JP2011052306A

JP2011052306A - 高湿潤環境下において耐食性に優れる耐候性鋼材

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Publication number: JP2011052306A
Application number: JP2009204444A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Miura; 進一三浦; Isamu Kage; 勇鹿毛; Masaji Murase; 正次村瀬; Toshiyuki Hoshino; 俊幸星野
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: JP5797877B2

Abstract

【課題】高湿潤環境下に曝される部位に無塗装で使用できる耐食性に優れた耐候性鋼材を提供する。
【解決手段】高湿潤環境下にて、鋼材の地鉄表面とさび層との界面に、V、Mo、Wのうちから選ばれた少なくとも1種の元素が濃化した最大厚さが7μｍ以上の濃化層が形成されることを特徴とする耐候性鋼材；ここで、濃化層とは、V、Mo、Wのうちから選ばれた少なくとも1種の元素が、合計の量で鋼中における該当する元素の含有量の合計の2倍以上となるように、濃化した層のことをいう。
【選択図】図1

Description

本発明は、橋梁の漏水部や水の溜まりやすい狭空間部など、高湿潤環境下に曝される部位を有する鋼構造物に使用される耐候性鋼材に関する。

従来、橋梁などの鋼構造物にはJIS G 3114に記載されているような耐候性鋼材が使用されている。この耐候性鋼材は、飛来塩分が存在し、乾湿が繰り返される大気暴露の使用環境において、Cu、P、Cr、Niなどの元素が濃化した保護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されて、優れた耐食性を示す。そのため、この耐候性鋼材を使用した橋梁は、しばしば無塗装のまま数十年間の供用に耐える。

一方、こうした従来の耐候性鋼材では、飛来塩分や凍結防止剤が存在する橋梁の漏水部や水の溜まりやすい狭空間部などの高湿潤環境下に曝される部位に使用されると保護性の高いさび層が形成されず、実用に耐えるような優れた耐食性が得られないといった問題がある。そのため、高湿潤環境下に曝される部位には、塗装などの防食措置を施した鋼材を使用しているのが実情である。

しかしながら、塗装などの防食処置を行うと時間の経過とともに塗膜が劣化し、定期的な補修が必要となり、その維持管理に莫大な費用が必要となるため、無塗装での使用が望まれている。

本発明は、飛来塩分や凍結防止剤が存在する高湿潤環境下に曝される部位に無塗装で使用できる耐食性に優れた耐候性鋼材を提供することを目的とする。

本発明者らは、高湿潤環境下に曝される部位に無塗装で使用できる耐食性に優れた耐候性鋼材について鋭意検討した結果、次のことを見出した。

i) 温度25℃、相対湿度95%RHの環境下に12週間暴露したとき、鋼材の地鉄表面とさび層との界面に、V、Mo、Wのうちから選ばれた少なくとも1種の元素が濃化した濃化層を形成できるようにすれば、高湿潤環境下に曝される部位に無塗装で使用できるほどの優れた耐食性が得られる。

ii) さらに、Ni、Co、REMのうちから選ばれた少なくとも1種の元素が含有されるさび層を形成できるようにすれば、より優れた耐食性が得られる。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、高湿潤環境下にて、鋼材の地鉄表面とさび層との界面に、V、Mo、Wのうちから選ばれた少なくとも1種の元素が濃化した最大厚さが7μｍ以上の濃化層が形成されることを特徴とする耐候性鋼材を提供する。ここで、濃化層とは、V、Mo、Wのうちから選ばれた少なくとも1種の元素が、合計の量で鋼中における該当する元素の含有量の合計の2倍以上となるように、濃化した層のことをいう。

本発明の耐候性鋼材では、高湿潤環境下にて、Ni、Co、REMのうちから選ばれた少なくとも1種の元素が下記の式(1)を満足するように含有されるさび層が形成されることが好ましい。
0.006≦[Ni]+[Co]+10×[REM]・・・(1)
ただし、[M]はさび層に含有される元素Mの量(質量%)を表し、含有されない元素の場合は[M]=0とする。

