JP2018053281A

JP2018053281A - 角形鋼管

Info

Publication number: JP2018053281A
Application number: JP2016187750A
Authority: JP
Inventors: 市川　和利; Kazutoshi Ichikawa; 和利市川; 昌毅溝口; Masatake Mizoguchi; 鈴木　孝彦; Takahiko Suzuki; 孝彦鈴木; 竹内　一郎; Ichiro Takeuchi; 一郎竹内; 良介雜喉; Ryosuke Zako
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp; Nippon Steel and Sumikin Metal Products Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Metal Products Co Ltd
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: JP6807690B2

Abstract

【課題】角部の外面の曲率半径が鋼板の板厚ｔの２．５倍未満であって、角部の靱性が良好な角形鋼管を提供する。
【解決手段】成分組成は、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．２％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１％を含有し、Ｎ：０．００５％以下に制限し、残部がＦｅ及び不純物からなり、炭素当量Ｃｅｑが０．４２以下であり、金属組織は、フェライトの面積率が４０％以上、残部は硬質相からなり、前記フェライトの平均結晶粒径は２０μｍ以下であり、前記硬質相の板厚方向の平均結晶粒径は１０μｍ以下であり、前記平板部分の板厚ｔが１５〜５０ｍｍ、全伸びが２１％以上であり、前記角部は、外面の曲率半径が２．５ｔ未満であり、２５０℃で１時間保持する時効処理を施した後の０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが７０Ｊ以上であることを特徴とする角形鋼管。
【選択図】なし

Description

本発明は、角形鋼管に関するものである。

冷間プレス成形で製造される角形鋼管は、一般に、鋼板を冷間加工によりコの字形状に曲げて２つの部材を形成、または1枚の鋼板を箱型に曲げた後、端部同士を突き合わせて溶接することにより製造する。鋼板を９０°に曲げて形成した角部の曲率半径を小さくすれば、角形鋼管の幅や厚さを変えることなく、断面積や断面係数、断面二次モーメントを大きくすることができ、角形鋼管の荷重支持能力や変形抵抗能力を向上させることができる。曲げ荷重に対しては、単位質量当たりの荷重支持能力と変形抵抗能力も増加させることができる。さらには、角部の曲率が冷間プレス成形で製造される角形鋼管よりも小さい冷間ロール成形で製造される角形鋼管との接合も容易になる。

一方、プレスによる曲げ成形で角形鋼管を製造する場合は、冷間ロール成形に比べて、角部の曲率半径を小さくすることが難しい。更に、高強度鋼板を用いて角形鋼管を製造する場合、９０°曲げを行うと角部に表面疵が発生したり、角部の靱性が劣化する等の問題がある。これらの問題に対し、例えば、特許文献１では、所定の化学組成を有する鋼に適切な焼き入れ及び焼き戻し処理を施すことにより、角形鋼管に加工する際の表面疵の発生を抑制する鋼板及びその製造方法が提案されている。

また、特許文献２では、鋼板の化学成分組成を適正に調整すると共に、ミクロ組織中のベイナイトの面積分率を適切に制御し、且つ各部に応じた特性を規定することによって、冷間加工ままの状態で所定の強度（３５５ＭＰａ以上の降伏強度、５２０ＭＰａ以上の引張強度）と、低降伏比の両立を達成すると共に、角部における高い衝撃吸収特性と組成変形能を確保する角形鋼管が提案されている。

また、特許文献３では、鋼板の熱間圧延をＡｒ_３点以上の温度で行い、その後室温以上７００℃以下まで、冷間成形後の辺部に対応する部位に対しては板厚中心の冷却速度が１℃／ｓ以上５０℃／ｓ以下の加速冷却を行い、角部に対応する部位に対しては、前記辺部よりも３０％以上遅い冷却速度に調整することにより、各部位の材質差を低減する角形コラム用鋼板の製造方法が開示されている。

また、特許文献４では、炭素当量、溶接割れ感受性組成、溶接熱影響部靭性指標が所定の範囲内になるように鋼板の化学成分組成を調整して鋼板の金属組織及び結晶粒の粒径を制御している。更に、降伏強さ、引張強さ、降伏比、および一様伸びと、更に２ｍｍＶノッチシャルピー値、特に−４０℃および−１０℃でのシャルピー値を一定の水準に設定している。特許文献４では、これらの条件によって、角形鋼管の端部と相手材との溶接部の靭性を保持し、大きな曲げモーメントが発生した際に応力集中に伴う溶接部からの脆性破壊のおそれを少なくし得る角形鋼管用厚鋼板が提案されている。

