JPH0788554B2

JPH0788554B2 - 建築用耐火鋼材

Info

Publication number: JPH0788554B2
Application number: JP63324918A
Authority: JP
Inventors: 伸夫鹿内; 正好栗原; 哲也三瓶; 達也下田
Original assignee: 日本鋼管株式会社
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1988-12-23
Publication date: 1995-09-27
Anticipated expiration: 2010-09-27
Also published as: JPH02170943A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、例えば火災等で数時間程度の短時間、高温状
態になることが懸念される建築物、橋梁等の鉄骨構造物
に使用する鋼材に関するものである。

［従来の技術］通常、構造用鋼材は常温で十分な強度を有するように製
造されているが、一般に温度の上昇に伴い強度は低下す
る。特に、従来の構造用鋼は500℃程度以上での高温状
態では、顕著な強度低下を示すことが、既に知られてい
る。そのため、火災等で高温状態になるとことが懸念さ
れる構造物特に、人間が居住する建築物では、高温状態
でも構造物が倒壊したり、著しく変形することがないよ
うにし、安全性を確保するために、鋼材の温度が著しく
高くならないように、耐火被覆が施されている。

このような現状を耐火対策において、高温状態でも鋼材
の強度の低下を小さく抑えることで、耐火被覆の厚さを
低減、あるいは、耐火に対してのその他の対策も軽減す
ることが可能になる。

高温での強度を保証した鋼材は、圧力容器用鋼材の分野
で研究が行なわれてきており、JIS G 3124中・常温圧力
容器用高強度鋼鋼板等で既に規格化されている例もあ
る。また、具体的に規定はしていないが、常温を越える
中・高温での強度が高いことを前提とした圧力容器用鋼
として、例えばJIS G 3118;中・常温圧力容器用炭素鋼
鋼板、JIS G 3119;ボイラ及び圧力容器用マンガンモリ
ブデン鋼及びマンガンモリブデンニッケル鋼鋼板、JIS
G 3120;圧力容器用調質型マンガンモリブデン鋼及びマ
ンガンモリブデンニッケル鋼鋼板、JIS G 4109;ボイラ
及び圧力容器用クロムモリブデン鋼鋼板等がある。ま
た、特公昭60−35985では圧力容器用高強度強靭鋼に関
する内容が規格されているが、特に高温での特性を規定
するまでもなく、圧力容器用鋼であることで既にある程
度高温強度を前提としている。また、このような場合に
は、通常、Cr、Mo等の合金元素を大量に添加するのが当
然になっている。

しかしながら、高温での強度を十分に確保し、さらに、
これを保証できるような構造用鋼材は殆んどないのが現
状である。圧力容器用鋼材と構造用鋼材は、目的、用途
が全く異なっているために、要求特性も全く異なるもの
である。例えば、使用量、適用状況に関しても、圧力容
器用鋼材は特殊な目的の下で製造される圧力容器に使用
され、その量も限定されているのに対して、構造用鋼材
は非常に広範囲の構造物に使用されており、使用量も圧
力容器用鋼材に比較して圧倒的に多い。さらに、構造用
鋼材は、使用者も多岐に渡るため溶接施工管理等の使用
方法も容易である必要がある。さらに、本発明で規定し
ているような400℃を越える高温での強度を確保するた
めには、圧力容器用鋼では0.5％程度以上のCr、Moを添
加するのが通例であり、構造用鋼としては、コスト、溶
接性の観点から不適切なものとなっている。

このように、構造用鋼材としての特性を十分に満足し、
さらに中・高温強度を高く保持し、保証する鋼材は、こ
れまで殆んど無かったと言える。

［解決しようとする課題］上記のように、従来、高温強度を高く保持し、あるい
は、規定している構造用鋼材は殆んど無いと言える。ま
た、圧力容器用鋼材では、高温強度を高くするために、
一般には0.5％以上のCr、Mo等の高価な合金元素を大量
に添加している。またJIS G 3124;中・常温圧力容器用
高強度鋼鋼板では、比較的合金元素の添加は量は少ない
が、高温での強度の規定は、高々400℃までである。つ
まり、400℃を越えるかなり高い温度では、十分な強度
は得られない。また、これら鋼材は、圧力容器用鋼材を
前提としたものであり、構造用鋼材としては十分な特性
を有しているとは言えない。

