JP7375946B2 - 角形鋼管およびその製造方法ならびに建築構造物 - Google Patents
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Description
このように従来の技術は、角部の延性を向上させる技術としてはまだ十分とは言えなかった。
そこで、本発明者らは、BCR法による角形鋼管の角部曲率半径RをBCP法の角形鋼管と同程度に成形することで、角部外面の加工硬化を小さくすることができると考えた。また、ロール成形において、縮径による管周方向の圧縮変形を小さくすれば、角部の変形量が小さくなる。
そのためには、従来よりも大きな角部曲率半径Rを得られるように、縮径を小さくする必要がある。しかし、縮径率(外周長の変化率)を小さくすることは、BCR法特有の円筒管を成形するときに生じる長手方向の残留応力を低減できなくなるため、成形完了後の角形鋼管の残留応力により長手先尾端における断面の切り口変形が大きくなり、断面の寸法精度が悪化する原因になる。
[1]管周方向に平板部と角部とが交互に夫々複数形成されており、
前記平板部は、
降伏強度が325MPa以上であり、
引張強度が440MPa以上であり、
降伏比が0.90以下であり、
前記角部外側の曲率半径が前記平板部の平均肉厚の3.0倍超4.0倍以下であり、
前記角部および前記平板部の0℃におけるシャルピー吸収エネルギーが70J以上であり、
前記角部の均一伸びの平均値が5%以上である角形鋼管。
[2]前記平板部中央部表面の管軸方向の残留応力が、300MPa以下である前記[1]に記載の角形鋼管。
[3]前記[1]または[2]に記載の角形鋼管の製造方法であり、
素材鋼板をロール成形し、次いでロール成形した鋼板を電縫溶接して電縫鋼管とした後、前記電縫鋼管を複数段のサイジングスタンドによって半成形材に成形し、次いで複数段の角成形スタンドによって前記半成形材を角成形する方法であって、
前記角成形スタンド数をn(n:3以上の整数)とした場合、
式(1)、式(2)および式(3)を満たす角形鋼管の製造方法。
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)
ここで、
Rn-1:第(n-1)スタンド目のロールのカリバー半径(mm)、
Rn-2:第(n-2)スタンド目のロールのカリバー半径(mm)、
hn-1:第(n-1)スタンドにおける管の外径圧下量(mm)、
t:予め設定された角形鋼管の平板部の平均肉厚(mm)、
H:予め設定された角形鋼管の平均辺長(mm)、
rn-1:第(n-1)スタンドの圧下における外周長の変化率、
rn-2:第(n-2)スタンドの圧下における外周長の変化率、
e:自然対数の底、である。
[4]前記[1]または[2]に記載の角形鋼管が、柱材として用いられる建築構造物。
図1は、本発明の角形鋼管10(以下、単に角形鋼管10とも記す。)の管軸方向に対して垂直な断面を示す図である。
本発明の角形鋼管10は、管周方向に平板部11と角部12とが交互に夫々複数形成されており、平板部11は、降伏強度が325MPa以上であり、引張強度が440MPa以上であり、降伏比が0.90以下であり、角部12外側の曲率半径が平板部11の平均肉厚の3.0倍超4.0倍以下であり、角部12および平板部11の0℃におけるシャルピー吸収エネルギーが70J以上であり、角部12の均一伸びの平均値が5%以上であり、角部の延性に優れることを特徴とする。
また、平板部11中央部表面の管軸方向の残留応力が300MPa以下であることが好ましい。平板部11中央部表面の管軸方向の残留応力は、ひずみゲージ法を用いて、1m長さの角形鋼管片を切出し、長手中央部にひずみゲージを貼付け、切断法により管長手方向の残留応力を測定することで得られる。
また、角部12および平板部11の0℃におけるシャルピー吸収エネルギーは、角形鋼管の管外面からt/4において試験片長手方向が圧延方向と平行となるように採取したVノッチ試験片を用い、JIS Z 2242の規定に準拠したシャルピー衝撃試験を、試験温度:0℃で実施して得られる吸収エネルギー(J)である。
ここで、平均肉厚tは、角形鋼管の管端から管軸方向に20mmの位置において、断面中央を円中心とし、シーム部を0°位置としたときの時計回りに90°、180°、270°位置に該当する平板部の中心部の肉厚3点の平均値である。
肉厚の測定方法としては、マイクロメーターやノギスを使用して計測する方法があるが、これに限らない。
具体的には、まず、交点は、図1に示すように、角形鋼管10の管軸方向垂直断面における平板部11の短辺(H1<H2の場合、H1)の中心位置から鋼管内部に向かって、より具体的には対向する短辺の中心位置に向かって引いた直線上において、角形鋼管中央部から長辺(H1<H2の場合、H2)方向に1/2×|H2-H1|(すなわち、辺長H2と辺長H1の差の半分)だけオフセットさせた点(オフセット点)を起点として、上記の対向する短辺の中心位置に向かって引いた直線に対し、オフセット点が位置する側と反対側に形成される平板部11の長辺と45°をなす線と角部12外側の交点とすることができる。
