JFE 技報 No. 26（2010 年 8 月）p. 30–35

TMCP（加工熱処理）を活用した靭性に優れる高強度 H 形鋼の開発
Development of High Strength H-Shapes with Excellent Toughness
Manufactured by Advanced Thermo-Mechanical Control Process (TMCP)木村達己

KIMURA Tatsumi

JFE スチール

スチール研究所

山本晃輝

YAMAMOTO Kouki

JFE スチール

西日本製鉄所

労働人事部倉敷安全衛生室

厚板・形鋼研究部

主任研究員（課長）青木秀未

AOKI Hidemi

JFE スチール

西日本製鉄所

鋼材商品技術部形鋼室主任部員（副課長）

主任部員（課長）

要旨
加工熱処理 (TMCP) の適用により，強度，靭性に優れた高性能 H 形鋼を開発した。粗大オーステナイト（γ）
粒を細粒化するには，加熱γ粒の微細化やγの再結晶を促進させるための成分設計を行い，熱間圧延の適正化を®

図る必要がある。微細化したγ粒から加速冷却設備 (Super-OLACS) を用いることにより，微細なベイナイト組織となり，高強度で靭性に優れる TMCP 型 H 形鋼を得ることができる。この技術を活用して，耐震性と溶接性に優れる高層建築構造物用 SM520 級低降伏比の外法一定 H 形鋼 ( 最大フランジ厚 40 mm) を開発した。さらに，溶®

接熱影響部の組織制御技術である JFE EWEL 技術を適用して，多パス溶接部の低温靭性に優れる SM490Y 級の H形鋼も開発した。

Abstract:
JFE Steel has developed high performance H-shapes applying an advanced thermo-mechanical controlled process(TMCP). To obtain high strength H-shapes with excellent toughness, it is important to obtain refined bainite
microstructure, through suitable alloy design, hot rolling under the optimum rolling conditions, and accelerated
cooling after hot rolling. This paper introduces examples of recently developed high performance H-shapes, such as
520 MPa grade (in tensile strength) H-shapes for high-rise building construction application with excellent toughness,
weldability and earthquake-resistant properties, and 490 MPa grade (in tensile strength) H-shapes with superior low
temperature toughness. Alloy designing to obtain refined microstructure under the specific hot rolling conditions to®

H-shapes, and the accelerated cooling facilities for shapes (Super-OLAC S: On-line Accelerated Cooling for Shapes)
are essential for the development of high performance H-Shapes.

1.

的・効率的な設計の選択肢が広がるために，鋼材の高強度はじめに化ニーズは高い。

建築物，工場や各種プラントの構造物に H 形鋼は広く適

阪神淡路大震災などの巨大地震では，構造物の梁端溶接用されている。近年，構造物は高層化，大型化と大スパン部に多くの被害がもたらされた。その教訓として，鋼材には化が進んでいる。高層建築においては，ショッピングセン降伏比（降伏強度／引張強度）が低く，溶接部も含めた良好ターなど商業スペースとオフィスやホテルの複合構造など，な靭性と溶接性を有する高性能な鋼材が求められている 。

3)1)

構造様式が複雑化する傾向にある 。このようななかで，圧構造物の柱となるボックス柱やコラム，円形鋼管に用い延Ｈ形鋼にはより大形サイズの H 形鋼が求められており，られる厚鋼板は，加工熱処理（Thermo-mechanical control

JFE スチールではウェブ高さが 1 000 mm の大断面外法一定process : TMCP）を適用することにより製造されており，圧2)

延や加速冷却技術の発展H 形鋼（スーパーハイスレンド）を開発，製造している 。
他方，構造部材の高強度化による設計基準強度の増加は，

4)な厚鋼板が開発されているとともに，より高強度で高性能

5,6)。

H 形鋼の高強度化に対しても，TMCP は有効な技術であ板厚減少やサイズダウンによる鉄骨重量の削減など，経済る。しかし，熱間圧延プロセスによって複雑で多様なサイズ
2010 年 4 月 12 日受付の H 形鋼を造形するため，厚板とは異なる H 形鋼固有の− 30 −

TMCP（加工熱処理）を活用した靭性に優れる高強度 H 形鋼の開発

Reheating at 1 300°C for 1 h

TMCP を構築する必要がある。
本報告では，H 形鋼の製造技術に配慮した TMCP 技術について検討するとともに，その技術を適用した低降伏比
SM520 級外法一定 H 形鋼，− 40℃低温仕様の SM490Y 級 H形鋼の母材性能，溶接性および継手性能について紹介する。

2.

