本发明涉及方形钢管、其制造方法以及建筑结构物。本发明的角部与平板部的强度差小的方形钢管适合用作建筑构造构件。
背景技术
方形钢管(也称为“方形柱”)通常以热轧钢板(热轧钢带)或厚板为材料通过冷成型而制造。作为冷成型的方法，有冲压成型和辊压成型。然而，这些方法之中，与方形钢管的平板部相比，在方形钢管的角部施加了较大的塑性应变，因此存在角部的强度容易上升，角部与平板部的强度差异变大的问题。当角部与平板部的特性差异大时，焊接材料的选定及建筑设计会变得非常困难，因此方形钢管难以作为建筑材料使用，
对于这样的问题，直接进行探讨的例子并不多，然而例如有作为用于建筑结构物的方形钢管的专利文献1的技术。专利文献1中公开了一种冷成型方形钢管，其是通过将钢板进行冷弯曲加工而得到的方形钢管，所述钢管分别含有C：0.02～0.18％(“％”是指“质量％”，对于以下的化学成分亦相同)、Si：0.03～0.5％、Mn：0.7～2.5％、Al：0.005～0.12％及N：0.008％以下(不含0％)，余量由Fe及不可避免的杂质构成，该不可避免的杂质中分别抑制为P：0.02％以下(不含0％)、S：0.01％以下(不含0％)及O：0.004％以下(不含0％)，所述弯曲加工部保持在加工为直角的状态，且满足下述要件(A)～(C)以确保耐震性。
(A)钢管的平坦部的屈服强度：355MPa以上，拉伸强度：520Mpa以上，
(B)所述平坦部的微观组织中，贝氏体组织的面积分数：40％以上，
(C)钢管的角部的表层部的维氏硬度Hv：350以下，拉伸试验的伸长率：10％以上，0℃下的夏比吸收能vE0：70J以上。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5385760号公报
技术实现要素：
发明要解决的问题
对于通过冷辊轧成型而制造的方形钢管而言，将通过热轧制作的宽度方向平坦的材料(热轧材料)通过辊轧成型制成圆形钢管之后，成型为具有角部和平板部的方形钢管。在这样的制法中，由于加工硬化的差异，角部与平板部的强度差容易变大。另外，在辊轧成型前进行的热轧中，由于从热轧材的表面通过冷却控制而进行材料的制作，因此具有在冷却速度相对变大的热轧材料的表层附近加工前的强度(硬度)增大的问题。
然而，在上述专利文献1所公开的技术中，仅仅是通过热轧的温度控制来使得钢板表面的硬度不会过度上升，而并非是积极地减小角部与平板部的强度差的技术。因此，对于进行冷弯曲加工而得到的方形钢管而言，即使角部的特性达到了规定的标准，与平板部相比，角部的强度相对较高也是显而易见的。为了抑制角部的强度上升，减小角部的塑性应变是有效的。为了减小角部的塑性应变，可以考虑使角部的R(圆度)增大。然而，角部的R大的方形钢管在作为方形的构件而与其它构件组合时，存在设计上的问题、因产生空隙而导致作为建筑物的性能降低的问题，因此是不优选的。
本发明是鉴于上述情况完成的，其目的在于提供角部与平板部的强度差小的方形钢管、其制造方法、以及使用了该方形钢管的建筑结构物。
解决课题的方法
本发明人等为了解决上述课题而进行了深入研究，结果得到了以下的见解。
本发明的构思在于，在冷辊轧成型中引入的加工应变(塑性应变)特别大的钢管的表层附近(以下称为外表面附近)，通过使其不容易发生加工硬化而使角部与平板部的强度差减小。
因此，作为方形钢管的钢组织，本发明的发明人等准备了多个改变了铁素体的面积率及铁素体以外的硬质相(以下称为硬质相)的长径比的试样，研究了加工硬化的容易程度。此处，硬质相包含贝氏体、珠光体、马氏体及残余奥氏体等，但不特别限定于此。
其结果是发现了在具有平板部的YS为350MPa以上、TS为520MPa以上的强度的方形钢管中，通过将铁素体的比例设为一定以上、并且将硬质相的平均长径比设为0.1～0.8，能够制造不容易加工硬化的钢组织。可以认为这是由于，铁素体的加工硬化性能很小，而且应变容易集中于该铁素体，从而使作为钢组织整体的加工硬化性能变小。
另外，发明人等为了充分利用材料(热轧材料)的钢组织来抑制角部的加工硬化，在制造方形钢管时，暂时成型为纵径/横径之比为0.99以上且1.01以下的圆筒状的圆形钢管之后，通过设置在上下和左右的辊而成型为角部的R为2.3×t(t为板厚)以上且2.9×t以下的方形。结果发现，由此可以在不使角部过度加工硬化的情况下得到方形钢管。此处，“纵径”是指相对于上述圆形钢管的管轴垂直方向的外径，“横径”是指相对于上述圆形钢管的管轴水平方向的外径。
如上所述，在本发明中，对于冷辊轧成型中引入的加工应变最大的方形钢管外表面附近的钢组织，将铁素体的比例设为一定以上，并且将硬质相的平均长径比设为0.1～0.8。另外，可以认为，将热轧材料成型为纵径/横径之比为0.99以上且1.01以下的圆筒状之后，利用设置在上下和左右的辊而成型为方形，由此能够制造角部与平板部的强度差小的方形钢管。
需要说明的是，在本发明中，“角部与平板部的强度差小的方形钢管”表示平板部相对于角部的YS之比为0.80以上且0.90以下，平板部相对于角部的TS之比为0.90以上且1.00以下。
