TWI743724B - 角形鋼管、其製造方法以及建築結構物 - Google Patents

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Abstract

本發明的目的在於提供一種對角部的加工硬化的影響小、抑制了表面裂紋的角形鋼管及其製造方法以及使用本發明的角形鋼管的建築結構物。一種角形鋼管，其具有平板部與角部，且所述角形鋼管中，所述平板部的降伏強度為385 MPa以上及拉伸強度為520 MPa以上以及降伏比為0.90以下，關於所述角部的維氏硬度，角部內表面側的維氏硬度大於角部外表面側的維氏硬度，所述角部外表面側的維氏硬度為280 HV以下，且所述角部外表面側的維氏硬度與所述角部內表面側的維氏硬度的差為80 HV以下，角部外表面側的0℃下的夏比吸收能量vE0 為70 J以上。

Description

角形鋼管、其製造方法以及建築結構物
本發明特別是有關於一種工廠、倉庫、商業設施等大型建築物的建築構件中所使用的角形鋼管及其製造方法以及建築結構物。
近年來，關於工廠、倉庫、商業設施等大型建築物中所使用的建築結構構件，為了藉由輕量化來削減施工成本，正在推進高強度化。對特別是用作建築物的柱材的角形鋼管要求降伏強度為385 MPa以上且拉伸強度為520 MPa以上，進而，就抗震性的觀點而言，亦同時需要高塑性變形能力與優異的韌性。
關於此種具有高變形性能與優異的韌性的角形鋼管，具體而言，需要將平板部的管軸方向降伏比（=降伏強度/拉伸強度）設為0.90以下，將0℃下的夏比吸收能量設為70 J以上。
角形鋼管通常可藉由如下方式來製造：以熱軋鋼板（鋼帶）或厚鋼板為原材料，對該些進行冷壓製彎曲成形或輥成形。
關於藉由冷壓製彎曲成形而製造的角形鋼管，藉由壓製彎曲成形而使厚鋼板的剖面形狀成為口字型或U字型，並藉由潛弧熔接（submerged arc welding）而將該些接合來製造。另外，關於藉由輥成形而製造的角形鋼管，藉由輥成形而使熱軋鋼板形成為圓筒狀的開管形狀，對其對接部分進行電焊熔接後，藉由上下左右配置的輥而於保持圓筒狀的狀態下在管軸方向上施加數%的收縮，繼而成形為角形而製造。
另一方面，於藉由冷壓製彎曲成形而製造的角形鋼管的情況下，角部的彎曲變形所引起的加工硬化顯著而損及角部的韌性與塑性變形能力，因此抗震強度惡化，容易以角部為起點破壞。特別是包含變韌鐵（bainite）等硬質第二相的面向建築構件的高強度材中，加工硬化變得顯著。
因此，於製造高強度的角形鋼管的情況下，需要選擇減小成形時的角部的加工硬化所引起的韌性惡化的影響之類的原材料或抑制角部的加工硬化之類的製造方法。
於專利文獻1中提出有一種角形鋼管，其特徵在於，於平板部的顯微組織中，變韌鐵組織的面積分率：40%以上。
於專利文獻2中提出有一種以於藉由冷成形來造管後，實施全管應變消除退火為特徵的低降伏比、高韌性的角形鋼管。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第5385760號公報 [專利文獻2]日本專利第4957671號公報
[發明所欲解決之課題] 專利文獻1中所記載的角形鋼管的角部表層部的維氏硬度（Vickers hardness）為350 HV以下。然而，角部表層部的硬度依然很大，為了抑制以角部為起點的破壞或表面裂紋等，要求進一步減少硬度。
另外，專利文獻2中所記載的角形鋼管於造管後需要熱處理，因此與冷加工狀態下的角形鋼管相比，成本變得非常高。
本發明是鑒於所述事實情況而成者，且目的在於提供一種對角部的加工硬化的影響小、抑制了表面裂紋的角形鋼管及其製造方法以及使用本發明的角形鋼管的建築結構物。 [解決課題之手段]
本發明者等人為解決所述課題而進行了努力研究，發現以下見解。
於利用輥成形的角形鋼管的製造的角成形支架中，使用成形輥來減小與作為最終製品的角形鋼管的平板部對應的部位的曲率，並以自剖面圓筒形狀成為剖面矩形形狀的方式進行成形。其是以成形輥按壓與最終製品的角形鋼管的平板部的中心部相應的部位的方式進行成形，角部以追隨平板部的變形的方式形成L型的角部。
因此，可形成不使輥與角部整體直接接觸且具有曲率的角部。另一方面，明確的是藉由鋼管原材料與輥接觸，雖然平板部的平坦度或角部的曲率等尺寸精度提高，但是由於受到來自輥的剪切力，因此產生以與輥的接觸部為中心的加工硬化。因此，為了抑制角部的過度加工硬化，需要控制輥與角部的接觸部，以便可兼顧尺寸精度。
本發明者等人得知，為了獲得由彎曲加工引起的加工硬化小的角形鋼管，適宜的是角部內表面側的維氏硬度大於角部外表面側的維氏硬度的角形鋼管。而且，角部內表面側的維氏硬度大於角部外表面側的維氏硬度的角形鋼管可藉由如下方式而獲得：於自圓筒鋼管成形為角形鋼管時，以於角成形時輥不接觸於角部附近的方式設定角成形中的輥間隙或輥的口徑曲率，從而自圓筒鋼管成形角形鋼管。認為其原因在於：鋼管外表面的曲率變化小於鋼管內表面的曲率變化，因此由彎曲加工引起的加工硬化小，且不易受到輥的剪切力的影響。
另外，進行變更各種角成形的輥間隙或輥的口徑曲率的成形，並調查角部的硬度，結果發現即便是輥未與角部直接接觸的情況，於輥接觸至角部的附近的條件下，角部表面的硬度亦增加。所述情況下，藉由與輥的接觸而在周方向上剪切應力亦發揮作用，因此於與輥的接觸部附近產生加工硬化。可知，該剪切應力發揮作用的區域根據被成形材的剛性，即鋼管原材料的壁厚（管厚）t、最終製品的邊長H（H1 、H2 ）而變化。
