耐火用鋼材及其製造方法

2023-05-26 03:13:31

專利名稱：：耐火用鋼材及其製造方法
技術領域：
：本發明涉及建築物的結構部件等所用的耐火用鋼材及其製造方法。
背景技術：
：從建築物的超高層化、建築設計技術的高級化等方面出發，根據日本建設省綜合計劃進行了耐火設計的重新研究，並在昭和62年3月制定了"新耐火設計法"。根據該規定，解除了為使火災時鋼材的溫度在35(TC以下而要求耐火包覆的舊法令的限制，可通過兼顧耐火用鋼材的高溫強度和建築物的實際載荷地來確定適合其的耐火包覆方法。即，在能夠確保60(TC時的設計高溫強度的情況下，能夠削減與之相應的耐火包覆。對應於這種動向，本申請人先前在特開平2-77523號公報中，提出了耐火性優異的建築用低屈服比鋼及鋼材及其製造方法。該在先發明的宗旨是，通過添加Mo、Nb來提高高溫強度，以使得60(TC時的屈服點達到常溫時的70%以上。將鋼材的設計高溫強度設定在60(TC是基於從兼顧合金元素帶來的鋼材費用的上漲和其所需的耐火包覆施工費方面考慮最經濟的認識來進行的。該開發的H型鋼的特徵在於，通過低碳化和添加微量的Nb、B和Cu，生成低碳貝氏體組織，60(TC時的屈服強度達到293MPa以上的高溫高強度化，是耐火590MPa級規格的常溫屈服強度440MPa的2/3。(屈服強度在屈服點明確時是指屈服點，在屈服點不明確時是指0.2%屈服強度。)此外，除了同樣的目的以外，還為了改進H型鋼的圓角部等地方的脆性，在特開平9-137218號公報中公開了通過添加Mo、Cu、Ni來減小了材質波動的建築結構用H型鋼。另外，在特開平10-072620號公報中公開了材質的波動小、焊接性優異的H型鋼的製造方法。
發明內容本發明人等試驗了將通過上述在先申請技術製造的鋼材用作各種型鋼、尤其是因形狀複雜而在嚴格的軋製造形方面受到制約的H型鋼的原材料。結果，從在腹板、翼緣、圓角各部位的精軋溫度、壓下率、冷卻速度的差別發現，根據鋼材的部位，組織尤其貝氏體比例明顯不同，常溫和高溫強度、延展性、韌性波動，產生不能滿足焊接結構用軋制鋼材(JISG3106)等標準的部位。此外，根據上述專利文獻2及專利文獻3製造的鋼材，因Cu造成的高溫裂紋而產生表面缺陷，或耐火性能劣化。本發明是鑑於上述情況而完成的，其目的在於提供一種材質的波動更小、即使在600'C時也能顯示出在常溫時的60%以上的屈服強度的耐火性優異的耐火用鋼材及其製造方法。為此，本發明人等進行了研究，結果發現，尤其是Cu的添加，對於提高60CTC時的屈服強度是有效的，因為在常溫下固溶的Cu在高溫時在鋼材組織中析出。但另一方面可知，如果為了抑制伴隨Cu添加而產生的高溫裂紋而添加的Ni過多，則在高溫時Qi難析出，不能充分達到利用Cu析出來提高屈服強度的目的。然後，進一步進行了深入的調查研究，結果發現，通過以質量％計含有0.72.0%的01，並且還含有Ni以使得Ni/Cu的質量比為0.60.9，即能夠平衡性良好地享有抑制伴隨Cn添加所發生的高溫裂紋和利用Cu析出來提高屈服強度。本發明提供一種耐火用鋼材，其特徵在於以質量％計含有C-0.010.03%、Mn:0.21.7%、Si:0.5%以下、Cu:0.72%、Mo:0.8%以下、Nb:0.010.3%、Ti:0.005O.O3%、N:0.006%以下、B:0細30.003%、V:0.2%以下、Cr:1%以下、Al:0.1%以下、P:0.03%以下、S:0.02°/。