(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．０１〜０．１％、
Ｓｉ：０．２％〜１．２％、
Ｍｎ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０５％超１％以下、
Ｍｏ：０．４〜１．５％、
Ｖ  ：０．０５〜０．２％、
Ｎｂ：０．０１〜０．２％
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、Ａｃ1 変態温度が８００〜９００℃であることを特徴とする８００℃高温耐火建築構造用鋼。
【請求項２】
質量％で、
Ｃｕ：０．１〜２％、
Ｎｉ：０．１〜０．５％、
Ｃｒ：０．１〜１％、
Ｔｉ：０．０１〜０．１％、
Ｂ  ：０．０００５〜０．０１％
のうち１種または２種以上を、さらに含有することを特徴とする請求項１に記載の８００℃高温耐火建築構造用鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の８００℃高温耐火建築構造用鋼の製造において、鋼片または鋳片を１１００℃以上に加熱し、９３０℃以下８３０℃以上の温度域で、仕上げ板厚となるように、５０％以上の累積圧下率を確保する熱間圧延を行って厚鋼板とすることを特徴とする、８００℃高温耐火建築構造用鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、８００℃までの温度における耐火性に特に優れた高温耐火建築構造用鋼とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に建築物には火災時の安全性を確保するために、火災時における鋼材表面温度が３５０℃以下で使用するように耐火基準が定められており、ロックウールなどの耐火被覆が必要となる。しかし、耐火被覆施工費用は高額であり、工程も余分にかかること、さらには景観上からも、耐火被覆を完全に省略したいという要求は非常に高まっている。昭和６２年の防耐火総プロの成果を受けて（３８条認定により）、性能型の設計が可能となった結果、鋼材の高温強度と建物に実際に加わっている荷重とによってどの程度の耐火被覆が必要かを決定できるようになり、場合によっては無耐火被覆で鋼材を使用することも可能となった。
【０００３】
こうした状況から、近年、短時間の高温強度を高めたいわゆる耐火鋼が多く開発された。特開平２−７７５２３号公報をはじめとして、６００℃での高温降伏強度が常温時の２／３以上となる鋼材、すなわち６００℃耐火鋼の技術は多数開示されている。また、特開平９−２０９０７７号公報や特開平１０−６８０１５号公報などでは、７００℃での高温降伏強度が常温時の２／３となる、７００℃耐火鋼の技術も開示されている。
【０００４】
しかし、６００℃耐火鋼では、無耐火被覆構造が可能となるのは比較的可燃物量が少ない立体駐車場や外部鉄骨に限られる。７００℃耐火鋼でも無耐火被覆が可能となる構造物はそれほど多くはならない。
これに対して耐火性能が８００℃以上であれば、無耐火被覆構造が可能となる範囲の大幅な拡大が可能である。
【０００５】
一方、現行の耐震設計法では骨組みの変形による地震エネルギー吸収を前提としていることから、設計で想定した骨組みの崩壊形の確保や、部材の組成変形能力の確保、部材性能を十分発揮させるための接合部降伏強度や靭性の確保が必要となり、これに用いる建築構造用の鋼材には、降伏強度のばらつきの制限（つまり降伏強度の上下限）や、降伏比上限などの耐震性の規定、溶接性の確保が必要とされる。ＳＮ材（ＪＩＳ  Ｇ１３６−１９９４）はこれらの耐震性、溶接性に関する規定がなされた鋼材であり、４００ＭＰａ級鋼（降伏強度下限２３５ＭＰａ）の場合、降伏強度上限が３５５ＭＰａ、降伏比上限が８０％、４９０ＭＰａ級鋼（降伏強度下限３２５ＭＰａ）の場合、降伏強度上限が４４５ＭＰａ、降伏比上限が８０％というように規定されている。
【０００６】
高温強度を確保するためには、例えば耐熱鋼で利用されるＣｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｖなどの合金元素を添加する方法が一般的である。しかし８００℃というような高温においては、変態によって鋼材の組織が変化することや、炭化物などの析出物が粗大化あるいは消失して析出強化の効果が少なくなるため、耐火性能を確保するためには合金元素量が多量になり、溶接継手靭性などの溶接性を低下させることの他、常温強度が高くなるため上記建築構造用鋼で規定されている降伏強度上限を上回るなどの問題が生じる。