(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で（以下、同じ）、
Ｃ  ：０．０３％超え０．１５％以下、
Ｓｉ：０．０５〜１．０％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、
Ａｌ：０．０２〜０．１％、
Ｃｕ：０．６〜１．０％、
Ｍｏ：０．０５〜０．３２％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１％、
Ｂ  ：０．０００３〜０．００３％、
Ｃａ：０．００１〜０．００５％を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であって、
且つこれらの元素が下記式（１）および式（２）を満たすことを特徴とする溶接性に優れた耐火鋼材。
１．５％≦（［Ｃｕ］＋５０００×［Ｍｏ］×［Ｂ］）  …（１）
（５０００×［Ｍｏ］×［Ｂ］）≦２．４  …（２）
〔式中、［Ｃｕ］はＣｕの含有量（質量％）、［Ｍｏ］はＭｏの含有量（質量％）、［Ｂ］はＢの含有量（質量％）を意味する。〕
【請求項２】
更に他の元素として、
Ｎｉ：０．０１〜２．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｖ  ：０．００５〜０．１％
よりなる群から選択される少なくとも１種の元素を含むものである請求項１に記載の溶接性に優れた耐火鋼材。
【請求項３】
Ｃ  ：０．０３％超え０．１５％以下、
Ｓｉ：０．０５〜１．０％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％，
Ａｌ：０．０２〜０．１％、
Ｃｕ：１．０％を超え２．０％以下、
Ｍｏ：０．０５〜０．３２％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１％、
Ｂ  ：０．０００３〜０．００３％、
Ｃａ：０．００１〜０．００５％を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であって、
且つこれらの元素が下記式（２）を満たすことを特徴とする溶接性に優れた耐火鋼材。
（５０００×［Ｍｏ］×［Ｂ］）≦２．４  …（２）
〔式中、［Ｍｏ］はＭｏの含有量（質量％）、［Ｂ］はＢの含有量（質量％）を意味する。〕
【請求項４】
更に他の元素として、
Ｎｉ：０．０１〜２．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｖ  ：０．００５〜０．１％
よりなる群から選択される少なくとも１種の元素を含むものである請求項３に記載の溶接性に優れた耐火鋼材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火災等、高温状態にさらされる可能性のある構造物への利用に適した耐火鋼材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に構造用鋼材は、室温（常温）では十分な強度が確保できるように設計されているが、５００℃以上の高温状態になると大幅に強度が低下することが知られている。このため、例えば火災等により高温にさらされる建築構造物では、建設に用いた鋼材が高温状態で脆くなって、該構造物が倒壊したり著しく変形することのないよう鋼材に耐火被覆が施される。
【０００３】
しかしながら、上記耐火被覆工程は建築コストを高め、また工期の長期化を招くことにもなるので、この様な耐火対策を施さなくともよい鋼材、または耐火被覆を薄くすることのできる耐火対策の軽減可能な鋼材が求められている。この様な要望から、高温時においても高強度を維持することのできる鋼材の開発が進められており、これまで、例えば特公平４−５０３６２号に示されるように、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ等の元素を添加して高温強度を高めた耐火鋼材が多く提案されている。しかしながら、高温強度を高めるこれらの元素は、耐火鋼材の主要な用途である建築用鋼材にて不可欠とされる溶接性、特にＨＡＺ靭性を著しく劣化させるという問題がある。従って、良好な高温強度および優れた溶接性を同時に満足して、建築構造物の安全性を高めることのできる耐火鋼材が期待されている。尚、特公平５−７９７４４号には、Ｍｏを低減して耐火性に優れた建築用低降伏比鋼材を得ることが開示されているが、実質的にはＭｏ高濃度域を対象とするものであり、高温強度と同時に優れた溶接性を確保するには、よりＭｏ低濃度域での検討を要すると考えられる。
【０００４】