即ち、構造用鋼材として十分な特性（高溶接性、高延靭
性等）を満足しつつ、400℃程度以上での高い高温強度
を保持した鋼材は無かったと言える。また、高温強度を
高くするために、高温な合金元素を大量に添加するた
め、鋼材のコストが非常に高い。

本発明は、上記のような問題を解決し、高温での高い強
度を保持し、さらに、従来の構造用鋼材の利点である高
い溶接性、高い延靭性を有した、しかも低コストである
構造用耐火鋼材を提供することを課題とするものであ
る。

［課題を解決するための手段］この発明の構造用耐火鋼材は、重量％で、Ｃ＝0.05％以
上0.20％未満、Si＝0.10％以上2.0％未満、Mn＝0.30％
以上2.0％未満、Ｐ＝0.03％以下、Ｓ＝0.03％以下、Mo
＝0.10％以上0.50％未満、sol.Al＝0.002％以上0.20％
未満、Ｎ＝0.0010％以上0.020％未満を含み、残部が不
可避不純物とFeからなり、さらにNb＝0.005％以上0.20
％未満、Ｖ＝0.01％以上0.1％未満及びTi＝0.003％以上
0.03％未満で、且つ 0.005％≦Nb＋2V＋1.5Ti≦0.30％の範囲で含有し、更に、次式で示す高温降伏強度を満足する溶接性および
延長延靭性に優れた構造用耐火鋼材である。

YS（RT）＝常温における降伏強度（kg f/mm²） YS（450）＝温度400℃超500℃以下における降伏強度（k
g f/mm²） YS（550）＝温度500℃超600℃以下における降伏強度（k
g f/mm²） YS（650）＝温度600℃超650℃以下における降伏強度（k
g f/mm²）また、上記構造用耐火鋼材が、重量％で、Cu＝0.01％以
上1.5％未満、Ni＝0.02％以上1.5％未満、Cr＝0.05％以
上1.0％未満、Ｂ＝0.0005％以上0.005％未満のうち１種
ないし２種以上を含有するものである。

［作用］本発明で、最も重要な点は、Nb、Ｖ、及びTiの元素のそ
れぞれの成分を上記の範囲内にすると共に、Nb＋2V＋1.
5Tiを0.005％以上0.30％以下の範囲で含有することであ
る。

発明者らの詳細な実験結果から、第１図に示すように、
高温強度（YS）は、Nb、Ｖ、Tiの添加量で表現される式
Nb＋2V＋1.5Tiにより精度良く整理できることが明らか
になった。

即ち、この式の範囲外である0.005％未満では、十分な
高温での強度が得られない。一方、0.30％超では、添加
元素量が多くなり、コストが高くなること共に、靭性
や、溶接性が低下する。

そこで、Nb＋2V＋1.5Tiを上記範囲に限定したものであ
る。

なお、一般に構造物の設計は降伏強度を基準として行っ
ており、引張り強度よりも降伏強度の方が設計上重要な
因子であるため、高温における降伏強度を常温における
降伏強度に対する比率で示してある。

次に、各添加元素の添加量の限定理由を説明する。

C;0.05％以上0.20％未満Ｃは鋼の常温強度、高温強度を安定して確保するための
有効な元素であり、0.05％未満では、所定の十分な強度
を得ることが困難であり、また、0.02％以上では溶接性
が劣化するため、Ｃ量は0.05％以上0.20％未満とした。

Si;0.1％以上2.0％未満 Siは脱酸元素として有効な元素であり、少なくとも0.1
％以上の添加が必要である。また、Siは固溶強化に対し
ても有効な元素であるが、2.0％以上の添加量では延靭
性が低下したり、介在物が増加する等の問題があるの
で、0.1％以上2.0％未満とした。

Mn;0.3％以上2.0％未満 Mnは強度確保の上で有効な元素であり、0.3％以上の添
加が必要である。また、2.0％以上では溶接性が劣化す
るため、0.3％以上2.0％未満とした。

P;0.03％以下、S;0.03％以下Ｐ、Ｓは不純物元素であり、延靭性の低下、加工性、溶
接性の低下等の問題の原因となる元素であり、できるだ
け低減することが望ましい。しかしながら、著しく低減
するのはコストの上昇を招くため、顕著な材質劣化しな
い量の上限として0.03％以下とした。

