CN117500619A - 方形钢管及其制造方法以及建筑结构物 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高角部的延展性的方形钢管及其制造方法以及使用该方形钢管的建筑结构物。一种方形钢管(10),在管周向上分别交替地形成有多个平板部(11)和角部(12),平板部(11)的屈服强度为325MPa以上,拉伸强度为440MPa以上,屈服比为0.90以下,角部(12)外侧的曲率半径为平板部(11)的平均壁厚的超过3.0倍且4.0倍以下,角部(12)和平板部(11)的0℃时的夏比吸收能量为70J以上,角部(12)的均匀伸长率的平均值为5%以上。
Description
技术领域
本发明涉及在由钢管制造方形钢管的方法中减小方形钢管的角部的延展性的恶化、得到管的长度方向的残余应力所导致的切口变形小的方形钢管的技术。
背景技术
以往,建筑用的方形钢管通过利用冲压机将厚壁钢板冲压成型为方形后进行焊接的方法(BCP法)来制造。另一方面,近年来,替代生产率低的BCP法,从降低成本的观点出发,进行了通过辊轧成型后进行焊接、方形成型而得到方形钢管的方法(BCR法)来制造方形钢管的尝试。BCP法和BCR法的方形钢管的四角的角部的尺寸不同,在BCP法中,是方形钢管外表面的角部的曲率半径R为壁厚t的(3.5±0.5)倍的方形钢管,而在BCR法中,是该角部的曲率半径R为壁厚t的(2.5±0.5)倍的方形钢管。BCP法和BCR法的方形钢管均是冷成型,因此角部的成型中的加工硬化变得显著,延展性显著恶化。因此,当在建筑结构物中使用这些方形钢管而地震等大负荷作用于方形钢管时,产生以角部为起点的脆性断裂,因此存在不能充分发挥作为柱材所需的抗震性能的问题。特别是在壁厚与边长之比大的方形钢管的尺寸中,以角部为起点的脆性断裂成为问题。
针对这种方形钢管的角部的脆性断裂的问题,在非专利文献1中公开了为了保证方形钢管的前段的韧性而具有减少N含量、减少时效固化的化学成分组成的方形钢管。在专利文献1中公开了通过对预先预成型的方形钢管进行整体加热并进行能够得到规定的外径尺寸、角部曲率半径R的热成型而得到的方形钢管。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利第2852317号公报
非专利文献
非专利文献1:一般社团法人日本钢铁联盟产品规定MDCR0012-2017建筑结构用高性能冷压成型方形钢管(BCP325T)
发明内容
如专利文献1、非专利文献1那样,为了减少角部的加工硬化所导致的延展性恶化,有效的手段是调整化学成分组成、进行热处理。然而,通过减少N含量,存在二次精炼的处理成本增加的问题。另外,在进行热处理然后进行热成型的情况下,加热炉的运行成本等成为成本增加的问题。
这样,作为提高角部的延展性的技术,现有技术还不充分。
本发明是鉴于上述情况而完成的,其目的在于提供一种提高角部的延展性的方形钢管及其制造方法以及使用该方形钢管的建筑结构物。
应予说明,在本发明中,提高角部的延展性是指使在方形钢管的距管外表面t/4处按照JIS Z 2242的规定在试验温度:0℃下得到的夏比吸收能量为70J以上,并且进一步使角部的均匀伸长率的平均值为5%以上。
本发明人等对方形钢管中的角部的加工硬化所导致的延展性恶化的减少方法进行了深入研究。其结果,发现以下内容。
在由一般的BCP法制造的方形钢管中,对钢板实施冲压等弯曲变形来形成角部。此时,由于弯曲的中立轴向钢管内表面侧移动,所以角部外表面侧的弯曲应变比角部内表面侧大,因此角部外表面侧的加工硬化变得显著。
另一方面,在BCR法中,将暂时成型为圆筒形状的钢管通过辊轧成型而成型为方形钢管。此时,角部不仅受到弯曲变形的影响,还受到辊轧成型中的缩径所导致的管周向的压缩变形的影响,因此减少角部外表面的弯曲变形所导致的周向的拉伸应变。
但是,如上所述,由BCR法制造的方形钢管的角部曲率半径R被设计得比由BCP法制造的方形钢管的角部曲率半径R小,因此角部的弯曲变形量变大,结果,角部外表面的加工硬化的影响与BCP法的方形钢管几乎相同。
