(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
Ｃ  ：０．０４％〜０．１３％、
Ｓｉ：０．０５％〜０．４０％、
Ｍｎ：０．３％〜１．５％、
Ａｌ：０．００５％〜０．１０％、
不純物として
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｈ：２．５ｐｐｍ  以下に制限し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフランジとウェブの厚みが６ｍｍ以上２５ｍｍ以下であり且つ全面にわたりフェライトとパーライト組織の合計が６０％以上８８％以下であることをことを特徴とする引張り強度が５９０Ｎ／ｍｍ２  以上７８０Ｎ／ｍｍ２  以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【請求項２】
請求項１に記載のトンネル支保工用Ｈ形鋼において、鋼成分としてさらに重量％で、
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％、
Ｎｂ：０．００５％〜０．１０％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする引張り強度が５９０Ｎ／ｍｍ２  以上７８０Ｎ／ｍｍ２  以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【請求項３】
請求項１あるいは２に記載のトンネル支保工用Ｈ形鋼において、鋼成分としてさらに重量％で、Ｖ：０．００５％〜０．１％を含有することを特徴とする引張り強度が５９０Ｎ／ｍｍ２  以上７８０Ｎ／ｍｍ２  以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一つに記載のトンネル支保工用Ｈ形鋼において、鋼成分としてさらに重量％で、
Ｃｕ：０．０５％〜０．５％、    Ｎｉ：０．０５％〜０．５％、
Ｃｒ：０．０５％〜０．５％、    Ｍｏ：０．０５％〜０．５％、
Ｃｏ：０．０５％〜０．５％、    Ｗ  ：０．０５％〜０．５％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする引張り強度が５９０Ｎ／ｍｍ２  以上７８０Ｎ／ｍｍ２  以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一つに記載のトンネル支保工用Ｈ形鋼において、鋼成分としてさらに重量％で、Ｂ：０．０００２％〜０．００２５％を含有することを特徴とする引張り強度が５９０Ｎ／ｍｍ２  以上７８０Ｎ／ｍｍ２  以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一つに記載のトンネル支保工用Ｈ形鋼において、鋼成分としてさらに重量％で、
Ｒｅｍ：０．００２％〜０．１０％、
Ｃａ：０．０００３％〜０．００３０％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする引張り強度が５９０Ｎ／ｍｍ２  以上７８０Ｎ／ｍｍ２  以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか一つに記載のトンネル支保工用Ｈ形鋼において、鋼成分としてさらに重量％で、Ｍｇ：０．０００３％〜０．０１％を含有することを特徴とする引張り強度が５９０Ｎ／ｍｍ２  以上７８０Ｎ／ｍｍ２  以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一つに記載の成分を有する鋼片または鋳片を１２００℃以上に加熱した後に９００℃以上の温度域でフランジ厚６ｍｍ以上２５ｍｍ以下、ウエブ厚さ６ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲にあるＨ形鋼への圧延を終了し、圧延後２℃／ｓ以上３０℃／ｓ以下の冷却速度で６５０℃以下まで冷却し、フェライトとパーライト組織の合計を６０％〜８８％とすることを特徴とする引張り強度が５９０Ｎ／ｍｍ２  以上７８０Ｎ／ｍｍ２  以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトンネル工事における支保に用いられる高強度Ｈ形鋼およびその製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トンネルの支保のパターンとしては地質の状況に応じて種々のものが実用化されており、詳細はトンネル標準示方書（山岳編）などに述べられている。