JP2008266708A - ステンレス鉄筋およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリート構造物の塩害に対する耐久性を向上させるとともに、弾性比例限、耐力及び見かけ上のヤング率を向上させ、普通鉄筋と同様な構造計算を可能にし、経済的にも優れているステンレス鉄筋を提供する。
【解決手段】質量%で、Ｃ≦０．１５％、Ｓｉ≦２．０％、Ｍｎ≦２．０％、Ｐ≦０．０５％、Ｓ≦０．０３％、Ｃｒ：8．０ 〜１３．５％、Ｎ≦０．１５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、弾性比例限が２０ ０MPa以上、０．２％耐力が２９５MPa以上であることを特徴とするステンレス鉄筋およびその製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンクリート構造物中での耐久性に優れた鉄筋に関するものである。

具体的には、弾性比例限の高いクロム系ステンレス鉄筋とその製造方法に関する。

従来、鉄筋用鋼としてはＳＤ２９５鋼、ＳＤ３４５鋼、ＳＤ３９０鋼などが用いられてきた。このような普通鋼鉄筋は、コンクリート中の塩化物イオンが侵入した場合や、コンクリートが中性化した場合に容易に発銹する。コンクリート中の鉄筋に錆が発生すると、この錆によって体積膨張するために、コンクリートにひびが入り崩落することや、鉄筋自身が減肉し強度を保てなくなるためコンクリート構造物の耐久性を大きく損なうことになる。

その対策として、次に述べるような種々の防食鉄筋が提案されている（特許文献１〜４）。

特許文献１に記載された発明は非磁性（透磁率２０以下）、で高強度の鉄筋であることを特徴とするものである。

特許文献２に記載された発明は優れた耐食性と曲げ加工性を特徴とするものである。しかし、Ｃｒ含有量が５％以下の場合には海岸や融雪塩を多量に散布する塩害地域では十分な耐食性を得ることができないという問題がある。

特許文献３に記載された文献は優れた耐食性、強度、延性を有する１３Ｃｒ系ステンレス鋼（SUS４１０系）を経済的に製造する方法に特徴を持つものである。

特許文献４に記載された文献はＣｒ量が５．０％以上で、かつ少量のＣｏを含有することで優れた耐食性をもつことを特徴とするものである。

また、現在，塩化物イオンに対する耐食性を有すると考えられている鉄筋としては，エポキシ樹脂被覆鉄筋と亜鉛めっき鉄筋がある。エポキシ樹脂被覆鉄筋は，塗膜によって鉄筋を保護するものであるが，運搬や施工時において塗膜に疵が付きやすく，施工時に生じた疵や溶接部については現地で補修する必要がある。また曲げ加工の際に，疵を生じない特殊な加工機が必要になることや疵を防止するために鉄筋を曲げ加工した後に樹脂を被覆するなど多大な労力を要し，取扱いに問題が多い。また，塗膜表面は節やリフ゛においても素材表面に比べて滑らかであるため，コンクリートとの付着強度を高めるには限界がある。

この他に、亜鉛めっきを施した鉄筋は，亜鉛の犠牲防食作用で下地の鉄筋の発錆を抑制するものであるが，下地の発錆までの時間が亜鉛の目付け量に依存するため 恒久的な防食性能は期待できない。また，亜鉛めっきの腐食生成物がコンクリート構造物の耐久性にどのような影響を与えるか不明な点も多い。

このように、これまで優れた耐食性を持つ鉄筋は多く提案されている。しかし、クロム系のステンレス鋼は普通鋼のように降伏点を示さないために、弾性比例限（見かけ上のヤング率）が低い傾向を示す。このためクロム系ステンレス鋼では普通鋼と同じ構造計算が行えないという課題がある
特開昭５４−１１９３２０号公報 特開昭６２−１８８７５４号公報 特開平４−２６７１９号公報 特開２００２−２１２６８２号公報

