JPH072969B2

JPH072969B2 - 耐火性と溶接性の優れた建築用薄手低降伏比鋼の製造方法

Info

Publication number: JPH072969B2
Application number: JP26808989A
Authority: JP
Inventors: 力雄千々岩; 博為広; 好男寺田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-10-17
Filing date: 1989-10-17
Publication date: 1995-01-18
Anticipated expiration: 2010-01-18
Also published as: JPH03130319A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は建築、土木及び海洋構造物等の分野において、
各種建造物に用いる耐火性と溶接性の優れた低降伏比鋼
の製造方法に関する。

（従来の技術）周知の通り建築、土木及び海洋構造物等の分野における
各種建造物用建築材として、一般構造用圧延鋼材（JIS
G 3101）、溶接構造用圧延鋼材（JIS G 3106）、溶接構
造用耐候性熱間圧延鋼材（JIS G 3114）、高耐候性圧延
鋼材（JIS G 3125）及び一般構造用炭素鋼鋼管（JIS G
3444）、一般構造用角形鋼板（JIS G 3466）等が広く利
用されている。

前記周知鋼材は、通常高炉によって得られた溶銑を脱
Ｓ、脱Ｐしたのち転炉精錬を行ない、連続鋳造もしくは
分塊工程において鋼片とし、ついで熱間塑性加工するこ
とにより、所望の特性を備えたものとして製品化され
る。

ところで、各種建造物のうち、特に生活に密着したビル
や事務所及び住居等の建造物に前記周知鋼材を用いる場
合、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ずけられており、建築関係諸法令で
は、火災時に鋼材温度が350℃以上にならぬように規定
している。

つまり、前記周知鋼材は建築物に使用する場合、350℃
程度で耐力が常温時の60〜70％になり、建造物の倒壊を
引き起こす恐れがあるため、たとえば、一般構造用圧延
鋼材（JIS G 3101）に規定される形鋼を柱材とする建造
物の例では、その表面にスラグウール、ガラスウールア
スベスト等を基材とする吹き付け材やフェルトを展着す
るほか、防火モルタルで包被する方法及び前記断熱材層
の上に、さらに金属薄板即ちアルミニウムやステンレス
薄板で保護する方法等、耐火被覆を入念に施し、火災時
における熱的損傷により該鋼材が載荷力を失うことのな
いようにして利用する。そのため、鋼材費用に比し耐火
被覆工費が高額になり、建築コストが大幅に上昇するこ
とを避けることができない。

そこで、建築材として丸あるいは角鋼管を用い、冷却水
が循環するように構成し、火災時における温度上昇を防
止し、載荷力を低下させない技術が提案され、ビルの建
設コストの引き下げと利用空間の拡大が図られている。

たとえば、実公昭52-16021号公報には、建築物の上部に
水タンクを置き、中空鋼管からなる柱材に冷却水を供給
する耐火構造建造物が開示されている。また、特願昭63
-143740号明細書では、鋼材の基本成分として、相当量
のMoとNbを複合添加し、高温加熱‐高温圧延法によりミ
クロ組織を比較的大きなフェライト主体組織として、60
0℃の高温強度が常温強度の70％以上確保できることが
提案されている。

しかしながら、この方法では常温と600℃の強度確保はM
o,Nb等の合金元素の添加に頼らざるを得ず、合金添加量
が多くなることが必須とならざるを得ず、建築用鋼材と
して重要な溶接性に影響がある等の問題点を含んでい
た。

さらに、特願平‐139329号明細書では、一定量のMoを含
有した鋼を圧延後のナーステナイトとフェライト域の一
定の温度から水冷する方法を用いることにより、ミクロ
組織を20〜50％の比較的大きなフェライトとベイナイト
の混合組織とすることにより、常温の降伏比を低く抑
え、600℃の強度を確保していた。しかしながら、圧延
後の一定温度からの水冷は工業的に必ずしも容易でな
く、とくに、比較的薄い鋼板の場合、圧延後の温度降下
の速度が速く、圧延板全体を適正な温度から水冷するこ
とはかなり困難であった。

