JP2013177656A - 耐異種金属接触腐食性に優れた鋼材および溶接継手 - Google Patents

耐異種金属接触腐食性に優れた鋼材および溶接継手 Download PDF

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Abstract

【課題】異種鋼材を溶接で接合する際に用いた場合にも良好な耐食性を有する鋼材および溶接継手を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．３０％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．１０％、Ｃｕ：０．３〜３．０％、Ｎｉ：０．３〜５．０％、Ｔｉ：０．０１０〜０．１０％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、Ｎ：０．００２０〜０．００８０％、Ｏ：０．００１０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記式１で定義されるＮ＊が０．０００１％以下である耐異種金属接触腐食性に優れた鋼材。
式１： Ｎ＊＝［Ｎ］−０．２９×［Ｔｉ］
ただし、［ ］は各化学成分の含有量（質量％）である。
【選択図】なし

Description

本発明は、橋梁、海洋構造物、土木・建築構造物、船舶などに代表される腐食性環境における鋼構造物に用いられる鋼材および溶接継手に関するものであり、特に異種鋼材を溶接接合する際に用いられる鋼材および溶接継手に関するものであって、特に無塗装で用いられる鋼材および溶接継手に関するものである。
橋梁、海洋構造物、土木・建築構造物、船舶などの鋼構造物においては、使用される環境の腐食性に応じてさまざまな鋼材が使用されている。
例えば、腐食性が非常に低い山間部等の使用環境では、ＪＩＳのＳＭ規格に代表される通常の溶接構造用鋼が選定される。
また、飛来塩分量がＮａＣｌ換算で０．０５ｍｇ／ｄｍ２／ｄａｙ（以下「ｍｄｄ」とも略記する。）以下を一つの目安とする腐食性が比較的低い使用環境では、橋梁分野においてはＪＩＳ Ｇ ３１１４に規定されている耐候性鋼（以下「ＪＩＳ耐候性鋼」と略記する。）が無塗装（裸仕様）で用いられている。そして、さらに腐食性の厳しい使用環境ではＮｉ系耐候性鋼などのようにＣｕやＮｉなどの耐食性を向上させる合金元素の添加量を増加させた耐食性鋼材が使用環境の腐食性に応じて使用されている。これらの耐候性鋼や耐食鋼材は、構造物の建設コストの観点から、使用環境の腐食性に応じて最適な鋼材が選定されるが、場合によっては、さび安定化処理や重防食塗装等の表面処理を施して用いられている。
ところで、化学成分の異なる材料が溶接などにより接触した場合には、異種金属接触腐食により卑な方の鋼材または溶接金属の腐食が促進される可能性がある。溶接構造物においては、使用する溶接材料と母材の鋼材の化学成分は必ずしも同じではないため、溶接金属と母材との成分が異なることが通常である。よって、溶接継手部において異種金属接触腐食が発生する可能性があり、溶接部の耐食性確保は腐食寿命確保の上でも重要な課題である。このようなことから、溶接部の耐食性向上を目的とした溶接材料や溶接方法が提案されている（特許文献１、２参照）。
鋼材の腐食性は使用環境の温度、湿度、塩分量などの条件によってほぼ決定されるが、腐食性は構造物の部位によっても異なる。例えば、橋梁の桁内などの降雨が直接かからない水平方向に設置された鋼材の上面では、降雨が直接かかる外面の垂直設置部材に比べれば、飛来塩分の蓄積が顕著であり、比較的腐食衰耗が顕著である。このような鋼構造物の部位毎の腐食性が異なることを考慮して、例えば、腐食が厳しい橋梁桁内水平部材には耐食性に優れるＮｉ系耐候性鋼を適用し、垂直部材にはＪＩＳ耐候性を適用するといった部位毎に鋼材を使い分けるニーズが建設コスト低減の観点から高まっている。
このように、構造物の部位毎に鋼材を使い分ける場合には、上述のように溶接部近傍での異種金属接触腐食の問題が生じる傾向がさらに強くなり、異種金属接触腐食の対策が必要であるが、従来技術では十分なものとは言えず、さらに効果的な対策が望まれている。
特開２０００−１０７８８６号公報 特開２００２−３３６９８９号公報
本発明は上述のような事情に着目してなされたものであって、その目的は、異種鋼材を溶接で接合する際に用いた場合にも良好な耐食性を有する鋼材および溶接継手を提供することにある。
請求項１に記載の発明は、
質量％で（以下、化学成分について同じ。）、
Ｃ ：０．０１〜０．３０％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、
Ｐ ：０．０４％以下、
