(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼が、化学成分として、質量％で、
Ｃ  ：０．０５〜０．１６０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．６０％、
Ｍｎ：０．８０〜１．７０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％、
Ｖ  ：０．０５〜０．１２０％、
Ｔｉ：０．００１〜０．０２５％、
Ｎ  ：０．０００１〜０．０１２０％、
Ｃｒ：０〜０．３０％、
Ｍｏ：０〜０．２０％、
Ｎｉ：０〜０．５０％、
Ｃｕ：０〜０．３５％、
Ｗ  ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．００５０％、
Ｚｒ：０〜０．００５０％
を含有し、
Ａｌ：０．１０％以下、
Ｂ  ：０．０００３％以下
に制限し、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５としたとき、前記化学成分中のＣ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕが、０．３０≦Ｃｅｑ≦０．４８を満足し、
前記鋼が、金属組織として、面積分率で、
フェライトを６０〜１００％未満含み、
マルテンサイトとオーステナイトとの混合組織ＭＡを３．０％以下に制限し、
前記フェライト及び前記ＭＡ以外の組織を３７％以下に制限し、
前記フェライトの平均粒径が１〜３０μｍであり、
前記鋼を圧延方向と直交する切断面で見たとき、形状がＨ形であり、フランジの厚みが２０〜１４０ｍｍであり、
前記フランジの幅方向長さをＦとしたとき、前記フランジの幅方向端面から（１／６）Ｆの位置にて、引張降伏応力が３８５〜５３０ＭＰａで、引張最大強度が４９０〜６９０ＭＰａであり、
前記フランジの厚みをｔ２としたとき、前記（１／６）Ｆの位置かつ、前記フランジの厚さ方向外側の面から（１／４）ｔ２の位置にて、−２０℃でのシャルピー試験の吸収エネルギーが１００Ｊ以上である
ことを特徴とするＨ形鋼。
【請求項２】
前記鋼が、前記化学成分として、質量％で、
Ｎｂ：０．０２超〜０．０５０％
を含有する
ことを特徴とする請求項１に記載のＨ形鋼。
【請求項３】
前記鋼が、前記化学成分として、質量％で、
Ｎ：０．００５超〜０．０１２０％
を含有する
ことを特徴とする請求項１に記載のＨ形鋼。
【請求項４】
前記鋼が、前記化学成分として、質量％で、
Ｃｕ：０．０３％未満
に制限する
ことを特徴とする請求項１に記載のＨ形鋼。
【請求項５】
前記鋼が、前記化学成分として、質量％で、
Ａｌ：０．００３％未満
に制限する
ことを特徴とする請求項１に記載のＨ形鋼。
【請求項６】
前記フランジの前記厚みが２５〜１４０ｍｍである
ことを特徴とする請求項１に記載のＨ形鋼。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載のＨ形鋼の製造方法であって、
請求項１〜５の何れか１項に記載の前記化学成分を有する溶鋼を得る製鋼工程と、
前記製鋼工程後の前記溶鋼を鋳造して鋼片を得る鋳造工程と、
前記鋳造工程後の前記鋼片を１１００〜１３５０℃に加熱する加熱工程と、
前記加熱工程後の前記鋼片に対して、圧延方向と直交する切断面で見たときの形状がＨ形となるように、フランジの幅方向端面から（１／６）Ｆの位置での累積圧下率が９００℃超〜１１００℃で２０％以上であり、前記位置での累積圧下率が７３０〜９００℃で１５％以上であり、７３０℃以上で圧延を終了する条件で圧延を行う熱間圧延工程と、
前記熱間圧延工程後の熱延材を放冷する冷却工程と、を備える
ことを特徴とするＨ形鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強度及び低温靭性に優れる厚手のＨ形鋼及びその製造方法に関する。本願は、２０１６年１２月２１日に、日本に出願された特願２０１６−２４８１８１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高層ビルなど建築物の大型化や高層化が進んでおり、構造上で必要となる強度部材として、厚手の鋼材が利用されている。しかし、一般に、鉄鋼材料は、製品の厚さが増大するほど、強度の確保が難しくなり、更に靭性の確保も難しくなる。【０００３】
このような問題に対し、特許文献１では、Ｃａ−Ａｌ系酸化物による旧オーステナイト粒の微細化効果を利用して靭性を確保しつつ、加速冷却を適用して高い強度を確保した鋼材を得る技術が提案されている。【０００４】
また、特許文献２では、Ｍｇ−Ｓ系介在物による旧オーステナイト粒の微細化効果を利用して靭性を確保しつつ、加速冷却を適用して高い強度を確保した鋼材を得る技術が提案されている。【０００５】
しかし、厚手の鋼板を製造する際、熱間圧延後に加速冷却を適用すると、鋼板の内部では表面に比べて冷却速度が遅くなり、表面と内部とでは冷却中の温度履歴に大きな差が生じ、鋼材の部位によって強度、延性、靭性といった機械特性に差が生じる。【０００６】
また、大型の建築物には、厚手のＨ形鋼の使用が望まれているが、このＨ形鋼は形状が特異である。鋼片をＨ形状へ成形するにはユニバーサル圧延などが適用されるが、ユニバーサル圧延では圧延条件（温度、圧下率）が制限される。そのため、Ｈ形鋼を製造する場合、特にフランジの厚みが２０ｍｍ以上である厚手のＨ形鋼を製造する場合には、一般的な厚手の鋼板（厚鋼板）に比べて、機械特性を制御することが容易ではない。【０００７】
このような問題に対し、特許文献３および４では、Ｃ量を低減し、Ｂを添加した鋼片を熱間圧延した後、放冷して、均質な機械特性を確保する方法が提案されている。
また、特許文献５〜８では、高強度、高靱性などを目的とした厚手のＨ形鋼又はＨ形鋼の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】日本国特許第５６５５９８４号公報
【特許文献２】日本国特許第５８６７６５１号公報
【特許文献３】日本国特開２００３−３２８０７０号公報
【特許文献４】日本国特開２０１１−１０６００６号公報
【特許文献５】日本国特開平１１−１５８５４３号公報
【特許文献６】日本国特開平１１−３３５７３５号公報
【特許文献７】日本国特開２０１６−８４５２４号公報
