JP2012246557A - 表面処理鋼材 - Google Patents

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Abstract

【課題】優れた耐食性を有する表面処理鋼材を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、素地鋼材と、最表面に形成される防食樹脂塗膜とを備える表面処理鋼材であって、上記素地鋼材と防食樹脂塗膜との間に、アルミン酸塩及び硫酸塩を含有する中間層をさらに備えることを特徴とする。上記素地鋼材が、Ｃ：０．０１質量％以上０．３０質量％以下、Ｓｉ：０．０５質量％以上１．０質量％以下、Ｍｎ：０．１質量％以上２．０質量％以下、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｓ：０．０２質量％以下、Ｎ：０．００８質量％以下、Ａｌ：０．００５質量％以上０．１０質量％以下、Ｃｕ：０．１質量％以上３．０質量％以下、Ｎｉ：０．１質量％以上５．０質量％以下及びＴｉ：０．００５質量％以上０．１質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、橋梁、海洋構造物、土木・建築構造物、船舶等に代表される腐食性環境における鋼構造物に好適に用いられる表面処理鋼材に関する。
海洋構造物や船舶等、腐食性の厳しい環境における鋼構造物においては、防食対策として表面に塗装が施された鋼材が一般的に使用される。しかし、防食塗装された鋼材においては、紫外線による塗膜劣化作用や、何らかの機械的作用等により塗膜が損傷を受けることが避けられない。また、塗膜中を侵入してくる水分、酸素、塩素イオン等の腐食性物質によって塗膜下での鋼材腐食が進行することで塗膜膨れが発生し、この膨れた塗膜が破れて防食性が経時的に低下する。従って、防食塗装は、効果的な防食方法ではあるが、永久的な防食方法ではなく、部分補修や塗替等の定期的なメンテナンスが必要である。
ここで、上記鋼構造物が、完全に海水に浸漬された状態で使用される場合には、電気防食（亜鉛等の犠牲防食）を併用することにより、塗膜損傷部からの鋼材の腐食は抑制される。しかし、飛来塩分の多い橋梁や、船舶上部構造物等の大気環境に曝される鋼構造物では電気防食は適用できない。このため、塗膜損傷部からの鋼材腐食による鋼構造物の耐久性劣化に関しては改善の余地があり、より効果的な防食性の向上手法が要求されている。また、大型構造物では塗膜のメンテナンスのために足場を組む必要がある場合が多く、多大なメンテナンスコストが発生するため、塗膜損傷部での鋼材の腐食進展抑制によるメンテナンス間隔の長期化も要望されている。
以上のようなニーズに対応する手法としては、塗装の防食性を高めるために塗膜の厚膜化を施したり、塗装前の下地処理を施して塗膜密着性を向上させたりすることが一般的である。また、成分の調整等によって鋼材自体の塗装耐食性を向上させる技術も提案されている（特開２０００−１６９９３９号公報及び特開２０１０−１９６０７９号公報参照）。しかしながら、腐食性の非常に厳しい環境においては、これらの防食技術では十分な対応ができない場合があり、さらなる耐食性の向上が望まれている。
特開２０００−１６９９３９号公報 特開２０１０−１９６０７９号公報
本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、優れた耐食性を有する表面処理鋼材を提供することを目的とする。
本発明者は表面処理鋼材の塗装耐食性について研究した結果、塗膜下での鋼材腐食に起因する塗膜膨れ及び塗膜傷部の腐食進展とこれを抑制する手法として以下の知見を得た。すなわち、塗装が施された表面処理鋼材においては、上述のように、塗膜中を侵入してくる水分、酸素、塩素イオン等の腐食性物質によって塗膜膨れが発生し、この膨れた塗膜が破れて素地鋼材が露出し、防食性が経時的に低下する。このような塗膜劣化に対して、アルミン酸塩及び硫酸塩を含有する中間層を塗膜と素地鋼材との間に形成させることによって、塗膜膨れの進展を効果的に抑制できることを発見した。これは、アルミン酸塩と硫酸塩との反応生成物が、外部環境から侵入してくる塩素イオン等の腐食性物質をトラップして無害化するためだと考えられる。また、塗膜傷部においては、露出した素地鋼材の腐食が発生することに加えて、傷部から腐食性物質が塗膜と素地鋼材との間に侵入し、鋼材腐食を進展させ、腐食部を拡大させる。この場合、上記中間層は傷部から塗膜と素地鋼材界面に侵入していく腐食性物質をトラップして無害化する作用もあるため、塗膜傷部の腐食進展の抑制に対しても有効である。
