JP4256525B2 - 引張り強度が590N/mm2以上780N/mm2以下の高靭性高一様伸びトンネル支保工用H形鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はトンネル工事における支保に用いられる高強度H形鋼およびその製造法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
トンネルの支保のパタ−ンとしては地質の状況に応じて種々のものが実用化されており、
詳細はトンネル標準示方書(山岳編)などに述べられている。ロックボルトを地中に打ち込む方法は共通であるが、トンネルの内壁を支保するものとしてはコンクリ−トを吹き付けるもの、鋼製の支保工をア−チ型に曲げ加工して用いるものが主なものである。
【0003】
従来は鋼製の支保工として曲げ加工性の良い400N/mm2 級の高張力の形鋼が用いられてきた。しかしながら、近年のトンネルの大断面化により、トンネルの断面形状が従来の円形から偏平になり、荷重形態も軸力のみが主たる外力であったものから、軸力と曲げ力が組み合わさったものに変化してきた。そのため、従来の400N/mm2 級の鋼製の支保工を用いると、断面積と断面係数の大きなものが必要となり、施工工期が長くなり且つ施工コストは大幅に増加するという問題点があった。
【0004】
しかしながらこれまでにトンネル支保用に400N/mm2 級を超える支保工が用いられた例はない。これは、トンネル支保工には強度のみならず、耐溶接割れ性が良好なこと、水素性欠陥がないこと、靭性が良好なこと、曲げ加工性を確保するために伸びが良好なこと、耐震性を保つために高い一様伸びを有することなど、多くの特性を要求される可能性があるため、高強度鋼でこれらの要求を満足することは難しかったためである。
【0005】
このような課題を解決するために、特開平10−176240号公証、特開平10−195603号公証、特開平10−152751号公証等が提案されている。これはNbとMoまたはVを複合添加することにより非調質でベイナイト組織を得る方法であるが、Cを0.08%以上添加する必要があるため高い靭性と一様伸びが得られにくいという問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、耐溶接割れ性が良好で水素性欠陥が極めて少なく、さらに靭性と一様伸びも極めて良好な引張強度590N/mm2 級のトンネル支保工用H形鋼と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】
本発明は上記のような従来のトンネル支保工用H形鋼の問題を有利に排除しうる、耐溶接割れ性が良好で水素性欠陥が極めて少なく、さらに靭性も良好な引張強度590N/mm2 級の高一様伸びトンネル支保工用H形鋼とその製造方法であり、その要旨とする所は以下の通りである。
【0008】
(1) 重量%で、
C :0.02〜0.08%、 Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.3〜1.8%、 Al:0.005〜0.10%、
Nb:0.02〜0.07%、 Mo:0.1〜0.5%、
B :0.0005〜0.0025%
を含有し、不純物を、
S :0.010%以下、 P :0.020%以下、
H :2.5ppm以下
に制限し、
更に、以下のa)群〜d)群の中から1種又は2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、フランジとウェブの厚みが6mm以上25mm以下であることを特徴とする引張り強度が590N/mm2 以上780N/mm2 以下の高靭性高一様伸びトンネル支保工用H形鋼。
a)群
Ti:0.002〜0.10%、V :0.01〜0.1% の1種又は2種、
b)群
Cu:0.05〜0.5%、Ni:0.05〜0.5%、Cr:0.05〜0.5%、
Co:0.05〜0.5%、W :0.05〜0.5% の1種又は2種以上、
c)群
Rem:0.002〜0.10%、Ca:0.0003〜0.0030% の
1種又は2種、
d)群
Mg:0.0003〜0.01%
(2) フランジ全面にわたり上部ベイナイト組織が60%以上の金属組織を有することを特徴とする前記(1)記載の引張り強度が590N/mm2 以上780N/mm2 以下の高靭性高一様伸びトンネル支保工用H形鋼。
(3) 前記(1)に記載の成分を含有する鋼片または鋳片を、1250℃以上に加熱した後に900℃以上の温度域でフランジ厚6mm以上25mm以下、ウエブ厚さ6mm以上25mm以下の範囲にあるH形鋼への圧延を終了し、圧延後放冷することを特徴とする引張り強度が590N/mm2 以上780N/mm2 以下の高一様伸びトンネル支保工用H形鋼の製造方法。
(4) フランジ全面にわたり上部ベイナイト組織が60%以上の金属組織を有することを特徴とする前記(3)記載の引張り強度が590N/ mm 2 以上780N/ mm 2 以下の高靭性高一様伸びトンネル支保工用H形鋼の製造方法。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下本発明について詳細に説明する。
