JP5712592B2 - 塗膜耐久性に優れた塗装用鋼材 - Google Patents
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Description
さらに、水深が深くなる水深:40m以上の海域では、ジャケット型、トリパイル型等の基礎の利用が考えられている。またさらなる高深度の海域では、例えば、特許文献1に示されるような構造の、海底に着床しない浮体構造が提案されている。この浮体構造は、復元力が大きく、発電装置の傾斜がなく発電量の低下も少なく、軽量でありかつ短期間に製造できるとしている。
適正量のWの含有により、地鉄と塗装(塗膜)間に安定で緻密な錆が形成される。鋼材中に含まれたWは、地鉄と塗装(塗膜)間に溶出して、WO4 2−イオンとなり、Fe2+イオンと反応して、難溶性のFe WO4を形成し、アノード部を覆い腐食の進行を抑制する。
さらに、腐食生成物(錆)中に難溶性のFe WO4が含まれることにより、錆層が緻密化し、イオンや酸素の透過が抑制されて、錆生成量が低減することになり、塗膜の膨れ、剥離等を顕著に防止できることになる。
また、適正量のNbの含有により、微細フェライト組織の生成と、炭化物(NbC)の微細分散が可能となる。そしてさらに、Nbの含有により、フェライト相と異相界面を形成し、耐食性に悪影響を及ぼすセメンタイト(Fe3C)の生成が遅延するとともに、セメンタイト(Fe3C)が微細化され、塗装鋼板の耐食性が顕著に向上するものと考えられる。セメンタイト(Fe3C)に代表される炭化物は腐食環境下ではカソードとして作用するため、炭化物を微細分散させることは、塗膜欠陥の低減、膨れ進展の抑止に繋がり、耐食性の向上という観点から好ましいといえる。
(1)海塩が飛来する大気環境下で、塗装されて使用される鋼材であって、質量%で、C:0.08〜0.18%、Si:0.75%以下、Mn:2.0%以下、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Al:0.01〜0.10%、N:0.010%以下を含み、さらにW:0.03〜0.50%、Nb:0.005〜0.050%、Ti:0.005%以上0.025%未満を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、引張強さ:420MPa以上を有し、シャルピー衝撃試験の試験温度:0℃における平均吸収エネルギーが27J以上である高靭性を有することを特徴とする塗装用鋼材。
(2)(1)において、前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.05〜0.50%、Ni:0.05〜0.50%のうちから選ばれた1種または2種を、Cu、Ni、W含有量との関係式である、(Cu+Ni+2W)が0.1〜1.0%を満足するように含有することを特徴とする塗装用鋼材。
(3)(1)または(2)において、前記組成に加えてさらに、質量%で、Mo:0.01〜0.50%、Sn:0.05〜0.50%、Cr:0.01〜2.00%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする塗装用鋼材。
(4)(1)ないし(3)のいずれかにおいて、前記組成が、次(1)式
Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 ‥‥(1)
(ここで、C、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V:各元素の含有量(質量%))
で定義される炭素当量Ceqが0.40以下である組成とすることを特徴とする塗装用鋼材。
(5)(1)ないし(4)のいずれかにおいて、前記組成が、次(2)式
PCM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B ‥‥(2)
(ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(質量%))
で定義されるPCMが0.30以下であることを特徴とする塗装用鋼材。
(6)(1)ないし(5)のいずれかにおいて、前記塗装を施されて使用する鋼材が、海洋構造物用であることを特徴とする塗装用鋼材。
(7)(6)において、前記海洋構造物が、洋上構造物であることを特徴とする塗装用鋼材。
(8)(7)において、前記洋上構造物が風力発電タワーであることを特徴とする塗装用鋼材。
