JP2016047956A - 低降伏比高強度スパイラル鋼管杭およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐震性に優れた高強度スパイラル鋼管杭を提供する。
【解決手段】板厚5mm以上26mm以上の熱延鋼板を素材とするスパイラル鋼管からなる高強度スパイラル鋼管杭である。質量％で、C:0.10％超0.20％以下、Si:0.5％以下、Mn:0.2〜2.0％、P:0.05％以下、S:0.05％以下、Al:0.10％以下、N:0.01％以下、さらに、Nb：0.10％以下、V：0.10％以下、Ti：0.10％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、ベイニティックフェライト相を主相とし、第二相としてマルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上を合計で、体積率で10％以上50％未満含む組織と、を有し、管軸方向の降伏強さYS:450MPa以上、引張強さTS：570MPa以上、降伏比YR：90％以下の低降伏比高強度で、かつシャルピー衝撃試験の試験温度：0℃の吸収エネルギーvE0：27J以上の高靭性を有する高強度スパイラル鋼管杭で、耐震性に優れる。
【選択図】なし
【解決手段】板厚5mm以上26mm以上の熱延鋼板を素材とするスパイラル鋼管からなる高強度スパイラル鋼管杭である。質量％で、C:0.10％超0.20％以下、Si:0.5％以下、Mn:0.2〜2.0％、P:0.05％以下、S:0.05％以下、Al:0.10％以下、N:0.01％以下、さらに、Nb：0.10％以下、V：0.10％以下、Ti：0.10％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、ベイニティックフェライト相を主相とし、第二相としてマルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上を合計で、体積率で10％以上50％未満含む組織と、を有し、管軸方向の降伏強さYS:450MPa以上、引張強さTS：570MPa以上、降伏比YR：90％以下の低降伏比高強度で、かつシャルピー衝撃試験の試験温度：0℃の吸収エネルギーvE0：27J以上の高靭性を有する高強度スパイラル鋼管杭で、耐震性に優れる。
【選択図】なし
Description
本発明は、建築・土木用として好適なスパイラル鋼管製鋼管杭（スパイラル鋼管杭）に係り、とくに耐震性の向上に関する。
従来から、土木、建築等の分野でとくに多用される鋼管杭には、上部構造物による軸方向圧縮力、あるいは土圧等によって加えられる水平方向の曲げ力に対して十分な耐力を有することが要求され、高耐力を有する鋼管杭が求められてきた。
例えば、特許文献１には、弾性設計を考慮して高強度化を念頭において、C：0.15〜0.25％、Si：0.15％以上、Mn：0.5％以上を含む鋼管に、高周波誘導加熱により、900〜1300℃に加熱して焼入れする高強度鋼管杭の製造方法が記載されている。特許文献１に記載された技術によれば、降伏強度60kg/mm2以上（590MPa以上）、引張強度80〜100kg/mm2以上（780〜980MPa）の高強度鋼管杭が得られるとしている。しかし、特許文献１に記載された技術では、高周波誘導加熱により、900〜1300℃に加熱して焼入れするため、大型の高周波誘導加熱装置を必要とし、設備コストが高くなるうえ、生産工程が複雑となり生産性が低下するという問題があった。
また、特許文献２には、C：0.02〜0.15％、Si：0.1〜2.0％、Mn：0.5〜2.5％、Al：0.01〜0.1％、N：0.01％以下、P：0.02％以下、S：0.005％以下を含有し、さらにNb：0.1％以下、V：0.1％以下、Ti：0.1％以下の１種または２種以上を含有し、平均結晶粒径が10μm以下、面積率が70〜90％のフェライトと、残部が残留オーステナイト、ベイナイト、マルテンサイトからなるミクロ組織を有し、残留オーステナイトが体積率で5〜15％である耐座屈特性に優れた高強度鋼管が記載されている。特許文献２に記載された技術では、未再結晶温度域での制御圧延と、さらに、熱間圧延後の冷却で二段冷却パターンを採用して、残留オーステナイトを含むベイナイトおよびマルテンサイトとフェライトとの複合組織を有する鋼板とし、得られた厚鋼板を冷間成形し、内外面溶接と、拡管とを施してUOE鋼管としている。しかし、特許文献２に記載された技術では、素材とする厚鋼板の製造で、精度の高い制御圧延と、二段階の制御冷却を必要とし、生産性が低下するという問題があった。
また、特許文献３には、C：0.02〜0.15％、Si：0.001〜0.5％、Mn：0.5〜3.0％、Al：0.002〜0.1％、N：0.01％以下、P：0.02％以下、S：0.005％以下を含有し、フェライトの平均結晶粒径が10μm以下であり、残部が、残留オーステナイト、ベイナイト、マルテンサイトからなるミクロ組織を有し、管軸方向のr値が0.8以上で、耐座屈特性に優れた高強度鋼管が記載されている。しかし、特許文献３に記載された技術では、得られた厚鋼板を、さらに冷間成形し、内外面溶接と、拡管とを施してUOE鋼管としており、鋼管の素材である厚鋼板を製造するにあたり、厳密な圧延スケジュールの制御圧延や、厳密に冷却条件をコントロールすることが必要とされ、生産性が低下するという問題があった。
