JP5120510B2 - 耐候性に優れた鋼材 - Google Patents

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Description

本発明は、主に橋梁などの屋外で用いられる構造用鋼材に関し、特に海岸近傍などの高塩分環境下で耐候性が要求される部材として好適な鋼材に関する。
従来、橋梁などの屋外で用いられる鋼構造物では、耐候性鋼が用いられている。耐候性鋼は、大気暴露環境において、Ｃｕ、Ｐ、Ｃｒ、Ｎｉなどの合金元素が濃化した保護性の高い錆層に表面が覆われることにより腐食速度が著しく低減する鋼材である。その優れた耐候性により、耐候性鋼を使用した橋梁は、しばしば無塗装のまま数十年間の供用に耐えることが知られている。
しかしながら、海岸近傍などの飛来塩分量が多い環境では、上記保護性の高い錆層は生成しにくく、実用的な耐候性が得難いことが知られている。
非特許文献１によれば、従来の耐候性鋼（ＪＩＳ Ｇ３１１４：溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材）は、飛来塩分量が０．０５ｍｇ・ＮａＣｌ／ｄｍ２／ｄａｙ（以降、単位（ｍｇ・ＮａＣｌ／ｄｍ２／ｄａｙ）をｍｄｄにて表記する場合がある）以下の地域でのみ、無塗装使用可能となっている。従って、海岸近傍などの飛来塩分量が多い環境では、普通鋼材（ＪＩＳ Ｇ３１０６：溶接構造用圧延鋼材）に塗装等の防食措置を施して使用されている。
塗装した鋼材は、時間の経過とともに塗膜が劣化し、定期的な補修が必要となる。加えて、人件費の高騰や、再塗装の困難さが加わる。このような理由から、現在、無塗装で使用可能な鋼材の要望が高い。
このような現状に対して、近年、海岸近傍などの高飛来塩分環境において無塗装で使用可能な鋼材として、種々の合金元素、特にＮｉを多量に含有させた鋼材が開発されている。
例えば、特許文献１では、耐候性向上元素として、Ｃｕと１重量％以上のＮｉを添加した高耐候性鋼材が開示されている。特許文献２では、１ｍａｓｓ％以上のＮｉとＭｏを添加した耐候性に優れた鋼材が開示されている。
また、特許文献３では、Ｃｕ、Ｎｉに加え、Ｔｉを添加した耐候性鋼材が開示されている。さらに、特許文献４では、Ｎｉを多量に含有し、加えてＣｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐ等を含有した溶接構造用鋼材が開示されている。
特許第３７８５２７１号公報 特許第３８４６２１８号公報 特許第３４６６０７６号公報 特開平１０−２５１７９７号公報
耐候性鋼材の橋梁への適用に関する共同研究報告書（XX）、１９９３．３、建設省土木研究所、（社）鋼材倶楽部、（社）日本橋梁建設協会
しかしながら、特許文献１、２および３のように、Ｎｉの含有量を増加させた場合、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇してしまうという問題点がある。
また、特許文献４のように、ＮｉおよびＰの含有量を増加させ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｓｂ等を含有した鋼材では、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇し、さらに、Ｐの含有量が高いために溶接性が低下する。
本発明は、かかる事情に鑑み、低コストで、耐候性に優れた鋼材を提供することを目的とする。
本発明は、前記課題を解決するために、高塩分環境における耐候性の観点から鋼材の成分組成について鋭意検討した。その結果、Ｃｕ、Ｎｉを含有するベース鋼にＭｏとＮｂを複合含有することにより、高塩分環境における鋼材の耐候性が向上することを見出した。
本発明は、以記の知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。
第一の発明は、質量%で、Ｃ：０．０６％超え０．１４％未満、Ｓｉ：０．０５％以上２．００％以下、Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下、Ｐ：０．００５％以上０．０３０％以下、Ｓ：０．０００１％以上０．０２００％以下、Ａｌ：０．００１％以上０．１００％以下、Ｃｕ：０．１０％以上１．００％以下、Ｎｉ：０．１０％以上０．６５％以下、Ｍｏ：０．００１％以上１．０００％以下、Ｎｂ：０．００５％以上０．２００％以下を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなることを特徴とする耐候性に優れた鋼材である。
