JP2023119906A - 鋼材 - Google Patents
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
【課題】塩化物を含む乾湿繰り返し環境において優れた耐食性を発揮する鋼材を提供する。【解決手段】化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０１～０．２０％、Ｓｉ：０．０１～１．０％、Ｍｎ：０．０５～３．００％、Ｐ：０．１５０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ａｌ：１．５００％以下、Ｎ：０．００１～０．０１０％、Ｓｎ：０．０１～０．５０％、Ｉｎ：０．００１～０．２０％、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：５．００％以下、Ｃｒ：９．００％以下、残部：Ｆｅおよび不純物であり、Ｐ：０．０５０％超、Ａｌ：０．１００％超、Ｎｉ：１．００％超、およびＣｒ：１．００％超から選択される１種以上を含有する、鋼材。【選択図】 なし
Description
本発明は、鋼材に関する。
鋼材の腐食を加速する因子として、塩化物の影響が極めて大きいことがよく知られている。例えば、海浜地域においては海水の飛沫はないものの、海塩粒子の飛来により腐食が促進される。また、内陸部においても、冬季には路面凍結を防ぐために塩化物を含む凍結防止剤を散布するなど、塩化物による腐食はいたる所で問題となっている。
このような、海岸地域等に比べて比較的塩化物量が低い屋外では、耐候性鋼が用いられている。耐候性鋼は、大気中での曝露により腐食される過程で、鋼材表面に腐食要因の透過を抑制する保護性の高いさび層を形成することにより、腐食速度を著しく低下させた鋼材である。このさび層の保護性により、腐食速度が著しく低下する特徴を有するため、耐候性鋼を使用した橋梁等は、無塗装のまま数十年間の供用に耐え得ることが知られている。また、耐候性鋼に塗装した場合には、塗装後耐食性に優れることが知られている。
例えば、特許文献１には、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒを複合して含有させた耐候性鋼が開示されている。特許文献２には、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｓｎを複合して含有させた耐候性鋼が開示されている。
しかし、特許文献１および２に記載の耐候性鋼では、さび層は数年～数十年間かけて徐々に形成されるものである。すなわち、腐食因子である塩化物イオンなどの基材への透過を十分に防止することができるさび層が形成されるまでの間は、基材の腐食は進行することになる。特許文献１および２に記載の耐候性鋼では、さび層が形成されるまでの間における基材の耐食性について、検討の余地が残されている。
本発明は、上記の課題を解決し、塩化物を含む乾湿繰り返し環境において優れた耐食性を発揮する鋼材を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の鋼材を要旨とする。
（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１～０．２０％、
Ｓｉ：０．０１～１．０％、
Ｍｎ：０．０５～３．００％、
Ｐ：０．１５０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ａｌ：１．５００％以下、
Ｎ：０．００１～０．０１０％、
Ｓｎ：０．０１～０．５０％、
Ｉｎ：０．００１～０．２０％、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：５．００％以下、
Ｃｒ：９．００％以下、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
Ｐ：０．０５０％超、
Ａｌ：０．１００％超、
Ｎｉ：１．００％超、および、
Ｃｒ：１．００％超、
から選択される１種以上を含有する、
鋼材。
Ｃ：０．０１～０．２０％、
Ｓｉ：０．０１～１．０％、
Ｍｎ：０．０５～３．００％、
Ｐ：０．１５０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ａｌ：１．５００％以下、
Ｎ：０．００１～０．０１０％、
Ｓｎ：０．０１～０．５０％、
Ｉｎ：０．００１～０．２０％、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：５．００％以下、
Ｃｒ：９．００％以下、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
Ｐ：０．０５０％超、
Ａｌ：０．１００％超、
Ｎｉ：１．００％超、および、
Ｃｒ：１．００％超、
から選択される１種以上を含有する、
鋼材。
（２）前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｍｏ：１．０％以下、および
Ｗ：１．０％以下、
から選択される１種以上を含有するものである、
上記（１）に記載の鋼材。
Ｍｏ：１．０％以下、および
Ｗ：１．０％以下、
から選択される１種以上を含有するものである、
上記（１）に記載の鋼材。
（３）前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｓｂ：０．３０％以下、
Ｃｏ：１．０％以下、
Ａｓ：０．３０％以下、
Ｃｅ：０．５０％以下、
Ｂｉ：０．１０％以下、
Ｓｅ：０．５０％以下、
Ｐｂ：０．５０％以下、
Ｈｆ：０．２０％以下、
Ｚｎ：０．１０％以下、
Ｇａ：０．１０％以下、
Ｓｒ：０．０２０％以下、
Ｂａ：０．０２０％以下、
Ｇｅ：０．１０％以下、
Ｓｃ：０．０１０％以下、および
Ｓｍ：０．０１０％以下、
から選択される１種以上を含有するものである、
上記（１）または（２）に記載の鋼材。
Ｓｂ：０．３０％以下、
Ｃｏ：１．０％以下、
Ａｓ：０．３０％以下、
Ｃｅ：０．５０％以下、
Ｂｉ：０．１０％以下、
Ｓｅ：０．５０％以下、
Ｐｂ：０．５０％以下、
Ｈｆ：０．２０％以下、
Ｚｎ：０．１０％以下、
Ｇａ：０．１０％以下、
Ｓｒ：０．０２０％以下、
Ｂａ：０．０２０％以下、
Ｇｅ：０．１０％以下、
Ｓｃ：０．０１０％以下、および
Ｓｍ：０．０１０％以下、
から選択される１種以上を含有するものである、
上記（１）または（２）に記載の鋼材。
（４）前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｔｉ：０．２０％以下、
Ｚｒ：０．２０％以下、
Ｎｂ：０．１０％以下、
Ｖ：０．５０％以下、
Ｂ：０．０１０％以下、
Ｔａ：０．１０％以下、
Ｔｅ：０．５０％以下、
Ｙ：０．１０％以下、
Ｌａ：０．１０％以下、
Ｎｄ：０．０１０％以下、
Ｃａ：０．０１０％以下、
Ｍｇ：０．０１０％以下、および
ＲＥＭ：０．０１５０％以下、
から選択される１種以上を含有するものである、
上記（１）～（３）のいずれかに記載の鋼材。
Ｔｉ：０．２０％以下、
Ｚｒ：０．２０％以下、
Ｎｂ：０．１０％以下、
Ｖ：０．５０％以下、
Ｂ：０．０１０％以下、
Ｔａ：０．１０％以下、
Ｔｅ：０．５０％以下、
Ｙ：０．１０％以下、
Ｌａ：０．１０％以下、
Ｎｄ：０．０１０％以下、
Ｃａ：０．０１０％以下、
Ｍｇ：０．０１０％以下、および
ＲＥＭ：０．０１５０％以下、
から選択される１種以上を含有するものである、
上記（１）～（３）のいずれかに記載の鋼材。
（５）前記鋼材の表面の少なくとも一部に、防食処理が施された、
上記（１）～（４）のいずれかに記載の鋼材。
上記（１）～（４）のいずれかに記載の鋼材。
本発明によれば、塩化物を含む乾湿繰り返し環境において優れた耐食性を発揮する鋼材が得られる。
鋼材にＰ、Ａｌ、Ｎｉ、およびＣｒから選択される１種以上を、一定量以上含有させることで、鋼材を使用するにつれて鋼材表面に保護性さびおよび／または不動態皮膜が形成される。その結果、鋼材の耐食性を向上させることができる。保護性さびと、不動態皮膜とでは、鋼材表面における厚さは異なるものの、いずれも鋼材表面を酸化物が覆うことにより鋼材の耐食性を向上させることができる。
しかし、鋼材の腐食を抑制するために十分な保護性さびおよび／または不動態皮膜が形成されるまでの間に、鋼材が塩化物を含む乾湿繰り返し環境に曝されると、ＦｅＣｌ３溶液の乾湿繰り返しが生じ、Ｆｅ３＋の加水分解により腐食界面のｐＨが低下した状態で、かつＦｅ３＋が酸化剤として作用することによって、腐食が加速する。
このときの腐食反応は、以下に示すとおりである。
カソード反応：Ｆｅ３＋＋ｅ－→Ｆｅ２＋（Ｆｅ３＋の還元反応）
アノード反応：Ｆｅ→Ｆｅ２＋＋２ｅ－（Ｆｅの溶解反応）
カソード反応：Ｆｅ３＋＋ｅ－→Ｆｅ２＋（Ｆｅ３＋の還元反応）
アノード反応：Ｆｅ→Ｆｅ２＋＋２ｅ－（Ｆｅの溶解反応）