また、特許文献４には、低降伏比高強度スパイラル鋼管杭の製造方法が記載されている。特許文献４に記載された技術は、板厚5mm以上16mm以下の熱延鋼板をスパイラル状に加工しながら、熱延鋼板の端部同士を溶接してスパイラル鋼管とした、熱延鋼板製スパイラル鋼管を素材としたスパイラル鋼管杭の製造方法である。特許文献４に記載された技術では、C：0.03〜0.10％、Si：0.5％以下、Mn：0.2〜2.0％、P：0.05％以下、S：0.05％以下、Al：0.10％以下、N：0.01％以下を含み、さらに、Nb：0.1％以下、V：0.1％以下、Ti：0.1％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を合計で0.08％以上含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼素材に、1100℃以上に加熱し、粗圧延を施したのち、仕上圧延終了温度：800℃以上とする仕上圧延を施し、仕上圧延終了後、さらに平均冷却速度：15〜30℃/ｓで、450〜600℃の冷却停止温度まで冷却する加速冷却を施して巻き取ることにより製造された熱延鋼板を使用するとしている。
しかし、特許文献１〜３に記載された技術で製造された鋼管は、スパイラル鋼管ではなく、また、製造工程が複雑で製造コストが高い鋼管であり、土木、建築等の分野でとくに多用される鋼管杭としては、必ずしも好適であるとは言えないという問題があった。また、土木、建築等の分野でとくに多用されるスパイラル鋼管製鋼管杭には、耐震性に優れることが要求され、低降伏比を有することが求められるが、土中に埋設されることから、特許文献１〜３に記載された技術で製造された鋼管杭ほどの高強度、高靭性を保持するまでの必要はない。
さらに、特許文献４に記載された技術で製造されたスパイラル鋼管杭は、肉厚が16mm以下と比較的薄肉であり、近年の高強度鋼管杭の厚肉化傾向に対応できないという問題がある。鋼管杭は、土中に埋設されて使用され、上部構造の柱からの反力を受けるため、薄肉の鋼管杭では上部構造を十分に支えるために、多数の鋼管杭を埋設することが必要となる。
そこで、本発明は、上記したような従来技術の問題を解決し、スパイラル鋼管の素材となる熱延鋼板の製造に際し、高価な合金元素を多量含有させる必要もなく、複雑な制御冷却等を施す必要もなく、また、近年の鋼管杭の厚肉化傾向にも対応できる安価で、耐震性に優れた高強度スパイラル鋼管杭を提供することを目的とする。なお、ここでいう「高強度」とは、管軸方向で、降伏強さYS：450MPa以上、引張強さTS：570MPa以上、好ましくは600MPa以上を安定して有する場合をいうものとする。
鋼管杭の設計強度は、降伏強さYSで規定される。本発明では、設計強度：450MPaの鋼管杭を目標として、この設計強度を満足できるように、鋼管杭の降伏強さYSを450MPa以上に限定した。そして、この降伏強さレベルの鋼管杭の目標引張強さは、鋼管杭規格HT570Pで規定されるとおりの570MPa以上とした。
また、ここでいう「耐震性に優れた」とは、管軸方向の降伏比YR：90％以下で、かつ管軸方向と直交する方向で、JIS Z 2242の規定に準拠したシャルピー衝撃試験で試験温度：0℃における吸収エネルギーvE0が27J以上となる靭性を有する場合をいうものとする。なお、管軸方向の降伏比YR：90％以下で、かつ、試験温度：0℃における吸収エネルギーvE0が27J以上となる靭性を有するスパイラル鋼管であれば、土中に埋設される鋼管杭として十分な塑性変形能と十分な靭性とを有し、耐震性に優れた鋼管杭となるという知見を得ている。さらに、管軸方向の降伏比YR：85％以下であれば、より一層、耐震性に優れた鋼管杭となる。
本発明者らは、上記した目的を達成するために、厚肉化しても、所望の、降伏強さYS：450MPa以上、引張強さTS：570MPa以上、好ましくは600MPa以上である高強度を保持した状態で、鋼管杭として十分な耐震性を確保する手段について、鋭意検討した。その結果、スパイラル鋼管の素材となる熱延鋼板のC含有量を、0.10質量％超0.20質量％以下の範囲に調整して、組織を、強度−靭性バランスに優れたベイニティックフェライト相を主相とし、第二相としてマルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上を合計で、体積率で10％以上50％未満を含む組織とすることが重要であることを知見した。なお、ここでいう「主相」とは、体積率で50％超えである相をいうものとする。
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は、つぎのとおりである。
（１）板厚5mm以上26mm以下の熱延鋼板を素材としたスパイラル鋼管からなる鋼管杭であって、該鋼管杭が、質量％で、C：0.10％超0.20％以下、Si：0.5％以下、Mn：0.2〜2.0％、P：0.05％以下、S：0.05％以下、Al：0.10％以下、N：0.01％以下を含み、さらに、Nb：0.10％以下、V：0.10％以下、Ti：0.10％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、ベイニティックフェライト相を主相とし、第二相としてマルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上を合計で、体積率で10％以上50％未満含む組織と、を有し、管軸方向の強度が、降伏強さYS：450MPa以上、引張強さTS：570MPa以上、降伏比YR：90％以下で、かつ管軸方向と直交する方向で、シャルピー衝撃試験の試験温度：0℃における吸収エネルギーvE0：27J以上を有することを特徴とする低降伏比高強度スパイラル鋼管杭。
（２）（１）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ca：0.005％以下を含有することを特徴とする低降伏比高強度スパイラル鋼管杭。
