(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：0.04〜0.11％、Ｓｉ：0.4％以下、Ｍｎ：0.1〜0.5％、Ａｌ：0.05％以下、Ｏ：0.005％以下およびＮ：0.006％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、金属組織としてポリゴナルフェライト粒組織が90％以上かつその結晶粒度番号が5.0〜8.5であることを特徴とするＬ方向とＣ方向の降伏点がいずれも205〜245N／mm2である制震ダンパー用鋼材。
ただし、Ｌ方向とＣ方向は、それぞれ、圧延方向とその直角方向を指す。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：0.04〜0.11％、Ｓｉ：0.4％以下、Ｍｎ：0.1〜0.5％、Ａｌ：0.05％以下、Ｏ：0.005％以下およびＮ：0.006％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる鋼を、加熱温度1000〜1160℃として熱間圧延をおこない、表面温度で［Ａｒ3点−100］℃以上にて圧延を終了し、冷却後、900〜920℃に加熱してから水冷し、次いで750℃までの温度に再加熱して放冷することを特徴とするＬ方向とＣ方向の降伏点がいずれも205〜245N／mm2である、靱性にもすぐれた制震ダンパー用鋼材の製造方法。
ただし、Ｌ方向とＣ方向は、それぞれ、鋼材の圧延方向とその直角方向を指す。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、建物など構造物に対し地震による振動が加えられたときに、他の構造部材よりも先に塑性変形して振動のエネルギーを吸収し、それによって構造物としての耐震性を向上させることを目的とした、制震ダンパー用鋼材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建築構造物の耐震設計に、強大な地震振動を受けたとき、柱や梁などの重量を支える構造部材そのものが塑性変形して、振動のエネルギーを吸収させ、被害の拡大を抑制する方法がある。これに用いる鋼材としては、強度が高く靱性がすぐれているとともに、降伏比が低いことが要求される。これに対し、近年、耐震設計技術の進歩により、地震振動のエネルギーを、ブレースや壁などの特定の部位に設置した降伏点の低い鋼材に吸収させ、柱や梁のような主構造部材の損傷を抑止または軽減する方法が採用されるようになってきた。また、鉄道高架橋などでも、兵庫県南部地震における横振動による脱線事故例などに基づき、橋脚のブレースなどに降伏点の低い鋼材を取り付け、列車走行の安全性を高める研究などもなされている。
【０００３】
この地震振動のエネルギーを特定の部位に吸収させるための鋼材、すなわちエネルギー吸収デバイス用あるいは制震ダンパー用として、低降伏点で靱性がすぐれ、しかも降伏点が特定の狭い範囲に管理された鋼が要望されている。
【０００４】
このような要望に対し、たとえば特開平10-183293号公報、特開平10-245626号公報、特開平10-298644号公報、特開平11-12650号公報、特開平11-229076号公報、特開平11-246937号公報および特開2000-1737号公報に開示された発明は、Ｃの含有量を0.1％以下とし、Ｔｉを含有させてＣと結合させ、実質的にＣ量を0.01％以下にした鋼の発明が開示されている。この場合、Ｃ量によっては多量に析出してくる微細なＴｉＣによる延性や靱性の劣化が懸念される。
【０００５】
また、特開2000-256739号公報には、降伏点が200 N／mm２強のレベルであれば、ハンドリングや一回目の震動による降伏点上昇が低減されるとし、また、降伏点の絶対値が低いことよりも、狭い範囲に安定していることの方が重要であるとして、降伏点が200〜250 N／mm２の範囲にある低降伏点厚鋼板の製造方法の発明が開示されている。この場合、Ｃの含有量を0.04〜0.06％の狭い範囲に限定し、他の成分はいずれもできるだけ低減した鋼を、熱延直後水冷して600℃以下の温度になれば冷却を停止するとしている。しかし、水冷による冷却は、厚板の場合には板厚による影響を強く受け、製造可能範囲が限定される。
【０００６】
