(57)【要約】【課題】本件発明は、高い引張強さ、低リラクセーション特性及び耐遅れ破壊性に加えて、高いスポット溶接性を兼ね備える建築用鋼材の提供を目的とする。【解決手段】この目的を達成するため、本件発明は、中心部よりも硬さが低い表層を備えたものであって、引張強さが１５００ＭＰａ以上、１８０℃のオートクレープ養生条件でのリラクセーション値が１０％以下、５０℃の２０％チオシアン酸アンモニウム水溶液中に浸漬した状態で、その引張強さの７０％の試験荷重を負荷した際に破断するまでの遅れ破壊時間が１０時間以上であり、かつ、当該表層の硬さＶｓが当該中心部の硬さＶｉの０．５０倍〜０．９６倍である建築用鋼材を採用する。【選択図】図６
2017179399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部よりも硬さが低い表層を備えた建築用鋼材であって、
引張強さが１５００ＭＰａ以上、
１８０℃のオートクレープ養生条件でのリラクセーション値が１０％以下、
５０℃の２０％チオシアン酸アンモニウム水溶液中に浸漬した状態で、その引張強さの７０％の試験荷重を負荷した際に破断するまでの遅れ破壊時間が１０時間以上であり、かつ、
当該表層の硬さＶｓと当該中心部の硬さＶｉとが数１に示す条件を満たすことを特徴とする建築用鋼材。
（数１）
０．５０Ｖｉ≦Ｖｓ≦０．９６Ｖｉ
【請求項２】
前記中心部の硬さＶｉが４５０ＨＶ以上５５０ＨＶ以下である請求項１に記載の建築用鋼材。
【請求項３】
前記表層の硬さＶｓが２２５ＨＶ以上５２８ＨＶ以下である請求項１又は請求項２に記載の建築用鋼材。
【請求項４】
前記表層が、表面から中心までの寸法を１００％としたときの表面から１％〜３０％の深さである請求項１〜請求項３のいずれかに記載の建築用鋼材。
【請求項５】
スポット溶接後の破断伸びが５％以上である請求項１〜請求項４のいずれかに記載の高強度鋼材。
【請求項６】
０．２％耐力が１４２０ＭＰａ以上である請求項１〜請求項５のいずれかに記載の建築用鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件出願に係る発明は、特に、ＰＣパイルやＰＣポール等のプレストレストコンクリート構造物の補強用鋼材として用いられる建築用鋼材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、建築用鋼材である高強度ＰＣ用鋼材は、コンクリートパイルやコンクリートポール、橋梁等のＰＣ（プレストレストコンクリート）構造物の補強用鋼材として広く使用されている。ＰＣ用鋼材には、熱処理によって製造されるＪＩＳ  Ｇ  ３１３７：２００８の「細径異形ＰＣ鋼棒」や、冷間加工によって製造されるＪＩＳ  Ｇ  ３１０９：２００８「ＰＣ鋼棒」等があり、これらは、耐力、引張強さ、伸び、リラクセーション値が規格化されている。高強度ＰＣ用鋼材は、引張強さが１４２０ＭＰａ以上のＤ種として規格化されている。
【０００３】
ＰＣ鋼棒は、コンクリート製品にプレストレスト力を与えるために、常に引張応力が作用している。プレストレストコンクリート構造物中のＰＣ鋼棒は、経年使用によりコンクリートに生じた亀裂部分等から雨水が浸入すると、ＰＣ鋼棒の表面が局所的に腐食する。引張応力が作用している状態で、この腐食部分からＰＣ鋼棒の内部に水素が侵入すると、いわゆる遅れ破壊を引き起こす場合がある。このような腐食環境下におかれたＰＣ鋼材に長期間引張応力が作用した場合、当該ＰＣ鋼材に遅れ破壊が発生して、数年から数十年経過後に当該ＰＣ鋼材は突然破断する場合がある。よって、当該ＰＣ鋼棒には、高強度化に伴って耐遅れ破壊特性も要求される。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１には、耐遅れ破壊特性を向上させる技術が開示されている。具体的には、特許文献１に開示された鋼材の製造方法は、焼入れされた鋼材に焼戻しを施すことにより、前記鋼材の一部分の硬さを前記鋼材の他の部分の硬さよりも低くするものであって、前記焼戻しは、誘導加熱または直接通電加熱により前記鋼材の表皮から半径１０％までを急速加熱する加熱工程と、該加熱工程の開始後１秒以内に前記加熱工程を経た前記鋼材を急冷する冷却工程と、を備え、前記加熱工程における加熱温度がＡｃ１変態点以上であり、前記焼戻しの処理条件は、焼戻進行値Ｎが、表層部において、中心部の１．５倍以上となるよう設定している。
【０００５】
これにより、特許文献１に開示された技術によって、一般に引張強さが高いほど耐遅れ破壊性が低下する傾向にあるＰＣ鋼棒について、表面に低硬さ部を備えることで、優れた耐遅れ破壊性と所定の引張強さとを併せ持つＰＣ鋼棒を実現していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５３３７７９２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された技術は、加熱工程の開始後１秒以内に加熱工程を経た鋼材を急冷しているため、低リラクセーションの発現に必要となる処理を行うことができなかった。そのため、市場から要求される引張強さ、低リラクセーション特性及び耐遅れ破壊性とを兼ね備えたＰＣ鋼棒の実現が困難であった。