特開２０１３−１４８１６号公報特開２０１１−９４２１４号公報特開２００１−２５４１２２号公報特開２０１６−１１４３９号公報

特許文献１〜４に記載の発明によれば、所定の強度を備え且つ角形鋼管に加工する際の表面疵の発生を抑制する角形鋼管を製造することは可能である。しかし、特許文献１〜４には、角部の外面の曲率半径を鋼板の板厚ｔの２．５倍未満に形成することによって、角形鋼管の断面係数と断面二次モーメントを大きくして、曲げ荷重に対する単位質量当たりの荷重支持能力と変形抵抗能力を向上させるという技術的思想が開示も示唆も一切なされていない。

また、角形鋼管の角部の曲率半径を小さくすると、頂部が大きく変形するので、角部の表面疵の発生や靱性の劣化がする割れが問題になる。特に、鋼板の板厚が増加すると靱性が低下するため、板厚が５０ｍｍ程度になると角形鋼管の角部の靱性低下が顕著になる。

本発明が解決しようとする課題は、角部の外面の曲率半径が鋼板の板厚ｔの２．５倍未満であって、角部の靱性が良好な降伏強度で２９５Ｎ／ｍｍ^２級や３２５Ｎ／ｍｍ^２級などの角形鋼管を提供することである。

また、本発明が解決しようとする課題は、角部の外面の曲率半径が２．５ｔ未満になるように鋼板にプレス曲げ加工を行って製造しても、外気温０℃のような厳しい環境下において角形鋼管の角部の外面に割れを生じない単位質量当たりの断面係数と断面二次モーメントが高い角形鋼管を提供することである。

本発明者らは、厚板の熱加工制御プロセス（THERMO-MECHANICAL CONTROL PROCESS、以下、「ＴＭＣＰ」という。）及び造船用高延性鋼の厚板の伸び改善技術に着目し、鋼板の金属組織の硬質相及びフェライトの平均結晶粒径を制御することにより、鋼板の曲げ加工時の製造歩留まりや曲げ部の機械的性質を向上できることを見出した。

本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

［１］平板部分と角部とからなる角形鋼管において、成分組成は、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％を含有し、Ｎ：０．００５％以下に制限し、残部がＦｅ及び不純物からなり、下記式（１）によって求められる炭素当量Ｃｅｑが０．４２以下であり、金属組織は、面積率で４０％以上のフェライトと残部が硬質相からなり、前記硬質相は、パーライト、島状マルテンサイト、セメンタイト及びフェライトサイドプレートの１種又は２種以上からなり、前記フェライトの平均結晶粒径は２０μｍ以下であり、前記硬質相の板厚方向の平均結晶粒径は１０μｍ以下であり、前記平板部分の板厚ｔが１５〜５０ｍｍ、全伸びが２１％以上であり、前記角部は、外面の曲率半径が２．５ｔ未満であり、２５０℃で１時間保持する時効処理を施した後の０℃における角部のシャルピー吸収エネルギーが７０Ｊ以上であることを特徴とする角形鋼管。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）/１５＋（Ｖ＋Ｍｏ＋Ｃｒ）／５・・・（１）
［２］前記硬質相のうち、パーライトの面積率が２０〜４０％であることを特徴とする上記［１］に記載の角形鋼管。
［３］成分組成は、質量％で、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００５％以下に制限することを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の角形鋼管。
［４］成分組成は、更に、質量％で、Ｎｂ：０．１０％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｚｒ：０．０５％以下、Ｔａ：０．１０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｂ：０．００５０％以下の１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記［１］〜［３］の何れかに記載の角形鋼管。
［５］成分組成は、更に、質量％で、Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下、ＲＥＭ：０．０５％以下の１種又は２種以上を含有することを特徴とする［１］〜［４］の何れかに記載の角形鋼管。

本発明によれば、角部の外面の曲率半径が２．５ｔ未満になるように、鋼板のプレス曲げ加工を行うことにより角形鋼管を製造することができる。また、本発明の角形鋼管は、外気温０℃のような厳しい環境下であってもその角部の外面に割れを生じないので、製造時期や予熱などを検討する必要が無く、生産効率が向上する。

角形鋼管の平坦部における試験片の採取位置を模式的に示す図である。角形鋼管の角部における試験片の採取位置を模式的に示す図である。

本発明の角形鋼管は、平板部分の全伸びが２１％以上であり、角部の外面の曲率半径が２．５ｔ未満であり、２５０℃で１時間保持する時効処理を施した後の０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが７０Ｊ以上である。本発明の角形鋼管は、鋼板をコの字状、または箱型に冷間曲げ加工し、端部同士を突き合わせて溶接して製造され、断面形状は略正方形であり、４つの角部を有し、角部を繋ぐ平坦部のうち、一辺と対向する他片とに溶接部を有している。
まず、本発明の角形鋼管の組成限定理由について説明する。なお、特に断わらない限り質量％は、単に％で記す。

