JPH05287450A - 耐遅れ破壊性の優れたｐｃ鋼棒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンクリート構造物補強材として使用される
優れた耐遅れ破壊性を示す熱処理強化型のＰＣ鋼棒を提
供する 【構成】 表面から少なくとも２００μｍまでの表層部
をフェライト組織とパーライト組織の単独または混合組
織とし、７００μｍ深さ以上の中心部を焼入れマルテン
サイト組織または焼入れ焼戻しマルテンサイト組織とし
て耐遅れ破壊性を向上させ、また中心部のみにＢを濃化
させて焼入れ性を向上し、強度を確保したＰＣ鋼棒であ
る。 【効果】 施工性や溶接性が確保されると共にさらに耐
遅れ破壊性に優れ、安価なうえにリラクセーション特性
が優れてコンクリートの高温蒸気養生が可能となり、建
設工事の大幅なコスト低減が見込まれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コンクリート構造物補
強材として使用される優れた耐遅れ破壊性を示す熱処理
強化型のＰＣ鋼棒に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンクリート構造物補強材であるＰＣ鋼
材には、熱処理で強化するものと伸線により加工強化す
るものがあり、一般に前者をＰＣ鋼棒，後者をＰＣ鋼線
と呼んでいる。

【０００３】ＰＣ鋼材は、コンクリートの亀裂や中性化
などに伴って腐食が発生すると、その生成物である水素
が鋼中に侵入し、突然破壊折損するいわゆる遅れ破壊現
象の危険があることが知られている。特に熱処理強化型
のＰＣ鋼棒は、この遅れ破壊の感受性が高いことが認め
られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】遅れ破壊は、鋼中に水
素が侵入し主として粒界近傍に集積することにより、応
力下で粒界が脆化して起こるものと考えられている。

【０００５】この考えに基づいて、水素の侵入を抑制す
べくＳｉを多量添加したり、水素発生の因となる腐食を
抑制すべくＣｒやＮｉを多量添加することが試みられて
いる。Ｓｉの添加は、比較的安価な上に鋼の強化やリラ
クセーションの改善にも効果があるため、鋼材の合金設
計がしやすい利点がある。

【０００６】しかし、溶接部はむしろ低Ｓｉ材より遅れ
破壊発生の感受性が高まることが認められており、杭や
ポールなどのコンクリート構造物の製造にあたって、補
強材をスポット溶液によって組立てる場合は逆に危険と
なる。

【０００７】ＣｒやＮｉの添加は、腐食速度が低下しそ
れに伴って耐遅れ破壊性も向上するが、高価な添加元素
であるために、コンクリート構造物のコストを大幅に上
昇させる欠点を有している。特にＮｉの場合γ相が残留
する可能性もあり強度を確保するために製造上の制限を
加える必要がある。

【０００８】一方遅れ破壊は、ＰＣ鋼棒の強度が高く負
荷応力の高い材料ほど発生しやすいこと、および遅れ破
壊の発生が表面からであることに着目し、表層部のみを
低強度化する対策が検討されてきた。このための手段と
して、特開昭５８−１０２０号公報に表層部のみを強く
焼戻して低強度化した鋼材や、特開昭６２−２６７４２
０号公報に表層部を脱炭して低強度化した鋼材が開示さ
れている。

【０００９】これらの材料は、遅れ破壊発生の必要条件
である表層のみ応力を低下させる点から、遅れ破壊抑制
効果が十分であり、しかもスポット溶接を行なっても効
果が期待できるなど優れた特徴を有する材料である。

【００１０】しかし表層部のみを高温焼戻しによって軟
化させることは、通常の熱処理では不可能である。すな
わち表層部を加熱しても、熱伝導によって中心部まで温
度が上がり、軟化深さがかなり深くなってＰＣ鋼棒とし
て強度が低下する欠点があった。

【００１１】もちろんこの欠点は、周波数が極めて高く
出力も十分に大きな高周波電源があれば、最表層部を短
時間だけ焼戻すことが可能であるが、そのような特殊な
電源を用意することは大きなコスト上昇に繋がり、実用
性に乏しいものであった。

