JP4656054B2

JP4656054B2 - 橋梁用鋼材

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Publication number: JP4656054B2
Application number: JP2006352255A
Authority: JP
Inventors: 隆之上村; 和幸鹿島; 英昭幸
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2026-12-27
Also published as: JP2008163374A

Description

本発明は、海浜地域や融雪塩が散布される地域等で飛来塩分量が多い環境下でもミニマムメンテナンス材料として使用することができる、耐候性および耐塗装剥離性に優れた橋梁用鋼材と、この鋼材からなる橋梁に関する。

一般に、耐候性鋼材は、それを大気腐食環境中に暴露すると、保護性のあるさび層が表面に形成され、それ以降の鋼材腐食が抑制されることにより耐候性を発揮する。そのため、耐候性鋼材は、塗装せずに裸のまま使用できるミニマムメンテナンス鋼材として、橋梁等の構造物に用いられている。

ところが、海浜地域はもちろん、内陸部でも融雪塩や凍結防止剤が散布される地域のように飛来塩分量が多い環境下では、耐候性鋼材の表面に保護性のあるさび層が形成されにくく、腐食を抑制する効果が発揮されにくい。そのため、これらの地域では、裸のままの耐候性鋼材を用いることができず、塗装をして用いる必要があった。

日本工業規格（ＪＩＳ）で規格化された耐候性鋼（ＪＩＳＧ３１１４：溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材）においても、海浜地域のように飛来塩分量がＮａＣｌとして０.０５ｍｇ／ｄｍ²／ｄａｙ（０.０５ｍｄｄ）以上の地域では、ウロコ状錆や層状錆等の発生による腐食減量が大きいため、無塗装では使用できないことになっている（建設省土木研究所、（社）鋼材倶楽部、（社）日本橋梁建設協会：耐候性鋼の橋梁への適用に関する共同研究報告書（ＸＸ）−無塗耐候性橋梁の設計・施工要領（改訂版−１９９３.３）参照）。

このため、海浜地域などの塩分の多い環境下では、普通鋼材に塗装を施して使用する普通鋼の塗装使用が一般的である。しかし、河口付近の海浜地域に建設される橋梁や、融雪塩や凍結防止剤を撒く山間部等の道路に建設される橋梁では腐食が著しく、腐食による塗膜劣化のため、約１０年毎に再塗装する必要がある。これらの再塗装には多大な工数がかかり、維持管理に莫大な費用がかかることから、海浜地域においても無塗装で使用できる海浜耐候性に優れた鋼材への要望が強い。

最近、Ｎｉを１〜３％程度添加したＮｉ系高耐候性鋼が開発され、実用化されてきているが、このようなＮｉ添加だけでは、飛来塩分量が０.３〜０.４ｍｄｄを越える地域では適用が難しいことが判明している。

鋼材の腐食は、飛来塩分量が多くなるにつれて激しくなるため、耐食性と経済性の観点からは、飛来塩分量に応じた耐候性鋼材が必要になる。また、橋梁といっても、使用される場所や部位により、鋼材の腐食環境は異なる。例えば、桁外部では、降雨、結露水および日照に曝される。一方、桁内部では、結露水に曝されるが、雨掛かりはない。一般に、飛来塩分量が多い環境では、雨で洗われる桁外部より、雨掛かりのない桁内部の方が、腐食が激しいと言われている。

また、融雪塩や凍結防止剤を道路に撒く環境では、その塩が走行中の車に巻き上げられ、道路を支える橋梁に付着し、厳しい腐食環境となる。さらに、海岸から少し離れた軒下等も厳しい塩害環境に曝され、このような地域では、飛来塩分量が１ｍｄｄ以上の厳しい腐食環境になる。

飛来塩分量が多い環境での腐食を防止する鋼材も従来から開発が進められてきた。

例えば、特許文献１ではクロム（Ｃｒ）の含有量を増加させた耐候性鋼材が、そして特許文献２ではニッケル（Ｎｉ）含有量を増加させた耐候性鋼材が、それぞれ提案されている。

また、本発明者らは、先に特許文献３で、Ｃｕ、ＮｉおよびＣｒを複合して含有させた海浜耐候性を有する鋼材を提案している。

そして、特許文献４には、Ｐ、Ｎｉ、Ｍｏ、ＳｂおよびＳｎ等を含有する溶接構造用鋼が、そして特許文献５にはＣｕ、ＮｉおよびＳｂを含有させた高耐候性鋼材が、それぞれ提案されている。