【特許文献８】日本国特開平１０−６８０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来、フランジの厚みが２０ｍｍ以上のような厚手のＨ形鋼では、機械特性を制御することが容易ではなかったので、このような厚手のＨ形鋼では、室温か、せいぜい０℃での靭性を満足することのみが要求されていた。しかし、近年では、寒冷地等での使用を考慮して、厚手のＨ形鋼に対して、より低温での靭性に優れることが要求されている。加えて、構造材料としての単位重量当たりの強度を考慮して、厚手のＨ形鋼に対して、降伏応力（具体的には降伏強度もしくは０．２％耐力）が３８５ＭＰａ以上であることも要求されている。【００１０】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、強度及び低温靭性に優れる厚手のＨ形鋼及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）本発明の一態様にかかるＨ形鋼は、鋼が、化学成分として、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１６０％、Ｓｉ：０．０１〜０．６０％、Ｍｎ：０．８０〜１．７０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％、Ｖ：０．０５〜０．１２０％、Ｔｉ：０．００１〜０．０２５％、Ｎ：０．０００１〜０．０１２０％、Ｃｒ：０〜０．３０％、Ｍｏ：０〜０．２０％、Ｎｉ：０〜０．５０％、Ｃｕ：０〜０．３５％、Ｗ：０〜０．５０％、Ｃａ：０〜０．００５０％、Ｚｒ：０〜０．００５０％を含有し、Ａｌ：０．１０％以下、Ｂ：０．０００３％以下に制限し、残部がＦｅ及び不純物からなり、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５としたとき、前記化学成分中のＣ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕが、０．３０≦Ｃｅｑ≦０．４８を満足し、前記鋼が、金属組織として、面積分率で、フェライトを６０〜１００％未満含み、マルテンサイトとオーステナイトとの混合組織ＭＡを３．０％以下に制限し、前記フェライト及び前記ＭＡ以外の組織を３７％以下に制限し、前記フェライトの平均粒径が１〜３０μｍであり、前記鋼を圧延方向と直交する切断面で見たとき、形状がＨ形であり、フランジの厚みが２０〜１４０ｍｍであり、前記フランジの幅方向長さをＦとしたとき、前記フランジの幅方向端面から（１／６）Ｆの位置にて、引張降伏応力が３８５〜５３０ＭＰａで、引張最大強度が４９０〜６９０ＭＰａであり、前記フランジの厚みをｔ２としたとき、前記（１／６）Ｆの位置かつ、前記フランジの厚さ方向外側の面から（１／４）ｔ２の位置にて、−２０℃でのシャルピー試験の吸収エネルギーが１００Ｊ以上である。
（２）上記（１）に記載のＨ形鋼では、前記鋼が、前記化学成分として、質量％で、Ｎｂ：０．０２超〜０．０５０％を含有してもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載のＨ形鋼では、前記鋼が、前記化学成分として、質量％で、Ｎ：０．００５超〜０．０１２０％を含有してもよい。
（４）上記（１）〜（３）の何れか１つに記載のＨ形鋼では、前記鋼が、前記化学成分として、質量％で、Ｃｕ：０．０３％未満に制限してもよい。
（５）上記（１）〜（４）の何れか１つに記載のＨ形鋼では、前記鋼が、前記化学成分として、質量％で、Ａｌ：０．００３％未満に制限してもよい。
（６）上記（１）〜（５）の何れか１つに記載のＨ形鋼では、前記フランジの前記厚みが２５〜１４０ｍｍであってもよい。
（７）本発明の一態様にかかるＨ形鋼の製造方法は、上記（１）〜（６）の何れか１つに記載のＨ形鋼の製造方法であって、上記（１）〜（５）の何れか１つに記載の化学成分を有する溶鋼を得る製鋼工程と、前記製鋼工程後の前記溶鋼を鋳造して鋼片を得る鋳造工程と、前記鋳造工程後の前記鋼片を１１００〜１３５０℃に加熱する加熱工程と、前記加熱工程後の前記鋼片に対して、圧延方向と直交する切断面で見たときの形状がＨ形となるように、フランジの幅方向端面から（１／６）Ｆの位置での累積圧下率が９００℃超〜１１００℃で２０％以上であり、前記位置での累積圧下率が７３０〜９００℃で１５％以上であり、７３０℃以上で圧延を終了する条件で圧延を行う熱間圧延工程と、前記熱間圧延工程後の熱延材を放冷する冷却工程と、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の上記態様によれば、強度及び低温靭性に優れる厚手のＨ形鋼及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るＨ形鋼の試験片を採取する位置を説明する断面模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るＨ形鋼の製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について詳しく説明する。ただ、本発明は本実施形態に開示の構成のみに制限されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。また、下記する数値限定範囲には、下限値及び上限値がその範囲に含まれる。「超」または「未満」と示す数値は、その値が数値範囲に含まれない。各元素の含有量に関する「％」は、「質量％」を意味する。
【００１５】
上述したように、これまで、フランジの厚みが２０ｍｍ以上である厚手のＨ形鋼には、室温か、せいぜい０℃での靭性が要求されていた。しかし、現在では、寒冷地等での使用を考慮して、厚手のＨ形鋼に対して、−２０℃程度のより低温での靭性に優れることが要求される。加えて、構造材料としての単位重量当たりの強度を考慮して、厚手のＨ形鋼に対して、降伏応力（具体的には降伏強度もしくは０．２％耐力）が３８５ＭＰａ以上であることも要求される。
【００１６】
そこで本発明者らは、厚手のＨ形鋼（以下、鋼材と記載する場合がある）に関して、特にＨ形鋼の構造上で重要な部位であるフランジに関して、強度および低温靭性に及ぼす鋼組成（鋼の化学成分）および鋼組織（鋼の金属組織）の影響について検討を行い、以下の知見を得た。なお、本実施形態では、強度は、引張降伏応力および引張最大強度のことを意味し、低温靭性は、−２０℃でのシャルピー試験の吸収エネルギーのことを意味する。
【００１７】
まず、合金元素の添加による過剰な焼入性の上昇は、鋼材中のマルテンサイト−オーステナイト混合組織（以下、ＭＡと記載する）の生成を助長し、低温靭性の低下をもたらす。特に、合金元素のうちＢはＭＡ生成を助長する傾向が顕著なので、Ｂを積極的に添加せず不純物レベル以下に制限することが効果的である。
【００１８】
また、高い降伏応力（降伏強度または０．２％耐力）を実現し、同時に−２０℃での靭性を向上させるためには、Ｎｂの添加が効果的である。Ｎｂは、析出強化を通じて鋼材の強度を上昇させるため、過度に焼入性を上昇させる必要がなく、ＭＡの生成を助長せずに鋼材の強度を上昇させることができる。また、Ｎｂは、熱間圧延中のオーステナイトの再結晶を抑制し、圧延による鋼材中の歪を蓄積し、変態後のフェライトの細粒化をもたらす効果がある。
【００１９】
また、−２０℃での靭性を向上させるためには、Ｖの添加が効果的である。Ｖは、炭窒化物（ＶＣ、ＶＮ、又はその複合物）として析出してフェライトの核生成サイトとして機能し、フェライトの細粒化をもたらす効果がある。
【００２０】
また、Ｍｎの添加により、強度と低温靭性とが一層向上する。加えて、鋼成分を制御した上で、鋼組織として、フェライトの面積分率、ＭＡの面積分率、フェライトの平均結晶粒径などを制御することが、高強度と低温靭性とを両立する上で重要である。
