(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
Ｃ  ：０．０８％〜０．１７％、
Ｓｉ：０．０５％〜０．２２％、
Ｍｎ：０．９％〜１．８％、
Ａｌ：０．００５％〜０．１０％、
Ｔｉ：０．００５％〜０．０５％、
Ｎｂ：０．０２％〜０．０７％、および
Ｍｏ：０．１％〜０．５％、Ｖ：０．０１％〜０．１％の１種または２種を含有し、
不純物として、
Ｓ  ：０．０１０％以下、
Ｐ  ：０．０２０％以下、
Ｈ  ：２．５ｐｐｍ以下、
Ｎ  ：５０ｐｐｍ超１２０ｐｐｍ以下
に制限し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフランジとウェブの厚みが６ｍｍ以上２５ｍｍ以下で、
金属組織が全面にわたり上部ベイナイト組織が６０％以上であることを特徴とする引張り強度が全面にわたり５９０Ｎ／ｍｍ２以上７８０Ｎ／ｍｍ２以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼に、さらに重量％で、
Ｃｕ：０．０５％〜０．５％、
Ｎｉ：０．０５％〜０．５％、
Ｃｒ：０．０５％〜０．５％、
Ｃｏ：０．０５％〜０．５％、
Ｗ  ：０．０５％〜０．５％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり５９０Ｎ／ｍｍ２以上７８０Ｎ／ｍｍ２以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鋼に、さらに重量％で、Ｂ：０．０００２％〜０．００２５％を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり５９０Ｎ／ｍｍ２以上７８０Ｎ／ｍｍ２以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の鋼に、さらに重量％で、
Ｒｅｍ：０．００２％〜０．１０％、
Ｃａ：  ０．０００３％〜０．００３０％の１種または２種以上を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり５９０Ｎ／ｍｍ２以上７８０Ｎ／ｍｍ２以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の鋼に、さらに重量％で、Ｍｇ：０．０００３％〜０．０１％を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり５９０Ｎ／ｍｍ２以上７８０Ｎ／ｍｍ２以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の成分を含有する鋼片または鋳片を１２５０℃以上に加熱した後に、９００℃以上の温度域でフランジ厚６ｍｍ以上２５ｍｍ以下、ウエブ厚さ６ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲にあるＨ形鋼への圧延を終了し、圧延後放冷することを特徴とする引張り強度が全面にわたり５９０Ｎ／ｍｍ２以上７８０Ｎ／ｍｍ２以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトンネル工事における支保に用いられる高強度Ｈ形鋼およびその製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トンネルの支保のパターンとしては地質の状況に応じて種々のものが実用化されており、詳細はトンネル標準示方書（山岳編）などに述べられている。ロックボルトを地中に打ち込む方法は共通であるが、トンネルの内壁を支保するものとしてはコンクリートを吹き付けるもの、鋼製の支保工をアーチ型に曲げ加工して用いるものが主なものである。
【０００３】
