JP2007023337A - 耐食性と耐腐食疲労性に優れた鋼材、及びその表面処理方法 - Google Patents

耐食性と耐腐食疲労性に優れた鋼材、及びその表面処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、処理作業が容易且つ低コストであり、水素脆化や材料強度の低下を招くことなく、優れた耐食性および耐腐食疲労性を示すことを課題とする。
【解決手段】鋼材の表面に皮膜を有し、該皮膜の平均組成において、Fe,C,Al,P,Oと、選択的に加えられるSi,Mn,Crの合計原子数に対するAl原子数の割合が0.5%以上であり、且つ前記皮膜の平均組成におけるA1原子数が表面処理前の鋼材の平均組成におけるA1原子数より高いことを特徴とする耐食性と耐腐食疲労性に優れた鋼材。
【選択図】 なし

Description

本発明は、耐食性と耐腐食疲労性に優れた鋼材、及びその表面処理方法に関する。
周知の如く、腐食環境下で使用される鋼材は、腐食減肉あるいは腐食ピット形成による静的強度特性や疲労強度特性の低下、及びさび発生による外観の悪化を防止するため、材料組成を調整するか、表面処理等により皮膜を付与することが多い。
しかし、組成の調整としてCrやNi,Mo等の耐食性元素を添加または増量することは、原料コストや製造コストが高くなるという問題があった。また、表面処理皮膜として、鋼材に対して腐食犠牲層を設けて母材の腐食を遅らせる、いわゆる犠牲防食を目的として亜鉛膜を付与する方法がある。しかし、例えば亜鉛の電気めっき法では、ピンホールやめっきむらを防止するための施工条件の管理や、陰極の被処理鋼材表面で発生する水素が鋼中に侵入することに起因する水素脆化を防止するための処理が別途必要になる等、製造工程の複雑化やコスト高が問題となっていた。
また、亜鉛を含有するりん酸系皮膜処理(りん酸亜鉛化成処理)では、比較的容易に施工が可能であるが、皮膜の耐食性が不十分であった。一方、Znの犠牲防食作用とAlの自己修復作用を合わせ持つとされる裏面処理鋼材としてZn−Al−Si系溶融合金めっき(商品名:ガルバニウム鋼、日鉄鋼板(株)製)が知られている。しかし、この溶融合金めっきはめっき浴の温度が400℃以上であるため、浴浸漬時に鋼材が加熱されることによる機械的強度の低下が問題となる場合には用いることができなかった。
従来、本提案の鋼板に関連する公報としては、例えば特許文献1や特許文献2が知られている。特許文献1には、亜鉛系めっき鋼板に化成処理皮膜を形成し、この上にリン酸アルミニウムを含む有機皮膜を形成した耐食性に優れた有機被覆鋼板について開示されている。しかし、特許文献1では、リン酸アルミニウムを含む有機皮膜を形成させる以前に化成処理を施す必要がある等、処理の内容が複雑であり、且つ処理コストが高い問題があった。
特許文献2には、鋼板上にヤング率100GPa以上、鋼板との線膨張係数差が2×10−6以上である第一層と、燐酸アルミニウムを含む第二層の二層からなる被膜を有し、第二層を形成する際には塗布液を塗布乾燥後、400〜1000℃で焼き付けを行う低鉄損一方向性電磁鋼板及びその製造方法について開示されている。しかし、上述のように、400〜1000℃で焼き付けを行う際、鋼材の機械的強度が低下する問題があった。
特許第3381647号公報 特開平9−272982号公報
本発明は上述した課題を解決するためなされたもので、電気めっきや化成処理皮膜、溶融合金めっきなどの代替が可能な表面処理方法として、高コストや製造工程の複雑化、水素脆化、材料強度の低下等の問題を解決しえる耐食性と耐腐食疲労性に優れた鋼材、及びその表面処理方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、鋼材の耐食メカニズムや化成処理法について鋭意研究を重ねた結果、以下に述べる発明を究明するに至った。