（発明が解決しようとする課題）本発明者らは、火災時における鋼材強度について研究の
結果、無被覆使用を目標とした場合、火災時の最高到達
温度が1000℃であることから、鋼材が該温度で常温耐力
の70％以上の耐力を備えるためには、やはり高価な金属
元素を多量に添加せねばならず、経済性を失することを
知った。

つまり、周知の鋼材費とそれに加え耐火被覆を施工する
費用以上に鋼材単価が高くなり、そのような鋼材は実際
的に利用することができない。

そこで、さらに研究を進めた結果、600℃での高温耐力
が常温時の70％以上となる鋼材が最も経済的であること
をつきとめ、高価な添加元素の量を少なくし、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製造方法を開
発した。

（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、
その具体的手段は重量比で、C0.02〜0.10％、Si0.6％以
下、Mn0.8〜2.0％、Mo0.2〜1.0％、Al0.1％以下、N0.00
6％以下に加えてTi0.005〜0.03％、Zr0.005〜0.03％、C
a0.0005〜0.005％、REM0.001〜0.005％のうち一種また
は二種以上、残部がFe及び不可避的不純物を含み、しか
も、C/Mnの比が0.05以下で、(1)式で与えられるD_I ^※値
が0.80以上の成分組成よりなる鋼片を1150〜1300℃の温
度域で再加熱後、熱間圧延を800℃〜1000℃の温度範囲
で終了してミクロ組織をベイナイトとすることを特徴と
する耐火性と溶接性の優れた建築用薄手低降伏比鋼の製
造方法である。

(1)式：（作用）さて、本発明の特徴は、低Ｃ−中〜高Mn鋼にMoを添加
し、C/Mnの比が0.05以下で、(1)式で与えられるD_I ^※値
が0.80以上の成分組成の鋼片を高温で再加熱したのち、
比較的高温で圧延を終了することにあり、本発明法によ
って製造した鋼及び鋼材（以下鋼という）は、適当な常
温耐力と低い降伏比を有するとともに、高温耐力が高く
溶接性も良好であるという特性を備えている。

つまり、常温耐力に対し600℃の温度域に於ける耐力の
割合が大きい。この理由は低Ｃのベース成分でベイナイ
ト組織としているためで、これに対し、ベース成分のＣ
量が高いと、ミクロ組織がベイナイトでも、常温の降伏
比が高くなり耐震性を満足させることができない。ま
た、ベース成分が低Ｃでも焼入性が低いと、常温と600
℃の強度が不十分である。

本発明鋼では、これらの母材特性に加えて溶接部の特性
即ち、耐ラメラーテア性や溶接継手部の靱性を向上させ
るため、微量のTiやCaを添加している。建築用鋼材に要
求される溶接継手部の靱性は、０℃程度のシャルピー値
でさほど厳しくないが、溶接入熱が比較的高い場合に問
題となる。本発明鋼では、鋼中に微細なTiNやZrNを分布
させることにより、この課題を解決した。

また、溶接時に溶接材料から混入する拡散性水素は、鋼
中に存在する板厚方向に伸びた介在物にトラップされ板
厚方向に沿って割れを生ずる。これを防止するため、Mn
Sや群状酸化物の低減が必要であり、CaやREMの添加が有
効である。本発明鋼はこのような用途も考慮にいれ必要
に応じて、適正量のCaやREMの添加を行なっている。

つぎに、本発明にかかる特徴的な成分元素とその添加量
について説明する。

Moは微細な炭窒化物を形成し、さらに、固溶体強化によ
って高温強度を増加させるが、ミクロ組織がベイナイト
の場合、その添加量は比較的少ない量で600℃の高温強
度を確保することができる。