この様な溶接性を劣化させる合金元素に頼らず、他の元素を添加して高温強度を確保する試みもなされており、特公平６−１０４８５６号では、常温強度と高温強度とのバランスを良好なものとする為、Ｍｏ量を低減してＣｕの析出強化を利用することが提案されている。しかしながら上記公報では、Ｃｕの添加に加えて、少量添加されたＭｏの高温強度向上効果を有効に発揮させることについてまで検討されておらず、優れた高温強度と溶接性の同時達成にはなお改善の余地がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこの様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、優れた溶接性を有し、かつ高温でも高強度を維持することのできる優れた耐火性能をも有する耐火用鋼を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る溶接性に優れた耐火鋼材とは、質量％で、Ｃ：０．０３％超え０．１５％以下、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：０．６〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜０．３２％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．０００３〜０．００３％、Ｃａ：０．００１〜０．００５％を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であって、且つこれらの元素が下記式（１）および式（２）を満たすことを要旨とするものである。
１．５％≦（［Ｃｕ］＋５０００×［Ｍｏ］×［Ｂ］）  …（１）
（５０００×［Ｍｏ］×［Ｂ］）≦２．４  …（２）
〔式中、［Ｃｕ］はＣｕの含有量（質量％）、［Ｍｏ］はＭｏの含有量（質量％）、［Ｂ］はＢの含有量（質量％）を意味する。〕
【０００７】
また本発明の耐火鋼材は、Ｃ：０．０３％超え０．１５％以下、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．０％を超え２．０％以下、Ｍｏ：０．０５〜０．３２％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．０００３〜０．００３％、Ｃａ：０．００１〜０．００５％を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であって、且つこれらの元素が下記式（２）を満たすことを要旨とするものである。
（５０００×［Ｍｏ］×［Ｂ］）≦２．４  …（２）
〔式中、［Ｍｏ］はＭｏの含有量（質量％）、［Ｂ］はＢの含有量（質量％）を意味する。〕
【０００８】
前記本発明の耐火用鋼には、必要によって、Ｎｉ：０．０１〜２．０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、およびＶ：０．００５〜０．１％よりなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有させることも有効である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前述した様な状況の下で、溶接性、特にＨＡＺ靭性を損なうことなく、良好な高温強度を確保することのできる耐火鋼材の実現を目指して鋭意研究を進めた。その結果、Ｃｕ添加による析出強化を十分に活用することで、従来より活用されているＭｏ添加を抑えて溶接性を確保し、更には添加したＭｏの高温強度向上効果を最大限に発揮させるためにＢを添加することが有効であることを突き止め、これらの元素の添加バランスについて追究を重ねた結果、上記本発明に想到したのである。
【００１０】
この様にＭｏの添加を抑制してＣｕを添加することで、溶接性を低下させることなく優れた高温強度を確保することができた理由として、ＣｕがＭｏと比較して、Ｃｕの析出速度が遅く、５００℃以上の高温でようやくε−Ｃｕが析出して鋼が析出強化されることが挙げられる。Ｃｕ添加により良好な高温強度を確保するには、０．６％以上、好ましくは０．８％以上添加する必要がある。しかし、Ｃｕを過剰に添加した場合には熱間加工性が劣化することから、２．０％以下、好ましくは１．５％以下に抑える。
【００１１】
本発明者らは、良好な高温強度と溶接性を同時に確保することを目的に、上述の如く高温強度の確保に有効なＣｕ、過剰に添加すると溶接性の劣化を引き起こすＭｏ、およびＭｏとの相互作用により高温強度を高める効果を有するＢの添加バランスについて検討したところ、Ｃｕ含有量が０．６〜１．０％の場合には、下記式（１）および式（２）を満たすように化学成分を調整し、Ｃｕ含有量が１．０を超え２．０％以下の場合には、下記式（２）を満たすようにすればよいことが分かった。
１．５≦（［Ｃｕ］＋５０００×［Ｍｏ］×［Ｂ］）    …（１）
（５０００×［Ｍｏ］×［Ｂ］）≦２．４    …（２）
