JPH0726148B2

JPH0726148B2 - 高振動減衰能を有する溶接構造用鋼の製造方法

Info

Publication number: JPH0726148B2
Application number: JP19316990A
Authority: JP
Inventors: 智也小関; 虔一天野
Original assignee: 川崎製鉄株式会社
Priority date: 1990-07-23
Filing date: 1990-07-23
Publication date: 1995-03-22
Anticipated expiration: 2010-03-22
Also published as: JPH0480320A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、溶接構造物の部材に用いて好適な溶接構造
用鋼に関し、特に振動や騒音を抑制し得る高い振動減衰
能を有する、引張強度が41kgf/mm²以上の溶接構造用鋼
を有利に製造する方法を提案しようとするものである。

近年、鉄道橋梁や自動車用道路橋などの大重量の通過車
両の移動に伴う激しい振動をはじめとして、特に居住地
域に近接して立地した工場や作業場などの施設ないしは
機械構造物に生じる振動ないしはそれらに伴われる騒音
が、社会問題とされる風潮が著しい。

このための対策としては、吸音材料や遮音材料あるいは
振動絶縁材料を使用したり、また構造物の剛性を増大さ
せて共鳴を回避したりする種々な手法が講ぜられている
けれども、実際にはその騒音源となる振動は複雑で、そ
の原因を排除することは一般には困難である。

そこで構造部材としての材料自体に振動減衰特性いわゆ
る制振性を付与して、それによる構造物の振動、騒音の
抜本的な改善を図ろうとする方法、いわゆるマテリアル
・ダンピング法が注目されている。

ここで合金の制振性能は、一般にその内部摩擦（Q^-1）
の大きさで表すことが多い。これは歪振幅１サイクル当
たりに失われるエネルギーの大きさの指標であり、Q^-1
が大きい合金ほど、振動エネルギーを合金内部で熱エネ
ルギーに変換する割合が大きく、高い制振作用を有す
る。

（従来の技術）上記の制振性を付与した鋼材について、既にいくつかの
提案が行われている。

例えば特公昭60−26813号公報には、低降伏点でかつ粗
大粒とする防振鋼材の製造方法が提案されている。

しかしこの鋼材は、低強度でありまたじん性が劣るため
に構造部材としては使用できない。

また特開昭52−144317号公報には、３〜40wt％（以下単
に％で示す）CrでさらにTi、Alを添加した防振鋼が、さ
らに特開昭57−181360号公報には、1.5〜９％Alを含有
する制振厚鋼板が、そして特公昭57−22981号公報に
は、４〜７％Cr、３〜５％Alを含有する制振性を有する
鋼材がそれぞれ開示されている。

しかしいずれの鋼材も溶接性に難点があったり、じん性
の改善を必要としたりまた制振性が十分でなかったり、
合金成分が多量に添加されて高価であるという問題を残
していた。

以上のべたほか特開昭53−1621号公報には、粒界酸化に
より振動減衰特性を付与した18−８ステンレス鋼が提案
されているが、溶接性に問題がありまた大量生産には適
さないという問題があった。

（発明が解決しようとする課題）高い制振性を有し、溶接構造用鋼材として必要な溶接性
を具備してしかもじん性に優れる、比較的安価な、振動
減衰特性に優れた引張強度が41kgf/mm²以上の溶接構造
用鋼を工業的規模で安定して量産できる製造方法を提案
することがこの発明の目的である。

（課題を解決するための手段）さて強磁性体の鋼では、磁気スピンが揃うのに対応して
結晶格子には歪（磁歪）が生じていて、主にこの影響を
受けて内部は磁区に分割されている。

かような鋼に外力（振動）が加わると、磁歪との相互作
用によって磁区壁が移動する。すると強磁性体内部に生
じるこの磁区壁の移動すなわち磁化の変化を打ち消すよ
うに渦電流が生じ、この渦電流は、逆に磁歪を通じて歪
を引き起こす。この歪は、外力に対して位相が遅れるの
で、いわゆる磁気−力学的ヒステリシス型の内部摩擦に
より振動減衰特性があらわれる。これについては、例え
ば純鉄が比較的制振性に優れることについて知られてい
るとおりである。

