JPH0737657B2 - 耐火性及び靭性の優れたｈ形鋼並びにその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、建造物の構造部材として用いられる耐火性、
靭性の優れたＨ形鋼並びにその製造方法に関する。

（従来の技術） 建造物の超高層化，建築設計技術の高度化などから、耐
火設計の見直しが建設省総合プロジェクトにより行わ
れ、昭和62年３月に「新耐火設計法」が制定された。こ
の規定により、旧法令による火災時に鋼材の温度を350
℃以下にするように耐火被覆するとした制限が解除さ
れ、鋼材の高温強度と建築物の実荷重とのかねあいによ
り、それに適合する耐火被覆方法を決定できるようにな
った。即ち600℃での設計高温強度を確保できる場合
は、それに見合い耐火被覆を削減できるようになった。

このような動向に対応し、本発明者等は先に特願昭63-1
43740号の耐火性の限れた建築用低降状比鋼および鋼材
並びにその製造方法を提案した。この技術の要旨は、60
0℃での降伏点が常温時の70％以上となるようにMo,Nbを
添加し、高温強度を向上させたものである。鋼材の設計
高温強度を600℃に設定したのは、合金元素による鋼材
費の上昇と、それによる耐火被覆施工費との兼ね合いか
ら最も経済的であるという知見に基づいたものである。

（発明が解決しようとする課題） 本発明者等は、前述の先願技術によって製造された鋼材
を、各種の形鋼，特に厳しい圧延造形上の制約と独特な
形状を有するＨ形鋼の素材に適用することを試みた結
果、ウェブ，フランジ，フィレットの各部位で、圧延仕
上げ温度，圧下降，冷却速度に差を生じ、常温・高温強
度，延性，靭性がばらつき、規準に満たない部位が生じ
た。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、高温強
度特性，材質特性に対し圧延仕上げ温度，圧延圧下比，
鋼板厚（冷却速度）依存性が少なく、かつ経済的な耐火
性に優れたＨ形鋼並びにその製造方法を提供することに
ある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、前述の課題を解決するためになされたもので
あり、その要旨を下記ア〜エ項に示す。

ア．重量％で、C:0.05〜0.20％,Si:0.05〜0.50％,Mn:0.
4〜2.0％,Mo:0.3〜0.7％,V:0.05〜0.20％,N:0.0070〜0.
0150％,Al＜0.005％，残部がFeおよび不可避不純物の組
成でなる耐火性及び靱性の優れたＨ形鋼。

イ．溶鉄を予備脱酸により溶存酸素を重量％で0.003〜
0.020％に溶製し、合金添加により重量％で、C:0.05〜
0.20％,Si:0.05〜0.50％,Mn:0.4〜2.0％,Mo:0.3〜0.7
％,V:0.05〜0.20％,N:0.0070〜0.0150％,Al＜0.005％，
残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼片とし、該鋼片
を1100〜1300℃の温度域に再加熱後、熱間塑性加工を85
0〜1050℃の温度範囲で終了する耐火性及び靱性の優れ
たＨ形鋼の製造方法。

ウ．重量％で、C:0.05〜0.20％,Si:0.05〜0.50％,Mn:0.
4〜2.0％,Mo:0.3〜0.7％,V:0.05〜0.20％,N:0.0070〜0.
0150％,Al＜0.005％，加えてCr＜0.7％,Ni＜1.0％,Nb＜
0.05％,Cu＜1.0％,Ca:0.001〜0.005％の１種または２種
以上を含み、残部がFeおよび不可避不純物の組成でなる
耐火性及び靱性の優れたＨ形鋼。

エ．溶鉄を予備脱酸により溶存酸素を重量％で0.003〜
0.020％に溶製し、合金添加により重量％で、C:0.05〜
0.20％,Si:0.05〜0.50％,Mn:0.4〜2.0％,Mo:0.3〜0.7
％,V:0.05〜0.20％,N:0.0070〜0.0150％,Al＜0.005％，
加えてCr＜0.7％,Ni＜1.0％,Nb＜0.05％,Cu＜1.0％,Ca:
0.001〜0.005％の１種または２種以上を含み、残部がFe
および不可避不純物からなる鋼片とし、該鋼片を1100〜
1300℃の温度域に再加熱後、熱間塑性加工を850〜1050
℃の温度範囲で終了する耐火性及び靱性の優れたＨ形鋼
の製造方法。