したがって、腐食の総括反応は、下記（ｉ）式のとおりである。
２Ｆｅ３＋＋Ｆｅ→３Ｆｅ２＋ ・・・（ｉ）
２Ｆｅ３＋＋Ｆｅ→３Ｆｅ２＋ ・・・（ｉ）
上記（ｉ）式の反応により生成したＦｅ２＋は、空気酸化によりＦｅ３＋に酸化され、生成したＦｅ３＋は再び酸化剤として腐食が加速する。この際、Ｆｅ２＋の空気酸化の反応速度は低ｐＨ環境では一般に遅いが、塩化物溶液中ではＦｅ３＋が生成されやすくなる。このようなサイクリックな反応のため、塩化物を含む環境において鋼の耐食性が著しく劣化する。
酸性化した腐食界面のｐＨは、鋼材表面に付着する雨水等によって中性化されるが、上記の反応により再び低下する。このように、乾湿繰り返し環境において、腐食界面のｐＨは酸性から中性の領域で連続的に変化する。
さらに、低ｐＨ環境では以下に示す水素イオンの還元反応が進行し、Ｆｅ溶解のアノード反応が促進される。
２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２
２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２
アノード溶解反応を抑制するためには、Ｓｎを鋼中に含有させることが有効である。Ｓｎは、腐食環境において陽イオンＳｎ２＋となって溶解し、酸性塩化物溶液中でのインヒビター作用により腐食を抑制する作用を有する。さらに、Ｓｎは、Ｆｅ３＋を速やかに還元させ、酸化剤としてのＦｅ３＋濃度を低減することによっても、Ｆｅ３＋の腐食促進作用を抑制することができる。
また、Ｓｎ表面における水素発生反応の進行速度は、Ｆｅ表面と比較して小さいことが知られている。そのため、鋼表面にＳｎ層を形成することで水素発生反応を抑制し、結果として鋼のアノード溶解反応を抑制することができる。
具体的には、Ｓｎ２＋のアンダーポテンシャル析出（ＵＰＤ）により、使用環境中で鋼材表面に極めて薄い金属Ｓｎ層を形成させることで、耐食性を向上させることができる。
このように、Ｓｎはアノード溶解反応を抑制し耐食性を向上させることができる。しかし、ＳｎはｐＨが２未満の強酸性環境において非常に有効である一方、弱酸性環境におけるアノード溶解反応の抑制については、改善の余地が残されている。
本発明者らは、このような塩分環境におけるＳｎの効果を基に、さらにｐＨが変動する環境における耐食性を向上させるために、種々の金属元素と、アノード溶解反応との関係について詳細に研究した。その結果、下記の（ａ）～（ｃ）に示す知見を得た。
（ａ）Ｉｎは腐食環境において陽イオンＩｎ３＋となって溶解し、酸塩化物溶液中でのインヒビター作用により腐食を抑制する。
（ｂ）Ｉｎ表面における水素発生反応の進行速度は、Ｆｅ表面と比較して小さい。そのため、Ｉｎ３＋のアンダーポテンシャル析出（ＵＰＤ）によって、使用環境中で鋼材表面に極めて薄い金属Ｉｎ層を形成させることで、Ｆｅのアノード溶解反応を大幅に抑制できる。これにより、Ｉｎが微量でも耐食性を大幅に向上させることができる。
（ｃ）Ｓｎ２＋のＵＰＤが、ｐＨ２未満の強酸性環境で起こるのに対し、Ｉｎ３＋のＵＰＤは、ｐＨ３～５の弱酸性環境で生じる。そのため、ＳｎとＩｎとを同時に含有させることで、乾湿繰り返しによって生じるｐＨの変化に対して、それぞれ単独で含有させるよりも優れた腐食抑制効果を得ることができる。
本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
（Ａ）化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０１～０．２０％
Ｃは材料としての強度を確保するために必要な元素である。しかし、過剰に含有させると溶接性が著しく低下する。また、Ｃ含有量の増大とともに、ｐＨが低下する環境でカソードとなって腐食を促進するセメンタイトの生成量が増大するため、耐食性が低下する。そのため、Ｃ含有量は０．０１～０．２０％とする。Ｃ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．０３％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．１８％以下であるのが好ましく、０．１６％以下であるのがより好ましい。
Ｃは材料としての強度を確保するために必要な元素である。しかし、過剰に含有させると溶接性が著しく低下する。また、Ｃ含有量の増大とともに、ｐＨが低下する環境でカソードとなって腐食を促進するセメンタイトの生成量が増大するため、耐食性が低下する。そのため、Ｃ含有量は０．０１～０．２０％とする。Ｃ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．０３％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．１８％以下であるのが好ましく、０．１６％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉ：０．０１～１．０％
Ｓｉは脱酸に必要な元素である。しかし、過剰に含有させると母材および溶接継手部の靱性が損なわれる。そのため、Ｓｉ含有量は０．０１～１．０％とする。Ｓｉ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．０５％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は０．８０％以下であるのが好ましく、０．６０％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉは脱酸に必要な元素である。しかし、過剰に含有させると母材および溶接継手部の靱性が損なわれる。そのため、Ｓｉ含有量は０．０１～１．０％とする。Ｓｉ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．０５％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は０．８０％以下であるのが好ましく、０．６０％以下であるのがより好ましい。
Ｍｎ：０．０５～３．００％
Ｍｎは低コストで鋼の強度を高める作用を有する元素である。しかし、過剰に含有させると溶接性が劣化するとともに継手靱性も劣化する。そのため、Ｍｎ含有量は０．０５～３．００％とする。Ｍｎ含有量は０．２０％以上であるのが好ましく、０．４０％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は２．５０％以下であるのが好ましく、２．００％以下であるのがより好ましい。
Ｍｎは低コストで鋼の強度を高める作用を有する元素である。しかし、過剰に含有させると溶接性が劣化するとともに継手靱性も劣化する。そのため、Ｍｎ含有量は０．０５～３．００％とする。Ｍｎ含有量は０．２０％以上であるのが好ましく、０．４０％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は２．５０％以下であるのが好ましく、２．００％以下であるのがより好ましい。
Ｐ：０．１５０％以下
Ｐは過剰に含有させると鋼材の機械的特性および製造性を低下させる。そのため、Ｐ含有量は０．１５０％以下とする。Ｐ含有量は０．１００％以下であるのが好ましい。Ｐ含有量の下限は特に規定する必要はなく、つまりＰ含有量は０％でもよいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量は０．０００１％以上としてもよい。
Ｐは過剰に含有させると鋼材の機械的特性および製造性を低下させる。そのため、Ｐ含有量は０．１５０％以下とする。Ｐ含有量は０．１００％以下であるのが好ましい。Ｐ含有量の下限は特に規定する必要はなく、つまりＰ含有量は０％でもよいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量は０．０００１％以上としてもよい。
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは鋼材中に不純物として存在する元素である。Ｓは鋼中に腐食の起点となるＭｎＳを形成し、その含有量が過剰であると、耐食性の低下が顕著になる。そのため、Ｓ含有量は０．０３０％以下とする。Ｓ含有量は０．０２５％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。Ｓ含有量の下限は特に規定する必要はなく、つまりＳ含有量は０％でもよいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量は０．０００１％以上としてもよい。