尚、式中の［Ｃｕ］はＣｕの含有量（質量％）、［Ｍｏ］はＭｏの含有量（質量％）、［Ｂ］はＢの含有量（質量％）を意味する。
【００１２】
即ち、Ｃｕ含有量が０．６〜１．０％の場合、上記式（１）における（［Ｃｕ］＋５０００×［Ｍｏ］×［Ｂ］）の値が１．５以上となるようＣｕ量に応じて適宜ＭｏおよびＢの添加量を調整すれば、所望の高温強度を確保できることが分かった。尚、上記（［Ｃｕ］＋５０００×［Ｍｏ］×［Ｂ］）の値は好ましくは２．０以上である。
【００１３】
また優れた溶接性を確保するには、Ｃｕ含有量が０．６〜１．０％の場合および１．０％を超えて２．０％以下の場合のいずれにおいても、上記式（２）における（５０００×［Ｍｏ］×［Ｂ］）の値が２．４以下となるようＭｏおよびＢの添加量を調整すればよいことが分かった。尚、上記（５０００×［Ｍｏ］×［Ｂ］）の値は、好ましくは２．２以下である。
【００１４】
即ち、所望の高温強度および優れた溶接性を確保するには、Ｃｕが０．６〜１．０％の場合には、上記式（１）および式（２）のどちらも満足するようＣｕ、ＭｏおよびＢの添加量を調整すればよく、またＣｕが１．０％を超えて２．０％以下の場合には、Ｍｏ量およびＢ量が少なくても十分に高温強度を確保することができることから、上記式（２）のみを満足するようＭｏ量およびＢ量を調整すればよいことが分かった。
【００１５】
Ｍｏは、上述の如く高温強度を確保する上で有効な元素であることから、０．０５％以上、好ましくは０．１％以上添加するが、過剰の添加はＨＡＺ靭性を劣化させるので、０．３２％以下、好ましくは０．３１％未満、より好ましくは０．３０％以下、最も好ましくは０．２０％未満に抑えることとする。
【００１６】
また本発明は、Ｂを添加することによって、添加したＭｏの高温強度向上効果を最大限に引き出すというＢとＭｏの複合添加効果を図ったものであり、この様にＭｏとの相互作用により高温強度を上昇させるには、Ｂを０．０００３％以上、好ましくは０．０００５％以上添加する必要がある。しかし過剰の添加は、Ｆｅ23（ＣＢ）6等の化合物が粗大に析出して靭性劣化を招くこととなるので、０．００３％以下、好ましくは０．００２％以下に抑えることとする。
【００１７】
本発明で、その他の化学成分を規定した理由について詳述する。
【００１８】
Ｃ：０．０３％を超え０．１５％以下
Ｃは、鋼の強度確保に必須の元素であるので、その含有量が０．０３％を超えるようにする必要があり、好ましい含有量は０．０４％以上である。しかし過剰に含有されているとＨＡＺ靭性の確保が困難となるので、０．１５％以下、好ましくは０．１２％以下に抑える必要がある。
【００１９】
Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは、製鋼時の脱酸に必要な元素であり、また固溶強化により鋼材の強度を高めるのにも必要な元素であるので、０．０５％以上、好ましくは０．１％以上添加する必要がある。しかしながら多量に添加すると、Martensite−Austenite Constituent（ＭＡ）が生成されてＨＡＺ靭性を劣化させることとなるので、１．０％以下、好ましくは０．８％以下に抑えることとする。
【００２０】
Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎは、強度および靭性を確保する上で重要な元素であるので、０．１％以上、好ましくは０．５％以上添加する。しかしながら、過剰に添加すると必要以上に強度が高まり、溶接性の劣化を招くことにもなるので、２．０％以下、好ましくは１．８％以下に抑える。
【００２１】
Ａｌ：０．０２〜０．１％
Ａｌは、Ｓｉと同様、脱酸剤として用いる元素であり、０．０２％以上、好ましくは０．０３％以上添加する。しかしながら、過剰の添加はＨＡＺ靭性を劣化させることとなるので、０．１％以下、好ましくは０．０８％以下に抑えるようにする。
【００２２】
Ｔｉ：０．００５〜０．１％
Ｔｉは、炭窒化物を形成してＨＡＺ組織を微細化し、靭性改善に寄与する効果を有する。この様な効果を有効に発揮させるには、０．００５％以上、好ましくは０．００７％以上の添加を要する。一方、過剰の添加は、微細炭化物の析出量を増加させ、却って靭性を劣化させることとなるので、０．１％以下、好ましくは０．０８％以下に抑える。
【００２３】
Ｃａ：０．００１〜０．００５％
Ｃａは、硫化物の形態を制御して靭性の改善に寄与する元素である。この様な効果を有効に発揮させるには０．００１％以上添加すればよく、０．００２％以上の添加が好ましい。しかし過剰の添加は、Ｃａの酸化物に起因する靭性低下を招くこととなるので、０．００５％以下、好ましくは０．００４％以下に抑える。
【００２４】
本発明における基本的な化学成分組成は以上の通りであるが、必要によってはＮｉ、ＮｂおよびＶよりなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有させて、次の様な改善効果を得ることも有効である。