（３）熱延鋼板を素材としたスパイラル鋼管からなるスパイラル鋼管杭の製造方法であって、前記スパイラル鋼管が、板厚5 mm以上26mm以下の熱延鋼板をスパイラル状に加工しながら、前記熱延鋼板の端部同士を溶接してスパイラル鋼管としたものであり、かつ前記熱延鋼板が、質量％で、C：0.10％超0.20％以下、Si：0.5％以下、Mn：0.2〜2.0％、P：0.05％以下、S：0.05％以下、Al：0.10％以下、N：0.01％以下を含み、さらに、Nb：0.10％以下、V：0.10％以下、Ti：0.10％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼素材に、加熱温度：1100℃以上に加熱し、粗圧延と、仕上圧延終了温度：800℃以上とする仕上圧延とを施す熱延工程と、前記熱延工程終了後、さらに平均冷却速度：15〜30℃/ｓで、冷却停止温度：450〜600℃まで加速冷却し、コイル状に巻き取る冷却工程とを、順次施して製造された鋼板であることを特徴とする低降伏比高強度スパイラル鋼管の製造方法。
（４）（３）において、前記鋼素材の前記組成に加えてさらに、質量％で、Ca：0.005％以下を含有することを特徴とする低降伏比高強度スパイラル鋼管杭の製造方法。
（１）板厚5mm以上26mm以下の熱延鋼板を素材としたスパイラル鋼管からなる鋼管杭であって、該鋼管杭が、質量％で、C：0.10％超0.20％以下、Si：0.5％以下、Mn：0.2〜2.0％、P：0.05％以下、S：0.05％以下、Al：0.10％以下、N：0.01％以下を含み、さらに、Nb：0.10％以下、V：0.10％以下、Ti：0.10％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、ベイニティックフェライト相を主相とし、第二相としてマルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上を合計で、体積率で10％以上50％未満含む組織と、を有し、管軸方向の強度が、降伏強さYS：450MPa以上、引張強さTS：570MPa以上、降伏比YR：90％以下で、かつ管軸方向と直交する方向で、シャルピー衝撃試験の試験温度：0℃における吸収エネルギーvE0：27J以上を有することを特徴とする低降伏比高強度スパイラル鋼管杭。
（２）（１）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ca：0.005％以下を含有することを特徴とする低降伏比高強度スパイラル鋼管杭。
（３）熱延鋼板を素材としたスパイラル鋼管からなるスパイラル鋼管杭の製造方法であって、前記スパイラル鋼管が、板厚5 mm以上26mm以下の熱延鋼板をスパイラル状に加工しながら、前記熱延鋼板の端部同士を溶接してスパイラル鋼管としたものであり、かつ前記熱延鋼板が、質量％で、C：0.10％超0.20％以下、Si：0.5％以下、Mn：0.2〜2.0％、P：0.05％以下、S：0.05％以下、Al：0.10％以下、N：0.01％以下を含み、さらに、Nb：0.10％以下、V：0.10％以下、Ti：0.10％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼素材に、加熱温度：1100℃以上に加熱し、粗圧延と、仕上圧延終了温度：800℃以上とする仕上圧延とを施す熱延工程と、前記熱延工程終了後、さらに平均冷却速度：15〜30℃/ｓで、冷却停止温度：450〜600℃まで加速冷却し、コイル状に巻き取る冷却工程とを、順次施して製造された鋼板であることを特徴とする低降伏比高強度スパイラル鋼管の製造方法。
（４）（３）において、前記鋼素材の前記組成に加えてさらに、質量％で、Ca：0.005％以下を含有することを特徴とする低降伏比高強度スパイラル鋼管杭の製造方法。
本発明によれば、複雑な制御冷却等を施す必要もなく、また高価な合金元素を多量に含有する必要もなく、近年の厚肉化傾向にも対応できる肉厚26mmまでの厚肉の、耐震性に優れた高強度スパイラル鋼管杭を、容易に、しかも安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。
本発明高強度スパイラル鋼管杭は、熱延鋼板を素材とするスパイラル鋼管からなる鋼管杭である。なお、ここでいう「鋼板」には、鋼板、鋼帯を含むものとする。
本発明鋼管杭で使用されるスパイラル鋼管は、素材である熱延鋼板をスパイラル状に加工しながら、鋼板の端部同士を溶接して鋼管とする。なお、本発明では、スパイラル鋼管の製造方法はとくに限定する必要はなく、通常、公知のスパイラル鋼管の製造方法がいずれも適用できる。
スパイラル鋼管の素材として用いる熱延鋼板の板厚は、5mm以上26mm以下とする。鋼管杭は、土中に埋設して使用され、上部構造の柱からの反力を受けるため、素材として用いる熱延鋼板の板厚が5mm未満では、鋼管杭として十分に上部構造を支えられなくなる。一方、素材として用いる熱延鋼板の板厚が26mmを超えると、スパイラル状に曲げ加工するための設備が大型になりすぎ、経済的に不利となる。したがって、素材として用いる熱延鋼板の板厚は、5mm以上26mm以下に限定した。
本発明で、スパイラル鋼管の素材として用いる熱延鋼板は、質量％で、C：0.10％超0.20％以下、Si：0.5％以下、Mn：0.2〜2.0％、P：0.05％以下、S：0.05％以下、Al：0.10％以下、N：0.01％以下を含み、さらに、Nb：0.10％以下、V：0.10％以下、Ti：0.10％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有し、あるいはさらに、Ca：0.005％以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼板とする。
