JP4919372B2 - 溶接部耐食性に優れた溶接めっき鋼管及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接部に白錆を発生させることなく耐食性を向上させた溶接めっき鋼管及びその製造方法に関する。

Ｚｎめっき層，Ｚｎ−Ａｌ合金めっき層又はＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっき層が設けられている鋼帯から造管された溶接めっき鋼管は、素材の耐食性に優れている特性を活用し、苛酷な腐食環境に曝される各種構造部材，配管，排ガス用管等として利用されており、最近では農業用ビニールハウスの骨組みや電気配線のケーブルラック等への適用も進められている。
溶接めっき鋼管は、例えば図１に示すような造管ラインで製造される。めっき鋼帯１をロール成形によりオープンパイプ状に成形した後、めっき鋼帯１の幅方向両端部表面を高周波コイル２で加熱し、スクイズロール４で加熱圧着する。加熱圧着によって幅方向両端部が融合されて溶接めっき鋼管３になるが、溶接部に鋼管の半径方向に突出したビード７が形成される。そこで、ビードカッタ５，６でビード７を切削することにより、溶接めっき鋼管３の周面を平滑化する。しかし、溶接部及び溶接部近傍は、ビード切削によってめっき層も除去されるため、下地鋼が露出した表面になっている。

溶接部耐食性を回復させるため、下地鋼が露出した溶接部に溶射補修層を設ける方法が採用されている。
本出願人等も、Ａｌ溶射と次いでＺｎ溶射又はＺｎ−Ａｌ合金溶射の二連溶射で溶接部を補修する方法を紹介した（特許文献１）。この方法では、溶接めっき鋼管３の搬送方向に沿ってＡｌ溶射ガン１０と、次いでＺｎ溶射又はＺｎ−Ａｌ合金溶射ガン１１を配置し、溶射ガン１０，１１に送り込まれたＡｌ芯線１３，Ｚｎ又はＺｎ−Ａｌ合金芯線をフレーム加熱し、溶融金属として溶接部に被着させている。

また、本出願人等は、Ａｌ−Ｍｇ合金の単独溶射、或いはＡｌ−Ｍｇ合金溶射とＡｌ−Ｍｇ合金溶射の二連溶射か、Ａｌ溶射の後にＡｌ−Ｍｇ合金溶射の二連溶射か、或いはＡｌ−Ｍｇ合金溶射の後にＡｌ溶射の二連溶射により、溶接部及び溶接部近傍を補修することにより耐食性に優れた溶接鋼管が得られることを特許文献２で提案した。
この方法では、溶射金属としてＡｌ−Ｍｇ合金単独か又はＡｌを併用することを特徴としており、その場合に使用するＡｌ−Ｍｇ合金のＭｇ含有量は２０質量％以下とすることが、溶接鋼管の加工性を確保する上で好ましいとされている。
特開平８−１２７８５５号公報 特開２００３−３２８１０５号公報

下地鋼が露出した溶接部及び溶接部近傍に、Ａｌ溶射と次いでＺｎ溶射又はＺｎ−Ａｌ合金溶射の二連溶射で溶接部及び溶接近傍部を補修する特許文献１に記載の技術は、溶射層に含まれるＺｎの鉄に対する犠牲防食作用により下地鋼の腐食は抑制される。しかしながら、一方で、犠牲防食作用の一現象である白錆の発生を抑制することは困難である。
白錆はＺｎの水酸化物・酸化物の混合物であることが多く、文字通り、白い腐食生成物である。白錆は、Ｚｎが犠牲防食作用を発揮していることの象徴ではあるが、構造物に当該溶接めっき鋼管が用いられる場合には、美観・景観を損ねるものと評価されることもある。このため、用途によっては、白錆発生を極力抑制することも要求される。