发明人等进一步反复进行了详细探讨，从而完成了本发明。本发明的主旨如下所述。
[1]一种方形钢管，其是具有平板部和角部的方形钢管，
该钢管的成分组成以质量％计含有
C：0.07～0.20％、
Si：1.0％以下、
Mn：0.5～2.0％、
P：0.030％以下、
S：0.015％以下、
Al：0.01～0.06％、
N：0.006％以下，
余量由铁及不可避免的杂质构成，
距钢管外表面板厚t的1/4深度的位置的钢组织中，铁素体以面积率计为55％以上且80％以下，硬质相的平均长径比为0.1～0.8，
所述平板部的YS为350MPa以上，TS为520MPa以上，
所述平板部相对于所述角部的YS之比为0.80以上且0.90以下，所述平板部相对于所述角部的TS之比为0.90以上且1.00以下，
所述平板部的-40℃的夏比吸收能为100J以上，
所述角部的R为(2.3×t)以上且(2.9×t)以下。
[2]根据[1]所述的方形钢管，其中，除所述成分组成以外，以质量计还含有选自下述A组～C组中的1组或2组以上，
A组：选自Nb：0.05以下、Ti：0.05％以下、V：0.10％以下中的1种或2种以上，
B组：B：0.008％以下，
C组：选自Cr：0.01～1.0％、Mo：0.01～1.0％、Cu：0.01～0.50％、Ni：0.01～0.30％、Ca：0.001～0.010％中的1种或2种以上。
[3]根据[1]或[2]所述的方形钢管，其中，所述钢组织的所述硬质相的平均等效圆直径为20μm以下。
[4]一种方形钢管的制造方法，其是[1]～[3]中任一项所述的方形钢管的制造方法，该方法包括实施造管工序，
所述造管工序为将钢板在冷条件下辊轧成型而制成圆筒状，对制成圆筒状后的端面进行焊接，成型为纵径/横径之比为0.99以上且1.01以下的圆筒状，然后成型为方形。
[5]一种方形钢管的制造方法，其是[1]～[3]中任一项所述的方形钢管的制造方法，该方法包括对钢材料依次实施热轧工序、冷却工序、卷取工序及造管工序，
对所述钢材料实施热轧工序，制成热轧板，在所述热轧工序中，将所述钢材料加热至加热温度1100～1300℃之后，将板厚中心温度为1000℃以上的粗轧时间设为200秒钟以上且400秒钟以内、粗轧结束温度设为1000～800℃、精轧开始温度设为1000～800℃、精轧结束温度设为900～750℃，
然后，对所述热轧板实施冷却工序，该冷却工序在从冷却开始起的10秒钟期间的初始冷却工序中具有1次以上的0.2秒钟以上且小于3.0秒钟的自然冷却，并且以板厚中心温度表示的平均冷却速度设为4～25℃/秒，
然后，对所述热轧板实施在卷取温度580℃以下进行卷取的卷取工序，制成钢板，
然后，实施造管工序，所述造管工序中，将所述钢板在冷条件下辊轧成型而制成圆筒状，对制成圆筒状后的端面进行焊接，成型为纵径/横径之比为0.99以上且1.01以下的圆筒状，然后成型为方形。
[6]根据[5]所述的方形钢管的制造方法，其中，将所述冷却工序的冷却停止温度设为580℃以下。
所述涂敷工序是使用后测量涂敷方式涂敷所述易粘接组合物的工序。
[7]一种建筑结构物，其使用了[1]～[3]中任一项所述的方形钢管。
发明的效果
根据本发明，能够得到角部与平板部的强度差小的方形钢管。该方形钢管由于角部的R被控制为适当的大小，因此能够适合用作例如用于建筑构造构件的方形钢管。
附图说明
图1是示出电焊钢管的制造设备的一例的示意图。
图2是示出方形钢管的成型过程的示意图。
图3是示意性地示出使用了本发明的方形钢管的建筑结构物的一例的立体图。
图4是示出方形钢管的截面的示意图。
符号说明
1 钢带
2 矫平机
3 辊笼群
4 翅片辊群
5 挤压辊
6 焊接机
7 电焊钢管
8 定径辊群
9 方形成型辊群
10 方形钢管
11 方形钢管
14 大梁
15 小梁
16 横隔板
17 间柱
具体实施方式
以下，对本发明进行详细说明。
本发明的方形钢管如下所述。成分组成以质量计含有C：0.07～0.20％、
Si：1.0％以下、Mn：0.5～2.0％、P：0.030％以下、S：0.015％以下、
Al：0.01～0.06％、N：0.006％以下，余量由铁及不可避免的杂质构成。
距该方形钢管外表面板厚t的1/4深度的位置(以下称为1/4t位置)的钢组织中，铁素体以面积率计为55％以上且80％以下，硬质相的平均长径比(aspect ratio)为0.1～0.8。另外，方形钢管的平板部的YS为350MPa以上，TS为520MPa以上，平板部相对于角部的YS之比为0.80以上且0.90以下，平板部相对于角部的TS之比为0.90以上且1.00以下，平板部的板厚1/4t位置的-40℃的夏比吸收能为100J以上，角部的R为(2.3×t)以上且(2.9×t)以下。