因此,本发明人等认为通过将由BCR法制造的方形钢管的角部曲率半径R成型为与BCP法的方形钢管相同程度,可以减小角部外表面的加工硬化。另外,在辊轧成型中,如果减少缩径所导致的管周向的压缩变形,则角部的变形量变小。
为此,需要减小缩径,以得到比以往更大的角部曲率半径R。但是,减小缩径率(外周长的变化率)无法减少对BCR法特有的圆筒管进行成型时产生的长度方向的残余应力,因此,由于成型完成后的方形钢管的残余应力而长度前端和尾端的截面的切口变形变大,导致截面的尺寸精度恶化。
因此,本发明人等研究了在从圆筒钢管成型为方形钢管的方形成型中不过度减小缩径率而减小角部的弯曲变形量的方法。具体而言,在方形成型的最终机架的一级上游侧的机架中,增大压下量。由此,通过从与辊的接触部作用的弯曲力矩,能够增大方形钢管的平板部中央部的回弯变形,使平板部的曲率更小而接近平坦。其结果,能够减小最终机架的凸辊的压入量,因此能够减少最终机架的成型中的角部的曲率增加。此时,可以通过方形成型的最终机架的一级上游的机架中的缩径来减少管的长度方向(管轴向)的残余应力。虽然最终机架的压入量减少,但是由于凸辊的压入所产生的管周向的压缩小,因此对管的长度方向的残余应力的减少没有大的影响。
本发明基于上述见解,其特征如下。
[1]一种方形钢管,在管周向上分别交替地形成有多个平板部和角部,
上述平板部中,
屈服强度为325MPa以上,
拉伸强度为440MPa以上,
屈服比为0.90以下,
上述角部外侧的曲率半径为上述平板部的平均壁厚的超过3.0倍且4.0倍以下,
上述角部和上述平板部的0℃时的夏比吸收能量为70J以上,
上述角部的均匀伸长率的平均值为5%以上。
[2]根据上述[1]所述的方形钢管,其中,上述平板部中央部表面的管轴向的残余应力为300MPa以下。
[3]一种方形钢管的制造方法,是上述[1]或[2]所述的方形钢管的制造方法,
对坯材钢板进行辊轧成型,接着对经辊轧成型的钢板进行电阻焊而制成电阻焊钢管,然后通过多级定径机架将上述电阻焊钢管成型为半成型材料,接着通过多级方形成型机架对上述半成型材料进行方形成型,
将上述方形成型机架数设为n(n:3以上的整数)时,
满足式(1)、式(2)和式(3)。
Rn-1>Rn-2···(1)
0.010≤(Rn-1/Rn-2)·hn-1≤0.300···(2)
rn-1+rn-2≥5×10-4·e50·t/H···(3)
这里,
Rn-1:第(n-1)个机架的辊的口径半径(mm),
Rn-2:第(n-2)个机架的辊的口径半径(mm),
hn-1:第(n-1)个机架中的管的外径压下量(mm),
t:预先设定的方形钢管的平板部的平均壁厚(mm),
H:预先设定的方形钢管的平均边长(mm),
rn-1:第(n-1)个机架的压下的外周长的变化率,
rn-2:第(n-2)个机架的压下的外周长的变化率,
e:自然对数的底。
[4]一种建筑结构物,使用上述[1]或[2]所述的方形钢管作为柱材。
根据本发明,可以提高角部的延展性。
附图说明
图1是表示方形钢管的管轴向垂直截面的示意图。
图2是表示电阻焊钢管的制造设备的一个例子的示意图。
图3是表示方形钢管的成型过程的示意图。
图4是用于说明方形成型机架的辊的示意图。
图5是表示建筑结构物的一个例子的示意图。
具体实施方式
基于附图对本发明的方形钢管及其制造方法进行说明。
<方形钢管>
图1是表示本发明的方形钢管10(以下也简称为方形钢管10)的与管轴向垂直的截面的图。
本发明的方形钢管10的特征在于,在管周向上分别交替地形成有多个平板部11和角部12,平板部11的屈服强度为325MPa以上,拉伸强度为440MPa以上,屈服比为0.90以下,角部12外侧的曲率半径为平板部11的平均壁厚的超过3.0倍且4.0倍以下,角部12和平板部11的0℃时的夏比吸收能量为70J以上,角部12的均匀伸长率的平均值为5%以上,角部的延展性优异。
这里,平板部11的屈服强度、拉伸强度、屈服比通过以拉伸方向与管轴向平行的方式取得JIS5号拉伸试验片和JIS12B号拉伸试验片,使用它们按照JIS Z 2241的规定实施而得到。
