(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．０２〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０１〜１．５％、
Ｍｎ：０．２〜３．０％
Ａｌ：０．００１〜０．３％、
Ｎ  ：０．００１〜０．０２％
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、（１）式で示す炭素当量（Ｃｅｑ）が０．３〜０．８％であることを特徴とする低サイクル疲労特性の優れた高強度・高靭性免震ダンパー用鋼棒。
Ｃｅｑ＝C%+Si%/24+Mn%/6+(Cr%+Mo%+V%)/5+(Ni%+Cu%)/15 ・・・（１）
【請求項２】
鋼成分がさらに、質量％で、
Ｃｒ：０．０５〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｎｉ：０．０５〜５．０％、
Ｃｕ：０．０５〜１．５％、
Ｂ  ：０．０００３〜０．００５％
の１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項１記載の低サイクル疲労特性の優れた高強度・高靭性免震ダンパー用鋼棒。
【請求項３】
鋼成分がさらに、質量％で、
Ｖ  ：０．０１〜０．５％、
Ｎｂ：０．００１〜０．５％、
Ｔｉ：０．００３〜０．１％
の１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の低サイクル疲労特性の優れた高強度・高靭性免震ダンパー用鋼棒。
【請求項４】
鋼成分がさらに、質量％で、
Ｃａ：０．０００３〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００３〜０．０１％、
ＲＥＭ：０．００５〜０．１％
の１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の低サイクル疲労特性の優れた高強度・高靭性免震ダンパー用鋼棒。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属す技術分野】
本発明は、地震等により建築構造物等に作用する振動エネルギーを吸収するための免震ダンパー装置に用いられる、低サイクル疲労特性の優れた高強度・高靭性免震ダンパー用鋼棒に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地震等により建築構造物等に作用する振動エネルギーを吸収するための免震ダンパー装置として、オイルダンパー、粘性ダンパーなど種々の方法が提案されている。また、鋼材を利用した免震ダンパー装置として、例えば、特開昭６０−２５８３４３号公報、特開平１−２６８９３３号公報、特開平５−２６３５４９号公報、特開平７−７６９５２号公報に見られるように幾つかの方法が提案されている。
【０００３】
一方、免震ダンパー用鋼棒に必要な特性は、振動エネルギーを塑性変形によって吸収する高いエネルギー吸収能および塑性歪みが１０％以上の領域での低サイクル疲労特性にある。さらに、免震ダンパーが寒冷地で使用される場合には、低温靭性も要求されている。鋼棒のエネルギー吸収能は、鋼棒の強度が高いほど向上する。しかし、低サイクル疲労寿命は、一般に強度が高くなるほど低下する。即ち、鋼棒のエネルギー吸収能と低サイクル疲労寿命は相反する関係にある。また、低温靭性も強度が高くなるほど低下する。
【０００４】
ダンパー用鋼材として、特開平６−１４６６５１号公報では、降伏強さが２０〜３５kgf/mm2 、引張り強さが３５〜５０kgf/mm2 、伸びが２０％以上、軸方向全歪み振幅５％における低サイクル疲労回数が３０回以上である鋼棒が提案されている。また、特開平３−３１４６７号公報では、振動エネルギー吸収部材用鋼材の製造方法が提案されている。
