JPH07207336A

JPH07207336A - 建築構造用耐火鋼材の製造方法

Info

Publication number: JPH07207336A
Application number: JP12390194A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Iwai; 清岩井; Yoshiyuki Nakatani; 義幸中谷
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1994-06-06
Publication date: 1995-08-08

Abstract

(57)【要約】【目的】 600℃で高い耐力を有し、かつ常温での降伏
比が低く、優れた溶接性および条切り特性を有する490N
/mm²級建築構造用耐火鋼材を製造する。【構成】 C:0.04〜0.14％、 Si:0.05〜0.50％、 Mn:0.
50〜1.50％、P:0.020 ％以下、S:0.005 ％以下、 Mo:0.
10〜0.40％、 V:0.005〜0.060 ％、Nb:0.005〜0.060
％、Ti:0.005〜0.030 ％、Al:0.002〜0.10％を含有し、
残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつ、 P_CMの
値が0.21％以下である鋼片を1050℃以上の温度に加熱
し、 850〜950 ℃の温度範囲で圧延終了後、Ａc₁〜Ａc₃
変態点の温度範囲に再加熱し焼入れした後、さらに 500
〜650 ℃の温度で焼戻しする。必要に応じて、Cu:0.05
〜0.40％、 Ni:0.05〜0.40％、 Cr:0.10〜0.40％、 Ca:
0.0005〜0.0050％の内から選んだ１種または２種以上を
含有することができる。ただし、 P_CM=C+Si/30+Mn/20+C
u/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B（％）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐火鋼材の製造方法に
関し、さらに詳しくは、厚肉材においても常温での降伏
比が低く、十分な高温耐力と優れた溶接性を有する490N
/mm²級の建築構造用耐火鋼材の製造方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】建築構造物では、火災時に鉄骨が高温に
さらされると鉄骨強度が低下し、建築物として必要な耐
力が維持できなくなるため、耐火被覆で鉄骨を保護する
ことが建築基準法で定められている。

【０００３】従来のSi−Mn系の建築構造用鋼材では、火
災時に鋼材温度が 350℃以上になるとその耐力が常温規
格の2/3 以下に低下し、構造上必要な耐力（長期許容応
力度）を下回るため、耐火被覆によって鋼材温度の上昇
を抑制しているが、工事費の増加や工期の長期化という
問題がある。

【０００４】しかし、1987年に施行された『新耐火設計
法』により、高温での耐力が優れた鋼材（耐火鋼材）を
使用すれば、耐火被覆の削減または省略が可能になっ
た。この耐火鋼材は立体駐車場、外部鉄骨建築物、アト
リウムなどを中心に採用されているが、特に、建築物の
高層化、大スパン化に伴い厚肉の耐火鋼材の必要性が高
まっている。

【０００５】現状、高温での耐力が優れた鋼材として、
ボイラ・圧力容器用Cr−Mo鋼がある。しかし、この鋼材
は 600℃での耐力は常温規格値の2/3 以上を有するが、
C 量が高いために溶接性および大入熱溶接継手靱性が悪
く、溶接施工上難点がある。このために、 600℃におい
ても高い耐力を有し、かつ溶接性に優れた従来鋼と同等
の設計・施工ができる耐火鋼材がいくつか提案されてい
る。

【０００６】例えば、特開平3-173715号公報に開示され
ている鋼は、Cr、MoおよびNbを複合添加し、制御圧延法
により製造され、優れた高温耐力を有しているが、板厚
が25mmと薄く、厚肉材を対象としていない。また、特開
平3-6322号公報に開示されている鋼は、多量のMoを添加
した鋼をＡr₃変態点以下から加速冷却することによりミ
クロ組織をフェライトとベイナイトの混合組織とし、常
温での降伏比を低く抑えて、 600℃における耐力を確保
している。しかし、加速冷却のままでは鋼材の残留応力
が高いため、ガス切断による条切り時にキャンバーや反
りの形状不良が発生しやすいという欠点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】優れた条切り特性を有
するには、板厚によらず制御圧延ままが有効であるが、
厚肉材の場合、強度を確保するために Ceq（炭素当量)
や P_CM（溶接割れ感受性組成）を高くせざるを得なく、
溶接性が劣化する。一方、 Ceqを高めることなく強度の
上昇を図る手段として加速冷却法があるが、加速冷却ま
までは鋼材の残留応力が高いため、ガス切断での条切り
特性が悪い。また、加速冷却法での条切り特性の改善に
は加速冷却＋焼戻し法が有効であるが、この方法ではミ
クロ組織がベイナイトとなり、しかも焼戻し時に高温強
度を向上させるために添加したMo、Nbが析出するために
常温での降伏比が高くなる。

