(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
Ｃ：0.01〜0.15％、
Si：0.60％以下、
Mn：0.5 〜1.8 ％、
Ｐ：0.030 ％以下、
Ｓ：0.030 ％以下、
Al：0.021 〜0.05％、
Ｖ：0.01〜0.10％、
Ｎ：0.0040〜0.0120％
および
Ti：0.001 〜0.030 ％
を含有し、かつＶ／Ｎが3.6 以上（ただし、10.2を除く）で、残部Feおよび不可避的不純物からなり、さらにフィレット部の結晶粒度がＪＩＳ Ｇ０５５２で判定される結晶粒度で５番以上を有することを特徴とするフィレット部靱性に優れたフランジ厚40mm未満のＨ形鋼。
【請求項２】
重量％で、
Ｃ：0.01〜0.15％、
Si：0.60％以下、
Mn：0.5 〜1.8 ％、
Ｐ：0.030 ％以下、
Ｓ：0.030 ％以下、
Al：0.021 〜0.05％、
Ｖ：0.01〜0.10％、
Ｎ：0.0040〜0.0120％
を含み、
Cu：0.05〜0.5 ％、
Ni：0.05〜0.5 ％、
Cr：0.05〜0.5 ％、
Mo：0.01〜0.3 ％
のうちから選ばれた１種または２種以上
および
Ti：0.001 〜0.030 ％
を含有し、かつＶ／Ｎが3.6 以上（ただし、10.2を除く）で、残部Feおよび不可避的不純物からなり、さらにフィレット部の結晶粒度がＪＩＳ Ｇ０５５２で判定される結晶粒度で５番以上を有することを特徴とするフィレット部靱性に優れたフランジ厚40mm未満のＨ形鋼。
【請求項３】
重量％で、Ｃ：0.01〜0.15％、Si：0.60％以下、Mn：0.5 〜1.8 ％、Ｐ：0.030 ％以下、Ｓ：0.030 ％以下、Al：0.021 〜0.05％、Ｖ：0.01〜0.10％、Ｎ：0.0040〜0.0120％、およびTi：0.001 〜0.030 ％を含有し、かつＶ／Ｎが3.6 以上で、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼素材を、熱間圧延により、Ｈ形鋼としたのち、Ｈ形鋼のフランジＢ／２部の冷却速度α（℃／sec）が下記（１）式を満足し、かつ冷却停止温度が下記（２）式で定義されるＡｒ3 点（℃）で表される（Ａｒ3 −50℃）〜（Ａｒ3 −200 ℃）の温度範囲となる強制冷却を施し、その後空冷することを特徴とするフィレット部の結晶粒度がＪＩＳ Ｇ０５５２で判定される結晶粒度で５番以上を有し、フィレット部靱性に優れたフランジ厚40mm未満のＨ形鋼の製造方法。
記
α≦Ｖ／Ｎ×3.5 ……………（１）
Ａｒ3 ＝910 −273 Ｃ＋25Si−74Mn ……………（２）
【請求項４】
重量％で、Ｃ：0.01〜0.15％、Si：0.60％以下、Mn：0.5 〜1.8 ％、Ｐ：0.030 ％以下、Ｓ：0.030 ％以下、Al：0.021 〜0.05％、Ｖ：0.01〜0.10％、Ｎ：0.0040〜0.0120％を含み、Cu：0.05〜0.5 ％、Ni：0.05〜0.5 ％、Cr：0.05〜0.5 ％、Mo：0.01〜0.3 ％のうちから選ばれた１種または２種以上、およびTi：0.001 〜0.030 ％を含有し、かつＶ／Ｎが3.6 以上で、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼素材を、熱間圧延により、Ｈ形鋼としたのち、Ｈ形鋼のフランジＢ／２部の冷却速度α（℃／sec ）が下記（１）式を満足し、かつ冷却停止温度が下記（３）式で定義されるＡｒ3 点（℃）で表される（Ａｒ3 −50℃）〜（Ａｒ3 −200 ℃）の温度範囲となる強制冷却を施し、その後空冷することを特徴とするフィレット部の結晶粒度がＪＩＳ Ｇ０５５２で判定される結晶粒度で５番以上を有し、フィレット部靱性に優れたフランジ厚40mm未満のＨ形鋼の製造方法。
