(57)【要約】  高強度でありながら曲げ加工性に優れた鉄筋を、優れた伸線性の下に製造可能とする鉄筋用鋼を、提供する。  Ｃ：0.37質量％以上0.50質量％以下、Si：1.75質量％以上2.30質量％以下、Mn：0.2質量％以上1.0質量％以下、Cr：0.01質量％以上1.2質量％以下、Mo：0.05質量％以上1.0質量％以下、Ｐ：0.025質量％以下、Ｓ：0.025質量％以下およびＯ：0.0015質量％以下を含む成分組成において、Ｃ、SiおよびCrは所定の関係を満足させて添加する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.37質量％以上0.50質量％以下、
Si：1.75質量％以上2.30質量％以下、
Mn：0.2質量％以上1.0質量％以下、
Cr：0.01質量％以上1.2質量％以下、
Mo：0.05質量％以上1.0質量％以下、
Ｐ：0.025質量％以下、
Ｓ：0.025質量％以下および
Ｏ：0.0015質量％以下
を含み、下記（１）に従うＡ値が770以上850以下、下記（２）式に従うＢ値が0.40以上であり、残部不可避的不純物およびFeの成分組成を有する鉄筋用鋼。
記
Ａ＝α+β+γ ・・・（１）
ここで、α＝−334×[Ｃ]２＋806×[Ｃ]＋291
β＝24×[Si]２＋67×[Si]
γ＝−４×[Cr]２＋23×[Cr]−５
Ｂ＝[Si]／[10×Ｃ] ・・・（２）
但し、上記の［  ］は、該括弧内成分の含有量（質量％）
【請求項２】
前記成分組成が、さらに、
Al：0.50質量％以下、
Cu：1.0質量％以下および
Ni：2.0質量％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有する請求項１に記載の鉄筋用鋼。
【請求項３】
前記成分組成は、さらに、
Ｗ：2.0質量％以下、
Nb：0.1質量％以下、
Ti：0.2質量％以下および
Ｖ：0.5質量％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有する請求項１または２に記載の鉄筋用鋼。
【請求項４】
前記成分組成は、さらに、
Ｂ：0.005質量％以下
を含有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の鉄筋用鋼。
【請求項５】
表面から少なくとも20μｍの厚み領域の硬さがHV250以下であり、表面から鋼材の径の１／４の深さ域の硬さがHRC40以下である請求項１ないし４のいずれかに記載の鉄筋用鋼。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれかに記載の成分組成を有し、表面から少なくとも10μｍの厚み領域の硬さがHV300以下である鉄筋。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、鉄筋コンクリート構造物に用いられるせん断補強筋として使用される高強度の鉄筋、および、その素材として使用される鉄筋用鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ビルや共同住宅などの鉄筋コンクリート構造物には、その崩壊を防ぐために、補強材としてせん断補強筋が使用される。せん断補強筋を使用した鉄筋コンクリート構造物では、鉄筋コンクリート構造物がせん断変形する際に、せん断補強筋が伸びて塑性変形することにより、鉄筋コンクリート構造物の変形エネルギーがせん断補強筋に吸収され鉄筋コンクリート構造物の崩壊が防がれる。【０００３】
従来、せん断補強筋は、引張強さが1200MPa程度のものが、一般的に使用されている。しかし、近年、鉄筋コンクリート構造物の断面スリム化、軽量化および高層化に対するニーズがあり、そのために超高強度コンクリートの開発が急速に進んでいる。コンクリートの強度が上がれば、バランスをとるために、せん断補強筋の高強度化も必要となる。【０００４】
ところで、せん断補強筋は、例えばコンクリート柱や梁のような、建物の構造を支える軸が曲がらないようにする主筋に巻きつけて束ねる形で補強材として機能するものであり、コンクリート柱の断面形状に対応させて断面が円形や角形等のコイル状に成形加工されて使用される。これらの断面形状は、曲げ加工により与えられるものであるから、その成形に当たり曲げ加工性が求められる。従って、せん断補強筋が伸び特性に優れていれば、曲げ加工が容易となり、加工性の面からも大きな長所となる。しかし、上述のとおり、コンクリートの高強度化に応じてせん断補強筋をも高強度化すると、曲げ加工時の折損などの問題が新たに懸念されている。【０００５】