首先，对本发明的成分组成进行说明。需要说明的是，除非另有说明，质量％仅用％表示。需要说明的是，在本发明中，方形钢管和方形钢管的材料所使用的钢板的成分组成是相同的。因此，在下文中，对方形钢管和材料所使用的钢板的成分组成的限定理由进行说明。
C：0.07～0.20％
C(碳)通过固溶强化使钢板和方形钢管的强度增加。另一方面，C是会使硬质相的生成量增加从而使铁素体的生成量减少的元素。为了确保希望的强度，并且确保希望的钢板和方形钢管的钢组织，C必须含有0.07％以上。另一方面，如果含有C超过0.20％，则难以确保希望的铁素体量。因此，C设为0.07～0.20％。C优选为0.09％以上，更优选为0.10％以上。另外，C优选为0.18％以下，更优选为0.17％以下。
Si：1.0％以下
Si(硅)是通过固溶强化而有助于增加钢板和方形钢管的强度的元素。为了确保希望的钢板和方形钢管强度，希望含有Si超过0.01％。然而，含有Si超过1.0％时，韧性降低。因此，Si设为1.0％以下。需要说明的是，Si优选为0.8％以下，更优选为0.6％以下，更优选为0.03％以上。
Mn：0.5～2.0％
Mn(锰)是经由固溶强化而使钢板和方形钢管的强度增加的元素，为了确保希望的钢板和方形钢管的强度，必须含有0.5％以上。含有Mn少于0.5％会导致铁素体相变开始温度上升，与之相伴，硬质相容易过度粗大化。另一方面，含有Mn超过2.0％时，中心偏析部的硬度会上升，存在成为方形钢管在现场焊接时裂开的原因的隐患。因此，Mn设为0.5～2.0％。Mn优选为1.8％以下，更优选为1.6％以下。Mn优选为0.6％以上，更优选为0.7％以上。
P：0.030％以下
P(磷)是偏析于铁素体晶界、且具有使钢板和方形钢管的韧性降低的作用的元素。在本发明中，作为杂质而希望其尽可能减少。然而，P的过度减少会导致精炼成本高涨，因此优选设为0.002％以上。需要说明的是，P可以允许含有至0.030％。因此，P设为0.030％以下。P优选为0.025％以下，更优选为0.020％以下。
S：0.015％以下
S(硫)在钢中以硫化物的形式存在，在本发明的成分组成范围之内则主要以MnS的形式存在。MnS在热轧工序会被延伸得很薄，对钢板和方形钢管的延展性及韧性产生不良影响。因此，在本发明中希望尽可能地减少MnS。然而，过度减少S会导致精炼成本高涨，因此S优选设为0.0002％以上。需要说明的是，S可以允许含有至0.015％。因此，S设为0.015％以下。S优选为0.010％以下，更优选为0.008％以下。
Al：0.01～0.06％
Al(铝)是作为脱氧剂而发挥作用，并且具有以AlN的形式固定N的作用的元素。为了得到这样的效果，必须含有0.01％以上的Al。Al少于0.01％时，在不添加Si的情况下脱氧能力不足，氧化物类夹杂物增加，钢板的洁净度降低。另一方面，含有Al超过0.06％时，固溶Al量增加，在方形钢管的长边焊接时(即，在方形钢管制造中的钢管长度方向的电焊焊接时)，特别是在大气中进行焊接的情况下，在焊接部形成氧化物的危险性增高，方形钢管焊接部的韧性降低。因此，Al设为0.01～0.06％。Al优选为0.02％以上。另外，Al优选为0.05％以下。
N：0.006％以下
N(氮)是具有通过将位错的运动牢固地固定而使钢板和方形钢管韧性降低的作用的元素。在本发明中，N作为杂质而希望尽可能减少，可以允许含有至0.006％。因此，N设为0.006％以下。N优选为0.005％以下。在本发明中没有特别规定，但从制造成本的观点出发，N优选为0.001％以上。
余量为Fe及不可避免的杂质。其中，在不损害本发明效果的范围内，作为不可避免的杂质，可以允许含有例如O(氧)：0.005％以下。
以上为本发明的基本的成分组成。通过上述必须元素可以得到作为本发明的目标特性，但根据需要也可以含有下述元素。
选自Nb(铌)：0.05％以下、Ti(钛)：0.05％以下、V(钒)：0.10％以下中的1种或2种以上
Nb、Ti、V均为在钢中形成微细的碳化物、氮化物，并通过析出强化而有助于钢的强度提高的元素。因此，在本发明中，可以为了调整强度而含有。为了得到这样的效果，在含有Nb、Ti、V的情况下，优选分别设为Nb：0.05％以下、Ti：0.05％以下、V：0.10％以下，更优选设为Nb：0.04％以下、Ti：0.04％以下、V：0.08％以下。在含有Nb、Ti、V的情况下，优选分别设为Nb：0.001％以上、Ti：0.001％以上、V：0.001％以上，更优选设为Nb：0.003％以上、Ti：0.003％以上、V：0.003％以上。
需要说明的是，含有选自Nb、Ti、V中的2种以上的情况下，优选总计为0.2％以下，优选为0.005％以上。
B：0.008％以下
B(硼)为具有使冷却过程的铁素体相变延迟，促进低温相变铁素体的形成，使钢板和方形钢管的强度增加的作用的元素。B的含有与钢板的屈强比、即方形钢管的屈强比的增加有关。因此，在本发明中，只要在方形钢管的屈强比为90％以下的范围内，就可以为了调整强度而根据需要含有B。在含有B的情况下，优选设为B：0.008％以下。B更优选为0.0015％以下，进一步优选为0.0008％以下。B优选为0.0001％以上，更优选为0.0003％以上。
