(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比で、
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Ｆｅおよび不可避的不純物からなるベイナイト組織であり、合金元素の積で下記式ＤB の値が０．５〜０．６からなることを特徴とする、常温ＹＳが３２５Ｎ／mm2 以上で、７００℃でのＹＳが常温規格値の２／３以上の耐火性の優れた建築用鋼。
ＤB ＝ 0.258√C (1+0.3Si)(1+1.5Mn)(1+3.8Mo)(1+12Nb)
（各元素の量はmass％）
【請求項２】
質量比で、
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Ｆｅおよび不可避的不純物からなるベイナイト組織であり、合金元素の積で下記式ＤB の値が０．５〜０．６からなることを特徴とする、常温ＹＳが３２５Ｎ／mm2 以上で、７００℃でのＹＳが常温規格値の２／３以上の耐火性の優れた建築用鋼。
ＤB ＝ 0.258√C (1+0.3Si)(1+1.5Mn)(1+3.8Mo)(1+0.2Ni)(1+0.2Cu)
(1+0.9Cr)(1+12Nb)(1+0.8V)
（各元素の量はmass％）
【請求項３】
請求項１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℃/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、常温ＹＳが３２５Ｎ／mm2 以上で、７００℃でのＹＳが常温規格値の２／３以上の耐火性の優れた建築用鋼の製造方法。
【請求項４】
請求項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℃/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、常温ＹＳが３２５Ｎ／mm2 以上で、７００℃でのＹＳが常温規格値の２／３以上の耐火性の優れた建築用鋼の製造方法。
【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）質量比で、
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Ｆｅおよび不可避的不純物からなるベイナイト組織であり、合金元素の積で下記式ＤB の値が０．５〜０．６からなることを特徴とする、常温ＹＳが３２５Ｎ／mm2 以上で、７００℃でのＹＳが常温規格値の２／３以上の耐火性の優れた建築用鋼。
ＤB ＝ 0.258√C (1+0.3Si)(1+1.5Mn)(1+3.8Mo)(1+12Nb)
（各元素の量はmass％）
【０００７】
（２）質量比で、
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Ｆｅおよび不可避的不純物からなるベイナイト組織であり、合金元素の積で下記式ＤB の値が０．５〜０．６からなることを特徴とする、常温ＹＳが３２５Ｎ／mm2 以上で、７００℃でのＹＳが常温規格値の２／３以上の耐火性の優れた建築用鋼。
ＤB ＝ 0.258√C (1+0.3Si)(1+1.5Mn)(1+3.8Mo)(1+0.2Ni)(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℃〜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℃/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、常温ＹＳが３２５Ｎ／mm2 以上で、７００℃でのＹＳが常温規格値の２／３以上の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℃/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、常温ＹＳが３２５Ｎ／mm2 以上で、７００℃でのＹＳが常温規格値の２／３以上の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、８５０℃〜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ＤB パラメーターとした。すなわち、ＤB 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。
0003684031.tif 000002
【００１４】
本発明鋼は高温で圧延を終了するため、Ｎｂ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、ＤB パラメーターとして有効なものとした。しかしながら、ＤB 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０．００５〜０．０５％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１３００℃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】
0003684031.tif 000003
【００２８】
【表２】
0003684031.tif 000004
【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、７００℃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（ＰCM）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ＤB 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ＤB 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、ＤB 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、ＤB 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ＤB 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。