第二の発明は、質量％で、Ｍｏ：０．００５％以上１．０００％以下を含有することを特徴とする第一の発明に記載の耐候性に優れた鋼材である。
第三の発明は、さらに、質量%で、Ｃｒ：０．２％以上１．０％以下、Ｃｏ：０．０１％以上１．００％以下、ＲＥＭ：０．０００１％以上０．１０００％以下、Ｓｎ：０．００５％以上０．２００％以下の中から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする第一または第二の発明に記載の耐候性に優れた鋼材である。
第四の発明は、さらに、質量%で、Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下、Ｖ：０．００５％以上０．２００％以下、Ｚｒ：０．００５％以上０．２００％以下、Ｂ：０．０００１％以上０．００５０％以下、Ｍｇ：０．０００１％以上０．０１００％以下の中から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする第一乃至第三の発明に記載の耐候性に優れた鋼材である。
本発明によれば、低コストで、耐候性に優れた構造用鋼材が得られる。
本発明の構造用鋼材は、耐候性向上に有効な元素を複合含有させることで、Ｎｉなどの高価な元素を多量に含有することなく低コストで、実用的な溶接性を有し、かつ海岸近傍などの高塩分環境おいて優れた耐候性を有することができる。特に、飛来塩分量が０．０５ｍｄｄ超えの高飛来塩分環境で顕著な効果を有する。
以下に本発明の各構成要件の限定理由について説明する。
１．成分組成について
はじめに、本発明の鋼の成分組成を規定した理由を説明する。なお、成分％は、すべて質量％を意味する。
Ｃ：０．０６％超え０．１４％未満
Ｃは構造用鋼材の強度を向上させる元素であり、所定の強度を確保するため０．０６％を超えて含有する必要がある。一方、０．１４％以上では溶接性および靭性が劣化する。したがって、Ｃ量は０．０６％超え０．１４％未満の範囲とする。好ましくは強度確保の点から０．０８％以上、さらに好ましくは溶接性および靱性の点から０．１０％未満である。
Ｓｉ：０．０５％以上２．００％以下
Ｓｉは製鋼時の脱酸剤として、また、構造用鋼材の強度を向上させ所定の強度を確保する元素として、０．０５％以上含有する必要がある。一方、２．００％を超えて過剰に含有すると靭性および溶接性が著しく劣化する。したがって、Ｓｉ量は０．０５％以上２．００％以下の範囲とする。好ましくは、０．１０％以上０．８０％以下である。
Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下
Ｍｎは構造用鋼材の強度を向上させる元素であり、所定の強度を確保するために０．２０％以上含有する必要がある。一方、２．００％を超えて過剰に含有すると靭性および溶接性が劣化する。したがって、Ｍｎ量は０．２０％以上２．００％以下の範囲とする。
好ましくは、０．２０％以上１．５０％以下である。
Ｐ：０．００５％以上０．０３０％以下
Ｐは構造用鋼材の耐候性を向上させる元素である。このような効果を得るためには０．００５％以上含有する必要がある。一方、０．０３０％を超えて含有すると溶接性が劣化する。したがって、Ｐ量は０．００５％以上０．０３０％以下の範囲とする。好ましくは、０．００５％以上０．０２５％以下である。
Ｓ：０．０００１％以上０．０２００％以下
Ｓは０．０２００％を超えて含有すると溶接性および靭性が劣化する。一方、含有量を０．０００１％未満まで低下させると、生産コストが増大する。したがって、Ｓ量は０．０００１％以上０．０２００％以下の範囲とする。好ましくは、０．０００３％以上０．００５０％以下である。
Ａｌ：０．００１％以上０．１００％以下
Ａｌは、製鋼時の脱酸に必要な元素である。このような効果を得るため、Ａｌ含有量として０．００１％以上含有する必要がある。一方、０．１００％を超えると溶接性に悪影響を及ぼす。したがって、Ａｌ量は０．００１％以上０．１００％以下の範囲とする。好ましくは、０．０１０％以上０．０５０％以下である。なお、Ａｌ含有量は酸可溶Ａｌを測定した。
Ｃｕ：０．１０％以上１．００％以下
Ｃｕは錆粒を微細化することで緻密な錆層を形成し、構造用鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。このような効果は含有量が０．１０％以上で得られる。一方、１．００％を超えるとＣｕ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ｃｕ量は０．１０％以上１．００％以下の範囲とする。好ましくは、０．２０％以上０．５０％以下である。
