JP4300049B2

JP4300049B2 - 低降伏比の建築構造用高張力鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP4300049B2
Application number: JP2003091745A
Authority: JP
Inventors: 晴弥川野; 重雄岡野
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004300461A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低降伏比の建築構造用高張力鋼管を製造する方法に関するものであり、例えば耐震性や耐火性において優れた特性を発揮するＣＦＴ（Concrete−Filled−Tube）構造の建造物等に好適に用いることのできる高張力鋼管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
建築構造物には優れた耐震性や耐火性が要求されることから、該建築構造物に使用される鋼材には、高強度かつ低降伏比を示すものが求められる。従来より、高張力鋼板の降伏比を下げる方法としては、図１に示すように、
・Ａｃ₃点以上の温度域で加熱したのち室温まで急冷し、
・次にＡｃ₁〜Ａｃ₃点の２相温度域で加熱したのち室温まで急冷し、
・Ａｃ₁点以下の温度域で焼戻す方法により、低降伏比と所定の降伏耐力の両立を図る技術がある（例えば特許文献１）。
【０００３】
しかし、この様な方法で低降伏比の鋼板を得たとしても、図２に示す様に該鋼板を管状に成形する際の加工硬化によって降伏比が上昇するため、降伏比の低い鋼管は得られ難く、該鋼管を建造物に採用しても意図する様な優れた耐震性等を得ることはできない。
【０００４】
こうした問題の解決法として、特許文献２には、鋼板に曲げ加工やプレス加工等を施した後も低降伏比を維持させるべく、
（a-1）Ａｃ₁〜Ａｃ₃各変態点間の２相域温度に加熱したのち急冷する熱処理を施し、
（a-2）次いで３００℃以下の温度域で加工を施し、
（a-3）その後、部分再結晶を起こすべく６００〜７００℃の温度範囲内で再加熱する方法
が提案されている。しかし該方法では、急冷後に鋼管加工を行うので、鋼管成形時の加工性が確保されているとは言い難い。
【０００５】
また特許文献３には、熱間圧延条件を制御して鋼板を得た後、
（b-1）Ａｃ₁点以上でかつＡｃ₃点以下の２相域温度域に再加熱し、
（b-2）そのままＡｒ₁点以上の温度域から円筒状に曲げ加工を開始し、Ａｒ₁点未満の温度域で加工を終了し、
（b-3）空冷以上の冷却速度で冷却する方法
が提案されている。しかし該方法では、鋼管成形を熱間（Ａｃ₁〜Ａｃ₃点の２相温度域）で行う必要があり、新たな設備や高いエネルギーコストを要するので、経済面から実用にそぐわない。
【０００６】
特許文献４には、冷間成形により低ＹＲの鋼管を製造する方法が示されており、具体的には、
（c-1）仕上温度が（Ａｒ₃＋１２０℃）以下（Ａｒ₃−２０℃）以上となるよう圧延を行ったのち、
（c-2）鋼板を（Ａｒ₃−２０℃）〜（Ａｒ₃−１００℃）まで空冷し、続いてこの温度から直ちに常温まで焼入れし、
（c-3）Ａｃ₁変態点以下の温度範囲で焼戻処理し、
（c-4）板厚をｔ、鋼管外径をＤとしたとき、ｔ／Ｄ≦１０％の範囲で管状に冷間成形し、
（c-5）その後５００℃から６５０℃の温度範囲で焼鈍する方法
が示されている。しかしこの様に、熱間圧延直後に圧延ライン上でほぼＡｃ₁〜Ａｃ₃点の２相温度域まで空冷を行う方法は、圧延の生産性低下を招くため経済的な観点から好ましくない。
【０００７】
特許文献５には、冷間成形による低ＹＲ鋼管の製造方法として、
（d-1）Ａｃ₃以上の温度に再加熱して焼入れあるいは焼入れ・焼戻しを行い、（d-2）ｔ／Ｄ（ｔ：板厚、Ｄ：鋼管外径）≦１０％の範囲で冷間成形を施して鋼管を製作し、
（d-3）６５０〜７５０℃の温度範囲に再加熱して焼ならしする方法
が提案されている。しかしこの方法は、鋼素材としてＣｕ、Ｎｉを必須成分とするものを用いる必要があり素材コストが高くつき、低コスト化の要望に沿うものでない。また、Ｃｕ添加による析出強化で強度向上を図っているが、鋼管加工後の熱処理工程で外面側と内面側の温度が不均一になりＣｕの添加効果が均一に表れにくいので、材質のバラツキが懸念される。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭５５−９７４２５号公報