本發明是基於所述見解而成者，其特徵如下所述。 [1]一種角形鋼管，具有平板部與角部，且所述角形鋼管中，所述平板部的降伏強度為385 MPa以上及拉伸強度為520 MPa以上以及降伏比為0.90以下， 關於所述角部的維氏硬度，角部內表面側的維氏硬度大於角部外表面側的維氏硬度，所述角部外表面側的維氏硬度為280 HV以下，且所述角部外表面側的維氏硬度與所述角部內表面側的維氏硬度的差為80 HV以下， 角部外表面側的0℃下的夏比吸收能量vE0 為70 J以上。 [2]如[1]所述的角形鋼管，其具有如下成分組成，所述成分組成以質量%計含有C：0.04%～0.50%、Si：2.0%以下、Mn：0.5%～3.0%、P：0.10%以下、S：0.050%以下、Al：0.005%～0.10%、N：0.010%以下，且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質，且 距管表面t/4（t為管厚）的位置處的鋼組織以體積率計包含超過30%的肥粒鐵（ferrite）及10%以上的變韌鐵，且肥粒鐵與變韌鐵的體積率的合計為70%以上、95%以下，剩餘部分包含選自波來鐵（pearlite）、麻田散鐵（martensite）、沃斯田鐵（austenite）中的一種或兩種以上。 [3]如[2]所述的角形鋼管，其中以質量%計更含有選自Nb：0.005%～0.150%、Ti：0.005%～0.150%、V：0.005%～0.150%中的一種或兩種以上。 [4]如[2]或[3]所述的角形鋼管，其中以質量%計更含有選自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%中的一種或兩種以上。 [5]一種角形鋼管的製造方法，其為製造如[1]所述的角形鋼管的方法，且於成形為圓筒形狀後角成形為角形形狀，所述角形鋼管的製造方法在進行所述角成形的角成形步驟中，於相對於管軸方向垂直的剖面中，將相鄰的邊長分別設為H1 （mm）及H2 （mm）（H1 ≦H2 ），將自H1 及H2 的中心位置朝向鋼管內部引出的直線彼此相交的交點設為角形鋼管中央部時，於自H1 的中心位置朝向鋼管內部引出的直線上，將自所述角形鋼管中央部沿長邊方向偏移1/2（H2 -H1 ）的點設為偏移點，自偏移點向角形鋼管的角部中央引出的直線與自偏移點朝向角部的圓弧部或角形鋼管的平板部引出的直線所形成的中心角θ滿足下述式（1）。
[數式1]
Figure 02_image001
…（1） 其中， H1 ：邊長（短邊）（mm） H2 ：邊長（長邊）（mm） t：管厚（mm）。 [6]一種角形鋼管的製造方法，其中將具有如[2]至[4]中任一項所述的成分組成的鋼原材料加熱為加熱溫度：1100℃～1300℃後，實施將粗軋結束溫度設為850℃～1150℃的粗軋，實施將精軋結束溫度設為750℃～850℃的精軋，且粗軋與精軋這兩者的930℃以下的合計壓下率設為65%以上，繼而，以板厚中心溫度計按照自冷卻開始至冷卻停止的平均冷卻速度為10℃/s～30℃/s的冷卻速度冷卻至冷卻停止溫度：450℃～650℃並加以捲繞，然後放置冷卻，繼而，藉由輥成形而成形為圓筒形狀後，對經輥成形的鋼板進行電焊熔接而製成電焊鋼管後，將所述電焊鋼管角成形為角形鋼管的角成形步驟中，於相對於管軸方向垂直的剖面中，將相鄰的邊長分別設為H1 （mm）及H2 （mm）（H1 ≦H2 ），將自H1 及H2 的中心位置朝向鋼管內部引出的直線彼此相交的交點設為角形鋼管中央部時，於自H1 的中心位置朝向鋼管內部引出的直線上，將自所述角形鋼管中央部沿長邊方向偏移1/2（H2 -H1 ）的點設為偏移點，自偏移點向角形鋼管的角部中央引出的直線與自偏移點朝向角部的圓弧部或角形鋼管的平板部引出的直線所形成的中心角θ滿足下述式（1）。
[數式1]
Figure 02_image001
…（1） 其中， H1 ：邊長（短邊）（mm） H2 ：邊長（長邊）（mm） t：管厚（mm）。 [7]一種建築結構物，其使用如[1]至[4]中任一項所述的角形鋼管。 [發明的效果]
根據本發明的角形鋼管，可獲得對角部的加工硬化的影響小、抑制了表面裂紋的角形鋼管。藉此，可對工廠、倉庫、商業設施等大型建築物的施工成本削減作出大貢獻。另外，根據本發明的角形鋼管的製造方法，與冷壓製彎曲成形相比，可生產性高且以短期間製造高強度角形鋼管。
本發明的角形鋼管的特徵在於具有平板部與角部，平板部的降伏強度（Yield Strength，YS）為385 MPa以上及拉伸強度（Tensile Strength，TS）為520 MPa以上以及降伏比為0.90以下，關於角部的維氏硬度，角部內表面側的維氏硬度大於角部外表面側的維氏硬度，角部外表面側的維氏硬度為280 HV以下，且角部外表面側的維氏硬度與角部內表面側的維氏硬度的差為80 HV以下，角部外表面側的0℃下的夏比吸收能量vE0 為70 J以上。
角形鋼管中，較平板部而言，角部加工硬化得大。特別是角部外表面成為沿周方向的拉伸應力場，因此為了抑制最終製品的角部的脆性破壞，需要確保角部外表面的韌性。即，對角部外表面要求0℃下的夏比吸收能量vE0 為70 J以上，並且要求平板部的降伏強度（YS）為385 MPa以上及拉伸強度（TS）為520 MPa以上以及降伏比為0.90以下。
另外，於本發明中，角部內表面側的維氏硬度大於角部外表面側的維氏硬度，角部外表面側的維氏硬度為280 HV以下，且角部外表面側的維氏硬度與角部內表面側的維氏硬度的差設為80 HV以下。於本發明中，藉由使角部內表面側的維氏硬度大於角部外表面側的維氏硬度，且將角部外表面側的維氏硬度設為280 HV以下，可獲得由彎曲加工引起的加工硬化小的角形鋼管。若角部外表面側的維氏硬度超過280 HV，則進行外表面側的加工硬化，因此角部的延展性顯著惡化。另外，為了藉由彎曲變形來確保表面的加工硬化大的角部的韌性，將角部外表面側的維氏硬度與角部內表面側的維氏硬度的差設為80 HV以下。於角部外表面側的維氏硬度與角部內表面側的維氏硬度的差超過80 HV的情況下，角部內表面側的加工硬化進展，角部內表面的殘留應力變得顯著，因此給於後處理中實施的鍍敷的裂紋等帶來不良影響。