200 μm

H 形鋼における TMCP 技術
2.1(a) Conventional steel

H 形鋼圧延の特徴とオーステナイトの再結晶挙動

写真 3

大形 H 形鋼の圧延プロセスでは，孔型圧延やユニバーサ
ル圧延時の成形性を確保するために，厚板よりも高温の(b) TiN treated steel

1 300℃‐0.5 h 加熱後のγ粒組織：(a) 通常鋼 ,(b) TiN 処理鋼

Photo 3 γ grain structures after reheating at 1 300ºC for 0.5 h;(a) Conventional steel and (b) TiN treated steel

1 250℃以上で加熱されるので，素材の高温加熱にともない，Total reduction at 48%
Finish temperature at 1 070°C

オーステナイト（以下，γ）は急激に粗大化する（写真 1）。
また，熱間圧延工程では，厚板と比較してパス圧下率や累積圧下量は相対的に小さい。したがって，延靭性を確保する上で，粗大な初期γ粒を熱間圧延プロセスにより，十分に微細化させることが重要となる。
写 真 2 は，SiMn 鋼 と Nb 鋼 を 1 300℃で 0.5 h 加 熱 し，A200 μm(a) Conventional steel

B
写真 4(b) TiN treated steel

熱間圧延後のγ粒組織：(a) 通常鋼 , (b) TiN 処理鋼

Photo 4 γ grain structures after hot rolling; (a) Conventional
steel and (b) TiN treated steel

970℃以上の温度で 10％／パスの熱間圧延を最大７パス（累1 300°C-1 h

積圧下量 52％）行った後，水中へ焼入れしたものの光学顕C微鏡組織である。SiMn 鋼（Nb フリー）では微細な再結晶γが観察される。一方，Nb 鋼では，γの再結晶が抑制され1 100°Cたまま展伸したため，粗大扁平なγと微細なγが混在した組織となっている。この状態から加速冷却を行うと，粗大なベ200 μm

A BC

写真 1

加熱過程におけるγ粒成挙動イナイト組織となり，延靭性を害する。
γのいっそうの微細化には，素材を高温加熱する際に，高温で安定な微細析出物を鋼中へ分散させ，γ粒界をピンPhoto 1 γ grain growth behavior during reheating止めして微細化することが有効である。写真 3（b）は TiNを分散させた鋼を 1 300℃で 0.5 h 加熱した場合のγ粒組織でTotal reduction : 52%
Finish rolling temperature : 970°Cあり，通常鋼（写真 3（a））と比較して微細である。TiN を鋼中へ分散させることにより，熱間圧延を通していっそう微細なγ組織となっている（写真 4）。

2.2

H 形鋼に適した TMCP 技術

H 形鋼固有の製造技術を考慮した TMCP の模式図を，従来の制御圧延プロセス（Controlled rolling : 以下，CR）と比100 μm(a) Nb free steel

写真 2

較して図 1 に示す。初期γ粒の微細化と熱間圧延時の γ の再(b) Nb bearing steel 間圧延後の光学顕微鏡組織；(a)Nbフリー鋼 ,  (b)Nb
熱添加鋼

Photo 2 Optical microstructures after hot rolling; (a)Nb-freesteel and (b)Nb bearing steel

結晶を促進するために適切な成分設計を行う必要がある。特に，Nb は厚板 TMCP 鋼では有用な元素であるが，H 形鋼では添加量や圧延スケジュールに注意が必要である。熱間圧延では，粗大な初期γを十分に再結晶させるために，高温域で− 31 −JFE 技報 No. 26（2010 年 8 月）

TMCP（加工熱処理）を活用した靭性に優れる高強度 H 形鋼の開発の圧下量を確保し，その後，加速冷却を行うことによって，の CR 材は，0.15C-1.45Mn 鋼で Nb，V のマイクロアロイを高強度で延靭性に優れる H 形鋼を製造することができる。

含んでいる。一方，TMCP 材は 0.13％ C-1.55％ Mn 鋼で Nb

H 形鋼の製造プロセスを模擬した圧延を実験室にて行い，や V のマイクロアロイは無添加である。TMCP 材は熱間圧

従来の CR 材と TMCP 材の強度および靭性を調べた。従来

延後，γ域から水冷による加速冷却を行った。TMCP 材の
７)

ミクロ組織を CR 材と比較して写真 5 に示す 。CR 材はAbove 1 250°C

Above 1 250°C

フェライト＋パーライト組織であるが，TMCP 材は微細なHot rolling at γ
recrystallization region

ベイナイト組織を呈している。強度，靭性を図 2 に比較し７)て示す 。強度に関しては，CR 材と TMCP 材とで同等の水
Hot rolling at γ nonrecrystallization region

準であるが，TMCP 材は優れた靭性を有する。

950°C

3.

