(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：０．５〜１．６％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含む鋼を、Ａｒ3点以上で仕上圧延終了後、直ちにフランジ内外面を一次冷却し、冷却停止後、フランジ冷却面を５５０℃以上、８００℃以下に復熱させ、二次冷却後、自然放冷する形鋼の製造工程において、
一次冷却と二次冷却を、フランジ内面および外面の冷却水量密度を各々５００Ｌ／ｍ2・ｍｉｎ以上、かつ、フランジ内面とフランジ外面の水量密度比を０．３以上、１．２以下とし、
該一次冷却をフランジ冷却面が５００℃以下でフランジの平均温度６５０℃以上で一旦冷却を停止し、
該二次冷却を、フランジの平均温度４００℃以上、６００℃以下で冷却を停止するものであることを特徴とする圧延形鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高層建築物や橋梁等の鋼構造物の分野で使用される強度、靭性に優れた圧延形鋼で、特にフランジ厚さ方向機械的特性が均一で、フランジ各部位における材質差が小さく断面形状に優れた圧延形鋼の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱間圧延が終了した鋼材に水冷を行ない、強度、靭性を向上させるとともに、炭素を始めとする合金成分の低減により溶接施工性の向上を図る技術は、「制御冷却」と呼ばれ、制御圧延とともに、ＴＭＣＰ（Ｔｈｅｒｍｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｐｒｏｃｅｓｓ）の中核をなす技術として、１９８０年に厚鋼板の製造に初めて実用化されて以降、広く普及した。（例えば、小指  軍夫、「制御圧延・制御冷却」、（社）日本鉄鋼協会監修、地人書館（１９９７））。
【０００３】
厚鋼板の場合は、オーステナイト粒径の微細化を目的とした圧延終了温度の低下を柱とする制御圧延と、制御冷却技術の組み合わせにより、強度および靭性が格段に向上した。それに対し、やや複雑な断面形状を有する形鋼に対する制御冷却技術は、熱歪による歪の発生やウエブの座屈など形状確保において問題が多く、実用化が遅れた。形鋼を対象とする制御冷却技術に関しては、例えば、特公昭６０−２３６６号公報、特公昭６１−２７２７号公報、特開昭６０−７７９２４号公報、及び特公平５−４０８０３号公報などが提案されている。
【０００４】
更に、圧延後、急冷を行うと、冷却面近傍の硬さが上昇する問題が生ずるため、表面硬化抑制技術として、特許第２５３３２５０号、特許第２８３７０５６号等がしられている。これらの技術では、仕上圧延前の中間圧延段階において冷却、復熱を行い、表層部の組織が低温γあるいはγ／α二相領域の状態で加工を加えることにより、仕上圧延後の冷却において表面に焼きが入ることを防止している。しかし,中間圧延段階での温度低下は、圧延ミルへの負荷が増大し、場合によっては所望の断面形状が得られない場合がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、厚鋼板の場合には、制御圧延と制御冷却の組み合わせにより、ＴＭＣＰ技術をより有効に材質制御に活用することができるが、形鋼の場合は、断面形状を確保しなければならず、材質制御を目的とする制御圧延や、冷却の方法によっては冷却中や、冷却後に反りを生ずる圧延後の冷却が十分活用されていない。
【０００６】
