JPH03240918A - 耐火性の優れた低降伏比ｈ形鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は建築、土木の分野において、各種建造物に用い
る耐火性の優れた低降伏比Ｈ形鋼の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

周知の通り建築、土木の分野における各種建造物用構築
材として、−殻構造用圧延鋼材（ＪＩＳ　Ｇ３１０１）
　、溶接構造用圧延鋼材（ＪＩＳ　Ｇ　３１０６）、溶
接構造用耐候性熱間圧延鋼材（ＪＩＳ　Ｇ　３１１４）
、高耐候性圧延鋼材（ＪＩＳ　Ｇ　３１２５）及び−殻
構造用炭素鋼鋼管（ＪＩＳ　Ｇ　３４４４）、−殻構造
用角形鋼板（ＪＩＳ　Ｇ　３４６６）等が広く利用され
ている。

前記周知鋼材は、通常高炉によって得られた溶銑を脱Ｓ
、脱Ｐしたのち転炉精錬を行ない、連続鋳造もしくは分
塊工程において鋼片とし、ついで熱間塑性加工すること
により、所望の特性を備えたものとして製品化される。

ところで、各種建造物のうち、特に生活に密着したビル
や事務所及び住居等の建造物に前記周知鋼材を用いる場
合、火災における安全性を確保するため、十分な耐火被
覆を施すことが義務ずけられており、建築関係諸法令で
は、火災時に鋼材温度が３５０℃以上にならぬように規
定している。つまり、前記周知鋼材は建築物に使用する
場合、３５０℃程度で耐力が常温時の６０〜７０％にな
り、建築物の倒壊を引き起こす恐れがあるため、たとえ
ば、−殻構造用圧延鋼材（ＪＩＳ　Ｇ　３１０１）に規
定される形鋼を柱材とする建造物の例では、その表面に
スラグウール、ガラスウール、アスベスト等を基材とす
る吹き付は材やフェルトを展着するほか、防火モルタル
で***する方法及び前記断熱材層の上に、さらに金属薄
板即ちアルミニウムやステンレス薄板で保護する方法等
、耐火被覆を入念に施し、火災時における熱的損傷によ
り該鋼材が載荷力を失うことのないようにして利用する
。そのため、鋼材費用に比し耐火被覆工費が高額になり
、建築コストが大幅に上昇することを避けることが出来
ない。

そのため、構築材として丸あるいは角鋼管を用い、冷却
水が循環するように構成し、火災時における温度上昇を
防止し、載荷力を低下させない技術が提案され、ビルの
建設コストの引き下げと利用空間の拡大が図られている
。

たとえば、実公昭５２−１６０２１号公報には、建築物
の上部に水タンクを置き、中空鋼管からなる柱材に冷却
水を供給する耐火構造建造物が開示されている。また、
特願平０１−１３９３２８号明細書では、鋼材の基本成
分として、相当量のＭｏとＮｂを複合添加し、高温加熱
−高温圧延法によりミクロ組織を比較的大きなフェライ
ト主体組織として、６００℃の高温強度が常温強度の７
０％以上確保出来ることが提案されている。

しかしながら、この方法では、複雑な形状をしたＨ形鋼
のウェブとフランジの両方の部位の常温と６００℃の強
度特性を工業的に満足させることは出来ない。即ち、ウ
ェブとフランジの厚みの違いや圧延中の冷却水の効果が
両部位で異なるため、実質の圧延終了温度は１００℃程
度も差が生じ、強度に影響を与える。これに加えて、薄
手材では、圧延終了温度の絶対値が低くならざるを得す
、圧延中にフェライトが生成するため、フェライトが加
工され、常温の降伏比が大幅に高くなる傾向があり、実
用的ではない。

