JPH07286233A - 耐火性の優れた建築用低降伏比鋼材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は再加熱工程および熱間圧延を同時に
省略した急冷凝固法の適用を確立し、しかも高価な添加
元素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
できる鋼材およびその容易かつ安価に実施し得る製造方
法を提供することにある。 【構成】 重量比で、Ｃ：＜０．２％、Ｓｉ：２．０％
以下、Ｍｎ：０．００５〜３．０％、Ｐ：０．００３〜
０．２％、Ａｌ：０．２％以下、Ｎ：０．０１％以下、
Ｃｕ：２．３〜＜２０．０％、残部がＦｅおよび不可避
不純物からなり、常温において８０％以下の低降伏比
（降伏強度／引張強度）と６００℃での高温強度が常温
強度の７０％以上を有する建築用耐火鋼材。 【効果】 耐火性および耐震性の優れた鋼である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は建築、土木および海洋構
造物等の分野において、各種建造物の薄板材料に用いる
耐火性の優れた低降伏比鋼材とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】建築、土木および海洋構造物等の分野に
おける各種建造物用鋼材として、一般構造用圧延鋼材、
溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材、高耐候性圧延鋼材およ
び一般構造用鋼管、一般構造用角形鋼管等が広く利用さ
れている。各種建造物のうち、特に生活に密着したビル
や事務所および住居等の建造物に前記鋼材を用いる場合
は、火災における安全性を確保するため、充分な耐火被
覆を施すことが義務づけられており、旧建築関係諸法令
では、火災時に鋼材温度が３５０℃以上にならぬように
規定されていた。そのため、鋼材費用に比べて耐火被覆
施工費が高額になり、建設コストが大幅に上昇すること
を避けることができなかった。

【０００３】一方、昭和６２年３月に「新耐火設計法」
が実施されるにいたって、高温においても常温規格値と
遜色のない強度を有する鋼材では、耐火被覆を大幅に削
減できるとともに、建造物の火災条件・設計条件によっ
ては無被覆の鉄骨建造物を設計することが可能となっ
た。しかし、この場合においても、ステンレススチール
に代表されるような耐火鋼材は価格が非常に高いため、
高温特性は良好であるが、生産技術や施工技術面に加え
て経済的な面で建築材料としての利用は非常に困難であ
った。

【０００４】このような中で、高温特性が優れ、かつ経
済的価格で市場に提供し得る耐火性の優れた鋼材の製造
方法が見直され、最近では６００℃において常温強度の
２／３程度を有するＮｂ−Ｍｏ複合添加鋼材（特開平２
−７７５２３号公報）、Ｍｏ添加鋼材（特開平３−２７
１３４２号公報）等の厚板用耐火鋼材が開発され、実際
の建造物に使用され始めている。しかし、これらの鋼材
は高温強度を高めるために、高温強度を大きくするのに
有効なＮｂ，Ｍｏ，Ｖ等の特定元素を１種類以上添加、
さらにその製造方法においても添加元素を固溶せしめる
ために鋼片を連続鋳造後に１１００〜１３００℃の温度
域に再加熱した後に、熱間圧延を８００〜１１００℃で
終了する工程、あるいは連続鋳造後に直接圧延を８００
〜１０００℃で終了する工程を経なければならない。

【０００５】また、板厚が数mmから１０mm程度の薄板材
料に関しても１％前後のＣｕを添加した耐火性の優れた
鋼材（特願平１−２６２２５、特願平１−１６４４６）
が開発されている。この場合にも一般的な加工用薄板と
同様に連続鋳造後に再加熱処理、熱間圧延、冷間圧延、
焼鈍処理、メッキ処理等の複雑な工程を経なければなら
ない。したがって、建築用鋼材としては、その成分系は
かなり限定されており、しかも再加熱工程を含む等コス
ト的に割高になっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】現状ではステンレスス
チールに代表されるような耐熱鋼材は建築材料としての
利用は非常に困難であり、また６００℃での高温耐力が
常温時の７０％以上となる鋼材の製造方法が最も経済的
であるにもかかわらず、現実的には上記に示したＭｏ−
Ｎｂ鋼あるいはＣｕ添加鋼等の再加熱工程を含む製造方
法しか見当らないのが現状である。本発明者らはこれら
の現状から、再加熱工程および熱間圧延を同時に省略し
た急冷凝固法の適用を確立し、しかも高価な添加元素量
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できる
鋼材の容易かつ安価に実施し得る製造方法を鋭意検討し
た。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の通
りである。 （１）重量比で、Ｃ：＜０．２％、Ｓｉ：２．０％以
下、Ｍｎ：０．００５〜３．０％、Ｐ：０．００３〜
０．２％、Ａｌ：０．２％以下、Ｎ：０．０１％以下、
Ｃｕ：２．３〜＜２０．０％、残部がＦｅおよび不可避
不純物からなり、常温において８０％以下の低降伏比
（降伏強度／引張強度）と６００℃の降伏強度が常温降
伏強度の７０％以上を有する耐火性の優れた建築用低降
伏比鋼材。

