(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板部と角部を有する角形鋼管において、
前記角形鋼管は、質量％で、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％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
かつ、管表面からｔ／４（ｔは管厚）の位置における鋼組織が、体積率で３０％超のフェライトおよび１０％以上のベイナイトを含み、かつフェライトとベイナイトの体積率の合計が７０％以上９５％以下であり、残部がパーライト、マルテンサイト、オーステナイトから選択される１種または２種以上からなり、
前記平板部の降伏強度が３８５ＭＰａ以上および引張強度が５２０ＭＰａ以上ならびに降伏比が０．９０以下であり、
前記角部のビッカース硬さは、角部外表面側のビッカース硬さよりも角部内表面側のビッカース硬さの方が大きく、前記角部外表面側のビッカース硬さが２８０ＨＶ以下であり、かつ前記角部外表面側のビッカース硬さと前記角部内表面側のビッカース硬さとの差が８０ＨＶ以下であり、
角部外表面側の０℃のシャルピー吸収エネルギーｖＥ０が７０Ｊ以上である角形鋼管。
【請求項２】
さらに、質量％で、Ｎｂ：０．００５〜０．１５０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１５０％、
Ｖ：０．００５〜０．１５０％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する請求項１に記載の角形鋼管。
【請求項３】
さらに、質量％で、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％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する請求項１または２に記載の角形鋼管。
【請求項４】
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って、前記成分組成を有する鋼素材を加熱温度：１１００〜１３００℃に加熱した後、粗圧延終了温度：８５０〜１１５０℃とする粗圧延を施し、仕上圧延終了温度：７５０〜８５０℃とする仕上圧延を施し、かつ粗圧延と仕上圧延の両方における９３０℃以下での合計圧下率が６５％以上とし、次いで、板厚中心温度で冷却開始から冷却停止までの平均冷却速度が１０〜３０℃／ｓとなる冷却速度で冷却停止温度：４５０〜６５０℃まで冷却し巻取り、その後放冷し、続いてロール成形により、円筒形状へと成形した後、ロール成形した鋼板を電縫溶接して電縫鋼管とした後、前記電縫鋼管を角形鋼管へと角成形を行う角成形工程において、管軸方向に対して垂直な断面において、隣り合う辺長をそれぞれＨ１（ｍｍ）およびＨ２（ｍｍ）（Ｈ１≦Ｈ２）とし、Ｈ１およびＨ２の中心位置から鋼管内部に向かって引いた直線同士が交わる交点を角形鋼管中央部としたとき、Ｈ１の中心位置から鋼管内部に向かって引いた直線上において、前記角形鋼管中央部から長辺方向に１／２（Ｈ２−Ｈ１）だけオフセットさせた点をオフセット点とし、オフセット点から角形鋼管の角部中央へ引いた直線と、オフセット点から角部の円弧部あるいは角形鋼管の平板部へ向かって引かれる直線とが成す中心角θが下記式（１）を満たす角形鋼管の製造方法。
【数１】
0006874913.tif 000007
ただし、
Ｈ１：辺長（短辺）（ｍｍ）
Ｈ２：辺長（長辺）（ｍｍ）
ｔ：管厚（ｍｍ）
である。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の角形鋼管を用いた建築構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に工場、倉庫、商業施設などの大型建築物の建築部材に用いられる角形鋼管およびその製造方法ならびに建築構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、工場、倉庫、商業施設などの大型建築物に用いられる建築構造部材は、軽量化による施工コスト削減のため高強度化が進んでいる。特に建築物の柱材として用いられる角形鋼管においては、降伏強度が３８５ＭＰａ以上、引張強度が５２０ＭＰａ以上のものが求められており、さらに耐震性の観点から高い塑性変形能と優れた靱性も同時に必要となる。【０００３】
このような高い変形性能と優れた靱性をもった角形鋼管とは、具体的には、平板部の管軸方向降伏比（＝降伏強度／引張強度）を０．９０以下、０℃におけるシャルピー吸収エネルギーを７０Ｊ以上とする必要がある。【０００４】
角形鋼管は、一般に熱延鋼板（鋼帯）または厚鋼板を素材として、これらを冷間でプレス曲げ成形あるいはロール成形することにより製造される。【０００５】
冷間でプレス曲げ成形により製造される角形鋼管は、厚鋼板をプレス曲げ成形により断面形状をロの字型あるいはコの字型となし、これらをサブマージアーク溶接により接合して製造される。また、ロール成形により製造される角形鋼管は、熱延鋼板をロール成形により円筒状のオープン管形状となし、その突合せ部分を電縫溶接した後、上下左右に配置されたロールにより円筒状のまま管軸方向に数％の絞りを加え、続けて角形に成形して製造される。【０００６】
一方で、冷間でプレス曲げ成形により製造される角形鋼管の場合、角部の曲げ変形による加工硬化が著しく、角部の靱性と塑性変形能が損なわれるため、耐震強度が悪化し、角部を起点に破壊しやすくなる。特にベイナイトなどの硬質の第２相を含む建築部材向け高強度材では加工硬化が顕著になる。【０００７】