さらに、特許文献６にはＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＳｎおよびＳｂ等を含有することにより耐食性を向上させた耐酸露点腐食鋼が提案されており、煙突や熱交換器等における酸露点腐食に対し優れた耐食性を発揮している。

特開平９−１７６７９０号公報特開平５−５１６６８号公報特開２０００−２９７３４３号公報特開平１０−２５１７９７号公報特開２００２−５３９２９号公報特開平９−２５５３６号公報

上記特許文献１で提案されたクロム（Ｃｒ）の含有量を増加させた耐候性鋼材は、ある程度以下の飛来塩分量の領域においては耐候性を改善することができるものの、それを超える厳しい塩分環境においては逆に耐候性を劣化させる。

上記特許文献２で提案されたニッケル（Ｎｉ）含有量を増加させた耐候性鋼材の場合、耐候性はある程度改善されるが、鋼材自体のコストが高くなり、橋梁等の用途に使用される材料としては高価なものになる。これを避けるため、Ｎｉ含有量を少なくすると、耐候性はさほど改善されず、飛来塩分量が多い場合には、鋼材の表面に層状の剥離さびが生成し、腐食が著しく、長期間の使用に耐えられないという問題が生じる。

上記特許文献３で提案された、Ｃｕ、ＮｉおよびＣｒを複合して含有させた海浜耐候性を有する鋼材では、これらの元素を数％程度含有させることによって、ＪＩＳ耐候性鋼に比べれば耐候性を改善することができるものの、飛来塩分量が１ｍｄｄを超えるような非常に厳しい環境では十分な耐候性を発揮することができず、さらなる改善が必要である。

上記特許文献４で提案された、Ｐ、Ｎｉ、Ｍｏ、ＳｂおよびＳｎ等を含有する溶接構造用鋼については、飛来塩分量の多い環境における耐候性を得るためにＰの含有量を多くしているため、溶接性が十分でない。

上記特許文献５で提案された、Ｃｕ、ＮｉおよびＳｂを含有させた高耐候性鋼材は、飛来塩分量０.８ｍｄｄの環境において耐候性が良好であるとしているが、１ｍｄｄを超えるような厳しい腐食環境においては耐候性が十分でない。

上記特許文献６で提案された、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＳｎおよびＳｂ等を含有することにより耐食性を向上させた耐酸露点腐食鋼は、煙突や熱交換器等における酸露点腐食に対し優れた耐食性を発揮するものの、飛来塩分量が１ｍｄｄを超えるような大気腐食環境において、耐候性は十分でない。

さらに、橋梁分野における耐塗装剥離性が大きな問題である。すなわち上記示したように、多量の塩化物が飛来する海岸環境や、融雪剤や凍結防止剤を散布する環境においては、塗装を施しても塗装が早期に剥離し、且つ腐食が進行するという問題があり、数年から十数年毎に塗装の塗り替えを実施する必要がある。しかしながら、塗装の塗り替えを実施するためには、一度腐食した橋梁に足場を組んで再ブラスト処理を施す必要があるので多大なコストがかかる。そして、再ブラスト処理を施してもさびを完全に除去できるわけではなく、さびを完全には除去しきれていない鋼材上に再度、塗装しても、塗装寿命が著しく短くなる。

したがって、塗装の寿命を延長し、補修塗装間隔を大きく延ばすことが強く望まれていた。すなわち、塗装が必要とされる橋梁においても、ライフサイクルコストのミニマム化の要求が高く、塗装寿命を延長することは橋梁のライフサイクルマネジメントを考える上で非常に重要となる。

本発明は、従来の鋼材が内包する上述のような問題を解決すべく、高塩化物環境において、耐候性および耐塗装剥離性に優れた橋梁用鋼材を提供することを目的とする。

本発明者らの一人が既に報告しているように（「材料と環境」第４３巻（１９９４）第１号２６頁参照）、耐候性鋼材においてさび層が保護性を有するのは、Ｆｅの一部がＣｒで置換された微細なα−(Ｆｅ_１−ｘＣｒ_ｘ)ＯＯＨからなるさび層が生成することによる。

しかし、前述したように、Ｃｒの添加は飛来塩分量が比較的少ない環境では耐候性の向上に有効であるが、飛来塩分量が多い環境では、逆に耐候性を劣化させる。一方、Ｎｉの添加は、飛来塩分量の多い地域での耐候性の向上に有効であるとされてきた。