本発明は、優れた耐食性を有し、かつ、高い弾性比例限、耐力を有するクロム系ステンレス鋼鉄筋およびその製造方法を提供することを課題とする。

本発明は前記課題を解決するためになされたもので、種々検討した結果、Ｃｒ量が８．０〜１３．５％のステンレス鋼で、熱間圧延にて製造後、３００〜６００℃で熱処理を行うことにより、弾性比例限及び耐力が向上し、かつ耐食性や経済的にも優れたクロム系ステンレス鋼鉄筋が得られることを見出した。

すなわち、本発明の要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）質量%で、Ｃ≦０．１５％、Ｓｉ≦２．０％、Ｍｎ≦２．０％、Ｐ≦０．０５％、Ｓ≦０．０３％、Ｃｒ：8．０〜１３．５％、Ｎ≦０．１５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、弾性比例限が２００MPa以上、０．２％耐力が２９５MPa以上であることを特徴とするステンレス鉄筋。
（２）さらに、質量％で、Ni≦１．０％を含有することを特徴とする（１）に記載のステンレス鉄筋。
（３）さらに、質量％で、Mo≦1．０％を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載のステンレス鉄筋。
（４）表面が脱スケールされていることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか一項に記載のステンレス鉄筋。
（５）熱間圧延にて製造後、温度：３００〜６００℃、時間：2分以上の熱処理を行うことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか一項に記載のステンレス鉄筋の製造方法。

以下に、先ず、本発明の請求項１記載の限定理由について説明する。
＜C：０．１５％以下＞
Ｃはオーステナイト安定化元素である。オーステナイト相は、熱間加工後にマルテンサイト組織を生じて強度を向上させる。しかしながら、０．１５％以上では硬くなりすぎ、靭性が劣化する。そのため、上限を０．１５％とした。また、Ｃは鋼の強度を確保させるため０．００１％以上が好ましい。好ましくは０．００２〜０．０３％である。
＜Ｓｉ：２．０％以下＞
Ｓｉは脱酸剤として作用し、耐酸化性を向上させるにも有効な元素であるので０．１％以上含有させるが、必要以上の含有は硬くなり靭性を劣化させることに加え、フェライト相の生成が多くなって溶接部の靭性が不足するなどがおこるため、２．０％を上限とした。好ましくは０．２〜０．４％である。
＜Mｎ：２．０％以下＞
ＭｎもＣと同様にオーステナイト相生成元素であるが、２．０％以上になると鋼中の介在物が多くなり、耐食性が劣化する。また、０．１％より少ないと強度不足となることがある。好ましくは０．２〜１．０％である。
＜P：０．０５％以下＞
Ｐは含有量が多いと熱間加工性を低下させるため０．０５％を上限とした。好ましくは０．０４％以下である。
＜S：０．０３％以下＞
ＳはＭｎと結合してＭｎＳを形成し、発銹起点となる。またＳは結晶粒界に偏析して、粒界脆化を促進する有害元素でもあるので、その上限を０．０３％とした。好ましくは０．０２％以下である。
＜Cr：８．０〜１３．５％＞
Ｃｒは本発明における耐食性発現成分として、重要な元素である。本発明で、コンクリート中において塩化物イオン濃度に対する耐食性を確保するためには少なくとも８．０％以上のＣｒが必要である。一方、Ｃｒ量が１３．５％以上となると耐食性は良好になるものの、フェライト相の生成が多くなって、溶接部の靭性が不足することや、コストアップに繋がる、好ましくは１０．５〜１３．５％である。
＜Ｎ：０．１５％以下＞
Ｎはオーストナイト相および窒化物の生成元素であり、強度を高めるが、耐食性や靭性を劣化させるために上限を０．１５％とした。また、鋼の強度を確保するために、０．００１％以上が好ましい。好ましくは０．００５〜０．０３％である。
＜弾性比例限：２００ＭＰa以上＞
弾性比例限は荷重を除荷後、もとの寸法に戻る限度（最大）の応力であり、かつ応力とひずみが直線的に上昇する限度（最大）の応力である。この弾性比例限が高くなると、鉄筋を使用する上で重要な因子である見かけ上のヤング率についても向上する。ここで「見かけ上のヤング率」とは、応力−ひずみ曲線において、耐力（降伏点、０．２％耐力）と原点を結んだ直線の傾きのことをいう。圧延ままのクロム系ステンレス鋼ではこの弾性比例限（見かけの上のヤング率）が低く、引張強度に達するまで荷重が徐々に増加していく。しかし、熱処理を行うことにより、弾性比例限及び見かけ上のヤング率が上昇する。弾性比例限（見かけ上のヤング率）が高いとコンクリート中の鉄筋に歪がかかる応力を計算する際により普通鋼と同様の計算方法で、明確かつ正確に構造計算を行うことができる。この値が低いコンクリート中の鉄筋が外部からの非常に大きな歪みを受けると変形しやすく、歪を受ける前の形状に戻りにくくなるという難点があるものの、その下限値は明確にされていない。そこで、下限値はＳＵＳ４１０L成分の圧延まま材の弾性比例限の上限を超える２００MPaとした。
＜０．２％耐力：２９５ＭＰa以上＞
０．２％耐力は構造物の強度を決める上で重要な値である。この値が低いと構造用（主筋サイス゛）の鉄筋として不適である。主筋用として使用可能な耐力は２９５MPa以上必要である。好ましくは３４５MPa以上である。