すなわち、上記課題を解決するためになされた発明は、
素地鋼材と、最表面に形成される防食樹脂塗膜とを備える表面処理鋼材であって、
上記素地鋼材と防食樹脂塗膜との間に、アルミン酸塩及び硫酸塩を含有する中間層をさらに備えることを特徴とする。
当該表面処理鋼材によれば、素地鋼材と防食樹脂塗膜との間に、アルミン酸塩及び硫酸塩を含有する中間層を設けているため、上述のように塗膜膨れ及び塗膜傷部の腐食進展を抑制し、優れた耐食性を発揮することができる。
上記中間層が鉄よりも卑な金属の粉末をさらに含有することが好ましい。当該表面処理鋼材によれば、このような金属粉末の素地鋼材に対する犠牲防食作用により、耐食性をさらに高めることができる。
上記素地鋼材が、
Ｃ ：０．０１質量％以上０．３０質量％以下、
Ｓｉ：０．０５質量％以上１．０質量％以下、
Ｍｎ：０．１質量％以上２．０質量％以下、
Ｐ ：０．０５質量％以下、
Ｓ ：０．０２質量％以下、
Ｎ ：０．００８質量％以下、
Ａｌ：０．００５質量％以上０．１０質量％以下、
Ｃｕ：０．１質量％以上３．０質量％以下、
Ｎｉ：０．１質量％以上５．０質量％以下、及び
Ｔｉ：０．００５質量％以上０．１質量％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることが好ましい。上記素地鋼材の各成分を上記範囲とすることで、耐食性等をさらに高めることができる。
上記素地鋼材が、さらに
Ｃｒ：０．０１質量％以上１．０質量％以下、
Ｍｏ：０．０１質量％以上１．０質量％以下、及び
Ｗ ：０．０１質量％以上１．０質量％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含有することが好ましい。
上記素地鋼材が、さらに
Ｍｇ：０．０００３質量％以上０．００５質量％以下、及び
Ｃａ：０．０００３質量％以上０．００５質量％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含有することが好ましい。
上記素地鋼材が、さらに
Ｎｂ：０．００１質量％以上０．１質量％以下、
Ｚｒ：０．００１質量％以上０．１質量％以下、
Ｖ ：０．００１質量％以上０．１質量％以下、及び
Ｂ ：０．０００１質量％以上０．００５質量％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含有することが好ましい。
上記素地鋼材にこれらの各成分を上記範囲含有させることで、鋼構造物の材料として望まれる耐食性等の性能をさらに高めることができる。
以上説明したように、本発明の表面処理鋼材は優れた耐食性を有する。従って、当該表面処理鋼材は、橋梁、海洋構造物、土木・建築構造物、船舶等に代表される腐食性環境における鋼構造物に好適に用いられ、これらのメンテナンスコストの低減や、メンテナンス間隔の長期化を図ることもできる。
実施例で用いた各供試材を示す模式的平面図である。 実施例の評価における膨れ幅を示す模式的平面図である。
以下、本発明の表面処理鋼材の実施の形態を詳説する。
本発明の表面処理鋼材は、素地鋼材と、この素地鋼材の表面に積層される中間層と、この中間層の表面、つまり最表面に形成される防食樹脂塗膜とを備える。
（防食樹脂塗膜）
上記防食樹脂塗膜は防食に用いられる公知の塗料の塗装により形成される塗膜である。上記塗料としては特に限定されず、エポキシ樹脂系塗料、塩化ゴム系塗料、アクリル樹脂塗料、ウレタン樹脂塗料、フタル酸樹脂系塗料、フェノール樹脂系塗料、シリコン樹脂系塗料、フッ素樹脂系塗料等を挙げることができる。これらの塗料の中でも、中間層との密着性等の点から、エポキシ樹脂系塗料が好ましい。
