JP6556163B2 - 耐候性に優れた構造用鋼材 - Google Patents
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Description
本発明は、構造用鋼材に関する。特に、飛来塩分量が比較的少なく、腐食性がそれほど高くない環境下で耐候性が要求される部材として好適な構造用鋼材に関する。
従来、橋梁などの屋外で用いられる鋼構造物には耐候性鋼が用いられている。耐候性鋼は、大気腐食環境において、Ｃｕ、Ｐ、Ｃｒ、Ｎｉなどの合金元素が濃化した保護性の高いさび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。
耐候性鋼は１９３０年代にアメリカで開発され、建築物等の構造物に適用された。その後、日本にも導入され、耐候性鋼が製造され、橋梁等に適用された。このように耐候性鋼はアメリカで開発された後さまざまな国で大量に導入されてきた実績がある。また、ＢＲＩＣＳに代表される経済発展著しい国々では、現在インフラストラクチャーの整備が実施されており、特にその維持管理費の増大が問題視されている。例えば、耐候性鋼を使用した無塗装橋梁は、塗装橋梁に比較してメンテナンスコストを低く抑えることが可能であることから、そのような国々でも耐候性鋼の適用が望まれている。これらの経済発展著しい国々で使用されることを考慮すると、鋼材の低コスト化は必須と考えられる。たとえば、低コストな鋼材である要件として、合金コストが低いことが挙げられる。また、これらの国々は比較的広大な国土を有しており、海岸線からの距離が遠い地域、すなわち飛来塩分量が少ない環境が多いと考えられる。したがって、飛来塩分量が比較的少なく、腐食性がそれほど高くない環境で無塗装使用が可能な鋼材が望まれている。
これまで、鋼材の耐候性を向上させる手法としては、たとえば、特許文献１では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５ではＳｎを添加した耐食性に優れた鋼材が開示されている。
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。また、特許文献５のようにＳｎ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，さらに熱間脆性を助長するという問題点がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、低コストで耐候性に優れた構造用鋼材を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、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を含有し、さらに微量のＮｂ、Ｓｎを含有し、さらに、Ｎｂの固溶量を厳密に管理することにより、鋼材の耐候性が向上することを見出した。このように、優れた耐候性を示す詳細な理由は不明であるが、以下のように推定される。Ｃｕはさび粒子を微細化させることでさび層を緻密化させ、腐食促進因子である酸素や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だけでなく、地鉄表面近傍において濃化することで鋼材のアノード反応を抑制する。Ｎｂは地鉄表面近傍に濃化することで鋼材のアノード反応、カソード反応を抑制する。特に、耐候性を向上させるためには、Ｎｂは鋼中において固溶状態で存在することが重要である。また、ＳｎはＮｂと同様、地鉄表面近傍において濃化することで鋼材のアノード反応、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、Ｎｂ、Ｓｎの複合含有により耐食性が著しく向上すると推定される。
本発明の要旨は以下の通りである。
［１］質量％で、Ｃ：０．０１％以上０．２０％未満、Ｓｉ：０．０５％以上１．００％以下、Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下、Ｐ：０．００１％以上０．０５０％以下、Ｓ：０．０００１％以上０．０２００％以下、Ａｌ：０．００５％以上０．０５０％以下、Ｃｕ：０．０１０％以上０．５００％以下、Ｎｂ：０．００５％以上０．１００％以下、Ｓｎ：０．００５％以上０．３００％以下を含有し、さらに、固溶Ｎｂ量が０．００２％以上０．０８０％以下であり、残部が鉄および不可避的不純物からなる耐候性に優れた構造用鋼材。
［２］さらに、質量％で、Ｇｅ：０．０００５％以上０．０１００％以下を含有する［１］に記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
［３］さらに、質量％で、Ｔａ：０．００１％以上０．１００％以下を含有する［１］または［２］に記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
［４］さらに、質量％で、Ｎｉ：０．０１％以上０．５０％以下を含有する［１］〜［３］のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
［５］さらに、質量％で、Ｍｏ：０．００５％以上０．５００％以下、Ｃｏ：０．０１％以上０．５０％以下、Ｗ：０．００５％以上０．５００％以下、Ｓｂ：０．００５％以上０．２００％以下、Ｓｃ：０．００１％以上０．２００％以下、Ｓｒ：０．００１％以上０．２００％以下、Ｓｅ：０．００１％以上０．２００％以下から選ばれる一種以上を含有する［１］〜［４］のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