Ｃ：０．０５〜０．２０％
Ｃは、強度の向上に有効である。Ｃ量を増やすことによって、鋼の強度を高めることができるため、Ｃの含有量の下限を０．０５％とする。一方、Ｃ量が０．２０％を超えると、硬質相が増加して鋼の強度が高くなりすぎ、また、例えば、２５０℃で１時間保持する時効処理を施した後など、ひずみ時効による影響が大きくなり、靭性を劣化させるので、上限を０．２０％とする。また、強度を確保する観点から、Ｃ量の下限を好ましくは０．１０％以上にするとよい。強度を過剰に上昇させず、靱性を確保する観点からは、Ｃ量の上限を好ましくは０．１７％、より好ましくは０．１６％、確実に靭性を確保するためには０．１４％以下にすることが好ましい。

Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは、脱酸剤として有効である。脱酸剤としての効果を得るためには、Ｓｉ量は０．０５％以上が好ましい。また、Ｓｉは固溶強化によって強度を高める元素であるので、Ｓｉ量は０．１０％以上が好ましい。Ｓｉ量は、１．０％を超えると、靭性を損なうので、上限を１．０％とする。靱性を確保する観点からは、Ｓｉ量を０．５０％以下にすることが好ましく、０．３０％以下がより好ましい。

Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高める元素である。本発明では、強度及び靱性を確保するために、０．５％以上のＭｎを含有させる。しかし、Ｍｎ量が過剰になると、強度が過度に高くなり、靱性が劣化するので、上限を２．０％とする。強度を確保する観点からは、Ｍｎ量を１．０％以上にすることが好ましい。靱性を確保する観点からは、Ｍｎ量を１．５％以下にすることが好ましい。

Ａｌ：０．００１〜０．１０％
Ａｌは、脱酸剤として有効である。脱酸剤としての効果を得るためには、０．００１％以上のＡｌを含有させることが好ましい。脱酸の効果を高めるためには、Ａｌ量は０．００５％以上が好ましく、０．０１％以上がより好ましい。Ａｌ量は、０．１０％を超えると、介在物が増加して、延性や靭性を損なうので、０．１０％以下に制限する。靱性を確保する観点からは、Ａｌ量を０．０６％以下にすることが好ましい。

Ｎ：０．００５％以下
Ｎは不可避的に鋼中に存在するが、Ｎ量が多すぎると、ＴｉＮやＡｌＮが過度に増大して表面疵、角部形成後の靱性劣化等の弊害が生じるおそれがある。これに加えて、例えば、２５０℃で１時間保持する時効処理を施した後など、ひずみ時効後の靭性を劣化させるので、上限を０．００５％とする。さらに、介在物の生成を抑制する観点から、Ｎ量の上限は、好ましくは０．００４％である。下限は特に設定しないが、脱Ｎのコストや経済性を考慮し、０．００１％とすることが好ましい。

Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、不純物であり、含有量の上限を０．０２％とする。Ｐ量の低減により、靭性が向上することから、Ｐ量は０．０１５％以下が好ましく、０．０１０％以下がより好ましい。Ｐ量は少ない方が好ましいので、下限は設けない。特性とコストのバランスから、通常は、０．００１％以上が含有される。

Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、不純物であり、含有量の上限を０．００５％とする。Ｓ量の低減により、熱間圧延によって延伸化するＭｎＳを低減し、靭性を向上させることができることから、Ｓ量は０．００３％以下が好ましく、０．００２％以下がより好ましい。Ｓ量は少ない方が好ましいので、下限は設けない。特性とコストのバランスから、通常は、０．０００１％以上が含有される。

本発明においては、さらに、炭窒化物の形成、鋼の焼入れ性の向上や介在物の形態制御により、強度や靱性を高めるために、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭの１種又は２種以上を含有させることができる。以下の説明において好ましい下限値を記載するが、各元素の含有量が好ましい下限値未満であっても、鋼の特性に悪影響は及ぼさない。

Ｎｂ：０．１０％以下
Ｎｂは、再結晶温度を低下させる元素であり、熱間圧延を行う際に、オーステナイトの再結晶を抑制して組織の微細化に寄与するので、０．００１％以上を含有させてもよい。Ｎｂ量が０．１０％を超えると粗大な析出物によって靭性が劣化することがあるので、０．１０％以下が好ましい。靭性確保の観点から、上限は０．０７％にすることが好ましく、より好ましい上限は、０．０５％である。一方、下限は組織微細化効果を確実にするため、下限は、好ましくは０．００５％、より好ましくは０．０１％、さらに好ましくは０．０２％とするとよい。