さて、せん断補強筋を高強度化するためには、Ｃ、Si、Mnをはじめとする合金元素の添加量を増加する必要がある。しかしながら、せん断補強筋は、鉄筋用鋼を引抜き加工し、その後、熱処理を行って製造されるのが一般的である。そのため、合金元素の添加量を増やすと、鉄筋用鋼の硬度が上昇し、鉄筋用鋼の引抜き時に線材が断線し、製造性が低下する。そのため、高強度化を実現するには、鉄筋用鋼の伸線性が低下するのを回避する必要があった。【０００６】
そこで、上記問題を克服するため、いくつかの提案がなされている。
まず、特許文献１には、Ｃ、Si、Mnを適正範囲に制御し、冷却条件を制御することによって、表面のフェライト脱炭を0.12mm以上確保する、熱処理方法が開示されている。しかしながら、フェライト脱炭が0.12mm以上になると、高強度鉄筋を製造した場合の強度確保が困難となるため、フェライト脱炭層以外を高強度化する必要があり、合金添加が必要となる。そのため、鉄筋用の素材の硬度が上昇し、伸線性の低下を招くことになる。また、高強度鉄筋を製造後に、鉄筋の靭性が低下し、曲げ加工性が低下する。また、フェライト脱炭層を0.12mm以上にするには、添加するSi量にもよるが、８３０〜９００℃の温度範囲を少なくとも３０秒超間保持することが必要であり、６００〜７００℃の温度範囲に１時間以上保持することが好ましいことから、操業時の能率が低下し、余分な操業コストがかかる。【０００７】
特許文献２には、Ｃ、Si、Mn、Ni、Al量の最適化して、鋼材表層のフェライト脱炭層を0.12mm以上に制御し、内部がフェライト・パーライト組織あるいは球状化セメンタイト組織に制御することによって、遅れ破壊特性に優れた鋼線材を得ることが開示されている。しかしながら、上述したとおり、フェライト脱炭が0.12mm以上になると、高強度鉄筋を製造した場合の強度確保が困難となるため、フェライト脱炭層以外を高強度化する必要があり、合金添加が必要となる。そのため、鉄筋用の素材の硬度が上昇し伸線性が低下したり、高強度鉄筋製造後は鉄筋の靭性が低下し、曲げ加工性が低下する。また、線材圧延後、オンラインまたはオフラインで熱処理を施す必要があり、再加熱などの余分な操業コストが増大する。【０００８】
ここで、特許文献３には、成分組成ならびに、フェライト面積率とフェライト及びパーライト組織の合計面積率とを制御した高強度鉄筋が開示されている。しかしながら、パーライト組織が生成すると靭性が低下するため、曲げ加工性は低下する可能性がある。【０００９】
また、特許文献４には、成分組成ならびに圧延方法を制御することにより、降伏伸びの大きい高強度鉄筋用鋼を製造する方法が開示されている。しかしながら、引張強さが100kg/mm２以下であり、高強度化すると降伏伸びが低下するため、曲げ加工性が低下する可能性がある。【００１０】
さらに、特許文献５には、成分組成ならびに圧延方法を制御することにより、降伏伸びの大きい高強度鉄筋用鋼を製造する方法が開示されている。上述したように、高強度化すると降伏伸びが低下するため、やはり曲げ加工性が低下する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許3156166号公報
【特許文献２】特開平６−306540号公報
【特許文献３】特開2012−67363号公報
【特許文献４】特開平４−173922号公報
【特許文献５】特開平９−324215号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述の通り、超高強度コンクリートの開発に伴い、かようなコンクリートからなる鉄筋コンクリート構造物に適用する、せん断補強筋の高強度化が課題となっていた。しかしながら、せん断補強筋の高強度化のためには、合金元素の添加が必要である。合金元素を添加すると、鉄筋用鋼の硬度が上昇するため、鉄筋製造時の引抜き加工時に線材が断線し、伸線性が低下することが問題となっていた。また、高強度化に伴う曲げ加工性の低下を防止することも、当然、必要であった。【００１３】
本発明は、このような課題を解決すべくなされたものであり、高強度でありながら曲げ加工性に優れた鉄筋を優れた伸線性の下に製造可能とする、鉄筋用鋼について提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
発明者らは、前記課題を解決するため、Ｃ、Si、Mn、CrおよびMoの添加量をさまざまに変化させた高強度鉄筋用鋼を製作し、その伸線性および鉄筋用鋼の硬度（引き抜き前の素材の硬度）を鋭意調査した。そして、この高強度鉄筋用鋼に引き抜き加工を行い、熱処理を行って作製した高強度鉄筋について、その引張強さおよび曲げ加工性を鋭意調査した。
その結果、Ｃ、Si、Mn、CrおよびMoの添加量を適正化することに加えて、Ｃ、SiおよびCrについては所定の関係の下に添加量を規制することが、良好な伸線性を確保しつつ、高強度でありながら良好な曲げ加工性を有する鉄筋またはその素材となり得る、鉄筋用鋼の提供に不可欠であることを見出し、本発明を完成するに至った。【００１５】
すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
１．Ｃ：0.37質量％以上0.50質量％以下、
Si：1.75質量％以上2.30質量％以下、
Mn：0.2質量％以上1.0質量％以下、
Cr：0.01質量％以上1.2質量％以下
Mo：0.05質量％以上1.0質量％以下、
Ｐ：0.025質量％以下、
Ｓ：0.025質量％以下および
Ｏ：0.0015質量％以下
を含み、下記（１）に従うＡ値が770以上850以下、下記（２）式に従うＢ値が0.40以上であり、残部不可避的不純物およびFeの成分組成を有する鉄筋用鋼。
記
Ａ＝α+β+γ ・・・（１）
ここで、α＝−334×[Ｃ]２＋806×[Ｃ]＋291
β＝24×[Si]２＋67×[Si]
γ＝−４×[Cr]２＋23×[Cr]−５
Ｂ＝[Si]／[10×Ｃ] ・・・（２）
但し、上記の［  ］は、該括弧内成分の含有量（質量％）【００１６】
２．前記成分組成が、さらに、
Al：0.50質量％以下、
Cu：1.0質量％以下および
Ni：2.0質量％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有する前記１に記載の鉄筋用鋼。【００１７】
３．前記成分組成は、さらに、
Ｗ：2.0質量％以下、
Nb：0.1質量％以下、
Ti：0.2質量％以下および
Ｖ：0.5質量％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有する前記１または２に記載の鉄筋用鋼。【００１８】
４．前記成分組成は、さらに、
Ｂ：0.005質量％以下
を含有することを特徴とする前記１ないし３のいずれかに記載の鉄筋用鋼。【００１９】
５．表面から少なくとも20μｍの厚み領域の硬さがHV250以下であり、表面から鋼材の径の１／４の深さ域の硬さがHRC40以下である前記１ないし４のいずれかに記載の鉄筋用鋼。【００２０】
６．前記１ないし４のいずれかに記載の成分組成を有し、表面から少なくとも10μｍの厚み領域の硬さがHV300以下である鉄筋。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、優れた伸線性を有し高強度の鉄筋を製造し得る鉄筋用鋼を、安定して製造することが可能となる。この鉄筋用鋼を用いる鉄筋、または鉄筋用鋼から引き抜き加工および熱処理を経て製造された鉄筋は、引張強さが1600MPa以上で、優れた曲げ加工性を有しているため、鉄筋コンクリート構造物の断面スリム化、軽量化および高層化をはかるのに寄与するところが大きく、産業上有益な効果がもたらされる。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明の鉄筋の成分組成並びにその製造条件について説明する。
Ｃ：0.37質量％以上0.50質量％以下
Ｃは、必要な強度を確保するために必須の元素であり、0.37質量％未満では所定の強度確保が難しく、また所定強度を確保するためには、合金元素の多量添加が必要となって、合金コストの上昇を招くことから、0.37質量％以上とする。一方、0.50質量％を超える添加は、強度を大幅に上昇して、ひいては鉄筋の必要以上の強度上昇を招いて曲げ加工性の低下を招くことから、0.50質量％以下とする。より好ましくは、0.37〜0.45質量％の範囲である。
【００２３】
Si：1.75質量％以上2.30質量％以下
Siは、脱酸剤として、また固溶強化や焼戻し軟化抵抗を向上させることにより鋼の強度を高める元素であり、またフェライト脱炭促進元素であるため、後述するようにHV250以下となる表層領域を確保する上でも有用である。よって、本発明では、1.75質量％以上で添加する。しかし、2.30質量％を超える添加は、延性が低下し、鋳造時に素材に割れが発生するため、素材の手入れが必要となり製造コストの増加を招く。よって、Siの上限は2.30質量％とする。より好ましくは、1.75 〜2.25質量％の範囲である。
【００２４】
Mn：0.2質量％以上1.0質量％以下
Mnは、鋼の焼入れ性を向上させるため、0.2質量％以上で添加する。しかし、1.0質量％を超える添加は、却って鋼の強度を低下させる。よって、Mnの上限は、1.0質量％とする。より好ましくは、0.25 〜1.0質量％の範囲である。
【００２５】
Cr：0.01質量％以上1.20質量％以下
Crは、鋼の焼入れ性を向上させ強度を増加させる元素である。そのため、0.01質量％以上は添加する。一方、1.20質量％を超えての添加は、却って鋼を高強度化するため、引抜加工時の伸線性、高強度鉄筋としての曲げ加工性の低下を招く。以上のことから、Cr量は0.01質量％以上1.20質量％以下とする。より好ましくは、0.01〜1.00質量％の範囲である。
