JP2666673B2 - 耐候性に優れる表面処理鋼材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、新しい表面処理鋼材に
係り、大気腐食環境に対する保護作用を有する錆層（い
わゆる耐候性安定錆、以下、安定錆という）を、流れ錆
等による美観喪失を伴わずに早期に形成した耐候性に優
れる鋼材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に知られているように、鋼にP,Cu,C
r,Ni等の元素を添加することにより、大気中における耐
食性を向上させることができる。これらの低合金鋼は、
耐候性鋼と呼ばれ、屋外において数年で腐食に対して保
護性のある錆（以下、耐候性錆という）を形成し、以後
塗装等の耐食処理作業を不要とするいわゆるメンテナン
スフリー鋼である。

【０００３】しかしながら、耐候性錆が形成されるまで
には数年かかるため、その期間中に赤錆や黄錆等の浮き
錆や流れ錆を生じてしまい、外見的に好ましくないばか
りでなく、周囲環境の汚染原因となる問題もある。特に
海塩飛来環境においては、この傾向が著しい。

【０００４】この問題に対して、たとえば特開平1-1420
88号公報では、リン酸塩被膜を形成させる表面処理方法
が開示されており、また、特公昭53-22530号公報では、
樹脂被膜を施すことにより流れ錆を生じることなく安定
錆を形成する方法が開示されている。さらに、特公昭56
-33991号公報では、２層被覆による表面処理方法が開示
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
のうち、特開平1-142088号公報による方法では、リン酸
塩を形成させる以前に適当な前処理を施す必要がある
等、処理の内容が複雑であり、また、鋼材の溶接が必要
な場合は溶接部に処理を施すことは容易ではなく、建築
構造物への適用が困難である等の問題がある。

【０００６】一方、特公昭53-22530号公報による方法
は、腐食性の厳しい環境では流れ錆の防止が不十分であ
るばかりでなく、安定錆の生成促進性にも劣るものであ
る。さらに、特公昭56-33991号公報による方法では、流
れ錆の防止は可能であるが、防食性が高いため安定錆を
形成するのに数年以上かかるとともに施工性に劣るとい
う問題を残している。

【０００７】そこで、本発明の主たる課題は、表面ある
いは表面錆層に施工性および経済性の優れた表面処理を
施された耐候性鋼や普通鋼等の鋼材であって、処理後赤
錆や黄錆等の浮き錆や流れ錆を生じることなく耐候性錆
を早期に形成させうる表面処理鋼材を得ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明における鋼材は、鋼材表面あるいは鋼材の錆
層が、硫酸クロムおよび硫酸銅のうちの少なくとも一方
を合計量で１〜６５質量％含む有機樹脂塗料により、５
〜１５０μｍの乾燥膜厚をもって被覆されている点をそ
の構成とする。

【０００９】また、この有機樹脂塗料の代わりに、硫酸
クロムおよび硫酸銅のうちの少なくとも一方を合計量で
１〜６４質量％、およびα−ＦｅＯＯＨを１〜６４質量
％、かつ合計量で１〜６５質量％含む有機樹脂塗料を用
いてもよい。

【００１０】

【作用】本発明者等は、２０年以上暴露して生成された
安定錆を解析した結果、安定錆が主としてα−ＦｅＯＯ
Ｈからなる微細結晶の緻密な集合により構成されている
ことを知見した。この事実より、安定錆を早期生成させ
るには、緻密なα−ＦｅＯＯＨの生成を促進させること
が重要であることを見出した。一方、前記のように、こ
のα−ＦｅＯＯＨを主成分とする安定錆生成に至る過程
において、流れ錆や浮き錆の発生を防止することも重要
な要因である。

【００１１】そこで本発明者等は鋭意研究を重ねた結
果、適当量の硫酸クロム、硫酸銅あるいはその両方を含
有する有機樹脂塗料を適当量鋼材表面あるいは鋼材の錆
層に被覆することにより、鉄イオンの流出を防止し、か
つ鉄イオンのα−ＦｅＯＯＨへの変換を促進し、以後の
大気腐食環境中で形成される安定錆層の形成、およびす
でに形成されている錆層の安定錆層への変換を、早期に
しかも流れ錆等が発生することなく行いうることを見出
した。