従来は鋼製の支保工として曲げ加工性の良い４００N/mm2 級の高張力の形鋼が用いられてきた。しかしながら、近年のトンネルの大断面化により、トンネルの断面形状が従来の円形から偏平になり、荷重形態も軸力のみが主たる外力であったものから、軸力と曲げ力が組み合わさったものに変化してきた。そのため、従来の４００N/mm2 級の鋼製の支保工を用いると、断面積と断面係数の大きなものが必要となり、施工工期が長くなり、且つ施工コストは大幅に増加するという問題点があった。
【０００４】
しかしながらこれまでにトンネル支保用に４００N/mm2 級を超える支保工が用いられた例はない。これは、トンネル支保工には強度のみならず、耐溶接割れ性が良好なこと、水素性欠陥がないこと、靭性が良好なことなど、多くの要求が伴うため、高強度鋼でこれらの要求を満足することは難しかったためである。
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明は、耐溶接割れ性が良好で水素性欠陥が極めて少なく、さらに靭性も良好な引張強度５９０N/mm2 級のトンネル支保工用Ｈ形鋼とその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記のような従来のトンネル支保工用Ｈ形鋼の欠点を有利に排除しうる、耐溶接割れ性が良好で水素性欠陥が極めて少なく、さらに靭性も良好な引張強度５９０N/mm2 級のトンネル支保工用Ｈ形鋼とその製造方法であり、その要旨とする所は次の通りである。
【０００７】
（１）  重量％で、
Ｃ  ：０．０８％〜０．１７％、  Ｓｉ：０．０５％〜０．２２％、
Ｍｎ：０．９％〜１．８％、      Ａｌ：０．００５％〜０．１０％、
Ｔｉ：０．００５％〜０．０５％、Ｎｂ：０．０２％〜０．０７％、および
Ｍｏ：０．１％〜０．５％、      Ｖ  ：０．０１％〜０．１％の１種または２種を含有し、
不純物として、
Ｓ  ：０．０１０％以下、        Ｐ  ：０．０２０％以下、
Ｈ  ：２．５ｐｐｍ以下、        Ｎ  ：５０ｐｐｍ超１２０ｐｐｍ以下に制限し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフランジとウェブの厚みが６ｍｍ以上２５ｍｍ以下で、金属組織が全面にわたり上部ベイナイト組織が６０％以上であることを特徴とする引張り強度が全面にわたり５９０Ｎ／ｍｍ２以上７８０Ｎ／ｍｍ２以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【０００９】
（２）  前項（１）に記載の鋼に、さらに重量％で、
Ｃｕ：０．０５％〜０．５％、    Ｎｉ：０．０５％〜０．５％、
Ｃｒ：０．０５％〜０．５％、    Ｃｏ：０．０５％〜０．５％、
Ｗ  ：０．０５％〜０．５％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり５９０Ｎ／ｍｍ２以上７８０Ｎ／ｍｍ２以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【００１０】
（３）  前項（１）または（２）に記載の鋼に、さらに重量％で、Ｂ：０．０００２％〜０．００２５％を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり５９０Ｎ／ｍｍ２以上７８０Ｎ／ｍｍ２以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【００１１】
（４）  前項（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の鋼に、さらに重量％で、Ｒｅｍ：０．００２％〜０．１０％、Ｃａ：０．０００３％〜０．００３０％の１種または２種以上を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり５９０Ｎ／ｍｍ２以上７８０Ｎ／ｍｍ２以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【００１２】
（５）  前項（１）乃至（４）のいずれか１項に記載の鋼に、さらに重量％で、Ｍｇ：０．０００３％〜０．０１％を含有することを特徴とする引張り強度が全面にわたり５９０Ｎ／ｍｍ２以上７８０Ｎ／ｍｍ２以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼。
