KR20220053644A - 각형 강관 및 그 제조 방법 그리고 건축 구조물 - Google Patents

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Abstract

평판부의 기계적 특성을 우수한 것으로 하고, 관의 내외표면에 형성되는 산화 스케일의 기능을 충분히 확보하며, 또한, 모서리부에 있어서, 인성을 충분히 확보함과 함께, 가공 경화를 억제한 각형 강관 및 그 제조 방법 그리고 이 각형 강관을 사용한 건축 구조물을 제공하는 것.
관둘레 방향으로 평판부 (101) 와 모서리부 (102) 가 교대로 각각 복수 형성되어 있고, 평판부 (101) 의 항복 강도 (YS) 가 295 MPa 이상이고, 평판부 (101) 의 인장 강도 (TS) 가 400 MPa 이상이고, 평판부 (101) 의 항복비 (YR) 가 0.80 이하이고, 모서리부 (102) 의 0 ℃ 에 있어서의 샤르피 흡수 에너지가 70 J 이상이고, 관의 내외표면의 산화 스케일의 두께가 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이고, 모서리부 (102) 정점의 내표면에서부터 두께 방향 소정 위치와, 평판부 (101) 의 관둘레 방향 중앙부의 외표면에서부터 두께 방향 소정 위치에 있어서의 평균 비커스 경도의 차가 5 HV 이상 60 HV 이하이도록 한다.

Description

각형 강관 및 그 제조 방법 그리고 건축 구조물
본 발명은, 건축 구조물의 기둥재에 사용되고, 변형 능력이 우수하며, 모서리부의 가공 경화의 영향이 작은 각형 강관 및 그 제조 방법 및 그리고 건축 구조물에 관한 것이다.
종래, 건축물의 기둥재로서 사용되는 각형 강관은, 두꺼운 강판을 프레스기에 의해 각형상 (角形狀) 으로 프레스 성형한 후, 용접하는 방법 (BCP 법) 에 의해 제조되고 있었다. 한편, 최근, 생산성이 낮은 BCP 법을 대신하여, 비용 저감을 도모하는 점에서, 롤 성형한 후, 용접하고, 각 성형 (角成形) 하여 각 강관을 얻는 방법 (BCR 법) 에 의해 각 강관을 제조하는 시도가 이루어지게 되었다.
BCR 법은, 열연 강판을 롤 성형에 의해 원통상의 오픈 관 형상으로 하고, 그 맞대어지는 부분을 전봉 용접한 후, 상하 좌우에 배치된 롤에 의해 원통상인 채로 관축 방향으로 수 ％ 의 조임을 가하여, 계속해서 각형으로 성형하여 제조된다. 롤 성형에 의한 각형 강관의 제조는 냉간에서 실시되기 때문에, 가공 경화의 영향이 현저하다. 그 때문에, BCP 법에 의해 얻어지는 각형 강관과 비교하여, 특히 평판부의 소성 변형능이 손상되게 되어, 설계상의 제한이 부과되어 있다.
이 설계상의 제한을 완화하기 위해서는, BCR 법에 의해 얻어지는 각형 강관의 평판부의 항복비 (YR) 를 BCP 법에 의해 얻어지는 각형 강관의 평판부에 상당하게 할 필요가 있고, 그 항복비 (YR) 는 0.80 이하이다.
또한, BCR 법에 의한 각형 강관의 모서리부 내면에서는, 후공정에 있는 Zn 도금 처리가 온간에서 행해지기 때문에, 잔류 응력의 해방이 발생하여, 가공 경화에 의해 취화된 부위를 기점으로 취화 균열이 발생한다는 문제가 있었다. 그 때문에, 각형 성형 공정에 있어서, 각형 강관의 모서리부 내면의 과도한 가공 경화를 억제하는 제조 조건을 선정할 필요가 있다.
상기로부터, BCR 법에 의한 각형 강관을 제조하는 경우에는, 냉간 성형시의 가공 경화에 의한 평판부의 항복비 (YR) 의 증가를 작게 하는 소재의 선정이나, 모서리부 내면의 잔류 응력의 발생을 억제하는 제조 방법의 선정 등이 유효하지만, 그 중에서 각형 강관 전체를 가열하는 열처리를 실시하는 것도 유효한 수단이다.
특허문헌 1 에서는, BCR 법에 의한 각형 강관의 성형과, 유도 가열 장치에 의해 각형 강관의 응력 제거 어닐링을 실시하는 열처리, 용융 아연 도금을 실시하는 도금 처리를 연속적으로 실시하는 각형 강관의 제조 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 2 에서는, 냉간 성형에 의해 얻어진 각형 강관에 대하여, Ac1 변태점 이하의 온도에서 템퍼링 열처리를 실시하는 제조 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 3 에서는, 미리 각형 강관의 마무리 성형까지 각 성형을 실시하고, 중간에 가열 처리를 실시하고, Ac3 변태점 초과의 온도역에서 마무리의 각 성형을 실시하는 제조 방법이 제안되어 있다.
일본 공개특허공보 평9-155447호 일본 공개특허공보 2005-163159호 일본 특허공보 제2852317호
그런데, 최근, 내진 성능이 우수한 건축 구조물 등에 사용하기 위한 각형 강관으로는, 평판부의 기계적 특성으로서, 항복 강도와 인장 강도를 소정값 이상으로 함과 함께, 전술한 바와 같이 항복비를 0.80 이하로 하는 것이 요구되고 있다.
또한, 모서리부로는, 인성 (靭性) 을 충분히 확보함과 함께, 전술한 바와 같이 가공 경화를 억제하는 것이 요구되고 있다.
또한, 관의 내외표면에 형성되는 산화 스케일에 관하여, 보호막으로서의 기능을 확보하면서, 스케일 박리를 억제하는 것도 요구되고 있다.
그러나, 전술한 특허문헌 1 ∼ 3 에 기재된 기술은, 이들 요구를 만족하는 각형 강관을 얻는 기술로는 아직 충분하다고는 말할 수 없었다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 평판부의 기계적 특성을 우수한 것으로 하고, 관의 내외표면에 형성되는 산화 스케일의 기능을 충분히 확보하며, 또한, 모서리부에 있어서, 인성을 충분히 확보함과 함께, 가공 경화를 억제한 각형 강관 및 그 제조 방법 그리고 이 각형 강관을 사용한 건축 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 실시하였다.
우선, 본 발명에서 평판부 (관축 방향 수직 단면에 있어서의 변부) 에 요구되는 기계적 특성으로는, 항복 강도 (YS) 를 295 MPa 이상으로 하고, 인장 강도 (TS) 를 400 MPa 이상으로 하고, 항복비 (YR) 를 0.80 이하로 하면 된다고 판단하였다. 또한, 모서리부에 요구되는 인성으로서, 0 ℃ 에 있어서의 샤르피 흡수 에너지를 70 J 이상으로 하면 된다고 판단하였다.
또한, 관의 내외표면에 발생하는 산화 스케일의 기능을 충분히 확보하기 위해, 구체적으로는, 산화 스케일의 박리를 억제하면서, 보호막으로서의 기능을 확보하기 위해서는, 본 발명에서는 그 두께를 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하로 하면 되는 것을 알아내었다.
또한, 모서리부의 가공 경화를 충분히 억제하기 위해서는, 모서리부 정점 (頂点) 의 내표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도와, 평판부의 관둘레 방향 중앙부의 외표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도의 차를 5 HV 이상 60 HV 이하로 하면 되는 것을 알아내었다.
또한, 본 발명자들은, 각형 강관이 상기 특성을 갖도록 하기 위해서는, 냉간 성형에 의해 강판으로부터 각형상으로 마무리한 특정한 각형 소관 (素管) 에 대해서, Ac1 변태점 미만의 온도에서 가열하고, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차를 50 ℃ 이하로 하며, 또한, 500 ℃ 이상의 가열 유지 시간을 100 sec 이상으로 하여 어닐링 열처리를 실시하면 되는 것을 알아내었다. 상세하게는, 먼저, Ac1 변태점 이상의 온도에서 열처리를 실시하면, 인성이 현저하게 악화되는 경우가 있는 것에 착안하였다.
또한, 본 발명자들은, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차와 관의 기계적 특성의 관계성에 대해서 검토하였다.