そこで、本発明は、特段の制御圧延を実施しない場合においても、圧延後、冷却した場合に、良好な断面形状が得られ、且つ、冷却による製品の表面硬化が十分に抑制され、フランジ各部位（１／４Ｆ、１／２Ｆ）の材質が均一な強度,靭性に優れた極厚Ｈ形鋼の製造方法を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、仕上圧延終了後の冷却による表面硬化を抑制するために有効な組織およびその具体化手段について検討し、表面近傍におけるオーステナイトの体積分率が低く、且つ微細な組織であれば表面硬化の抑制が可能で、このような組織は、急冷により、表面近傍を一旦、ベイナイト変態終了温度以下とした後、形鋼自体の熱容量によって復熱させ、再び水冷することにより、軟化することを見出した。
【０００８】
すなわち、形鋼の冷却面近傍の組織を、全面ベイナイトとした後、復熱によりフェライト主体の組織、あるいは、一部微細オーステナイトに逆変態した後、再び冷却を受けるようにした場合、逆変態オーステナイトが微細で、焼入れ性が低いため硬化が少ないこと及びそのために必要な具体的冷却条件を見出したものである。
【０００９】
尚、冷却条件に関しては更に形鋼として歪の生じないことも含めて検討を行った。本発明は以上の知見を基に更に検討を加えてなされたものである。すなわち、本発明は
１．  質量％で、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：０．５〜１．６％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０２０％以下を含む鋼を、Ａｒ3点以上で仕上圧延終了後、直ちにフランジ内外面を一次冷却し、冷却停止後、フランジ冷却面を５５０℃以上、８００℃以下に復熱させ、二次冷却後、自然放冷する形鋼の製造工程において、
一次冷却と二次冷却を、フランジ内面および外面の冷却水量密度を各々５００Ｌ／ｍ2・ｍｉｎ以上、かつ、フランジ内面とフランジ外面の水量密度比を０．３以上、１．２以下とし、
該一次冷却をフランジ冷却面が５００℃以下でフランジの平均温度６５０℃以上で一旦冷却を停止し、
該二次冷却を、フランジの平均温度４００℃以上、６００℃以下で冷却を停止するものであることを特徴とする圧延形鋼の製造方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
１．成分組成
本発明は、低合金鋼における相変態に関する冶金的知見を基に構成されるものであり、その成分組成は、得られた知見を基とし、更に鋼構造物に用いられる形鋼として最低限要求される溶接性等の特性を満足するように検討されたものである。
【００１１】
Ｃ
Ｃは、鋼の強度を確保するために添加する。０．０５％未満の場合、強度の確保が困難となるため、０．０５％以上添加する。多量に添加した場合、鋼の靭性や溶接性を低下させるが、０．２０％をこえると溶接部の硬度が著しく上昇し、溶接低温割れ感受性を劣化させ、制御冷却時の表面硬度を著しく上昇させるため、０．０５〜０．２０％（０．０５％以上、０．２０％以下）とする。
【００１２】
Ｓｉ
Ｓｉは、脱酸のため、添加し、強度向上にも寄与する。その含有量が０．６％を超えるとＨＡＺ靭性及び溶接性の観点から好ましくないので、０．６％以下とする。
【００１３】
Ｍｎ
Ｍｎは、赤熱脆性の原因となるＦｅＳの生成抑制ならびに強度、靭性向上のため０．５％以上添加する。多量の添加は鋼の焼入れ性を増加させ、溶接硬化層を出現させ、割れ感受性を劣化させるため、１．６％を上限とし、その添加量を０．５〜１．６％とする。
【００１４】
Ａｌ
