JP6128042B2 - 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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Description
このようなことから、本発明者らは、管軸方向で降伏比YR:90%以下、全厚における伸びEl:25%以上で、かつ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:−20℃における吸収エネルギーvE-20が47J以上となる靭性を有する鋼管であれば、スパイラル鋼管であっても鋼管杭として十分な耐震性を備えているという結論に達した。
近年、高強度鋼管杭は厚肉化傾向にある。それゆえ、その素材となる熱延鋼板を製造する際、特段の冷却能力を持たない一般的な熱間圧延ラインでは、熱間圧延終了後の冷却過程で板厚中央位置の冷却速度を確保することができず、所定量のマルテンサイトを得ることが極めて困難となる。
[1] 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、前記熱延鋼板が、質量%で、C:0.030%以上0.100%以下、Si:0.05%以上0.50%以下、Mn:1.20%以上2.40%以下、P:0.050%以下、S:0.050%以下、Al:0.100%以下、N:0.010%以下、Cr:0.10%以上0.60%以下、Mo:0.10%以上0.40%以下を、以下の(1)式で表されるMneq.が1.50%以上3.50%以下を満足するように含有し、更に、Nb:0.100%以下、V:0.100%以下、Ti:0.100%以下のうちから選ばれた1種以上を合計で0.080%以上含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、主相であるベイニティック・フェライトと少なくともマルテンサイトを含む第二相からなり、前記マルテンサイトの組織全体に対する面積率が2%以上、前記第二相の組織全体に対する面積率が10%以下である組織を有し、板厚が16mm超26mm以下の熱延鋼板であり、外径が500mm以上2600mm以下であり、管軸方向の降伏強さYSが450MPa以上、引張強さTSが570MPa以上、降伏比YRが90%以下、全厚における伸びがEl25%以上であり、シャルピー衝撃試験の−20℃における吸収エネルギーvE-20が47J以上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杭。
Mneq.(%)=Mn+0.1Si+0.8Cr+0.5Mo … (1)
(Mn、Si、Cr、Moは、各元素の含有量(質量%))
本発明は、熱延鋼板を素材とした外径500mm以上2600mm以下のスパイラル鋼管からなる、耐震性に優れた低降伏比高強度スパイラル鋼管杭である。本発明では、スパイラル鋼管杭の素材として用いる熱延鋼板の板厚、組成および組織を以下のように規定する。
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、その素材として用いる熱延鋼板の板厚が16mm以下になると、鋼管杭として十分に上部構造を支えるために相当本数の鋼管杭が必要となり、近年の厚肉化傾向に対応できない。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製造設備が過大となりすぎて、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、16mm超26mm以下とする。
Mneq.(%)=Mn+0.1Si+0.8Cr+0.5Mo … (1)
(Mn、Si、Cr、Moは、各元素の含有量(質量%))
Cは、炭化物として析出し、析出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、0.030%以上の含有を必要とする。一方、0.100%を超える含有は、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0.030%以上0.100%以下の範囲に限定した。なお、好ましくは0.050%以上0.080%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その含有量を0.05%以上とする。一方、0.50%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、溶接部特性を劣化させる。このため、Siは0.50%以下に限定した。より好ましくは0.35%以下とする。
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、1.20%以上の含有を必要とする。一方、2.40%を超えて含有すると、焼入れ性が著しく高まり、杭として所望の靭性が確保し難くなる。このためMnは1.20%以上2.40%以下に限定した。より好ましくは1.50%以上2.00%以下である。