구체적으로는, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차에 대해, 응력 제거 어닐링 처리 등의 어닐링 열처리는 가열 온도의 영향이 큰 것에 착안하였다. 또, 유도 가열 등의 어닐링 열처리에 있어서는 외면측이 전기 저항에 의해 가열되고, 내면측의 온도는 외면측보다 저온이 되는 것에도 착안하였다. 이것들로부터, 가열 온도 편차가 크면, 관의 외면, 내면에서, 응력 제거 어닐링 등의 어닐링 열처리의 영향의 차가 커지고, 결과적으로 관의 외면 및 내면에서 기계적 특성의 차이가 커져, 불균일한 특성을 가진 관이 된다는 것을 알아내어, 이 점에 대해 예의 검토하였다. 또한, 응력 제거 어닐링 처리에 있어서, 변형을 제거하기 위해 충분한 가열 유지 시간을 확보할 필요가 있는 것에 착안하여, 검토하였다.
이러한 검토에 의해, 각형 강관이 전술한 특성을 갖도록 하기 위해서는, 냉간 성형에 의해 강판으로부터 각형상으로 마무리한 각형 소관에 대하여, Ac1 변태점 미만의 온도에서 가열하고, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차를 50 ℃ 이하로 하며, 또한, 500 ℃ 이상의 가열 유지 시간을 100 sec 이상으로 하여 어닐링 열처리를 실시하면 되는 것을 알아내었다.
상기 지견에 대해서는, 본 발명자들은, 어닐링 열처리의 일례로서, 각형 강관에 대해, 워크 코일을 사용한 고주파 유도 가열을 실시하는 것을 검토함으로써 실증하였다.
이 고주파 유도 가열에서는, 교류 전원에 접속된 워크 코일의 안에 있는 피가열체를 전기 저항에 의한 줄열로 가열한다. 그 때문에, 고주파 유도 가열은, 열손실이 작고, 가열 효율이 우수하다.
또, 가열의 주파수를 제어함으로써, 줄열을 발생시키는 요인인 와전류의 침투 깊이를 조정할 수 있고, 주파수를 작게 함으로써, 피가열체의 보다 내부측까지 가열할 수 있다. 그 때문에, 고주파 유도 가열에서는, 피가열체의 두께가 증가해도, 주파수를 적절히 제어함으로써, 피가열체의 표면과 내부의 가열 온도의 온도 편차를 작게 할 수 있다.
본 발명자들은, 건축 구조물의 기둥재에 사용되는 각종 각형 강관을, 워크 코일 안으로 반송시키면서, 고주파 유도 가열에 의한 각형 강관의 전체 가열을 실시하였다. 그 결과, 주파수를 적정 범위로 설정함으로써, 두께 방향으로 균일한 가열 분포를 얻을 수 있었다. 또한, 전류의 침투 깊이를 크게 함으로써, 표피 효과에 의한 표면의 가열 집중을 억제하거나, 강관 내면의 목표 온도의 도달 시간을 단축하거나 할 수 있었다. 또한, 워크 코일의 전체 길이가 수 m 정도인 소형의 가열 설비에서도 상기 효과가 얻어지는 것을 확인하였다.
또한, 상기의 표피 효과란, 이하의 현상을 가리킨다.
우선, 고주파 전류의 자기장에 의해 피가열체 (강관) 의 표면에 자기장을 없애는 전류 (와전류) 가 발생한다. 이 와전류에 의해, 전기 저항으로 피가열체가 가열되고, 상기 표면에 가까워질수록 이 가열이 집중된다. 이 현상을 표피 효과라고 한다.
본 발명은 상기 지견에 기초하는 것으로, 그 특징은 다음과 같다.
[1] 관둘레 방향으로 평판부와 모서리부가 교대로 각각 복수 형성되어 있고,
상기 평판부의 항복 강도 (YS) 가 295 MPa 이상이고,
상기 평판부의 인장 강도 (TS) 가 400 MPa 이상이고,
상기 평판부의 항복비 (YR) 가 0.80 이하이고,
상기 모서리부의 0 ℃ 에 있어서의 샤르피 흡수 에너지가 70 J 이상이고,
관의 내외표면의 산화 스케일의 두께가 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이고,
모서리부 정점의 내표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도와, 상기 평판부의 관둘레 방향 중앙부의 외표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도의 차가, 5 HV 이상 60 HV 이하인 각형 강관.
[2] 모서리부 정점의 내표면 및 외표면에 있어서의 관둘레 방향의 잔류 응력의 절대값이, 10 MPa 이상 200 MPa 이하인 상기 [1] 에 기재된 각형 강관.
[3] 모서리부 정점의 내표면 및 외표면에서부터 6 ㎜ ± 1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 균일 연신율이 5 ％ 이상인 상기 [1] 또는 [2] 에 기재된 각형 강관.
[4] 상기 [1] ∼ [3] 중 어느 하나에 기재된 각형 강관의 제조 방법으로서,
냉간 성형에 의해 강판으로부터 각형상으로 마무리한 각형 소관에 대해, Ac1 변태점 미만의 온도에서 가열하고, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차를 50 ℃ 이하로 하며, 또한, 500 ℃ 이상의 가열 유지 시간을 100 sec 이상으로 하는 어닐링 열처리를 실시하는 각형 강관의 제조 방법.
[5] 상기 어닐링 열처리에서, 가열 온도가 500 ℃ 이상 700 ℃ 이하인 상기 [4] 에 기재된 각형 강관의 제조 방법.
[6] 상기 어닐링 열처리의 가열을 유도 가열로 하고, 그 유도 가열에 있어서의 주파수를 100 Hz 이상 1000 Hz 이하로 하는 상기 [4] 또는 [5] 에 기재된 각형 강관의 제조 방법.
[7] 상기 [1] ∼ [3] 중 어느 하나에 기재된 각형 강관이 기둥재로서 사용되는 건축 구조물.
본 발명에 의하면, 평판부의 기계적 특성을 우수한 것으로 하고, 관의 내외표면에 발생하는 산화 스케일의 기능을 충분히 확보하며, 또한, 모서리부에 있어서, 인성을 충분히 확보함과 함께, 가공 경화를 억제한 각형 강관 및 그 제조 방법 그리고 이 각형 강관을 사용한 건축 구조물을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1 은 각형 강관의 평판부와 모서리부를 설명하기 위한 관축 방향 수직 단면도이다.
도 2 는 산화 스케일을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3 은 전봉 강관의 제조 설비의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 4 는 본 발명의 각형 강관의 제조 설비의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 5 는 각형 소관의 열처리 과정을 나타내는 모식도이다.
도 6 은 건축 구조물의 일례를 나타내는 모식도이다.
본 발명에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<각형 강관>
도 1 은, 본 발명의 각형 강관의 관축 방향 수직 단면시의 형상의 일례를 나타낸다.
본 발명의 각형 강관 (1) 은, 관의 길이 방향 (관축 방향) 에 수직인 단면 (관축 방향 수직 단면) 이 정방형 또는 장방형이고, 관둘레 방향으로 평판부 (관축 방향 수직 단면에 있어서의 변부) (101) 와 모서리부 (102) 가 교대로 각각 복수 형성되어 있고, 상기 평판부 (101) 의 항복 강도 (YS) 가 295 MPa 이상이고, 상기 평판부 (101) 의 인장 강도 (TS) 가 400 MPa 이상이며, 또한 상기 평판부 (101) 의 항복비 (YR) (= 항복 강도/인장 강도) 가 0.80 이하이고, 상기 모서리부 (102) 의 0 ℃ 에 있어서의 샤르피 흡수 에너지가 70 J 이상이고, 관의 내외표면의 산화 스케일의 두께가 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이고, 모서리부 정점의 내표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도와, 평판부 (101) 의 관둘레 방향 중앙부의 외표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도의 차가, 5 HV 이상 60 HV 이하이다.
또한, 본 발명의 각형 강관 (1) 은, 전봉 강관으로부터 얻어지는 강관으로, 평판부 (101) 상에 용접부 (전봉 용접부) (103) 를 가질 수 있다.
본 발명에서는, 특별히 한정되지 않지만, 각형 강관 (1) 의 관축 방향 수직 단면에 있어서의 평판부 (101) 의 변 길이 (H) 는 300 ∼ 550 ㎜ 이고, 두께 (t) 는 16 ∼ 30 ㎜ 인 것이 바람직하다.