［６］さらに、質量％で、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％以下から選ばれる一種以上を含有する［１］〜［５］のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
［７］さらに、質量％で、ＲＥＭ：０．０００１％以上０．０１００％以下、Ｃａ：０．０００１％以上０．０１００％以下、Ｍｇ：０．０００１％以上０．０１００％以下から選ばれる一種以上を含有する［１］〜［６］のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
本発明において耐候性に優れたとは、後述の実施例における耐候性評価において、平均板厚減少量が２０．０μｍ以下であることを意味する。
本発明によれば、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、低コストで、かつ優れた耐候性を有する。
以下に、本発明を詳細に説明する。なお、以下の説明において、鋼成分組成の各元素の含有量の単位はいずれも「質量％」であり、特に断らない限り単に「％」で示す。
Ｃ：０．０１％以上０．２０％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０．０１％以上含有する必要がある。一方、０．２０％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０．０１％以上０．２０％未満とする。
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０．０１％以上含有する必要がある。一方、０．２０％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０．０１％以上０．２０％未満とする。
Ｓｉ：０．０５％以上１．００％以下
Ｓｉはさび層のさび粒を微細化させて緻密なさび層を形成し、鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。また、熱間圧延時の鋼材表面の割れを防止する効果を有する。これらの効果を得るためには、０．０５％以上含有する必要がある。含有量は、０．１０％以上が好ましく、０．１５％以上がより好ましい。一方、１．００％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１．００％以下とする。含有量は、好ましくは０．８０％以下、より好ましくは０．６０％以下である。
Ｓｉはさび層のさび粒を微細化させて緻密なさび層を形成し、鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。また、熱間圧延時の鋼材表面の割れを防止する効果を有する。これらの効果を得るためには、０．０５％以上含有する必要がある。含有量は、０．１０％以上が好ましく、０．１５％以上がより好ましい。一方、１．００％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１．００％以下とする。含有量は、好ましくは０．８０％以下、より好ましくは０．６０％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。含有量は、０．４０％以上が好ましい。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２．００％以下とする。好ましくは１．７０％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。含有量は、０．４０％以上が好ましい。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２．００％以下とする。好ましくは１．７０％以下である。
Ｐ：０．００１％以上０．０５０％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０．００１％以上含有する必要がある。含有量は、０．００３％以上が好ましく，０．００５％以上がより好ましい。一方、０．０５０％を超えて含有すると溶接性が劣化する。含有量は、好ましくは０．０３０％以下、より好ましくは０．０２０％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０．００１％以上含有する必要がある。含有量は、０．００３％以上が好ましく，０．００５％以上がより好ましい。一方、０．０５０％を超えて含有すると溶接性が劣化する。含有量は、好ましくは０．０３０％以下、より好ましくは０．０２０％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。含有量は、好ましくは０．０１００％以下、より好ましくは０．００５０％以下である。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。含有量は、好ましくは０．０００３％以上、より好ましくは０．０００５％以上である。