本発明者らは、これらの知見を踏まえて、飛来塩分量の多い環境での腐食について検討した結果、このような環境下では、ＦｅＣｌ_３溶液の乾湿繰り返しが腐食の本質的な条件となり、Ｆｅ^３＋の加水分解によりｐＨが低下した状態で、かつＦｅ^３＋が酸化剤として作用することによって腐食が加速されることを見出した。

このときの腐食反応は、以下に示すとおりである。

カソード反応としては、主として、次の反応が起こる。
Ｆｅ^３＋＋ｅ⁻→Ｆｅ^２＋ (Ｆｅ^３＋の還元反応)
そして、この反応以外にも、次のカソード反応も併発する。
２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２＋２ｅ⁻→４ＯＨ⁻、
２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２
一方、上記のＦｅ^３＋の還元反応に対して、次のアノード反応が起こる。
アノード反応：Ｆｅ→Ｆｅ^２＋＋２ｅ⁻ (Ｆｅの溶解反応)

従って、腐食の総括反応は、次の(1)式のとおりである。
２Ｆｅ^３＋＋Ｆｅ→３Ｆｅ^２＋・・・・・・(1)式
上記(1)式の反応により生成したＦｅ^２＋は、空気酸化によってＦｅ^３＋に酸化され、生成したＦｅ^３＋は再び酸化剤として作用し、腐食を加速する。この際、Ｆｅ^２＋の空気酸化の反応速度は低ｐＨ環境では一般に遅いが、濃厚塩化物溶液中では加速され、Ｆｅ^３＋が生成され易くなる。このようなサイクリックな反応のため、飛来塩分量が非常に多い環境では、Ｆｅ^３＋が常に供給され続け、鋼の腐食が加速され、耐食性が著しく劣化することになることが判明した。

このように、飛来塩分量が非常に多い環境では、さび層による保護は期待できないため、鋼自身のアノード溶解反応を遅くすることによって、鋼の腐食を遅らせるのが有効である。すなわち、飛来塩分量が非常に多い環境では、Ｃｒを含有する鋼はアノード溶解反応が促進されるため、耐候性が劣化すると推測されるのに対して、Ｎｉを含有する鋼はアノード溶解反応を遅延させるので耐候性が向上することが期待できる。

上述の塩分環境における腐食のメカニズムを基に、種々の合金元素の耐候性への影響について検討した結果、下記の（ａ）〜（ｉ）に示す知見を得た。

（ａ）Ｓｎは、Ｓｎ^２＋として溶解し、２Ｆｅ^３＋＋Ｓｎ^２＋→２Ｆｅ^２＋＋Ｓｎ^４＋なる反応によりＦｅ^３＋の濃度を低下させることで、(1)式の反応を抑制する。Ｓｎには、さらにアノード溶解を抑制するという作用もある。

（ｂ）Ｃｕは、従来から飛来塩分の多い環境において耐食性改善効果の基本とされていた元素であり、比較的濡れ時間が長い環境において耐食性改善効果は見られる。しかしながら、塩化物濃度がさらに大きくなり、局部的にｐＨが下がるような環境、例えば塩分が付着し、湿度が変化することにより乾湿が繰り返され、β−ＦｅＯＯＨが生成するような比較的ドライな環境では、Ｃｕはむしろ腐食を促進することを知見した。

図１は、塩分付着乾湿試験結果例である。本実験は、Ｆｅ−０．０５Ｃ鋼の表面に、予め塩分付着量が１０ｍｇ／ｃｍ^２になるように塩水を塗布し、４０℃ 恒温高湿槽内において、４時間４０％ＲＨ（相対湿度４０％）、４時間８０％ＲＨ（相対湿度８０％）を１サイクルとして繰り返し、３０サイクル後に再度１０ｍｇ／ｃｍ^２になるように塩水を塗布し、さらに３０サイクル、合計６０サイクル実施した後のＦｅ−０．０５Ｃ鋼の腐食量の変化を鋼中のＣｕ含有量で整理したものである。

（ｃ）さらに、ＮｉはＳｎと複合添加した場合には、飛来塩分の多い環境における耐食性改善効果が無く、多量に添加すると、逆に耐候性を劣化させることが判明した。このＮｉの挙動は、Ｎｉ添加量が増すほど耐候性が向上するという従来の知見とは相反するものである。

（ｄ）Ｃｒは、単独添加した場合には、飛来塩分量の多い環境において耐候性を劣化させるが、Ｓｎと複合添加した場合には、飛来塩分量の多い環境での耐候性を向上させる効果を発揮する。

