JP5368820B2 - 耐震性に優れた建築構造用780MPa級低降伏比円形鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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但し、[C],[Si],[Mn],[Cu],[Ni],[Cr],[Mo],[V]および[B]は、夫々C,Si,Mn,Cu,Ni,Cr,Mo,VおよびBの含有量(質量%)を示す。
(A)鋼管の表・裏面の夫々から深さ2mmまでの表層部を除く中央部の平均ビッカース硬さHvが230〜310である、
(B)鋼管のミクロ組織において、ベイニティックフェライト相の分率が80面積%以上であり、マルテンサイト相の分率が5面積%以下である、
(C)鋼管の表・裏面の夫々から深さ2mmまでの表層部の平均ビッカース硬さHvが、前記中央部の平均ビッカース硬さHvの1.3倍以下である。
Cは、鋼板の強度を高める効果があり、硬さを制御するために重要な元素であると共に、耐割れ性等の溶接性を劣化させる元素でもある。C含有量が0.01%未満であると、必要な母材(鋼管)強度を確保することができない。しかしながら、C含有量が0.06%を超えると、表層部のマルテンサイト変態により、板厚方向の硬さ分布が大きくなる。また、溶接部に島状マルテンサイト(MA)が過剰に生成してHAZが硬くなり過ぎ、割れが発生しやすくなり、地震時の破壊の発生点となる。尚、C含有量の好ましい下限は0.02%であり、好ましい上限は0.05%である。
Siは、鋼管の強度向上に有効な元素である。こうした強化機構を発揮させるためには、Siは0.10%以上含有させることが必要である。しかしながら、Si含有量が過剰になると、母材靭性、HAZ靭性や溶接性が劣化するので、0.40%以下とする。尚、Si含有量の好ましい下限は0.15%であり、好ましい上限は0.35%である。
Mnは、焼入れ性を向上させ、強度と靭性を確保する上で有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Mnは1.60%以上含有させる必要がある。しかしながらMnを過剰に含有させると、靭性が劣化するので、上限を2.50%とする。尚、Mn含有量の好ましい下限は1.80%であり、好ましい上限は2.20%である。
Alは、脱酸、およびフリー窒素の固定によりBの焼入れ性を確保するために必要な元素である。これらの効果を発揮させるためには、0.025%以上含有させる必要があるが、過剰に含有させると、アルミナ系の粗大な介在物を形成し母材靭性が低下するので、0.090%以下とする必要がある。尚、Al含有量の好ましい下限は0.035%であり、好ましい上限は0.080%である。
Cuは、固溶強化によって、母材強度を向上させるのに有用な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Cuは0.15%以上含有させる必要がある。しかしながら、Cu含有量が過剰になると、ガス切断時にCu割れが生じることがあるので、0.70%以下とする必要がある。尚、Cu含有量の好ましい下限は0.25%であり、好ましい上限は0.65%である。
Niは、母材靭性・HAZ靭性の向上および焼入れ性を高めて強度を向上させると共に、Cu割れおよび溶接割れを防止にも有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Niは0.90%以上含有させる必要がある。しかしながら、Ni含有量が過剰になると、耐溶接割れ性が劣化し、圧延時にスケール疵が発生しやすくなるので、1.60%以下とする必要がある。尚、Ni含有量の好ましい下限は1.10%であり、好ましい上限は1.35%である。
Crは、焼入れ性を高めて強度を向上させるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Crは0.50%以上含有させる必要がある。しかしながら、Cr含有量が過剰になると、耐溶接割れ性が劣化するので、1.35%以下とする必要がある。尚、Cr含有量の好ましい下限は0.60%であり、好ましい上限は1.25%である。
Moは、焼入れ性を高めて強度を向上させる元素であり、また炭化物を生成しやすい元素である。Moによる焼入れ性向上効果を発揮させるためには、Moは0.10%以上含有させる必要がある。しかしながら、Mo含有量が過剰になると、焼入れ性が過剰となり、耐溶接割れ性が劣化するので、0.30%以下とする必要がある。尚、Mo含有量の好ましい下限は0.15%であり、好ましい上限は0.25%である。