【０００８】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたもので、化学成分を調整し、加熱温度と圧延終
了温度を限定する制御圧延を行い、圧延終了後Ａc₁〜Ａ
c₃変態点の温度範囲に再加熱し焼入れした後、焼戻しす
ることにより、厚肉材においても、高温で高い耐力を有
し、かつ常温での降伏比が低く、優れた溶接性および条
切り特性を有する490N/mm²級建築構造用耐火鋼材の製造
方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来の建築用
鋼材における上記の問題点に鑑み、本発明者らが鋭意研
究を行った結果、 Ceqを高めることなく、強度上昇を図
り、かつ常温での低降伏比を確保する手段として、制御
圧延後にＡc₁〜Ａc₃変態点の温度範囲で再加熱し焼入れ
した後、焼戻しを行うことによりミクロ組織をフェライ
トとベイナイトの混合組織とすることが有効であるとい
う知見を得て完成したものである。

【００１０】すなわち、(1) C:0.04〜0.14％、 Si:0.05
〜0.50％、 Mn:0.50〜1.50％、P:0.020 ％以下、S:0.00
5 ％以下、 Mo:0.10〜0.40％、 V:0.005〜0.060 ％、N
b:0.005〜0.060 ％、Ti:0.005〜0.030 ％、Al:0.002〜
0.10％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からな
り、かつ、 P_CMの値が0.21％以下である鋼片を1050℃以
上の温度に加熱し、 850〜950 ℃の温度範囲で圧延終了
後、Ａc₁〜Ａc₃変態点の温度範囲に再加熱し焼入れした
後、さらに 500〜650 ℃の温度で焼戻しする建築構造用
耐火鋼材の製造方法である。ただし、 P_CM=C+Si/30+Mn/
20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B（％）

【００１１】(2) 上記(1) に、さらに Cu:0.05〜0.40
％、 Ni:0.05〜0.40％、 Cr:0.10〜0.40％、 Ca:0.0005
〜0.0050％の内から選んだ１種または２種以上を含有す
る建築構造用耐火鋼材の製造方法である。

【００１２】

【作用】まず、本発明における化学成分の限定理由につ
いて説明する。C は、強度上昇に寄与する元素である
が、0.04％未満では強度を確保することは困難であり、
一方、0.14％を超えて添加すると、溶接性および靱性を
劣化させる。したがって、C 添加量は0.04〜0.14％の範
囲とする。

【００１３】Siは、脱酸のために必須の元素であるが、
0.05％未満ではその効果が少なく、一方、0.50％を超え
て添加すると溶接性を劣化させる。したがって、Si添加
量は0.05〜0.50％の範囲とする。

【００１４】Mnは、強度および靱性を確保するために必
要な元素であるが、0.50％未満ではこのような効果は少
なく、一方、1.50％を超えて添加すると溶接性を劣化さ
せる。したがって、Mn添加量は0.50〜1.50％の範囲とす
る。

【００１５】P は、 0.020％を超えて含有するとミクロ
偏析により溶接性および靱性を劣化させる。したがっ
て、P 含有量は 0.020％以下とする。

【００１６】S は、 0.005％を超えて含有すると粗大な
Ａ系介在物を形成しやすくなり、靱性を劣化させる。し
たがって、S 含有量は 0.005％以下とする。

【００１７】Moは、高温強度を確保するために不可欠な
元素であり、 600℃における耐力を大幅に上昇させる。
しかしながら、0.10％未満ではこのような効果は得られ
ず、一方、0.40％を超えて添加すると大入熱溶接継手靱
性を劣化させる。したがって、Mo添加量は0.10〜0.40％
の範囲とする。

【００１８】V は、析出硬化により高温強度の上昇に有
効な元素であるが、0.005 ％未満ではこの効果は少な
く、一方、0.060 ％を超えて添加すると溶接性が劣化す
る。したがって、V 添加量は 0.005〜0.060 ％の範囲と
する。

【００１９】Nbは、析出硬化による高温強度の上昇およ
び細粒化による靱性の向上が図られる元素であるが、0.
005 ％未満ではこれらの効果は少なく、一方、0.060 ％
を超えて添加すると大入熱溶接継手靱性が劣化する。し
たがって、Nb添加量は 0.005〜0.060 ％の範囲とする。