Ｓは鋼材中に不純物として存在する元素である。Ｓは鋼中に腐食の起点となるＭｎＳを形成し、その含有量が過剰であると、耐食性の低下が顕著になる。そのため、Ｓ含有量は０．０３０％以下とする。Ｓ含有量は０．０２５％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。Ｓ含有量の下限は特に規定する必要はなく、つまりＳ含有量は０％でもよいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量は０．０００１％以上としてもよい。
Ａｌ：１．５００％以下
Ａｌは過剰に含有させると、フェライト相変態の温度範囲が極めて広くなり製造過程での鋳片割れなどの原因となる。そのため、Ａｌ含有量は１．５００％以下とする。加工性を考慮すると、Ａｌ含有量は１．３００％以下であるのが好ましい。また、耐食性、製造性およびコストのバランスを考慮すると、Ａｌ含有量は１．２００％以下であるのがより好ましい。
Ａｌは過剰に含有させると、フェライト相変態の温度範囲が極めて広くなり製造過程での鋳片割れなどの原因となる。そのため、Ａｌ含有量は１．５００％以下とする。加工性を考慮すると、Ａｌ含有量は１．３００％以下であるのが好ましい。また、耐食性、製造性およびコストのバランスを考慮すると、Ａｌ含有量は１．２００％以下であるのがより好ましい。
Ａｌは鋼の脱酸に有効な元素である。そのため、Ａｌ含有量は０．００５％以上としてもよい。Ａｌによる脱酸効果を安定的に得るためには、Ａｌ含有量を０．０１０％以上とすることが好ましく、０．０３０％以上とすることがより好ましい。
Ｎ：０．００１～０．０１０％
Ｎは、窒化物を形成する元素であり、結晶粒を微細化して機械特性等の向上に寄与する元素である。しかし、過剰に含有させると窒化物に起因して機械特性が劣化する。そのため、Ｎ含有量は０．００１～０．０１０％とする。粗大なフェライトの生成を抑制するためには、Ｎ含有量を０．００２％以上であるのが好ましく、０．００３％以上であるのがより好ましい。また、Ｎ含有量は０．００８％以下であるのが好ましく、０．００６％以下であるのがより好ましい。
Ｎは、窒化物を形成する元素であり、結晶粒を微細化して機械特性等の向上に寄与する元素である。しかし、過剰に含有させると窒化物に起因して機械特性が劣化する。そのため、Ｎ含有量は０．００１～０．０１０％とする。粗大なフェライトの生成を抑制するためには、Ｎ含有量を０．００２％以上であるのが好ましく、０．００３％以上であるのがより好ましい。また、Ｎ含有量は０．００８％以下であるのが好ましく、０．００６％以下であるのがより好ましい。
Ｓｎ：０．０１～０．５０％
Ｓｎは腐食環境においてＳｎ２＋として溶解し、酸性塩化物溶液中でのインヒビター作用により腐食を抑制する作用を有する。さらに、Ｓｎ２＋にはアンダーポテンシャル析出（ＵＰＤ）によって鋼のアノード溶解反応を大幅に抑制する作用があることから、微量で耐食性を大幅に向上させることができる。しかし、過剰に含有させても前記の効果は飽和するばかりでなく、母材および大入熱溶接継手の靱性が劣化する。そのため、Ｓｎ含有量は０．０１～０．５０％とする。Ｓｎ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｎ含有量は０．４０％以下であるのが好ましく、０．３０％以下であるのがより好ましい。
Ｓｎは腐食環境においてＳｎ２＋として溶解し、酸性塩化物溶液中でのインヒビター作用により腐食を抑制する作用を有する。さらに、Ｓｎ２＋にはアンダーポテンシャル析出（ＵＰＤ）によって鋼のアノード溶解反応を大幅に抑制する作用があることから、微量で耐食性を大幅に向上させることができる。しかし、過剰に含有させても前記の効果は飽和するばかりでなく、母材および大入熱溶接継手の靱性が劣化する。そのため、Ｓｎ含有量は０．０１～０．５０％とする。Ｓｎ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｎ含有量は０．４０％以下であるのが好ましく、０．３０％以下であるのがより好ましい。
Ｉｎ：０．００１～０．２０％
Ｉｎは腐食環境においてＩｎ３＋として溶解し、酸性塩化物溶液中でのインヒビター作用により腐食を抑制する作用を有する。さらに、Ｉｎ３＋にはＵＰＤによって鋼のアノード溶解反応を大幅に抑制する作用があることから、微量で耐食性を大幅に向上させることができる。しかし、過剰に含有させても前記の効果は飽和するばかりでなく、母材の靱性が劣化する。そのため、Ｉｎ含有量は０．００１～０．２０％とする。Ｉｎ含有量は０．０１０％以上であるのが好ましく、０．０２０％以上であるのがより好ましい。また、Ｉｎ含有量は０．１５％以下であるのが好ましく、０．１０％以下であるのがより好ましい。
Ｉｎは腐食環境においてＩｎ３＋として溶解し、酸性塩化物溶液中でのインヒビター作用により腐食を抑制する作用を有する。さらに、Ｉｎ３＋にはＵＰＤによって鋼のアノード溶解反応を大幅に抑制する作用があることから、微量で耐食性を大幅に向上させることができる。しかし、過剰に含有させても前記の効果は飽和するばかりでなく、母材の靱性が劣化する。そのため、Ｉｎ含有量は０．００１～０．２０％とする。Ｉｎ含有量は０．０１０％以上であるのが好ましく、０．０２０％以上であるのがより好ましい。また、Ｉｎ含有量は０．１５％以下であるのが好ましく、０．１０％以下であるのがより好ましい。
ここで、ＩｎとＳｎとを同時に含有させることにより、塩化物を含む乾湿繰り返し環境において優れた耐食性を得ることができる理由を説明する。上述のとおり、塩化物を含む乾湿繰り返し環境においては、腐食界面のｐＨは酸性から中性の領域で連続的に変化する。
鋼材が腐食界面のｐＨが２未満の環境に晒された場合、鋼中のＳｎはＳｎ２＋イオンとして存在する方が安定であるため、母材からＳｎがＳｎ２＋イオンとして溶出する。その後、特定の電位域となると、ＵＰＤにより、Ｓｎが鋼材表面に単原子層として析出し、鋼材のアノード溶解反応を抑制する。そして、腐食界面のｐＨが３程度まで上昇すると、Ｓｎ２＋は安定に存在できなくなるため、Ｓｎの一部は酸化物となる。その結果、鋼材表面にＳｎの単原子層および／または酸化Ｓｎ層が形成される。酸化Ｓｎ層も鋼材の腐食抑制効果を有するため、鋼材は酸性から中性の腐食環境下においても優れた耐食性を発揮する。
一方、鋼材が腐食界面のｐＨが３～５の環境に晒された場合、Ｓｎ２＋イオンの溶出は生じない。しかし、ＩｎがＩｎ３＋イオンとして安定に存在できるため、母材からＩｎがＩｎ３＋イオンとして溶出し、特定の電位域となると、ＵＰＤにより、Ｉｎが鋼材表面に単原子層として析出し、鋼材のアノード溶解反応を抑制する。その後、腐食界面のｐＨが２以下に低下すると、Ｉｎは溶解してしまうが、ＳｎがＳｎ２＋として溶出し、鋼材表面に単原子層を形成し、鋼材のアノード溶解反応を抑制する。
以上のようにして、ＩｎとＳｎとを同時に含有させることにより、塩化物を含む乾湿繰り返し環境において、ｐＨの変動に合わせてＩｎおよび／またはＳｎが鋼材表面に単原子層を形成する。その結果、効果的に鋼材の耐食性を向上させることができる。
Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｕは低ｐＨ環境における鋼のアノード溶解を抑制することにより耐食性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく、脆化を起こす原因となる。したがって、Ｃｕ含有量は１．０％以下とする。Ｃｕ含有量は０．８０％以下であるのが好ましい。Ｃｕは含有されなくてもよく、下限は０％である。しかし、上記効果を安定的に得るためには、Ｃｕ含有量を０．０２％以上とすることが好ましく、０．０３％以上とすることがより好ましい。
Ｃｕは低ｐＨ環境における鋼のアノード溶解を抑制することにより耐食性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく、脆化を起こす原因となる。したがって、Ｃｕ含有量は１．０％以下とする。Ｃｕ含有量は０．８０％以下であるのが好ましい。Ｃｕは含有されなくてもよく、下限は０％である。しかし、上記効果を安定的に得るためには、Ｃｕ含有量を０．０２％以上とすることが好ましく、０．０３％以上とすることがより好ましい。
Ｎｉ：５．００％以下
ＮｉはＣｕと同様に、低ｐＨ環境における鋼のアノード溶解を抑制することにより耐食性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく、コストの著しい上昇につながる。そのため、Ｎｉ含有量は５．００％以下とする。Ｎｉ含有量は、３．５０％以下であるのが好ましい。Ｎｉは含有されなくてもよく、下限は０％である。
ＮｉはＣｕと同様に、低ｐＨ環境における鋼のアノード溶解を抑制することにより耐食性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく、コストの著しい上昇につながる。そのため、Ｎｉ含有量は５．００％以下とする。Ｎｉ含有量は、３．５０％以下であるのが好ましい。Ｎｉは含有されなくてもよく、下限は０％である。
Ｃｒ：９．００％以下