再者，所謂本發明中的角部外表面側的維氏硬度，是指距角部外表面1±0.2 mm內部的維氏硬度，所謂角部內表面側的維氏硬度，是指距角部內表面1±0.2 mm內部的維氏硬度。
本發明的角形鋼管較佳為具有如下成分組成，所述成分組成以質量%計包含C：0.04%～0.50%、Si：2.0%以下、Mn：0.5%～3.0%、P：0.10%以下、S：0.050%以下、Al：0.005%～0.10%、N：0.010%以下，且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質，且距管表面t/4（t為管厚）的位置處的鋼組織以體積率計包含超過30%的肥粒鐵與10%以上的變韌鐵，且肥粒鐵與變韌鐵的體積率的合計為70%以上、95%以下，剩餘部分包含選自波來鐵、麻田散鐵、沃斯田鐵中的一種或兩種以上。
於本發明中，以下對限定鋼原材料的較佳成分組成的理由進行說明。再者，於本說明書中，只要無特別說明，則表示鋼組成的「%」為「質量%」。
C：0.04%～0.50% C是藉由固溶強化而使鋼的強度上升的元素。另外，C是促進波來鐵的生成、提高淬火性並有助於麻田散鐵的生成、有助於沃斯田鐵的穩定化的元素，因此是亦有助於硬質相的形成的元素。為了確保所期望的強度，較佳為含有0.04%以上的C。然而，若C含量超過0.50%，則硬質相的比例變高，韌性降低，另外，熔接性亦惡化。因此，C含量較佳為設為0.04%以上、0.50%以下。更佳為C含量為C：超過0.12%、0.25%以下。
Si：2.0%以下 Si是藉由固溶強化而使鋼的強度上升的元素，且可視需要含有。為了獲得此種效果，較佳為含有0.01%以上的Si。另一方面，若Si含量超過2.0%，則熔接性惡化。因此，Si含量較佳為設為2.0%以下。更佳為Si含量為0.01%以上、0.5%以下。
Mn：0.5%～3.0% Mn是藉由固溶強化而使鋼的強度上升的元素，且是藉由降低肥粒鐵相變開始溫度而有助於組織的微細化的元素。為了確保所期望的強度及組織，較佳為含有0.5%以上的Mn。然而，若Mn含量超過3.0%，則熔接性惡化。因此，Mn含量較佳為設為0.5%以上、3.0%以下。更佳為Mn含量為0.5%以上、2.0%以下。
P：0.10%以下 P於粒界偏析而導致材料的不均質，因此較佳為作為不可避免的雜質而盡可能減少。再者，於含有的情況下，可容許0.10%以下的含量。因此，P含量較佳為設為0.10%以下的範圍內。更佳為P含量為0.03%以下。
S：0.050%以下 S於鋼中通常以MnS的形式存在，但MnS於熱軋步驟中薄薄地延伸，對延展性帶來不良影響。因此，於本發明中，較佳為盡可能減少。再者，於含有的情況下，可容許0.050%以下的含量。因此，S含量較佳為設為0.050%以下。更佳為S含量為0.015%以下。
Al：0.005%～0.10% Al是作為強力的脫氧劑發揮作用的元素。為了獲得此種效果，較佳為含有0.005%以上的Al。然而，若Al含量超過0.10%，則熔接性惡化，並且氧化鋁系夾雜物變多，表面性狀惡化。因此，Al含量較佳為設為0.005%以上、0.10%以下。更佳為Al含量為0.010%以上、0.07%以下。
N：0.010%以下 N是不可避免的雜質，且是具有藉由牢固地固定位錯的運動而降低韌性的作用的元素。於本發明中，N理想的是作為雜質而盡可能減少。再者，於含有的情況下，可容許0.010%以下的含量。因此，N含量較佳為設為0.010%以下。更佳為N含量為0.0080%以下。
所述成分為本發明中的電焊鋼管的鋼原材料的基本成分組成，除該些以外，亦可更含有選自Nb：0.005%～0.150%、Ti：0.005%～0.150%、V：0.005%～0.150%中的一種或兩種以上。
選自Nb：0.005%～0.150%、Ti：0.005%～0.150%、V：0.005%～0.150%中的一種或兩種以上 Nb、Ti、V均是於鋼中形成微細的碳化物、氮化物，通過析出強化而有助於鋼的強度提高的元素，且可視需要含有。為了獲得此種效果，較佳為含有Nb：0.005%以上、Ti：0.005%以上、V：0.005%以上。另一方面，過度含有會導致降伏比上升及韌性降低。因此，於含有Nb、Ti、V的情況下，設為Nb：0.005%～0.150%、Ti：0.005%～0.150%、V：0.005%～0.150%。較佳為Nb：0.008%～0.10%、Ti：0.008%～0.10%、V：0.008%～0.10%。
除上文所述以外，亦可更含有選自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%中的一種或兩種以上。
選自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%中的一種或兩種以上 Cr、Mo、Cu、Ni是藉由固溶強化而使鋼的強度上升的元素，且均是提高鋼的淬火性並有助於沃斯田鐵的穩定化的元素，因此是有助於硬質的麻田散鐵及沃斯田鐵的形成的元素，且可視需要含有。為了獲得此種效果，較佳為含有Cr：0.01%以上、Mo：0.01%以上、Cu：0.01%以上、Ni：0.01%以上。另一方面，過度含有會導致韌性降低及熔接性惡化。因此，於含有Cr、Mo、Cu、Ni的情況下，設為Cr：0.01%～1.0%、Mo：0.01%～1.0%、Cu：0.01%～0.50%、Ni：0.01%～0.30%。較佳為Cr：0.1%～0.5%、Mo：0.1%～0.5%、Cu：0.1%～0.40%、Ni：0.1%～0.20%。
