JP2010163643A

JP2010163643A - 耐候性に優れた構造用鋼材

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Publication number: JP2010163643A
Application number: JP2009005249A
Authority: JP
Inventors: Isamu Kage; 勇鹿毛; Shinichi Miura; 進一三浦; Masaji Murase; 正次村瀬; Toshiyuki Hoshino; 俊幸星野
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-01-14
Also published as: JP5446278B2

Abstract

【課題】海岸付近または凍結防止剤が散布される地域等、飛来塩化物が多い地域に建設される橋梁や鉄塔などの、塩化物が関与した腐食環境の溶接構造物に用いて好適な構造用鋼材を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．７％以下、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｐ：０．０３％未満、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０３〜１．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｚｒ：０．０１〜１．０％、且つ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａの１種または２種以上をそれぞれ０．０３〜１．０％含有し、残部が実質的にＦｅからなる耐候性に優れた構造用鋼材。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造用鋼材、特に、海岸付近または凍結防止剤が散布される地域等、飛来塩化物が多い地域に建設される橋梁や鉄塔などの、塩化物が関与した腐食環境の溶接構造物に用いて好適なものに関する。

橋梁などの鋼構造物は、その実用期間が数十年に及ぶため、その多くは塗装等の防食処置を施す必要がある。塗装は、防食効果の高い手段であるが、時間の経過と共に塗膜が劣化して防食機能が低減するため、定期的な補修を必要とする。

近年、人件費の高騰や塗装工の減少などにより、その補修が困難になりつつあり、橋梁などの鋼構造物に、耐候性鋼が適用される例が増えている。

耐候性鋼は、大気暴露環境において、銅、りん、クロムなどの合金元素が濃化した防食性の高いさび層に覆われることにより、腐食速度が著しく低減する鋼材である。その耐候性の高さのため、耐候性鋼を使用した橋梁は、しばしば無塗装のまま数十年間の供用に耐えることが知られている。

しかし、海岸地域のように飛来塩分が多い環境では、大気暴露環境での用途を想定した耐候性鋼のさび層の保護性は低く、こうした環境における耐候性を改善するため、銅、りん、クロム、タングステンなどの有効元素を多量に添加した耐候性鋼が開発されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４）。

一方、建設省は、耐候性鋼を日本国内各所に暴露腐食試験した結果から、耐候性鋼を無塗装で使用可能な地域として、飛来する塩分量が０．０５ｍｄｄ（ｍｇ／ｄｍ^２／ｄａｙ）以下の地域に限るという指針を提示している。

このような環境においては、特許文献１〜４に記載された耐候性鋼は無塗装使用するのに十分な耐候性を有していないため、海岸地域における耐候性を改善するため、クロムやニッケルなどの元素を多量に添加して、飛来塩分が比較的に多い環境における耐候性に優れた鋼が特許文献５、特許文献６などに開示されている。

また、塩分の多い環境においては、クロムは穴あき腐食を助長することを見出して、クロムを含まないＮｉ−Ｍｏ系成分の耐候性鋼が特許文献７、特許文献８に開示されている。

特公昭５１−２８０４８号公報特公昭５７−１０９４１号公報特開平３−１５８４３６号公報特開平４−６２４５号公報特開平７−２０７３４０号公報特開平７−２４２９９３号公報特開平８−１３４５８７号公報特開平１１−２１６２２号公報

しかしながら、特許文献５、特許文献６記載のクロムを多量に含有する鋼は、低温割れなどの溶接欠陥が生じやすく、予熱を実施するなどの溶接欠陥を防止する処置が必要である。橋梁などの屋外構造物の場合、予熱や溶接欠陥の検査などの現場作業は困難であり、建設コストが増加するなどの弊害が生じる。

また、ニッケルを多量に含有しているので、焼入れ性が増大し、通常の熱間圧延によっては、ベイナイト組織が析出し、靭性が不十分で、実用的な溶接性と靭性を有する鋼を製造することが困難である。

特許文献７、特許文献８記載の耐候性鋼は、Ｎｉ−Ｍｏ系成分で高価な合金元素であるＮｉ、Ｍｏを多量に含むために鋼材コストが著しく上昇する。

上述したように、飛来塩分量が０．０５ｍｄｄ以上の地域において、安価な成分組成で実用的な耐候性と溶接性を有する構造用鋼を製造することは不可能であった。

そこで、本発明は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏなど高価な元素を大量に使用しない安価な成分組成で、０．０５ｍｄｄ以上０．５ｍｄｄ未満の塩分が飛来する環境において優れた耐候性を備えた構造用鋼を提供することを目的とする。

本発明者らは、耐候性の評価において重要な流れさび抑制の観点から鋼材の成分組成について鋭意検討し、耐候性を向上させる元素がＣとの比において一定以上含有することが効果的なことを知見した。