另外,平板部11中央部表面的管轴向的残余应力优选为300MPa以下。平板部11中央部表面的管轴向的残余应力通过使用应变计法,切出1m长度的方形钢管片,在长度中央部粘贴应变计,通过切断法测定管长度方向的残余应力而得到。
另外,角部12和平板部11的0℃时的夏比吸收能量是使用在方形钢管的距管外表面t/4处以试验片长度方向与轧制方向平行的方式取得的V型缺口试验片,按照JIS Z 2242的规定在试验温度:0℃下实施夏比冲击试验而得到的吸收能量(J)。
在通过本发明的BCR法得到的方形钢管中,在平板部11中,使屈服强度为325MPa以上,使拉伸强度为440MPa以上,使屈服比为0.90以下,使角部外侧的曲率半径为平板部11的平均壁厚的超过3.0倍且4.0倍以下,并且使角部12和平板部11的0℃时的夏比吸收能量为70J以上,使角部12的均匀伸长率的平均值为5%以上,这可以通过对特定的坯材钢板采用后述的制造方法来实现。
另外,本发明的方形钢管10是由电阻焊钢管得到的钢管,可以在平板部11上具有焊接部(接缝部)13。
在本发明中,虽然没有特别限定,但优选方形钢管10的管轴向垂直截面中的平板部11的边长H为300~550mm,平均壁厚t为9mm~32mm。
平板部11的平均壁厚t为除钢管10的焊接部(接缝部)13以外的平板部11中央部的壁厚的平均值。
这里,平均壁厚t是在沿管轴向距方形钢管的管端20mm的位置处以截面中央为圆中心,以接缝部为0°位置时的顺时针方向上对应于90°、180°、270°位置的平板部的中心部的壁厚三个点的平均值。
作为壁厚的测定方法,有使用千分尺、游标卡尺进行测量的方法,但不限于此。
另外,方形钢管10的管轴向垂直剖视图的形状优选为各平板部11的四边的边长H全部相同的正方形(大致正方形),此外也可以是长方形(大致长方形)。长方形的情况下的边长H为纵向边长H1(mm)与横向边长H2(mm)的平均值(H=(H1+H2)/2)。
如图1所示,在管轴向垂直剖视图中形状为正方形且焊接部13位于平板部11的边的中心位置的情况下,以钢管10的焊接部(接缝部)13为基准位置并设为0°,将管周向上45°、135°、225°、315°的位置分别设为角部中央。
此时,如图1所示,角部的曲率半径是指以管的中心为起点与相邻的边成45°的线(L)与角部外侧的交点处的曲率半径。角部的曲率半径是在上述L上设置中心、由朝向平板部11与圆弧部的连接点(A、A’)所引出的线决定的中心角为65°的扇形的半径。应予说明,作为曲率半径的计算方法,例如有由与三个点(角部外侧的交点以及作为平板部11与圆弧部的连接点的两个点)的区域内的角部非常一致的径向量规来测量曲率半径的方法,但不限于此。
另外,也考虑到截面形状为长方形的情况,上述角部外侧的交点可以如下定义。
具体而言,首先,交点可以是如图1所示,以在从方形钢管10的管轴向垂直截面中的平板部11的短边(H1<H2时为H1)的中心位置朝向钢管内部更具体而言朝向对置的短边的中心位置引出的直线上相对于从方形钢管中央部向长边(H1<H2时为H2)方向偏移了1/2×|H2-H1|(即边长H2与边长H1之差的一半)的点(偏移点)为起点、相对于朝向上述对置的短边的中心位置引出的直线而与形成于偏移点所在的一侧相反的一侧的平板部11的长边形成45°的线与角部12外侧的交点。
另外,该交点也可以说是:以在从方形钢管10的管轴向垂直截面中的平板部11的长边(H1<H2时为H2)的中心位置朝向对置的长边的中心位置引出的直线上从方形钢管中央部向短边(H1<H2时为H1)方向偏移了1/2×|H2-H1|的点(偏移点)为起点、相对于朝向上述对置的长边的中心位置引出的直线、从方形钢管10的管轴向垂直截面中的平板部11的短边(H1<H2时为H1)的中心位置朝向钢管内部、与形成于偏移点所在的一侧的平板部11的短边成45°的线与角部12外侧的交点。
本发明人等进行了深入研究,结果发现,为了确保方形钢管10的整个截面的韧性,如上所述,角部12和平板部11的0℃时的夏比吸收能量也需要为70J以上。
另外,发现在加工硬化显著的角部12中,测定角部12的曲率半径的区域,即设为角部中央时,如果由通过与钢管10的长度方向垂直的截面的中心部和各个角部中央的直线、以及角部曲率半径R所成的角±32.5°的区域,作为整个厚度的拉伸特性的均匀伸长率的平均值小于5%,则在使用方形钢管作为部件时有时施加振动时产生的以角部为起点的脆性断裂成为问题,有可能无法充分发挥部件的功能。因此,在本发明中,角部12的均匀伸长率的平均值为5%以上。