【０００８】
また、上述したようなＰＣ鋼棒は、コンクリート打設前に例えばかご状にスポット溶接により固定して用いる場合や、緊張力を負荷する主筋のＰＣ鋼棒の周囲に鉄線をらせん状にスポット溶接により固定して用いる場合がある。しかし、ＰＣ鋼棒自体の引張強度が高くなるほど、スポット溶接性が低下する傾向があり、上述した高い引張強さ、低リラクセーション特性及び耐遅れ破壊性に加えて、高いスポット溶接性を兼ね備えることも市場から要求されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、本件発明者等は、鋭意研究の結果、本件発明に係る建築用鋼材を提供することを可能とした。
【００１０】
すなわち、本件発明に係る建築用鋼材は、中心部よりも硬さが低い表層を備えたものであって、引張強さが１５００ＭＰａ以上、１８０℃のオートクレープ養生条件でのリラクセーション値が１０％以下、５０℃の２０％チオシアン酸アンモニウム水溶液中に浸漬した状態で、その引張強さの７０％の試験荷重を負荷した際に破断するまでの遅れ破壊時間が１０時間以上であり、かつ、当該表層の硬さＶｓと当該中心部の硬さＶｉとが数１に示す条件を満たすことを特徴とする。
（数１）
０．５０Ｖｉ≦Ｖｓ≦０．９６Ｖｉ
【００１１】
また、本件発明に係る建築用鋼材において、前記中心部の硬さＶｉが４５０ＨＶ以上５５０ＨＶ以下であることが好ましい。
【００１２】
また、本件発明に係る建築用鋼材において、前記表層の硬さＶｓが２２５ＨＶ以上５２８ＨＶ以下であることが好ましい。
【００１３】
また、本件発明に係る建築用鋼材において、前記表層は、表面から中心までの寸法を１００％としたときの表面から１％〜３０％の深さであることが好ましい。
【００１４】
さらに、本件発明に係る建築用鋼材は、スポット溶接後の破断伸びが５％以上であることが好ましい。
【００１５】
また、本件発明に係る建築用鋼材は、０．２％耐力が１４２０ＭＰａ以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本件発明に係る建築用鋼材は、中心部よりも硬さが低い表層を備えたものであって、引張強さが１５００ＭＰａ以上、１８０℃のオートクレープ養生条件でのリラクセーション値が１０％以下、５０℃の２０％チオシアン酸アンモニウム水溶液中に浸漬した状態で、その引張強さの７０％の試験荷重を負荷した際に破断するまでの遅れ破壊時間が１０時間以上であり、かつ、当該表層の硬さＶｓと当該中心部の硬さＶｉとが所定の不等式を満たすものであるので、高い引張強さを維持したまま、低リラクセーションや高耐遅れ破壊特性に優れたバランスの良い高強度のＰＣ鋼棒Ｗを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本件発明における工程Ａ〜工程Ｃの熱処理の概念を示すためのイメージ図である。
【図２】焼入焼戻鋼材を用いた場合の工程Ａ〜工程Ｃの熱処理の概念を示すためのイメージ図である。
【図３】ＰＣ鋼棒の伝熱解析による経過時間と温度分布の関係を示すグラフである。
【図４】ＰＣ鋼棒の伝熱解析による放冷時間と温度分布の関係を示すグラフである。
【図５】本件発明における工程Ａ〜工程Ｃの熱処理の概念を示すためのイメージ図である。
【図６】引張強さが１６００ＭＰａクラスの実施例１、実施例２及び比較例１の表面からの距離とビッカース硬さとの関係を示す図である。、図７は、図８は
【図７】引張強さが１６５０ＭＰａクラスの実施例３の表面からの距離とビッカース硬さとの関係を示す図である。
【図８】引張強さが１７００ＭＰａクラスの実施例４及び比較例２の表面からの距離とビッカース硬さとの関係を示す図である。
【図９】実施例１の焼入処理前の原材料の顕微鏡写真（１００倍及び４００倍）である。
【図１０】実施例１の焼入処理後の鋼材の顕微鏡写真（１００倍及び４００倍）である。
【図１１】実施例１の表面軟化焼戻処理及び温間矯直工程を経て急冷された後の鋼材の顕微鏡写真（１００倍及び４００倍）である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本件発明に係る「建築用鋼材」及び「当該建築用鋼材の製造方法」の形態について詳述する。
【００１９】
１．建築用鋼材
本件発明に係る建築用鋼材は、中心部よりも硬さが低い表層を備えたものであって、引張強さが１５００ＭＰａ以上、１８０℃のオートクレープ養生条件でのリラクセーション値が１０％以下、５０℃の２０％チオシアン酸アンモニウム水溶液中に浸漬した状態で、その引張強さの７０％の試験荷重を負荷した際に破断するまでの遅れ破壊時間が１０時間以上であり、かつ、当該表層の硬さＶｓと当該中心部の硬さＶｉとが数２に示す条件を満たすことを特徴とする。
（数２）
０．５０Ｖｉ≦Ｖｓ≦０．９６Ｖｉ
【００２０】
本件発明における建築用鋼材は、例えばＰＣパイルやＰＣポール等のプレストレストコンクリート構造物の補強用鋼材として用いられる高強度のＰＣ用鋼棒であり、中実の丸棒状を呈している。この建築用鋼材は、１５００ＭＰａ以上という高い引張強さを備えつつ、表面に当該中心部よりも硬さが低い表層（軟化層）を備えている。具体的には、当該表層の硬さＶｓ、具体的には、表層の平均硬さＶｓは、上述した数２に示すように当該建築用鋼材の中心部の硬さＶｉ、具体的には、中心部の平均硬さＶｉの０．５０倍〜０．９６倍の硬さである。当該表層の硬さＶｓが当該中心部の硬さＶｉの０．５０倍を下回る場合には、低リラクゼーションの実現が困難となるからであり、中心部の硬さＶｉの０．９６倍を上回る場合には、軟化された表層による耐遅れ破壊特性の効果が得られにくくなるからである。
