(57)【要約】【課題】  スポット溶接部の耐遅れ破壊特性の良好な強度が1400MPa以上の高強度PC鋼棒およびその耐遅れ破壊特性向上方法を提供する。【解決手段】  質量％で、C：0.2〜0.6％、Si:0.05〜3％、Mn：0.3〜2％、Al：0.002〜0.1％、必要に応じて、Ni0.05〜3％、Cr：0.05〜2％、Mo：0.05〜2％、Ｖ：0.02〜1％、Nb：0.005〜0.5％、Ti：0.003〜0.5％、B：0.003〜0.005％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、引張強さが1400Mpa以上の鋼材で構成され、補助筋と接合するスポット溶接部の表層における残留応力が引張強さの10〜90％であることを特徴とする耐遅れ破壊特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒およびその耐遅れ破壊特性向上方法。【選択図】図１
2006104550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．２〜０．６％、
Ｓｉ：０．０５〜３％、
Ｍｎ：０．３〜２％、
Ａｌ：０．００２〜０．１％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、引張強さが１４００ＭＰａ以上の鋼材で構成され、補助筋と接合するスポット溶接部の表層における圧縮残留応力が、前記引張強さの１０〜９０％であることを特徴とする耐遅れ破壊特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒。
【請求項２】
さらに、前記鋼材は、質量％で、
Ｎｉ：０．０５〜３％、
Ｃｒ：０．０５〜２％、
Ｍｏ：０．０５〜２％、
Ｖ  ：０．０２〜０．５％、
Ｎｂ：０．００５〜０．５％、
Ｔｉ：０．００３〜０．５％、
Ｂ  ：０．０００３〜０．００５％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒の耐遅れ破壊特性向上方法であって、前記ＰＣ鋼棒を焼入れ・焼戻し処理および補助筋とのスポット溶接を行った後、前記ＰＣ鋼棒に対する超音波振動子の硬度比：１．２以上、超音波振動子の振動数：１０〜６０ｋＨｚ、超音波の出力：５００〜５０００Ｗ、超音波振動子のスポット溶接部への押し付け力：１０〜１０００Ｎの条件で、前記スポット溶接部に超音波振動子による打撃処理を施すことを特徴とする高強度ＰＣ鋼棒の耐遅れ破壊特性向上方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポール、パイルおよび建築、橋梁等のプレストレストコンクリート構造物の補強材として広く使われているＰＣ鋼棒に関し、特に強度が１４００ＭＰａ以上で、スポット溶接部の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒およびその耐遅れ破壊特性向上方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポール、パイルおよび建築、橋梁等のプレストレストコンクリート構造物の補強材として広く使われているＰＣ鋼材は、通常、JIS G 3536に規定されているＰＣ鋼線およびＰＣ鋼より線、JIS G 3109に規定されているＰＣ鋼棒が使われている。
ＰＣ鋼線に用いられる材料はJIS G 3502に適合したピアノ線材であり、パテンティング処理をした後、伸線加工することにより製造される。一方、ＰＣ鋼棒は、例えば特許文献１に記載されているように、Ｃ量が０．２５〜０．３５％の中炭素鋼を用いて焼入れ・焼戻し処理をすることによって製造されている。「プレストレストコンクリート設計施工規準・同解説」（日本建築学会編集、丸善、昭和６２年１月２５日  第３版発行）の４３〜４５頁に記載されているように、強度が１２７５ＭＰａ以上(１３０ｋｇｆ／ｍｍ2)を超えるような高強度ＰＣ鋼棒は、ＰＣ鋼線に比べて耐遅れ破壊特性（応力腐食破壊）が劣っていると言う課題があった。