そこで、高強度の角形鋼管を製造する場合には、成形時の角部の加工硬化による靱性の悪化の影響を小さくするような素材や、角部の加工硬化を抑制するような製造方法を選択する必要がある。【０００８】
特許文献１では、平板部のミクロ組織において、ベイナイト組織の面積分率：４０％以上であることを特徴とする角形鋼管が提案されている。【０００９】
特許文献２では、冷間成形により造管した後に全管ひずみ取り焼鈍を施すことを特徴とした低降伏比、高靱性の角形鋼管が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第５３８５７６０号公報
【特許文献２】特許第４９５７６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載の角形鋼管は角部表層部のビッカース硬さが３５０ＨＶ以下である。しかしながら、依然として角部表層部の硬さは大きく、角部を起点とした破壊や表面割れなどを抑制するには更なる硬さの減少が求められている。【００１２】
また、特許文献２に記載の角形鋼管は造管後に熱処理を要するため、冷間加工ままの角形鋼管と比較してコストが非常に高くなる。【００１３】
本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであって、角部の加工硬化への影響が小さく、表面割れを抑制した角形鋼管およびその製造方法ならびに本発明の角形鋼管を用いた建築構造物を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を行い、以下の知見を得た。【００１５】
ロール成形による角形鋼管の製造の角成形スタンドでは、成形ロールを用いて最終製品となる角形鋼管の平板部に該当する部位の曲率を小さくし、断面円筒形状から断面矩形形状になるように成形を行っている。これは、成形ロールが最終製品の角形鋼管の平板部の中心部に該当する箇所を押し込むようにして成形を行っており、角部は平板部の変形に追随するようにＬ型の角部を形成する。【００１６】
したがって、角部全体に直接ロールを接触せずとも曲率をもった角部を形成することは可能である。一方で、鋼管素材がロールと接触することにより、平板部の平坦度や角部の曲率などの寸法精度は向上するものの、ロールからのせん断力を受けるため、ロールとの接触部を中心とした加工硬化が発生することが明らかである。そのため、角部の過度な加工硬化を抑制するためには寸法精度と両立できるようにロールと角部の接触部を制御する必要がある。【００１７】
本発明者らは、曲げ加工による加工硬化が小さい角形鋼管を得るためには、角部外表面側のビッカース硬さよりも角部内表面側のビッカース硬さの方が大きい角形鋼管が良いことがわかった。そして、角部外表面側のビッカース硬さよりも角部内表面側のビッカース硬さの方が大きい角形鋼管は、円筒鋼管から角形鋼管へ成形するときに、角成形時に角部近傍にロールが接触しないように、角成形中のロールギャップやロールのカリバー曲率を設定し、円筒鋼管から角形鋼管を成形することにより、得られる。これは、鋼管外表面の曲率変化は、鋼管内表面の曲率変化よりも小さいため、曲げ加工による加工硬化が小さく、かつ、ロールのせん断力の影響を受けにくいためと考えられる。【００１８】
また、種々の角成形のロールギャップやロールのカリバー曲率を変更した成形を行い、角部の硬さを調査したところ、角部に直接ロールが接触していない場合でも、角部の直近までロールが接触している条件では角部表面の硬さが増加することを見出した。このことは、ロールとの接触により周方向にもせん断応力が作用するため、ロールとの接触部近傍では加工硬化が発生する。このせん断応力が作用する領域は、被成形材の剛性、すなわち、鋼管素材の肉厚（管厚）ｔ、最終製品の辺長Ｈ（Ｈ１、Ｈ２）によって変化するということがわかった。【００１９】
本発明は上記知見に基づくものであり、その特徴は以下の通りである。
［１］平板部と角部を有する角形鋼管において、前記平板部の降伏強度が３８５ＭＰａ以上および引張強度が５２０ＭＰａ以上ならびに降伏比が０．９０以下であり、
前記角部のビッカース硬さは、角部外表面側のビッカース硬さよりも角部内表面側のビッカース硬さの方が大きく、前記角部外表面側のビッカース硬さが２８０ＨＶ以下であり、かつ前記角部外表面側のビッカース硬さと前記角部内表面側のビッカース硬さとの差が８０ＨＶ以下であり、
角部外表面側の０℃のシャルピー吸収エネルギーｖＥ０が７０Ｊ以上である角形鋼管。
［２］質量％で、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％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
かつ、管表面からｔ／４（ｔは管厚）の位置における鋼組織が、体積率で３０％超のフェライトおよび１０％以上のベイナイトを含み、かつフェライトとベイナイトの体積率の合計が７０％以上９５％以下であり、残部がパーライト、マルテンサイト、オーステナイトから選択される１種または２種以上からなる［１］に記載の角形鋼管。
［３］さらに、質量％で、Ｎｂ：０．００５〜０．１５０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１５０％、Ｖ：０．００５〜０．１５０％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する［２］に記載の角形鋼管。
［４］さらに、質量％で、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％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する［２］または［３］に記載の角形鋼管。