Ｃｒは耐食性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると粗大なフェライトの結晶粒が形成され、製造性および機械特性を損なう。そのため、Ｃｒ含有量は９．００％以下とする。Ｃｒ含有量は８．００％以下であるのが好ましく、７．５０％以下であるのがより好ましい。Ｃｒは含有されなくてもよく、下限は０％である。
Ｃｒは耐食性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると粗大なフェライトの結晶粒が形成され、製造性および機械特性を損なう。そのため、Ｃｒ含有量は９．００％以下とする。Ｃｒ含有量は８．００％以下であるのが好ましく、７．５０％以下であるのがより好ましい。Ｃｒは含有されなくてもよく、下限は０％である。
Ｐ、Ａｌ、Ｎｉ、およびＣｒから選択される１種以上
Ｐ、Ａｌ、Ｎｉ、およびＣｒは、鋼材表面に保護性さびおよび／または不動態皮膜を形成し、鋼材の耐食性を向上させる効果を有する元素である。したがって、これらの元素から選択される１種以上を、以下に示す範囲において含有させる。各元素の含有量の限定理由について説明する。
Ｐ、Ａｌ、Ｎｉ、およびＣｒは、鋼材表面に保護性さびおよび／または不動態皮膜を形成し、鋼材の耐食性を向上させる効果を有する元素である。したがって、これらの元素から選択される１種以上を、以下に示す範囲において含有させる。各元素の含有量の限定理由について説明する。
Ｐ：０．０５０％超
Ｐは保護性さびの形成を助長させる効果を有する元素である。そのため、その効果を得たい場合は、Ｐ含有量は０．０５０％超とする。Ｐ含有量は０．０６０％以上であるのが好ましく、０．０７０％以上であるのがより好ましい。
Ｐは保護性さびの形成を助長させる効果を有する元素である。そのため、その効果を得たい場合は、Ｐ含有量は０．０５０％超とする。Ｐ含有量は０．０６０％以上であるのが好ましく、０．０７０％以上であるのがより好ましい。
Ａｌ：０．１００％超
Ａｌは不動態皮膜を形成することで鋼材の耐食性を向上させる作用を有する元素である。そのため、その効果を得たい場合は、Ａｌ含有量は０．１００％超とする。加工性を考慮すると、Ａｌ含有量は０．５００％以上であるのが好ましい。また、耐食性、製造性およびコストのバランスを考慮すると、０．８５０％以上であるのがより好ましい。
Ａｌは不動態皮膜を形成することで鋼材の耐食性を向上させる作用を有する元素である。そのため、その効果を得たい場合は、Ａｌ含有量は０．１００％超とする。加工性を考慮すると、Ａｌ含有量は０．５００％以上であるのが好ましい。また、耐食性、製造性およびコストのバランスを考慮すると、０．８５０％以上であるのがより好ましい。
Ｎｉ：１．００％超
Ｎｉは保護性さびの形成によって耐食性を向上させる効果を有する元素である。また、ＮｉはＸ線的非晶質さびまたはα－ＦｅＯＯＨに含有されることで、微細化し、保護性さびの緻密性を向上させることにより物質の透過を抑制する性質を有する元素でもある。そのため、その効果を得たい場合は、Ｎｉ含有量は１．００％超とする。Ｎｉ含有量は２．００％以上であるのが好ましい。
Ｎｉは保護性さびの形成によって耐食性を向上させる効果を有する元素である。また、ＮｉはＸ線的非晶質さびまたはα－ＦｅＯＯＨに含有されることで、微細化し、保護性さびの緻密性を向上させることにより物質の透過を抑制する性質を有する元素でもある。そのため、その効果を得たい場合は、Ｎｉ含有量は１．００％超とする。Ｎｉ含有量は２．００％以上であるのが好ましい。
Ｃｒ：１．００％超
Ｃｒは不動態皮膜を形成することで鋼材の耐食性を向上させる作用を有する元素である。特に、ＣｒとＡｌとを同時に含有させることにより、上記効果が顕著に発現する。そのため、その効果を得たい場合は、Ｃｒ含有量は１．００％超とする。Ｃｒ含有量は１．３０％以上であるのが好ましく、２．００％超であるのがより好ましく、３．００％以上、４．００％以上であるのがさらに好ましい。
Ｃｒは不動態皮膜を形成することで鋼材の耐食性を向上させる作用を有する元素である。特に、ＣｒとＡｌとを同時に含有させることにより、上記効果が顕著に発現する。そのため、その効果を得たい場合は、Ｃｒ含有量は１．００％超とする。Ｃｒ含有量は１．３０％以上であるのが好ましく、２．００％超であるのがより好ましく、３．００％以上、４．００％以上であるのがさらに好ましい。
本発明に係る鋼材は、上記の化学組成を有し、残部がＦｅおよび不純物からなる。ここで、不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に鉱石やスクラップ等のような原料をはじめとして製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
本発明の鋼材の化学組成においては、Ｆｅの一部に代えて、下記の元素から選択される１種以上を、以下に示す範囲において含有させてもよい。各元素の限定理由について説明する。
Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは溶解して酸素酸イオンＭｏＯ４ ２-の形でさびに吸着し、さび層中の塩化物イオンの透過を抑制する作用効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが大幅に上昇する。したがって、Ｍｏ含有量は１．０％以下とする。Ｍｏ含有量は０．７０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｍｏ含有量を０．０１％以上とすることが好ましく、０．０２％以上とすることがより好ましい。
Ｍｏは溶解して酸素酸イオンＭｏＯ４ ２-の形でさびに吸着し、さび層中の塩化物イオンの透過を抑制する作用効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが大幅に上昇する。したがって、Ｍｏ含有量は１．０％以下とする。Ｍｏ含有量は０．７０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｍｏ含有量を０．０１％以上とすることが好ましく、０．０２％以上とすることがより好ましい。
Ｗ：１．０％以下
ＷはＭｏと同様に、溶解して酸素酸イオンＷＯ４ ２-の形で存在し、さび層中の塩化物イオンの透過を抑制する作用効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが大幅に上昇する。したがって、Ｗ含有量は１．０％以下とする。Ｗ含有量は０．７０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｗ含有量を０．０１％以上とすることが好ましく、０．０２％以上とすることがより好ましい。
ＷはＭｏと同様に、溶解して酸素酸イオンＷＯ４ ２-の形で存在し、さび層中の塩化物イオンの透過を抑制する作用効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが大幅に上昇する。したがって、Ｗ含有量は１．０％以下とする。Ｗ含有量は０．７０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｗ含有量を０．０１％以上とすることが好ましく、０．０２％以上とすることがより好ましい。
Ｓｂ：０．３０％以下
Ｓｂは酸性環境での耐食性を向上させる作用を有する元素であり、低ｐＨ環境において鋼のアノード溶解反応を抑制するとともに、水素ガス発生反応およびＦｅ３＋の還元反応を抑制することで塩化物環境における耐食性を向上させるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると靱性が著しく劣化する。したがって、Ｓｂ含有量は０．３０％以下とする。Ｓｂ含有量は０．１５％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｓｂ含有量を０．０５％以上とすることが好ましく、０．０８％以上とすることがより好ましい。
Ｓｂは酸性環境での耐食性を向上させる作用を有する元素であり、低ｐＨ環境において鋼のアノード溶解反応を抑制するとともに、水素ガス発生反応およびＦｅ３＋の還元反応を抑制することで塩化物環境における耐食性を向上させるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると靱性が著しく劣化する。したがって、Ｓｂ含有量は０．３０％以下とする。Ｓｂ含有量は０．１５％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｓｂ含有量を０．０５％以上とすることが好ましく、０．０８％以上とすることがより好ましい。
Ｃｏ：１．０％以下