【００２１】
鋼組織を安定的に制御するためには、鋼成分を制御した鋼片を熱間圧延する時に、オーステナイトの再結晶温度域と未再結晶温度域とで、それぞれ十分な圧延歪を与えることが必要である。具体的には、９００℃超〜１１００℃の温度域で、累積圧下率が２０％以上の熱間圧延を行い、さらに９００℃以下の温度域で、累積圧下率が１５％以上の熱間圧延を行う。９００℃超での圧延によって、オーステナイト粒を細粒化して焼入性を低下させてＭＡの生成量などを低く抑え、９００℃以下での圧延によって、鋼材中に歪を多く付与してフェライトの核生成頻度を増加させてフェライトを細粒化する。
【００２２】
また、鋼組織を安定的に制御するためには、熱間圧延後の冷却の際、鋼材の表面と内部とで冷却速度の差が小さいことが好ましい。熱間圧延後に鋼材を加速冷却しないで放冷する場合、鋼材の表面および内部では、冷却速度が共に小さくなり、その差も小さくなる。例えば、フランジ厚が２０ｍｍのＨ形鋼では、熱間圧延後に鋼材を放冷すると、８００℃から５００℃までの鋼材の表面および内部の平均冷却速度が共に１℃／秒以下となる。
【００２３】
熱間圧延後の冷却速度が遅い場合には、一般に、降伏応力および低温靭性を同時に確保することが容易ではない。ただ、鋼成分および製造条件を最適に制御することによって、降伏応力と低温靭性との両立が可能となる。例えば、鋼成分として、Ｃ含有量を０．０５％〜０．１６０％とし、Ｂを添加せず不純物レベル以下に制限し、ＮｂおよびＶを積極的に添加し、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｎなどの合金元素の含有量を適切に制御し、炭素当量Ｃｅｑを０．３０〜０．４８の範囲に制御する。加えて、製造条件を最適に制御して、鋼組織として、フェライトの面積分率、ＭＡの面積分率、フェライトの平均結晶粒径などを作りこむ。その結果、強度及び低温靭性に優れる厚手のＨ形鋼を得ることが可能となる。
【００２４】
以下、本実施形態に係るＨ形鋼について説明する。まず、鋼組成およびその限定理由について詳しく説明する。
【００２５】
本実施形態に係るＨ形鋼は、化学成分として、基本元素を含み、必要に応じて選択元素を含み、残部がＦｅ及び不純物からなる。
【００２６】
本実施形態に係るＨ形鋼の化学成分のうち、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎが基本元素（主要な合金化元素）である。
【００２７】
（Ｃ：０．０５〜０．１６０％）
Ｃ（炭素）は、鋼の強化に有効な元素である。そのため、Ｃ含有量の下限を０．０５％とする。好ましくは、Ｃ含有量の下限を、０．０６０％、０．０７０％、または０．０８０％とする。一方、Ｃ含有量が０．１６０％を超えると、低温靭性の低下を招く。そのため、Ｃ含有量の上限を０．１６０％とする。低温靭性をさらに向上させるために、好ましくは、Ｃ含有量の上限を、０．１４０％、０．１３０％、または０．１２０％とする。
【００２８】
（Ｓｉ：０．０１〜０．６０％）
Ｓｉ（シリコン）は、脱酸元素であり、強度の向上にも寄与する元素である。そのため、Ｓｉ含有量の下限を０．０１％とする。好ましくは、Ｓｉ含有量の下限を、０．０５％、０．１０％、または０．１５％とする。一方、Ｓｉ含有量が０．６０％を超えると、ＭＡの生成を助長し、低温靭性の低下を招く。そのため、Ｓｉ含有量の上限を０．６０％とする。低温靭性をさらに向上させるために、好ましくは、Ｓｉ含有量の上限を、０．４０％または０．３０％とする。
【００２９】
（Ｍｎ：０．８０〜１．７０％）
Ｍｎ（マンガン）は、強度の向上に寄与する元素である。そのため、Ｍｎ含有量の下限を０．８０％とする。より強度を高めるに、好ましくは、Ｍｎ含有量の下限を、１．０％、１．１％、または１．２％とする。一方、Ｍｎ含有量が１．７０％を超えると、焼入性が過剰に上昇し、ＭＡの生成を助長し、低温靭性を損なう。そのため、Ｍｎ含有量の上限を１．７０％とする。好ましくは、Ｍｎ含有量の上限を、１．６０％または１．５０％とする。
【００３０】
（Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％）
Ｎｂ（ニオブ）は、熱間圧延時にオーステナイトの再結晶を抑制し、鋼材中に加工歪を蓄積させることでフェライトの細粒化に寄与し、更に、析出強化により強度の向上に寄与する元素である。そのため、Ｎｂ含有量の下限を０．００５％とする。好ましくは、Ｎｂ含有量の下限を、０．０１０％、０．０２０％超、０．０２５％、または０．０３０％とする。ただし、Ｎｂ含有量が０．０５０％を超えると、著しい低温靭性の低下を招くことがある。そのため、Ｎｂ含有量の上限を０．０５０％とする。好ましくは、Ｎｂ含有量の上限を、０．０４５％、０．０４３％、または０．０４０％とする。なお、Ｎｂを意図的に添加しない場合、不純物として含まれるＮｂ含有量は０．００５％未満である。Ｎｂ含有量を０．００５％以上にするためには、Ｎｂを鋼へ意図的に含有させる。
【００３１】
（Ｖ：０．０５〜０．１２０％）
Ｖ（バナジウム）は、オーステナイトの粒内に炭窒化物として析出し、フェライトへの変態核として作用し、フェライト粒を微細化する効果を有する元素である。そのため、Ｖ含有量の下限を０．０５％とする。好ましくは、Ｖ含有量の下限を、０．０５％超、０．０６％、または０．０７％とする。しかし、Ｖ含有量が０．１２０％を超えると、析出物の粗大化に起因して低温靭性を損なうことがある。そのため、Ｖ含有量の上限を０．１２０％とする。好ましくは、Ｖ含有量の上限を、０．１１０％または０．１００％とする。
【００３２】
（Ｔｉ：０．００１〜０．０２５％）
Ｔｉ（チタン）は、ＴｉＮを形成して、鋼中のＮを固定する元素である。そのため、Ｔｉ含有量の下限を０．００１％とする。ＴｉＮのピンニング効果によってオーステナイトをさらに細粒化するために、好ましくは、Ｔｉ含有量の下限を、０．００５％、０．００７％、または０．０１０％とする。一方、Ｔｉ含有量が０．０２５％を超えると、粗大なＴｉＮが生成し、低温靭性を損なう。そのため、Ｔｉ含有量の上限を０．０２５％とする。好ましくは、Ｔｉ含有量の上限を、０．０２０％、０．０１５％、または０．０１２％とする。
また、Ａｌを積極的に添加しない場合、Ｔｉが脱酸元素として働くので、Ｔｉと結合しないＮが生じる。ただ、このＮは、Ｔｉ酸化物を核としてＶ炭窒化物として析出する。すなわち、Ｔｉが脱酸元素として働いてＴｉ酸化物が析出することにより、Ｖ炭窒化物の析出が促進され、低温靭性を向上させることができる。
【００３３】
（Ｎ：０．０００１〜０．０１２０％）
Ｎ（窒素）は、ＴｉＮやＶＮを形成し、組織の細粒化や析出強化に寄与する元素である。そのため、Ｎ含有量の下限を０．０００１％とする。好ましくは、Ｎ含有量の下限を、０．００２０％、０．００３５％、０．００５０％超、または０．００６０％とする。しかし、Ｎ含有量が０．０１２０％を超えると、低温靭性が低下し、鋳造時の表面割れや製造された鋼材の歪時効による材質不良の原因となる。そのため、Ｎ含有量の上限を０．０１２０％とする。好ましくは、Ｎ含有量の上限を、０．０１１０％、０．０１００％、または０．００９０％とする。
