JPH09165644A - 低温で低降伏比を有する建築用鋼材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低温で低降伏比を示し、新耐震設計法に基づく
設計が可能な建築用鋼材を提供すること。 【解決手段】重量％で表した炭素当量Ｃｅｑ＝Ｃ＋（Ｍ
ｎ／６）＋（Ｓｉ／２４）＋（Ｎｉ／４０）＋（Ｃｒ／
５）＋（Ｍｏ／４）＋（Ｖ／１４）が０．２５〜０．４
７％の範囲であり、フェライトとベイナイトとの混合組
織である、低温で低降伏比を有する建築用鋼材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、建築分野におい
て、寒冷地における建築物、低温倉庫などの使用環境温
度が室温以下の建築物に用いられる低温で低降伏比を有
する建築用鋼材に関する。

【０００２】

【従来の技術】昭和５６年に改正施行された建築物の耐
震設計法は、それまでの構造各部に生ずる応力度を鋼材
の降伏点以内に止めるという弾性設計に代えて、鋼材が
降伏後、最大強さに達するまでの塑性域での変形能力を
活用して、地震入力エネルギーを吸収させ、建築物の耐
震安全性を確保しようとするものである。このことか
ら、新耐震設計法が適用される建築物の鋼材は、降伏後
の変形能を表わすパラメータである降伏比（ＹＲ値）が
低いこと、すなわち低降伏比が求められるようになって
いる。

【０００３】オフィスや住宅用の建築物、いわゆるビル
は基本的に常温で使用されるため、上述の耐震設計法も
常温を前提に成り立っており、従来の低降伏比鋼も常温
（０〜３０℃）でのＹＲ値が８０％以下あるいは７５％
以下になるように製造されている。

【０００４】ところが、建築物の中には、寒冷地におけ
る建築物、低温倉庫のように使用温度が低温（０℃以
下）であるような建築物がある。例えば、−５５℃で使
用されるマグロ用の冷凍倉庫、寒冷地の地震多発地帯に
おける建築物等がある。このような低温で使用される建
築物にも新耐震設計法を適用し耐震安全性を確保するた
めには、低温で低降伏比を有する鋼材が必要となる。し
かし、従来、低降伏比鋼は常温での使用を前提としてお
り、低温での降伏比は考慮されていない。

【０００５】本発明者らが従来の低降伏比鋼の低温での
引張特性及び靭性について検討した結果、多くの低降伏
比鋼は低降伏比を得るために粗粒であり、そのため低温
靭性が低く、例えば−５５℃で使用の低温用倉庫では使
用できないことがわかった。

【０００６】低温靭性に優れた低降伏比鋼に関しては、
特開平２−１９７５２２号公報や特開平５−２１４４０
号公報に開示されているが、両公報に記載された発明に
沿って試作した鋼の低温引張特性について試験すると、
例えば−５５℃ではＹＲ値が８０％以上になってしまう
ことが判明した。すなわち、このような低温でＹＲ値を
低下させる技術は未だ開発されていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる事情に
鑑みてなされたものであって、低温で低降伏比を示し、
新耐震設計法に基づく設計が可能な建築用鋼材を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、重量％で表した炭素当量Ｃｅｑ＝Ｃ＋
（Ｍｎ／６）＋（Ｓｉ／２４）＋（Ｎｉ／４０）＋（Ｃ
ｒ／５）＋（Ｍｏ／４）＋（Ｖ／１４）が０．２５〜
０．４７％の範囲であり、フェライトとベイナイトとの
混合組織であることを特徴とする低温で低降伏比を有す
る建築用鋼材を提供する。

【０００９】本発明者らは、ミクロ組織と低温でのＹＲ
値（降伏比）の関係を検討するために、後述する表２に
示すＡ１鋼板（フェライト＋ベイナイト組織）、Ａ２
（フェライト＋パーライト組織）を用いて、室温以下の
温度でのＹＲ値を測定した。その結果、引張試験温度が
低温になるほどＹＲ値が上昇し、一様伸び特性が悪い
が、フェライト＋ベイナイト混合組織がフェライト＋パ
ーライト２相組織よりも低温でのＹＲ値の上昇程度が低
い（すなわち、低温での伸び特性に優れている）ことを
新たに知見し、低温で新耐震設計法を満たすためにはフ
ェライトとベイナイトとの混合組織が適当であることを
把握した。

【００１０】すなわち、低温で低ＹＲ値を示し、新耐震
設計を可能にする低温低降伏比建築鋼材を得るために
は、フェライトとベイナイトとの混合組織にすることが
有効であることを見出したのである。

【００１１】本発明は、本発明者らの以上のような知見
に基づいてなされたものである。なお、フェライトとベ
イナイトとの混合組織中には、フェライトとベイナイト
との混合組織の持つ低温低降伏比の特徴を損なわない限
り、微量のパーライトが含まれていてもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。本発明の建築用鋼材は、重量％で表した炭素当量
Ｃｅｑが０．２５〜０．４７％の範囲であり、フェライ
トとベイナイトとの混合組織であることを要件とする。