Ａｌは、脱酸のため添加する。０．０１％未満ではその効果が発揮されず、一方、０．０５％を超えて多量に添加されると清浄度を悪くし、溶接部の靭性を劣化させるため、その添加量を０．０１〜０．０５％とする。
【００１５】
Ｐ，Ｓ
Ｐ，Ｓは、鋼中に混入する不純物として不可避的に存在する。溶接熱影響部の機械的特性において、Ｐの低減は粒界破壊の防止に有効であり、Ｓの低減は水素割れ防止に有効であるため、Ｐは０．０３５％以下、Ｓは０．０２０％以下に限定する。
【００１６】
本発明は、上記化学成分で、十分その効果が得られるが、強度、靭性の調整を目的に、更に、質量％で、Ｃｕ≦０．６％，Ｎｉ≦０．６％，Ｃｒ≦０．６％，Ｍｏ≦０．６％，Ｎｂ≦０．１％，Ｖ≦０．２％，Ｔｉ≦０．１％，Ｂ≦０．０１％、Ｃａ≦０．０１％、Ｍｇ≦０．０１％、ＲＥＭ≦０．０１％のうち一種または二種以上を本願発明の目的を逸脱しない範囲で添加させることができる。
【００１７】
但し、良好な溶接性を具備するように、例えば、引張強度４９０ＭＰａ級に対し、ＪＩＳＧ３１３６の付属書１および付属書２に記載のように、フランジ厚５０ｍｍ以下に対して、炭素当量（％）≦０．３８、溶接割れ感受性組成（％）≦０．２４、フランジ厚５０ｍｍ超えに対して、炭素当量（％）≦０．４０、溶接割れ感受性組成（％）≦０．２６を満足することが望ましい。
２．製造条件
本発明は上述した好適成分の鋼に、以下の製造条件を適用する。
【００１８】
圧延条件
仕上圧延はフランジにおいて、Ａｒ3点以上で終了する。Ａｒ3点未満とした場合、圧延ミルの負荷が大きくなり、断面形状の確保に弊害が生じる場合があり、また、フェライト相に歪が蓄積されたまま製品となり、延性や靭性を損なう場合があるため、Ａｒ3点以上とする。一方、仕上圧延の終了温度における上限温度は、靭性を確保するため１０００℃以下にすることが望ましい。尚、Ａｒ3点は、鋼成分、オーステナイト粒径、フランジ厚等に依存して変化するが、例えば、目安として次式を用いることが出来る。Ａｒ3（℃）＝９１０−３１０Ｃ−８０Ｍｎ−２０Ｃｕ−１５Ｃｒ−５５Ｎｉ−８０Ｍｏ＋（ｔ−８）、（ここで、ｔ：フランジ厚（ｍｍ））
冷却条件
本発明では、フランジ表面の硬化を抑制しつつ、高強度化を達成するため、仕上圧延後、直ちに開始する冷却（一次冷却）を一旦、停止させ、鋼材を所定の温度に復熱させたのち、再度冷却（二次冷却）する２段冷却を行う。２段冷却においては、フランジ内外面冷却の水量密度と水量密度比、一次、二次冷却における冷却停止温度及び復熱温度を規定する。
【００１９】
フランジ内外面冷却の水量密度と水量密度比
一次冷却、二次冷却は、フランジ内外面から水量密度５００Ｌ／ｍ2・ｍｉｎ以上、水量密度比０．３以上、１．２以下で水冷する。
水冷は、フランジ厚が薄い（例えば、８ｍｍ以上、４０ｍｍ以下）場合、外面のみからの冷却でも、フランジ厚さ方向に沿って、フランジ内面に至るまで比較的均一な材質特性が得られるが、著しい断面形状の歪を生じ、また、フランジ厚が厚い（例えば、４０ｍｍ超え）場合では、フランジ厚さ方向強度差を小さくするため、それぞれ両面からの水冷を行う。
【００２０】
水量密度は水冷面における沸騰状態を核沸騰支配とし、水量密度のばらつきに大きく依存せず、均一かつ十分な冷却を行うため、フランジ内外面両面において５００Ｌ／ｍ2・ｍｉｎ以上とする。より、安定した冷却状態を得るためには、６００Ｌ／ｍ2・ｍｉｎ以上とすることが望ましい。尚、５００Ｌ／ｍ2・ｍｉｎ未満の場合、沸騰状態は膜沸騰となり、均一かつ十分な冷却ができない。
【００２１】
フランジ内外面冷却における水量密度比は、０．３未満では、フランジが内側に倒れる歪を生じ、一方、１．２超えでは、フランジが外側に倒れる歪を生じて形状不良となり、製品不良または精整による形状矯正が必要となるため、０．３以上、１．２以下とする。尚、水量密度比は内面水量密度／外面水量密度とする。