本発明は、上記知見を基に更に検討を加えてさなれたもので、すなわち、本発明は、
１．質量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．７％以下、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｐ：０．０３％未満、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０３〜１．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｚｒ：０．０１〜１．０％、且つ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａの１種または２種以上をそれぞれ０．０３〜１．０％含有し、下記（１）式、（２）式を満たし残部が実質的にＦｅからなる耐候性に優れた構造用鋼材。
Σ＝（Ｖ／４＋Ｍｏ／８＋Ｗ／１５＋Ｔｉ／４＋Ｎｂ／８＋Ｔａ／１５＋Ｚｒ／８）／Ｃ＞１・・・（１）
Ｐｃｍ（％）＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ＜０．２５・・・（２）
但し、（１）、（２）式において各元素は含有量とし、含有しない元素は０とする。
２．更に、成分組成として、総量が、質量％で０．１％以下となる、Ｓｂおよび／またはＳｎを含有することを特徴とする、１記載の耐候性に優れた構造用鋼材。

本発明によれば、飛来塩分量が０．０５ｍｄｄを超える環境においても良好な耐候性を有し、且つ安価で構造用鋼として大量に使用が可能な鋼が得られ、産業上極めて有用である。

板厚減少量に及ぼすパラメータ式：Σ＝（Ｖ／４＋Ｍｏ／８＋Ｗ／１５＋Ｔｉ／４＋Ｎｂ／８＋Ｔａ／１５＋Ｚｒ／８）／Ｃの影響を示す図。

［成分組成］説明において％は質量％とする。

Ｃ
Ｃは、所定の強度を確保するために添加するが、０．１５％を超えると溶接性および靭性が劣化するので、Ｃ含有量を０．１５％以下とした。

Ｓｉ
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤および強度向上元素として添加するが、０．７％を超えて過剰に添加すると靭性が著しく低下する。従って、Ｓｉ含有量は、０．７％以下とした。

Ｍｎ
Ｍｎは、所定の強度を確保するために０．２％以上添加する必要がある。しかし、１．５％を超えて過剰に添加するとベイナイト組織が生じやすくなり、機械的特性、特に、靭性が劣化する。従って、Ｍｎ含有量は、０．２〜１．５％の範囲内とした。

Ｐ
Ｐは、使用初期のさび層が薄い段階では、水にリン酸イオンとして溶解してさび層外に出やすい。さび層外に出たリン酸イオンは鉄の２価イオンをさびとして沈殿させやすく、橋脚を汚損させる原因となる。従って、Ｐ含有量は、流れさび抑制の観点から０．０３％、好ましくは０．０２％以下に制限する。

Ｓ
Ｓは、溶接性および靭性に有害な元素である。従って、Ｓ含有量は、０．０２％以下とした。

Ｃｕ
Ｃｕは、耐候性を向上させる効果があるため、０．０５％以上添加する。一方、１．０％を超えると経済的に不利のため、０．０５〜１．０％とする。

Ｎｉ
Ｎｉは、Ｍｏとの共存により塩分の多い環境における耐候性を向上させる効果がある。また、さびの早期安定化に寄与して流れさびを抑制する効果も有するため、０．０５％以上添加する。一方、ニッケルを多量に含有する鋼は、経済性の点で不利であり、また、ベイナイト組織が生じやすくなり、機械的特性、特に靭性が劣化するため、１．０％以下とする。

Ｃｒ
Ｃｒは、耐候性を向上させる効果があるため、０．０３％以上添加する。しかし、Ｃｒを多く含むと、本発明鋼の対象とする塩分の多い環境においては、穴あき腐食を助長する。また、溶接部の硬さを増して低温割れを助長して溶接性を著しく劣化させる。そのため、１．０％以下、好ましくは０．５％以下に規制することが重要である。

Ａｌ
Ａｌは、製鋼時の脱酸剤として０．０１％以上添加するが、過剰に添加すると、腐食の起点となる介在物が生じやすくなるので、０．１％以下とした。

Ｚｒ
Ｚｒは、耐候性を向上させる効果があるため，０．０１％以上添加する。ただし，Ｚｒを多く含むと溶接部の硬さを増して低温割れを助長して溶接性を著しく劣化させる。従って、Ｚｒ含有量は、０．０１から１．０％とした。好ましくは０．５％以下に規制することが重要である。

Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａの一種または二種以上
Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａは一種または二種以上を添加する。各々の添加量が０．０３％未満では耐候性改善効果はほとんど見られないため、０．０３％以上とする。一方、１．０％を超えるとその効果が飽和するため、添加する場合は、０．０３〜１．０％とする。

Ｓｂおよび／またはＳｎ
本発明では、更に耐候性を向上させるために、総量が、質量％で０．１％以下となる、Ｓｂおよび／またはＳｎを含有することが可能である。Ｓｂおよび／またはＳｎは母材靭性およびＨＡＺ部靭性を劣化させるため、総量で、質量％で０．１％以下とする。

Σ＝（Ｖ／４＋Ｍｏ／８＋Ｗ／１５＋Ｔｉ／４＋Ｎｂ／８＋Ｔａ／１５＋Ｚｒ／８）／Ｃ、但し、各元素は含有量（ｍａｓｓ％）で、含有しないものは０とする。

本パラメータ式（Σ）は、上記成分範囲の鋼を耐候性に優れたものとするもので、Σ＝（Ｖ／４＋Ｍｏ／８＋Ｗ／１５＋Ｔｉ／４＋Ｎｂ／８＋Ｔａ／１５＋Ｚｒ／８）／Ｃ＞１とする。