Ｎｉ：０．１０％以上０．６５％以下
Ｎｉは錆粒を微細化することで緻密な錆層を形成し、構造用鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。この効果を充分に得るためには０．１０％以上含有する必要がある。一方、０．６５％を超えるとＮｉの消費量増加によるコストの増大を招く。したがって、Ｎｉ量は０．１０％以上０．６５％以下の範囲とする。好ましくは、０．１５％以上０．５０以下である。
Ｍｏ：０．００１％以上１．０００％以下
Ｍｏは、本発明において重要な要件であり、Ｎｂと共存することにより、高塩分環境における鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。また、錆層中でモリブデン酸イオンを形成することによって、腐食促進因子の塩化物イオンが錆層を透過して地鉄に到達するのを防止する。また、鋼材のアノード反応に伴ってＭｏＯ４ ２−が溶出し、鋼材表面にＭｏを含む化合物が沈殿することで、鋼材のアノード反応を抑制する。これらの効果を充分に得るためには、０．００１％以上含有する必要がある。一方、１．０００％を超えるとＭｏ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ｍｏ量は０．００１％以上１．０００％以下の範囲とする。好ましくは０．００５％以上１．０００％以下であり、より好ましくは、０．１０％以上０．７０％以下である。
Ｎｂ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｎｂは、本発明において重要な要件であり、Ｍｏと共存することにより、高塩分環境における鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Ｎｂは、鋼材表面近傍の錆層中に濃化し、鋼材のアノード反応を抑制する効果を有する。これらの効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する必要がある。一方、０．２００％を超えると鋼の靱性の劣化を招く。したがって、Ｎｂ量は０．００５％以上０．２００％以下の範囲とする。好ましくは、０．０１０％以上０．０３０％以下である。
本発明の基本成分組成は以上であるが、更に所望の特性を向上させる場合は、Ｃｒ、Ｃｏ、ＲＥＭ、Ｓｎの1種または２種以上を選択元素として含むことができる。
Ｃｒ：０．２％以上１．０％以下
Ｃｒは、錆粒を微細化することで緻密な錆層を形成し、耐侯性を向上させるのに有効であり、０．２％以上含有するとその効果を発揮し、１．０％を超えると、溶接性の低下を招く。したがって、Ｃｒを含有する場合は、その量は０．２％以上１．０％以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、０．２％以上０．７％以下である。
Ｃｏ：０．０１％以上１．００％以下
Ｃｏは錆層全体に分布し、錆粒を微細化することで緻密な錆層を形成し、構造用鋼材の耐候性を向上させるのに有効であり、０．０１％以上含有するとその効果を発揮し、１．００％を超えて含有するとＣｏ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ｃｏを含有する場合は、その量は０．０１％以上１．００％以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、０．１０％以上０．５０％以下である。
ＲＥＭ：０．０００１％以上０．１０００％以下
ＲＥＭは錆層全体に分布し、錆粒を微細化することで緻密な錆層を形成し、構造用鋼材の耐候性を向上させるのに有効であり、０．０００１％以上含有するとその効果を発揮し、０．１０００％を超えるとその効果は飽和する。したがって、ＲＥＭを含有する場合、その量は０．０００１％以上０．１０００％以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、０．００１０％以上０．０１００％以下である。
Ｓｎ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｓｎは錆下層に濃化し、鋼材のアノード反応を抑制するのに有効であり、０．００５％以上含有するとその効果を発揮し、０．２００％を超えると、靱性の劣化を招く。したがって、Ｓｎを含有する場合、その量は０．００５％以上０．２００％以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、０．０１０％以上０．１００％以下である。