（ｅ）Ａｌを含有させると海浜耐候性が向上する。

（ｆ）Ｎはアンモニアとして溶解し、腐食界面のｐＨを上昇させる作用を有する。飛来塩分量の多い環境では、上記Ｆｅ^３＋の加水分解によりｐＨが低下するが、Ｎを含有させることにより、腐食界面のｐＨ低下が抑制され、耐候性および塗膜剥離性が向上する。

（ｇ）上記（ａ）〜（ｆ）で述べた合金元素を含有させた材料に、さらに、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、ＣａおよびＭｇから選んだ１種または２種以上を含有させても、海浜耐候性の改善に効果がある。

（ｈ）さらに、ＲＥＭを含有させると、鋼材の溶接性が改善される。

（ｉ）これらの海浜耐候性に優れた橋梁用鋼材は、表面を防食皮膜で被覆してもよく、塗装寿命延長化に効果が大きい。

本発明は、上記の知見に基づきなされたもので、その要旨は、次の(1)〜(6)の橋梁用鋼材と、(7)の橋梁にある。以下、総称して、本発明ということがある。
(1) 質量％で、Ｃ：０．０３〜０.１５％、Ｓｉ：２.５％以下、Ｍｎ：０.５％を超え２.５％以下、Ｐ：０.０３％未満、Ｓ：０.００５％以下、Ｃｕ：０.０５％未満、Ｎｉ：０.０５％未満、Ｃｒ：０.０１〜０．２１％、Ａｌ：０.００３〜０．１％、Ｎ：０.００１〜０.１％およびＳｎ：０.０３〜０.５０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、Ｃｕ／Ｓｎ比が１以下である組成を有することを特徴とする橋梁用鋼材。
(2) さらに、質量％で、Ｔｉ：０.３％以下およびＮｂ：０.１％以下よりなる群から選ばれた１種または２種を含有することを特徴とする、上記(1)の橋梁用鋼材。
(3) さらに、質量％で、Ｍｏ：１.０％以下、Ｗ：１.０％以下およびＶ：１.０％以下よりなる群から選ばれた１種または２種以上を含有することを特徴とする、上記(1)または(2)の橋梁用鋼材。
(4) さらに、質量％で、Ｃａ：０.１％以下およびＭｇ：０.１％以下よりなる群から選ばれた１種または２種を含有することを特徴とする、上記(1)〜(3)のいずれかの橋梁用鋼材。
(5) さらに、質量％で、ＲＥＭを０.０２％以下含有することを特徴とする、上記(1)〜(4)のいずれかの橋梁用鋼材。
(6) 表面が防食皮膜により被覆されていることを特徴とする、上記(1)〜(5)のいずれかの橋梁用鋼材。
(7) 上記(1)〜(6)のいずれかの鋼材からなる橋梁。

本発明の橋梁用鋼材は、飛来塩分量が多い環境下においても十分な耐候性を有している。海浜耐候性に優れた材料として最適であり、海浜地域における橋梁等の構造物や、融雪塩や凍結防止剤が散布される地域における橋梁等の構造物に使用するミニマムメンテナンス材料として、土木および建築分野等において広く適用することができる。さらに、塗装を施して、船舶や橋梁等の鋼構造物に使用した場合に、欠陥部等からの腐食を著しく抑制するためメンテナンスミニマム化に寄与する材料として広く適用することができる。

以下に、本発明の橋梁用鋼材に含まれる合金元素の作用効果を、その含有量の限定理由とともに、説明する。なお、合金元素の含有量「％」は、いずれも「質量％」を意味する。

Ｃ：０.００１〜０.１５％
Ｃは、鋼の強度を確保するために必要な合金元素であるが、多量に含有させると鋼材の溶接性が劣化する。したがって、Ｃ含有量は０.１５％を上限とする。また、０.００１％未満になると所定の強度が確保できないので、下限は０.００１％とする。望ましい範囲は、０.００５％〜０.１５％である。

Ｓｉ：２.５％以下
Ｓｉは、製鋼時の脱酸に必要な合金元素である。同じく脱酸剤としての働きをするＡｌを含有する場合には、特に添加をしなくてもよいが、Ａｌ含有量が０．００５％未満の場合には、０.４％以上含有させるのが望ましい。一方、Ｓｉを２.５％を超えて含有させると、鋼の靱性が損なわれる。したがって、Ｓｉの含有量は２.５％以下とする。また、Ｓｉには耐候性を向上させる効果もある。この効果を得たい場合には、０．１％以上添加するのが好ましい。