【００２１】
本件発明における建築用鋼材の中心部の硬さＶｉは、４５０ＨＶ以上５５０ＨＶ以下であることが好ましい。中心部の硬さＶｉが４５０ＨＶを下回ると、ＰＣ用鋼棒としての強度が確保できなくなるからである。本件発明では、中心部の硬さＶｉを５５０ＨＶ以下に特定しているが、当該中心部の硬さＶｉ自体に臨界的な意義が存在するものではなく、ＰＣ鋼棒として用いられる中心部（母材）の硬さとして、５５０ＨＶを上回るものは殆ど存在しないからである。
【００２２】
当該建築用鋼材の中心部の硬さＶｉに対して、表層の硬さＶｓは、上述したように、０．５０Ｖｉ〜０．９６Ｖｉであれば本件発明による耐遅れ破壊特性の効果を得ることができるが、より好ましくは、表層の硬さＶｓは、具体的に２２５ＨＶ以上５２８ＨＶ以下であることが好ましい。表層の硬さＶｓが２２５ＨＶを下回ると低リラクゼーションの実現が困難であり、５２８ＨＶを上回ると耐遅れ破壊特性の効果が得られ難くなるからである。
【００２３】
上述した硬さを備える当該表層の深さは、表面から中心までの寸法を１００％としたときの表面から１％〜３０％の深さであることが好ましい。当該表層の深さが１％未満では、中心部よりも硬さが低い表層が存在することによる所望の耐遅れ破壊特性を得ることが困難となり、３０％より深いと母材の割合が表層の割合に対して低くなりすぎて、所望とする強度が得られにくくなるからである。
【００２４】
本件発明における建築用鋼材は、１８０℃のオートクレープ養生条件でのリラクセーション値が１０％以下である。一般に、プレストレストコンクリートパイルあるいはポールの製造時のコンクリートの養生期間短縮のため、１８０℃〜２００℃で１０気圧程度の雰囲気で行うオートクレープ養生を行う場合がある。このオートクレープ養生では、コンクリート中のＰＣ鋼棒のリラクセーションが増大する傾向があるが、本件発明では、１８０℃のオートクレープ養生条件であっても、リラクセーション値が１０％以下であるため、高いリラクセーション特性を実現することができる。
【００２５】
本件発明の建築用鋼材は、５０℃の２０％チオシアン酸アンモニウム水溶液中に浸漬した状態で、その引張強さの７０％の試験荷重を負荷した際に破断するまでの遅れ破壊時間が１０時間以上、より好ましくは、１００時間以上である。よって、本件発明の建築用鋼材は、通常、引張強さが高くなるほど、低下する傾向がある遅れ破壊特性を、１５００ＭＰａ以上の引張強さを維持したまま、大幅に改善することができる。
【００２６】
また、本件発明における建築用鋼材は、スポット溶接後の破断伸びが５％以上であることが好ましい。１５００ＭＰａ以上の引張強さを備えた建築用鋼材であって、スポット溶接後の破断伸びが５％以上を兼ね備えていることにより、当該建築用鋼材を用いたコンクリート構造物は、所望の特性を得ることが可能となる。
【００２７】
また、本件発明における建築用鋼材は、０．２％耐力が１４２０ＭＰａであることが好ましい。これにより、本件発明における建築用鋼材は、０．２％耐力を指標とした場合においても、十分な機械的性質を備えたものであるといえ、ＰＣ用鋼材としての使用に適したものとなる。
【００２８】
さらに、本件発明における建築用鋼材の成分組成は、ＰＣ用鋼材として、通常含まれている合金成分組成を備えるものであればよい。例えば、炭素が０．４５質量％以下、ケイ素が０．２質量％〜２．５０質量％、マンガンが０．６０質量％〜０．９０質量％、リンが０．０３０質量％以下、硫黄が０．０３５質量％以下、銅が０．３０質量％以下、チタンが０．０１質量％〜０．１０質量％、ホウ素が０．０１質量％以下であり、残部が鉄及び不可避的不純物からなる化学組成を備える鋼を用いることができる。
【００２９】
ここで、合金成分としての炭素は、焼入れ後の鋼の強度を確保するために必要な元素である。しかし炭素を多量に添加するとスポット溶接等の溶接性を損なうため、０．４５質量％以下とすることが好ましい。合金成分としてのケイ素は、降伏点を高め、リラクセーション値やスポット溶接性、遅れ破壊特性の改善に大きく寄与する元素である。本件発明では、当該ケイ素が０．２質量％以上存在することで、特に、スポット溶接性や遅れ破壊特性を改善することができる。しかし、２．００質量％以上添加すると製鋼・圧延工程において不具合が生じる場合があるため、２．５０質量％以下とすることが好ましい。合金成分としてのチタンやホウ素は、焼入性を向上させ、粒界強化を図ることにより疲労特性及び強度を改善する効果を有する重要な元素である。しかし、チタンやホウ素を多量に添加すると、脆化の要因となるため、チタンは０．１０質量％以下、ホウ素は、０．０１質量％以下とすることが好ましい。
【００３０】