Tiは、Nと窒化物(TiN)を形成して熱間圧延前の加熱時におけるオーステナイト粒(γ粒)の粗大化を防止し、靭性向上に効果がある元素である。また、Nを固定することによりBの焼入れ性を確保するのに有効である。これらの効果を発揮させるためには、Tiは0.008%以上含有させる必要がある。しかしながら、Ti含有量が過剰になると、TiNが粗大化して母材靭性が劣化するので、0.025%以下とする必要がある。尚、Ti含有量の好ましい下限は0.010%であり、好ましい上限は0.018%である。
フリーBはγ粒界に存在し、焼入れ性を向上させて母材強度の向上をはかる上で有効な元素である。Bの含有量が0.0005%未満であると、母材強度の向上効果が少なく、引張強度:780MPa以上の強度を確保できなくなる。しかしながら、B含有量が過剰になると、介在物が生成し母材靭性が劣化するので、0.0025%以下とする必要がある。尚、B含有量の好ましい下限は0.0008%であり、好ましい上限は0.0020%である。
Nは、TiNを生成し、熱間圧延前の加熱時および溶接時におけるγ粒の粗大化を防止し、母材靭性やHAZ靭性を向上させるのに有効な元素である。Nの含有量が0.0030%未満であると、TiNが不足し、加熱γ粒が粗大になり、靭性が劣化するので、0.0030%以上含有させる必要がある。またN含有量が過剰になって0.0060%を超えると、曲げ加工による脆化により、鋼管の靭性が劣化する。尚、N含有量の好ましい下限は0.0035%であり、好ましい上限は0.0055%である。
Caは、MnSの球状化による耐溶接割れ性に対する無害化に有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Caは0.0005%以上含有させる必要がある。しかしながら、Ca含有量が0.0040%を超えて過剰になると、介在物を粗大化させ、母材靭性を劣化させる。尚、Ca含有量の好ましい下限は0.0015%であり、好ましい上限は0.0030%である。
前記(1)式で表わされるPCM値は、溶接施工による低温割れを防止する指標として最も一般的な要件である。溶接割れを防止するためには、PCM値を0.30%以下とする必要がある。PCM値は、好ましくは0.28%以下とするのが良い。
不可避的不純物であるPは、母材、溶接部の靭性に悪影響を及ぼすものであり、こうした不都合を招かない上でもその含有量が0.012%以下に抑制する必要があり、好ましくは0.010%以下とするのが良い。
Sは、MnSを形成して耐溶接割れ性を劣化させるので、できるだけ少ない方が好ましい。こうした観点から、S含有量は0.005%以下に抑制する必要があり、好ましくは0.003%以下とするのが良い。
Oは種々の元素と結合して酸化物を形成する。その酸化物は、場合によっては粗大化し、母材靭性を劣化させる原因となる。こうした観点から、O含有量は0.0040%以下とする必要があり、これよりも含有量が過剰になると、酸化物が粗大化することになる。好ましくは、0.0030%以下に抑制するのが良い。
この加熱温度は、熱間圧延前の組織制御に大きく影響する。加熱温度が950℃未満であると、圧延最終パス(仕上げ圧延)温度が800℃未満となり、水冷前に表面からフェライトが析出し780MPa以上の母材強度を確保できなくなると共に、板厚方向の硬さ分布が均一にならない。一方、加熱温度が1200℃を超えると、γ粒径の粗大化により母材靭性が劣化する。
制御冷却(加速冷却)は、その前の組織制御が重要であり、そのためには制御圧延での圧延終了温度(仕上げ圧延温度)と冷却開始温度を管理する必要がある。仕上げ圧延温度が800℃未満であると、冷却開始前にフェライトが析出し、所望の強度を得ることができない。また、仕上げ圧延温度が930℃を超えると、冷却前組織が粗大となり、母材靭性が劣化し、板厚方向の硬さ分布が大きくなる。仕上げ圧延温度は、好ましくは900℃以下とするのが良い。
圧延後の冷却工程(DQ)は、組織制御のために重要な工程である。冷却速度が2℃/秒未満では、所望の組織であるベイニティックフェライト(ベイナイト)の面積分率:80%以上を確保できなくなる。冷却速度が大きい方が、ベイニティックフェライト組織を微細化し靭性が向上するが、25℃/秒を超えた場合には、表面近くの組織において、有害組織であるマルテンサイト(MAを含む)が増大し、母材靭性が劣化すると共に、強度が過大となり表面が硬化するため延性(伸び性能)が低下する。尚、冷却速度を測定する位置として、t/4(t:板厚)としたのは、鋼板の平均的な性能を発揮する位置だからである。
