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

Description

【０００１】
【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／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。
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／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。
（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／mm^２ 以上７８０Ｎ／mm^２ 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)

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／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。
   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請求項１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。
3. 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／mm^２ 以上７８０Ｎ／mm^２ 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。