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。含有量は、好ましくは０．０１００％以下、より好ましくは０．００５０％以下である。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。含有量は、好ましくは０．０００３％以上、より好ましくは０．０００５％以上である。
Ａｌ：０．００５％以上０．０５０％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０．００５％以上含有する必要がある。好ましくは０．０１０％以上である。一方、０．０５０％を超えると溶接性に悪影響を及ぼす。含有量は、好ましくは０．０４０％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０．００５％以上含有する必要がある。好ましくは０．０１０％以上である。一方、０．０５０％を超えると溶接性に悪影響を及ぼす。含有量は、好ましくは０．０４０％以下である。
Ｃｕ：０．０１０％以上０．５００％以下
Ｃｕは本発明において重要な要件であり、ＮｂおよびＳｎと共存させることにより、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果を有する。Ｃｕはさび層―地鉄界面近傍に濃化することにより鋼材のアノード反応を抑制する。また、さび層のさび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、腐食促進因子である塩化物イオンの地鉄への透過を抑制する効果を有する。これらの効果は含有量が０．０１０％以上で得られる。含有量は、０．０２０％以上が好ましく、０．０３５％超がより好ましい。一方、０．５００％を超えるとＣｕ使用量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ｃｕ含有量は０．５００％以下とする。好ましくは０．３００％以下であり、より好ましくは０．２００％以下であり、更に好ましくは０．１５０％以下である。
Ｃｕは本発明において重要な要件であり、ＮｂおよびＳｎと共存させることにより、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果を有する。Ｃｕはさび層―地鉄界面近傍に濃化することにより鋼材のアノード反応を抑制する。また、さび層のさび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、腐食促進因子である塩化物イオンの地鉄への透過を抑制する効果を有する。これらの効果は含有量が０．０１０％以上で得られる。含有量は、０．０２０％以上が好ましく、０．０３５％超がより好ましい。一方、０．５００％を超えるとＣｕ使用量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ｃｕ含有量は０．５００％以下とする。好ましくは０．３００％以下であり、より好ましくは０．２００％以下であり、更に好ましくは０．１５０％以下である。
Ｎｂ：０．００５％以上０．１００％以下
Ｎｂは、本発明において重要な要件であり、ＣｕおよびＳｎと共存させることにより、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。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。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。含有量は、０．００８％以上が好ましく、０．０１０％以上がより好ましい。一方、０．１００％を超えると靭性の低下を招く。したがって、Ｎｂ含有量は０．１００％以下とする。好ましくは、０．０５０％以下であり、より好ましくは０．０３０％以下である。
Ｎｂは、本発明において重要な要件であり、ＣｕおよびＳｎと共存させることにより、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。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。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。含有量は、０．００８％以上が好ましく、０．０１０％以上がより好ましい。一方、０．１００％を超えると靭性の低下を招く。したがって、Ｎｂ含有量は０．１００％以下とする。好ましくは、０．０５０％以下であり、より好ましくは０．０３０％以下である。
固溶Ｎｂ量：０．００２％以上０．０８０％以下
Ｎｂの添加により耐候性を向上させるためには、含有量を上記の範囲としたうえで、さらにＮｂの鋼中における固溶量を適正な範囲とすることが重要である。鋼中のＮｂが上記の耐候性向上効果を発揮するためには、鋼材の腐食に伴ってＮｂが酸素酸あるいは酸化物の形態でさび層中に溶出することが必要である。一方、Ｎｂ炭窒化物は、一般に難溶性物質として知られており、上記の形態でさび層中に溶出することは困難である。したがって、Ｎｂが炭窒化物を形成すると、その周辺での固溶Ｎｂ量が減少することで、耐候性の向上効果は減少する。固溶Ｎｂ量が０．００２％未満では、耐候性の向上効果は十分得られない。したがって、固溶Ｎｂ量は、０．００２％以上とする。固溶Ｎｂ量は、０．００５％以上が好ましく、０．００８％がより好ましい。一方、固溶Ｎｂ量が０．０８０％を超えると製造コストが増大する。したがって、固溶Ｎｂ量は０．０８０％以下とする。好ましくは０．０４０％以下であり、より好ましくは０．０２５％以下である。