【００３４】
本実施形態に係るＨ形鋼は、化学成分として、不純物を含有する。なお、「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、原料としての鉱石やスクラップから、または製造環境等から混入するものを指す。例えば、Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｓ、Ｏ等の元素を意味する。これら不純物のうち、ＡｌおよびＢは、本実施形態の効果を十分に発揮させるために、以下のように制限することが好ましい。また、不純物の含有量は少ないことが好ましいので、下限値を制限する必要がなく、不純物の下限値が０％でもよい。
【００３５】
（Ａｌ：０．１０％以下）
Ａｌ（アルミニウム）は、脱酸元素として用いられる元素であるが、Ａｌ含有量が０．１０％を超えると、酸化物が粗大化して脆性破壊の基点となり、低温靭性が低下する。そのため、Ａｌ含有量の上限を０．１０％に制限する。また、Ａｌを積極的に脱酸元素として用いない場合には、Ｔｉが脱酸元素として働き、鋼中にＴｉ酸化物が析出する。このＴｉ酸化物は、Ｖ炭窒化物の核生成サイトとして機能し、フェライト粒径を微細化し、低温靭性の向上に寄与する。そのため、Ａｌを脱酸元素として用いずに、Ａｌを不純物として、Ａｌ含有量の上限を、０．００３％未満、０．００２％、または０．００１％に制限してもよい。なお、一般に、Ａｌ含有量を０．００３％以上にするためには、Ａｌを鋼へ意図的に含有させる。
【００３６】
（Ｂ：０．０００３％以下）
Ｂ（ボロン）は、焼入性を高め、ＭＡの生成を助長し、低温靭性を低下させる。そのため、本実施形態では、Ｂを積極的に添加せず不純物レベル以下に制限する。Ｂ含有量の上限を０．０００３％に制限する。好ましくは、Ｂ含有量の上限を、０．０００３％未満、０．０００２％、または０．０００１％に制限する。なお、一般に、Ｂ含有量を０．０００３％超にするためには、Ｂを鋼へ意図的に含有させる。
【００３７】
（Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｏ：０．００５％以下）
Ｐ（燐）、Ｓ（硫黄）、およびＯ（酸素）は不純物である。ＰおよびＳは、凝固偏析して溶接割れを助長し、また低温靭性を低下させる。好ましくは、Ｐ含有量の上限を、０．０３％、０．０２％、または０．０１％に制限する。また、好ましくは、Ｓ含有量の上限を、０．０２％または０．０１％に制限する。Ｏは、鋼中に固溶して低温靭性を低下させ、また酸化物粒子の粗大化によって低温靭性を低下させる。好ましくは、Ｏ含有量の上限を、０．００５％、０．００４％、または０．００３％に制限する。
【００３８】
本実施形態に係るＨ形鋼は、上記で説明した基本元素および不純物に加えて、選択元素を含有してもよい。例えば、上記した残部であるＦｅの一部に代えて、選択元素として、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｗ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｍｇ、及び／又はＲＥＭを含有してもよい。これらの選択元素は、その目的に応じて含有させればよい。よって、これらの選択元素の下限値を制限する必要がなく、下限値が０％でもよい。また、これらの選択元素が不純物として含有されても、上記効果は損なわれない。
【００３９】
（Ｃｒ：０〜０．３０％）
Ｃｒ（クロム）は、強度の向上に寄与する元素である。必要に応じて、Ｃｒ含有量を０〜０．３０％にしてもよい。強度のさらなる向上のために、好ましくは、Ｃｒ含有量の下限を、０．０１％、０．０５％、または０．１０％とする。一方、Ｃｒ含有量が０．３０％を超えると、ＭＡの生成を助長し、低温靭性を低下させることがある。そのため、好ましくは、Ｃｒ含有量の上限を、０．３０％、０．２５％、または０．２０％とする。
【００４０】
（Ｍｏ：０〜０．２０％）
Ｍｏ（モリブデン）は、鋼中に固溶して強度の向上に寄与する元素である。必要に応じて、Ｍｏ含有量を０〜０．２０％にしてもよい。強度のさらなる向上のために、好ましくは、Ｍｏ含有量の下限を、０．０１％、０．０５％、または０．１０％とする。しかし、Ｍｏ含有量が０．２０％を超えると、ＭＡの生成を助長し、低温靭性の低下を招くことがある。そのため、好ましくは、Ｍｏ含有量の上限を、０．２０％、０．１７％、または０．１５％とする。
【００４１】
（Ｎｉ：０〜０．５０％）
Ｎｉ（ニッケル）は、鋼中に固溶して強度の向上に寄与する元素である。必要に応じて、Ｎｉ含有量を０〜０．５０％にしてもよい。強度のさらなる向上のために、好ましくは、Ｎｉ含有量の下限を、０．０１％、０．０５％、または０．１０％とする。しかし、Ｎｉ含有量が０．５０％を超えると、焼入性を高め、ＭＡの生成を助長し、低温靭性を低下させることがある。そのため、好ましくは、Ｎｉ含有量の上限を、０．５０％、０．３０％、または０．２０％とする。
【００４２】
（Ｃｕ：０〜０．３５％）
Ｃｕ（銅）は、強度の向上に寄与する元素である。必要に応じて、Ｃｕ含有量を０〜０．３５％にしてもよい。しかし、Ｃｕの添加は、ＭＡの生成を助長し、低温靭性が低下することがある。そのため、好ましくは、Ｃｕ含有量を、０．３０％以下、０．２０％以下、０．１０％以下、あるいは、不純物レベルとなる０．０３％未満または０．０１％未満に制限してもよい。
【００４３】
（Ｗ：０〜０．５０％）
Ｗ（タングステン）は、鋼中に固溶して強度の向上に寄与する元素である。必要に応じて、Ｗ含有量を０〜０．５０％にしてもよい。好ましくは、Ｗ含有量の下限を、０．００１％、０．０１％、または０．１０％とする。しかし、Ｗ含有量が０．５０％を超えると、ＭＡの生成を助長し、低温靭性を低下させることがある。そのため、好ましくは、Ｗ含有量の上限を、０．５０％、０．４０％、または０．３０％とする。なお、Ｗを意図的に添加しない場合、不純物として含まれるＷ含有量は０．００１％未満である。Ｗ含有量を０．００１％以上にするためには、Ｗを鋼へ意図的に含有させる。
【００４４】
（Ｃａ：０〜０．００５０％）
Ｃａ（カルシウム）は、硫化物の形態制御に有効であり、粗大なＭｎＳの生成を抑制し、低温靭性の向上に寄与する元素である。必要に応じて、Ｃａ含有量を０〜０．００５０％にしてもよい。好ましくは、Ｃａ含有量の下限を、０．０００１％、０．０００５％、または０．００１０％とする。一方、Ｃａ含有量が０．００５０％を超えると、低温靭性が低下することがある。そのため、好ましくは、Ｃａ含有量の上限を、０．００５０％、０．００４０％、または０．００３０％とする。
【００４５】
（Ｚｒ：０〜０．００５０％）
Ｚｒ（ジルコニウム）は、炭化物、窒化物、又はその複合物として析出し、析出強化に寄与する元素である。必要に応じて、Ｚｒ含有量を０〜０．００５０％にしてもよい。好ましくは、Ｚｒ含有量の下限を、０．０００１％、０．０００５％、または０．００１０％とする。一方、Ｚｒ含有量が０．００５０％を超えると、Ｚｒの炭化物や窒化物などの粗大化を招き、低温靭性が低下することがある。そのため、好ましくは、Ｚｒ含有量の上限を、０．００５０％、０．００４０％、または０．００３０％とする。なお、Ｚｒを意図的に添加しない場合、不純物として含まれるＺｒ含有量は０．０００１％未満である。Ｚｒ含有量を０．０００１％以上にするためには、Ｚｒを鋼へ意図的に含有させる。