本発明に係る耐食性と耐腐食疲労性に優れた鋼材は、鋼材の表面に皮膜を有し、該皮膜の平均組成において、Fe,C,Al,P,Oと、選択的に加えられるSi,Mn,Crの合計原子数に対するAl原子数の割合が0.5%以上であり、且つ前記皮膜の平均組成におけるA1原子数が表面処理前の鋼材の平均組成におけるA1原子数より高いことを特徴とする。
また、本発明に係る耐食性と耐腐食疲労性に優れた鋼材は、鋼材の表面に皮膜を有し、前記鋼材の表面から5μmまでの深さの領域における平均組成において、Fe,C,Al,P,Oと、選択的に加えられるSi,Mn,Crの合計原子数に対するAl原子数の割合が0.5%以上であり、且つ前記皮膜の平均組成におけるA1原子数が表面処理前の鋼材の平均組成におけるA1原子数より高いことを特徴とする。
本発明に係る鋼材の表面処理方法は、鋼材の表面に、酸度比の範囲が3.3〜5.7であるAlイオンを含む室温の水溶液を接触させた後水洗し、次いで乾燥を行うことを特徴とする。
また、本発明に係る鋼材の表面処理方法は、鋼材の表面に、酸度比の範囲が3.3〜5.7であるAlイオンを含む室温の水溶液を接触させた後水洗し、次いで乾燥を行うことを特徴とする。
本発明によって表面処理を施された鋼材は、その処理作業が容易且つ低コストであり、水素脆化や材料強度の低下を招くことなく、優れた耐食性および耐腐食疲労性を示す。
以下、本発明について更に詳しく説明する。
図1は本発明に係る表面処理例を示し、図1(A)は後処理として水洗工程1後、乾燥工程2を行う場合の第1の表面処理例を、図1(B)は後処理として第1の乾燥工程2a後、水洗工程1、第2の乾燥工程2bを行う第2の表面処理例を示す。
鋼材の表面は、図1の前処理のように予め有機溶剤または界面活性剤を含む水系洗浄液で脱脂洗浄したり、酸溶液などで脱スケールを施すと、本発明の効果がより一層発揮される。図1における水洗に用いる水は極力C1の含有のない水を用いる方が望ましい。図1の本処理に用いる液(以下、本処理液〉は、水にりん酸アルミニウム(AlPO)を加え、さらにりん酸(HPO)を加えてAlPOを溶解して得られる。AlPOの重量濃度は、1〜10%の範囲が良く、濃度が10%を超えると溶解するために添加するHPOの濃度が増加し鋼材に対する酸侵食を招く恐れがある。一方、濃度が1%未満では、AlPOの補給が頻発するため施工性が低下する。また、溶媒に用いる水は、工業用水や水道水、蒸留水等を用いることができる。但し、水中に腐食を促進する恐れがあるClが含まれる場合は、極力これを除くことが好ましい。
本処理液を鋼材に接触させるには、浸漬やエアスプレー、刷け塗り等のいずれかの方法を用いても良い。なお、皮膜の形成メカニズムは十分解明されていないが、次のように考えられる。
本処理液中では、アルミニウムの第一りん酸塩(Al(HPO)とHPO,AlPOは下記式(1)のような平衡状態にある。鋼材を処理液に接触させると、下記式(2)に示すようにHPOはFeに作用して、その表面付近の溶液(式(1))ではHPO濃度が減少する。このため、式(1)に示す平衡式は右へ反応が進み、難溶性のA1POが鋼材表面に沈着し皮膜を形成すると考えられる。
A1(HPO(可溶)⇔2HPO(液体)+AlPO(難溶) …(1)
Fe+2HPO→Fe(HPO+H↑ …(2)