【００１２】また、この有機樹脂塗料に適当量のα−Ｆ
ｅＯＯＨを混合しておくことにより、安定錆層の生成が
さらに促進できることも見出した。

【００１３】以下、本発明による各成分の数値限定の意
味およびその効果を具体的に説明する。

【００１４】 （１）硫酸クロム(III) および硫酸銅(II)の効果 錆の構造が緻密であれば、物理的に大気腐食環境を遮断
しやすく、また浮き錆や流れ錆の根本的な原因である鉄
イオンの溶出を軽減する。しかしながら、錆中に割れや
細孔があると水や酸素の供給経路となり、錆の防食性は
低減してしまう。したがって、安定錆早期形成のために
は、緻密で連続した錆層を形成させる必要がある。

【００１５】硫酸クロム(III) 、硫酸銅(II)は、樹脂被
膜中に水分が浸透してきたときに、それぞれクロムイオ
ン、銅イオン、硫酸イオンとなり被膜あるいは鋼界面に
到達する。このうち、硫酸イオンおよび水分は鋼を腐食
させ鉄イオンの生成を促進する。一方、クロムイオンお
よび銅イオンは、この鉄イオンが安定錆の主成分である
α−ＦｅＯＯＨへ変態するのを加速させるための触媒的
役割を果たす。さらに、クロムイオンや銅イオンの一部
はα−ＦｅＯＯＨの結晶粒に取り込まれ、その結晶粒を
微細かつ緻密な構造にする働きがあり、これによって錆
層の防食性能を向上させる。また、硫酸イオンも初期の
鉄イオンの生成の加速のみならず、安定錆層の微細、緻
密化に関与していると考えられる。

【００１６】上記の効果を得るためには、被覆材中に１
質量％以上の硫酸クロムまたは硫酸銅あるいはその両方
を必要とする。一方、６５質量％を超える量を添加する
と、これらの無機物質と結合する役割を持つ有機樹脂分
が不足するため、被覆層が脆くなるとともに、被覆層表
面から鋼面に達する貫通孔が形成されて、流れ錆が発生
する原因となってしまう。よって、硫酸クロムまたは硫
酸銅あるいはその両方の添加量を１質量％〜６５質量％
に限定した。

【００１７】（２）有機樹脂被覆の効果 鋼材表面の有機樹脂被覆は、バリアー効果により適量の
水分や酸素を鋼面に透過させ、下地鋼面における安定錆
の生成あるいは鉄イオンのα−ＦｅＯＯＨへの変態反応
を促進させるとともにその間の鉄イオンの滲み出しを防
止し、流れ錆の発生を防ぎながら安定錆を生成させる役
割を果たす。

【００１８】このとき、有機樹脂被覆の膜厚（乾燥膜
厚）が、５μｍより薄い厚さでは、バリアー効果が低
く、下地鋼材の腐食で生成されてくる鉄イオンの滲み出
しを完全に防ぐことができず、流れ錆を生じる可能性が
大きく、連続した安定錆被膜の生成が阻害される虞れが
ある。特に海塩飛来環境においては、塩素イオンが多量
に鋼面まで透過することとなり、鋼表面に過度の腐食を
生じ、安定錆皮膜の生成が阻害される傾向が一層顕著と
なる。

【００１９】一方、被覆厚が１５０μｍを超える有機樹
脂被覆では、経済的に不利となるばかりでなく、錆層が
形成されていない下地鋼材に対するバリアー効果が高く
なりすぎ、下地鋼面に安定錆層が形成されるのに長時間
を要する。安定錆形成に要する時間が長いと、安定錆層
が形成する以前に外部からの衝撃等何らかの理由により
被膜が剥落すると、剥落した部分から流れ錆が生じ、安
定錆の形成が阻害されることとなる。上記の理由によ
り、有機樹脂被覆による被覆厚を５〜１５０μｍと限定
した。

【００２０】本発明において使用される有機樹脂は特に
制限されるものではなく、具体的には、エポキシ樹脂、
ウレタン樹脂、ビニル樹脂、ポリエステル樹脂、アクリ
ル樹脂、アルキド樹脂、ブチラール樹脂、フタル酸樹脂
等を例示できる。また、上記樹脂を塗料化して塗装を行
う際に、溶剤系の塗料としても、水性塗料としてもよ
い。ただし、フェノール樹脂（常温硬化型のものを除
く）のように、硬化に加熱を必要とするもの、あるいは
ポリエチレン樹脂のように、接着するときに加熱して溶
融させる必要がある樹脂は、施工性、経済性の点で好ま
しくない。