角部12的均匀伸长率可以从角部12取得试验片按照JIS Z 2241的规定来测定。将通过将角部12的四个点的均匀伸长率的总和除以4而算出的值作为均匀伸长率的平均值。
本发明的方形钢管10的成分组成没有特别限制,但优选为以质量%计含有C:0.07~0.20%、Si:小于0.4%、Mn:0.3~2.0%、P:0.03%以下、S:0.015%以下、Al:0.01~0.06%、N:0.006%以下且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的成分组成。以下,叙述各成分的限定理由。
C:0.07~0.20%
C是通过固溶强化提高钢板的强度并且有助于形成作为第二相之一的珠光体的元素。为了确保所期望的拉伸特性、韧性以及所期望的钢板组织,优选含有0.07%以上。另一方面,在含有超过0.20%时,有可能在方形钢管10的焊接时(例如,方形钢管彼此的焊接时)生成马氏体组织,成为焊接裂纹的原因。因此,C优选为0.07~0.20%的范围。C更优选下限为0.09%,上限更优选为0.18%。
Si:小于0.4%
Si是通过固溶强化而有助于提高钢板的强度的元素,为了确保所期望的钢板强度,可以根据需要而含有。为了得到这种效果,优选含有超过0.01%。但是,在含有0.4%以上时,容易在钢板表面形成被称为红色氧化皮的铁橄榄石,表面的外观性状降低的情况变多。因此,在含有的情况下,优选小于0.4%。应予说明,特别是在不添加Si的情况下,作为不可避免的杂质,Si的水平为0.01%以下。
Mn:0.3~2.0%
Mn是通过固溶强化而提高钢板的强度的元素,为了确保所期望的钢板强度,优选含有0.3%以上。在含有小于0.3%时,导致铁素体相变开始温度升高,组织容易过度粗大化。另一方面,如果含有超过2.0%,则中心偏析部的硬度增大,有可能成为方形钢管现场焊接时的裂纹的原因。因此,Mn优选为0.3~2.0%。Mn更优选上限为1.6%。进一步更优选上限为1.4%。
P:0.03%以下
P是在铁素体晶界偏析而具有降低韧性的作用的元素,在本发明中,作为杂质,优选尽可能减少。但是,过度的减少会导致精炼成本上升,因此优选为0.002%以上。应予说明,最多可以接受0.03%。因此,P优选为0.03%以下。P更优选为0.025%以下。
S:0.015%以下
S在钢中以硫化物的形式存在,本发明的组成范围的情况下,主要以MnS的形式存在。MnS在热轧工序中被拉伸得较薄,对延展性、韧性造成不良影响,因此在本发明中优选尽可能地减少MnS。但是,过度的减少会导致精炼成本上升,因此S优选为0.0002%以上。应予说明,最多可以接受0.015%。因此,S优选为0.015%以下。S更优选为0.010%以下。
Al:0.01~0.06%
Al是作为脱氧剂发挥作用并且具有以AlN的形式固定N的作用的元素。为了得到这种效果,需要含有0.01%以上。如果小于0.01%,则在不添加Si的情况下脱氧能力不足,氧化物系夹杂物增加,钢板的清洁度降低。另一方面,在含有超过0.06%时,固溶Al量增加,方形钢管的纵向焊接时(方形钢管的制造时的焊接时),特别是在大气中焊接的情况下,在焊接部形成氧化物的危险性变高,方形钢管焊接部的韧性降低。因此,Al优选为0.01~0.06%。Al更优选下限为0.02%,上限为0.05%。
N:0.006%以下
N是具有通过牢固地固定位错的运动而降低韧性的作用的元素。在本发明中,N作为杂质,优选尽可能地减少,最多可以接受0.006%。因此,N优选为0.006%以下。N更优选为0.005%以下。
剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。另外,本发明的方形钢管10可以以质量%计进一步含有选自Nb:0.005~0.15%、V:0.005~0.15%、Cr:0.02~1.0%、Mo:0.02~1.0%、Cu:0.02~1.0%、Ni:0.02~1.0%中的1种或2种以上。