即ち、皮膜の形成は、HPOの鋼材腐食作用とA1(HPOの分解による難溶AlPOの生成沈着作用に基づくと考えられる。また、AlPOが生成する際、溶解したFeを含有し、Al,Fe,P,Oから成る膜を形成することも考えられる。したがって、本処理液におけるHPOとA1(HPOのモル濃度比率が本処理条件において重要であり、具体的には酸度比の調整が重要と考えられる。
ここで、「酸度比」とは、本処理液中の遊離りん酸(HPO)度のポイントに対する全りん酸(HPO及びA1(HPO)度のポイントの比率である。「ポイント」とはそれぞれ次に述べるものである。即ち、常温の処理液10ccに指示薬としてメチルオレンジ2〜3滴加えて、0.1規定水酸化ナトリウム(NaOH)で中和して、橙色に変色したときのNaOHの体積をcc単位で表した数が遊離りん酸度のポイントである。また、同一の液にフェノールフタレインを2〜3滴加えて、同様に中和して薄桃色に変色したときのNaOHの体積をcc単位で表した数が全酸度のポイントである。本処理液の酸度比の調整は、NaOH等の塩基性の水溶液を添加することにより可能である。
例えば、酸度比を増加すると、つまり、HPOを減少させると、式(1)の平衡を保つため、皮膜が形成しやすい状態の処理液が得られると考えられる。具体的な条件としては、酸度比の範囲は3.3〜5.7が望ましく、特に3.8〜5.4がよい。酸度比が3.3未満(HPOが多すぎる)では鋼材の腐食が激しすぎて皮膜形成が抑制されるために、酸度比が5.7を超える(HPOが少なすぎる)場合では鋼材の腐食作用が弱くて皮膜形成に長時間を要するためにともに好ましくなく、適当な酸度比範囲がある。
鋼材を本処理液と接触させる場合は、加熱した処理液を用いると式(2)の反応速度が上昇し、皮膜形成が促進されるため好ましい。本発明の皮膜を形成するためには、本処理液の温度が各々室温、30℃、40〜50℃の場合、鋼材の処理液への接触時間はそれぞれ、1000秒以上、180秒以上、30秒以上必要である。しかし、これ以下では鋼材の腐食作用が不十分であり、耐食性と耐腐食疲労性に優れた皮膜が得られない。なお、処理液の上限温度は、温度管理が高温ほど困難で亘つ維持コストも高くなるため、50℃以下が望ましい。
本処理以降は、図1の後処理に示したように、直ちに水洗(第1の表面処理例)してもよいし、乾燥後水洗(第2の表面処理例)してもよい。ここで、乾燥は付着した水分を除去するためであり、室温又は加熱した大気雰囲気中に放置してもよい。また、通常の乾燥炉を利用してもよい。更に、第2の表面処理例における第1の乾燥工程の温度は、50℃以下が望ましい。ここで、温度が50℃を超える場合、水分の蒸発速度が速すぎて、皮膜の緻密度が下がり皮膜強度が低下するため好ましくない。
このように処理された鋼材は、表面に形成した皮膜中Al成分の犠牲防食作用と、Al成分が酸化して不働態を形成する作用が期待できる。ここで、皮膜中のAl原子濃度は、鋼材表面に対しEDX(Energy Dispersive X−ray spectroscopy)装置を用いて表面から5μmの領域を元素分析し、ZAF補正(試料組成の違いによるX線発生量の違い(Z)、試料内でのX線吸収(A)、試料内で発生したX線による蛍光励起(F)の各補正)により定量分析した結果をもとに、Al原子数をA、鋼材の構成元素および本処理液を構成する元素の合計原子数をBとした場合、Bに対するAの比率(Al原子比率)の範囲は0.5%以上である必要があり、特に3%以上が望ましい。ここで、0.5%未満では、前述した犠牲防食作用と不働態形成作用がともに弱く、十分な耐食性と耐腐食疲労性は得られない。