Mo;0.1％以上0.5％未満 Moは焼入性の向上、析出強化等により鋼の強度を上昇さ
せる有効な元素であり、特に、中・高温強度に対して有
効である。一方、大量添加は、コスト上昇になる上に溶
接性も劣化させるため、0.1％以上0.5％未満とした。

sol.Al;0.002％以上0.2％未満 sol.AlはAlNとして鋼中に析出し、結晶粒の微細化に有
効であり、0.002％以上の添加が必要である。また、0.0
4％以上の添加では介在物が多くなり、延靭性が劣化す
るため0.2％未満とした。

N;0.0010％以上0.020％未満ＮはAlNとして析出し結晶粒の微細化に有効であるが、
大量添加では溶接部の靭性が劣化するため、0.0010％以
上0.020％未満とした。

Nb;0.005％以上0.05％未満 V;0.01％以上0.1％未満 Ti;0.003％以上0.03％未満 Nb、Ｖ、Tiは、本発明において重要な元素であり、常温
強度に有効な上に中・高温強度の上昇に対しても有効な
元素である。個々の元素については、Nb;0.005％未満、
V;0.01％未満、Ti;0.003％未満では、常温、中・高温強
度上昇に対しては殆んど効果なく、またNb;0.05％以
上、V;0.1％以上、Ti;0.03％以上では、溶接性が劣化す
るため上記の所定の範囲とした。

また、 Cu;0.01％以上1.5％未満 Cuは固溶強化に対し有効な元素であり、また１％程度以
上では析出強化も期待できる元素である。また、耐腐蝕
性に対しても有効である。しかし、1.5％以上の添加は
コスト上昇に加えて、鋼板の表面疵の問題があるため、
0.01％以上1.5％未満とした。

Ni;0.02％以上1.5％未満 Niは低温靭性の向上に有効な元素であり、0.02％未満で
は、その効果が少なく、また、Niは高価であるため1.5
％以上では顕著なコスト上昇となるので、0.02％以上1.
5％未満とした。

Cr;0.05％以上1.0％未満 Crは固溶強化元素として有効であり、また、高温強度の
上昇及び耐食性に対しても有効であり、その効果は0.05
％以上の添加が必要であるが、1.0％以上ではコスト上
昇と共に、溶接性を劣化させるので、0.05％以上1.0％
未満とした。

［実施例］表１に供試鋼の化学成分を示す。

本発明鋼は、符号Ａ〜Ｄの６種類であり、比較鋼として
符号Ｅ、Ｆの２種類を用いた。

鋼Ａ〜Ｄは、本発明で規定するMo;0.10％以上0.50％未
満及びNb＋2V＋1.5Tiが0.005％以上0.30％以下の条件を
充足しているが、鋼Ｅ、Ｆはこの範囲外である。供試鋼
は、強度水準も変化させる目的で成分系を決めた。ま
た、Nb、Ｖ、Tiの添加元素の他に、Cu、Ni、Cr、Al、Ｎ
等を添加している。

表２に表１の鋼を用いて、種々のプロセスにより製造し
た鋼板の機械的性質を示す。

製造プロセスは、圧延のまま、制御圧延、制御冷却、直
接焼入−焼戻、再加熱焼入−焼戻等である。これらのプ
ロセスの選択により常温での強度や靭性水準を変化させ
ることが可能であり同一化学成分でも異なる機械的性質
を示す。また、高温での強度も変化する。

高温でのYSは、請求範囲に示した400℃超500℃以下、50
0℃超600とし℃以下、600℃超650℃以下のそれぞれの範
囲から、試験温度を選択して引張試験を実施して、常温
YSとの比率も含めて表示した。本発明鋼では、それぞれ
の温度においても十分に高い降伏強度が得られており、
その常温YSとの比率も十分に高い値である。また、靭性
水準に関しても十分に高い。

比較鋼であるＥ−１、Ｅ−２は、成分系が本発明の範囲
外であり、高温でのYSは低く、本発明で規定している強
度水準以下である。比較鋼Ｆ−１は、十分に高い高温YS
が得られているが、靭性が低く、構造用鋼としては不適
切であると共に、同一強度水準の本発明鋼（例えばＡ−
２等）に比較しても、かなり低い靭性であることが明ら
かである。