Ｓ ：０．０３％以下、
Ａｌ：０．０１０〜０．１０％、
Ｃｕ：０．３〜３．０％、
Ｎｉ：０．３〜５．０％、
Ｔｉ：０．０１０〜０．１０％、
Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｎ ：０．００２０〜０．００８０％、
Ｏ ：０．００１０％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材であって、
下記式１で定義されるＮ＊が０．０００１％以下であることを特徴とする耐異種金属接触腐食性に優れた鋼材である。
式１： Ｎ＊＝［Ｎ］−０．２９×［Ｔｉ］
ただし、［ ］は各化学成分の含有量（質量％）である。
請求項２に記載の発明は、
さらに、
Ｃｒ：０．０１〜１．０％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
Ｗ ：０．０１〜１．０％の１種または２種以上
を含有する請求項１に記載の鋼材である。
請求項３に記載の発明は、
さらに、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、
Ｖ ：０．０１〜０．１０％、
Ｂ ：０．０００１〜０．００５％の１種または２種以上
を含有する請求項１または２に記載の鋼材である。
請求項４に記載の発明は、
化学成分組成の異なる２種類の鋼材Ａおよび鋼材Ｂを溶接して形成される溶接継手であって、前記鋼材Ａおよび鋼材Ｂのいずれか一方または双方の鋼材が請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼材であることを特徴とする溶接継手である。
請求項５に記載の発明は、
前記鋼材Ａ、前記鋼材Ｂおよび溶接金属のＣｕ＋Ｎｉ合計含有量をそれぞれ、ＸＡ、ＸＢおよびＸＷとした場合に、下記式２および式３の双方を満足する請求項４に記載の溶接継手である。
式２： ｜ＸＡ―ＸＷ｜≦１．０％
式３： ｜ＸＢ―ＸＷ｜≦１．０％
請求項６に記載の発明は、
大気腐食環境で使用される構造物に用いられる請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼材である。
請求項７に記載の発明は、
大気腐食環境で使用される構造物に用いられる請求項４または５に記載の溶接継手である。
請求項８に記載の発明は、
前記大気腐食環境は、飛来塩分量が０．０５ｍｇ−ＮａＣｌ／ｄｍ２／ｄａｙ以下の大気環境である請求項６に記載の鋼材である。
請求項９に記載の発明は、
前記大気腐食環境は、飛来塩分量が０．０５ｍｇ−ＮａＣｌ／ｄｍ２／ｄａｙ以下の大気環境である請求項７に記載の溶接継手である。
本発明の鋼材は、その化学成分として、特にＴｉＮ量が適切に調整されているとともに、ＮおよびＯ含有量が低減されているので、これらの相乗作用として異種金属接触時のカソード反応を抑制することができ、接触する相手材との電位差が比較的大きい場合にも異種金属接触による腐食促進を抑制できるため、耐腐食性に優れており、異種鋼材を接合する際に好適に用いることができる。
また、本発明の溶接継手は、異種鋼材を接合する際にその少なくとも一方の鋼材に上記本発明の鋼材を用いているので、上記作用の結果として耐腐食性に優れており、大気腐食環境で使用される構造物に好適に用いることができる。
実施例で用いたテストピースの概略平面図である。 腐食試験後のテストピースの概略部分断面図である。
以下、本発明を実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
本発明者らは橋梁などの鋼構造物に適用できる低合金耐食鋼材について、化学成分組成（以下、単に「成分組成」ともいう。）の異なる鋼材を接合した場合における耐食性確保について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
すなわち、異種金属接触腐食は、接触する鋼材同士の間または母材と溶接金属との間の腐食電位の差異に起因して発生し、異種金属間で電気化学セルが形成され、卑な方の金属では溶解反応を主体とするアノード反応が促進される。一方、異種金属接触時の貴な方の金属では溶存酸素や水素イオンの還元反応を主体とするカソード反応が促進され、このカソード反応が卑な方の金属のアノードをより一層促進する。このような異種金属接触腐食が発生すると卑な方の金属では腐食が促進されるのみでなく、貴な方では溶存酸素の還元反応で生じる局所的なアルカリ化や水素イオンの還元反応で生じる水素ガスなどにより、安定な保護性さびが形成されにくくなるため、全体の耐食性は極度に劣化する。