以下，並且含有以質量比計Ni/Cu為0.60.9的Ni，餘量由Fe及不可避免雜質構成，在60(TC時的屈服強度是在2rC時的屈服強度的60%以上。另夕卜，屈服強度在屈服點明確時是指屈服點，在屈服點不明確時是指0.2%屈服強度。該耐火用鋼材也可以以質量。/。計還含有Ca:0.00050.005%、Mg:0.00050.01%、REM:0.00050.01%中的任何一種或2種以上，餘量由Fe及不可避免雜質構成。此外，該耐火用鋼材例如是型鋼。此外，本發明提供一種耐火用鋼材的製造方法，其特徵在於在將鑄坯加熱到120(TC135(TC的溫度區域後開始軋制，在軋制結束後以平均為0.1°C/s以上的冷卻速度冷卻800。C50(TC的溫度範圍，其中所述鑄坯以質量％計含有C:0.010.03°/。、Mn:0.21.7%、Si:0.5%以下、Cu:0.72%、Mo:0.8%以下、Nb:0,010.3%、Ti:0.0050.03%、N:0.006%以下、B:0.00030.003%、V:0.2%以下、Cr:1%以下、Al:0.1%以下、P:0.03%以下、S:0.02%以下，並且含有以質量比計Ni/Cu為0.60.9的Ni，餘量由Fe及不可避免雜質構成。該製造方法也可以在將以質量°/。計還含有Ca:0.00050.005%、Mg:0.00050.01%、REM:0.00050.01%，餘量由Fe及不可避免雜質構成的鑄坯加熱到120(rC135(TC的溫度區域後開始軋制，在軋制結束後以平均為0.1°C/s以上的冷卻速度冷卻800。C50(TC的溫度範圍。此外，該耐火用鋼材的製造方法也可以是例如通過軋制來製造型鋼。根據本發明，能夠得到常溫下生成了Cu過飽和的低碳貝氏體組織的高強度的耐火用鋼材。如果將本發明的耐火用鋼材加熱到60(TC，則通過Cu析出可得到高溫強度。圖1是本發明的實施例中所用的軋制裝置的說明圖。圖2是表示機械試驗片的採取位置的H型鋼的剖視圖。圖3是示意地表示本發明的Ni/Cu比和在60(TC時的屈服強度(高溫PS)與在21"時的屈服強度(常溫YP)之比的範圍的圖表。具體實施例方式以下，詳細說明本發明。對於鋼材的高溫強度而言，在鋼熔點的大致1/2的溫度的700°C以下，與常溫時的強化機理大致相同，由下述的14方面等來控制1.鐵素體晶粒粒徑的微細化；2.由合金元素產生的固溶體強化；3.由硬化相產生的分散強化；4.由微細析出物產生的析出強化。一般來說，高溫強度的上升可通過添加Mo、Cr而提高析出強化和通過抑制位錯的消失而提高高溫時的軟化阻力來實現。但是，在碳含量超過0.03%的低碳貝氏體成分系鋼中，生成島狀馬氏體，低溫韌性顯著降低，產生不能滿足標準的部位。因此，在本發明中，通過形成碳含量在0.03%以下的極低碳貝氏體成分系鋼來謀求由抑制島狀馬氏體的生成而產生高韌性化，此外，通過利用複合添加Nb和B產生的淬透性提高的效果，使其穩定地發生貝氏體相變，在常溫下使Cu最大限度地固溶在a中，在60(TC時最大限度地發揮Cu的析出強化作用，實現了目標的常溫強度、高溫強度和高韌性。此處，在低碳鋼中，由於不能期待以往的耐火鋼使用的碳化鉬及碳化釩所產生的析出強化，所以採用了作為金屬析出元素的Cu。下面，說明本發明中的各成分範圍和軋制條件的限定理由。另外，各成分範圍用質量％表示。C:C是為強化鋼而添加的元素，如果低於0.01%，則得不到作為結構用鋼所需的強度。此外，超過0.03%的過剩添加會在貝氏體板條間生成島狀馬氏體，使母材韌性顯著下降，所以將下限定為0.01%，上限定為0.03%。