【００１３】ここで上記炭素当量Ｃｅｑは、Ｃｅｑ＝Ｃ
＋（Ｍｎ／６）＋（Ｓｉ／２４）＋（Ｎｉ／４０）＋
（Ｃｒ／５）＋（Ｍｏ／４）＋（Ｖ／１４）と定義さ
れ、溶接性の指標であるとともに、４０〜６０キロ鋼の
常温での強度との相関が深い。製造熱処理条件にもよる
が、圧延ままでＣｅｑが０．２５％よりも低いと建築用
鋼材としての強度が得られず、Ｃｅｑが０．４７％より
大きいと強度が上がり過ぎ、延性、靭性および溶接性の
低下が懸念される。このため、Ｃｅｑを０．２５〜０．
４７％の範囲とし、この範囲を満たすようにＭｎ、Ｓ
ｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの量が規定される。

【００１４】また、溶接構造用として所要の特性を得る
ためには、各元素は重量％で以下の範囲内であることが
望ましい。 Ｃ： Ｃは、最も安価な元素で強度向上に有効な元素で
あるが、０．０４％では厚物で強度が不足し、多量の合
金元素が必要となってコスト高を招き、０．１８％を超
えて添加すると溶接性が低下する。したがって、Ｃ量は
０．０４〜０．１８％の範囲が好ましい。

【００１５】Ｓｉ： Ｓｉは、鋼材の強度、溶鋼の予備
脱酸に必要な元素であるが、予備脱酸のためには０．０
５％以上の添加が必要である。一方、０．４％を超えて
添加した場合には鋼材の靭性、溶接ＨＡＺ靭性を劣化さ
せる。したがって、Ｓｉ量は０．０５〜０．４％の範囲
が好ましい。

【００１６】Ｍｎ： Ｍｎは母材強度を確保する上で必
要な元素である。しかし、０．６％未満では厚物で強度
が不足し、多量の合金元素の添加が必要となり、コスト
高を招く。また、Ｍｎは中央偏析しやすい元素であるた
め、１．７％を超えて添加すると、板厚中央は著しく脆
化する。したがって、Ｍｎ量は０．６〜１．７％の範囲
が好ましい。

【００１７】Ａｌ： Ａｌは鋼の脱酸のために必要な元
素である。しかし、この量が０．００１％未満では十分
な脱酸効果が期待できず、また、０．０６％を超えて添
加すると連続鋳造スラブの表面に疵が発生しやすい。し
たがって、Ａｌ量は０．０１〜０．０６％の範囲が好ま
しい。

【００１８】Ｎ： Ｎは、固体鋼中に固溶Ｎや窒化物系
介在物として存在する。固溶Ｎや粗大窒化物系介在物
は、鋼の低温靭性を劣化させる。Ｎ量が０．００３％を
越えると、固溶Ｎが存在するようになり、また、最終凝
固部には粗大な窒化物（例えばＴｉＮやＮｂＮ）が生成
しやすくなり、靭性を低下させるおそれがある。したが
って、Ｎ含有量は０．００３％以下であることが好まし
い。

【００１９】Ｎｂ，Ｖ： これらの元素は、Ｎｂ（Ｃ，
Ｎ）、ＶＣを析出して高強度化に寄与するが、いずれも
０．００５％未満では明瞭な強度上昇効果が見られず、
一方Ｎｂが０．０４％を超え、Ｖが０．１％を超える
と、降伏比を上昇させてしまう。したがってＮｂ量は
０．００５〜０．０４％、Ｖ量は０．００５〜０．１％
であることが好ましい。

【００２０】Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ： これらの元素
は固溶強化や焼入性向上効果を通して高強度化に寄与す
る。しかし、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒが０．０５％未満、Ｍｏ
が０．０２％未満では明瞭な強度上昇が見られない。一
方Ｃｕが０．６％を超えるとＣｕ割れ発生の危険性を増
大させる。また、Ｎｉは高価な元素であるためコストの
観点からその上限を０．６％とする。さらに、Ｃｒが１
％を超え、Ｍｏが０．６％を超えると溶接性が著しく劣
化する。したがって、Ｃｕ：０．０５〜０．６％、Ｎ
ｉ：０．０５〜０．６％、Ｃｒ：０．０５〜１％、Ｍ
ｏ：０．０２〜０．６％が好ましい。

【００２１】Ｔｉ： Ｔｉは、ＴｉＮを形成して溶接Ｈ
ＡＺ部の組織粗大化を抑制してＨＡＺ靭性向上に寄与す
る元素である。しかし、０．００５％未満ではＨＡＺ靭
性向上の効果が発揮されず、０．０１５％を超えて添加
すると、溶接の冷却過程でＴｉＣが析出し、ＨＡＺ靭性
の劣化を招く。したがって、Ｔｉ量は０．００５〜０．
０１５％の範囲が好ましい。