発明者らは種々検討の結果、異種金属接触させる鋼材の成分組成として、特にＴｉＮ量を適切に調整することと、ＮおよびＯ含有量を低減することの相乗作用として異種金属接触時のカソード反応を抑制することができ、接触する相手材との電位差が比較的大きい場合にも異種金属接触による腐食促進を抑制できることを見出した。さらに、腐食電位は、鋼材および溶接金属の化学成分組成、中でも鋼材および溶接金属のＣｕおよびＮｉの含有量が支配的であり、異種金属間（各鋼材と溶接金属との間）のＣｕ＋Ｎｉ合計含有量の差異を１．０％以内とすることにより異種金属接触腐食の作用を大きく抑制できることを見出した。このような知見を、ＣｕやＮｉ添加などの従来の大気腐食環境における耐食性（耐候性）の向上技術と組み合わせることにより、大気腐食環境において裸仕様での異種金属接触状態で適用できることがわかった。
構造用材料としての鋼材には、異種金属接触腐食に対する耐食性以外にも鋼材自身の耐食性や機械特性や溶接性などの諸特性を満足させる必要があり、上記のＣｕ、Ｎｉに加えて、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｐ、Ｓなどの含有量など、鋼材の成分組成を適正化する必要がある。
〔鋼材の成分組成〕
以下に本発明の鋼材におけるこれら基本含有元素の成分範囲の限定理由について説明する。
・Ｃ：０．０１〜０．３０％
Ｃは材料の機械特性を向上させる効果があり、強度確保のために必要な元素である。このような効果を得るためには０．０１％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃを過剰に含有させると、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って、耐食性が劣化する。このようなＣの悪影響を避けるためには、Ｃ含有量は０．３０％以下とする必要がある。こうしたことから、Ｃ含有量の範囲は０．０１〜０．３０％とした。なお、Ｃ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、より好ましくは０．０３％以上とするのがよい。また、Ｃ含有量の好ましい上限は０．２９％であり、より好ましくは０．２８％以下とするのがよい。
・Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは脱酸と強度確保のため必要な元素であり、０．１％に満たないと量産時に必要なＯ含有量が達成できない場合が多くなり、構造部材としての最低強度も確保できない。しかし、１．０％を超えて過剰に含有させると溶接性が劣化する。なお、Ｓｉ含有量のより好ましい下限は０．１２％であり、さらに好ましい下限は０．１５％である。また、Ｓｉ含有量のより好ましい上限は０．９５％であり、さらに好ましい上限は０．９０％である。
・Ｍｎ：０．１〜２．０％
ＭｎもＳｉと同様に脱酸および強度確保のために必要な元素であり、０．１％に満たないと量産時に必要なＯ含有量が達成できない場合が多くなり、構造部材としての最低強度も確保できない。しかし、２．０％を超えて過剰に含有させると靱性が劣化する。なお、Ｍｎ含有量のより好ましい下限は０．１５％であり、さらに好ましい下限は０．２０％である。また、Ｍｎ含有量のより好ましい上限は１．９％であり、さらに好ましい上限は１．８％である。
・Ｐ：０．０４％以下
Ｐは靭性や溶接性を劣化させる元素であり、可能な限り低減することが推奨されるが、許容されるＰ含有量の上限は０．０４％である。Ｐ含有量はより好ましくは０．０３８％以下、さらに好ましくは０．０３５％以下とすることが推奨される。
・Ｓ：０．０３％以下
ＳもＰと同様に靭性や溶接性を劣化させる元素であり、可能な限り低減することが推奨されるが、許容されるＳ含有量の上限は０．０３％である。Ｓ含有量はより好ましくは０．０２９％以下、さらに好ましくは０．０２８％以下とすることが推奨される。
・Ａｌ：０．０１０〜０．１０％
ＡｌもＳｉ、Ｍｎと同様に脱酸および強度確保のために必要な元素である。０．０１０％に満たないと量産時に必要なＯ含有量が達成できない場合が多くなり、構造部材としての最低強度も確保できない。しかし、０．１０％を超えて添加すると溶接性を害するため、Ａｌ含有量の範囲は０．０１０〜０．１０％とした。なお、Ａｌ含有量のより好ましい下限は０．０１１％であり、さらに好ましい下限は０．０１２％である。また、Ａｌ含有量のより好ましい上限は０．０９％であり、さらに好ましい上限は０．０８％である。
・Ｃｕ：０．３〜３．０％