しかし純鉄は、強度が低く、構造用部材としての適用は
不可能であるばかりでなく、制振性能も十分とは言い難
い。

そこで発明者らは溶接構造用鋼材としての強度とじん性
とを有し、かつ純鉄よりも高い振動減衰能をも兼ね備え
る鋼材を、工業的に量産可能としてしかも安定して特性
を具備できる製造方法を種々検討した結果、熱間圧延を
適切な条件で行いかつ所定の中間熱処理を施すことが、
上記の目的を達成するために肝要であることの知見を得
た。

すなわちこの発明は、C:0.02％以下、Si:0.02％以下、M
n:0.08％以下、Cu:0.05〜1.50％、Al:1.0〜7.0％及びN:
0.0080％以下を含有し、残部はFe及び不可避的不純物よ
りなる鋼素材を、1000〜1300℃に加熱後、圧延仕上げ温
度を650〜900℃とする熱間圧延を施し、引き続き冷却速
度0.1℃/s以上で室温まで冷却を行い、次いで800〜1300
℃に加熱保持後、冷却速度1.0℃/s以下で冷却する中間
熱処理を施した後、450〜700℃に保持する最終熱処理を
施すことを特徴とする高振動減衰能を有する溶接構造用
鋼の製造方法（第１発明）及び、 C:0.02％以下、Si:0.02％以下、Mn:0.08％以下、Ni:0.0
5〜1.50％、Cu:0.05〜1.50％、Al:1.0〜7.0％及びN:0.0
080％以下を含有し、残部はFe及び不可避的不純物より
なる鋼素材を、それぞれ1000〜1300℃に加熱後、圧延仕
上げ温度を650〜900℃とする熱間圧延を施し、引き続き
冷却速度0.1℃/s以上で室温まで冷却を行い、次いで800
〜1300℃に加熱保持後、冷却速度1.0℃/s以下で冷却す
る中間熱処理を施した後、450〜700℃に保持する最終熱
処理を施すことを特徴とする高振動減衰能を有する溶接
構造用鋼の製造方法（第２発明）である。

（作用）この発明における成分組成範囲の限定理由についてまず
説明する。

Ｃは、通常の鋼では強化成分として含有させるが、この
発明の鋼では、Cuの析出による強化作用を利用するの
で、強化成分としての量は必要ない。むしろＣ含有量が
0.02％を超えると、制振性を劣化させるので、0.02％以
下に限定した。

Siは、0.02％を超えて含有させると、制振性を劣化させ
るので、0.02％を上限とした。

Mnは、Cu添加により強化する際に、じん性に悪い影響を
与えるので、その含有量は低いほど好ましく、その含有
量の上限は0.08％であるので0.08％以下に限定した。

Cuは、時効処理により微細なε−Cuとして析出させて、
鋼を強化させる成分であり、Mn含有量を低下させた鋼に
Cuを含有させることにより、制振性を損なうことなしに
強度とじん性とを両立させることができる。したがって
この発明では必須の成分であるが、Cu含有量が0.05％に
満たないとその効果に乏しく、一方1.50％を超えて含有
させると熱間割れを生じるおそれがあるので0.05〜1.50
％の範囲とした。

Alは、Mnを0.08％以下に低減し、ほぼ純鉄の組成になる
鋼に含有することで振動減衰特性を向上させるがその含
有量が1.0％に満たないとその効果がなく、一方7.0％を
超える含有では、溶接部のじん性が劣化するのでAl含有
量は1.0〜7.0％の範囲とした。

Ｎは、その含有量が低いほうが母材及び溶接部のじん性
の面から好ましく、許容できる上限は0.0080％である。

この発明の鋼は、第２発明において、以上の成分に加え
てさらにNiを0.05〜1.50％含有させる。

Niは、Cuの添加に由来する熱間割れの傾向を制振性を損
なうことなしに抑えることができる。Ni量が0.05％に満
たないとその効果に乏しく、一方1.50％を超えると経済
的でないという不都合が生じるのでNi含有量は、0.05〜
1.50％の範囲とした。