しかし、いずれの技術も鋼材の引張強さは５０kgf/mm2 以下であり、エネルギー吸収能を高めるためには限界がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の如き実状に鑑みなされたものであって、免震ダンパー用鋼棒に関して、エネルギー吸収能を高めるための高強度化と低サイクル疲労寿命の向上を両立化させるとともに、低温靭性の優れた免震ダンパー用鋼棒を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
鋼材の高強度化を達成するための手段として、▲１▼フェライトの細粒化強化。▲２▼析出強化。▲３▼固溶強化。▲４▼セメンタイト分率の増加。▲５▼強度の高いベイナイト、マルテンサイトの利用がある。
上記のいずれの手段によっても鋼材の高強度化は可能であるが、本発明の目的とする低サイクル疲労特性を考慮する必要がある。
【０００７】
低サイクル疲労特性に及ぼす上記の強化手段の影響は明確でないため、本発明者らはまず低サイクル疲労寿命とエネルギー吸収能に及ぼす上記▲１▼〜▲５▼の要因について詳細に解析した。その結果、鋼棒の高強度化、即ち高いエネルギー吸収能と優れた低サイクル疲労寿命を有する鋼棒を実現するためには、鋼材の強化方法として、フェライトの細粒化、およびＴｉ（ＣＮ），Ｖ（ＣＮ），Ｎｂ（ＣＮ）等の炭窒化物を利用した析出強化、次いでＳｉ，Ｍｎ，Ｎｉ等による固溶強化が良いことを見いだした。また、これらの強化方法は低温靭性を損なわないことを明らかにした。さらに、フェライトの細粒化強化、析出強化を十分に発揮するための免震ダンパー用鋼棒の製造技術を確立した。
【０００８】
本発明は以上の知見に基づいてなされたものであって、その要旨とするところは、次の通りである。
(１) 質量％で、
Ｃ  ：０．０２〜０．１５％、      Ｓｉ：０．０１〜１．５％、
Ｍｎ：０．２〜３．０％            Ａｌ：０．００１〜０．３％、
Ｎ  ：０．００１〜０．０２％
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、（１）式で示す炭素当量（Ｃｅｑ）が０．３〜０．８％であることを特徴とする低サイクル疲労特性の優れた高強度・高靭性免震ダンパー用鋼棒。
Ｃｅｑ＝C%+Si%/24+Mn%/6+(Cr%+Mo%+V%)/5+(Ni%+Cu%)/15 ・・・（１）
(２) 鋼成分がさらに、質量％で、
Ｃｒ：０．０５〜２．０％、        Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｎｉ：０．０５〜５．０％、        Ｃｕ：０．０５〜１．５％、
Ｂ  ：０．０００３〜０．００５％
の１種または２種以上を含むことを特徴とする前記 (１) 項記載の低サイクル疲労特性の優れた高強度・高靭性免震ダンパー用鋼棒。
(３) 鋼成分がさらに、質量％で、
Ｖ  ：０．０１〜０．５％、        Ｎｂ：０．００１〜０．５％、
Ｔｉ：０．００３〜０．１％
の１種または２種以上を含むことを特徴とする前記 (１) または (２) 項に記載の低サイクル疲労特性の優れた高強度・高靭性免震ダンパー用鋼棒。
(４) 鋼成分がさらに、質量％で、
Ｃａ：０．０００３〜０．０１％、  Ｍｇ：０．０００３〜０．０１％、
ＲＥＭ：０．００５〜０．１％
の１種または２種以上を含むことを特徴とする前記 (１) ないし (３) 項のいずれかに記載の低サイクル疲労特性の優れた高強度・高靭性免震ダンパー用鋼棒。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず本発明における低サイクル疲労特性の優れた高強度・高靭性免震ダンパー用鋼棒とは、
▲１▼引張強さが５５０ＭＰａ以上、
▲２▼５０％破面遷移温度が−３０℃以下、