Ｃｕは鋼材表面に緻密なさび皮膜を形成して腐食の進展を抑制する作用を有しており、母材自身の耐食性向上に必要な元素である。また、防食塗装を併用する場合には、塗膜傷部において緻密なさび皮膜を形成して腐食を抑制し、傷部劣化進展を抑制する作用も有する。このような効果を有効に発揮させるためには、０．３％以上含有させることが必要であるが、過剰に含有させると溶接性や熱間加工性が劣化することから、３．０％以下とする必要がある。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．３２％であり、より好ましい下限は０．３５％である。また、Ｃｕ含有量の好ましい上限は２．８％であり、より好ましい上限は２．６％である。
・Ｎｉ：０．３〜５．０％
ＮｉはＣｕと同様に鋼材表面に緻密なさび皮膜を形成して腐食の進展を抑制する作用を有しており、母材自身の耐食性向上に必要な元素である。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必要な元素である。こうした効果を有効に発揮させるためにはＮｉは０．３％以上含有させることが必要である。しかしながら、添加量が過剰になると溶接性や熱間加工性が劣化することから、Ｎｉは５．０％以下とすることが必要である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．３２％であり、より好ましい下限は０．３５％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は４．８％であり、より好ましい上限は４．６％である。
・Ｔｉ：０．０１０〜０．１０％
ＴｉはＮとの共存によりＴｉＮを形成してカソード反応を抑制し、自身および接触する鋼材の異種金属接触による腐食促進を防止する作用を有する。また、微細で緻密なさび皮膜を形成する作用も有しており、耐食性向上に必要な元素である。こうした効果を有効に発揮させるためにはＴｉは０．０１０％以上含有させることが必要である。しかしながら、添加量が過剰になると溶接性や熱間加工性が劣化することから、Ｔｉは０．１０％以下とすることが必要である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．０１１％であり、より好ましい下限は０．０１２％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０９％であり、より好ましい上限は０．０８％である。
・Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％
Ｃａは腐食溶解時にｐＨを上昇させ、局所的な酸性化による腐食促進を抑制する作用を有しており、耐食性を向上するのに有効な元素である。こうした効果を有効に発揮させるためにはＣａは０．０００５％以上含有させることが必要である。しかしながら、添加量が過剰になると溶接性や加工性が劣化することから、Ｃａは０．００５０％以下とすることが必要である。Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００６％であり、より好ましい下限は０．０００７％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００４５％であり、より好ましい上限は０．００４０％である。
・Ｎ ：０．００２０〜０．００８０％
ＮはＴｉとの共存によりＴｉＮを形成してカソード反応を抑制し、自身および接触する鋼材の異種金属接触による腐食促進を防止する作用を有する。こうした効果を有効に発揮させるためにはＮは０．００２０％以上含有させることが必要である。しかしながら、ＴｉＮを形成しないＮはカソード反応を促進して、異種金属接触腐食を促進するため有害であり、Ｔｉ含有量とともに適正化が必要である。また、ＴｉＮとして固定したとしてもＮ添加量が過剰になると溶接性や加工性が劣化することから、Ｎは０．００８０％以下とすることが必要である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００２２％であり、より好ましい下限は０．００２５％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．００７５％であり、より好ましい上限は０．００７０％である。
・Ｏ ：０．００１０％以下
鋼中のＯはカソード反応を促進して、接触する鋼材の異種金属接触腐食を増大させる作用があるため、耐食性に有害な元素であり、可能な限り低減することが推奨される。許容されるＯ含有量の上限は０．００１０％であるが、Ｏ含有量はより好ましくは０．０００９％以下、さらに好ましくは０．０００８％以下とすることが推奨される。
・Ｎ＊＝［Ｎ］−０．２９×［Ｔｉ］：０．０００１％以下