각형 강관 (1) 의 관축 방향 수직 단면시의 형상은, 각 평판부 (101) 의 4 변의 변 길이 (H) 가 모두 동일한 정방형 (대략 정방형) 인 것이 바람직하고, 그 밖에 장방형 (대략 장방형) 이어도 된다. 장방형인 경우의 변 길이 (H) 는, 세로의 변 길이 (H1) (㎜) 와 가로의 변 길이 (H2) (㎜) 의 평균 (H = (H1＋H2)/2) 으로 한다.
본 발명에 있어서 특정되는 평판부 (101) 에 있어서의 항복 강도 (YS) : 295 MPa 이상, 인장 강도 (TS) : 400 MPa 이상, 항복비 (YR) : 0.80 이하는, 특정한 각형 소관에 대하여, Ac1 변태점 미만의 온도에서 가열하고, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차를 50 ℃ 이하로 하며, 또한, 500 ℃ 이상의 가열 유지 시간을 100 sec 이상으로 하는 어닐링 열처리를 실시함으로써 조정할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 특정되는 모서리부 (102) 의 0 ℃ 에 있어서의 샤르피 흡수 에너지 : 70 J 이상은, Ac1 변태점 미만의 온도에서 가열하고, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차를 50 ℃ 이하로 하며, 또한, 500 ℃ 이상의 가열 유지 시간을 100 sec 이상으로 하는 어닐링 열처리를 실시함으로써 조정할 수 있다.
평판부 (101) 의 항복 강도 (YS), 인장 강도 (TS), 항복비 (YR) 는, 인장 방향이 관축 방향과 평행하게 되도록, 각형 강관 (1) 의 평판부 (101) 로부터 JIS 5 호 인장 시험편을 채취하고, 이것을 사용하여 JIS Z 2241 의 규정에 준거하여 실시함으로써 측정할 수 있다.
또한, 모서리부 (102) 의 0 ℃ 에 있어서의 샤르피 흡수 에너지는, 각형 강관 (1) 의 모서리부 (102) 의 관 외면에서부터 t/4 에 있어서 시험편 길이 방향이 관길이 방향과 평행이 되도록 채취한 V 노치 시험편을 사용하여, JIS Z 2242 의 규정에 준거하여, 시험 온도 : 0 ℃ 에서 샤르피 충격 시험을 실시하여 얻어진다.
도 2 는, 본 발명의 각형 강관 (1) 에서 형성되는 산화 스케일을 설명하기 위한 모식도이다.
상기 강관 (1) 의 내외표면에 존재하는 산화 스케일은 도 2 에 나타내는 구조를 하고 있고, 뷔스타이트 (FeO), 마그네타이트 (Fe3O4), 헤머타이트　(Fe2O3) 가 지철 (모재) 측에서부터 표면측으로 순서대로 층상으로 구성되어 있다.
본 발명에서는, 유도 가열 등의 어닐링 열처리에 있어서, Ac1 변태점 미만의 온도에서 가열을 실시함으로써, 강관 (1) 표면의 산화 스케일의 성장이 억제된다. 한편, Ac1 변태점 이상의 온도에서 가열한 경우 등에서는, 산화 스케일이 성장한다. 산화 스케일의 두께 (이하, 스케일 두께라고도 기재한다) 가 증가하여, 20 ㎛ 초과가 되면, 외부로부터의 충격력 등에 의한 변형이 스케일층에 축적되기 쉬워져, 스케일의 박리가 발생한다. 한편, 스케일 두께가 1 ㎛ 미만이면, 냉간 성형시에 스케일의 보호막으로서의 효과가 소실되어, 충분한 방식 효과가 얻어지지 않게 된다. 따라서, 관의 내외표면의 스케일 두께는 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하로 한다. 바람직하게는, 스케일 두께는 2 ㎛ 이상이고, 보다 바람직하게는 4 ㎛ 이상이다. 또한, 바람직하게는, 스케일 두께는 10 ㎛ 이하이고, 보다 바람직하게는 8 ㎛ 이하이다.
상기 스케일 두께에 대해서는, 열간 압연에 있어서 고온의 소판 (素板) 을 대기에 노출시키는 시간을 조정함으로써, 1 ㎛ 이상으로 할 수 있다. 또한, 어닐링 열처리의 가열 온도를 Ac1 변태점 미만으로 함으로써 스케일 두께를 20 ㎛ 이하로 할 수 있다.
또한, 강관 (1) 의 내외표면에 형성되는 산화 스케일의 두께는, 주사형 전자 현미경 (SEM) 을 사용하여 측정할 수 있다.
후술하는 바와 같은 유도 가열 등의 어닐링 열처리, 및 사이징 공정, 또는 교정 공정을 거친 후의 각형 강관 (1) 에서는, 열처리에 의해 잔류 응력이 해방되어 있다.
미(未)열처리의 각형 강관에서는, 특히 모서리부의 외표면 및 내표면에 있어서 각각, 큰 압축의 잔류 응력과 인장의 잔류 응력이 발생되어 있다.
이 때, 모서리부의 외표면에 과잉의 잔류 응력이 작용하고 있는 경우, 외표면의 가공 경화의 진행이 현저하여, 각형 강관에 다이어프램 등으로 건축 부재로서의 용접을 실시할 때에, 용접부 근방의 가열부에 생기는 열 팽창에 의해, 균열이 발생하는 경우가 있다.
또, 모서리부의 내표면에 과잉의 잔류 응력이 작용하고 있는 경우, 각형 강관의 성형 후에 실시하는 Zn 도금 처리에서, 잔류 응력이 해방되어, 모서리부 내면에 도금 균열이 생기는 경우가 있다.
관둘레 방향의 잔류 응력이 강판 모재의 항복 응력 (모서리부 표면의 항복 응력) 이상일 때, 각형 강관의 모서리부에 있어서의 결함이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 모서리부 (102) 에 있어서의 결함을 억제하기 위해서는, 모서리부 정점에 있어서의 내표면 및 외표면의 관둘레 방향의 잔류 응력을 작게 할 필요가 있고, 그 잔류 응력의 절대값이 모서리부 표면의 항복 응력 미만인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 성형 후의 각형 강관 (1) 을 절단했을 때에 생기는 이상한 절단면 변형을 방지하기 위해서, 잔류 응력의 절대값은 200 MPa 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 잔류 응력의 절대값이 10 MPa 미만인 경우, 교정 부족에 의해 재료의 항복 연신을 소실시킬 수 없는 경우가 있다. 따라서, 모서리부 정점의 내표면 및 외표면에 있어서의 관둘레 방향의 잔류 응력의 절대값은, 10 MPa 이상 200 MPa 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 20 MPa 이상이고, 더욱 바람직하게는 50 MPa 이상이다. 또한, 보다 바람직하게는 150 MPa 이하이고, 더욱 바람직하게는 100 MPa 이하이다.
또, 본 발명에서는, 열처리 후의 교정 가공의 가공량을 제어하는 것, 또, Ac1 변태점 미만의 온도에서 가열하고, 또한, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차를 50 ℃ 이하로 하며, 또한, 500 ℃ 이상의 가열 유지 시간을 100 sec 이상으로 하는 어닐링 열처리를 실시함으로써, 잔류 응력의 절대값을 10 MPa 이상 200 MPa 이하로 할 수 있다.
또, 잔류 응력의 측정으로는, 강관을 절단하고, 측정 위치의 표층에서부터 50 ㎛ 깊이까지의 부재를 전해 에칭에 의해 제거한 다음, X 선 회절의 cosα 법에 의해 둘레 방향의 잔류 응력을 측정한다. 측정 위치는 강관의 길이 중앙부이고, 네 모서리의 모서리부 정점 위치로 한다.
여기서, 모서리부 정점이란, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 각형 강관 (1) 의 관축 방향 수직 단면에 있어서의 평판부 (101) 의 짧은 변 (H1 ＜ H2 의 경우, H1) 의 중심 위치에서부터 강관 내부를 향해, 보다 구체적으로는 대향하는 짧은 변의 중심 위치를 향해 그은 직선 상에 있어서, 각형 강관 중앙부로부터 긴 변 (H1 ＜ H2 인 경우, H2) 방향으로 1/2 × |H2－H1| (즉, 변 길이 (H2)와 변 길이 (H1) 의 차의 절반) 만큼 오프셋시킨 점 (오프셋점) 을 기점으로 하여, 상기의 대향하는 짧은 변의 중심 위치를 향하여 그은 직선에 대하여, 오프셋점이 위치하는 측과 반대측에 형성되는 평판부 (101) 의 긴 변과 45°를 이루는 선과 모서리부 (102) 외측의 교점으로 할 수 있다.