角部12の均一伸びは、角部12から試験片を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して測定できる。角部12の4点の均一伸びの総和を4で割ることで算出される値を、均一伸びの平均値とする。
Cは、固溶強化により鋼板の強度を増加させるとともに、第二相の一つであるパーライトの形成に寄与する元素である。所望の引張特性、靭性、さらに所望の鋼板組織を確保するためには、0.07%以上の含有であることが好ましい。一方、0.20%を超える含有は、角形鋼管10の溶接時(例えば、角形鋼管同士の溶接時)にマルテンサイト組織が生成し溶接割れの原因となる懸念がある。このため、Cは0.07~0.20%の範囲であることが好ましい。Cは、より好ましくは下限が0.09%であり、上限がより好ましくは0.18%である。
Siは、固溶強化で鋼板の強度増加に寄与する元素であり、所望の鋼板強度を確保するために、必要に応じて含有できる。このような効果を得るためには、0.01%を超えて含有することが望ましい。しかし、0.4%以上の含有は、鋼板表面に赤スケールと称するファイアライトが形成しやすくなり、表面の外観性状が低下する場合が多くなる。このため、含有する場合には、0.4%未満とすることが好ましい。なお、特にSiを添加しない場合は、Siは不可避的不純物として、そのレベルは0.01%以下である。
Mnは、固溶強化を介して鋼板の強度を増加させる元素であり、所望の鋼板強度を確保するために、0.3%以上の含有であることが好ましい。0.3%未満の含有では、フェライト変態開始温度の上昇を招き、組織が過度に粗大化しやすい。一方、2.0%を超えて含有すると、中心偏析部の硬度が上昇し、角形鋼管の現場溶接時の割れの原因となる懸念がある。このため、Mnは0.3~2.0%であることが好ましい。Mnは、より好ましくは上限が1.6%である。さらにより好ましくは、上限が1.4%である。
Pは、フェライト粒界に偏析して、靭性を低下させる作用を有する元素であり、本発明では、不純物として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ため、0.002%以上とすることが好ましい。なお、0.03%までは許容できる。このため、Pは0.03%以下であることが好ましい。Pは、より好ましくは0.025%以下である。
Sは、鋼中では硫化物として存在し、本発明の組成範囲であれば、主としてMnSとして存在する。MnSは、熱延工程で薄く延伸され、延性、靭性に悪影響を及ぼすため、本発明ではできるだけMnSは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ため、Sは0.0002%以上とすることが好ましい。なお、0.015%までは許容できる。このため、Sは0.015%以下であることが好ましい。Sは、より好ましくは0.010%以下である。
Alは、脱酸剤として作用するとともに、AlNとしてNを固定する作用を有する元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上の含有を必要とする。0.01%未満では、Si無添加の場合に脱酸力が不足し、酸化物系介在物が増加し、鋼板の清浄度が低下する。一方、0.06%を超える含有は、固溶Al量が増加し、角形鋼管の長手溶接時(角形鋼管の製造時の溶接時)に、特に大気中での溶接の場合に、溶接部に酸化物を形成させる危険性が高くなり、角形鋼管溶接部の靭性が低下する。このため、Alは0.01~0.06%であることが好ましい。Alは、より好ましくは、下限が0.02%であり、上限が0.05%である。
Nは、転位の運動を強固に固着することで靭性を低下させる作用を有する元素である。本発明では、Nは不純物としてできるだけ低減することが望ましく、0.006%までは許容できる。このため、Nは0.006%以下であることが好ましい。Nは、より好ましくは0.005%以下である。
次に、前述した本発明の角形鋼管10の製造方法について説明する。
本発明の角形鋼管10の製造方法では、素材鋼板をロール成形し、次いでロール成形した鋼板を電縫溶接して電縫鋼管とした後、前記電縫鋼管を複数段のサイジングスタンドによって半成形材に成形し、次いで複数段の角成形スタンドによって前記半成形材を角成形して角形鋼管を製造する方法であって、角成形スタンド数をn(n:3以上の整数)とした場合、式(1)、式(2)および式(3)を満たす。
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)