Ｎ＊はＴｉによりＴｉＮとして固定されていない固溶ＮなどのＮがどの程度存在するかを表す指標である。ここに、上記式中の「０．２９」はＮ原子量／Ｔｉ原子量の比を有効数字２桁で表示したものである。固溶ＮなどのＴｉＮとして固定されていないＮは耐食性を劣化させる作用があるため、可能な限り低減することが推奨される。Ｎ＊を０．０００１％以下とすることにより、鋼中のＮはほとんどＴｉＮとして固定でき、必要な耐食性を満足させることができる。なお、Ｎ＊はより好ましくは０．００００８％以下、さらに好ましくは０．００００５％以下とすることが推奨される。
以上が、本発明の鋼材における基本含有元素の成分範囲の限定理由であり、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。不可避的不純物は鋼材の諸特性を害さない程度で含有していても構わないが、合計で０．１％以下、好ましくは０．０９％以下に抑えることによって、本発明の耐食性発現効果を極大化することができる。
また、本発明の鋼材に、以下に示す元素を含有させればさらに有効である。これらの元素を含有させる場合の成分範囲の限定理由について次に説明する。
・Ｃｒ：０．０１〜１．０％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
Ｗ ：０．０１〜１．０％の１種または２種以上
Ｃｒ、ＭｏおよびＷはさびの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。これらの元素を含有させる場合の下限はそれぞれ０．０１％である。しかし、過剰に含有させると溶接性や熱間加工性を劣化させるため、含有量はそれぞれ１．０％以下とする必要がある。Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗを含有させる場合のより好ましい下限はそれぞれ０．０１５％であり、それぞれ０．０２％を下限とすることがさらに好ましい。Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗを含有させる場合のより好ましい上限はそれぞれ０．９５％であり、それぞれ０．９０％を上限とすることがさらに好ましい。
・Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、
Ｖ ：０．０１〜０．１０％、
Ｂ ：０．０００１〜０．００５％の１種または２種以上
Ｎｂ、ＶおよびＢは強度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。しかし、過剰に含有させると母材靭性を劣化させる。Ｎｂを含有させる場合の下限は、０．００５％であり、さらに好ましい下限は０．００６％であり、０．００７％を下限とすることが最も好ましい。Ｎｂを含有させる場合の上限は、０．０５％であり、さらに好ましい上限は０．０４５％であり、０．０４０％を上限とすることが最も好ましい。Ｖを含有させる場合の下限は、０．０１％であり、さらに好ましい下限は０．０１２％であり、０．０１４％を下限とすることが最も好ましい。Ｖを含有させる場合の上限は、０．１０％であり、さらに好ましい上限は０．０９５％であり、０．０９０％を上限とすることが最も好ましい。Ｂを含有させる場合の下限は０．０００１％、さらに好ましい下限は０．０００２％であり、０．０００３％を下限とすることが最も好ましい。Ｂを含有させる場合の上限は０．００５％、さらに好ましい上限は０．００４５％であり、０．００４％を上限とすることが最も好ましい。
〔鋼材の製造方法〕
本発明の耐異種金属接触腐食性に優れた鋼材を確実に製造するには、例えば、以下に説明する方法により製造すればよい。
まず、転炉または電気炉から取鍋に出鋼した溶鋼に対して、ＲＨ真空脱ガス装置を用いて、本発明で規定する化学成分組成に成分調整するとともに、温度調整することで二次精錬を行う。その後、連続鋳造法、造塊法等の通常の鋳造方法で鋼塊とすればよい。なお、鋼材のＯ含有量を低減するとともに、構造用材料としての鋼材に必要な基本特性（機械的特性や溶接性）を確保する観点から、脱酸形式としてはキルド鋼を用いることが好ましく、さらに好ましくはＡｌキルド鋼を用いることが推奨される。
次いで、得られた鋼塊を１０００〜１３００℃の温度域に加熱した後に熱間圧延を行って所望の寸法形状にすることが好ましい。このとき熱間圧延終了温度を６５０〜８５０℃に制御し、熱間圧延終了後から５００℃までの冷却速度を０．１〜１５℃／秒以下の範囲に制御することによって、所定の強度特性を得ることができる。
なお、近年の成分調整技術の進展により鋼中のＯ含有量は０．００１０％（１０質量ｐｐｍ）以下に低減できるようになっているが、Ｏ量調整を特段意識しない場合には、通常の成分調整方法では鋼材のＯ含有量は本発明で規定する０．００１０％を超えてしまう場合もあることから、本発明で規定する脱酸作用を有する元素（Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ）の添加量を調整する以外に、脱酸反応が進行する製鋼プロセスにおける処理時間を通常よりも適宜長時間としたり、溶鋼の再酸化を防止するなどのＯ低減対策を施すことが推奨される。