Ｍｎ：０.５％を超え２.５％以下
Ｍｎは、低コストで鋼の強度を高める作用効果を有する元素であり、鋼中のＳの含有量が低い場合には、一般に高飛来塩分環境における耐候性を向上させる作用を有する。しかしながら、鋼中のＳと結合してＭｎＳを形成し、このＭｎＳが腐食の起点となり、耐食性、ひいては耐候性を劣化させる。また、機構は不明であるが、Ｎｉと共存する場合にはＭｎの含有量が２.５％を超えると耐候性が劣化する。したがって、Ｍｎの含有量は２.５％以下とする。望ましくは１.５％以下とする。なお、構造用鋼としての強度を維持するためには、Ｍｎを０.５％を超えて含有させる必要がある。

Ｐ：０.０３％未満
Ｐは、不純物として含有されるが、濃厚塩化物環境での過度のＰの含有は耐候性を劣化させるため、できるだけ少なくする必要がある。したがって、その含有量は０.０３％未満とする。

Ｓ：０.００５％以下
Ｓは、不純物として含有されるが、Ｍｎと結合すると非金属介在物のＭｎＳを形成して腐食の起点となり易く、耐候性を劣化させる。したがって、Ｓの含有はできるだけ少なくする必要があるので、その上限は０.００５％とする。

Ｃｕ：０.０５％未満
Ｃｕは、一般的に耐候性を向上させる基本元素とされ、全ての海浜耐候性鋼や耐食鋼に添加されているが、高飛来塩分下の比較的ドライな環境においては、むしろ耐食性を低下させる。したがって、Ｃｕの含有はできるだけ少なくする必要があり、不純物として含有されるとしても、Ｃｕ含有量は０.０５％未満とする必要がある。

Ｎｉ：０.０５％未満
Ｎｉは、一般的に飛来塩分量の多い環境下での海浜耐候性を著しく向上させる元素として従来から鋼中に添加され、Ｎｉ系耐候性鋼として開発・実用化されてきている。しかし、理由は定かではないが、Ｓｎと複合添加した場合には、耐食性の改善効果がないばかりか、Ｓｎによる耐候性改善効果を低下させるという悪影響が現れる。したがって、Ｎｉの含有はできるだけ少なくする必要があり、不純物として含有されるとしても、Ｎｉ含有量は０.０５％未満とする必要がある。

Ｃｒ：０.０１〜３.０％
Ｃｒは、飛来塩分量がそれほど多くない環境では保護性さびの形成による耐食性の向上が期待できるが、飛来塩分量が多い環境において鋼のアノード溶解反応を促進し耐候性を劣化させる。

ところが、Ｓｎを含有する場合には、飛来塩分量が多い環境においても、Ｃｒ含有による耐候性の向上効果が発揮される。この効果は含有量０.０１％以上で発揮されるが、３.０％を超えると局部腐食感受性が高まるとともに、溶接性が劣化する。したがって、Ｃｒ含有量は０.０１〜３.０％とする必要がある。なお、Ｃｒの含有量の望ましい範囲は０.０５〜１.０％である。

Ａｌ：０.００３〜０．１％
Ａｌは、０.００３％以上含有させると耐候性が向上するが、含有量が０．１％を超えると鋼が脆化し易くなる。したがって、Ａｌの含有量の上限は０．１％とする。

Ｎ：０.００１〜０.１％
Ｎは、アンモニアとなって溶解し、飛来塩分量の多い環境におけるＦｅ^３＋の加水分解によるｐＨ低下を抑制することで、塩分環境における耐候性を向上させる効果を有する。この効果はＮを０.００１％以上含有させることにより得られ、０.１％を超えると飽和する。したがって、Ｎの含有量は０.００１〜０.１％とする。含有量の望ましい範囲は０.００２〜０.０８％である。

Ｓｎ：０.０３〜０.５０％
Ｓｎは、Ｓｎ^２＋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。また、Ｆｅ^３＋を速やかに還元させ、酸化剤としてのＦｅ^３＋濃度を低減する作用を有することにより、Ｆｅ^３＋の腐食促進作用を抑制するので、高飛来塩分環境における耐候性を向上させる。

また、Ｓｎには鋼のアノード溶解反応を抑制し耐食性を向上させる作用がある。さらに、Ｓｎを含有することにより、飛来塩分が多い環境においてもＣｒの耐候性を向上させる効果が発揮される。

