| 【発明の名称】 |
耐震性および耐候性に優れた圧延形鋼とその製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】山本 定弘
【氏名】横山 泰康
【氏名】諏訪 稔
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| 【要約】 |
【課題】この発明は、軸方向に作用する圧縮応力に対して、局部座屈を起こしにくく、且つ耐候性に優れた圧延形鋼およびその製造方法を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％，Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：０．２〜１．０％、Ｃｕ：０．２〜１．０％、Ｐ≦０．０５％、Ｓ≦０．０１％、Ａｌ≦０．０８％、Ｎ≦０．００８％、必要に応じて、Ｎｉ：０．０２〜１．５％，Ｍｏ：０．０２〜０．７％，Ｎｂ：０．００５〜０．１％，Ｖ：０．００５〜０．３％，Ｔｉ：０．００３〜０．１％の一種または二種以上を含有し、更にＣｕ＋Ｃｒ≧０．５０％を満足し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有し、形鋼軸方向の引張試験において降伏強さから公称歪みで５％までの加工硬化指数が０．２０以上である耐震性および耐候性に優れた圧延形鋼。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％，Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：０．２〜１．０％、Ｃｕ：０．２〜１．０％、Ｐ≦０．０５％、Ｓ≦０．０１％、Ａｌ≦０．０８％、Ｎ≦０．００８％を含有し、更にＣｕ＋Ｃｒ≧０．５０％を満足し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有し、形鋼軸方向の引張試験においてフランジの降伏強さから公称歪みで５％までの加工硬化指数が０．２０以上である耐震性および耐候性に優れた圧延形鋼。
【請求項２】 鋼組成として、更に、Ｎｉ：０．０２〜１．５％，Ｍｏ：０．０２〜０．７％，Ｎｂ：０．００５〜０．１％，Ｖ：０．００５〜０．３％，Ｔｉ：０．００３〜０．１％の一種または二種以上を含有する請求項１記載の耐震性および耐候性に優れた圧延形鋼。
【請求項３】 請求項１または２記載の化学組成を有する鋼をＡｒ3点以上で熱間圧延終了後、オーステナイトとフェライトの２相域から６００℃以下まで、３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却することを特徴とする形鋼軸方向の引張試験においてフランジの降伏強さから公称歪みで５％までの加工硬化指数が０．２０以上である耐震性および耐候性に優れた圧延形鋼の製造方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高層建築物などの鉄鋼構造物の梁材などに用いられる形鋼で、特に地震時の耐局部座屈性および耐候性に優れた圧延形鋼およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】今日の高層建築物には、巨大地震に見舞われた時、梁部材の塑性変形により地震エネルギーを吸収させ、大崩壊を回避する人的安全性を重視した限界状態設計法が適用される。建築物の梁部材には巨大地震の際、大きな引張、圧縮応力が加わり局部座屈を起こし、座屈した場所から亀裂が発生し崩壊に至る場合がある。従って、梁部材には優れた耐座屈性が要求される。
【０００３】現在、梁部材としては、圧延形鋼の一つであるＨ形鋼が、大量にかつ安定して製造できるため、その優れた経済性と相俟って広く用いられているが、上述したように、限界状態設計法で使用される場合は、優れた耐座屈性が必要で、さらに外部構造物として用いる場合も多いことから、耐候性も要求されている。
