(57)【要約】【課題】高強度鋼素材から広範な高強度鋼構造部材を作るのに有用な方法の提供。【解決手段】高強度鋼構造部材、および少なくとも約８００Ｎ／ｍｍ２（１２００００プサイ）の引張り強度および少なくとも約６００Ｎ／ｍｍ２（９００００プサイ）の降伏強度を有する高強度鋼材の素材を準備し、その素材の強度特性を実質的に保持するか高める状態で所望幾何形状の部材を作るように該素材を温間加工することで高強度鋼構造部材を作る方法が開示される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも８００Ｎ／ｍｍ２（１２００００プサイ）の引張り強度および少なくとも６００Ｎ／ｍｍ２（９００００プサイ）の降伏強度を有する高強度鋼材の素材を準備する段階と、素材を温間加工して物品を形成して、これにより物品の引張り強度および降伏強度の機械的性質が素材と実質的に同じか、それより高くなるようにする段階とを含み、高強度鋼材は、重量％で
炭素                ０．３０〜０．６５％
マンガン            ０．３０〜２．５％
鉄                  残部
を含み、引張り強度および降伏強度の機械的性質を有する前記物品は更なる増強処理段階を必要とせずに作られる、高強度鋼物品を作る方法であって、
前記物品は均一な横断面形状を有する構造部材であり、前記均一な横断面形状は前記素材の形状と相違して、少なくとも１つのフランジを含み、該フランジは前記横断面形状の全周縁寸法よりも薄い厚さを有しており、前記少なくとも１つのフランジは前記構造部材に対して増大した荷重支持能力を与えること、および
この鋼材は、必須成分としてアルミニウムおよび／またはニオビウムおよび／またはチタンを単独で、またはバナジウムと混合して、０．０３％〜０．３５％の量につき含むことを特徴とする高強度鋼物品を作る方法。
【請求項２】
請求項１に記載された方法であって、素材を準備するために、高強度鋼材が先行して熱間で縮小され、かつ冷間引抜き加工が行われたことを特徴とする高強度鋼物品を作る方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された方法であって、高強度鋼材の素材が少なくとも１０００Ｎ／ｍｍ２（１５００００プサイ）の引張り強度、および少なくとも９００Ｎ／ｍｍ２（１３００００プサイ）の降伏強度を有することを特徴とする高強度鋼物品を作る方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された方法であって、高強度鋼材が重量％で
炭素                ０．４０〜０．５５％
マンガン            ０．３０〜２．５０％
アルミニウムおよび／または
ニオビウムおよび／または
チタン、およびバナジウム
との混合物          ０．０３〜０．２０％
鉄                  残部
を含むことを特徴とする高強度鋼物品を作る方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された方法であって、高強度鋼材が重量％で
炭素                ０．５０〜０．５５％
マンガン            １．２０〜１．６５％
アルミニウムおよび／または
ニオビウムおよび／または
チタン、およびバナジウム
との混合物          ０．０３〜０．２０％
鉄                  残部
を含むことを特徴とする高強度鋼物品を作る方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された方法であって、温間加工が１５０゜Ｃ〜６５０゜Ｃ（３００゜Ｆ〜１２００゜Ｆ）の温度範囲で実施されることを特徴とする高強度鋼物品を作る方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された方法であって、均一な横断面形状がＯ，Ｌ，Ｃ，Ｚ，Ｉ，Ｔ，Ｕ，ＶおよびＷ字形からなる群から選ばれることを特徴とする高強度鋼物品を作る方法。