Ｃｏは酸性環境での耐食性を向上させる元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが大幅に上昇する。したがって、Ｃｏ含有量は１．０％以下とする。Ｃｏ含有量は０．７０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｃｏ含有量を０．０１％以上とすることが好ましく、０．０２％以上とすることがより好ましい。
Ｃｏは酸性環境での耐食性を向上させる元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが大幅に上昇する。したがって、Ｃｏ含有量は１．０％以下とする。Ｃｏ含有量は０．７０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｃｏ含有量を０．０１％以上とすることが好ましく、０．０２％以上とすることがより好ましい。
Ａｓ：０．３０％以下
Ａｓは、Ｓｂ、Ｓｎに比べて効果は顕著ではないが、酸性環境での耐食性の向上に有効な元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると熱間加工性が低下する。したがって、Ａｓ含有量は０．３０％以下とする。Ａｓ含有量は０．２０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ａｓ含有量を０．０２％以上とすることが好ましく、０．０５％以上とすることがより好ましい。
Ａｓは、Ｓｂ、Ｓｎに比べて効果は顕著ではないが、酸性環境での耐食性の向上に有効な元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると熱間加工性が低下する。したがって、Ａｓ含有量は０．３０％以下とする。Ａｓ含有量は０．２０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ａｓ含有量を０．０２％以上とすることが好ましく、０．０５％以上とすることがより好ましい。
Ｃｅ：０．５０％以下
Ｃｅは腐食環境においてＣｅ３＋として溶出し、塩化物溶液中でのインヒビター作用により鋼のアノード溶解反応を抑制する元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると圧延割れの原因となる。したがって、Ｃｅの含有量は０．５０％以下とする。Ｃｅ含有量は０．１５％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｃｅ含有量を０．００５％以上とすることが好ましく、０．０１０％以上とすることがより好ましい。
Ｃｅは腐食環境においてＣｅ３＋として溶出し、塩化物溶液中でのインヒビター作用により鋼のアノード溶解反応を抑制する元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると圧延割れの原因となる。したがって、Ｃｅの含有量は０．５０％以下とする。Ｃｅ含有量は０．１５％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｃｅ含有量を０．００５％以上とすることが好ましく、０．０１０％以上とすることがより好ましい。
Ｂｉ：０．１０％以下
Ｂｉは、Ｓｂ、Ｓｎに比べて効果は顕著ではないが、酸性環境での耐食性を向上させる元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると熱間加工性が低下する。したがって、Ｂｉ含有量は０．１０％以下とする。Ｂｉ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｂｉ含有量を０．００２％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
Ｂｉは、Ｓｂ、Ｓｎに比べて効果は顕著ではないが、酸性環境での耐食性を向上させる元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると熱間加工性が低下する。したがって、Ｂｉ含有量は０．１０％以下とする。Ｂｉ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｂｉ含有量を０．００２％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
Ｓｅ：０．５０％以下
Ｐｂ：０．５０％以下
ＳｅおよびＰｂは酸性環境での耐食性の向上に有効な元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると熱間加工性が劣化する。したがって、ＳｅおよびＰｂの含有量は、それぞれ０．５０％以下とする。ＳｅおよびＰｂの含有量は、それぞれ０．１５％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、ＳｅおよびＰｂの含有量を、それぞれ０．００５％以上とすることが好ましく、０．０１０％以上とすることがより好ましい。
Ｐｂ：０．５０％以下
ＳｅおよびＰｂは酸性環境での耐食性の向上に有効な元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると熱間加工性が劣化する。したがって、ＳｅおよびＰｂの含有量は、それぞれ０．５０％以下とする。ＳｅおよびＰｂの含有量は、それぞれ０．１５％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、ＳｅおよびＰｂの含有量を、それぞれ０．００５％以上とすることが好ましく、０．０１０％以上とすることがより好ましい。
Ｈｆ：０．２０％以下
Ｈｆは鋼材表面に生成するさび層を緻密化して耐食性を向上させる元素であるので、必要に応じて含有させることができる。したがって、Ｈｆ含有量は０．２０％以下とする。Ｈｆ含有量は０．１０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｈｆ含有量を０．００２％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
Ｈｆは鋼材表面に生成するさび層を緻密化して耐食性を向上させる元素であるので、必要に応じて含有させることができる。したがって、Ｈｆ含有量は０．２０％以下とする。Ｈｆ含有量は０．１０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｈｆ含有量を０．００２％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
Ｚｎ：０．１０％以下
Ｇａ：０．１０％以下
ＺｎおよびＧａは酸性環境で鋼材表面のカソード反応を抑制し、耐食性を向上させる元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると母材の靭性および溶接性が劣化する。したがって、ＺｎおよびＧａの含有量は、それぞれ０．１０％以下とする。ＺｎおよびＧａの含有量は、それぞれ０．０８０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、ＺｎおよびＧａの含有量を、それぞれ０．００２％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
Ｇａ：０．１０％以下
ＺｎおよびＧａは酸性環境で鋼材表面のカソード反応を抑制し、耐食性を向上させる元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると母材の靭性および溶接性が劣化する。したがって、ＺｎおよびＧａの含有量は、それぞれ０．１０％以下とする。ＺｎおよびＧａの含有量は、それぞれ０．０８０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、ＺｎおよびＧａの含有量を、それぞれ０．００２％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
Ｓｒ：０．０２０％以下
Ｂａ：０．０２０％以下
ＳｒおよびＢａは腐食反応部における界面のｐＨの低下を抑制して、腐食の促進を抑える作用を有しているので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると母材靭性を低下させることがある。したがって、ＳｒおよびＢａの含有量は、それぞれ０．０２０％以下とする。ＳｒおよびＢａの含有量は、それぞれ０．０１０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、ＳｒおよびＢａの含有量を、それぞれ０．０００５％以上とすることが好ましく、０．００１０％以上とすることがより好ましい。
Ｂａ：０．０２０％以下