Ca是藉由使於熱軋步驟中薄薄地延伸的MnS等硫化物球狀化而有助於鋼的韌性提高的元素，且可視需要含有。為了獲得此種效果，較佳為含有0.0005%以上的Ca。然而，若Ca含量超過0.010%，則存在於鋼中形成Ca氧化物簇而韌性惡化的情況。因此，於含有Ca的情況下，Ca含量設為0.0005%～0.010%。較佳為Ca含量為0.0010%～0.0050%。
B是藉由降低肥粒鐵相變開始溫度而有助於組織的微細化的元素。為了獲得此種效果，較佳為含有0.0003%以上的B。然而，若B含量超過0.010%，則降伏比上升。因此，於含有B的情況下，B含量設為0.0003%～0.010%。較佳為B含量為0.0005%～0.0050%。
所述成分以外的剩餘部分為Fe及不可避免的雜質。
其次，對限定本發明的角形鋼管的較佳鋼組織的理由進行說明。
本發明的角形鋼管較佳為：距管表面t/4（t為管厚）的位置處的鋼組織以體積率計包含超過30%的肥粒鐵及10%以上的變韌鐵，且肥粒鐵與變韌鐵的體積率的合計為70%以上、95%以下，剩餘部分包含選自波來鐵、麻田散鐵、沃斯田鐵中的一種或兩種以上。
肥粒鐵為軟質組織，藉由與其他硬質組織混合而降低鋼管原材料的降伏比。為了獲得此種效果，較佳為設為超過30%的體積率。
另外，變韌鐵為具有中間硬度的組織，且使鋼的強度上升。若僅利用肥粒鐵，則無法獲得所期望的降伏強度及拉伸強度，因此較佳為設為10%以上的體積率。
進而，若肥粒鐵與變韌鐵的體積率的合計未滿70%，則無法獲得所期望的降伏強度或降伏比，另外，若超過95%，則無法獲得所期望的降伏強度或降伏比。
剩餘部分較佳為包含選自波來鐵、麻田散鐵、沃斯田鐵中的一種或兩種以上。波來鐵、麻田散鐵、沃斯田鐵為硬質組織，特別是使鋼的拉伸強度上升，並且藉由與軟質的肥粒鐵混合而鋼管原材料的降伏比變低。再者，為了獲得此種效果，較佳為以合計計而為5%以上、30%以下的體積率。
再者，角形鋼管的鋼組織在鋼管寬度方向上均勻，因此角部、平板部的任意組織均滿足本發明的範圍。另外，關於距管表面t/4位置，亦可容許距t/4位置±0.2 mm的範圍。另外，所謂管表面，可為管的外表面或內表面的任一者。
其次，對本發明的角形鋼管的製造方法進行說明。
於本發明中，並無特別限定，例如，於如下熱軋步驟、即將具有所述化學成分的鋼坯等鋼原材料加熱為1100℃～1300℃的溫度後，實施將粗軋結束溫度設為850℃～1150℃的粗軋，實施將精軋結束溫度設為750℃～850℃的精軋，且粗軋與精軋這兩者的930℃以下的合計壓下率成為65%以上的熱軋步驟之後，以板厚中心溫度計按照自冷卻開始至冷卻停止的平均冷卻速度為10℃/s～30℃/s的冷卻速度冷卻至冷卻停止溫度：450℃～650℃並加以捲繞，然後放置冷卻。再者，於以下的製造方法的說明中，只要無特別說明，則溫度設為鋼原材料或鋼板等的表面溫度。該表面溫度可利用放射溫度計等來測定。另外，只要無特別說明，則平均冷卻速度設為（（冷卻前的溫度-冷卻後的溫度）/冷卻時間）。另外，關於冷卻方法，藉由自噴嘴噴射水等的水冷或利用噴射冷卻氣體的冷卻等來進行。再者，較佳為以熱軋鋼板的兩面在相同條件下冷卻的方式對鋼板兩面實施冷卻操作。另外，該些熱軋中的鋼板的中心溫度並未特別指定，此次藉由基於差分計算的不穩定傳熱計算來算出。具體而言，使用鋼板的熱傳導率、比熱、密度等材料的物性值，將根據冷卻水的水量密度及鋼板的外表面溫度而求出的熱傳遞係數作為邊界條件來進行計算。
具有所述成分組成的鋼原材料的製造方法並無特別限定，利用轉爐、電爐、真空熔解爐等通常公知的熔製方法來進行熔製，藉由連續鑄造法等通常公知的鑄造方法而以所期望的尺寸進行製造。亦可對鋼液進一步實施盛桶精煉等二次精煉。另外，即便應用鑄塊-分塊軋製法來代替連續鑄造法，亦無任何問題。
加熱溫度：1100℃～1300℃ 於加熱溫度未滿1100℃的情況下，被軋製材的變形阻力變大，軋製變得困難。另一方面，若加熱溫度超過1300℃，則沃斯田鐵粒粗大化，於之後的軋製中無法獲得微細的沃斯田鐵粒，難以確保所期望的熱軋鋼板的韌性，另外，難以抑制粗大的變韌鐵的生成。因此，熱軋步驟中的加熱溫度較佳為1100℃～1300℃。
粗軋結束溫度：850℃～1150℃ 於粗軋結束溫度未滿850℃的情況下，於之後的精軋中鋼板溫度成為肥粒鐵相變開始溫度以下，生成肥粒鐵的危險性增大。所生成的肥粒鐵藉由之後的軋製而成為在軋製方向上伸長的加工肥粒鐵粒，從而成為降伏比上升的原因。另一方面，若粗軋結束溫度超過1150℃，則沃斯田鐵未再結晶溫度區域中的壓下量不足，無法獲得微細的沃斯田鐵粒，難以確保所期望的熱軋鋼板的韌性，另外，難以抑制粗大的變韌鐵的生成。因此，粗軋結束溫度較佳為850℃～1150℃。
精軋結束溫度：750℃～850℃ 於精軋結束溫度未滿750℃的情況下，於軋製中鋼板溫度成為肥粒鐵相變開始溫度以下，生成肥粒鐵的危險性變高。於所述中所生成的肥粒鐵藉由之後的軋製而成為在軋製方向上伸長的加工肥粒鐵粒，從而成為降伏比上升的原因。另一方面，若精軋結束溫度超過850℃，則沃斯田鐵未再結晶溫度區域中的壓下量不足，無法獲得微細的沃斯田鐵粒，難以確保所期望的熱軋鋼板的韌性，另外，難以抑制粗大的變韌鐵的生成。因此，精軋結束溫度較佳為750℃～850℃。