Ｖ：０．５０％以下
Ｖは、炭化物、窒化物を生成し、析出強化によって鋼の強度を向上させる元素であり、強度を効果的に上昇させるために、０．０１％以上を含有させることが好ましい。Ｖを過剰に添加すると、炭化物及び窒化物が粗大化し、靭性の劣化をもたらすことがあるため、Ｖ量の上限は０．５０％が好ましく、さらに好ましくは０．１０％とする。

Ｔｉ：０．０５％以下
Ｔｉは、Ｎと結合してＴｉＮとしてスラブ中に微細に析出し、加熱時のオーステナイト粒の粗大化を抑制するので、圧延組織の微細化に有効である。また、ＴｉＮが鋼中に存在すると、溶接時に熱影響部の粗大化を抑制する。このため、Ｔｉは母材及び溶接部の靭性を改善する上で有用な元素である。これらの効果を得るためにＴｉの含有量を０．００５％以上にすることが好ましい。より好ましくはＴｉ量を０．０１０％以上とする。一方、０．０５％を超えてＴｉを含有させると溶接部の靭性を劣化させため、Ｔｉ含有量は０．０５％以下が好ましい。より好ましくはＴｉ量を０．０３０％以下、さらに好ましくは０．０２０％以下とする。

Ｚｒ：０．０５％以下
Ｚｒは、ＮｂやＴｉなどと同様に炭窒化物を形成してＣｒ炭窒化物の形成を抑制し耐食性を向上させるため、必要に応じて０．０１％以上で添加する。また、０．０５％を超えて含有させてもその効果は飽和し、大型酸化物の形成により表面疵の原因になることがあるため、０．０５％以下を添加することが好ましい。Ｔｉ，Ｎｂに較べると高価な元素でありため製造コストを考慮すると、Ｚｒの下限を０．０２％とし、上限を０．０５％とすることが望ましい。

Ｔａ：０．１０％以下
Ｔａは、Ｚｒ等と同様に炭窒化物を形成してＣｒ炭窒化物の形成を抑制し耐食性を向上させる効果を有しており、必要に応じて０．０１％以上で添加する。また、０．０５％を超えて含有させてもその効果は飽和し、大型酸化物の形成により表面疵の原因になることがあるため、０．０５％以下を添加することが好ましい。Ｔｉ，Ｎｂに較べると高価な元素でありため製造コストを考慮すると、Ｔａの下限を０．０２％とし、上限を０．１０％とすることが望ましい。

Ｃｒ：１．０％以下
Ｃｒは、強度の向上に有効な元素であり、０．０５％以上を含有させることが好ましい。Ｃｒを過度に含有させると、溶接性が劣化することがあるので、１．０％を上限とすることが好ましく、より好ましくは０．５％以下である。

Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｉは、鋼の焼入れ性を向上させる元素であり、靭性の向上にも寄与する。強度を向上させるためには、Ｎｉ量を０．０５％以上にすることが好ましい。また、Ｎｉは高価な元素であるため、上限は１．０％以下とすることが好ましく、０．３０％以下とすることがより好ましい。

Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは、鋼の高強度化に寄与する元素であり、０．０５％以上を含有させることが好ましい。ただし、Ｍｏは高価な元素であり、１．０％を上限とすることが好ましい。より好ましいＭｏ量の上限は０．３０％以下であり、さらに好ましくは０．１０％以下とする。

Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｕは、鋼の焼入れ性を向上させる元素であり、固溶強化にも寄与するので、０．０５％以上を含有させても良い。Ｃｕを過度に添加すると鋼板の表面性状を損なうことがあるため、上限は１．０％以下とすることが好ましい。経済性の観点から、Ｃｕ量のより好ましい上限は０．３０％以下である。

Ｂ：０．００５０％以下
Ｂは鋼管の焼入れ性及び強度を向上する効果を有する元素であるので、０．０００３％以上を含有させても良い。より好ましくはＢ量を０．０００５％以上とする。但し、一定量以上のＢを添加しても効果が飽和するため、上限を０．００５０％とすることが好ましい。より好ましくはＢ量を０．００３０％以下、さらに好ましくは０．００２０％以下とする。