Pは、不純物元素であり、溶接性に悪影響を及ぼす元素で、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、0.050%までは許容できる。このため、Pは0.050%以下に限定した。なお、好ましくは0.030%以下である。
Sは、鋼中では粗大なMnS(硫化物)として存在し易い。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、Sは、本発明ではできるだけ低減することが望ましいが、鋼管杭として必要な靭性という観点からは、0.050%までは許容できる。このため、Sは0.050%以下に限定した。なお、好ましくは0.010%以下である。
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、0.010%以上含有することが望ましいが、0.100%を超える含有は、鋼の清浄度が低下し、靭性を劣化させる。このため、Alは0.100%以下に限定した。なお、好ましくは0.010%以上0.050%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、0.010%を超える含有は、靭性を低下させる。このため、Nは0.010%以下に限定した。
Crは、オーステナイト→フェライト変態を遅延させ、焼入れ性の向上に寄与し、マルテンサイト形成を促進する元素である。このような効果を得るためには、0.10%以上の含有を必要とする。一方、0.60%を超える含有は、溶接欠陥を発生させる傾向が強まる。このため、Crは0.60%以下に限定する。より好ましくは0.20%以上0.40%以下である。
Moは、焼入れ性向上に寄与する元素で、ベイニティック・フェライト中のCを未変態オーステナイト中に濃縮させ、未変態オーステナイトの焼入れ性を向上させることによってマルテンサイト形成を促進させる元素である。また、鋼中に固溶し鋼板の固溶強化にも寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.10%以上の含有を必要とする。一方、0.40%を超える含有は、必要以上にマルテンサイトを形成させ、靭性を低下させる。このため、Moは0.40%以下に限定する。より好ましくは0.10%以上0.30%以下である。
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、選択して合計で0.080%以上含有する。
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が、0.100%を超える含有は、硬化した第二相量が増加し易くなり、靭性が低下し易い。このため、含有する場合には、Nbは0.100%以下に規定することが好ましい。なお、より好ましくは0.005%以上0.050%以下である。
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、0.100%を超える含有は、硬化した第二相量が増加し易くなり、靭性が低下し易い。このため、含有する場合には、Vは0.100%以下に規定することが好ましい。なお、より好ましくは0.005%以上0.050%以下である。
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、0.100%を超える含有は、硬化した第二相量が増加し易くなり、靭性が低下し易い。このため、含有する場合には、Tiは0.100%以下に規定することが好ましい。なお、より好ましくは0.005%以上0.050%以下である。
Mneq.(%)=Mn+0.1Si+0.8Cr+0.5Mo … (1)
(ここで、Mn、Si、Cr、Moは各元素の含有量(質量%))
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%以上含有することが望ましい。一方、0.0050%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0.0050%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%以上0.0020%以下である。
Cu、Ni、Sn、Mg、Co、As、W、Pb、Taは、いずれも強度増加と靭性改善に寄与する元素であり、必要に応じて選択して合計で0.10%以下の範囲で含有できる。なお、より好ましくは0.03%以下である。
本発明のスパイラル鋼管杭の素材として用いる熱延鋼板は、上記した組成を有し、且つ、主相であるベイニティック・フェライトと少なくともマルテンサイトを含む第二相からなり、前記マルテンサイトの組織全体に対する面積率が2%以上、前記第二相の組織全体に対する面積率が10%以下である組織を有する。
本発明においては、スパイラル鋼管杭の強度、全厚における伸び、靭性を確保するうえで、その素材となる熱延鋼板の組織をベイニティック・フェライト主相の組織とすることが必須となる。高強度、伸び特性および高靭性の観点からはベイニティック・フェライトの組織分率が高いほど好ましいが、組織全体に対する面積率で98%を超えると、後述する所望のマルテンサイト量を確保することができず、スパイラル鋼管杭の耐震性に悪影響を及ぼす。したがって、ベイニティック・フェライトの組織分率は、組織全体にする面積率で90%超98%以下とすることが好ましい。