(9)(1)ないし(5)のいずれかに記載の塗装用鋼材を用いてなることを特徴とする海洋構造物。
(10)(1)ないし(5)のいずれかに記載の塗装用鋼材を用いてなることを特徴とする洋上風力発電タワー。
まず、本発明鋼材の組成限定理由について説明する。なお、以下、とくに断わらない限り、質量%は単に%で記す。
C:0.08〜0.18%
Cは、固溶して鋼材の強度を増加させるとともに、炭化物形成元素と結合し炭化物を形成する元素である。セメンタイト等の炭化物は、海塩が飛来する腐食環境下ではカソードとなりやすく、金属組織の違いが局部電池の生成を促すことで塗装の膨れや剥離進展を促進すると考えられるため、耐食性の観点からはできるだけ低減するか、微細に分散させることが望ましい。本発明では、所望の強度(引張強さ:420MPa以上)を確保するために、0.08%以上、含有させる。一方、0.18%を超える含有は、鋼材を硬質化し、溶接性を劣化させる。このため、Cは0.08〜0.18%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.09〜0.12%である。
Siは、脱酸剤として作用するとともに、固溶して強度を増加させる元素であり、所望の強度を確保するために、本発明では0.20%以上含有させることが望ましい。Siは、加熱時の酸化に際し、地鉄とスケール界面にファイアライトを生成し、スケールと地鉄との密着性を増加させる作用を有するが、0.75%を超える多量の含有は、靭性を低下させるとともに、熱間圧延時に地鉄とスケールとの界面厚さが増大しすぎて、ローラ矯正、プレス矯正時に、スケールの割れ、剥離が顕著となり、製造性が低下する。このため、Siは0.75%以下の範囲に限定した。なお、Siの過剰な含有は、靭性、加工性の低下を招くため、0.60%以下とすることが好ましい。
Mnは、固溶して鋼材の強度を増加させるとともに、靭性を向上させる作用を有する元素である。また、MnはSと結合しMnSを形成し、有害なFeSの形成を抑制し、鋼材表面および鋼中でのSの悪影響を抑制する作用を有する。このような効果を得るためには、Mnは0.5%以上含有することが望ましい。一方、2.0%を超える含有は、溶接性を低下させ、機械加工性を低下させる。このため、Mnは2.0%以下の範囲に限定した。なお、好ましくは0.5〜1.6%である。
Pは、鋼材の強度を増加させる作用を有するが、粒界に偏析し、耐食性を低下させるとともに、母材靭性、溶接性および溶接部靭性を低下させる。また、Pは二次加工脆性の原因となり、鋼材の加工性を低下させる。このため、加工性向上の観点からはPはできるだけ低減することが望ましいが、過度の低減は精錬コストを高騰させる。このため、0.001%程度以上とすることが望ましい。また、このような母材靭性および溶接部靭性の低下は0.030%を超える含有で顕著となる。このため、Pは0.030%以下に限定した。
Sは、Mnを含有する組成では、可溶性非金属介在物であるMnSを形成する。MnSは、海塩が飛来する洋上大気環境下では溶解し、腐食の起点となり、耐食性を低下させる。また、Sは靭性および溶接性を低下させる有害な元素である。このため、Sはできるだけ低減することが望ましいが、0.030%以下であれば許容できる。なお、過度の低減は精錬コストが高騰するため、0.0005%以上とすることが望ましい。なお、好ましくは0.0030%以下である。
Alは、脱酸剤として作用するとともに、結晶粒を微細化する元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上含有させる。一方、0.10%を超える含有は、酸化物系介在物が増加し、鋼材の清浄度が低下し、耐食性や加工性の低下を招く。このため、Alは0.01〜0.10%に限定した。
Nは、固溶して鋼材の強度を増加させるが、多量の含有は、鋼材を硬質化させ、靭性、溶接性を低下させる。さらに、溶接性の低下という観点からはNは、できるだけ低減することが望ましいが、過度の低減は精錬コストを高騰させるため、0.001%程度以上とすることが好ましい。一方、0.010%を超えて多量に含有すると、鋼材が硬質化し、靭性が低下するとともに、溶接性が低下する。このため、Nは0.010%以下に限定した。なお、好ましくは0.005%以下である。