ＳｒおよびＢａは腐食反応部における界面のｐＨの低下を抑制して、腐食の促進を抑える作用を有しているので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると母材靭性を低下させることがある。したがって、ＳｒおよびＢａの含有量は、それぞれ０．０２０％以下とする。ＳｒおよびＢａの含有量は、それぞれ０．０１０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、ＳｒおよびＢａの含有量を、それぞれ０．０００５％以上とすることが好ましく、０．００１０％以上とすることがより好ましい。
Ｇｅ：０．１０％以下
Ｇｅは耐食性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると母材の機械的特性が低下する。したがって、Ｇｅ含有量は０．１０％以下とする。Ｇｅ含有量は０．０８０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｇｅ含有量を０．００２％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
Ｇｅは耐食性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると母材の機械的特性が低下する。したがって、Ｇｅ含有量は０．１０％以下とする。Ｇｅ含有量は０．０８０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｇｅ含有量を０．００２％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
Ｓｃ：０．０１０％以下
Ｓｃは腐食により生成するさび層中に取り込まれ、緻密なさび層を形成して鋼材の全面腐食を抑制する効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると低温靭性の低下を招くため好ましくない。したがって、Ｓｃ含有量は０．０１０％以下とする。上記効果を安定的に得るためには、Ｓｃ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。
Ｓｃは腐食により生成するさび層中に取り込まれ、緻密なさび層を形成して鋼材の全面腐食を抑制する効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると低温靭性の低下を招くため好ましくない。したがって、Ｓｃ含有量は０．０１０％以下とする。上記効果を安定的に得るためには、Ｓｃ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。
Ｓｍ：０．０１０％以下
Ｓｍは耐食性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると母材の機械的特性が低下する。したがって、Ｓｍ含有量は０．０１０％以下とする。Ｓｍ含有量は０．００６０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｓｍ含有量を０．０００２％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましい。
Ｓｍは耐食性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると母材の機械的特性が低下する。したがって、Ｓｍ含有量は０．０１０％以下とする。Ｓｍ含有量は０．００６０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｓｍ含有量を０．０００２％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましい。
Ｔｉ：０．２０％以下
Ｔｉは硫化物の形成により腐食の起点となるＭｎＳの形成を抑える作用効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく鋼材のコストが上昇する。したがって、Ｔｉ含有量は０．２０％以下とする。Ｔｉ含有量は０．１５％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｔｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
Ｔｉは硫化物の形成により腐食の起点となるＭｎＳの形成を抑える作用効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく鋼材のコストが上昇する。したがって、Ｔｉ含有量は０．２０％以下とする。Ｔｉ含有量は０．１５％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｔｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
Ｚｒ：０．２０％以下
ＺｒはＴｉと同様に、硫化物を形成することにより腐食の起点となるＭｎＳの形成を抑える作用効果を有しているので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく鋼材のコストが上昇する。したがって、Ｚｒ含有量は０．２０％以下とする。Ｚｒ含有量は０．１５％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｚｒ含有量を０．００１％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
ＺｒはＴｉと同様に、硫化物を形成することにより腐食の起点となるＭｎＳの形成を抑える作用効果を有しているので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなく鋼材のコストが上昇する。したがって、Ｚｒ含有量は０．２０％以下とする。Ｚｒ含有量は０．１５％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｚｒ含有量を０．００１％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
Ｎｂ：０．１０％以下
Ｎｂは鋼材の強度を上昇させる元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなくＨＡＺの靭性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０．１０％以下とする。Ｎｂ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｎｂ含有量を０．００１％以上とすることが好ましく、０．００３％以上とすることがより好ましい。
Ｎｂは鋼材の強度を上昇させる元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するだけでなくＨＡＺの靭性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０．１０％以下とする。Ｎｂ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｎｂ含有量を０．００１％以上とすることが好ましく、０．００３％以上とすることがより好ましい。
Ｖ：０．５０％以下
ＶはＮｂと同様に鋼材の強度を上昇させる元素である。また、ＭｏおよびＷと同様に、溶解して酸素酸イオンの形で存在し、さび層中の塩化物イオンの透過を抑制する作用も有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するばかりでなくコストが著しく上昇する。したがって、Ｖ含有量は０．５０％以下とする。Ｖ含有量は０．３０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｖ含有量を０．００５％以上とすることが好ましく、０．０１０％以上とすることがより好ましい。
ＶはＮｂと同様に鋼材の強度を上昇させる元素である。また、ＭｏおよびＷと同様に、溶解して酸素酸イオンの形で存在し、さび層中の塩化物イオンの透過を抑制する作用も有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するばかりでなくコストが著しく上昇する。したがって、Ｖ含有量は０．５０％以下とする。Ｖ含有量は０．３０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｖ含有量を０．００５％以上とすることが好ましく、０．０１０％以上とすることがより好ましい。
Ｂ：０．０１０％以下
Ｂは焼入性を向上させて強度を高める元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると強度を高める効果が飽和し、また、母材、ＨＡＺともに靱性劣化の傾向が著しくなる。したがって、Ｂ含有量は０．０１０％以下とする。上記効果を安定的に得るためには、Ｂ含有量を０．０００３％以上とすることが好ましい。
