JPH1068044A - 耐火性の優れた建築用鋼ならびにその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 建築、土木分野に使用され、各種建造物に用
いる７００℃の耐火性が優れた４９０Ｎ／mm² 級鋼、な
らびにその製造法を提供する。 【解決手段】 低Ｃ−高Ｍｏ−Ｎｂ鋼で、その他の合金
元素を制御し、ミクロ組織をベイナイト一相として、常
温と７００℃の強度（常温の２／３以上）を確保する方
法に関する発明である。まず、ミクロ組織をベイナイト
化するため、新たに知見したベイナイトパラメーター
（Ｄ_B ）を０．５〜０．６の範囲に制御し、その鋼を高
温加熱／高温圧延し、所定の冷却速度で冷却する方法で
本発明鋼を製造する。 【効果】 本発明の化学成分および製造法で製造した鋼
材は、常温の耐力（ＹＳ）が４９０Ｎ／mm² 以上で、７
００℃のＹＳが常温規格値のＹＳの２／３以上、溶接性
も良好である等の特性を備えており、建築用耐火鋼材と
して必要な特性を兼ね備えている。

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、土木等の分
野において、各種建造物に用いる鋼材およびその製造方
法に関し、特に、７００℃における高温強度の優れた耐
火性を有する建築用鋼材およびその製造方法に係るもの
である。

【０００２】

【従来の技術】建築、土木などの分野における各種建築
用鋼材として、ＪＩＳ等で規格化された鋼材等が広く利
用されている。ところで、ビルや事務所、住居、立体駐
車場などの建築物に前記の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、十分な耐火被覆を施すこ
とが義務づけられており、建築関係諸法令では、火災時
に鋼材温度が３５０℃以上にならないように規定されて
いる。

【０００３】すなわち、前記鋼材は３５０℃程度で耐力
が常温時の２／３程度になり、必要な強度を下回るため
である。鋼材を建造物に利用する場合、火災時において
鋼材の温度が３５０℃に達しないように耐火被覆を施し
て使用される。そのため、鋼材費用に対し耐火被覆工費
が高額になり、建設コストが大幅に上昇することが避け
られない。

【０００４】最近、上記の課題を解決するため、例えば
特開平２−７７５２３号公報が開示されている。しかし
ながら特開平２−７７５２３号公報は、相当量のＭｏと
Ｎｂを添加した鋼で、６００℃の耐力が常温耐力の７０
％以上を確保するものであるが、７００℃での耐力は示
されていない。すなわち、この例のように６００℃程度
の高温強度を確保した鋼はすでに市場でも使用されてい
るが、７００℃での高温強度を確保できる実用鋼の製造
は困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように建築物に
鋼材を利用する場合、通常の鋼では、高温強度が低いた
め無被覆や軽被覆で利用することができず、割高な耐火
被覆を施さなければならなかった。また、新しく開発さ
れた鋼でも、耐火温度は６００℃までの保証が限界であ
り、７００℃に耐える鋼材の開発が望まれていた。本発
明の目的は、７００℃で高温強度が優れた建築用鋼材及
びその製造方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
克服し、目的を達成するもので、その具体的手段を以下
に示す。 （１）重量比で、 Ｃ ：０．０１〜０．０５％、 Ｓｉ：０．３０％以下、 Ｍｎ：１．０〜１．５％、 Ｐ ：０．０１％以下、 Ｓ ：０．０１％以下、 Ｍｏ：０．７〜１．０％、 Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２％、 Ａｌ：０．１０％以下、 Ｎ ：０．００１〜０．００６％ を含有し、残部が実質的にＦｅからなり、且つ、合金元
素の積で下記式Ｄ_B の値が０．５〜０．６からなること
を特徴とする耐火性の優れた建築用鋼。 Ｄ_B ＝ 0.258√C (1+0.3Si)(1+1.5Mn)(1+3.8Mo)(1+12N
b) （各元素の量はmass％）

【０００７】（２）重量比で、 Ｃ ：０．０１〜０．０５％、 Ｓｉ：０．３０％以下、 Ｍｎ：１．０〜１．５％、 Ｐ ：０．０１％以下、 Ｓ ：０．０１％以下、 Ｍｏ：０．７〜１．０％、 Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２％、 Ａｌ：０．１０％以下、 Ｎ ：０．００１〜０．００６％ を含有し、さらに Ｎｉ：０．０５〜０．５％、 Ｃｕ：０．０５〜０．５％、 Ｃｒ：０．０５〜０．５％、 Ｖ ：０．０１〜０．０５％、 Ｃａ：０．０００５〜０．００３％、ＲＥＭ：０．００１〜０．００５％ のうち一種または二種以上を含有し、残部が実質的にＦ
ｅからなり、且つ、合金元素の積で下記式Ｄ_B の値が
０．５〜０．６からなることを特徴とする耐火性の優れ
た建築用鋼。 Ｄ_B ＝ 0.258√C (1+0.3Si)(1+1.5Mn)(1+3.8Mo)(1+0.2N
i)(1+0.2Cu)(1+0.9Cr)(1+12Nb)(1+0.8V) （各元素の量はmass％）