以上述べてきたように、本件発明に係る建築用鋼材は、引張強さが１５００ＭＰａ以上、１８０℃のオートクレープ養生条件でのリラクセーション値が１０％以下、５０℃の２０％チオシアン酸アンモニウム水溶液中に浸漬した状態で、その引張強さの７０％の試験荷重を負荷した際に破断するまでの遅れ破壊時間が１０時間以上であり、かつ、当該表層の硬さＶｓが当該中心部の硬さＶｉの０．５０倍以上０．９６倍以下であるので、高い強度を維持したまま、低リラクセーションや高耐遅れ破壊特性に優れたバランスの良い高強度のＰＣ鋼棒Ｗを提供することが可能となる。また、本件発明に係る建築用鋼材は、スポット溶接後の破断伸びが５％以上であるため、スポット溶接性が高く、当該建築用鋼材を用いたコンクリート構造物は、所望の特性を得ることが可能となる。
【００３１】
２．建築用鋼材の製造方法
次に、本件発明に係る建築用鋼材の製造方法について述べる。本件発明に係る建築用鋼材は焼入れされた鋼材（ワーク）を処理するものであって、少なくとも焼入れされた鋼材を誘導加熱又は直接通電加熱により、当該鋼材の表面から中心までの寸法を１００％としたときの表面から１％〜３０％の深さを急速加熱する表層軟化焼戻工程（工程Ａ）と、温間域で当該鋼材に歪みを付与する歪み付与工程（工程Ｂ）と、工程Ａ及び工程Ｂを経た当該鋼材を急速冷却する焼戻冷却工程（工程Ｃ）とを備えることが好ましい。以下、前処理に相当する焼入工程を含め、工程Ａ〜工程Ｃを備えた建築用鋼材の製造方法を実現する一実施の形態としての製造装置（製造ライン）１について図１の工程概略説明図を参照して説明する。
【００３２】
本実施の形態において、製造装置１は、前処理工程を実施する焼入手段としての焼入加熱コイル２と、焼入側冷却手段としての焼入側冷却ジャケット３と、工程Ａを実施する表層軟化焼戻手段としての表層軟化焼戻加熱コイル４と、工程Ｂを実施する歪み付与手段としての歪み付与装置５と、工程Ｃを実施する焼戻し側冷却手段としての焼戻側冷却ジャケット６とを備える。これら焼入加熱コイル２、焼入側冷却ジャケット３、表層軟化焼戻し加熱コイル４、歪み付与装置５、焼戻側冷却ジャケット６は、例えば、直線状の搬送経路に配置され、熱処理の対象となる鋼材としてのＰＣ鋼棒Ｗは、搬送手段としてのピンチロールによって、当該鋼棒Ｗの軸方向に沿って連続して各熱処理機器に順次搬送される。以下、各工程毎に述べる。
【００３３】
前処理工程：前処理工程では、建築用鋼材の材料となる鋼材（ここでは、ＰＣ鋼棒Ｗ）を焼入加熱コイル２より誘導加熱又は直接通電加熱して焼入温度に急速加熱した後、焼入冷却ジャケット３により焼入冷却液を噴射して急冷し連続的に焼入を行う。この際の焼入温度は、本件発明において特に限定はないが、例えば、８５０℃〜１２００℃の範囲のいずれかの温度で行うことが好ましい。
【００３４】
この前処理工程では、ＰＣ鋼棒Ｗの焼入を行った後、図２に示すように、焼戻加熱コイル１１により誘導加熱または直接通電加熱して当該ＰＣ鋼棒Ｗの断面全体を焼戻温度に急速加熱した後、焼戻冷却ジャケット１２により焼戻冷却液を噴射して急冷して焼入焼戻鋼材としても良い。このときの冷却速度は、５００℃／秒以下であることが好ましい。
【００３５】
工程Ａ：この工程Ａは、前処理工程において焼入処理（焼入焼戻を含む）されたＰＣ鋼棒Ｗを表層軟化焼戻加熱コイル４により誘導加熱又は直接通電加熱して、当該ＰＣ鋼棒Ｗの表面から中心までの寸法を１００％としたときの表面から１％〜３０％の深さまでを３００℃〜７５０℃の焼戻温度に急速加熱する表層軟化焼戻工程である。当該焼戻温度は、より適切な焼戻しを実現できる点で、４２０℃〜６００℃であることがより好ましい。
【００３６】
ここで、有限要素モデル（ＦＥＭ）を用いた高周波誘導加熱を行ったときの伝熱解析によるシミュレーション結果を参照して、加熱及び冷却経過時間に対する鋼棒の伝熱状態について説明する。図３はＰＣ鋼棒の伝熱解析による経過時間と温度分布の関係を示すグラフであり、図４はＰＣ鋼棒の伝熱解析による放冷時間と温度分布の関係を示すグラフである。この解析条件は、Ｓ４０Ｃの半径３．６５ｍｍの中実の丸棒について、発熱層深さを０．１５４ｍｍ、加熱時間０．１７秒、放冷時間０．６３秒、初期温度２０℃とした。図３は連続熱処理中の鋼材のある断面の加熱開始から放冷終了までの経過時間（０．１７秒＋０．６３秒）を１００％として、時間の経過に対する鋼材の表面から中心までの６箇所それぞれの温度変化を示している。図４はｒ（中心からの距離）／Ｒ（半径）に対する加熱終了から０．３秒毎のそれぞれの温度を示したものを示している。
【００３７】
これら図３及び図４のシミュレーション結果から分かるように、加熱初期は、表層部が高温で中心部は低温の温度分布であるが、時間の経過と共に表層部と中心部の温度が均一になっていき、さらに時間が経過すると、熱放射によって表層部の温度が低下し始めることが分かる。
【００３８】
これにより、当該表層軟化焼戻加熱コイル４による急速加熱の条件を適宜設定することにより、ＰＣ鋼棒Ｗの表層軟化焼戻工程におけるＰＣ鋼棒Ｗの全断面均熱化までの間において、表面から中心部までの温度差が最適化されて、当該中心部よりも硬さが低い表層、具体的には、硬さＶｓが中心部の硬さＶｉの０．５０倍〜０．９６倍である表層を形成することができる。具体的には、当該表層軟化焼戻加熱コイル４の投入電力、電流浸透深さ、表面電力密度、表面加熱温度、加熱時間、ＰＣ鋼棒Ｗの表面と中心の温度が一致する均熱温度、表層軟化効果率を適宜調整することにより、急速加熱する表面からの深さを制御することができる。ここで、電流浸透深さδは、以下の数３に示す数式により得られる値である。