さらに、特願平０１−１３９３２９号明細書では、一定
量のＭｏを含有した鋼を圧延後のオーステナイトとフェ
ライト域の一定の温度から水冷する方法を用いることに
より、ミクロ組織を２０〜５０％の比較的大きなフェラ
イトとベイナイトの混合組織とすることにより、常温の
降伏比を低く抑え、６００℃の強度を確保していた。し
かしながら、Ｈ形鋼を圧延後の一定温度から水冷するこ
とは容易でなく、ウェブとフランジの温度差を考慮する
と十分な形状の確保が出来ない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者らは、火災時における鋼材強度について研究の
結果、無被覆使用を目標とした場合、火災時の最高到達
温度が１０００’Ｃであることから、鋼材が該温度で常
温耐力の７０％以上の耐力を備えるためには、やはり高
価な金属元素を多量に添加せねばならず、経済性を失す
ることを知った。つまり、周知の鋼材費とそれに加え耐
火被覆を施工する費用以上に鋼材単価が高くなり、その
ような鋼材は実際的に利用することが出来ない。そこで
、さらに研究を進めた結果、６００℃での高温耐力が常
温時の７０％以上となる鋼材が最も経済的であることを
つきとめ、高価な添加元素の量を少なくし、かつ耐火被
覆を薄くすることが可能で、火災荷重が小さい場合は、
無被覆で使用することが出来るＨ形鋼の製造方法を開発
した。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は前述の課題を克服し、目的を達成するもので、
その具体的手段は重量比で、 Ｃ０．０３〜０．１５％、Ｓｉ０．６％以下、Ｍｎ０．
２〜１．０％、Ｍｏ　　０．７〜１．５％、Ｎｂ　０．
００５〜０．０４％、Ａ１０．１％以下、Ｎ　０．００
１〜０．００６０％に加えてＮ　ｉ　０．０５〜０．５
０％、Ｃｕ　０．０５〜０．５０％、Ｃｒ　０．０５〜
０．５０％、Ｖ　　０．００５〜０．０４％、Ｔ　ｉ　
０．００５〜０．０３％のうち１種または２種以上、残
部がＦｅ及び不可避的不純物を含み、しかも、下記（１
）式で与えられるＤＩ値が０．８０未満の成分組成より
なる鋼片を１２００〜１３５０℃の温度域で再加熱後、
熱間圧延を７５０〜１０５０℃の温度範囲で終了してミ
クロ組織をフェライト主体とすることを特徴とする耐火
性の優れた低降伏比Ｈ形鋼の製造方法である。

（１）式：　ＤＩ　〜０．３１６．／”ｉｌ：（１＋０
．７Ｓｉ）　（４，１Ｍｎ＋０．３５）　（１＋３Ｍｏ
）（１＋０．３６Ｎｉ）　（１＋２．２Ｃｒ）　（１＋
０．３６５Ｃｕ）（成分単位；重量％） 〔作　用〕 さて、本発明の特徴は、低Ｍｎ鋼に０．７０％以上のＭ
ＯとＮｂを添加し、（１）式で与えられるＤＩ値が０．
８０未満の成分組成の鋼片を高温で再加熱したのち、比
較的高温で圧延を終了することにあり、本発明法によっ
て製造したＨ形鋼はウェブ、フランジともに、適当な常
温耐力と低い降伏比を有するとともに、高温耐力が高い
とゆう特性を備えている。つまり、常温耐力に対し６０
０℃の温度域に於ける耐力の割合が大きい。この理由は
低Ｍｎのベース成分に焼入性を抑えて、合金成分を添加
しているためミクロ組織がフェライト主体となることに
よる。また、焼入性を抑えているため、常温と６００℃
の強度を確保するため、０．７０％以上のＭ。

を添加して、これを補っている。さらに、０．７０％以
上のＭｏの添加は圧延時の変態開始温度を低下する働き
があり、Ｈ形鋼のような圧延温度が降下しやすい場合に
有効である。即ち、変態温度以下での圧延はフェライト
部が加工されるため、常温のＹＲが大幅に上昇し高い降
伏比となる。０．７０％以上のＭｏの添加は変態開始温
度を約６０℃以上も低下させる効果があり、低降伏比を
得る手段として有効である。

次に、本発明鋼にかかる特徴的な成分元素とその添加量
について説明する。

Ｍｏ、Ｎｂは微細な炭窒化物を形成し、さらに、Ｍｏは
固溶体強化によって高温強度を増加させるが、Ｍｏの単
独添加では６００℃という高温領域において十分な耐力
を得ることは難しい０本発明者等は研究の結果、該高温
Ｎ域における耐力を増加させるには、ＭｏとＮｂを複合
添加させることが極めて有効なことを見出した。しかし
ながらＭｏ。

Ｎｂ量が高すぎると、溶接性が悪くなるので、Ｍ　ｏ　
。

Ｎｂ含有量の上限はそれぞれ１．５％、　０．０４％と
する必要があり、また下限はＭｏについては、前述した
変態温度の低下効果や高温強度を確保する最小量として
０．７％とした。Ｎｂの下限は複合効果が得られる最小
量として０．００５％とした。なお、高温強度を上昇さ
せるため、Ｍｏを利用することは、従来の耐熱鋼では知
られているが、建築用に用いる耐火鋼材として前述のよ
うにＭｏに加えて微量のＮｂを複合添加した鋼材は知ら
れていない。