こうしたことから、従来８００℃まで無耐火被覆での設計が可能な耐火性能を有する建築構造用途４００ＭＰａ級鋼、４９０ＭＰａ級鋼はなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述のような事情を鑑みなされたもので、８００℃までの温度における耐火性に特に優れた高温耐火建築構造用鋼とその製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述のように、溶接性の確保が８００℃での耐火鋼性能を付与するにあたっての大きな制約である。そこで発明者らは、本発明鋼が部材として用いられる際には、柱梁接合部などの作用応力の大きな部位については溶接を用いない設計方法を採用することを前提とすることとした。これによって鋼材に対する溶接性の制約が緩和される。例えばＳＮ材規格には溶接性に関する規定として、Ｃｅｑ（炭素等量）の上限規制があるが、本発明鋼においては特にＣｅｑの上限などは考慮していない。
【０００９】
一方、耐火設計では火災継続時間内で高い強度を維持すればよく、従来の耐熱鋼のように長時間の強度を考慮する必要はなく、比較的短時間の高温降伏強度が維持できればよい。例えば８００℃での保持時間が３０分程度の短時間高温降伏強度が確保できれば８００℃耐火鋼として十分利用できる。
従来耐火鋼では、高温降伏強度が常温時の２／３となるように性能を定めていたが、鉄骨構造物の実設計範囲が常温降伏強度下限の０．２〜０．４倍であることを勘案し、常温降伏強度下限比０．４以上であれば使用できるとの考えに基づき、８００℃高温強度のめやすとしては常温降伏強度下限比０．４以上とした。すなわち８００℃降伏強さの目標値は４００ＭＰａ鋼で９４ＭＰａ、４９０ＭＰａ鋼で１３０ＭＰａである。
【００１０】
すなわち、溶接性に関する制約を緩和することを前提として、建築構造用鋼として使用できる常温強度の範囲内で、高温での保持時間が３０分程度の短時間で、常温降伏強度下限比０．４以上の降伏強度を確保する方法について種々検討した。その結果まず、Ｖを核としたＮｂ、Ｍｏの複合析出物を微細に析出させることで、８００℃においても比較的短時間であれば十分強化に有効な微細析出状態を維持できることがわかった。
【００１１】
すなわち、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏを適量添加して圧延時の加熱温度を高くとることでこれらを十分に固溶させ、かつ転位密度の高い適切な圧延組織の導入により析出物が析出可能な析出サイトを確保することで、再昇温時、例えば火災による昇温中にＶを核としたＮｂ、Ｍｏの複合析出物が微細に析出する。この複合析出物は単独の析出物や他の複合析出物に比べて高温における安定性が非常に高く、８００℃においても比較的短時間であれば十分微細なまま安定である。また、鋼板製造時点においてはＶ、Ｎｂ、Ｍｏの析出を抑えこれらを極力固溶状態におくことで、常温強度の上昇は抑制される。
【００１２】
しかし、析出物自体は安定であっても、温度上昇によって素地が変態して析出物と素地との整合性が失われて非整合になると、析出物による強化作用が急激に低下する。すなわち、高温でも安定なＶを核としたＮｂ、Ｍｏの複合析出物による強化を利用するには、設計温度である８００℃においても素地組織を変態させないことが必須となる。発明者らは、以下に述べる添加元素の工夫により変態温度を高くしてＡｃ1 変態温度を８００℃以上とすることで、８００℃で３０分程度保持した場合にもＶを核としたＮｂ、Ｍｏの複合析出物の素地との整合性が維持でき、十分な強化が可能であることを見出した。
【００１３】
Ａｃ1 変態温度を効果的に高める元素としては、Ｓｉや、５％以上のＣｒの添加などがあげられるが、これらは常温引張強度を上げすぎるため、４００ＭＰａ鋼、４９０ＭＰａ鋼の規格値を満足する範囲では８００℃以上のＡｃ1 温度を得ることは困難である。常温強度をあまり上げないでＡｃ1 変態温度を大幅に上げる元素としてはＡｌが有効である。しかし、Ａｌは多量に添加すると特に溶接継手の靭性を損なう場合があることから、その添加量は脱酸のために必要な０．０１〜０．０５％程度である。本発明鋼では、主要接合部位の溶接レス構造を前提としており、溶接性があまり要求されないことから、この制約にはとらわれず、ＡｌのＡｃ1 変態温度上昇効果を有効に利用することができる。Ａｃ1 変態温度を十分高くする目的のためには、Ｃ、Ｍｎなど他の元素の添加量にもよるが少なくとも０．０５％超の添加が必要であり、特に０．２％超の添加が有効である。
【００１４】
さらに、常温強度をあげすぎない範囲でＳｉを添加すること、Ａｃ1 変態温度を低下させ、かつ常温強度も上げる元素であるＣおよびＭｎの添加量を抑制することによって、常温強度を上げずに８００℃以上のＡｃ1 温度を得ることができる。一方、Ａｃ1 変態温度が９００℃を超えると、圧延中に変態が進行するために析出サイトとして有効な圧延組織が得られないことから、かえって高温強度は得にくくなる。従ってＡｃ1 変態温度は８００℃以上、９００℃以下であることが必要条件である。