选自Cr：0.01～1.0％、Mo：0.01～1.0％、Cu：0.01～0.50％、Ni：0.01～0.30％、Ca：0.001～0.010％中的1种或2种以上
Cr：0.01～1.0％
Cr(铬)是通过提高淬火性而使钢板和方形钢管的强度上升的元素，可以根据需要含有。在为了得到这样的效果而含有Cr的情况下，优选含有0.01％以上的Cr。另一方面，含有Cr超过1.0％时，存在韧性、焊接性降低的隐患，因此，在含有Cr的情况下，优选设为1.0％以下。Cr更优选为0.02％以上，更优选为0.8％以下。
Mo：0.01～1.0％
Mo(钼)是通过提高淬火性而使钢板和方形钢管的强度上升的元素，可以根据需要含有。在为了得到这样的效果而含有Mo的情况下，优选含有0.01％以上的Mo。另一方面，含有Mo超过1.0％时，存在韧性降低的隐患，因此，在含有Mo的情况下，优选设为1.0％以下。Mo更优选为0.02％以上，更优选为0.8％以下。
Cu：0.01～0.50％
Cu(铜)是通过固溶强化而使钢板和方形钢管的强度上升的元素，可以根据需要含有。在为了得到这样的效果而含有Cu的情况下，优选含有0.01％以上的Cu。另一方面，含有Cu超过0.50％时，存在韧性降低的隐患，因此，在含有Cu的情况下，优选设为0.50％以下。Cu更优选为0.02％以上，更优选为0.4％以下。
Ni：0.01～0.30％
Ni(镍)是通过固溶强化而使钢板和方形钢管的强度上升的元素，可以根据需要含有。在为了得到这样的效果而含有Ni的情况下，优选含有0.01％以上的Ni。另一方面，含有Ni超过0.30％时，存在铁素体面积率容易降低的隐患，因此，在含有Ni的情况下，优选设为0.30％以下。Ni更优选为0.02％以上，更优选为0.2％以下。
Ca：0.001～0.010％
Ca(钙)是通过将热轧工序时很薄地延伸的MnS等硫化物形成球状而有助于钢的韧性提高的元素，可以根据需要含有。在为了得到这样的效果而含有Ca的情况下，优选含有0.001％以上的Ca。然而，Ca含量超过0.010％时，在钢中形成钙氧化物簇，存在韧性变差的隐患。因此，在含有Ca的情况下，Ca含量优选设为0.001～0.010％。Ca更优选为0.0015％以上，0.0050％以下。
接着，对本发明的方形钢管的钢组织进行说明。
本发明的方形钢管的距外表面1/4t位置的钢组织中，铁素体以面积率计为55％以上且80％以下，硬质相的平均长径比为0.1～0.8。另外，钢组织的硬质相的平均等效圆直径可以设为20μm以下。
铁素体：以面积率计为55％以上且80％以下
本发明的方形钢管为了确保希望的强度，距钢管外表面1/4t位置的钢组织由铁素体及其以外的硬质相组成。此处，硬质相包含铁素体以外的相、即贝氏体、珠光体、马氏体及残余奥氏体等。该硬质相的各相的面积率总计为20～45％。
在铁素体以面积率计小于55％的情况下，本发明的上述成分组成的范围内贝氏体的比例会过剩，应变容易分散于硬质相，因此容易发生加工硬化。其结果是无法得到角部与平板部的强度差小的方形钢管。另一方面，在铁素体以面积率计超过80％的情况下，无法得到希望的强度。铁素体优选为60％以上，优选为75％以下。
硬质相的平均长径比：0.1～0.8
硬质相的平均长径比小于0.1时，容易产生裂纹的起点，因此韧性降低。另一方面，硬质相的平均长径比超过0.8时，应变容易分散于硬质相，因此容易发生加工硬化。其结果是，在使用钢板制造方形钢管时，无法得到角部与平板部的强度差小的方形钢管。更优选为0.2以上，更优选为0.7以下。在本发明中，如后述那样，硬质相的长径比是铁素体以外的组织中纳米硬度为3.0GPa以上的晶粒的长径比的平均值。
硬质相的平均等效圆直径：20μm以下(优选条件)
硬质相的平均等效圆直径超过20μm时，韧性降低，因此优选设为20μm以下，更优选为15μm以下。在本发明中，如后述那样，硬质相的平均等效圆直径是铁素体以外的组织中纳米硬度为3.0GPa以上的晶粒的等效圆直径的平均值。
需要说明的是，一般来说，以钢板(热轧钢板)作为材料通过辊轧成型而制造的方形钢管的1/4t位置的钢组织在角部和平板部均相同，因此测定平板部1/4t位置或角部1/4t位置均可。这里，规定为平板部的1/4t位置的钢组织。
在本发明中，如果在钢管的3/16t～5/16t位置的范围内存在上述的钢组织，也同样地能够得到上述的效果。因此，在本发明中，“1/4t位置的钢组织”是指在上述的3/16t位置～5/16t位置的范围的任意位置存在有上述的钢组织。