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された方法であって、高強度鋼材の素材がパーライト顕微鏡組織を有することを特徴とする高強度鋼物品を作る方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高強度鋼構造部材を製造する方法に係わり、特に高強度鋼の素材をその高強度特性を保持したままで所望の幾何断面形状を有する構造部材に温間加工する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高強度鋼部品および構造部材はこれまではいずれも当該技術分野で周知の冷間鍛造または熱間鍛造の技術を用いて加工されてきた。鋼材の熱間鍛造または圧延においては、材料をまず約１０９３゜Ｃ（２０００゜Ｆ）以上に加熱する。このような熱間加工温度では、鋼材にかなりのスケールおよび脱炭が生じ得る。多数の応用例に関しては、スケールおよび脱炭の生じた表面を除去して最終部材または部品を得るようにしなければならず、既知の熱間加工技術は相当量の材料の浪費を生じている。更に、これらの技術はスケールを除去するために処理段階を増やさねばならないので費用が高くなり、また高温であるためにエネルギー消費が大きい。
【０００３】
他方では、部品および構造部材を冷間加工するにも同様な欠点がある。部材または部品は室温またはそれに近い温度で加工されるので、再形成または加工段階にはかなり大きな力が必要とされる。このことは、順次に所望形状へと材料が加工される一連の冷間加工段階をしばしば必要とする。このことは型の摩耗、およびそれらの処理に関係する騒音を増大させる。更に、一連の加工段階にわたりかなりの程度に材料が加工されるならば、部材または部品の強度は高まり、それ故に連続する冷間加工作業の中間にて焼鈍して、内部応力を除去しなければならず、このことは時間およびそのような処理の経費を高める。
【０００４】
上述の欠点を避けるために、材料から構造部材および部品を加工するのに中間的な温度での温間加工を用いることができ、これらの温度は材料の強度を低下させるのに十分で、これにより加工を容易になし、そのうえスケールや脱炭の生じる熱間加工温度より低い。このような１つの温間加工方法が米国特許第３５５７５８７号に開示されている。相当数の他の特許は、「温間」温度で実施されて脱炭およびスケール発生の欠点を避け、および（または）所望の冶金学的および機械的な性質を鋼材に与える圧延および押出し段階を含む方法を開示している。米国特許第２７６７８３６号、第２７６７８３７号、第２８８０８５５号、第３０７６３６１号、第３５７３９９９号（特許文献１〜５）および「鋼材の温間加工」ゴキュー氏他、日本金属学会の翻訳、１９８６年、第９巻、補填版、第１７７〜１８１頁（非特許文献１）を参照のこと。
【０００５】
更に、温間加工または温間鍛造段階を含み、鋼材バー、ロッドまたはビットを曲げまたは鍛造して所望製品を形成する他の周知の方法もある。米国特許第２９５３７９４号、第３７２００８７号、第３８７７２８１号、第４３１２２１０号、第４３１７３５５号、第４６０８８５１号および第４８０５４３７号（特許文献６〜１２）を参照のこと。上述の引例のいずれかが従来技術を適正に代表していること、またはこれらの引例が最も良い材料の引例であるとの説明はなされない。
【０００６】
米国特許第５０９４６９８号（特許文献１３）は、少なくとも約８００Ｎ／ｍｍ２の引張り強度および少なくとも約６００Ｎ／ｍｍ２の降伏強度を有する高強度鋼材の素材から高強度鋼部品を作る方法を記載している。この素材は所望幾何形状の部品を形成するために温間加工される。この部品の機械的性質は、更なる増強処理段階を行わなくても素材と実質的に同じである。この高強度鋼材は重量％で０．３０〜０．６５％の炭素、０．３０〜２．５０％のマンガン、０．３５％までのバナジウム、および残部の鉄を含んでなる。
【０００７】
国際特許出願ＷＯ９３／１５２３３（特許文献１４）は、部品の機械的性質が素材の機械的性質よりも高い点で米国特許第５０９４６９８号と相違する方法を開示している。
【０００８】
国際特許出願ＷＯ９５／０２７０５（１９９５年１月２６日公開）（特許文献１５）は、鋼材が更にアルミニウムおよび（または）ニオビウムおよび（または）チタンを含む点で米国特許第５０９４６９８号と相違する方法を開示している。