【００２２】
一次冷却停止温度
一次冷却は、仕上げ圧延後、直ちに開始し、フランジ冷却面が５００℃以下、且つフランジ平均温度が６５０℃以上で停止する。フランジ冷却面は、該冷却面におけるベイナイト変態を終了させ、その後の復熱変態における組織を極めて微細にし、逆変態オーステナイトが生成しても、二次冷却による硬化を抑制させるため、５００℃以下とする。
【００２３】
また、一次冷却停止時のフランジ平均温度が低い場合、冷却面近傍の復熱が不十分で、復熱温度が低いか、所望の復熱温度となるまでに長時間を要し、生産性を著しく阻害可能性があるため、６５０℃以上とする。
【００２４】
尚、平均温度は、フランジ全体としての平均の温度であり、冷却停止後、フランジ各部分の温度は平均の温度に収束する。従って、平均温度は材料が十分に復熱した際の温度と概ね等しいと考えて良い。
【００２５】
復熱温度
一次冷却停止後、フランジ内外の冷却面を共に５５０℃以上、８００℃以下に復熱させる。復熱温度が５５０℃未満の場合、一次冷却による冷却面近傍のベイナイトの軟化が十分に進行せず、最終製品においてフランジ厚さ方向に強度差が生じる。一方、８００℃超えの場合、逆変態オーステナイト量が多くなり、二次冷却によって表面近傍が硬化し、最終製品におけるフランジ厚さ方向の強度差が大きくなる。
【００２６】
二次冷却停止温度
復熱後、二次冷却を直ちに開始し、二次冷却停止温度はフランジ平均温度で、４００℃以上、６００℃以下とする。二次冷却停止温度が、４００℃未満の場合、冷却停止後のセルフテンパー効果が不十分となり、最終製品の靭性が損なわれたり、靭性が不十分となる。一方、６００℃超えの場合は、冷却による強靭化が十分でなく、圧延終了後空冷により製造される形鋼に対し、性能上の優位性が十分得られない。
【００２７】
尚、本発明においては、スラブ加熱温度は、圧延による断面形状および靭性確保の観点から、１１００℃以上、１３００℃以下が望ましい。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
表１に示す成分組成の鋼を溶製後、連続鋳造により鋳片とした。鋼Ａは、仕上圧延後、フランジを水冷するプロセスを適用することにより、ＪＩＳ  Ｇ
３１３６に規定のＳＮ４９０Ｃ鋼を、また、鋼Ｂは、同様のプロセスにより、５９０ＭＰａ級鋼を製造することを目的に成分設計したものであり、いずれも本発明範囲内の成分組成となっている。
【００２９】
鋼ＡまたはＢの成分を有する鋳片を、加熱炉で１２５０℃に加熱後、表２に示すフランジ厚４０ｍｍ超えの種々の寸法のＨ形鋼に圧延した。仕上圧延機出側温度は９５０℃以上でＡｒ3点以上とした。その後、表２に示す種々の条件により、冷却を行った。Ｎｏ．９，２１のサンプルは、圧延終了後、一次冷却を行わず、フランジ内外面が表２の（復熱−２段目冷却開始温度）となるまで待機後、一段の水冷を行ったものである。その他のサンプルについては、一次冷却、復熱後、二次冷却する２段冷却を行った。二次冷却は、一次冷却と同じ水量密度条件としている。
【００３０】
得られた形鋼より、図１に示すように、フランジ幅方向１／４の位置において、フランジ厚さ（ｔ）方向に対し、１／４，１／２．３／４の位置より、圧延方向を長手方向として、ＪＩＳ  Ｚ２２０１に規定の４号引張試験片（平衡部径：１４ｍｍ，ゲージ長：５０ｍｍ）を各３本ずつと、ＪＩＳ  Ｚ２２０２に規定のＶノッチシャルピー衝撃試験片を３本ずつ採取し、常温における引張特性および０℃におけるシャルピー衝撃吸収エネルギーを求めた。