粗軋與精軋這兩者的930℃以下的合計壓下率：65%以上 於本發明中，於熱軋中使沃斯田鐵中的亞晶粒微細化，藉此使於接下來的冷卻、捲繞步驟中生成的肥粒鐵、變韌鐵及剩餘部分組織微細化，從而獲得具有所期望的強度及韌性的熱軋鋼板。於熱軋中，為了使沃斯田鐵中的亞晶粒微細化，需要提高沃斯田鐵未再結晶溫度區域中的壓下率，並導入充分的加工應變。為了實現所述目的，將粗軋與精軋這兩者的930℃以下的合計壓下率設為65%以上。於粗軋與精軋這兩者的930℃以下的合計壓下率未滿65%的情況下，於熱軋中，無法導入充分的加工應變，因此無法獲得具有所期望的韌性的組織。
自冷卻開始至冷卻停止的平均冷卻速度：10℃/s～30℃/s 若冷卻速度未滿10℃/s，則肥粒鐵的核生成頻率減少，肥粒鐵粒粗大化，因此無法獲得具有所期望的強度或韌性的組織。另一方面，若冷卻速度超過30℃/s，則於鋼板的t/4的位置處生成大量的麻田散鐵，肥粒鐵與變韌鐵的體積率的合計未滿70%。
冷卻停止溫度：450℃～650℃ 若冷卻停止溫度未滿450℃，則於鋼板的t/4位置處生成大量的麻田散鐵，肥粒鐵與變韌鐵的體積率的合計未滿70%。另一方面，若冷卻停止溫度超過650℃，則肥粒鐵的核生成頻率減少，肥粒鐵粒粗大化，並且超出變韌鐵相變開始溫度，因此無法將變韌鐵的體積率設為10%以上。
其次，對熱軋後的造管步驟進行說明。
針對作為電焊鋼管的原材料的熱軋鋼板（鋼帶）1，使用圖1所示的製造設備來製造電焊鋼管。例如，利用整平機（leveller）2對熱軋鋼板1實施入側矯正後，利用包含多個輥的排輥組3進行中間成形而製成圓筒狀的開管後，利用包含多個輥的精成型輥（fin pass roll）組4進行精加工成形（輥成形）。精加工成形後，一邊利用擠壓輥5進行壓接一邊利用熔接機6對鋼帶1的寬端部進行電阻熔接，從而獲得電焊鋼管7。再者，於本發明中，電焊鋼管7的製造設備並不限於如圖1般的造管步驟。
然後，針對所獲得的電焊鋼管7，藉由上下左右配置的輥而於保持圓筒狀的狀態下在管軸方向上施加數%的收縮，繼而成形為角形而獲得角形鋼管。圖2是表示本發明的一實施形態的角形鋼管的成形過程的示意圖。如圖2所示，電焊鋼管7藉由包含多個輥的定徑輥組（定徑支架）8而於保持圓筒形狀的狀態下縮徑後，藉由包含多個輥的角成形輥組（角成形支架）9而依次成形為R1、R2、R3之類的形狀，從而成為角形鋼管10。角成形支架的輥為具有口徑曲率的孔型輥，隨著成為後段支架，口徑曲率半徑變大，與角形鋼管的平板部形成角部。再者，定徑輥組8及角成形輥組9的支架數量並無特別限制。
其次，對本發明的角成形的製造條件進行說明。
關於藉由在輥成形後，進行熔接並進行角成形來獲得角形鋼管的方法而成形的角形鋼管，自鋼板暫時成形為圓筒形狀後，成形為角形形狀。於此種製造方法中，不僅會產生周方向的彎曲變形，而且會產生由收縮變形引起的長度方向的應變，因此，結果周方向的彎曲的中立軸向外表面側移動，內表面側的硬度變大。
如上所述，明確的是藉由鋼管原材料與輥接觸，雖然平板部的平坦度或角部的曲率等尺寸精度提高，但是由於受到來自輥的剪切力，因此產生以與輥的接觸部為中心的加工硬化。因此，為了抑制角部的過度加工硬化，需要控制輥與角部的接觸部，以便可兼顧尺寸精度。
因此，本發明者等人以於角成形時輥不接觸於角部附近的方式設定角成形中的輥間隙或輥的口徑曲率，自圓筒鋼管成形角形鋼管。其結果，如圖3所示，於角成形步驟中，於相對於管軸方向垂直的剖面中，將相鄰的邊長分別設為H1 （mm）及H2 （mm）（其中，H1 ≦H2 ，H1 、H2 分別為最終製品的邊長），將自H1 及H2 的中心位置朝向鋼管內部引出的直線彼此相交的交點設為角形鋼管中央部時，於自H1 的中心位置朝向鋼管內部引出的直線上，將自所述角形鋼管中央部沿長邊方向偏移1/2（H2 -H1 ）的點設為偏移點，自偏移點向角形鋼管的角部中央引出的直線與自偏移點朝向角部的圓弧部或角形鋼管的平板部引出的直線所形成的中心角θ滿足下述式（1），藉此由彎曲加工引起的加工硬化小，可抑制表面裂紋。
[數式1]
Figure 02_image001
…（1） 其中， H1 ：邊長（短邊）（mm） H2 ：邊長（長邊）（mm） t：管厚（mm）。
於角成形步驟中，於後段支架側，輥的口徑曲率半徑與角形鋼管的平板部的曲率半徑為大致相同的值，因此，於後段支架中，孔型輥與角形鋼管的周方向的接觸寬度增加，自平板部中心側向角部側擴大，同時獲得所期望的角部尺寸。特別是，若角形鋼管的最終製品的壁厚即管厚t與邊長H的比t/H變大，則變形的剛性變大，因此需要進一步將孔型輥與角形鋼管的周方向的接觸寬度確保至角部附近。另一方面，於角成形時，當使孔型輥直接與角形鋼管的角部接觸來進行角成形時，由孔型輥的剪切力引起的角部的加工硬化變得顯著。 為了不產生此種過度加工硬化而獲得所期望的角部的曲率半徑，於角成形的整個支架中，需要將孔型輥與角形鋼管不接觸的區域控制為距角部的頂點為與壁厚相當的周方向上的距離。該區域是以角形鋼管的最終形狀的角部中央為基準，滿足所述（1）的鋼管外表面側的區域。作為孔型輥與角形鋼管的接觸位置的控制方法，例如有調整孔型輥的口徑曲率半徑或輥間間隙的方法等，但並不限於此。
其次，對使用本發明的角形鋼管的建築結構物進行說明。
圖4是示意性表示本發明的實施形態的建築結構物的立體圖。如圖4所示，本實施形態的建築結構物豎立設置有多個本發明的角形鋼管10而用作柱材。於相鄰的角形鋼管10之間架設有多個包含H形鋼等鋼材的大樑11。另外，於相鄰的大樑11之間架設有多個包含H形鋼等鋼材的小梁12。將角形鋼管10與隔板13熔接，並於其上熔接成為大樑11的H形鋼，藉此於相鄰的角形鋼管10之間架設有包含H形鋼等鋼材的大樑11。另外，為了安裝牆壁等，視需要設置中間立柱14。