Mn:Mn為確保母材的強度、韌性而需要添加0.2%以上，但按焊接部的韌性、裂紋性等可容許的範圍，將上限定為1.7%。Si:Si是對確保母材的強度、將鋼水預脫氧等所必需的元素，但如果超過0.5%，會在焊接熱影響部的組織內生成硬化組織的高碳島狀馬氏體，降低焊接接頭部分的韌性，所以將Si含量的上限限定在0.5n/。以下。另外，Si也可以不一定含有。Mo:Mo是確保母材強度及高溫強度的有效元素，但如果超過0.8%，由於淬透性過於升高，母材及焊接熱影響部的韌性劣化，因此將其限制在0.8%以下。另外，Mo也可以不一定含有。Cll:Cll用於降低相變點，增加常溫強度。另外，在貝氏體相變中不析出的處於過飽和的Cu在常溫下固溶於組織中，在作為耐火鋼的使用溫度60(TC加熱時，在通過貝氏體相變而導入的位錯上析出Cu相，通過該析出硬化使母材的屈服強度增加。但是，Cu相在該a中的析出在低於0.7%時，在a中的Cu固溶限內，不產生析出，因此得不到所述的強化。此外，如果超過2%，由於除了其析出強化飽和以外，還降低韌性，所以將Cu限制在0.72。/。。Nb:Nb通過形成Nb碳氮化物來固定C、N，對促進鐵素體的晶核生長的硼碳氮化物、硼化合物的形成進行抑制，保持為固溶了B的狀態。此外，由於固溶Nb通過牽制效應來減緩鐵素體的晶粒生長，因此即使在比較慢的冷卻速度下，也將未相變的Y保持到貝氏體相變點，有助於穩定地產生貝氏體。因此，將其設定為0.01%以上。另外，固溶Nb通過牽制效應，在高溫下成為位錯移動的障礙，也有助於確保高溫強度。因此，為提高高溫強度，優選添加0.05%以上。但是，如果超過0.3%，由於其效果飽和，所以從經濟性方面考慮將其限制在0.3%以下。N:N由於生成氮化硼，有助於鐵素體的生成，所以將N含量限制在0.006%以下。Al:Al是為鋼水脫氧及作為A1N的形式固定N而添加的元素，如果超過0.1%，由於生成氧化鋁，導致疲勞強度下降，所以將其設定為0.1%以下。另夕卜，Al也可以不一定含有。Ti:Ti是為通過析出TiN所產生的固溶N的減少、和Y細粒化來抑制BN的析出，增加固溶B量，提高B的淬透性提高效果而添加的元素。由此可提高常溫和高溫強度。因此，在低於0.005%時，TiN的析出量不足，不能發揮上述效果，因而將Ti量的下限值設定為0.005%。但是，如果超過0.03%，則過剩的Ti析出TiC，因該析出硬化使母材及焊接熱影響部的韌性劣化，因此將其限定在0.03%以下。B-B通過微量添加就可提高淬透性，有助於提高強度。但是，在低於0.0003%時其效果不足，而如果超過0.003%，則生成鐵硼化合物，降低淬透性。因此，將B含量限定在0.00030.003。/。。Ni:Ni為了防止伴隨添加Cu而在軋制時產生的高溫裂紋缺陷，需要含有按Ni/Cu比計為0.6以上的Ni。另一方面，Ni由於使Cu的固溶限上升，使Cu析出量減少，所以為了確保高溫強度，規定含有按Ni/Cu比計為0.9以下的Ni。Cr:Cr通過提高淬透性，對母材的強化有效的。但是，由於從韌性及硬化性的方面考慮，超過1%的過剩添加有害，所以將上限規定為1%。另外，Cr也可以不一定含有。V-V通過微量添加可使軋制組織微細化，並通過析出釩碳氮化物來強化，因而能夠低合金化，可提高焊接特性。但是，由於V的過剩的添加導致焊接部的硬化、或母材的高屈服點化，所以將V含量的上限規定為0.2%。另外，V也可以不一定含有。Mg:Mg優選是為了通過氧化物的微細化及硫化物的形成來將夾雜物微細分散而添加的。