JP2005105325A - 耐候性鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】 トランプエレメント（Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ等）を極力含まずに、従来のＮｉ添加耐候性鋼と同様に高い耐食性を有し、省資源で、リサイクル性にも優れた、新しい耐候性鋼を提供する。
【解決手段】 組成（ｗｔ％）において、Ｃ；０．０３−０．３，Ｓｉ；０．３−３．５，Ｍｎ；０．４−２．５，Ｐ；＜０．１５，Ｓ；＜０．０５，Ａｌ；０．１−３．５，残部Ｆｅを満たす低合金鋼とする。
【選択図】なし

Description

この出願の発明は耐候性鋼に関するものであって、さらに詳しくは、トランプエレメント（Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ等）を極力含まずに、Ｎｉ添加耐候性鋼と同様の高い耐食性を有し、リサイクル性にも優れた新しい耐候性鋼に関するものである。

２１世紀における我が国では、少子化により人件費の高騰が懸念されることから、社会インフラに使用する鋼材では、メンテナンスが極力少ないことが強く望まれている。特に橋梁等の鋼構造体では塗装塗り替えの費用が大きく、この解決策として、大気腐食環境で自然に防食的な鉄さび層を形成することができる耐候性鋼が着目されている。耐候性鋼は、ＪＩＳにもＳＭＡ、ＳＰＡが規格化されており、海浜、海岸地域でも使用可能なようにさらに耐食性を高めたＮｉ添加型耐候性鋼（たとえば特許文献１参照）も開発されてきている。

一方、地球規模において金属元素の枯渇が進んでおり、資源循環型の社会に対応することが要求されている。特に、日本は、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗのような金属を生産できないことから、これらの元素を使用しない省資源型の鋼材の開発が不可欠になっている。さらに、鉄もリサイクルして使用する必要があり、製鋼により鉄から取り除くことが難しいトランプエレメント（Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ）を極力含まないことが望まれている。
特許第２５７２４４７号公報

そこで、この出願の発明は、以上のとおりの背景を踏まえ、トランプエレメント（Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ等）を極力含まずに、従来のＮｉ添加耐候性鋼と同様に高い耐食性を有し、省資源で、リサイクル性にも優れた、新しい耐候性鋼を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、組成（ｗｔ％）が、Ｃ；０．０３−０．３，Ｓｉ；０．３−３．５，Ｍｎ；０．４−２．５，Ｐ；＜０．１５，Ｓ；＜０．０５，Ａｌ；０．１−３．５，残部Ｆｅである低合金鋼からなることを特徴とする耐候性鋼を提供する。また、第２には、組成（ｗｔ％）において、さらにＮｉ；＜０．１，Ｃｒ；＜０．１，Ｍｏ；＜０．１，Ｗ；＜０．１ Ｃｕ；＜０．１であることを特徴とする耐候性鋼を提供する。

そして、この出願の発明は、第３には、相対腐食量Ｚ＝１００−７．５（Ｓｉ％）−１５（Ａｌ％）＜８７であることを特徴とする耐候性鋼を、第４には、
ＤＢＴＴ（℃）＝４０＋４４（Ｓｉ％）＋２５（Ａｌ％）−１１．５Ｄ＜−１０
（ただし、
Ｄ＝（ｄ）^（−０．５）
ｄ；結晶粒径（ｍｍ），ＤＢＴＴ；破面遷移温度（℃）であることを特徴とする耐候性鋼を提供する。

さらにこの出願の発明は、第５には、以上いずれかの耐候性鋼の製造方法であって、４００℃以上、７５０℃以下の温度範囲において、累積圧下歪（ε）を１．５以上、かつ、圧下３方向のうち少なくとも２方向において圧下歪０．３以上で加工することを特徴とす
る耐候性鋼の製造方法を提供する。