本発明で、スパイラル鋼管の素材として用いる熱延鋼板の組成限定理由について、まず説明する。以下、組成における質量％は、単に％と記す。
C：0.10％超0.20％以下
Cは、炭化物として析出し析出強化を介して、さらにマルテンサイト変態および／またはベイナイト変態に伴う変態強化を介して、強度増加に寄与する元素である。このような効果を得て所望の高強度を確保するためには、0.10％超の含有を必要とする。なお、0.10％超えるCの含有は、高価な合金元素の多量含有を必要とすることなく、変態強化により、降伏比の増加を伴うことなく強度増加に有効に寄与する。なお、熱間圧延後の冷却条件を適正化することにより、0.20％までのC増加に伴う悪影響を抑制することができる。一方、0.20％を超える含有は、溶接性を低下させ、溶接熱影響部特性を低下させる。また、0.20％を超えて添加すると必要以上に炭化物が析出し、降伏比が高くなる。このため、Cは0.10％超0.20％以下の範囲に限定した。なお、好ましくは0.12〜0.18％である。
Cは、炭化物として析出し析出強化を介して、さらにマルテンサイト変態および／またはベイナイト変態に伴う変態強化を介して、強度増加に寄与する元素である。このような効果を得て所望の高強度を確保するためには、0.10％超の含有を必要とする。なお、0.10％超えるCの含有は、高価な合金元素の多量含有を必要とすることなく、変態強化により、降伏比の増加を伴うことなく強度増加に有効に寄与する。なお、熱間圧延後の冷却条件を適正化することにより、0.20％までのC増加に伴う悪影響を抑制することができる。一方、0.20％を超える含有は、溶接性を低下させ、溶接熱影響部特性を低下させる。また、0.20％を超えて添加すると必要以上に炭化物が析出し、降伏比が高くなる。このため、Cは0.10％超0.20％以下の範囲に限定した。なお、好ましくは0.12〜0.18％である。
Si：0.5％以下
Siは、脱酸剤として作用する元素であり、このような効果を得るためには、0.05％以上含有することが望ましい。一方、0.5％を超える含有は、溶接時に溶接部で素材起因のSi酸化物が増加し、溶接部特性を低下させる。このため、Siは0.5％以下に限定した。なお、好ましくは0.35％以下である。
Siは、脱酸剤として作用する元素であり、このような効果を得るためには、0.05％以上含有することが望ましい。一方、0.5％を超える含有は、溶接時に溶接部で素材起因のSi酸化物が増加し、溶接部特性を低下させる。このため、Siは0.5％以下に限定した。なお、好ましくは0.35％以下である。
Mn：0.2〜2.0％
Mnは、焼入れ性向上を介して強度増加、靭性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.2％以上の含有を必要とする。一方、2.0％を超えて含有すると、焼入れ性が著しく高まり、鋼管杭として所望の靭性を確保できにくくなる。このためMnは0.2〜2.0％に限定した。なお、好ましくは1.0〜1.7％である。
Mnは、焼入れ性向上を介して強度増加、靭性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.2％以上の含有を必要とする。一方、2.0％を超えて含有すると、焼入れ性が著しく高まり、鋼管杭として所望の靭性を確保できにくくなる。このためMnは0.2〜2.0％に限定した。なお、好ましくは1.0〜1.7％である。
P：0.05％以下
Pは、鋼中では不可避的不純物として存在し、溶接性に悪影響を及ぼす元素であり、本発明ではできるだけ低減することが望ましい。しかし、過度の低減は、精錬コストの高騰を招く。鋼管杭として必要な溶接性の観点からは、0.05％までは許容できる。このため、Pは0.05％以下に限定した。なお、好ましくは0.03％以下である。
Pは、鋼中では不可避的不純物として存在し、溶接性に悪影響を及ぼす元素であり、本発明ではできるだけ低減することが望ましい。しかし、過度の低減は、精錬コストの高騰を招く。鋼管杭として必要な溶接性の観点からは、0.05％までは許容できる。このため、Pは0.05％以下に限定した。なお、好ましくは0.03％以下である。
S：0.05％以下
Sは、鋼中では硫化物系介在物として存在し、とくに粗大なMnSとなりやすい。粗大なMnSは、脆性破壊の起点として作用し、靭性を低下させる要因となる。このことから、本発明ではSは、できるだけ低減することが望ましい。しかし、過度の低減は精錬コストの高騰を招く。鋼管杭として必要な靭性という観点からは、0.05％までは許容できる。このため、Sは0.05％以下に限定した。なお、好ましくは0.01％以下である。
Sは、鋼中では硫化物系介在物として存在し、とくに粗大なMnSとなりやすい。粗大なMnSは、脆性破壊の起点として作用し、靭性を低下させる要因となる。このことから、本発明ではSは、できるだけ低減することが望ましい。しかし、過度の低減は精錬コストの高騰を招く。鋼管杭として必要な靭性という観点からは、0.05％までは許容できる。このため、Sは0.05％以下に限定した。なお、好ましくは0.01％以下である。
Al：0.10％以下
Alは、脱酸剤として作用する元素であり、このような効果を得るためには、0.01％以上含有することが望ましいが、0.10％を超える含有は、鋼の清浄度が低下し、靭性を低下させる。このため、Alは0.10％以下に限定した。なお、好ましくは0.01〜0.05％である。