本発明において、請求項1〜3中の「Fe,C,Al,P,Oと、選択的に加えられるSi,Mn,Crの合計原子数に対するAl原子数の割合」の測定は元素分析によるもので、鋼材の表面から5μmまでの深さ領域を分析すれば十分であり、この領域は、皮膜のみであってもよいし、皮膜と母材でもよい。また、「選択的に加えられるSi,Mn,Cr」とは、これらの原子が全く加えられない場合、あるいは少なくとも1つ以上の原子が加えられる場合を意味する。
本発明によれば、りん酸アルミニウムやりん酸、蒸留水はいずれも安価且つ容易に入手でき、上述のように処理も簡単であるため、低コストで表面処理が可能である。また、本処理液が弱酸であるため、鋼材から発生する水素量は極微量であり、水素脆化の心配がない。更に、すべての処理が50℃以下で行うため、材料強度の低下もほとんどない。
(実施例)
以下に実施例を示すが、本発明は特に本実施例に限定されるものではない。
直径φ4mm、長さ20〜80mmの鋼材SAE9254(Fe−0.56%C−1.42%Si−0.75%Mn−0.68%Cr)に対し、下記表1に示す条件で表面処理を行った。鋼材は、予めブラスト処理により、表面の強固で厚い酸化スケールを除去した材料を用いた。手順は、まず鋼材を蒸留水にて水洗後、アセトンにより脱脂を行い、その後希塩酸への浸漬により再度脱スケールする前処理を行った。次いで、被処理材を表1に示す条件で本処理液に浸潰させ、その後蒸留水で水洗を行い、自然乾燥させた(表1中の50℃乾燥の欄が無(記号:「−」)の条件)。酸度比の調整は、処理液に水酸化ナトリウム水溶液を添加して行った。また、浸漬後の乾燥は、必要に応じて、50℃に保持した大気雰囲気のオーブン中に放置して行った(表1中の50℃乾燥の欄が有の条件)。
本表面処理材を供試材として、鋼材表面のAl原子比率評価、耐食性評価および腐食疲労耐久性評価を行った。
Al原子比率は、EDX装置を用いて表面から5μmまでの領域を元素分析し、ZAF補正により定量分析を行った。評価は、定量分析結果をもとに、Al原子数をA、Fe,C,Al,P,Oと選択的に加えられるSi,Mn,Crの合計原子数をBとした揚合、Bに対するAの比率を算出し、同比率が3%以上であるものを「3以上」、0.5%以上3%未満であるものを「0.5−3」、0.5%未満であるものを「0.5未満」と表示した。
耐食性評価試験は、供試材を恒温恒温槽(26℃,95%RH)内に200時間放置して行った。評価は、200時間放置後における、全表面積に対するさびの発生面積の割合を目視で測定し、比較例1のさび発生面積比率Cを基準に、さび発生面積比率がCの80%未満を「最良」(耐食性が非常に優れる水準〉、80%以上90%未満を「良好」(耐金性が優れる水準)、90%以上を「不良」(耐食性が劣る水準)とした。
腐食疲労耐久性評価試験は、塩水噴霧下(35℃,5%NaCl)に30分放置した供試材を、大気中においてせん断応力τ=735±441MPaの条件で3000回加振し(1.5Hz,約33分間)、次いで恒温恒湿槽(26℃,95%RH)に約23時間放置する工程を、供試材が破断するまで繰り返した。評価は、比較例1の耐久回数Dを基準に、耐久回数がDの120%以上を「最良」〈耐腐食疲労性が非常に優れる水準)、110%以上120%未満を「良好」(耐腐食疲労性が優れる水準)、110%未満を「不良」(耐腐食疲労性が劣る水準)とした。
下記表1に結果を示す。比較例1の鋼材は無処理のものであり、耐食性および耐腐食疲労性評価の基準となる。
Figure 2007023337