Ｎｂの添加により耐候性を向上させるためには、含有量を上記の範囲としたうえで、さらにＮｂの鋼中における固溶量を適正な範囲とすることが重要である。鋼中のＮｂが上記の耐候性向上効果を発揮するためには、鋼材の腐食に伴ってＮｂが酸素酸あるいは酸化物の形態でさび層中に溶出することが必要である。一方、Ｎｂ炭窒化物は、一般に難溶性物質として知られており、上記の形態でさび層中に溶出することは困難である。したがって、Ｎｂが炭窒化物を形成すると、その周辺での固溶Ｎｂ量が減少することで、耐候性の向上効果は減少する。固溶Ｎｂ量が０．００２％未満では、耐候性の向上効果は十分得られない。したがって、固溶Ｎｂ量は、０．００２％以上とする。固溶Ｎｂ量は、０．００５％以上が好ましく、０．００８％がより好ましい。一方、固溶Ｎｂ量が０．０８０％を超えると製造コストが増大する。したがって、固溶Ｎｂ量は０．０８０％以下とする。好ましくは０．０４０％以下であり、より好ましくは０．０２５％以下である。
Ｓｎ：０．００５％以上０．３００％以下
Ｓｎは、本発明において重要な要件であり、ＣｕおよびＮｂと共存させることにより、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Ｓｎは、さび層と地鉄の界面近傍に濃化し、鋼材のアノード反応、カソード反応を抑制する。また、さび層のさび粒を微細化することで腐食促進因子である塩化物イオンの透過を抑制する。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。含有量は、０．０１０％以上が好ましく、０．０２０％以上がより好ましい。一方、０．３００％を超えると鋼の延性や靭性の劣化を招く。また、Ｓｎ消費量の増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ｓｎ含有量は０．３００％以下とする。好ましくは０．１００％以下であり、より好ましくは０．０４５％以下であり、更に好ましくは０．０３５％以下である。
Ｓｎは、本発明において重要な要件であり、ＣｕおよびＮｂと共存させることにより、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Ｓｎは、さび層と地鉄の界面近傍に濃化し、鋼材のアノード反応、カソード反応を抑制する。また、さび層のさび粒を微細化することで腐食促進因子である塩化物イオンの透過を抑制する。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。含有量は、０．０１０％以上が好ましく、０．０２０％以上がより好ましい。一方、０．３００％を超えると鋼の延性や靭性の劣化を招く。また、Ｓｎ消費量の増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ｓｎ含有量は０．３００％以下とする。好ましくは０．１００％以下であり、より好ましくは０．０４５％以下であり、更に好ましくは０．０３５％以下である。
残部はＦｅおよび不可避的不純物である。ここで不可避的不純物として、例えばＮ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０１０％以下が許容できる。
以上の必須元素で、本発明鋼材は目的とする特性が得られる。なお、上記の必須元素に加えて、本発明では必要に応じて以下の元素を含有できる。
Ｇｅ：０．０００５％以上０．０１００％以下
ＧｅはＣｕ、Ｎｂ、Ｓｎと共存させることにより鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Ｇｅは、アノード部においてさび層と地鉄の界面近傍に濃化し、アノード反応およびカソード反応を抑制する。これらの効果を十分に得るためには、０．０００５％以上含有する。含有量は、０．００１０％以上が好ましい。一方、０．０１００％を超えると鋼の靭性劣化を招くおそれがある。したがって、Ｇｅ含有量は０．０１００％以下とする。含有量は好ましくは０．００５０％以下である。
ＧｅはＣｕ、Ｎｂ、Ｓｎと共存させることにより鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Ｇｅは、アノード部においてさび層と地鉄の界面近傍に濃化し、アノード反応およびカソード反応を抑制する。これらの効果を十分に得るためには、０．０００５％以上含有する。含有量は、０．００１０％以上が好ましい。一方、０．０１００％を超えると鋼の靭性劣化を招くおそれがある。したがって、Ｇｅ含有量は０．０１００％以下とする。含有量は好ましくは０．００５０％以下である。
Ｔａ：０．００１％以上０．１００％以下
ＴａはＣｕ、ＮｂおよびＳｎ、（場合により、更にＧｅ）と共存させることにより鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Ｔａは、アノード部においてさび層と地鉄の界面近傍に濃化し、アノード反応およびカソ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。含有量は、０．００２％以上が好ましい。一方、０．１００％を超えると鋼の靭性の劣化を招くおそれがある。したがって、Ｔａ含有量は０．１００％以下とする。好ましくは０．０５０％以下であり、より好ましくは０．０１４％以下である。
