建築構造用高性能 590 N/mm2 級
TMCP 鋼板「HBL440」
大 森 章 夫中川1)室 田 康 宏石川4)

.

は じめ佳
中 川 郷 司2)
3)
操5)に地震が多発する我が国では，建築構造物の鉄骨部材には，大地震による倒壊を防ぐため，塑性変形によってエネルギーを吸収することが求められる．そのため，柱や梁などの建築鉄骨部材に用いられる鋼材には，多くの場合，降伏比(YR＝

図1590 N/mm2 級低 YR 鋼の製造プロセス．

降伏強度 YS /引張強度 TS )が 80 以下の低 YR 特性が要求される．

鋼のミクロ組織制御指針と基本性能を紹介する．

一方，近年の高層建築物の大スパン化や，商業スペース，オフィス，ホテルなどの重層化などに伴い，鋼材重量低減

.

低 YR 化のための TMCP 技術や，加工，運搬，建方など各過程での負荷軽減のため，高強度鋼材の必要性が高まっている．しかしながら，一般的に鋼高強度鋼において低 YR 特性を確保するための基本指針

材強度の増加に伴って YR は上昇するため，高強度化と低は，ミクロ組織を軟質相(フェライト)と硬質相(ベイナイトYR 化の両立は困難になる．1990年代に開発された建築構造やマルテンサイト)からなる複相組織にすることである．

用高性能 590 N/mm2 級鋼板(SA440)では，多量の合金添加

TMCP によって高強度と低 YR を両立させるには，加速冷とともに，例えば図( a )に示すような 2 相域焼入を含む多却中および停止後に適量の微細フェライトと島状マルテンサ段熱処理により低 YR 特性を確保している．このような複雑イト(MA: Martensiteaustenite constituent)を含む複相組織な熱処理は工期の長期化を，合金添加は溶接性の低下をもた 化学成分，◯を生成させなければならない．そのために，◯

らし，SA440の適用拡大を妨げる要因となっていた．

制御圧延条件を最適化する必要がある．
加速冷却停止温度，◯

JFE スチールでは， TMCP ( Thermo mechanical control

図は，開発鋼のミクロ組織に及ぼす加速冷却条件の影響

process 加工熱処理)技術を駆使することにより，図 1 ( b )を CCT 線図を用いて示した模式図である．適正な加速冷却のような 2 相域熱処理を省略したプロセスで SA440 と同等条件(b)では，図(b)に示すようなフェライト＋パーライトの機械的特性(YS/440～540 MPa, TS/590～740 MPa, YR＋ベイナイト＋ MA の複相組織が得られ，目標の機械的特≦80, vE0°C≧47 J)を確保し，優れた溶接施工性をも兼ね備 え た 建 築 構 造 用 高 性 能 590 N / mm2 級 TMCP 鋼 板「HBL440」(板厚 19～50 mm)を開発した．本稿では，開発JFE スチール株式会社スチール研究所
1)鋼材研究部主任研究員
2)土木・建築研究部主任研究員
3)建材開発部主任部員
東日本製鉄所商品技術部厚板室4)主任部員 5)室長
High Performance 590 N/mm2 TMCP Steel Plate ``HBL440''for Building Structure; Akio Ohmori, Kei Nakagawa, SatoshiNakagawa, Yasuhiro Murota and Misao Ishikawa (JFE SteelCorporation)
2011年10月31日受理

ま て り あ 第51巻 第 3 号(2012)Materia Japan

図2

ミクロ組織に及ぼす加速冷却停止温度の影響(模式図)．

エレクトロスラグ溶接( ESW )による溶接継手を作製し，シャルピー衝撃試験を行った．溶接条件と継手概要を表に，シャルピー試験結果を図に示す．入熱 60 kJ / cm 未満のSMAW および SAW 継手では 100 J 以上の優れた靭性を示し，大入熱 ESW 継手でも平均 47 J 以上を確保した．
部材性能

局部座屈評価のため，板厚 19 mm の開発鋼板を用いて図( a )に示すような溶接 4 面ボックス柱試験体を作製し，短柱圧縮試験を行った．図 5( b )に日本建築学会指針(2)の目標値や従来鋼 SA440 のデータ(3)と比較して試験結果を示す．
開発鋼は学会指針以上の塑性変形倍率を有しており，現行設
図3計での幅厚比制限値を適用できると考えられる．

開発鋼のミクロ組織例．

次に，梁端接合部の性能を評価するため，板厚 19 mm お性が得られる．図 2 ( a )のように冷却停止温度が高すぎる

よび 25 mm の開発鋼板からなる溶接組立 H 形鋼を梁材としと，図 3( a )のようにフェライトとパーライト主体の組織とた試験体(図( a ))の梁端接合部繰り返し曲げ実験(4) を行っなって強度が不足し，図 2 ( c )のように冷却停止温度が低すた．接合部を工場型ノンスカラップとした試験体の実験結果

ぎると，図 3(c)のように MA の少ない高 YR のベイナイトを図 6(b)に示す．図 6(b)の縦軸と横軸は，それぞれ梁端モ主体組織となる．Mo などの合金添加量や冷却速度の変化にーメント M と回転角 u を全塑性時のモーメント Mp と全塑よっても，類似の組織変化が起きる．開発鋼「HBL440」で性時の弾性回転角 up で基準化したものである．塑性率 u/up