【００４６】
（Ｍｇ：０〜０．００５０％、ＲＥＭ：０〜０．００５０％）
Ｍｇ（マグネシウム）やＲＥＭ（希土類元素）は、母材靭性や溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性の向上に寄与する元素である。必要に応じて、Ｍｇ含有量を０〜０．００５０％、ＲＥＭ含有量を０〜０．００５０％にしてもよい。好ましくは、Ｍｇ含有量の下限を、０．０００５％、０．００１０％、または０．００２０％とし、ＲＥＭ含有量の下限を、０．０００５％、０．００１０％、または０．００２０％とする。一方、好ましくは、Ｍｇ含有量の上限を、０．００４０％、０．００３０％、または０．００２５％とし、ＲＥＭ含有量の上限を、０．００４０％、０．００３０％、または０．００２５％とする。
【００４７】
（Ｃｅｑ：０．３０〜０．４８）
本実施形態に係るＨ形鋼では、強度の確保の観点から、炭素当量Ｃｅｑを制御する。具体的には、Ｃｅｑを下記の式１としたとき、Ｈ形鋼の化学成分中のＣ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕが、質量％で、０．３０≦Ｃｅｑ≦０．４８を満足する。Ｃｅｑが０．３０未満であると、強度が不足する。そのため、Ｃｅｑの下限を０．３０とする。好ましくは、Ｃｅｑの下限を、０．３２％、０．３４％、または０．３５％とする。一方、Ｃｅｑが０．４８を超えると、低温靭性が低下する。そのため、Ｃｅｑの上限を０．４８とする。好ましくは、Ｃｅｑの上限を、０．４５％、０．４３％、または０．４０％とする。なお、下記の式１によってＣｅｑを計算するとき、鋼中の含有量が検出限界以下の元素は、値として０を式１に代入してＣｅｑを計算すればよい。
【００４８】
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５  ・・・  （式１）
【００４９】
上記した鋼成分は、鋼の一般的な分析方法によって測定すればよい。例えば、鋼成分は、ＩＣＰ−ＡＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ−Ａｔｏｍｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定すればよい。なお、ＣおよびＳは燃焼−赤外線吸収法を用い、Ｎは不活性ガス融解−熱伝導度法を用い、Ｏは不活性ガス融解-非分散型赤外線吸収法を用いて測定すればよい。
【００５０】
次に、本実施形態に係るＨ形鋼の鋼組織およびその限定理由について詳しく説明する。
【００５１】
本実施形態に係るＨ形鋼では、鋼組織が、面積分率で、フェライトを６０〜１００％未満含み、マルテンサイトとオーステナイトとの混合組織ＭＡを３．０％以下に制限し、フェライト及びＭＡ以外の組織を３７％以下に制限する。また、フェライトの平均粒径を１μｍ以上、３０μｍ以下とする
【００５２】
（フェライトの面積分率：６０〜１００％未満）
フェライトは、本実施形態に係るＨ形鋼の鋼組織中での主要な構成相である。フェライトの面積分率が６０％未満であると、低温靱性が低下する。そのため、フェライト分率の下限を６０％とする。好ましくは、フェライト分率の下限を、６５％、７０％、または７５％とする。一方、フェライトの面積分率を１００％に制御することは、パーライトまたはベイナイトの生成を伴うため、物理的に困難である。そのため、フェライト分率の上限を１００％未満とする。強度と低温靱性とを好ましく制御するために、好ましくは、フェライト分率の上限を、９０％、８５％、または８０％とする。
【００５３】
（ＭＡの面積分率：３．０％以下）
ＭＡの生成が助長されると、低温靭性が低下する。本実施形態に係るＨ形鋼では、ＭＡの生成を助長せずに鋼材の強度を上昇させる。そのため、ＭＡ分率を３．０％以下に制限する。好ましくは、ＭＡ分率の上限を、２．５％、２．０％、または１．５％とする。なお、ＭＡ分率は小さいほど好ましいので、ＭＡ分率の下限が０％でもよい。
【００５４】
（フェライト及びＭＡ以外の組織の面積分率：３７％以下）
本実施形態に係るＨ形鋼の鋼組織には、上記したフェライト及びＭＡ以外の組織として、ベイナイトやパーライトなどが含まれる。フェライト及びＭＡ以外の組織が過剰に含まれると、低温靱性が低下する。そのため、フェライト及びＭＡ以外の組織（上記したフェライト及びＭＡの残部）の面積分率を３７％以下に制限する。好ましくは、フェライト及びＭＡ以外の組織の分率を、３５％以下、３０％以下、または２５％以下とする。なお、フェライト及びＭＡ以外の組織の分率は小さいほど好ましいので、この下限が０％でもよい。
【００５５】
（フェライトの平均粒径：１〜３０μｍ）
フェライトの平均粒径は微細であることが好ましい。フェライト粒径が３０μｍを超えると、低温靱性が低下する。そのため、フェライト粒径の上限を３０μｍとする。好ましくは、フェライト粒径の上限を、２５μｍ、２２μｍ、または１８μｍとする。一方、フェライト粒径を１μｍ未満に制御することは、工業的に困難である。そのため、フェライト粒径の下限を１μｍとする。好ましくは、フェライト粒径の下限を、３μｍ、５μｍ、または１０μｍとする。
【００５６】
上記した鋼組織は、光学顕微鏡による観察で判別すればよい。例えば、図１は、Ｈ形鋼の圧延方向と直交する断面模式図であるが、鋼組織は、図１に示す評価部位７近傍を観察面として観察する。具体的には、図１にて、フランジの幅方向端面５ａから（１／６）Ｆの位置かつ、フランジの厚さ方向外側の面５ｂから（１／４）ｔ２の位置である評価部位７近傍を観察面として、鋼組織を観察する。なお、この観察面は、フランジの幅方向端面５ａと平行な面とする。
【００５７】
上記した観察面を研磨および腐食して鋼組織を観察する。研磨は、観察面が鏡面となるまで行い、腐食は、構成相の同定に適した腐食液を用いる。例えば、鏡面に仕上げた観察面をナイタール液で腐食して鋼組織を顕出させると、パーライトやベイナイトが着色されるので、フェライト、マルテンサイト、およびオーステナイトを同定することができる。また、鏡面に仕上げた観察面をレペラー液で腐食して鋼組織を顕出させると、マルテンサイトおよびオーステナイト以外の構成相が黒く着色されるので、マルテンサイトとオーステナイトとの混合組織ＭＡを同定することができる。
【００５８】
本実施形態に係るＨ形鋼では、ナイタール腐食した観察面からフェライトおよびＭＡの分率を求め、残部をパーライトおよびベイナイトの組織の分率とし、レペラー腐食した観察面からＭＡ分率を求める。具体的には、ナイタール腐食した観察面にて撮影した２００倍の光学顕微鏡写真（必要に応じて複数視野）上に、一辺が２５μｍの格子状に測定点を配置し、少なくとも１０００の測定点でフェライトまたはＭＡか否かを判別し、フェライトまたはＭＡと判断した測定点の数を、全測定点の数で割った値をフェライトまたはＭＡの分率とする。