【数３】
2017179399.tif 000003
【００３９】
また、表面電力密度Ｐは、以下の数４に示す数式により得られる値である。
【数４】
2017179399.tif 000004
【００４０】
さらに、表面軟化効果率ｚは、以下の数５に示す数式により得られる値である。
【数５】
2017179399.tif 000005
【００４１】
本実施の形態では、投入電力が１０ｋＷ〜５０ｋＷ、電流浸透深さが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、表面電力密度が１０００Ｗ／ｍ２〜５０００Ｗ／ｍ２、表面加熱温度が３００℃〜７５０℃、加熱時間が０．１５秒〜１０秒、均熱時間が０．５秒〜２０秒、表層軟化効果率が１０％〜５０％の間で組みあわせることが好ましい。短時間でＰＣ鋼棒Ｗに所定の熱量を加えて加熱処理することにより、ＰＣ鋼棒Ｗの内部にまで熱が伝わり、中心付近まで軟化されて、ＰＣ鋼棒Ｗ自体の強度が低下することを回避するためである。また、焼戻温度を制御することにより、得られるＰＣ鋼棒Ｗの引張強さを任意に調整することができる。
【００４２】
当該表層軟化焼戻工程において、表層軟化焼戻加熱コイル４は、高周波誘導加熱コイルであることが好ましく、周波数は、１ｋＨｚ以上であることがより好ましい。高い周波数の誘導加熱を行うことにより、表皮効果によって表面に近接した部分のみの加熱を効率的に行うことが可能となり、短時間で、中心までの寸法を１００％としたときの表面から１％〜３０％の深さの表層部のみを加熱して、中心部よりも軟化された表層を容易に形成することができるからである。
【００４３】
工程Ｂ：この工程Ｂは、少なくとも前処理工程を得た焼入処理（焼入焼戻を含む）されたＰＣ鋼棒Ｗを温間域で歪み付与を行いながら均熱する歪み付与工程である。当該工程Ｂは、温間域でＰＣ鋼棒Ｗを歪み付与装置を用いて当該ＰＣ鋼棒Ｗに歪みを付与し、当該ＰＣ鋼棒Ｗのリラクセーション値を向上させるものであればよい。ここで温間域は、当該ＰＣ鋼棒Ｗの表面温度が３００℃〜７５０℃、より好ましくは、４２０℃〜６００℃であることが望ましい。また、ＰＣ鋼棒Ｗに歪みを付与する手段としては、例えば、複数の矯正駒を内蔵した回転シリンダー方式の直線機を用いる方法や、ホットストレッチング方法などを採用することができ、これらに限定されない。当該ＰＣ鋼棒Ｗへの歪みの付与は、１回のみならず、複数回に分けて実施しても良い。
【００４４】
本実施の形態では、例えば、上述した工程Ａにおいて加熱された後、例えば、１０秒以内に、工程Ｂを実施して歪み付与装置５内にＰＣ鋼棒Ｗを導入することによって、格別に当該ＰＣ鋼棒Ｗを加熱することなく温間域で歪みを付与することが可能となる。
【００４５】
当該工程Ｂの処理時間、具体的には、工程Ａ終了直後から工程Ｃにおける冷却までの時間は、１秒〜２０秒であることがより好ましい。工程Ｂの処理時間が１秒未満であると、十分にＰＣ鋼棒Ｗに歪みを付与することができず、所望のリラクセーション値を実現することが困難となるからである。また、工程Ｂの処理時間が２０秒を超えると、通常の焼戻しとなり、所望の強度を実現することが困難となるからである。
【００４６】
また、当該工程Ｂの実施の順序は、工程Ａの後に限定されるものではなく、温間域での歪み付与が可能であれば、図５に示すように、工程Ａの前に工程Ｂを実施しても良い。この場合、工程Ｂを実施する前に、当該ＰＣ鋼棒Ｗの断面全体を焼戻加熱コイル１３により誘導加熱または直接通電加熱して当該ＰＣ鋼棒Ｗの断面全体を焼戻温度に加熱し、当該工程Ｂを実施することによって、当該ＰＣ鋼棒Ｗを温間域で歪み付与することが可能となる。工程Ｂの前に実施するＰＣ鋼棒Ｗの断面全体の焼戻温度は、特に限定されるものではないが、３００℃〜７００℃、より好ましくは、３００℃〜５００℃とすることが望ましい。
【００４７】
工程Ｃ：この工程Ｃは、工程Ａ及び工程Ｂを経たＰＣ鋼棒Ｗを焼戻冷却ジャケット６により焼戻冷却液を噴射して急冷し連続的に焼戻を行う焼戻冷却工程である。当該工程Ｃは、所定の冷却温度まで冷却速度１００℃／秒以上で急速冷却することにより、１度の焼戻しでも表層に低硬さの層を形成することができると共に、所定の深さからは均一な硬さ分布を持ち、１５００ＭＰａ以上の引張強さとなるＰＣ鋼棒Ｗを製造することが可能となる。
【００４８】
当該工程Ｃの処理時間は、１秒〜６０秒であることがより好ましい。工程Ｃの処理時間が１秒未満であると、十分にＰＣ鋼棒Ｗを冷却することができず、６０秒を超えて行うと、所望の引張強さを実現することが困難となるからである。
【００４９】
なお、本件発明に係る建築用鋼材の製造方法は、上述した各工程を備えたものであれば、そのほかに、熱間での加工、冷間での加工および圧延、伸線、鋳造等を適用することが可能であり、各工程における温度も適宜選択することが可能である。また、加工と同時に焼入、焼戻処理を適宜行うことで、建築用鋼材の強度の調整も可能である。
【００５０】
次に、本発明に係る建築用鋼材の実施例及び比較例について述べる。
【実施例１】
【００５１】