また、下地鋼が露出した溶接部及び溶接部近傍に、Ａｌ−Ｍｇ合金の単独溶射、或いはＡｌ−Ｍｇ合金溶射とＡｌ−Ｍｇ合金溶射の二連溶射か、Ａｌ溶射の後にＡｌ−Ｍｇ合金溶射の二連溶射か、又はＡｌ−Ｍｇ合金溶射の後にＡｌ溶射の二連溶射により溶接部及び溶接部近傍を補修する特許文献２の技術では、溶射層にＺｎ成分が含まれないことになる。このため、使用態様によっては、未溶射部からなる下地鋼露出部や溶射層に形成されたピンホール欠陥を起点にして下地鋼の腐食が進行してしまうことがある。

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、下地鋼に対する密着性及び耐食性と溶射層自体の耐白錆性に優れたＡｌ−Ｚｎ−Ａｌの三層構造の溶射補修層を溶接部及び溶接近傍部に形成することにより、苛酷な腐食環境下で長期間使用されても腐食や白錆の発生がなく耐久性に優れた溶接めっき鋼管を提供することを目的とする。

本発明の溶接部耐食性に優れた溶接めっき鋼管は、その目的を達成するため、Ｚｎめっき層，Ｚｎ−Ａｌ合金めっき層又はＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっき層が設けられているめっき鋼帯から造管された溶接めっき鋼管であり、溶接後のビードカットでめっき層が除去された溶接部及び溶接部近傍に、下層より順にＡｌ→Ｚｎ→Ａｌの三層からなる金属の溶射補修層が、三層目のＡｌ層が二層目のＺｎ層の全表面を被覆するように、かつ三層の溶射被覆層が全体で１０μｍ以上の厚さで設けられていることを特徴とする。

そして、Ｚｎめっき層，Ｚｎ−Ａｌ合金めっき層又はＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっき層が設けられているめっき鋼帯から溶接めっき鋼管を製造する際、溶接ビードをカットした後、めっき層が除去された溶接部及び溶接部近傍に、下層よりＡｌ→Ｚｎ→Ａｌの順に溶射して三層の金属からなる溶射補修層を、三層目のＡｌ層が二層目のＺｎ層の全表面を被覆するように、かつ三層の溶射被覆層が全体で１０μｍ以上の厚さで設けることにより製造される。
溶射補修層は、三連溶射で下層よりＡｌ→Ｚｎ→Ａｌの順に三層に形成される。下地鋼にはまずＡｌが盛られ、その上にＺｎが盛られ、さらに最表層にはＡｌがＺｎを被覆するように形成されることが望ましい。

Ａｌ−Ｚｎ−Ａｌの各層は三回の連続溶射で形成されるので三層となっている。そして、溶射被覆層が比較的厚い場合、例えば２０μｍ以上の厚さがあれば、Ａｌ−Ｚｎ−Ａｌの各層は明確に三層に形成されるが、それぞれの境界面は必ずしも単純明瞭な面ではなく、ＡｌとＺｎが入り混じった界面層を形成するのが普通である。一方、溶射被覆層が比較的薄い場合、例えば２０μｍに満たないときには、特にＡｌとＺｎの境界が途切れがちになり、Ａｌの中にＺｎが分散するような形態も生じ得るが、それを含めて、本明細書中では三層の溶射層と定義することにする。

上記で示した第一層と第三層として施すＡｌ溶射には、さらなる耐食性の向上を目的として、Ｍｇを添加してもよい。例えばＡｌ−Ｍｇ合金を溶射する場合、溶接鋼管の加工性を確保するためには、Ｍｇ含有量は２０質量％以下にすることが好ましい。
また、第二層として施すＺｎ溶射にも、同様にＡｌを添加してもよい。例えばＺｎ−Ａｌ合金を溶射する場合、ピンホール部の犠牲防食効果及び溶接鋼管の加工性を考慮すると、Ａｌ含有量は３０質量％以下にすることが好ましい。