【特許文献２】
特許第３２９７０９０号公報（第１頁）
【特許文献３】
特開平７−１５０２４５号公報（第２頁）
【特許文献４】
特許第２５２９０４２号公報（第１頁）
【特許文献５】
特開平７−２３３４１６号公報（第２頁）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、中層・低層建造物のみならず高層・超高層建造物にも用いられ得る、低降伏比（特にＹＰ／ＴＳで表される降伏比：ＹＲが８５％以下）を示す建築構造用高張力鋼管を製造するための有用な方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る低降伏比の建築構造用高張力鋼管を製造する方法とは、質量％で（以下同じ）、Ｃ：０．１０〜０．１８％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：１〜２％を満たし、引張強度が５９０Ｎ／ｍｍ²以上である建築構造用鋼管を製造するにあたり、
▲１▼鋼板をＡｃ₃点以上に加熱したのち室温まで急冷する工程、
▲２▼Ａｃ₁〜Ａｃ₃点の２相温度域に加熱したのち室温まで空冷する工程、
▲３▼冷間で管状に成形する工程、
▲４▼５００〜６００℃に再加熱する工程
を順次実施するところに特徴を有するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者らは前述した様な状況の下で、鋼管成形時の加工性等を低下させることなく経済的に、引張強度：５９０Ｎ／ｍｍ²以上で低降伏比を示す建築構造用鋼管を製造するための方法について、様々な角度から検討を行った。その結果、図３に模式的に示す様に
▲１▼鋼板をＡｃ₃点以上に加熱したのち室温まで急冷する工程、
▲２▼Ａｃ₁〜Ａｃ₃点の２相温度域に加熱したのち室温まで空冷する工程、
▲３▼冷間で管状に成形する工程、
▲４▼５００〜６００℃に再加熱する工程
を順次実施すればよいことを見出した。以下、各工程を規定した理由を示す。
【００１２】
▲１▼鋼板をＡｃ ₃ 点以上に加熱したのち室温まで急冷する工程
まず本発明法では、熱間圧延等により得られた鋼板をＡｃ₃点以上の温度まで加熱し、該温度域から室温まで急冷することを前提とする。この様に急冷を行うことで鋼管の高強度化を達成できる。
【００１３】
Ａｃ₃点以上での加熱は、鋼板内部まで確実に昇温させる観点から、板厚にもよるが約５分〜１時間の範囲内で行えばよい。加熱温度の上限も特に規定しないが、エネルギーコスト抑制等の観点からは９５０℃以下で行うのがよい。またＡｃ₃点以上の温度域からの急冷は水冷で行えばよい。尚、該鋼板は、板厚が約２０〜１００ｍｍであり巻取りは行わない。
【００１４】
▲２▼Ａｃ ₁ 〜Ａｃ ₃ 点の２相温度域に加熱したのち室温まで空冷する工程
本発明法では、前記工程▲１▼を経た鋼板を、Ａｃ₁〜Ａｃ₃点の２相温度域に再加熱したのち室温まで空冷する工程を設ける必要がある。
【００１５】
低降伏比の鋼板を得る方法として従来から行われている、前記図１または図２に示した「Ａｃ₁点〜Ａｃ₃点の温度で加熱・急冷したのち焼戻しを行う」工程に代えて、上記工程を設けることで、管状に成形する際にも降伏比の上昇が起こり難い鋼板とすることができるのである。尚、Ａｃ₁〜Ａｃ₃点の２相温度域での加熱保持は、板厚にもよるが５分〜１時間の範囲内とすればよく、これより長時間だとフェライトやオーステナイトが粗大化して前記工程▲１▼の効果が薄れるので好ましくない。
【００１６】
特に本発明法では、Ａｃ₁〜Ａｃ₃点の２相温度域からの空冷を行うことによって、フェライトが軟化するとともに、オーステナイトに炭素が濃化したのち変態するため著しく硬化し、低ＹＲ化が増進されると考えられる。
【００１７】
▲３▼冷間で管状に成形する工程および▲４▼５００〜６００℃に再加熱する工程
鋼管成形は、上記▲１▼▲２▼の工程を経た鋼板を用い、冷間で管状に曲げ加工してからシーム溶接を行えばよい。本発明は、管状成形条件や溶接条件まで規定するものではなく、曲げ加工やシーム溶接などには周知の方法を適宜選択して採用すればよい。尚、本発明法は、Ｄ／ｔ（Ｄ：鋼管の外径、ｔ：板厚）が１０以上のものに好ましく適用される。ちなみにＤ／ｔが１０未満のものでは、加工歪が増えすぎてＹＲが高くなるからである。
