(57)【要約】【課題】塑性疲労特性に優れた鋼を安定して得る。【解決手段】０．００１％≦Ｃ≦０．１５％、０．０５％≦Ｓｉ≦３．０％、０．０５％≦Ｍｎ≦３．０％、Ｓ≦０．０５％、Ａｌ≦０．０４％、０．０１０％≦Ｓｏｌ．Ｎ≦０．０２５％を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、平均フェライト粒径ｄが５μｍ≦ｄ≦３０μｍを満足し、フェライト体積率が８０％超であることを特徴とする塑性疲労特性に優れた構造用鋼。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
０．００１％≦Ｃ≦０．１４％、０．０５％≦Ｓｉ≦３．０％、０．０５％≦Ｍｎ≦３．０％、Ｓ≦０．０５％、Ａｌ≦０．０４％、０．０１０％≦Ｓｏｌ．Ｎ≦０．０２５％を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、平均フェライト粒径ｄが５μｍ≦ｄ≦３０μｍを満足し、フェライト体積率が８０％超であることを特徴とする塑性疲労特性に優れた構造用鋼。
【請求項２】
質量％で、さらに、
０．０５％≦Ｍｏ≦１．０％、０．００５％≦Ｔｉ≦１．０％、０．３％≦Ｃｒ≦３．０％、０．０２０％≦Ｐ≦０．２０％、の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の塑性疲労特性に優れた構造用鋼。
【請求項３】
質量％で、さらに、
０．０００１％≦Ｂ≦０．０１％、０．００５％≦Ｖ≦２．０％、０．０４％≦Ｎｂ≦１．０％、０．１％≦Ｎｉ≦５．０％、０．１０％≦Ｃｕ≦２．００％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載の塑性疲労特性に優れた構造用鋼。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の鋼を少なくとも１箇所用いることを特徴とする塑性疲労特性に優れた鋼構造物。
【請求項５】
請求項１〜３の何れか１項に記載の鋼と、成分及び／又は板厚の異なる鋼とを予めつなぎ合わせた鋼を少なくとも１箇所用いることを特徴とする塑性疲労特性に優れた鋼構造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車、家電製品、建設機械、プラント、船舶、橋梁、建築構造物等に利用される塑性疲労特性に優れた構造用鋼およびそれを用いた鋼構造物にかかわるものであり、さらに詳しくは降伏応力を超える応力の繰返しに対して、成分および組織の最適化により低サイクル疲労特性を向上させるとともに、降伏応力を超える応力が保持された場合のひずみの進行を抑えるように成分を調整した構造用鋼、およびそれを用いた鋼構造物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼に降伏応力を超える応力が繰返し作用すると、１０万回以下の繰返し数で疲労破壊する、いわゆる低サイクル疲労破壊が生じるが、実際の鋼構造物では、一定周波数の繰返し応力が作用することは稀であり、例えばモーター部品やガスタービンのような回転体の場合には、回転による慣性力が部品に作用し、この応力は回転数が一定の間は保持され、回転数が低下するにつれて応力も徐々に低下し、回転数が増加すると再び応力が増加するといった不規則な繰返し応力が作用する。このような場合、繰返し応力のみならず、一定応力が保持されている間にひずみが増加し、鋼構造物にダメージを与えて破壊に影響を及ぼすため、両者の現象に対して抵抗力を高めた鋼の開発が切望されている。
【０００３】
このような状況に対して、低サイクル疲労特性を高める観点から、成分および転位構造を規定した鋼材が特許文献１に、成分および組織を規定した鋼材が特許文献２に、成分および炭素当量を規定した鋼材が特許文献３に、さらに成分および塑性変形抵抗と粒界強度との関係を規定した鋼が特許文献４にそれぞれ開示されている。
【０００４】
また、クリープと疲労との相互作用特性を高める観点から、成分を規定した鋼材が特許文献５および特許文献６に、またさらに高温疲労特性を向上させる観点から成分を規定した鋼材が特許文献７にそれぞれ開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１０５５９２号公報
【特許文献２】
特開平８−２９５９９７号公報
【特許文献３】
特開２００１−２３４２８５号公報
【特許文献４】
特開平１０−２５９４５０号公報
【特許文献５】
特開平９−１５７７７７号公報