［５］［１］に記載の角形鋼管の製造方法であって、円筒形状へと成形した後、角形形状へと角成形を行う角形鋼管の製造方法において、前記角成形を行う角成形工程は、管軸方向に対して垂直な断面において、隣り合う辺長をそれぞれＨ１（ｍｍ）およびＨ２（ｍｍ）（Ｈ１≦Ｈ２）とし、Ｈ１およびＨ２の中心位置から鋼管内部に向かって引いた直線同士が交わる交点を角形鋼管中央部としたとき、Ｈ１の中心位置から鋼管内部に向かって引いた直線上において、前記角形鋼管中央部から長辺方向に１／２（Ｈ２−Ｈ１）だけオフセットさせた点をオフセット点とし、オフセット点から角形鋼管の角部中央へ引いた直線と、オフセット点から角部の円弧部あるいは角形鋼管の平板部へ向かって引かれる直線とが成す中心角θが下記式（１）を満たす角形鋼管の製造方法。【００２０】
【数１】
0006874913.tif 000002
ただし、
Ｈ１：辺長（短辺）（ｍｍ）
Ｈ２：辺長（長辺）（ｍｍ）
ｔ：管厚（ｍｍ）
である。
［６］［２］〜［４］のいずれかに記載の成分組成を有する鋼素材を加熱温度：１１００〜１３００℃に加熱した後、粗圧延終了温度：８５０〜１１５０℃とする粗圧延を施し、仕上圧延終了温度：７５０〜８５０℃とする仕上圧延を施し、かつ粗圧延と仕上圧延の両方における９３０℃以下での合計圧下率が６５％以上とし、次いで、板厚中心温度で冷却開始から冷却停止までの平均冷却速度が１０〜３０℃／ｓとなる冷却速度で冷却停止温度：４５０〜６５０℃まで冷却し巻取り、その後放冷し、続いてロール成形により、円筒形状へと成形した後、ロール成形した鋼板を電縫溶接して電縫鋼管とした後、前記電縫鋼管を角形鋼管へと角成形を行う角成形工程において、管軸方向に対して垂直な断面において、隣り合う辺長をそれぞれＨ１（ｍｍ）およびＨ２（ｍｍ）（Ｈ１≦Ｈ２）とし、Ｈ１およびＨ２の中心位置から鋼管内部に向かって引いた直線同士が交わる交点を角形鋼管中央部としたとき、Ｈ１の中心位置から鋼管内部に向かって引いた直線上において、前記角形鋼管中央部から長辺方向に１／２（Ｈ２−Ｈ１）だけオフセットさせた点をオフセット点とし、オフセット点から角形鋼管の角部中央へ引いた直線と、オフセット点から角部の円弧部あるいは角形鋼管の平板部へ向かって引かれる直線とが成す中心角θが下記式（１）を満たす角形鋼管の製造方法。【００２１】
【数１】
0006874913.tif 000003
ただし、
Ｈ１：辺長（短辺）（ｍｍ）
Ｈ２：辺長（長辺）（ｍｍ）
ｔ：管厚（ｍｍ）
である。
［７］［１］〜［４］のいずれかに記載の角形鋼管を用いた建築構造物。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の角形鋼管によれば、角部の加工硬化への影響が小さく、表面割れを抑制した角形鋼管を得られる。これにより、工場、倉庫、商業施設などの大型建築物の施工コスト削減に大きく貢献することができる。また、本発明の角形鋼管の製造方法によれば、冷間プレス曲げ成形と比較して生産性が高く短期間で高強度角形鋼管を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、電縫鋼管の製造設備の一例を示す模式図である。
【図２】図２は、角形鋼管の成形過程を示す模式図である。
【図３】図３は、角形鋼管の管軸方向に対して垂直な断面を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の角形鋼管を使用した建築構造物の一例を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の角形鋼管は、平板部と角部を有しており、平板部の降伏強度（ＹＳ）が３８５ＭＰａ以上および引張強度（ＴＳ）が５２０ＭＰａ以上ならびに降伏比が０．９０以下であり、角部のビッカース硬さは、角部外表面側のビッカース硬さよりも角部内表面側のビッカース硬さの方が大きく、角部外表面側のビッカース硬さが２８０ＨＶ以下であり、かつ角部外表面側のビッカース硬さと角部内表面側のビッカース硬さとの差が８０ＨＶ以下であり、角部外表面側の０℃のシャルピー吸収エネルギーｖＥ０が７０Ｊ以上であることを特徴とする。
【００２５】
角形鋼管は平板部よりも角部の方が大きく加工硬化する。特に、角部外表面は周方向への引張応力場となっているため、最終製品における角部の脆性破壊を抑制するために、角部外表面の靱性を確保する必要がある。すなわち、角部外表面において０℃のシャルピー吸収エネルギーｖＥ０は７０Ｊ以上が求められるとともに、平板部の降伏強度（ＹＳ）が３８５ＭＰａ以上および引張強度（ＴＳ）が５２０ＭＰａ以上ならびに降伏比が０．９０以下であることが求められる。
【００２６】
また、本発明では、角部外表面側のビッカース硬さよりも角部内表面側のビッカース硬さの方が大きく、角部外表面側のビッカース硬さが２８０ＨＶ以下であり、かつ角部外表面側のビッカース硬さと角部内表面側のビッカース硬さとの差が８０ＨＶ以下とする。本発明では、角部外表面側のビッカース硬さよりも角部内表面側のビッカース硬さの方が大きく、角部外表面側のビッカース硬さが２８０ＨＶ以下とすることにより、曲げ加工による加工硬化が小さい角形鋼管を得ることができる。角部外表面側のビッカース硬さが２８０ＨＶを超えると、外表面側の加工硬化が進行しているため、角部の延性が著しく悪化する。また、曲げ変形により表面の加工硬化が大きな角部の靱性を確保するために、角部外表面側のビッカース硬さと角部内表面側のビッカース硬さとの差を８０ＨＶ以下とする。角部外表面側のビッカース硬さと角部内表面側のビッカース硬さとの差が８０ＨＶ超えの場合、角部内表面側の加工硬化が進展しており、角部内表面の残留応力が顕著になるため、後処理で施すめっきの割れなどに悪影響を及ぼす。