なお、ここでいうベイニティック・フェライトとは、ベイニティック・フェライト、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、針状フェライトを指すものとし、ポリゴナル・フェライトは含まない。
第二相は、スパイラル鋼管杭の耐震性を確保する観点から、少なくともマルテンサイトを含むものとする。なお、スパイラル鋼管杭の素材として用いる熱延鋼板の組織のうち、第二相として含有し得る組織としては、マルテンサイトの他にポリゴナル・フェライト、ベイナイトおよびパーライトが挙げられる。但し、ポリゴナル・フェライト、パーライトおよびベイナイトは含有しなくてもよく、第二相がマルテンサイトのみであってもよい。
スパイラル鋼管杭の低降伏比化には、その素材となる熱延鋼板を、所定量のマルテンサイトを含有する組織とする必要がある。マルテンサイトの組織全体に対する面積率が2%未満では、スパイラル鋼管杭の管軸方向の降伏比を90%以下に抑えることができず、スパイラル鋼管杭の耐震性を確保することができない。したがって、マルテンサイトの組織全体に対する面積率は2%以上とする。好ましくは2.5%以上である。但し、マルテンサイト量が過剰に多くなると、靭性の低下を招来するため、マルテンサイトの組織全体に対する面積率は10%以下にすることが好ましい。より好ましくは3.0%以上4.0以下である。
第二相の組織全体に対する面積率が10%を超えると、降伏比が増加する。したがって、第二相の組織全体に対する面積率は10%以下とする。好ましくは6%以下である。
本発明のスパイラル鋼管杭を形成するスパイラル鋼管に適用される板厚16mm超26mm以下の熱延鋼板は、上記した成分の鋼素材を、加熱し、粗圧延と仕上げ圧延からなる熱間圧延を施し、仕上げ圧延終了後、加速冷却を施し、巻き取ることにより製造される。
上記の如く得られた鋼素材に、粗圧延および仕上げ圧延を施す。粗圧延、および仕上げ圧延は、上記した鋼素材を、加熱温度:1100℃以上に加熱し、粗圧延を施してシートバーとし、該シートバーに仕上げ圧延終了温度:750℃以上850℃以下の仕上げ圧延を施すことにより行う。仕上げ圧延後は5℃/s以上15℃/s以下で冷却停止温度:450℃以上550℃以下まで加速冷却し、巻き取る。
本発明では、上記したとおり、Nb、V、Tiのうちから選択される1種以上を炭化物形成元素として含有する。これら合金元素の炭化物で十分な析出強化を得るためには、スラブ(鋼素材)中に生成したこれらの粗大な炭化物を一旦溶解させて、後工程において析出させることが重要である。そのため、加熱温度は、これら粗大な炭化物が溶解するに足る温度、1100℃以上とする。1100℃未満では炭化物が未固溶のままとなり、所望の鋼板強度が得られない。なお、鋼素材の加熱温度が過剰に高くなると、結晶粒の粗大化等の問題が懸念されるため、上記加熱温度は1300℃以下とすることが好ましい。
仕上げ圧延終了温度は、鋼板強度、圧延負荷の観点から850℃以下とすることが望ましい。仕上げ圧延の温度が850℃を超えて高温になると、圧延負荷の増大を招く。また、仕上げ圧延の温度が850℃を超えて高温になると、所望の強度が得られない場合がある。一方、仕上げ圧延の温度が750℃未満となると、圧延中にフェライトが生成し、組織の粗大化を招き強度が低下する。そのため仕上げ圧延終了温度は750℃以上850℃以下とする。
仕上げ圧延終了後、以下の条件で加速冷却を施す。なお、加速冷却は、仕上げ圧延終了後、直ちに、好ましくは15s以内に開始することが好ましい。
平均冷却速度が5℃/s未満では、ポリゴナル・フェライト主体の組織となり、所望のベイニティック・フェライトを主相とする組織を確保することが難しくなる。一方、15℃/sを超えて冷却速度を上げても、本発明鋼においてはその効果は飽和する。したがって、平均冷却速度は5℃/s以上15℃/s以下とする。なお、上記平均冷却速度は、仕上げ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、上記平均冷却速度および温度域は、鋼板の板厚中央位置における値である。
冷却停止温度が550℃を超える高温では、所望のベイニティック・フェライトを主相とする組織を確保することが難しくなる。一方、冷却停止温度が450℃未満では、ベイナイト分率またはマルテンサイト分率が高くなり、本発明で意図するベイニティック・フェライト量が得られなくなる。したがって、冷却停止温度は450℃以上550℃以下とする。好ましくは470℃以上520℃以下である。
スパイラル鋼管の外径Dに対するスパイラル鋼管の肉厚(熱延鋼板の板厚)tの比t/Dが小さくなり過ぎると、スパイラル鋼管の管軸方向と熱延鋼板の圧延方向との為す角が大きくなり、スパイラル鋼管に所望の強度(管軸方向の降伏強さYS、引張強さTS、降伏比YR、全厚における伸びEl)を付与することが困難となる。ゆえに、本発明においては、上記t/Dが極端に小さくなることを避ける目的で、スパイラル鋼管の外径を2600mm以下とする。一方、上記t/Dが過剰に大きくなると、スパイラル加工が困難になる。