▲３▼鋼棒にかかる塑性歪みが１０〜１５％の領域での疲労寿命が１２回以上
であることを意味している。
【００１０】
以下に、本発明の対象とする鋼の成分の限定理由について述べる。
Ｃ：Ｃは鋼棒の強度を増加させるために有効な元素であるが、０．０２％未満では本発明で目的とする５５０ＭＰａ以上の引張り強さを得ることが困難である。一方、０．１５％を超える過剰な添加は強度が高くなるものの低サイクル疲労寿命が大幅に低下するとともに靭性が低下する。従って、Ｃの添加範囲を０．０２〜０．１５％に限定した。
【００１１】
Ｓｉ：Ｓｉはフェライトの固溶強化と鋼の脱酸のために有効な元素であり、鋼棒の高強度化とエネルギー吸収能を向上させる作用がある。０．０１％未満では前記の効果が期待できず、一方、１．５％を超えて添加しても効果が飽和するため、０．０１〜１．５％の範囲に制限した。
【００１２】
Ｍｎ：Ｍｎは脱酸、脱硫のために必要であるばかりでなく、フェライトの細粒化および固溶強化に極めて有効な元素であり、鋼棒の高強度化とエネルギー吸収能を向上させる作用がある。さらに低サイクル疲労寿命を向上させる効果がある。０．２％未満では上記の効果が十分に発揮できず、一方、３．０％を越えて添加しても効果が飽和するために、０．２〜３．０％の範囲に限定した。
【００１３】
Ａｌ：Ａｌは脱酸およびフェライト粒径の細粒化に有効な元素であり、フェライト粒の細粒化によって鋼棒の高強度化とエネルギー吸収能の増加、さらには低サイクル疲労寿命および靭性の向上を図ることができる。０．００１％未満では前記の効果が発揮できず、０．３％を超えて添加しても添加量に見合う効果が期待できないため、０．００１〜０．３％の範囲に制限した。
【００１４】
Ｎ：ＮはＡｌやＴｉと結合して炭窒化物を形成することにより、オーステナイト粒およびフェライト粒を細粒化させる作用がある。さらに、Ｔｉ，Ｖ，Ｎｂが添加されている場合は、それらの炭窒化物が析出することによって析出硬化する。この結果、鋼棒の強度が高まりエネルギー吸収能が向上するとともに、低サイクル疲労寿命と靭性も向上させることが可能となる。Ｎ添加量が０．００１％未満では、前記効果が十分に発揮できず、一方、０．０２％を超えて添加すると固溶Ｎ量が増加し、靭性が低下するため、０．００１〜０．０２％の範囲に制限した。
【００１５】
以上が本発明の鋼棒の基本成分であるが、本発明では焼入性を増加させて鋼棒の強度を高めるためにＣｒ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｂの１種または２種以上、またフェライトの細粒化と析出強化を図るためにＶ，Ｔｉ，Ｎｂの１種または２種以上、さらにフェライトの細粒化を図るためにＣａ，Ｍｇ，ＲＥＭを１種または２種以上を含有することができる。
【００１６】
Ｃｒ：Ｃｒは鋼棒の強度向上に有効な元素であるが、明瞭な効果を生じるためには０．０５％以上の添加が必要であり、一方、２．０％を超えて添加すると靭性が劣化する傾向にあるため、０．０５〜２．０％の範囲に制限した。
【００１７】
Ｍｏ：Ｍｏは鋼棒の強度向上および免震ダンパーの耐火性が必要とされる場合は耐火性向上に極めて有効な元素である。０．０５％未満では、前記効果が十分に発揮できず、１．０％を超えて添加しても添加量に見合う効果が期待できないため、０．０５〜１．０％の範囲に制限した。
【００１８】
Ｎｉ：Ｎｉは鋼棒の強度上昇と吸収エネルギーの増加および低サイクル疲労寿命と低温靭性の向上に極めて有効な元素であるが、効果を十分に発揮させるためには０．０５％以上を添加する必要がある。一方、５．０％を超えて添加しても効果が飽和するため、上限を５．０％にした。
【００１９】
Ｃｕ：ＣｕもＮｉと同様の効果を有するが、０．０５％未満では十分な効果を期待できず、一方、１．５％を超えて添加すると熱間加工性が低下するため、０．０５〜１．５％の範囲に制限した。