【００２７】
なお、本発明における角部外表面側のビッカース硬さとは、角部外表面から１±０．２ｍｍ内部におけるビッカース硬さであり、角部内表面側のビッカース硬さとは、角部内表面から１±０．２ｍｍ内部におけるビッカース硬さのことをいう。
【００２８】
本発明の角形鋼管は、質量％で、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％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、管表面からｔ／４（ｔは管厚）の位置における鋼組織が、体積率で３０％超のフェライトと、１０％以上のベイナイトとを含み、フェライトとベイナイトの体積率の合計が７０％以上９５％以下であり、残部がパーライト、マルテンサイト、オーステナイトから選択される１種または２種以上からなることが好ましい。
【００２９】
本発明において、鋼素材の好ましい成分組成を限定した理由を以下に説明する。なお、本明細書において、特に断りがない限り、鋼組成を示す「％」は「質量％」である。
【００３０】
Ｃ：０．０４〜０．５０％
Ｃは固溶強化により鋼の強度を上昇させる元素である。また、Ｃはパーライトの生成を促進し、焼入れ性を高めてマルテンサイトの生成に寄与し、オーステナイトの安定化に寄与する元素であることから、硬質相の形成にも寄与する元素である。所望の強度を確保するために０．０４％以上のＣを含有することが好ましい。しかしながら、Ｃ含有量が０．５０％を超えると硬質相の割合が高くなり靱性が低下し、また溶接性も悪化する。このため、Ｃ含有量は０．０４％以上０．５０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｃ含有量はＣ：０．１２％超０．２５％以下である。
【００３１】
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは固溶強化により鋼の強度を上昇させる元素であり、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％以上のＳｉの含有が好ましい。一方、Ｓｉ含有量が２．０％を超えると溶接性が悪化する。このため、Ｓｉ含有量は２．０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｓｉ含有量は０．０１％以上０．５％以下である。
【００３２】
Ｍｎ：０．５〜３．０％
Ｍｎは固溶強化により鋼の強度を上昇させる元素であり、またフェライト変態開始温度を低下させることで組織の微細化に寄与する元素である。所望の強度および組織を確保するために０．５％以上のＭｎを含有することが好ましい。しかしながら、Ｍｎ含有量が３．０％を超えると溶接性が悪化する。このため、Ｍｎ含有量は０．５％以上３．０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｍｎ含有量は０．５％以上２．０％以下である。
【００３３】
Ｐ：０．１０％以下
Ｐは、粒界に偏析し材料の不均質を招くため、不可避的不純物としてできるだけ低減することが好ましい。なお、含有する場合０．１０％以下の含有量は許容できる。このため、Ｐ含有量は０．１０％以下の範囲内とすることが好ましい。より好ましくは、Ｐ含有量は０．０３％以下である。
【００３４】
Ｓ：０．０５０％以下
Ｓは、鋼中では通常、ＭｎＳとして存在するが、ＭｎＳは、熱間圧延工程で薄く延伸され、延性に悪影響を及ぼす。このため、本発明ではできるだけ低減することが好ましい。なお、含有する場合は０．０５０％以下の含有量は許容できる。このため、Ｓ含有量は０．０５０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｓ含有量は０．０１５％以下である。
【００３５】
Ａｌ：０．００５〜０．１０％
Ａｌは、強力な脱酸剤として作用する元素である。このような効果を得るためには、０．００５％以上のＡｌを含有することが好ましい。しかしながら、Ａｌ含有量が０．１０％を超えると溶接性が悪化するとともに、アルミナ系介在物が多くなり、表面性状が悪化する。このため、Ａｌ含有量は０．００５％以上０．１０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ａｌ含有量は０．０１０％以上０．０７％以下である。
【００３６】
Ｎ：０．０１０％以下
Ｎは、不可避的不純物であり、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い。なお、含有する場合は０．０１０％以下の含有量は許容できる。このため、Ｎ含有量は０．０１０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｎ含有量は０．００８０％以下である。
【００３７】
上記の成分が本発明における電縫鋼管の鋼素材の基本の成分組成であるが、これらに加えてさらに、Ｎｂ：０．００５〜０．１５０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１５０％、Ｖ：０．００５〜０．１５０％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有させてもよい。
【００３８】