記
α≦Ｖ／Ｎ×3.5 ……（１）
Ａｒ3 ＝910 −273 Ｃ＋25Si−74Mn−56Ni−16Cr−9Mo −5Cu ……（３）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土木構造物あるいは建築物に広く適用されるＨ形鋼に関し、とくにＨ形鋼のフィレット部の靱性の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建築物の柱材、梁材には熱間圧延したＨ形鋼が広く利用されている。このＨ形鋼には、JIS G 3106で規定される溶接構造用圧延鋼材が多く用いられている。最近、耐震性などの点から建築構造物の安全性の向上が要求され、さらに、脆性破壊抑制の観点から、Ｈ形鋼にも靱性向上が強く要求されている。
【０００３】
熱間圧延により製造されるＨ形鋼では、従来から、ウェブとフランジが交叉する部分、一般にフィレット部と呼ばれる部分の靱性が、ウェブ部やフランジ部の靱性と比較して低く問題となっていた。
このフィレット部の低靱性については、従来から、フィレット部は、フランジやウェブに比較して、熱間圧延時の加工量が不十分で、再結晶による細粒化が進まず、オーステナイト粒が粗大のままであり、さらに圧延後の冷却速度が、フランジやウェブに比較して遅く、したがって生成されるミクロ組織も他の部位にくらべ粗大化しているためであると言われてきた。
【０００４】
最近では、ウェブを薄肉化する傾向であり、このような薄肉ウェブのＨ形鋼では、圧延時にウェブとフランジの温度差が大きくなり、冷却時にウェブ波が発生するのを防止するため、フランジ外面から強制冷却を施している。
このため、薄肉ウェブＨ形鋼のフィレット部は、粗大ベイナイトを主体とする組織となっている。
【０００５】
また、最近では、Ｈ形鋼の寸法精度の要求が厳しくなり、要求される寸法精度内に製品を仕上げるため、冷間矯正が大きくなる傾向にある。この冷間矯正により、Ｈ形鋼のフィレット部に導入される歪が増加し、歪時効が生じている。これらが、複合されて、Ｈ形鋼フィレット部の靱性が劣化しているものと考えられている。
【０００６】
このようなフィレット部の低靱性を改善すべく、多数の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、Al：0.005 ％以下、Ｖ：0.05〜0.20％、Ｎ：0.006 〜0.015 ％および溶存酸素濃度を0.003 〜0.015 ％とした靱性に優れた圧延中形鋼およびその製造方法が提案されている。
また、特許文献２には、真空脱ガス処理あるいは予備脱酸処理により酸素濃度を0.003 〜0.015 ％に調整したのち、合金添加、さらに連続鋳造時にTi−Cu、Ti−Ni、Ti−Fe合金等を添加して最終脱酸し、Tiを含む酸化物、Tiを含む酸化物とTiN 、MnS の複合粒子の大きさ、分散量を規制した靱性に優れた圧延形鋼の製造方法が提案されている。
【０００７】
しかしながら、これらの方法によってもなお、フィレット部は、フランジ部やウェブ部に比較して、なお十分な靱性を有しているとは言えないという問題を残しており、フィレット部についてさらなる靱性の改善が要求されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平４−１３１３５６号公報
【特許文献２】