実施例１の建築用鋼材は、鋼材（供試材）として以下の表１に示す化学成分を含む直径（呼び名）１０．７ｍｍ、外径１１．１０ｍｍの細径異形ＰＣ鋼棒により作製した。
【００５２】
【表１】
2017179399.tif 000006
【００５３】
実施例１では、まずはじめに、鋼材の焼入を行った。具体的には、焼入加熱コイル２を用いて５０ｋＨｚの高周波誘導加熱により、当該鋼材を３．７５秒で当該鋼材のＡ３点以上の温度である１０１０℃まで昇温させた後、９．５８秒間均熱を行い、その後、直ちに、焼入冷却ジャケット３を用いて水冷により９００℃から当該鋼材のＭｆ点以下温度である３０℃まで約１６８℃／秒の冷却速度で急速冷却して焼入れた。次いで、表層軟化焼戻加熱コイル４を用いて高周波誘導加熱法により加熱を行った。具体的な熱処理条件は、表層軟化焼戻加熱コイル４の投入電力が２１ｋＷ、加熱温度が５３０℃、加熱時間が０．７５秒、均熱温度が４５５℃とし、電流浸透深さが０．３９８ｍｍ、表面電力密度が２５３２ｋＷ／ｍ２、表層軟化効果率が１４．２％であった。そして、表層軟化焼戻加熱コイル４から出てきた鋼材を歪み付与装置５に導入させて、温間域で当該鋼材に歪みを付与した。歪み付与装置５による歪み付与開始温度は４５０℃とし、歪み処理時間は７．９２秒とした。その後、焼戻冷却ジャケット６において、歪み付与装置５から出た鋼材を水冷により室温まで約１００℃／秒の冷却速度で急速冷却した。当該工程を経て実施例１の鋼材を得た。なお、当該実施例１の製造工程は、上述した図１に相当する。また、当該実施例１の表層軟化焼戻工程（工程Ａ）及び歪み付与工程（工程Ｂ）の熱処理条件を他の実施例及び比較例とあわせて表２に示す。
【００５４】
【表２】
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【実施例２】
【００５５】
実施例２は、上述した実施例１と同様の供試材を用いて同様に鋼材を作製した。実施例２は、実施例１と表層軟化焼戻条件のみが異なり、それ以外は同様の条件で鋼材を得た。具体的には、実施例２の熱処理条件は、表層軟化焼戻加熱コイル４の投入電力が４０ｋＷ、加熱温度が５３５℃、加熱時間が１．３８秒、均熱温度が４７２℃とし、電流浸透深さが０．１５９ｍｍ、表面電力密度が４８２３ｋＷ／ｍ２、表層軟化効果率が２９．６％であった。そして、歪み付与装置５による歪み付与開始温度は４７０℃とし、歪み処理時間は７．９２秒とした。
【実施例３】
【００５６】
実施例３は、上述した実施例１と同様の供試材を用いて同様に鋼材を作製した。実施例３は、実施例１と焼入条件、及び、表層軟化焼戻条件のみが異なり、それ以外は同様の条件で鋼材を得た。具体的には、実施例３は、焼入加熱コイル２を用いて周波数５０ｋＨｚの高周波誘導加熱により、当該鋼材を３．７５秒で当該鋼材のＡ３点以上の温度である９７０℃まで昇温させた後、直ちに、焼入冷却ジャケット３を用いて水冷により当該鋼材のＭｆ点以下温度である室温まで約５００℃／秒の冷却速度で急速冷却して焼入れた。そして、表層軟化焼戻の熱処理条件は、表層軟化焼戻加熱コイル４の投入電力が３８ｋＷ、加熱温度が５２５℃、加熱時間が０．７５秒、均熱温度が４４０℃とし、電流浸透深さが０．２２５ｍｍ、表面電力密度が４５８２ｋＷ／ｍ２、表層軟化効果率が２８．８％であった。そして、歪み付与装置５による歪み付与開始温度は４４０℃とし、歪み処理時間は７．９２秒とした。
【実施例４】
【００５７】
実施例４は、上述した実施例１と同様の供試材を用いて同様に鋼材を作製した。実施例４は、実施例１と表層軟化焼戻条件のみが異なり、それ以外は同様の条件で鋼材を得た。具体的には、実施例４の熱処理条件は、表層軟化焼戻加熱コイル４の投入電力が２８ｋＷ、加熱温度が４９５℃、加熱時間が１．３８秒、均熱温度が４３５℃とし、電流浸透深さが０．１５９ｍｍ、表面電力密度が３３７６ｋＷ／ｍ２、表層軟化効果率が３０．５％であった。そして、歪み付与装置５による歪み付与開始は４３５℃とし、歪み処理時間は７．９２秒とした。
【比較例】
【００５８】
［比較例１］
比較例１は、上述した実施例１と同様の供試材を用いて同様に鋼材を作製した。比較例１は、実施例１と焼入条件、表層軟化焼戻条件、歪み付与条件のみが異なり、それ以外は同様の条件で鋼材を得た。具体的には、比較例１は、焼入加熱コイル２を用いて周波数５０ｋＨｚの高周波誘導加熱により、当該鋼材を３．７５秒で当該鋼材のＡ３点以上の温度である１０００℃まで昇温させた後、直ちに、焼入冷却ジャケット３を用いて水冷により当該鋼材のＭｆ点以下温度である室温まで約５００℃／秒の冷却速度で急速冷却して焼入れた。そして、表層軟化焼戻加熱コイル４による熱処理条件は、投入電力が９ｋＷ、加熱温度が５１０℃、加熱時間が１．１８秒、均熱温度が４６１℃とし、電流浸透深さが０．３９８ｍｍ、表面電力密度が９３０ｋＷ／ｍ２、表層軟化効果率が９．７％であった。また、歪み付与装置５による歪み付与開始温度は４５７℃とし、歪み処理時間は６．７９秒とした。
【００５９】
［比較例２］
比較例２は、上述した比較例１とは、表層軟化焼戻条件及び歪み付与条件のみが異なり、それ以外は同様の条件で鋼材を得た。具体的には、比較例２の表層軟化焼戻加熱コイル４による熱処理条件は、投入電力が８ｋＷ、加熱温度が４７８℃、加熱時間が１．１８秒、均熱温度が４３６℃とし、電流浸透深さが０．３９８ｍｍ、表面電力密度が８２７ｋＷ／ｍ２、表層軟化効果率が８．８％であった。また、歪み付与装置５による歪み付与開始温度は４３０℃とし、歪み処理時間は６．７９秒とした。