図１に、板厚減少量に及ぼす本パラメータ式（Σ）の影響を示す。Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａの耐候性に与える効果の詳細は、明らかではないが、Ｃ含有量と一定の関係が認められ、Ｖ／４＋Ｍｏ／８＋Ｗ／１５＋Ｔｉ／４＋Ｎｂ／８＋Ｔａ／１５＋Ｚｒ／８が、Ｃ含有量を超えると、飛躍的に向上するため、Σ＞１とする。尚、図１は、後述する実施例における発明例と比較例とについて、Σと板厚減少量（ｍｍ）との関係をグラフ化したものである。この結果から、板厚減少量が０．０３ｍｍ以下となるには、Σ＞１であることが必須となることが分かる。

Ｐｃｍ（％）＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ＜０．２５
Ｐｃｍは、構造用鋼として使用が容易なように、溶接施工時の予熱温度を５０℃以下とするため０．２５以下とする。但し、各元素は含有量（ｍａｓｓ％）で、含有しないものは０とする。

なお、残部が実質的にＦｅからなるとは、本発明の効果を阻害しない範囲で不可避不純物、その他の元素を含有してもよいことを意味する。

本発明では、通常の連続鋳造や分塊法により得られたスラブを熱間圧延することにより厚板や形鋼等の鋼材に製造される。加熱、圧延条件は、要求される材質に応じて適宜決定すればよく、制御圧延、加速冷却、あるいは再加熱熱処理等の組み合わせも可能である。

表１に示す成分組成の鋼塊を溶製し、１２００℃に加熱して熱間圧延を開始し、９５０℃以下で３０％の累積圧下率にて８５０℃で圧延を終了し室温まで空冷して、厚さ２５ｍｍの鋼板を製造した。

得られた各鋼板を１５０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍ、表面△△△仕上げの試験片に加工し、年間飛来塩分量０．１ｍｄｄの海岸に１年間暴露した。暴露終了後、試験片を塩酸にヘキサメチレンテトラミンを加えた水溶液に浸漬して脱さびしてから重量を測定し、初期重量との差を求めて平均板厚減少量に換算した。

また、溶接性の評価としてｙ形溶接割れ試験を実施した。試験は試験ビードはＣＯ_２溶接で、３０°−８０％の雰囲気で実施し、溶接割れ防止予熱温度は室温を本発明の目標とした。

耐候性鋼を無塗装で橋梁に適用する場合、腐食環境が厳しい内桁も含めて５０年間の平均板厚減少量が０．３ｍｍ以下であることが要求される（実施例の暴露形式では１年間の平均板厚減少量が０．０３０ｍｍ以下に相当する）。０．０３ｍｍ以下を本発明範囲とした。

暴露試験結果と溶接割れ防止温度を表２に示す。試験Ｎｏ．１〜８の本発明鋼Ａ〜Ｏは、すべて、平均板厚減少量が０．０３ｍｍ以下、溶接割れ防止予熱温度は室温であり、優れた耐候性と良好な溶接性を有していることが確認された。

一方、成分組成が本発明範囲外の試験Ｎｏ．９〜２３の比較鋼Ｉ〜Ｗは、平均板厚減少量が０．０３ｍｍ超えで、試験Ｎｏ．１０、１３、１５、１８、２０〜２３の比較鋼Ｊ、Ｍ、Ｏ、Ｒ、Ｔ〜Ｗは溶接割れ防止予熱温度が１００℃と高く、溶接性も劣っていた。

表３に示す成分組成の鋼塊を溶製し、実施例１の製造条件に準じて厚さ２５ｍｍの鋼板を製造した。尚、いずれの溶鋼も請求項２記載の本発明範囲内の成分組成とした
得られた各鋼板について実施例１に準じて、平均板厚減少量と溶接割れ防止予熱温度を求めた。

暴露試験結果と溶接割れ防止温度を表４に示す。試験Ｎｏ．１〜６のいずれも、すべて、平均板厚減少量が０．０３ｍｍ以下、溶接割れ防止予熱温度は室温であり、優れた耐候性と良好な溶接性を有していることが確認された。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．７％以下、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｐ：０．０３％未満、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０３〜１．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｚｒ：０．０１〜１．０％、且つ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａの１種または２種以上をそれぞれ０．０３〜１．０％含有し、下記（１）式、（２）式を満たし残部が実質的にＦｅからなる耐候性に優れた構造用鋼材。
Σ＝（Ｖ／４＋Ｍｏ／８＋Ｗ／１５＋Ｔｉ／４＋Ｎｂ／８＋Ｔａ／１５＋Ｚｒ／８）／Ｃ＞１・・・（１）
Ｐｃｍ（％）＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ＜０．２５・・・（２）
但し、（１）、（２）式において各元素は含有量とし、含有しない元素は０とする。
更に、成分組成として、総量が、質量％で０．１％以下となる、Ｓｂおよび／またはＳｎを含有することを特徴とする、請求項１記載の耐候性に優れた構造用鋼材。