比較例2,3及び実施例1〜6の鋼材は、図1(B)の第2の表面処理例に則り、室温の処理液に180秒浸漬後、50℃の大気雰囲気で加熱乾燥(第1の乾燥工程)し、次いで水洗後再度自然乾燥(第2の乾燥工程)を行ったものであり、このとき処理液の酸度比を2.0〜5.7に変化させて作製したものである。酸度比が3.3〜5.7の範囲である実施例1〜6ではAl原子比率が「0.5−3」または「3以上」であり、特に酸度比が3.8〜5.4の範囲である実施例2〜5では、Al原子比率がすべて「3以上」である。しかし、酸度比が2.5以下である比較例2,3ではA1原子比率がいずれも「0.5未満」である。
また、酸度比が3.3〜5.7の範囲である実施例1〜6では耐食性および耐腐食疲労性が「良好」(優れる水準)または「最良」(非常に優れる水準)であり、特に酸度比が3.8〜5.4の範囲である実施例2〜5では、耐食性および耐腐食疲労性がすべて「最良」(非常に優れる水準)である。しかし、酸度比が2.5以下である比較例2,3では耐食性、耐腐食疲労性がいずれも「不良」(劣る水準)である。
実施例7〜10の鋼材は、図1(B)の第2の表面処理例に則り、酸度比を4.7とした室温の処理液に浸漬後、50℃の大気雰囲気で加熱乾燥し、次いで水洗後再度自然乾燥を行ったものであり、このとき浸漬時間を5〜1000秒の間で変化させて作製したものである。これらすべての実施例で、Al原子比率が「0.5−3」または「3以上」であり、特に浸漬時間360秒以上である実施例8〜10ではAl原子比率がすべて「3以上」である。また、これらすべての実施例で、耐食性および耐腐食疲労性が「良好」(優れる水準)または「最良」(非常に優れる水準)であり、特に浸漬時間360秒以上である実施例9,10では耐食性、耐腐食疲労性がすべて「最良」(非常に優れる水準)である。
比較例4〜7および実施例11の鋼材は、図1(A)の第2の表面処理例に則り、酸度比を4.7とした室温の処理液に浸漬後、水洗、自然乾燥したものであり、このとき浸漬時間を5〜1000秒の閉で変化させて作製したものである。浸漬時間が1000秒である実施例11ではAl原子比率が「3以上」であるが、浸潰時間が360秒以下である比較例4〜7では、A1原子比率がいずれも「0.5未満」である。また、浸漬時間が1000秒である実施例11では耐食性、耐腐食疲労性が「最良」(非常に優れる水準)であるが、浸潰時間が360秒以下である比較例4〜7では、耐食性、耐腐食疲労性がいずれも「不良」(劣る水準)である。
比較例8,9および実施例12〜14の鋼材は、図1(A)の第2の表面処理例に則り、酸度比を4.7とした30℃の処理液に浸漬後、水洗、自然乾燥したものであり、このとき浸漬時間を5〜1000秒の間で変化させて作製したものである。浸漬時間180秒以上である実施例12〜14では、Al原子比率が「0.5−3」または「3以上」であり、特に浸漬時間が1000秒である実施例14ではAl原子比率が「3以上」である。しかし、浸漬時間が30秒以下である比較例8,9ではAl原子比率がいずれも「0.5未満」である。また、浸漬時間180秒以上である実施例12〜14では、耐食性、耐腐食疲労性が「良好」(優れる水準)または「最良」(非常に優れる水準)であり、特に浸漬時間が1000秒である実施例14では耐食性、耐腐金疲労性が「最良」(非常に優れる水準)である。しかし、浸漬時間が30秒以下である比較例8,9では耐食性、耐腐食疲労性がいずれも「不良」(劣る水準)である。
比較例10,11および実施例15〜22の鋼材は、図1(A)の第2の表面処理例に則り、酸度比を4.7とした40℃または50℃の処理液に浸漬後、水洗、自然乾燥したものであり、このとき浸漬時間を5〜1000秒の間で変化させて作製したものである。浸漬時間30秒以上である実施例15〜22では、Al原子比率がいずれも「3以上」である。しかし、浸漬時間が5秒である比較例10,11では、Al原子比率がいずれも「0.5未満」である。また、浸漬時間30秒以上である実施例15〜22では耐食性および耐腐食疲労性が「良好」(優れる水準)または「最良」(非常に優れる水準)であり、特に浸漬時間が180秒である実施例16〜18および実施例20〜22では耐食性、耐腐食疲労性がともに「最良」(非常に優れる水準)である。しかし、浸漬時間が5秒である比較例10,11では、耐食性、耐腐食疲労性がいずれも「不良」(劣る水準)である。