本発明者等は研究の結果、常温の強度と600℃の高温強
度を確保するためには、低Ｃのベース成分にMoを添加し
て、ミクロ組織をベイナイト化することが有効なことを
見出した。しかしながら、Mo量が高すぎると、溶接性が
悪くなり、さらに、溶接熱影響部（HAZ）の靱性が劣化
するので、Mo量の上限は1.0％とする必要がある。

さて、常温において、溶接構造用圧延鋼材（JIS G 310
6）に規定する性能を満足し、かつ600℃の高温において
高い耐力を維持せしめるためには、鋼成分と共に鋼の再
加熱及び圧延にかかる条件が重要である。

前述のMo添加による高温強度の増大を図るには、Moを再
加熱時に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1150℃とする。また、再加熱温度が高す
ぎると結晶粒が大きくなって低温靱性が劣化するので、
その上限は1300℃にせねばならない。

さらに、圧延終了温度を800℃以上とする理由は、圧延
中にMoの炭窒化物を析出させないためである。周知の低
温圧延（制御圧延）はラインパイプ等低温靱性が必要な
鋼材では必須要件であるが、本発明鋼のように低温靱性
について、高い要求が無く、常温強度と600℃の強度及
び、そのバランスが重要な場合には、ミクロ組織をベイ
ナイト化するため、圧延を高温で終了せねばならない。

また、本発明において、圧延終了温度の上限を1000℃と
したのは、建築用鋼としての靱性を確保するためであ
る。

さて、高温強度を上昇せしめるため、Moを利用すること
が、従来のボイラー用鋼管等に使用されている鋼では知
られているが、建築用に用いる耐火鋼材として微量のMo
に加えてベース成分のC/Mn比を抑え、焼入性（D_I ^※）を
確保し、ミクロ組織をベイナイト化して常温と高温の強
度を満足させた鋼材は知られていない。ボイラー用に使
用されている鋼は基本的な特性を得るため、圧延後に調
質熱処理を施しており、本発明鋼とは製造プロセスが異
なる。

つぎに、本発明における前記Mo以外の成分限定理由につ
いて詳細に説明する。

Ｃは母材及び溶接部の強度確保ならびにMoの添加効果を
発揮させるために必要であり、0.02％未満では効果が薄
れるので下限は0.02％とする。また、Ｃ量が多すぎると
常温の降伏比が上昇し、さらに、HAZの低温靱性に悪影
響をおよぼすので、0.10％が上限となる。

Siは脱酸上鋼に含まれる元素で、Si量が多くなると溶接
性、HAZ靱性が劣化するため、その上限を0.6％とした。

Mnは強度、靱性を確保する上で不可欠の元素であり、そ
の下限は0.8％である。しかし、Mn量が多すぎると焼入
性が増加して溶接性、HAZ靱性が劣化するため、Mn量の
上限を2.0％とした。

Alは一般に脱酸上鋼に含まれる元素であるが、Si及びTi
によっても脱酸は行なわれるので、本発明ではAlについ
ては下限は限定しない。しかしAl量が多くなると鋼の清
浄度が悪くなり、溶接部の靱性が劣化するので上限を0.
1％とした。

Ｎは一般に不可避的不純物として鋼中に含まれるもので
あるが、Ｎ量が多くなるとHAZ靱性の劣化や連続鋳造ス
ラブの表面きずの発生等を助長するので、その上限を0.
006％とした。

なお、本発明鋼は、不可避的不純物としてＰ及びＳを含
有する。P,Sは高温強度に与える影響は小さいので、そ
の量について特に限定はしないが、一般に靱性、板厚方
向強度等に関する鋼の特性は、これらP,S元素が少ない
ほど向上する。望ましいP,S量はそれぞれ0.02％,0.005
％以下である。

基本的な特性を得るための成分は以上のとおりである
が、本発明鋼は用途が厳しい条件（溶接部の水素割れ性
が要求されたり、大入熱の溶接が適用される）での適用
を考慮しており、以下に述べる元素即ちTi,Zr,Ca,REMを
選択的に添加することにより特性の向上を図っている。