【０００８】（３）上記 (1)記載の鋼を１１００℃〜１
３００℃に再加熱後、熱間塑性加工を８５０〜１０００
℃で終了し、８００〜５００℃の平均冷却速度が０．２
〜１．０℃/secで常温まで冷却して、ミクロ組織をベイ
ナイトとすることを特徴とする耐火性の優れた建築用鋼
の製造方法。 （４）上記 (2)記載の鋼を１１００℃〜１３００℃に再
加熱後、熱間塑性加工を８５０〜１０００℃で終了し、
８００〜５００℃の平均冷却速度が０．２〜１．０℃/s
ecで常温まで冷却して、ミクロ組織をベイナイトとする
ことを特徴とする耐火性の優れた建築用鋼の製造方法。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明者らはすでに、６００℃の
高温強度が優れた鋼を見いだし、主に建築分野で使用さ
れているが、市場ではさらに高温（７００℃）に耐える
鋼への極めて強い要求がある。この場合でも、建築用鋼
としての溶接性や低ＹＲ等の特性は従来と同じように具
備する必要があるため、７００℃の高温強度が優れた鋼
を得ることは極めて難しい課題であった。

【００１０】この課題を解決するため、本発明者らは鋭
意検討し、４９０Ｎ／mm² 級の強度を有する鋼はミクロ
組織をベイナイト一相として、相当量のＭｏを添加する
方法が有効な手段であることを見いだした。ミクロ組織
をベイナイト一相とする方法として、圧延後のγからα
への変態中の急冷や再加熱で一旦γ域まで加熱し、その
後冷却時に冷却速度を早める方法が一般的である。この
ように、冷却速度を早めた場合、γからのベイナイトの
生成はかなり低温側で起き、生成するベイナイトは微細
となり、強度やＹＲ（降伏強度／引張強度）が増加し、
問題となる。

【００１１】本発明者らは鋭意検討し、鋼成分を低Ｃ＋
（適正な合金成分範囲）として、圧延後の冷却速度を適
正範囲にコントロールすることにより、ミクロ組織をベ
イナイト一相として低降伏比とし、高温強度も優れた特
性を有する鋼とすることができた。

【００１２】まず、ミクロ組織をベイナイト一相とする
ためには、圧延における過度の細粒化は適切でなく、８
５０℃〜１０００℃の圧延終了が不可欠である。また、
圧延後の冷却速度も緩やかにする必要があり、０．２〜
１．０℃/secで常温まで冷却する必要がある。

【００１３】更に、ミクロ組織のベイナイト一相化のた
め、合金元素の役割が重要である。本発明者らは鋭意検
討し、ベイナイト一相化のためには、従来の焼入性指数
だけでは不十分であり、ＣやＭｏ，Ｎｂの役割が大き
く、Ｖにも同様の効果があることを見出だし、これを下
記式（各元素の量はmass％）で規定するＤ_B パラメータ
ーとした。すなわち、Ｄ_B パラメーター値が０．５以上
でミクロ組織がベイナイトとなることを知見した。 Ｄ_B ＝ 0.258√C (1+0.35Si)(1+1.5Mn)(1+3.8Mo)(1+0.2
Ni)(1+0.2Cu)(1+0.9Cr)(1+12Nb)(1+0.8V)

【００１４】本発明鋼は高温で圧延を終了するため、Ｎ
ｂは固溶状態として残り、冷却時にベイナイト組織とす
る働きを持っており、この効果を従来の焼入性パラメー
ターに取り込み、Ｄ_B パラメーターとして有効なものと
した。しかしながら、Ｄ_B パラメーター値が０．６を超
える場合は強度が高すぎるため、その値が０．５〜０．
６が良好な範囲である。

【００１５】また、Ｃは本発明鋼では特徴的な元素であ
るが、極めて狭い範囲にコントロールする必要があり、
０．０１〜０．０５％が適正範囲である。これ未満のＣ
量では強度が不足し、この範囲を超えると降伏比が増加
し、強度も高すぎるためである。

【００１６】なお、この場合のＮｂの適正量は０．００
５〜０．０５％である。これ未満では効果が少なく、こ
れを超えると添加量に対し効果の度合いが少なく、溶接
部の靭性も害する。