次に、本発明における前記Ｍｏ、Ｎｂ以外の成分限定理
由について詳細に説明する。

Ｃは母材および溶接部の強度確保ならびにＭｏ。

Ｎｂの添加効果を発揮させるために必要であり、０．０
３％未満では効果が薄れるので下限は０．０３％とする
。さらにＣ量が多すぎると母材靭性を劣化させるので、
０．１５％が上限となる。

Ｓｉは脱酸上鋼に含まれる元素で、Ｓｉが多くなると溶
接性を害するので、その上限を０．６％とした。本発明
鋼ではＡＩ脱酸で十分であり、さらにＴｉ脱酸でも良い
。

次に、Ｍｎは強度、靭性を確保する上で不可欠な元素で
あり、その下限は０．２％である。しかし、Ｍｎ量が多
すぎると、焼入性が増加してミクロ組織をベイナイト化
して、目標とする規格に適合する母材強度を得ることが
出来ない。このためＭｎ量の上限を１．０％とした。

ＡＩは一般に脱酸上鋼に含まれる元素であるが、Ｓｉお
よびＴｉによっても脱酸は行なわれるので、本発明では
ＡＩについて下限は限定しない。しかしＡＩ量が多くな
ると鋼の清浄度が悪くなり、靭性が劣化するので上限を
０．１％とした。

Ｎは一般に不可避的不純物として鋼中に含まれるもので
あるが、Ｎｂと結合し炭窒化物Ｎｂ（ＣＮ　）を形成し
て高温耐力の向上に効果を発揮する。このため最小量と
して０．００１％必要であるが、Ｎ量が多くなると連続
鋳造時の表面疵の発生を助長するので、その上限を０．
００６％とした。

なお、本発明鋼材は、不可避的不純物としてＰおよびＳ
を含有する。Ｐ、Ｓは高温強度に与える影響は小さいの
で、その量について特に限定はしないが、一般に靭性な
どに関する鋼材の特性は、Ｐ、Ｓ量が少ないほど向上す
る。望ましいＰ、Ｓ量はそれぞれ０．０２％、　０．０
１０％以下である。

本発明鋼材の基本成分は以上のとおりであり、十分に目
的を達成できるが、さらに以下に述べる元素即ちＮｉ、
Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉを選択的に添加すると強度、靭性
の向上について、さらに好ましい結果が得られる。つぎ
に、前記添加元素とその添加量について説明する。

Ｎｉは母材の強度、靭性を向上させるが、０．０５％以
下では効果が薄く、０．５％以上の添加は建築用鋼材と
して、極めて高価になるため、経済性を失するので、上
限は０．５％とした。

ＣｕはＮｉ　とほぼ同様な効果を持つほか、Ｃｕ析出物
による高温強度の増加や耐食性、耐候性の向上にも効果
を有する。しかし、０．０５％未満では効果が薄いので
、Ｃｕ量は０．０５〜０．５％に限定する。

Ｃｒは母材の強度を高める元素であり、耐候性の向上に
も効果はあるが、０．０５％東鞠では効果が薄い。従っ
てＣｒ量は０．０５〜０．５％とする。

■はＮｂと同様に高温強度の向上に効果があるが、０．
００５％未満では効果が薄く、そのため、■量は０．０
０５〜０．０４％に限定する。

ＴｉはＡＩ量が少ない場合、脱酸元素として有効である
ほか、ＨＡＺ靭性を向上させるが、０．００５％未満で
は効果がなく、０．０３％を超えると溶接性などに悪影
響がでて好ましくない。

次に、本発明に係る鋼材の製造方法について説明する。

常温において溶接構造用圧延鋼材（ＪＩＳ　Ｇ３１０６
　）に規定する性能を満足し、６００℃の高温において
高い耐力を維持させるためには、鋼材成分と共に鋼材の
加熱および圧延にかかる条件が重要である。本発明の鋼
材成分の特徴をなすＭｏ、Ｎｂの複合添加による高温耐
力の増大を図るには、加熱時にこれらの元素を十分に溶
体化させる必要があり、このため本発明の成分よりなる
鋼片の加熱温度の下限を１２００℃とする。また、加熱
温度が高すぎると鋼片が著しく酸化されたり、変形する
ため、その上限は１３５０℃にしなければならない。