【０００８】（２）重量比で、Ｃ：＜０．２％、Ｓｉ：
２．０％以下、Ｍｎ：０．００５〜３．０％、Ｐ：０．
００３〜０．２％、Ａｌ：０．２％以下、Ｎ：０．０１
％以下、Ｃｕ：２．３〜＜２０．０％、Ｎｉ：２．０％
以下、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、常温に
おいて８０％以下の低降伏比（降伏強度／引張強度）と
６００℃の降伏強度が常温降伏強度の７０％以上を有す
る耐火性の優れた建築用低降伏比鋼材。

【０００９】（３）重量比で、Ｎｂ：０．００１〜０．
５％、Ｔｉ：０．００１〜０．５％、Ｖ：０．００１〜
０．５％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％、Ｃｒ：
０．０１〜５．０％、Ｚｒ：０．００５〜０．１％、Ｔ
ａ：０．００５〜０．０５％、Ｃａ：０．０００５〜
０．００５％、ＲＥＭ：０．００１〜０．００５％の１
種あるいは２種以上を含む（１）および（２）記載の耐
火性の優れた建築用低降伏比鋼材。

【００１０】（４）（１）〜（３）のいずれかに記載の
急冷凝固による鋳片をそのままあるいは冷延することを
特徴とする耐火性の優れた建築用低降伏比鋼材の製造方
法。

【００１１】以下、本発明について詳細に説明する。さ
て、本発明の特徴は一定量のＣｕを添加した組成の鋼片
を急冷法によって鋳造後に、再加熱工程を経ることな
く、鋳造ままあるいは冷延処理のみを施すことによって
製造することにあり、本発明によって製造した鋼および
鋼材（以下鋼）は、適当な常温強度と明確な降伏現象
（降伏点が明瞭に認められる）を伴った低い降伏強度を
有するとともに、高温の降伏強度が高い特性を備えてい
る。つまり、常温降伏強度に対する６００℃の降伏強度
の割合が大きい。本発明鋼の常温における低降伏比は母
相が高濃度のＣｕを固溶したフェライト組織となってい
るためであり、また高温の高強度化はＣｕの析出強化を
最大限に利用したことによって達成したものである。

【００１２】まず、本発明にかかわる特徴的な成分元素
であるＣｕとＮｉの効果とその添加量について説明す
る。まず、Ｃｕは鋳造後に大部分が固溶状態にあり、こ
の固溶強化作用によりＣｕ無添加材に比べて著しく高い
常温強度が得られる。次いで、このような状態から、６
００℃付近の高温に加熱した場合には、過飽和に固溶し
ていた高濃度のＣｕは微細なＣｕ粒子を形成して、この
析出強化作用により高温強度を顕著に上昇せしめる効果
がある。

【００１３】したがって、本発明鋼においてはＣｕの添
加は必須である。このようなＣｕの効果は２．３％未満
っでは効果が少なく、２０．０％を超えると常温強度が
徐々に低下し、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性に好まし
くない影響があるため、２．３〜２０．０％未満に限定
する。なお、Ｃｕ量が２０．０％を超えた場合に常温強
度が低下する原因は通常の急冷凝固法の冷速（１００〜
１００００℃/sec）では鋳造直後のミクロ組織がフェラ
イト組織と第２相としてのＣｕ相が微量に存在し、この
存在比がＣｕ量の増大にしたがって大きくなるためであ
る。

【００１４】一方、Ｎｉは常温および高温のいずれの段
階においても微細な検出物を形成せず、固溶強化によっ
て常温強度ならび高温強度を増加させる作用がある。さ
らに、Ｎｉは次のような特異な作用を有している。すな
わち、高温の時効処理により析出したＮｉ添加鋼中のＣ
ｕ粒子をアトムプローブ電界イオン顕微鏡で観察する
と、Ｎｉ無添加材に比べると、そのサイズは微細であ
り、６００℃において数時間の保持を行っても成長して
いないことが観察される。