（作用） 以下、本発明について詳細に説明する。

鋼材の高温強度は、鉄の融点のほぼ1/2の温度の700℃以
下では常温での強化機構とほぼ同様であり、フェライ
ト結晶粒径の微細化、合金元素による固溶体強化、
硬化相による分散強化、微細析出物による析出強化等
によって支配される。

一般に高温強度の上昇には、Mo,Crの添加による析出強
化と、転位の消失軽減による高温での軟化抵抗を高める
ことにより達成されている。しかしMo,Crの添加は著し
く焼き入れ性を上げ、母材のフェライト＋パーライト組
織をベーナイト組織化し易くなる。ベーナイト組織を生
成し易い成分をＨ形鋼に適応した場合は、その独特な形
状からウェブ，フランジ，フィレットの各部位で、圧延
仕上げ温度，圧下率，冷却速度に差が生じるため、各部
位によりベーナイト組織割合が大きく変化する。その結
果として、常温・高温強度，延性，靭性がばらつき、基
準に満たない部位が生じる。

本発明の特徴は、Ｈ形鋼の各部位でのベーナイトとフェ
ライトの組織割合の変化を少なくするために、VNの析出
によるオーステナイトからフェライト変態の促進効果
と、高温での析出効果を最大限に活用するところにあ
る。

次に本発明鋼の基本成分範囲の限定理由について述べ
る。

まずＣは、鋼の強度を向上させる有効な成分として添加
するもので、0.05％未満では構造用鋼として必要な強度
が得られず、また0.20％を超える過剰の添加は、母材靭
性，溶接割れ性，溶接熱影響部（以下HAZと称す）靭性
などを著しく低下させるので、上限を0.20％とした。

次にSiは、母材の強度確保，溶鋼の予備脱酸などに必要
であるが、0.5％を超えると熱処理組織内に硬化組織の
高炭素マルテンサイト（以下Ｍ＊と称す）を生成し、靭
性を著しく低下させる。また0.05％未満では、必要な溶
鋼の予備脱酸ができないため、Si含有量をこの範囲に制
限した。

Mnは、母材の強度，靭性の確保には0.4％以上の添加が
必要であるが、溶接部の靭性，割れ性などの許容できる
範囲で上限を2.0％とした。

Alは強力な脱酸元素であり、0.005％以上の添加フェラ
イト変態を促進するマンガン・シリコン酸化物などが形
成されず、靭性の低下がもたらされるのと、過剰の固溶
AIとＮは化合しAINを形成し、発明鋼の特徴であるVNの
析出量を低減させるため、0.005％未満に制限した。

ＮはVNの析出には極めて重要な元素であり、0.007％未
満ではVNの析出量が不足し、フェライト組織の十分な生
成量が得られず、また600℃での高温強度も確保できな
いため、0.007％以上とした。含有量が0.015％を超える
と母材靭性を低下させ、連続鋳造時の鋼片の表面割れを
生じさせるため、0.015％以下に制限した。

Moは、母材強度および高温強度の確保に有効な元素であ
る。0.3％未満では、VNの析出強度との複合作用によっ
ても十分な高温強度が確保できず、0.7％を超えると焼
き入れ性が上昇しすぎ母材靭性,HAZ靭性が劣化するた
め、0.3〜0.7％に制限した。

ＶはVNとしてフェライト組織の生成とその細粒化、高温
強度の確保のために極めて重要であり、0.05％未満では
VNの析出量が不十分であり、0.2％を超えると析出量が
過剰になり母材靭性が低下するため、0.05〜0.2％に制
限した。

不可避不純物として含有するP,Sは、その量について特
に限定しないが、凝固偏析による溶接割れ性，靭性など
の低下を生じるので極力低減すべきであり、望ましくは
P,S量はそれぞれ0.02％,0.02％以下である。