本発明の根幹をなす技術思想は以下のとおりである。
大断面のトンネルに従来の400N/mm2 級の鋼製の支保工を用いると、断面積と断面係数の大きなものが必要となり、施工工期が長くなり且つ施工コストは大幅に増加してしまう。従来のサイズで大断面のトンネルに耐え得る断面係数を有するためには、H形鋼の強度は590N/mm2 以上必要である。
【0010】
一般に、鋼を高強度化する方法としては固溶強化、析出効果、変態強化、加工硬化などの機構が用いられる。H形鋼のように部位によって厚みが異なり、よって熱間圧延後に変態する際の冷却速度も異なる場合は、強化機構が冷却速度に比較的依存しない固溶強化、加工硬化を用いることが好ましい。しかし過度の固溶強化は溶接性を損ない且つ製造コストを著しく上昇させる。またH形鋼を冷間加工で製造することは加工装置に多大なパワ−が要求されるため不可能に近く、よって加工硬化による高強度化も期待できない。通常の析出効果、変態強化は変態時の冷却速度依存性が非常に大きいため、これまではH形鋼の高強度化機構としては不適であった。しかしながら本発明者らは、所定の成分系の鋼を用いて所定のサイズのH形鋼を製造すれば、多くの場合は全部位にわたり、少なくとも強度の多くを担うフランジについては全断面積の60%以上がベイナイトとなる組織となり、590N/mm2 以上780N/mm2 以下の範囲の任意の強度が安定して得られることを見出だした。この製造法では、熱間圧延後に特に水冷などの特別な処置を講ずることなく安定してベイナイト組織が得られるため、製造コストの上昇を招くこともない。
【0011】
また、トンネル支保工には強度のみならず、耐溶接割れ性が良好なこと、水素性欠陥がないこと、靭性、延性が良好なことなど、多くの要求が伴い、従来の高強度鋼でこれらの要求を満足することは難しかったが、本発明のように低Cで且つ比較的少ない合金添加量でベイナイト主体の組織とすれば、耐溶接割れ性、靭性、延性ともに良好な特性が得られることも見出だした。特に支保時の耐震性を保つために必要な靭性および一様伸びは格段に改善された。また、水素性欠陥の防止は鋼中の水素量を制限することにより達成可能である。
【0012】
以下に製造方法の限定理由を詳細に説明する。
まず本発明における出発材の成分の限定理由について述べる。
Cは、鋼を強化するのに有効な元素であり、ベイナイト変態をさせるためには0.02%以上の量を含む必要があるが、その含有量が0.08%を超えるとベイナイト組織中に島状マルテンサイトが生成しやすくなり、靭性、伸びを劣化させる。
【0013】
Siは脱酸元素として、また鋼の強化元素として有効であるが、0.05%未満の含有量ではその効果ない。一方、0.5%を超えると、溶接部の靭性を損なう。
【0014】
Mnは鋼の強化に有効な元素であり、0.3%未満では十分な効果が得られない。一方、その含有量が1.8%を超えると鋼の加工性を劣化させる。
【0015】
Alは脱酸元素として添加される。0.005%未満の含有量ではその効果がなく、0.1%を超えると、鋼の表面性状を損なう。
【0016】
SはMnSを生成し、超音波探傷時の不合格の原因となるため、含有量を0.01%以下に制限する。
【0017】
Pは靭性を劣化するため、含有量を0.02%以下に制限する。
【0018】
Hは水素性欠陥の原因となる。すなわち、水素は圧延前の鋼片または鋳片内にあるポロシティ−内に集まり、圧延によりそのポロシティ−が圧着するのを阻害するため、含有量を2.5ppm以下に制限する。
【0019】
Nbは本発明鋼にとってとくに主要な役割を果たす元素であり、MoおよびBと複合添加することにより、低冷却速度での鋼の焼き入れ性を著しく増加させ、ベイナイト組織を生成させる。その添加量が0.02%未満ではその効果がなく、0.07%超ではその効果が飽和し且つ溶接部の靭性を劣化させるため、添加量の範囲を0.02%以上0.07%以下とする。
【0020】
Moも本発明鋼にとってとくに主要な役割を果たす元素であり、NbおよびBと複合添加することにより、低冷却速度での鋼の焼き入れ性を著しく増加させ、ベイナイト組織を生成させる。その添加量が0.1%未満ではその効果がなく、0.5%超では溶接性を劣化させるため、添加量の範囲を0.1%以上0.5%以下とする。
【0021】
Bも本発明鋼にとってとくに主要な役割を果たす元素であり、NbおよびMoと複合添加することにより、低冷却速度での鋼の焼き入れ性を著しく増加させ、ベイナイト組織を生成させる。その添加量が0.0005%未満ではその効果がなく、0.0025%超では溶接部の靭性を劣化させるため、添加量の範囲を0.0005%以上0.0025%以下とする。
【0022】
Ti、Vは、1種又は2種を目的に応じて添加する。添加する場合は、いずれも微量の添加で析出硬化の面で有効に機能するが、過度に添加すると析出脆化をおこす。このためその添加量の上限を0.10%とする。添加量が少なすぎると効果がないため添加量の下限をTiについては0.002%、Vについては0.01%とする。
【0023】
Cu、Ni、Cr、Co、Wはいずれも鋼の焼入れ性を向上させる元素として必要に応じて添加する。本発明における場合、その添加により鋼の強度を高めることができるが、過度の量の添加は鋼を硬化させ割れやすくするため、Cu≦0.5%、Ni≦0.5%、Cr≦0.5%、Co≦0.5%、W≦0.5%に限定する。また添加量が少なすぎると効果がないため添加量の下限をいずれの元素とも0.05%とする。