【００１５】一般に、６００℃付近に１時間以上保持す
ると高温強度に有効な微細なＣｕ粒子は成長・合体する
ために強度が著しく低下してくるが、Ｎｉを添加した場
合にはＣｕ粒子の成長が抑制され、高温強度の低下が顕
著に抑制される。したがって、Ｎｉの複合添加によって
６００℃付近の高温で比較的長時間保定した場合におい
ても十分な高温強度を維持することが可能になる。

【００１６】このことは火災を想定した場合に、Ｃｕ単
独添加鋼に比較してさらに優れた耐火性を有しているこ
とを意味しており、より安全性が要求される建造物等で
は、ＣｕおよびＮｉの複合添加が有効である。このよう
なＮｉ作用は、Ｃｕ粒子／フェライト母相界面にＮｉの
偏析が生じるために、Ｃｕ粒子の成長が抑制され、その
サイズ径を析出強化として有効な２〜３nmに維持するた
めに現出されるものと考えられる。Ｃｕ粒子／フェライ
ト母相界面におけるＮｉの偏析はアトムプローブ電界イ
オン顕微鏡によっても確認できており、その偏析割合は
母相に比較した２〜１０倍になっている。

【００１７】なお、ＮｉがＣｕ粒子に固溶されることな
く、Ｃｕ粒子／フェライト母相界面に偏析するのは、本
来Ｃｕ粒子の結晶構造が平衡状態では面心立方格子の結
晶構造を有するのに対して、６００℃におけるＣｕ粒子
は極めて微細であるために母相と同じ体心立方格子を有
し、面心立方格子のＮｉが固溶されにくいことに起因し
ていることは容易に推定できる。Ｎｉは良好な耐火性を
持たせるための添加元素であることからその下限は限定
しないが、Ｎｉ量が多すぎると溶接性が悪くなり、さら
にＨＡＺの靭性が劣化するのでその上限は２．０％とす
る必要がある。

【００１８】本発明は以上の知見に基づいてなされたも
のであり、その特徴は高濃度のＣｕ添加ないしは高濃度
のＣｕと微量のＮｉの複合添加の効果的利用にあって、
高濃度の固溶Ｃｕによる常温強度の増加に加えて、さら
に６００℃における高温強度の増加をＣｕ粒子の析出強
化によって達成したものであり、特にＮｉの複合添加は
長時間の加熱においても、高温強度の常温強度に対する
割合を７０％以上に維持することを可能にしたことにあ
る。

【００１９】本発明に従えば常温では大部分がフェライ
ト組織であるために低降伏比であり、一方、６００℃で
は常温の７０％以上の強度を有する耐火性の優れた鋼材
の製造が可能である。なお、本発明では急冷凝固法を採
用しているために板厚１０mm以下の鋼板の製造に適して
いる。また、鋳造後の再加熱工程の省略等によるコスト
ダウンは実生産上からも大きなメリットである。

【００２０】次に、本発明における前記Ｃｕ，Ｎｉ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に必要であるが、Ｃ量が大きくなる
と常温の降伏比が上昇するとともに加工性を劣化させ、
さらにＨＡＺの低温靭性に悪影響を及ぼすので、０．２
０％が上限となる。Ｓｉは脱酸上鋼に含まれる元素で、
Ｓｉ量が多くなると降伏比を大きくし、溶接性、ＨＡＺ
靭性も劣化するので、その上限を２．０％とした。

【００２１】次に、Ｍｎは強度、靭性を確保する上で不
可欠の元素であり、その下限は０．００５％である。し
かし、Ｍｎ量が多すぎると焼入性が増大してＣやＳｉと
同様に降伏比が上がり、加工性、溶接性、ＨＡＺ靭性が
劣化するため、Ｍｎの上限を３．０％とした。Ａｌ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われるので、本発明鋼については下
限を限定しない。しかし、Ａｌ量が多くなると鋼の清浄
度が悪くなり、加工性や溶接部の靭性が劣化するので上
限を０．２％とした。