【００１３】
（６）  前項（１）乃至（５）のいずれか１項に記載の成分を含有する鋼片または鋳片を１２５０℃以上に加熱した後に、９００℃以上の温度域でフランジ厚６ｍｍ以上２５ｍｍ以下、ウエブ厚さ６ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲にあるＨ形鋼への圧延を終了し、圧延後放冷することを特徴とする引張り強度が全面にわたり５９０Ｎ／ｍｍ２以上７８０Ｎ／ｍｍ２以下のトンネル支保工用Ｈ形鋼の製造方法。
【００１４】
【発明実施の形態】
以下本発明について詳細に説明する。
本発明の根幹をなす技術思想は以下の通りである。
大断面のトンネルに従来の４００N/mm2 級の鋼製の支保工を用いると、断面積と断面係数の大きなものが必要となり、施工工期が長くなり、且つ施工コストは大幅に増加してしまう。従来のサイズで大断面のトンネルに耐え得る断面係数を有するためには、Ｈ形鋼の強度は５９０N/mm2 以上必要である。
【００１５】
一般に、鋼を高強度化する方法としては固溶強化、析出効果、変態強化、加工硬化などの機構が用いられる。Ｈ形鋼のように部位によって厚みが異なり、よって熱間圧延後に変態する際の冷却速度も異なる場合は、強化機構が冷却速度に比較的依存しない固溶強化、加工硬化を用いることが好ましい。しかし過度の固溶強化は溶接性を損ない、且つ製造コストを著しく上昇させる。またＨ形鋼を冷間加工で製造することは加工装置に多大なパワーが要求されるため不可能に近く、よって加工硬化による高強度化も期待できない。
析出効果、変態強化は変態時の冷却速度依存性が非常に大きいため、これまではＨ形鋼の高強度化機構としては不適であった。
【００１６】
しかしながら本発明者らは、所定の成分系の鋼を用いて、所定のサイズのＨ形鋼を製造すれば、全部位にわたって上部ベイナイト組織が６０％以上となり、５９０N/mm2 以上７８０N/mm2 以下の範囲の任意の強度が安定して得られることを見出だした。
【００１７】
一般にＨ形鋼はフランジの板厚がウェブの板厚の１．５倍程度であるため、最終形状になるまでの圧下比はフランジとウェブで大きく異なる。このため、変態直前のオーステナイト粒径がフランジで大きくウェブで小さくなり、変態挙動も異なったものとなる。すなわちフランジではベイナイト変態が起こりやすく、ウェブでは起こりにくいため、全部位にわたって上部ベイナイト組織が６０％以上とはならない。さらに本発明で規定しているサイズのＨ形鋼は比較的フランジとウェブの板厚が薄いため圧延のパス数が多くなる。この結果、圧延仕上げ温度がＡｒ3 点を切って材質異方性がでやすくなる。これを防止するために通常は１３００℃程度の高温加熱をする。そのため圧延開始時のオーステナイト粒径が非常に粗大で圧延終了時のオーステナイト粒径は圧下比の影響を受けやすくなる。
【００１８】
本発明では高温加熱でも安定して均一なオーステナイト粒径を得るためにあえてＮを高め、さらに適量のＴｉを添加することにより、本発明で規定したサイズのＨ形鋼であればフランジとウェブのオーステナイト粒径を比較的整粒で同じようなサイズに揃えることを可能とした。
また、本発明の製造法では、熱間圧延後に特に水冷などの特別な処置を講ずることなく安定してベイナイト組織が得られるため、製造コストの上昇を招くこともない。
【００１９】
また、トンネル支保工には強度のみならず、耐溶接割れ性が良好なこと、水素性欠陥がないこと、靭性、延性が良好なことなど、多くの要求が伴い、従来の高強度鋼でこれらの要求を満足することは難しかったが、本発明のように比較的少ない合金添加量で変態直前のオーステナイト粒径は均一化を図り、変態後の組織を６０％以上の上部ベイナイト組織とすれば、耐溶接割れ性、靭性、延性ともに良好な特性が得られることも見出だした。また、水素性欠陥の防止は鋼中の水素量を制限することにより達成可能である。
【００２０】
