JP6633359B2 - 擬合金被覆部材、擬合金被覆用アルミニウム合金及び擬合金被覆用アルミニウム合金線 - Google Patents

Description

本発明は、表面に金属溶射によって形成された擬合金被覆層を有する鉄製または鋼製の擬合金被覆部材、及びその製作に用いるアルミニウム合金とその線材に関する。

表面に金属溶射によって形成された擬合金被覆層（以下、単に「被覆層」とも記す。）を有する鉄製または鋼製の擬合金被覆部材は、幅広く使用されており、特に耐食性が要求される用途、例えば地中に埋設される外面溶射管等によく適用される。このような擬合金被覆部材としては、亜鉛とアルミニウムをそれぞれ単独で同時に溶射して亜鉛層とアルミニウム層を混成した擬合金の被覆層を有し、その犠牲陽極作用によって基材を保護するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

上記の亜鉛とアルミニウムの擬合金被覆層を有する擬合金被覆部材は、亜鉛単独の擬合金被覆層を有するものや、亜鉛とアルミニウムの合金を溶射して形成した被覆層を有するものよりも良好な耐食性を示すが、近年では、特に埋設用途の外面溶射管等において、さらなる耐食性の向上による長寿命化が求められるようになってきている。

そこで、本出願人は、表面の擬合金被覆層の擬合金を形成するアルミニウムにケイ素を適量添加することによって、従来の擬合金被覆層を有するものよりも優れた耐食性を発揮できるようにした擬合金被覆部材（外面溶射管）を提案した（特許文献２参照。）。

特開平１０−２６４３０１号公報 特開２０１２−１４９３３６号公報

しかし、上記特許文献２で提案した擬合金被覆部材でも、今後も高まっていくと考えられる耐食性向上の要求に十分に対応できるとまでは言えない。

そこで、本発明は、表面に亜鉛とアルミニウムを主成分とする擬合金（以下、「Ｚｎ−Ａｌ系擬合金」と称する。）の被覆層を有する鉄製または鋼製の擬合金被覆部材の耐食性を一層向上させることを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明者らはＺｎ−Ａｌ系の擬合金被覆層について研究を重ねた結果、その擬合金を形成するアルミニウムに、ケイ素に加えてマンガンと銅の少なくとも一方を適量添加すると、擬合金被覆層の犠牲陽極作用は抑えられるが、擬合金被覆部材の耐食性は向上することを見出した。

ここで、ケイ素に加えてマンガンと銅の少なくとも一方をアルミニウムに添加する理由は、アルミニウムの孔食電位を貴側にシフトさせるためである。アルミニウムの孔食電位を貴側にシフトさせることにより、アルミニウム自体の自己腐食が抑制されるので、犠牲陽極作用が小さくなっても、結果として擬合金被覆部材の耐食性を向上させることができると考えられる。

そして、上記の知見に基づき、本願の第１の発明は、鉄製または鋼製の基材の表面に金属溶射による擬合金被覆層が形成された擬合金被覆部材において、前記擬合金被覆層を、亜鉛層と、マンガンと銅の少なくとも一方とケイ素を添加して含有し、残部がアルミニウム及び不純物からなるアルミニウム合金層とを混成した擬合金層としたのである。この構成によれば、従来のケイ素を含有するアルミニウム合金を用いてＺｎ−Ａｌ系の擬合金被覆層を形成した擬合金被覆部材に比べて、擬合金被覆層の犠牲陽極作用以外のアルミニウムの自己腐食が進みにくく、優れた耐食性を得ることができる。

また、本願の第２の発明は、鉄製または鋼製の基材の表面に亜鉛層とアルミニウム合金層からなる擬合金被覆層を形成する際に用いる擬合金被覆用アルミニウム合金において、マンガンと銅の少なくとも一方とケイ素を添加して含有し、残部がアルミニウム及び不純物からなる構成を採用したものであり、本願の第３の発明は、鉄製または鋼製の基材の表面に亜鉛層とアルミニウム合金層からなる擬合金被覆層を形成する金属溶射に用いる擬合金被覆用アルミニウム合金線において、マンガンと銅の少なくとも一方とケイ素を添加して含有し、残部がアルミニウム及び不純物からなる構成を採用したものである。この擬合金被覆用アルミニウム合金あるいは擬合金被覆用アルミニウム合金線は、本願の第１の発明の擬合金被覆部材を製作する際に用いることができる。