將Mg量限定在0.00050.0ie/o是因為Mg是強力的脫氧元素，結晶出來的氧化鎂容易在鋼水中上浮分離，所以超過0.01%的添加並不被利用，因此將其上限規定為0.01%。另夕卜，添加Mg時使用的鎂合金例如有Si-Mg及Ni-Mg。採用鎂合金的理由是，因為通過合金化可降低Mg的濃度，抑制氧化鎂生成時的反應，由此可確保添加時的安全性，並提高Mg的利用率。Ca、REM:Ca、REM優選為控制硫化物、氧化物的形狀而添加。將Ca限制在0細50.005%、將REM限制在0.00050.01%是因為:如果在下限值以下，由這些元素形成的硫化物、氧化物的生成不充分，如果在上限值以上，氧化物粗大化，導致韌性及延展性下降，所以將它們限制在上述範圍。對於作為不可避免的雜質含有的P、s的量並不特別限定，但由於產生由凝固偏析造成的焊接裂紋及韌性下降，因此應儘量將它們的量降低，優選P量在0.03。/。以下，S量在0.02。/。以下。將具有上述組成的鑄坯加熱以使得表面溫度達到1200135(TC的溫度區域。將加熱溫度限定在該溫度區域是因為為了在通過熱加工製造型鋼時易於塑性變形而需要120(TC以上的加熱，並且需要使V、Nb等元素充分固溶，因此將加熱溫度的下限規定為120(TC。從加熱爐的性能、經濟性方面考慮將其上限規定為135(TC。此外，在是超過40mm的極厚型鋼的情況下，如果軋制結束後的冷卻速度過慢，則在組織中大量地生成ct組織，在冷卻時Cu在a中析出，從而常溫下的固溶Cu量減少。在此種情況下，伴隨著a組織的生成，貝氏體比例降低，但通常析出強化越提高屈服點，越是不能提高抗拉強度，所以隨著屈服比(YR)的升高，與之相應地耐震性降低。此外，如果常溫時的固溶Cu量減小，則不能期待在60(TC加熱時利用Cu相的析出強化來增加屈服強度。這樣一來，在6ocrc時的屈服強度低於在2rc時的60%。因此，為了在冷卻時確保充分的貝氏體組織，使固溶Cu量儘量增加，因而將80050o'c的溫度範圍的平均冷卻速度規定為o.rc/s以上。如此製造的本發明的耐火用鋼材通過採用添加微量Nb、B和添加大量Cu的合金設計，在貝氏體相變中Cu幾乎不析出，處於過飽和狀態，另一方面，在將其加熱到60(TC時，常溫下固溶的Cu在鋼材組織中析出，可提高60(TC時的屈服強度。這樣一來，本發明的耐火用鋼材就具有優異的耐火性能，即使在60(TC也能顯示出常溫時的60%以上的屈服強度。本發明的耐火用鋼材可作為適合用於建築物的結構部件等的H型鋼、工字鋼、角鋼、槽鋼、不等邊不等厚角鋼等各種型鋼、厚鋼板等鋼板等而具體實施。例如，在按上述條件來製造H型鋼作為本發明的耐火用鋼材的一例子時，通過具有常溫下被微細化的低碳貝氏體組織，可在腹板、翼緣、圓角各部位顯示出均勻的機械特性，即使在H型鋼中最難保證機械試驗特性的翼緣板厚1/2的部位、寬1/2的部位，也具有足夠的強度、韌性。此外，在60(TC的加熱時，由於顯示出由Cu的析出強化產生的優異的耐火性能，因此成為耐火性及韌性優異的高強度耐火軋制H型鋼。由於此種H型鋼高溫特性優異，所以在用於建築用的耐火材料時，能夠用以往的包覆厚度的2050%達到充分的耐火目的。這樣，可通過軋制來製造具有優異的耐火性及韌性的型鋼，通過降低施工成本、縮短工期而能夠謀求大幅度降低成本，能夠實現提高大型建築物的可靠性、確保安全性、提高經濟性等。實施例以下，通過實施例進一步地說明本發明的效果。用轉爐熔煉原料，在添加合金後，添加Ti、B，通過連鑄鑄造成240300mm厚的鑄坯。