特開平４−２７９２４８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した問題を有利に解決し、フィレット部の靱性が優れたフランジ厚40mm未満のＨ形鋼およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、フィレット部の靱性を向上するために、まず、フィレット部組織の微細化を検討した。その結果、ＶとＮを複合添加し、圧延後の冷却速度を調整することにより、フィレット部のような圧延加工量の少ない部位でも、JIS G 0552で判定される結晶粒度で５番以上の微細粒を有する組織とすることができることを見いだした。ＶＮは、粗大なオーステナイト粒内に析出し、これらＶＮを核としてフェライトがオーステナイト粒内に形成されるため、組織が微細なフェライト＋パーライトあるいは微細なフェライト＋ベーナイトなるのである。これにより、フィレット部の靱性は著しく向上する。
【００１１】
また、さらに、本発明者らは、フィレット部に発生する冷間矯正による歪時効の抑制方法を検討し、Ｃ量の低減、Ｖ含有量とＮ含有量の比、Ｖ／Ｎの制御および冷却停止温度の制御により、冷間矯正によるフィレット部の歪時効を抑制できることを知見した。
本発明は、上記した知見をもとに構成されたものである。
【００１２】
すなわち、本発明は、重量％で、Ｃ：0.01〜0.15％、Si：0.60％以下、Mn：0.5 〜1.8 ％、Ｐ：0.030 ％以下、Ｓ：0.030 ％以下、Al：0.021 〜0.05％、Ｖ：0.01〜0.10％、Ｎ：0.0040〜0.0120％およびTi：0.001 〜0.030 ％を含有し、かつＶ／Ｎが3.6 以上（ただし、10.2を除く）で、残部Feおよび不可避的不純物からなり、さらにフィレット部の結晶粒度がＪＩＳ Ｇ０５５２で判定される結晶粒度で５番以上を有することを特徴とするフィレット部靱性に優れたフランジ厚40mm未満のＨ形鋼である。
【００１３】
また、本発明は、重量％で、Ｃ：0.01〜0.15％、Si：0.60％以下、Mn：0.5 〜1.8 ％、Ｐ：0.030 ％以下、Ｓ：0.030 ％以下、Al：0.021 〜0.05％、Ｖ：0.01〜0.10％、Ｎ：0.0040〜0.0120％を含み、Cu：0.05〜0.5 ％、Ni：0.05〜0.5 ％、Cr：0.05〜0.5 ％、Mo：0.01〜0.3 ％のうちから選ばれた１種または２種以上およびTi：0.001 〜0.030 ％を含有し、かつＶ／Ｎが3.6 以上（ただし、10.2を除く）で、残部Feおよび不可避的不純物からなり、さらにフィレット部の結晶粒度がＪＩＳ Ｇ０５５２で判定される結晶粒度で５番以上を有することを特徴とするフィレット部靱性に優れたフランジ厚40mm未満のＨ形鋼である。
【００１４】
また、本発明は、重量％で、Ｃ：0.01〜0.15％、Si：0.60％以下、Mn：0.5 〜1.8 ％、Ｐ：0.030 ％以下、Ｓ：0.030 ％以下、Al：0.021 〜0.05％、Ｖ：0.01〜0.10％、Ｎ：0.0040〜0.0120％およびTi：0.001 〜0.030 ％を含有し、かつＶ／Ｎが3.6 以上で、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼素材を、熱間圧延により、Ｈ形鋼としたのち、Ｈ形鋼のフランジＢ／２部の冷却速度α（℃／sec ）が次（１）式
α≦Ｖ／Ｎ×3.5             ……………（１）
を満足し、かつ冷却停止温度が次（２）式
Ａｒ3 ＝910 −273 Ｃ＋25Si−74Mn    ……………（２）
で定義されるＡｒ3 点（℃）で表される（Ａｒ3 −50℃）〜（Ａｒ3 −200 ℃）の温度範囲となる強制冷却を施し、その後空冷することを特徴とするフィレット部の結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５２で判定される結晶粒度で５番以上を有し、フィレット部靱性に優れたフランジ厚40mm未満のＨ形鋼の製造方法である。
【００１５】