【００２２】Ｓ： Ｓは中央偏析し、その部分でＭｎＳ
を形成する。ＭｎＳは圧延により伸長するため、鋼板の
板厚中央部には伸長したＭｎＳが他の部分より多く存在
する。本発明の鋼材は建築用であり、その多くは大入熱
サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）でボックス柱に組み立
てられ、建築物に使用される。大入熱サブマージアーク
溶接では、鉄粉入りのボンド型フラックスを多量に使用
するため、他の溶接法と比較すると鋼中に侵入する水素
量が高くなり、しばしばその熱影響部に割れが発生す
る。割れの発生起点は板厚中央の伸長化したＭｎＳであ
る。伸長したＭｎＳと地鉄との界面に溶接水素が集積
し、水素誘起割れを引き起こすのである。Ｓ量が０．０
０２％を超えると、板厚中央のＭｎＳが大型化し、ボッ
クス柱角継手部にＨＡＺ割れが発生しやすくなる。した
がって、Ｓ含有量は０．００２％以下が好ましい。

【００２３】Ｐ： Ｐも非常に中央偏析しやすい元素で
あり、０．０１５％を超えて含有していると、板厚中央
部を著しく硬化させる。上述のＭｎＳを起点としたＨＡ
Ｚ割れは、周囲が硬化しているほど、割れが伝播しやす
くなる。すなわち、大入熱サブマージアーク溶接で施工
したボックス柱角継手の水素割れを抑制するため、Ｐ量
は０．０１５％以下であることが好ましい。

【００２４】本発明に係る鋼の組成としては、必須成分
であるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ａｌを含み、残部Ｆｅおよび不
可避不純物からなる基本組成、または、基本組成にさら
にＣｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉのうち１種
または２種以上含有した組成であることが望ましい。

【００２５】本発明の鋼は、フェライトとベイナイトと
の混合組織を有している。このような組織とすることに
より、上述したように低温での降伏比が低く、低温での
建築物に適している。この場合に、フェライトとベイナ
イトとの混合組織とは、フェライトとベイナイトの２相
からなり、かつベイナイト率が１５〜７０％である組織
を示す。

【００２６】このような組成および組織を有する鋼は、
［低温加熱］＋［高温仕上圧延］＋［低温域ほど強冷却
となる強制冷却］により製造することができるが、これ
に限定されるものではない。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。表
１に示す化学組成を有する鋼を溶製して鋳塊となし、
［低温加熱］＋［高温仕上圧延］＋［低温域ほど強冷却
となる強制冷却］により供試鋼板を得た。これらの供試
鋼板の組織および引張特性を表２に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】表２に示すように、Ｃｅｑが０．２５〜
０．４７％でフェライトとベイナイトとの混合組織を有
する本発明鋼板（Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１，Ｅ１，Ｆ
１，Ｇ１，Ｈ１，Ｉ１，Ｊ１，Ｋ１，Ｌ１）は−６０℃
でもＹＲ値が８０％以下であることが確認された。これ
に対して、フェライトとパーライトとの２相組織である
比較鋼板（Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２，Ｅ２，Ｆ２，Ｇ
２，Ｈ２，Ｉ２，Ｊ２，Ｋ２，Ｌ２）は−６０℃を超え
ることが確認された。

【００３１】図１は表１のＡ鋼について、組織がフェラ
イト＋パーライト（α＋Ｐ）およびフェライト＋ベイナ
イト（α＋Ｂ）の場合における、温度と降伏比との関係
を示すグラフである。この図から同じ組成でもα＋Ｂ組
織のほうが温度低下に対する降伏比の上昇が小さく、低
温での降伏比が低くなる傾向にあることがわかる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低温で低降伏比を有する建築用鋼材が提供される。この
ため、低温で使用される建築構造物に新耐震設計を適用
し、建築物の安全性を確保することが可能となる。ま
た、本発明の鋼材は、所定のミクロ組織が得られればよ
く、成分組成、製造条件の制約が小さく、鋼材の大量生
産が可能で、しかも価格も安く、溶接施工が容易で建設
後期も短縮でき、全体としての建設費が低廉で済むとい
った効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】組織がフェライト＋パーライト（α＋Ｐ）およ
びフェライト＋ベイナイト（α＋Ｂ）の場合における、
温度と降伏比との関係を示すグラフ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷 三郎 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 石川 博 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で表した炭素当量Ｃｅｑ＝Ｃ＋
   （Ｍｎ／６）＋（Ｓｉ／２４）＋（Ｎｉ／４０）＋（Ｃ
   ｒ／５）＋（Ｍｏ／４）＋（Ｖ／１４）が０．２５〜
   ０．４７％の範囲であり、フェライトとベイナイトとの
   混合組織であることを特徴とする低温で低降伏比を有す
   る建築用鋼材。