以上のとおりのこの出願の発明は、発明者による脱意検討の得られた以下のような全く新しい知見に基づいて完成されている。

すなわち、まず、この出願の発明者は、トランプエレメント（Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ）を含まずに、さらに、リサイクル性を確保した状態で耐食性を高める方法について検討した。この検討においては、熱力学的計算を駆使して鉄複合酸化物の化学的安定性を体系的に評価し、実験的に検証した。その結果、Ｎｉ添加型耐候性鋼の耐食性が高いのは、大気環境で形成されるＮｉＦｅ₂Ｏ₄の安定性が高いためであることを解明した。そこで、Ｎｉと同様に鉄と複合酸化物を形成する元素を検討して、ＡｌおよびＳｉを見い出した。大気腐食環境（塩分を含む中性水溶液中）では、それぞれ、ＦｅＡｌ₂Ｏ₄，ＦｅＳｉＯ₄を形成することが熱力学的に示され、さらに、これにより高い耐食性が確保されること
が実暴露試験からも判明した。ＡｌおよびＳｉは、地球資源的に豊富であり、また、安価で、さらに鉄のリサイクルを可能とする。つまり、ＡｌおよびＳｉを耐食元素として用い、他のトランプエレメントを使用しないようにすることで耐候性鋼を実現することが可能になる。

また、ＡｌおよびＳｉのみで耐食性を確保しようとするとその添加量を増加させる必要が生じ、多量添加の場合には、鋼材の靱性が低下することが懸念されるが、この出願の発明者は、靱性を確保して耐食性を向上させることを可能とする技術として、鋼材の結晶粒微細化技術を検討することで、この出願の発明の耐候性鋼を実現している。つまり、金属結晶粒を著しく微細化することにより靱性を驚異的に向上させて、それにより多量のＡｌおよびＳｉの添加を可能としている。結晶粒微細化は、延性を確保しつつ強度を増加させることも可能であり、この出願の発明によって、強度、靱性、耐食性、リサイクル性を全て向上させることができ、このような耐候性鋼を構造用鋼等として提供することのできるこの出願の発明は画期的なものである。

上記のとおりのこの出願の第１ないし第３の発明によれば、トランプエレメントを極力含まずに、従来のＮｉ添加型耐候性鋼と同等もしくはそれ以上の高い耐食性を有し、省資源で、しかもリサイクル性に優れた耐候性鋼が提供される。

また、この出願の第４ないし第５の発明によれば、高靱性で、強度、耐食性、リサイクル性に優れた耐候性鋼が提供される。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

まず、この出願の発明の耐候性鋼は、その組成において、トランプエレメントであるＮｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕをそれぞれ含まないこと、より実際的には、０．１％以上は含まないことを原則としている。この条件において耐食性を向上させるために、ＡｌおよびＳｉの作用を利用している。ＡｌおよびＳｉは省資源や鋼材のリサイクルの観点から有用な元素である。

そして、低合金鋼としての組成（ｗｔ％）は、前記のとおりの特有の範囲に制御される。以下に、その理由を説明する。

Ｃ（炭素）は強度を高める元素であるが、０．３％を超えて添加すると延性と溶接性が
劣化するため、０．０３％−０．３％が望ましい。

Ｓｉは、強度および耐食性を向上させ、さらに省資源およびリサイクル性の観点からも優れた元素である。一方、靱性と溶接性を劣化させる元素であり、３．５％を超えては添加できない。従って、０．３−３．５％とする。

Ｍｎは強度を向上させる元素であるが、２．５％を超えると延性と溶接性を劣化させるので、０．４−２．５％が望ましい。

Ｐは耐食性向上に有利であるが、０．１５％を超えると溶接性を劣化させるので、０．１％未満が望ましい。

Ｓは耐食性と加工性と溶接性を劣化させるので、０．０５未満が望ましい。

Ａｌは耐食性を向上させ、さらに省資源およびリサイクル性の観点からも優れた元素である。一方、靱性と溶接性を劣化させる元素であり、３．５％を超えては添加できない。従って、０．１−３．５％とする。