【００２５】
Ｎｉ：０．０１〜２．０％
Ｎｉは靭性の改善に有効な元素であるので、０．０１％以上添加することが好ましく、より好ましくは０．１％以上である。しかし過剰に添加しても、効果が飽和して高コストとなるだけであるので、２．０％以下に抑えることが好ましく、より好ましくは１．５％以下である。
【００２６】
Ｎｂ：０．００５〜０．１％
Ｎｂは、常温時および高温時において良好な強度を確保するのに有効な元素であり、この様な効果を有効に発揮させるには、Ｎｂを０．００５％以上添加することが好ましく、より好ましくは０．０１％以上である。しかし過剰に添加すると、炭化物が形成されてＨＡＺ靭性を劣化させることとなるので、０．１％以下に抑えることが好ましく、より好ましくは０．０８％以下である。
【００２７】
Ｖ：０．００５〜０．１％
ＶはＮｂと同様の効果を持つ元素であり、高温時の良好な強度確保に有効であるので、好ましくは０．００５％以上、より好ましくは０．０１％以上添加する。しかし０．１％を超えて添加すると、Ｎｂ添加の場合と同様に炭化物を形成してＨＡＺ靭性の劣化を招くこととなるので、０．１％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．０８％以下である。
【００２８】
Ｃｒは、高温強度の改善に寄与しないだけでなく、ＨＡＺ靭性の低下も招く元素であるので、その含有量を０．１０％以下（０％を含む）に抑えることが望ましい。
【００２９】
本発明に係る耐火鋼材は、残部成分を実質的にＦｅとするものであるが、その他、微量の不可避不純物の含有が許容されるのは勿論のこと、前記本発明の作用に悪影響を与えない範囲で、更に他の元素を積極的に含有させることも可能である。積極添加が許容される他の元素の例として、Ｔｉと同様の効果を有するＺｒ等が挙げられる。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。即ち、下記実施例においては、本発明の鋼材を用いて熱間圧延を行っているが、本発明は、最終製品の形状や製造方法等を特定するものではなく、種々の条件で製造されたものも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３１】
表１に示す化学成分組成の鋼材を用いて熱間圧延を行い、得られた圧延材から試験材を採取して、常温引張試験、高温引張試験、熱サイクル試験およびシャルピー衝撃試験を実施した。高温強度については、６００℃での耐力（ＹＳ）が常温耐力（ＹＳ）に対して７０％以上確保できているものを合格とし、溶接性については、８００℃から５００℃の温度域の冷却速度が４０℃／secである熱サイクルを施した試験片［入熱５ｋＪ／ｍｍで溶接した際の熱影響部（ＨＡＺ部）に相当する］を用いてシャルピー衝撃試験を行い、−１０℃でのシャルピー衝撃吸収エネルギーが４７Ｊ以上のものを合格とした。これらの試験結果を一括して表２に示す。
【００３２】
【表１】
0003718637.tif 000002
【００３３】
【表２】
0003718637.tif 000003
【００３４】
表１および表２より、Ｎｏ．１〜５、８〜２２は、本発明の規定を満たすものであり、高温においても常温での高強度をほぼ維持することができ、かつ良好なＨＡＺ靭性も確保できていることが分かる。これに対してＮｏ．２３〜３０では、本発明の要件の何れかを満たさず、高温強度またはＨＡＺ靭性が劣化する結果となった。
【００３５】
即ち、Ｎｏ．２３，２７および３０では、ＨＡＺ靭性が劣化する結果となったが、これは、Ｎｏ．２３ではＣ含有量が高すぎたこと、Ｎｏ．２７ではＭｏ含有量が本発明で規定する範囲を超えたこと、Ｎｏ．３０ではＢ含有量が多すぎて式（２）を満足しなかったことが理由として挙げられる。尚、Ｎｏ．２９より、良好なＨＡＺ靭性を得るには、Ｃｒ含有量を抑えることが望ましいことが分かる。また、Ｎｏ．２４，２６および２８では、いずれも式（１）における（［Ｃｕ］＋５０００×［Ｍｏ］×［Ｂ］）が１．５を下回る値となったため、高温時の強度が低下する結果となった。
【００３６】
Ｎｏ．２５は、Ｃｕ含有量が規定範囲を超えたものであり、熱間圧延中に割れが生じたため、以後の測定は行わなかった。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、上述の如く化学成分組成を適切に制御することによって、良好な溶接性を確保したまま、高温時においても高強度を維持することができたのである。そして、この様な高温強度および溶接性に優れた耐火鋼材の実現によって、建築構造物等に用いる鋼材の耐火対策を軽減することができることとなった。またこの様な耐火対策を講じなくても、火災等で高温にさらされた場合に、高強度を維持して倒壊または著しく変形することのない建築用鋼材を供給できることとなったのである。