【００１２】表層部を脱炭するためには、長時間の脱炭
処理が不可欠である。脱炭処理時間は、鋼中の炭素の拡
散速度で決定されるために、短時間化は不可能と言って
よい。しかも脱炭深さが不十分であると、スポット溶接
部では中心部の炭素が混合して脱炭の効果が低減するた
め、一層長時間の脱炭処理が不可欠となる。このように
表層部の脱炭による耐遅れ破壊性改善は、有効ではある
が極めてコストのかかる方法である。

【００１３】また本発明者らは、以前に遅れ破壊がＰＣ
鋼棒に加えられる引張応力によって起こり、圧縮応力で
は起こらないことに着目して、表層部に圧縮の応力を事
前に付与しコンクリート中での引張応力を相殺すべく、
ＰＣ鋼棒の表層全体にショットを投射する方法を発明し
た。しかし、この方法でもスポット溶接を行なうと効果
が消滅する等の欠点があった。

【００１４】ところで前述したように、伸線強化型のＰ
Ｃ鋼線は遅れ破壊感受性が低いことが知られている。こ
の理由は、伸線強化型のＰＣ鋼線はフェライトパーライ
ト組織を加工強化するため、マルテンサイト組織に比べ
て粒界には微細炭化物の析出がなく粒界強度が高いこ
と、Ｌ方向に長く伸びた繊維組織を有しており、破壊の
径方向への進行が抑制されるためであると推定される。

【００１５】このように、伸線強化型のＰＣ鋼線を使用
することで遅れ破壊の問題は解決できることになる。し
かし伸線強化型のＰＣ鋼線は、伸線加工に加えてパテン
ティング処理や時効硬化処理などの多段の熱処理が不可
欠なためにコストが高い。

【００１６】さらに伸線強化型のＰＣ鋼線では、加工歪
の完全な固定が不可能なため、リラクセーションが不良
である。このためコンクリート構造物の製造コスト低減
に極めて有効な高温での蒸気養生ができない。このよう
に伸線強化型ＰＣ鋼線は、鋼材のコストだけでなくコン
クリート構造物の製造コストも高くならざるを得ない欠
点があった。

【００１７】本発明は、安価でリラクセーション特性の
優れたＰＣ鋼棒の特徴を減殺することなく、さらにスポ
ット溶接などによっても効果が消滅しない優れた耐遅れ
破壊性を有するＰＣ鋼棒を提供する。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＰＣ鋼棒
の持つ特徴を減殺させることなく耐遅れ破壊性を改善す
る手段として、表層部のみの耐遅れ破壊性改善を検討し
た。その結果、表層部のみを経験的に耐遅れ破壊感受性
が低いと認識されている結晶組織とし、中心部は従来の
ＰＣ鋼棒と同じ熱処理による硬化組織とすることを考
え、本発明を完成した。

【００１９】すなわち本発明は、表面から少なくとも２
００μｍまでの表層部をフェライト組織とパーライト組
織の単独または混合組織とし、７００μｍ深さ以上の中
心部を焼入れマルテンサイト組織または焼入れ焼戻しマ
ルテンサイト組織としたことを特徴とする耐遅れ破壊性
の優れたＰＣ鋼棒である。

【００２０】本発明において、表層と中心で異なる組織
を得るためには、表層と中心の成分組成を変えることで
容易に達成できる。しかもその方法も、従来から多数提
案されているクラッド化技術がそのまま適用可能であ
る。

【００２１】本発明者らは、ＰＣ鋼棒の安価であるとの
特徴をできる限り損うことなく本発明によるＰＣ鋼棒を
得る実施態様として、中心部のみにＢを濃化させたＰＣ
鋼棒を発明した。