もちろん、この出願の発明の耐候性鋼においては、その組成について、原料や製造工程に由来する不可避的不純物の混入が許容されるとは言うまでもない。

また、この出願の発明では、耐食効果については、暴露試験では評価時間に長時間を要するため、以下のような促進腐食試験法を創案して検討している。

試験条件は、０．５ｍａｓｓ％ＮａＣｌ溶液を試験片に滴下して、２５℃、温度６０％の条件で１２時間保持して乾燥させる行程を１サイクルとする。ＮａＣｌ溶液を滴下する直前には試験片を純水洗浄して塩分の累積を防いでいる。２０サイクル試験を行ない、炭素鋼の腐食量を１００％として各添加元素を加えた鋼材の相対腐食量をもとめた。その結果ＡｌおよびＳｉの添加により相対腐食量（Ｚ）が著しく減少することが見い出され、さらに、Ｚは以下で示せられることが判明した。

Ｚ（％）＝１００−７．５（Ｓｉ％）−１５（Ａｌ％）
一方、海浜地域での暴露試験を合せて実施して、相対腐食量Ｚが、８７未満であれば、飛来塩分量が、０．１５ｍｄｄ（ｍｇ／ｄｍ²／ｄａｙ）の海浜環境で使用可能であるこ
とが見い出されている。

Ｚ＝１００−７．５（Ｓｉ％）−１５（Ａｌ％）＜８７
すなわち、（Ｓｉ％）＋Ｚ（Ａｌ％）＞１．７３
を満たすことにより０．１５ｍｄｄ（ｍｇ／ｄｍ²／ｄａｙ）の海浜環境で使用可能とな
る。

また、靱性については、
破面遷移温度ＤＢＴＴ（℃）は以下の式で整理可能であることが発明者により見い出されている。

ＤＢＴＴ（℃）＝４０＋４４（Ｓｉ％）＋２５（Ａｌ％）−１１．５Ｄ
Ｄ＝（ｄ）^（−０．５）
ただし、ｄ；結晶粒径（ｍｍ）
つまり、鋼材の金属組織を微細化することにより、ＡｌおよびＳｉの添加による靱性劣化を補え、むしろ向上させることが可能なのである。

ここで日本における冬の低温を考慮して低温靱性の確保としては、
ＤＢＴＴ＜−１０
であることが必要である。

すなわち、
４４（Ｓｉ％）＋２５（Ａｌ％）−１１．５Ｄ＜−５０
を満たすことが必要となる。

次に、この出願の発明の微細粒鋼の製造方法について説明する。

４００℃以上、７５０℃以下の温度範囲において、累積圧下歪（ε）を１．５以上、かつ、圧下３方向のうち少なくとも２方向において圧下歪０．３以上で加工方法とする。ここで、４００℃以上、７５０℃以下の温度範囲とは、温間加工により微細粒フェライト組織を得る温度範囲であり、４００℃以下では変型抵抗が大きすぎて加工が難しく、また、７５０℃より高い温度では結晶粒が粗大化する。７５０℃以下では累積圧下歪（ε）が１．５以上において平均粒径ｄは、５μｍ以下を得る。

１．５未満では結晶粒が粗大化する。また、圧下３方向のうち少なくとも２方向において圧下歪０．３以上を必要とするのは、異方性のない等軸結晶を得るためであり、特に低温靱性において異方性を生じさせないことにおいて必要である。この方法により、微細組織が得られ、ＤＢＴＴが−１０℃未満、かつ、引っ張り強度が６００Ｍｐａを超えることが可能となる。なお、以上の加工を行なう前の低合金鋼の組織については、特に限定されることはない。

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。

基本組成を、０．１％Ｃ−Ｓｉ−１．０％Ｍｎ−０．０１％Ｐ−０．００２％Ｓ−Ａｌ−Ｆｅ
として、Ｓｉ量およびＡｌ量を変化させた本発明鋼（Ｈ１−Ｈ１０）および比較鋼（Ｔ１−Ｔ６）の低合金鋼について検討した。