なお、本発明では、熱間圧延に関しては特に規定してい
ないが、所定の熱間圧延、あるいは、それに相当する熱
間圧延を行うことで十分な特性が得られる。正し、一般
には、上記実施例に示すように、加熱コスト等の観点か
ら、スラブ加熱温度は1300℃以下とし、目的とする鋼材
の靭性、強度水準に応じて、圧延温度域、圧下率、圧延
終了温度を制御する制御圧延を実施する。また、圧延終
了後の冷却方法に関しても、目的とする鋼材の靭性、強
度水準に応じて空冷、あるいは強制冷却を実施する。さ
らに、同様に、Ac₁以下の温度で再加熱処理を実施する
こと、または、焼入−焼戻処理を行うことも差し支えな
い。

［発明の効果］この発明の構造用耐火鋼材は上記のようなもので、構造
用鋼材として十分な特性を満足しつつ、高温での高い強
度を保持しているので、従来耐火特性を要求されていた
構造物で使用されていた耐火被覆の厚さを低減、あるい
は設計、施工法の簡便化が期待できると共に、その他の
耐火に対する対策も軽減できる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、（Nb＋2V＋1.5Ti）量に対する、高温YSの常
温YSに対する比率及び靭性との関係を示す説明図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者下田達也東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (56)参考文献特開昭56−252（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−43845（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−186453（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−194153（ＪＰ，Ａ) 特公昭46−27951（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ＝0.05％以上0.20％未満、 Si＝0.1％以上2.0％未満、 Mn＝0.30％以上2.0％未満、Ｐ＝0.03％以下、Ｓ＝0.03％以下、 Mo＝0.10％以上0.50％未満、 sol.Al＝0.002％以上0.04％未満、Ｎ＝0.0010％以上0.020％未満、を含み、残部が不可避不純物とFeからなり、さらに Nb＝0.005％以上0.20％未満、Ｖ＝0.01％以上0.1％未満、及び Ti＝0.003％以上0.03％未満の群から選択された一種又
は二種以上を含み、 Nbの一種を添加する場合は、Mo＝0.20％を越え0.40％未
満とし、NbとTiの二種を添加する場合は、Mo＝0.15％を
越え0.40％未満とし、NbとＶの二種を添加する場合は、
Mo＝0.10％以上0.40％未満、Ｖ＝0.01％以上0.042％未
満とし、Nb,V及びTiの３種を添加する場合は、Mo＝0.10
％以上0.40％未満とし、かつ 0.005％≦Nb＋2V＋1.5Ti≦0.30％の範囲で含有する熱間
圧延鋼材であって、次式で示す高温降伏強度を満足する
溶接性および延靭性に優れた建築用耐火鋼材。 YS（RT）＝常温における降伏強度（kgf/mm²） YS（450）＝温度400℃超500℃以下における降伏強度（k
gf/mm²） YS（550）＝温度500℃超600℃以下における降伏強度（k
gf/mm²） YS（650）＝温度600℃超650℃以下における降伏強度（k
gf/mm²）
【請求項２】重量％で、 Cu＝0.01％以上1.5％未満、 Ni＝0.02％以上1.5％未満、及び Cr＝0.05％以上1.0％未満、の群から選択された一種又は二種以上を含有する請求項
１に記載の建築用耐火鋼材。
【請求項３】重量％で、Ｃ＝0.05％以上0.20％未満、 Si＝0.1％以上2.0％未満、 Mn＝0.30％以上2.0％未満、Ｐ＝0.03％以下、Ｓ＝0.03％以下、 Mo＝0.10％以上0.50％未満、 sol.Al＝0.002％以上0.04％未満、Ｎ＝0.0010％以上0.020％未満、を含み、残部が不可避不純物とFeからなり、さらに Nb＝0.005％以上0.20％未満、Ｖ＝0.01％以上0.1％未満、及び Ti＝0.003％以上0.03％未満の群から選択された一種又