上記エポキシ樹脂系塗料としては、ビヒクルとしてエポキシ樹脂を含むものであればよく、例えばエポキシ樹脂塗料、変性エポキシ樹脂塗料、タールエポキシ樹脂塗料等が挙げられる。上記塩化ゴム系塗料としては、塩化ゴムや塩素化ポロオレフィン等の塩素化樹脂を主原料としてなる塗料を挙げることができる。上記アクリル樹脂塗料としては、公知のアクリル樹脂塗料、アクリルエマルジョン樹脂塗料、アクリルウレタン系エマルジョン塗料、アクリルシリコン系エマルジョン塗料、アクリルラッカー等を挙げることができる。上記ウレタン樹脂塗料としては、例えばポリウレタン樹脂塗料、ポリエステルウレタン樹脂塗料、湿気硬化ポリウレタン樹脂塗料、エポキシウレタン塗料、変性エポキシウレタン樹脂塗料等を挙げることができる。
上記防食樹脂塗膜の膜厚は、塗料の種類と使用環境にもよるが、乾燥膜厚で、例えば２０μｍ以上４００μｍ以下の平均厚さとすることができる。なお、腐食性の非常に厳しい環境で使用する場合には、１，０００μｍを超える膜厚とすることもできる。
（中間層）
上記中間層は、上記素地鋼材と防食樹脂塗膜との間に形成されており、アルミン酸塩及び硫酸塩を含有する。この中間層は、外部環境から侵入してくる塩素イオンなどの腐食性物質をトラップすると考えられ、高い耐食効果を発現する。
上記アルミン酸塩としては、ＬｉＡｌＯ２、ＮａＡｌＯ２、ＫＡｌＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＣａＡｌ２Ｏ４、ＳｒＡｌ２Ｏ４、ＢａＡｌ２Ｏ４、ＦｅＡｌ２Ｏ４、ＣｏＡｌ２Ｏ４、ＮｉＡｌ２Ｏ４等を挙げることができ、また、これらの水和物でも適用可能である。
これらのアルミン酸塩の中でも、より優れた耐食能を発揮できる点で、アルカリ土類金属塩が好ましい。さらには、ＣａＡｌ２Ｏ４やＢａＡｌ２Ｏ４は、水への溶解度が小さく、効果の持続性に優れるためより好ましい。これらのアルミン酸塩は、１種又は２種以上を混合して用いることができる。
上記アルミン酸塩の中間層構成物質（後述するバインダーを除く成分であり、アルミン酸塩、硫酸塩及び後述する金属の粉末からなる。以下同様。）中の含有量の下限としては、１０質量％が好ましく、２０質量％がさらに好ましい。一方、この含有量の上限としては、９０質量％が好ましく、８０質量％がさらに好ましい。アルミン酸塩の含有量を上記範囲とすることで、より効果的に防食性を発揮することができる。
上記硫酸塩としては、Ｎａ２ＳＯ４、Ｋ２ＳＯ４、ＭｇＳＯ４、ＣａＳＯ４、ＳｒＳＯ４、ＢａＳＯ４、ＦｅＳＯ４、ＣｏＳＯ４及びＮｉＳＯ４等を挙げることができる。これらの中でも、水への溶解度が小さく、効果の持続性に優れる点から、アルカリ土類金属塩が好ましく、ＣａＳＯ４、ＳｒＳＯ４及びＢａＳＯ４が特に好ましい。これらの硫酸塩は、１種又は２種以上を混合して用いることができる。
上記硫酸塩の中間層構成物質中の含有量の下限としては、１０質量％が好ましく、２０質量％がさらに好ましい。一方、この含有量の上限としては、９０質量％が好ましく、８０質量％がさらに好ましい。硫酸塩の含有量を上記範囲とすることで、より効果的に防食性を発揮することができる。
上記アルミン酸塩と硫酸塩との質量比としては、１：９以上９：１以下が好ましく、１：４以上４：１以下がさらに好ましい。アルミン酸塩と硫酸塩との質量比を上記範囲とすることで、アルミン酸塩と硫酸塩との反応生成物が効率的に生成されると考えられ、腐食性物質のトラップ機能がより効果的に発現される。
上記アルミン酸塩及び硫酸塩の含有形態としては、特に限定されないが、粉末状で含有されていることが好ましい。これらの成分を粉末状で含有させることで、中間層表面に微細な凹凸を形成することができ、防食樹脂塗膜の密着性を高めることができる。
また、上記中間層は、鉄よりも卑な金属の粉末（以下、単に「金属粉末」ともいう。）をさらに含有することが好ましい。当該表面処理鋼材によれば、このように中間層に鉄よりも卑な金属の粉末をさらに含有させることによって、素地鋼材に対するこの金属の犠牲防食作用により、上述の腐食性物質を無害化がさらに効果的に作用し、より優れた塗装耐食性が得られる。