【００２６】
Mo：0.05質量％以上1.0質量％以下
Moは、鋼の焼入れ性を向上させ強度を増加させる元素である。そのため、0.05質量％以上は添加する。一方、1.0質量％を超えての添加は、却って鋼を高強度化するため、引抜加工時の伸線性、高強度鉄筋としての曲げ加工性の低下を招く。以上のことから、Mo量は0.05質量％以上1.0質量％以下とする。より好ましくは、0.05〜0.5質量％の範囲である。
【００２７】
Ｐ：0.025質量％以下
Ｓ：0.025質量％以下
ＰおよびＳは、粒界に偏析して鋼の母材靭性の低下を招くことから、それぞれ0.025質量％以下に規制する。とくに、ＳはMnＳとして鋼中に存在するため、曲げ加工時にMnＳが起点となり亀裂が生じ易くなる可能性があるため、極力抑制する必要があり、可能であれば、0.015質量％以下とすることが好ましい。なお、ＰおよびＳをそれぞれ0.0002質量％未満とすることは高いコストを要することから、工業的にはＰおよびＳはそれぞれ0.0002質量％以上含有されていることが好ましい。
【００２８】
Ｏ：0.0015質量％以下
Ｏは、SiやAlと結合し、硬質な酸化物系非金属介在物を形成し、曲げ加工時に起点となり亀裂が生じ易くなる可能性があるため、可能な限り低い方が良いが、本発明では、0.0015質量％までは許容される。なお、Ｏを0.0005質量％未満とすることは高いコストを要することから、工業的にはＯは0.0005質量％以上含有されていることが好ましい。
【００２９】
Ａ値（上記（１）式）：770以上850以下
Ａ値は、良好な強度、伸線性ならびに曲げ加工性を得るための指数である。このＡ値が770未満であると、曲げ加工性は良好であるが、鉄筋の強度確保が困難となる。一方、Ａ値が850を超えると、良好な強度を得ることはできるが、鉄筋用鋼の硬度が上昇して引き抜き加工時に断線を招くことになり、却って伸線性が低下する。さらには、鉄筋としての曲げ加工性が低下するため、本発明では、Ａ値を770以上850以下とする。より好ましくは、770以上849以下の範囲である。
【００３０】
Ｂ値（上記（２）式）：0.40以上
Ｂ値は、良好な伸線性を得るための指数である。このＢ値を0.40以上とすることによって、鉄筋用鋼においては良好な伸線性を、鉄筋においては良好な曲げ加工性を確保することができる。なお、Ｂ値を0.40以上にすることにより、伸線性や曲げ加工性が良好となる理由は、鉄筋用鋼の表層域あるいは鉄筋の表層域に脱炭層が形成し、この表層域の硬さが低下して加工性が良好となるためである。具体的には、後述する実験結果で詳細は説明するように、Ｂ値を0.40以上とすることで、鉄筋用鋼においては表面から少なくとも20μｍ以上の厚み領域の硬さがHV250以下となり、伸線性を良好とすることができる。また、Ｂ値を0.40以上とすることにより、鉄筋においては表面から少なくとも10μｍ以上の厚みの領域の硬さをHV300以下とすることができ、曲げ加工性を良好とすることができる。
【００３１】
発明者らは、鉄筋用鋼の成分組成、とりわけ上記のＡ値およびＢ値が伸線性や曲げ加工性に与える影響について、種々の実験にて評価した。その代表的な２つの実験結果を、以下に詳述する。
［実験１］
上記のＡ値およびＢ値について、発明者らは、成分組成とＡ値およびＢ値とを変化させた鉄筋用鋼を作製し、その硬度を調査した。さらには、この鉄筋用鋼に対して、引抜加工、焼入れ−焼戻し処理を行うことで鉄筋を製造し、引抜加工時の伸線性を調査するとともに、得られた鉄筋については、その引張強さ、表層硬さおよび曲げ加工性、さらには組織を調査した。なお、引張強さ、表層硬さおよび曲げ加工性は、後述する試験方法で測定を行った。表１に成分組成を、表２に鉄筋用鋼でのHV250以下の範囲、硬度と鉄筋としての引張強さ、曲げ加工性の評価結果を、それぞれ示す。
【００３２】
製造条件は次の通りである。
まず、真空溶解で溶製した鋼塊を室温から表２に示す加熱速度で表２に示す加熱温度まで加熱後、熱間圧延を行った。熱間圧延以降の製造条件は同じにした。すなわち、熱間圧延を850℃で終了後に１℃／ｓで冷却し、直径13.5mmの線材とし、これを鉄筋用鋼とした。得られた線材の長手方向に垂直な断面の硬度測定を行った。硬度測定は後述する試験方法で試験を実施した。
【００３３】
次に、この鉄筋用鋼を素材とし、鉄筋を製造した。鉄筋の製造条件は、同じにした。すなわち、製造条件は次の通りである。
13.5mmの線材を、12.6mmに引抜加工を行い、その後、1000℃に加熱後60℃の油で冷却し、350℃に加熱後水冷する、焼入れ−焼戻し処理を行った。伸線性は、この引抜加工時に素線が断線したかどうかで判断し、断線しなければ良好な伸線性を有していると判断した。
