JP6135553B2 - 鉄筋およびその製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、鋼材中のC、Si、Mnの含有量を適正範囲に制御し、かつ、鋼材をオーステナイト域に加熱した後の冷却条件を制御することによって、鋼材の表面のフェライト脱炭相を0.12mm以上確保し、内部をフェライト・パーライト組織とするための熱処理方法が開示されている。しかしながら、フェライト脱炭相が0.12mm以上になると、強度確保が困難となる。また、内部の組織がフェライト・パーライト組織であり、高強度の鉄筋を得ることが困難である。
1.C:0.37質量%以上0.50質量%以下、
Si:1.75質量%以上2.30質量%以下、
Mn:0.2質量%以上1.0質量%以下、
Cr:0.01質量%以上0.05質量%以下、
P:0.025質量%以下、
S:0.025質量%以下、
Mo:0.05質量%以上1.0質量%以下および
O:0.0015質量%以下
を、下記(1)式で算出されるA値が770以上850以下、下記(2)式で算出されるB値が0.40以上であり、残部不可避的不純物およびFeの成分組成を有し、さらに、表面から少なくとも10μmの深さまでの領域のC含有量が0.01質量%以下の鋼からなり、該鋼が表層のフェライトと芯部のマルテンサイトとの2相組織を有し、全組織中のフェライトの分率が5%未満であり、引張強さが1600MPa以上である鉄筋。
記
A=α+β+γ ・・・(1)
ここで
α=−334×[C]2+806×[C]+291
β=24×[Si]2+67×[Si]
γ=-4×[Cr]2+23×[Cr]−5
B=[Si]/(10×[C])・・・(2)
但し、[ ]は該括弧内成分の含有量(質量%)
Al:0.01質量%以上0.50質量%以下、
Cu:0.005質量%以上1.0質量%以下および
Ni:0.005質量%以上2.0質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする前記1に記載の鉄筋。
W:0.001質量%以上2.0質量%以下、
Nb:0.001質量%以上0.1質量%以下、
Ti:0.001質量%以上0.2質量%以下および
V:0.002質量%以上0.5質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする前記1または2に記載の鉄筋。
B:0.0002質量%以上0.005質量%以下
を含有することを特徴とする前記1ないし3のいずれかに記載の鉄筋。
C:0.37質量%以上0.50質量%以下
Cは、必要な強度を確保するために必須の元素であり、0.37質量%未満では所定の強度確保が難しく、また所定強度を確保するためには、合金元素の多量添加が必要となって、合金コストの上昇を招くことから、0.37質量%以上とする。一方、0.50質量%超の添加は、鉄筋を高強度化するため、伸線性の低下を招く。以上のことから、C量は0.37質量%以上0.50質量%以下とする。好ましくは、0.37質量%以上0.49質量%以下である。
Siは、脱酸剤として、さらに固溶強化や焼戻し軟化抵抗を向上させることにより鋼の強度を高めるのに有効な元素である。さらに、フェライト脱炭促進元素であるため、本発明では、1.75質量%以上で添加する。一方、2.30質量%を超える添加は、鉄筋芯部の強度の上昇を招くため、伸線性が低下することになる。また、Siは、後述する鉄筋表層側のC量を0.01質量%以下とする熱処理において脱炭を促進するために、Si含有量が高すぎると、後述するようにフェライト相の組織分率を5%未満とするための制御が難しくなる。特に、Si含有量が2.30質量%超となると、表層にフェライト量を適正に存在させるための熱処理条件の制御範囲が狭くなり、引張強さの確保が難しくなる。以上のことから、Si量は1.75質量%以上2.30質量%以下とする。好ましくは、1.80質量%以上2.30質量%以下である。