Alは、脱酸剤として作用する元素であり、このような効果を得るためには、0.01％以上含有することが望ましいが、0.10％を超える含有は、鋼の清浄度が低下し、靭性を低下させる。このため、Alは0.10％以下に限定した。なお、好ましくは0.01〜0.05％である。
N：0.01％以下
Nは、Alと結合しAlNを形成し、結晶粒の微細化を介して靭性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.001％以上含有することが望ましいが、0.01％を超える含有は、靭性を低下させる。このため、Nは0.01％以下に限定した。なお、好ましくは0.005％以下である。
Nは、Alと結合しAlNを形成し、結晶粒の微細化を介して靭性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.001％以上含有することが望ましいが、0.01％を超える含有は、靭性を低下させる。このため、Nは0.01％以下に限定した。なお、好ましくは0.005％以下である。
Nb：0.10％以下、V：0.10％以下、Ti：0.10％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Nb、V、Tiはいずれも、炭化物を形成し析出強化により強度増加に寄与するとともに、窒化物を形成し結晶粒微細化を介して組織の微細化により靭性向上に寄与する元素であり、選択して１種または２種以上を含有する。
Nb、V、Tiはいずれも、炭化物を形成し析出強化により強度増加に寄与するとともに、窒化物を形成し結晶粒微細化を介して組織の微細化により靭性向上に寄与する元素であり、選択して１種または２種以上を含有する。
Nbは、炭化物、窒化物、あるいは炭窒化物を形成し、析出強化、および結晶粒微細化を介した組織の微細化により、強度増加と靭性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.005％以上含有することが望ましい。一方、0.10％を超える含有は、硬化した第二相量が増加しやすくなり、靭性が低下しやすい。このため、含有する場合には、Nbは0.10％以下に限定した。なお、好ましくは0.005〜0.05％である。
Vは、炭化物、窒化物、あるいは炭窒化物を形成し、析出強化、および結晶粒微細化を介した組織の微細化により、強度増加と靭性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.005％以上含有することが望ましいが、0.10％を超える含有は、硬化した第二相量が増加しやすくなり、靭性が低下しやすい。このため、含有する場合には、Vは0.10％以下に限定した。なお、好ましくは0.005〜0.05％である。
Tiは炭化物、窒化物、あるいは炭窒化物を形成し、析出強化、および結晶粒微細化を介した組織の微細化により、強度増加と靭性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.005％以上含有することが望ましいが、0.10％を超える含有は、硬化した第二相量が増加しやすくなり、靭性が低下しやすい。このため、含有する場合には、Tiは0.10％以下に限定した。なお、好ましくは0.005〜0.05％である。
上記した成分が基本の成分であるが、この基本組成に加えてさらに、必要に応じて、Ca：0.005％以下を含有できる。
Ca：0.005％以下
Caは、MnS等の硫化物の形態を、伸長した形態から球状の形態に制御する元素であり、必要に応じて選択して含有できる。このような効果を得るためには、0.0005％以上含有こることが望ましい。一方、0.005％を超える含有は、Ca酸化物、Ca硫化物が過剰になり、靭性劣化に繋がる。このため、含有する場合には、Caは0.005％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.0005〜0.002％である。
Caは、MnS等の硫化物の形態を、伸長した形態から球状の形態に制御する元素であり、必要に応じて選択して含有できる。このような効果を得るためには、0.0005％以上含有こることが望ましい。一方、0.005％を超える含有は、Ca酸化物、Ca硫化物が過剰になり、靭性劣化に繋がる。このため、含有する場合には、Caは0.005％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.0005〜0.002％である。
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。なお、不可避的不純物としては、O（酸素）：0.008％以下、さらにCu、Ni、Cr、Mo、Sn、Mg、Co、As、Pb、Ta、Wを、それぞれ0.1％以下の範囲まで含有してもよい。なお、より好ましくは、Cu、Ni、Cr、Mo、Sn、Mg、Co、As、Pb、Ta、Wを、それぞれ0.03％以下に制限する。
本発明で、スパイラル鋼管の素材として用いる熱延鋼板は、上記した組成を有し、かつ、ベイニティックフェライト相を主相とし、第二相としてマルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上を合計で、体積率で10％以上50％未満含む組織を有する。なお、ここでいう「主相」とは、体積率で50％超えである相をいう。また、主相以外は、第二相である。「第二相」は必ずしも１つの相（および組織）でなくてもよく、複数の相（および組織）からなっていてもよい。
主相：ベイニティックフェライト