ロックボルトを地中に打ち込む方法は共通であるが、トンネルの内壁を支保するものとしてはコンクリートを吹き付けるもの、鋼製の支保工をアーチ型に曲げ加工して用いるものが主なものである。従来は鋼製の支保工として曲げ加工性の良い４００Ｎ／ｍｍ２  級の高張力の形鋼が用いられてきた。しかしながら、近年のトンネルの大断面化により、トンネルの断面形状が従来の円形から偏平になり、荷重形態も軸力のみが主たる外力であったものから、軸力と曲げ力が組合わさったものに変化してきた。そのため、従来の４００Ｎ／ｍｍ２  級の鋼製の支保工を用いると、断面積と断面係数の大きなものが必要となり、施工工期が長くなり且つ施工コストは大幅に増加するという問題点があった。
【０００３】
しかしながらこれまでにトンネル支保用に４００Ｎ／ｍｍ２  級を越える支保工が用いられた例はない。これは、トンネル支保工には強度のみならず、耐溶接割れ性が良好なこと、水素性欠陥がないこと、靭性が良好なことなど、多くの要求が伴うため、高強度鋼でこれらの要求を満足することは難しかったためである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、耐溶接割れ性が良好で水素性欠陥が極めて少なく、さらに靭性も良好な引張強度５９０Ｎ／ｍｍ２  級以上のトンネル支保工用Ｈ形鋼とその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記のような従来のトンネル支保工用Ｈ形鋼の欠点を有利に排除しうる、耐溶接割れ性が良好で水素性欠陥が極めて少なく、さらに靭性も良好な引張強度５９０Ｎ／ｍｍ２  級以上のトンネル支保工用Ｈ形鋼とその製造方法であり、その要旨とする所は次の通りである。
（１）重量％で、
Ｃ  ：０．０４％〜０．１３％、    Ｓｉ：０．０５％〜０．４０％、
Ｍｎ：０．３％〜１．５％、        Ａｌ：０．００５％〜０．１０％、
不純物として
Ｓ：０．０１０％以下、            Ｐ：０．０２０％以下、
Ｈ：２．５ｐｐｍ  以下に制限し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフランジとウェブの厚みが６ｍｍ以上２５ｍｍ以下であり且つ全面にわたりフェライトとパーライト組織の合計が６０％以上８８％以下であることをことを特徴とする引張り強度が５９０Ｎ／ｍｍ２  以上７８０Ｎ／ｍｍ２  以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【０００６】
また、本発明は上記（１）記載のトンネル支保工用Ｈ形鋼において、鋼成分として、以下の（２）乃至（７）の各項に記載した成分を各項記載毎に、あるいは各項を組合わせてさらに含有させることができる。
（２）重量％で、
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％、  Ｎｂ：０．００５％〜０．１０％
の１種または２種以上を含有すること。
（３）重量％で、Ｖ：０．００５％〜０．１％を含有すること。
（４）重量％で、
Ｃｕ：０．０５％〜０．５％、      Ｎｉ：０．０５％〜０．５％、
Ｃｒ：０．０５％〜０．５％、      Ｍｏ：０．０５％〜０．５％、
Ｃｏ：０．０５％〜０．５％、      Ｗ  ：０．０５％〜０．５％
の１種または２種以上を含有すること。
（５）重量％で、Ｂ：０．０００２％〜０．００２５％を含有すること。
（６）重量％で、
Ｒｅｍ：０．００２％〜０．１０％、
Ｃａ：０．０００３％〜０．００３０％
の１種または２種以上を含有すること。
（７）重量％で、Ｍｇ：０．０００３％〜０．０１％を含有すること。
【０００７】
（８）さらに本発明は上記（１）乃至（７）の何れか一つに記載の成分を含有する鋼片または鋳片を１２００℃以上に加熱した後に９００℃以上の温度域でフランジ厚６ｍｍ以上２５ｍｍ以下、ウエブ厚さ６ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲にあるＨ形鋼への圧延を終了し、圧延後２℃／ｓ以上３０℃／ｓ以下の冷却速度で６５０℃以下まで冷却し、フェライトとパーライト組織の合計を６０％〜８８％とすることを特徴とする引張り強度が５９０Ｎ／ｍｍ２  以上７８０Ｎ／ｍｍ２  以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼の製造方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明について詳細に説明する。