【０００４】建築用の耐候性形鋼については、例えば特開平８−１９９２３３号公報、特開平８−１９９２８９号公報、特開平８−１９９２９０号公報などがあるが、表面性状と耐候性の観点からの提案であり、耐座屈性および耐候性については記載されていない。鋼材、鋼管を対象に耐座屈性に着目した提案としては特開平１０−３３１３２４号公報、特開平１０−１２１６５３号公報などがあるが、これらの技術はフランジ、ウエブに全く同じ特性の鋼材が使用できる組立てＨ形鋼において有効な技術であり、圧延Ｈ形鋼のようにフランジ、ウエブが一体となっている圧延形鋼に適用することは難しい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】圧延形鋼の場合、耐座屈性に関与している部位を明確にし、その部位の材質を制御することが重要であるが、上述したように、このような観点からの検討はおこなわれておらず、耐震性に優れた圧延形鋼が望まれている。
【０００６】本発明は、軸方向に作用する圧縮応力による局部座屈を起こしにくく、なおかつ、外部構造用としても十分な耐候性を有する耐震性・耐候性に優れた圧延形鋼及びその製造方法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、主に耐候性圧延Ｈ形鋼を対象に、フランジ、ウエブの特性と耐座屈性の関係を詳細に検討し、耐候性形鋼の耐座屈特性はフランジの特性に支配され、ウエブの寄与は極めて小さいことを見出した。すなわち、本発明は上記知見を基に、更に検討を加えてフランジとウエブを有する圧延形鋼についてなされたものである。
【０００８】１． 質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％，Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：０．２〜１．０％、Ｃｕ：０．２〜１．０％、Ｐ≦０．０５％、Ｓ≦０．０１％、Ａｌ≦０．０８％、Ｎ≦０．００８％を含有し、更にＣｕ＋Ｃｒ≧０．５０％を満足し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有し、形鋼軸方向の引張試験においてフランジの降伏強さから公称歪みで５％までの加工硬化指数が０．２０以上である耐震性および耐候性に優れた圧延形鋼。
【０００９】２． 鋼組成として、更に、Ｎｉ：０．０２〜１．５％，Ｍｏ：０．０２〜０．７％，Ｎｂ：０．００５〜０．１％，Ｖ：０．００５〜０．３％，Ｔｉ：０．００３〜０．１％の一種または二種以上を含有する１記載の耐震性および耐候性に優れた圧延形鋼。
【００１０】３． １または２記載の化学組成を有する鋼をＡｒ3点以上で熱間圧延終了後、オーステナイトとフェライトの２相域から６００℃以下まで、３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却することを特徴とする形鋼軸方向の引張試験においてフランジの降伏強さから公称歪みで５％までの加工硬化指数が０．２０以上である耐震性および耐候性に優れた圧延形鋼の製造方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明で規定する機械的特性、成分組成、及び製造条件について詳細に説明する。
【００１２】１．機械的特性加工硬化指数：０．２０以上本発明では、圧延Ｈ形鋼において、フランジの降伏強度から公称歪で５％までの加工硬化指数を０．２０以上とする。
【００１３】図１に、０．１２Ｃ−１．１Ｍｎ−０．３２Ｃｕ−０．５５Ｃｒ系鋼を用い、フランジ、ウエブにおける降伏強度から公称歪みで５％までの加工硬化指数（ｎ値）を種々変化させた耐候性圧延Ｈ形鋼の耐座屈性を図２に示す試験機を用いた圧縮試験により評価した結果を示す。座屈発生限界歪はフランジの加工硬化指数を０．１４から０．２２に増加させた場合、１．７倍と大きくなるが、ウエブの加工硬化指数を増加させても大きくならず、すなわち、圧延Ｈ形鋼の耐座屈性はフランジの特性に支配され、ウエブの寄与は極めて小さいことが確認された。
【００１４】図３は、フランジの加工硬化指数と座屈発生歪の関係を示すもので、フランジの加工硬化指数を０．２０以上とした場合、ウエブの特性に関わらず、座屈発生歪は０．８％以上と優れた特性が得られる。このように、耐候性圧延形鋼において、フランジの降伏強度から公称歪みで５％までの加工硬化指数を０．２０以上とすることにより、ウエブの特性に関わらず、耐座屈性が飛躍的に向上する。
【００１５】２．成分組成Ｃ：０．０３〜０．１８％Ｃは、鋼の強度を確保するために０．０３％以上添加するが、０．１８％を超えて多量に含有した場合、靭性あるいは溶接性が劣化するため、０．０３％以上、０．１８％以下（０．０３〜０．１８％）とする。
