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【発明の名称】 高強度鋼構造部材の製造方法
【発明者】 【氏名】ガラガー,ヒュー エム.,ジュニア

【要約】 【課題】引張り強度=少なくとも800N/mm、降伏強度=少なくとも600N/mmを有する高強度鋼材料素材から、これと同等以上の機械的性質を有する高強度鋼製構造部材を得る。

【構成】フェライト・パーライト・マイクロ組織を有する高強度鋼の素材を、圧延、据込み、鍛造または押出しによって冷間加工して、所望の幾何学的断面を有し、素材のそれと実質的に同等以上である機械的性質を有する高強度鋼製構造部材を製造する方法。高強度鋼材料素材の組成は、重量%で、炭素:0.30〜0.65%、Mn:0.30〜2.5%、Al、Nb、Ti、Vおよびそれらの混合物から成る群から選ばれる少なくとも1種の微粒化剤:0.03〜0.35%、Fe:残部である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
特定の均一横断面形状を有する高強度鋼構造部材を製造する方法であり、高強度鋼材料素材を準備し、該素材を圧延して均一横断面形状を有する構造部材を得る工程を含み、該均一横断面形状は、該横断面形状体の外径よりも厚さの小さい少なくとも1つのフランジを含み、該少なくとも1つのフランジが構造部材の荷重負担能力を増大させる、該高強度鋼構造部材の製造方法において、
高強度鋼材料素材がフェライト・パーライト・マイクロ組織を有し、引張り強度が少なくとも800N/mm(120000psi)、降伏強度が少なくとも600N/mm(90000psi)であり、
前記高強度鋼材料素材は、重量%で、
炭素 0.30〜0.65%
マンガン 0.30〜2.5%
アルミニウム、ニオブ、チタン、バナジウムおよびそれらの混合物から成る群から
選ばれる有効量0.03〜0.35%の少なくとも1種の微粒化剤
鉄 残部
から成る組成を有し、該素材は、据込み、鍛造または押出しによって択一的に形成され、構造部材の引張り強度と降伏強度とを含む機械的性質が実質的に素材の機械的性質と同等以上であることを特徴とする高強度鋼構造部材の製造方法。
【請求項2】
前記機械的性質を有する構造部材が靭性を改善するための追加の処理工程を要することなく製造されることを特徴とする請求項1に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
【請求項3】
前記高強度鋼材料が、素材を製造するために、予め熱間減厚加工および冷間引抜き加工を受けていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
【請求項4】
前記高強度鋼材料から成る素材が、少なくとも1000N/mm(150000psi)の引張り強度と、少なくとも900N/mm(130000psi)の降伏強度とを有することを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
【請求項5】
前記高強度鋼材料の組成が、重量%で、
炭素 0.40〜0.55%
マンガン 0.30〜2.5%
アルミニウム、ニオブ、チタン、バナジウムおよびその混合物から成る群から選ば
れる有効量0.03〜0.20%の少なくとも1種の微粒化剤
鉄 残部
であることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
【請求項6】
前記高強度鋼材料の組成が、重量%で、
炭素 0.50〜0.55%
マンガン 1.20〜1.65%
アルミニウム、ニオブ、チタン、バナジウムおよびそれらの混合物から成る群から
選ばれる有効量0.03〜0.20%の少なくとも1種の微粒化剤
鉄 残部
であることを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
【請求項7】
前記冷間加工が環境温度から温度150℃(300°F)までの温度範囲で実施されることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
【請求項8】
前記機械的性質を有する構造部材がその物理的性質を改善するために温度230℃(450°F)〜650℃(1200°F)で応力除去を受けることを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
【請求項9】
前記均一横断面形状がO、L、C、Z、I、T、U、V、W字形から成る群から選択されることを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載された高強度鋼構造部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は高強度鋼構造部材を製造する方法に係り、さらに詳しく言えば高強度鋼素材が冷間加工されて所望の幾何学的横断面を有する構造部材に成形され、該部材の強度は素材と実質的に同等以上である。
【背景技術】
【0002】
鋼部品および構造部材の製造のために多数の方法が存在する。これらの方法には冷間成形技術、例えば圧延、すえ込み、ヘディング(heading)、押出し加工など当業者に周知のものがある。すえ込み加工では、金属素材の一部またはすべての断面積が増加する。ヘディングは、素材がワイヤ、ロッドまたはバー部材である場合のすえ込み加工の特殊な形式である。ボルトの頭部はヘディング技術を使用して作られることが多い。押出し加工において、金属素材は所望の横断面形状のダイ開口を通過せしめられ、所定長さの均一横断面形状体が得られる。圧延は、素材をその全長に亙ってローラ間を繰返し通過せしめて所望形状にする。圧延は、その全長に亙って均一横断面形状を有する長い構造部材を製造する上で特に適している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