本發明的建築結構物使用角部外表面側的維氏硬度小、即加工硬化的影響小的本發明的角形鋼管10，因此不易產生對接熔接時產生的角部熱影響部中的應力釋放所引起的表面裂紋等。 [實施例]
以下，基於實施例對本發明進一步進行說明。
利用轉爐來熔製具有表1所示的成分組成的鋼液，利用連續鑄造法來製成鋼坯（鋼原材料）。針對該些，於表1所示的條件下實施加熱、熱軋（粗軋及精軋）、水冷、捲繞後，放置冷卻而製成具有規定的精加工板厚的熱軋鋼板。繼而，藉由輥成形而將所獲得的熱軋鋼板形成為圓筒狀的開管形狀，對其對接部分進行電焊熔接後，藉由上下左右配置的輥而於保持圓筒狀的狀態下在管軸方向上施加數%的收縮，從而獲得圓筒鋼管。
[表1]
鋼No. 成分組成（質量%） 熱軋條件 位置t/4的組織
C Si Mn P S Al N Nb Ti V Cr Mo Cu Ni Ca B 加熱溫度 （℃） 粗軋結束溫度 （℃） 精軋結束溫度 （℃） 930℃以下的壓下率 （%） 冷卻速度 （℃/s） 冷卻停止溫度 （℃） 種類 體積率（%）
F B 剩餘部分 （P、A、M）
A 0.17 0.41 1.31 0.01 0.005 0.029 0.002 - - - - - - - - - 1200 880 800 72 19 550 F+B+P 45 33 22
B 0.03 0.32 1.57 0.01 0.009 0.041 0.003 - - - - - - - - - 1200 950 830 68 26 520 F+B+P 62 31 7
C 0.18 0.41 0.38 0.02 0.002 0.022 0.004 - - - - - - - - - 1200 960 840 67 22 580 F+B+P 44 34 22
D 0.13 0.33 1.15 0.01 0.012 0.026 0.003 0.029 0.014 - - - - - - - 1350 970 840 69 16 510 F+B+P 43 35 22
E 0.14 0.27 1.03 0.01 0.004 0.032 0.002 0.034 0.012 - - - - - - - 1200 950 770 68 17 570 F+B+P 46 32 22
F 0.12 0.21 1.02 0.02 0.003 0.028 0.003 0.035 0.018 - - - - - - - 1200 940 760 60 11 560 F+B+P 58 27 15
G 0.16 0.24 1.22 0.01 0.006 0.027 0.005 0.027 0.013 - - - - - - - 1200 960 730 69 16 520 F+B+P 49 31 20
H 0.11 0.31 1.34 0.01 0.005 0.038 0.004 0.012 0.014 - - - - - - - 1200 970 865 62 15 510 F+B+P 44 32 24
I 0.15 0.22 1.17 0.01 0.008 0.034 0.003 0.016 0.015 - - - - - - - 1250 980 820 69 6 480 F+B+P 45 22 33
J 0.17 0.19 1.23 0.01 0.005 0.031 0.005 0.021 0.011 - - - - - - - 1200 960 800 70 38 560 F+B+M 32 28 40
K 0.14 0.25 1.06 0.01 0.003 0.028 0.003 0.014 0.012 - 0.27 0.25 - - - 0.0012 1250 890 790 73 22 490 F+B+M 48 22 30
L 0.13 0.20 0.97 0.01 0.005 0.029 0.003 0.013 0.019 0.034 - - 0.17 0.08 0.009 0.0006 1250 880 780 72 24 480 F+B+M+A 46 25 29
M 0.17 0.29 1.14 0.02 0.007 0.032 0.004 0.022 0.013 - - - - - - - 1200 970 830 68 22 680 F+B+P 69 8 23
N 0.14 0.32 1.08 0.01 0.009 0.041 0.003 0.026 0.017 - - - - - - - 1200 990 840 67 17 400 F+B+M 45 22 33
·關於成分組成，所述以外的成分為剩餘部分Fe及不可避免的雜質。 ·F：肥粒鐵、P：波來鐵、B：變韌鐵、M：麻田散鐵、A：沃斯田鐵 繼而，自所獲得的圓筒鋼管，經過2段的定徑支架後，經過4段的角成形支架而獲得角部的曲率為板厚的（2.5±0.5）倍的角形鋼管。此時，於角成形中，變更角成形支架的孔型輥的間隙或口徑曲率來控制角部附近的輥與角部的周方向的接觸寬度。關於各角成形支架的接觸寬度，使用與自圓筒鋼管向角形鋼管的變形相關的利用有限元法的結構分析，來算出根據所設定的孔型輥的間隙的口徑曲率的條件而獲得的接觸寬度。關於所述接觸寬度，根據式（1）來算出θ（表2中的容許θ下限），以不接觸成形θ的範圍的方式製造鋼管。再者，關於成形θ，測定自管的平板部中央的位置至接觸部的周方向端部的距離L1，並根據該L1來算出成形θ。
自所獲得的角形鋼管採取試驗片，並實施組織觀察、拉伸試驗、夏比衝擊試驗、硬度試驗。