Ｃａ：０．０１％以下；Ｍｇ：０．０１％以下、
Ｃａ、Ｍｇは、硫化物系介在物の形態を制御し、靭性を向上させ、さらに、溶接部の酸化物を微細化して溶接部の靭性を向上させるので、一方、又は双方を０．００１％以上含有させることが好ましい。Ｃａ、Ｍｇを過剰に含有させると、酸化物や硫化物が大きくなり靭性に悪影響を及ぼすので、Ｃａ量及びＭｇ量のそれぞれの上限は０．０１％以下が好ましく、０．００５％がより好ましい。

ＲＥＭ：０．０５％以下
ＲＥＭも、前記したＣａ、Ｍｇと同様に硫化物系介在物の形態を制御し、靭性を向上させ、さらに、溶接部の酸化物を微細化して溶接部の靭性を向上させるので、Ｃａ及び／又はＭｇとともに、或いは単独で０．００１％以上含有させることが好ましい。ＲＥＭを過剰に含有させると、酸化物や硫化物が大きくなり靭性に悪影響を及ぼすので、ＲＥＭ量の上限は０．０５％とすることが好ましい。なお、ＲＥＭのうちＹ、Ｃｅが特に好ましい。

Ｃｅｑ：０．４２以下
炭素当量Ｃｅｑは、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒの含有量［質量％］から、下記式（１）によって求める。炭素当量Ｃｅｑは焼入れ性の指標であり、強度の指標としても使用されることがあるが、靱性を確保するため０．４２以下にすることが必要である。Ｃｅｑが０．４２を超えると、硬質相が増加して、角形鋼管の平板部分の全伸びが２１％未満となり、また、角部の０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが７０Ｊ未満になるおそれがある。また、Ｃｅｑが０．４２を超えると、本発明の角形鋼管を製造する目的でサブマージアーク溶接した際に、当該溶接部分の強度が維持できない場合がある。これらの効果を確実にするため、Ｃｅｑは０．４０以下が好ましく、０．３８以下がより好ましいく、０．３５以下がさらに好ましい。一方、強度を確保するために、Ｃｅｑは０．２８以上が好ましい。

Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）/１５＋（Ｖ＋Ｍｏ＋Ｃｒ）／５・・・（１）

ここで、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕは各元素の含有量［質量％］である。なお、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕは、本発明においては選択的に含有させる元素であり、これらの元素を含まない場合は、上記式（１）ではその元素を０として計算する。

本発明に係る角形鋼管の成分組成を上述したとおり、一定の範囲に制御し、且つＣｅｑを０．４２以下とすることによって、降伏強度として３２５Ｎ／ｍｍ^２を確保することができる。

本発明に係る角形鋼管の成分組成の、以上説明した以外の残部は、鉄、及び不純物である。ここで、不純物とは、原材料に含まれる、あるいは製造の過程で混入する成分であり、意図的に鋼に含有させたものではない成分のことをいう。

具体的には、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｗ、Ｃｏ、Ａｓ、Ｐｂ、Ｂｉ及びＨがあげられる。このうち、Ｐ及びＳは、上述のとおり、それぞれ、０．０２０％以下、０．００５％以下となるように制御する必要がある。Ｏは０．００６％以下となるように制御することが好ましい。

その他の元素については、通常、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｗ、Ｃｏ、及びＡｓは０．１％以下、Ｐｂ及びＢｉは０．００５％以下、Ｈは０．０００４％以下の不純物としての混入があり得るが、通常の範囲であれば、特に制御する必要はない。

次に、本発明の角形鋼管の金属組織について説明する。

本発明に係る角形鋼管は、フェライトを主体し、残部を硬質相とする組織構造を有し、降伏強度を確保するためフェライトを微細化させる。硬質相とは、フェライト以外の相であり、パーライト、島状マルテンサイト、セメンタイト及びフェライトサイドプレートの１種又は２種以上からなる。特に、角部における靱性を確保するために、フェライトの面積率、フェライト及び硬質相の平均結晶粒径は重要である。

本発明の角形鋼管を構成するフェライトの平均結晶粒径は２０μｍ以下である。フェライトの平均結晶粒径が２０μｍを超えると、角形鋼管の平板部分の全伸びが２１％未満となり、角部の外面の曲率半径が２．５ｔ未満になるように角形鋼管を製造する際、当該角部の外面に表面割れが生じるおそれがある。好ましくはフェライトの平均結晶粒径を１５μｍ以下とする。フェライトの平均結晶粒径の下限は特に限定しないが、製造コストの観点から、１μｍ以上であってもよい。

また、フェライトの面積率は、靭性を確保し、降伏比を向上させるために、４０％以上が必要となる。フェライトの面積率が４０％未満の場合、角形鋼管の平板部分の全伸びが２１％未満となり、角部の外面の曲率半径が２．５ｔ未満になるように角形鋼管を製造する際、当該角部の外面に表面割れが生じるおそれがある。フェライトの面積率の上限は、降伏比を低下させるために、８０％以下が好ましく、７０％以下がより好ましい。