本発明の根幹をなす技術思想は以下の通りである。
大断面のトンネルに従来の４００Ｎ／ｍｍ２  級の鋼製の支保工を用いると、断面積と断面係数の大きなものが必要となり、施工工期が長くなり且つ施工コストは大幅に増加してしまう。従来のサイズで大断面のトンネルに耐え得る断面係数を有するためには、Ｈ形鋼の強度は５９０Ｎ／ｍｍ２  以上必要である。
【０００９】
一般に、鋼を高強度化する方法としては固溶強化、析出効果、変態強化、加工硬化などの機構が用いられる。Ｈ形鋼のように部位によって厚みが異なり、よって熱間圧延後に変態する際の冷却速度も異なる場合は、強化機構が冷却速度に比較的依存しない固溶強化、加工硬化を用いることが好ましい。しかし過度の固溶強化は溶接性を損ない且つ製造コストを著しく上昇させる。またＨ形鋼を冷間加工で製造することは加工装置に多大なパワーが要求されるため不可能に近く、よって加工硬化による高強度化も期待できない。析出効果、変態強化は変態時の冷却速度依存性が非常に大きいため、これまではＨ形鋼の高強度化機構としては不適であった。
【００１０】
しかしながら本発明者らは、所定の成分系の鋼を用いて、所定のサイズのＨ形鋼に圧延し、さらに圧延後に所定の冷却速度で冷却すれば、全体の金属組織の６０％以上８８％以下がフェライトとパーライトの混合組織となり、残りがより高強度のベイナイト、マルテンサイトまたはそれらの混合組織となり、これにより５９０Ｎ／ｍｍ２  以上７８０Ｎ／ｍｍ２  以下の範囲の任意の強度が安定して得られることを見出した。
【００１１】
また、トンネル支保工には強度のみならず、耐溶接割れ性が良好なこと、水素性欠陥がないこと、靭性、延性が良好なことなど、多くの要求が伴い、従来の高強度鋼でこれらの要求を満足することは難しかったが、本発明のように比較的少ない合金添加量で均一なフェライトとパーライトの混合組織とすれば、耐溶接割れ性、靭性、延性ともに良好な特性が得られることも見出した。また、水素性欠陥の防止は鋼中の水素量を制限することにより達成可能である。
【００１２】
以下に製造方法の限定理由を詳細に説明する。
まず本発明における出発材の成分の限定理由について述べる。
Ｃは、鋼を強化するのに有効な元素であり、０．０４％未満では十分な強度が得られない。一方、その含有量が０．１３％を超えると硬化しすぎて割れやすくなる。
【００１３】
Ｓｉは脱酸元素として、また鋼の強化元素として有効であるが、０．０５％未満の含有量ではその効果がない。一方、０．４％を超えると、溶接部の靭性を損なう。
Ｍｎは鋼の強化に有効な元素であり、０．３％未満では十分な効果が得られない。一方、その含有量が１．５％を超えると鋼の加工性を劣化させる。
【００１４】
Ａｌは脱酸元素として添加される。０．００５％未満の含有量ではその効果がなく、０．１％を超えると、鋼の表面性状を損なう。
ＳはＭｎＳを生成し、超音波探傷時の不合格の原因となるため、含有量を０．０１％以下に制限する。
【００１５】
Ｐは靭性を劣化するため、含有量を０．０２％以下に制限する。
Ｈは水素性欠陥の原因となる。すなわち、水素は圧延前の鋼片または鋳片内にあるポロシティー内に集まり、圧延によりそのポロシティーが圧着するのを阻害するため、含有量を２．５ｐｐｍ  以下に制限する。
【００１６】
さらに本発明では以下の成分を必要に応じて添加する。
ＮｂとＴｉは何れも微量の添加で結晶粒の微細化と析出硬化の面で有効に機能するが、過度に添加すると析出脆化をおこす。このためその添加量の上限を０．１０％とする。添加量が少なすぎると効果がないため、Ｔｉの添加量の下限を０．００２％、Ｎｂの添加量の下限を０．００５％とする。
【００１７】
Ｖは微量の添加で析出強化をもたらすが、過度に添加すると析出脆化をおこす。このためその添加量の上限を０．１０％とする。添加量が少なすぎると効果がないため、添加量の下限を０．００５％とする。
【００１８】
Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｗは何れも鋼の焼入れ性を向上させる元素である。本発明における場合、その添加により鋼の強度を高めることができるが、過度の量の添加は鋼を硬化させ割れやすくするため、Ｃｕ≦０．５％、Ｎｉ≦０．５％、Ｃｒ≦０．５％、Ｍｏ≦０．５％、Ｃｏ≦０．５％、Ｗ≦０．５％に限定する。また添加量が少なすぎると効果がないため添加量の下限を何れの元素とも０．０５％とする。
【００１９】
Ｂは鋼の焼入れ性を向上させる元素である。本発明における場合、その添加により鋼の強度を高めることができるが、過度の添加はＢの析出物を増加させて鋼の靭性を損なうためその含有量の上限を０．００２５％とする。また添加量が少なすぎると効果がないため添加量の下限を０．０００２％とする。
【００２０】
ＲｅｍとＣａはＳの無害化に有効であるが、添加量が少ないとＳが有害のまま残り、過度の添加は靭性を損なうため、Ｒｅｍ：０．００２％〜０．１０％、Ｃａ：０．０００３％〜０．００３０％の範囲で添加する。
【００２１】
Ｍｇは微細な酸化物となり鋼の組織を微細化し靭性を向上させる。０．０００３％未満ではその効果がなく、０．０１％を越えると酸化物を起点とした割れが生じやすくなるため含有量を０．０００３％〜０．０１％の範囲とする。
【００２２】
次に本発明におけるＨ形鋼のサイズの条件について述べる。フランジ厚さ、ウェブ厚さともに６ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲に制限し、圧延後に所定の冷却速度で冷却することにより、本発明鋼の成分範囲でフェライトとパーライト組織の分率を６０％以上とすることができる。フェライト＋パーライト組織分率が６０％未満では十分な靭性が得られなくなる。フェライトの形状は粒状、針状何れでも構わない。また、引張強度が５９０Ｎ／ｍｍ２  であればこの厚みの範囲で十分な断面係数と支保力を有することができる。
【００２３】
次に本発明におけるＨ形鋼の製造条件について述べる。本発明鋼で十分な強度を得るためには圧延前の加熱工程で十分にγを粒成長させて、その後の焼入れ性を向上させることが必要であるため加熱温度の下限を１２００℃とする。さらに圧延終了温度が低くなりすぎると圧延歪みが残留した状態で変態するため焼き入れ性が低下する。本発明鋼では熱間圧延中にオーステナイトを十分に再結晶させて、圧延歪みをほぼ完全に除去する必要があるため、圧延仕上げ温度を９００℃以上とする。この様な条件で加熱・圧延した後の冷却速度が遅いと比較的粒径の大きいオーステナイト粒界から大きなフェライト粒径が変態して靭性を劣化させてしまう。よって、加熱・圧延後に２℃／ｓ以上３０℃／ｓ以下の冷却速度で６５０℃以下に冷却する。これにより、比較的微細なフェライトとパーライトの混合組織の分率が６０％以上８８％以下で残りがベイナイトまたはマルテンサイトである組織が得られる。このような組織からなるＨ形鋼は所定の強度を有し、さらに靭性も良好である。冷却速度が２℃／ｓ未満ではα粒径が粗大で靭性が劣化し、３０℃／ｓ超ではマルテンサイト組織の分率が高くなりすぎて強度が過大となる。また冷却停止温度が６５０℃超では、やはりフェライト粒径が粗大になり十分な靭性が得られない。
【００２４】
【実施例】
次に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
まず表１に示す化学成分の鋼を表２に示す製造条件で第２表中に示すサイズのＨ形鋼とした。このＨ形鋼の各位置での金属組織、強度、伸び、靭性さらには最高硬さ試験における最高硬度、溶接部のＵＳＴ欠陥判定結果は表３に示すようになる。
【００２５】
【表１】
0003579557.tif 000002
【００２６】
【表２】
0003579557.tif 000003
【００２７】
【表３】
0003579557.tif 000004
【００２８】
【発明の効果】
表３によると、本発明のＨ形鋼は何れもフェライト・パーライト主体の組織を有し、引張強度５９０Ｎ／ｍｍ２  以上を有し、且つ伸び、衝撃値共に従来鋼に比べて良好である。さらにＨ形鋼の部位による材質の差も小さく安定していることがわかる。さらに最高硬さ試験における最高硬度はのきなみ２８０程度と従来鋼のそれに比べて格段に低く、十分な耐溶接割れ性を有することがわかる。さらに溶接部のＵＳＴ欠陥判定結果から不合格材は皆無であった。このように本発明鋼および発明法を適用することにより、大断面トンネルの支保工として使用するに十分な特性を有する引張強度５９０Ｎ／ｍｍ２  以上のＨ形鋼が得られることが確認できた。