鉄よりも卑な金属とは、鉄よりもイオン化傾向が高い金属をいい、例えば、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム等を挙げることができるが、これらの中でも、犠牲防食作用を効果的に発揮できる点から亜鉛が好ましい。なお、この亜鉛としては、純亜鉛や、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｔｉ等を少量含有する亜鉛合金も用いることができる。また、上記金属粉末においては、鉄よりも卑な金属以外の成分を含んでいてもよい。この他の成分の含有量としては、金属粉末中、１０質量％以下が好ましく、５質量％以下がさらに好ましい。さらに、これらの金属粉末は、１種又は２種以上を混合して用いることができる。
上記金属粉末の中間層構成物質中の含有量の下限としては２０質量％が好ましく、この含有量の上限としては８０質量％が好ましい。金属粉末の含有量が上記下限未満の場合は、この金属粉末を含有させる効果を十分に発揮させることができない場合がある。逆に、金属粉末の含有量が上記上限を超える場合は、相対的にアルミン酸塩及び硫酸塩の含有量が減ることとなることから、優れた耐食性を発揮することができない場合がある。
なお、このような金属を粉末として中間層に含有させることで、犠牲防食作用がさらに高まり、さらに、中間層表面に微細な凹凸が形成されることにより防食樹脂塗膜の密着性を高めることができる。
上記中間層の膜厚（平均厚み）の下限としては、５μｍが好ましく、１０μｍがさらに好ましい。一方この膜厚（平均厚み）の上限としては、３０μｍが好ましく、２５μｍがさらに好ましい。上記中間層の膜厚が上記下限未満の場合には、腐食性物質のトラップ機能が早期に飽和するため、十分な効果が得られ難い場合がある。また、中間層の膜厚が上記上限を超えると防食樹脂塗膜の密着性に悪影響を及ぼす場合がある。
上記中間層の形成方法としては特に限定されないが、例えば、アルミン酸塩、硫酸塩及び必要に応じて上記金属の粉末を混合し、バインダーと混合して、スプレー塗布やハケ塗り等を行うことにより素地鋼材表面に形成することができる。なお、中間層の形成の前には、素地鋼材表面を適宜、公知の方法で洗浄等の前処理を施すことが好ましい。
上記バインダーとしては限定されず、エポキシ樹脂等の有機系材料であってもよく、アルキルシリケート（例えば、エチルシリケート等）等の無機系材料であってもよい。これらの中でも、被膜性や密着性に優れ、また、多孔質形状を形成しうるアルキルシリケートを用いることが好ましい。
上記バインダーの配合量としては特に限定されないが、中間層構成物質とバインダーとの質量比として、５：５以上９：１以下が好ましい。バインダーの配合量が上記比未満の場合は、中間層の密着性が低下するおそれがある。逆に、バインダーの配合量が上記比を超える場合は、十分な耐食性が発揮されないおそれがある。
（素地鋼材）
上記素地鋼材としては、特に限定されず、公知のもの用いることができる。ここで、当該表面処理鋼材においては、さらに、上記素地鋼材におけるＣｕ、Ｎｉ、Ｔｉ等の化学成分を調整することによって塗装耐食性は相乗的に高まる。以下に本発明に用いられる素地鋼材の成分範囲の好ましい限定理由などについて説明する。なお、構造材料としては、耐食性以外にも機械特性や溶接性を満足させる必要があり、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎ及びＡｌ等の化学成分量を適切に調整することが好ましい。
（Ｃ：０．０１〜０．３０質量％）
Ｃ（炭素）はセメンタイトの生成により材料の機械特性を向上させる効果があり、強度確保のために好ましい元素である。Ｃ含有量の下限としては、０．０１質量％が好ましく、０．０２質量％がより好ましく、０．０３質量％がさらに好ましい。一方、Ｃ含有量の上限としては、０．３０質量％が好ましく、０．２９質量％がより好ましく、０．２８質量％がより好ましく、０．２４質量％がさらに好ましく、０．２０質量％が特に好ましい。Ｃ含有量が上記下限未満の場合は、上述の機械特性の向上が十分に発揮されない場合がある。逆に、Ｃ含有量が上記上限を超えると、カソードサイトとして作用するセメンタイトの生成量が多くなり、耐食性が劣化する場合がある。
（Ｓｉ：０．０５〜１．０質量％）
Ｓｉ（ケイ素）は脱酸と強度確保のために好ましい元素である。Ｓｉ含有量の下限としては０．０５質量％が好ましく、０．０８質量％がより好ましく、０．１０質量％がさらに好ましい。一方、Ｓｉ含有量の上限としては、１．０質量％が好ましく、０．９５質量％がより好ましく、０．９質量％がより好ましく、０．８質量％がさらに好ましく、０．５質量％が特に好ましい。Ｓｉ含有量が上記下限未満の場合は、構造部材としての最低強度が確保されないおそれがある。逆に、Ｓｉ含有量が上記上限を超える場合は、溶接性が劣化するおそれがある。