<方形钢管的制造方法>
接下来,对上述的本发明的方形钢管10的制造方法进行说明。
在本发明的方形钢管10的制造方法中,对坯材钢板进行辊轧成型,接着对经辊轧成型的钢板进行电阻焊而制成电阻焊钢管,然后通过多级定径机架将上述电阻焊钢管成型为半成型材料,接着通过多级方形成型机架对上述半成型材料进行方形成型而制造方形钢管,该方法中,将方形成型机架数设为n(n:3以上的整数)时,满足式(1)、式(2)和式(3)。
Rn-1>Rn-2···(1)
0.010≤(Rn-1/Rn-2)·hn-1≤0.300···(2)
rn-1+rn-2≥5×10-4·e50·t/H···(3)
这里,
Rn-1:第(n-1)个机架的辊的口径半径(mm),
Rn-2:第(n-2)个机架的辊的口径半径(mm),
hn-1:第(n-1)个机架中的管的外径压下量(mm),
t:预先设定的方形钢管的平板部的平均壁厚(mm),
H:预先设定的方形钢管的平均边长(mm),
rn-1:第(n-1)个机架的压下的外周长的变化率,
rn-2:第(n-2)个机架的压下的外周长的变化率,
e:自然对数的底。
首先,在说明上述式(1)、(2)、(3)之前,参照图2对由钢板(钢带、坯材钢板)得到电阻焊钢管的方法进行说明。
图2是表示电阻焊钢管的制造设备的一个例子的示意图。作为电阻焊钢管的坯材的钢带1例如利用矫平机2实施入口侧矫正后,利用由多个辊构成的保持架辊组3进行中间成型而制成开口管,然后利用由多个辊构成的翅片轧辊组4进行最终成型。最终成型之后,一边利用挤压辊5进行压接一边利用焊接机6对钢带1的宽度端部进行电阻焊,制成电阻焊钢管7。应予说明,钢带1例如可以是碳钢的热轧钢板。另外,在本发明中,电阻焊钢管7的制造设备不限于如图2所示的制管工序。
方形钢管是否由电阻焊钢管得到可以通过下述方式来判断:将方形钢管与管轴向垂直地切断,对包含焊接部的切截面进行研磨后利用硝酸乙醇腐蚀液腐蚀,用光学显微镜进行观察。如果焊接部的壁厚中央部的熔融凝固部的管周向宽度为1mm以下,则为电阻焊钢管。
图3是表示本发明的一个实施方式的方形钢管10的成型过程的示意图。如图3所示,电阻焊钢管7利用由多个辊构成的定径辊组(定径机架)8以圆筒形直接进行状缩径后,利用由多个辊构成的方形成型辊组(方形成型机架)9依次成型为R1、R2、R3那样的形状,成为方形钢管10。应予说明,定径辊组8和方形成型辊组9的机架数没有特别限制。另外,定径辊组8或方形成型辊组9的口径曲率半径优选为一个条件。
在本发明的方形钢管10中,在通过BCR法将对角部外侧的曲率半径为平均壁厚的超过3.0倍且4.0倍以下的方形钢管成型的情况下,与以往的将对角部外侧的曲率半径为壁厚的2.0倍~3.0倍的方形钢管成型的情况相比,需要在定径机架、方形成型机架的成型中降低缩径率。
此时,如上所述,在电阻焊后的电阻焊钢管7的截面中,通过辊轧成型在管的长度方向上分布有大的残余应力。通常,利用电阻焊后的定径机架或方形成型机架控制缩径率,减少管的长度方向的残余应力。
如果缩径率不充分,则管的长度方向的残余应力不减少,成型完成后的方形钢管的截面的切口变形,方形钢管端面的截面的尺寸精度恶化。因此,明确了管长度方向的残余应力对方形钢管端面的截面的尺寸的影响,结果发现如果平板部中央部表面的管轴向(长度方向)的残余应力为300MPa以下,则对方形钢管端面的截面的尺寸精度的影响小。因此,平板部中央部表面的管轴向的残余应力优选为300MPa以下。平板部中央部表面的管轴向的残余应力更优选为200MPa以下,进一步优选为150MPa以下。
另外,在极度减小残余应力的情况下,需要增大缩径率。
但是,如果使定径机架中的缩径率过大,则方形钢管的平板部的屈服比超过0.90,不能确保平板部的塑性变形能力。另外,如果使方形成型机架的总缩径率过大,则角部外侧的曲率半径为平板部的平均壁厚的3.0倍以下。因此,残余应力优选为20MPa以上。残余应力更优选为50MPa以上,进一步优选为80MPa以上。
如上所述,通过BCR法将角部外侧的曲率半径为平板部的平均壁厚的超过3.0倍且4.0倍以下的方形钢管成型的情况下,特别优选调整方形成型机架的总缩径率和管的长度方向的残余应力这两者。