本発明の請求鋼２に記載の限定理由について述べる。
＜Ni：１．０％以下＞
Ｎｉは耐食性を向上させるのに有用元素であるが、１．０％以上添加するとコストアップが大きくなる。また、靭性を高めるために０．０１％以上が好ましい。好ましくは０．０５〜０．６％である。

本発明の請求鋼３に記載の限定理由について述べる。
＜Ｍｏ：１．０％以下＞
ＭｏはＣｒと同様に耐食性を向上させるのに有効な元素であり０．０１％以上の添加により安定した効果が得られる。しかし、多量に添加させると、コストアップに繋がるために上限を1．０％とした。好ましくは０．０5〜１．０％である。
また、請求項４に記載のように、表面を、例えば塩酸水溶液や硫酸水溶液を用いて酸洗し、もしくは、機械的手段を用いて脱スケールすることにより、表面性状に優れたステンレス鉄筋を提供できる。

本発明の請求項５に記載の限定理由について述べる。
＜熱処理条件：温度３００〜６００℃ 時間2分以上＞
熱処理温度については３００℃以下で行うと、時効硬化によるＣ，Ｎによる転位の固着が起こらず、弾性比例限、０．２％耐力の向上が見られない。また６００℃以上であると鋼の軟化が起こり、熱処理を行っていないものと同程度の強度になることから６００℃を上限の温度とした。好ましくは４００〜５００℃である。熱処理時間については２分未満であると、時効硬化による強度の上昇が見られない。また１００分を超えると、生産性が低下する。好ましくは2〜１００分である。
図１に熱処理温度と弾性比例限、耐力の関係を示す。試験片は成分（０．０１％C−０．３％Ｓｉ−０．４％Ｍｎ−０．０２％Ｐ−０．００３％Ｓ−１１．７％Ｃｒ−０．０１％Ｎ）、Φ１９、２５のものを用い、熱処理時間を２０分として熱処理を行った。３００℃〜６００℃の温度範囲で弾性比例限、耐力の上昇が見られる。また６００℃で熱処理を行っても熱処理を行う前の強度と同程度になることがわかる。この結果から熱処理温度を３００〜６００℃の範囲とした。

図２に熱処理時間と弾性比例限、０．２％耐力の関係を示す。熱処理時間は設定温度に到達してからの時間である。図２の試験では成分（０．０１％C−０．３％Ｓｉ−０．４％Ｍｎ−０．０２％Ｐ−０．００３％Ｓ−１１．７％Ｃｒ−０．０１％Ｎ）、Φ２５の試験片を用い、熱処理温度４００℃で試験をおこなった。熱処理時間が１分と非常に短い時間であると、強度（弾性比例限、０．２％耐力）上昇は見られないが、２分以上の熱処理を行うと弾性比例限、耐力ともに４００ＭＰａ以上となり、大幅な上昇が見られた。しかし、その強度上昇は長時間側で飽和した状態になってくる。約１２０分の熱処理を行っても約３０分の値と比べて大きな強度上昇はなく、長時間の熱処理では製造コストの上昇や製造効率が悪化することから、上限は１００分が好ましい。