以上、上記実施例ではばね鋼について述べたが、これらの実施内容はボルトや各種鉄系構造物等にも便用できる。
なお、この発明は、上記実施例のような直径、長さを有した鋼材SAE9254に限定されるものではなく、他の鋼材でも実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で適用可能である。具体的には、少なくともFe,Cを含み、必要に応じてSi,Mn,Crの少なくともいずれか1つ以上が任意に加えられる鋼材全てに適用できる。又、表面処理条件(例えば、浴温、浸漬時間)も上記実施例に記載されたものに限らず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせることができる。
図1は本発明に係る表面処理法の代表的な例を示す説明図である。
符号の説明
1…水洗工程、2,2a,2b…乾燥工程。

Claims (10)

  1. 鋼材の表面に皮膜を有し、該皮膜の平均組成において、Fe,C,Al,P,Oと、選択的に加えられるSi,Mn,Crの合計原子数に対するAl原子数の割合が0.5%以上であり、且つ前記皮膜の平均組成におけるA1原子数が表面処理前の鋼材の平均組成におけるA1原子数より高いことを特徴とする耐食性と耐腐食疲労性に優れた鋼材。
  2. 鋼材の表面に皮膜を有し、前記鋼材の表面から5μmまでの深さの領域における平均組成において、Fe,C,Al,P,Oと、選択的に加えられるSi,Mn,Crの合計原子数に対するAl原子数の割合が0.5%以上であり、且つ前記皮膜の平均組成におけるA1原子数が表面処理前の鋼材の平均組成におけるA1原子数より高いことを特徴とする耐食性と耐腐食疲労性に優れた鋼材。
  3. Fe,C,Al,P,Oと、選択的に加えられるSi,Mn,Crの合計原子数に対するAl原子数の割合が3%以上であることを特徴とする請求項2記載の耐食性と耐腐食疲労性に優れた鋼材。
  4. 鋼材の表面に、酸度比の範囲が3.3〜5.7であるAlイオンを含む室温の水溶液を接触させた後水洗し、次いで乾燥を行うことを特徴とする鋼材の表面処理方法。
  5. 鋼材の表面に、酸度比の範囲が3.3〜5.7であるAlイオンを含む室温の水溶液を接触させた後乾燥し、次いで水洗後再度乾燥することを特徴とする鋼材の表面処理方法。
  6. Alイオンを含む40〜50℃の水溶液を30秒以上接触させることを特徴とする請求項4または5に記載の鋼材の表面処理方法。
  7. Alイオンを含む30℃の水溶液を180秒以上接触させることを特徴とする請求項4または5に記載の鋼材の表面処理方法。
  8. Alイオンを含む室温の水溶液と接触させた後、水洗前に行う乾燥を50℃以下で行うことを特徴とする請求項5に記載の鋼材の表面処理方法。
  9. Alイオンを含む水溶液の酸度比の範囲が3.8〜5.4であることを特徴とする請求項4〜8のいずれかに記載の鋼材の表面処理方法。
  10. りん酸アルミニウムの重量濃度の範囲が1〜10%の水溶液で、酸度比の範囲が3.8〜5.4としたものを表面処理液とする請求項4〜8のいずれかに記載の鋼材の表面処理方法。
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