高強度鋼構造部材を製造する周知の上述方法は、鋼素材を軟化させる焼鈍等によって開始される。次に、焼鈍された鋼の素材は上述加工技術の一つを含む冷間加工技術によって所望の幾何学的形状になされる。成形された構造部材は次に熱処理(すなわち、オーステナイト化、焼入れ後に焼戻しを行うことによる硬化)を行って所望の高強度機械的性質を与えられる。得られた部材の鋼材料は焼戻しマルテンサイト・マイクロ組織を有する。この熱処理により得られた機械的性質は一致しないことが多く、部材相互間で著しく変化する場合がある。さらに、焼鈍および熱処理工程は、部材を加熱することに伴うエネルギ消費と必要な労力および処理費用のために、高強度鋼構造部材を製造する全工程の費用を著しく増大させる。
【0004】
高強度鋼構造部材を製造する別の方法では、初めに鋼素材をオーステナイト化し、焼入れ焼戻しにより硬化させて、熱処理後の素材の機械的性質を、冷間加工可能であるようになし、上述冷間加工技術の一つによって所望の幾何学的横断面を得る。この方法による完成部材の鋼材料もまた焼戻しマルテンサイト・マイクロ組織を有する。この方法は部材相互間の強度差が小さいという点で明らかに前述方法より有利であるが、熱処理工程の費用は高い。
【0005】
高強度材料素材の冷間加工は公知である。本願発明者の出願に係る米国特許明細書第3904445号には所定長の高強度鋼棒材をUボルトに冷間成形する技術が示されている。該特許は、重量%で、実質的に、炭素約0.50〜0.55%、マンガン約1.20〜1.65%、バナジウム約0.03〜0.05%、残部が実質的に鉄である組成を有する鋼材料から成る所定長の鋼棒材が開示されている。棒材を曲げることは、他の冷間加工技術、例えば据込み、押出し加工よりも厳しくない。この発明以前は、高強度素材を据込みまたは押出し加工などの技術によって部品または構造部材に冷間成形することは、完成製品に亀裂または破損を生じやすく、または少なくとも各工程間に焼鈍または応力除去工程を実施する一連の冷間加工によって徐々に成形する必要があると考えられていた。亀裂または破損は部材を損傷する。さらに、上述冷間成形および焼鈍工程を実施することは高強度鋼構造部材の製造時間および費用を増大させる。
【0006】
W.T.ランクフォード他著「鋼の製造、成形、処理」の第901〜909頁に、1232℃(2250°F)に加熱した素材を圧延してフランジ付きのビームを製造することが記載されている。
PCT出願WO94/13842には、引張り強度800N/mm以上、降伏強度600N/mm以上で、組成が炭素0.3〜0.65%、マンガン0.3〜2.5%、アルムニウム、ニッケル、チタンまたはバナジウム0.03〜0.35%、残部が鉄である高強度鋼材料製素材から部品を成形する方法が示されている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明によれば、フェライト・パーライト・マイクロ組織を有し所望の高強度特性を有する鋼素材から高強度鋼構造部材を製造する方法が提供される。該方法によれば、素材が圧延、据込み、鍛造、押出しなどの加工技術によって冷間加工されて所望の構造部材になされ、該構造部材の機械的強度が当初素材の強度と実質的に同等以上であり、好適には、熱処理を必要とせずに所望の高強度機械的性質を有する。
【0008】
本明細書において、用語「素材」とは、通常の意味(すなわち、所望の幾何学的横断面を有する完成部材に成形されるべき金属片)で使用されている。素材は、棒材、ワイヤ、バー材およびそれらの切断長さ材(幅または厚さに対比して長さが大きいもの)等の金属片を含む。素材は、構造部材がその横断面形状において少なくとも1つのフランジを有する点で該構造部材と区別される。フランジとは、厚さが横断面形状体の外径よりも小さく、該構造部材の耐荷重性を向上させる部材である。
【0009】
本発明は、フェライト・パーライト・マイクロ組織を有し、約800N/mm(12000psi)以上の引張り強度と約600N/mm(90000psi)以上の降伏強度とを有し、重量比で炭素約0.30〜0.65%、マンガン約0.30〜2.5%、アルミニウム、ニオブ(コロンビウム)、チタン、バナジウム、およびそれらの混合物から成る群から選ばれる有効量最大約0.35%の少なくとも1種の微粒化剤、および残部としての鉄から成る高強度鋼材料の素材から高強度鋼構造部材を製造する方法に係わる。
【0010】
本発明の一観点によれば、例えば圧延、据込み、鍛造、押出し加工などの技術を使用して上述素材を冷間加工し、所望の幾何学的横断面とフェライト・パーライト・マイクロ組織とを有する部材を得る高強度鋼構造部材を製造する方法が提供され、得られた構造部材の機械的性質である引張り強度および降伏強度は素材と実質的に同等以上である。
【0011】
また、本発明によれば、前記技術による高強度鋼素材の冷間加工を含み、機械的性質である引張り強度と降伏強度が素材と実質的に同等以上である高強度鋼構造部材の製造方法が提供される。この方法によれば、靭性を向上させるための追加の処理工程を要することなく、所望機械的性質である引張り強度と降伏強度を有する構造部材が製造される。或る種の部材については、その幾何学的横断面形状を少なくとも一部の理由として、鋼部材の機械的性質(例えば、引張り強度、降伏強度、伸び率(%)、硬度、断面減少率(%)など)を向上、低下させる等のために、約230℃(450°F)から約650℃(1200°F)の温度範囲での応力除去を行う必要があるだろう。