ここで、アルミニウム合金層におけるケイ素の含有量は１．０〜１５ｍａｓｓ％とすることが好ましい。ケイ素の含有量が１．０ｍａｓｓ％未満では耐食性向上の効果が小さく、１５ｍａｓｓ％を超えると合金線の加工が困難になる。また、マンガンの含有量は０．５〜１．５ｍａｓｓ％とすることが好ましい。マンガンの含有量が０．５ｍａｓｓ％未満では耐食性向上の効果が小さく、１．５ｍａｓｓ％を超えると靱性や伸びを低下させるからである。一方、銅の含有量は０．５〜６．０ｍａｓｓ％とするとよい。銅は、耐食性向上のためには０．５ｍａｓｓ％以上添加することが好ましいが、６．０ｍａｓｓ％を超えて添加すると耐食性を逆に低下させるようになるからである。また、マンガンと銅を上記の含有量範囲で同時に添加しても耐食性の向上が期待できる。

なお、アルミニウム合金の添加元素は、上述した本発明の技術的思想によれば、アルミニウムの孔食電位を貴側にシフトさせる元素であればよく、ケイ素、マンガン、銅に限定されるものではない。

また、マグネシウムは孔食電位にはほとんど影響を与えないが、不働態保持電流を増加させる効果があるので、アルミニウムの犠牲陽極作用を調節する必要がある場合に適宜添加するとよい。このとき、マグネシウムの含有量は０．０４〜３．０mass％とすることが好ましい。マグネシウムの含有量が０．０４mass％未満では耐食性向上の効果が小さく、３．０ｍａｓｓ％を超えると耐食性を逆に低下させるようになるからである。マグネシウムを添加する際は、マンガンや銅の添加は必ずしも必要ではない。

また、後述する本発明の実施形態においてはアルミニウム合金を線材に加工した上で基材表面への溶射被覆を行っているが、本発明のアルミニウム合金の形状は線状に限ったものではなく、擬合金被覆が形成できるのであればどのような形態であってもよい。例えば粉末として吹き付けて使用することで、擬合金皮膜を形成することも考えられる。

上述したように、本発明は、擬合金被覆部材の表面の擬合金被覆層を、亜鉛層と、マンガンと銅の少なくとも一方とケイ素を含有するアルミニウム合金層とを混成した擬合金層とすることにより、擬合金被覆層のアルミニウムの自己腐食が進みにくくなるようにしたので、従来のＺｎ−Ａｌ系の擬合金被覆層を有するものよりも擬合金被覆部材の耐食性を向上させ、耐食寿命を延長することができる。

本発明の実施形態の擬合金被覆部材は、鉄製または鋼製の基材の表面に、金属溶射によって、亜鉛層と、１０７０合金（不純物としての鉄０．２５ｍａｓｓ％以下、マグネシウム０．０３ｍａｓｓ％以下、亜鉛０．０４ｍａｓｓ％以下を含むアルミニウム合金）に５ｍａｓｓ％のケイ素を添加し、さらに０．８ｍａｓｓ％のマンガンまたは０．７ｍａｓｓ％の銅を添加したアルミニウム合金層とが混じり合った擬合金被覆層を形成したものである。また、本発明の実施形態のアルミニウム合金は上記アルミニウム合金層と同じ成分のアルミニウム合金であり、本発明の実施形態のアルミニウム合金線は上記アルミニウム合金を伸線加工したものである。このうち、アルミニウム合金層にマンガンを含有するものを実施例１、アルミニウム合金層に銅を含有するものを実施例２と称する。

本発明の実施形態において、アルミニウム合金線はいずれも以下のような方法で作製した。その手順は、まず、上記アルミニウム合金を鋳造し、１００ｍｍφの円柱モールドを作製する。そして、その円柱モールドを炉内において５００℃で１時間保持した後、押出し加工にて４．６ｍｍφに形成し、伸線加工（伸線−焼鈍−伸線）にて２．０ｍｍφのアルミニウム合金線とした。

上記実施形態（実施例１、２）の擬合金被覆部材の耐食性を確認するために、以下に述べる第１および第２の耐食試験を行った。

まず、第１の耐食試験では、実施例１、２の試験片として、サンドブラスト処理を施した１５０ｍｍ×７０ｍｍ×２．０ｍｍの軟鋼板の表面に、亜鉛の線材と、ケイ素に加えてマンガンまたは銅を添加したアルミニウム合金の線材とを体積比１：１でアーク溶射して、２６０ｇ／ｍ^２の擬合金被覆層を形成したものを作製した。

