JP5691350B2 - 耐候性に優れた構造用鋼材および鋼構造物 - Google Patents
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Description
非特許文献1によれば、従来の耐候性鋼(JIS G 3114: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 G 3106: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が求められ、無塗装使用可能な鋼材の要望が高い。
例えば、特許文献1では、耐候性向上元素として、Cuと1質量%以上のNiを添加した高耐候性鋼材が開示されている。
また、特許文献2では、1質量%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、Niに加え、Cu、Ti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。
また、特許文献3では、Niの含有量を低く抑え、さらにCu、Tiを添加しているが、本発明では他の添加元素について探索した。
また、特許文献4のように、Niの含有量を増加させ、Cu、Mo、Sn、Sb、P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。
また、特許文献5に開示されている鋼材は用途が異なるため、要求される耐食性能が異なり、海岸近傍などの高飛来塩分環境における耐候性については述べられていない。
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14μm以下であれば、100年後の平均板厚減少量は層状剥離さびの発生が無い0.5mm以下となる。
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14μm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、図1において、平均板厚減少量が14μm以下の鋼材に対して耐侯性が優れていると判定した。
鋼種C、Dは、Ni含有量を少なくし、Cuを含有し、W、Nbおよび/またはSnを複合含有した鋼である。Cu、Niは、さび層を緻密化させ、腐食促進因子である塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを防止する。Wは、アノード部において、さび層と地鉄の界面付近にFeとの複合酸化物を形成し、アノード反応を抑制する。また、W酸イオンとしてさび層に分布することによって、カチオン選択透過性を発現し、腐食促進因子である塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを防止する。Nbは、アノード部においてさび層と地鉄の界面付近に濃化し、アノード反応、カソード反応を抑制する。Snは、Nbと同様アノード部においてさび層と地鉄の界面付近に濃化し、アノード反応、カソード反応を抑制する。ただし、これらの効果は単独含有では不十分であり、Cu、Ni、WとNbおよび/またはSnの複合含有による相乗効果により、Cu、Ni、W、Nb、Snの腐食抑制効果が大きく向上すると推定される。
特に、Cu、Ni、Wを複合含有した鋼(鋼種U)に、NbまたはSnを含有させた鋼(鋼種V、W)と、NbとSnの両方を含有させた鋼(鋼種X)と比較した場合、鋼種Xの耐候性は鋼種V、Wの耐候性よりも格段に優れていることがわかる。
鋼種C、D、V、およびWのように、NbとSnは、少なくともどちらか1種を含有させれば本発明の効果を奏することができる。しかし、NbとSnの両方を含有させれば、鋼種Xに示すように、より顕著に耐候性を向上させる効果がある。
[1]質量%で、C:0.020%以上0.140%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%未満、W:0.05%以上1.00%以下を含有し、さらに、Nb:0.005%以上0.200%以下、Sn:0.005%以上0.200%以下の1種または2種を含み、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構造用鋼材。
[2]前記[1]において、さらに、質量%で、Cr:0.1%超え1.0%以下を含有することを特徴とする耐候性に優れた構造用鋼材。
[3]前記[1]または[2]において、さらに、質量%で、Co:0.01%以上1.00%以下、Mo:0.005%以上1.000%以下、Sb:0.005%以上0.200%以下、REM:0.0001%以上0.1000%以下から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする耐候性に優れた構造用鋼材。
[4]前記[1]〜[3]のいずれかにおいて、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%以下から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする耐候性に優れた構造用鋼材。
[5]前記[1]〜[4]のいずれかにおいて、下記式(1)で定義される溶接割れ感受性指標Pcmが0.25質量%以下であることを特徴とする耐候性に優れた構造用鋼材。
Pcm=[C]+[Si]/30+[Mn]/20+[Cu]/20+[Ni]/60+[Cr]/20+[Mo]/15+[V]/10+5×[B] ・・・・・(1)
ここで、[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[V]、[B]は、各元素の含有量(質量%)を示す。
[6]前記[1]〜[5]のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材を用いた鋼構造物。
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飛来塩分量が多い環境に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。ただし、飛来塩分量の上限は0.5mdd以下または付着塩分量の上限は0.2mdd以下であることが望ましい。
C:0.020%以上0.140%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0.020%以上含有する必要がある。一方、0.140%以上では溶接性および靭性が劣化する。したがって、C含有量は0.020%以上0.140%未満とする。好ましくは、0.060%以上0.100%以下である。