上述的钢组织通过以下方法进行观察，并求出组织的种类及面积率(％)。组织观察用试验片采集自方形钢管，以轧制方向截面(L截面)成为观察面的方式进行抛光，实施硝酸乙醇腐蚀而制作。在组织观察中，以组织观察用试验片的距表面(即方形钢管的外表面)板厚1/4t位置的组织作为观察的中心，使用光学显微镜(倍率：500倍)或扫描电子显微镜(SEM、倍率：500倍)对钢组织进行观察、拍摄。测定区域设为500μm×500μm。此处，“t”表示钢管的厚度(板厚)。根据得到的组织照片，使用图像分析装置(图像分析软件：Photoshop、Adobe公司制)鉴定组织的种类，计算出铁素体的面积率。组织的面积率是以5个视场以上进行观察，并以各视场中得到的值的平均值的形式求出的。
另外，硬质相的平均长径比是如下所述求出的。首先，根据上述得到的组织照片，对于铁素体以外的组织，通过纳米压痕法求出纳米硬度，对于纳米硬度为3.0GPa以上的晶粒，求出全部该晶粒的通过(板厚方向长度的平均值/轧制方向的长度的平均值)而计算得到的值，作为平均长径比。
另外，硬质相的平均等效圆直径是使用SEM/EBSD法测定的。平均等效圆直径是求出相邻的晶粒的取向差，并将取向差为15°以上的边界作为结晶晶界而测定。根据得到的结晶晶界求出粒径的算术平均值作为平均等效圆直径。测定区域设为500μm×500μm，测定步长设为0.5μm。需要说明的是，在结晶粒径分析中，将结晶粒径为2.0μm以下的作为测定噪音，另外，将纳米硬度小于3.0GPa的作为非硬质相而从分析对象中排除。
然后，使用图1、图2对本发明的方形钢管的制造方法进行说明。图1是示出电焊钢管的制造设备的一例的示意图。图2是示出方钢管的成型过程的示意图。
本发明的方形钢管的制造方法是对钢板实施造管工序而制成方形钢管的方法。在本发明的造管工序中，将钢板在冷条件下辊轧成型而制成圆筒状，对制成圆筒状后的端面进行焊接。接着，成型为纵径/横径之比为0.99以上且1.01以下的圆筒状的圆形钢管，然后，通过设置在上下和左右的辊进一步在冷条件下将圆形钢管成型为方形，成型为具有角部和平板部的方形钢管。
首先，如图1所示那样，对于作为电焊钢管的材料的钢带1，例如利用矫平机2实施入口侧矫正之后，通过由多个辊组成的笼式辊组3进行中间成型，制成开口管，然后，通过由多个辊组成的精成型辊(fin pass roll)组4进行精成型。在精成型之后，通过挤压辊5进行压焊，并同时通过焊机6对钢带1的宽度端部进行电阻焊焊接，制成圆筒状的电焊钢管7。另外，在本发明中，电焊钢管7的制造设备并不限定于图1那样的造管工序。
然后，如图2所示那样，电焊钢管7通过由多个辊组成的定径辊组(定径机)8在保持圆筒状的状态下进行缩径，成为纵径/横径之比为0.99以上且1.01以下的圆筒状。然后，通过由多个辊组成的方形成型辊组(方形成型机)9依次成型为R1、R2、R3那样的形状，制成方形钢管10。需要说明的是，定径辊组8及方形成型辊组9的机架数没有特别限制。
这里，对于在成型为方形之前成型为纵径/横径之比为0.99以上且1.01以下的圆筒状的理由进行说明。
在本发明中，由于以下的理由，纵径/横径之比为0.99以上且1.01以下是非常重要的。一般来说，在通过辊轧成型而制造钢管的情况下，在其过程中，为了抑制回弹，多数情况下会在圆周方向上赋予不均匀的应变。然而，在以最终成型为方形为前提的情况下，作为其前一阶段的圆筒形状的截面并不一定必须为正圆。因此，虽然是圆筒状，但在制造方形钢管的中间阶段并不一定是正圆，其结果是，无法使得到的方形钢管的角部与平板部的特性差减小。因此，在本发明中，为了使平板部与角部的特性差减小，在前一阶段中将形状成型为纵径/横径之比为0.99以上且1.01以下的圆筒状是必须的。
如果不成型为上述的纵径/横径之比为0.99以上且1.01以下的圆筒状，则与平板部相比，角部的塑性应变会过度增大。其结果是会导致平板部相对于角部的YS之比小于0.80，且平板部相对于角部的TS之比小于0.90。需要说明的是，由于与平板部相比，角部的塑性应变较大，因此，平板部相对于角部的YS之比为0.90以下、且平板部相对于角部的TS之比为1.00以下是理所当然的。因此，为了将本发明的目标的平板部的YS设为350MPa以上、将TS设为520MPa以上、将平板部相对于角部的YS之比设为0.80以上且0.90以下、将平板部相对于角部的TS之比设为0.90以上且1.00以下，在方形成型之前，成型为纵径/横径之比为0.99以上且1.01以下的圆筒状。
另外，通过成型为上述的纵径/横径之比为0.99以上且1.01以下的圆筒状，能够在方形成型时均等地成型角部，因此能够将角部的R设为(2.3×t)以上且(2.9×t)以下(这里，t为板厚)。通过使角部的R为(2.3×t)以上且(2.9×t)以下(这里，t为板厚)，能够减小角部与平板部的强度差。
如以上所说明的那样，根据本发明，由于平板部的YS为350MPa以上，TS为520MPa以上，平板部相对于角部的YS之比为0.80以上且0.90以下，平板部相对于角部的TS之比为0.90以上且1.00以下，平板部的-40℃的夏比吸收能为100J以上，角部的R为(2.3×t)以上且(2.9×t)以下，因此，可以得到角部与平板部的强度差小的方形钢管。对于该方形钢管而言，由于角部的R被控制为适当的大小，且角部与平板部的强度差小，因此特别适合用作用于建筑构造构件的方形钢管