冷却停止温度によって、マルテンサイトや下部ベイナイトの存在形態が変化し、強度が変わる。冷却停止温度が350℃を超えると、板厚中央部で低温変態組織が少なくなり、強度が低下すると共に、板厚方向で変態組織や板厚さ方向の硬さ分布が不均一となる。板厚方向に均一に変態させるため、冷却停止温度は350℃以下とする必要がある。
低YR特性を実現する軟質相と硬質相の複合組織を得るためには、Ac1とAc3の間の二相域の温度に加熱することが有効な手段である。そのための温度が700〜900℃であり、二相域の温度に加熱することにより、一部は焼戻しにより軟質組織となり、一部はオーステナイト相に逆変態してその後の冷却で硬質組織となる。この二相域温度の制御で硬質相の面積分率や硬度を変化させ、YS,TS,YRを制御することができる。再加熱温度が700℃未満の場合は、780MPa以上の強度を確保できない。再加熱温度が900℃を超えると、強度は高いが85%以下の低YRを達成できない。700〜900℃へ再加熱した後、一部がオーステナイトに逆変態しており、その後の焼入れ(水冷)により、オーステナイト相がそのまま硬質相に変態する。尚、この硬質相と軟質相の組織は極めて微細なため、光学顕微鏡では判別が困難であり、これら硬質相と軟質相を合わせた複合組織全体をベイニティックフェライト(ベイナイト)相とする。
焼戻し処理は、強度を低下させるが、降伏比YRを低下させ、靭性を向上させ、また表面部の硬さを低下させるのに有効である。その場合、焼戻し熱処理が450〜700℃の温度範囲であれば、強度の過度な低下を抑え、適正な降伏比YR、靭性を得ることができ表面硬さを低減できる。焼戻し温度が450℃未満であると、靭性向上と表面硬さの低下が十分ではない。一方、焼戻し温度が700℃を超えると、所望の強度(TS,YS)を得ることはできない。
鋼板をプレス曲げ法によって、冷間曲げを行って円形鋼管とする。前述のように、ラインパイプに適用されるような板厚:30mm以下の鋼板であれば、UOE成形法によって円形鋼管が製造されるが、建築構造物用円形鋼管では、板厚が厚く、強度が高い場合には、プレスベンド法(即ち、プレス曲げ加工)によって円形鋼管に成形する必要がある。こうした方法の適用では、D/t:10〜20もの強加工を行うため、表面の曲げ加工歪が大きく、表面の加工硬化が大きい。そのため、上記のように製造した鋼板を用いて、プレス曲げ成形を行うことによって、表面硬さの低い、円形鋼管を製造することができる。
円形鋼管への成形後、SR熱処理は実施してもしなくても良い。本発明方法によれば、高強度でYRが低く、鋼管厚方向の硬さ分布の均一性が優れているため、基本的にはSR熱処理は行わなくても良いが、D/t≦15程度の強曲げ加工を行なった場合は、YRが90%を超える可能性があるため、その場合はSR熱処理を行なうことができ、その熱処理温度は350〜650℃の温度範囲とする。350℃未満では、YR低減効果はない。一方、650℃を超えると、YR、TSの低下が大きく、780MPa以上の強度を確保できない。
下記表1、2に示す化学成分組成の鋼を通常の溶製方法によって溶製し、鋼片とした後、熱間圧延、加速冷却(圧延後の冷却)、二相域焼入れ、焼戻しを施し、鋼板を製造した。得られた鋼板を用いて、プレスベンド法によって円形鋼管に成形した。尚、表1、2には、前記(1)式で規定されるPCM値についても示した。このときの製造条件を、下記の通りである。
鋼No.1〜5、7〜60のものについては、鋳片を1150±50℃に加熱した後、仕上げ圧延温度(表面温度)を900±30℃の範囲として熱間圧延を行ない、板厚:60mmとし、次いでt/4(t:板厚)の位置における冷却速度を5〜25℃/秒に制御し、冷却停止時の表面温度を250℃以下とした。更に、二相域熱処理(Q’)温度を700〜850℃として焼入れ処理(一部空冷)を行い、450〜650℃の温度範囲で焼戻して鋼板とし、得られ鋼板を用いてプレスベンド法によって円形鋼管に成形した。このときの曲げ加工度は、円形鋼管の直径をD(mm)、鋼板の厚さをt(mm)としたとき、D/tが10(t/D=0.1)である。
ミクロ組織を画像解析により、ベイニティックフェライト相およびマルテンサイト相の面積分率を測定すると共に、鋼管表層部のビッカース硬度(Hv0)と中央部のビッカース硬度Hv1を測定し(荷重:98N)、その硬さ比(Hv0/Hv1)を求めた。このときの硬さHv0、硬さHv1の測定は、厚さ方向に2mm間隔で測定し、その平均値を求めたものである(例えば、表層部のビッカース硬さHv0は、表・裏面の夫々から深さ2mまでの硬さの平均値となる)。