Ｎｂ：０．００５〜０．１５０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１５０％、Ｖ：０．００５〜０．１５０％のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖは、いずれも鋼中で微細な炭化物、窒化物を形成し、析出強化を通じて鋼の強度向上に寄与する元素であり、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、Ｎｂ：０．００５％以上、Ｔｉ：０．００５％以上、Ｖ：０．００５％以上の含有が好ましい。一方で、過度の含有は降伏比の上昇および靱性の低下を招く。このためＮｂ、Ｔｉ、Ｖを含有する場合は、Ｎｂ：０．００５〜０．１５０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１５０％、Ｖ：０．００５〜０．１５０％とする。好ましくは、Ｎｂ：０．００８〜０．１０％、Ｔｉ：０．００８〜０．１０％、Ｖ：０．００８〜０．１０％である。
【００３９】
上記に加えてさらに、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％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有させてもよい。
【００４０】
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％のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉは、固溶強化により鋼の強度を上昇させる元素であり、またいずれも鋼の焼入れ性を高め、オーステナイトの安定化に寄与する元素であることから、硬質なマルテンサイトおよびオーステナイトの形成に寄与する元素であり、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、Ｃｒ：０．０１％以上、Ｍｏ：０．０１％以上、Ｃｕ：０．０１％以上、Ｎｉ：０．０１％以上の含有が好ましい。一方で、過度の含有は靱性の低下および溶接性の悪化を招く。このためＣｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉを含有する場合は、Ｃｒ：０．０１〜１．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｎｉ：０．０１〜０．３０％とする。好ましくは、Ｃｒ：０．１〜０．５％、Ｍｏ：０．１〜０．５％、Ｃｕ：０．１〜０．４０％、Ｎｉ：０．１〜０．２０％である。
【００４１】
Ｃａは、熱間圧延工程で薄く延伸されるＭｎＳ等の硫化物を球状化することで鋼の靱性向上に寄与する元素であり、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、０．０００５％以上のＣａを含有することが好ましい。しかしながら、Ｃａ含有量が０．０１０％を超えると、鋼中にＣａ酸化物クラスターが形成され靱性が悪化する場合がある。このため、Ｃａを含有する場合は、Ｃａ含有量は０．０００５〜０．０１０％とする。好ましくは、Ｃａ含有量は０．００１０〜０．００５０％である。
【００４２】
Ｂは、フェライト変態開始温度を低下させることで組織の微細化に寄与する元素である。このような効果を得るためには、０．０００３％以上のＢを含有することが好ましい。しかしながら、Ｂ含有量が０．０１０％を超えると降伏比が上昇する。このため、Ｂを含有する場合は、Ｂ含有量は０．０００３〜０．０１０％とする。好ましくは、Ｂ含有量は０．０００５〜０．００５０％である。
【００４３】
上記成分以外の残部はＦｅおよび不可避的不純物である。
【００４４】
次に、本発明の角形鋼管の好ましい鋼組織を限定した理由を説明する。
【００４５】
本発明の角形鋼管は、管表面からｔ／４（ｔは管厚）の位置における鋼組織が、体積率で３０％超のフェライトおよび１０％以上のベイナイトを含み、かつフェライトとベイナイトの体積率の合計が７０％以上９５％以下であり、残部がパーライト、マルテンサイト、オーステナイトから選択される１種または２種以上からなることが好ましい。
【００４６】
フェライトは軟質な組織であり、他の硬質な組織と混合させることで、鋼管素材の降伏比を低くする。このような効果を得るためには、３０％超の体積率とすることが好ましい。
【００４７】
また、ベイナイトは中間的な硬さを有する組織であり、鋼の強度を上昇させる。フェライトだけでは所望の降伏強度および引張強度が得られないため、１０％以上の体積率とすることが好ましい。
【００４８】
さらに、フェライトとベイナイトの体積率の合計が７０％未満であると所望の降伏強度または降伏比が得られず、また、９５％を超えると所望の降伏強度または降伏比が得られない。
【００４９】
残部は、パーライト、マルテンサイト、オーステナイトから選択される１種または２種以上からなることが好ましい。パーライト、マルテンサイト、オーステナイトは硬質な組織であり、特に鋼の引張強度を上昇させるとともに、軟質なフェライトと混合させることで鋼管素材の降伏比が低くなる。なお、このような効果を得るためには、合計で５％以上３０％以下の体積率であることが好ましい。
【００５０】
なお、角形鋼管の鋼組織は鋼管幅方向に均一のため、角部、平板部のいずれの組織も本発明の範囲を満たす。また、管表面からｔ／４位置とは、ｔ／４位置から±０．２ｍｍの範囲も許容できる。また、管表面とは、管の外表面および内表面のいずれでも構わない。
【００５１】
次に、本発明の角形鋼管の製造方法について説明する。
【００５２】