（Ｍｎ：０．１〜２．０質量％）
Ｍｎ（マンガン）もＳｉと同様に脱酸及び強度確保のために好ましい元素である。Ｍｎ含有量の下限としては０．１質量％が好ましく、０．１５質量％がより好ましく、０．２質量％がさらに好ましい。一方、Ｍｎ含有量の上限としては２．０質量％が好ましく、１．９質量％がより好ましく、１．８質量％がさらに好ましい。Ｍｎ含有量が上記下限未満の場合は、構造部材としての最低強度が確保されないおそれがある。逆に、Ｍｎ含有量が上記上限を超える場合は、靭性が劣化するおそれがある。
（Ｐ：０．０５質量％以下）
Ｐ（リン）は靭性や溶接性を劣化させる元素であり、この含有量をできる限り低減することが好ましい。Ｐ含有量の上限としては０．０５質量％が好ましく、０．０４８質量％がより好ましく、０．０４５質量％がさらに好ましい。一方、Ｐ含有量の下限としては、例えば０．００１質量％である。
（Ｓ：０．０２質量％以下）
Ｓ（硫黄）もＰと同様に靭性や溶接性を劣化させる元素であり、この含有量をできる限り低減することが好ましい。Ｓ含有量の上限としては０．０２質量％が好ましく、０．０１９質量％がより好ましく、０．０１８質量％がさらに好ましい。一方、Ｓ含有量の下限としては、例えば０．０００１質量％である。
（Ｎ：０．００８質量％以下）
Ｎ（窒素）は靭性及び防食性を劣化させる元素であり、この含有量をできる限り低減することが好ましい。Ｎ含有量の上限としては０．００８質量％が好ましく、０．００７５質量％がより好ましく、０．００７質量％がさらに好ましい。一方、Ｎ含有量の下限としては、例えば０．０００１質量％である。
（Ａｌ：０．００５〜０．１０質量％）
Ａｌ（アルミニウム）もＳｉ及びＭｎと同様に脱酸及び強度確保のために好ましい元素である。Ａｌ含有量の下限としては、０．００５質量％が好ましく、０．０１質量％がより好ましい。一方、Ａｌ含有量の上限としては、０．１０質量％が好ましく、０．０９質量％がより好ましく、０．０８質量％がさらに好ましい。Ａｌ含有量が上記下限未満の場合は、上記効果が十分に発揮されない場合がある。逆に、Ａｌ含有量が上記上限を超える場合は、溶接性が低下するおそれがある。
（Ｃｕ：０．１〜３．０質量％）
Ｃｕ（銅）は素地鋼材表面に緻密なさび皮膜を形成する作用を有し、塗装耐食性の向上に好ましい元素である。すなわち、上記素地鋼材がＣｕを含有することで、塗膜傷部において錆に対する保護性が向上し、塗膜部腐食の進展が抑制される。Ｃｕ含有量の下限としては、０．１質量％が好ましく、０．１５質量％がより好ましく、０．２質量％がさらに好ましい。一方、Ｃｕ含有量の上限としては、３．０質量％が好ましく、２．８質量％がより好ましく、２．６質量％がより好ましく、２．０質量％がさらに好ましく、１．０質量％が特に好ましい。Ｃｕ含有量が上記下限未満の場合は、上記効果が十分に発揮されない場合がある。逆に、Ｃｕ含有量が上記上限を超える場合は、溶接性や熱間加工性が劣化する場合がある。
（Ｎｉ：０．１〜５．０質量％）
Ｎｉ（ニッケル）はＣｕと同様に素地鋼材表面に緻密なさび皮膜を形成する作用を有しており、塗装耐食性を向上に好ましい元素である。また、Ｎｉは母材靱性を向上させるのにも有効であり、さらに、Ｃｕによる赤熱脆性を防止するのにも好ましい元素である。Ｎｉ含有量の下限としては、０．１質量％が好ましく、０．１５質量％がより好ましく、０．２質量％がさらに好ましい。一方、Ｎｉ含有量の上限としては、５．０質量％が好ましく、４．８質量％がより好ましく、４．６質量％がさらに好ましい。Ｎｉ含有量が上記下限未満の場合は、上記効果が十分に発揮されない場合がある。逆に、Ｎｉ含有量が上記上限を超える場合は、溶接性や熱間加工性が劣化するおそれがある。
（Ｔｉ：０．００５〜０．１質量％）