また、本発明は、重量％で、Ｃ：0.01〜0.15％、Si：0.60％以下、Mn：0.5 〜1.8 ％、Ｐ：0.030 ％以下、Ｓ：0.030 ％以下、Al：0.021 〜0.05％、Ｖ：0.01〜0.10％、Ｎ：0.0040〜0.0120％、およびCu：0.05〜0.5 ％、Ni：0.05〜0.5 ％、Cr：0.05〜0.5 ％、Mo：0.01〜0.3 ％のうちから選ばれた１種または２種以上およびTi：0.001 〜0.030 ％を含有し、かつＶ／Ｎが3.6 以上で、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼素材を、熱間圧延により、Ｈ形鋼としたのち、Ｈ形鋼のフランジＢ／２部の冷却速度α（℃／sec ）が前記（１）式を満足し、かつ冷却停止温度が次（３）式
Ａｒ3 ＝910 −273 Ｃ＋25Si−74Mn−56Ni−16Cr−9Mo −5Cu ……（３）
で定義されるＡｒ3 点（℃）で表される（Ａｒ3 −50℃）〜（Ａｒ3 −200 ℃）の温度範囲となる強制冷却を施し、その後空冷することを特徴とするフィレット部の結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５２で判定される結晶粒度で５番以上を有し、フィレット部靱性に優れたフランジ厚40mm未満のＨ形鋼の製造方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明要件の限定理由を、まず素材の化学組成について説明する。
Ｃ：0.01〜0.15％
Ｃは強度を確保するために0.01％以上の含有を必要とするが、0.15％を超えると、母材靱性、溶接性および耐歪時効性が低下するので、Ｃは0.01〜0.15％の範囲とした。なお、好ましい範囲は0.05〜0.12％である。
【００１７】
Si：0.60％以下
Siは強度上昇に有効な元素であるが、0.60％を超えると溶接熱影響部（ＨＡＺ）靱性を著しく劣化させるので、0.60％以下に限定した。なお、好ましくは、赤スケール抑制の観点から0.01〜0.40％である。
Mn：0.5 〜1.8 ％
MnはSiと同様強度上昇に有効な元素であるが、0.5 ％未満ではその効果が少なく、1.8 ％を超えると、粒内フェライトの生成を阻害し、組織を粗大化させるため、靱性を大きく低下させる。このため、Mnは0.5 〜1.8 ％の範囲に限定した。
【００１８】
Ｐ：0.030 ％以下
Ｐは母材、溶接熱影響部の靱性、耐溶接割れ感受性を劣化させるので、極力低減すべき元素であり、上限を0.030 ％とした。
Ｓ：0.030 ％以下
Ｓは靱性、延性の圧延異方性を高めるので、極力低減すべき元素であり、上限を0.030 ％とした。
【００１９】
Al：0.021 〜0.05％
Alは脱酸のために0.021 ％以上必要であるが、0.05％を超えて添加しても脱酸効果は飽和するので、Alは0.021 〜0.05％の範囲とした。
Ｖ：0.01〜0.10％
Ｖは圧延冷却中にＶＮとしてオーステナイト中に析出してフェライト変態核となり、結晶粒を微細化して靱性を向上させる。オーステナイト粒が粗大でも組織を微細化することができるため、粗大オーステナイト粒となるフィレット部でも組織の微細化が可能となり、靱性の向上が期待できる。また、Ｖは母材強度を高める重要な役割をもち、母材の強度・靱性バランスを確保するために不可欠の元素である。これらの効果を発揮させるためには、0.01％以上の添加が必要であるが、0.10％を超えると、母材の靱性が劣化し強度・靱性バランスがくずれるため、Ｖは0.01〜0.10％の範囲に限定した。なお、好ましい範囲は0.03〜0.08％である。
【００２０】
Ｎ：0.0040〜0.0120％
ＮはＶと結合してＶＮを形成し、組織の微細化によりフィレット部の靱性向上および母材の強度向上に寄与する重要な元素である。これらの効果を発揮させるためには、0.0040％以上の含有が必要であるが、0.0120％を超えると、溶接ＨＡＺ部の靱性を著しく劣化させるため、Ｎは0.0040〜0.0120％の範囲とした。なお、好ましい範囲は0.0050〜0.0100％である。