本発明スパイラル鋼管杭における高強度、高靭性を確保するためには、素材となる熱延鋼板の組織をベイニティックフェライトを主相とする組織とする必要がある。なお、ここでいう「主相」とは、組織全体に対する体積率で50％超えである場合をいう。ベイニティックフェライトの組織分率が、組織全体に対する体積率で90％以上では、マルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上を合計で、体積率で10％以上を確保できなくなる。このため、ベイニティックフェライトの組織分率が、組織全体に対する体積率で50％超え90％以下とした。なお、「ベイニティックフェライト」には、ベイニティックフェライト（BF）以外に、アシキュラーフェライト、ウッドマンステッテン状フェライト、針状フェライト、フェライトも含む。
本発明スパイラル鋼管杭における高強度、高靭性を確保するためには、素材となる熱延鋼板の組織をベイニティックフェライトを主相とする組織とする必要がある。なお、ここでいう「主相」とは、組織全体に対する体積率で50％超えである場合をいう。ベイニティックフェライトの組織分率が、組織全体に対する体積率で90％以上では、マルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上を合計で、体積率で10％以上を確保できなくなる。このため、ベイニティックフェライトの組織分率が、組織全体に対する体積率で50％超え90％以下とした。なお、「ベイニティックフェライト」には、ベイニティックフェライト（BF）以外に、アシキュラーフェライト、ウッドマンステッテン状フェライト、針状フェライト、フェライトも含む。
マルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上：合計で、体積率で10％以上50％未満
本発明スパイラル鋼管杭における所望の高強度を降伏比の増加を伴うことなく、確保するために、マルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上を合計で、体積率で10％以上含有する必要がある。マルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上が合計で、10％未満では、所望の高強度（好ましくはTS：600MPa以上）を確保したうえで、スパイラル鋼管杭の軸方向の降伏比を90％以下、好ましくは85％以下に抑えることができない。なお、マルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上が合計で50％以上になると、強度が増加しすぎて、靭性が低下するうえ、スパイラル鋼管杭の軸方向の降伏比を90％以下に抑えることができない。このようなことから、マルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上は、合計で、体積率で10％以上50％未満に限定した。なお、好ましくは10〜40％である。マルテンサイトには、焼戻マルテンサイト、島状マルテンサイトをも含むものとする。
本発明スパイラル鋼管杭における所望の高強度を降伏比の増加を伴うことなく、確保するために、マルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上を合計で、体積率で10％以上含有する必要がある。マルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上が合計で、10％未満では、所望の高強度（好ましくはTS：600MPa以上）を確保したうえで、スパイラル鋼管杭の軸方向の降伏比を90％以下、好ましくは85％以下に抑えることができない。なお、マルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上が合計で50％以上になると、強度が増加しすぎて、靭性が低下するうえ、スパイラル鋼管杭の軸方向の降伏比を90％以下に抑えることができない。このようなことから、マルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上は、合計で、体積率で10％以上50％未満に限定した。なお、好ましくは10〜40％である。マルテンサイトには、焼戻マルテンサイト、島状マルテンサイトをも含むものとする。
なお、上記したマルテンサイト相、ベイナイト相、パーライト以外に第二相として含有しうる組織としては、ポリゴナルフェライト、セメンタイトが挙げられるが、これらの組織は必ずしも含有しなくてもよく、含有したとしても、強度および低降伏比を確保するという観点から合計で10％以下に限定することが好ましい。
本発明高強度スパイラル鋼管杭は、上記した板厚、組成、組織を有する熱延鋼板を素材としたスパイラル鋼管からなり、上記した組成、上記した組織を有し、管軸方向の強度が、降伏強さYS：450MPa以上、引張強さTS：570MPa以上、降伏比YR：90％以下で、かつ管軸方向と直交する方向で、シャルピー衝撃試験の試験温度：0℃における吸収エネルギーvE0：27J以上を有する。
なお、スパイラル鋼管は、上記した板厚、組成、組織の熱延鋼板を用いて、該熱延鋼板をスパイラル状に加工しながら、鋼板の端部同士を溶接して鋼管とする。なお、本発明では、スパイラル鋼管の製造方法はとくに限定する必要はなく、通常、公知のスパイラル鋼管の製造方法がいずれも適用できる。接合方法としては、サブマージアーク溶接とすることが生産効率の観点から好ましい。
次に、スパイラル鋼管の素材となる熱延鋼板の製造方法について説明する。
スパイラル鋼管の素材となる板厚5mm以上26mm以下の熱延鋼板は、上記した組成を有するスラブ等の鋼素材を、加熱し、粗圧延と仕上圧延とからなる熱間圧延を施し、仕上圧延終了後、所定の冷却速度以上で冷却する加速冷却を施し、巻き取ることにより製造される。