【００１７】また、７００℃の高温強度を確保するため
には、ミクロ組織をベイナイト一相とするだけでは不十
分であり、Ｍｏの適正量の添加が必須である。本発明者
らは鋭意検討し、Ｍｏの適正値は０．７〜１．０％であ
ることを突き止めた。０．７％未満では効果が少なく、
１．０％超では経済性を失するためである。

【００１８】次に、本発明にかかわるその他の成分元素
とその添加量について説明する。Ｓｉは焼入性を向上
し、ミクロ組織をベイナイト化するが、過度の添加は靭
性の劣化を招くため、０．３％以下が適正範囲である。
Ｍｎは鋼の強度向上のため最も有効な元素であるが、過
度の添加は溶接性を劣化させるので、１．０〜１．５％
が適正範囲である。

【００１９】Ｐ，Ｓは不純物元素であり、少ないほど好
ましいが、０．０１％以下であれば本発明の特徴を損な
う恐れがないので、それぞれ０．０１％以下を適正範囲
とした。Ｔｉは溶接部の靭性向上のため必要であるが、
過度の添加はＴｉＣを形成して靭性を大きく劣化させる
ので、０．００５〜０．０２％が適正範囲である。

【００２０】Ａｌは脱酸元素として使用されるが、過度
の添加は鋼の清浄性を損なうため、０．１％以下の添加
が適正範囲である。Ｎは高温強度を高める働きがある
が、過度の添加はスラブ鋳造時の表面割れの原因となる
ため、０．００１〜０．００６％が適正範囲である。

【００２１】以上、これらの基本成分で本発明の特性を
発揮できるが、以下の元素を選択的に添加することで、
より大きな効果が期待できる。Ｎｉは強度・靭性を向上
させ、ミクロ組織のベイナイト化に効果を発揮する重要
な元素であるが、多量の添加は経済性を失し、少ないと
効果がないため、０．０５〜０．５％が適正範囲であ
る。ＣｕはＮｉと同等のミクロ組織のベイナイト化に効
果があるが、多すぎるとＣｕの析出物を生成し、ＹＲを
増加させ、少なすぎると効果がないため、０．０５〜
０．５％が適正範囲である。

【００２２】ＣｒはＭｎ，Ｍｏについでミクロ組織のベ
イナイト化に効果があるが、多すぎると溶接部靭性を害
するので、適正範囲は０．０５〜０．５％である。Ｖは
Ｎｂと同様に、ミクロ組織のベイナイト化に効果がある
が、多量の添加は溶接部靭性を損なうため、０．０１〜
０．０５％が適正範囲である。Ｃａ，ＲＥＭは不純物で
あるＳと結合し、靭性の向上や溶接部の拡散水素による
割れを防止する働きを有するが、多すぎると却って悪影
響となるので、それぞれ０．０００５〜０．００３％、
０．００１〜０．００５％が適正範囲である。

【００２３】鋼成分とともに鋼の再加熱および圧延、冷
却にかかる条件が重要である。前述のＭｏ，Ｃｕ，Ｎｂ
の複合添加による７００℃強度の増加をはかるために
は、再加熱時にこれらの元素を十分に溶体化させる必要
があり、このため、再加熱温度の下限を１１００℃とす
る。また、再加熱温度が高過ぎるとオーステナイト粒が
粗大化し、低温靭性が劣化するので、その上限は１３０
０℃にせねばならない。

【００２４】さらに、圧延終了温度を８５０℃以上の高
温とする理由は、圧延中にＭｏの炭化物やＮｂの炭窒化
物を析出させないためであり、γ域でＭｏが析出すると
析出物サイズが大きくなり高温強度が著しく低下する。
また、１０００℃を超える温度域での圧延終了では、靭
性が極度に低下するため、１０００℃が圧延終了温度の
上限である。

【００２５】圧延後の冷却速度を０．２〜１．０℃/sec
とする理由は、ミクロ組織をベイナイト一相とするため
であり、０．２℃/sec未満ではベイナイトが生成せず、
また１．０℃/secを超えるとＹＲが増加し、８０％を超
えるためである。

【００２６】

【実施例】転炉、連続鋳造、厚板工程で種々の鋼を製造
し、常温強度、高温強度などを調査した。表１の No.１
〜 No.１５に本発明鋼を、 No.１６〜 No.２０に比較鋼
の化学成分を示す。また表２に、本発明鋼と比較鋼につ
いて、加熱、圧延冷却条件別に機械的特性を示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】本発明鋼 No.１〜 No.１５の例では、常温
の強度は４９０Ｎ／mm² 級鋼の強度レベルを満足し、７
００℃のＹＳも規格強度の２／３（２１７Ｎ／mm² ）以
上の良好な値である。さらに、溶接性指数（Ｐ_CM）も
０．１６以下の良好（通常０．２０以下が良好とされ
る）な値であった。