また、本発明の角形鋼管は、フェライトを除いた残部がパーライト、島状マルテンサイト、セメンタイト及びフェライトサイドプレートのうち少なくとも１種を含む硬質相で構成される。ここで、島状マルテンサイトは、オーステナイト−マルテンサイト混成物（ＭＡ）とも称される非常に硬質の相であり、フェライトサイドプレートは、ベイナイト及びウィッドマンステッテンフェライトの総称である。ベイナイトとウィッドマンステッテンフェライトとは、光学顕微鏡では判別が難しいが、セメンタイトの析出形態が異なるため、電子顕微鏡によって判別することができる。ベイナイトはセメンタイトが粒内に析出しており、ウィッドマンステッテンフェライトは粒内にはセメンタイトは析出していない点で相違している。

前記硬質相は角形鋼管の平板部分の全伸び率を低下させ、角部の靱性を低下させるため、できるだけ少なく、平均結晶粒径は小さい方がよい。前記硬質相の板厚方向の平均結晶粒径が１０μｍ超の場合、角形鋼管の平板部分の全伸びが２１％未満となり、また、冷間加工によるプレス曲げ加工成形ままあるいは２５０℃で１時間保持する時効処理を施した後の角部の０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが７０Ｊ未満になるおそれがある。

フェライト及び硬質相の平均結晶粒径、フェライトの面積率は、加工前の母材或いは加工後の平板部分の表面から所定の深さ（例えば、６ｍｍ）の断面を、圧延方向に平行方向に採取し、光学顕微鏡を用いて当該断面を測定することにより求めることができる。フェライト及び硬質相の平均結晶粒径、フェライトの面積率の測定は、ＪＩＳＧ０５５１：２０１３に従って、或いは当該規格に準じた方法により測定される。例えば、加工前の母材或いは加工後の平板部分の表面から所定の深さ（例えば、６ｍｍ或いは板厚の１／４）から組織観察用試験片を採取し、当該試験片の圧延方向断面を研磨、ナイタール腐食を施した後、当該断面の組織を、光学顕微鏡を用いて観察し、１視野以上について撮像し、画像処理して、切断法でフェライト及び硬質相の平均結晶粒径、フェライトの面積率を算出するものとする。

ここで、フェライトの形態はほぼ粒状であり、観察する方向によって平均結晶粒径はほとんど変化しないので、単に平均結晶粒径と称する。これに対して、硬質相の形態は粒状でない場合、例えば、板状、針状などの形態であることが多いので、圧延方向に平行な板厚断面で板厚方向の平均結晶粒径を測定する。

硬質相のパーライト、島状マルテンサイト、セメンタイト及びフェライトサイドプレートは光学顕微鏡で判別することができるので、それぞれの面積率は画像処理による算出が可能である。なお、硬質相のうち、パーライトは、島状マルテンサイト、セメンタイト及びフェライトサイドプレートに比べて軟質であり、靱性に及ぼす悪影響が小さい。パーライトの面積率は、強度を高めるために、２０％以上であってもよい。一方、靱性を確保するためには、パーライトの面積率は４０％以下が好ましい。

次に、本発明の角形鋼管の製造方法について説明する。

まず、上記に示した本発明範囲の組成を有する溶湯から連続鋳造により熱間圧延素材となるスラブを製造する。次いで、このようにして得られた素材（スラブ）を用いてＴＭＣＰにより鋼板を製造し、冷間成形及び溶接を施して、本発明の角形鋼管を製造することができる。

具体的には、まず、前記スラブについて、１０００〜１３００℃に再加熱後、９００℃以下での累積圧下率を３５％以上、圧延仕上温度を８７０℃未満とする。再加熱の温度が１３００℃超であったり、９００℃以下での累積圧下率が３５％未満であったり、圧延仕上温度が８７０℃以上であると、フェライト相、硬質相の微細化が不十分になる。なお、後述の冷却開始温度がＡｒ_３温度以上であることが好ましいので、これに対応して、圧延仕上温度もＡｒ_３温度以上であることが好ましい。より好ましくは８２０℃以上である。

圧延後、鋼板は、平均冷却速度５℃／ｓ以上の冷却速度で６００℃未満の温度まで、圧延に引き続いて加速冷却を行う。好ましくは加速冷却の停止温度を５９０℃以下、より好ましくは５８０℃以下とする。加速冷却の停止温度は、フェライトの面積率を４０％以上とし、靱性を確保するために、５００℃超が好ましい。好ましくは５１０℃以上、より好ましくは５２０℃以上とする。なお、冷却開始温度については特に規定しないが、Ａｒ_３温度以上でかつ、圧延が終了して速やかに冷却を開始することが望ましい。圧延に引き続いて加速冷却された鋼板は、その後、３５０〜５００℃の温度域で焼戻し処理を行うことで強靱化の調整を行ってもよい。