上記の成分のほか、この発明では不純物成分としてＰ、
Ｓをそれぞれ0.01％、0.005％まで許容できる。

Ｐは、その含有量の増加とともに制振性を劣化させる
が、0.01％までは許容できるので上限を0.01％とする。

Ｓは、Ｐ同様、制振性に好ましくない成分であり、その
含有量が0.005％を超えると制振性が特に劣化する。し
たがってＳ含有量は0.005％を上限とする。

次に、圧延条件及び熱処理条件の限定理由について以下
説明する。

この発明の製造方法の要部は、（１）熱間圧延終了時にCu析出が生じていないで、かつ
十分な圧延歪が鋼素材に蓄積される熱間圧延・冷却条件
を選定し、（２）次に行う中間熱処理では、結晶粒の整粒化及び粗
大化または固溶成分の均質固溶化を図り、その後の冷却
歪は極力低減する条件を選定する。なお前述の熱間圧延
・冷却による圧延歪の蓄積は、この中間熱処理時におけ
る粒成長を助長する効果を持つ。またこの中間熱処理後
の冷却終了温度は、次に行う熱処理温度（450〜700℃）
から室温までの任意の温度で良い。

（３）最終熱処理は、Cu析出を増進させる処理で、強度
確保を目的として行うことにある。

このことから、各処理条件を次のとおりに限定した。

熱間圧延に先立つ鋼素材の加熱温度は、熱間圧延が可能
な温度とし、かつ結晶粒の粗大化、固溶成分の均質固溶
化を図るために1000〜1300℃とした。加熱温度が1000℃
に満たないと結晶粒の混粒化が生じて最終製品の制振性
能がばらつく原因の一つとなり、また1300℃を超えると
鋼表面の酸化が著しく、また経済的にも不利である。

熱間圧延の圧延仕上げ温度は、Cuの析出を抑制しつつ、
圧延歪の蓄積を図るために650〜900℃の範囲とした。65
0℃に満たない低温仕上げとすると、Cuの析出が生じる
こと及び混粒組織となり易いため、制振性の不安定化の
要因となる。また低温仕上げでは、圧延に要する時間が
増大し、製造コストの増加をもたらすので好ましくな
い。一方圧延仕上げ温度が900℃を超えると、被圧延材
への圧延歪の蓄積が不十分であり、その後の中間熱処理
での粒成長、粗大化が効率良く達成しにくい。

熱間圧延に引き続く冷却は、Cu析出の抑制と圧延歪の凍
結を目的とし、0.1℃/s以上の冷却速度が必要である。
なお冷却速度の上限は、この発明では特に制限するもの
ではない。工業的に実施可能な範囲としては、60℃/s程
度以下である。

中間熱処理の温度は、結晶粒の整粒化及び粗大化または
圧延歪の完全な除去を目的に800〜1300℃とする。なおA
lを１〜２％未満含有する場合は、その上限はフェライ
ト単相となる900〜950℃が望ましい。１〜２％未満Al含
有鋼では950〜1000℃でフェライト→オーステナイト変
態が生じ、細粒組織となって制振性能が低下するうれい
がある。また２％以上のAlを含有する場合は、フェライ
ト単相となって処理温度が高温であるほど制振性向上に
好ましいが、処理後の表面性状や工業的な経済性からそ
の上限を1300℃とした。また中間熱処理温度が800℃に
満たないと圧延歪の完全除去が困難であり、結晶粒粗大
化も十分でないため制振性は劣化する。加熱保持時間
は、熱処理温度及び対象鋼の厚みによって異なるため特
に限定はしないが、１時間以上保持することが好まし
い。

中間熱処理後の冷却は、各位置の冷却むらに伴う歪導入
を防ぐため、1.0℃/s以下の冷却速度とする。冷却終了
温度については特に限定しないが、その後の最終熱処理
温度範囲（450〜700℃）から室温までの任意の温度が望
ましい。