なお、鋼素材の製造方法はとくに限定する必要はなく、転炉、電気炉等の常用の溶製方法がいずれも適用できる。なお、溶製後、偏析等の問題から連続鋳造法でスラブ等の鋼素材とすることが好ましい。連続鋳造法に代えて、造塊−分塊圧延法、薄スラブ連鋳法等の鋳造方法を用いてもよいことはいうまでもない。
ついで、得られた鋼素材に、熱延工程と、冷却工程とを、順次施す。
熱延工程では、まず鋼素材を、加熱温度：1100℃以上に加熱する。
加熱温度：1100℃以上
本発明で使用する鋼素材には、炭化物形成元素として、Nb、V、Tiのうちから選ばれた１種以上を含有する。これら合金元素の炭化物を利用して十分な析出強化を得るためには、鋼素材中に生成したこれら粗大な炭化物を一旦溶解させる必要がある。このため、加熱温度は1100℃以上に限定する。加熱温度が1100℃未満では炭化物が未固溶となり、所望の高強度を確保できなくなる。一方、加熱温度が過剰に高くなると、組織が粗大化する等の問題が献念されるため、1300℃以下とすることが好ましい。
本発明で使用する鋼素材には、炭化物形成元素として、Nb、V、Tiのうちから選ばれた１種以上を含有する。これら合金元素の炭化物を利用して十分な析出強化を得るためには、鋼素材中に生成したこれら粗大な炭化物を一旦溶解させる必要がある。このため、加熱温度は1100℃以上に限定する。加熱温度が1100℃未満では炭化物が未固溶となり、所望の高強度を確保できなくなる。一方、加熱温度が過剰に高くなると、組織が粗大化する等の問題が献念されるため、1300℃以下とすることが好ましい。
加熱された鋼素材に、粗圧延と、仕上圧延終了温度：800℃以上とする仕上圧延とを施す。
仕上圧延終了温度：800℃以上
粗圧延は、とくにその条件を限定する必要はなく、常用の粗圧延条件がいずれも適用できる。一方、仕上圧延は、仕上圧延終了温度：800℃以上とする圧延とする。仕上圧延終了温度が800℃未満では、圧延負荷の増大を招くうえ、圧延中にフェライト相が生成し、所望の高強度を確保できない場合がある。このため、仕上圧延終了温度は800℃以上に限定する。なお、好ましくは800〜890℃である。
粗圧延は、とくにその条件を限定する必要はなく、常用の粗圧延条件がいずれも適用できる。一方、仕上圧延は、仕上圧延終了温度：800℃以上とする圧延とする。仕上圧延終了温度が800℃未満では、圧延負荷の増大を招くうえ、圧延中にフェライト相が生成し、所望の高強度を確保できない場合がある。このため、仕上圧延終了温度は800℃以上に限定する。なお、好ましくは800〜890℃である。
冷却工程では、熱延工程終了後、直ちに好ましくは3ｓ以内に冷却を開始し、平均冷却速度：15〜30℃/ｓで、冷却停止温度：450〜600℃まで加速冷却し、コイル状に巻き取る。
平均冷却速度：15〜30℃/ｓ
平均冷却速度が、15℃/s未満では、ポリゴナルフェライト相の生成が著しくなり、所望のベイニティックフェライト相を主相とする組織を確保することが難しくなる。一方、30℃/sを超えると、マルテンサイト相あるいはベイナイト相の生成が多くなりすぎて、所望の組織を確保できなくなる。このようなことから、冷却工程における平均冷却速度は15〜30℃/ｓの範囲に限定する。なお、より好ましくは15〜25℃/ｓである。ここでいう平均冷却速度は、仕上圧延終了温度から冷却停止温度までの温度域における平均冷却速度である。また、これら温度は、鋼板の板厚1/2位置での値である。
平均冷却速度が、15℃/s未満では、ポリゴナルフェライト相の生成が著しくなり、所望のベイニティックフェライト相を主相とする組織を確保することが難しくなる。一方、30℃/sを超えると、マルテンサイト相あるいはベイナイト相の生成が多くなりすぎて、所望の組織を確保できなくなる。このようなことから、冷却工程における平均冷却速度は15〜30℃/ｓの範囲に限定する。なお、より好ましくは15〜25℃/ｓである。ここでいう平均冷却速度は、仕上圧延終了温度から冷却停止温度までの温度域における平均冷却速度である。また、これら温度は、鋼板の板厚1/2位置での値である。
冷却停止温度：450〜600℃
冷却停止温度が、600℃を超えて高温となると、所望のベイニティックフェライト相を主相とする組織を確保することが難しくなる。一方、450℃未満では、マルテンサイト相あるいはベイナイト相の生成が多くなりすぎて、所望の組織を確保できなくなる。このようなことから、冷却停止温度は450〜600℃の範囲の温度に限定する。なお、好ましくは500〜590℃である。ここでいう冷却停止温度は表面での温度とする。
冷却停止温度が、600℃を超えて高温となると、所望のベイニティックフェライト相を主相とする組織を確保することが難しくなる。一方、450℃未満では、マルテンサイト相あるいはベイナイト相の生成が多くなりすぎて、所望の組織を確保できなくなる。このようなことから、冷却停止温度は450〜600℃の範囲の温度に限定する。なお、好ましくは500〜590℃である。ここでいう冷却停止温度は表面での温度とする。
冷却を停止したのち、コイル状に巻き取り、スパイラル鋼管の素材とする。
以下、さらに実施例に基づいて、さらに詳細に、本発明について説明する。
表１に示す組成の溶鋼を転炉で溶製し、連続鋳造法で、スラブ（鋼素材）（肉厚：220mm）としたのち、該スラブに、表２に示す条件で、加熱工程、熱延工程、冷却工程、巻取工程を順次施し、表２に示す板厚の熱延鋼板（鋼帯）とした。得られた熱延鋼板（鋼帯）を所定の幅にスリット加工し、スパイラル鋼管用素材とした。