【００６０】
以下に、上述した各実施例及び比較例の鋼材の試験結果を示す。ここでは、各実施例及び比較例の引張試験、硬さ分布、金属組織観察、スポット溶接性に関する試験、リラクセーションに関する試験、遅れ破壊試験の結果について述べる。
【００６１】
引張試験：  各実施例及び比較例について行った引張試験は、２号試験片を用いてＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に準拠して行った。当該引張試験により引張強さ、０．２％耐力、破断伸び、一様伸び、降伏比を求めた。各実施例及び比較例の引張強さ、０．２％耐力、破断伸び、一様伸び、降伏比を表３に示す。
【００６２】
【表３】
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【００６３】
当該引張試験の結果から、いずれの引張強さのクラスの実施例ついても０．２％耐力が１５３５ＭＰａ以上、破断伸びが８．５％以上、一様伸びが２．１％以上、の特性が得られた。
【００６４】
硬さ分布：  図６〜図８は各実施例及び比較例の鋼材の表面からの距離とビッカース硬さとの関係を示す。図６は引張強さが１６００ＭＰａクラスの実施例１、実施例２及び比較例１、図７は引張強さが１６５０ＭＰａクラスの実施例３、図８は引張強さが１７００ＭＰａクラスの実施例４及び比較例２について示している。
【００６５】
図６に示すように、引張強さが１６００ＭＰａクラスの各鋼材では、実施例１は表層の深さが０．５ｍｍで、表層の硬さ（表面から０．５ｍｍまでの平均の硬さ）Ｖｓが４６９ＨＶ、中心部の硬さ（表面から１．５〜６．０ｍｍまでの平均硬さ）Ｖｉが５００ＨＶであった。実施例１の表面硬さＶｓは中心部の硬さＶｉの０．９４倍であった。実施例２は表層の深さが１．０ｍｍで、表層の硬さ（表面から１．０ｍｍまでの平均の硬さ）Ｖｓが４４７ＨＶ、中心部の硬さ（表面から１．５〜６．０ｍｍまでの平均硬さ）Ｖｉが４８５ＨＶであった。実施例１の表面硬さＶｓは中心部の硬さＶｉの０．９２倍であった。これに対し、比較例１は表層の深さが０．１ｍｍで、表層の硬さ（表面から０．１ｍｍまでの平均の硬さ）Ｖｓが４８７ＨＶ、中心部の硬さ（表面から１．５〜６．０ｍｍまでの平均硬さ）Ｖｉが５０９ＨＶであった。実施例４の表面硬さＶｓは中心部の硬さＶｉの０．９８倍であった。比較例１の表面硬さＶｓは中心部の硬さＶｉの０．９８倍であった。よって、同じ引張強さのクラスで比較したときに、実施例１及び実施例２は、表面から中心までの寸法を１００％としたときの表面から４．５％又は９％の深さに、中心部の硬さの０．９２倍又は０．９４倍の硬さの表層を備えていることが確認できた。比較例１は、表面の硬さはほぼ中心部の硬さと変わらず、殆ど表層が形成されていないことが確認できた。
【００６６】
図７に示すように、引張強さが１６５０ＭＰａクラスの鋼材では、実施例３は表層の深さが０．９ｍｍで、表層の硬さ（表面から０．９ｍｍまでの平均の硬さ）Ｖｓが４６２ＨＶ、中心部の硬さ（表面から１．５〜６．０ｍｍまでの平均硬さ）Ｖｉが５５１ＨＶであった。実施例３の表面硬さＶｓは中心部の硬さＶｉの０．８４倍であった。また、実施例３は、表面から中心までの寸法を１００％としたときの表面から８．１％の深さに、中心部の硬さの０．８４倍の硬さの表層を備えていることが確認できた。
【００６７】
図８に示すように、引張強さが１７００ＭＰａクラスの各鋼材では、実施例４は表層の深さが０．５ｍｍで、表層の硬さ（表面から０．５ｍｍまでの平均の硬さ）Ｖｓが４６９ＨＶ、中心部の硬さ（表面から１．５〜６．０ｍｍまでの平均硬さ）Ｖｉが５００ＨＶであった。実施例１の表面硬さＶｓは中心部の硬さＶｉの０．９６倍であった。これに対し、比較例２は表層の深さが０．１ｍｍで、表層の硬さ（表面から０．１ｍｍまでの平均の硬さ）Ｖｓが５１０ＨＶ、中心部の硬さ（表面から１．５〜６．０ｍｍまでの平均硬さ）Ｖｉが５１４ＨＶであった。よって、同じ引張強さのクラスで比較したときに、実施例４は、表面から中心までの寸法を１００％としたときの表面から４．５％の深さに、中心部の硬さの０．９６倍の硬さの表層を備えていることが確認できた。比較例２は、表面の硬さはほぼ中心部の硬さと変わらず、殆ど表層が形成されていないことが確認できた。
【００６８】
金属組織：  次に、実施例１の鋼材の表層及び中心部の金属組織の顕微鏡写真を図９〜図１１に示す。図９は実施例１の前処理前、具体的には、焼入処理前の原材料の顕微鏡写真（１００倍及び４００倍）を示す。当該写真から、焼入処理前の原材料は、表面にフェライト層が存在し、内部には、フェライトとパーライトの混合組織が存在することが確認できた。図１０は実施例１の前処理後の、具体的には、焼入処理後の鋼材の顕微鏡写真（１００倍及び４００倍）を示す。当該写真から、焼入処理後の鋼材は、焼入処理によって、内部にはマルテンサイト組織となっており、表面にはフェライト層が存在することが確認できた。図１１は実施例１の表面軟化焼戻処理及び歪み付与工程を経て急冷された後の鋼材の顕微鏡写真（１００倍及び４００倍）を示す。当該写真から、焼入処理後と同様に、表面にはフェライト層が存在することが確認できた。しかし、図１１からは硬さが異なる表層と母材との境界は判別できなかった。