Ｔｉ（チタン）はさび粒子を微細化して、さびに対する保護性を向上させる作用を有するため、塗装耐食性の向上に好ましい元素である。すなわち、上記素地鋼材がＴｉを含有することで、塗膜傷部において錆に対する保護性が向上し、塗膜部腐食の進展が抑制される。Ｔｉ含有量の下限としては、０．００５質量％が好ましく、０．００７質量％がより好ましく、０．０１質量％がさらに好ましい。一方、Ｔｉ含有量の上限としては、０．１質量％が好ましく、０．０９質量％がより好ましく、０．０８質量％がさらに好ましい。Ｔｉ含有量が上記下限未満の場合は、上記効果が十分に発揮されない場合がある。逆に、Ｔｉ含有量が上記上限を超える場合は、溶接性や熱間加工性が劣化するおそれがある。
（Ｃｒ：０．０１〜１．０質量％
Ｍｏ：０．０１〜１．０質量％
Ｗ ：０．０１〜１．０質量％）
上記素地鋼材は、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）及びＷ（タングステン）からなる群より選ばれる１種又は２種以上をさらに含有することが好ましい。Ｃｒ、Ｍｏ及びＷは、錆に対する保護性を高める作用や、腐食溶解時にインヒビターとなる化合物を生成する作用を有しており、耐食性向上に有効な元素である。上記各元素の含有量の下限としては、０．０１質量％が好ましく、０．０１５質量％がより好ましく、０．０２質量％がさらに好ましい。一方、上記各元素の含有量の上限としては、１．０質量％が好ましく、０．９５質量％がより好ましく、０．９０質量％がさらに好ましい。上記各元素の含有量が上記下限未満の場合は、上記効果が十分に発揮されない場合がある。逆に、これらの含有量が上記上限を超える場合は、溶接性や熱間加工性が劣化するおそれがある。
（Ｍｇ：０．０００３〜０．００５質量％
Ｃａ：０．０００３〜０．００５質量％）
Ｍｇ（マグネシウム）及びＣａ（カルシウム）は腐食溶解時にｐＨを上昇させ、局所的な腐食性を低下させる作用を有しており、塗装耐食性を向上するのに有効な元素である。上記各元素の含有量の下限としては、０．０００３質量％が好ましく、０．０００４質量％がより好ましく、０．０００５質量％がさらに好ましい。一方、上記各元素の含有量の上限としては、０．００５質量％が好ましく、０．００４５質量％がより好ましく、０．００４質量％がさらに好ましい。上記各元素の含有量が上記下限未満の場合は、上記効果が十分に発揮されない場合がある。逆に、これらの含有量が上記上限を超える場合は、加工性と溶接性とが劣化するおそれがある。
（Ｎｂ：０．００１〜０．１質量％
Ｚｒ：０．００１〜０．１質量％
Ｖ ：０．００１〜０．１質量％
Ｂ ：０．０００１〜０．００５質量％）
Ｎｂ（ニオブ）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｖ（バナジウム）及びＢ（ホウ素）は、強度及び耐食性向上に有効な元素であり、必要に応じて添加することができる。Ｎｂ、Ｚｒ及びＶの含有量の下限としては０．００１質量％が好ましく、０．００２質量％がより好ましく、０．００３質量％がさらに好ましい。一方、これらの元素の含有量の上限としては、０．１質量％が好ましく、０．０９５質量％がより好ましく、０．０９質量％がさらに好ましい。また、Ｂ含有量の下限としては、０．０００１質量％が好ましく、０．０００２質量％がより好ましく、０．０００３質量％がさらに好ましい。Ｂ含有量の上限としては、０．００５質量％が好ましく、０．００４５質量％がより好ましく、０．００４質量％がさらに好ましい。Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ及びＢの含有量が上記下限未満の場合は、上記効果を十分に発揮することができない場合がある。逆に、これらの含有量が上記上限を超える場合は、素地鋼材の靭性が劣化する場合がある。
上記素地鋼材の好ましい化学成分は上記の通りであり、残部は鉄及び不可避的不純物からなるものである。上記不可避不純物は素地鋼材の諸特性を害さない程度に添加することができ、合計で０．１質量％以下、好ましくは０．０９質量％以下におさえることによって、本発明の表面処理鋼材の耐食性発現効果を高めることができる。
当該表面処理鋼材は上述のように優れた耐食性を有するため、橋梁、海洋構造物、土木・建築構造物、船舶等に代表される腐食性環境における鋼構造物の材料として好適に用いることができる。当該表面処理鋼材を用いた鋼構造物は、耐食性に優れるため、メンテナンス間隔の長期化や、メンテナンスコストの低減を図ることができる。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、防食樹脂塗膜と中間層との間、又は、素地鋼材と中間層との間に他の層、例えば表面処理層等が積層されても、本発明の表面処理鋼材が有する中間層のトラップ効果が奏される。なお、中間層及び防食樹脂塗膜の密着性等を考慮すると、素地鋼材、中間層及び防食樹脂塗膜の３層構造で形成されていることが好ましい。