Wは、本発明では重要な元素であり、Wの含有により、地鉄と塗膜(塗装)との間に形成される腐食生成物(錆)の生成を著しく抑制し、塗膜の膨れ、剥離を低減することができる。すなわち塗膜下での鋼板の腐食に伴い、Wは錆中でWO4 2-を形成し、塩化物イオンの鋼板表面への侵入を抑制するバリアー効果を有するとともに、さらに、鋼板表面のアノード部などpHが下がった部位では難溶性化合物であるFeWO4を形成し、このFeWO4の存在により、塩化物イオンの鋼板表面への侵入を抑制し、アノード反応を抑制する効果を有する。このような機構により、Wは塗膜耐久性を向上させ、塗膜寿命の延長に寄与するものと考えられる。このような効果を得るためには、0.03%以上の含有を必要とする。一方、0.50%を超える含有は、鋼が硬質化し靭性が低下する。このようなことから、Wは0.03〜0.50%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.05〜0.20%である。
Nbは、本発明では重要な元素であり、Cと結合し微細なNbCとして析出する。これに伴い、微細なNb系炭化物が形成されて、組織および炭化物が微細分散化され、塗膜下での腐食促進要因(金属組織の違いの要因)となる粗大なセメンタイト等の炭化物の形成が抑制され、塗膜の寿命が延長されることになる。また、Nbの含有により、粗大炭化物の形成が抑制されるとともに、母相(フェライト相)の結晶粒径が微細化し、靭性が向上する。このような効果を得るためには0.005%以上の含有を必要とする。一方、0.050%を超える含有は、耐食性向上効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなり、経済的に不利となるとともに、鋼材の硬質化を招く。このため、Nbは0.005〜0.050%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.010〜0.020%である。
Tiは、鋼材の強度を増加させる元素であり、さらに生成する錆を緻密な構造の錆とし、塗膜下における鋼材の耐食性を向上させる作用を有する元素である。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が、0.025%以上含有すると、鋼中に粗大な窒化物(TiN)を形成し靭性が低下しやすくなる。このため、Tiは0.005%以上0.025%未満の範囲に限定した。なお、好ましくは0.010〜0.020%である。
Cu、Niは、いずれも、Wとともに複合含有させることにより、飛来海塩粒子が多くなる洋上大気環境下における耐食性、とくに塗膜の耐久性向上に顕著に寄与する。このような効果を得るためにはCu、Niとも0.05%以上含有することが望ましいが、Cu、Niともに0.50%を超える含有は、高価な合金元素の多量含有となり、材料コストの低減が期待できなくなる。このようなことから、含有する場合には、Cu:0.05〜0.50%、Ni:0.05〜0.50%の範囲に限定することが好ましい。
Mo、Sn、Crはいずれも、飛来海塩粒子が多くなる大気環境下における、特に塗膜の耐食性を向上させる元素であり、必要に応じて選択して1種または2種以上含有できる。Mo、Sn、Crは、いずれも、錆層の特性を改善し、アノード部の溶解を抑制して、耐局部腐食性を向上させる作用を有する。このような効果を得るためには、Mo:0.01%以上、Sn:0.05%以上、Cr:0.01%以上、それぞれを含有させることが望ましい。なお、CrはFeと一部置換し、セメンタイトに固溶し、(Fe,Cr)3Cを形成、セメンタイト(炭化物)を微細分散する働きがあり、塗膜下での腐食促進要因となるセメンタイト等の粗大な炭化物の形成が抑制される。このようなことから、Crの含有は塗膜寿命延長、塗膜の密着性向上効果があると考えている。
なお、炭素当量Ceqは、次(1)式
Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 ‥‥(1)
(ここで、C、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V:各元素の含有量(質量%))
で定義される式を用いて計算した値を、溶接割れ感受性指数PCMは、次(2)式
PCM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B ‥‥(2)
(ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(質量%))
で定義される式を用いて計算した値を、それぞれ用いるものとする。(1)式、(2)式に含まれる元素を含有しない場合には、当該元素の含有量を零として計算するものとする。