以下に本発明の実施例について説明する。

表1に本発明の実施例の化学成分と熱処理条件、熱処理後の弾性比例限、耐力の評価結果を示す。

これら化学成分の鋼は５０ｋｇ鋼塊を真空溶解した。ついで、鋼塊の表面５ｍｍを研削したのち、１２００℃−１時間の焼鈍を施し、９００℃における熱間圧延によって１９Φと２５Φの異形棒鋼とした。
弾性比例限、０．２％耐力はＪＩＳＺ２２４１：１９９８により、鉄筋の引張試験を実施し、弾性比例限、０．２％耐力を測定した。本発明鋼の弾性比例限は２００ＭＰa以上、０．２％耐力は２９５ＭＰａ以上であった。
一方、比較例Ｎｏ．２１〜３５は本発明に比べ、以下に示す点が劣っていた。
Ｎｏ．２１はＣ量が高いために靭性が劣化した。
Ｎｏ．２２はＳｉが高いために素地の靭性が劣化するとともに、フェライト相の生成が多くなって溶接部の靭性が劣化した。
Ｎｏ．２３はＭｎが高いため、鋼中の介在物が多くなり、耐食性が劣化した。
Ｎｏ．２４はＰが高いため、熱間加工性が劣化し、製造上問題があった。
Ｎｏ．２５はＣｒが低いため、十分な耐食性が得られなかった。
Ｎｏ．２６はＳが高いため、鋼中のＭｎと結合してＭｎＳとなり耐食性を劣化させた。
Ｎｏ．２７はＣｒが高いため、フェライト相の生成が多くなって、溶接部の靭性が不足することや、コストアップに繋がる。
Ｎｏ．２８はＮが高いため、靭性、耐食性が劣化した。
Ｎｏ．２９はＮｉが高いため、コストアップに繋がる。
Ｎｏ．３０はＭｏが高いとコストアップに繋がるとともに、今回の試験では熱処理後の耐力が下限を下回った。
Ｎｏ．３１は熱処理時間が短いために、熱処理による強度上昇を得られなかった。
Ｎｏ．３２は熱処理時間を長時間にしたものの、強度の上昇は短い時間と比べても大きく変化はなく、製造効率を悪化させた。
Ｎｏ．３３は熱処理温度を行わなかったために、弾性比例限を満足しなかった。
Ｎｏ．３４は熱処理温度が低いために、熱処理による弾性比例限の上昇が得られなかった。
Ｎｏ．３５は熱処理温度が高いために、熱処理により、鋼の軟化が起こり、弾性比例限の上昇が得られなかった。

以上の実施例から分かるように本発明例に優位性は明らかであり本発明の効果が確認された。

以上の説明から明らかなように、本発明により高い弾性比例限と耐力をもつクロム系ステンレス鉄筋の提供が可能であり、耐久性と強度に優れた鉄筋コンクリート建築構造物を設計・施工する上で極めて有用である。

熱処理温度と弾性比例限、耐力の関係を示す図である。 熱処理時間と弾性比例限、耐力の関係を示す図である。

Claims (5)

1. 質量%で、
   Ｃ≦０．１５％、
   Ｓｉ≦２．０％、
   Ｍｎ≦２．０％、
   Ｐ≦０．０５％、
   Ｓ≦０．０３％、
   Ｃｒ：8．０〜１３．５％、
   Ｎ≦０．１５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、
   弾性比例限が２００MPa以上、０．２％耐力が２９５MPa以上であることを特徴とするステンレス鉄筋。
2. さらに、質量％で、Ni≦１．０％を含有することを特徴とする請求項１に記載のステンレス鉄筋。
3. さらに、質量％で、Mo≦1．０％を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のステンレス鉄筋。
4. 表面が脱スケールされていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のステンレス鉄筋。
5. 熱間圧延にて製造後、温度：３００〜６００℃、時間：2分以上の熱処理を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のステンレス鉄筋の製造方法。
   

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