Tiは炭窒化物を形成してHAZ靱性を向上させる。さら
に、Al量が少ない場合、Tiの酸化物を形成しHAZ靱性を
向上させるが、0.005％未満では効果がなく、0.03％を
超えるとHAZ靱性に好ましくない影響がある。

ZrはTiとほぼ同じ効果をもつが、その効果が有効な範囲
は0.005〜0.03％である。

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有機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
靱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,CaSが多量に生成して大形介在物となり、鋼の
靱性のみならず清浄度も害し、さらに、溶接性、耐ラメ
ラーテア性にも悪影響を与えるので、Ca添加量の範囲を
0.0005％〜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と同様な問題を生じ、さらに経済性も悪く
なるので、REM量の下限を0.001％、上限を0.005％とし
た。

（実施例）周知の転炉、連続鋳造、厚板工程で鋼板を製造し、常温
強度、高温強度等を調査した。

第１表のNo.1〜No.14に本発明鋼を、No.15〜No.20に比
較鋼の化学成分を示す。

続いて第２表に本発明鋼と比較鋼について、加熱、圧
延、条件別に機械的特性を示す。

第２表の本発明鋼No.1〜No.14の例では、すべて良好な
常温及び高温強度を有している。

これに対し、比較鋼No.15では、加熱温度、仕上圧延温
度が低いため、常温の降伏比が高くなりすぎ、No.16で
は、圧延後に再加熱して焼入、焼戻の熱処理をしている
ため、常温の降伏比が高すぎる。No.17では、圧延後に
再加熱して焼準しているため、常温、高温強度が低い。
さらに、No.18,19では、C/Mn比が高く、D_I ^※が低いた
め、常温、高温の強度が低い。No.20では、D_I ^※が低い
ため、常温、高温の強度が低い。No.21では、D_I ^※は満
足するが、C/Mn比が高いため、常温の降伏比が高すぎ
る。No.22,23では常温と600℃の強度は満足している
が、HAZ靱性や板厚方向の特性が不十分である。

この結果を第３表、第４表に示す。

第３表は、ベース成分がほぼ同じ本発明鋼と比較鋼の再
現HAZ靱性の特性を示す。本発明鋼はTiを添加している
ため、良好な靱性であるが、比較鋼は無添加であるた
め、靱性が極めて悪い。第４表には、ベース成分がほぼ
同じ本発明鋼と比較鋼の板厚方向特性を示す。

なお、板厚方向の特性は耐ラメラーテア特性を評価する
代表的な試験方法である。

本発明鋼はCaを添加しているため、良好な特性を示す
が、比較鋼はCaを添加していないため不十分な結果であ
る。

（発明の効果）本発明の化学成分及び製造法で製造した鋼材は600℃の
降伏強度が高く且つ、600℃の降伏強度が常温降伏強度
の70％以上で、常温の降伏比（YS/TS）も低く、溶接
性、溶接継手靱性、板厚方向特性が良好である等の特徴
を兼ね備えた全く新しい鋼材である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比でＣ 0.02〜0.10％、 Si 0.6％以下、 Mn 0.8〜2.0％、 Mo 0.2〜1.0％、 Al 0.1％以下、Ｎ 0.006％以下、に加えて Ti 0.005〜0.03％、 Zr 0.005〜0.03％、 Ca 0.0005〜0.005％、 REM 0.001〜0.005％のうち一種または二種以上残部がFe及び不可避的不純物を含み、しかも、C/Mnの比
が0.05％以下で、(1)式で与えられるD_I ^※値が0.80以上
の成分組成よりなる鋼片を1150〜1300℃の温度域で再加
熱後、熱間圧延を800℃〜1000℃の温度範囲で終了して
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
の優れた建築用薄手低降伏比鋼の製造方法。 (1)式：