また、比較例１として、擬合金被覆層を亜鉛とケイ素のみを添加したアルミニウム合金とで形成した試験片を作製した。その作製方法は、実施例１、２の場合と溶射用の金属線材の材質が異なるだけで、同じ溶射方法でほぼ同量の擬合金被覆層が形成されるようにした。

なお、各試験片の作製において溶射線として用いた各線材は直径２ｍｍのものであり、そのうちのアルミニウム合金の線材の主な添加元素の含有量は表１に示すとおりである。また、表１では、後述する第２の耐食試験で用いた比較例２の試験片の数値も合わせて示している。

そして、各試験片に対して、ＪＩＳ Ｋ５６００−７−９の附属書Ｃに規定されるサイクル腐食試験（サイクルＡ：塩水噴霧２ｈｒ→乾燥４ｈｒ→湿潤２ｈｒのサイクルを繰り返す）を行い、３０日後に擬合金被覆層から腐食生成物を除去して重量減少量を測定した。なお、腐食生成物の除去には、二クロム酸アンモニウムとアンモニアとの混合溶液を用いた。各試験片の重量減少量の測定結果を表２に示す。

表２からわかるように、実施例１、２の重量減少量すなわち擬合金被覆層の腐食量は、いずれも比較例１の半分程度以下となっている。これにより、実施例１、２は比較例１に比べて擬合金被覆層の犠牲陽極作用が抑えられるとしても、それ以上にアルミニウムの自己腐食が進みにくくなる効果が大きく、優れた耐食性を有していることが確認された。

次に、第２の耐食試験では、呼び径１００ｍｍの鋳鉄管の外面に溶射・封孔処理・合成樹脂塗装を施して、９０ｍｍ×１５０ｍｍの大きさに切り出した試験片を作製した。その試験片としては、第１の耐食試験と同じ実施例１、２および比較例１のものに加えて、比較例１の擬合金被覆層を形成するアルミニウム合金中のケイ素含有量を１２ｍａｓｓ％に増量したものを作製し、これを比較例２とした（表１参照）。

ここで、各試験片に対する溶射方法は第１の耐食試験と同じであり、各試験片の外面に２７０〜２８４ｇ／ｍ^２の擬合金被覆層を形成した。また、封孔処理では、コロイダルシリカを含有する水系アクリル樹脂封孔処理剤（商品名：クリモトコートＴＳブロック）を用いて、１００ｇ／ｍ^２の封孔処理層を形成している。そして、合成樹脂塗装では、１次塗装として水系アクリル樹脂塗料（商品名：クリモトコートＷＲグレー）を、２次塗装として溶剤系アクリル樹脂塗料（商品名：クリモトコートＡＣ−１−ＳＲグレー）をそれぞれ塗布し、２コートの塗膜（１次：約６０μｍ、２次：約２０μｍ）を形成している。

そして、各試験片の中央部に幅０．３ｍｍ、長さ５０ｍｍで鉄素地に達する深さのクロスカットを入れた後、各試験片に対して第１の耐食試験と同じサイクル腐食試験を行い、１２０日後に試験片端部から１０ｍｍの範囲を除く塗装面を観察した。その結果、いずれの試験片も鉄素地からの赤錆の発生や塗膜の膨れ・剥がれはなかったが、白錆の発生量については比較例１＞比較例２＞実施例１＞実施例２となっており、この第２の耐食試験でも、実施例１、２が比較例１、２よりも擬合金被覆層のアルミニウムの自己腐食が進みにくく、耐食性に優れていることが確認された。

Claims (2)

1. 鉄製または鋼製の基材の表面に、亜鉛とアルミニウム合金とをそれぞれ単独で同時に溶射して擬合金被覆層が形成された擬合金被覆部材において、前記擬合金被覆層が、前記亜鉛の溶射による亜鉛層と、マンガンと銅の少なくとも一方とケイ素を添加して含有するアルミニウム合金の溶射によるアルミニウム合金層とを混成し、前記マンガンと銅の少なくとも一方の添加によって、アルミニウムの孔食電位を貴側にシフトさせたことにより、アルミニウム自体の自己腐食を抑制した擬合金層であり、
   前記アルミニウム合金層が、ケイ素を１．０〜１５ｍａｓｓ％含み、マンガンを０．５〜１．５ｍａｓｓ％と銅を０．５〜６．０ｍａｓｓ％の少なくとも一方を含み、残部をアルミニウム及び不純物としたことを特徴とする擬合金被覆部材。
2. 前記擬合金被覆層の外面に封孔処理及び合成樹脂塗装を施したことを特徴とする請求項１に記載の擬合金被覆部材。