ここで、
Rn-1:第(n-1)スタンド目のロールのカリバー半径(mm)、
Rn-2:第(n-2)スタンド目のロールのカリバー半径(mm)、
hn-1:第(n-1)スタンドにおける管の外径圧下量(mm)、
t:予め設定された角形鋼管の平板部の平均肉厚(mm)、
H:予め設定された角形鋼管の平均辺長(mm)、
rn-1:第(n-1)スタンドの圧下における外周長の変化率、
rn-2:第(n-2)スタンドの圧下における外周長の変化率、
e:自然対数の底、である。
縮径率が不十分であると、管の長手方向の残留応力が低減されずに、成形完了後の角形鋼管の断面の切り口が変形し、角形鋼管端面の断面の寸法精度が悪化する。そこで、角形鋼管端面の断面の寸法に及ぼす管長手方向の残留応力の影響を明らかにした結果、平板部中央部表面の管軸方向(長手方向)の残留応力が300MPa以下であれば、角形鋼管端面の断面の寸法精度に及ぼす影響が小さいことを見出した。そのため、平板部中央部表面の管軸方向の残留応力は、300MPa以下であることが好ましい。平板部中央部表面の管軸方向の残留応力は、より好ましくは200MPa以下であり、さらに好ましくは150MPa以下である。
また、残留応力を極度に小さくする場合は、縮径率を大きくする必要がある。
しかし、サイジングスタンドの縮径率を大きくし過ぎると角形鋼管の平板部の降伏比が0.90を超過し、平板部の塑性変形能を確保できない。また、角成形スタンドの全縮径率を大きくし過ぎると、角部外側の曲率半径が平板部の平均肉厚の3.0倍以下となる。そのため、残留応力は20MPa以上とすることが好ましい。残留応力は、より好ましくは50MPa以上であり、さらに好ましくは80MPa以上である。
図4は、角成形スタンドのロールを説明するための模式図である。ロールのカリバー曲率半径(カリバー半径)は、図4に示すように、ロール成形群9のロール91、92、93、94で、半成形材(鋼管)と接する面で、管進行方向(管軸方向、管長手方向)視における曲線部を円弧とする扇形の半径Rのことである。
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)
ここで、
Rn-1:第(n-1)スタンド目のロールのカリバー半径(mm)、
Rn-2:第(n-2)スタンド目のロールのカリバー半径(mm)、
hn-1:第(n-1)スタンドにおける管の外径圧下量(mm)、
t:予め設定された角形鋼管の平板部の平均肉厚(mm)、
H:予め設定された角形鋼管の平均辺長(mm)、
rn-1:第(n-1)スタンドの圧下における外周長の変化率、
rn-2:第(n-2)スタンドの圧下における外周長の変化率、
e:自然対数の底、である。
Rn-1≦Rn-2であるとき、角部外側の曲率半径が目標よりも小さくなる。さらに、角部の加工硬化が進行するため、シャルピー吸収エネルギーおよび均一伸びが悪化する。
一方、(Rn-1/Rn-2)・hn-1が0.300を超過した場合、第(n-1)スタンドにおいて、平板部中央部の曲げ戻し変形が過大になり、平板部中央部の加工硬化が大きくなるため、角成形後の角形鋼管における平板部の降伏比が0.90を超過する。
以上より、本発明では、式(1)、式(2)として、「Rn-1>Rn-2」、「0.010≦(Rn-1/Rn-2)・hn-1≦0.300」を満たすようにする。
好ましくは、(Rn-1/Rn-2)・hn-1は0.040以上であり、より好ましくは0.060以上である。また、好ましくは、0.250以下であり、より好ましくは0.200以下である。
ここで、第(n-1)スタンドにおける管の外径Dn-1は、ロール最下部から管長手方向の下流側へ長さ2.0m以下の領域において管の外径Dをノギスなどで測定する方法があるがこの限りではない。
外径圧下量hn-1は、第(n-2)スタンドと第(n-1)スタンドの中間位置における管の外径Dn-2から管の外径Dn-1を差し引くことにより算出することができる。
そこで、本発明者らは鋭意検討し、第(n-2)スタンドで減少した縮径率(外周長の変化率)rn-2を第(n-1)スタンドの縮径率(外周長の変化率)で補う必要があり、第(n-1)スタンドにおける縮径率(外周長の変化率)rn-1と第(n-2)スタンドにおける縮径率(外周長の変化率)rn-2の総和が5×10-4・e50・t/H以上(t:予め設定された(予め推定された)角形鋼管の平板部の平均肉厚、H:予め設定された(予め推定された)角形鋼管の平均辺長)であれば、角成形後の鋼管において、角部外側の曲率半径を平板部の平均肉厚の3.0倍超にすることができる。また、平板部中央部表面における長手方向の残留応力を300MPa以下にすることもできる。以上より、本発明では、式(3)として、「rn-1+rn-2≧5×10-4・e50・t/H」を満たすようにする。