【００２０】
Ｂ：Ｂは微量添加で焼入性が増加し強度を高める作用があるが、０．０００３％未満では前記効果が期待できず、０．００５％を超えて添加しても効果が飽和するため、０．０００３〜０．００５％の範囲に限定した。
【００２１】
Ｖ：ＶはＮおよび炭素と結合することにより炭窒化物を形成し、フェライトの析出強化およびフェライトの細粒化強化に極めて有効な元素である。この結果、鋼棒の強度が増加しエネルギー吸収能が高くなるとともに、低サイクル疲労寿命と低温靭性を向上させることが可能となる。上記効果は、０．０１％未満では十分に発揮できず、０．５％を超えて添加しても効果が飽和するため、０．０１〜０．５％の範囲に制限した。
【００２２】
Ｎｂ：ＮｂもＶと同様の効果を有するが、０．００１％未満では効果が十分に期待できず、一方０．５％を超えて添加しても効果が飽和するため、０．００１〜０．５％の範囲に限定した。
【００２３】
Ｔｉ：ＴｉもＶ、Ｎｂと同様の効果を有するが、０．００３％未満では効果が発揮できず、０．１％を超えて添加しても効果が飽和するため、０．００３〜０．１％の範囲に制限した。
【００２４】
Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭ：Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭはいずれも微細な酸化物あるいは硫化物もしくはこれらの混合物を形成し、フェライトの細粒化に有効な元素である。この結果、鋼棒の高強度化とエネルギー吸収能の向上および低サイクル疲労寿命と低温靭性を向上させることができる。これらの効果を発揮するための下限の含有量は、ＣａおよびＭｇは０．０００３％、ＲＥＭは０．００５％である。一方、過剰に添加すると硫化物や酸化物の粗大化が生じ靭性が低下するため、上限をそれぞれ、Ｃａ，Ｍｇは０．０１％、ＲＥＭは０．１％に制限した。
【００２５】
他の元素は特に限定しないが、靭性の低下を防ぐ点で、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下が好ましい範囲である。
【００２６】
以上の化学組成の限定に加えて、本発明においては以下の理由により、（１）式で示す炭素当量（Ｃｅｑ）を０．３〜０．８に限定している。
Ｃｅｑ＝C%+Si%/24+Mn%/6+(Cr%+Mo%+V%)/5+(Ni%+Cu%)/15 ・・・（１）
炭素当量が０．３％未満であると本発明の目的とする引張強さが５５０ＭＰａ以上の高強度の鋼棒を製造することが困難となる。一方、炭素当量が０．８％を超えると、靭性および低サイクル疲労特性を劣化させるマルテンサイトが生成しやすくなるため上限を０．８％に限定した。
【００２７】
次に、低サイクル疲労特性の優れた高強度・高靭性のダンパー用鋼棒の製造方法について述べる。
熱間圧延で所定の径に圧延されたダンパー用鋼棒は、熱間で所定の形状に成形した後に冷却するか、もしくは熱間成形後に結晶粒を微細化させることによって、強度、靭性および低サイクル疲労特性を向上させるための焼きならし処理を経る工程で製造される。結晶粒の細粒化および強度高強度・高靭性で且つ低サイクル疲労特性の優れた鋼棒を製造する上で重要な点は、最終的にフェライト粒を細粒化することにある。
【００２８】
ダンパー用鋼棒の熱間成形条件：熱間圧延された鋼棒を所定の形状に成型する熱間成形温度は、１１００℃を超えるとオーステナイト粒が粗大化し最終的に微細なフェライト組織を得ることが困難になり、靭性および低サイクル疲労寿命の低下を招く。さらに１１００℃を超えると鋼棒表層の脱炭も著しくなるため疲労特性が劣化する。一方、８５０℃未満では完全なオーステナイト化が困難であるため、熱間成形温度範囲を８５０〜１１００℃の範囲に限定した。
【００２９】