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含有量は0.05%以上2.00%以下とする。好ましくは、0.10%以上0.80%以下である。
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含有量は0.20%以上2.00%以下とする。好ましくは、0.20%以上1.50%以下である。
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含有量は0.005%以上0.030%以下とする。好ましくは、0.005%以上0.025%以下である。
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含有量は0.0001%以上0.0200%以下とする。好ましくは、0.0003%以上0.0050%以下である。
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含有量は0.001%以上0.100%以下とする。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はさび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、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含有量は0.10%以上1.00%以下とした。好ましくは、0.20%以上0.50%以下である。
なお、特許文献5は船舶用耐食鋼材に関するものである。船舶のバラストタンクの防食塗膜の寿命(一般に10年)が、船舶の寿命(20年)の半分であり、残りの10年は補修塗装を行うことによって耐食性を維持しているという現状から、特許文献5に記載の船舶用耐食鋼材では、船舶のバラストタンク等の海水もしくはその飛沫が直接かかる厳しい腐食環境下において、鋼材の表面状態に左右されることなく優れた耐食性を発揮し、補修塗装までの期間の延長が可能となり、ひいては補修塗装の作業軽減を図ることを目的としている。これに対して、本発明の構造用鋼材は、橋梁などの屋外で用いられる鋼構造物に適用し、海岸近傍などの高飛来塩分環境において100年後の板厚減少量が0.5mm以下であることを目的としており、特許文献5に記載の鋼材とは、鋼材を使用する環境と目的が大きく異なる。したがって、特許文献5に記載の鋼材ではCuを含有する必要はないが、本発明では、Cuを含有し、緻密なさび層を形成させ、鋼材の耐侯性を向上させる必要がある。そのため、上記の通り、本発明において、Cuは0.10%以上含有するものとする。
Niはさび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、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%以上であるとNi消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ni含有量は0.10%以上、0.65%未満とする。好ましくは、0.15%以上0.50%以下である。
Wは、本発明において重要な要件であり、Nbおよび/またはSnと共存することにより、高飛来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、鋼材のアノード反応に伴ってWO4 2−が溶出し、さび層中にWO4 2−として分布することによって、腐食促進因子の塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを静電的に防止する。さらに、鋼材表面にW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、0.05%以上含有する必要がある。一方、1.00%を超えるとW消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、W含有量は0.05%以上1.00%以下とする。好ましくは、0.10%以上0.70%以下である。
また、NbとSnは、少なくともどちらか1種を含有させれば本発明の効果を奏することができる。しかし、NbとSnの両方を含有させれば、より顕著に耐候性を向上させる効果がある。NbとSnの両方を含有させる効果の理由は、明らかではないが、乾燥過程と湿潤過程が繰り返す環境において、NbとSnが顕著に効果を発揮する条件(例えば、気温、相対湿度、またはさび中の塩分濃度等の環境)が異なるために、NbとSnが、それぞれの効果を補完し合うことにより、より顕著に耐候性を向上させたためであると考えている。また、鋼材の機械的性質、溶接性などを確保する上で、耐候性を劣化させずにNb、Snの添加量をそれぞれ低減することが可能であるという利点もある。このような理由から、NbとSnの両方を含有することは、好ましい発明形態となる。
Cr:0.1%超え1.0%以下
Crは、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、耐侯性を向上させる元素であり、この効果を充分に得るためには、0.1%超えで含有する必要がある。一方、1.0%を超えると、溶接性の低下を招く。したがって、含有する場合、Cr含有量は0.1%超え1.0%以下、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はさび層全体に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、構造用鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。このような効果を充分に得るためには、0.01%以上含有する必要がある。一方、1.00%を超えるとCo消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、含有する場合、Co含有量は0.01%以上1.00%以下、好ましくは、0.10%以上0.50%以下である。
Moは、鋼材のアノード反応に伴ってMoO4 2−が溶出し、さび層中にMoO4 2−が分布することで、腐食促進因子の塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを防止する。また、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、0.005%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、含有する場合、Mo含有量は0.005%以上1.000%以下、好ましくは、0.100%以上0.500%以下である。