【００２２】その第１の手段として、前記ＰＣ鋼棒にお
いて、表層部の成分が重量％で Ｃ：０．０１％以上０．４％以下，Ｓｉ：０．０１％以
上２．０％以下，Ｍｎ：０．１％以上１．５％以下，Ａ
ｌ：０．００１％以上０．１０％以下を含有し、残部が
鉄および不可避不純物からなり、中心部の成分が、Ｃ：
０．１％以上０．５％以下，Ｓｉ：０．１％以上２．０
％以下，Ｍｎ：２％以上１．５％以下，Ａｌ：０．００
１％以上０．１０％以下，さらに０．００１％以上０．
０５％以下のＢを含有し、残部が鉄および不可避不純物
としたＰＣ鋼棒である。

【００２３】また第２の手段として、前記ＰＣ鋼棒にお
いて、表層部の成分が重量％で Ｃ：０．０１％以上０．４％以下，Ｓｉ：０．０１％以
上２．０％以下，Ｍｎ：０．１％以上１．５％以下，Ａ
ｌ：０．００１％以上０．１０％以下Ｔｉ：０．０１％
以上０．１０％以下を含有し、残部が鉄および不可避不
純物からなり、中心部の成分が、Ｃ：０．１％以上０．
５％以下，Ｓｉ：０．１％以上２．０％以下，Ｍｎ：
０．２％以上１．５％以下，Ａｌ：０．００１％以上
０．１０％以下，Ｔｉ：０．０１％以上０．１０％以
下，さらに０．００１％以上０．０５％以下のＢを含有
し、残部が鉄および不可避不純物としたＰＣ鋼棒であ
る。

【００２４】中心部のみにＢを濃化させた場合、表層に
比べて中心部の焼入れ性が大幅に向上する。従って焼入
れ溶体化後比較的小さな冷却速度で冷却すると、中心部
のみ焼入れ硬化させることができる。そして表面はマル
テンサイト変態をせず、フェライトやパーライト組織と
なり、遅れ破壊性が著しく向上することになる。

【００２５】

【作用】以下作用とともに本発明条件の限定理由につい
て説明する。

【００２６】表面の組織は、耐遅れ破壊性が焼入れマル
テンサイト組織または焼入れ焼戻しマルテンサイト組織
の鋼より優れているフェライト組織とパーライト組織の
単独または混合組織とする。他の結晶組織は、炭素鋼に
おいて容易に得られないか、特殊な元素を多量に必要と
するので除外する。

【００２７】フェライト組織とパーライト組織の単独ま
たは混合組織とする表面層の厚さは、２００μｍ未満で
はスポット溶接で中心部と混合して耐遅れ破壊性が劣化
するので、少なくとも２００μｍとし、この値を下限と
した。しかし表面層の組織が７００μｍを超えると、表
面層のフェライトなどの組織は中心部の焼入れマルテン
サイトなどの組織より軟質で低強度であることから、Ｐ
Ｃ鋼棒としての強度が確保しにくくなるので、７００μ
ｍを上限とする。

【００２８】次に実施態様に示した表層部および中心部
の鋼の成分限定理由を説明する。

【００２９】表層部のＣは、０．０１％未満では耐遅れ
破壊性を阻害することはないが、脱炭のコストが急増す
るため０．０１％を下限とした。しかし０．４％を超え
ると、表層部を焼入れ硬化させないためには冷却速度を
極端に小さくせざるを得ず、その場合中心部も例え成分
を変えても焼入れ硬化しなくなるため、０．４％を上限
とした。

【００３０】表層部のＳｉは、０．０１％未満では脱酸
が不完全となり、鋼の清浄度が劣化するため０．０１％
を下限とし、２．０％を超えて添加すると、焼入れ性が
上昇して中心部のみの焼入れ硬化を達成させることが不
可能となるため、２．０％を上限とした。

【００３１】表層部のＭｎは、０．１％未満ではＳの固
定が不十分となり、製造時に熱間疵が多発するため０．
０１％を下限とした。また１．５％を超えて添加する
と、焼入れ性が上昇して中心部のみの焼入れ硬化を達成
させることが不可能となるため、１．５％を上限とし
た。