또한, 이 모서리부 정점은, 각형 강관 (1) 의 관축 방향 수직 단면에 있어서의 평판부 (101) 의 긴 변 (H1 ＜ H2 의 경우, H2) 의 중심 위치로부터, 대향하는 긴 변의 중심 위치를 향해 그은 직선 상에 있어서, 각형 강관 중앙부에서부터 짧은 변 (H1 ＜ H2 의 경우, H1) 방향으로 1/2 × |H2－H1| 만큼 오프셋시킨 점 (오프셋점) 을 기점으로 하여, 상기의 대향하는 긴 변의 중심 위치를 향해 그은 직선에 대하여, 각형 강관 (1) 의 관축 방향 수직 단면에 있어서의 평판부 (101) 의 짧은 변 (H1 ＜ H2 의 경우, H1) 의 중심 위치에서부터 강관 내부를 향해, 오프셋점이 위치하는 측에 형성되는 평판부 (101) 의 짧은 변과 45°를 이루는 선과 모서리부 (102) 외측의 교점이라고도 할 수 있다.
또한, 관축 방향 수직 단면시의 형상이 정방형 (대략 정방형) 인 경우에는, 모서리부 정점은, 강관 (1) 의 중심축을 기점으로 하여, 평판부 (101) 와 45°를 이루는 선과 모서리부 (102) 외측의 교점으로 할 수 있다.
냉간 성형 직후의 강관은 가공 경화의 영향이 현저하고, 특히 평판부와 비교하여, 네 모서리의 모서리부의 가공 경화가 진행되고 있다.
롤 성형 각형 강관의 경우, 가장 가공 경화의 영향이 큰 것은 모서리부의 내표면측으로, 연성 (延性) 이 손상되어 있다. 유도 가열에 의한 응력 제거 어닐링 등의 열처리를 거친 후의 각형 강관의 조직은, 회복에 의해 변형이 제거되어 있기 때문에, 연성이 향상되고, 가공 경화의 영향이 거의 해소된다. 이 때, 모서리부 정점의 내표면 및 외표면에서부터 6 ㎜ ± 1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 균일 연신율이 5 ％ 미만인 경우, 응력 제거 어닐링이 불충분하여, 모서리부에 균열이 발생할 가능성이 있다. 따라서, 모서리부 정점의 내표면 및 외표면에서부터 6 ㎜ ± 1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 균일 연신율이 5 ％ 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 10 ％ 이상이다.
상기한 균일 연신율은, 인장 방향이 관축 방향과 평행이 되도록, 각형 강관의 정점의 내외표면에서부터 6 ㎜ ± 1 ㎜ 의 두께 방향의 위치로부터 JIS 5 호 인장 시험편을 채취하고, 이것을 사용하여 JIS Z 2241 의 규정에 준거하여 실시함으로써 측정할 수 있다.
본 발명에서는, 특정한 각형 소관에 대해, Ac1 변태점 미만의 온도에서 가열하고, 또한, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차를 50 ℃ 이하로 하며, 또한, 500 ℃ 이상의 가열 유지 시간을 100 sec 이상으로 하는 어닐링 열처리를 실시함으로써, 균일 연신율을 5 ％ 이상으로 할 수 있다.
또한, 후술하는 열처리를 강관 전체에서 실시함으로써, 평판부 (101) 와 모서리부 (102) 의 각 부위에 있어서의 기계적 특성이 거의 균일한 각형 강관 (1) 을 얻을 수 있다.
본 발명에서는, 각형 강관 (1) 의 비커스 경도는 특별히 한정되지 않지만, 열처리 후의 교정 공정에 있어서 교정 부족이나 과도한 가공 경화를 방지하기 위해, 100 ∼ 300 HV 로 해도 된다.
또한, 본 발명의 각형 강관 (1) 은, 열처리 전의 모서리부 정점의 비커스 경도가 평판부의 비커스 경도보다 높고, 응력 제거 어닐링 후에도 그 영향이 남기 때문에, 모서리부 정점의 비커스 경도가 평판부 (101) 의 비커스 경도보다 높아도 된다.
모서리부 정점의 내표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도와, 평판부의 관둘레 방향 중앙부의 외표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도의 차 ((모서리부 정점의 내표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도) － (평판부의 관둘레 방향 중앙부의 외표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도)) 가 5 HV 미만인 경우, 교정 부족에 의해 재료의 항복 연신을 소실시킬 수 없었다. 한편, 평균 비커스 경도의 차가 60 HV 초과이면, 응력 제거 어닐링이 불충분하여, 평판부와 모서리부의 기계적 특성이 불균일해진다. 따라서, 모서리부 정점의 내표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도와, 평판부 (101) 의 관둘레 방향 중앙부의 외표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도의 차는, 5 HV 이상 60 HV 이하이다. 바람직하게는 10 HV 이상이고, 보다 바람직하게는 15 HV 이상이다. 또한, 바람직하게는 40 HV 이하이고, 보다 바람직하게는 30 HV 이하이다.
본 발명에서는, 특정한 각형 소관에 대해, Ac1 변태점 미만의 온도에서 가열하고, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차를 50 ℃ 이하로 하며, 또한, 500 ℃ 이상의 가열 유지 시간을 100 sec 이상으로 하는 어닐링 열처리를 실시하는 것, 더욱 바람직하게는 응력 제거 어닐링 등의 어닐링 열처리에 있어서의 가열 온도 및 어닐링 열처리 시간의 제어에 의해, 상기한 평균 비커스 경도의 차를 5 HV 이상 60 HV 이하로 할 수 있다.
비커스 경도로는, 마이크로 비커스 경도 시험 (JIS Z 2244 : 2009) 의 규정에 준거하여, 네 모서리의 모서리부 정점의 내표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치와, 평판부 (101) 의 관둘레 방향 중앙부의 외표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향의 위치에 있어서의 비커스 경도를 측정한다. 시험력은 9.8 N 으로 하여, 비커스 경도를 측정한다.
본 발명의 각형 강관 (1) 의 성분 조성은, 특별히 제한되지 않지만, 질량％ 로, C : 0.07 ∼ 0.20 ％, Si : 0.4 ％ 미만, Mn : 0.3 ∼ 2.0 ％, P : 0.030 ％ 이하, S : 0.015 ％ 이하, Al : 0.01 ∼ 0.06 ％, N : 0.006 ％ 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성인 것이 바람직하다. 이하에, 각 성분의 한정 이유를 서술한다. 이하, 각 성분의 설명에 있어서는, 특별히 언급하지 않는 한, 질량％ 는 간단히 ％ 로 기재한다.
C : 0.07 ∼ 0.20 ％
C 는, 고용 강화에 의해 강의 강도를 증가시킴과 함께, 제 2 상의 하나인 펄라이트의 형성에 기여하는 원소이다. 원하는 인장 특성, 인성, 또한 원하는 강 조직을 확보하기 위해서는, C 를 0.07 ％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 0.20 ％ 를 초과하는 C 의 함유는, 각형 강관의 용접시 (예를 들면, 각형 강관끼리의 용접시) 에 마텐자이트 조직이 생성되어 용접 균열의 원인이 될 우려가 있다. 이 때문에, C 함유량은 0.07 ∼ 0.20 ％ 의 범위인 것이 바람직하다. C 함유량은, 보다 바람직하게는 하한이 0.09 ％ 이고, 상한이 보다 바람직하게는 0.18 ％ 이다.
Si : 0.4 ％ 미만
Si 는, 고용 강화에 의해 강의 강도 증가에 기여하는 원소로, 원하는 강 강도를 확보하기 위해, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.01 ％ 를 초과하여 Si 를 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.4 ％ 이상의 Si 의 함유는, 강 표면에 적 (赤) 스케일이라고 불리는 철감람석이 형성되기 쉬워져, 표면의 외관 성상이 저하되는 경우가 많아진다. 이 때문에, Si 를 함유하는 경우에는, Si 함유량을 0.4 ％ 미만으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 특별히 Si 를 첨가하지 않는 경우, Si 함유량은 불가피적 불순물로서 0.01 ％ 이하이다.