焼きならし条件：熱間成形後の焼きならし温度が、１１００℃を超えると微細なフェライト組織にすることが困難であり、さらに表層の脱炭も著しくなる。この結果、強度、靭性および低サイクル疲労特性が低下しやすくなる。一方、８５０℃未満では完全なオーステナイト化が困難であるため、焼きならし温度範囲を８５０〜１１００℃の範囲に限定した。
【００３０】
なお、熱間圧延条件は限定しないもののフェライト粒の細粒化の観点から、下記の仕上げ圧延条件が好ましい。
熱間圧延の仕上げ温度が１０００℃を超えるとオーステナイト粒の細粒化ができないため、粗大なフェライト組織の鋼材となる。粗大なフェライト組織の鋼材を用いて、熱間で所定形状のダンパー用鋼棒に加工しても最終的に微細なフェライト組織とすることが困難となる。ダンパー用鋼棒のフェライト粒径が粗大な場合、低サイクル疲労特性および低温靭性は低下する。このため、熱間圧延仕上げ温度は１０００℃以下とするのが好ましい範囲である。また、仕上げ圧延の圧下率が２０％未満では、フェライトの細粒化が困難であるため、圧下率の下限は２０％以上が好ましい範囲である。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明する。
表１に示す化学組成を有する供試材を熱間圧延で５０〜１００mmの径に仕上げた。熱間圧延の仕上げ圧延は、仕上げ温度；８００〜９５０℃、仕上げ圧下率；２５〜４０％の条件で行った。その後、熱間で所定形状の鋼棒に成形した。熱間成形後は空冷した。また、焼きならし処理は、所定温度で１時間保持し、その後空冷した。
【００３２】
熱間成形後あるいは焼きならし処理後の鋼棒から、引張試験片およびシャルピー衝撃試験片を採取し、その特性を評価した。シャルピー衝撃特性は５０％破面遷移温度（vTrs）で評価した（ＪＩＳ  ４号試験片）。さらに図１に示す免震装置を用いて、水平振幅が５０cmの条件での疲労試験を行った。鋼棒が破断する回数と累積吸収エネルギー量で鋼棒の低サイクル疲労特性を評価した。鋼棒の製造条件および引張試験、破面遷移温度、低サイクル疲労特性の結果を表２に示す。
【００３３】
表２において、試験Ｎｏ．１〜１２が比較例で、１３〜４０が本発明例である。同表に見られるように本発明例は、いずれも引張強さが５５０ＭＰａ以上、破面遷移温度が−３０℃以下であり、さらに低サイクル疲労特性における破断回数、累積吸収エネルギー量は比較例に比べ高く優れている。
これに対して比較例であるＮｏ．１〜３，６〜８は、いずれもＣ含有量が０．１５％を超えているために破面遷移温度が高く、低サイクル疲労試験における破断回数も本発明で目的としている１２回に達していない。さらに、Ｎｏ．９は炭素当量が０．８を超えているため一部にマルテンサイトが発生した例であり、破面遷移温度が大幅に悪化し、破断回数も極端に低下した例である。
また、比較例であるＮｏ．４、５は、いずれも破面遷移温度、破断回数は良好であるものの、炭素当量が０．３未満であるために本発明で目的とする５５０ＭＰａ以上の強度に達していない例である。
さらに、比較例であるＮｏ．１０〜１２は、いずれも熱間成形温度あるいは焼きならし温度が１１００℃を超えたために結晶粒が粗大化し、この結果、破面遷移温度が低く、また破断回数も目的に達しなかった例である。
【００３４】
【表１】
0004132545.tif 000002
【００３５】
【表２】
0004132545.tif 000003
【００３６】
【発明の効果】
以上の実施例からも明かなごとく、本発明は免震ダンパー用鋼棒の高強度・高靭性化と優れた低サイクル疲労特性を両立化したものであり、産業上の効果は極めて顕著なものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験に用いた免震装置であって、（ａ）は平面、（ｂ）は側面を示す。
【符号の説明】
１：免震ダンパー用鋼棒
２：鋼棒取付部材
３：鋼棒固定金物
【図１】
0004132545.tif 000004