最終熱処理は、ε−Cuの析出による強度上昇を目的に行
うが、450℃未満及び700℃を超えるといずれも析出効果
が十分でないため450〜700℃の範囲とした。なおこの保
持時間については、中間熱処理と同様に熱処理温度及び
対象鋼の厚みによって異なるため特に限定はしないが、
１時間程度保持することが好ましい。

この発明の材料は、通常の溶製、鋳造及び圧延により厚
鋼板とすることができる。また厚鋼板に限らず薄鋼板、
形鋼、棒鋼、線材などにも用いることができる。

（実施例）表１に示す種々の成分組成になる鋼を常法に従って溶
製、鋳造した。

これらの各鋼について、種々の条件で熱間圧延、中間熱
処理及び最終熱処理を施した。なお鋼板板厚は25mmであ
り、冷却速度は冷媒の濃度調整及び保温材の使用等によ
って種々変化させた。

得られた各鋼板について機械的特性及び減衰特性
（Q^-1）を調べた。機械的特性は板厚中央部から試験片
を採取し、また減衰特性は板厚中央部から1.5mm厚の短
冊状試片を採取し、それぞれ測定した。

各鋼の圧延条件、熱処理条件及び得られた機械的特性、
減衰特性について、表２にまとめて示す。

表１において、鋼Ａ〜Ｃはこの発明の成分組成になる鋼
であり、鋼Ｄ〜Ｆはこの発明の成分組成範囲を外れた成
分の比較鋼である。表２中の区分は、この発明の適合例
を○印で、比較例を×印で示したものである。

表２から明らかなように、適合例はいずれも溶接構造用
鋼板として要求される機械的特性を満足し、また内部摩
擦Q^-1は比較例に比べて著しく向上している。

鋼の成分組成がこの発明の範囲内で、しかも製造条件が
この発明に適合することによりはじめて著しくQ^-1が向
上する。

次に溶接部のじん性を測定し、得られた結果を表３に示
す。溶接は、入熱量10kJ/mmのサブマージアーク溶接を
行い、試験は、継手ボンド部にノッチを入れて調べたも
のである。

表３から、適合例は溶接構造用として使用可能な溶接部
吸収エネルギーを有していることがわかる。

（発明の効果）この発明の製造方法による鋼材は、従来の構造用材料と
遜色のない十分な強度、じん性及び溶接性を有し、高い
振動減衰能をも兼ねそなえ、しかも工業的に容易に製造
が可能である。本鋼材は、機械構造物のあらゆる箇所
で、従来鋼材の代替が可能となり、構造物の振動、騒音
を確実に低減することができ、工業上極めて有用であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】C:0.02wt％以下、 Si:0.02wt％以下、 Mn:0.08wt％以下、 Cu:0.05〜1.50wt％、 Al:1.0〜7.0wt％及び N:0.0080wt％以下を含有し、残部はFe及び不可避的不純物よりなる鋼素材
を、 1000〜1300℃に加熱後、圧延仕上げ温度を650〜900℃と
する熱間圧延を施し、引き続き冷却速度0.1℃/s以上で
室温まで冷却を行い、次いで800〜1300℃に加熱保持後、冷却速度1.0℃/s以下
で冷却する中間熱処理を施した後、 450〜700℃に保持する最終熱処理を施すことを特徴とす
る高振動減衰能を有する溶接構造用鋼の製造方法。
【請求項２】C:0.02wt％以下、 Si:0.02wt％以下、 Mn:0.08wt％以下、 Ni:0.05〜1.50wt％、 Cu:0.05〜1.50wt％、 Al:1.0〜7.0wt％及び N:0.0080wt％以下を含有し、残部はFe及び不可避的不純物よりなる鋼素材
を、 1000〜1300℃に加熱後、圧延仕上げ温度を650〜900℃と
する熱間圧延を施し、引き続き冷却速度0.1℃/s以上で
室温まで冷却を行い、次いで800〜1300℃に加熱保持後、冷却速度1.0℃/s以下
で冷却する中間熱処理を施した後、 450〜700℃に保持する最終熱処理を施すことを特徴とす
る高振動減衰能を有する溶接構造用鋼の製造方法。