なお、スパイラル鋼管の外径Dに対するスパイラル鋼管の肉厚(熱延鋼板の板厚)tの比t/Dは、0.01以上0.03以下とすることが好ましい。
次いで、これら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:1200mmφ)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。試験方法は次のとおりとした。
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、組織の種類およびその分率(面積率)を測定した。
得られた鋼管杭から、引張方向が管軸方向となるように、弧状引張試験片(JIS 12号C規格試験片)を採取し、JIS規格(JIS Z 2241)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%)、全厚における伸びEl)を求めた。
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となるようにVノッチ試験片を採取し、JIS規格に準拠して衝撃試験を試験温度:−20℃で行い、吸収エネルギーを求めた。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vE-20とした。
得られた結果を表3に示す。
Claims (4)
- 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、前記熱延鋼板が、質量%で、
C :0.030%以上0.100%以下、 Si:0.05%以上0.50%以下、
Mn:1.20%以上2.40%以下、 P :0.050%以下、
S :0.050%以下、 Al:0.100%以下、
N :0.010%以下、 Cr:0.10%以上0.60%以下、
Mo:0.10%以上0.40%以下
を、下記の(1)式で表されるMneq.が1.50%以上3.50%以下を満足するように含有し、更に、
Nb:0.100%以下、 V :0.100%以下、
Ti:0.100%以下
のうちから選ばれた1種以上を合計で0.080%以上含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、主相であるベイニティック・フェライトと少なくともマルテンサイトを含む第二相からなり、前記マルテンサイトの組織全体に対する面積率が2%以上、前記第二相の組織全体に対する面積率が10%以下である組織を有し、板厚が16mm超26mm以下の熱延鋼板であり、
外径が500mm以上2600mm以下であり、管軸方向の降伏強さYSが450MPa以上、引張強さTSが570MPa以上、降伏比YRが90%以下、全厚における伸びElが25%以上であり、シャルピー衝撃試験の−20℃における吸収エネルギーvE-20が47J以上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杭。
記
Mneq.(%)=Mn+0.1Si+0.8Cr+0.5Mo … (1)
(Mn、Si、Cr、Moは、各元素の含有量(質量%)) - 前記組成に加えて更に、質量%で、Ca:0.0050%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。
- 前記組成に加えて更に、質量%で、Cu、Ni、Sn、Mg、Co、As、W、Pb、Taのうちから選ばれた1種以上を合計で0.10%以下含有することを特徴とする請求項1または2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、前記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接合して外径が500mm以上2600mm以下であり、管軸方向の降伏強さYSが450MPa以上、引張強さTSが570MPa以上、降伏比YRが90%以下、全厚における伸びElが25%以上であり、シャルピー衝撃試験の−20℃における吸収エネルギーvE -20 が47J以上であるスパイラル鋼管としたものであり、
前記熱延鋼板を、請求項1ないし3のいずれかに記載の組成からなる鋼素材を1100℃以上に加熱して粗圧延を施したのち、仕上げ圧延終了温度を750℃以上850℃以下とする仕上げ圧延を施し、該仕上げ圧延終了後、5℃/s以上15℃/s以下の平均冷却速度で450℃以上550℃以下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主相であるベイニティック・フェライトと少なくともマルテンサイトを含む第二相からなり、前記マルテンサイトの組織全体に対する面積率が2%以上、前記第二相の組織全体に対する面積率が10%以下である組織を有し、板厚16mm超26mm以下の熱延鋼板と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。
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