本発明の耐候性鋼材として、具体的には、質量%で、C:0.02〜0.15%、Si:0.05〜0.7%、Mn:0.2〜1.5%、P:0.005〜0.03%、Al:0.01〜0.1%、S:0.0001〜0.02%、Cu:0.01〜1.0%、Cr:0.01〜1.0%、およびV:0.01〜3.0%、Mo:0.01〜3.0%、W:0.01〜3.0%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐候性鋼材を挙げることができる。

また、この耐候性鋼材には、さらに、質量%で、Ni:0.01〜1.0%、Co:0.01〜1.0%、REM:0.0001〜0.5%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素、あるいはSb:0.005〜0.2%、Ti:0.005〜0.2%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素が、個別にあるいは同時に含有されることが好ましい。

本発明により、高湿潤環境下に曝される部位に無塗装で使用できる耐食性に優れた耐候性鋼材を提供できるようになった。

V濃化層の最大厚さと平均板厚減少量との関係を示す図である。さび層中のNiの濃度と平均板厚減少量との関係を示す図である。

1) 鋼材の地鉄表面とさび層との界面に存在する濃化層について
質量%で、C:0.02〜0.15%、Si:0.05〜0.7%、Mn:0.2〜1.5%、P:0.005〜0.03%、Al:0.01〜0.1%、S:0.0001〜0.02%、Cu:0.01〜1.0%、Cr:0.01〜1.0%、V:0.01〜3.0%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成の厚さ6mmの熱延鋼板を用い、以下のような橋梁の漏水部などの高湿潤環境下をシミュレートした腐食試験を行って耐食性を評価した。
腐食試験：熱延鋼板から35mm×35mmの試験片を採取し、表面をRa1.6μm以下となるよう研削加工する。続いて、試験片表面に付着する塩分が0.3mdd(mg/dm²/day)となるよう調整した人工海水溶液を試験片表面に塗布した。この試験片を、高湿潤環境をシミュレートした温度25℃、相対湿度95%RHの環境下に12週間暴露した。このとき、試験片表面に付着する塩分が0.3mdd(mg/dm²/day)となるよう調整した人工海水溶液を週に1回塗布した。そして、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錆してから重量を測定し、初期重量との差から片面あたりの平均板厚減少量(μm)を求め、この平均板厚減少量が30μm未満であれば、耐食性が優れていると評価した。

また、腐食試験終了後、20ｍｍ×10mm試験片を切り出し、断面を観察し、EPMAにより断面の元素マッピングを行った。試験片は、切断、冷間樹脂への埋め込みの後、研磨を行った。研磨は、エタノールを用い、乾式にて#4000番まで行った。観察倍率は200倍とした。装置には日本電子製JXA 8600MXを用い、測定条件は、加速電圧15kV、照射電流1×10⁻⁷A、ビーム径2μm、0.2sec/pts、2μm/step、走査範囲500μm×150μmとした。元素マッピングの結果、Ｖ濃化層が形成されていることがわかったので、その最大厚さと平均板厚減少量との関係を調査した。このとき、V濃化層とは、EPMAで分析した母材中のFeの強度に対する母材中のVの強度の比にくらべて、地鉄表面とさび層との界面において母材中のFeの強度に対するVの強度の比が2倍以上となっている層のことである。

結果を図1に示す。

V濃化層の最大厚さが7μm以上であれば平均板厚減少量が30μm未満となり、優れた耐食性が得られることがわかる。これは、V濃化層がインヒビターとして働き、Feの溶解反応を抑制するためと考えられる。なお、V濃化層の最大厚さは12μm以上であることが好ましく、22μm以上であることがより好ましい。

こうしたVの効果は、Mo、Wあるいはそれらの元素が複合された場合にも得られることを確認している。

2) さび層について
1)の成分組成に、さらにNiが0.2質量%添加された熱延鋼板を用いて、1)と同様な腐食試験を行った。

そして、ICPによりさび層中のNi濃度(質量%)を測定し、さび層中のNi濃度と平均板厚減少量との関係を調査した。このとき、さび層はV濃化層上に形成されている層のことである。