【００３１】
また、図１に示すように、フランジ幅方向１／４におけるフランジ外面、内面と、フランジ断面における１／２ｔにおけるビッカース硬さを試験荷重９８Ｎで求めた。更に、製品形状を目視により評価した。
【００３２】
表３にこれらの試験結果を示す。２段冷却を実施しないＮｏ．９，２１は、材料内部の機械的性質は良好であるが、フランジ内外面の硬さが極めて高く、その差も大きい。フランジ外面のみから冷却し、冷却水量密度も低い、Ｎｏ．３のサンプルでは、フランジ各部の強度が低く、また、その変動も大きい。更に、衝撃値、硬度の変動も大きい。
【００３３】
フランジ外面からのみ冷却したＮｏ．４，Ｎｏ．１４のサンプルは、フランジ内面側の強度が低く、強度の変動も大きく、さらに硬さの変動も大きい。製品形状も、フランジが内側に歪む形状不良（内折れ）が認められた。
【００３４】
フランジ内面の水量密度の低いＮｏ．１５のサンプルは、フランジ内面側の強度が低く、その変動も大きく、また、硬度の変動も大きかった。製品形状も、フランジが内側に歪む形状不良（内折れ）が認められた。
【００３５】
フランジ内外面の水量密度の低いＮｏ．１７のサンプルは、強度が不十分で、その変動も大きく、また、衝撃値、硬度の変動も大きかった。
【００３６】
水量密度比が大きいＮｏ．５，２２は、いずれも材質的には良好であるが、フランジが外側に大きく歪む形状不良（外折れ）が認められた。
【００３７】
一次冷却停止時のフランジ外面、内面温度が本発明範囲外で高いＮｏ．６，１８は、いずれも、材料内部の機械的性質は良好であるが、硬度が高く、また、その変動も大きい。
【００３８】
復熱温度（二次冷却開始温度）が低いＮｏ．７，１９，復熱温度（二次冷却開始温度）が高いＮｏ．８，２０はいずれもフランジ内面または外面の硬度が高く、その変動も大きい。
【００３９】
一方、本発明の規定を全て満足するＮｏ．１，２，１０，１１，１６，２３は、フランジ厚全厚にわたって、良好な強度と衝撃特性を有し、フランジ厚さ方向の特性差が小さく、水冷によるフランジ内面と外面の硬さ上昇も安定的で小さい。さらに製品形状にも優れている。
【００４０】
【表１】
0003991552.tif 000002
【００４１】
【表２】
0003991552.tif 000003
【００４２】
【表３】
0003991552.tif 000004
【００４３】
（実施例２）
表４に示す成分組成の鋼を溶製後、連続鋳造により鋳片とした。鋼Ａは、仕上圧延後、フランジを水冷するプロセスを適用することにより、ＪＩＳ  Ｇ  ３１３６に規定のＳＮ４００Ａ鋼を、また、鋼Ｂは、同様のプロセスにより、ＳＮ４９０Ｃ鋼を製造することを目的に成分設計し、いずれも本発明範囲内の成分組成となっている。
【００４４】
鋼ＡまたはＢの成分を有する鋳片を、加熱炉で１２５０℃に加熱後、表５に示すフランジ厚８ｍｍ超え４０ｍｍ未満の種々の寸法のＨ形鋼に圧延した。仕上圧延機出側温度は８８０℃以上でＡｒ3点以上とした。その後、表５に示す種々の条件により、冷却を行った。Ｎｏ．９，２１のサンプルは、圧延終了後、一次冷却を行わず、フランジ内外面が表５の復熱後、２段目冷却開始温度となるまで待機後、一段の水冷を行ったものである。その他のサンプルについては、一次冷却、復熱後、二次冷却する２段冷却を行った。二次冷却は、一次冷却と同じ水量密度条件としている。
【００４５】
得られた形鋼より、フランジ幅方向１／４の位置において、圧延方向を長手方向として、ＪＩＳ  Ｚ２２０１に規定の１Ａ号引張試験片（平衡部幅：４０ｍｍ，ゲージ長：２００ｍｍ）を各３本ずつと、ＪＩＳ  Ｚ２２０２に規定のＶノッチシャルピー衝撃試験片を３本ずつ採取し、常温における引張特性および０℃におけるシャルピー衝撃吸収エネルギーを求めた。