【0024】
RemとCaは、1種又は2種を必要に応じて添加する。これらの元素はSの無害化に有効であるが、添加量が少ないとSが有害のまま残り、過度の添加は靭性を損なうため、Rem:0.002〜0.10%、Ca:0.0003〜0.0030%の範囲で添加する。
【0025】
Mgは微細な酸化物となり鋼の組織を微細化し靭性を向上させるために必要に応じて添加する。0.0003%未満ではその効果がなく、0.01%を超えると酸化物を起点とした割れが生じやすくなるため含有量を0.0003〜0.01%の範囲とする。
【0026】
次に本発明におけるH形鋼のサイズの条件について述べる。
フランジ厚さ、ウェブ厚さともに6mm以上25mm以下の範囲に制限することにより、本発明鋼の成分範囲で靭性、伸びが良好な低炭素ベイナイト組織を得ることができる。フランジ全面でのベイナイト組織分率が60%未満では十分な強度が得られない場合がある。また引張強度が590N/mm2 であればこの厚みの範囲で十分な断面係数と支保力を有することができる。
【0027】
次に本発明におけるH形鋼の製造条件について述べる。本発明鋼の焼き入れ性を十分に活用するためには、Nb、MoおよびBを圧延前の加熱工程で十分に溶体化させることが必要であるため加熱温度の下限を1250℃とする。さらに圧延終了温度が低くなりすぎると圧延歪みが残留した状態で変態するため焼き入れ性が低下する。本発明鋼では熱間圧延中にオ−ステナイトを十分に再結晶させて、圧延歪みをほぼ完全に除去する必要があるため、圧延仕上げ温度を900℃以上とする。この様な加熱・圧延条件を採用すれば、圧延後は特に水冷する必要はなく、放冷で十分である。
【0028】
【実施例】
次に本発明を実施例にもとづいて詳細に説明する。まず表1に示す化学成分の鋼を表2に示す製造条件で表2中に示すサイズのH形鋼とした。このH形鋼の各位置での金属組織、強度、伸び、一様伸び、靭性さらには最高硬さ試験における最高硬度、溶接部のUST欠陥判定結果は表3に示すようになる。
【0029】
【表1】
【0030】
【表2】
【0031】
【表3】
【0032】
【発明の効果】
表3によると、本発明のH形鋼はいずれもベイナイト主体の組織を有し、引張強度590N/mm2 以上を有し、且つ伸び、一様伸び、衝撃値共に従来鋼に比べて良好である。さらにH形鋼の部位による材質の差も小さく安定していることがわかる。さらに最高硬さ試験における最高硬度はのきなみ240程度と従来鋼のそれに比べて格段に低く、十分な耐溶接割れ性を有することがわかる。さらに溶接部のUST欠陥判定結果から不合格材は皆無であった。このように本発明鋼および発明法を適用することにより、大断面トンネルの支保工として使用するに十分な特性を有する引張強度590N/mm2 以上のH形鋼が得られることが確認できた。
Claims (4)
- 重量%で、
C :0.02〜0.08%、
Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.3〜1.8%、
Al:0.005〜0.10%、
Nb:0.02〜0.07%、
Mo:0.1〜0.5%、
B :0.0005〜0.0025%
を含有し、不純物を、
S :0.010%以下、
P :0.020%以下、
H :2.5ppm以下
に制限し、
更に、以下のa)群〜d)群の中から1種又は2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、フランジとウェブの厚みが6mm以上25mm以下であることを特徴とする引張り強度が590N/mm2 以上780N/mm2 以下の高靭性高一様伸びトンネル支保工用H形鋼。
a)群
Ti:0.002〜0.10%、V :0.01〜0.1% の1種又は2種、
b)群
Cu:0.05〜0.5%、Ni:0.05〜0.5%、Cr:0.05〜0.5%、
Co:0.05〜0.5%、W :0.05〜0.5% の1種又は2種以上、
c)群
Rem:0.002〜0.10%、Ca:0.0003〜0.0030% の
1種又は2種、
d)群
Mg:0.0003〜0.01% - フランジ全面にわたり上部ベイナイト組織が60%以上の金属組織を有することを特徴とする請求項1記載の引張り強度が590N/mm2 以上780N/mm2 以下の高靭性高一様伸びトンネル支保工用H形鋼。
- 請求項1に記載の成分を含有する鋼片または鋳片を、1250℃以上に加熱した後に900℃以上の温度域でフランジ厚6mm以上25mm以下、ウエブ厚さ6mm以上25mm以下の範囲にあるH形鋼への圧延を終了し、圧延後放冷することを特徴とする引張り強度が590N/mm2 以上780N/mm2 以下の高一様伸びトンネル支保工用H形鋼の製造方法。
- フランジ全面にわたり上部ベイナイト組織が60%以上の金属組織を有することを特徴とする請求項3記載の引張り強度が590N/ mm 2 以上780N/ mm 2 以下の高靭性高一様伸びトンネル支保工用H形鋼の製造方法。
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