【００３２】中心部のＣは、０．１％未満では十分な焼
入れ硬度が得られないので０．１％を下限とし、０．５
％を超えて添加すると、焼割れを発生するため０．５％
を上限とした。

【００３３】中心部のＳｉは、０．１％未満では焼入れ
性が不十分で焼入れ硬化しないため０．１％を下限と
し、２．０％を超えて添加すると、熱間加工性が著しく
劣化するため２．０％を上限とした。

【００３４】中心部のＭｎは、０．２％未満では焼入れ
性が不十分で焼入れ硬化しないため０．２％を下限と
し、１．５％を超えて添加すると、熱間加工性が著しく
劣化するため１．５％を上限とした。

【００３５】さらに焼入れ性向上を狙って、中心部に添
加するＢの歩留りを大幅に改善するために、鋼中のＮを
固定すべくＴｉを添加することができる。この場合、
０．０１％未満ではＮ固定効果がないので０．０１％を
下限とし、０．１０％を超えると粗大介在物となりやす
いので、０．１０％を上限とした。

【００３６】表層部および中心部のＡｌは、０．００１
％未満では脱酸が不完全となり、鋼の清浄度が劣化する
ため０．００１％を下限とし、０．１０％を超えて添加
すると、熱間加工性が劣化するため０．１０％を上限と
した。

【００３７】またＢは、０．００１％未満では焼入れ性
向上が十分でないため０．００１％を下限とし、０．０
５％を超えて添加すると、むしろ焼入れ性が低下するた
め０．０５％上限とした。

【００３８】本発明によるＰＣ鋼棒は、表層部がフェラ
イト組織とパーライト組織の単独または混合組織である
ので、従来の焼入れマルテンサイト組織または焼入れ焼
戻しマルテンサイト組織のＰＣ鋼棒より耐遅れ破壊性が
優れている。

【００３９】中心部は、強度の高い焼入れマルテンサイ
ト組織または焼入れ焼戻しマルテンサイト組織であるの
で、ＰＣ鋼材として優れた特性を維持している。

【００４０】また表層部は、溶接可能なレベルの低Ｃ鋼
であるため、コンクリートに埋め込む際に必要なＰＣ鋼
材の編組作業に生産性が高く、実績の多い溶接を適用す
ることが可能である。

【００４１】このように本発明によるＰＣ鋼棒は、溶接
が可能で強度の高くかつ耐遅れ破壊性の優れた特徴を有
している。

【００４２】

【実施例】Ｃ量が０．２％級および０．０５％級の鋼を
溶製し、予熱した鋳型内に鋳込んだ。鋳型内に溶鋼が充
満したところで、まだ凝固していない注入剤の溶鋼中に
フェロボロンおよびグラファイトの内１種または２種以
上を投入し、中心部に合金成分を調整した。

【００４３】これらの複合鋳片を１３ｍｍφまで熱間加
工し、調整冷却により鋼棒を製造した。さらに一部につ
いては、２５０〜３５０℃で焼戻しを行なった。比較例
として、合金鉄等の投入を行なわなかった鋳片も同様に
熱間加工と調整冷却を実施した。

【００４４】この方法で製造した鋼棒の表層部と中心部
の成分組成を表１に示し、表層部，中心部それぞれの結
晶組織と表層部の厚さおよび鋼棒としての材質特性を表
２に示した。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【表２】

【００４７】鋼Ｎｏ．１，３，５は本発明例であり、
２，４，６，７，８は比較例である。

【００４８】先ず発明例について、Ｎｏ．１，３の鋼棒
は、表面から２２０乃至４６０μｍがそれぞれフェライ
トとパーライトの混合組織、中心部がマルテンサイト組
織となっており、強度もＰＣ鋼棒として十分なレベルで
あり、耐遅れ破壊性も優れていた。

【００４９】またＮｏ．５の鋼棒は、低Ｃの溶鋼に合金
鉄と同時にグラファイトを投入したため、表面から３８
０乃至５１０μｍがフェライト単相となっていたが、中
心部がマルテンサイト組織となっているので、Ｎｏ．
１，３と同じく耐遅れ破壊性が優れている。