次に、加熱した鋼片を熱間圧延するが、その圧延終了温
度を７５０℃以上の高温とする。その理由は圧延中にＭ
ｏ、Ｎｂの炭窒化物を析出させないためであり、Ｔ域で
これらの元素が析出すると、析出物サイズが大きくなり
、高温耐力が著しく低下する。さらに、本発明鋼は０．
７０％以上のＭｏを添加して、圧延中の変態開始温度を
低下させているが、７５０℃未満の温度域での圧延はフ
ェライトを加工するため好ましくない。本発明において
、圧延終了温度の上限を１０５０℃とするが、その理由
は建築用鋼としての靭性を確保するためである。熱間圧
延終了後は室温まで放冷する。

なお、本発明鋼材を製造後、脱水素などの目的でＡ　ｃ
　１変態点以下の温度に再加熱しても、本発明鋼材の特
徴は何等損なわれることはない。

〔実施例〕

周知の転炉、連続鋳造、形鋼工程で表に示す鋼成分のＨ
形鋼を製造し、常温強度、６００℃の強度を調査した。

第１表のｋｌ〜Ｎａ２Ｏに本発明鋼を、Ｎ１１２１〜阻
３０に比較鋼の化学成分を示す。つづいて第２表に本発
明鋼と比較鋼について、加熱、圧延条件別に機械的特性
を示す。第２表の阻１〜Ｎ１１２０の例では、すべて良
好な常温および高温強度を有している。

これに対し、ＮｔＬ２１〜随２５では、加熱、圧延温度
が低いため、常温のＹＲが８０％を超えたり、常温強度
に対する６００℃強度の割合（以下、強度比とする）が
７０％以下であり、不十分な特性である。

また、隘２６〜Ｎａ３５では、加熱、圧延条件は発明の
要件を満たすが、成分組成が発明の要件を満足出来ない
ため、不十分な特性である。すなわち、Ｎ（１２６、Ｎ
ｏ、３２　、　Ｎｏ、３３では、Ｍｏ量が低いため、強
度比が不十分である。Ｎα２７　、　Ｎｏ、２８では、
ＤＩ値が高すぎるため、常温のＹＲ，および強度比とも
にか不十分である。Ｎα２９ではＭｎ量が低すぎるため
、強度比が不十分である。Ｎα３０　、　Ｎｏ、３４　
、　Ｎα３５では、Ｎｂが添加されてないため、強度比
が不十分である。Ｎｏ、３１では、Ｃ量が少ないため、
強度比が不十分である。

以下余白 ［発明の効果］ 本発明の化学成分および製造法で製造したＨ形鋼はウェ
ブ、フランジ共に、６００℃の降伏強度が常温降伏強度
の７０％以上で、常温の降伏比（ＹＲ：ＹＳ／ＴＳ）も
低い等の特徴を兼ね備えた全く新しい鋼材である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）重量比で Ｃ０．０３〜０．１５％、Ｓｉ０．６％以下、Ｍｎ０．
   ２〜１．０％、Ｍｏ０．７〜１．５％Ｎｂ０．００５〜
   ０．０４％、Ａｌ０．１％以下、Ｎ０．００１〜０．０
   ０６０％ に加えて Ｎｉ０．０５〜０．５０％、Ｃｕ０．０５〜０．５０％
   、Ｃｒ０．０５〜０．５０％、Ｖ０．００５〜０．０４
   ％、Ｔｉ０．００５〜０．０３％のうち１種または２種
   以上、残部がＦｅ及び不可避的不純物を含み、かつ下記
   （１）式で与えられるＤＩ値が０．８未満の成分組成よ
   りなる鋼片を１２００〜１３５０℃の温度域で再加熱後
   、熱間圧延を７５０〜１０５０℃の温度範囲で終了して
   ミクロ組織をフェライト主体とすることを特徴とする耐
   火性の優れた低降伏比Ｈ形鋼の製造方法。 （１）式： ＤＩ＝０．３１６√Ｃ（１＋０．７Ｓｉ）（４．１Ｍｎ
   ＋０．３５）（１＋３Ｍｏ）（１＋０．３６Ｎｉ）（１
   ＋２．２Ｃｒ）（１＋０．３６５Ｃｕ）（成分単位；重
   量％）