本発明では、特に限定されないが、例えば、上記した化学成分を有するスラブ等の鋼素材を、１１００〜１３００℃の温度に加熱した後、粗圧延終了温度：８５０〜１１５０℃とする粗圧延を施し、仕上圧延終了温度：７５０〜８５０℃とする仕上圧延を施し、かつ粗圧延と仕上圧延の両方における９３０℃以下での合計圧下率が６５％以上となる熱延工程の後、板厚中心温度で冷却開始から冷却停止までの平均冷却速度が１０〜３０℃／ｓとなる冷却速度で冷却停止温度：４５０〜６５０℃まで冷却し巻取り、その後放冷する。なお、以下の製造方法の説明において、温度は特に断らない限り鋼素材や鋼板等の表面温度とする。この表面温度は、放射温度計等で測定することができる。また、平均冷却速度は特に断らない限り（（冷却前の温度−冷却後の温度）／冷却時間）とする。また、冷却方法は、ノズルからの水の噴射等の水冷や、冷却ガスを噴射による冷却等で行われる。なお、熱延鋼板の両面が同条件で冷却されるように、鋼板両面に冷却操作を施すことが好ましい。また、これらの熱間圧延における鋼板の中心温度は特に指定はないが、今回、差分計算による非定常伝熱計算により算出する。具体的には鋼板の熱伝導率、比熱、密度などの材料の物性値を用いて、冷却水の水量密度および鋼板の外表面温度から求められる熱伝達係数を境界条件として計算を行う。
【００５３】
上記した成分組成を有する鋼素材の製造方法は特に限定されず、転炉、電気炉、真空溶解炉等の通常公知の溶製方法で溶製し、連続鋳造法等の通常公知の鋳造方法により、所望寸法に製造される。溶鋼にはさらに、取鍋精錬等の二次精錬を施してもよい。また、連続鋳造法に代えて、造塊−分塊圧延法を適用しても何ら問題はない。
【００５４】
加熱温度：１１００〜１３００℃
加熱温度が１１００℃未満である場合、被圧延材の変形抵抗が大きくなり圧延が困難となる。一方、加熱温度が１３００℃を超えると、オーステナイト粒が粗大化し、後の圧延において微細なオーステナイト粒が得られず、所望の熱延鋼板の靱性を確保することが困難となり、また粗大なベイナイトの生成を抑制することが困難となる。このため、熱間圧延工程における加熱温度は１１００〜１３００℃であることが好ましい。
【００５５】
粗圧延終了温度：８５０〜１１５０℃
粗圧延終了温度が８５０℃未満である場合、後の仕上圧延中に鋼板温度がフェライト変態開始温度以下になりフェライトが生成する危険性が増大する。生成したフェライトは、その後の圧延により圧延方向に伸長した加工フェライト粒となり、降伏比上昇の原因となる。一方、粗圧延終了温度が１１５０℃を超えると、オーステナイト未再結晶温度域での圧下量が不足し、微細なオーステナイト粒が得られず、所望の熱延鋼板の靱性を確保することが困難となり、また粗大なベイナイトの生成を抑制することが困難となる。このため、粗圧延終了温度は８５０〜１１５０℃であることが好ましい。
【００５６】
仕上圧延終了温度：７５０〜８５０℃
仕上圧延終了温度が７５０℃未満である場合、圧延中に鋼板温度がフェライト変態開始温度以下になりフェライトが生成する危険性が高くなる。前記において生成したフェライトは、その後の圧延により圧延方向に伸長した加工フェライト粒となり、降伏比上昇の原因となる。一方、仕上圧延終了温度が８５０℃を超えると、オーステナイト未再結晶温度域での圧下量が不足し、微細なオーステナイト粒が得られず、所望の熱延鋼板の靱性を確保することが困難となり、また粗大なベイナイトの生成を抑制することが困難となる。このため、仕上圧延終了温度は７５０〜８５０℃であることが好ましい。
【００５７】
粗圧延と仕上圧延の両方における９３０℃以下での合計圧下率：６５％以上
本発明では、熱間圧延においてオーステナイト中のサブグレインを微細化することで、続く冷却、巻取工程において生成するフェライト、ベイナイトおよび残部組織を微細化し、所望の強度および靱性を有する熱延鋼板を得る。熱間圧延においてオーステナイト中のサブグレインを微細化するためには、オーステナイト未再結晶温度域での圧下率を高くし、十分な加工ひずみを導入する必要がある。前記を達成するため、粗圧延と仕上圧延の両方における９３０℃以下での合計圧下率を６５％以上とした。粗圧延と仕上圧延の両方における９３０℃以下での合計圧下率が６５％未満である場合、熱間圧延において十分な加工ひずみを導入することができないため、所望の靱性を有する組織が得られない。
【００５８】
冷却開始から冷却停止までの平均冷却速度：１０〜３０℃／ｓ
冷却速度が１０℃／ｓ未満では、フェライトの核生成頻度が減少し、フェライト粒が粗大化するため、所望の強度や靱性を有する組織が得られない。一方で、冷却速度が３０℃／ｓを超えると、鋼板のｔ／４の位置において多量のマルテンサイトが生成し、フェライトとベイナイトの体積率の合計が７０％未満となる。
【００５９】
冷却停止温度：４５０〜６５０℃
冷却停止温度が４５０℃未満では、鋼板のｔ／４の位置において多量のマルテンサイトが生成し、フェライトとベイナイトの体積率の合計が７０％未満となる。一方で、冷却停止温度が６５０℃を超えると、フェライトの核生成頻度が減少し、フェライト粒が粗大化するとともに、ベイナイト変態開始温度を上回るためベイナイトの体積率を１０％以上とすることができない。
【００６０】
次に、熱間圧延後の造管工程について説明する。
【００６１】
電縫鋼管の素材である熱延鋼板（鋼帯）１を、図１に示すような製造設備を用いて電縫鋼管を製造する。例えば、熱延鋼板１をレベラー２による入側矯正を施した後、複数のロールからなるケージロール群３で中間成形されて円筒状のオープン管とされた後、複数のロールからなるフィンパスロール群４で仕上げ成形（ロール成形）される。仕上げ成形の後は、スクイズロール５で圧接しながら鋼帯１の幅端部を溶接機６で電気抵抗溶接して電縫鋼管７を得る。なお、本発明では、電縫鋼管７の製造設備は図１のような造管工程に限定されない。
【００６２】