【００１５】
本発明の要旨は以下の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．２％〜１．２％、Ｍｎ：０．５％以下、Ａｌ：０．０５％超１％以下、Ｍｏ：０．４〜１．５％、Ｖ：０．０５〜０．２％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、Ａｃ1 変態温度が８００〜９００℃であることを特徴とする８００℃高温耐火建築構造用鋼。
【００１６】
（２）質量％で、Ｃｕ：０．１〜２％、Ｎｉ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：０．１〜１％、Ｔｉ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．０００５〜０．０１％のうち１種または２種以上を、さらに含有することを特徴とする前記（１）に記載の８００℃高温耐火建築構造用鋼。
（３）前記（１）または（２）に記載の８００℃高温耐火建築構造用鋼の製造において、鋼片または鋳片を１１００℃以上に加熱し、９３０℃以下８３０℃以上の温度域で、仕上げ板厚となるように、５０％以上の累積圧下率を確保する熱間圧延を行って厚鋼板とすることを特徴とする、８００℃高温耐火建築構造用鋼の製造方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明鋼の基本的考え方は、Ａｃ1 変態温度を８００℃以上とすることと、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏを適量添加して圧延時の加熱温度を高くとることでこれらを十分に固溶させ、かつ適切な圧延組織の導入により析出物が析出可能な析出サイトを確保することで、再昇温時、例えば火災による昇温中にＶを核としたＮｂ、Ｍｏの複合析出物を微細に析出させることにある。
【００１８】
以下に、本発明における各成分の限定理由を説明する。
Ｃは、常温での強度を得るために０．０１％が必要であるが、０．１％を超える添加によりＡｃ1 変態温度が上昇するために８００℃温強度が得にくく、靭性も低下するため、０．０１％以上、０．１％以下に限定する。
Ｓｉは、Ａｃ1 変態温度を高めるのに有効な元素であり０．２％以上の添加が必要である。しかし、１．２％を超えると常温強度が高くなりすぎ、母材靭性も低下させる場合があるため、０．２％以上、１．２％以下に限定する。
【００１９】
Ｍｎは、常温強度に対する強化元素であるが、高温強度にはあまり効果がない。さらにＡｃ1 変態温度を低くするために８００℃高温強度にはかえって有害となることから、０．５％以下に限定する。
Ａｌは、常温強度をあまり高めずにＡｃ1 変態温度を大きく上昇させる、本発明における重要な元素である。この目的のためには０．０５％超の添加が必要であり、望ましくは０．２％超の添加により特に有効に作用する。しかし、１％を超えて添加するとＡｃ1 変態温度が高くなりすぎて却って高温強度が得にくくなる。こうしたことから、本発明鋼におけるＡｌの添加量は０．０５％超、望ましくは０．２％超、１％以下とする。
【００２０】
Ｍｏは、高温強度を高める複合析出物を構成する基本元素であり、固溶強化による高温強度向上効果もあることから、本発明鋼においては必須元素である。こうした特性を発揮して８００℃高温強度を高めるには、０．４％以上の添加が必要であるが、１．５％を超えて添加すると常温強度が高くなりすぎ、母材靭性も低下させる場合があるため、Ｍｏ添加量は０．４％以上、１．５％以下とする。
Ｖは、高温強度を高める複合析出物の構成元素として重要である。８００℃高温強度を高めるには０．０５％以上の添加が有効である。しかし、０．２％を超えて添加すると母材靭性を低下させる場合があるため、添加量は０．０５％以上、０．２％以下とする。
【００２１】
Ｎｂは、高温強度を高める複合析出物の構成元素として重要である。８００℃高温強度を高めるには０．０１％以上の添加が有効である。しかし、０．２％を超えて添加すると母材靭性を低下させる場合があるため、添加量は０．０１％以上、０．２％以下とする。
Ｃｕは、析出強化元素として添加する場合には０．１％以上の添加を必要とするが、２％を超えて添加してもその効果は変わらないので、添加量は０．１％以上、２％以下とする。
【００２２】
Ｎｉは、母材靭性を高めるために添加する場合は０．１％以上を必要とするが、Ａｃ1 変態温度を低下させるため、０．５％を超えて添加すると高温強度が低下する。したがってＮｉの添加量は０．１％以上、０．５％以下の範囲とする。