Mnは、鋼の焼入れ性を向上させるため、0.2質量%以上添加する。しかし、1.0質量%を超えるMnの添加は、却って鋼の強度を上昇し、伸線性の低下をまねくことになる。よって、Mnの上限は1.0質量%とする。以上のことから、Mn量は、0.2質量%以上1.0質量%以下とする。好ましくは、0.32質量%以上1.0質量%以下である。
S:0.025質量%以下
PおよびSは、旧オーステナイト粒界に偏析し、その結果、伸線性の低下を招く。以上のことから、これらの元素はできるかぎり低減するのが好ましい。よって、PおよびSはいずれも0.025質量%以下とする。
Crは、鋼の焼入れ性を向上させ強度を増加させる元素である。そのため、0.01質量%以上は添加する。一方、Crを0.05質量%を超えて添加すると、後述する鉄筋表層のC量を0.01質量%以下とする熱処理において脱炭を抑制する、すなわち、表層のC量の低下を抑制するため、表層のC含有量を0.01質量%以下にまで低下させることが難しくなり、遅れ破壊感受性が上昇することにつながる。以上のことから、Cr量は0.01質量%以上0.05質量%以下とする。
Moは、鋼の焼入れ性を向上させ強度を増加させる元素である。そのため、0.05質量%以上は添加する。一方、1.0質量%を超えての添加は、却って鋼を高強度化するため、伸線性の低下を招く。以上のことから、Mo量は0.05質量%以上1.0質量%以下とする。好ましくは、0.05質量%以上0.95質量%以下である。
Oは、SiやAlと結合し、硬質な酸化物系非金属介在物を形成し、それを起点として引き抜き時に断線が生じ易くなる可能性があるため、可能な限り低い方が良いが、本発明では、0.0015質量%までは許容される。
Al:0.01質量%以上0.50質量%以下、Cu:0.005質量%以上1.0質量%以下およびNi:0.005質量%以上2.0質量%以下のうちの1種または2種以上
すなわち、CuおよびNiは、焼入れ性や焼戻し後の強度を高める元素であり、選択して添加することができる。このような効果を得るためには、CuおよびNiは0.005質量%以上で添加することが好ましい。しかし、Cuは1.0質量%およびNiは2.0質量%を超えて添加すると、却って合金コストが上昇するため、Cuは1.0質量%およびNiは2.0質量%を上限として添加するのが好ましい。
W、Nb、TiおよびVは、いずれも焼入れ性や焼戻し後の鋼の強度を高める元素であり、必要とする強度に応じて選択して添加することができる。このような効果を得るためには、W、NbおよびTiは、それぞれ0.001質量%以上、Vは0.002質量%以上添加することが好ましい。しかし、Vは0.5質量%、Nbは0.1質量%およびTiは0.2質量%を超えて添加すると、鋼中に硬質な炭化物・窒化物・炭窒化物が多量に生成し、伸線性が低下する。従って、Nb、TiおよびVは、それぞれ上記の値を上限として添加するのが好ましい。また、Wは2.0質量%を超えて添加すると、高強度化するため伸線性が低下する。よって、Wは、2.0質量%を上限として添加するのが好ましい。
Bは、焼入れ性の増大により焼戻し後の鋼の強度を高める元素であり、必要に応じて含有することができる。上記効果を得るためには、0.0002質量%以上で添加するのが好ましい。しかし、0.005質量%を超えて添加すると、旧オーステナイト粒界にBNが析出しやすくなり、却って伸線性が低下する。よって、Bは0.0002〜0.005質量%の範囲で添加することが好ましい。
次の(1)式で算出されるA値は、良好な強度を得るための指数である。このA値が770未満であると、鉄筋の強度確保が困難となる。一方、A値が850超えになると、良好な強度を得ることはできるが、鉄筋の強度が上昇し、伸線性が低下する。そのため、本発明では、A値を770以上850以下とする。
A=α+β+γ ・・・(1)
ここで
α=−334×[C]2+806×[C]+291
β=24×[Si]2+67×[Si]
γ=-4×[Cr]2+23×[Cr]−5
但し、[ ]は該括弧内成分の含有量(質量%)