本発明の目的は、Ｌ方向とＣ方向の差（以下、「ＬＣ方向差」ともいう。）が小さく、しかもＬ方向とＣ方向の降伏点がいずれも205〜245N／mm2の制震ダンパー用鋼材と低コストで合理的なその製造方法の提供にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、地震の際に構造物の一部が塑性変形を生じ、それによって振動のエネルギーを吸収して柱や梁の損傷を抑制する構造に対して好適な、塑性変形を生じやすいダンパー用の鋼材について種々検討をおこなった。
【０００８】
ダンパーに用いられる鋼材の有すべき特性としては、鋼としての所要強度があれば降伏点は低いほどよい。しかし、降伏点が低すぎると、工場出荷から構造物への施工までの間の加工や取り扱いの際に変形してしまうばかりでなく、変形によって降伏点が上昇し、低い降伏点であることが十分活用できなくなる。また、それを用いた耐地震構造物の設計の立場からは、できるだけ降伏点など特性のばらつきが少ないことが望まれる。
【０００９】
このような観点から、引張り強さが300〜400 N／mm２程度で、降伏点が205〜245 N／mm２の範囲内に入ること、そして靱性にすぐれていることを制震ダンパー用鋼材の特性の第一目標とし、この目標特性をより合理的な方法で得るため、鋼の成分と圧延や熱処理条件を調査した。
【００１０】
降伏点を低下させる手段として、Ｃ≦0.01％の極低炭素鋼を適用する方法がある。極低炭素とすることにより、降伏点の低下は容易となるが、鋼としての強度が低くなる。その上結晶粒が大きくなる傾向にあり、靱性の低下を生じやすく、降伏点など特性のばらつきも大きくなりがちである。さらに、ハンドリングや一回目の振動による降伏点上昇が大きい傾向があり、また、極低炭素化のために製造コストが上昇する。
【００１１】
そこで極低炭素鋼の適用は避けて低炭素鋼を用いることとし、金属組織変化の降伏点に及ぼす影響に重点をおき調査をおこなった。Ｃ量やＭｎ量あるいは合金元素添加と、圧延条件または熱処理条件との組み合わせにより、様々な金属組織が得られる。しかし、前述の目標特性を達成するには、結局はポリゴナルフェライトが主となる金属結晶組織とするのが最も好ましいことが確認された。
【００１２】
ポリゴナルフェライト以外の組織、たとえばパーライト組織などの比率が増してくると降伏点が向上し、目標とする降伏点を超える。あるいは成分と圧延条件や圧延後冷却条件などの制御により、ベイナイト状フェライト組織を一部に出現させることが可能であり、降伏比を低下させることはできるが、降伏点そのものは高い値になってしまう。また、圧延後の冷却制御は一般的に特性のＬＣ方向差が大きくなる。
【００１３】
ポリゴナルフェライトの比率が高い場合、同じ化学成分の鋼では、他のいずれの組織であるときよりも降伏点が低くなる。そしてその場合、ＬＣ方向差が小さくなり、そして特性のばらつきが小さくなることもわかった。ＬＣ方向差が大きくなる理由は、非金属介在物や析出物の圧延方向への配列もあるが、圧延加工により特定の結晶方位の優先的発達すなわち集合組織が形成され、これが一部残存していることが大きく影響していることにあると推測される。また、ＬＣ方向差を小さくする製造条件は、目標とする降伏点などの特性のばらつきを少なくする傾向があり、ＬＣ方向差は特性ばらつき発生の一つの尺度として使えると思われる。
【００１４】
ポリゴナルフェライトが多く形成される場合、通常、熱間すなわちオーステナイト域で加工を受けた直後に、加工により生じたひずみが解放されて再結晶が起き、さらに圧延後の冷却過程でオーステナイト相がフェライト相に変態することにより、もう一度再結晶が生じている。このように再結晶を二度も経過するので、加工によって生じた集合組織がほとんど消滅し、ＬＣ方向差が小さくなる。そして、この二回の再結晶は、特性のばらつき低減にも効果がある。このような再結晶を十分におこなわせるのは、極低炭素鋼では困難であり、そのためにも、ある程度炭素を含む低炭素鋼が好ましい。
【００１５】
鋼の結晶粒径は、降伏点や靱性に大きな影響を及ぼすが、ポリゴナルフェライト組織であっても同様である。降伏点は結晶粒径が大きくなると低下し小さくなると上昇し、靱性は結晶粒径が小さいほど良好である。したがって、降伏点を目標とする範囲内にするには適度の粒径である必要があり、その範囲内にてできるだけ小さいことが望ましい。
【００１６】
上述のように、目的とする鋼材特性を得るための好ましい金属組織が明らかになってきたので、このような組織を実現させるための製造方法について、工程を大幅に増すことなく実施できる条件をさらに検討した。その結果、成分を規制した鋼を用いて、例えば、以下に述べる方法を採用すれば実現できることがわかった。