【特許文献６】
特開平６−１００９９号公報
【特許文献７】
特開平９−３１０１５４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これら従来技術のうち、まず特許文献１では、Ｎの添加量を０．００１〜０．１％とし、０．５２Ａｌ／Ｎ≦１０とすることで固溶Ｎ量を確保しているが、０．００４％以上の固溶は加工性が劣化するとして推奨していない。このため一定応力下の変形抵抗向上が十分得られない。また特許文献１ではＣｒ、Ｍｏ、Ｖの１種以上を必須としている。
【０００７】
次に、特許文献２では、Ｓｉ量を規定し、かつ組織がフェライトおよびパーライト組織、もしくは残留オーステナイト組織を含む鋼を開示しているが、特に規定の無いＮは、実施例でも高々０．００３８％であり、一定応力下の変形抵抗向上が十分には得られない。
【０００８】
また、特許文献３では、強度、靭性および低サイクル疲労特性を向上させるためＴｉ、Ａｌ、Ｖ等との炭窒化物の析出強化を目的にＮを０．００１〜０．０２％に規定した免震ダンパー用棒鋼を開示しており、固溶Ｎ量の増加を抑えるために全Ｎ量の上限を０．０２％とし、またＡｌの添加量を０．００１〜０．３％としている。従ってＡｌが多い分だけ固溶Ｎ量は少なくなることが予想され、一定応力下の変形抵抗向上が十分には得られない。また、特許文献３では、フェライト組織の細粒化のため各成分を規定しているが、低サイクル疲労特性向上の観点から適正なフェライト粒径の範囲を規定してはおらず、十分な低サイクル疲労特性を得ることは困難である。
【０００９】
次いで、特許文献４では、鋼の焼入れ性を高めて塑性変形抵抗を向上させるためＣｒ、Ｍｏ、Ｎｂの添加を必須とする低サイクル疲労特性に優れた肌焼鋼を開示しているが、Ｃは０．１５〜０．３０％の中炭素鋼であり、低炭素の構造用鋼ではない。
【００１０】
クリープ特性向上を目的とした特許文献５および６のうち、まず特許文献５は、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｗ、Ｔａ等の元素を必須とするＮｉ基合金の発明であり、特許文献６は、Ｃｒを１５〜３０％、かつＮｉを１０〜４０％、およびＺｒを０．０２〜０．５％添加する耐熱鋳鋼であり、いずれも構造用鋼ではない。
【００１１】
またさらに、特許文献７は、高温疲労特性の向上を目的に、Ｍｎを５．０〜８．０％、Ｃｒを２２．０〜２４．０％、Ｗを０．４〜２．０％添加した排気弁用鋼であり、構造用鋼ではない。
【００１２】
本発明は、上記のような状況に鑑み、塑性疲労特性に優れた構造用鋼及び鋼構造物を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、
０．００１％≦Ｃ≦０．１４％、０．０５％≦Ｓｉ≦３．０％、０．０５％≦Ｍｎ≦３．０％、Ｓ≦０．０５％、Ａｌ≦０．０４％、０．０１０％≦Ｓｏｌ．Ｎ≦０．０２５％を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、平均フェライト粒径ｄが５μｍ≦ｄ≦３０μｍを満足し、フェライト体積率が８０％超であることを特徴とする塑性疲労特性に優れた構造用鋼、
（２）質量％で、さらに、
０．０５％≦Ｍｏ≦１．０％、０．００５％≦Ｔｉ≦１．０％、０．３％≦Ｃｒ≦３．０％、０．０２０％≦Ｐ≦０．２０％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記（１）記載の塑性疲労特性に優れた構造用鋼、
（３）質量％で、さらに、
０．０００１％≦Ｂ≦０．０１％、０．００５％≦Ｖ≦２．０％、０．０４％≦Ｎｂ≦１．０％、０．１％≦Ｎｉ≦５．０％、０．１０％≦Ｃｕ≦２．００％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）記載の塑性疲労特性に優れた構造用鋼、
（４）上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の鋼を少なくとも１箇所用いることを特徴とする塑性疲労特性に優れた鋼構造物、
（５）上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の鋼材と、成分及び／又は板厚の異なる鋼とを予めつなぎ合わせた鋼を少なくとも１箇所用いることを特徴とする塑性疲労特性に優れた鋼構造物、
にある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００１５】