さらに、鋼板を角形状に冷間成形し、端部同士をサブマージアーク溶接して鋼管とする。鋼板の成形する方法にはＵＯＥ法、ＪＣＯ法等が適用される。また、溶接法にはアーク溶接、レーザー溶接等が使用可能である。現状サブマージドアーク溶接が最も一般的である。

上述した成分組成と製造条件により、本発明の角形鋼管の金属組織は、フェライトの面積率が４０％以上、残部がパーライト、島状マルテンサイト、セメンタイト、フェライトサイドプレートのうち少なくとも１種を含む硬質相で構成される。また、前記フェライトの平均結晶粒径は２０μｍ以下であり、前記硬質相の板厚方向の平均結晶粒径は１０μｍ以下になる。そのため、２１％以上の全伸びと３２５Ｎ／ｍｍ^２以上の降伏強度を確保することができ、外面の曲率半径が２．５ｔ未満になるように角部を形成しても、当該角部は十分な靱性を有しており、当該外面にひび割れが生じない。

また、冷間ロール成形で製造される本発明の角形鋼管と、プレスによる曲げ成形で製造された本発明の角形鋼管との継手部分を平滑にして応力集中を回避すれば、溶接部及びその近傍における破断の発生を抑制することができる。

表１に示す化学組成Ａ〜Ｒを有する鋼をそれぞれ真空溶解炉にて溶製し、得られたスラブを表２の条件にてＴＭＣＰにより鋼素材とした。尚、表１の炭素当量Ｃｅｑは、上記式（１）で規定される値であり、Ｃｅｑのパラメータとなる元素成分が添加されていない場合、当該元素成分の含有量を０として計算する。また、表２において、加熱温度は加熱炉の設定温度、圧延終了温度、水冷開始温度、水冷停止温度及び焼戻温度は鋼板の表面温度を測定した値である。

表２の条件にて製造された鋼Ｎｏ．Ａ〜Ｐをそれぞれ冷間加工してコの字状の形状とし、端部を溶接して角形鋼管Ｎｏ．１〜３２を製造した。このとき、角部は、当該外側の曲率半径が板厚ｔ（ｍｍ）に対して２．４倍或いは２倍になるようにプレス曲げ加工を行った。

得られた各角形鋼管について、鋼管のフェライト相及び硬質相の面積分率、角部の靱性ｖＥ_０及び表面割れの有無を下記の方法で評価するとともに、平坦部の降伏強度、引張強度、全伸びを下記の方法で評価した。

［鋼管のフェライト相及び硬質相の面積分率、並びに、平均結晶粒径の測定方法］
加工後の平板部分の表面から６ｍｍの断面を、圧延方向に平行方向に採取し、光学顕微鏡を用いて当該断面を観察し、当該断面を画像解析することにより、フェライト相及び硬質相の面積分率及び平均結晶粒径を測定した。その結果を表３−１に示す。尚、表３−１中、「Ｐ」はパーライト相を、「ＭＡ」は島状マルテンサイト相を、「Ｆｅ_３Ｃ」はセメンタイト相を意味する。

［平坦部及び角部の靭性ｖＥ₀の測定方法］
平坦部の衝撃試験片はＪＩＳＺ２２４２のＶノッチ試験片とし、これにより０℃のシャルピー吸収エネルギーｖＥ_０の評価を行った。これらの試験片を採取する場合、試験片の中心が外表面から１／４となるようにした（側面ノッチ）。ただし、試験片の中心が外表面から１／４となるように採取できない場合には、なるべくこれに近い位置から採取した。角部の靭性ｖＥ₀は、ＪＩＳＺ２２４２に従って測定した。角部の靭性ｖＥ₀も同様に、ＪＩＳＺ２２４２に従って測定した。

すなわち、まず、冷間加工によるプレス曲げ加工成形ままおよび２５０℃で１時間保持する時効処理を施した後の、図１に示す鋼管角部４５°の位置の外面側から図２に示すように曲げ半径Ｒ（ｍｍ）を有する角部外面側から内側に６ｍｍの箇所を中心として、一辺が１０ｍｍのシャルピー試験片を管軸方向に３本採取し、鋼管の厚さ方向にＶノッチの切り込み（断面ノッチ）を施した。これらのシャルピー試験片を用いてシャルピー衝撃試験を行ない、温度０℃下でのシャルピー吸収エネルギーｖＥ₀を測定し、その平均値を求めた。合格基準は７０Ｊ以上とした。