ついで、これらスパイラル鋼管用素材である熱延鋼板をスパイラル状に加工しながら、鋼板の端部同士を溶接して、スパイラル鋼管（外径：1000mmφ）とし、鋼管杭とした。
得られた鋼管杭から、試験片を採取し、組織観察、引張試験、衝撃試験を実施した。試験方法はつぎのとおりとした。
（１）組織観察
得られた鋼管杭から、組織観察用試験片を採取し、管軸方向（L方向）断面が観察面となるように、研磨し、腐食（ナイタール液腐食）し、光学顕微鏡（倍率：400倍）および走査型電子顕微鏡（倍率：2000倍）により、組織を観察し、組織の同定およびその分率（体積率）を測定した。
（２）引張試験
得られた鋼管杭から、引張方向が管軸方向となるように、引張試験片（JIS 12号C引張試験片）を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性（降伏強さYS、引張強さTS、降伏比YR（＝YS/TS×100％））を求めた。
（３）衝撃試験
得られた鋼管杭から、試験片長手方向が管軸方向と直交する方向（C方向）となるようにVノッチ試験片を採取し、JIS Z 2242の規定に準拠して衝撃試験を試験温度：0℃で行い、吸収エネルギーvE0を求めた。なお、試験は各３本ずつ行い、それらの平均値をその鋼管杭の吸収エネルギーvE0とした。
（１）組織観察
得られた鋼管杭から、組織観察用試験片を採取し、管軸方向（L方向）断面が観察面となるように、研磨し、腐食（ナイタール液腐食）し、光学顕微鏡（倍率：400倍）および走査型電子顕微鏡（倍率：2000倍）により、組織を観察し、組織の同定およびその分率（体積率）を測定した。
（２）引張試験
得られた鋼管杭から、引張方向が管軸方向となるように、引張試験片（JIS 12号C引張試験片）を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性（降伏強さYS、引張強さTS、降伏比YR（＝YS/TS×100％））を求めた。
（３）衝撃試験
得られた鋼管杭から、試験片長手方向が管軸方向と直交する方向（C方向）となるようにVノッチ試験片を採取し、JIS Z 2242の規定に準拠して衝撃試験を試験温度：0℃で行い、吸収エネルギーvE0を求めた。なお、試験は各３本ずつ行い、それらの平均値をその鋼管杭の吸収エネルギーvE0とした。
得られた結果を表３に示す。
本発明例はいずれも、所望の高強度を十分満足する、降伏強さYS：480MPa以上、引張強さTS：600MPa以上の高強度と、YR：90％以下を十分に満足するYR：85％以下の低降伏比と、所望の靭性vE0：27Ｊ以上を十分に満足するvE0：140Ｊ以上の高靭性を有し、耐震性に優れたスパイラル鋼管杭となっている。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、所望の高強度が確保できていないか、あるいは降伏比が高いか、あるいは靭性が低いかして、所望の耐震性を確保できていない。
Claims (4)
- 板厚5mm以上26mm以下の熱延鋼板を素材としたスパイラル鋼管からなる鋼管杭であって、
該鋼管杭が、質量％で、
C ：0.10％超0.20％以下、 Si：0.5％以下、
Mn：0.2〜2.0％、 P ：0.05％以下、
S ：0.05％以下、 Al：0.10％以下、
N ：0.01％以下
を含み、さらに、Nb：0.10％以下、V：0.10％以下、Ti：0.10％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、
ベイニティックフェライト相を主相とし、第二相としてマルテンサイト相、ベイナイト相、パーライトのうちの１種または２種以上を合計で、体積率で10％以上50％未満含む組織と、を有し、
管軸方向の強度が、降伏強さYS：450MPa以上、引張強さTS：570MPa以上、降伏比YR：90％以下で、かつ管軸方向と直交する方向で、シャルピー衝撃試験の試験温度：0℃における吸収エネルギーvE0：27J以上を有することを特徴とする低降伏比高強度スパイラル鋼管杭。 - 前記組成に加えてさらに、質量％で、Ca：0.005％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の低降伏比高強度スパイラル鋼管杭。
- 熱延鋼板を素材としたスパイラル鋼管からなるスパイラル鋼管杭の製造方法であって、
前記スパイラル鋼管が、板厚5 mm以上26mm以下の熱延鋼板をスパイラル状に加工しながら、前記熱延鋼板の端部同士を溶接してスパイラル鋼管としたものであり、かつ
前記熱延鋼板が、質量％で、
C ：0.10％超0.20％以下、 Si：0.5％以下、
Mn：0.2〜2.0％、 P ：0.05％以下、
S ：0.05％以下、 Al：0.10％以下、
N ：0.01％以下
を含み、さらに、Nb：0.10％以下、V：0.10％以下、Ti：0.10％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼素材に、加熱温度：1100℃以上に加熱し、粗圧延と、仕上圧延終了温度：800℃以上とする仕上圧延とを施す熱延工程と、前記熱延工程終了後、さらに平均冷却速度：15〜30℃/ｓで、冷却停止温度：450〜600℃まで加速冷却し、コイル状に巻き取る冷却工程とを、順次施して製造された鋼板であることを特徴とする低降伏比高強度スパイラル鋼管の製造方法。 - 前記鋼素材の前記組成に加えてさらに、質量％で、Ca：0.005％以下を含有することを特徴とする請求項３に記載の低降伏比高強度スパイラル鋼管杭の製造方法。
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