以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［供試材の作製］
表１に示す種々の化学成分組成の鋼材を真空溶解炉により溶製し、５０ｋｇの鋼塊とした。得られた鋼塊を１，１５０℃に加熱した後、熱間圧延を行って板厚１０ｍｍの鋼素材（素地鋼材）とした。上記鋼素材から、大きさ１００×３０×５（ｍｍ）のテストピースを切り出し、素地鋼材Ｍ１〜Ｍ２６とした。すべてのテストピースは、全面をショットブラストし、アセトン洗浄をしてから、試験面（１００×３０ｍｍの片面）に以下の表面処理を施した。
まず、表２（Ｓ１〜Ｓ９）でそれぞれ示す組成及び配合のアルミン酸塩、硫酸塩及び金属の粉末状試薬を混合して混合物とした。この混合物とアルキルシリケートとを質量比で７：３の割合で混合し、上記鋼素材表面にスプレー塗布し、中間層を形成した。素地鋼材（Ｍ１〜Ｍ２６）と中間層（Ｓ１〜Ｓ９）との組み合わせは、表３の通りとした。中間層の膜厚はすべて乾燥膜厚で１５μｍとした。中間層の表面に、それぞれ変性エポキシ樹脂系塗料を乾燥膜厚で１００μｍとなるよう塗装して、防食樹脂塗膜を形成し、比較例（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）及び実施例（Ｎｏ．５〜Ｎｏ．３５）の表面処理鋼材を得た。
［腐食試験方法］
塗装の後、試験面以外の面はテフロン（登録商標）テープにより被覆した。図１に示すように、供試材１における試験面の塗膜（防食樹脂塗膜）２には、素地鋼材素地まで到達する長さ５０ｍｍ、幅２ｍｍのカット傷（傷部）３を形成した。
腐食試験として、塩水噴霧過程（３０℃の５％ＮａＣｌ水溶液を０．５時間噴霧）、湿潤過程（３０℃、９５％ＲＨ、１．５時間）、及び乾燥過程（温度５０℃、湿度５０％ＲＨ、４時間）を繰り返す複合サイクル試験を実施した。試験期間は３ヶ月間とした。
３ヶ月間の試験が終了した後、傷部の塗装膨れ幅の最大値及び傷部の素地鋼材の最大腐食深さを測定し、塗装耐食性を評価した。腐食試験には、表３に示す各試供材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ３５）をそれぞれ３枚ずつ供試した。膨れ幅測定においては、図２に示すように、カット傷３の端面から膨れ発生部分４までの最大距離Ｘを膨れ幅とした。なお、塗装膨れ幅の最大値及び傷部の素地鋼材の最大腐食深さは供試した試験片３枚の最大値とした。
［試験結果］
表３に試験結果を示す。塗装膨れ幅の最大値及び傷部の素地鋼材の最大腐食深さは、Ｎｏ．１の通常の表面処理鋼材を１００としたときの相対値で示している。表３における耐食性の評価は、下記基準によるものである。
× ：塗膜膨れ幅の最大値と最大腐食深さとがいずれも９０以上を満たす。
○ ：塗膜膨れ幅の最大値と最大腐食深さとがいずれも７０以下を満たす。
（但し、どちらも５０以下であるものを除く。）
○〜◎ ：○において塗膜膨れ幅の最大値と最大腐食深さとがいずれかが５０以下を満たす。
◎ ：塗膜膨れ幅の最大値と最大腐食深さとがいずれも５０以下を満たす。
◎〜◎◎：◎において塗膜膨れ幅の最大値と最大腐食深さとがいずれかが３０以下を満たす。
［評価］
アルミン酸塩又は硫酸塩のみの中間層を形成させたＮｏ．２及びＮｏ．３の表面処理鋼材は塗装膨れ幅及び最大腐食深さが９７〜９９であり、変性エポキシ樹脂系塗膜を単独塗布した表面処理鋼材（Ｎｏ．１）に対して塗装耐食性の向上はほとんど認められなかった。これらの結果は、アルミン酸塩又は硫酸塩のみでは、腐食性物質である塩素イオンなどの無害化効果は得られないことを示唆している。また、中間層がＺｎのみのＮｏ．４の表面処理鋼材（ジンクリッチプライマーに相当するもの）も、塗装耐食性の向上は十分ではなかった。