Mn : 0.3 ∼ 2.0 ％
Mn 은, 고용 강화를 통해 강판의 강도를 증가시키는 원소로, 원하는 강판 강도를 확보하기 위해서 0.3 ％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 0.3 ％ 미만의 Mn 의 함유에서는, 페라이트 변태 개시 온도의 상승을 초래하여, 조직이 과도하게 조대화되기 쉽다. 한편, 2.0 ％ 를 초과하여 Mn 을 함유하면, 중심 편석부의 경도가 상승하여, 각형 강관을 사용한 기둥의 조인트 용접이나 다이어프램과의 용접시 등의 균열의 원인이 될 우려가 있다. 이 때문에, Mn 함유량은 0.3 ∼ 2.0 ％ 인 것이 바람직하다. Mn 함유량은, 보다 바람직하게는 상한이 1.6 ％ 이다. 보다 더 바람직하게는, 상한이 1.4 ％ 이다.
P : 0.030 ％ 이하
P 는, 페라이트 입계에 편석하여, 인성을 저하시키는 작용을 갖는 원소로, 본 발명에서는, 불순물로서 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하다. 그러나, 과도한 저감은 정련 비용의 상승을 초래하기 때문에, P 함유량은 0.002 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, P 함유량은 0.030 ％ 까지는 허용할 수 있다. 이 때문에, P 함유량은 0.030 ％ 이하인 것이 바람직하다. P 함유량은, 보다 바람직하게는 0.025 ％ 이하이다.
S : 0.015 ％ 이하
S 는, 강 중에서는 황화물로서 존재하고, 본 발명의 조성 범위이면, 주로 MnS 로서 존재한다. MnS 는, 열연 공정에서 얇게 연신되어, 연성, 인성에 악영향을 미치기 때문에, 본 발명에서는 가능한 한 MnS 는 저감시키는 것이 바람직하다. 그러나, 과도한 저감은 정련 비용의 상승을 초래하기 때문에, S 함유량은 0.0002 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, S 함유량은 0.015 ％ 까지는 허용할 수 있다. 이 때문에, S 함유량은 0.015 ％ 이하인 것이 바람직하다. S 함유량은, 보다 바람직하게는 0.010 ％ 이하이다.
Al : 0.01 ∼ 0.06 ％
Al 은, 탈산제로서 작용함과 함께, AlN 으로서 N 을 고정시키는 작용을 갖는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.01 ％ 이상의 Al 의 함유를 필요로 한다. Al 함유량이 0.01 ％ 미만에서는, Si 무첨가의 경우에 탈산력이 부족하여, 산화물계 개재물이 증가해서, 강의 청정도가 저하된다. 한편, 0.06 ％ 를 초과하는 Al 의 함유는, 고용 Al 량이 증가하여, 각형 강관의 길이 방향 용접시 (각형 강관의 제조시의 용접시) 에, 특히 대기 중에서의 용접의 경우에, 용접부에 산화물을 형성시킬 위험성이 높아져, 각형 강관의 용접부의 인성이 저하된다. 이 때문에, Al 함유량은 0.01 ∼ 0.06 ％ 인 것이 바람직하다. Al 함유량은, 보다 바람직하게는 하한이 0.02 ％ 이고, 상한이 0.05 ％ 이다.
N : 0.006 ％ 이하
N 은, 전위의 운동을 강고하게 고착시킴으로써 인성을 저하시키는 작용을 갖는 원소이다. 본 발명에서는, N 은 불순물로서 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하고, 0.006 ％ 까지는 허용할 수 있다. 이 때문에, N 함유량은 0.006 ％ 이하인 것이 바람직하다. N 함유량은, 보다 바람직하게는 0.005 ％ 이하이다.
상기 이외의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다. 상기의 성분이 본 발명에 있어서의 강 소재의 기본의 성분 조성이지만, 이들에 더하여 추가로, Nb : 0.005 ∼ 0.150 ％, Ti : 0.005 ∼ 0.150 ％, V : 0.005 ∼ 0.150 ％ 이하 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유시켜도 된다.
Nb : 0.005 ∼ 0.150 ％, Ti : 0.005 ∼ 0.150 ％, V : 0.005 ％ ∼ 0.150 ％ 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상
Nb, Ti, V 는, 모두 강 중에서 미세한 탄화물, 질화물을 형성하고, 석출 강화를 통해 강의 강도 향상에 기여하는 원소로, 필요에 따라 함유할 수 있다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, Nb : 0.005 ％ 이상, Ti : 0.005 ％ 이상, V : 0.005 ％ 이상의 함유가 바람직하다. 한편, 과도한 함유는 항복비의 상승 및 인성의 저하를 초래한다. 이 때문에, Nb, Ti, V 를 함유하는 경우에는, Nb : 0.005 ∼ 0.150 ％, Ti : 0.005 ∼ 0.150 ％, V : 0.005 ∼ 0.150 ％ 로 한다. 바람직하게는, Nb : 0.008 ％ 이상, Ti : 0.008 ％ 이상, V : 0.008 ％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Nb : 0.10 ％ 이하, Ti : 0.10 ％ 이하, V : 0.10 ％ 이하이다.
상기에 더하여 추가로, Cr : 0.01 ∼ 1.0 ％, Mo : 0.01 ∼ 1.0 ％, Cu : 0.01 ∼ 0.50 ％, Ni : 0.01 ∼ 0.30 ％, Ca : 0.0005 ∼ 0.010 ％, B : 0.0003 ∼ 0.010 ％ 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유시켜도 된다.
Cr : 0.01 ∼ 1.0 ％, Mo : 0.01 ∼ 1.0 ％, Cu : 0.01 ∼ 0.50 ％, Ni : 0.01 ∼ 0.30 ％, Ca : 0.0005 ∼ 0.010 ％, B : 0.0003 ∼ 0.010 ％ 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상
Cr, Mo, Cu, Ni 는, 고용 강화에 의해 강의 강도를 상승시키는 원소이고, 또 모두 강의 ??칭 경화성을 높여, 오스테나이트의 안정화에 기여하는 원소인 점에서, 경질인 마텐자이트 및 오스테나이트의 형성에 기여하는 원소로, 필요에 따라 함유할 수 있다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, Cr : 0.01 ％ 이상, Mo : 0.01 ％ 이상, Cu : 0.01 ％ 이상, Ni : 0.01 ％ 이상의 함유가 바람직하다. 한편, 과도한 함유는 인성의 저하 및 용접성의 악화를 초래한다. 이 때문에, Cr, Mo, Cu, Ni 를 함유하는 경우에는, Cr : 0.01 ∼ 1.0 ％, Mo : 0.01 ∼ 1.0 ％, Cu : 0.01 ∼ 0.50 ％, Ni : 0.01 ∼ 0.30 ％ 로 한다. 바람직하게는, Cr : 0.1 ％ 이상, Mo : 0.1 ％ 이상, Cu : 0.1 ％ 이상, Ni : 0.1 ％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Cr : 0.5 ％ 이하, Mo : 0.5 ％ 이하, Cu : 0.40 ％ 이하, Ni : 0.20 ％ 이하이다.
Ca 는, 열간 압연 공정에서 얇게 연신되는 MnS 등의 황화물을 구상화 (球狀化) 함으로써 강의 인성 향상에 기여하는 원소로, 필요에 따라 함유할 수 있다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.0005 ％ 이상의 Ca 를 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, Ca 함유량이 0.010 ％ 를 초과하면, 강 중에 Ca 산화물 클러스터가 형성되어 인성이 악화되는 경우가 있다. 이 때문에, Ca 를 함유하는 경우에는, Ca 함유량은 0.0005 ∼ 0.010 ％ 로 한다. 바람직하게는, Ca 함유량은 0.001 ％ 이상이다. 또, 바람직하게는, Ca 함유량은 0.0050 ％ 이하이다.
B 는, 페라이트 변태 개시 온도를 저하시킴으로써 조직의 미세화에 기여하는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.0003 ％ 이상의 B 를 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, B 함유량이 0.010 ％ 를 초과하면 항복비가 상승한다. 이 때문에, B 를 함유하는 경우에는, B 함유량은 0.0003 ％ ∼ 0.010 ％ 로 한다. 바람직하게는, B 함유량은 0.0005 ％ 이상이다. 또, 바람직하게는, B 함유량은 0.0050 ％ 이하이다.