以下に製造方法の限定理由を詳細に説明する。
まず本発明における出発材の成分の限定理由について述べる。
Ｃは、鋼を強化するのに有効な元素であり、０．０８％未満では十分な強度が得られない。一方、その含有量が０．１７％を超えると硬化しすぎて割れやすくなる。
【００２１】
Ｓｉは脱酸元素として、また鋼の強化元素として有効であるが、０．０５％未満の含有量ではその効果がない。一方、０．２２％を超えると、溶接部の靭性を損なう。
【００２２】
Ｍｎは鋼の強化に有効な元素であり、０．９％未満では十分な効果が得られない。一方、その含有量が１．８％を超えると鋼の加工性を劣化させる。
【００２３】
Ａｌは脱酸元素として添加される。０．００５％未満の含有量ではその効果がなく、０．１％を超えると、鋼の表面性状を損なう。
【００２４】
ＳはＭｎＳを生成し、超音波探傷時の不合格の原因となるため、含有量を０．０１％以下に制限する。
【００２５】
Ｐは靭性を劣化するため、含有量を０．０２％以下に制限する。
【００２６】
Ｈは水素性欠陥の原因となる。すなわち、水素は圧延前の鋼片または鋳片内にあるポロシティー内に集まり、圧延によりそのポロシティーが圧着するのを阻害するため、含有量を２．５ppm 以下に制限する。
【００２７】
Ｎは本発明において重要な役割を担う。１２５０℃を超えるような高温加熱ではオーステナイト粒径が粗大化し、圧延終了時のオーステナイト粒径がフランジとウェブで大きく異なり、変態後の金属組織の様相が大きく変動してしまう。そこで適量のＴｉとの組み合わせにより加熱時のオーステナイト粒径を均一細粒化する。さらに加熱時にＴｉと結合しないＮは圧延中、圧延後のＴｉ，ＮｂおよびＶの炭窒化物を微細分散させることにより強度の向上に寄与する。Ｎが５０ppm 以下では加熱時のオーステナイト粒径の均一細粒化が不十分である。またＮが１２０ppm を超えると固溶Ｎ量の増加により延性・靭性が著しく劣化するため、含有量を５０ppm 超１２０ppm 以下に限定する。
【００２８】
ＴｉはＮと結合して加熱時のオーステナイト粒径を均一細粒化する。さらに、圧延中、圧延後にもＮ，Ｃと炭窒化物を生成し強度を上昇させる。添加量が０．００５％未満では加熱時のオーステナイト粒径が均一細粒化しない。また添加量が０．０５％超ではＴｉＣが過剰に析出し靭性を著しく劣化させるため、添加量を０．００５％以上０．０５％以下に制限する。
【００２９】
Ｎｂは本発明鋼にとって特に主要な役割を果たす元素であり、ＭｏあるいはＶと複合添加することにより、低冷却速度での鋼の焼き入れ性を著しく増加させ、ベイナイト組織を生成させる。その添加量が０．０２％未満ではその効果がなく、０．０７％超ではその効果が飽和し、且つ溶接部の靭性を劣化させるため、添加量の範囲を０．０２％以上０．０７％以下とする。
【００３０】
Ｍｏも本発明鋼にとって特に主要な役割を果たす元素であり、Ｎｂと複合添加することにより、低冷却速度での鋼の焼き入れ性を著しく増加させ、ベイナイト組織を生成させる。その添加量が０．１％未満ではその効果がなく、０．５％超では溶接性を劣化させるため、添加量の範囲を０．１％以上０．５％以下とする。
【００３１】
Ｖも本発明鋼にとって特に主要な役割を果たす元素であり、Ｎｂと複合添加することにより、低冷却速度での鋼の焼き入れ性を著しく増加させ、ベイナイト組織を生成させる。その添加量が０．０１％未満ではその効果がなく、０．１％超では溶接部の靭性を劣化させるため、添加量の範囲を０．０１％以上０．１％以下とする。
Ｍｏ，Ｖはいずれか一方でもよく、あるいは両方の複合添加であってもよい。
【００３２】
Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｗは、いずれも鋼の焼入れ性を向上させる元素であり必要に応じて１種または２種以上添加する。
【００３３】
本発明における場合、その添加により鋼の強度を高めることができるが、過度の量の添加は鋼を硬化させ割れやすくするため、添加する場合はＣｕ≦０．５％、Ｎｉ≦０．５％、Ｃｒ≦０．５％、Ｃｏ≦０．５％、Ｗ≦０．５％に限定する。また添加量が少なすぎると効果がないため、添加量の下限をいずれの元素とも０．０５％とする。