【００５９】
同様に、レペラー腐食した観察面にて撮影した２００倍の光学顕微鏡写真（必要に応じて複数視野）上に、一辺が２５μｍの格子状に測定点を配置し、少なくとも１０００の測定点でＭＡか否かを判別し、ＭＡと判断した測定点の数を、全測定点の数で割った値をＭＡ分率とする。そして、フェライトの分率は、上記で求めたパーライト、ベイナイト、およびＭＡ分率の合計分率を１００％から差し引くことにより求める。
【００６０】
また、本実施形態に係るＨ形鋼では、上記したナイタール腐食した観察面にて撮影した２００倍の光学顕微鏡写真を用いて、ＪＩＳ  Ｇ０５５１（２０１３）に準拠した切断法からフェライトの平均粒径を求める。
【００６１】
次に、本実施形態に係るＨ形鋼の機械特性について詳しく説明する。
【００６２】
本実施形態に係るＨ形鋼では、平均的な機械特性（強度および低温靭性）が得られる位置として、図１に示す評価部位７を含む領域から試験片を採取して機械特性を評価する。
【００６３】
まず、図１における評価部位７について説明する。図１は、Ｈ形鋼の圧延方向と直交する断面模式図である。図１において、Ｘ軸方向をフランジの幅方向と定義し、Ｙ軸をフランジの厚さ方向と定義し、Ｚ軸方向を圧延方向と定義する。
【００６４】
図１に示すように、評価部位７の中心は、フランジの幅方向長さをＦとし、フランジの厚みをｔ２としたとき、フランジの幅方向端面から（１／６）Ｆの位置かつ、フランジの厚さ方向外側の面から（１／４）ｔ２の位置である。なお、フランジの厚さ方向外側の面とは、フランジの厚さ方向の一方の面であって、ウェブ６とは接しない方の面であり、図１に示す面５ｂである。また、フランジの幅方向端面とは、図１に示す端面５ａである。
【００６５】
シャルピー試験により低温靭性を評価する際の試験片は、評価部位７の位置から、試験片の長手方向が圧延方向と平行になるように採取する。また、試験片においてノッチを成形する面は、フランジの幅方向端面５ａと平行な何れかの面とする。また、上記試験片は、フランジの幅方向端面５ａから（１／６）Ｆの位置かつ、フランジの厚さ方向外側の面５ｂから（１／４）ｔ２の位置であればどの位置から採取してもよい。
【００６６】
引張試験により降伏応力（降伏強度又は０．２％耐力）および引張強度（引張最大強度）を評価する際の試験片は、図１において、フランジの幅方向端面５ａから（１／６）Ｆの位置が試験片の厚さ方向中心となるように採取する。試験片は、試験片の長手方向が圧延方向と平行になり、また、フランジの厚さ方向全部を切り出すようにすればよい。なお、上記試験片は、フランジの幅方向端面５ａから（１／６）Ｆの位置であればどの位置から採取してもよい。
【００６７】
本実施形態に係るＨ形鋼では、機械特性として、常温での降伏応力が３８５ＭＰａ以上となり、引張強度が４９０ＭＰａ以上となり、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上となる。強度が高すぎると低温靭性を損なうことがあるため、好ましくは、降伏応力の上限を５３０ＭＰａ、引張強度の上限を６９０ＭＰａとする。また、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーを５００Ｊ超とすることは工業的に困難であるので、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーの上限を５００Ｊとしてもよい。なお、常温とは２０℃のことを指す。
【００６８】
本実施形態に係るＨ形鋼の機械特性を評価する際、引張試験はＪＩＳ  Ｚ２２４１（２０１１）に準拠して行い、シャルピー試験はＪＩＳ  Ｚ２２４２（２００５）に準拠して行う。なお、引張試験から得られる応力−歪曲線に降伏現象が認められるときには降伏応力として降伏強度を求め、応力−歪曲線に降伏現象が認められないときには降伏応力として０．２％耐力を求める。
【００６９】
次に、本実施形態に係るＨ形鋼の形状について詳しく説明する。
【００７０】
本実施形態に係るＨ形鋼では、フランジの厚みｔ２を２０〜１４０ｍｍとする。例えば、高層建築構造物では、強度部材として厚手のＨ形鋼が求められている。そのため、フランジ厚の下限を２０ｍｍとする。好ましくは、フランジ厚の下限を、２５ｍｍ、４０ｍｍ、または５６ｍｍとする。一方、フランジの厚みｔ２が１４０ｍｍを超えると、熱間加工時の加工量が不足し強度と低温靭性の両立が難しい。そのため、フランジ厚の上限を１４０ｍｍとする。好ましくは、フランジ厚の上限を、１２５ｍｍ、８９ｍｍ、または７７ｍｍとする。例えば、フランジの厚みｔ２は、２５〜１４０ｍｍであることが好ましい。なお、Ｈ形鋼のウェブの厚みｔ１は特に規定しないが、２０〜１４０ｍｍであることが好ましく、２５〜１４０ｍｍであることがより好ましい。
【００７１】
また、Ｈ形鋼を熱間圧延で製造する場合、フランジの厚み／ウェブの厚みの比（ｔ２／ｔ１）は、０．５〜２．０であることが好ましい。フランジの厚み／ウェブの厚みの比（ｔ２／ｔ１）が２．０を超えると、ウェブが波打ち状の形状に変形することがある。一方、フランジの厚み／ウェブの厚みの比（ｔ２／ｔ１）が０．５未満の場合は、フランジが波打ち状の形状に変形することがある。
【００７２】
従来技術では、フランジの厚みが２０ｍｍ以上のような厚手のＨ形鋼で、強度と靭性とを両立させることが難しかった。しかし、本実施形態に係るＨ形鋼では、フランジ厚が２０ｍｍ以上の厚手のＨ形鋼であるにもかかわらず、鋼成分および鋼組織を最適に制御するので、強度と低温靭性との両立が可能となる。
【００７３】
次に、本実施形態に係るＨ形鋼の好ましい製造方法について詳しく説明する。
【００７４】
本実施形態に係るＨ形鋼の製造方法は、製鋼工程と、鋳造工程と、加熱工程と、熱間圧延工程と、冷却工程とを有する。
【００７５】
製鋼工程では、上記した鋼組成となるように、溶鋼の化学成分を調整する。製鋼工程では、転炉精錬や二次精錬を行って製造した溶鋼を用いてもよく、電気炉で溶解した溶鋼を原料として用いてもよい。製鋼工程では、必要に応じて、脱酸処理や真空脱ガス処理を行ってもよい。
【００７６】
鋳造工程では、製鋼工程後の溶鋼を鋳造し、鋼片を得る。鋳造は、連続鋳造法、インゴット法などにより行う。生産性の観点から、連続鋳造が好ましい。鋼片の形状は、製造されるＨ形鋼に近い形状のビームブランクが好ましいが、特に制限されない。また、鋼片の厚みは、生産性の観点から、２００ｍｍ以上とすることが好ましく、偏析の低減や、熱間圧延を行う前の加熱温度の均質性などを考慮すると、３５０ｍｍ以下が好ましい。
【００７７】
加熱工程では、鋳造工程後の鋼片を１１００〜１３５０℃に加熱する。鋼片の加熱温度が１１００℃未満であると仕上圧延時の変形抵抗が高くなる。そのため、加熱温度の下限を１１００℃とする。Ｎｂなど、炭化物や窒化物などを形成する元素を十分に固溶させるために、好ましくは、加熱温度の下限を１１５０℃とする。一方、加熱温度が１３５０℃を超えると、鋼片表面のスケールが液体化して製造に支障が出る。そのため、加熱温度の上限を１３５０℃とする。なお、加熱工程では、鋳造工程後の室温まで冷却していない鋼片を用いてもよい。