つぎに、本発明鋼板の好ましい組織について説明する。
本発明鋼材は、上記した組成を有しさらに、組織全体に対する面積率で、70%以上のフェライト相と、残部がフェライト相以外の第二相とからなる組織を有することがより好ましい。
本発明鋼材の組成範囲では、鋼材の組織は、フェライト単相、フェライト相とパーライト相との混合、ベイナイト相、マルテンサイト相、あるいはそれらの混合した組織等、種々の組織を呈する。本発明者らの検討によれば、洋上風力発電タワーにおけるような、海塩が飛来する腐食環境下では、耐食性が最も優れている組織はフェライト相であるという知見を得ている。このようなことから、本発明では、組織を、好ましくは組織全体に対する面積率で、70%以上の、フェライト相を主体とする組織とする。
また、本発明鋼材では、フェライト相の結晶粒度番号が7.0以上の微細な組織とすることがより好ましい。組織を微細化することにより、結果的に、結晶粒界を長くすることができ、結晶粒界に析出しやすい炭化物も微細に分散するようになる。結晶粒が微細なほど、炭化物の微細分散を図ることができる。なお、製造工程の負荷を考慮して、結晶粒度番号:6.0以上としても良い。なお、本発明では、結晶粒度番号は、JIS G 0551の規定に準拠して算出した値を用いるものとする。
上記した組成を有する鋼材の製造方法は、通常公知の方法がいずれも適用可能であり、とくに限定されない。
本発明鋼材が厚鋼板である場合には、上記した組成の溶鋼を、転炉等の通常公知の溶製方法で溶製し、連続鋳造法等の常用の方法でスラブ等の鋼素材としたのち、鋼素材を加熱し、厚板圧延(熱間圧延)を施し、冷却、あるいはさらに矯正等を施して所望の寸法形状の厚鋼板とすることが好ましい。なお、厚板圧延では、通常の圧延に加えて、制御圧延、制御冷却等を適用して所望の強度、靭性等の特性を付与することもできる。
なお、風力発電タワーは上記した製造工程で製造された厚鋼板を溶接し、例えば8.0m径の大径管を複数製造し、それらを溶接またはボルト接合で組み合わせて使用することになる。
表1に示す組成の溶鋼を転炉で溶製し、連続鋳造法で鋼素材(スラブ)とした。得られた鋼素材(スラブ)を1100〜1110℃に加熱し、820〜845℃にするまでの累積圧下率が80%で、かつ圧延終了温度:820〜845℃とする厚板圧延を施し、圧延終了後、強制冷却せずに放冷(板厚中心部で0.2〜0.4℃/sの冷却速度(空冷))した。さらに650〜660℃で10分間加熱し、強制冷却せずに放冷(板厚中心部で0.5℃/s以下の冷却速度(空冷))する焼戻処理を施し、厚鋼板(板厚50mm)を得た。
(1)引張試験
得られた厚鋼板の板厚1/4位置から、引張方向が圧延方向と直角方向となるように、JIS 5号引張試験片を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性(降伏強さYS、引張強さTS、伸びEl)を測定した。試験片数は3個とし、得られた値の算術平均を求め、各厚鋼板の特性とした。
得られた厚鋼板の板厚1/4位置から、試験片長さ方向が圧延方向と直角方向となるように、Vノッチ試験片を採取し、JIS Z 2242の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を実施し、試験温度:0℃と−40℃における吸収エネルギーvE0 (J)、vE−40 (J)を求めた。なお、各鋼板で各3本実施し、得られた吸収エネルギーの算術平均を求め、各鋼板の靭性を評価した。
得られた厚鋼板から所定の大きさの試験材を採取し、鋼板表面の酸化スケールを、ショットブラスト処理により除去したのち、塗装処理を施して、塗装試験材を得た。なお、ショットブラスト処理は、RZ=50μm Sa21/2になるように行った。また、塗装処理は、表3に示すISO12944規定のC5M系塗装とした。すなわち、C5M系塗装は、下塗り:無機ジンク塗料(塗料名:関西ペイント(株)製SDジンク1500A(商品名))、塗膜厚さ50μm、中塗り1:エポキシ樹脂塗料(塗料名:関西ペイント(株)製エポマリンHB(商品名))、塗膜厚さ125μm、中塗り2:エポキシ樹脂塗料(塗料名:関西ペイント(株)製エポマリンHB(商品名))、塗膜厚さ125μm、上塗り:ポリウレタン樹脂塗料(塗料名:関西ペイント(株)製ウレタン6000HB(商品名))、塗膜厚さ50μmの条件とした。なお、塗装はスプレー塗布処理で行った。
(3)大気暴露試験