또한, 상기한 성분 조성을 가졌을 때에, 용접성을 확보하기 위해서, (1) 식으로 정의되는 Ceq 가 0.15 ％ 이상 0.50 ％ 이하, 및 (2) 식으로 정의되는 Pcm 이 0.30 ％ 이하인 것이 바람직하다. 단, (1) 식 및 (2) 식 중의 각종 원소의 성분 조성은 모두 질량％ 이다.
Ceq = C ＋ Mn/6 ＋ Si/24 ＋ Ni/40 ＋ Cr/5 ＋ Mo/4 ＋ V/14 ···(1)
여기서, 식 (1) 중, C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V 는, 각 원소의 함유량 (질량％) 이다. (단, 함유하지 않는 원소는 0 (제로) ％ 로 한다.)
Pcm = C ＋ Si/30 ＋ Mn/20 ＋ Cu/20 ＋ Ni/60 ＋ Cr/20 ＋ Mo/15 ＋ V/10 ＋ 5B ···(2)
여기서, 식 (2) 중, C, Si, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, V, B 는, 각 원소의 함유량 (질량％) 이다. (단, 함유하지 않는 원소는 0 (제로) ％ 로 한다.)
(1) 식 중의 Ceq 는 탄소 당량으로, 용접부 및 열 영향부의 경도의 지표가 된다. Ceq 가 0.15 ％ 미만이면 건축 구조물의 기둥재로서 필요한 강도가 얻어지지 않을 가능성이 있다. 또한, Ceq 가 0.50 ％ 를 초과하면 용접부 및 열 영향부가 과도하게 경화되어, 둘레 단면 강도의 편차가 커진다. 따라서, Ceq 는 0.15 ％ 이상 0.50 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.
(2) 식 중의 Pcm 은 용접 균열 감수성으로, Pcm 이 0.30 ％ 를 초과하면 용접부 및 열 영향부에 있어서 저온 균열이 일어나기 쉬워진다. 따라서, Pcm 은 0.30 ％ 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.25 ％ 이하이다.
<각형 강관의 제조 방법>
다음으로, 본 발명의 각형 강관 (1) 의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 각형 강관 (1) 의 제조 방법에서는, 냉간 성형에 의해 강판으로부터 각형상으로 마무리한 각형 소관에 대해서, Ac1 변태점 미만의 온도에서 가열하고, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차를 50 ℃ 이하로 하며, 또한, 500 ℃ 이상의 가열 유지 시간을 100 sec 이상으로 하여 어닐링 열처리를 실시한다.
또한, 상기 강판을 얻을 때, 최종적으로 얻어지는 각형 강관의 내외표면에 형성되는 산화 스케일의 두께를 1 ㎛ 이상으로 하기 위해서, 열간 압연의 마무리 압연 후에 있어서 고온의 소판을 대기에 노출시키는 시간을 조정한다. 구체적으로는, 열간 압연의 마무리 압연 후에 있어서 표면 온도가 900 ℃ 이하인 소판을 5 ∼ 400 sec 대기에 노출시키는 것이 바람직하다. 그 후, 얻어진 강판을 냉간 성형에 의해 각형상으로 마무리함으로써, 각형 소관을 얻을 수 있다.
여기서, 상기 각형 소관을 얻기 위한 방법을 설명한다. 도 3 은, 각형 소관을 얻기 위해 사용되는 전봉 강관의 제조 설비의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, 코일에 권취된 강대 (이하, 강판이라고도 기재한다) (4) 를 내보내어, 레벨러 (5) 에 의해 교정하고, 복수의 롤로 이루어지는 케이지 롤군 (6) 에서 중간 성형하여 오픈 관으로 한 후, 복수의 롤로 이루어지는 핀 패스 롤군 (7) 에서 마무리 성형한다. 상기 오픈 관은, 냉간 롤 성형에 의해 얻어지는 원통상으로 할 수 있다.
마무리 성형 후에는, 스퀴즈 롤 (8) 로 압접하면서 강대 (4) 의 둘레 방향 맞댐부를 용접기 (9) 로 전기 저항 용접하여, 전봉 강관 (10) 으로 한다. 또한 본 발명에서는, 전봉 강관 (10) 의 제조 설비는 도 3 과 같은 조관 (造管) 공정에 한정되지 않는다. 또한, 상기 전봉 용접에 있어서는, 맞댐부가 가열되어 용융되고, 압접되어 응고함으로써 접합이 완료된다.
그 후의 공정에 대해서는 도 4 등을 참조하면서 후술하기도 하지만, 전봉 용접 후의 사이징 공정에 있어서는, 본 발명에서 필요로 하는 진원도 및 관축 방향의 잔류 응력을 만족하기 위해서, 강관 둘레 길이가 합계로 0.30 ％ 이상의 비율로 감소하도록 강관을 축경하는 것이 바람직하다. 한편, 강관 둘레 길이가 합계로 5.0 ％ 초과의 비율로 감소하도록 축경한 경우, 롤 통과시의 관축 방향의 휨량이 커져, 축경 후의 관축 방향의 잔류 응력이 오히려 상승해 버릴 가능성이 있다. 이 때문에, 축경 전의 강관 둘레 길이에 대해 축경 후의 강관 둘레 길이가 0.30 ％ 이상 5.0 ％ 이하의 비율로 감소하도록 축경하는 것이 바람직하다.
또한, 사이징 공정에 있어서는, 롤 통과시의 관축 방향의 휨량을 최대한 작게 하고, 관축 방향의 잔류 응력의 발생을 억제하기 위해서, 복수 스탠드에 의한 다단계의 축경을 실시하는 것이 바람직하고, 각 스탠드에 있어서의 축경은, 관둘레 길이가 1.0 ％ 이하의 비율로 감소하도록 실시하는 것이 바람직하다.
각형 강관 (각형 소관) 이 전봉 강관으로부터 얻어지고 있는지의 여부는, 각형 강관 (각형 소관) 을 관축 방향에 수직으로 절단하여, 용접부를 포함하는 절단면을 연마한 후 나이탈로 부식시키고, 광학 현미경으로 관찰함으로써 판단할 수 있다. 용접부의 판두께 중앙부에 있어서의 용융 응고부의 관둘레 방향 폭이 1 ㎜ 이하이면, 전봉 강관이다.
도 4 는, 전봉 강관으로부터 각형 소관을 성형하는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 4 에 나타내는 바와 같이, 전봉 강관 (10) 은 복수의 롤로 이루어지는 사이징 롤군 (사이징 스탠드) (11) 에 의해 원통 형상인 채로 축경된 후, 복수의 롤로 이루어지는 각 성형 롤군 (각 성형 스탠드) (12) 에 의해, 순차적으로 R1, R2, R3 과 같은 형상으로 성형되어, 각형 소관이 된다. 또한, 사이징 롤군 (11) 및 각 성형 롤군 (12) 의 스탠드수는 특별히 한정되지 않는다. 또, 사이징 롤군 (11) 혹은 각 성형 롤군 (12) 의 캘리버 곡률은, 1 조건인 것이 바람직하다.
도 5 는, 상기 각형 소관으로부터 각형 강관을 제조하기 위한 설비의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 5 에 나타내는 예에서는, 사이징 공정 후, 소정의 길이로 절단된 각형 소관은 반송 테이블 (2) 상에서 소정의 속도로 길이 방향으로 반송된다. 이 때, 워크 코일 (3) 은 고정되어 있고, 반송 테이블에 의해 이송되어 온 각형 강관 (1) 이 워크 코일 안을 통과하면서 가열된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는, 냉간 성형에 의해 강판으로부터 각형상으로 마무리한 각형 소관에 대해서, Ac1 변태점 미만의 온도에서 가열하고, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차를 50 ℃ 이하로 하며, 또한, 500 ℃ 이상의 가열 유지 시간을 100 sec 이상으로 하는 어닐링 열처리를 실시한다.
상기 어닐링 열처리에서는, 냉간 성형에 의해 축적된 변형을 해방시키기 위해, 응력 제거 어닐링의 온도역에서 열처리를 실시한다. Ac1 변태점 이상까지 가열을 한 경우, 강관의 조직이 2 상 (相) 조직이 되어, 인성이 악화된다는 문제가 있다. 또, 관의 내외표면의 산화 스케일의 두께가 20 ㎛ 를 초과해 버린다. 따라서, 본 발명의 어닐링 열처리에서는, Ac1 변태점 미만의 온도에서 가열을 실시한다.