焼入れ−焼戻し後の線材を、ASTM E8に記載の平行部1/4in.の引張試験片に加工した。なお、曲げ加工性は、500mm長さに切断後、後述する試験方法で試験を実施した。
【００３４】
表２に、鉄筋用鋼のHV250以下の範囲、線材径Ｄの表面から１／４の深さ域（１／４Ｄ部）での硬度、引抜加工時の伸線性、鉄筋としての引張強さ、曲げ加工性を示した。この表に示すように、Ａ値およびＢ値ともに本発明の範囲内に制御した場合、上述した特性が良好であることが分かる。以上のことから、Ａ値は、770以上850以下、Ｂ値は0.40以上の範囲に調整することによって、高強度でありながら伸線性が向上することが判明した。
【００３５】
【表１】
2014034070.tif 000002
【００３６】
【表２】
2014034070.tif 000003
【００３７】
［実験２］
上記のＡ値およびＢ値について、発明者らは、成分組成とＡ値およびＢ値とを変化させた鉄筋用鋼から鉄筋を作製し、その引張強さ、表層硬さおよび曲げ加工性、さらには組織を調査した。なお、引張強さ、表層硬さおよび曲げ加工性は、後述する試験方法に従って測定を行った。また、組織は、HV300以下の範囲における組織と、芯部（１／２Ｄ部：Ｄは鉄筋の直径）の組織を調査した。表３に成分組成を、表４に引張強さ、HV300以下の範囲および曲げ加工性の評価結果を、それぞれ示す。
【００３８】
ここで、評価を行うに当たり、鉄筋の製造条件は同じにした。すなわち、製造条件は、次の通りである。
まず、真空溶解で溶製した鋼塊を1100℃に加熱後、熱間鍛伸を行って直径11.5mmの丸棒にした。得られた丸棒を、ASTM Ｅ８に記載の平行部1/4in.の引張試験片に加工し、焼入れ−焼戻し処理を行った。このときの焼入れ処理の加熱温度、保持時間、および、焼戻し処理の焼戻し温度および保持時間は表４に示すとおりである。なお、曲げ加工性は、上述の熱間鍛伸後の丸棒を500mm長さに切断後、上述した条件で焼入れ−焼戻し処理を実施し、後述する試験方法で試験を実施した。
【００３９】
表４に、引張強さ、HV300以下の範囲および曲げ加工性の評価結果を示す。この表に示すように、Ａ値およびＢ値をともに本発明の範囲内に制御した場合、良好な引張強さ、HV300以下の範囲および曲げ加工性が得られることが分かる。以上のことから、Ａ値は、770以上850以下、Ｂ値は0.40以上の範囲に調整することによって、鉄筋とした際に高強度でありながら曲げ加工性が向上することが判明した。
【００４０】
【表３】
2014034070.tif 000004
【００４１】
【表４】
2014034070.tif 000005
【００４２】
以上の実験結果を総合すると、成分組成、特にＡ値およびＢ値を上記した範囲に規制することによって、鉄筋用鋼において表面から少なくとも20μｍの厚み領域の硬さがHV250以下、かつ表面から鋼材の径の１／４の深さ域（１／４Ｄ部）の硬さがHRC40以下になること、さらに、焼入れ焼戻し後の、表面から少なくとも10μｍの厚み領域の硬さがHV300以下になること、がわかる。なお、表層の硬度を上記の通りに規制することが好ましい。この理由は、次のとおりである。
【００４３】
表面から少なくとも20μｍの厚み領域の硬さがHV250以下
表面から少なくとも20μｍの厚み領域の硬さがHV250以下であることが好ましい理由は、この領域の硬さがHV250超えになると、高強度鉄筋用鋼の硬度が高くなり伸線性が低下し、引抜加工時に素線の断線が生じ易くなるからである。
また、表面から少なくとも20μｍの厚みの範囲としたのは、同20μｍ未満になると表面からの高延性領域が小さくなり、却って引抜加工時に素線の断線が生じ易くなるからである。一方、該領域が表面から100μｍ超えの深さまでの領域に拡大すると、高強度鉄筋としての強度が低下するため、全体として引張強さを1600MPa以上とするためには芯部の更なる高強度化が必要となり、却って、引抜加工時の伸線性や、高強度鉄筋としての曲げ加工性が低下し易くなる。従って、HV250以下とする領域は、表面から100μｍの深さまでで十分である。
ここで、表面から少なくとも20μｍの厚み域の硬さをHV250以下とするには、鋼を大気中でＡｃ３点以上に30℃／分以下の加熱速度で加熱することが好適である。この工程は、後述する熱間圧延のための素材加熱工程で行うことができる。
【００４４】
表面から鋼材の径の１／４の深さ域の硬さがHRC40以下
表面から鋼材の径の１／４の深さ域の硬さがHRC40以下であることが好ましい理由は、この領域がHRC40超となると、引抜加工時に加工を受ける領域が硬くなり、ダイスの寿命が短くなったり、素材の断線が生じやすくなるからである。ここで、１／４の深さ域とは、鋼材表面から距離が鋼材の径Ｄの１／４となる部分（１／４Ｄ部）のことである。