【特許文献１】米国特許第２７６７８３６号明細書
【特許文献２】米国特許第２７６７８３７号明細書
【特許文献３】米国特許第２８８０８５５号明細書
【特許文献４】米国特許第３０７６３６１号明細書
【特許文献５】米国特許第３５７３９９９号明細書
【特許文献６】米国特許第２９５３７９４号明細書
【特許文献７】米国特許第３７２００８７号明細書
【特許文献８】米国特許第３８７７２８１号明細書
【特許文献９】米国特許第４３１２２１０号明細書
【特許文献１０】米国特許第４３１７３５５号明細書
【特許文献１１】米国特許第４６０８８５１号明細書
【特許文献１２】米国特許第４８０５４３７号明細書
【特許文献１３】米国特許第５０９４６９８号明細書
【特許文献１４】国際公開ＷＯ９３／１５２３３号パンフレット
【特許文献１５】国際公開ＷＯ９５／０２７０５号パンフレット
【非特許文献１】「鋼材の温間加工」ゴキュー氏他、日本金属学会の翻訳、１９８６年、第９巻、補填版、第１７７〜１８１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これまでは、素材を所望の形状に形成する温間加工段階を含んでいて、これにより構造部材の機械的特性が元々の素材の有するそれらの特性と実質的に同じかそれより高く保持されるような、また部材が増強処理段階を追加せずに作られて機械的強度特性を部材に与えるような、所望の高強度特性を有する鋼素材から高強度鋼構造部材を作る方法はなかった。
【００１０】
本発明は、少なくとも約８００Ｎ／ｍｍ２（１２００００プサイ）の引張り強度および少なくとも約６００Ｎ／ｍｍ２（９００００プサイ）の降伏強度を有する高強度鋼材の素材から高強度鋼構造部材を作る方法に関する。この方法は、所望の幾何形状を有する構造部材を形成するために素材を温間加工することを含み、これにより該部材の引張り強度および降伏強度が素材と実質的に同じかそれより高くなる。
【００１１】
所望の引張り強度および降伏強度の機械的特性を有するこの部材は、更なる増強処理段階を必要とせずに製造される。
【００１２】
本発明の方法は、高強度鋼素材から広範な高強度鋼構造部材を作るのに有用である。特に、実質的に全長にわたって均一な横断面形状を有する細長い高強度鋼部材に有用である。例えば、Ｏ，Ｌ，Ｃ，Ｚ，Ｔ，Ｉ，Ｗ，Ｕ，Ｖ字形を有する構造部材および他の部材は、本明細書で開示する鍛造または加工処理によって形成することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本明細書で使用する「素材」なる用語は通常の意味、すなわち所望の幾何形状を有する最終部材となるように温間加工されるべき金属片という意味を有する。素材はワイヤー、ロッド、バーストックおよびその切片（すなわち幅または厚さに比例した長さの鋼片）のような金属片を含む。素材は、構造部材が横断面形状に含まれる少なくとも１つのフランジを有することで、構造部材とは異なる。このフランジは、横断面形状の全外径寸法よりも厚さが薄く、構造部材に対して増大した荷重支持能力を与える部材である。
【００１４】
鋼材の高温加熱処理に微粒化材としてアルミニウム、ニオビウム、チタンおよびバナジウムを用いることは周知である。それ故に適当とされる訂正用語は「鉄の微粒化材」であり、本明細書ではこの用語が用いられる。
【００１５】
本発明の原理、目的および利点は、以下の詳細な説明を参照して更に理解されるであろう。
【実施例】
【００１６】
本明細書では、構造部材は少なくとも１つのフランジを含む均一な横断面形状の細長い部材である点で、素材は構造部材と区別される。フランジは、横断面形状の全外径寸法（すなわち構造部材の幅、高さまたは外径）よりも厚さの薄い部材である。フランジは構造部材に対して増大した荷重支持能力を与えることで、構造部材を素材から区別する。換言すれば、フランジのある構造部材はそれと同じ材料組成および性質を有するフランジのない部材よりも大きな荷重支持能力を有する。荷重は、端部荷重として軸方向に、側部荷重または構造部材に加えられる他のいずれかの形式の荷重として横方向に作用される。フランジは構造部材の残りの部分に対して連続して、または不連続に一体形成される。不連続なフランジの例は、Ｉ形梁の中央部分に対する上下部分、またはＬ形トラスの一方の脚に対する他方の脚である。連続フランジの例は、Ｏ形構造部材の横断面形状のいずれかの弦（コード）すなわち部分である。少なくとも１つのフランジを有する構造部材の例は、Ｏ，Ｌ，Ｃ，Ｚ，Ｉ，Ｔ，Ｕ，ＶおよびＷ形の部材である。