ＴａはＣｕ、ＮｂおよびＳｎ、（場合により、更にＧｅ）と共存させることにより鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Ｔａは、アノード部においてさび層と地鉄の界面近傍に濃化し、アノード反応およびカソ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。含有量は、０．００２％以上が好ましい。一方、０．１００％を超えると鋼の靭性の劣化を招くおそれがある。したがって、Ｔａ含有量は０．１００％以下とする。好ましくは０．０５０％以下であり、より好ましくは０．０１４％以下である。
Ｎｉ：０．０１％以上０．５０％以下
ＮｉはＣｕ、Ｎｂ、Ｓｎ、（場合により、更にＧｅ、Ｔａ）と共存させることにより鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。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０．０１％以上含有する。含有量は、０．０２％以上が好ましく、０．０３％以上がより好ましい。一方、０．５０％を超えて含有すると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０．５０％以下とする。好ましくは０．１０％未満であり、より好ましくは０．０８％以下である。
ＮｉはＣｕ、Ｎｂ、Ｓｎ、（場合により、更にＧｅ、Ｔａ）と共存させることにより鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。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０．０１％以上含有する。含有量は、０．０２％以上が好ましく、０．０３％以上がより好ましい。一方、０．５０％を超えて含有すると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０．５０％以下とする。好ましくは０．１０％未満であり、より好ましくは０．０８％以下である。
本発明では、以下の理由で、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｗ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｓｅから選ばれる１種以上を含有することができる。
Ｍｏ：０．００５％以上０．５００％以下
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。含有量は、０．０１０％以上が好ましく、０．０２０％以上がより好ましい。一方、０．５００％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０．５００％以下とする。好ましくは０．１００％以下であり、より好ましくは０．０８０％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。含有量は、０．０１０％以上が好ましく、０．０２０％以上がより好ましい。一方、０．５００％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０．５００％以下とする。好ましくは０．１００％以下であり、より好ましくは０．０８０％以下である。
Ｃｏ：０．０１％以上０．５０％以下
Ｃｏはさび層に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、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。一方、０．５０％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０．５０％以下とする。
Ｃｏはさび層に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、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。一方、０．５０％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０．５０％以下とする。
Ｗ：０．００５％以上０．５００％以下
Ｗは鋼材のアノード反応に伴ってＷＯ４ ２−として溶出し、さび層中に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。これらの耐食性向上効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する。含有量は、０．０５０％以上が好ましい。一方、０．５００％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、含有する場合、Ｗ含有量は０．５００％以下とする。好ましくは０．２００％以下である。
Ｗは鋼材のアノード反応に伴ってＷＯ４ ２−として溶出し、さび層中に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。これらの耐食性向上効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する。含有量は、０．０５０％以上が好ましい。一方、０．５００％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、含有する場合、Ｗ含有量は０．５００％以下とする。好ましくは０．２００％以下である。
Ｓｂ：０．００５％以上０．２００％以下