需要说明的是，如上所述，对于本发明的方形钢管而言，作为其材料，可以优选使用以下说明的依次实施热轧工序、冷却工序及卷取工序而得到的钢板(热轧钢板)。在本发明中，也可以对该钢板实施上述的造管工序而制成方形钢管。
对于适合作为本发明的方形钢管的材料的钢板的制造方法的一例进行说明。
适合作为本发明的方形钢管的材料的钢板的制造方法例如包括：可以按照以下说明的条件对具有上述的成分组成的钢材料依次实施热轧工序(以下称为热轧工序)、冷却工序及卷取工序而制成钢板。
例如，对具有上述的成分组成的钢材料实施热轧工序，制成热轧板，在所述热轧工序中，将所述钢材料加热至加热温度1100～1300℃后，将板厚中心温度为1000℃以上的粗轧时间设为200秒钟以上且400秒钟以内、粗轧结束温度设为1000～800℃、精轧开始温度设为1000～800℃、精轧结束温度设为900～750℃。然后，对热轧工序后的热轧板实施冷却工序，该冷却工序在从冷却开始起的10秒钟期间的初始冷却中具有1次以上的0.2秒钟以上且小于3.0秒钟的自然冷却，并且以热轧板的板厚中心温度表示的平均冷却速度设为4～25℃/秒，将冷却停止温度设为580℃以下。然后，对冷却工序后的热轧板实施在卷取温度580℃以下进行卷取、然后进行自然冷却的卷取工序，得到钢板(热轧钢板)。
以下，对于各工序进行详细说明，需要说明的是，在以下的制造方法的说明中，除非另有说明，温度(℃)为钢材料、板料、热轧板或钢板等的表面温度。这些表面温度可以使用辐射温度计等进行测定。除非另有说明，平均冷却速度(℃/秒)是通过((冷却前的温度-冷却后的温度)/冷却时间)而求得的值。
在本发明中，具有上述成分组成的钢材料(钢坯)的熔炼方法没有特别限定，可以使用转炉、电炉、真空熔炼炉等公知的熔炼方法进行熔炼。铸造方法也没有特别限定，可以通过连续铸造法等公知的铸造方法而制造成希望的尺寸。需要说明的是，应用铸锭-开坯轧制法来代替连续铸造法也没有任何问题。钢水也可以进一步实施钢包精炼等二次精炼。
接着，对得到的钢材料(钢坯)实施热轧工序。在热轧工序中，将钢材料加热至加热温度1100～1300℃。然后，对于从加热炉取出的加热后的钢材料，实施钢材料的板厚中心温度为1000℃以上的粗轧时间被控制为200秒钟以上且400秒钟以内、并且粗轧结束温度设为1000～800℃的粗轧，然后，实施精轧开始温度设为1000～800℃、精轧结束温度设为900～750℃的精轧，制成热轧板。
需要说明的是，热轧工序中的钢材料的板厚中心的温度是通过传热分析对钢材料截面内的温度分布进行计算而求出的。
加热温度：1100～1300℃
钢材料的加热温度小于1100℃时，被轧制材料的变形抗力变得过大，粗轧机及精轧机发生承载能力、轧制扭矩的不足，轧制变得困难。另一方面，加热温度超过1300℃时，奥氏体晶粒变得粗大，即使在粗轧及精轧中反复进行奥氏体晶粒的加工及再结晶，也难以使其细粒化。另外，有时也难以确保热轧钢板的希望的韧性。因此，钢材料的加热温度设为1100～1300℃。加热温度优选为1280℃以下。加热温度优选为1150℃以上。
需要说明的是，在各轧机的承载能力、轧制扭矩有余裕的情况下，也可以选择1100℃以下且Ar3相变点以上的范围的温度作为加热温度。
接着，加热后的钢材料被施加粗轧，制成板料等。
将钢材料从加热炉取出后，通过将钢材料的板厚中心温度为1000℃以上的粗轧时间设为400秒钟以内，使被轧材料的表面附近优先被冷却。由此，被轧材料的距表面1/4t位置的奥氏体粒径的粗大化受到抑制，促进随后的铁素体相变。其结果是，能够使钢组织中的铁素体的比例以面积率计为55％以上。上述粗轧时间超过400秒钟时，奥氏体发生粗粒化，不能确保希望的铁素体量，无法得到角部与平板部的强度差小的方形钢管。另一方面，上述粗轧时间小于200秒钟时，奥氏体粒径变得过于微细，钢组织中的铁素体的比例以面积率计超过80％，强度不足。粗轧时间优选为220秒钟以上，进一步优选为250秒钟以上。粗轧时间优选为380秒钟以下，进一步优选为350秒钟以下。
粗轧结束温度：1000～800℃
加热后的钢材料通过粗轧，奥氏体晶粒被加工、再结晶而微细化。粗轧结束温度小于800℃时，容易发生粗轧机的承载能力、轧制扭矩不足。另一方面，粗轧结束温度超过1000℃为高温时，奥氏体晶粒粗大化，方形钢管的韧性容易降低。粗轧结束温度优选为820℃以上，进一步优选为840℃以下。粗轧结束温度优选为980℃以下，进一步优选为950℃以下。
需要说明的是，该粗轧结束温度可以通过调整钢材料的加热温度、上述粗轧中的冷却条件、粗轧在道次间的滞留、钢材料厚度等来实现。粗轧结束的阶段的被轧材料的厚度(板料等的厚度)没有必要特别限定，只要可以通过精轧而制成希望的产品厚度的产品板(热轧钢板)即可。例如，在用于建筑构造构件的方形钢管的制造中，产品厚度优选为12～28mm左右。