本発明の溶接めっき鋼管は、溶接後のビードカットでめっき層が除去された溶接部及び溶接部近傍にＡｌ−Ｚｎ−Ａｌの三連溶射層からなる補修層を形成している。溶射補修層は、溶接部の露出下地鋼やめっき層表面にある酸化皮膜に対するＡｌの親和力が高いことから溶接部に強固に付着し、Ｚｎの鉄に対する犠牲防食作用により下地鋼の腐食を抑制する効果を併せて持たせつつ、三層目のＡｌにより白錆の発生も抑制して、バリア機能の高い保護膜として働く。
そのため、本発明の溶接めっき鋼管は、溶接部を起点とする腐食や白錆の発生がなく、長期にわたって美麗な外観を呈する構造用部材，配管，排ガス用管，農業用ビニールハウスの骨組み等として好適に使用される。

本発明の溶接めっき鋼管は、ビードカットされた溶接部及び溶接部近傍に溶射補修層が設けられている。図１に示すような溶接部の溶射補修装置において、さらに第３段目の溶射ガン１２を付設し、第１段目及び第３段目の溶射ガン１０，１２からＡｌ芯線１３を、第２段目の溶射ガン１１からＺｎ芯線をフレーム加熱し、溶融金属として溶接部及び溶接部近傍に被着させている。
溶接部及び溶接部近傍では、溶接後のビードカットにより溶接ビード及びめっき層１４が除去されているが、露出した下地鋼１５及び溶接金属１６の上に溶射補修層１７が盛られている（図２）。溶射顕熱を利用して密着性の高い溶射補修層１７を形成するためには、溶接後の高温状態にある溶接部に溶射補修層１７を設けることが好ましい。厚い溶射補修層１７は、上記の通り、Ａｌ→Ｚｎ→Ａｌの三連溶射で形成できる。

めっき層１４には、Ｚｎめっき層，Ｚｎ−５％Ａｌめっき層，Ｚｎ−６％Ａｌ−３％Ｍｇめっき層等のＺｎベース合金めっき層やＺｎ−５５％Ａｌ合金めっき層等がある。めっき層１４が形成されているめっき鋼帯１のオープンパイプを溶接すると、溶接熱で加熱されためっき層１４の表面に薄い酸化皮膜が生成する。ビードカットでめっき層１４が除去された溶接部及び溶接部近傍では、露出した下地鋼１５の表面に薄い酸化皮膜が生成している。

溶接部に溶射される第一層のＡｌは、鉄よりも酸素親和力が大きい金属である。溶融状態で溶射されたＡｌは、露出した下地鋼１５及びめっき層１４の表層にある酸化皮膜と反応し、強い還元作用によって酸化皮膜中の酸素と結合してＡｌ酸化物を形成する。
このＡｌ酸化物は、露出した下地鋼１５及びめっき層１４の表層にある酸化皮膜と置き換わるか、或いは溶射された溶融状態のＡｌ中に分散されるかで、第一層として溶射されたＡｌは強固に下地鋼と結合される。

溶射の第二層であるＺｎは、第一層のＡｌと第三層のＡｌとの間に挟まれて存在する。溶射皮膜には空孔や引け巣等の空隙欠陥が不可避的に生じるが、ＺｎはこのようなＡｌ層の不可避的な空隙欠陥において、その鉄に対する犠牲防食作用を発揮して下地鋼の腐食を抑制する。
溶射の第三層であるＡｌは、第二層のＺｎ層が腐食雰囲気に直接に曝されることを防いで、Ｚｎの犠牲防食作用の一端である白錆の発生を抑制する作用を発揮させる。このため、Ｚｎ層上に溶射するＡｌは、Ｚｎの全表面を被覆するように形成されることが望ましい。