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。含有量は、０．０１０％以上が好ましい。一方、Ｓｂを過剰に含有すると靭性の劣化を招くおそれがある。したがって、Ｓｂを含有する場合、含有量は０．２００％以下とする。好ましくは０．０８０％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。含有量は、０．０１０％以上が好ましい。一方、Ｓｂを過剰に含有すると靭性の劣化を招くおそれがある。したがって、Ｓｂを含有する場合、含有量は０．２００％以下とする。好ましくは０．０８０％以下である。
Ｓｃ：０．００１％以上０．２００％以下
Ｓｃはさび層に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、腐食促進因子のさび層透過を抑制することにより鋼の耐食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、０．００１％以上含有する。含有量は、０．００５％以上が好ましい。一方、Ｓｃを過剰に含有すると靭性の劣化を招くおそれがある。したがって、Ｓｃを含有する場合、含有量は０．２００％以下とする。好ましくは０．１００％以下である。
Ｓｃはさび層に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、腐食促進因子のさび層透過を抑制することにより鋼の耐食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、０．００１％以上含有する。含有量は、０．００５％以上が好ましい。一方、Ｓｃを過剰に含有すると靭性の劣化を招くおそれがある。したがって、Ｓｃを含有する場合、含有量は０．２００％以下とする。好ましくは０．１００％以下である。
Ｓｒ：０．００１％以上０．２００％以下
Ｓｒは鋼材のアノード反応に伴って溶出し、地鉄界面近傍においてｐＨの緩衝作用を発揮することで鋼材のアノード反応速度を低下させる元素である。このような効果を充分に得るためには、０．００１％以上含有する。含有量は、０．００５％以上が好ましい。一方、Ｓｒを過剰に含有すると靭性の劣化を招くおそれがある。したがって、Ｓｒを含有する場合、含有量は０．２００％以下とする。好ましくは０．１００％以下である。
Ｓｒは鋼材のアノード反応に伴って溶出し、地鉄界面近傍においてｐＨの緩衝作用を発揮することで鋼材のアノード反応速度を低下させる元素である。このような効果を充分に得るためには、０．００１％以上含有する。含有量は、０．００５％以上が好ましい。一方、Ｓｒを過剰に含有すると靭性の劣化を招くおそれがある。したがって、Ｓｒを含有する場合、含有量は０．２００％以下とする。好ましくは０．１００％以下である。
Ｓｅ：０．００１％以上０．２００％以下
Ｓｅは鋼材のアノード反応に伴って酸素酸として溶出し、さび層中に分布することで、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。このような効果を充分に得るためには、０．００１％以上含有する。含有量は、０．００５％以上が好ましい。一方、Ｓｅを過剰に含有すると靭性の劣化を招くおそれがある。したがって、Ｓｅを含有する場合、含有量は０．２００％以下とする。好ましくは０．１００％以下である。
Ｓｅは鋼材のアノード反応に伴って酸素酸として溶出し、さび層中に分布することで、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。このような効果を充分に得るためには、０．００１％以上含有する。含有量は、０．００５％以上が好ましい。一方、Ｓｅを過剰に含有すると靭性の劣化を招くおそれがある。したがって、Ｓｅを含有する場合、含有量は０．２００％以下とする。好ましくは０．１００％以下である。
本発明では、以下の理由で、Ｖ、Ｚｒ、Ｂから選ばれる１種以上を含むことができる。
Ｖ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｖは、強度を高めるために有用な元素である。この効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する。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０．２００％以下とする。
Ｖは、強度を高めるために有用な元素である。この効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する。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０．２００％以下とする。
Ｚｒ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｚｒは、強度を高めるために有用な元素である。この効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する。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０．２００％以下とする。
Ｚｒは、強度を高めるために有用な元素である。この効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する。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０．２００％以下とする。