【００２０】Tiは、オーステナイト粒の粗大化の抑制お
よびフェライトの生成促進により、靱性の向上に有効な
元素であるが、 0.005％未満ではこのような効果は少な
く、一方、 0.030％を超えて添加すると靱性を劣化させ
る。したがって、Ti添加量は0.005〜0.030 ％の範囲と
する。

【００２１】Alは、脱酸に必要であるとともに結晶粒の
微細化に寄与する元素であるが、0.002 ％未満ではこれ
らの効果は少なく、一方、0.10％を超えて添加すると酸
化物系介在物が多くなり靱性を劣化させる。したがっ
て、Al添加量は 0.002〜0.10％の範囲とする。ただし、
脱酸を強化したい場合には、 0.020〜0.10％の範囲が望
ましい。

【００２２】なお、本発明においては、上記の元素の他
に必要に応じて、Cu、Ni、CrおよびCaの内の１種または
２種以上を添加することができる。

【００２３】Cuは、析出硬化による強度上昇に有効な元
素であるが、0.05％未満ではこのような効果は少なく、
一方、0.40％を超えて添加すると熱間加工性および溶接
性を損なう。したがって、Cu添加量は0.05〜0.40％の範
囲とする。

【００２４】Niは、強度と靱性の向上に有効な元素であ
るが、0.05％未満ではこれらの効果は少なく、一方、0.
40％を超えて添加してもこのような効果は飽和し、経済
的にも無駄である。したがって、Ni添加量は0.05〜0.40
％の範囲とする。

【００２５】Crは、高温強度の上昇に有効な元素である
が、0.10％未満ではこの効果は少なく、一方、0.40％を
超えて添加すると溶接性および溶接継手靱性が劣化す
る。したがって、Cr添加量は0.10〜0.40％の範囲とす
る。

【００２６】Caは、微量で板厚方向の特性を改善する元
素であるが、0.0005％未満ではこの効果は少なく、一
方、0.0050％を超えて添加すると鋼中の非金属介在物を
増大させ内部欠陥の原因となる。したがって、Ca添加量
は0.0005〜0.0050％の範囲とする。

【００２７】さらに、本発明では溶接時の低温割れ防止
のために行われる予熱を省略する目的で P_CM (溶接割れ
感受性組成) を0.21％以下に限定する。ただし、 P_CM=C
+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B（％）

【００２８】次に、本発明における加熱、圧延、および
熱処理条件の限定理由について説明する。加熱温度は高
温耐力の確保に必要なNbを固溶させるために下限を1050
℃とする。また、圧延終了温度については、圧延終了温
度が 850℃未満では、フェライト粒の微細化により耐震
性の面から建築構造用鋼材に要求される80％以下の降伏
比を確保することができず、さらに、集合組織に起因し
て音響異方性が高くなり、超音波斜角探傷において屈折
角や探傷感度が変化するために溶接欠陥部の検出作業が
困難となる。一方、圧延終了温度が 950℃を超えると、
オーステナイト粒が粗粒になるため母材靱性が劣化す
る。したがって、圧延終了温度は 850〜950 ℃の温度範
囲に限定する。

【００２９】上述の条件で熱間圧延（制御圧延）を終了
した後、Ａc₁〜Ａc₃変態点の二相域温度で再加熱し焼入
れを行う。この理由は、前述したように、Ceq を高める
ことなく強度上昇を図るためであるが、降伏比の上昇を
抑制するために、ベイナイト組織中に軟質のフェライト
を生成させ、これによって80％以下の降伏比を確保する
ことができる。

【００３０】さらに残留応力を除去して条切り特性を向
上させるために 500〜650 ℃の温度範囲で焼戻しを行
う。焼戻し温度は 500℃未満では残留応力の除去が不十
分であり、一方、 650℃を超えると常温強度が大幅に低
下する。したがって、焼戻し温度は 500〜650 ℃の範囲
に限定する。

【００３１】以上述べた製造条件により、高温で高い耐
力を確保し、さらに常温の降伏比が低く、かつ、優れた
溶接性および条切り特性を有する490N/mm²級建築構造用
耐火鋼材を得ることができる。