更に、本発明では、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｂ、Ｍｇの１種または２種以上を選択元素として含むことができる。
Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｔｉは、鋼材の強度を高めるために有効な元素であり、０．００５％以上含有するとその効果を発揮し、０．２００％を超えると靭性の劣化を招く。したがって、Ｔｉを含有する場合、その量は０．００５％以上０．２００％以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、０．０１０％以上０．１００％以下である。
Ｖ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｖは、強度を高めるために有効な元素であり、０．００５％以上含有するとその効果を発揮し、０．２００％を超えると効果が飽和する。したがって、Ｖを含有する場合、その量は０．００５％以上０．２００％以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、０．０１０％以上０．１００％以下である。
Ｚｒ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｚｒは、強度を高めるために有効な元素であり、０．００５％以上含有するとその効果を発揮し、０．２００％を超えると効果が飽和する。したがって、Ｚｒを含有する場合は、その量は０．００５％以上０．２００％以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、０．０１０％以上０．１００％以下である。
Ｂ：０．０００１％以上０．００５０％以下
Ｂは、強度を高めるために必要な元素であるが、その量が０．０００１％未満であると、その効果は十分に得られない。一方、０．００５０％を超えると靭性の劣化を招く。したがって、Ｂを含有する場合は、その量は０．０００１以上０．００５０％以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、０．０００５％以上０．００４０％以下である。
Ｍｇ：０．０００１％以上０．０１００％以下
Ｍｇは、鋼中のＳを固定して溶接熱影響部の靭性向上に有効な元素であり、０．０００１以上含有するその効果を発揮し、０．０１００％を超えると鋼中の介在物の量が増加しかえって靭性の劣化を招く。したがって、Ｍｇを含有する場合は、その量は０．０００１％以上０．０１００％以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、０．０００５％以上０．００３０％以下である。
なお、上記した成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。ここで不可避的不純物として、Ｎ：０．０１０ ％以下、Ｏ：０．０１０％以下が許容できる。また、不可避的不純物として含有するＣａは、鋼中に多量に存在すると溶接熱影響部の靭性を劣化させるため０．００１０％以下が好ましい。
２．製造条件について
本発明の耐候性に優れた鋼材は、上記成分組成を有する鋼を通常の連続鋳造や分塊法により得られたスラブを熱間圧延することにより厚板や形鋼、薄鋼板、棒鋼等の鋼材に製造される。なお、加熱、圧延条件は、要求される材質に応じて適宜決定すればよく、制御圧延、加速冷却、あるいは再加熱熱処理等の組合せも可能である。
表１に示す化学組成の鋼を溶製し、１１５０℃に加熱した後、熱間圧延を行い、室温まで空冷して厚さ６ｍｍの鋼板を試作した。次いで、得られた鋼板から３５ｍｍ×３５ｍｍ×４ｍｍの試験片を採取した。試験片は、表面を表面粗さＲａが１．６μｍ以下となるように研削加工し、端面、裏面をテープシールし、表面露出部の面積が２５ｍｍ×２５ｍｍとなるように表面もテープシールした。
以上により得られた試験片について、耐候性試験を行い、耐候性を評価した。
耐候性評価試験としては、実際の橋梁などの構造物において最も厳しい環境と考えられる、雨掛かりの無い桁内部の環境を模擬した腐食試験を行った。腐食試験はサンプル表面に塩分を付着させた状態で温湿度サイクルを繰り返して行なった。
温湿度サイクルは、温度４０℃、相対湿度４０％ＲＨの乾燥工程を１１時間、その後、移行時間を1時間とった後、温度を２５℃、相対湿度を９５％ＲＨの湿潤工程を１１時間として、その後1時間移行時間をとり、合計２４時間で１サイクルとし、実環境の温湿度サイクルを模擬した。