【００１８】
鋼管に成形した後は、再度加熱して加工歪みを除去する必要がある。加工歪みを十分除去するには、５００℃以上に加熱するのがよいが、加熱温度が高すぎると所定の強度を下回るため、６００℃以下の温度域で行うのがよい。
【００１９】
また、加熱温度が適正範囲内であっても、保持時間が短すぎると歪みを十分に除去できないので、５分〜１時間の範囲内で加熱保持するのがよい。また、上記加熱後には、室温まで空冷または炉冷等の方法で冷却すればよい。
【００２０】
本発明の方法は、上記要件を満たす製造条件を定めたところに特徴を有するものであり、鋼材の溶製、鋳造や熱間圧延等といった基本的な鋼板の製造条件等についてまで規定するものではなく、これらについては一般的な条件や方法を採用することができる。
【００２１】
尚、本発明において鋼管の引張強度を５９０Ｎ／ｍｍ²以上と定めたのは、５９０Ｎ／ｍｍ²未満の鋼板であれば降伏比は比較的低く、低降伏比とするのに格別の工夫を要しないからである。
【００２２】
また、本発明で低降伏比の高強度鋼管を得るにあたっては、素材として下記の基本成分組成を満たす鋼材を用いることができる。
【００２３】
Ｃ：０．１０〜０．１８％
Ｃ（炭素）は鋼の強度向上に有効な元素であり、０．１０％以上含有させるのがよい。しかしＣ含有量が増加すると、溶接性の劣化を招くので、０．１８％以下（より好ましくは０．１６％以下）に抑えるのがよい。
【００２４】
Ｓｉ：０．１〜０．５％
Ｓｉは脱酸作用を有する元素であり、この様な作用を有効に発揮させるには、０．１％以上含有させるのがよい。しかしＳｉ量が過剰になると、溶接熱影響部の靭性劣化を招くので０．５％以下にするのがよい。
【００２５】
Ｍｎ：１〜２％
Ｍｎは、強度を確保するのに有用な元素であり、また焼入れ性を高める元素でもある。この様な効果を発揮させるには、１％以上含有させるのがよい。但しＭｎ量が過剰になると、溶接性の劣化を招くので２％以下に抑えるのがよい。
【００２６】
基本的成分組成は以上の通りであり、残部成分は実質的にＦｅであるが、該鋼中に微量の不可避不純物の含有が許容されるのは勿論のこと、前記本発明の作用に悪影響を与えない範囲で、更に下記の元素を含有させることも可能である。
【００２７】
Ａｌ：０．００５〜０．１％
Ａｌは脱酸作用を有する元素であり、該効果を発揮させるには、Ａｌを０．００５％以上含有させるのがよい。しかしながら過剰な含有は、アルミナ等の介在物の増加を招き、靭性劣化を招くので０．１％以下に抑えるのが好ましく、より好ましくは０．０６０％以下である。
【００２８】
Ｐ：０．０２％以下（０％含む）、Ｓ：０．０１５％以下（０％含む）
Ｐ（リン）は、靭性を劣化させる有害元素である。従って本発明では、Ｐの含有量を０．０２％以下に抑えることが好ましい。Ｓ（硫黄）は、ＭｎＳ等の硫化物系介在物を形成し、靭性の低下を招き、また割れの起点となって加工性を劣化させる元素である。よってＳ量は０．０１５％以下に抑えるのがよく、より好ましくは０．０１０％以下に抑える。
【００２９】
また、その他の元素として、例えばＣｕを１．０％以下の熱間加工性等を劣化させない範囲内で添加してもよく、耐食性や靭性を高めるべくＮｉを１．０％以下の範囲内で添加してもよい。焼入れ性を高めて高強度を確保したり靭性等を調整するため、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下の範囲内で添加してもよい。
【００３０】
析出硬化作用等を示すＶを０．１％以下の範囲内で、また結晶粒制御等に有用なＮｂを０．０５％以下、Ｔｉを０．０３％以下の範囲内で添加してもよく、焼入れ性の向上に有用なＢを０．００２％以下の範囲内で添加したものにも本発明法を適用することができる。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３２】
表１に示す成分組成の鋼材を溶製して得た後、熱間圧延を行って表２に示す板厚の鋼板を得た。得られた鋼板を９３０℃で約１５分間保持した後、室温まで水冷した。そして、表２に示す温度（Ｔ₁）で約１５分間加熱保持した後、室温まで表２に示す方法で冷却し、その後に冷間でプレスベンドにより円筒状に成形した。管状成形後は加工歪みを除去するため、表２に示す温度（Ｔ₂）で約１５分間加熱保持し、その後に室温まで空冷して鋼管を得た。