は，高精度の加速冷却が可能な水冷装置 SuperOLAC(1)をは 5 を超えており，十分な変形性能を有している．

活用するとともに，Cr, Mo, V, Nb(フェライトおよびパーラ
表2

イト変態を抑制し，ベイナイトや MA の生成を促進する炭化物生成元素)の添加量を最適化し，適正なミクロ組織と機機械的特性．
シャルピー
2
特性

1
引張特性

械的性質を達成した．

板厚(mm)
試験片. 開 発 鋼 の 性 能YSTSYR El(MPa) (MPa) () ()vE0°C vTrs
( J) (°C)

19

JIS 5 号

4856307744358 －100

25

JIS 5 号

4946297948371－65

表に開発鋼の化学成分を示す．PCM の低減と鋼板表層の40

JIS 5 号

4796207754364－50

硬化を軽減するため，C 含有量は0.06に低減し，ベイナイ

50

JIS 4 号

4866147930380 －100

母材特性・溶接性
開発鋼

トと MA を生成させるために Cr, Mo, V, Nb を添加した．

SA440 19～規格
100

表には鋼板の引張特性およびシャルピー衝撃特性を示す．いずれも SA440 規格を満足している．シャルピー破面した．

表3表には板厚 50 mm の y 形溶接割れ試験結果を示す．被覆アーク溶接( SMAW )では 25 °C, CO2 溶接( GMAW )では≦40 mm)0.28以下)に対して大幅に溶接性が向上しており，溶接継手特性―2L 方向，1/4 t 位置y 形溶接割れ試験結果(板厚 50 mm)．
溶接材料

SMAW

LB62, q4.0
( JIS Z 3211
E6216N1M1 U)

GMAW(CO2)

C
5°C 0
湿度60 5°
MG60, q1.2

220
A
23V
( JIS Z 3312
/G59JA1UC 3M1T) 24 cm min
20°C°

湿度60 25 C 0

高施工型の SA440 ( PCM 規格値 0.22 以下)と同等以上の優れた溶接性を有する．

≧47

溶接方法

5°
C で割れは発生しなかった．従来の SA440 ( PCM 規格値( t溶接条件

雰囲気予熱 割れ温度 率20°170 A24 VC°

15 cm/min 湿度60 25 C 0各条件 3 体ずつの平均

CO2 溶接(SMAW)，多層サブマージアーク溶接(SAW)，

表1≧20590～ ≦80740≧261C 方向，1/4 t 位置( JIS 4 号)


遷移温度( vTrs )は－ 50 °C 以下であり，優れた母材靭性を示

JIS 4 号 440～
JIS 5 号 540

開発鋼の化学成分(mass)．

板厚(mm)CSi

MnPS

others

Ceq

PCM

開発鋼

19, 25, 40, 50

0.06

0.20

1.48

0.008

0.002

Cr, Mo, V, Nb, Ti

0.420.17

SA440C19≦t≦40
40＜t≦100

≦0.12

≦0.55

≦1.60

≦0.020≦0.008

必要に応じて添加できる．

≦0.44
≦0.47

≦0.28
≦0.30

Ceq＝C＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14



PCM＝Si/30＋Mn/20＋Cu/20＋Ni/60＋Cr/20＋Mo/15＋V/10＋5B

新技術・新製品

表4

溶接継手作製条件．

溶接方法

GMAW(CO2)

SAW(2 電極)

ESW(SESNET)

溶接材料

MG60, q1.2

KW101B, q4.8
KB110

KW101B, q1.6
KF100

入熱量
パス間温度

17～30 kJ/cm
70～90°
C

46～53 kJ/cm
54～186°
C

617 kJ/cm
―開先形状
積層方法

シャルピー
試験片
採取位置

図4

.

適 用

図5

短柱圧縮実験．(a)試験体(b)実験結果

図6

梁端曲げ実験．(a)試験体(b)実験結果

溶接継手シャルピー試験結果．

分野

本開発鋼は， TMCP 技術を駆使することにより，従来の建築構造用 590 N/mm2 級低 YR 鋼板(SA440)に必須であった 2 相域熱処理を省略して，同等の機械的性質と優れた溶接性を実現したものである．溶接組立 H 形鋼，角形鋼管(プレスコラム)，円形鋼管，4 面溶接 BOX 柱などの建築鉄骨部材への適用が期待される．

. 特許

本開発鋼に関しては，特許 4730102 号の他，特開 2007 177325，特開2007177326，特開2009221565など 6 件を出願済みである．

文献( 1 ) 小俣一夫，吉村 洋，山本定宏NKK 技報，No. 179(2002),
5762.
( 2 ) 鋼 構造 限界 状 態設 計指 針・ 解説 ，日 本 建築 学会 ，( 2002 ) ,121124.
( 3 ) 井上哲朗，桑村 仁日本建築学会構造工学論文集， 37B(1991), 225
238.
( 4 ) 藤牧勇太，中込忠男，川端洋介，戸堀一真， o 野良比呂，服部和徳，石井 匠日本建築学会学術講演梗概集(北陸)，(2010), 1141
1144.

ま て り あ 第51巻 第 3 号(2012)Materia Japan