鑄坯的冷卻是通過選擇模具下方的二次冷卻區的水量和鑄坯的拉拔速度來控制。表1示出了實施例中所用的各鋼種的化學成分值。鋼種117是在本發明的範圍內，鋼種1838是在本發明的範圍以外的比較鋼。表1tableseeoriginaldocumentpage12將表1所示的各鋼種的鑄坯加熱到130(TC，在圖1所示的萬能軋制裝置列中，使從加熱爐1出來的被軋制材5(鑄坯)依次通過粗軋機2、中軋機3、精軋機4，如圖2所示，軋製成由腹板6和一對翼緣7構成的具有H型截面形狀的H型鋼(H458X417X30X50)。另外，使軋制加熱溫度與130(TC—致是因為，眾所周知，一般來說加熱溫度的下降可使Y晶粒細粒化，可提高機械特性，由此推定高溫加熱條件表示機械特性的最低值，可以判定此值可代表此溫度以下的加熱溫度下的特性。對於如此製造的各H型鋼的各自個體，在翼緣7的板厚t2的中心部(l/2t2)、且翼緣寬總長(B)的l/2寬(1/2B)的位置，採集試驗片，研究了機械特性。另外，研究此處的特性是因為，據認為翼緣1/2B部是在H型鋼中機械特性最低的，通過此處可得知各H型鋼的機械試驗特性。在表2中，作為從各鋼種製造的H型鋼的機械試驗特性，分別示出60(TC時的0.2%屈服強度(600°CPS(MPa))、常溫(21°C)時的屈服強度(屈服點應力YP(MPa))和抗拉強度(TS(MPa))、60(TC時的0.2%屈服強度(600°CPS)和常溫(21°C)時的屈服強度(屈服點應力YP)之比(600°CPS/YP比(％))、屈服比(YR)、衝擊值(vE(TC(J))、脆性斷面收縮率(％)。另外，作為各機械試驗特性的合格標準，要求常溫(21。C)時的抗拉強度TS為590MPa以上、屈服強度(YP)為440MPa以上的高強度，而且，600。C時的0.2。/。屈服強度是作為常溫(21°C)時的屈服強度的最低標準的440MPa的2/3(293MPa)以上，並且在600°C時的屈服強度是在21°C時的屈服強度的60%以上，屈服比YR在80%以下，衝擊值vE(TC在70J以上，脆性斷面收縮率在50%以下。只要是該合格標準，就能超過建築學會標準，可判斷為適合作為耐火用鋼材。表2tableseeoriginaldocumentpage14用處於本發明範圍內的鋼種117製造的各H型鋼都超過上述合格標準。而本發明範圍外的鋼種1838(比較鋼)的一部分不能超過上述合格標準。尤其是，Ni/Cu比超過0.9的鋼種27、28，在60CTC時的屈服強度未達到在2rC時的屈服強度的60%。此外，Ni/Cu比低於0.6的鋼種25、26在軋制時產生高溫裂紋缺陷。此處，將根據Ni/Cu比的範圍(在本發明中為0.60.9)、600°C時的屈服強度(高溫PS)和21'C時的屈服強度(常溫YP)之比(在本發明中為60%以上)來確定的本發明的範圍(最佳範圍)示於圖3中。另外，圖3中記入了本發明範圍以外的鋼種27、28及鋼種25、26。在表3中針對表1的鋼種2示出了使軋制結束後800500°C的溫度範圍的平均冷卻速度變化時的機械試驗特性。軋制結束後80050(TC的溫度範圍的平均冷卻速度在0.1°C/s以上的試驗片13都超過上述合格標準。而軋制結束後800500'C的溫度範圍的平均冷卻速度低於0.rC/s的比較例的試驗片4，由於冷卻速度過低，在貝氏體相變以前大量地生成了a組織，因此屈服比下降，未滿足合格標準。