溶射補修層１７は、１０μｍ以上の膜厚で形成されることが好ましい。溶射補修層の膜厚が厚いと、空隙欠陥の発生が抑えられてビードカットされた溶接部及び溶接部近傍が溶射補修層で均一に覆われやすく、溶接部及び溶接部近傍の耐食性の向上が確実になる。しかし、３０μｍを超える厚膜は、溶射金属を浪費するばかりでなく、下地鋼１５に対する溶射補修層１７の密着性にも悪影響が現れる。
密着性，耐食性に優れた溶射補修層１７で溶接部及び溶接部近傍が覆われるため、曲げ，拡管，縮管等の加工によって溶接めっき鋼管１を製品形状に加工した後でも溶射補修層１７が健全な状態に保たれ、溶接部を起点にする腐食や白錆の発生が抑えられる。なかでも、溶射補修層１７のＡｌ溶射層中のＭｇ含有量を２０質量％以下にするとき、溶射補修層１７の加工性が確保され、成形加工時に亀裂，剥離等が溶射補修層１７に生じることが防止される。Ｍｇ含有量を２０質量％以下に規制することは、変色防止にも有効である。また、溶射補修層１７のＺｎ溶射層中のＡｌ含有量を３０質量％以下にするとき、溶射補修層１７の加工性が確保され、成形加工時に亀裂，剥離等が溶射補修層１７に生じることが防止される。この程度の含有であれば、Ｚｎ溶射時のピンホール生成状況に影響を及ぼすことはない。

溶射補修層１７を形成した後、必要に応じ無機系又は有機系の化成処理液を用いて溶接部及び溶接部近傍を防錆処理する。無機系化成処理には、クロメート処理，リン酸塩処理，環境負荷の低減を目的としたクロムフリータイプの無機系防錆処理等がある。クロムフリー無機系防錆処理の一例として、バルブメタル（Ｚｒ，Ｖ，Ｍｏ，Ｔｉ等）の酸化物，水酸化物，フッ化物等の複合皮膜をめっき表層に形成させることで防錆性能が向上する。有機系化成処理には、ウレタン系樹脂，エポキシ樹脂，ポリエチレン，ポリプロピレン，エチレン−アクリル酸共重合体等のオレフィン系樹脂，ポリスチレン等のスチレン系樹脂，ポリエステル或いはこれらの共重合物又は変生物，アクリル系樹脂等を単独或いは複合添加した化成処理液を用いることが可能であり、さらに、防錆添加剤としてリン系化合物や硫黄系化合物を用いることが有効である。

目付け量９０ｇ／ｍ²でＺｎ−６％Ａｌ−３％Ｍｇ合金を溶融めっきした板厚１.２ｍｍのめっき鋼帯１を直径２５.４ｍｍの鋼管に高周波造管ラインにより造管した。溶接部には、溶接めっき鋼管３の周面から最高で１.５ｍｍ突出した外面ビードが形成されていた。ビード突出部を切削した後、溶接めっき鋼管３の表面を観察したところ、溶接線を中心として幅４.０ｍｍの範囲でめっき層１４が除去されており、溶接線両側３.０ｍｍの範囲でめっき層１４が薄くなっていた。

めっき層１４が除去された溶接部及び溶接部近傍に、図１に示す切削バイトの後方に三連溶射ガン１０，１１，１２を備えた補修装置を使用し、表１に示す三連溶射で幅１０ｍｍの溶射補修層１７を形成した。溶射金属芯線は、直径１.４ｍｍのものを使用し、溶射条件の調整により溶射補修層の厚みを変化させた。
Ａｌ芯線としては直径が１.４ｍｍで純度９９％のＡｌ線材と、直径が１.４ｍｍで５％のＭｇを含むＡｌ−Ｍｇ合金線材を使用した。Ｚｎ芯線としては直径が１.４ｍｍで純度９９．９％のＺｎ線材と直径が１.４ｍｍで５％のＡｌを含むＺｎ−Ａｌ合金線材を使用した。溶射に際しては、何れの場合もＣ₂Ｈ₂＋Ｏ₂のフレームで芯線を加熱し、溶射ガン１０，１１，１２から溶融金属として溶接部に被着させた。