また、特許文献２に記載されているように、スポット溶接部は急冷されるためマルテンサイトを主体とした組織となり、スポット溶接部で遅れ破壊が発生しやすくなるという問題点があった。
【０００３】
ＰＣ鋼棒の耐遅れ破壊特性を向上させる従来の知見として、例えば、特許文献２ではＰ、Ｓ含有量を低減することが有効であり、また、特許文献１ではＳｉ、Ｍｎ含有量を規制するとともに焼入れ処理後、焼戻し工程中で曲げ加工または引き抜き加工を施す技術が提案されている。更に、特許文献３〜５においてもＰＣ鋼棒の耐遅れ破壊特性を改善する技術が提案されているものの、スポット溶接を施した高強度ＰＣ鋼棒の耐遅れ破壊化特性を大幅に向上させることには限界があった。
【特許文献１】特公平５−４１６８４号公報
【特許文献２】特公平５−５９９６７号公報
【特許文献３】特開平０９−７８１９１号公報
【特許文献４】特開平１１−２２９０９０号公報
【特許文献５】特開２００３−１２９１７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記の如き実状に鑑みなされたものであって、スポット溶接部の耐遅れ破壊特性の良好な強度が１４００ＭＰａ以上の高強度ＰＣ鋼棒およびその耐遅れ破壊特性向上方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者等は、スポット溶接を施した高強度ＰＣ鋼棒の耐遅れ破壊特性を向上させる手段について種々検討を重ねた結果、スポット溶接部の表層に圧縮残留応力を付与させることが耐遅れ破壊特性の向上に対して有効であることを見出した。
さらに、ＰＣ鋼棒のスポット溶接部への圧縮残留応力の付与方法として、超音波打撃処理が極めて有効であると言う全く新たな知見を見出した。即ち、同一の圧縮残留応力であっても、従来のショットピーニング法よりも超音波打撃処理を施したＰＣ鋼棒のスポット溶接部の耐遅れ破壊特性は格段に優れることを明確にした。
以上の検討結果に基づき、鋼材組成と圧縮残留応力および圧縮残留応力の付与方法を最適に選択すれば、耐遅れ破壊特性の優れた高強度ＰＣ鋼棒を実現できると言う結論に達し、本発明をなしたものである。
【０００６】
本発明は以上の知見に基づいてなされたものであって、その要旨とするところは、次の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜３％、Ｍｎ：０．３〜２％、Ａｌ：０．００２〜０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、引張強さが１４００ＭＰａ以上の鋼材で構成され、補助筋と接合するスポット溶接部の表層における圧縮残留応力が、前記引張強さの１０〜９０％であることを特徴とする耐遅れ破壊特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒。
（２）さらに、前記鋼材は、質量％で、Ｎｉ：０．０５〜３％、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｏ：０．０５〜２％、Ｖ：０．０２〜０．５％、Ｎｂ：０．００５〜０．５％、Ｔｉ：０．００３〜０．５％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）に記載の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒。
（３）（１）または（２）に記載の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒の耐遅れ破壊特性向上方法であって、前記ＰＣ鋼棒を焼入れ・焼戻し処理および補助筋とのスポット溶接を行った後、前記ＰＣ鋼棒に対する超音波振動子の硬度比：１．２以上、超音波振動子の振動数：１０〜６０ｋＨｚ、超音波の出力：５００〜５０００Ｗ、超音波振動子のスポット溶接部への押し付け力：１０〜１０００Ｎの条件で、前記スポット溶接部に超音波振動子による打撃処理を施すことを特徴とする高強度ＰＣ鋼棒の耐遅れ破壊特性向上方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、引張強さが１４００ＭＰａ以上の高強度ＰＣ鋼棒のスポット溶接部に超音波打撃処理による圧縮残留応力を付与することによって、高強度ＰＣ鋼棒のスポット溶接部の耐遅れ破壊特性を大幅に向上させることができるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明を実施するための最良の形態について説明する。