これらの作用は、Ｓｎを０．０３％以上含有させることにより得られ、０.５０％を超えると飽和する。したがって、Ｓｎの含有量は０.０３〜０.５０％とする。Ｓｎの含有量の望ましい範囲は０．０３〜０．２０％である。

Ｃｕ／Ｓｎ比：１以下
本願発明のようにＳｎを含有する鋼の場合には、Ｃｕの含有による耐食性の低下が著しい。また、鋼材を製造する際、Ｃｕの含有による圧延割れの原因ともなる。このため、Ｃｕ／Ｓｎ比、すなわち、Ｓｉ含有量に対するＣｕ含有量の比を１以下とする必要がある。

本発明の橋梁用鋼材は、上記の合金元素の他に、さらにＴｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、ＣａおよびＭｇよりなる群から選ばれた１種または２種以上を含有してもよいし、また、ＲＥＭを含有してもよい。これらの元素の含有させてもよい理由とそのときの含有量は、次の通りである。

Ｔｉ：０.３％以下
Ｔｉは、ＴｉＣを形成してＣを固定することによって、クロム炭化物の形成を抑制して耐候性を向上させる。また、ＴｉＳの形成によりＳを固定することによって、腐食の起点となるＭｎＳの形成を抑える。

しかしながら、Ｔｉの含有量が０.３％を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は０．３％とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Ｔｉを０.０１％以上含有させるのが好ましい。

Ｎｂ：０.１％以下
Ｎｂには、Ｔｉと同様、ＮｂＣを形成することによって、クロム炭化物の形成を抑制して耐候性を向上させる効果がある。

しかしながら、Ｎｂの含有量が０.１％を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は０．１％とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Ｎｂを０.０１％以上含有させるのが好ましい。

Ｍｏ：１.０％以下
Ｍｏは、溶解して酸素酸イオンＭｏＯ_４ ^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し、耐食性を向上させる効果がある。

しかしながら、Ｍｏの含有量が１．０％を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は１．０％とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Ｍｏを０.０１％以上含有させるのが好ましい。

Ｗ：１.０％以下
Ｗは、Ｍｏと同様、溶解して酸素酸イオンＭｏＯ_４ ^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し、耐食性を向上させる効果がある。

しかしながら、Ｗの含有量が１．０％を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は１．０％とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Ｗを０.０１％以上含有させるのが好ましい。

Ｖ：１.０％以下
Ｖは、ＭｏやＷと同様、溶解して酸素酸イオンＭｏＯ_４ ^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し、耐食性を向上させる効果がある。

しかしながら、Ｖの含有量が１．０％を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は１．０％とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Ｖを０.０１％以上含有させるのが好ましい。

Ｃａ：０.１％以下
Ｃａは、鋼中に酸化物の形で存在し、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効果がある。

しかしながら、Ｃａの含有量が０．１％を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は０．１％とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Ｃａを０.０００１％以上含有させるのが好ましい。

Ｍｇ：０.１％以下
Ｍｇは、Ｃａと同様、腐食反応部における界面のｐＨの低下を抑制し、耐食性を向上させる効果がある。

しかしながら、Ｍｇの含有量が０．１％を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は０．１％とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Ｍｇを０.０００１％以上含有させるのが好ましい。

ＲＥＭ：０.０２％以下
ＲＥＭは、鋼の溶接性を向上させる目的で含有させることができる。

しかしながら、ＲＥＭの含有量が０．０２％を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は０．０２％とする。なお、この効果を確実に発現させるために、ＲＥＭを０.０００１％以上含有させるのが好ましい。なお、ＲＥＭとは、ランタニドの１５元素にＹおよびＳｃを合わせた１７元素を意味する。本発明の橋梁用鋼材は、上記の必須元素あるいはさらに上記の任意元素を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼材である。なお、鋼中にオキサイド等の介在物が微細分散されている鋼も本発明の橋梁用鋼材に含まれる。

本発明の橋梁用鋼材は、板材、管材、棒材、Ｈ型鋼などの異形材を含む多様な形状とすることができる。厚みは一般に３ｍｍ以上とすることが好ましい。耐候性鋼材は一般に熱間圧延材であるが、本発明の橋梁用鋼材を製造する際の熱間圧延条件は特に制限されず、通常と同様でよい。