次の(2)式で算出されるB値は、表層のC量を制御するための指数である。このB値が0.40未満であると、後述するようにC量が0.01質量%以下となる領域を少なくとも10μm以上確保するための熱処理が長時間化し、生産性の低下を招く。また、伸線性が低下する。以上のことから、B値は0.40以上とする。
B=[Si]/(10×[C])・・・(2)
但し、[ ]は該括弧内成分の含有量(質量%)
すなわち、表1に示す成分組成を有する鋼を溶製鋳造してビレットとしたのち、大気雰囲気中で表2に示す加熱温度で加熱し、熱間圧延により直径8mmの線材を製造した。加熱の際、850℃以上の温度域の在炉時間を表2に示すとおりとした。その後、直径6.0mmに引き抜き加工を行い、850℃以上の温度域の在炉時間が30秒となるように1000℃に加熱後、水冷し、350℃加熱後、水冷した。得られた線材に対して、後述する方法で、引張試験および遅れ破壊試験を行うとともに、拡散性水素量を測定した。さらに、得られた線材に対して、長さが5mmのサンプルを採取し、圧延方向に垂直な面(直径6.0mmの面)の表層のC含有量測定および組織観察を、後述した条件で行った。
[表面から少なくとも10μmの深さまでの領域のC含有量:0.01質量%以下]
鉄筋の表面から少なくとも10μmの深さまでの領域(以下、低C領域ともいう)のC含有量が0.01質量%を超えると、固溶C量の増加、さらにはベイナイト組織および/またはマルテンサイト組織の生成により、遅れ破壊感受性が高くなる。また、この低C領域のC含有量が0.01質量%を超えると、鉄筋表面の腐食に伴って発生する水素量が増加し、遅れ破壊の原因となる水素の鉄筋中への侵入量も増加する。
なお、低C領域のC含有量は、完全にC含有量を0質量%にはできないため、0.001質量%以上とすることが好ましい。
鋼は、表層のフェライトと、その内側の芯部となるマルテンサイトとの2相組織とする。マルテンサイト相は、鋼を高強度化する上では有用であるが、鉄筋の表層をマルテンサイト組織とすると遅れ破壊感受性が増大し、耐遅れ破壊特性が低下する。そこで、鉄筋の表層を遅れ破壊感受性の小さいフェライト単相組織とし、芯部すなわち表層以外は強度を確保するためのマルテンサイト単相組織とすることが肝要である。一方、全組織中のフェライトの分率が5%以上となると、マルテンサイトよりも強度が小さいフェライトの分率が大きくなって所望の強度を確保することが難しくなるために、フェライトの分率は5%未満とする。
以上のことから、鋼組織は、表層のフェライトと芯部のマルテンサイトとからなり、全組織中のフェライトの分率が5%未満である2相組織とした。
鉄筋の引張強さが1600MPa未満では、鉄筋がコンクリートの高強度化に対応できないため、1600MPa以上とした。好ましくは、1650MPa以上である。
以上の理由から、脱炭雰囲気中での加熱・保持は、850℃以上1050℃以下の温度域に100分以上300分以下保持する条件とすればよい。
伸線性は、上述した直径8mmの線材を6.0mmに引抜加工を行い、断線の有無により評価した。断線回数は20m引抜加工時に断線した回数を示しており、断線が1回でも発生した場合に伸線性が低下したと判断した。
高強度鉄筋としての引張特性は、JIS Z 2241 附属書Dに従い試験を実施した。試験片は、焼入れ・焼戻し処理後の線材から、JIS Z 2241 附属書D D.2.3.1.2に従い採取を行い、引張速度5mm/分にて試験を実施した。本発明では、引張強さが1600MPa以上であれば高強度鉄筋が得られたと定義した。
表層のC含有量は、上述した引張試験での試験片を用いて、電子線マイクロアナライザ(以下、EPMAと示す)を利用して求めた。EPMAの測定条件は、ビーム径:5μmφ、加速電圧:20kV、電流:4×10−7Aにて、表層から深さ1mmまで線分析を実施し、表面からの深さ毎(5μmピッチ)にC量を測定した。そしてC含有量が0.01質量%以下となる領域の表面からの深さの値を求めた。