【００２１】
Ｖ／Ｎ：3.6 以上
前記したようにＶとＮは、フィレット部の靱性向上に大きく寄与する重要な元素であるが、ＶとＮの含有量の比、Ｖ／Ｎが不適切な場合には、フリーＮを増加させ冷間矯正による歪時効性を高めるため、フィレット部の靱性を低下させる。このため、Ｖ／Ｎを3.6 以上に限定した。なお、好ましくは、5.0 以上である。
【００２２】
Cu：0.05〜0.5 ％、Ni：0.05〜0.5 ％、Cr：0.05〜0.5 ％、Mo：0.01〜0.3 ％のうちから選ばれた１種または２種以上
Cu、Ni、Cr、Moは、いずれも熱間圧延後の冷却変態開始温度（Ａｒ3 点）を低下させ、オーステナイト粒界からのフェライト変態を抑制し、間接的に粒内フェライト形成を促進し、組織の微細化によるフィレット部の靱性向上に寄与する効果を有している。また、Cu、Ni、Cr、Moは、フェライト以外の第２相組織をベイナイト化し、さらに、第２相組織の割合を増加させる作用を有している。これにより、母材の強度が上昇する。
【００２３】
フィレット部の圧延加工が期待できない場合や、十分な冷却速度が得にくい場合や、あるいは高強度を必要とする場合には、これら元素のうちから１種または２種以上を添加できる。
上記した効果を得るためには、Cu、Ni、Cr、Moはそれぞれ0.05％以上、0.05％以上、0.05％以上、0.01％以上の添加が必要となる。Cuは熱間加工性を劣化させるため、多量添加の場合にはNiを同時に添加する必要がある。Cu、Niの0.5 ％を超える添加は、経済的に高価となるため、Cu、Niの添加は0.5 ％を上限とした。Cr、Moはそれぞれ0.50％、0.30％を超えて添加すると、溶接性、溶接部靱性を損なうので、Cr、Moはそれぞれ0.50％、0.30％を上限とした。
【００２４】
Ti：0.001 〜0.030 ％
Tiは溶接熱影響部の靱性向上に有効な元素であり、高い溶接部靱性が要求される場合に添加する。溶接熱影響部の靱性向上のためにはTiは0.001 ％以上の添加が必要であるが、0.030 ％を超えて添加すると母材靱性を低下させるため、Tiは0.001 〜0.030 ％の範囲とした。
【００２５】
その他、残部はFeおよび不可避的不純物である。
なお、Nbはオーステナイトの再結晶を抑制するため、とくにＨ形鋼のフィレット部ミクロ組織の微細化を阻害し、粗大組織のままとする弊害があるため、実質的には添加しない。
つぎに、フィレット部の結晶粒度をＪＩＳ  Ｇ０５５２で判定される結晶粒度で５番以上とする。
【００２６】
フィレット部の結晶粒度が、ＪＩＳ  Ｇ０５５２で判定される結晶粒度で５番未満では、靱性が低下するため、フィレット部の結晶粒度は５番以上の細粒とする。なお、好ましくは６〜９番である。
つぎに、Ｈ形鋼の製造条件について説明する。
上記した化学組成の鋼は転炉、電気炉あるいはその他の溶解炉で溶製し、造塊−分塊法あるいは連続鋳造法でＨ形鋼の鋼素材とするのが好ましい。
【００２７】
鋼素材を熱間圧延により、Ｈ形鋼に圧延する。
圧延後、フランジＢ／２部の平均冷却速度α（℃／sec ）が、次（１）式
α≦Ｖ／Ｎ×3.5             ……………（１）
を満足し、かつ冷却停止温度が次（２）、（３）式
Ａｒ3 ＝910 −273 Ｃ＋25Si−74Mn                  ……………（２）
Ａｒ3 ＝910 −273 Ｃ＋25Si−74Mn−56Ni−16Cr−9Mo −5Cu ……（３）
で定義されるＡｒ3 点（℃）で表される（Ａｒ3 −50℃）〜（Ａｒ3 −200 ℃）の温度範囲となる強制冷却を施し、その後空冷する。
【００２８】