〔溶接継手〕
また、本発明の溶接継手（以下「異材溶接継手」ともいう。）は、化学成分組成の異なる２種類の鋼材Ａおよび鋼材Ｂを溶接して形成される溶接継手であって、鋼材Ａおよび鋼材Ｂのいずれか一方または双方の鋼材が上記本発明の鋼材であることを特徴とするものである。このように異種鋼材の少なくとも一方に上記本発明の鋼材を用いたことで、異種金属接触腐食の作用を抑制することができ、大気腐食環境（例えば、飛来塩分量が０．０５ｍｇ−ＮａＣｌ／ｄｍ２／ｄａｙ以下の大気環境）で使用される構造物にも好適に用いることができる、耐腐食性に優れた異材溶接継手が提供できるようになった。
本発明の異材溶接継手を得るための溶接方法としては、被覆アーク溶接、マグ溶接、サブマージアーク溶接、ティグ溶接、セルフシールドアーク溶接、エレクトロガスアーク溶接など、通常の鋼構造物に適用される各種の溶接方法が適用可能である。また、溶接時の電流、電圧、溶接速度などの溶接条件については、鋼材の厚さや用いる溶接ワイヤ径などに応じて、各種溶接方法で用いられる通常の条件を選定することが可能である。
ただし、溶接部の強度や靭性などの構造物として必要な基本特性を満足させるために、溶接金属のＣ、Ｓｉ、Ｍｎなどの成分組成も調整することが好ましい。溶接金属の成分組成は溶接の際に用いる溶接材料の成分組成により調整することができる。
より具体的には、溶接部の強度を確保する観点からＣは０．０１〜０．３０％、Ｓｉは０．０１〜１．０％、Ｍｎは０．１〜２．０％の範囲で溶接金属中に含有されるように溶接材料を選定することが好ましい。また、ＰおよびＳは溶接性および溶接部の靭性を劣化させる元素であり、できる限り低減することが好ましく、溶接金属中にそれぞれ０．０３％以下の含有量となるように溶接材料の成分組成を調整することが好ましい。
また、ＣｕおよびＮｉは溶接部の耐食性向上に有効な元素であり、溶接金属のＣｕおよびＮｉの合計含有量が０．４％以上となるように溶接材料に添加することが好ましい。Ｃｕによる赤熱脆性を防止する観点から、溶接金属中のＮｉの含有量がＣｕの含有量の１／２以上となるように溶接材料のＣｕおよびＮｉの含有量を調整することが好ましい。さらに、用いる溶接材料のＣｕおよびＮｉ含有量は、溶接する鋼材Ａおよび鋼材ＢのＣｕ＋Ｎｉ合計含有量の中間とするかまたは双方より多くすることが耐食性の観点から好ましい。
特に、鋼材Ａ、鋼材Ｂおよび溶接金属のＣｕ＋Ｎｉ合計含有量をそれぞれ、ＸＡ、ＸＢおよびＸＷとした場合に、下記式２および式３の双方を満足させることがより好ましい。
式２： ｜ＸＡ―ＸＷ｜≦１．０％
式３： ｜ＸＢ―ＸＷ｜≦１．０％
このように、各鋼材と溶接金属の間のＣｕ＋Ｎｉ合計含有量の差異を１．０％以内とすることで、異種金属接触腐食の作用をさらに抑制できるようになり、大気腐食環境（例えば、飛来塩分量が０．０５ｍｇ−ＮａＣｌ／ｄｍ２／ｄａｙ以下の大気環境）で使用される構造物にも好適に用いることができる、より耐腐食性に優れた異材溶接継手が提供できるようになった。
なお、腐食性の厳しい環境で使用する場合には、溶接金属に本発明の鋼材に対して規定したＴｉやＣａが含有されるように溶接材料の成分組成を調整することが可能であり、さらにＣｒ、Ｍｏ、Ｗなどを含有させてもよい。
〔変形例：塗装および表面処理〕
本発明の異材溶接継手は、大気腐食環境で使用される構造物においても無塗装（裸仕様）で用いることを基本とするものであるが、例えば腐食性の厳しい環境で使用するような場合には、通常の防食塗装と併用することも可能である。防食塗膜としては、エポキシ樹脂系塗料、フタル酸樹脂系塗料、フェノール樹脂系塗料、塩化ゴム系塗料、ウレタン樹脂塗料、シリコン樹脂系塗料、フッ素樹脂系塗料、アクリル樹脂塗料、ブチラール樹脂系塗料などを用いた塗装が適用できる。また、種類の異なる複数の塗装を重ね塗りすることも可能である。
上記エポキシ樹脂系塗膜の形成用塗料としては、防食塗料として用いられるものであれば、特に限定されず、ビヒクルとしてエポキシ樹脂を含むものであればよい。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などが挙げられる。塩化ゴム系塗膜も、塩化ゴムや塩素化ポロオレフィンなどの塩素化樹脂を主原料としてなる塗料を用いて形成した塗膜であればよく、特に限定されない。また、アクリル樹脂塗膜としては、通常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、アクリルラッカーなどの塗料を用いて形成した塗膜が使用できる。ウレタン樹脂塗膜としては、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、などを用いて形成した塗膜を使用できる。