Sbは鋼材のアノード反応を抑制するとともに、カソード反応である水素発生反応を抑制することで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%を超えると靭性の劣化を招く。したがって、含有する場合、Sb含有量は0.005%以上0.200%以下、好ましくは、0.010%以上0.050%以下である。
REMはさび層全体に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、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、0.0001%以上含有する必要がある。一方、0.1000%を超えるとその効果は飽和する。したがって、含有する場合、REM含有量は0.0001%以上0.1000%以下、好ましくは、0.0010%以上0.0100%以下である。
Ti:0.005%以上0.200%以下
Tiは、強度を高めるために必要な元素である。こ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%を超えると靭性の劣化を招く。したがって、含有する場合、Ti含有量は0.005%以上0.200%以下、好ましくは、0.010%以上0.100%以下である。
Vは、強度を高めるために必要な元素である。こ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%を超えると効果が飽和する。したがって、含有する場合、V含有量は0.005%以上0.200%以下、好ましくは、0.010%以上0.100%以下である。
Zrは、強度を高めるために必要な元素である。こ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%を超えると効果が飽和する。したがって、含有する場合、Zr含有量は0.005%以上0.200%以下、好ましくは、0.010%以上0.100%以下である。
Bは、強度を高めるために必要な元素である。この効果を充分に得るためには、0.0001%以上含有する必要がある。一方、0.0050%を超えると靭性の劣化を招く。したがって、含有する場合、B含有量は0.0001%以上0.0050%以下、好ましくは、0.0005%以上0.0020%以下である。
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る。この効果を充分に得るためには、0.0001%以上含有する必要がある。一方、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、含有する場合、Mg含有量は0.0001%以上0.0100%以下、好ましくは、0.0005%以上0.0020%以下である。
また、溶接での低温割れを防止し、溶接施工時の予熱温度を50℃以下と実操業上問題のないレベルにするためには、下記式で定義される溶接割れ感受性指標Pcmが0.25質量%以下であることが好ましい。さらに好ましくは、0.20質量%以下である。
Pcm=[C]+[Si]/30+[Mn]/20+[Cu]/20+[Ni]/60+[Cr]/20+[Mo]/15+[V]/10+5×[B]
なお、[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[V]、[B]:各元素の含有量(質量%)を示す。
耐候性の評価試験としては、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。腐食試験の条件は以下の通りである。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。また、試験片表面に付着する塩分量が0.2mddとなるよう調整した人工海水溶液を週に一回、乾燥工程中に試験片の表面に塗布した。この条件にて、12週間で84サイクルの試験を行った。上記腐食試験の条件およびサイクルを模式的に図2に示す。
また、腐食試験終了後、試験片を塩酸にヘキサメチレンテトラミンを加えた水溶液に浸漬して脱錆してから重量を測定し、得られた重量と初期重量との差を求めて片面の平均板厚減少量を求めた。この平均板厚減少量が14μm以下であれば、耐侯性が優れていると評価した。
特に、NbとSnの両方を含有させた鋼種No.7は、Cu、Ni、Wと、NbあるいはSnの添加量がほぼ同等で、NbあるいはSnのいずれか1種を含有させた鋼種No.2、5に比べ、より顕著に耐候性が向上している。同様に、NbとSnの両方を含有させた鋼種No.8は、鋼種No.1、4に比べ、より顕著に耐候性が向上している。同様に、NbとSnの両方を含有させた鋼種No.11と12は、鋼種No.10に比べ、耐候性が向上している。
Claims (6)
- 質量%で、C:0.020%以上0.140%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%未満、W:0.05%以上1.00%以下を含有し、さらに、Nb:0.005%以上0.200%以下、Sn:0.005%以上0.200%以下の1種または2種を含み、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構造用鋼材。
- さらに、質量%で、Cr:0.1%超え1.0%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構造用鋼材。
- さらに、質量%で、Co:0.01%以上1.00%以下、Mo:0.005%以上0.165%以下、Sb:0.005%以上0.055%以下、REM:0.0001%以上0.1000%以下から選ばれる1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構造用鋼材。
- 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%以下から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
- 下記式(1)で定義される溶接割れ感受性指標Pcmが0.25質量%以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
Pcm=[C]+[Si]/30+[Mn]/20+[Cu]/20+[Ni]/60+[Cr]/20+[Mo]/15+[V]/10+5×[B] ・・・・・(1)
ここで、[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[V]、[B]は、各元素の含有量(質量%)を示す。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の耐候性に優れた構造用鋼材を用いた鋼構造物。
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