또한, 상기 어닐링 열처리에서는, 강관 외면으로부터 유도 가열 등의 가열을 실시하기 때문에, 가열시의 강관의 내외면에 온도 편차가 발생한다. Ac1 변태점 미만의 가열로 응력 제거 어닐링을 실시하는 경우, 가열 온도가 저온일수록, 변형이 완전히 제거될 때까지 시간을 필요로 한다. 이러한 경우, 가열 온도가 저온이 되기 쉬운 내면측에서는 변형의 해방의 진행도가 지연되어, 관의 두께 방향에서 기계적 특성이 불균일해지기 쉽다는 문제가 있다. 이러한 외면 및 내면의 가열 온도의 온도 편차의 문제에 대해서는, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차가 50 ℃ 이하이면, 관의 두께 방향으로 균일한 기계적 특성이 얻어진다. 따라서, 본 발명의 어닐링 열처리에서는, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차를 50 ℃ 이하로 한다. 바람직하게는 30 ℃ 이하이고, 보다 바람직하게는 10 ℃ 이하이다.
또한, 어닐링 열처리에 의한 가열 온도는 500 ℃ 이상 700 ℃ 이하인 것이 바람직하다. 500 ℃ 미만에서 열처리를 실시하는 경우에는 변형이 완전히 제거될 때까지 긴 시간을 필요로 한다.
500 ℃ 이상에서 응력 제거 어닐링을 실시하는 경우, 변형을 제거하기 위해서는 100 sec 이상의 가열 유지 시간을 확보하는 것이 바람직하다. 유도 가열로 관을 가열한 후에 자연 방랭하는 경우에는, 관의 내외면에 있어서의 표면의 냉각 속도는 약 0.5 ℃/sec 정도이다. 그 때문에, 가열 후 100 sec 이상에서 500 ℃ 이상의 가열 유지 시간을 확보하기 위해서는, 어닐링 열처리에 있어서의 가열 온도의 하한은 550 ℃ (= 500 ℃ ＋ 0.5 ℃/sec × 100 sec) 로 하는 것이 바람직하다.
어닐링 열처리에 의한 열처리의 온도는, 바람직하게는 550 ℃ 이상 700 ℃ 이하이고, 더욱 바람직하게는 600 ℃ 이상이다. 또한, 더욱 바람직하게는 650 ℃ 이하이다.
상기 어닐링 열처리에 있어서의 가열은, 유도 가열로 하는 것이 바람직하고, 유도 가열 장치를 사용하여 실시할 수 있다.
상기 유도 가열에 있어서, 주파수가 100 Hz 미만인 경우, 전류의 침투 깊이가 지나치게 커져, 표피 효과가 작아지기 때문에, 가열 집중부의 가열 온도가 저하될 가능성이 있다. 그 결과, 가열된 고온부에서부터 강관의 내면측으로의 열전도가 작아지기 때문에, 관 전체의 가열 효율이 악화되어, 설비가 대형이 된다. 한편, 주파수가 1000 Hz 초과인 경우, 표피 효과가 커지기 때문에, 관의 외표면과 내표면의 가열 온도의 온도 편차가 커질 가능성이 있다. 그 때문에, 유도 가열의 주파수는 100 Hz 이상 1000 Hz 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 유도 가열의 주파수는 150 Hz 이상이다. 또한, 보다 바람직하게는, 유도 가열의 주파수는 500 Hz 이하이고, 보다 더 바람직하게는 300 Hz 이하이다.
또한, 상기 표피 효과란, 이하의 현상을 가리킨다.
우선, 고주파 전류의 자기장에 의해 피가열체 (강관) 의 표면에 자기장을 없애는 전류 (와전류) 가 발생한다. 이 와전류에 의해, 전기 저항으로 피가열체가 가열되고, 상기 표면에 가까워질수록 이 가열이 집중된다. 이 현상을 표피 효과라고 한다.
또한, 유도 가열에 있어서, 각형 소관의 반송 속도에 대해서는, 특별히 한정되지 않지만, 제조 효율과 단면의 가열 온도 균일화의 점에서, 0.2 ∼ 4 m/min 으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 유도 가열 장치에 있어서의 전력량은, 특별히 한정되지 않지만, 원하는 반송 속도를 확보하기 위해, 3 ∼ 12 MW 로 하는 것이 바람직하다.
전술한 강관의 온도 관리 방법으로는, 관 외표면 온도에 대해서는, 방사 온도계에 의해 측정하고, 또한, 관 내표면 및 두께 내부에 있어서의 온도에 대해서는, 열 해석에 기초한 2 차원 모델에 의한 온도 계산에 의해, 강관의 전체 둘레에 걸쳐서 두께 방향의 온도 분포를 계산하는 방법으로 관리할 수 있다.
전술한 유도 가열 등에 의한 어닐링 열처리 후의 각형 강관에 대하여, 재차 사이징 공정 및/또는 교정 공정을 거칠 수 있다. 이것들은, 열처리 후의 강관 모재에 인장 변형을 가했을 때에 발생하는 항복 연신을 소실시키기 위한 것으로, 관 전체 둘레에 걸쳐 0.5 ∼ 3 ％ 의 변형을 부여할 수 있으면, 이에 한정되지 않는다.
<건축 구조물>
도 6 은, 본 발명의 건축 구조물의 일례를 나타내는 모식도이다.
본 발명의 건축 구조물은, 전술한 본 발명의 각형 강관 (1) 이 기둥재로서 사용된다.
부호 13, 14, 15, 16 은, 순서대로 다이어프램, 대들보, 소들보, 간주 (間柱) 를 나타낸다.
본 발명의 각형 강관은, 전술한 바와 같이, 평판부의 기계적 특성이 우수하고, 관의 내외표면에 형성되는 산화 스케일의 기능을 충분히 확보하며, 또한, 모서리부에 있어서는, 인성을 충분히 확보함과 함께, 가공 경화가 억제된다. 그 때문에, 이 각형 강관을 기둥재로서 사용한 본 발명의 건축 구조물은, 우수한 내진 성능을 발휘한다.
실시예
이하, 실시예에 기초하여, 본 발명에 대하여 추가로 설명한다.
표 1 에 나타내는 성분 조성을 갖는 열연 강판을, 케이지 롤군 및 핀 패스 롤군에 의해 타원형 단면의 오픈 관으로 연속 성형하고, 이어서 오픈 관의 마주 보는 단면 (端面) 을 고주파 유도 가열 또는 고주파 저항 가열에 의해 융점 이상으로 가열하고, 스퀴즈 롤로 압접하여, 전봉 강관을 얻었다. 또한, 최종적으로 얻어지는 각형 강관의 내외표면에 형성되는 산화 스케일의 두께를 1 ㎛ 이상으로 하기 위해서, 열간 압연의 마무리 압연 후에 있어서, 고온의 소판을 대기에 노출시키는 시간을 조정하고, 구체적으로는, 열간 압연의 마무리 압연 후에 있어서 표면 온도가 900 ℃ 이하인 소판을 대기에 노출시키는 시간을 5 ∼ 400 sec 로 하였다.
얻어진 원통 강관으로부터, 2 단의 사이징 스탠드를 거친 후, 4 단의 각 성형 스탠드를 거쳐 모서리부의 곡률이 판두께의 (2.5 ± 0.5) 배가 되는 각형 소관을 얻었다.
이어서, 상기 각형 소관을 소정의 길이로 절단하고, 원통 형상의 워크 코일을 갖는 고주파 가열 장치 (유도 가열 장치) 를 사용하여 열처리 (어닐링 열처리) 를 실시하고, 각형 강관을 얻었다.
상기 워크 코일의 내경 (D) 은 960 ㎜ 이고, 반송 방향 (원기둥형으로 가정했을 때의 높이 방향) 의 길이는 1 m 이다.
각형 소관은 반송 대차에 의해 워크 코일 안으로 삽입하면서 가열하였다. 그 때, 소정의 가열 온도가 되도록, 반송 속도, 가열의 주파수, 전력량을 제어하였다.
강관의 온도 관리에 대해, 관 외표면 온도는 방사 온도계에 의해 측정하고, 관 내표면 및 두께 내부에 있어서의 온도는 열 해석에 기초한 2 차원 모델에 의한 온도 계산에 의해 온도 분포를 산출하였다.