［平坦部及び角部の降伏強度、引張強度及び降伏比の評価方法］
図１に示す角形鋼管の平坦部について外面側から鋼板の１／４ｔ（ｔ：板厚）の位置における管軸方向に、ＪＩＳＺ２２４１の１Ａ号試験片を採取してＪＩＳＺ２２４１の要領で引張試験を行ない（測定温度：２５℃）、鋼管平坦部の降伏強度、引張強度及び降伏比を測定した。

図1に示す角部についても、外面側から鋼板の１／４ｔ（ｔ：板厚）の位置における管軸方向に、ＪＩＳＺ２２４１４号試験片を採取してＪＩＳＺ２２４１の要領で引張試験を行ない（測定温度：２５℃）、鋼管平坦部の降伏強度、引張強度及び降伏比を測定した。ただし、試験片の中心が外表面から１／４となるように採取できない場合には、なるべくこれに近い位置から採取した。合格基準は、平坦部、角部とも、３２５Ｎ／ｍｍ^２以上の降伏強度とした。

また、鋼管角部の表面性状を評価するために、浸透探法によって表面割れの有無を確認した。これらの結果を下記表３−２及び表３−３に示す。

これらの結果から、本発明で規定する条件で製造した鋼管Ｎｏ．１〜１６のものは、本発明で規定する要件を満足するものであり、いずれも角部におけるシャルピー吸収エネルギーｖＥ₀が、２５０℃で１時間保持する時効処理を施した後においても７０Ｊを上回っており、良好な靭性を発揮している。また、角部の外面の曲率半径が板厚の２倍になる曲げ加工を行っても、当該外面に表面割れが生じておらず、良好な曲げ加工が可能であることが示された。

これに対して、鋼管Ｎｏ．１７〜３２の比較例では、成分が本発明の範囲外であり、平坦部の降伏点又は耐力が不足したり、角部の外面の曲率半径が板厚の２．５倍未満（２．４倍及び２倍）になる曲げ加工を行った場合、当該外面に表面割れが生じたり、角部におけるシャルピー吸収エネルギーｖＥ₀が７０Ｊを下回る等の問題が生じた。

本発明の角形鋼管は、外面の曲率半径を２．５ｔ未満とするプレス曲げ加工によって製造することができる。また、本発明の角形鋼管は、外気温０℃のような厳しい環境下であっても、その角部の外面に割れを生じない。本発明によれば、角形鋼管の製造において板厚の削減を行うことができるので、高い製造歩留まり性にて角形鋼管を製造することができ、産業界における価値はきわめて高い。

Claims

平板部分と角部とからなる角形鋼管において、成分組成は、質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０５〜１．０％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ａｌ：０．００１〜０．１％
を含有し、
Ｎ：０．００５％以下
に制限し、残部がＦｅ及び不純物からなり、
下記式（１）によって求められる炭素当量Ｃｅｑが０．４２以下であり、
金属組織は、面積率で４０％以上のフェライトと残部が硬質相からなり、
前記硬質相は、パーライト、島状マルテンサイト、セメンタイト及びフェライトサイドプレートの１種又は２種以上からなり、前記フェライトの平均結晶粒径は２０μｍ以下であり、前記硬質相の板厚方向の平均結晶粒径は１０μｍ以下であり、
前記平板部分の板厚ｔが１５〜５０ｍｍ、全伸びが２１％以上であり、前記角部は、外面の曲率半径が２．５ｔ未満であり、
２５０℃で１時間保持する時効処理を施した後の０℃における角部のシャルピー吸収エネルギーが７０Ｊ以上であることを特徴とする角形鋼管。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）/１５＋（Ｖ＋Ｍｏ＋Ｃｒ）／５・・・（１）
前記硬質相のうち、パーライトの面積率が２０〜４０％であることを特徴とする請求項１に記載の角形鋼管。
成分組成は、質量％で、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．００５％以下
に制限することを特徴とする請求項１又は２に記載の角形鋼管。
成分組成は、更に、質量％で、
Ｎｂ：０．１０％以下、
Ｖ：０．５０％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下、
Ｚｒ：０．０５％以下、
Ｔａ：０．１０％以下、
Ｃｒ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｍｏ：１．０％以下、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｂ：０．００５０％以下
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の角形鋼管。
成分組成は、更に、質量％で、
Ｃａ：０．０１％以下、
Ｍｇ：０．０１％以下、
ＲＥＭ：０．０５％以下
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の角形鋼管。