Ｂ：０．０００１％以上０．００５０％以下
Ｂは、強度を高めるために有用な元素である。この効果を充分に得るためには、０．０００１％以上含有する。一方、０．００５０％を超えると靭性の劣化を招くおそれがある。したがって、含有する場合、Ｂ含有量は０．００５０％以下とする。
Ｂは、強度を高めるために有用な元素である。この効果を充分に得るためには、０．０００１％以上含有する。一方、０．００５０％を超えると靭性の劣化を招くおそれがある。したがって、含有する場合、Ｂ含有量は０．００５０％以下とする。
本発明では、以下の理由で、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｍｇから選ばれる１種以上を含有することができる。
ＲＥＭ：０．０００１％以上０．０１００％以下
ＲＥＭはさび層に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、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。一方、０．０１００％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０．０１００％以下とする。
ＲＥＭはさび層に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、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。一方、０．０１００％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０．０１００％以下とする。
Ｃａ：０．０００１％以上０．０１００％以下
Ｃａ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。この効果を十分に得るためには０．０００１％以上含有する。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おそれがある。したがって、含有する場合、Ｃａ含有量は０．０１００％以下とする。
Ｃａ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。この効果を十分に得るためには０．０００１％以上含有する。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おそれがある。したがって、含有する場合、Ｃａ含有量は０．０１００％以下とする。
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る。この効果を充分に得るためには、０．０００１％以上含有する。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おそれがある。したがって、含有する場合、Ｍｇ含有量は０．０１００％以下とする。
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。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おそれがある。したがって、含有する場合、Ｍｇ含有量は０．０１００％以下とする。
本発明の構造用鋼材は、構造物に適用できる。該構造物として、例えば、橋梁、鉄塔、照明用ポール、建設・鉱山・農業・産業用機械、タンク、高架水槽、車両、コンテナ等がある。
本発明の耐候性に優れた構造用鋼材は、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、得られる。以下、本発明鋼材の好ましい製造方法について説明する。以下の説明において、温度はスラブや鋼板の表面温度である。
スラブの加熱温度は、Ｎｂの鋼中固溶量と相関を有する。スラブ加熱温度を１０００℃以上とすることにより、Ｎｂの鋼中固溶量を必要量確保することができ、その結果耐食性を向上させることができる。しかし、１２００℃を超えてスラブを加熱すると、過度のスケール生成による歩留りの低下およびエネルギー消費量の増大を招くおそれがある。従って、スラブ加熱温度は１０００℃以上１２００℃以下とする。好ましくは、１０５０℃以上１１５０℃未満である。
加熱されたスラブは、ついで、７００℃以上の温度で終了する熱間圧延を施して、所望の寸法形状の鋼板とする。圧延仕上げ温度が７００℃未満では、歪み誘起析出によりＮｂ炭窒化物の析出量が増大し、鋼中のＮｂ固溶量が低下するおそれがある。従って、圧延仕上げ温度は７００℃以上とする。好ましくは８００℃以上であり、より好ましくは９００℃以上である。
熱間圧延を終了した後の冷却条件は、要求される材質に応じて適宜決定すればよく、空冷あるいは加速冷却を実施すればよい。また、再加熱熱処理を行う場合は、再加熱温度を８５０℃〜９５０℃以上とし、在炉時間を５分以上１２０分以下とすることが好ましい。再加熱後の焼入れの冷却速度は特に限定されない。また、焼戻し処理を行う場合は、焼戻し温度は４５０℃〜６８０℃とすることが好ましい。
各元素の含有量は、スパーク放電発光分光分析法、蛍光Ｘ線分析法、ＩＣＰ発光分光分析法およびＩＣＰ質量分析法、燃焼法等により求めることができる。特に、Ｇｅ、Ｓｃ、Ｓｒの含有量は、ＩＣＰ質量分析法により測定することが望ましい。