は二種以上を含み、 Nbの一種を添加する場合は、Mo＝0.20％を越え0.40％未
満とし、NbとTiの二種を添加する場合は、Mo＝0.15％を
越え0.40％未満とし、NbとＶの二種を添加する場合は、
Mo＝0.10％以上0.40％未満、Ｖ＝0.01％以上0.042％未
満とし、Nb,V及びTiの３種を添加する場合は、Mo＝0.10
％以上0.40％未満とし、かつ 0.005％≦Nb＋2V＋1.5Ti≦0.30％の範囲で含有する熱間
圧延鋼材であって、溶接性および延靭性に優れた建築用
耐火鋼材。
【請求項４】重量％で、 Cu＝0.01％以上1.5％未満、 Ni＝0.02％以上1.5％未満、及び Cr＝0.05％以上1.0％未満、の群から選択された一種又は二種以上を含有する請求項
３に記載の建築用耐火鋼材。
【請求項５】重量％で、Ｃ＝0.05％以上0.20％未満、 Si＝0.1％以上2.0％未満、 Mn＝0.30％以上2.0％未満、Ｐ＝0.03％以下、Ｓ＝0.03％以下、 Mo＝0.10％以上0.50％未満、 sol.Al＝0.002％以上0.04％未満、Ｎ＝0.0010％以上0.020％未満、を含み、残部が不可避不純物とFeからなり、さらに Nb＝0.005％以上0.20％未満、Ｖ＝0.01％以上0.1％未満、及び Ti＝0.003％以上0.03％未満の群から選択された一種又
は二種以上を含み、 Nbの一種を添加する場合は、Mo＝0.20％を越え0.40％未
満とし、NbとTiの二種を添加する場合は、Mo＝0.15％を
越え0.40％未満とし、NbとＶの二種を添加する場合は、
Mo＝0.10％以上0.40％未満、Ｖ＝0.042％を越え、0.1％
以下とし、Nb,V及びTiの３種を添加する場合は、Mo＝0.
10％以上0.40％未満とし、かつ 0.005％≦Nb＋2V＋1.5Ti≦0.30％の範囲で含有する熱間
圧延鋼材であって、次式で示す高温降伏強度を満足する
溶接性および延靭性に優れた建築用耐火鋼材。 YS（RT）＝常温における降伏強度（kgf/mm²） YS（450）＝温度400℃超500℃以下における降伏強度（k
gf/mm²） YS（550）＝温度500℃超600℃以下における降伏強度（k
gf/mm²） YS（650）＝温度600℃超650℃以下における降伏強度（k
gf/mm²）
【請求項６】重量％で、 Cu＝0.01％以上1.5％未満、 Ni＝0.02％以上1.5％未満、及び Cr＝0.05％以上1.0％未満、の群から選択された一種又は二種以上を含有する請求項
５に記載の建築用耐火鋼材。
【請求項７】重量％で、Ｃ＝0.05％以上0.20％未満、 Si＝0.1％以上2.0％未満、 Mn＝0.30％以上2.0％未満、Ｐ＝0.03％以下、Ｓ＝0.03％以下、 Mo＝0.10％以上0.50％未満、 sol.Al＝0.002％以上0.04％未満、Ｎ＝0.0010％以上0.020％未満、を含み、残部が不可避不純物とFeからなり、さらに Nb＝0.005％以上0.20％未満、Ｖ＝0.01％以上0.1％未満、及び Ti＝0.003％以上0.03％未満の群から選択された一種又
は二種以上を含み、 Nbの一種を添加する場合は、Mo＝0.20％を越え0.40％未
満とし、NbとTiの二種を添加する場合は、Mo＝0.15％を
越え0.40％未満とし、NbとＶの二種を添加する場合は、
Mo＝0.10％以上0.40％未満、Ｖ＝0.042％を越え、0.1％
以下とし、Nb,V及びTiの３種を添加する場合は、Mo＝0.
10％以上0.40％未満とし、かつ 0.005％≦Nb＋2V＋1.5Ti≦0.30％の範囲で含有する熱間
圧延鋼材であって、溶接性および延靭性に優れた建築用
耐火鋼材。
【請求項８】重量％で、 Cu＝0.01％以上1.5％未満、 Ni＝0.02％以上1.5％未満、及び Cr＝0.05％以上1.0％未満、の群から選択された一種又は二種以上を含有する請求項
７に記載の建築用耐火鋼材。