【００１７】
すなわち、まず、成分を規制した鋼を用いて、圧延の素材加熱温度を素材および圧延途中にて結晶粒が粗大化せずかつ熱間加工が容易である範囲とし、圧延は、変態点を多少下回ることはあっても、特性のＬＣ方向差が顕著でなくかつ結晶粒成長が促進されない範囲の温度で終了させる。
【００１８】
次いで、上記圧延後の鋼材に、さらに変態点直上まで加熱し冷却するという処理を付け加える。上記の変態点を二度通過させることによりランダム化がより十分におこなわれ、かつ整粒化が促進されるので、靱性が向上し、また、ばらつきが少なくなって安定して目標範囲の特性を確保できるようになることが推測される。
【００１９】
上記の変態点直上への加熱の後は、水冷など強制冷却をおこなった後、Ａ1変態点以下でできるだけＡ1変態点に近い温度に加熱しその後放冷する。この再加熱によって、急冷により過飽和に固溶した炭素が急速に析出するので、セメンタイトの分散が微細になり、また、固溶炭素量が減少するため、靱性がより向上すると思われる。
【００２０】
以上のような検討結果に基づき、成分や金属組織および製造条件の限界をさらに確認して本発明を完成させた。本発明の要旨は次のとおりである。
【００２１】
(1)質量％で、Ｃ：0.04〜0.11％、Ｓｉ：0.4％以下、Ｍｎ：0.1〜0.5％、Ａｌ：0.05％以下、Ｏ：0.005％以下およびＮ：0.006％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、金属組織としてポリゴナルフェライト粒組織が90％以上かつその結晶粒度番号が5.0〜8.5であることを特徴とするＬ方向とＣ方向の降伏点がいずれも205〜245N／mm2である制震ダンパー用鋼材。
ただし、Ｌ方向とＣ方向は、それぞれ、鋼材の圧延方向とその直角方向を指す。
【００２３】
(2)質量％で、Ｃ：0.04〜0.11％、Ｓｉ：0.4％以下、Ｍｎ：0.1〜0.5％、Ａｌ：0.05％以下、Ｏ：0.005％以下およびＮ：0.006％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる鋼を、加熱温度1000〜1160℃として熱間圧延をおこない、表面温度で［Ａｒ3点−100］℃以上にて圧延を終了し、冷却後、900〜920℃に加熱してから水冷し、次いで750℃までの温度に再加熱して放冷することを特徴とするＬ方向とＣ方向の降伏点がいずれも205〜245N／mm2である、靱性にもすぐれた制震ダンパー用鋼材の製造方法。
ただし、Ｌ方向とＣ方向は、それぞれ、鋼材の圧延方向とその直角方向を指す。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明において成分範囲を限定した理由は次のとおりである。成分含有量はいずれも質量％を示す。
【００２５】
Ｃ：0.04〜0.11％
Ｃは、製造条件を組み合わせることにより鋼のポリゴナルフェライト組織の比率、結晶粒径、さらにはＬＣ方向差にも影響を及ぼす元素である。0.04％未満の場合、目的とする降伏点の強度が得難くなる。したがって強度確保のためには圧延仕上げ温度を下げることが必要になり、安定してポリゴナルフェライト組織が得られず、ＬＣ方向差も増大する。しかし0.11％を超えると降伏点が上昇し、ポリゴナルフェライト以外のパーライト組織などが増加してくる。したがって炭素の量は0.04〜0.11％とする。
【００２６】
Ｓｉ：0.4％以下
Ｓｉは溶鋼の脱酸を目的に添加するが、Ａｌにて脱酸をおこなう場合は含有させなくてもよい。含有させる場合、多くなると溶接の熱影響部の靱性を低下させるので、0.4％以下とする。
【００２７】
Ｍｎ：0.1〜0.5％
Ｍｎは固溶強化の効果があり、所要強度を確保するために0.1％以上含有させる。しかし多く含有させすぎると、制震ダンパーとして望ましい範囲を超え一般の構造用鋼材の強度になってしまうので、多くても0.5％までとする。
【００２８】
Ａｌ：0.05％以下
製鋼時溶鋼の脱酸のため添加する。しかし結晶粒を細粒化させる作用かあり、降伏点を高くするおそれがある。脱酸の目的には多く含有させても効果が飽和してしまうので、多くても0.05％までとする。脱酸が十分おこなわれるのであれば、下限値は不純物レベルでよいが、確実な脱酸効果を得るためには、0.002％以上含有されていることが好ましい。
【００２９】
Ｏ（酸素）：0.005％以下