本発明者は、塑性変形を繰返し与える応力で、かつ繰返し応力の周波数が一定ではなく、回転体のようにピーク応力が一定時間作用するような応力履歴の疲労破壊に対する抵抗力を高める鋼について鋭意検討した結果、まず塑性変形を与える応力が一定時間作用する場合のひずみを極力抑制する元素として、固溶Ｎ、固溶Ｓｉ、および固溶Ｍｎが有効であることを見出した。またこの一定応力を含む低サイクル疲労に対する抵抗力を高める手段として、フェライト体積率が８０％以上であること、さらにフェライトの平均粒径は細粒すぎると好ましくなく、５〜３０μｍとすると有効であることを見出した。またさらにピーク応力の一定保持時に発生するひずみに対してＭｏ、Ｔｉ、Ｃｒの添加が、低サイクル疲労に対してＢ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｎｉの添加がさらに有効であることも知見した。
【００１６】
このように、本発明の鋼は固溶Ｎ、Ｓｉ、Ｍｎの添加により一定時間ピーク応力が作用する場合の変形抵抗を高め、かつフェライト体積率および粒径を規定することで低サイクル疲労特性も高めており、塑性疲労特性に優れている。
【００１７】
次に、本発明の鋼における各成分の限定理由を述べる。
【００１８】
Ｃは、多くなるとフェライト体積率を減少させ、また成形性を劣化するため少なくすることが望ましく、０．１４％以下である必要があるが、鋼材の強度確保のためには、０．００１％以上は必要である。
【００１９】
Ｓｉは、一定応力下の変形抵抗を高めるために重要な元素であり、フェライト中の固溶量確保のため、０．０５％以上の添加が必要であるが、３．０％を超えるとＳｉＯ２などの介在物の生成を招き加工性を低下させるので、含有量は０．０５％以上３．０％以下とする。
【００２０】
ＭｎもＳｉと同じく、一定荷重下の変形抵抗を高めるために重要な元素であり、また強度を上げる元素として有用であり、これらの効果を発揮するためには０．０５％以上の添加は必要であるが３．０％超を添加すると加工性を損なうので、含有量は０．０５〜３．０％とする。
【００２１】
Ｓは、製鋼工程で不可避的に鋼材に含まれる不純物であるが、多すぎると加工性を損なうので０．０５０％以下とする。
【００２２】
Ａｌは、脱酸剤として有効であり、不可避的に含まれる元素であるが、過剰に添加すると本発明で重要な役割を果たすＮと結合してＡｌＮとなり、固溶Ｎ量を減少させるため、上限を０．０４％とする。
【００２３】
Ｎは、本発明で重要な元素であり、フェライト中に固溶して、一定応力下での変形抵抗を高める役割を果たすが、Ａｌや他の元素と結合して窒化物を形成しやすいため、本発明では固溶Ｎ量を規定する。固溶Ｎは、０．０１０％未満では優れた変形抵抗を示さないが、０．０２５％を超えると加工性が極端に劣化するため、含有量は０．０１０〜０．０２５％とする。なお、ここで固溶Ｎとは、鋼中に単独に存在するＮだけでなく、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｎ、Ｓｉなどの置換型固溶元素とペアやクラスターを形成するＮも含む。固溶Ｎ量は、ＡｌＮ、ＮｂＮ、ＶＮ、ＴｉＮ、ＢＮなどの介在物として存在するＮ量を技術文献１に記載の抽出分離法により求め、全Ｎ量から差し引いた量から求める。
【００２４】
Ｍｏ、ＴｉおよびＣｒは、一定応力下のひずみを抑制させる元素として本発明で重要な元素であり、効果を発揮するためにはＭｏは、０．０５％以上、Ｔｉは、０．００５％以上、Ｃｒは、０．３％以上それぞれ必要であるが、過剰の添加は窒化物などの介在物等を容易に生成させ加工性を劣化させるので、上限はＭｏおよびＴｉは、１．０％、Ｃｒは、３．０％とする。
【００２５】
Ｐは、強度を確保するのに有効な元素であるが、製鋼工程で不可避的に０．０２０％程度は含まれることから、強度確保の場合に０．０２０％以上を添加する。しかし過剰の添加は加工性を損なうので０．２０％を上限とする。
【００２６】
また、Ｂ，Ｖ，Ｎｂ、Ｃｕ、Ｎｉは、いずれも低サイクル疲労に対する抵抗を高める元素として有効であるが、過剰の添加は窒化物等の介在物を形成し、加工性を劣化させるので、Ｂは、０．０００１％〜０．０１％、Ｖは、０．００５％〜２．０％、Ｎｂは、０．０４％〜１．０％、Ｃｕは、０．１％〜２．０％、Ｎｉは、０．１％〜５．０％を含有範囲とする。
【００２７】
次に組織の体積率および粒径規定理由を述べる。
【００２８】