ここで、組成および圧延温度を変化させて製造して、各鋼について相対腐食量（Ｚ：％）、平均結晶粒度（ｍｍ）、破面遷移温度（ＤＢＴＴ：℃）を求めた。

判定は、
Ｚ＜８７
ＤＢＴＴ＜−１０
において合格とした。その結果を表１に示した。

なお、製造条件は、各組成の低合金鋼を溶解し、１２００℃において粗鍛造を行なった後、水冷処理を施した。各温間加工温度に保持し、中心部が所定の温度に達した後、２方向から累積圧下歪量が２．０以上になるように加工を施した。

表１から明らかなように、本発明鋼では、高Ａｌおよび高Ｓｉを達成しているために、相対腐食量（Ｚ：％）はいずれも８７未満であり高い耐食性を示している。また、この時の加工温度が７５０℃と低く、かつ累積圧下歪量が２．０以上であることにより平均結晶粒径（ｄ）が著しく小さい。このため、
ＤＢＴＴ（℃）＝４０＋４４（Ｓｉ％）＋２５（Ａｌ％）−１１．５ｄ^（−０．５）
においてＳｉおよびＡｌ量が多いにもかかわらず、いずれのＤＢＴＴも−１０℃未満であり、良好な低温靱性を示している。

一方、比較鋼では、上記判定基準を満たしていない。

Ｔ１は、ＳｉとＡｌ量の総和量が低く、相対腐食量（Ｚ）は大きすぎて耐食性が低い例である。Ｔ２は、Ａｌ量、Ｔ３はＳｉ量が大きすぎることがおもな原因により、ＤＢＴＴが大きくなり過ぎて低温靱性が悪い例である。Ｔ４は，Ａｌ量、Ｓｉ量、加工温度が規程範囲を満たすものの、いずれの値も比較的大きく、結果としてＤＢＴＴが大きくなり過ぎて低温靱性が悪い例である。Ｔ５は加工温度が高すぎて結晶粒度が大きくなり、結果としてＤＢＴＴが大きくなった例である。Ｔ６は、累積圧下歪量が０．６と小さく、結晶粒度が大きく、結果としてＤＢＴＴが大きくなった例である。

以上詳しく説明したこの出願の発明によれば、板、棒、管に適用が可能であり、強度、靱性、耐食性、リサイクル性を全て向上させられるため、インフラ用構造用鋼として広く使用される新しい耐候性鋼が提供される。

Claims (5)

1. 組成（ｗｔ％）が、Ｃ；０．０３−０．３，Ｓｉ；０．３−３．５，Ｍｎ；０．４−２．５，Ｐ；＜０．１５，Ｓ；＜０．０５，Ａｌ；０．１−３．５，残部Ｆｅである低合金鋼からなることを特徴とする耐候性鋼。
2. 組成（ｗｔ％）において、さらにＮｉ；＜０．１，Ｃｒ；＜０．１，Ｍｏ；＜０．１，Ｗ；＜０．１ Ｃｕ；＜０．１であることを特徴とする請求項１の耐候性鋼。
3. 相対腐食量Ｚ＝１００−７．５（Ｓｉ％）−１５（Ａｌ％）＜８７であることを特徴とする請求項１または２の耐候性鋼。
4. ＤＢＴＴ（℃）＝４０＋４４（Ｓｉ％）＋２５（Ａｌ％）−１１．５Ｄ＜−１０
   （ただし、
   Ｄ＝（ｄ）^（−０．５）
   ｄ；結晶粒径（ｍｍ），ＤＢＴＴ；破面遷移温度（℃）であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの耐候性鋼。
5. 請求項１ないし４のいずれかの耐候性鋼の製造方法であって、４００℃以上、７５０℃以下の温度範囲において、累積圧下歪（ε）を１．５以上、かつ、圧下３方向のうち少なくとも２方向において圧下歪０．３以上で加工することを特徴とする耐候性鋼の製造方法。