まず、本発明の対象とする鋼材の成分の限定理由について述べる。
Ｃは、ＰＣ鋼棒の強度を確保する上で必須の元素であるが、０．２％未満では所要の強度が得られず、一方０．６％を越えるとスポット溶接性が著しく劣化するため、０．２〜０．６％の範囲に制限した。
Ｓｉは、リラクゼーション特性を向上させるとともに固溶体硬化作用によって強度を高める作用がある。０．０５％未満では前記作用が発揮できず、一方、３％を超えても添加量に見合う効果が期待できないため、０．０５〜３％の範囲に制限した。
Ｍｎは、脱酸、脱硫のために必要であるばかりでなく、マルテンサイト組織を得るための焼入性を高めるために有効な元素であるが、０．３％未満では上記の効果が得られず、一方２％を越えて添加しても添加量に見合う効果が得られないため、０．３〜２％の範囲に制限した。
Ａｌは、脱酸および熱処理時においてＡｌＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止する効果がある。また、Ｂを添加する場合、Ｎを固定し焼入性および耐水素脆化特性の向上に有効な固溶Ｂを確保する効果も有している。０．００２％未満では上記の効果が発揮されず、０．１％を越えても効果が飽和するため０．００２〜０．１％の範囲に限定した。
【０００９】
以上が本発明の対象とする鋼の基本成分であるが、本発明においては、更にこの鋼材に、Ｎｉ：０．０５〜３％、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｏ：０．０５〜２％、Ｖ：０．０２〜０．５％、Ｎｂ：０．００５〜０．５％、Ｔｉ：０．００３〜０．５％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％の１種または２種以上を含有せしめることが好ましい。
Ｎｉは、高強度化に伴って劣化する延性を向上させるとともに熱処理時の焼入性を向上させて引張強さを増加させるために添加されるが、０．０５％未満ではその効果が少なく、一方３％を越えても添加量にみあう効果が発揮できないため、０．０５〜３％の範囲に制限した。
Ｃｒは、焼入性の向上および焼戻し処理時の軟化抵抗を増加させるために有効な元素であるが、０．０５％未満ではその効果が十分に発揮できず、一方２％を超えて添加しても効果が飽和するため、０．０５〜２％の範囲に限定した。
Ｍｏは、強い焼戻し軟化抵抗を有し熱処理後の引張強さを高めるために有効な元素である。更に、Ｍｏは耐遅れ破壊特性を向上させる効果がある。０．０５％未満では上記効果が少なく、一方、２％を越えて添加しても製造コストの点で添加量に見合う効果を得ることが困難であるため、０．０５〜２％に制限した。
【００１０】
Ｖは、焼入れ処理時において炭窒化物を生成することによりオーステナイト粒を微細化させるとともにリラクゼーション値を増加させる効果があり、更に耐遅れ破壊特性を向上させる効果も有しているが、０．０２％未満では前記作用の効果が得られず、一方０．５％を越えても効果が飽和するため０．０２〜０．５％に限定した。
ＮｂもＶと同様に炭窒化物を生成することによりオーステナイト粒を微細化と耐遅れ破壊特性の向上に有効な元素である。０．００５％未満では上記効果が不十分であり、一方０．５％を越えるとこの効果が飽和するため０．００５〜０．５％に制限した。
Ｔｉは、脱酸およびＴｉＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止する効果とともにＮを固定し耐遅れ破壊特性の向上に有効な固溶Ｂを確保する効果を有しているが、０．００３％未満ではこれらの効果が発揮されず、０．５％を越えても効果が飽和するため０．００３〜０．５％の範囲に限定した。