因此,本发明人等着眼于方形成型机架的平板部的回弯变形。平板部的回弯变形中,通过沿具有比钢管外表面的曲率半径大的曲率半径的方形成型辊的孔型几何地回弯的变形和与辊的接触力所产生的回弯力矩的作用,从曲面形状成型为平板形状。
当辊向平板部的压入量增加时,不仅接触面压增加,而且辊与钢管的接触宽度进一步向辊的凸缘侧(方形钢管的角部侧)扩大,力臂增加。其结果,作用于平板部中央部的回弯力矩增加,因此平板部的回弯变形变大,成型后的平板部的曲率半径变得比辊孔型的曲率半径大。在之后的后段的方形成型机架中,能够减小辊压入平板部所引起的成型、即缩径率,因此能够抑制角部外侧的曲率半径的减少。
特别是在方形成型的最终机架中,进行利用桶型的辊将平板部压成凹形状的最终成型,因此辊的压入所导致的角部外表面的曲率半径的减少量容易变大。因此,为了减小方形成型的最终机架的压入量,优选进行在最终机架的前段机架中增大辊的压入量、即管的外径压下量、增大平板部的回弯变形的成型。
另外,作用于平板部中央部的回弯力矩不仅包括相应的机架的管的外径压下量,还包括辊的口径曲率半径(以下也称为口径半径)的影响。辊的口径曲率半径越大于钢管的外表面的曲率半径,辊与钢管的接触宽度越容易向辊的凸缘侧扩大。因此,力臂增加,回弯变形变大。
图4是用于说明方形成型机架的辊的示意图。如图4所示,辊的口径曲率半径(口径半径)是在辊轧成型组9的辊91、92、93、94中与半成型材料(钢管)接触的面上以管行进方向(管轴向、管长度方向)观察时的曲线部为圆弧的扇形的半径R。
上述钢管的外表面的曲率半径转印了最后成型的方形成型机架的辊口径的曲率半径。因此,在相应的机架入口侧的管的外径中,方形钢管的成为平板部的部位的曲率半径为从该机架观察的前段机架的辊的口径曲率半径。
即,在增大管的外径压下量并增大平板部中央部的回弯变形的方形成型机架中,通过是具有从最终机架的前段机架中的辊的口径曲率半径减去该机架的前段机架的辊的口径曲率半径而得的值超过0的辊组的方形成型辊组9,最终机架的前段机架中的平板部中央部的回弯变形变大。
基于这些见解,在本发明中,在利用多级方形成型机架对上述半成型材料进行方形成型时,将方形成型机架数设为n(n:3以上的整数)时,满足以下的式(1)、式(2)和式(3)。
Rn-1>Rn-2···(1)
0.010≤(Rn-1/Rn-2)·hn-1≤0.300···(2)
rn-1+rn-2≥5×10-4·e50·t/H···(3)
这里,
Rn-1:第(n-1)个机架的辊的口径半径(mm),
Rn-2:第(n-2)个机架的辊的口径半径(mm),
hn-1:第(n-1)个机架中的管的外径压下量(mm),
t:预先设定的方形钢管的平板部的平均壁厚(mm),
H:预先设定的方形钢管的平均边长(mm),
rn-1:第(n-1)个机架的压下的外周长的变化率,
rn-2:第(n-2)个机架的压下的外周长的变化率,
e:自然对数的底。
将方形成型机架数设为n(n:3以上的整数),将增大管的外径压下量并增大平板部中央部的回弯变形的方形成型机架设为第(n-1)个机架时,设为第(n-1)个机架的辊的口径半径Rn-1、第(n-2)个机架的辊的口径半径Rn-2,口径半径Rn-1和口径半径Rn-2满足Rn-1>Rn-2的关系。
当Rn-1≤Rn-2时,角部外侧的曲率半径比目标小。进而,由于角部的加工硬化进行,所以夏比吸收能量和均匀伸长率恶化。
另外,将第(n-1)个机架中的管的外径压下量设为hn-1时,如果(Rn-1/Rn-2)·hn-1小于0.010,则平板部中央部的回弯变形变小,最终机架的桶型辊的压入量增加,因此角部外侧的曲率半径比目标小。进而,由于角部的加工硬化进行,所以夏比吸收能量和均匀伸长率恶化。
另一方面,如果(Rn-1/Rn-2)·hn-1超过0.300,则在第(n-1)个机架中,平板部中央部的回弯变形变得过大,平板部中央部的加工硬化变大,因此方形成型后的方形钢管中的平板部的屈服比超过0.90。
综上所述,在本发明中,作为式(1)、式(2),满足“Rn-1>Rn-2”、“0.010≤(Rn-1/Rn-2)·hn-1≤0.300”。