固溶Ｎｂ量は、鋼中のＮｂ含有量（全Ｎｂ量）と析出Ｎｂ量の差を取り、評価した。析出Ｎｂ量は、１０ｖｏｌ％アセチルアセトン−１ｍａｓｓ％テトラメチルアンモニウムクロライド−メタノール溶液中で試料を定電流分解し、抽出残さをアルカリ融解、酸分解後、溶液中のＮｂをＩＣＰ発光分光分析法で定量した。
以下に実施例を示す。本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されない。以下の実施例において、表１−１及び表１−２を表１とし、表２−１及び表２−２を表２とする。
表１に示す化学組成の鋼を溶製し、スラブを１０００℃以上１２００℃以下に加熱し、圧延仕上げ温度８００〜９５０℃の熱間圧延を行い、室温まで空冷して厚さ１２ｍｍの鋼板を試作した。
なお、鋼Ｎｏ．８３については、スラブを９５０℃に加熱し、圧延仕上げ温度６８０℃の熱間圧延を行い、室温まで空冷して、厚さ１２ｍｍの鋼板を試作した。
次いで、得られた鋼板から３５ｍｍ×３５ｍｍ×５ｍｍ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、乾湿繰り返し腐食試験を行い、耐候性を評価した。
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１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３時間として、その後１時間移行時間をとり、合計６時間で１サイクルとした。また、試験片表面に付着する塩分量が０．３ｍｄｄ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。以上の条件にて２２４サイクルの試験を行った。
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１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３時間として、その後１時間移行時間をとり、合計６時間で１サイクルとした。また、試験片表面に付着する塩分量が０．３ｍｄｄ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。以上の条件にて２２４サイクルの試験を行った。
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（μｍ）を求めた。この平均板厚減少量が２０．０μｍ以下であれば、耐侯性が優れていると評価した。
表２に腐食量（平均板厚減少量）を示す。
表２に示すように、本発明鋼は、平均板厚減少量が２０．０μｍ以下であり優れた耐候性を有することがわかる。一方、比較鋼は平均板厚減少量が２０．０μｍを超えており、本発明鋼に比べ耐候性が劣っている。
Claims (4)
- 質量％で、
Ｃ：０．０１％以上０．２０％未満、
Ｓｉ：０．０５％以上１．００％以下、
Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下、
Ｐ：０．００１％以上０．０５０％以下、
Ｓ：０．０００１％以上０．０２００％以下、
Ａｌ：０．００５％以上０．０５０％以下、
Ｃｕ：０．０１０％以上０．５００％以下、
Ｎｂ：０．００５％以上０．１００％以下、
Ｓｎ：０．００５％以上０．３００％以下を含有し、
さらに、固溶Ｎｂ量が０．００２％以上０．０８０％以下であり、
残部が鉄および不可避的不純物からなる耐候性に優れた構造用鋼材。 - さらに、質量％で、
Ｇｅ：０．０００５％以上０．０１００％以下を含有する請求項１に記載の耐候性に優れた構造用鋼材。 - さらに、質量％で、
Ｔａ：０．００１％以上０．１００％以下を含有する請求項１または２に記載の耐候性に優れた構造用鋼材。 - 質量％で、
Ｃ：０．０１％以上０．２０％未満、
Ｓｉ：０．０５％以上１．００％以下、
Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下、
Ｐ：０．００１％以上０．０５０％以下、
Ｓ：０．０００１％以上０．０２００％以下、
Ａｌ：０．００５％以上０．０５０％以下、
Ｃｕ：０．０１０％以上０．０９５％以下、
Ｎｂ：０．００７％以上０．１００％以下、
Ｓｎ：０．００５％以上０．０９３％以下を含有し、
さらに、固溶Ｎｂ量が０．００２％以上０．０８０％以下であり、
上記組成に加えてさらに、下記Ａ〜Ｄ群から選ばれる少なくともいずれか１群以上を含有し、
さらに、質量％で、Ｇｅ：０．０００５％以上０．０１００％以下、Ｔａ：０．００１％以上０．１００％以下のいずれか１種以上を含有し、
残部が鉄および不可避的不純物からなる耐候性に優れた構造用鋼材。
Ａ群：質量％で、Ｎｉ：０．０１％以上０．５０％以下
Ｂ群：質量％で、
Ｍｏ：０．００５％以上０．５００％以下、
Ｃｏ：０．０１％以上０．５０％以下、
Ｗ：０．００５％以上０．５００％以下、
Ｓｂ：０．００５％以上０．２００％以下、
Ｓｃ：０．００１％以上０．２００％以下、
Ｓｒ：０．００１％以上０．２００％以下、
Ｓｅ：０．００１％以上０．２００％以下
から選ばれる一種以上
Ｃ群：質量％で、
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
から選ばれる一種以上
Ｄ群：質量％で、
ＲＥＭ：０．０００１％以上０．０１００％以下、
Ｃａ：０．０００１％以上０．０１００％以下、
Ｍｇ：０．０００１％以上０．０１００％以下
から選ばれる一種以上
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