【００２２】ＮはＣと同様な効果を有する元素である
が、Ｎ量が多くなるとＨＡＺ靭性の劣化や鋳造スラブの
表面キズの発生等を助長するので、その上限を０．０１
％とした。Ｐは微量の固溶により著しく強度増加をもた
らす元素であり、下限の０．００３％はその最小量であ
る。しかし、Ｐ量が増大すると２次加工時に割れを生じ
るため、上限を０．２％に限定した。なお、本発明鋼は
不可避不純物としてＳを含有する。Ｓは高温強度に与え
る影響は小さいので、その量については特に限定しない
が、一般に靭性、厚板方向強度等に関する鋼の特性は、
Ｓが少ないほど向上する。望ましいＳ量は０．００３％
以下である。

【００２３】本発明鋼の基本成分は以上の通りであり、
十分に目的を達成できるが、さらに以下に述べる元素、
すなわちＮｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｃ
ａ，ＲＥＭを選択的に添加すると、強度や靭性の向上に
ついて、さらに好ましい結果が得られる。次に、前記添
加元素とその添加量について説明する。

【００２４】Ｎｂ，ＴｉおよびＶは微量のＣおよびＮが
存在する場合には６００℃においてＭ（Ｃ，Ｎ）〔Ｍ：
Ｎｂ，ＴｉあるいはＶに相当〕なる面心立方格子の微細
析出物を形成し、これは高強度化に極めて有効な作用を
する。しかもこの場合にはＣおよびＮの固溶量を低下せ
しめるために、加工性や溶接性への悪影響を取り除く作
用も有する。それゆえ、これら元素の添加は高強度化だ
けでなく高い加工性を同時に必要とする場合には必須の
元素と言える。それぞれの下限０．００１％はこのよう
な効果を有するための最小量であり、上限値の０．５％
はこれら元素の固溶量増加に伴う加工性、溶接性への悪
影響を最小限にとどめるための値である。

【００２５】Ｂは本発明鋼の２次加工性を高めるための
必要元素であり、２次加工時の粒界破断を抑制する作用
を有している。下限の０．０００１％は粒界破断を抑制
するための最小量である。また、上限値は０．００５％
を超えた場合には特に悪影響は生じないがその効果は
０．００５％で飽和するため設定した。Ｃｒは母材およ
び溶接部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、５．０％を超えると溶接性やＨＡＺ靭性
を劣化させ、また、０．０１％以下では効果が薄い。し
たがって、Ｃｒ量は０．０１〜５．０％とする。Ｚｒと
ＴａはＮｂとほぼ同じ効果をもつが、その効果が有効な
範囲はＺｒが０．００５〜０．１％、Ｔａが０．００５
〜０．０５％である。

【００２６】Ｃａ，ＲＥＭは硫化物（ＭｎＳ）の形態を
制御し、溶接部のラメラーテアの改善や耐水素誘起割れ
性の改善に効果を発揮するほか、シャルピー吸収エネル
ギーを増加させ、低温靭性を向上させる効果がある。し
かし、Ｃａ量は０．０００５％未満では実用上効果がな
く、また０．００５％を超えると、ＣａＯやＣａＳが大
量に生成して大型介在物となり、鋼の靭性のみならず、
清浄度も害し、さらに加工性、溶接性、耐ラメラーテア
性にも悪影響を与えるので、Ｃａ添加量の範囲は０．０
００５〜０．００５％とする。また、ＲＥＭについても
Ｃａと同様な効果があり、添加量を多くするとＣａと同
様な問題が生じ、さらに経済性も悪くなるので、ＲＥＭ
の下限を０．００１％、上限を０．００５％とした。

【００２７】次に、本発明における製造条件について説
明する。まず、急冷凝固法で鋳造後の冷間圧延は構造用
薄板に必要な板厚を得ることと、かつ時効段階でのＣｕ
粒子の析出サイトを確保するためのものである。ただ
し、圧延率が５０％を超える場合には成分系によって回
復過程が急速に進行し所定の強度が得られない場合があ
る。また、冷間圧延をせずとも本発明の効果は得られ
る。

【００２８】

【実施例】表１に本発明の成分範囲の合金および比較材
を化学組織を示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】表２には表１に示した供試材の製造条件と
強度特性の測定値を示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】常温強度および高温強度はＪＩＳ規格の引
張試験により測定した。常温の降伏比が８０％以下で、
かつ高温強度が常温強度の７０％以上を○印、常温の降
伏比が８０％以上、あるいは高温強度が常温強度の７０
％未満を△印、いずれも達成しないものを×印として評
価した。