高強度鉄筋としての遅れ破壊特性を調べるために、図1に示す試験片を使用して、FIP試験を実施した。FIP試験はJSCE S 1201:2012(社団法人 腐食防食協会)に従い試験を実施した。すなわち、50℃の20%チオシアン酸アンモニウム(NH4SCN)水溶液中に浸漬して、引張強さの70%となる試験荷重を負荷し、試験時間100時間経過しても破断しない場合、遅れ破壊特性が良好と定義した。
拡散性水素量は上述したFIP試験で破断または試験満了した後、破断した試験片は破面から、未破断の試験片は平行部から10mm長さのサンプルを切断して、株式会社ジェイ・サイエンス・ラボ製 GC7000Tで昇温速度200℃/時間で昇温を行い、350℃までに放出された水素量を拡散性水素量と定義し、拡散性水素量が3.0mass ppm以下であれば遅れ破壊特性が良好と定義した。
組織の調査は、上述したC濃度を測定した試験片を用いて、鏡面研磨後、3%ナイタルで腐食を行い、光学顕微鏡500倍で観察を行い、試験片断面におけるフェライト組織とマルテンサイト組織の面積をそれぞれ求め、フェライト組織/(鉄筋の断面積(=フェライト面積+マルテンサイト面積))×100(%)を求めることで、フェライト分率を求めた。
Claims (5)
- C:0.37質量%以上0.50質量%以下、
Si:1.75質量%以上2.30質量%以下、
Mn:0.20質量%以上1.0質量%以下、
Cr:0.01質量%以上0.05質量%以下、
P:0.025質量%以下、
S:0.025質量%以下、
Mo:0.05質量%以上0.95質量%以下および
O:0.0015質量%以下
を、下記(1)式で算出されるA値が770以上850以下、下記(2)式で算出されるB値が0.40以上であり、残部不可避的不純物およびFeの成分組成を有し、さらに、表面から少なくとも10μmの深さまでの領域のC含有量が0.01質量%以下の鋼からなり、該鋼が表層のフェライトと芯部のマルテンサイトとの2相組織を有し、全組織中のフェライトの分率が5%未満であり、引張強さが1600MPa以上である鉄筋。
記
A=α+β+γ ・・・(1)
ここで
α=−334×[C]2+806×[C]+291
β=24×[Si]2+67×[Si]
γ=-4×[Cr]2+23×[Cr]−5
B=[Si]/(10×[C])・・・(2)
但し、[ ]は該括弧内成分の含有量(質量%) - 前記成分組成が、さらに、
Al:0.01質量%以上0.50質量%以下、
Cu:0.005質量%以上1.0質量%以下および
Ni:0.005質量%以上2.0質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の鉄筋。 - 前記成分組成は、さらに、
W:0.001質量%以上2.0質量%以下、
Nb:0.001質量%以上0.1質量%以下、
Ti:0.001質量%以上0.2質量%以下および
V:0.002質量%以上0.5質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の鉄筋。 - 前記成分組成は、さらに、
B:0.0002質量%以上0.005質量%以下
を含有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の鉄筋。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の成分組成からなる鋼片を、脱炭雰囲気中で850℃以上1050℃以下の温度域に100分以上300分以下加熱後、熱間圧延し、その後、酸洗、伸線加工、焼き入れおよび焼き戻しの各処理を施すことを特徴とする、表面から少なくとも10μmの深さまでの領域のC含有量が0.01質量%以下の鋼からなり、該鋼が表層のフェライトと芯部のマルテンサイトとの2相組織を有し、全組織中のフェライトの分率が5%未満であり、引張強さが1600MPa以上である鉄筋の製造方法。
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