【００４５】
なお、この領域の硬さをHRC40以下とするには、鋼組織にマルテンサイト組織が生じることを回避すればよく、具体的には、熱間圧延により鉄筋用鋼線材を製造し、その際に、圧延をＡｒ３点以上で終了させ、その後、少なくとも700℃までの冷却速度を２℃／ｓ以下とすることが好ましい。
【００４６】
焼入れ焼戻し処理後の鉄筋おける、表面から少なくとも10μｍの厚み領域の硬さがHV300以下
表面から少なくとも10μｍの厚み領域の硬さがHV300以下であることが好ましい理由は、この領域の硬さがHV300超えになると、硬度が高くなって延性が低下するため、曲げ加工時に鉄筋表層に割れが生じ易くなる。そのため、本発明では表層域の硬さがHV300以下であることが好ましい。また、表層域について表面から少なくとも10μｍの深さまでの範囲としたのは、10μｍ未満になると高延性領域が小さくなり、曲げ加工時に鉄筋表層に割れが生じ易くなるためである。以上のことから、表面から少なくとも10μｍの厚み領域の硬さがHV300以下であることが好ましい。
ここで、表面から10μｍ以上の厚み領域の硬さをHV300以下とするには、鋼を大気中でＡｃ３点以上に加熱することが好適である。この工程は、後述する焼入れ工程で行うことができる。
【００４７】
なお、HV300以下とする領域は、表面からの深さで10μｍ以上150μｍ程度まであれば十分である。すなわち、HV300以下とする表面からの深さ領域が150μｍ超となると、却って鉄筋の強度が低下するため、HV300以下とする領域の表面からの深さは150μｍ以下とすることが好ましい。また、HV300以下とする領域は、フェライト単相組織とすることが好ましい。なぜなら、曲げ加工時には表層に応力集中が生じるが、HV300以下の領域がフェライト単相組織であれば、フェライトの高延性によって応力集中が緩和され曲げ加工性がより良好となるためである。なお、ベイナイト組織もある程度の延性を有するため、HV300以下を満足できる範囲で組織中に混入してもよい。一方、鉄筋の芯部組織は、鉄筋としての強度を確保するためにマルテンサイト組織であることが好ましい。
【００４８】
さらに、本発明の鉄筋用鋼は、強度を高めたり、鉄筋における曲げ加工性を向上させたりするため、上記成分に加えて、以下の諸成分を含有することができる。
Al：0.50質量％以下、Cu：1.0質量％以下およびNi：2.0質量％以下のうちの１種または２種以上
CuおよびNiは、焼入れ性や焼戻し後の強度を高める元素であり、選択して添加することができる。このような効果を得るためには、CuおよびNiは0.005質量％以上で添加することが好ましい。しかし、Cuは1.0質量％およびNiは2.0質量％を超えて添加すると、却って合金コストが上昇するため、Cuは1.0質量％およびNiは2.0質量％を上限として添加するのが好ましい。
また、Alは脱酸剤として有用であり、さらに、焼入れ時のオーステナイト粒成長を抑制することによって、強度の維持に有効な元素であるため、好ましくは0.01質量％以上で添加する。しかしながら、0.50質量％を超えて添加しても、その効果は飽和してコスト上昇を招く不利が生じる上、鋼中の酸化物が増加し、曲げ加工時の起点となり曲げ加工性が低下する。よって、Alは0.50質量％を上限として添加することが好ましい。
【００４９】
Ｗ：2.0質量％以下、Nb：0.1質量％以下、Ti：0.2質量％以下およびＶ：0.5質量％以下のうちの１種または２種以上
Ｗ、Nb、TiおよびＶは、いずれも焼入れ性や焼戻し後の鋼の強度を高める元素であり、必要とする強度に応じて選択して添加することができる。このような効果を得るためには、Ｗ、NbおよびTiは、それぞれ0.001質量％以上、Ｖは0.002質量％以上添加することが好ましい。しかし、Ｖは0.5質量％、Nbは0.1質量％およびTiは0.2質量％を超えて添加すると、鋼中に硬質な炭化物・窒化物・炭窒化物が多量に生成し、曲げ加工時に亀裂発生の起点となり易く、曲げ加工性の低下を招く。Nb、TiおよびＶは、それぞれ上記の値を上限として添加するのが好ましい。また、Ｗは2.0質量％を超えて添加すると、高強度化による伸線性の低下や曲げ加工性の低下および、合金コストの上昇を招く。よって、Ｗは、2.0質量％を上限として添加するのが好ましい。
【００５０】
Ｂ：0.005質量％以下
Ｂは、焼入れ性の増大により焼戻し後の鋼の強度を高める元素であり、必要に応じて含有することができる。上記効果を得るためには、0.0002質量％以上で添加するのが好ましい。しかし、0.005質量％を超えて添加すると、曲げ加工性が劣化する。よって、Ｂは0.0002〜0.005質量％の範囲で添加することが好ましい。