在粗轧后，被轧材料例如通过连轧机实施精轧，制成热轧板。
精轧开始温度：1000～800℃
在精轧中，反复进行轧制加工及再结晶，进行奥氏体(γ)晶粒的微细化。精轧开始温度(精轧入口侧温度)低时，通过轧制加工引入的加工应变容易残留，容易实现γ晶粒的微细化。如果精轧开始温度小于800℃，则在精轧机内，钢板表面附近的温度为Ar3相变点以下，生成铁素体的危险性增大。生成的铁素体通过随后的精轧加工而成为沿轧制方向伸长的铁素体晶粒，成为加工性降低的原因。另一方面，精轧温度超过1000℃为高温时，上述的精轧所引起的γ晶粒的微细化效果减小，方形钢管的韧性容易降低。因此，精轧开始温度设为800～1000℃。精轧开始温度优选为825～975℃。
精轧结束温度：900～750℃
精轧结束温度(精轧出口侧温度)超过900℃为高温时，精轧时施加的加工应变不足，不能实现γ晶粒的微细化，方形钢管的韧性容易降低。另一方面，精轧结束温度小于750℃时，在精轧机内，钢板表面附近的温度为Ar3相变点以下，形成沿轧制方向伸长的铁素体晶粒，铁素体晶粒成为混合晶粒。由此，韧性降低的危险性增大。因此，精轧结束温度设为900～750℃。精轧结束温度优选为850℃以下，优选为770℃以上。
在精轧结束后，对热轧板进行冷却工序。
从冷却开始起的10秒钟期间的初始冷却中0.2秒钟以上且小于3.0秒钟的自然冷却次数：1次以上
在本发明中，将通过热轧工序得到的热轧板开始冷却起的10秒钟(10秒钟期间)作为初始冷却工序。在冷却工序的初始冷却工序中，设置1次以上0.2秒钟以上且小于3.0秒钟的自然冷却工序进行冷却。这是为了在钢板的正反面抑制马氏体组织的生成而进行的。在初始冷却工序中，不设置自然冷却工序、或自然冷却工序小于0.2秒钟时，钢板的正反面的钢组织成为马氏体组织，方形钢管的韧性降低。另外，在初始冷却工序中，自然冷却工序为3.0秒钟以上时，硬质相的平均长径比小于0.1，韧性不足。因此，冷却工序的初始冷却工序中进行的1次自然冷却工序的时间设为0.2秒钟以上且小于3.0秒钟。1次自然冷却工序的时间优选为0.4秒钟以上，优选为2.0秒钟以下。
为了得到上述效果，初始冷却工序中进行的自然冷却工序的次数必须为1次以上。需要说明的是，自然冷却工序的次数可以根据冷却设备的排列、冷却停止温度等而适当设定。这里，自然冷却是指放置冷却。自然冷却工序的次数的上限没有特别限定，从生产性的观点出发，优选为10次以下。在将自然冷却的次数设为多次的情况下，例如可以通过使来自后述的水冷用的喷嘴的一部分区间的喷嘴的水停止喷射而形成间歇喷射的方式等来适当设定。
以板厚中心温度表示的平均冷却速度：4～25℃/秒，冷却停止温度：580℃以下
在冷却工序中，对通过精轧得到的热轧板实施冷却，在该冷却中，从冷却开始至冷却停止(冷却结束)的以板厚中心温度表示的平均冷却速度为4～25℃/秒，冷却停止温度设为580℃以下。在冷却工序中实施的冷却例如通过从喷嘴喷射水的水柱冷却、喷雾冷却、水雾(mist)冷却等水冷(水冷却)、喷射冷却气体的喷气冷却等来进行。需要说明的是，优选以热轧板(钢板)的两面(正反面)在相同条件下被冷却的方式对在热轧板的两面实施冷却操作。
热轧板的板厚中心的平均冷却速度小于4℃/秒时，铁素体晶粒的生成频率减少，铁素体晶粒粗大化，韧性降低。另一方面，上述平均冷却速度超过25℃/秒时，铁素体的生成受到抑制，少于55％，进而硬质相的平均长径比超过0.8，无法得到不容易发生加工硬化的钢组织。因此，热轧板的板厚中心的平均冷却速度设为4～25℃/秒。热轧板的板厚中心的平均冷却速度优选为5℃/秒以上，优选为15℃/秒以下。
这里，热轧板的板厚中心的平均冷却速度为通过((冷却开始时的板厚中心的温度(℃)-冷却停止时的板厚中心的温度(℃))/冷却时间(秒))而求出。热轧板的板厚中心的温度可以通过传热分析对钢板截面内的温度分布进行计算而求得。
冷却停止温度超过580℃时，钢板的硬质相的平均等效圆直径超过20μm，存在韧性降低的隐患。冷却停止温度更优选为560℃以下。
需要说明的是，为了得到希望的1/4t位置的钢组织，热轧板的表面温度为750℃～650℃的温度范围内的平均冷却速度优选设为20℃/秒以上。该温度范围的平均冷却速度小于20℃/秒时，有时硬质相的平均等效圆直径超过20μm。热轧板的表面温度为750℃～650℃的温度范围内的平均冷却速度优选设为80℃/秒以下。该温度范围的平均冷却速度超过80℃/秒时，有时硬质相的平均长径比超过0.8。另外，为了将硬质相的平均长径比设为0.8以下，优选在精轧结束后立即(5秒钟以内)开始冷却工序。
在冷却结束后，对热轧板实施卷取工程而得到钢板(热轧钢板)。
卷取温度：580℃以下
在卷取工序中，将热轧板在卷取温度580℃以下进行卷取，然后自然冷却。卷取温度超过580℃时，在卷取后进行铁素体相变和珠光体相变，珠光体的比例过量，方形钢管的韧性降低。因此，卷取温度设为580℃以下。卷取温度优选为550℃以下。需要说明的是，虽然降低卷取温度也不会发生材质上的问题，但卷取温度小于400℃时，特别是对于板厚超过25mm的厚钢板而言，卷取变形抗力增大，有时无法良好地卷取。因此，卷取温度优选设为400℃以上。