本発明の原理、目的、および効果は、以下の詳細な説明によってさらに明らかにされる。
【0012】
詳細な説明
本発明方法は、各種の高強度鋼構造部材を製造する上で有用である。詳細には、均一な横断面形状を実質的に全長に亙って有する細長い高強度鋼構造部材を製造する。例えばO、L、C、Z、I、T、W、U、V字形を有する構造部材およびその他の部材の冷間成形技術を説明する。
【0013】
構造部材が、少なくとも1つのフランジを含む均一横断面形状の細長い部材である点で、素材と構造部材が区別される。フランジは、厚さが横断面形状の外径寸法(すなわち、幅、高さ、その他の構造部材の外側寸法)より小さい部材である。構造部材に高い耐荷重能力を与える該フランジによって構造部材と素材とが区別される。換言すれば、フランジのある構造部材は同一組成材料でフランジのない構造部材より高い耐荷重能力を有する。荷重としては、軸線方向すなわち端部荷重、横断方向すなわち側方荷重、または他の種類の荷重があり得る。フランジは、構造部材の他の部分に対して連続的または不連続的に一体に成形される。不連続フランジとしては、I字形ビームの中央部分と上下部分、L字形トラスの一方の脚と他方の脚がある。連続フランジの例としては、O字形構造部材の「うね部分」すなわち局所部分がある。少なくとも1つのフランジを有する構造部材の例としてO、L、C、Z、I、T、W、UおよびV字形部材がある。
【0014】
望ましい実施例において、本発明の高強度鋼構造部材製造方法は、フェライト・マトリックス中の微細パーライトから成るマイクロ組織を有し、約800N/mm(120000psi)以上、望ましくは約1000N/mm(150000psi)以上の引張り強度と、約600N/mm(90000psi)以上、望ましくは約900N/mm(130000psi)以上の降伏強度とを有する高強度鋼素材を提供する工程を含む。通常、パーライト成分は微細であって光学的に約1000倍に拡大してもその薄片の分解はできない。一形態としては、素材として使用される高強度鋼材料は、熱間減厚され冷間で引抜き加工されて前記機械的性質である引張り強度と降伏強度を有している。
【0015】
この素材を得るために使用される高強度鋼材料は、重量%で下記組成を有する。
炭素 約0.30〜約0.65%
マンガン 約0.30〜約2.5%
アルミニウム、ニオブ、チタン、バナジウムおよびその混合物から成る群から
選ばれる有効量最大約0.35%の少なくとも1種の鉄微粒化剤
鉄 残部
【0016】
さらに望ましくは、高強度鋼材料は重量%で下記組成を有する。
炭素 約0.40〜約0.55%
マンガン 約0.30〜約2.5%
アルミニウム、ニオブ、チタン、バナジウムおよびそれらの混合物から成る群
から選ばれる有効量最大約0.20%の少なくとも1種の鉄微粒化剤
鉄 残部
【0017】
さらに望ましくは、高強度鋼材料は重量%で下記の組成を有する。
炭素 約0.50〜約0.55%
マンガン 約1.20〜約1.65%
アルミニウム、ニオブ、チタン、バナジウムおよびその混合物から成る群から
選ばれる有効量約0.03〜約0.20%の少なくとも1種の微粒化剤
鉄 残部
【0018】
アルミニウム、ニオブ(コロンビウム)、チタン、バナジウムは微粒化剤として作用するが、バナジウムは微粒化剤として最も適している。また、前記組成材は、本発明の実施に影響を与えない他の元素を含んでもよい。
【0019】
前記組成、および機械的性質である前記引張り強度と降伏強度を有する素材は、次いで環境温度すなわち室温から約150℃(300°F)までの間の温度(望ましくは環境温度)で、据込み、鍛造または押出し加工などの技術で冷間加工されて所望の幾何学的横断面を有する部材になされ、該部材の機械的性質である引張り強度と降伏強度は実質的に素材と同等以上である。成形された部材は、機械的性質である前記引張り強度と降伏強度を有しており、望ましくは、例えば靭性を改善するための最終的応力除去工程のような追加の処理工程を要することなく生産される。しかし或る幾何学的横断面の場合および部材の適用例によっては、応力除去工程が必要である。
【0020】
引張り強度約800N/mm(120000psi)以上、降伏強度約600N/mm(90000psi)以上の高強度鋼材料素材は本発明方法の出発材料として使用されるが、周知の任意適宜の方法で製造される。本発明者による米国特許第3904445号明細書はその1つの方法を示しており、その全内容を本明細書に援用する。該明細書には、Uボルトなどのねじ締着部材を生産するに適した高強度鋼棒材の生産処理工程が示されている。開示された工程において、棒材はASTM No.5〜8の微粒化組織を有している。開示された方法において、前述した範囲の組成を有する鋼が、標準的な熱間減厚処理を受け、最終ゲージ寸法の10%〜15%になされる。熱間減厚加工された棒材は、迅速に空気冷却するために個々の長さに切断される。その後、個々の棒材は最終的寸法に冷間で仕上げられる。最終工程は、機械的強度特性を増加するための制御された応力除去工程である。この応力除去工程は棒材を約260〜450℃(500〜850°F)で約1時間加熱するが、この工程は必ずしも必要ではない。
【実施例】
【0021】
以下に、米国特許明細書第3904445号に開示された方法によって高強度鋼棒材から構造部材を製造する本発明の実施例を示す。