Ｂは、耐遅れ破壊特性を向上させる効果があり、更にオーステナイト粒界に偏析することにより焼入性を著しく高める効果も有しているが、Ｂが０．０００３％未満では前記の効果が発揮されず、０．００５％を超えても効果が飽和するため０．０００３〜０．００５％に制限した。
Ｐ、Ｓについては、特に制限しないものの、ＰＣ鋼棒の耐水素脆化特性を向上させる観点から、それぞれ０．０１５％以下が好ましい範囲である。また、ＮはＡｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉの窒化物を生成することによりオーステナイト粒の細粒化効果があるが、０．０１５％を越えると延性が低下するため、０．００３〜０．０１５％が好ましい範囲である。  
【００１１】
次に、ＰＣ鋼棒のスポット溶接部表層の圧縮残留応力の限定理由について説明する。
以下に説明する超音波打撃処理による圧縮残留応力がＰＣ鋼棒の引張強さの１０％未満では、耐遅れ破壊特性の向上効果が少ないために、圧縮残留応力の下限をＰＣ鋼棒の引張強さの１０％に制限した。
一方、ＰＣ鋼棒の引張強さの９０％を超えるような圧縮残留応力を超音波打撃処理で付与することは困難であるため、上限をＰＣ鋼棒の引張強さの９０％に限定した。耐遅れ破壊特性の向上と超音波打撃処理のコストの観点で、好ましいＰＣ鋼棒のスポット溶接の圧縮残留応力の範囲は、ＰＣ鋼棒の引張強さの３０〜７０％である。なお、本発明の残留応力はＸ線法で測定したものであり、測定箇所はスポット溶接部と母材の境界を含む領域である。
【００１２】
本発明の高強度ＰＣ鋼棒は、焼入れ・焼戻し処理によって所定の強度を得るものであり、焼戻しマルテンサイトが主体の組織である。その他の組織として、フェライト、ベイナイト、パーライトの１種または２種以上を面積率で１０％以下を含有しても良い。フェライト、ベイナイト、パーライトの面積率は、ＰＣ鋼棒の中心部において２ｍｍ2以上の視野を光学顕微鏡（５００倍）で観察することによって、測定できる。
【００１３】
次に、本発明の耐遅れ破壊特性向上方法の限定理由について説明する。
図１は、本発明のＰＣ鋼棒の耐遅れ破壊特性向上方法の実施形態を例示する図である。
図１において、１はＰＣ鋼棒、２は補助筋、３はスポット溶接部、４は超音波振動端子を示す。
本発明では、焼入れ・焼戻し処理を施したＰＣ鋼棒１と補助筋２にスポット溶接を施し、その後、スポット溶接部３に図１の矢印方向に振動する超音波振動端子４を押付けて打撃処理を行うものである。
この内、焼入れ・焼戻し処理条件は、従来の方法で良いため、特に限定しないが、耐遅れ破壊特性を向上させる好ましい条件は下記の通りである。
焼入れ処理の加熱温度は、９００〜１０００℃の範囲にし、その後、水冷または油冷を行いマルテンサイト組織にする。焼戻しは、４００〜７００℃の温度範囲で行う。耐水素脆化特性向上の点でより好ましい温度範囲は、５００〜７００℃である。また、加熱と焼戻しは、炉加熱よりも処理時間の短い高周波加熱の方が、耐遅れ破壊特性が良好なため、高周波加熱による焼入れ・焼戻しが好ましい熱処理方法である。
【００１４】
次にスポット溶接部の超音波打撃処理の条件について説明する。
超音波振動子の硬度がＰＣ鋼棒の硬度の１．２倍未満では、超音波打撃処理によるスポット溶接への圧縮残留応力を効率的に付与することが困難であるため、超音波振動子とＰＣ鋼棒の硬度比を１．２以上に限定した。超音波振動子の振動数が１０ｋＨｚ未満では、効率的に圧縮残留応力を付与することができないため、下限を１０ｋＨｚに限定した。一方、６０ｋＨｚを超える振動数で超音波打撃処理を行っても圧縮残留応力の導入効果が飽和するため、振動数の上限を６０ｋＨｚに制限した。振動数の好ましい範囲は、２０〜４０ｋＨｚである。超音波の出力が５００Ｗ未満では、所定の圧縮残留応力を付与させるための超音波打撃処理時間が長くなり経済的でないため、下限を５００Ｗに限定した。超音波出力が５０００Ｗを超えても効果が飽和するため、５０００Ｗを上限にした。超音波振動子のスポット溶接部への押し付け力が１０Ｎ未満では、効率的に圧縮残留応力を付与することができず経済的でないため、下限を１０Ｎに制限した。一方、押し付け力が１０００Ｎを超えて超音波打撃処理を行っても効果が飽和するため、上限を１０００Ｎに制限した。