本発明の橋梁用鋼材は、さらに耐候性を高める場合には、その表面を防食皮膜で覆うのが望ましい。本発明において用いる防食皮膜とは、鋼材の防食目的で施される皮膜を意味する。具体的には、耐候性鋼材において周知の各種のさび安定化処理皮膜（化成処理系と塗装系とを含む）；Ｚｎめっき、Ａｌめっき、Ｚｎ−Ａｌめっき等の防食めっき皮膜；Ｚｎ溶射、Ａｌ溶射等の金属溶射皮膜；ビニルブチラール系、エポキシ系、ウレタン系、フタル酸系などの一般の防食塗装皮膜、さらにいわゆるＣ系塗装系、I系塗装系等を包含する。いずれの防食皮膜を施した場合であっても、優れた耐候性と高い防食性能を発揮することができる。これらの防食皮膜の膜厚または付着量は特に制限されず、通常の範囲内でよい。さらに本橋梁用鋼材は、さび付き鋼材、すなわち補修時に表面さびが除去しきれない状況で、特に塗装部耐食性を発揮するので、ケレン等でさびを完全に除去出来ない場合、例えば電動工具、ワイヤーブラシによるケレン程度で上記塗装を施しても著しく寿命を延長することができる。これは、塗装した場合に、キズ部がアノードと成りやすく、特にさび付き状態で塗装する場合に、局部的にｐＨが低下する現象が顕著になるために、本橋梁用鋼材の性能が発揮されるものと考えられる。

上述の通り、本発明の橋梁用鋼材は、飛来塩分量が多い環境下において優れた海浜耐候性を発揮するので、海浜地域における橋梁等、そして融雪塩や凍結防止剤が散布される地域における橋梁等の構造物に、塗装を必要としないミニマムメンテナンス材料として使用することができる。さらに、塗装を施す場合には、塗装部の耐剥離性・キズ部耐食性を著しく向上させることができ、ライフサイクルコスト低減に寄与する。この種の構造物は、一般に切断、曲げ加工等の成形加工、および溶接により作製されるが、本発明の橋梁用鋼材は加工性および溶接性にも優れている。

表１に示した化学組成を有するＮｏ.１〜Ｎｏ.２２の鋼について、１５０Ｋｇ真空溶解炉で溶製し、インゴットに鍛造した後、１１００℃に加熱後、圧延を行って、厚さ４ｍｍ×幅１５０ｍｍ×長さ１０００ｍｍの寸法の鋼材を作製した。次いで、この鋼材の表裏面を機械研削し、厚さ３ｍｍ×幅６０ｍｍ×長さ１００ｍｍの試験片を切り出した。なお、本実施例で作製した鋼材の酸素含有量は０.０００１〜０.００５％の範囲であった。

得られた試験片をＳＡＥ（Society of Automotive Engineers）Ｊ２３３４試験により評価した。ＳＡＥＪ２３３４試験は、次の条件で行う加速試験であり、腐食形態が大気暴露試験に類似しているとされている（長野博夫、山下正人、内田仁著：環境材料学、共立出版（２００４）、ｐ.７４参照）。本試験は、飛来塩分量が１ｍｄｄを超えるような厳しい腐食環境を模擬する試験である。
湿潤：５０℃、１００％ＲＨ、６時間、
塩分付着：０.５質量％ＮａＣｌ、０.１質量％ＣａＣｌ_２、０.０７５質量％ＮａＨＣＯ_３水溶液浸漬、０.２５時間、
乾燥：６０℃、５０％ＲＨ、
１７.７５時間を１サイクル（合計２４時間）とした。

ＳＡＥＪ２３３４試験１６０サイクル終了後、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。試験結果を表１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を用いて算出したものである。

さらに、β−ＦｅＯＯＨが生成する塩分付着乾湿繰り返し試験を行った。鋼材を厚さ３ｍｍ×幅５０ｍｍ×長さ５０ｍｍに切り出し、予め塩分付着量が１ｍｇ／ｃｍ^２になるように塩水を塗布し、４０℃の恒温高湿槽にいれ、４時間４０％ＲＨ、４時間８０％ＲＨを１サイクルとして繰り返し、３０サイクル毎に、さらに１ｍｇ／ｃｍ^２になるように塩水を塗布する試験である。本実施例では、０．１７１mol/L ＮａＣｌ水溶液３ｍＬを鋼材表面全面に塗布して塩分を付着させた。本試験は１５０サイクル実施し、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。試験結果を表１に示す。