使用掃描型電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）於角形鋼管平板部的距管表面（鋼管外表面）t/4的位置處進行組織觀察。此處，將藉由組織觀察而獲得的面積率設為各組織的體積率。根據所獲得的SEM像來求出肥粒鐵、波來鐵、變韌鐵及剩餘部分組織的面積率。再者，於SEM像中，難以識別麻田散鐵與沃斯田鐵，因此根據所獲得的SEM像來測定作為麻田散鐵或沃斯田鐵而觀察到的組織的面積率，然後減去利用後述的方法所測定的沃斯田鐵的體積率，將所獲得的值設為麻田散鐵的體積率。觀察用試樣是以觀察面成為熱軋時的軋製方向剖面的方式進行採取，研磨後，進行硝酸浸蝕液腐蝕來製作。作為觀察條件，將倍率設為2000倍，將觀察面積設為2500 μm2 。進行5視野以上的觀察，算出各視野中所獲得的組織的平均值作為面積率。
此處，肥粒鐵為由擴散相變帶來的產物，呈位錯密度低且基本恢復的組織。多角肥粒鐵及準多角肥粒鐵包含於其中。另外，變韌鐵為位錯密度高的板條狀的肥粒鐵與雪明碳鐵（cementite）的複相組織。
沃斯田鐵的體積率測定是藉由X射線繞射來進行。測定用試樣是以繞射面成為角形鋼管平板部的距管表面t/4的位置的方式研削後，進行化學研磨來去除表面加工層而製作。測定時使用Mo的Kα射線，根據fcc鐵的（200）、（220）、（311）面與bcc鐵的（200）、（211）面的積分強度來求出沃斯田鐵的體積率。
關於拉伸試驗，以使拉伸方向與管軸方向平行的方式，自角形鋼管的平板部分別採取日本工業標準（Japanese Industrial Standards，JIS）5號拉伸試驗片及JIS 12B號拉伸試驗片，使用該些並依據JIS Z 2241的規定來實施，測定降伏強度、拉伸強度，並算出（降伏強度）/（拉伸強度）所定義的降伏比。試驗片根數設為各3根，將該些的平均值設為代表值。
關於夏比衝擊試驗，於角形鋼管的角部的距管表面t/4位置處使用以使試驗片長度方向與管的長度方向平行的方式採取的V凹口試驗片，依據JIS Z 2242的規定，於試驗溫度：0℃下實施，並求出吸收能量（J）。再者，試驗片根數設為各3根，將該些的平均值設為代表值。將平均值為70 J以上的情況設為○，將未滿70 J的情況設為×。
關於硬度試驗，於相對於管軸方向垂直的剖面中，於角形鋼管的角部的距外表面及內表面1 mm內側的位置，使用顯微維氏硬度試驗機，依據JIS Z2244：2009的規定，以試驗力9.8 N進行。此處，所謂角部的距外表面及內表面的1 mm內側的位置，是指距外表面側、內表面側1±0.2 mm的範圍的位置。於各個位置各測定5點硬度，將該些的平均值設為代表值。
另外，關於表面裂紋，使用所獲得的角形鋼管，進行柱-貫通隔板熔接接口的熔接實驗。熔接條件設為熔接金屬線JISZ3312 GJ59JA1UC3M1T、熱輸入條件40 kJ/cm以下、道間溫度350℃以下，以7層9道進行。熔接後，於熔接部周邊，判定鋼材表面有無裂紋產生。
將該些結果示於表2中。
根據表2，本發明例的韌性均優異，並且均未產生表面裂紋。
根據以上所述，藉由將角成形條件設為本發明的範圍內，可提供大型建築物的建築構件等中所使用的韌性優異且抑制了表面裂紋的角形鋼管。再者，於本實施例中，以對經輥成形的鋼板進行電焊熔接而製成電焊鋼管的態樣進行了說明，但成形為圓筒形狀的鋼管可為無縫鋼管。
[表2]
管 No. 鋼 No. 製品尺寸 角部非接觸區域 角形鋼管機械特性 備考
平板部 角部
板厚 （mm） 縱邊長 （mm） 橫邊長（mm） 容許θ下限 （°） 成形θ （°） 降伏強度 （MPa） 拉伸強度 （MPa） 降伏比 （-） 外表面硬度 （HV 1.0） 內表面硬度 （HV 1.0） 硬度差 （HV 1.0） 吸收能量 （J） 夏比衝擊試驗 表面裂紋
1 A 22 550 550 3.4 5.1 485 591 0.82 242 254 12 179 ○ 無 本發明例
2 A 25 550 550 3.9 3.5 432 579 0.75 287 291 4 31 × 無 比較例
3 B 22 300 300 6.7 7.2 364 448 0.81 214 269 55 224 ○ 無 比較例
4 C 25 500 500 4.4 7.1 372 452 0.82 234 297 63 68 × 無 比較例
5 D 25 500 500 4.4 8.2 478 589 0.81 244 292 48 45 × 無 比較例
6 E 22 500 500 3.8 7.6 519 618 0.84 273 358 78 212 ○ 無 本發明例
7 F 25 550 550 3.9 5.5 485 577 0.84 242 291 49 42 × 無 比較例
8 G 19 400 400 4.1 8.1 521 573 0.91 258 312 54 194 ○ 無 比較例
9 H 25 500 500 4.4 7.7 457 542 0.84 253 314 61 56 × 無 比較例
10 I 22 400 400 4.8 7.5 362 453 0.80 248 311 63 47 × 無 比較例
11 J 25 550 550 3.9 6.2 568 612 0.93 272 361 89 23 × 有 比較例
12 K 30 550 550 4.8 7.6 554 631 0.88 271 322 51 205 ○ 無 本發明例
13 L 22 400 400 4.8 6.1 526 622 0.85 261 337 76 201 ○ 無 本發明例