【００１７】
好ましい実施例において、高強度鋼構造部材を作る本発明の方法はフェライト−パーライト顕微鏡組織を有し、引張り強度が少なくとも約８００Ｎ／ｍｍ２（１２００００プサイ）、好ましくは少なくとも約１０００Ｎ／ｍｍ２（１５００００プサイ）、および降伏強度が少なくとも約６００Ｎ／ｍｍ２（９００００プサイ）、好ましくは少なくとも約８７０Ｎ／ｍｍ２（１３００００プサイ）有する高強度鋼材の素材を準備することを含む。１形態においては、素材として用いられる高強度鋼材は、上記引張り強度および降伏強度の機械的性質を有する素材を得るために熱間で縮小され、かつ冷間引抜きが行われた。
【００１８】
この高強度鋼材は以下の組成、すなわち重量％で
炭素                約０．３０〜約０．６５％
マンガン            約０．３０〜約２．５％
アルミニウム、ニオビウムおよび
チタン、およびそれらの混合物より
なる群から単独で、またはバナジウム
とともに選ばれた少なくとも１つの
鉄の微粒化材        有効量約０．３５％まで
鉄                  残部
を有して具現される。
【００１９】
更に好ましい形態においては、高強度鋼材は以下の組成、すなわち重量％で
炭素                約０．４０〜約０．５５％
マンガン            約０．３０〜約２．５％
アルミニウム、ニオビウムおよび
チタン、およびそれらの混合物より
なる群から単独で、またはバナジウム
とともに選ばれた少なくとも１つの
鉄の微粒化材        有効量約０．２０％まで
鉄                  残部
を有する。
【００２０】
更に好ましい形態においては、高強度鋼材は以下の組成、すなわち重量％で
炭素                約０．５０〜約０．５５％
マンガン            約１．２０〜約１．６５％
アルミニウム、ニオビウムおよび
チタン、およびそれらの混合物より
なる群から単独で、またはバナジウム
とともに選ばれた少なくとも１つの
鉄の微粒化材        有効量約０．０３％〜０．２０％
鉄                  残部
を有する。
【００２１】
理解すべきは、本明細書で掲載し請求した組成は、本発明の実施に影響することのない他の元素を含み得るということである。
【００２２】
上述で与えられた引張り強度および降伏強度の機械的性質を有する素材は、しかる後約１５０゜Ｃ〜約６５０゜Ｃ（約３００゜Ｆ〜約１２００゜Ｆ）で温間加工されて所望の幾何形状を有する構造部材を形成するようになされ、これにより構造部材の引張り強度および降伏強度の機械的性質は素材と実質的に同じかそれより高くなる。構造部材が加工される温度は用いられる鋼材の化学組成に関係する。上述にて与えられた引張り強度および降伏強度の機械的性質を有する加工された構造部材は、その温間加工に続けて他のいかなる増強処理段階も必要とせずに作られる。
【００２３】
本発明の方法において開始片として用いられる少なくとも約８００Ｎ／ｍｍ２（１２００００プサイ）の引張り強度および少なくとも約６００Ｎ／ｍｍ２（９００００プサイ）の降伏強度を有する高強度鋼材の素材は、当該技術分野で周知のいずれかの適当な方法で作られる。そのような１つの方法が本発明の発明者に付与された米国特許第３９０４４４５号に開示されており、その明細書の全てが参照することで本明細書に組み入れられる。この米国特許第３９０４４４５号は、Ｕボルトを含むねじ固定具の製造に特に有用な形式の高強度鋼バーストック（ｂａｒ  ｓｔｏｃｋ）を作る処理シーケンスを開示している。記載された処理では、作られたバーストックはＡＳＴＭ規格Ｎｏ．５〜Ｎｏ．８の微細結晶粒の組織を有する。開示された処理では、或る開示範囲に合致する組成を有する鋼材は、最終ゲージで１０％〜１５％までの標準的な熱間押し抜き加工を受ける。この熱間押し抜きを行ったバーストックは、次ぎに急速空冷のために個別片に切断すなわち裁断される。しかる後、熱間押し抜きバーストックの個別片は最終ゲージにまで冷間仕上げ加工される。最終段階は、機械的強度特性を向上させるための制御された応力除去段階である。この応力除去段階はバーストックの切片を約２６０゜Ｃ〜約４５５゜Ｃ（約５００゜Ｆ〜約８５０゜Ｆ）の温度範囲で約１時間加熱するが、これはしてもしなくてもよい。したがって、応力除去を施され、または施されないこのようなバーストックが高強度鋼の開始素材を形成するのに用いられる。