【００２１】（３）α−ＦｅＯＯＨ添加の効果 前記のように、安定錆の主成分は、α−ＦｅＯＯＨで構
成されている。このとき、鋼面を被覆する有機樹脂中に
α−ＦｅＯＯＨを１質量％以上添加しておくと、この添
加したα−ＦｅＯＯＨが結晶核となり、鋼材表面あるい
は鋼材の錆層におけるα−ＦｅＯＯＨの生成が促進され
る。また、樹脂に添加されたα−ＦｅＯＯＨの一部は、
被覆樹脂層と鋼界面との間に形成される安定錆に取り込
まれ、連続的に被覆層の形成を促進する効果を有する。
さらには、α−ＦｅＯＯＨの添加は、有機樹脂被覆層の
損耗や剥落後に現れる最終的の安定錆と樹脂被覆層との
色調を同一にするという効果も有する。

【００２２】一方、６４質量％を超えるα−ＦｅＯＯＨ
を添加すると、６５質量％を超える硫酸クロムあるいは
硫酸銅を添加したときと同様、無機物質と結合する役割
を持つ有機樹脂分が不足するため、被膜が脆くなるとと
もに、被膜表面から鋼面に達する貫通孔が形成されて流
れ錆が生じる危険が高くなる。上記の理由によりα−Ｆ
ｅＯＯＨの添加量を１質量％以上６４質量％以下（硫酸
クロム、硫酸銅との合計量で６５質量％以下）と限定し
た。

【００２３】また、本発明における有機樹脂被膜中に
は、硫酸クロム、硫酸銅、α−ＦｅＯＯＨの他に、ベン
ガラ、二酸化チタン、カーボンブラック、フタロシアニ
ンブルー等の着色顔料、タルク、シリカ、マイカ、硫酸
バリウム、炭酸カルシウム等の体質顔料、酸化クロム、
クロム酸亜鉛、クロム酸鉛、塩基性硫酸鉛等の防錆顔
料、その他チキソ剤、分散剤、酸化防止剤等慣用の添加
剤を含ませることができる。この場合、有機樹脂被覆が
将来的に損耗ないしは剥落しても外観を損なわないよう
に、有機樹脂に着色顔料を添加し、安定錆と同色として
おくことが好ましい。

【００２４】なお、防錆顔料は、腐食環境の非常に厳し
い場所で使用するときには防食性のコントロールの意味
で添加しても差し支えないが、添加する場合、過度の防
食性を与えないようその添加量を１０質量％以下として
おくことが好ましい。

【００２５】さらには、この有機樹脂に硫酸鉄、硫酸ニ
ッケル、リン酸等を添加してもよい。このとき、鉄イオ
ンやニッケルイオンあるいはリン酸は、クロムイオンお
よび銅イオンと共存することにより、α−ＦｅＯＯＨの
生成を促進させる効果を有するため、添加することは有
効である。

【００２６】なお、ここで述べた樹脂被覆中の添加剤の
濃度は、乾燥固化した後の濃度を示す。被覆前には、適
当量の溶剤または水により塗装作業に適した粘度に調整
されていることはいうまでもなく、これらの溶剤または
水分は塗装後自然乾燥により蒸散していく。

【００２７】以上述べてきた有機樹脂塗料は、通常の塗
装方法と同様に、エアスプレー、エアレススプレー、あ
るいは刷毛塗り等のいずれの方法によっても塗装するこ
とができるため、場所を選ばず施工が可能である。ま
た、１回の塗装作業で効果があるため、経済性にも優れ
ている。さらに、現地塗装が可能なため、現地での鋼材
の切断、溶接等の加工後にも迅速に対応できる。

【００２８】なお、本発明に用いられる鋼材は、特に鋼
種を限定されるものでなく、耐候性鋼はもちろんのこ
と、普通鋼であってもよい。すなわち、普通鋼であって
も、本発明の樹脂被覆中の硫酸クロムあるいは硫酸銅の
作用により、その錆は最終的に化学的に安定で緻密な耐
候性錆に変態し、保護作用を発揮できるからである。