AC
AC: Air cooling(a) Conventional CR process

図1Fig. 1

TMCP を適用した高強度 H 形鋼
TMCP 技術を適用して高層建築物や大規模工場の梁材にAcC: Acceleratedcooling(b) Advanced TMCP
for H-shapes

適用される低降伏比の SM520 級広幅外法一定 H 形鋼（以下，SHH 形鋼）や低温靭性仕様の H 形鋼を工場で製造し，母材性能，溶接性および継手性能について調査した。

H 形鋼の TMCP（加工熱処理）技術の模式図

3.1

 chematic illustration of Thermo-mechanical control
S
pr ocess (TMCP) forH-shapes; (a)Conventional
controlled rolling (CR) process and (b)Advanced TMCP
for H-shapes

建築梁用低降伏比 SM520 級 SHH 形鋼

3. 1. 1 供試材
代表化学組成を表 1 に示す。素材は，汎用 490 MPa 級鋼と同等の炭素量および炭素当量である。1 250℃を超える温度で加熱後，高温での圧下率と圧延温度に配慮した熱間圧®

延を行い，形鋼加速冷却装置（Super-OLAC S）を用いて加速冷却を行った。製造した H 形鋼のサイズは，H900×400× 19 × 40 mm お よ び H1000 × 400 × 16×32 mm の 外 法
一定 H 形鋼である。

100 μm(a) CR steel

3. 1. 2 母材性能(b) TMCP steel

フランジ厚 40 mm の SHH 形鋼のフランジ 1/6 幅 -1/4 t 部

 R 材 (a) と TMCP( 加工熱処理）材 (b) のミクロ組織
Cの比較

Photo 5

Microstructures of controlled rolling (CR) steel andthermo-mechanical control process (TMCP) steel;(a) CR steel, (b)TMCP steel

Charpy fractureappearance transition
temperature, vTrs (°C)

写真 50Strength (MPa)

表1

供試材の代表化学組成

Table 1 Typical chemical composition of steel used(mass%)

Thickness : 40 mmt−50CSiMnPSOthers

Ceq

0.170.33

1.28

0.020

0.003

Ti0.40Ceq(%)=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14−100600

Tensile strength

500
Yield point
400300

図2のミクロ組織を写真 6 に示すように，微細なベイナイトを呈

CR steel

0.2% Yield strength

TMCP steel
100 μm

TMCP 材と CR 材の強度と靭性の比較

Fig. 2 S trength and toughness of thermo-mechanical control
process (TMCP) steel compared with conventional
controlled rolling (CR) steel
JFE 技報 No. 26（2010 年 8 月）

写真 6Photo 6− 32 −開発した H 形鋼のフランジのミクロ組織

Microstructure of developed H-shape(Flange portion)

TMCP（加工熱処理）を活用した靭性に優れる高強度 H 形鋼の開発

表2

YP or 0.2% YS(MPa)
355–(475)

PositionSpec.
H900×400×19×40

H1000×400×16×32

TS (MPa)YR (%)El (%)

520–640

(<80)

(>21)

F1/6409

553

74

31

Fillet44657378

29

W1/6402531

76

27

F1/6

40154374

32

Fillet41456673

30

W1/6442562

79

25tf(mm)

Size

Tensile test results of developed H-shapes

tw (mm)D(mm)Table 2開発 H形鋼の引張試験結果

W (mm)

Size : D×W×tw×tf

YP: Yield point   YS: Yield strength   TS: Tensile strength   YR: Yield ratio   El: Elongation
表3開発 H形鋼のシャルピー衝撃試験結果

Table 3 Charpy impact test results of developed H-shapes
SizePositionvE0 (J)

DimensionvTrs (°C)

F1/6
H900×400×19×40

L

Inner surface

237

−45

L

248

−42

Fillet

L208

−33

W1/6

L

214

−53

Outer surface

L232

−23

Inner surface

L232

−35

L187

−32

L

225

−68

F1/6
H1000×400×16×32

Outer surface

FilletW1/6

vE0: Charpy absorbed energy at 0°C  

tf(mm)>27tw (mm)

D(mm)

Spec.