これらに対して、アルミン酸塩及び硫酸塩の両者を含有する中間層を形成させた実施例（Ｎｏ．５〜Ｎｏ．３５）の表面処理鋼材は、いずれも塗装膨れ幅及び最大腐食深さがどちらも７０以下にまで抑制されており、塗装耐食性の向上が認められた。これらの結果は、アルミン酸塩及び硫酸塩の共存により、腐食性物質を無害化して塗膜傷部からの腐食進展を抑制したためと考えられる。
さらに、アルミン酸塩及び硫酸塩に加えて、さらに金属粉末を含有する中間層を形成させたＮｏ．８〜Ｎｏ．１０等の表面処理鋼材は塗膜膨れ幅の低減に有効であり、より一層の塗装耐食性向上が認められる。
また、Ｎ及びＴｉが規定範囲から外れる素地鋼材（Ｍ２及びＭ３）を用いたＮｏ．１１及びＮｏ．１２の表面処理鋼材は、本発明の中間層Ｓ４による塗装膨れ幅及び最大腐食深さの抑制効果は通常の素地鋼材（Ｍ１）を用いたＮｏ．５の表面処理鋼材と同レベルであった。これに対して、化学成分を調整することによって、同じ中間層の実施例で比較すると塗装膨れ幅及び最大腐食深さは抑制されている。例えば、中間層Ｓ４の例で比較すると、Ｎｏ．５（評価○）に対して、Ｎｏ．１３及びＮｏ．１４は○〜◎、Ｎｏ．１６やＮｏ．１９などは◎、Ｎｏ．２６やＮｏ．３３などは◎〜◎◎と向上しており、塗装耐食性向上効果はさらに高まる結果となった。
Figure 2012246557
 ※表１中、単位は質量％である。
※表１中、「−」は実質的に含有していない（検出されなかった）ことを示す。
Figure 2012246557
 ※表２中、「＋」は、それぞれの成分を同質量用いたことを示す。
Figure 2012246557
以上説明したように、本発明の表面処理鋼材は、橋梁、海洋構造物、土木・建築構造物、船舶等に代表される腐食性環境における鋼構造物に好適に用いられる。
１ 供試材
２ 塗膜
３ カット傷
４ 膨れ発生部分

Claims (6)

  1. 素地鋼材と、最表面に形成される防食樹脂塗膜とを備える表面処理鋼材であって、
    上記素地鋼材と防食樹脂塗膜との間に、アルミン酸塩及び硫酸塩を含有する中間層をさらに備えることを特徴とする表面処理鋼材。
  2. 上記中間層が鉄よりも卑な金属の粉末をさらに含有する請求項１に記載の表面処理鋼材。
  3. 上記素地鋼材が、
    Ｃ ：０．０１質量％以上０．３０質量％以下、
    Ｓｉ：０．０５質量％以上１．０質量％以下、
    Ｍｎ：０．１質量％以上２．０質量％以下、
    Ｐ ：０．０５質量％以下、
    Ｓ ：０．０２質量％以下、
    Ｎ ：０．００８質量％以下、
    Ａｌ：０．００５質量％以上０．１０質量％以下、
    Ｃｕ：０．１質量％以上３．０質量％以下、
    Ｎｉ：０．１質量％以上５．０質量％以下、及び
    Ｔｉ：０．００５質量％以上０．１質量％以下
    を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる請求項１又は請求項２に記載の表面処理鋼材。
  4. 上記素地鋼材が、さらに
    Ｃｒ：０．０１質量％以上１．０質量％以下、
    Ｍｏ：０．０１質量％以上１．０質量％以下、及び
    Ｗ ：０．０１質量％以上１．０質量％以下
    からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含有する請求項３に記載の表面処理鋼材。
  5. 上記素地鋼材が、さらに
    Ｍｇ：０．０００３質量％以上０．００５質量％以下、及び
    Ｃａ：０．０００３質量％以上０．００５質量％以下
    からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含有する請求項３又は請求項４に記載の表面処理鋼材。
  6. 上記素地鋼材が、さらに
    Ｎｂ：０．００１質量％以上０．１質量％以下、
    Ｚｒ：０．００１質量％以上０．１質量％以下、
    Ｖ ：０．００１質量％以上０．１質量％以下、及び
    Ｂ ：０．０００１質量％以上０．００５質量％以下
    からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含有する請求項３、請求項４又は請求項５に記載の表面処理鋼材。
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