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２０〜４００μｍ程度の厚さとすることが推奨される。腐食性の非常に厳しい環境で使用する場合には、１０００μmを超える膜厚にて塗装する塗料にも適用が可能である。
また、本発明の異材溶接継手に用いる鋼材には、エッチングプライマー、無機ジンクリッチプライマや有機ジンクリッチプライマなどを鋼材の一次防錆処理あるいは塗装下地処理として塗布することも可能である。
また、本発明の異材溶接継手に用いる鋼材には、通常の裸仕様の耐候性鋼に適用される錆安定化処理などを組み合わせて適用することも可能である。
また、本発明の異材溶接継手には、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、などの溶射被膜を表面に形成して防食性を高める防錆・防食溶射技術を適用することも可能である。溶射する金属としては、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、または、Ｚｎ−Ａｌ合金やＡｌ−Ｍｇ合金などの鋼材よりも卑な金属材料や合金材料が例示でき、溶射被膜の膜厚は１００〜２００μｍ程度が推奨されるが、融雪塩散布などにより腐食性が厳しくなる環境では３００〜４００μｍ程度まで厚膜化することが推奨される。溶射方法としては、フレーム溶射やアーク溶射などの方法が適用可能であり、溶射後の後処理として、エポキシ樹脂系、シリコン樹脂系、ウレタン樹脂系、ブチラール樹脂系塗料またはフッ素樹脂系などの封孔処理剤塗布による封孔処理を適用することが可能である。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含されるものである。
〔供試材の作製〕
表１に示す種々の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１１５０℃に加熱した後、熱間圧延を行って、寸法が６００ｍｍ×８０ｍｍ×１２ｍｍの溶接継手作製用素材を切り出した。表１の中から２種の溶接継手作製用素材を選定して、サブマージアーク溶接法により突合せ溶接し、異種鋼材の溶接継手（異種溶接継手）を作製した。鋼材の組み合わせは表２に示す通りである。なお、用いた溶接ワイヤは、０．０５Ｃ−０．３Ｓｉ−１．０Ｍｎ０．０１２Ｐ−０．００５Ｓ鋼をベースにＣｕおよびＮｉを適宜添加したワイヤであり、溶接ワイヤ中のＣｕおよびＮｉの含有量は表２に示す通りである。このように溶接ワイヤ中のＣｕおよびＮｉの含有量を変化させて、表２に示す溶接金属のＣｕ＋Ｎｉ合計含有量（ＸＷ）を得た。このようにして得られた異種溶接継手から、溶接金属部が中心になるように寸法が７０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍの腐食試験用テストピース（図１参照）を切り出した。テストピースの溶接金属の幅は１０ｍｍである。すべてのテストピースは、全面をエメリー紙で＃６００まで湿式研磨し、アセトン洗浄をしてから、以下の腐食試験に供した。
〔腐食試験方法〕
腐食試験として、塩水噴霧過程（３０℃の５質量％ＮａＣｌ水溶液を０．５時間噴霧）、湿潤過程（３０℃、湿度９５％ＲＨ、１．５時間）、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９０日間である。供試したテストピースの数量は、表２に示すＮｏ．１〜３１の異種溶接継手について各々３枚ずつである。
異種溶接継手の耐食性評価方法は以下の通りである。まず、各々のテストピースの試験前後の質量変化を測定し、供試した３枚の平均値を求め、これを異種溶接継手の平均腐食量として評価した。なお、腐食試験後の質量測定は、１０質量％クエン酸水素二アンモニウム水溶液中での陰極電解法（ＪＩＳ Ｋ８２８４）により腐食生成物を除去してから行った。
次いで、腐食試験後の質量測定の後、テストピース中央断面における溶接金属と母材（鋼材Ａまたは鋼材Ｂ）との界面付近を顕微鏡観察し、溶接金属と母材との腐食量の差異により生じる段差の高さＤＡおよびＤＢを測定した。ＤＡは溶接金属と鋼材Ａとの段差の高さ、ＤＢは溶接金属と鋼材Ｂとの段差の高さであり、これらの段差の高さＤＡとＤＢを異種金属接触腐食の度合いを表す指標とした（図２参照）。
〔試験結果〕
表２に腐食試験による平均腐食量および母材と溶接金属との腐食量の差異（段差の高さ）ＤＡおよびＤＢを併記する。なお、平均腐食量はＮｏ．１の平均腐食量を１００としたときの相対値で示している。ＤＡおよびＤＢについては、腐食量が母材＜溶接金属の場合を＋、母材＞溶接金属の場合を−として示している。