次に、表１に示した化学組成を有する鋼Ｎｏ.１〜Ｎｏ.２２に対して、汎用エポキシ樹脂塗料（バンノー２００：中国塗料製）を塗膜厚さ１５０μｍになるようにスプレー塗装し、鋼面にキズがつくまで塩化ビニルカッターによりクロスにカットを入れて、クロスカット試験評価を行った。さらに、予めＳＡＥＪ２３３４試験を１０サイクル実施し、表面にさびを形成させた後、ワイヤーブラシにてケレンしたさび付き鋼材に、同様に、汎用エポキシ樹脂塗料（バンノー２００：中国塗料製）を塗膜厚さ１５０μｍになるようにスプレー塗装し、鋼面にキズがつくまで塩化ビニルカッターによりクロスにカットを入れて、クロスカット試験評価を行った。クロスカット試験後の表面状態を図２に示す。これら試験後、ポイントマイクロメーターを用いて、最大腐食深さを測定した。

表１の結果から明らかなように、本発明例に係る鋼材では、いずれも本発明で規定する化学組成の含有量を満足しているので、腐食減量濡れ環境であるＳＡＥＪ２３３４試験の結果、裸耐食性及び塗装部耐食性に優れており、また、塩分付着乾湿環境においても優れた耐食性を示している。

これに対して、比較例の鋼Ｎｏ．２３及び２６の鋼材においてはＳｎの量が不足するために、塩分付着乾湿試験で腐食減量が増大する傾向が明瞭に観察される。そして、比較例の鋼Ｎｏ．２４及び２５の鋼材においては、Ｓｎが規定範囲に添加されているものの、Ｃｕ量が多すぎるため、Ｃｕ／Ｓｎが１を超えてしまっており、塩分付着乾湿試験で腐食減量が増大する傾向が明瞭に観察される。なお、比較例の鋼Ｎｏ．２４及び２５の鋼材は、圧延後に微小の割れが観察された。

また、比較例の鋼Ｎｏ．２７の鋼材は、Ｓｎ、Ｃｕともに規定範囲に添加されているものの、Ｃｕ／Ｓｎが１を超えてしまっており、塩分付着乾湿試験で腐食減量が増大する。また、クロスカット試験の結果も良好ではない。比較例の鋼Ｎｏ．２８および２９の鋼材は、ＣｕまたはＮｉのいずれかが規定範囲を超えており、塩分付着乾湿試験で腐食減量が増大する。比較例の鋼Ｎｏ．３０の鋼材は、Ｓｎの量が不足するために、腐食減量が増大すると共に、クロスカット試験でも、最大腐食深さは増大し、良好な結果は得られなかった。

本発明の橋梁用鋼材は、飛来塩分量が多い環境下においても十分な耐候性を有する。海浜耐候性に優れた材料として最適であり、海浜地域における橋梁等の構造物や、融雪塩や凍結防止剤が散布される地域における橋梁等の構造物に使用するミニマムメンテナンス材料として、土木および建築分野等において広く適用することができる。さらに、塗装を施して、船舶や橋梁等の鋼構造物に使用した場合に、欠陥部等からの腐食を著しく抑制するためメンテナンスミニマム化に寄与する材料として広く適用することができる。

塩分付着乾湿試験結果例である。クロスカット試験後の表面状態を示す。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０３〜０.１５％、Ｓｉ：２.５％以下、Ｍｎ：０.５％を超え２.５％以下、Ｐ：０.０３％未満、Ｓ：０.００５％以下、Ｃｕ：０.０５％未満、Ｎｉ：０.０５％未満、Ｃｒ：０.０１〜０．２１％、Ａｌ：０.００３〜０．１％、Ｎ：０.００１〜０.１％およびＳｎ：０.０３〜０.５０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、Ｃｕ／Ｓｎ比が１以下である組成を有することを特徴とする橋梁用鋼材。
さらに、質量％で、Ｔｉ：０.３％以下およびＮｂ：０.１％以下よりなる群から選ばれた１種または２種を含有することを特徴とする、請求項１に記載の橋梁用鋼材。
さらに、質量％で、Ｍｏ：１.０％以下、Ｗ：１.０％以下およびＶ：１.０％以下よりなる群から選ばれた１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１または２に記載の橋梁用鋼材。
さらに、質量％で、Ｃａ：０.１％以下およびＭｇ：０.１％以下よりなる群から選ばれた１種または２種を含有することを特徴とする、請求項１から３までのいずれかに記載の橋梁用鋼材。
さらに、質量％で、ＲＥＭを０.０２％以下含有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれかに記載の橋梁用鋼材。
表面が防食皮膜により被覆されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれかに記載の橋梁用鋼材。
請求項１から６までのいずれかに記載の鋼材からなる橋梁。