以上が本発明鋼の基本成分であるが、母材強度の上昇お
よび母材の靭性向上の目的で、Cr、Ni、Nb、Cu、Caの１
種または２種以上を含有することができる。

まずNiは、母材の強靱性を高める極めて有効な元素であ
るが、1.0％を超す添加は合金コストを増加させ、経済
的でないので上限を1.0％とした。

Crは、焼き入れ性の向上と析出硬化により母材の強化，
高温強化に有効である。しかし上限を超える過剰の添加
は、靭性および硬化性の観点から有害となるため、上限
を0.7％とした。

Nbは、母材の強靱性に有効であるが上限を超える過剰の
添加は、靭性及び硬化性の観点から有害となるため、0.
05％未満とした。

Cuは、母材の強化，耐候性に有効な元素であるが、応力
除去焼鈍による焼き戻し脆性，溶接割れ性，熱間加工割
れなどを考慮して、上限を1.0％とした。

Caは、脱酸材としての効果と流化物（MnS）を細分化
し、母材の延性，靭性を向上させ、異方性を抑制する効
果を持つ。しかし0.001％未満では効果がなく、0.005％
を超えると粗大なCa流化酸化物を生成し、延性，靭性を
低下させるので、Ca量を0.001〜0.005％とした。

本発明Ｈ形鋼を製造するに際し、溶鉄を予備脱酸により
溶存酸素を重量％で0.003〜0.020％に溶製した後、合金
添加により成分調整するのは、脱酸前の［０］濃度が0.
003未満では、フェライト変態を促進するマンガン・シ
リコン酸化物などのフェライト生成核が減少し、靭性を
向上できない。0.020％を超える場合は、他の条件を満
たしていても酸化物が粗粒化し脆性破壊の起点となり、
靭性を低下させるため、合金添加前の溶鉄の溶存酸素を
重量％で0.003〜0.020％に制限した。

再加熱温度を1100〜1300℃の温度域に規制したのは、熱
間加工による形鋼の製造には塑性変形を容易にするため
1100℃以上の加熱が必要であり、且つV,Moによる高温で
の降伏点を増大させるには、これらの元素を十分に固溶
させる必要があるため、再加熱温度の下限を1100℃とし
た。その上限は加熱炉の性能，経済性から1300℃とし
た。

熱間加工終了温度を850〜1050℃としたのは、低温圧延
ほど靭性は向上するが、形鋼の造形上850℃未満の加工
は困難であり、また1050℃を超えての加工は粗粒組織を
形成し靭性が低下するためである。

（実施例） 以下に実施例によりさらに本発明の効果を示す。

試作鋼は転炉溶製し、連続鋳造により250〜300mm厚鋳片
に鋳造した後、圧延造形によりフランジ厚さ毎に第１表
に示す種々の形状のＨ形鋼を製造した。

第１図はＨ形鋼１の断面形状と機械特性を示す図面であ
り、２はフランジ,3はウェブ,4はフィレットであり、ま
たＨはウェブ高さ,Bはフランジ幅，t₁，t₂はそれぞれウ
ェブ厚さ，フランジ厚さをあらわす。

フランジ２の板厚中心部（1/2t₂）におけるフランジ幅
Ｂ全長の1/4B,1/2Bから、フランジ1/4下部とフランジ1/
2下部を定め、この位置から試験片を採取した。なおこ
れらの箇所の特性を求めた理由は、フランジ1/4F部はＨ
形鋼のほぼ平均的な機械特性を示し、フランジ1/2F部は
その特性が最も低下するため、この二箇所によりＨ形鋼
の機械試験特性を代表できるとしたためである。

第２表に本発明例の鋼及び比較鋼の化学成分を示し、第
３表に圧延条件及び機械試験特性を示す。なお圧延加熱
温度を1280℃に揃えたのは、一般的に加熱温度の低下は
機械特性を向上されることは、周知であり、高温加熱条
件は機械特性の最低値を示すと推定され、この値がそれ
以下の加熱温度での特性を代表できると判断したためで
ある。

第３表に示すように、本発明例の鋼１〜10は、圧延仕上
げ温度，圧下率，フランジ板厚（冷却速度），フランジ
の部位の変化に大して、目標の常温強度，高温強度と０
℃でのシャルピー値3.5kgfm以上を十分に満たしてい
る。