【００４６】
また、フランジ幅方向１／４におけるフランジ外面、内面と、フランジ断面における１／２ｔにおけるビッカース硬さを試験荷重９８Ｎで求めた。更に、製品形状を目視により評価した。
【００４７】
表６にこれらの試験結果を示す。２段冷却を実施しないＮｏ．９，２１は、材料内部の機械的性質は良好であるが、フランジ内外面の硬さが極めて高く、その差も大きい。フランジ外面のみから冷却し、冷却水量密度も低い、Ｎｏ．３、１４のサンプルでは、フランジ各部の強度が低く、また、その変動も大きい。更に、フランジ外面における硬度の変動も大きい。
【００４８】
フランジ外面からのみ冷却したＮｏ．４のサンプルは、機械的特性は良好であったが、フランジが内側に倒れる顕著な形状不良（内折れ）が認められた。また、強度が高く、フランジ厚が厚めのＮｏ．１５のサンプルは、フランジ外面と内面との硬さの差が大きく、顕著な形状不良（内折れ）が認められた。
【００４９】
フランジの水量密度の低いＮｏ．１６のサンプルは、フランジ内面の硬さ大きく変動し、顕著な形状不良（内折れ）が認められた。水量密度比が大きいＮｏ．５とＮｏ．１８は、いずれも良好な材質が得られたが、フランジが外に向かって大きく歪む形状不良（外折れ）が認められた。
【００５０】
一次冷却停止温度、復熱温度（二次冷却開始温度）の両者が本発明範囲外のＮｏ．６，１９はいずれも、材質は良好であるが、硬さの変動が大きく、Ｎｏ．１９では、Ｈｖ２００を超えている。復熱温度（二次冷却開始温度）が本発明の規定外で、低くなっているＮｏ．７，８，２０，２１は、フランジ内外面の硬度が高い。
【００５１】
二次冷却停止温度が高い、Ｎｏ．１２は強度が低く、二次冷却停止温度が低いＮｏ．１３は、衝撃吸収エネルギーが低い。本発明条件を全て満足するＮｏ．１，２，１０，１１，１７は良好な強度、靭性および硬さ分布を有し、更に製品形状にも優れている。
【００５２】
尚、本実施例に用いた製造装置は、フランジ内外面の冷却及び２段冷却が可能で、図２に内外面冷却装置および冷却状況を、図３に製造装置全体を模式的に示す。製造装置は、仕上圧延機出側に、内外面冷却を行う冷却装置を３個以上のユニットに分けて、直列に配置するもので、各ユニットは、冷却のｏｎ−ｏｆｆが可能である。圧延形鋼の仕上圧延速度、搬送速度の調整、及び各冷却ユニットのｏｎ−ｏｆｆにより、所望の２段冷却を行う。
【００５３】
【表４】
0003991552.tif 000005
【００５４】
【表５】
0003991552.tif 000006
【００５５】
【表６】
0003991552.tif 000007
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧延後、一次冷却を行った後、復熱させ、さらに二次冷却を行うので、フランジ厚によらず、フランジ各部位の材質が均一で、断面形状の劣化のない極厚Ｈ形鋼が複雑な熱処理を要せず製造可能で、産業上、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】フランジ部引張試験、衝撃試験の各試験片採取位置および硬さ分布試験の位置を示す図。
【図２】フランジ内外面冷却の状況を模式的に示す図。
【図３】圧延形鋼製造装置の模式図（平面図）。
【図１】
0003991552.tif 000008
【図２】
0003991552.tif 000009
【図３】
0003991552.tif 000010