【００７８】
熱間圧延工程では、加熱工程後の鋼片に対して、粗圧延、中間圧延、仕上圧延を行う。粗圧延では、圧延方向と直交する切断面で見たときの形状が略Ｈ形状になるように成形を行う。この略Ｈ形状の鋼片に対して、鋼の表面温度が９００℃超〜１１００℃の温度域で、累積圧下率が２０％以上の熱間圧延を行い、さらに鋼の表面温度が７３０℃〜９００℃の温度域で、累積圧下率が１５％以上の熱間圧延を行う。この熱間圧延では、上記の切断面で見たときの形状が最終的にＨ形状になるように成形を行う。
【００７９】
９００℃超〜１１００℃の温度域では、オーステナイト粒の細粒化によりベイナイトやＭＡの生成量を減らすため、累積圧下率を２０％以上とする。好ましくは、９００℃超〜１１００℃の温度域での累積圧下率の下限を、２５％、３０％、または３５％とする。必要に応じて、９００℃超〜１１００℃の温度域での累積圧下率の上限を６０％としてもよい。
【００８０】
７３０℃〜９００℃の温度域では、フェライトの細粒化のため、累積圧下率を１５％以上とする。好ましくは、７３０℃〜９００℃の温度域での累積圧下率の下限を、２０％、２５％、または３０％とする。必要に応じて、７３０℃〜９００℃の温度域での累積圧下率の上限を５０％としてもよい。
【００８１】
なお、７３０℃を下回る温度で圧延を行うと低温靭性の低下を招くことがある。そのため、圧延終了温度（圧延仕上温度）は、鋼の表面温度で７３０℃以上とする。好ましくは、圧延仕上温度の上限を、７５０℃とする。
【００８２】
熱間圧延工程では、粗圧延、中間圧延、仕上圧延を行うが、例えば、９００℃超〜１１００℃の温度域での圧延は、粗圧延、中間圧延、または仕上圧延の何れで行ってもよい。同様に、７３０℃〜９００℃の温度域での圧延は、粗圧延、中間圧延、または仕上圧延の何れで行ってもよい。本実施形態に係るＨ形鋼の製造方法では、上記の温度域での累積圧下率が制御されればよい。
【００８３】
また、上記温度域での累積圧下率は、図１に示すフランジの幅方向端面５ａから（１／６）Ｆに対応する位置のフランジ厚を基準に求める。例えば、９００℃超〜１１００℃の温度域での累積圧下率は、鋼の表面温度が１１００℃時点でのフランジ厚と９００℃に到達する直前のフランジ厚との差から計算される圧下率とする。同様に、７３０℃〜９００℃の温度域での累積圧下率は、鋼の表面温度が９００℃時点でのフランジ厚と７３０℃時点でのフランジ厚との差から計算される圧下率とする。
【００８４】
熱間圧延工程での、粗圧延、中間圧延、仕上圧延の方法は、特に限定されない。例えば、粗圧延としてブレークダウン圧延を行い、中間圧延としてユニバーサル圧延またはエッジング圧延を行い、仕上圧延としてユニバーサル圧延を行うことによって、圧延方向と直交する切断面で見たときの形状がＨ形となるように成形すればよい。
【００８５】
熱間圧延工程では、圧延パス間で水冷を行ってもよい。圧延パス間での水冷は、オーステナイトが相変態する温度よりも高い温度域での温度制御を目的として行われる冷却である。圧延パス間での水冷によって鋼材中にベイナイトやＭＡが生成することはない。
【００８６】
また、熱間圧延工程では、２ヒート圧延を行ってもよい。２ヒート圧延とは、一次圧延後に鋼片を５００℃以下に冷却した後、再度、鋼片を１１００〜１３５０℃に加熱して二次圧延を行う圧延方法である。２ヒート圧延では、熱間圧延での塑性変形量が少なく、圧延工程での温度の低下も小さくなるため、二度目の加熱温度を低めにすることができる。
【００８７】
冷却工程では、熱間圧延工程後の熱延材を冷却する。本実施形態に係るＨ形鋼の製造方法では、熱間圧延の終了後にそのまま熱延材を大気中で放冷する。大気中で熱延材を放冷した場合、８００℃から５００℃までの鋼材の表面および内部の平均冷却速度は１℃／秒以下となる。熱延材を大気中で放冷することによって、鋼材の表面および内部での冷却速度が均一となるので、鋼材の部位による機械特性のばらつきが抑制される。なお、本実施形態に係るＨ形鋼の製造方法で、放冷は、熱間圧延直後から鋼材温度が４００℃以下になるまで、強制的な冷却を行うことなしに大気中で冷却することを意味する。
【００８８】
従来技術では、強度と靭性との両立を図るために熱延材を加速冷却していたので、鋼材の表面および内部で機械特性のばらつきが生じていた。一方、本実施形態に係るＨ形鋼の製造方法では、熱延材を大気中で放冷しているにもかかわらず、鋼成分および鋼組織を最適に制御するので、鋼材の表面および内部で機械特性のばらつきが生じることなしに強度と低温靭性との両立が可能となる。
【００８９】
本実施形態に係るＨ形鋼の製造方法は、高度な製鋼技術や加速冷却を必要としないので、製造負荷低減、工期の短縮を図ることができる。したがって、本実施形態に係るＨ形鋼は、経済性を損なうことなく、大型建造物の信頼性を向上させることができる。
【実施例１】
【００９０】
次に、実施例により本発明の一態様の効果を更に具体的に詳細に説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に制限されない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限り、種々の条件を採用し得る。【００９１】
表１〜表３に示す化学成分を有する鋼を溶製し、連続鋳造により、厚みが２４０〜３００ｍｍの鋼片を製造した。鋼の溶製は転炉で行い、一次脱酸し、合金元素を添加して成分を調整し、必要に応じて、真空脱ガス処理を行った。得られた鋼片を加熱し、熱間圧延を行い、Ｈ形鋼を製造した。成分Ｎｏ．１〜４８として示した鋼成分は、製造後の各Ｈ形鋼から採取した試料を化学分析して求めた。表中には示さないが、何れの実施例も、Ｐが０．０３％以下、Ｓが０．０２％以下、Ｏが０．００５％以下であった。なお、表中の化学成分の空欄は、鋼に積極的に添加しなかったか、または含有量が検出限界以下であったことを表す。【００９２】
Ｈ形鋼の製造工程を図２に示す。熱間圧延は、加熱炉１にて加熱された鋼片を、粗圧延機２ａ、中間圧延機２ｂ、仕上圧延機２ｃを含むユニバーサル圧延装置列で行った。熱間圧延の終了後にそのまま熱延材を４００℃以下になるまで放冷した。熱間圧延終了温度から５００℃までの熱延材の表面および内部の平均冷却速度は共に１℃／秒以下であった。熱間圧延のパス間で水冷を行う場合、中間ユニバーサル圧延機（中間圧延機）２ｂの前後に設けた水冷装置３を用いてフランジ外側面のスプレー冷却を行った。この際、リバース圧延を行った。【００９３】
表４〜表６に、製造条件および製造結果を示す。表４〜表６に示す熱間圧延時の圧下率は、図１に示すフランジの幅方向端面５ａから（１／６）Ｆに対応する位置での各温度域における累積圧下率である。【００９４】
製造したＨ形鋼について、上述したように、図１に示す評価部位７から採取した試験片を用いて−２０℃でシャルピー試験を行い、低温靭性を評価した。また、フランジの幅方向端面５ａから（１／６）Ｆの位置が厚さ方向の中心となる試験片を用いて常温（２０℃）で引張試験を行い、引張特性を評価した。また、図１に示す評価部位７近傍を観察面とする試料を用いて組織観察を行い、鋼組織を評価した。【００９５】