温湿度サイクル開始前、および7サイクルごとに、試験片表面に付着する塩分が１．４ｍｇ／ｄｍ２となるように、乾燥工程前に試験片の表面に人工海水を滴下した。
この条件にて、２６週間で温湿度サイクル１８２サイクルの試験を行った。
また、腐食試験終了後、３７％塩酸５００ｍＬ、ヘキサメチレンテトラミン３．５ｇ、ヒビロン(アイコーケミカル社製インヒビター)３ｍＬに蒸留水を加えて１Ｌ(リットル)とした除錆溶液に、試験片を浸漬して脱錆してから重量を測定した。なお、重量の測定は、第１４５回腐食防食シンポジウム資料「腐食減耗評価方法の高精度化」に記載の方法に準拠した。さらに、得られた重量と初期重量との差を求めて、それを試験片の試験対象面の面積で除することで、試験片片面の平均板厚減少量を算出した。
なお、飛来塩分量約０．５ｍｄｄは、海岸近傍などの飛来塩分量が多い環境に相当するが、これまでの知見から、本腐食試験における鋼板厚減少量(１８２日間)は、飛来塩分量が約０．５ｍｄｄの実際の環境に１８２日間暴露した場合の腐食による鋼板厚減少量と同等になることがわかっている。
また、試験により得られた平均板厚減少量から外挿により１００年後の腐食量を求めた場合、本腐食試験の期間にて得られる平均板厚減少量が２２μｍ以下であれば、１００年後の平均板厚減少量は層状剥離錆の発生が無い０．５ｍｍ以下と予想される。
一般に、無塗装耐候性鋼の橋梁への適用可否の目安は、１００年後の板厚減少量が０．５ｍｍ以下であることが知られているので、各種鋼材に対して本腐食試験を行い、得られる平均板厚減少量が２２μｍ以下であれば無塗装耐候性鋼の橋梁への適用が可となる。
以上より、表1において、平均板厚減少量が２２μｍ以下の鋼材に対して耐侯性が優れていると判定した。
以上により得られた腐食試験結果を成分組成と併せて表１に示す。
Figure 0005120510
表１より、発明例である鋼種Ｎｏ．１〜１７および３２〜３７では、板厚減少量は１９．７〜２２．０μｍといずれも２２μｍ以下であり、優れた耐候性を有している。
一方、比較例である鋼種Ｎｏ．１８〜３１では、鋼種Ｎｏ．１８〜２４は必須成分であるＣｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂのうち、いずれか１種以上を含有していないため、鋼種Ｎｏ．２５はＣｕが下限未満で、鋼種Ｎｏ．２６、２９はＭｏが下限未満で、鋼種Ｎｏ．２７はＮｂが下限未満で、鋼種Ｎｏ．２８はＮｉが下限未満で、鋼種Ｎｏ．３０はＳｎが下限未満で、鋼種Ｎｏ．３１はＮｂが下限未満であるため、板厚減少量が２４．３〜３０．７μｍと２２μｍを上回っており、発明例に比べ大きく耐候性が劣っていることがわかる。

Claims (4)

  1. 質量%で、Ｃ：０．０６％超え０．１４％未満、Ｓｉ：０．０５％以上２．００％以下、Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下、Ｐ：０．００５％以上０．０３０％以下、Ｓ：０．０００１％以上０．０２００％以下、Ａｌ：０．００１％以上０．１００％以下、Ｃｕ：０．１０％以上１．００％以下、Ｎｉ：０．１０％以上０．６５％以下、Ｍｏ：０．００１％以上１．０００％以下、Ｎｂ：０．００５％以上０．２００％以下を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなることを特徴とする耐候性に優れた鋼材。
  2. 質量％でＭｏ：０．００５％以上１．０００％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐候性に優れた鋼材。
  3. さらに、質量%で、Ｃｒ：０．２％以上１．０％以下、Ｃｏ：０．０１％以上１．００％以下、ＲＥＭ：０．０００１％以上０．１０００％以下、Ｓｎ：０．００５％以上０．２００％以下の中から選ばれる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に記載の耐候性に優れた鋼材。
  4. さらに、質量%で、Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下、Ｖ：０．００５％以上０．２００％以下、Ｚｒ：０．００５％以上０．２００％以下、Ｂ：０．０００１％以上０．００５０％以下、Ｍｇ：０．０００１％以上０．０１００％以下の中から選ばれる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乃至３に記載の耐候性に優れた鋼材。
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