その後、得られた電縫鋼管７を、上下左右に配置されたロールにより円筒状のまま管軸方向に数％の絞りを加え、続けて角形に成形して角形鋼管を得る。図２は、本発明の一実施形態における、角形鋼管の成形過程を示す模式図である。図２に示すように、電縫鋼管７は複数のロールからなるサイジングロール群（サイジングスタンド）８によって円筒形状のまま縮径された後、複数のロールからなる角成形ロール群（角成形スタンド）９によって、順次Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のような形状に成形され、角形鋼管１０となる。角成形スタンドのロールは、カリバー曲率をもった孔型ロールであり、後段スタンドになるに従って、カリバー曲率半径が大きくなり、角形鋼管の平板部と角部を形成する。なお、サイジングロール群８および角成形ロール群９のスタンド数は特に制限されない。
【００６３】
次に、本発明の角成形の製造条件について、説明する。
【００６４】
ロール成形した後、溶接し、角成形して角鋼管を得る方法により成形される角形鋼管は、鋼板から一度、円筒形状に成形された後、角形形状へと成形される。このような製造方法では、周方向の曲げ変形だけではなく、絞り変形による長手方向のひずみが発生するため、結果として周方向の曲げの中立軸が外表面側へと移動し、内表面側の硬さが大きくなる。
【００６５】
前述したように、鋼管素材がロールと接触することにより、平板部の平坦度や角部の曲率などの寸法精度は向上するものの、ロールからのせん断力を受けるため、ロールとの接触部を中心とした加工硬化が発生することが明らかである。そのため、角部の過度な加工硬化を抑制するためには寸法精度と両立できるようにロールと角部の接触部を制御する必要がある。
【００６６】
そこで本発明者らは角成形時に角部近傍にロールが接触しないように、角成形中のロールギャップやロールのカリバー曲率を設定し、円筒鋼管から角形鋼管を成形した。その結果、図３に示すように、角成形工程において、管軸方向に対して垂直な断面において、隣り合う辺長をそれぞれＨ１（ｍｍ）およびＨ２（ｍｍ）（ただし、Ｈ１≦Ｈ２であり、Ｈ１、Ｈ２はそれぞれ最終製品の辺長である。）とし、Ｈ１およびＨ２の中心位置から鋼管内部に向かって引いた直線同士が交わる交点を角形鋼管中央部としたとき、Ｈ１の中心位置から鋼管内部に向かって引いた直線上において、前記角形鋼管中央部から長辺方向に１／２（Ｈ２−Ｈ１）だけオフセットさせた点をオフセット点とし、オフセット点から角形鋼管の角部中央へ引いた直線と、オフセット点から角部の円弧部あるいは角形鋼管の平板部へ向かって引かれる直線とが成す中心角θが下記式（１）を満たすことにより、曲げ加工による加工硬化が小さく、表面割れを抑制できる。
【００６７】
【数１】
0006874913.tif 000004
ただし、
Ｈ１：辺長（短辺）（ｍｍ）
Ｈ２：辺長（長辺）（ｍｍ）
ｔ：管厚（ｍｍ）
である。
【００６８】
角成形工程において、後段スタンド側では、ロールのカリバー曲率半径と、角形鋼管の平板部の曲率半径がほぼ同等の値になるため、後段スタンドでは孔型ロールと角形鋼管の周方向の接触幅が増加し、平板部中心側から角部側へと拡大しながら所望の角部寸法を得る。特に、角形鋼管の最終製品の肉厚である管厚ｔと辺長Ｈの比ｔ／Ｈが大きくなると、変形の剛性が大きくなるため、より孔型ロールと角形鋼管の周方向の接触幅を角部近傍まで確保する必要がある。一方、角成形のときに、角形鋼管の角部へ直接孔型ロールを接触させて角成形を行った場合、孔型ロールのせん断力による角部の加工硬化が顕著になる。
このような過度な加工硬化が発生させずに、所望の角部の曲率半径を得るためには、角成形の全スタンドを通して、孔型ロールと角形鋼管が接触しない領域が、角部の頂点から肉厚に相当する周方向の距離までに制御する必要がある。その領域は角形鋼管の最終形状の角部中央を基準に、上記（１）を満たす鋼管外表面側の領域である。孔型ロールと角形鋼管の接触位置の制御方法としては、例えば孔型ロールのカリバー曲率半径やロール間ギャップを調整する方法などがあるが、この限りではない。
【００６９】
次に、本発明の角形鋼管を使用した建築構造物について説明する。
【００７０】
図４は、本発明の実施形態に係る建築構造物を模式的に示す斜視図である。図４に示すように、本実施形態の建築構造物は、本発明の角形鋼管１０が複数立設され、柱材として用いられている。隣り合う角形鋼管１０の間には、Ｈ形鋼等の鋼材からなる大梁１１が複数架設されている。また、隣り合う大梁１１の間には、Ｈ形鋼等の鋼材からなる小梁１２が複数架設されている。角形鋼管１０とダイアフラム１３とを溶接し、それに大梁１１となるＨ型鋼を溶接することによって、隣り合う角形鋼管１０の間にＨ形鋼等の鋼材からなる大梁１１が架設されている。また、壁等の取り付けのため、必要に応じて間柱１４が設けられる。
【００７１】
本発明の建築構造物は、角部外表面側のビッカース硬さが小さい、すなわち加工硬化の影響が小さい本発明の角形鋼管１０を使用するため、突合せ溶接の際に生じる角部熱影響部における応力解放による表面割れなどが生じにくい。
【実施例】
【００７２】
以下、実施例に基づき、本発明についてさらに説明する。【００７３】
表１に示す成分組成を有する溶鋼を転炉で溶製し、連続鋳造法でスラブ（鋼素材）とした。これらを表１に示す条件で加熱、熱間圧延（粗圧延および仕上圧延）、水冷、巻取を施した後、放冷して所定の仕上げ板厚を有する熱延鋼板とした。続けて得られた熱延鋼板をロール成形により円筒状のオープン管形状となし、その突合せ部分を電縫溶接した後、上下左右に配置されたロールにより円筒状のまま管軸方向に数％の絞りを加えて、円筒鋼管を得た。【００７４】
【表１】
0006874913.tif 000005