W (mm)

Size : D×W×tw×tf

vTrs: Charpy fracture appearance transition temperature

している。引張試験結果を表 2 に，シャルピー衝撃試験結ショートビード溶接における溶接熱影響部の最高硬さ試

果を表 3 に示す。フランジ 1/6 幅部，フィレット部および験を JIS Z 3101 に準じて行った結果，溶接長さが 20 mm 以ウェブ部ともに，規格を満足する高強度が得られており，降上では溶接熱影響部の最高硬さは HV350 以下であり，建築伏比は 80％以下である。さらに，シャルピー吸収エネルギー施工基準 (JASS 6) を満足する良好な溶接性を有しているは 200 J 以上であり，良好な母材強度と靭性を有している。

（図 3）。

8)

3. 1. 4 多パス溶接継手特性

3. 1. 3 溶接性
CO2 溶 接 に よ り 予 熱 温 度 5 ℃， 湿 度 60 ％ の 環 境 でフランジ厚 40 mm の SHH 形鋼について CO2 溶接によりJIS Z 3158 に準拠した y 形溶接割れ試験を行った。溶接材料

多層盛溶接を行い，その継手性能を調べた。溶接材料にはは MG-56（1.2 mm φ）である。その結果を，表 4 に示す。

MG-56( 径 1.2 mmφ) を用い，予熱なし，最高パス間温度

予熱温度 5℃の環境において，溶接割れは認められず，優れ250℃以下の条件で 9 層 16 パスの溶接を行った。溶接入熱

表4Table 4ｙ形溶接割れ試験結果R esults of y-groove weld cracking test in accordancewith JIS Z 3158Welding
electrodeMG-56(1.2 mφ)

Humidity(%)

60

Pre-heat
Root
Cross
Surfacetemperaturesection section
(%)
(°C)
(%)
(%)
000500000000025000000Maximum Vickers hardness(HV98N)た溶接性を示した。
500: 40 mm Thickness: 20 mm Thickness

450400350300250200020406080 100
Bead length (mm)図3

開発鋼の最高硬さ試験結果

120140Fig. 3 Maximum hardness test results for developed H-shape− 33 −JFE 技報 No. 26（2010 年 8 月）

TMCP（加工熱処理）を活用した靭性に優れる高強度 H 形鋼の開発

Absorbed energy (J)300
200
Test temperature = 0°C

100

≥27J0

写真７

表5HAZ
1 mm

Heatinput
30 kJ/cm

HAZ
2 mm

図 4 継手シャルピー衝撃試験結果
Fig. 4 Charpy impact test results of gas metal arc welding(GMAW) joint

継手引張試験結果

Table 5 Tensile test results of CO2 welded joint

MG-56
1.2 mφFL

WM: Weld metal
FL: Fusion line
HAZ: Heat affected zone

Photo 7 Macro-structure of CO2 welded joint

Weldmaterial

WM

CO2溶接継手のマクロ組織

TS(MPa)Breakposition

形鋼の最大フランジ厚となる H900 × 400 × 19×40 mm を

552

Base metal

製造し，Nb や V，Ni などを添加している CR 型の H 形鋼

575

Base metal( フランジ厚 24 mm) と比較した。

TS : Tensile strength

3. 2. 2 母材性能７)CR 材と TMCP 材の強度，靭性を表 7 に示す 。TMCPは 3 kJ/mm である。継手マクロ写真を写真 7 に示す。溶接材はフランジが厚肉化しているにもかかわらず，SM490Y 級部には，融合不良や割れなどの有害な溶接欠陥は見られなの高強度が得られている。さらに，− 40℃におけるシャルか っ た。 継 手 引 張 試 験 結 果 を 表 5 に 示 す。 破 断 強 度 はピー吸収エネルギーは 200 J 以上あり，破面遷移温度 (vTrs)550 MPa 以上であり，母材部で破断していることから，十は− 50℃以下と優れた低温靭性を有している。

分な継手強度を有していることを確認した。

3. 2. 3 多パス溶接継手靭性

継手シャルピー衝撃試験結果を図 4 に示す。溶接金属

YGW-23 グレード ( ワイヤー径 1.2 mmφ) の溶接材料を（WM），溶接接合部 (FL) および溶接熱影響部 (HAZ) ともに用い，MAG 溶接 ( シールドガス : Ar-20％ CO2) により，7100 J 以上の良好なシャルピー吸収エネルギー値が得られて層 13 パスの溶接を行った。最大溶接入熱は 3 kJ/mm，パスいる。