Ｂは焼入性を向上させて強度を高める元素であるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると強度を高める効果が飽和し、また、母材、ＨＡＺともに靱性劣化の傾向が著しくなる。したがって、Ｂ含有量は０．０１０％以下とする。上記効果を安定的に得るためには、Ｂ含有量を０．０００３％以上とすることが好ましい。
Ｔａ：０．１０％以下
Ｔａは、鋼材の強度向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有させることができる。また、メカニズムは必ずしも明らかでないが、Ｔａは耐食性の向上にも寄与することがわかった。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するばかりでなくコストが上昇する。したがって、Ｔａ含有量は０．１０％以下とする。Ｔａ含有量は０．０６０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｔａ含有量を０．００１％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
Ｔａは、鋼材の強度向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有させることができる。また、メカニズムは必ずしも明らかでないが、Ｔａは耐食性の向上にも寄与することがわかった。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するばかりでなくコストが上昇する。したがって、Ｔａ含有量は０．１０％以下とする。Ｔａ含有量は０．０６０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｔａ含有量を０．００１％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。
Ｔｅ：０．５０％以下
Ｔｅは鋼材の強度向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると、靭性および溶接性が低下する。したがって、Ｔｅ含有量は０．５０％以下とする。Ｔｅ含有量は０．４０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｔｅ含有量を０．０００５％以上とすることが好ましく、０．００１０％以上とすることがより好ましい。
Ｔｅは鋼材の強度向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると、靭性および溶接性が低下する。したがって、Ｔｅ含有量は０．５０％以下とする。Ｔｅ含有量は０．４０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｔｅ含有量を０．０００５％以上とすることが好ましく、０．００１０％以上とすることがより好ましい。
Ｙ：０．１０％以下
Ｌａ：０．１０％以下
ＹおよびＬａは介在物の形態制御に有効で、延性特性の向上に有効であり、また、大入熱溶接継手のＨＡＺ靭性向上にも有効な元素であるため、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると介在物が粗大化して、機械的性質、特に延性および靭性に悪影響を及ぼす。したがって、ＹおよびＬａの含有量は、それぞれ０．１０％以下とする。ＹおよびＬａの含有量は、それぞれ０．０６０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、ＹおよびＬａの含有量を、それぞれ０．０００１％以上とすることが好ましく、０．００５０％以上とすることがより好ましい。
Ｌａ：０．１０％以下
ＹおよびＬａは介在物の形態制御に有効で、延性特性の向上に有効であり、また、大入熱溶接継手のＨＡＺ靭性向上にも有効な元素であるため、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると介在物が粗大化して、機械的性質、特に延性および靭性に悪影響を及ぼす。したがって、ＹおよびＬａの含有量は、それぞれ０．１０％以下とする。ＹおよびＬａの含有量は、それぞれ０．０６０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、ＹおよびＬａの含有量を、それぞれ０．０００１％以上とすることが好ましく、０．００５０％以上とすることがより好ましい。
Ｎｄ：０．０１０％以下
Ｎｄは組織の微細化を通して靭性改善に寄与する元素であり、必要に応じて含有させることができる。また、メカニズムは必ずしも明らかでないが、Ｎｄは耐食性の向上にも寄与することがわかった。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するばかりでなくコストが上昇する。したがって、Ｎｄ含有量は０．０１０％以下とする。Ｎｄ含有量は０．００８０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｎｄ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましい。
Ｎｄは組織の微細化を通して靭性改善に寄与する元素であり、必要に応じて含有させることができる。また、メカニズムは必ずしも明らかでないが、Ｎｄは耐食性の向上にも寄与することがわかった。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するばかりでなくコストが上昇する。したがって、Ｎｄ含有量は０．０１０％以下とする。Ｎｄ含有量は０．００８０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｎｄ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましい。
Ｃａ：０．０１０％以下
Ｃａは、主に硫化物の形態の制御に用いられる元素であり、必要に応じて含有させることができる。また、腐食反応部における界面のｐＨの低下を抑制して、腐食の促進を抑える作用も有する。ただし、過剰に含有させると機械特性が損なわれる場合がある。したがって、Ｃａ含有量は０．０１０％以下とする。Ｃａ含有量は０．００５０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｃａ含有量を０．０００２％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましい。
Ｃａは、主に硫化物の形態の制御に用いられる元素であり、必要に応じて含有させることができる。また、腐食反応部における界面のｐＨの低下を抑制して、腐食の促進を抑える作用も有する。ただし、過剰に含有させると機械特性が損なわれる場合がある。したがって、Ｃａ含有量は０．０１０％以下とする。Ｃａ含有量は０．００５０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｃａ含有量を０．０００２％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましい。
Ｍｇ：０．０１０％以下
ＭｇはＣａと同様に、腐食反応部における界面のｐＨの低下を抑制するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和する。したがって、Ｍｇ含有量は０．０１０％以下とする。Ｍｇ含有量は０．００５０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｍｇ含有量を０．０００２％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましい。
ＭｇはＣａと同様に、腐食反応部における界面のｐＨの低下を抑制するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和する。したがって、Ｍｇ含有量は０．０１０％以下とする。Ｍｇ含有量は０．００５０％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、Ｍｇ含有量を０．０００２％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましい。
ＲＥＭ：０．０１５０％以下
ＲＥＭ（希土類元素）は、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、およびＳｍを除いて、鋼の溶接性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するため、ＲＥＭ含有量は０．０１５０％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．０１００％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、ＲＥＭ含有量を０．０００２％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましい。