优选(Rn-1/Rn-2)·hn-1为0.040以上,更优选为0.060以上。另外,优选为0.250以下,更优选为0.200以下。
这里,对于第(n-1)个机架中的管的外径Dn-1,有在从辊最下部向管长度方向的下游侧长度2.0m以下的区域中用游标卡尺等测定管的外径D的方法,但不限于此。
外径压下量hn-1可以通过从第(n-2)个机架和第(n-1)个机架的中间位置的管的外径Dn-2减去管的外径Dn-1来算出。
另外,为了增大第(n-1)个机架的管的外径压下量hn-1,有时减小第(n-2)个机架中的管的外径压下量hn-2,但如果管的外径压下量hn-2变得过小,则第(n-2)个机架中的缩径率(外周长的变化率)rn-2变得过少,管的长度方向的残余应力没有充分降低,不能使角部外侧的曲率半径成为期望的值。
因此,本发明人等进行了深入研究,需要用第(n-1)个机架的缩径率(外周长的变化率)弥补在第(n-2)个机架中减少的缩径率(外周长的变化率)rn-2,如果第(n-1)个机架中的缩径率(外周长的变化率)rn-1与第(n-2)个机架中的缩径率(外周长的变化率)rn-2的总和为5×10-4·e50·t/H以上(t:预先设定的(预先推断的)方形钢管的平板部的平均壁厚,H:预先设定的(预先推断的)方形钢管的平均边长),则在方形成型后的钢管中,能够使角部外侧的曲率半径超过平板部的平均壁厚的3.0倍。另外,也能够使平板部中央部表面的长度方向的残余应力为300MPa以下。综上所述,在本发明中,作为式(3),满足「rn-1+rn-2≥5×10-4·e50·t/H」。
这里,外周长的变化率rn为(压下前的外周长(mm)-压下后的外周长(mm))/压下前的外周长(mm)。
对于第(n-1)个机架中的缩径率rn-1和第(n-2)个机架中的缩径率rn-2,有从各机架的辊最下部向管的长度方向的上游侧、下游侧分别在长度2.0m以下的区域中利用卷尺测定外周长并根据其外周长的变化率算出的方法,但不限于此。
另外,t可以是根据产品的规格尺寸预先设定的方形钢管的平板部的平均壁厚。另外,H也可以是根据产品的规格尺寸预先设定的方形钢管的平均边长。
对于n,只要为3以上就没有特别限定,但为了得到最终产品的截面尺寸中凹凸高度更小的平板部,优选为4以上,优选为6以下。
各机架中的辊数没有特别限定,但优选由相对于钢管位于上下、左右的四个辊形成平板部。
也可以通过使钢管通过在上下或左右的位置对置配置的两根一对方形成型辊组并经过多个机架来形成平板部。
另外,在各机架中,进一步优选由具有上下左右的四根一组的辊的组(set)的方形成型辊组同时形成上下左右的平板部。
<建筑结构物>
图4是表示本发明的建筑结构物的一个例子的示意图。
本发明的建筑结构物使用上述本发明的方形钢管10作为柱材。
附图标记14、15、16、17依次表示大梁、小梁、间柱、隔板。
如上所述,本发明的方形钢管的平板部的机械特性优异,在角部充分确保了延展性、韧性,并且抑制加工硬化。因此,将该方形钢管用作柱材的本发明的建筑结构物发挥优异的抗震性能。
实施例
[实施例1]
以下,基于实施例进一步对本发明详细说明。应予说明,本发明不限于以下实施例。
通过BCR法利用保持架辊组和翅片轧辊组将具有表1所示的成分组成的热轧钢板连续成型为椭圆形截面的开口管,接着,利用高频感应加热或高频电阻加热将开口管的相对的端面加热至熔点以上,利用挤压辊进行压接,制成电阻焊钢管的管坯。对得到的电阻焊钢管,利用两个机架的定径辊组成型为圆筒状后,利用四个机架的方形成型辊组(n=4)进行方形成型,得到如表2的No.1~10、13、14所示的各种方形钢管。
这里,作为制造No.1~10、13、14的方形钢管的条件,在No.3方形成型机架(第三机架)中,在距No.3方形成型机架辊最下部1m上游侧和1m下游侧的位置根据对各种钢管利用游标卡尺测定的纵横外径算出外径压下量h3。另外,No.2方形成型机架(第二机架)和第三机架中的辊的口径曲率半径R2和R3利用径向量规来测定。根据这些测定结果算出(R3/R2)·h3。将其结果一并示于表2。