然后，对卷取工序后的钢板(热轧钢板)实施上述造管工序而得到方形钢管。
接着，对使用了本发明的方形钢管的建筑结构物的一例进行说明。
图3是示意性地示出本发明的实施方式的建筑结构物的立体图。如图3所示的那样，本实施方式的建筑结构物竖立设置有多个本发明的方形钢管11，作为柱材料而使用。在相邻的方形钢管11之间架设有多个由H型钢等钢材制成的大梁14。另外，在相邻的大梁14之间架设有多个由H型钢等钢材制成的小梁15。通过焊接方形钢管11与隔板16，并在其上焊接形成大梁14的H型钢，从而在相邻的方形钢管11之间架设了由H型钢等钢材制成的大梁14。另外，为了安装墙壁等，可以根据需要设置间柱17。
本发明的建筑结构物由于使用角部与平板部的强度差小的本发明的方形钢管11，因此容易选择对方形钢管11与隔板16进行焊接的焊接材料，不容易发生欠匹配(undermatch)等与焊接材料的强度差。由于不容易发生欠匹配，因此能够抑制焊接部的断裂等不良情况。另外，由于方形钢管11的角R(角部的R)被控制为适当的大小，因此容易与截面为直角的其它结构构件进行组合。另外，通过将方形钢管11的角R控制为适当的大小，能够耐受更大的外力，提高耐震性等。
实施例
以下，基于实施例进一步对本发明进行详细说明。需要说明的是，本发明并不限定于以下的实施例。
在转炉中熔炼钢水，通过连续铸造法制成表1所示的成分组成的钢坯(钢材料：厚度250mm)。将这些钢坯(钢材料)加热至表2所示的加热温度后，实施表2所示的条件的热轧工序、冷却工序、卷取工序，然后进行自然冷却，制成板厚16～28mm的钢板(热轧钢板)。需要说明的是，在精轧结束后，立即(5秒钟以内)开始了冷却工序。冷却是通过水冷进行的。初始冷却工序中的自然冷却工序通过在作为从冷却开始起10秒钟的期间的初始冷却工序中设置不进行水冷的自然冷却区间而进行。然后，以得到的热轧钢板作为材料，在表2所示的条件下通过冷条件下的辊轧成型而制成圆形钢管，接着，在冷条件下通过辊轧成型而制成了方形钢管(400～550mm见方)。
在本发明的实施例中，从得到的方形钢管采集试验片，分别实施了组织观察、拉伸试验、夏比冲击试验、角部的R的测定。需要说明的是，组织观察是通过上述的方法进行观察、测定的。另外，拉伸试验、夏比冲击试验的试验方法、以及角部的R的测定方法如下所述。
(1)方形钢管拉伸试验
从得到的方形钢管的平板部及角部以拉伸方向为管长度方向的方式采集了JIS5号拉伸试验片。然后，按照JIS Z 2241(2011)的规定实施拉伸试验，测定了屈服强度YS、拉伸强度TS。使用得到的测定值计算出以(屈服强度)/(拉伸强度)×100(％)定义的屈强比YR(％)。
(2)方形钢管冲击试验
从得到的方形钢管的平板部的板厚1/4t位置以试验片长度方向为管的圆周方向的方式采集了V型切口试验片。接着，按照JIS Z 2242(2011)的规定，在-40℃的试验温度下进行夏比冲击试验，求出了吸收能(J)。需要说明的是，试验片的片数设为各3片，将各3片的平均值作为表3-2所示的冲击试验结果的值。
(3)角部的R(角R)的测定方法
从得到的方型钢管任意切下与管轴方向垂直的10个部位的截面，测定位于垂直截面的4个角的角部的曲率半径，将其平均值作为角部的R。具体而言，如图4所示那样，将钢管的焊接部(接缝部)设为0°，以该0°作为基准，分别将45°、135°、225°、315°的位置作为角部中央时，角部的曲率半径是指以管的中心作为起点且与相邻的边成45°的线(L)、与角部外侧(角部的管外表面侧)的交点处的曲率半径。角部的曲率半径是扇形的半径，所述扇形是在上述L上设置中心，并且朝向方形钢管的平坦部与圆弧部的连接点(A、A’)划出的线所确定的中心角为65°的扇形。需要说明的是，图4所示的“t”为板厚，“H”为外部形状的边的长度。作为曲率半径的计算方法，例如有如下方法：根据3点(角部外侧的交点、以及作为平坦部与圆弧部的连接点的2点)的距离关系的测定结果，使用正弦定理来计算曲率半径的方法；通过与上述3点的区域内的角部非常匹配的半径规来测量曲率半径的方法；等，但并不限定于此。在本实施例中，角部的曲率半径的测定中使用了半径规。需要说明的是，角R是如上所述的与管轴方向垂直的10个部位的截面的平均值。
将得到的结果示于表3-1及表3-2。
[表2]
[表3-1]
[表3-2]
在本发明范围的发明例中，均获得了本发明的特性(平板部的YS为350MPa以上，TS为520MPa以上，平板部相对于角部的YS之比为0.80以上且0.90以下，平板部相对于角部的TS之比为0.90以上且1.00以下，平板部的-40℃的夏比吸收能为100J以上，角部的R为(2.3×t)以上且(2.9×t)以下(这里，t为板厚))。另一方面，在脱离本发明范围的比较例中，没有获得本发明的特性。