溶射補修層１７が形成された溶接めっき鋼管１から長さ１５０ｍｍの筒状試験片を切り出し、促進腐食試験，乾湿複合腐食試験に供した。
促進腐食試験では、温度３５℃の５％ＮａＣｌ水溶液を試験片の溶射補修層１７に噴霧し、塩水噴霧を所定時間経過した後で溶接部表面を観察し、白錆発生面積率を測定した。
乾湿複合腐食試験では、塩水噴霧（３５℃，５％ＮａＣｌ）２時間→乾燥（６０℃，３０％ＲＨ）４時間→湿潤（５０℃，９５％ＲＨ）２時間を１サイクルとし、所定サイクル数繰り返した後で溶接部表面を観察し、赤錆発生面積率を測定した。
その結果を表２に示す。

表２の試験結果にみられるように、Ａｌ−Ｚｎ−Ａｌの三連溶射を施した本発明例では、いずれも良好な初期の耐白錆性と長期乾湿複合腐食試験後の耐赤錆性が得られている。ただし、溶射補修層の厚みが１０μｍに満たなかった本発明例のＮｏ.４は、耐白錆性及び耐赤錆性とも、他の本発明例に比べると若干劣る結果となっていた。
比較例であるＮｏ.６は、Ａｌのみの三連溶射を行ったものであるが、耐白錆性は十分であるものの、ピンホール部等に犠牲防食作用を発揮するＺｎを含まないために耐赤錆性が劣る結果となった。同じくＮｏ.７では、溶射補修層の表面にＺｎが露出しているため、耐白錆性が著しく劣っていた。下層にＡｌを被覆せずにそのままＺｎを溶射した後にＡｌを溶射したＮｏ.８は，Ａｌ下層がない場合と比較して下地との密着性が弱く、そのために耐白錆性，耐赤錆性とも十分ではなかった。
また、Ａｌ系の二連溶射を施した比較例のＮｏ.９〜１３では、溶射補修層の厚みを厚くしても、十分な耐赤錆性が得られていなかった。

電縫鋼管を製造する造管ラインに組み込んだ溶接部の補修装置 溶射補修層が盛られた溶接部の断面を示す模式図 溶射補修部の拡大図

Claims (6)

1. Ｚｎめっき層，Ｚｎ−Ａｌ合金めっき層又はＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっき層が設けられているめっき鋼帯から造管された溶接めっき鋼管であり、溶接後のビードカットでめっき層が除去された溶接部及び溶接部近傍に、下層より順にＡｌ→Ｚｎ→Ａｌの三層からなる金属の溶射補修層が、三層目のＡｌ層が二層目のＺｎ層の全表面を被覆するように、かつ三層の溶射被覆層が全体で１０μｍ以上の厚さで設けられていることを特徴とする溶接部耐食性に優れた溶接めっき鋼管。
2. 第一層及び／又は第三層のＡｌが、それぞれ２０質量％以下のＭｇを含むものである請求項１に記載の溶接部耐食性に優れた溶接めっき鋼管。
3. 第二層のＺｎが、３０質量％以下のＡｌを含むものである請求項１又は２に記載の溶接部耐食性に優れた溶接めっき鋼管。
4. Ｚｎめっき層，Ｚｎ−Ａｌ合金めっき層又はＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっき層が設けられているめっき鋼帯から溶接めっき鋼管を製造する際、溶接ビードをカットした後、めっき層が除去された溶接部及び溶接部近傍に、下層よりＡｌ→Ｚｎ→Ａｌの順に溶射して三層の金属からなる溶射補修層を、三層目のＡｌ層が二層目のＺｎ層の全表面を被覆するように、かつ三層の溶射被覆層が全体で１０μｍ以上の厚さで設けることを特徴とする溶接部耐食性に優れた溶接めっき鋼管の製造方法。
5. 第一層及び／又は第三層として溶射するＡｌが、それぞれ２０質量％以下のＭｇを含むものである請求項４に記載の溶接部耐食性に優れた溶接めっき鋼管の製造方法。
6. 第二層として溶射するＺｎが３０質量％以下のＡｌを含むものである請求項４又は５に記載の溶接部耐食性に優れた溶接めっき鋼管の製造方法。

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