総合評価は下記の評価基準によるものである。
○ ：平均腐食量が７０以下であり、かつ、ＤＡとＤＢの双方が±１０μm以内であること
○〜◎：平均腐食量が５０以下であり、かつ、ＤＡとＤＢの双方が±１０μm以内であること
◎ ：平均腐食量が５０以下であり、かつ、ＤＡとＤＢの双方が±５μm以内であること
通常の耐候性鋼Ｍ１の鋼材同士を溶接した同種溶接継手（Ｎｏ．１）のＤＡおよびＤＢはともに９μｍであったが、本発明の成分組成の規定を満足しないＭ２〜Ｍ７の鋼材とＭ１の鋼材との溶接継手であるＮｏ．２〜Ｎｏ．７の異種溶接継手はいずれも平均腐食量が１００を超えており、異種金属接触腐食による腐食量の増大が認められる。また、これらのＤＡとＤＢはいずれか一方または双方が±１０μｍの範囲を超えており、耐食性に問題があることがわかる。
これらに対して、鋼材成分が本発明の規定を満たすＮｏ．８〜Ｎｏ．３１の異材溶接継手はいずれも平均腐食量が７０以下になっており、同種溶接継手であるＮｏ．１に対して大幅な改善が認められる。また、これらのＤＡおよびＤＢは双方とも±１０μｍ以内であり、異種金属接触腐食が抑制された結果であることがわかる。
特に、鋼材Ａと鋼材Ｂの双方ともが本発明の規定を満たす異種溶接継手、例えばＮｏ．１２、Ｎ．１５などは平均腐食量が５０以下となっており、異種金属接触腐食に対する耐食性はより改善されることがわかる。
さらに、各母材と溶接金属とのＣｕ＋Ｎｉ含有量の差異をともに１．０％以内としたＮｏ．１６などは、ＤＡとＤＢの双方が±５μm以内であり、異種金属接触腐食に対する耐食性が大幅に向上する結果を示している。

Claims (9)

  1. 質量％で（以下、化学成分について同じ。）、
    Ｃ ：０．０１〜０．３０％、
    Ｓｉ：０．１〜１．０％、
    Ｍｎ：０．１〜２．０％、
    Ｐ ：０．０４％以下、
    Ｓ ：０．０３％以下、
    Ａｌ：０．０１０〜０．１０％、
    Ｃｕ：０．３〜３．０％、
    Ｎｉ：０．３〜５．０％、
    Ｔｉ：０．０１０〜０．１０％、
    Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、
    Ｎ ：０．００２０〜０．００８０％、
    Ｏ ：０．００１０％以下、
    を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材であって、
    下記式１で定義されるＮ＊が０．０００１％以下であることを特徴とする耐異種金属接触腐食性に優れた鋼材。
    式１： Ｎ＊＝［Ｎ］−０．２９×［Ｔｉ］
    ただし、［ ］は各化学成分の含有量（質量％）である。
  2. さらに、
    Ｃｒ：０．０１〜１．０％、
    Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
    Ｗ ：０．０１〜１．０％の１種または２種以上
    を含有する請求項１に記載の鋼材。
  3. さらに、
    Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、
    Ｖ ：０．０１〜０．１０％、
    Ｂ ：０．０００１〜０．００５％の１種または２種以上
    を含有する請求項１または２に記載の鋼材。
  4. 化学成分組成の異なる２種類の鋼材Ａおよび鋼材Ｂを溶接して形成される溶接継手であって、前記鋼材Ａおよび鋼材Ｂのいずれか一方または双方の鋼材が請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼材であることを特徴とする溶接継手。
  5. 前記鋼材Ａ、前記鋼材Ｂおよび溶接金属のＣｕ＋Ｎｉ合計含有量をそれぞれ、ＸＡ、ＸＢおよびＸＷとした場合に、下記式２および式３の双方を満足する請求項４に記載の溶接継手。
    式２： ｜ＸＡ―ＸＷ｜≦１．０％
    式３： ｜ＸＢ―ＸＷ｜≦１．０％
  6. 大気腐食環境で使用される構造物に用いられる請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼材。
  7. 大気腐食環境で使用される構造物に用いられる請求項４または５に記載の溶接継手。
  8. 前記大気腐食環境は、飛来塩分量が０．０５ｍｇ−ＮａＣｌ／ｄｍ２／ｄａｙ以下の大気環境である請求項６に記載の鋼材。
  9. 前記大気腐食環境は、飛来塩分量が０．０５ｍｇ−ＮａＣｌ／ｄｍ２／ｄａｙ以下の大気環境である請求項７に記載の溶接継手。
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