JP3852279B2 - 耐震性に優れた圧延ｈ形鋼の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高層建築物の梁材等、鋼構造物に用いられる圧延Ｈ形鋼で、特に地震時の耐局部座屈性に優れた圧延Ｈ形鋼の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の高層建築物には、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大地震の際、大きな引張り、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、限界状態設計法で使用される梁部材には優れた耐座屈性が要求される。
【０００３】
建築・土木用の梁材には、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あいまって、広く用いられている。これまで建築用の圧延形鋼については、特開平５−２５５８８号公報、特開平５−３４５９１５号公報に低降伏比の観点から耐震性を向上させる技術が開示されているが、梁部材を対象に直接、耐座屈性に注目した提案は極めて少ない。
【０００４】
鋼材、鋼管分野では特開平１０−３３１３２４号公報、特開平１０−１２１６５３号公報などに代表されるように耐座屈性に注目した技術が公開されているが、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、ウエブが接合している形鋼に適用することは難しい。
【０００５】
圧延Ｈ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、このような観点からの検討は行なわれておらず、耐震性に優れた圧延Ｈ形鋼が望まれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、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、建築・土木用の梁材などに好適な耐震性に優れた圧延Ｈ形鋼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】
本発明者等は、上記目的を達成するため、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、圧延Ｈ形鋼の耐座屈性が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。
【０００８】
すなわち、本発明は上記知見を基に、更に検討を加えてなされたものである。
【０００９】
１．質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１８％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．６〜１．７％、Ｐ≦０．０５％、Ｓ≦０．０１％、Ａｌ≦０．０８％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼を圧延終了温度Ａｒ 3 点以上で熱間圧延後、オーステナイトとフェライトの２相域から、フランジ部を冷却速度３℃／Ｓ以上で６００℃以下ま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以上の耐震性に優れた圧延Ｈ形鋼の製造方法。
【００１０】
２．前記鋼に、更に、質量％で、Ｃｕ：０．０５〜１．０％，Ｎｉ：０．０５〜０．８％，Ｃｒ：０．０５〜１．０％の一種又は二種以上を含有する１記載の耐震性に優れた圧延Ｈ形鋼の製造方法。
【００１１】
３．前記鋼に、更に、質量％で、Ｍｏ：０．０５〜１．０％，Ｎｂ：０．００５〜０．１％，Ｖ：０．００５〜０．１％の一種または二種以上を含有する１又は２記載の耐震性に優れた圧延Ｈ形鋼の製造方法。
【００１２】
４．前記鋼に、更に、質量％で、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％を含有する１乃至３の何れかに記載の耐震性に優れた圧延Ｈ形鋼の製造方法。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明で規程する機械的特性、成分組成、及び製造条件について詳細に説明する。
【００１５】
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。尚、加工硬化指数は、フランジ部から採取した試験片を用いた引張試験により求めるが、採取位置、試験片形状は特に限定しない。又、降伏強度とは、下降伏点および降伏点が出ない場合、０．２％耐力を意味する。
【００１６】
図１に、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０．１５から０．２２に増加させた場合、１．５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。
【００１７】
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。
【００１８】
２．成分組成
Ｃ：０．０４〜０．１８％
Ｃは、鋼の強度を確保するために０．０４％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、０．０４〜０．１８％とする。
【００１９】
Ｓｉ：０．０１〜０．５％
Ｓｉは、脱酸のため及び強度を確保するために添加し、本発明では必要とする強度を確保するために含有量を０．０１％以上とするが、０．５％を超えるとＨＡＺ靭性及び溶接性が劣化するので、０．０１〜０．５％とする。
【００２０】
Ｍｎ：０．６〜１．７％
Ｍｎは、鋼材の強度・靭性を向上させ、ＦｅＳの生成抑制のため、０．６％以上添加するが、１．７％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、０．６〜１．７％とする。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
本発明は以上を基本成分とすることで、圧延後のオフラインでの熱処理を要することなく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。
【００２５】
Ｃｕ：０．０５〜１．０％
Ｃｕは、強度上昇および靭性改善に非常に有効で、その効果を十分得るため０．０５％以上添加するが、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１．０％以下とする。
【００２６】
Ｎｉ：０．０５〜０．８％
Ｎｉは、母材の強度ならびに靭性を向上させるため０．０５％以上添加するが、０．８％を超えて添加すると高価となるため、０．０５〜０．８％とする。
【００２７】
Ｃｒ：０．０５〜１．０％
Ｃｒは、焼入れ性向上に有効であるが、０．０５％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、０．０５〜１．０％とする。
【００２８】
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
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るが、０．０５％未満では効果が小さく、１．０％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、０．０５〜１．０％とする。
【００２９】
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。
【００３０】
Ｖ：０．０１〜０．１％
Ｖは、少量で焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化抵抗を高めるが、０．０１％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性を劣化させるため、０．０１〜０．１％とする。
【００３１】
Ｔｉ：０．００５〜０．０３％
Ｔｉは、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、０．００５％未満ではその効果が得られず、０．０３％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、０．００５〜０．０３％とする。
【００３２】
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程する。これらの規程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。
【００３３】
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。加熱温度が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Ｈ形鋼を圧延することが難しくなるため、１０５０〜１３５０℃とすることが望ましい。
【００３４】
熱間圧延の仕上げ圧延温度はＡｒ3点未満で圧延を行った場合、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、本発明の骨子である０．２０％以上の加工硬化指数が得られないため、Ａｒ3点以上とする。
【００３５】
冷却条件
フェライトと硬質相の混合組織を有し、０．２０％以上の加工硬化指数を得るため、圧延終了後、オーステナイトとフェライトの２相域から、フランジ部の表裏面を水などを用いて６００℃以下まで、冷却速度３℃／ｓｅｃ以上で冷却する。
【００３６】
【実施例】
（実施例１）
表１に示す本発明の化学成分を満足する供試鋼を用い、圧延Ｈ形鋼を製造し、耐座屈性を評価した。試験体は２００×２００×８×１２（ｍｍ）と３００×３００×１０×１５（ｍｍ）で、それぞれ、長さ８００ｍｍとした。試験結果を表２に示す。Ｎｏ．１，５は、Ａｒ3点以下で圧延し、空冷、Ｎ０．２，６はＡｒ3点以上で圧延し、空冷により、およびＮｏ．３，４，７，８はＡｒ3点以上で圧延し、2相域からフランジ部の表裏面を加速冷却し製造した。
【００３７】
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（ｎ値）が０．２０未満の実施例１，２，５，６はいずれのサイズでも、圧縮歪０．８％で座屈が発生したが、本発明条件を満足している実施例３，４，７，８ではいずれのサイズで圧縮歪０．８％でも座屈が全く発生せず、良好な耐座屈性が得られている。
【００３８】
尚、フランジの加工硬化指数は、フランジ部の１／４Ｆより採取したＪＩＳ１Ａ号試験片による引張試験で求めた。
【００３９】
【表１】