【００３４】
Ｂは鋼の焼入れ性を向上させる元素であって必要に応じて添加する。本発明における場合、その添加により鋼の強度を高めることができるが、過度の添加はＢの析出物を増加させて鋼の靭性を損なうためその含有量の上限を０．００２５％とする。また添加量が少なすぎると効果がないため、添加量の下限を０．０００２％とする。
【００３５】
ＲｅｍとＣａはＳの無害化に有効であり、必要に応じて１種または２種を添加する。添加量が少ないとＳが有害のまま残り、過度の添加は靭性を損なうため、Ｒｅｍ：０．００２％〜０．１０％、Ｃａ：０．０００３％〜０．００３０％の範囲で添加する。
【００３６】
Ｍｇは微細な酸化物となり鋼の組織を微細化し靭性を向上させるために、必要に応じて添加する。０．０００３％未満ではその効果がなく、０．０１％を超えると酸化物を起点とした割れが生じやすくなるため、含有量を０．０００３％〜０．０１％の範囲とする。
【００３７】
次に本発明におけるＨ形鋼のサイズの条件について述べる。フランジ厚さ、ウェブ厚さともに６mm以上２５mm以下の範囲に制限することにより、本発明鋼の成分範囲でほぼ均一な変態直前のオーステナイト粒径と６０％以上の変態後のベイナイト組織を得ることができる。ベイナイト組織分率が６０％未満では十分な強度が得られない場合がある。また引張強度が５９０N/mm2 であればこの厚みの範囲で十分な断面係数と支保力を有することができる。
【００３８】
次に本発明におけるＨ形鋼の製造条件について述べる。本発明鋼の焼き入れ性を十分に活用するためには、Ｎｂ，ＭｏおよびＶを圧延前の加熱工程で十分に溶体化させることが必要であるため加熱温度の下限を１２５０℃とする。さらに圧延終了温度が低くなりすぎると圧延歪みが残留した状態で変態するため焼き入れ性が低下し、所定の強度が得られない。よって本発明では熱間圧延中にオーステナイトを十分に再結晶させて、圧延歪みをほぼ完全に除去する必要があるため、圧延仕上げ温度を９００℃以上とする。加熱温度の高温化は圧延温度の確保の観点からも必要である。このような加熱・圧延条件を採用すれば、圧延後は特に水冷する必要はなく、放冷で十分である。
【００３９】
【実施例】
次に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
まず表１に示す化学成分の鋼を表２に示す製造条件で表２中に示すサイズのＨ形鋼とした。このＨ形鋼の各位置での金属組織、強度、伸び、靭性さらには最高硬さ試験における最高硬度、溶接部のＵＳＴ欠陥判定結果は表３に示すようになる。
【００４０】
【表１】
0003863647.tif 000002
【００４１】
【表２】
0003863647.tif 000003
【００４２】
【表３】
0003863647.tif 000004
【００４３】
【発明の効果】
表３によると、本発明のＨ形鋼はいずれもベイナイト主体の組織を有し、引張強度５９０Ｎ／ｍｍ２以上を有し、且つ伸び、衝撃値ともに比較法のＨ形鋼に比べて良好である。またＨ形鋼の部位による材質の差、すなわち、フランジにおけるベイナイト組織率とウェブにおけるベイナイト組織率の差も小さく安定していることがわかる。さらに最高硬さ試験における最高硬度は、のきなみ２８０程度と低く、十分な耐溶接割れ性を有することがわかる。さらに溶接部のＵＳＴ欠陥判定結果から不合格材は皆無であった。Ｔｉが不足しているものおよびＮが低いものはフランジとウェブの組織に差があり、機械的性質、すなわち、表３に示す降伏点、引張強度、伸び、および０℃での吸収エネルギーにも差があるものとなっているが、０．００５％以上０．０５％以下のＴｉおよび５０ｐｐｍ以上１２０ｐｐｍ以下のＮを含有するものは、フランジとウェブの組織と機械的性質の差が十分小さい。このように本発明鋼および発明法を適用することにより、大断面トンネルの支保工として使用するに十分な特性を有する引張強度５９０Ｎ／ｍｍ２以上のＨ形鋼が得られることが確認できた。