3.2

表6

低温靭性に優れる H 形鋼

3. 2. 1

Table 6

Typical chemical compositions of steels used(mass%)

供試材CSiMn

CR type

0.15

0.35

1.450.015 0.005

Ni, Nb, VTMCP type

0.13

0.27

1.560.017 0.003

TiN treated

代表化学組成を表 6 に示す。溶接部も含めて低温靭性を®

9,10)満足するために，HAZ 高靱化技術（JFE EWEL ）を活用して成分設計を行った。TMCP プロセスを適用して，HPSOthers

CR: Controlled rolling
TMCP: Thermo-mechanical control process

形鋼最大サイズである H918 × 303 × 19 × 37 mm と SHH
表7

供試材の代表化学組成 (mass%)

CR材と TMCP材の強度，靭性El (%)

Temp.
(°C)

Absorbed
energy (J)vTrs (°C)

55127−20166−20411

536

29−40215<−50427538

28−40200−67Size

Controlled rolling(CR)

700×300×13×24

394

903×300×19×37
900×400×19×40

Thermo-mechanicalcontrol process(TMCP)

tw (mm)D(mm)YP,0.2% YS TS (MPa)(MPa)

Process

tf(mm)

Table 7 Mechanical properties of H-shapes

W (mm)YP: Yield point   YS: Yield strength TS: Tensile strength   El: ElongationvTrs: Charpy fracture appearance transition temperature
JFE 技報 No. 26（2010 年 8 月）

− 34 −

Size : D×W×tw×tf

TMCP（加工熱処理）を活用した靭性に優れる高強度 H 形鋼の開発

Absorbed energy (J)400

性と溶接性に優れる建築構造用の低降伏比 SM520 級 SHH

HAZ center形鋼 ( 最大フランジ厚 40 mm) を開発した。さらに，HAZ300®

組織制御技術（JFE EWEL ）を活用して，多パス溶接部の低温靭性に優れる SM490Y 級 H 形鋼を開発した。低降伏比

2000−60

SM520 級 SHH 形鋼は，すでに国内の高層建築物件に適用: 2 mm from surface: 3/4t100−40−200

されている。
20参考文献Absorbed energy (J)4003001) 稲田達夫，小川一郎．CAMP-ISIJ．2003，vol. 16，p. 340–343．

Fusion line

2) 河 村 有 秀， 山 本 晃 輝， 今 村 晴 幸． 川 崎 製 鉄 技 報．2001，vol. 33，
no. 3，p. 128–131.
3) たとえば．日本建築学会構造委員会鋼構造運営委員会．鉄骨の破断現
象はどこまで解明されたか．2000 年度日本建築学会大会（東北）構造200

部門．パネルディスカッション資料．

1000−604) 鹿内伸夫，三田尾眞司，遠藤茂．JFE 技報．2007，no. 18，p. 1–6.
5) 林謙次，藤沢清二，中川一郎．JFE 技報．2005，no. 5，p. 45–50.
6) 末石信行，荒川武和，大森章夫，松井篤美．JFE 技報．2008，no. 21，
p. 8–14.
7) 木村達己，鈴木伸一，鹿内伸夫，山本晃輝，有村鶴和．CAMP-ISIJ．
2007，vol. 20，no. 2，p. 362．
8) 建築工事標準仕様書 JASS(6) 鉄骨工事．日本建築学会．2007，130 p．
9) 鈴木伸一，一宮克行，秋田俊和．JFE 技報．2004，no. 5，p. 19–24.
10) 木村達己，角博幸，木谷靖．JFE 技報．2004，no. 5，p. 38–44.

: 2 mm from surface: 3/4t−40−20020

Temperature (°C)

図5

継手シャルピー衝撃試験結果

Fig. 5 Charpy impact test results of welded joint

間温度：350℃以下である。継手靭性を図 5 に示す。溶接接合部 (FL) および溶接熱影響部 (HAZ 中央 ) ともに− 40℃の低温においても 200 J 以上の高いシャルピー吸収エネルギー値が得られており，溶接部についても優れた低温靭性が確認された。

4.

おわりに形鋼の製造プロセスを考慮した TMCP を適用して，耐震− 35 −木村達己山本晃輝青木秀未

JFE 技報 No. 26（2010 年 8 月）