結果を図2に示す。

さび層中のNiの濃度が0.006%以上であれば、平均板厚減少量が小さくなり、より優れた耐食性が得られることがわかる。なお、さび層中のNiの濃度は0.06％以上であることが好ましく、0.6％以上であることがより好ましい。

こうしたNiの効果は、CoやREMあるいはそれらの元素が複合された場合にも得られることを確認している。なお、複合で添加される場合は、上記式(1)を満足させる必要がある。

3) 鋼材の成分組成について
以下に示す成分の含有量の単位である「%」は、特に断らない限り「質量%」を意味するものとする。

C:0.02〜0.15%
Cは、強度を向上させる元素であり、所定の強度を確保するため0.02%以上含有される必要がある。一方、C量が0.15%を超えると溶接性および靱性が劣化する。したがって、C量は0.02〜0.15%とする。

Si:0.05〜0.7%
Siは、製鋼時の脱酸剤として用いられるのみならず、強度を向上させる元素であり、所定の強度を確保するため0.05%以上含有させる必要がある。一方、Si量が0.7%を超えると靱性および溶接性が著しく劣化する。したがって、Si量は0.05〜0.7%とする。

Mn:0.2〜1.5%
Mnは、強度と靱性を向上させる元素であり、所定の強度を確保するため0.2%以上含有させる必要がある。一方、Mn量が1.5%を超えると靱性および溶接性が劣化する。したがって、Mn量は0.2〜1.5%とする。

P:0.005〜0.03%
Pは、耐食性を向上させる元素であるが、0.005%未満ではその効果は認められない。一方、P量が0.03%を超えると溶接性が劣化する。したがって、P量は0.005〜0.03%とする。

S:0.0001〜0.02%
S量が0.02%を超えると溶接性および靱性が劣化する。一方、S量を0.0001%未満まで低下させると生産コストが著しく増大する。したがって、S量は0.0001〜0.02%とする。

Al:0.01〜0.1%
Alは、製鋼時の脱酸に必要な元素であるが、Al量として0.01%未満では十分な脱酸効果が期待できない。一方、Al量が0.1%を超えると溶接性に悪影響を及ぼす。したがって、Al量は0.01〜0.1%とする。

Cu:0.01〜1.0%
Cuは、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、耐食性を向上させる元素であるが、その量が0.01%未満であるとその効果は十分に得られない。一方、Cu量が1.0%を超えるとコスト上昇を招く。したがって、Cu量は0.01〜1.0%とする。

Cr:0.01〜1.0%
Crは、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、耐食性を向上させる元素であるが、その量が0.01%未満であるとその効果は十分に得られない。一方、Cr量が1.0%を超えるとコスト上昇を招く。したがって、Cr量は0.01〜1.0%とする。

V:0.01〜3.0%
Vは、鋼材の地鉄表面近傍に濃化層を形成し、腐食促進因子の酸素、水がさび層を透過して地鉄に到達するのを防止し、耐食性を向上させる効果を有する。こうした効果を得るには、V量を0.01%以上にする必要がある。一方、V量が3.0%を超えると靱性の低下を招く。したがって、V量は0.01〜3.0%、好ましくは0.1〜0.5%とする。

Mo:0.01〜3.0%
Moは、鋼材の地鉄表面近傍に濃化層を形成し、腐食促進因子の酸素、水がさび層を透過して地鉄に到達するのを防止し、耐食性を向上させる効果を有する。こうした効果を得るには、Mo量を0.01%以上にする必要がある。一方、Mo量が3.0%を超えるとコスト上昇を招く。したがって、Mo量は0.01〜3.0%、好ましくは0.1〜0.5%とする。

W:0.01〜3.0%
Wは、鋼材の地鉄表面近傍に濃化層を形成し、腐食促進因子の酸素、水がさび層を透過して地鉄に到達するのを防止し、耐食性を向上させる効果を有する。こうした効果を得るには、W量を0.01%以上にする必要がある。一方、W量が3.0%を超えるとコスト上昇を招く。したがって、W量は0.01〜3.0%、好ましくは0.1〜0.5%とする。