高強度鋼製I字形材が下記の重量組成を有する。
炭素 0.52%
マンガン 1.43%
燐 0.009%
硫黄 0.017%
珪素 0.22%
バナジウム 0.075%
クロム 0.05%
モリブデン 0.01%
鉄 残部
【0022】
材料の中央部分の厚さは約0.450cm(0.177インチ)であり、頂部および底部フランジの厚さは約0.406cm(0.16インチ)である。全体の高さは6.71cm(2.64インチ)、全幅は各フランジの幅と同一で4.636cm(1.825インチ)である。0.318cm(0.125インチ)半径のすみ肉で中央部分すなわちウエブの各面と各フランジとが結合されていた。このI字形材は長さ約0.9m(3フィート)であった。この引張り強度は911N/mm(133000psi)、降伏強度は610N/mm(89000psi)であった。
【0023】
I字形材は、テーパ付与されたダイを通じて室温で290KN(65000ポンド)の力で押出し加工され、仕上I字形構造部材になされた。冷間加工されたI字形材は幅4.636cm(1.825インチ)、高さ6.71cm(2.64インチ)であった。I字形材の中央部分の厚さは0.41cm(0.16インチ)であり、1対の間隔をおかれた厚さ0.394cm(0.155インチ)の上下フランジの間に延在している。すなわち、各フランジの厚さ0.394cm(0.155インチ)は他の外形寸法、すなわち幅4.636cm(1.825インチ)、高さ6.71cm(2.64インチ)より小である。半径0.318cm(0.125インチ)のすみ肉が中央部分すなわちウエブと上フランジまたは下フランジとの接合部面に形成されている。この冷間加工されたI字形材は、試験の結果、引張り強度973N/mm(142000psi)、降伏強度808N/mm(118000psi)であった。
【0024】
仕上げI字形材の引張り強度と降伏強度とは棒部材の当初強度より大であり、従って、それ以上の強化処理の必要はない。完成した部材は棒部材が最初に有した所望の機械的性質としての延性を有しており、靭性を高めるための追加の処理工程は不要である。しかし、或る使用目的のためには、応力除去工程が必要であろう。
【0025】
熱処理工程(オーステナイト化、焼入れ焼戻しによる硬化)を使用する従来の方法に対比して本発明によれば、冷間加工後に所望の高強度の機械的性質を与えるために熱処理を行った場合の完成構造部材は狭い範囲内で整合する機械的性質を有する。すなわち、本発明は狭い範囲内で高い強度水準を有する構造部材を確実に生産可能である。
本発明の範囲は、明細書中に示した実例によって限定されるものではなく、請求の範囲の定義に従う。
【出願人】 【識別番号】500123038
【氏名又は名称】コンソリデイティッド メタル プロダクツ,インコーポレイテッド
【出願日】 平成19年7月25日(2007.7.25)
【代理人】 【識別番号】100066692
【弁理士】
【氏名又は名称】浅村 皓

【識別番号】100072040
【弁理士】
【氏名又は名称】浅村 肇

【識別番号】100087217
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 裕

【識別番号】100080263
【弁理士】
【氏名又は名称】岩本 行夫


【公開番号】 特開2008−1992(P2008−1992A)
【公開日】 平成20年1月10日(2008.1.10)
【出願番号】 特願2007−193375(P2007−193375)