酸素は非金属介在物を形成し、延性や靱性の低下をもたらすので、その含有量は低ければ低いほどよい。顕著な悪影響の現れない限界として、0.005％以下とする。
【００３０】
Ｎ：0.006％以下
Ｎは溶接したときの溶接部靱性を低下させるので、低ければ低いほどよい。顕著な悪影響が現れない限界として0.006％以下とする。
【００３１】
他に鋼にはＰ、Ｓなどが不純物として混入してくるが、目的とする特性を得るためには、これらの不純物は少ないほど好ましい。
【００３２】
金属組織は、フェライトにパーライトまたはセメンタイトとが混在したものとし、フェライトが90％以上（100％でもよい）を占め、その結晶はポリゴナルであることとする。これはパーライトやセメンタイトが10％を超えるようになると強度が上昇し、目的とする降伏点の範囲205〜245Ｎ／mm２を超えてしまうからであり、フェライト組織はアシキュラー（針状）またはベイナイト形のものになったりすると、これもまた降伏点が高くなりすぎてしまうためである。
【００３３】
また、フェライト結晶粒度番号は5.0〜8.5であることとする。フェライトの結晶粒径は、小さくなって粒度番号が8.5を超えてしまうと降伏点が上昇し、目的とする上記範囲を超えてしまう。一方、大きくなりすぎると、降伏点が必要以上に低下して上記範囲を下回ったり、靱性の劣化を来すので、粒度番号は5.0を下限とすることが必要である。すなわちフェライトの結晶粒度番号の範囲は5.0〜8.5とする必要がある。
【００３４】
前述の組成範囲の鋼にて、上記の金属組織および目的とする降伏点を実現するためには、圧延条件を次のように限定するのがよい。すなわち、まず、最終形状に成形する被圧延材の加熱温度は1000〜1160℃とするのがよい。加熱温度が1000℃未満では変形抵抗が高くなり熱間圧延が十分おこなえなくなることがあるからであり、1160℃を超える加熱は、結晶粒が粗大化し、圧延後のフェライト結晶粒度番号が5.0を下回るおそれがあるからである。
【００３５】
上記熱間圧延の圧延開始から仕上げまでの圧延率は、40％以上とするのがよい。これは、被圧延材に十分な変形を加え、均一なポリゴナルフェライト粒組織とするためである。
【００３６】
熱間圧延の終了温度（「仕上げ温度」ともいう。）は、表面温度で［Ａｒ3点−100］℃以上とし、その後冷却する。ここでＡｒ3点（℃）は鋼のＣ含有量、Ｍｎ含有量および仕上げ板厚ｔF（ｍｍ）から下記[1]式を用いて求める。
Ａｒ3点（℃）＝910−310Ｃ（％）−80Ｍｎ（％）＋0.35｛ｔF（ｍｍ）−8｝−3・・・・・[1]。
なお、前記の冷却は放冷とすることが極めて好ましい。
【００３７】
これは［Ａｒ3点−100］℃以上で圧延を終了することにより、オーステナイト相にて熱間圧延加工を受け、その直後のオーステナイト域にある間に変形組織が回復して再結晶が終了し、次いで放冷によりフェライト相またはフェライト＋パーライト相への変態が開始され、変態による再結晶が十分におこなわれるからである。熱間圧延終了の表面温度（熱間圧延仕上げの表面温度）とは、復熱時の表面温度とするが、この表面温度が［Ａｒ3点−100］℃以上であれば、表層部から内部まで均一な組織とすることができる。
【００３８】
仕上げ温度が［Ａｒ３点−100］℃を下回る場合、変態により生じたフェライト相が圧延変形を受けたり、加工変形組織が残存した組織が増加してしまい、とくに強度や靱性のＬＣ方向差が大きくなり、特性のばらつきが増大する。
【００３９】
仕上げ温度は高すぎると、変形組織が再結晶後さらに粒成長してフェライト結晶粒度が5.0を下回るようになるので、できるだけ表面温度がＡｒ３点〜［Ａｒ３点−100］℃にあることが望ましい。しかし、圧延開始時の加熱温度を1000〜1160℃とし、40％以上の圧延加工をおこなう限りにおいては、仕上げ温度が高くなりすぎることはないので、仕上げ温度の上限はとくには限定しない。
【００４０】
圧延後の冷却を放冷とすることが極めて好ましいのは、前述のようにオーステナイト相からフェライト相またはフェライト＋パーライト相への変態を十分におこなわせるためで、このときに水冷など強制冷却をおこなうと、マルテンサイト組織やベイナイト組織が生じ、目的とする低降伏点が得られなくなってしまうことがあるからである。このような組織の発生は成分、とくにＣ含有量の影響を強く受けるが、本発明のようにＣ量が比較的広い範囲で種々異なっている場合においても、得られた鋼材のポリゴナルフェライト組織の比率や結晶粒径を安定して目的の範囲とするためには、圧延後放冷するのが極めて好ましい。
