耐火性
及び耐震性の優れた全く新しい鋼である。

【図面の簡単な説明】

第１図は応力一歪の図表で、（ａ）はミクロ組織がフェ
ライト主体、（ｂ）はベイナイト主体の場合を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量比で C :0.04〜0.11％、 Si:0.6％以下、 Mn:0.3〜0.7％、 Mo:0.5〜0.8％、 Ni:0.05〜0.50％、 Cu:0.05〜0.50％、 Cr:0.05〜0.50％、 Al:0.1％以下、 N :0.006％以下 に加えて V :0.005〜0.05％、 Ti:0.005〜0.03％、 Zr:0.005〜0.03％、 Ca:0.0005〜0.005％、 REM:0.001〜0.005％の一種または二種以上、 残部がFe及び不可避的不純物を含み、しかも（１）式で
   与えられるDi^*値が0.80未満の成分組成よりなる鋼片を1
   150〜1300℃の温度域で再加熱後、熱間圧延を800〜1000
   ℃の温度範囲で終了し、その後空冷してミクロ組織をフ
   ェライト主体とすることを特徴とする耐火性の優れた建
   築用低降伏比鋼の製造方法。 （１）式