ここで、外周長の変化率rnは、(圧下前の外周長(mm)-圧下後の外周長(mm))/圧下前の外周長(mm)である。
第(n-1)スタンドにおける縮径率rn-1と第(n-2)スタンドにおける縮径率rn-2は各スタンドのロール最下部から管の長手方向の上流側、下流側へそれぞれ長さ2.0m以下の領域において巻き尺によって、外周長を測定し、その外周長の変化率から算出する方法があるがこの限りではない。
また、tは、製品の規格サイズに基づいて予め設定した角形鋼管の平板部の平均肉厚とすることができる。また、Hも、製品の規格サイズに基づいて予め設定された角形鋼管の平均辺長とすることができる。
上下、あるいは左右の位置に対向配置された2本一対の角成形ロール群を鋼管が通過して、複数スタンドを経ることで平板部が形成されてもよい。
また、各スタンドにおいて、上下左右の4本一組のロールのセットを有する角成形ロール群によって、同時に上下左右の平板部が形成されることがさらに好ましい。
図4は、本発明の建築構造物の一例を示す模式図である。
符号14、15、16、17は、順に大梁、小梁、間柱、ダイアフラムを示す。
本発明の角形鋼管は、前述したように、平板部の機械的特性に優れ、角部においては、延性、靭性を十分に確保すると共に、加工硬化が抑制される。そのため、この角形鋼管を柱材として使用した本発明の建築構造物は、優れた耐震性能を発揮する。
以下、実施例に基づいてさらに本発明を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。
また、第2スタンドおよび第3スタンドの、各々ロール最下部から1m上流側、および1m下流側に位置において、巻き尺によって管の外周長を測定し、縮径率(外周長の変化率)r2およびr3を算出し、その結果を表2に合わせて示す。
前記電縫鋼管を素管にし、6スタンド(n=6)の角成形ロール群で角成形を行い、表2に示すようなNo.11、12の角形鋼管を得た。
上記の実施例1、2の方法で得られた種々の角形鋼管に対し、ラジアルゲージを使用して角部外面の曲率半径を測定した。
結果を表3に示す。
2 レベラー
3 ケージロール群
4 フィンパスロール群
5 スクイズロール
6 溶接機
7 電縫鋼管
8 サイジングロール群
9 角成形ロール群
10 角形鋼管
11 平板部
12 角部
13 溶接部(シーム部)
14 大梁
15 小梁
16 間柱
17 ダイアフラム
Claims (5)
- 管周方向に平板部と角部とが交互に夫々複数形成されており、
前記平板部は、
降伏強度が325MPa以上であり、
引張強度が440MPa以上であり、
降伏比が0.90以下であり、
前記角部外側の曲率半径が前記平板部の平均肉厚の3.0倍超4.0倍以下であり、
前記角部および前記平板部の0℃におけるシャルピー吸収エネルギーが70J以上であり、
前記角部の均一伸びの平均値が5%以上である角形鋼管。 - 前記平板部中央部表面の管軸方向の残留応力が、300MPa以下である請求項1に記載の角形鋼管。
- 質量%で、C:0.07~0.20%、Si:0.4%未満、Mn:0.3~2.0%、P:0.03%以下、S:0.015%以下、Al:0.01~0.06%、N:0.006%以下を含有し、
あるいはさらに、
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%から選ばれる1種又は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成分組成を有する、請求項1または2に記載の角形鋼管。 - 請求項1~3のいずれかに記載の角形鋼管の製造方法であり、
素材鋼板をロール成形し、次いでロール成形した鋼板を電縫溶接して電縫鋼管とした後、前記電縫鋼管を複数段のサイジングスタンドによって半成形材に成形し、次いで複数段の角成形スタンドによって前記半成形材を角成形する製造方法であって、
前記角成形スタンド数をn(n:3以上の整数)とした場合、
式(1)、式(2)および式(3)を満たす角形鋼管の製造方法。
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)
ここで、
Rn-1:第(n-1)スタンド目のロールのカリバー半径(mm)、
Rn-2:第(n-2)スタンド目のロールのカリバー半径(mm)、
hn-1:第(n-1)スタンドにおける管の外径圧下量(mm)、
t:予め設定された角形鋼管の平板部の平均肉厚(mm)、
H:予め設定された角形鋼管の平均辺長(mm)、
rn-1:第(n-1)スタンドの圧下における外周長の変化率、
rn-2:第(n-2)スタンドの圧下における外周長の変化率、
e:自然対数の底、である。 - 請求項1~3のいずれかに記載の角形鋼管が、柱材として用いられる建築構造物。
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