另外,在第二机架和第三机架的分别距辊最下部1m上游侧和1m下游侧的位置处利用卷尺测定管的外周长,算出缩径率(外周长的变化率)r2和r3,将其结果一并示于表2。
[实施例2]
将上述电阻焊钢管制成管坯,利用六个机架(n=6)的方形成型辊组进行方形成型,得到如表2所示的No.11、12的方形钢管。
这里,作为制造No.11、12的方形钢管的条件,在No.4方形成型机架(第四机架)中,在距No.5方形成型机架(第五机架)的辊最下部1m上游侧和1m下游侧的位置处根据对各种钢管利用游标卡尺测定的纵横外径算出外径压下量h5。另外,No.4方形成型机架(第四机架)和第五机架中的辊的口径曲率半径R4和R5利用径向量规来测定。根据这些测定结果算出(R5/R4)·h5。另外,在第四机架和第五机架的分别距辊最下部1m上游侧和1m下游侧的位置处利用卷尺测定管的外周长,算出缩径率r4和r5,将其结果一并示于表2。
<评价>
对通过上述实施例1、2的方法得到的各种的方形钢管,使用径向量规测定角部外表面的曲率半径。
对于残余应力,对各种方形钢管的平板部中央部切出1m长度的方形钢管片,在长度中央部粘贴应变计,通过切断法测定管长度方向(管轴向)的残余应力。
拉伸试验以拉伸方向与管轴向平行的方式从方形钢管的平板部和角部分别取得JIS5号拉伸试验片和JIS12B号拉伸试验片,使用它们按照JIS Z 2241的规定实施。使用从平板部取得的拉伸试验片测定屈服强度、拉伸强度,算出由(屈服强度)/(拉伸强度)定义的屈服比。使用从角部取得的试验片测定均匀伸长率。将通过将角部四个点的均匀伸长率的总和除以4而算出的值作为均匀伸长率的平均值。
夏比冲击试验使用在方形钢管的距管外表面t/4位置(t:壁厚)和平板部以试验片长度方向与轧制方向平行的方式取得的V型缺口试验片,按照JIS Z 2242的规定在试验温度:0℃下实施,求出吸收能量(J)。应予说明,试验片根数各为三根,将它们的平均值作为代表值。
将结果示于表3。
[表1]
•成分组成除了上述成分以外,剩余部分为Fe和不可避免的杂质。
/>
由表3的结果可知,发明例的角部的延展性均优异。
符号说明
1 钢带
2 矫平机
3 保持架辊组
4 翅片轧辊组
5 挤压辊
6 焊接机
7 电阻焊钢管
8 定径辊组
9 方形成型辊组
10 方形钢管
11 平板部
12 角部
13 焊接部(接缝部)
14 大梁
15 小梁
16 间柱
17 隔板
Claims (4)
1.一种方形钢管,在管周向上分别交替地形成有多个平板部和角部,
所述平板部中,
屈服强度为325MPa以上,
拉伸强度为440MPa以上,
屈服比为0.90以下,
所述角部外侧的曲率半径为所述平板部的平均壁厚的超过3.0倍且4.0倍以下,
所述角部和所述平板部的0℃时的夏比吸收能量为70J以上,
所述角部的均匀伸长率的平均值为5%以上。
2.根据权利要求1所述的方形钢管,其中,所述平板部中央部表面的管轴向的残余应力为300MPa以下。
3.一种方形钢管的制造方法,是权利要求1或2所述的方形钢管的制造方法,
对坯材钢板进行辊轧成型,接着对经辊轧成型的钢板进行电阻焊而制成电阻焊钢管,然后通过多级定径机架将所述电阻焊钢管成型为半成型材料,接着通过多级方形成型机架对所述半成型材料进行方形成型,
将所述方形成型机架数设为n时,其中,n:3以上的整数,
满足式(1)、式(2)和式(3),
Rn-1>Rn-2 ···(1)
0.010≤(Rn-1/Rn-2)·hn-1≤0.300···(2)
rn-1+rn-2≥5×10-4·e50·t/H···(3)
这里,
Rn-1:第(n-1)个机架的辊的口径半径(mm),
Rn-2:第(n-2)个机架的辊的口径半径(mm),
hn-1:第(n-1)个机架中的管的外径压下量(mm),
t:预先设定的方形钢管的平板部的平均壁厚(mm),
H:预先设定的方形钢管的平均边长(mm),
rn-1:第(n-1)个机架的压下的外周长的变化率,
rn-2:第(n-2)个机架的压下的外周长的变化率,
e:自然对数的底。
4.一种建筑结构物,使用权利要求1或2所述的方形钢管作为柱材。
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