【００３３】表２から明らかなように、本発明に従って
製造した鋼はいずれも極めて優れた強度特性を兼ね備え
ている。一方、比較材は耐火鋼材として不適切である。
表２の実施例１と実施例２はＣｕ以外がほぼ同一組織の
試料であり、Ｃｕ量が本発明の範囲内であれば良好な機
械的特性が得られている。実施例３は実施例１と同一の
試料であり、冷間圧延の有無によらないことを示してい
る。また、実施例１１〜２０はいずれも本発明鋼と化学
組成が異なっており、製造条件が同一であるにも係わら
ず、所定の値が得られていない。

【００３４】なお、実施例に用いた鋳片は双ロール法に
よって急冷凝固させた鋳片を冷間加工および時効処理を
施したものであり、５〜１０mmの範囲のものを用いた
が、本発明はこれに限定されるものではなく、ドラム、
ディスク、ベルト、キャタピラ式等による急冷凝固によ
る鋳片にも適用可能である。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、常温強度が高くかつ降伏比が
８０％以下という特性を有し、しかも６００℃の降伏強
度が常温降伏強度の７０％以上を満足する耐火性および
耐震性の優れた全く新しい鋼である。

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【手続補正書】

【提出日】平成６年５月２６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】したがって、本発明鋼においてはＣｕの添
加は必須である。このようなＣｕの効果は２．３％未満
では効果が少なく、２０．０％を超えると常温強度が徐
々に低下し、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性に好ましく
ない影響があるため、２．３〜２０．０％未満に限定す
る。なお、Ｃｕ量が２０．０％を超えた場合に常温強度
が低下する原因は通常の急冷凝固法の冷速（１００〜１
００００℃/sec）では鋳造直後のミクロ組織がフェライ
ト組織と第２相としてのＣｕ相が微量に存在し、この存
在比がＣｕ量の増大にしたがって大きくなるためであ
る。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】このことは火災を想定した場合に、Ｃｕ単
独添加鋼に比較してさらに優れた耐火性を有しているこ
とを意味しており、より安全性が要求される建造物等で
は、ＣｕおよびＮｉの複合添加が有効である。このよう
なＮｉ作用は、Ｃｕ粒子／フェライト母相界面にＮｉの
偏析が生じるために、Ｃｕ粒子の成長が抑制され、その
サイズ径を析出強化として有効な２〜３nmに維持するた
めに現出されるものと考えられる。Ｃｕ粒子／フェライ
ト母相界面におけるＮｉの偏析はアトムプローブ電界イ
オン顕微鏡によっても確認できており、その偏析割合は
母相に比較して２〜１０倍になっている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 潮田 浩作 君津市君津１番地 新日本製鐵株式会社君 津製鐵所内 (72)発明者 西村 哲 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で、 Ｃ ：＜０．２％、 Ｓｉ：２．０％以下、 Ｍｎ：０．００５〜３．０％、 Ｐ ：０．００３〜０．２％、 Ａｌ：０．２％以下、 Ｎ ：０．０１％以下、 Ｃｕ：２．３〜＜２０．０％、 残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、常温において
   ８０％以下の低降伏比（降伏強度／引張強度）と６００
   ℃の降伏強度が常温降伏強度の７０％以上を有する耐火
   性の優れた建築用低降伏比鋼材。
2. 【請求項２】 重量比で、 Ｃ ：＜０．２％、 Ｓｉ：２．０％以下、 Ｍｎ：０．００５〜３．０％、 Ｐ ：０．００３〜０．２％、 Ａｌ：０．２％以下、 Ｎ ：０．０１％以下、 Ｃｕ：２．３〜＜２０．０％、 Ｎｉ：２．０％以下、 残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、常温において
   ８０％以下の低降伏比（降伏強度／引張強度）と６００
   ℃の降伏強度が常温降伏強度の７０％以上を有する耐火
   性の優れた建築用低降伏比鋼材。
3. 【請求項３】 重量比で、 Ｎｂ：０．００１〜０．５％、 Ｔｉ：０．００１〜０．５％、 Ｖ ：０．００１〜０．５％、 Ｂ ：０．０００１〜０．００５％、 Ｃｒ：０．０１〜５．０％、 Ｚｒ：０．００５〜０．１％、 Ｔａ：０．００５〜０．０５％、 Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、 ＲＥＭ：０．００１〜０．００５％ の１種あるいは２種以上を含む請求項１又は２記載の耐
   火性の優れた建築用低降伏比鋼材。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の急冷凝
   固による鋳片をそのままあるいは冷延することを特徴と
   する耐火性の優れた建築用低降伏比鋼材の製造方法。