円形鋼管の外面側から鋼管のt/4部(tは鋼管厚:鋼管を構成する鋼板の厚さ)における管軸方向(鋼板の主圧延方向に相当)に、JIS Z 2201 4号試験片を採取してJIS Z 2241の要領で引張試験を行ない、鋼管の降伏応力YS(上降伏点YPまたは0.2%耐力σ0.2)、引張強さTS、降伏比YR(降伏応力YS/引張強度TS)を測定した。合格基準は、2回での平均値で、降伏応力YS:630MPa以上、引張強さTS:780〜930MPa、降伏比YR:90%以下である。
円形鋼管の外面側から鋼管のt/4部(tは鋼管厚:鋼管を構成する鋼板の厚さ)における管軸方向(鋼板の主圧延方向)に、JIS Z 2204 Vノッチ衝撃試験片を採取してJIS Z 2242に準拠してシャルピー衝撃試験を行ない(3回試験の平均値)、温度:−20℃での平均吸収エネルギーvE-20を測定した。この平均吸収エネルギーvE-20が47J以上を合格とした。
JIS Z 3101に規定された溶接熱影響部(HAZ)の最高硬さ試験に準拠して、円形鋼管の外面側に溶接ビードを置き、最高硬さを測定した。また円形鋼管の外側に付属金物を溶接し、浸透探傷試験による表面割れの有無、超音波探傷試験による内部割れの有無について調査した。
前記表1に示した鋼No.1〜5、7〜11のもの(化学成分組成が本発明で規定する範囲を満足するもの)を用い、下記表7に示す各種製造条件(DQ−Q’−T)によって、鋼板を製造した(実験No.1〜5、7〜21)。得られた鋼板(板厚:60mm)を用いて、プレスベンド法によって円形鋼管に成形した。得られた円形鋼管について、実施例1と同様にして材質(降伏応力YS、引張強さTS、降伏比YRおよび靭性vE-20)および溶接性を評価した。
Claims (2)
- C:0.01〜0.06%(質量%の意味、以下同じ)、Si:0.10〜0.40%、Mn:1.60〜2.50%、Al:0.025〜0.090%、Cu:0.15〜0.70%、Ni:0.90〜1.60%、Cr:0.50〜1.35%、Mo:0.10〜0.30%、Ti:0.008〜0.025%、B:0.0005〜0.0025%、N:0.0030〜0.0060%およびCa:0.0005〜0.0040%を夫々含有すると共に、下記(1)式で示されるPCM値が0.30%以下であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、該不可避的不純物のうちP:0.012%以下(0%を含まない)、S:0.005%以下(0%を含まない)およびO:0.0040%以下(0%を含まない)に夫々抑制し、且つ下記(A)〜(C)の要件を満足することを特徴とする耐震性に優れた建築構造用780MPa級低降伏比円形鋼管。
PCM値=[C]+[Si]/30+[Mn]/20+[Cu]/20+[Ni]/60+[Cr]/20+[Mo]/15+[V]/10+([B]×5) …(1)
但し、[C],[Si],[Mn],[Cu],[Ni],[Cr],[Mo],[V]および[B]は、夫々C,Si,Mn,Cu,Ni,Cr,Mo,VおよびBの含有量(質量%)を示す。
(A)鋼管の表・裏面の夫々から深さ2mmまでの表層部を除く中央部の平均ビッカース硬さHvが230〜310である、
(B)鋼管のミクロ組織において、ベイニティックフェライト相の分率が80面積%以上であり、マルテンサイト相の分率が5面積%以下である、
(C)鋼管の表・裏面の夫々から深さ2mmまでの表層部の平均ビッカース硬さHvが、前記中央部の平均ビッカース硬さHvの1.3倍以下である。 - 請求項1に記載の円形鋼管を製造するに当り、前記化学成分からなる鋳片を950〜1200℃に加熱した後、仕上げ圧延温度を800〜930℃の範囲として熱間圧延を行なって所定の板厚とし、次いでt/4(t:板厚)の位置における冷却速度が2〜25℃/秒で、表面温度が350℃以下となるまで水冷し、その後、温度:700〜900℃の範囲に再加熱して焼入れ処理を行い、450〜700℃の温度範囲で焼戻しして鋼板とし、得られた鋼板を用いてプレスベンド法によって円形鋼管に成形することを特徴とする耐震性に優れた建築構造用780MPa級低降伏比円形鋼管の製造方法。
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