【００１６】Ｓｉ：０．０１〜１．５％Ｓｉは、脱酸のため必然的に含まれるが、強度を確保するため本発明では含有量を０．０１％以上とする。１．５％を超えるとＨＡＺ靭性及び溶接性が劣化するので、０．０１〜１．５％とする。
【００１７】Ｍｎ：０．３〜２．０％Ｍｎは、鋼材の強度・靭性を向上させ、赤熱脆性の原因となるＦｅＳの生成抑制のため、０．３％以上添加するが、２．０％を超えると焼入れ性を増加させ、溶接時に硬化相を生じ、割れ感受性が高くなるため、０．３〜２．０％とする。
【００１８】Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下Ｐ，Ｓは鋼中に混入する不純物として不可避的に存在するが、Ｐの低減は粒界破壊の防止に有効であり、Ｓの低減は溶接熱影響部の水素割れ防止に有効であるため、Ｐ，Ｓの含有範囲をそれぞれ０．０５％以下、０．０１％以下とする。
【００１９】Ｃｕ：０．２〜１．０％Ｃｕは、耐候性を向上させるが、含有量が０．２％未満では十分な効果が得られず、１．０％を超えて添加されると析出硬化が著しく、また鋼材表面に割れが生じやすくなるため０．２〜１．０％とする。
【００２０】Ｃｒ：０．２〜１．０％Ｃｒは、耐候性向上に有効であるが、０．２％未満では効果が小さく、１．０％を超えて添加すると溶接性やＨＡＺ靭性を劣化させるので、０．２〜１．０％とする。
【００２１】Ａｌ：０．０８％以下Ａｌは、脱酸のため、添加されるが、多量に含有すると鋼の清浄度を低下させ、溶接部の靭性を劣化させるため０．０８％以下とする。
【００２２】Ｎ：０．００８％以下Ｎは、鋼中に含まれる不可避的な不純物であるが、多量に含まれるとＨＡＺ靭性が劣化し、連続鋳造スラブの疵の発生を助長させるため、０．００８％以下とする。
【００２３】Ｃｕ＋Ｃｒ≧０．５０％本パラメータは、上記成分組成範囲内の形鋼に優れた耐候性を付与するものであり、Ｃｕ＋Ｃｒが０．５０％以上で、フランジの降伏強度から公称歪みで５％までの加工硬化指数を０．２０以上とする耐候性圧延形鋼において、優れた耐候性が得られる。図４にフランジの降伏強度から公称歪みで５％までの加工硬化指数が０．２０以上の耐候性圧延形鋼における耐候性に及ぼすＣｕ，Ｃｒの影響を示す。
【００２４】耐候性は湿潤、乾燥条件を繰り返した後の試験片の重量減少量を一般的な５０キロ級Ｓｉ−Ｍｎ鋼である０．１２Ｃ−０．２５Ｓｉ−１．５Ｍｎ−０．０１５Ｐ鋼（基準材）と比較し、その比として求めた。図４より、Ｃｕ≧０．２％、Ｃｒ≧０．２％でかつＣｕ＋Ｃｒ≧０．５０％の領域で基準材との重量減少量の比は０．８以下であり、優れた耐候性が得られている。
【００２５】本発明は以上を基本成分とすることで、十分な特性が得られるが、更に特性を向上させるため以下の元素を一種又は二種以上添加することができる。
【００２６】Ｎｉ：０．０２〜１．５％Ｎｉは、母材の強度ならびに靭性を向上させるため０．０２％以上添加するが、１．５％を超えて添加すると鋼材が高価となるため、０．０２〜１．５％とする。
【００２７】Ｍｏ：０．０２〜０．７％Ｍｏは、焼入れ性を高めるとともに焼戻し軟化抵抗を高め、強度上昇に有効であり、特に中・高温強度に有効であり、０．０２％以上添加する。０．７％を超えると溶接性を劣化させるとともに炭化物を析出し降伏比を上昇させるため、０．０２〜０．７％とする。
【００２８】Ｎｂ：０．００５〜０．１％未満Ｎｂは、微細炭窒化物の析出効果により強度上昇、靭性向上に有効であるが、０．００５％未満では効果が得られず、０．１％以上添加すると、過度の析出効果により降伏比低下が妨げられるため、０．００５〜０．１％未満とする。
【００２９】Ｖ：０．００５〜０．３％Ｖは、少量で常温、高温強度の上昇に有効であるが、０．００５％未満ではその効果が十分得られず、０．３％を超えて添加すると溶接性を劣化させるため、０．００５〜０．３％とする。
【００３０】Ｔｉ：０．００３〜０．１％Ｔｉは、少量の添加により強度を上昇させ、また、ＴｉＮがＨＡＺ部の結晶粒粗大化を抑制し、ＨＡＺ靭性を向上させるが、０．００３％未満ではその効果が得られず、０．１％を超えて添加すると溶接の冷却過程でＴｉＣが析出し、ＨＡＺ靭性が劣化するので、０．００３〜０．１％とする。
【００３１】３．製造条件本発明では熱間圧延条件、冷却条件を以下のように規定する。これらの規定は少なくともフランジの製造において満足されていれば良く、ウエブについては特にその製造条件は規定しない。