引張試験は、ＪＩＳ  Ｚ２２４１（２００５）に準拠して行った。引張試験の応力−歪曲線が降伏挙動を示す場合には降伏応力を降伏点とし、降伏挙動を示さない場合には降伏応力を０．２％耐力とした。シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ  Ｚ２２４２（２００５）に準拠して行った。シャルピー衝撃試験は−２０℃で行った。【００９６】
組織観察は、上述した方法により、光学顕微鏡写真を用いて、フェライト分率、ＭＡ分率、並びにフェライト及びＭＡ以外の組織の分率を測定した。また、フェライト及びＭＡ以外の組織は、ベイナイトまたはパーライトである。また、光学顕微鏡写真を用いて、ＪＩＳ  Ｇ０５５１（２０１３）に準拠した切断法によってフェライトの平均粒径を求めた。【００９７】
引張特性として、常温での降伏応力（ＹＳ）が３８５ＭＰａ以上であり、引張強度（ＴＳ）が４９０ＭＰａ以上である鋼材を合格と判断した。また、低温靭性として、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギー（ｖＥ−２０）が１００Ｊ以上である鋼材を合格と判断した。【００９８】
表１〜６に示すように、本発明例である製造Ｎｏ．１〜８、製造Ｎｏ．１１〜１８、および製造Ｎｏ．３４〜４３は、鋼成分、鋼組織、および機械特性の何れもが本発明の範囲を満足していた。【００９９】
一方、比較例である製造Ｎｏ．９〜１０、製造Ｎｏ．１９〜３３、および製造Ｎｏ．４４〜５０は、鋼成分、鋼組織、および機械特性の何れかが本発明の範囲を満足しなかった。【０１００】
製造Ｎｏ．９は、９００℃超〜１１００℃での圧下率が不十分であったため、鋼組織中のフェライト分率が不十分となり、フェライト及びＭＡ以外の組織の分率が過剰となり、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが不十分となった例である。【０１０１】
製造Ｎｏ．１０は、７３０℃〜９００℃での圧下率が不十分であったため、フェライト粒径が粗大となり、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが不十分となった例である。【０１０２】
製造Ｎｏ．１９は、９００℃超〜１１００℃での圧下率が不十分であったため、フェライト分率が不十分となり、ＭＡ分率が過剰となり、フェライト及びＭＡ以外の組織の分率が過剰となり、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが不十分となった例である。【０１０３】
製造Ｎｏ．２０はＣ含有量が多く、製造Ｎｏ．２５はＮｂ含有量が多く、製造Ｎｏ．２６はＶ含有量が多く、製造Ｎｏ．２８はＡｌ含有量が多く、製造Ｎｏ．２９はＴｉ含有量が多く、製造Ｎｏ．３０はＮ含有量が多く、製造Ｎｏ．３１はＣｅｑが過剰であったため、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが不十分となった例である。【０１０４】
製造Ｎｏ．２１はＣ含有量が少なく、製造Ｎｏ．２４はＭｎ含有量が少なく、製造Ｎｏ．３２はＣｅｑが不十分であり、製造Ｎｏ．４６はＳｉ含有量が少なかったため、ＹＳ及びＴＳが不十分となった例である。【０１０５】
製造Ｎｏ．２２はＳｉ含有量が多く、製造Ｎｏ．２３はＭｎ含有量が多く、ＭＡ分率が過剰であっため、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが不十分となった例である。【０１０６】
製造Ｎｏ．２７は、Ｖ含有量が少なかったため、フェライト粒径が粗大となり、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが不十分となった例である。【０１０７】
製造Ｎｏ．３３はＢ含有量およびＣｅｑが過剰であり、製造Ｎｏ．４９はＢ含有量が多かったため、ＭＡ分率が過剰となり、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが不十分となった例である。【０１０８】
製造Ｎｏ．４４及び製造Ｎｏ．４５は、Ｖ含有量が少なかったため、フェライト粒径が粗大となり、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが不十分となった例である。【０１０９】
製造Ｎｏ．４７はＮｂ含有量が少なかったため、フェライト粒径が粗大となり、ＹＳ及びＴＳが不十分となり、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが不十分となった例である。【０１１０】
製造Ｎｏ．４８はＴｉ含有量が少なかったため、フェライト粒径が粗大となり、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが不十分となった例である。【０１１１】
製造Ｎｏ．５０は圧延仕上温度が低かったため、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが不十分となった例である。【０１１２】
【表１】
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【０１１３】
【表２】
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【０１１４】
【表３】
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【０１１５】
【表４】
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【０１１６】
【表５】
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【０１１７】
【表６】
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【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明の上記態様によれば、強度及び低温靭性に優れる厚手のＨ形鋼及びその製造方法の提供が可能となるので、産業上の利用可能性が高い。
【符号の説明】
【０１１９】
１    加熱炉
２ａ  粗圧延機
２ｂ  中間圧延機
２ｃ  仕上圧延機
３    中間圧延機前後の水冷装置
４    Ｈ形鋼
５    フランジ
５ａ  フランジの幅方向端面
５ｂ  フランジの厚さ方向外側の面
６    ウェブ
７    引張特性、低温靭性、および鋼材組織の評価部位
Ｆ    フランジの幅方向長さ
Ｈ    高さ
ｔ１  ウェブの厚み
ｔ２  フランジの厚み
【図１】
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【図２】
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