超音波打撃処理による圧縮残留応力付与は、従来のショットピーニングによる圧縮残留応力付与よりも、耐遅れ破壊特性が優れている。この理由は、
１）超音波打撃処理による圧縮残留応力はショットピーニングよりも高い
２）超音波打撃処理による圧縮残留応力はショットピーニングよりも鋼材内部まで付与されている
３）超音波打撃処理の部位は塑性変形されており、耐遅れ破壊特性が向上する
ことに起因すると推定される。
【実施例１】
【００１５】
以下、実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明する。
表１に示す化学成分を有する供試材を通常の熱間圧延条件で圧延した。その後、９３０〜９８０℃の高周波加熱による焼入れ処理を行い、高周波加熱による５００〜７００℃の焼戻しを施してＰＣ鋼棒を製造した。ミクロ組織は、いずれも焼戻しマルテンサイトが面積率で９５〜１００％であり、残部はフェライト、ベイナイト、パーライトの１種または２種以上であった。焼入れ・焼戻し処理後に、スポット溶接を施し、その後、スポット溶接部に超音波打撃処理を行った。超音波打撃処理の条件を表２に示す。
上記試料を用いて、機械的性質と残留応力の調査および遅れ破壊試験を行った。遅れ破壊試験は、同一の条件で製造したＰＣ鋼棒をそれぞれ１００本の大気暴露試験を行い、遅れ破壊の破断比率（％）で評価した。大気暴露試験におけるＰＣ鋼棒の締め付け荷重はＰＣ鋼棒の引張破断荷重の８０％であり、大気暴露期間は２年間で評価した。これらの結果を表２に示す。表２の試験Ｎｏ.１〜２３が本発明例で、試験Ｎｏ.２４〜３７が比較例である。同表に見られるように本発明例は、いずれもスポット溶接部に高い圧縮残留応力が付与されており、この結果、遅れ破壊の破断比率が全て０％となり耐遅れ破壊特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒が実現されている。
【００１６】
これに対して、比較例であるＮｏ.２４、２５は、いずれもＣ含有量が低すぎるために、目的とする１４００ＭＰａ以上の高強度ＰＣ鋼棒が実現できなかった例である。
比較例であるＮｏ.２６、３０、３２、３４は、いずれもスポット溶接ままのＰＣ鋼棒の例である。スポット溶接部の残留応力は引張残留応力となっているため、遅れ破壊の破断比率が高い例である。
比較例であるＮｏ.２７〜２９、３１、３３、３７は、いずれも超音波打撃処理の条件が不適切な例である。即ち、Ｎｏ.２７は超音波振動子とＰＣ鋼棒の硬度比が低いために、Ｎｏ.２８および３７は超音波振動子の振動数が低いために、Ｎｏ.２９および３３は超音波振動子のスポット溶接部への押し付け力が低すぎるために、更にＮｏ.３１超音波出力が低すぎるために、いずれもＰＣ鋼棒のスポット溶接部の残留応力が高い圧縮残留応力状態にすることができていない。この結果、遅れ破壊の破断比率が高く、遅れ破壊を防止できなかった例である。
比較例であるＮｏ.３５，３６は、いずれも従来のショットピーニング処理でスポット溶接部の残留応力を変化させた例である。ショットピーニング処理では、本発明例に比べ溶接部の圧縮残留応力が低い。この結果、遅れ破壊の破断比率が高く、耐遅れ破壊特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒が実現できなかった例である。
【表１】
2006104550.tif 000003
【表２】
2006104550.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のＰＣ鋼棒の耐遅れ破壊特性向上方法の実施形態を例示する図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  ＰＣ鋼棒
２  補助筋
３  スポット溶接部
４  超音波振動端子
【図１】
2006104550.tif 000005