一方比較鋼11〜13は、N,Moの低減,Al添加により600℃で
の高温強度が確保できず、また鋼14〜17は、常温，高温
強度は満たすものの、脱酸不足による０濃度の増加、M
o,Si,Nの過剰添加により靭性が著しく低下し、目標値を
達成できない。

即ち、本発明の製造法の要件が総て満たされた時に、第
３表に示される鋼１〜10のように、Ｈ形鋼の機械試験特
性が最も確保しにくいフランジ板厚1/2、幅1/2部におい
ても十分な常温、高温強度を有し、優れた靭性を持つ耐
火性、靭性の優れたＨ形鋼の製造が可能になる。

（発明の効果） 本発明によるＨ形鋼は高温特性に優れ、耐火材の被覆厚
さが従来の20〜50％で耐火目的を達成でき、施工コスト
低減，工期の短縮による大幅なコスト削減が可能にな
る。また、Ｈ形鋼の機械試験特性が最も確保しにくいフ
ランジ板厚1/2,幅1/2部においても、十分な常温，高温
強度を有し、優れた靭性を持つＨ形鋼の製造が可能にな
り、大型建造物の信頼性向上，安全性の確保，経済効果
等の産業上の効果は極めて顕著なものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図はＨ形鋼の断面形状と各部位の名称及び機械試験
片の採取位置を示す図面である。 １……Ｈ形鋼、２……フランジ、３……ウェブ、４……
フィレット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小田 直樹 大阪府堺市築港八幡町１ 新日本製鐵株式 会社堺製鐵所内 (72)発明者 矢野 清之助 神奈川県相模原市淵野辺５―10―１ 新日 本製鐵株式会社第二技術研究所内 (56)参考文献 特開 平３−87332（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、C:0.05〜0.20％、Si:0.05〜0.5
   0％、Mn:0.4〜2.0％、Mo:0.3〜0.7％、V:0.05〜0.20
   ％、N:0.0070〜0.0150％、Al＜0.005％、残部がFeおよ
   び不可避不純物の組成でなる耐火性及び靱性の優れたＨ
   形鋼。
2. 【請求項２】溶鉄を予備脱酸により溶存酸素を重量％で
   0.003〜0.020％に溶製し、合金添加により重量％で、C:
   0.05〜0.20％、Si:0.05〜0.50％、Mn:0.4〜2.0％、Mo:
   0.3〜0.7％、V:0.05〜0.20％、N:0.0070〜0.0150％、Al
   ＜0.005％、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼片
   とし、該鋼片を1100〜1300℃の温度域に再加熱後、熱間
   塑性加工を850〜1050℃の温度範囲で終了する耐火性及
   び靱性の優れたＨ形鋼の製造方法。
3. 【請求項３】重量％で、C:0.05〜0.20％、Si:0.05〜0.5
   0％、Mn:0.4〜2.0％、Mo:0.3〜0.7％、V:0.05〜0.20
   ％、N:0.0070〜0.0150％、Al＜0.005％、加えてCr＜0.7
   ％、Ni＜1.0％、Nb＜0.05％、Cu＜1.0％、Ca:0.001〜0.
   005％の１種または２種以上を含み、残部がFeおよび不
   可避不純物の組成でなる耐火性及び靱性の優れたＨ形
   鋼。
4. 【請求項４】溶鉄を予備脱酸により溶存酸素を重量％で
   0.003〜0.020％に溶製し、合金添加により重量％で、C:
   0.05〜0.20％、Si:0.05〜0.50％、Mn:0.4〜2.0％、Mo:
   0.3〜0.7％、V:0.05〜0.20％、N:0.0070〜0.0150％、Al
   ＜0.005％、加えてCr＜0.7％、Ni＜1.0％、Nb＜0.05
   ％、Cu＜1.0％、Ca:0.001〜0.005％の１種または２種以
   上を含み、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼片と
   し、該鋼片を1100〜1300℃の温度域に再加熱後、熱間塑
   性加工を850〜1050℃の温度範囲で終了する耐火性及び
   靱性の優れたＨ形鋼の製造方法。