【００５１】
以上の成分組成を有する鋼塊は、転炉による溶製および真空溶製のいずれによるものでも使用できる。そして、鋼塊、スラブ、ブルームまたはビレットなどの素材は、加熱されて熱間圧延され、酸洗してスケール除去された後に伸線されて所定の太さに整えられ、熱処理を施して、鉄筋用鋼に供される。
【００５２】
本発明の鉄筋用鋼を用いて製造される鉄筋では、以上の成分組成を有し、且つ引張強さで1600MPa以上であることが好ましい。すなわち、引張強さが1600MPa未満では、鉄筋のコンクリート高強度化に対応できないため、1600MPa以上は必要である。
【００５３】
ここで、引張強さを1600MPa以上とするには、上記成分組成を有する鋼を熱間圧延したのち、スケールを除去した鉄筋用鋼を、その後伸線して所定の太さに整え、大気中でＡｃ３点以上に加熱して焼入れ（冷却速度は60℃／ｓ以上）し、次いで焼戻しを100〜600℃の温度範囲で行うことが好ましい。すなわち、焼戻し温度は、曲げ加工性確保の観点から100℃以上が好ましく、引張強さ1600MPa以上を確保する観点から600℃以下とすることが好ましい。
【００５４】
上記の製造過程を経て製造された鉄筋は、その芯部の組織は、焼き戻しマルテンサイトとなる。また、伸線した後にも表層部には脱炭層があり、さらに焼入れ−焼戻しによっても脱炭が促進されるため、表層部は芯部に比べて硬度が低くなる。すなわち、本発明の鉄筋における金属組織は、上述した表層域がフェライト単相組織または、フェライトおよびベイナイトの混合組織であり、その径方向内側の組織は焼き戻しマルテンサイトとなる。その結果、優れた曲げ加工性を有する高強度の鉄筋となる。
【００５５】
かくして得られた鉄筋は、安価に製造できるにも関わらず、高強度でありながら優れた曲げ加工性を有し、1600MPa以上の高強度を必要とする、高層マンションなどのせん断補強筋への適用が可能である。
【実施例１】
【００５６】
表５に示す成分組成に従って鋼を溶製し、連続鋳造してビレットとしたのち、表６に示す加熱速度および加熱温度に従って加熱し、圧延終了温度をＡｒ３点以上とする熱間圧延を施し、その後、少なくとも700℃までの冷却速度を表６に示すとおり２℃／ｓ以下として冷却することにより、直径Ｄが13.5mmの線材を製造した。その後、線材の先端、中間、尾端から直径が13.5mm、長さが５mmのサンプルを採取し、圧延方向に垂直な面（直径13.5mmの面）の表層の硬度、表層の組織、１／４Ｄの硬度、組織を後述した条件で測定、観察した。【００５７】
次に、高強度鉄筋としての特性を評価するために、得られた線材に対して、12.6mmに引抜加工を行い、その後、大気中で1000℃に加熱後300秒保持し、60℃の油で冷却し、350℃加熱後30秒保持し、水冷して焼入れ焼戻しを行った。鉄筋用鋼材としての伸線性は、この引抜加工時に素線が断線したかどうかで判断し、断線しなければ良好な伸線性を有していると判断した。
さらに、焼入れ焼戻し後の線材に対して、ASTM  Ｅ８に記載の平行部1/4in.の引張試験片に加工し、後述する試験方法で引張試験を実施するとともに、同試験片を用いて表層硬度と組織を調査した。また、曲げ試験片は、直径Ｄが11.5mmの線材を500mm長さに切断したのち、上述した熱処理条件での焼入れ焼戻しを行った。【００５８】
［表層硬度測定］
HV250以下の硬さの範囲の調査は、引抜加工前の線材（鉄筋用鋼）の先端、中間、尾端から直径が13.5mm、長さが５mmのサンプルを採取して行った。このサンプルを被検面が圧延方向に垂直な面（直径13.5mmの面）になるように埋め込み、鏡面研磨後、株式会社アカシ製微小硬さ試験機（HM-115）で荷重10gf、10μｍ深さピッチで測定を実施し、HV250以下となる領域を求めた。【００５９】
［１／４Ｄ部硬度測定］
上述した表層硬度測定を行ったサンプルを用いて、１／４Ｄ部（Ｄは線材の直径）の硬度をミツトヨ製ロックウエル硬さ試験機（ARK−600）でＣスケール、４点測定し平均を求めた。【００６０】
［ミクロ組織観察］
上述した硬度測定を行ったサンプルを用いて、３％ナイタルで腐食後、HV250の範囲の組織、１／４Ｄ部の組織観察を行った。組織観察は500倍の倍率で観察を行った。【００６１】
［伸線性］
伸線性は、直径13.5mmの鉄筋用鋼を12.6mmに引抜加工を行うときの、断線の有無により評価した。断線回数は200ｍ引抜加工時に断線した回数を示しており、断線が1回でも発生した場合に伸線性が低下したと判断した。【００６２】
［曲げ試験］
鉄筋としての曲げ特性を調べるために、引抜加工、熱処理後の線材から、直径Ｄの４倍の曲げ直径（４Ｄ）で180°曲げを行い、曲げ加工性を評価した。曲げ加工後の線材に対して、浸透探傷試験を行って割れの有無を調査した。【００６３】