【００３０】これに対し、比較鋼 No.１６では、Ｃ量や
Ｄ_B の値が低すぎたため、常温の強度が４９０Ｎ／mm²
級鋼の強度レベルを満足できず、７００℃の強度も不十
分であった。比較鋼 No.１７では、Ｃ量やＤ_B の値が高
すぎたため、７００℃の強度は高い値が得られたが、常
温の強度が４９０Ｎ／mm² 級鋼の強度を超える値であっ
た。比較鋼 No.１８では、Ｎｂが添加されておらず、Ｄ
_B の値も低いため、常温の強度と７００℃の強度が不十
分であった。比較鋼 No.１９では、各々の成分は規制範
囲となっているが、Ｄ_B の値が低いため、常温の強度と
７００℃の強度が不十分であった。比較鋼 No.２０で
は、Ｍｎ量やＤ_B の値が高すぎたため、７００℃の強度
は高い値が得られたが、常温の強度が４９０Ｎ／mm² 級
鋼の強度を超える値であった。

【００３１】

【発明の効果】本発明の化学成分および製造法で製造し
た鋼材は、常温の耐力（ＹＳ）が３２５Ｎ／mm² 以上
で、７００℃のＹＳが常温規格値の２／３以上等の特性
を備えており、溶接性も良好である、等の建築用耐火鋼
材として必要な特性を兼ね備えており、従来にない全く
新しい鋼材である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 千々岩 力雄 君津市君津１番地 新日本製鐵株式会社君 津製鐵所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で、 Ｃ ：０．０１〜０．０５％、 Ｓｉ：０．３０％以下、 Ｍｎ：１．０〜１．５％、 Ｐ ：０．０１％以下、 Ｓ ：０．０１％以下、 Ｍｏ：０．７〜１．０％、 Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、 Ｔｉ：０．００５〜０．０２％、 Ａｌ：０．１０％以下、 Ｎ ：０．００１〜０．００６％ を含有し、残部が実質的にＦｅからなり、且つ、合金元
   素の積で下記式Ｄ_B の値が０．５〜０．６からなること
   を特徴とする耐火性の優れた建築用鋼。 Ｄ_B ＝ 0.258√C (1+0.3Si)(1+1.5Mn)(1+3.8Mo)(1+12N
   b) （各元素の量はmass％）
2. 【請求項２】 重量比で、 Ｃ ：０．０１〜０．０５％、 Ｓｉ：０．３０％以下、 Ｍｎ：１．０〜１．５％、 Ｐ ：０．０１％以下、 Ｓ ：０．０１％以下、 Ｍｏ：０．７〜１．０％、 Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、 Ｔｉ：０．００５〜０．０２％、 Ａｌ：０．１０％以下、 Ｎ ：０．００１〜０．００６％ を含有し、さらに Ｎｉ：０．０５〜０．５％、 Ｃｕ：０．０５〜０．５％、 Ｃｒ：０．０５〜０．５％、 Ｖ ：０．０１〜０．０５％、 Ｃａ：０．０００５〜０．００３％、 ＲＥＭ：０．００１〜０．００５％ のうち一種または二種以上を含有し、残部が実質的にＦ
   ｅからなり、且つ、合金元素の積で下記式Ｄ_B の値が
   ０．５〜０．６からなることを特徴とする耐火性の優れ
   た建築用鋼。 Ｄ_B ＝ 0.258√C (1+0.3Si)(1+1.5Mn)(1+3.8Mo)(1+0.2N
   i)(1+0.2Cu)(1+0.9Cr)(1+12Nb)(1+0.8V) （各元素の量はmass％）
3. 【請求項３】 請求項１記載の鋼を１１００℃〜１３０
   ０℃に再加熱後、熱間塑性加工を８５０〜１０００℃で
   終了し、８００〜５００℃の平均冷却速度が０．２〜
   １．０℃/secで常温まで冷却して、ミクロ組織をベイナ
   イトとすることを特徴とする耐火性の優れた建築用鋼の
   製造方法。
4. 【請求項４】 請求項２記載の鋼を１１００℃〜１３０
   ０℃に再加熱後、熱間塑性加工を８５０〜１０００℃で
   終了し、８００〜５００℃の平均冷却速度が０．２〜
   １．０℃/secで常温まで冷却して、ミクロ組織をベイナ
   イトとすることを特徴とする耐火性の優れた建築用鋼の
   製造方法。