【００４１】
前記の冷却後は、ＬＣ方向差を少なくするために、その鋼材を、900〜920℃に加熱してから水冷し、次いで750℃までの温度に再加熱して放冷するのがよい。
【００４２】
上記の場合、加熱温度を900〜920℃という狭い範囲に限定するのは、900℃未満ではこの加熱処理の効果が十分得られないことがあり、一方、920℃を超えると結晶粒が大きくなり粒度番号5.0を下回ってしまうおそれがあるからである。加熱の時間は鋼材の中心部がこの温度に達すればよく、長時間おこなう必要はない。
【００４３】
900〜920℃の加熱後の冷却は、水冷による強制冷却とし、次いで750℃までの温度に再加熱して放冷することによって、Ｌ方向とＣ方向の降伏点がいずれも205〜245N／mm2で、金属組織としてポリゴナルフェライト粒組織が90％以上かつその粒度番号が5.0〜8.5の靱性にすぐれた鋼材を容易に得ることができる。
【００４４】
なお、上記の水冷による強制冷却は900〜920℃から300℃以下に到達するまでおこなえばよい。300℃に達するまでに強制冷却を止めると、十分な効果が得られないことがある。強制冷却後の再加熱は750℃までとするのは、750℃を超える加熱では一部の粒が粗大化したり靱性が悪くなることがあるからである。このときの再加熱温度は、低すぎると当然再加熱処理の効果が得られないので、450℃以上とするのがよい。望ましいのは500〜720℃の範囲である。750℃までの再加熱の時間は、この場合も鋼材の中心部がこの温度に到達する範囲でよく、長時間保持する必要はない。
【００４５】
【実施例】
表１に示す組成の鋼を転炉で溶製して厚さ240mmの連続鋳造片とし、これを1120℃に加熱してから熱間圧延して厚さ6〜25mmの鋼板に仕上げた。板厚および圧延仕上温度は表２に示すとおりである。いずれも圧延後放冷としたが、鋼記号Ｂの鋼板については、さらに加熱後放冷、または加熱後水冷し再加熱後放冷の熱処理を施す方法もおこなった。これらの処理条件についても、表２に合わせて示す。
【００４６】
得られた鋼板の特性については、JIS-G-3136に記載の試験方法に準じて試片を採取し、金属組織観察および機械試験をおこなった。ただし、引張試験は５号試験片を用い、Ｌ方向とＣ方向の２方向を測定しその差の大きさを調べた。降伏点は10N／(mm・s)の試験速度として下降伏点を求め、明確な降伏点が現れない場合は0.2％耐力とした。また衝撃値はＬ方向に採取した2mmVノッチシャルピー試験片とし、0℃における吸収エネルギーを測定した。これらの試験結果も合わせて表２に示す。
【００４７】
【表１】
0003835369.tif 000002
【００４８】
【表２】
0003835369.tif 000003
【００４９】
表２から明らかなように、試験番号5および試験番号11の鋼板は、その化学組成、ポリゴナルフェライト組織等が本発明で定める範囲のものであり、Ｌ方向及びＣ方向とも205〜245 N／mm2の降伏点を示している。これらの鋼板は、降伏点のＬ方向とＣ方向の差が小さい。
【００５０】
鋼の化学組成が本発明の定める範囲を逸脱する場合、試験番号12〜15に見られるように、Ｌ方向とＣ方向のいずれか一方または双方の降伏点が205〜245N／mm2から外れ、しかもＬ方向とＣ方向の差が大きくばらつきの大きい結果になっている。しかし、鋼の化学組成が本発明で定める範囲内であっても、試験番号10は、ポリゴナルフェライト組織の粒度が本発明で定める規定を外れるので、降伏点が低すぎる。なお、たとえば試験番号8は、鋼の化学組成、ポリゴナルフェライト組織等が本発明で定める範囲のものであるが、降伏点のばらつきが大で、Ｌ方向とＣ方向の差が大きくＬ方向の降伏点は205N／mm2を下回るものであった。
【００５１】
なお、圧延冷却後の熱処理は、試験番号5に示されるように、降伏点のＬＣ方向差を小さくし、衝撃値を向上させる効果がある。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の鋼材はＬ方向とＣ方向の降伏点がいずれも205〜245N／mm2の範囲内であり制震ダンパーに用いられるものであるが、降伏点の変動が小さく、とくに圧延方向であるＬ方向とその直角方向であるＣ方向との強さの差が小さい。このような特性変動の小さい鋼材は、構造物の耐震設計に効果的に活用できる。またその鋼材は、特定の合金成分の添加や成分を狭い範囲に限定することがなく低コスト化が可能な本発明の製造方法によって比較的容易に得られる。