【００６９】
スポット溶接性：  各実施例及び比較例について行ったスポット溶接性の評価は、各鋼材に対して以下の表４に示す溶接電流値、通電サイクル数２、加圧力０．０７ＭＰａ、らせん筋３．２ｍｍの線径のＪＩＳ  ＳＷＭ−Ｂの溶接条件でスポット溶接を行った後、引張試験を行った。以下の表４に、各実施例及び比較例の溶接電流値、引張試験により得られた破断率、破断伸び（平均伸び、最小伸び）を示す。
【００７０】
【表４】
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【００７１】
当該スポット溶接後の引張試験の結果から、各実施例及び比較例は、いずれもスポット溶接後の破断伸び（平均伸び）が８．１％以上であり、５％以上の破断伸びの特性を備えていることが確認できた。
【００７２】
リラクセーション試験：  各実施例及び比較例について行ったリラクセーション試験はオートクレープにおいて各試験片に規格の引張強さの７０％の荷重を負荷し、常温から４時間で１８０℃に昇温し、１８０℃で３時間保持した後、炉冷を行い、２３時間後の荷重変化量を初期負荷荷重に対する減少率で示した。なお、規格の引張強さは、実施例１、実施例２及び比較例１が、１６００ＭＰａ、実施例３が１６５０ＭＰａ、実施例４及び比較例２が１７００ＭＰａであるものとする。上述した表４に、各実施例及び比較例のリラクセーション試験の結果を示す。
【００７３】
当該リラクセーション試験の結果から、実施例及び比較例のいずれの鋼材も１８０℃のオートクレープ養生条件でのリラクセーション値が１０％以下を達成していることが確認できる。
【００７４】
遅れ破壊試験：  各実施例及び比較例について行った遅れ破壊試験は、（社）腐食防食協会発行のＪＳＣＥ  Ｓ  １２０１に準拠し試験を行った。具体的には、各試験片に規格の引張強さの７０％の荷重を負荷したＮＨ４ＳＣＮ（チオシアン酸アンモニウム、濃度２０％、液温５０℃）溶液に浸漬し、破断までの時間を評価した。なお、前述した規格の引張強さとは、リラクセーション試験の場合と同様とする。上述した表４に、各実施例及び比較例の遅れ破壊試験の結果を示す。
【００７５】
当該遅れ破壊試験の結果から、本発明に係る表面に中心部の硬さの０．５０倍〜０．９６倍の硬さの表層を備えた各実施例は、いずれも遅れ破壊試験による破断までの時間が１０時間以上を達成していることが確認できた。特に、実施例１〜実施例３に至っては、１００時間を超えても破断しなかったことが確認できた。これに対して、熱処理条件の調整によって、中心部よりも硬さが低い表層が形成されていない比較例１及び比較例２は、遅れ破壊試験による破断までの時間が３．９時間や５．６時間と短い。よって、本発明に係る表面に中心部の硬さの０．５０倍〜０．９６倍の硬さの表層を備えた各実施例は、中心部よりも硬さが低い表層を備えていない比較例１や比較例２と比べて、大幅に遅れ破壊特性が改善されていることが分かる。また、一般に、遅れ破壊特性は、引張強さが高くなるほど、低下する傾向にあるが、実施例４に示すように１７００ＭＰａクラスの鋼材であっても、従来の数時間と比較して１３．３時間と大幅に改善されていることが分かる。
【００７６】
上述の試験結果から、本件発明に係る建築用鋼材は、引張強さが１５００ＭＰａ以上であるにもかかわらず、１８０℃のオートクレープ養生条件でのリラクセーション値が１０％以下、５０℃の２０％チオシアン酸アンモニウム水溶液中に浸漬した状態で、その引張強さの７０％の試験荷重を負荷した際に破断するまでの遅れ破壊時間が６０時間以上であるため、高い引張強さを維持したまま、低リラクセーションや高耐遅れ破壊特性に優れたバランスの良い高強度の建築用鋼材であることが分かる。また、本件発明に係る建築用鋼材は、スポット溶接後の破断伸びが５％以上であることから、高いスポット溶接性も兼ね備えたものであることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本件発明に係る建築用鋼材は、引張強さが１５００ＭＰａ以上であって、１８０℃のオートクレープ養生条件でのリラクセーション値が１０％以下、遅れ破壊試験における破断までの時間が１０時間以上と耐遅れ破壊特性に優れたものであるため、コンクリート製品にプレストレスト力を与えるために用いられるＰＣ鋼棒として用いる場合に特に有用である。また、本件発明に係る建築用鋼材は、高いスポット溶接性も兼ね備えているため、当該建築用鋼材を用いたコンクリート構造物は、所望の特性を得ることが可能となる点で特に有用である。
【符号の説明】
【００７８】
Ｗ    ＰＣ鋼棒
１    製造装置
２    焼入加熱コイル（焼入手段）
３    焼入側冷却ジャケット（焼入側冷却手段）
４    表層軟化焼戻加熱コイル（表層軟化焼戻手段）
５    歪み付与装置（歪み付与手段）
６    焼戻側冷却ジャケット（焼戻側冷却手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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