【００５０】次に比較例について、Ｎｏ．２、４の鋼棒
は、合金鉄等の投入を行なわなかったため、表層部と中
心部がほぼ同一成分であり、焼入れ硬化しないため強度
が非常に低くＰＣ鋼棒として適用できなかった。

【００５１】Ｎｏ．６の鋼棒は、低Ｃの溶鋼に合金鉄の
みを投入し、グラファイトの投入はもちろん中心部のＣ
量増加の対策を実施しなかったため、中心部もフェライ
ト単相（セメンタイトを含む）で焼入れ硬化せず、強度
が非常に低く、ＰＣ鋼棒として適用できなかった。

【００５２】Ｎｏ．７の鋼棒は、表層部の厚さが２００
μｍ未満のため、強度特性や母材のままの耐遅れ破壊性
は良好であったが、スポット溶接部の耐遅れ破壊性が劣
っていた。

【００５３】Ｎｏ．８の鋼棒は、表層にもＢを含むため
表層と中心部の焼入れ性に差がなく、表層部も焼入れ硬
化した。このため強度特性は十分であったが、耐遅れ破
壊性が従来のＰＣ鋼棒と同様低いレベルであった。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように本発明のＰＣ鋼棒
は、従来のＰＣ鋼棒が有する施工性や溶接性が確保され
ると共に、さらに耐遅れ破壊性に優れたコンクリート補
強用ＰＣ鋼棒である。また本発明のＰＣ鋼棒は熱処理強
化型のＰＣ鋼棒であり、伸線強化型のＰＣ鋼線に比べて
安価なうえにリラクセーション特性が優れているので、
コンクリート建造物の施工時の高温蒸気養生が可能とな
り、建設工事の大幅なコスト低減が見込まれる。また耐
遅れ破壊性の改善によって、突発的に発生するコンクリ
ート建造物の崩壊事故を未然に防止でき、建造物の安全
性向上に繋がるものである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面から少なくとも２００μｍまでの表
   層部をフェライト組織とパーライト組織の単独または混
   合組織とし、７００μｍ深さ以上の中心部を焼入れマル
   テンサイト組織または焼入れ焼戻しマルテンサイト組織
   としたことを特徴とする耐遅れ破壊性の優れたＰＣ鋼
   棒。
2. 【請求項２】 表層部の成分が、重量％で Ｃ：０．０１％以上０．４％以下，Ｓｉ：０．０１％以
   上２．０％以下，Ｍｎ：０．１％以上１．５％以下，Ａ
   ｌ：０．００１％以上０．１０％以下を含有し、残部が
   鉄および不可避不純物からなり、中心部の成分が、 Ｃ：０．１％以上０．５％以下，Ｓｉ：０．１％以上
   ２．０％以下，Ｍｎ：２％以上１．５％以下，Ａｌ：
   ０．００１％以上０．１０％以下，さらに０．００１％
   以上０．０５％以下のＢを含有し、残部が鉄および不可
   避不純物からなる請求項１記載の耐遅れ破壊性の優れた
   ＰＣ鋼棒。
3. 【請求項３】 表層部の成分が、重量％で Ｃ：０．０１％以上０．４％以下，Ｓｉ：０．０１％以
   上２．０％以下，Ｍｎ：０．１％以上１．５％以下，Ａ
   ｌ：０．００１％以上０．１０％以下Ｔｉ：０．０１％
   以上０．１０％以下を含有し、残部が鉄および不可避不
   純物からなり、中心部の成分が、 Ｃ：０．１％以上０．５％以下，Ｓｉ：０．１％以上
   ２．０％以下，Ｍｎ：０．２％以上１．５％以下，Ａ
   ｌ：０．００１％以上０．１０％以下，Ｔｉ：０．０１
   ％以上０．１０％以下，さらに０．００１％以上０．０
   ５％以下のＢを含有し、残部が鉄および不可避不純物か
   らなる請求項１記載の耐遅れ破壊性の優れたＰＣ鋼棒。