低サイクル疲労特性は鋼の組織および破断真ひずみと相関があり、フェライト組織の体積率が大きいほど破断真ひずみは大きくなり、低サイクル疲労寿命を向上させる。したがって低サイクル疲労特性向上の観点からはフェライト単相、すなわちフェライト体積率が１００％であることが好ましいが、フェライトの体積率が低サイクル疲労特性に及ぼす影響を検討したところ、８０％超であれば良好な特性が得られることが判明したため、フェライト体積率を８０％超とした。特に鋼の強度を高める必要がある場合には、第二相を適度に分散させることが好ましい。フェライト相以外の第二相は、パーライト、セメンタイト、オーステナイト、ベイナイト、マルテンサイト、アシキュラーフェライト、炭窒化物、金属間化合物のうち、１種または２種以上からなるものである。
【００２９】
また、破断真ひずみは結晶粒径とも関係があり、細粒過ぎても、粗粒すぎても破断真ひずみは大きくならない。本発明ではフェライトの平均結晶粒径が５μｍ以上３０μｍ以下であれば破断真ひずみ、さらには低サイクル疲労特性が向上することを見出した。なお、組織の体積率の測定方法は、技術文献２の点分析もしくは線分析を用いる。またフェライトの平均粒径は技術文献３の付属書２に記載の方法を用いる。
【００３０】
本発明では特に鋼の形状を規定していないが、薄鋼板、厚鋼板など鋼板に限らず、鋼管、形鋼、棒鋼などでも実施することが可能である。
【００３１】
さらに、本発明の鋼を構造物の一部又は全部に用いることにより疲労強度を高めた鋼構造物を作成することが可能である。すなわち、打抜き穴を加工するなど疲労破壊の起点となる部分には本発明の鋼を用い、その他の部分には必ずしも疲労強度の高くない高張力鋼材を用いることにより鋼構造物全体の重量を低減することが可能であり、具体的には例えば、本発明の鋼と他の高張力鋼をレーザー溶接などの接合方法で予めつなぎ合わせていわゆるテーラードブランク材としておき、成形加工などが施されたのち本発明の鋼の部分に加工することにより、全体として軽量でかつ高疲労強度を有する鋼構造物を得ることが可能である。
【００３２】
〔技術文献１〕
第３版鉄鋼便覧、ＩＶ鉄鋼材料、試験分析（日本鉄鋼協会編）ｐ．３２９〜３３４
〔技術文献２〕
第３版鉄鋼便覧、ＩＶ鉄鋼材料、試験分析（日本鉄鋼協会編）ｐ．３８５〜３８６
〔技術文献３〕
ＪＩＳ  Ｇ０５５２「鋼のフェライト結晶粒度試験方法」
【００３３】
【実施例】
表１に示す化学組成を持つ鋼片を、スラブ加熱温度１０５０〜１１５０℃、熱間圧延仕上げ温度８５０〜９００℃、巻き取り温度４５０〜５５０℃、冷却速度１０〜２０℃／秒、の条件で熱間圧延し、板厚２．３ｍｍの薄鋼板を製作した。これより図１の試験片を採取し、図２に示す台形波の応力を破断するまで繰返し載荷して、破断するまでの回数を測定した。３本の試験片について破断までの回数の平均値を求め表１の最右欄に示した。
【００３４】
Ｎｏ．１〜１８は本発明鋼であり、Ｎｏ．１９〜２７は比較鋼である。本発明鋼のＮｏ．１〜１８は、比較鋼に比べて疲労寿命が長く、どの発明鋼も比較鋼の２倍以上の寿命を示している。Ｎｏ．３〜１８は、選択元素を含有するため、疲労寿命がＮｏ．１およびＮｏ．２に比べてさらに向上している。
【００３５】
比較例Ｎｏ．１９〜２１および２５は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌが上限を超えており、Ｎｏ．１９は、その結果としてフェライト体積率が下限を下回っているため、疲労寿命が短い。Ｎｏ．２３および２６は、固溶Ｎが範囲外のため同様に疲労寿命が短い。またＮｏ．２２は、フェライト粒径が細粒であり、またＮｏ．２４は、フェライトが粗粒になって、平均粒径の範囲外になっているため、疲労寿命が短くなっている。またＮｏ．２７は、ベイナイトの体積率が増加したためフェライト体積率が低く、疲労寿命が短くなっている。
【００３６】
【表１】
2005015881.tif 000002
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の鋼及び溶接構造物は、添加元素の最適化により高い塑性疲労強度を有しており、その原理は加工方法などによらず広範囲にわたり適用可能である。従って、塑性疲労が問題となる鋼構造物での使用に際し、設計面で特別な配慮を必要とせず高い疲労強度を安定して得ることが可能であり、工業的な価値が極めて高い発明であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における疲労試験片の形状、寸法の説明図である。
【図２】本発明の実施例における繰返し応力の波形の説明図である。
【図１】
2005015881.tif 000003
【図２】
2005015881.tif 000004