【００３３】
得られた鋼管を用いて引張試験を行い、降伏点（ＹＰ）と引張強度（ＴＳ）を測定して降伏比（ＹＲ）を求めた。上記引張試験は、試験片として、外部から管厚の１／４部位において管軸方向に採取し、丸棒に加工したものを用いた。尚、本発明では、前記ＹＰが４４０Ｎ／ｍｍ²以上、ＴＳが５９０Ｎ／ｍｍ²以上、かつＹＲが８５％以下の場合に、本発明で意図するレベルの低降伏比で高張力の鋼管が得られていると判断した。これらの結果を表２に併記する。
【００３４】
【表１】

【００３５】
【表２】

【００３６】
表１および表２から次のように考察することができる。尚、以下のＮｏ．は表２における実験Ｎｏ．を示す。
【００３７】
Ｎｏ．１〜５は、本発明の規定要件を満たす実施例であり、得られた鋼管は、引張強度が５９０Ｎ／ｍｍ²以上でかつ降伏比が８５％以下と低降伏比を示しており、建築構造用鋼管として好適であることがわかる。
【００３８】
これに対しＮｏ．６〜１２は、得られた鋼管の降伏比が高いか、強度不足となっている。即ちＮｏ．６は、適正温度域（Ａｃ₁〜Ａｃ₃点）で加熱した後の冷却が水冷であるため降伏比が高い。Ｎｏ．７は、前記▲２▼の工程でＡｃ₃点を超える高温に加熱したため降伏比が高くなった。またＮｏ．８は、前記▲２▼の工程でＡｃ₁点を下回る低温で熱処理を行ったため強度不足となった。
【００３９】
Ｎｏ．９は、前記▲４▼で定める規定温度範囲を下回る低温で管状成形後の再加熱を行ったため、加工歪みを十分除去することができず降伏比が高くなった。Ｎｏ．１０は、管状成形後の再加熱温度が高すぎるため、鋼管が軟質化され強度不足となっている。
【００４０】
Ｎｏ．１１は、前記▲２▼で定める適正温度域（Ａｃ₁〜Ａｃ₃点）で加熱後の冷却を水冷とし、かつ管状成形後の再加熱温度が高すぎるため、降伏比が高くなる結果となった。更にＮｏ．１２からは、好ましい範囲を上回る量のＮｂを添加すると、降伏比が高まるので好ましくないことがわかる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、鋼板から鋼管への曲げ加工性等を低下させることなく経済的に低降伏比の高張力鋼管を製造することができる。そして、本発明で得られた鋼管に例えばコンクリートを充填し、コンクリートを拘束する円柱状鋼管としてＣＦＴ（Concrete−Filled−Tube）構造の中・低層建造物用や高層・超高層建造物に用いれば、卓越した耐震性や耐火性等を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】低降伏比の鋼板を得るための公知の方法を説明するヒートパタンである。
【図２】前記図１の工程に引き続いて鋼管を製造する方法を説明するヒートパタンである。
【図３】本発明で鋼管を得るための一方法を説明するヒートパタンである。

Claims

質量％で（以下同じ）、
Ｃ：０．１０〜０．１８％、
Ｓｉ：０．１〜０．５％、
Ｍｎ：１〜２％、
Ｐ：０．０２％以下（０％含む）、
Ｓ：０．０１５％以下（０％含む）、
Ａｌ：０．００５〜０．１％
を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物であり、引張強度が５９０Ｎ／ｍｍ^２以上６３０Ｎ／ｍｍ^２以下である建築構造用鋼管を製造するにあたり、
（１）鋼板をＡｃ_３点以上に加熱したのち室温まで急冷する工程、
（２）Ａｃ_１〜Ａｃ_３点の２相温度域に加熱したのち室温まで空冷する工程、
（３）冷間で管状に成形する工程、
（４）５００〜６００℃に再加熱する工程
を順次実施することを特徴とする低降伏比の建築構造用高張力鋼管の製造方法。
前記鋼管は、更に他の元素として、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上を含むものである請求項１に記載の製造方法。
前記鋼管は、更に他の元素として、Ｃｕ：１．０％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：１．０％以下（０％を含まない）、およびＭｏ：０．５％以下（０％を含まない）を含むものである請求項２に記載の製造方法。