【００４０】
【表２】

【００４１】
（実施例２）
表３に示す本発明の化学成分を満足する供試鋼を用い、表４に示す製造条件で３００×３００×１０×１５（ｍｍ）、長さ８００ｍｍの試験体を製作し、耐座屈特性を試験した。製造条件は耐座屈特性に及ぼすｎ値の影響を調べるため、熱間圧延後の冷却条件を種々変化させた。
【００４２】
その結果、Ｈ形鋼圧延後、空冷した実施例９、１２、１５、Ｈ形鋼圧延後、オーステナイト（γ）域からフランジ部を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。一方、本発明条件を満足する実施例１０，１１，１４，１６，１７は圧縮歪０．８％で座屈が全く発生せず、良好な耐座屈性を有していることが確認された。
【００４３】
【表３】

【００４４】
【表４】

【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フランジの加工硬化指数が０．２０以上と変形能に優れ、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、耐座屈性に優れているＨ形鋼が得られので、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産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】フランジ、ウエブのｎ値と座屈発生限界歪の関係を示す図。
【図２】耐座屈性評価試験法の概要を模式的に示す図。
【図３】フランジの降伏強さから公称歪で５％までの加工硬化指数と座屈発生限界歪の関係を示す図。

Claims (4)

1. 質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１８％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．６〜１．７％、Ｐ≦０．０５％、Ｓ≦０．０１％、Ａｌ≦０．０８％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼を圧延終了温度Ａｒ 3 点以上で熱間圧延後、オーステナイトとフェライトの２相域から、フランジ部を冷却速度３℃／Ｓ以上で６００℃以下ま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以上の耐震性に優れた圧延Ｈ形鋼の製造方法。
2. 前記鋼に、更に、質量％で、Ｃｕ：０．０５〜１．０％，Ｎｉ：０．０５〜０．８％，Ｃｒ：０．０５〜１．０％の一種又は二種以上を含有する請求項１記載の耐震性に優れた圧延Ｈ形鋼の製造方法。
3. 前記鋼に、更に、質量％で、Ｍｏ：０．０５〜１．０％，Ｎｂ：０．００５〜０．１％，Ｖ：０．００５〜０．１％の一種または二種以上を含有する請求項１又は２記載の耐震性に優れた圧延Ｈ形鋼の製造方法。
4. 前記鋼に、更に、質量％で、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％を含有する請求項１乃至３の何れかに記載の耐震性に優れた圧延Ｈ形鋼の製造方法。

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