14 M 22 500 500 3.8 5.8 358 448 0.80 234 257 23 53 × 無 比較例
15 N 22 500 500 3.8 7.3 592 637 0.93 251 277 26 29 × 無 比較例
16 A 22 300 500 6.7 7.5 472 588 0.80 237 262 25 209 ○ 無 本發明例
1:鋼帶 2:整平機 3:排輥組 4:精成型輥組 5:擠壓輥 6:熔接機 7:電焊鋼管 8:定徑輥組 9:角成形輥組 10:角形鋼管 11:大樑 12:小梁 13:隔板 14:中間立柱 H1:邊長（短邊） H2:邊長（長邊） θ:於自H1的中心位置朝向鋼管內部引出的直線上，將自角形鋼管中央部沿長邊方向偏移1/2（H2-H1）的點設為偏移點，由自偏移點向角形鋼管的角部中央引出的直線與自偏移點朝向角部的圓弧部和直線部的連接點引出的線確定的中心角 t:管厚 R1、R2、R3:形狀
圖1是表示電焊鋼管的製造設備的一例的示意圖。 圖2是表示角形鋼管的成形過程的示意圖。 圖3是表示角形鋼管的相對於管軸方向垂直的剖面的示意圖。 圖4是示意性表示使用本發明的角形鋼管的建築結構物的一例的立體圖。
10:角形鋼管
H1:邊長(短邊)
H2:邊長(長邊)
t:管厚
θ:於自H1的中心位置朝向鋼管內部引出的直線上，將自角形鋼管中央部沿長邊方向偏移1/2(H2-H1)的點設為偏移點，由自 偏移點向角形鋼管的角部中央引出的直線與自偏移點朝向角部的圓弧部和直線部的連接點引出的線確定的中心角

Claims (7)

  1. 一種角形鋼管，具有平板部與角部，且所述角形鋼管中，所述平板部的降伏強度為385MPa以上及拉伸強度為520MPa以上以及降伏比為0.90以下，關於所述角部的維氏硬度，角部內表面側的維氏硬度大於角部外表面側的維氏硬度，所述角部外表面側的維氏硬度為280HV以下，且所述角部外表面側的維氏硬度與所述角部內表面側的維氏硬度的差為80HV以下，角部外表面側的0℃下的夏比吸收能量vE0為70J以上。
  2. 如請求項1所述的角形鋼管，其具有如下成分組成，所述成分組成以質量%計含有C：0.04%~0.50%、Si：2.0%以下、Mn：0.5%~3.0%、P：0.10%以下、S：0.050%以下、Al：0.005%~0.10%、N：0.010%以下，且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質，且距管表面t/4(t為管厚)的位置處的鋼組織以體積率計包含超過30%的肥粒鐵及10%以上的變韌鐵，且肥粒鐵與變韌鐵的體積率的合計為70%以上、95%以下，剩餘部分包含選自波來鐵、麻田散鐵、沃斯田鐵中的一種或兩種以上。
  3. 如請求項2所述的角形鋼管，其中以質量%計更含有 選自Nb：0.005%~0.150%、Ti：0.005%~0.150%、V：0.005%~0.150%中的一種或兩種以上。
  4. 如請求項2或請求項3所述的角形鋼管，其中以質量%計更含有選自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%中的一種或兩種以上。
  5. 一種角形鋼管的製造方法，其為製造請求項1所述的角形鋼管的方法，且於成形為圓筒形狀後角成形為角形形狀，所述角形鋼管的製造方法在進行所述角成形的角成形步驟中，於相對於管軸方向垂直的剖面中，將相鄰的邊長分別設為H1(mm)及H2(mm)(H1≦H2)，將自H1及H2的中心位置朝向鋼管內部引出的直線彼此相交的交點設為角形鋼管中央部時，於自H1的中心位置朝向鋼管內部引出的直線上，將自所述角形鋼管中央部沿長邊方向偏移1/2(H2-H1)的點設為偏移點，自偏移點向角形鋼管的角部中央引出的直線與自偏移點朝向角部的圓弧部或角形鋼管的平板部引出的直線所形成的中心角θ滿足下述式(1)；
    Figure 109110842-A0305-02-0034-1
     其中，H1：邊長(短邊)(mm)H2：邊長(長邊)(mm)t：管厚(mm)。
  6. 一種角形鋼管的製造方法，其中將具有如請求項2至請求項4中任一項所述的成分組成的鋼原材料加熱為加熱溫度：1100℃~1300℃後，實施將粗軋結束溫度設為850℃~1150℃的粗軋，實施將精軋結束溫度設為750℃~850℃的精軋，且粗軋與精軋這兩者的930℃以下的合計壓下率設為65%以上，繼而，以板厚中心溫度計按照自冷卻開始至冷卻停止的平均冷卻速度為10℃/s~30℃/s的冷卻速度冷卻至冷卻停止溫度：450℃~650℃並加以捲繞，然後放置冷卻，繼而，藉由輥成形而成形為圓筒形狀後，對經輥成形的鋼板進行電焊熔接而製成電焊鋼管後，將所述電焊鋼管角成形為角形鋼管的角成形步驟中，於相對於管軸方向垂直的剖面中，將相鄰的邊長分別設為H1(mm)及H2(mm)(H1≦H2)，將自H1及H2的中心位置朝向鋼管內部引出的直線彼此相交的交點設為角形鋼管中央部時，於自H1的中心位置朝向鋼管內部引出的直線上，將自所述角形鋼管中央部沿長邊方向偏移1/2(H2-H1)的點設為偏移點，自偏移點向角形鋼管的角部中央引出 的直線與自偏移點朝向角部的圓弧部或角形鋼管的平板部引出的直線所形成的中心角θ滿足下述式(1)；
    Figure 109110842-A0305-02-0035-2
     其中，H1：邊長(短邊)(mm)H2：邊長(長邊)(mm)t：管厚(mm)。
  7. 一種建築結構物，其包括如請求項1至請求項4中任一項所述的角形鋼管。
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