【００３２】熱間圧延上記、好適成分の鋼スラブ、ブルーム等を加熱後、熱間圧延を行う。加熱温度は１３５０℃以上では圧延、冷却後の組織が著しく粗大化し、靭性が大幅に劣化する。一方、１０５０℃以下の場合、Ａｒ3点以上で圧延を終了させることが難しくなるため、１０５０℃超え〜１３５０℃未満とすることが望ましい。熱間圧延は、仕上げ圧延温度がＡｒ3点未満ではフェライトの圧延による加工硬化のため、降伏点が上昇し、０．２０以上の加工効果指数が得られないため、Ａｒ3点以上とする。
【００３３】冷却条件ミクロ組織をフェライトと硬質相の混合組織とし、０．２０以上の加工硬化指数とするため、圧延終了後、オーステナイトとフェライトの２相域から、６００℃以下まで、冷却速度３℃／ｓｅｃ以上で冷却する。
【００３４】
【実施例】（実施例１）表１に成分を示す鋼を用い、種々の製造条件により圧延Ｈ形鋼とし、耐座屈性および耐候性を評価した実施例を表２に示す。鋼１は４０キロ級鋼、鋼２は５０キロ級鋼を対象とし、試験体は２００×２００×８×１２（ｍｍ），３００×３００×１０×１５（ｍｍ）で長さ８００ｍｍの圧延Ｈ形鋼とした。
【００３５】耐候性は、いずれの鋼も本発明の化学組成範囲内であり、鋼１は４０キロ級Ｓｉ−Ｍｎ鋼（０．１１Ｃ−０．２２Ｓｉ−０．９Ｍｎ−０．０２Ｐ系）、鋼２は５０キロ級Ｓｉ−Ｍｎ鋼（０．１２Ｃ−０．２５Ｓｉ−１．５Ｍｎ−０．０１５Ｐ系）と比較し、腐食減量は０．８倍以下で優れている。
【００３６】耐座屈性は、本発明の範囲内となるフランジの加工硬化指数（ｎ値）が０．２０以上となる実施例３，４，７，８で、いずれのサイズの圧延Ｈ形鋼においても、圧縮歪０．８％で座屈が発生せず、優れている。一方、フランジの加工硬化指数（ｎ値）が０．２０未満となる実施例１，２，５，６では座屈が生じた。
【００３７】
【表１】
【００３８】
【表２】
【００３９】（実施例２）表３に成分を示す鋼を用い、耐座屈特性および耐候性を評価した結果を表４に示す。試験体は３００×３００×１０×１５ｍｍ，長さ８００ｍｍの圧延Ｈ形鋼とした。形鋼圧延後、空冷により製造した実施例９、１２，１５、及びオーステナイト域（γ域）から加速冷却した実施例１３はいずれも加工硬化指数が０．２０未満であり、圧縮歪０．８％で座屈が発生した。
【００４０】実施例１８、１９は、本発明の製造条件内であり、圧縮歪０．８％でも座屈は生じないものの、化学成分が本発明範囲外であり、腐食減量が５０キロ級Ｓｉ−Ｍｎ鋼の０．９倍以上であり、耐候性におとる。本発明条件を満足する実施例１０，１１、１４，１６，１７は、優れた耐候性、耐座屈性が得られている。
【００４１】
【表３】
【００４２】
【表４】
【００４３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、軸方向に作用する圧縮応力に対して、局部座屈を起こしにくく、耐座屈性に優れ、巨大地震の際、大きな引張、圧縮応力が加わる建築物の梁材などに用いた場合、大崩壊を回避し、人的安全性を確保することが可能で、且つ、外部構造物として必要な耐候性を有している圧延形鋼が圧延後のオフラインでの熱処理を必要とすることなく、大量に得られので、産業上極めて有用である。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４１２３
【氏名又は名称】日本鋼管株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年３月６日（２０００．３．６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００５８４７９
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 （外４名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２４７９３５（Ｐ２００１−２４７９３５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年９月１４日（２００１．９．１４） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−６０２８１（Ｐ２０００−６０２８１） |
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