続いて、得られた円筒鋼管から、２段のサイジングスタンドを経た後、４段の角成形スタンドを経て角部の曲率が板厚の（２．５±０．５）倍となる角形鋼管を得た。このとき、角成形において、角成形スタンドの孔型ロールのギャップやカリバー曲率を変更して、角部近傍におけるロールと角部の周方向の接触幅を制御した。各角成形スタンドにおける接触幅は、円筒鋼管から角形鋼管への変形に関する有限要素法による構造解析を用いて、設定している孔型ロールのギャップのカリバー曲率の条件から得られる接触幅を算出した。上記接触幅は、式（１）からθを算出し（表２中の許容θ下限）、成形θの範囲を接触しないように鋼管を製造した。なお、成形θは、管の平板部中央の位置から接触部の周方向端部までの距離Ｌ１を測定し、そのＬ１から成形θを算出した。【００７５】
得られた角形鋼管から試験片を採取して、組織観察、引張試験、シャルピー衝撃試験、硬さ試験を実施した。【００７６】
組織観察は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて角形鋼管平板部の管表面（鋼管外表面）からｔ／４の位置において行った。ここでは、組織観察により得られた面積率を、各組織の体積率とした。得られたＳＥＭ像から、フェライト、パーライト、ベイナイトおよび残部組織の面積率を求めた。なお、ＳＥＭ像ではマルテンサイトとオーステナイトの識別が難しいため、得られたＳＥＭ像からマルテンサイトあるいはオーステナイトとして観察された組織の面積率を測定し、それから後述する方法で測定したオーステナイトの体積率を差し引いた値をマルテンサイトの体積率とした。観察用試料は、観察面が熱間圧延時の圧延方向断面となるように採取し、研磨した後、ナイタール腐食して作製した。観察条件として、倍率を２０００倍とし、観察面積は２５００μｍ２とした。５視野以上観察を行い、各視野で得られた組織の平均値を面積率として算出した。【００７７】
ここで、フェライトは拡散変態による生成物のことであり、転位密度が低くほぼ回復した組織を呈する。ポリゴナルフェライトおよび擬ポリゴナルフェライトがこれに含まれる。また、ベイナイトは転位密度が高いラス状のフェライトとセメンタイトの複相組織である。【００７８】
オーステナイトの体積率測定は、Ｘ線回折により行った。測定用試料は、回折面が角形鋼管平板部の管表面からｔ／４の位置となるように研削した後、化学研磨をして表面加工層を除去して作製した。測定にはＭｏのＫα線を使用し、ｆｃｃ鉄の（２００）、（２２０）、（３１１）面とｂｃｃ鉄の（２００）、（２１１）面の積分強度からオーステナイトの体積率を求めた。【００７９】
引張試験は、引張方向が管軸方向と平行になるように、角形鋼管の平板部からＪＩＳ５号引張試験片およびＪＩＳ１２Ｂ号引張試験片をそれぞれ採取し、これらを用いてＪＩＳ  Ｚ  ２２４１の規定に準拠して実施し、降伏強度、引張強度を測定し、（降伏強度）／（引張強度）で定義される降伏比を算出した。試験片本数は各３本とし、それらの平均値を代表値とした。【００８０】
シャルピー衝撃試験は、角形鋼管の角部の管表面からｔ／４位置において試験片長手方向が管の長手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て、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２の規定に準拠して、試験温度：０℃で実施し、吸収エネルギー（Ｊ）を求めた。なお、試験片本数は各３本とし、それらの平均値を代表値とした。平均値が７０J以上となる場合を○、７０J未満となる場合を×とした。【００８１】
硬さ試験は、管軸方向に対して垂直な断面において、角形鋼管の角部の外表面および内表面から１ｍｍ内側の位置を、マイクロビッカース硬さ試験機を用いて、ＪＩＳ  Ｚ２２４４：２００９の規定に準拠して、試験力９．８Ｎで行った。ここで角部の外表面および内表面からの１ｍｍ内側の位置とは、外表面側、内表面側から１±０．２ｍｍの範囲の位置のことを指す。それぞれの位置で硬さを各５点測定し、それらの平均値を代表値とした。【００８２】
また、表面割れについては、得られた角形鋼管を用いて、柱−通しダイアフラム溶接継手の溶接実験を行った。溶接条件は溶接ワイヤＪＩＳＺ３３１２  ＧＪ５９ＪＡ1ＵＣ３Ｍ1Ｔ、入熱条件４０ｋＪ/ｃｍ以下、パス間温度３５０℃以下とし、７層９パスにて行った。溶接後、溶接部周辺において鋼材表面の割れ発生の有無を判定した。【００８３】
これらの結果を表２に示す。【００８４】
表２から、本発明例はいずれも、靱性に優れるとともに、表面割れが起こっていない。【００８５】
以上から、角成形条件を本発明の範囲内とすることで、大型建築物の建築部材等に用いられる、靱性に優れるとともに表面割れを抑制した角形鋼管を提供することができる。なお、本実施例では、ロール成形した鋼板を電縫溶接して電縫鋼管とする態様で説明したが、円筒形状へと成形するのは、シームレス鋼管であってもよい。【００８６】
【表２】
0006874913.tif 000006
【符号の説明】
【００８７】
１    鋼帯
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  大梁
１２  小梁
１３  ダイアフラム
１４  間柱
Ｈ１  辺長（短辺）
Ｈ２  辺長（長辺）
θ    Ｈ１の中心位置から鋼管内部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方向に１／２（Ｈ２−Ｈ１）だけオフセットさせた点をオフセット点とし、オフセット点から角形鋼管の角部中央へ引いた直線と、オフセット点から角部の円弧部と直線部との接続点に向かって引かれる線で定まる中心角
ｔ    管厚
【図１】
0006874913.tif 000008
【図２】
0006874913.tif 000009
【図３】
0006874913.tif 000010
【図４】
0006874913.tif 000011