フランジＢ／２部の平均冷却速度αが、（１）式を満足しない場合には、オーステナイト域におけるＶＮの析出が抑制され、フィレット部の靱性が劣化する。冷却停止温度が（Ａｒ3 −50℃）を超えると、フェライトの成長が促進され、フィレット部の組織が粗大化する。また、冷却停止温度が（Ａｒ3 −200 ℃）未満では、残留応力の増加による寸法精度の低下を招くとともに、冷間矯正量の増大により歪時効性が高くなる。このため、冷却停止温度は、（Ａｒ3 −50℃）〜（Ａｒ3 −200 ℃）の温度範囲とした。なお、Ａｒ3 点の計算は、Ni、Cr、Mo、Cuが添加される場合は、（３）式を用いて行う。
【００２９】
強制冷却における冷却方法は、フランジＢ／２部を中心とした強制空冷、あるいはノズルを利用した水冷が好適である。さらに、上記冷却方法に加えて、フランジ内面からＲ部を中心に強制空冷あるいはノズル水冷を併用してもよい。
Ｈ形鋼の熱間圧延方法は、通常公知の方法が適用でき、本発明では、とくに規定しないが、加熱温度は1100〜1350℃の範囲がより好ましく、圧延終了温度はＡｒ3 点よりも高いことが望ましい。なお、圧延途中でフランジを強制空冷あるいは水冷を行ってもよい。
【００３０】
【実施例】
転炉で溶製した表１に示す化学組成の鋼を、連続鋳造により鋳片としたのち、熱間圧延により、表２に示すサイズのＨ形鋼に圧延した。圧延後、表２に示す、冷却速度・冷却停止温度の冷却条件で、冷却したのち、コールドレベラーによる冷間矯正を施し、製品とした。なお、冷却速度および冷却停止温度はフランジＢ／２部外面のデータである。
【００３１】
製造したＨ形鋼について、図１に示す位置、フランジＢ／４部およびフィレット部から引張試験片およびシャルピー衝撃試験片を採取し、引張および衝撃特性について調査した。また、フィレット部の結晶粒度をJIS G 0552の規定に従い測定した。それらの結果を表２に示す。
【００３２】
【表１】
0004222073.tif 000002
【００３３】
【表２】
0004222073.tif 000003
【００３４】
【表３】
0004222073.tif 000004
【００３５】
化学組成およびフィレット部の結晶粒度が本発明の範囲の本発明例No.7、No.11 では、フィレット部の強度・靱性がフランジ部の強度・靱性とぼぼ同等であった。これに対し、圧延後の冷却条件が本発明の範囲を外れる比較例No.12 は、フィレット部の組織が粗大化し、ベイナイト主体の組織となっており、さらに冷間矯正による歪時効により、良好な靱性が得られなかった。また、化学組成、とくにＶ、ＮあるいはV/N が本発明の範囲を外れる比較例No.15 〜No.18 は、フィレット部の組織が粗大化し、ベイナイト主体の組織となっており、良好な靱性が得られなかった。Ｎが本発明の範囲より高い比較例No.19 は、フィレット部の靱性は良好であったが、入熱10kJ/cm の溶接を想定した再現HAZ 部の靱性（ｖＥ0 ）が20Ｊと低く、溶接構造物用鋼材への適用は困難である。本発明例についても、入熱10kJ/cm の溶接HAZ 部の靱性を調査したが、いずれも、ｖＥ0 が70Ｊ以上と、靱性は良好で溶接構造物として適用できる鋼材であることがわかった。
【００３６】
また、化学組成、とくにNbが本発明の範囲を外れる比較例No.21 、No.22 は、フィレット部のフェライト粒が粗大しているため、良好な靱性が得られなかった。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、圧延Ｈ形鋼で長く懸案であったフィレット部の低靱性を改善し、フィレット部の靱性が優れたＨ形鋼を工業的に容易に製造できるという、産業上極めて有益な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧延Ｈ形鋼の形状と実施例における試験片採取位置および測温位置を示す説明図である。
【図１】
0004222073.tif 000005