大気暴露試験片の大きさは、150mm長さ×70mm幅とした。なお、試験前に、得られた大気暴露試験片(塗装試験片)の片中央部に、NT Cutter社製 M-500(塩ビカッター)、カッターの刃:BM-2P(カタログ値:0.8mm)を用いて、地鉄に達するまでの人工欠陥を長さ方向に120mm導入した。
(4)促進腐食試験
促進腐食試験片の大きさは、100mm長さ×70mm幅とした。
得られた結果を、表2に示す。
(実施例2)
表1に示す鋼No.4、No.21、No.24の組成を有する鋼素材を、表4に示す条件で熱間圧延(厚板圧延)を施し、表4に示す板厚の厚鋼板とした。一部の厚鋼板についてはさらに表4に示す条件で熱処理を施した。
組織観察は、つぎのとおりに行った。
採取した試験片について圧延方向断面(L断面)を研磨し、ナイタール液でエッチングして、光学顕微鏡(倍率:50〜400倍)を用いて、組織を観察し、撮像した。そして、画像解析装置を用いて組織の種類、分率(面積%)を測定した。
さらに、得られた厚鋼板に実施例1と同様に塗装処理を施し、実施例1と同様に促進腐食試験を実施して、塗膜の耐久性(塗装耐久性)を調査した。
得られた結果を表5に示す。
Claims (10)
- 海塩が飛来する大気環境下で、塗装されて使用される鋼材であって、質量%で、
C:0.08〜0.18%、 Si:0.75%以下、
Mn:2.0%以下、 P:0.030%以下、
S:0.030%以下、 Al:0.01〜0.10%、
N:0.010%以下
を含み、さらに
W:0.03〜0.50%、 Nb:0.005〜0.050%、
Ti:0.005%以上0.025%未満
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、引張強さ:420MPa以上を有し、シャルピー衝撃試験の試験温度:0℃における平均吸収エネルギーが27J以上である高靭性を有することを特徴とする塗装用鋼材。 - 前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.05〜0.50%、Ni:0.05〜0.50%のうちから選ばれた1種または2種を、Cu、Ni、W含有量との関係式である、(Cu+Ni+2W)が0.1〜1.0%を満足するように含有することを特徴とする請求項1に記載の塗装用鋼材。
- 前記組成に加えてさらに、質量%で、Mo:0.01〜0.50%、Sn:0.05〜0.50%、Cr:0.01〜2.00%のうちから選ばれた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に記載の塗装用鋼材。
- 前記組成が、下記(1)式で定義される炭素当量Ceqが0.40以下である組成とすることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の塗装用鋼材。
記
Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 ‥‥(1)
ここで、C、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V:各元素の含有量(質量%) - 前記組成が、下記(2)式で定義される溶接割れ感受性指数PCMが0.30以下である組成とすることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の塗装用鋼材。
記
PCM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B ‥‥(2)
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(質量%) - 前記塗装されて使用される鋼材が、海洋構造物用であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の塗装用鋼材。
- 前記海洋構造物が、洋上構造物であることを特徴とする請求項6に記載の塗装用鋼材。
- 前記洋上構造物が、風力発電タワーであることを特徴とする請求項7に記載の塗装用鋼材。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載の塗装用鋼材を用いてなることを特徴とする海洋構造物。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載の塗装用鋼材を用いてなることを特徴とする洋上風力発電タワー。
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