【００２４】
以下の例は、上述した米国特許第３９０４４４５号に開示された方法により製造された高強度鋼バーストックから構造部材を作るための本発明の実際例を示す。
【００２５】
例
高強度１５５２鋼製のＩ形梁ストックは以下の組成、すなわち重量％で
炭素            ０．５２％
マンガン        １．４３％
燐              ０．００９％
硫黄            ０．０１７％
珪素            ０．２２％
バナジウム      ０．０７５％
クロム          ０．０５％
モリブデン      ０．０１％
鉄              残部
ストックの中央部分は４．５０ｍｍ（０．１７７インチ）の厚さを有し、上部および下部の各フランジは約４．０６ｍｍ（０．１６インチ）の厚さを有していた。Ｉ形梁ストックの全高は６７．１ｍｍ（２．６４インチ）で、全幅は各フランジと同じ幅、特に４６．３６ｍｍ（１．８２５インチ）であった。３．１８ｍｍ（０．１２５インチ）半径の隅肉部により、中央部分の各面は各フランジに対して連なっている。このＩ形梁ストックは約３０．５ｃｍ（１フィート）の長さに裁断された。ストックは９１０Ｎ／ｍｍ２（１３３０００プサイ）の引張り強度および６１０Ｎ／ｍｍ２（８９０００プサイ）の降伏強度を有することを試験された。
【００２６】
このＩ形梁ストックは４２５゜Ｃ（８００゜Ｆ）に加熱され、９１０ｋＮ（６５０００ポンド）の力でテーパーのあるダイを通して押し出されて、仕上げられたＩ形梁構造部材が温間加工された。この温間加工されたＩ形梁は４６．３６ｍｍ（１．８２５インチ）の全幅およびを有し、６７．１ｍｍ（２．６４インチ）の全高を有していた。Ｉ形梁の中央部分は約４．０６ｍｍ（０．１６インチ）の厚さで、一対の間隔を隔てた厚さ３．９４ｍｍ（０．１５５インチ）の上部および下部フランジの間を延在していた。それ故に、各フランジの厚さ（３．９４ｍｍ（０．１５５インチ））は梁の全外径寸法、すなわち幅（４６．３６ｍｍ（１．８２５インチ））または高さ（６７．１ｍｍ（２．６４インチ））より小さい。３．１８ｍｍ（０．１２５インチ）の半径の隅肉部が、中央部分（すなわちウェブ）と上部および下部フランジと境界部の各面に形成された。温間加工されたＩ形梁は９８０Ｎ／ｍｍ２（１４１６００プサイ）の引張り強度および約８１０Ｎ／ｍｍ２（１１７３００プサイ）の降伏強度を有することを試験された。
【００２７】
仕上げられたＩ形梁の引張り強度および降伏強度の機械的性質はストックが元元有していた機械的性質よりも高く、それ故にその他の増強処理段階は不要であった。仕上げられた部材は、バーストックまたはビレットが元々有していた所望される延性の機械的性質を十分に有しており、それ故に靭性を向上させるための更なる処理の必要性は一般に省略できる。しかしながら、このＩ形梁の構造部材の或る種の用途に関しては、応力除去段階が必要となる。
【００２８】
特に部材の所望される高強度の機械的性質を発生させるために冷間加工の後に熱処理が用いられる従来技術の方法に比較して、本発明により作られた仕上げられた構造部材は狭い特性範囲に合致する機械的性質を一貫して有する。したがって、本発明は狭い特性範囲に合致する高強度鋼構造部材を一貫して製造できる。
【００２９】
したがって、本発明の他の特徴によれば、この方法は素材を構造部材に温間加工し、これにより引張り強度および降伏強度の機械的性質は素材の機械的性質に実質的に等しいかそれより高くなる。
【００３０】
本発明の範囲は本明細書に与えられた例で制限されるものではなく、添付の請求の範囲によって制限されるのである。