Ｃｒは、焼入強化元素として添加する場合には０．１％以上を要するが、１％を超えて添加すると常温強度が高くなりすぎ、またＡｃ1 変態温度を低下させて高温強度を低下させることから、添加量は０．１％以上、１％以下とする。
【００２３】
Ｔｉは、析出強化により８００℃高温強度の向上に有効である。その目的で添加する場合には０．０１％以上が必要であるが、０．１％を超えて添加してもその効果はあまり変化しないため添加量は０．０１％以上、０．１％以下とする。
Ｂは、焼入性を高め、強度を得るために添加する場合には０．００５％以上の添加を必要とするが、０．０１％を超えて添加してもその効果は変わらないので、添加量は０．００５％以上、０．０１％以下とする。
上記の成分の他に不可避不純物として、Ｐ、Ｓ、Ｏは、母材靭性を低下させる有害な元素であるので、その量は少ないほうが良い。望ましくは、Ｐは、０．０１％以下、Ｓは、０．０１％以下、Ｏは、０．００５％以下とする。
【００２４】
製造方法については、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏを十分に固溶させるために、鋼片または鋳片を１１５０℃以上の温度で溶体化処理するか、圧延時の加熱温度を１１５０℃以上とする。さらに、９３０℃以下８３０℃以上の温度域で、仕上げ板厚となるように、５０％以上の累積圧下率を確保する熱間圧延を行う。この目的は、適度な圧延歪を含む圧延組織を得ることにより、昇温時にＶを核としたＮｂ、Ｍｏの複合析出物が析出可能な析出サイトを確保することである。
【００２５】
９３０℃超の温度域での圧延では、十分な圧延歪が得られない。また８３０℃未満の温度域で圧延を行うと、圧延中に加工誘起析出によって析出物が析出するため、室温強度が高くなりすぎる。
圧延後の加速冷却などの熱処理については、要求仕様に応じて適宜選択すればよく、特に規定するものではない。
また、鋼の製品形状は、厚鋼板の他、鋼管、薄鋼板、形鋼などの鋼材としても、十分に本発明の効果を享受可能である。
【００２６】
【実施例】
表１に示す成分組成の鋼を溶製して得られた鋼片を、表２に示す製造条件にて２０ｍｍ厚さの鋼板とした。これらのうち１−Ａ〜１４−Ｎは本発明例であり、１５−Ｏ〜３０−Ａは比較例である。これらの鋼板について各種特性を表２に示す。それぞれの表中、下線で示すものは特許範囲を逸脱しているところ、または各特性の目標値に達していないところである。常温降伏強さの目標値は４００ＭＰａ鋼で２３５ＭＰａ〜３５５ＭＰａ、４９０ＭＰａ鋼で３２５ＭＰａ〜４４５ＭＰａである。８００℃降伏強さの目標値は４００ＭＰａ鋼で９４ＭＰａ、４９０ＭＰａ鋼で１３０ＭＰａとしている。靱性はＪＩＳ  Ｚ２２４２記載の方法により破面遷移温度Ｔｒｓ50を測定し、目標値はＴｒｓ50≦−２０℃とした。
【００２７】
実施例１−Ａ〜１４−Ｎ実施例は、いずれもＡｃ1 変態温度が８００℃〜９００℃の範囲にあり、８００℃降伏強さは４００ＭＰａ鋼で９４ＭＰａ以上、４９０ＭＰａ鋼で１３０ＭＰａ以上あり、Ｔｒｓ50が−２０℃以下である。
これに対し、比較例１５−ＯはＣが高いため、比較例２５−ＹはＣｕが高いためそれぞれＡｃ1 変態温度が低く、８００℃降伏強さも低く、かつ靭性も低い。比較例１６−ＰはＳｉが低いため、比較例１８−ＲはＭｎが高いため、比較例２６−ＺはＮｉが高いためそれぞれＡｃ1 変態温度が低く、８００℃降伏強さも低い。比較例１７−Ｑは、Ｓｉが高いため、比較例２０−ＴはＭｏが高いためそれぞれ常温引降伏張強さが高すぎ、かつ靭性が低い。
【００２８】
比較例１９−ＳはＭｏが低いため、比較例２１−ＵはＮｂが低いため、比較例２３−ＷはＶが低いためそれぞれ８００℃降伏強度が低い。比較例２２−ＶはＮｂが高いため、比較例２４−ＸはＶが高いためそれぞれ靭性が低い。比較例２７−ＡＡはＣｒが高いため常温降伏強さが高すぎ、かつＡｃ1 温度が低く８００℃降伏強度が低い。比較例２８−ＡＢはＴｉが高いため靭性が低い。比較例２９−Ａは圧延時の加熱温度が低いため、比較例３０−Ａは９３０℃以下８３０℃以上の温度域での累積圧下率が低いためそれぞれ８００℃降伏強度が低い。
【００２９】
【表１】
0004860071.tif 000002
【００３０】
【表２】
0004860071.tif 000003
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、８００℃までの温度における耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼とその製造方法が提供でき、その産業上の価値は極めて高い。