【００３２】

【実施例】以下に、実施例を挙げて本発明について説明
するが、本発明はこれらの実施例により限定されるもの
ではない。例えば、本発明は薄肉材にも適用が可能であ
る。

【００３３】供試鋼板は表１に示す化学成分を有する鋼
片を表２に示す加熱・圧延・熱処理条件にしたがって、
板厚70mmに仕上げたものである。これらの鋼板から試験
片を採取し、常温引張試験、シャルピ衝撃試験、 600℃
における高温引張試験および最高かたさ試験を行った。
その結果を表２に示す。なお、最高かたさ試験はJISZ 3
101に準じて行った。

【００３４】表１に本発明法Ａ〜Ｇおよび比較例Ｈ〜Ｍ
の化学成分を、表２に加熱・圧延・加速冷却・熱処理条
件を、表３に引張特性、衝撃特性、高温特性および溶接
性をそれぞれ示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】

【表３】

【００３８】表３から明らかなように、本発明法Ａ〜Ｇ
はいずれも 600℃における耐力が常温規格の2/3(197N/m
m²) 以上の優れた高温耐力を有し、常温での引張特性は
490N/mm²級の規格値（降伏点または 0.2％耐力:295N/mm
² 以上、引張強さ:490〜610N/mm²）および耐震性の面か
ら建築構造用鋼材に要求される80％以下の降伏比を十分
に満足している。また、シャルピー衝撃試験における母
材の破面遷移温度も-40 ℃以下と良好である。さらに、
最高硬さもHV300 以下を満足し、良好な溶接性を有して
いる。

【００３９】一方、比較例ＨはC および P_CMが本発明の
範囲から高めに外れているため、母材靱性および溶接性
が悪い。比較例ＩはMoが本発明の範囲から高めに外れて
いるため、母材靱性および溶接性が悪い。比較例ＪはTi
が添加されていないため母材靱性が悪い。また、比較例
Ｋ、Ｌでは、前者はMoが、後者はNbがそれぞれ添加され
ていないため、 600℃における耐力が低い。さらに比較
例ＭもV が添加されていないため、 600℃における耐力
が低い。

【００４０】また、比較例A1〜A4は本発明法Ａと同じ化
学成分の鋼片を本発明の製造条件範囲外の条件で鋼板に
仕上げたものである。比較例A1は圧延ままであり、Ａc₁
〜Ａc₃変態点温度での再加熱焼入れ処理を行っていない
ため、 600℃における耐力が低い。比較例A2は加熱温度
が1000℃と本発明の限定範囲から低めに外れているた
め、Nbが十分に固溶せず常温強度および 600℃における
耐力が低い。比較例A3は圧延終了温度が 825℃と本発明
の限定範囲から低めに外れているため、フェライトが細
粒となり常温での降伏比が80％を超えている。比較例A4
は圧延終了温度が965℃と本発明の限定範囲から高めに
外れているため、オーステナイトが粗粒となり母材の破
面遷移温度が高い。

【００４１】なお、上記実施例は厚鋼板の製造方法に関
するものであるが、本発明は他の鋼製品、例えば条鋼、
形鋼の製造にも適応し得ることは言うまでもない。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
高層や大スパンの鉄骨建築物に使用される厚肉鋼材にお
いても、本発明によれば、 600℃においても高い耐力を
確保し、かつ、常温の降伏比が低く、さらに優れた溶接
性および条切り特性を有する490N/mm²級建築構造用耐火
鋼材を得ることができる。このため、従来必要とされて
いた耐火被覆を大幅に低減あるいは省略することがで
き、さらに、耐震性の面から構造物の安全性を高め、か
つ、溶接施工能率を向上させることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 C:0.04〜0.14％、 Si:0.05〜0.50％、 M
n:0.50〜1.50％、P:0.020 ％以下、S:0.005 ％以下、 M
o:0.10〜0.40％、 V:0.005〜0.060 ％、Nb:0.005〜0.06
0 ％、Ti:0.005〜0.030 ％、Al:0.002〜0.10％を含有
し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつ、 P
_CMの値が0.21％以下である鋼片を1050℃以上の温度に加
熱し、 850〜950 ℃の温度範囲で圧延終了後、Ａc₁〜Ａ
c₃変態点の温度範囲に再加熱し焼入れした後、さらに 5
00〜650 ℃の温度で焼戻しすることを特徴とする建築構
造用耐火鋼材の製造方法。ただし、 P_CM=C+Si/30+Mn/20
+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B（％）
【請求項２】 Cu:0.05〜0.40％、 Ni:0.05〜0.40％、
Cr:0.10〜0.40％、Ca:0.0005〜0.0050％の内から選ん
だ１種または２種以上を含有する請求項１記載の建築構
造用耐火鋼材の製造方法。