表3tableseeoriginaldocumentpage15本發明範圍內的各H型鋼是即使在最難保證軋制型鋼的機械試驗特性的翼緣板厚1/2、寬1/2的部位，也具有足夠的常溫和高溫強度、且耐火性及韌性優異的型鋼。另外，雖然在實施例中針對H型鋼進行了驗證，但以本發明為對象的軋制鋼材不局限於上述實施例的H型鋼，當然也能夠用於工字鋼、角鋼、槽鋼、不等邊不等厚角鋼等各種型鋼、厚鋼板等鋼板等。本發明例如可用於建築物的結構部件等所用的耐火用鋼材等。權利要求1.一種耐火用鋼材，其特徵在於以質量％計含有C0.01～0.03％、Mn0.2～1.7％、Si0.5％以下、Cu0.7～2％、Mo0.8％以下、Nb0.01～0.3％、Ti0.005～0.03％、N0.006％以下、B0.0003～0.003％、V0.2％以下、Cr1％以下、Al0.1％以下、P0.03％以下、S0.02％以下，並且含有以質量比計Ni/Cu為0.6～0.9的Ni，餘量由Fe及不可避免雜質構成，在600℃時的屈服強度是在21℃時的屈服強度的60％以上。2.如權利要求1所述的耐火用鋼材，其特徵在於以質量％計還含有Ca:0.00050.005%、Mg:0.00050.01%、REM:0.00050.01%中的任何一種或2種以上，餘量由Fe及不可避免雜質構成。3.如權利要求1或2所述的耐火用鋼材，其特徵在於所述鋼材是型鋼。4.一種耐火用鋼材的製造方法，其特徵在於在將鑄坯加熱到120(TC135(TC的溫度區域後開始軋制，軋制結束後以平均為0.1°C/s以上的冷卻速度冷卻800'C50(TC的溫度範圍，其中所述鑄坯以質量％計含有C:0.010.03%、Mn:0,21.7°/。、Si:0.5%以下、Cu:0.72%、Mo:0.8%以下、Nb:0.010.3%、Ti:0.0050.03%、N:0.006%以下、B:0.00030.003%、V:0.2%以下、Cr:1%以下、Al:0.1%以下、P:0.03%以下、S:0.02%以下，並且含有以質量比計Ni/Cu為0.60.9的Ni，餘量由Fe及不可避免雜質構成。5.如權利要求4所述的耐火用鋼材的製造方法，其特徵在於-在將鑄坯加熱到120(TC135(TC的溫度區域後開始軋制，軋制結束後以平均為O.rC/s以上的冷卻速度冷卻800"C50(TC的溫度範圍，其中所述鑄坯以質量Q/。計還含有Ca:0.00050.005%、Mg:0.00050.01%、REM:0.00050.01%，餘量由Fe及不可避免雜質構成。6.如權利要求4或5所述的耐火用鋼材的製造方法，其特徵在於通過軋制來製造型鋼。全文摘要本發明提供一種材質的波動更小、即使在600℃時也能顯示出常溫時的2/3以上的屈服強度的耐火性優異的耐火用鋼材及其製造方法。該耐火用鋼材的特徵在於以質量％計含有C0.01～0.03％、Mn0.2～1.7％、Si0.5％以下、Cu0.7～2％、Mo0.8％以下、Nb0.01～0.3％、Ti0.005～0.03％、N0.006％以下、B0.0003～0.003％、V0.2％以下、Cr1％以下、Al0.1％以下、P0.03％以下、S0.02％以下，並且含有以質量比計Ni/Cu為0.6～0.9的Ni，餘量由Fe及不可避免雜質構成，在600℃時的屈服強度是在21℃時的屈服強度的60％以上。文檔編號C22C38/00GK101171354SQ20068001518公開日2008年4月30日申請日期2006年4月28日優先權日2005年5月2日發明者北裕司,吉田卓,奧村晃央,山本廣一,杉山博一申請人:新日本制鐵株式會社