［引張試験］
高強度鉄筋としての引張特性を調べるために、引抜加工、熱処理後の線材から、ASTM  Ｅ８に記載の平行部の直径1/4in.の引張試験片を採取して、評点間距離25.4mmおよび引張速度５mm／分にて試験を実施した。本発明では、引張強さが1600MPa以上であれば高強度鉄筋が得られたとして評価した。【００６４】
［焼入れ焼戻し後における表層の硬度測定］
HV300以下の範囲の調査は、上述した引張試験片で熱処理を実施し、平行部の中央部を切り出し、樹脂に埋め込み、鏡面研磨後、株式会社アカシ製の微小硬さ試験機（HM-115）を用いて、荷重10gfで表面から順に５μｍ深さピッチでの測定を実施し、HV300以下の領域を特定した。【００６５】
［焼入れ焼戻し後における組織の観察］
HV300以下の範囲における組織と、芯部（１／２Ｄ部：Ｄは線材の直径）の組織とを、それぞれ次のようにして観察した。すなわち、上述した硬度測定を行ったサンプルを用いて、３％ナイタルで腐食後、HV300以下の範囲の組織と、１／２Ｄ部の組織の組織観察を行った。組織観察は、500倍の倍率で行い、それぞれの位置における組織の同定を行った。【００６６】
【表５】
2014034070.tif 000006
【００６７】
表６に、鉄筋用鋼の、HV250以下の範囲とその組織、１／４Ｄ部の組織とその硬度、引抜加工時の伸線性と、該伸線後の線材に焼入れ焼戻し処理を施して作製した、鉄筋の表層硬さ、組織、引張強さおよび曲げ加工性と、の各評価結果を示す。本発明の成分組成およびＡ値、Ｂ値を満たす、Ｃ−１〜４、Ｃ−６〜10、Ｃ−16〜19およびＣ−22〜24の鋼は、引抜加工時の伸線性、鉄筋の引張強さおよび曲げ加工性が良好であることが分かる。これに対して、成分組成が本発明範囲内であっても、Ｂ値が本発明の範囲を満たさないＣ−５の鋼は、HV250以下の範囲が本発明の範囲を満足できず、曲げ加工性が低下していることが分かる。また、成分組成が本発明の範囲を満たさないＣ−11〜15、Ｃ−20〜21およびＣ−25〜26の鋼は、引抜加工時の伸線性、高強度鉄筋での引張強度、曲げ加工性のいずれかが低下していることが分かる。【００６８】
【表６】
2014034070.tif 000007
【実施例２】
【００６９】
表７に示す成分組成に従って鋼を溶製し、連続鋳造してビレットとしたのち、表８に示す加熱速度および加熱温度に従って加熱し、圧延終了温度をＡｒ３点以上とする熱間圧延を施し、その後、少なくとも700℃までの冷却速度を表８に示すとおり２℃／ｓ以下として冷却することにより、直径Ｄが13.5mmの線材を製造した。その後、線材の先端、中間、尾端から直径が13.5mm、長さが５mmのサンプルを採取し、圧延方向に垂直な面（直径13.5mmの面）の表層の硬度、表層の組織、１／４Ｄの硬度、組織を上述の実施例１の場合と同様に測定、観察した。【００７０】
次に、高強度鉄筋としての特性を評価するために、得られた線材に対して、11.5mmに引抜加工を行い、その後、表８に示す条件に従って、大気中でＡｃ３点以上1200℃以下の温度域に加熱後、60℃の油中で冷却したのち、100℃以上600℃以下の温度域に加熱・保持後、水冷して焼入れ−焼戻しを行った。伸線性は、この引抜加工時に素線が断線したかどうかで判断し、断線しなければ良好な伸線性を有していると判断した。
焼入れ焼戻し後の線材に対して、ASTM  Ｅ８に記載の平行部1/4in.の引張試験片に加工し、上述の実施例１の場合と同様に試験を実施した。【００７１】
【表７】
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【００７２】
表８に、鉄筋用鋼の、HV250以下の範囲とその組織、１／４Ｄ部の組織とその硬度、引抜加工時の伸線性と、該伸線後の線材に焼入れ焼戻し処理を施して作製した、鉄筋の表層硬さ、組織、引張強さおよび曲げ加工性と、の各評価結果を示す。本発明の成分組成とＡ値およびＢ値とを満たす、Ｄ−１〜４、Ｄ−６〜10、Ｄ−16〜19およびＤ−22〜24の鋼は、曲げ加工性が良好であることが分かる。これに対して、成分組成が本発明範囲内であっても、Ｂ値が本発明の範囲を満たさないＤ−５の鋼は、HV300以下の範囲が小さい結果、曲げ加工性が低下していることが分かる。また、成分組成が本発明の範囲を満たさないＤ−11〜15、Ｄ−20〜21およびＤ−25〜26の鋼は、引張強さ、HV300以下の範囲、曲げ加工性のいずれかが低下していることが分かる。【００７３】
【表８】
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【国際調査報告】
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