【００２９】ただし、こうして生成された保護性の錆層
に何らかの外力が作用して亀裂の生成や剥離が生じたと
き、普通鋼はその損傷部において再び安定錆を生成する
自己修復性能が劣るため、鋼材としては耐候性鋼を用い
ておくことが望ましい。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の効果を実施例に基づき詳説す
る。本発明の実施例に用いた試験鋼の化学成分を表１に
示す。また、鋼材の前処理方法を表２に示し、被覆材に
用いる樹脂系を表３に示す。試験鋼の寸法は、１５０×
７０×３．２mmとし、処理前の表面はショットブラスト
により除錆した。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】

【表３】

【００３４】表４および表５に各試験片の作製条件およ
び試験結果を示す。表４および表５に示す被覆材配合組
成に適当量の溶剤を加えて粘度（Ｂ型粘度計測定）を２
００〜１０００CPS にした塗料を作製し、エアスプレー
塗装により各試験鋼に被覆した。この各試験片を同一条
件のもとに、海岸より１０ｍの位置にある兵庫県尼崎市
の工業地帯に１年間暴露し、その間、経時的に流れ錆発
生有無を評価した。また、暴露後のサンプルについて偏
光顕微鏡による断面観察により安定錆生成有無（安定錆
部分は消光）を確認し、画像解析処理により全錆中に対
する安定錆量を百分率で求めた。

【００３５】

【表４】

【００３６】

【表５】

【００３７】表４および表５から判るように、本発明例
である試験番号１〜２３では、流れ錆の発生が認められ
ず、かつ下地鋼面部分に安定錆が高い割合で生成してい
るのが認められた。特に、添加物に硫酸クロムや硫酸銅
を単独で用いた試験番号１０、１１と比べて、α−Ｆｅ
ＯＯＨや硫酸ニッケル等を併用した試験番号７〜９、１
６〜２３等は、その相乗効果により安定錆の生成比率が
高く安定錆生成促進に対する効果が顕著であった。ま
た、安定錆生成率が４５％を超えるものは概ね安定錆が
連続皮膜として生成しているのに対し、４０％以下のも
のは不連続被膜になる傾向を示しており、防食効果に劣
ると考えられる。

【００３８】一方、比較例である試験番号２４〜３４で
は、硫酸クロムや硫酸銅の添加量が適性範囲外のもの、
あるいは被覆厚が５〜１５０μｍの範囲外のものは、流
れ錆を生じたり安定錆の生成が不十分となったりするた
め、流れ錆を生じることなく早期に安定錆を生成させる
ことはできなかった。

【００３９】さらに試験番号９および１８を１年間暴露
したサンプルに、ナイフにより鉄素地に達する傷を入
れ、さらに３ヶ月間暴露を継続した。その結果、試験番
号１８は傷部からは多量の流れ錆が発生したが、試験番
号９については、少量の流れ錆しか認められなかった。
これは、耐候性鋼が安定錆生成に関し、自己修復機能を
有するためと考えられる。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明から明らかな如く、本発明に
よれば、大気腐食環境中、特に海岸近傍等の海塩飛来環
境において、赤錆や黄錆等の浮き錆や流れ錆を生じるこ
となく連続した安定錆を早期に形成させることができ
る。しかもその処理は容易であり、土木あるいは建築構
造物に使用される鋼材等に広く用いることが可能であ
り、それらの鋼材がメンテナンスが不要になる等の利点
ももたらされる。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋼材表面あるいは鋼材の錆層が、硫酸クロ
   ムおよび硫酸銅のうちの少なくとも一方を合計量で１〜
   ６５質量％含む有機樹脂塗料により、５〜１５０μｍの
   乾燥膜厚をもって被覆されていることを特徴とする耐候
   性に優れる表面処理鋼材。
2. 【請求項２】鋼材表面あるいは鋼材の錆層が、硫酸クロ
   ムおよび硫酸銅のうちの少なくとも一方を合計量で１〜
   ６４質量％、並びにα−ＦｅＯＯＨを１〜６４質量％、
   かつ合計量で６５質量％以下を含む有機樹脂塗料によ
   り、５〜１５０μｍの乾燥膜厚をもって被覆されている
   ことを特徴とする耐候性に優れる表面処理鋼材。