残部はFeおよび不可避的不純物とするが、以下の理由で、さらに、質量%で、Ni:0.01〜1.0%、Co:0.01〜1.0%、REM:0.0001〜0.5%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素、あるいはSb:0.005〜0.2%、Ti:0.005〜0.2%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素が、個別にあるいは同時に含有されることが好ましい。

Ni:0.01〜1.0%
Niは、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、耐食性を向上させる元素であるが、その量が0.01%未満であるとその効果は十分に得られない。一方、Ni量が1.0%を超えるとコスト上昇を招く。したがって、Ni量は0.01〜1.0%とする。

Co:0.01〜1.0%
Coは、さび層全体に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、耐食性を向上させる元素であるが、その量が0.01%未満であるとその効果は十分に得られない。一方、Co量が1.0%を超えるとコスト上昇を招く。したがって、Co量は0.01〜1.0%とする。

REM:0.0001〜0.5%
REMは、さび層全体に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、耐食性を向上させる元素であるが、その量が0.0001%未満であるとその効果は十分に得られない。一方、REM量が0.5%を超えるとその効果は飽和する。したがって、REM量は0.0001〜0.5%とする
Sb:0.005〜0.2%
Sbは、鋼材の地鉄の溶解を抑制することによって耐食性を向上させる元素であるが、その量が0.005%未満であるとその効果は十分に得られない。一方、Sb量が0.2%を超えると靱性の劣化を招く。したがって、Sb量は0.005〜0.2%とする。

Ti:0.005〜0.2%
Tiは、強度を高めるために必要な元素であるが、その量が0.005%未満であるとその効果は十分に得られない。一方、Ti量が0.2%を超えると靱性の劣化を招く。したがって、Ti量は0.005〜0.2%とする。

本発明の耐候性鋼材としては、例えば、上記のような成分組成の鋼を転炉や電気炉で溶製後、造塊−分塊圧延または連続鋳造によりスラブとし、通常の熱間圧延により製造される板材を挙げることができる。

表1に示す成分組成の鋼No.1〜19を、熱間圧延して厚さ6mmの熱延鋼板(鋼材)とした。そして、上記の方法により、高湿潤環境下をシミュレートした腐食試験を行って耐食性を評価した。

結果を表2に示す。

鋼No.1〜13で製造された本発明範囲を満たす熱延鋼板は、高湿潤環境下での腐食試験後の平均板厚減少量が30μm未満であり、耐食性に優れていることがわかる。特に、上記の腐食試験後に式(1)を満たす熱延鋼板では、より優れた耐食性が得られている。

Claims

高湿潤環境下にて、鋼材の地鉄表面とさび層との界面に、V、Mo、Wのうちから選ばれた少なくとも1種の元素が濃化した最大厚さが7μｍ以上の濃化層が形成されることを特徴とする耐候性鋼材；ここで、濃化層とは、V、Mo、Wのうちから選ばれた少なくとも1種の元素が、合計の量で鋼中における該当する元素の含有量の合計の2倍以上となるように、濃化した層のことをいう。
高湿潤環境下にて、Ni、Co、REMのうちから選ばれた少なくとも1種の元素が下記の式(1)を満足するように含有されるさび層が形成されることを特徴とする請求項1に記載の耐候性鋼材；
0.006≦[Ni]+[Co]+10×[REM]・・・(1)
ただし、[M]はさび層に含有される元素Mの量(質量%)を表し、含有されない元素の場合は0とする。
質量%で、C:0.02〜0.15%、Si:0.05〜0.7%、Mn:0.2〜1.5%、P:0.005〜0.03%、Al:0.01〜0.1%、S:0.0001〜0.02%、Cu:0.01〜1.0%、Cr:0.01〜1.0%、およびV:0.01〜3.0%、Mo:0.01〜3.0%、W:0.01〜3.0%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐候性鋼材。
さらに、質量%で、Ni:0.01〜1.0%、Co:0.01〜1.0%、REM:0.0001〜0.5%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素が含有されることを特徴とする請求項3に記載の耐候性鋼材。
さらに、質量%で、Sb:0.005〜0.2%、Ti:0.005〜0.2%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素が含有されることを特徴とする請求項3または4に記載の耐候性鋼材。