표 2 에서는, 가열 온도 (외면 최고 온도와 내면 최고 온도) (℃) 가 Ac1 변태점 미만인지 여부를 나타낸다 (표 2 의 「가열 온도 ＜ Ac1 변태점 (℃)」란 참조). 표 2 중, 「○」는 가열 온도가 Ac1 변태점 미만인 것을 나타내고, 「×」는 가열 온도가 Ac1 변태점 이상인 것을 나타낸다.
또한, 가열 온도 편차는, 외면 최고 온도 (℃) 와 내면 최고 온도 (℃) 의 차로서 산출하였다 (표 2 의 「외면 온도 － 내면 온도 (℃)」란 참조).
또한, 표 2 중, 「유지 시간」이란, 500 ℃ 이상의 가열 유지 시간을 가리킨다.
그 후, 경사 롤 교정기를 사용하여 교정 가공을 실시하고, 2 ％ 의 변형을 강관에 부여하였다.
얻어진 각형 강관으로부터 시험편을 채취하여, 인장 시험, 샤르피 충격 시험, 잔류 응력 측정, 스케일 두께 측정, 경도 측정을 실시하였다.
평판부의 인장 시험으로서, 인장 방향이 관축 방향과 평행이 되도록, 각형 강관의 평판부로부터 JIS 5 호 인장 시험편을 채취하고, 이것을 사용하여 JIS Z 2241 의 규정에 준거해서 실시하여, 항복 강도 (YS), 인장 강도 (TS) 를 측정하고, (항복 강도)/(인장 강도) 로 정의되는 항복비 (YR) 를 산출하였다.
샤르피 충격 시험으로서, 각형 강관의 모서리부의 관 외면에서부터 t/4 (t : 두께) 에 있어서 시험편 길이 방향이 관길이 방향과 평행이 되도록 채취한 V 노치 시험편을 사용하여, JIS Z 2242 의 규정에 준거하여, 시험 온도 : 0 ℃ 에서 실시하고, 흡수 에너지 (J) 를 구하였다. 또한, 시험편 개수는 각 3 개로 하고, 그것들의 평균값을 대표값으로 하였다.
잔류 응력 측정으로서, 강관을 500 ㎜ 길이로 절단하고, 측정 위치의 표층에서부터 50 ㎛ 깊이까지의 부재를 전해 에칭에 의해 제거한 다음, X 선 회절의 cosα 법에 의해 둘레 방향의 잔류 응력을 측정하였다. 측정 위치는 시험편 강관의 길이 중앙부이고, 네 모서리의 모서리부 정점의 외표면 및 내표면의 위치로 하였다.
모서리부 정점은, 강관 No.1 ∼ 15, 18 에 대해서는, 강관의 중심축을 기점으로 하여, 평판부와 45°를 이루는 선과 모서리부 외측의 교점으로 하였다. 또한, 강관 No.16, 17 에 대해서는, 각형 강관 중앙부로부터 긴 변 (H1) 방향으로 1/2 × (H1－H2) 만큼 오프셋시킨 오프셋점을 기점으로 하여, 상기 직선에 대해, 오프셋점이 위치하는 측과 반대측에 형성되는 평판부와 45°를 이루는 선과 모서리부 외측의 교점으로 하였다.
강관 표면의 산화 스케일의 두께의 측정은, 주사형 전자 현미경 (SEM) 을 사용하여 각형 강관의 평판부의 내외표면의 위치에 있어서 실시하였다.
여기서는, 강관 모재와 스케일의 계면과 스케일 표면 사이의 거리에 대해서, 8 점의 위치에서 측정하고, 그들 8 점의 거리의 합계값을 8 로 나눈 값 (평균값) 을 산화 스케일의 두께 (㎛) 로 하였다. 또한, 상기 8 점은, 각형 강관의 4 변의 평판부의 폭 중앙부로서, 내표면 4 점 및 외표면 4 점의 합계 8 점으로 하였다.
모서리부의 인장 시험으로서, 인장 방향이 관축 방향과 평행이 되도록, 각형 강관의 정점의 내외표면에서부터 6 ㎜ ± 1 ㎜ 의 두께 방향의 위치로부터 JIS 5 호 인장 시험편을 채취하여, 이것을 사용해서 JIS Z 2241 의 규정에 준거하여 실시하고, 균일 연신율 (％) 을 산출하였다.
경도 측정으로는, 마이크로 비커스 경도 시험 (JIS Z 2244 : 2009) 의 규정에 준거하여, 시험력을 9.8 N 으로 하고, 네 모서리의 모서리부 정점의 내외표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도와, 4 변의 평판부의 관둘레 방향 중앙부의 내외표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향의 위치에 있어서의 평균 비커스 경도 (HV) 를 측정하였다. 그리고, 모서리부 정점의 비커스 경도와 평판부의 비커스 경도의 차로서, 모서리부 정점의 평균 비커스 경도와 평판부의 평균 비커스 경도의 차가 최대가 되는 상기 모서리부 정점의 내표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도와, 상기 평판부의 관둘레 방향 중앙부의 외표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도의 차 ((모서리부 정점의 내표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도) － (평판부의 관둘레 방향 중앙부의 외표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도)) 로부터 경도 차를 산출하였다.
변 길이 (H) (㎜) (세로변 길이 (H1) (㎜), 가로변 길이 (H2) (㎜)) 는, 노기스에 의해 측정하고, 두께 (t) (㎜) 는 마이크로미터에 의해 측정하였다.
이들의 결과를 표 3 에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
이상으로부터, 변형 능력이 우수하고, 모서리부의 과도한 가공 경화를 억제한 각형 강관 및 그 제조 방법 그리고 우수한 내진 성능을 갖는 건축 구조물을 제공할 수 있다.
1 : 각형 강관 (각형 소관)
2 : 반송 테이블
3 : 워크 코일
4 : 강대 (강판)
5 : 레벨러
6 : 케이지 롤군
7 : 핀 패스 롤군
8 : 스퀴즈 롤
9 : 용접기
10 : 전봉 강관
11 : 사이징 롤군
12 : 각 성형 롤군
13 : 다이어프램
14 : 대들보
15 : 소들보
16 : 간주
101 : 평판부
102 : 모서리부
103 : 용접부 (전봉 용접부)

Claims (7)

  1. 관둘레 방향으로 평판부와 모서리부가 교대로 각각 복수 형성되어 있고,
    상기 평판부의 항복 강도 (YS) 가 295 MPa 이상이고,
    상기 평판부의 인장 강도 (TS) 가 400 MPa 이상이고,
    상기 평판부의 항복비 (YR) 가 0.80 이하이고,
    상기 모서리부의 0 ℃ 에 있어서의 샤르피 흡수 에너지가 70 J 이상이고,
    관의 내외표면의 산화 스케일의 두께가 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이고,
    모서리부 정점의 내표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도와, 상기 평판부의 관둘레 방향 중앙부의 외표면에서부터 1 ㎜ ± 0.1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 평균 비커스 경도의 차가, 5 HV 이상 60 HV 이하인 각형 강관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모서리부 정점의 내표면 및 외표면에 있어서의 관둘레 방향의 잔류 응력의 절대값이, 10 MPa 이상 200 MPa 이하인 각형 강관.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 모서리부 정점의 내표면 및 외표면에서부터 6 ㎜ ± 1 ㎜ 의 두께 방향 위치에 있어서의 균일 연신율이 5 ％ 이상인 각형 강관.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 각형 강관의 제조 방법으로서,
    냉간 성형에 의해 강판으로부터 각형상으로 마무리한 각형 소관에 대해, Ac1 변태점 미만의 온도에서 가열하고, 관의 두께 방향의 가열 온도 편차를 50 ℃ 이하로 하며, 또한, 500 ℃ 이상의 가열 유지 시간을 100 sec 이상으로 하는 어닐링 열처리를 실시하는 각형 강관의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 어닐링 열처리에서, 가열 온도가 500 ℃ 이상 700 ℃ 이하인 각형 강관의 제조 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 어닐링 열처리의 가열을 유도 가열로 하고, 그 유도 가열에 있어서의 주파수를 100 Hz 이상 1000 Hz 이하로 하는 각형 강관의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 각형 강관이, 기둥재로서 사용되는 건축 구조물.
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