ＲＥＭ（希土類元素）は、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、およびＳｍを除いて、鋼の溶接性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させると効果が飽和するため、ＲＥＭ含有量は０．０１５０％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．０１００％以下であるのが好ましい。上記効果を安定的に得るためには、ＲＥＭ含有量を０．０００２％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましい。
ここで、ＲＥＭとは、ランタノイドの１５元素にＹおよびＳｃをあわせた１７元素の総称である。ただし、本発明では、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄおよびＳｍは上述のとおり、別途規定しているので、ＲＥＭからＹ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄおよびＳｍを除いた元素のうちの１種の含有量または２種以上の合計含有量をＲＥＭ含有量と呼ぶ。
（Ｂ）防食被膜
上記に説明した本発明の鋼材は、そのまま使用しても良好な耐食性を示す。しかし、その表面に防食処理を施した場合、具体的には有機樹脂または金属からなる防食被膜で表面を被覆した場合には、従来の鋼材に比べ防食被膜の耐久性が向上し、耐食性が一段と向上する。
上記に説明した本発明の鋼材は、そのまま使用しても良好な耐食性を示す。しかし、その表面に防食処理を施した場合、具体的には有機樹脂または金属からなる防食被膜で表面を被覆した場合には、従来の鋼材に比べ防食被膜の耐久性が向上し、耐食性が一段と向上する。
ここで、有機樹脂からなる防食被膜としては、ビニルブチラール系、エポキシ系、ウレタン系、フタル酸系等の樹脂被膜などが挙げられる。また、金属からなる防食被膜としては、Ｚｎ、Ａｌ、Ｚｎ－Ａｌ等のメッキ被膜またはＺｎ、Ａｌ、Ａｌ－Ｍｇなどの溶射被膜などを挙げることができる。
防食被膜の耐久性が向上するのは、下地である本発明鋼材の腐食が著しく抑制される結果として、防食被膜欠陥部からの下地鋼材腐食に起因する防食被膜のふくれまたは剥離が抑制されるためであると考えられる。
（Ｃ）製造方法
本発明に係る鋼材の製造方法については特に制限はない。例えば、上述した化学組成を有するインゴットに対して、熱間圧延を施し、さらに必要に応じて冷間圧延を施して製造される、鋼板、鋼管などが含まれる。熱間圧延を行うに際しての加熱条件については特に制限はなく、通常の条件を採用すればよい。
本発明に係る鋼材の製造方法については特に制限はない。例えば、上述した化学組成を有するインゴットに対して、熱間圧延を施し、さらに必要に応じて冷間圧延を施して製造される、鋼板、鋼管などが含まれる。熱間圧延を行うに際しての加熱条件については特に制限はなく、通常の条件を採用すればよい。
鋼材を製造する場合は、常法で鋼を溶製し、成分の調整後、鋳造して得られた鋼片を熱間圧延し、さらに必要に応じて冷間圧延を施して製造される。熱間圧延後は、そのまま水冷するか、または空冷した後、再加熱して焼入れてもよい。熱間圧延後は、コイル状に巻き取ってもよい。熱間圧延後、冷間圧延して、さらに熱処理を施してもよい。
鋼管を製造する場合は、鋼板を管状に成形して溶接してもよく、ＵＯ鋼管、電縫鋼管、鍛接鋼管、スパイラル鋼管などにすることができる。鋼片に熱間押出または穿孔圧延を施して製造されるシームレス鋼管も本発明の鋼材に含まれる。
また、上述した防食被膜で覆う処理は通常の方法で行えばよい。また、必ずしも鋼材の全面に防食被膜を施す必要はなく、腐食環境に曝される面としての鋼材の片面、鋼管であれば外面または内面だけ、すなわち鋼材表面の少なくとも一部を防食処理するだけでもよい。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表１に示す化学組成を有する鋼を溶製し、５０ｋｇのインゴットとした後、通常の方法で熱間鍛造して、厚さが６０ｍｍのブロックを作製した。次いで、上記ブロックを、１１２０℃で１時間加熱してから熱間圧延し、８５０℃で厚さ２０ｍｍに仕上げ、その後室温まで大気中で放冷して鋼板とした。
そして、各鋼板から、幅６０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ３ｍｍの試験片を２つずつ採取し、片方の試験片は、塩化物環境を模擬した、下記の腐食試験に供した。もう一方の試験片については、変性エポキシ系塗料でスプレー塗装により約２００μｍの防食被膜を試験片全面に形成した上、防食被膜に十字の疵を入れて一部地金を露出させ、同様の腐食試験に供した。
腐食試験は、人工海水溶液を１／１０に希釈した水溶液を週に１回試験片の表裏面に塗布する促進大気曝露試験により行った。曝露試験は、工業地帯である兵庫県尼崎市にて６カ月間実施した。
促進大気曝露試験終了後、各試験片の表面のさび層を除去し、板厚減少量を測定した。防食処理された鋼材については、防食被膜疵部の最大腐食深さを測定した。
試験結果を表４に示す。同表における「腐食減量」は、試験片の平均の板厚減少量であり、試験前後の重量減少と試験片の表面積とを用いて算出したものである。また、「腐食深さ」は、塗膜疵部の鋼材表面からの深さの最大値である。
表４の結果から明らかなように、比較例である供試鋼Ｎｏ．４および５の鋼材はＳｎおよびＩｎのいずれか一方のみを含むため、ＳｎおよびＩｎの両方を含む鋼材よりも腐食減量、腐食深さが大きい。
一方、本発明例である供試鋼Ｎｏ．１～３、６～３３の鋼材では、いずれも本発明で規定する成分含有量を満足しているため、腐食減量は０．０９ｍｍ以下、腐食深さは０．０８ｍｍ以下と小さくなっていた。
本発明に係る鋼材は、塩化物を含む乾湿繰り返し環境下で用いられる、耐食性に優れた耐食鋼として利用可能である。
Claims (5)
- 化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１～０．２０％、
Ｓｉ：０．０１～１．０％、
Ｍｎ：０．０５～３．００％、
Ｐ：０．１５０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ａｌ：１．５００％以下、
Ｎ：０．００１～０．０１０％、
Ｓｎ：０．０１～０．５０％、
Ｉｎ：０．００１～０．２０％、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：５．００％以下、
Ｃｒ：９．００％以下、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
Ｐ：０．０５０％超、
Ａｌ：０．１００％超、
Ｎｉ：１．００％超、および
Ｃｒ：１．００％超、
から選択される１種以上を含有する、
鋼材。 - 前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｍｏ：１．０％以下、および
Ｗ：１．０％以下、
から選択される１種以上を含有するものである、
請求項１に記載の鋼材。 - 前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｓｂ：０．３０％以下、
Ｃｏ：１．０％以下、
Ａｓ：０．３０％以下、
Ｃｅ：０．５０％以下、
Ｂｉ：０．１０％以下、
Ｓｅ：０．５０％以下、
Ｐｂ：０．５０％以下、
Ｈｆ：０．２０％以下、
Ｚｎ：０．１０％以下、
Ｇａ：０．１０％以下、
Ｓｒ：０．０２０％以下、
Ｂａ：０．０２０％以下、
Ｇｅ：０．１０％以下、
Ｓｃ：０．０１０％以下、および
Ｓｍ：０．０１０％以下、
から選択される１種以上を含有するものである、
請求項１または請求項２に記載の鋼材。 - 前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｔｉ：０．２０％以下、
Ｚｒ：０．２０％以下、
Ｎｂ：０．１０％以下、
Ｖ：０．５０％以下、
Ｂ：０．０１０％以下、
Ｔａ：０．１０％以下、
Ｔｅ：０．５０％以下、
Ｙ：０．１０％以下、
Ｌａ：０．１０％以下、
Ｎｄ：０．０１０％以下、
Ｃａ：０．０１０％以下、
Ｍｇ：０．０１０％以下、および
ＲＥＭ：０．０１５０％以下、
から選択される１種以上を含有するものである、
請求項１から請求項３のいずれかに記載の鋼材。 - 前記鋼材の表面の少なくとも一部に、防食処理が施された、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の鋼材。
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