JPH07216591A - 耐食性を改善したフェライト系ステンレス鋼及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光輝焼鈍されたステンレス鋼の表面にある不
動態皮膜をリン酸溶液中での陽極電解によって強化し、
耐食性を向上させる。 【構成】 このフェライト系ステンレス鋼は、Ｃｒ：１
６〜３５重量％及びＮｂ：０．１〜１．０重量％を含む
フェライト系ステンレス鋼を基材とし、金属Ｎｂに比較
してＮｂ酸化物を多量に含む不動態皮膜が表面に形成さ
れている。不動態皮膜は、光輝焼鈍したステンレス鋼を
陽極としてリン酸溶液中で電解することにより形成され
る。 【効果】 改質された不動態皮膜は、腐食の起点となる
欠陥部がなく、ステンレス鋼の耐孔食性を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐食性を改善したフェ
ライト系ステンレス鋼及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ステンレス鋼は、代表的な耐食材料とし
て各種建築用資材，構造材等に使用されている。なかで
も、フェライト系ステンレス鋼は、高価なニッケルを含
まず、溶接にも問題がないことから、安価な耐食材料と
して汎用されている。しかし、フェライト系ステンレス
鋼の代表鋼種であるＳＵＳ４３０を例にとると、腐食環
境の緩やかな田園地帯においても短期間で赤銹を発生す
ることにみられるように耐食性，耐候性が十分でない。
更に、溶接時の加熱，冷却によって粒界腐食が発生し易
い欠点もある。

【０００３】耐候性を改善するには、Ｃｒ量の増加やＭ
ｏの添加等が有効である。ＣｒやＭｏの増加に伴った靭
性の低下は、Ｃ及びＮを低減させることで改善してい
る。Ｃ，Ｎの低減は、耐粒界腐食性改善にも有効であ
る。しかし、Ｃ，Ｎの低減にも自ら限界があり、現在、
工業的に到達し得るＣ，Ｎ量レベルでは、粒界腐食感受
性を完全に無くすことはできない。そこで、Ｃ，Ｎを固
定し得るＴｉ又はＮｂ等の安定化元素を単独或いは複合
で添加することにより、粒界腐食に及ぼすＣ，Ｎの悪影
響を解消している。これらの技術的背景をもとにして、
たとえば低炭素・低窒素３０Ｃｒ−２．０Ｍｏ−Ｎｂ鋼
のように、耐候性に優れた含Ｍｏ高Ｃｒ鋼が開発されて
いる。しかし、海岸地帯，海上等の塩素イオンを含む腐
食環境に曝されると、温度，湿度等の気象条件によって
は短期間に赤銹を発生することがある。

【０００４】赤銹発生は、不動態皮膜の一部が塩素イオ
ンで破壊され、ステンレス鋼成分が溶解し、Ｆｅの腐食
生成物が形成されることに起因する。ステンレス鋼の表
面は、通常赤銹等の発銹を抑制する不動態皮膜で覆われ
ているが、海岸地帯や海上では不動態皮膜が破壊される
と、その再生を妨げる作用をもつ塩素イオンを含んだ海
塩粒子の飛来により腐食が進行する。光輝焼鈍等を施し
たものにあっても、加工時に発生した疵等の欠陥が表層
部に存在すると、欠陥部を介して基地が雰囲気に曝され
る。雰囲気に塩素イオン等の腐食性物質が含まれている
と、欠陥部を起点として腐食が進行する。その結果、耐
候性が低下し、早期に赤錆が発生することがある。この
点、特公昭６１−２７６０号公報では、不動態化作用を
強めるため、酸化性の硝酸浴中でステンレス鋼を陽極電
解している。また、特公昭６０−４３９１７号公報で
は、光輝焼鈍時にステンレス鋼表面に形成された不動態
皮膜を電解質水溶液中での陽極電解により除去した後、
酸化性の酸浴にステンレス鋼を浸漬することにより、新
たな不動態皮膜を形成する方法を紹介している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、硝酸浴中での
陽極電解をＮｂ含有ステンレス鋼に適用すると、耐食性
向上効果がみられない。また、電解→浸漬の２工程を組
み合わせた方法は、工程数が増加することは勿論、浸漬
工程のために長い浸漬槽を配置する必要がある。その結
果、生産性が低下し、製造コストの上昇を招く。更に
は、硝酸系の電解浴を使用するとき、有害なＮＯ_x が発
生する欠点がある。本発明は、このような問題を解消す
べく案出されたものであり、リン酸溶液中での陽極処理
によって不動態皮膜を強化し、塩素イオンを含む腐食環
境においても優れた耐食性を呈するＮｂ含有フェライト
系ステンレス鋼板を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のフェライト系ス
テンレス鋼は、その目的を達成するため、Ｃｒ：１６〜
３５重量％及びＮｂ：０．１〜１．０重量％を含むフェ
ライト系ステンレス鋼を基材とし、金属Ｎｂに比較して
Ｎｂ酸化物を多量に含む皮膜が前記基材の表面に形成さ
れている。このフェライト系ステンレス鋼は、Ｃｒ：１
６〜３５重量％及びＮｂ：０．１〜１．０重量％を含む
フェライト系ステンレス鋼を光輝焼鈍した後、リン酸溶
液中で陽極電解することにより製造される。陽極電解に
先立って、光輝焼鈍後のステンレス鋼を交番電流で電解
処理しても良い。

【０００７】

【作用】本発明者等は、フェライト系ステンレス鋼の表
面に形成される不動態皮膜と耐食性，耐候性との関係を
種々の観点から調査・研究した。その結果、Ｎｂを含む
フェライト系ステンレス鋼を光輝焼鈍することによって
生成した不動態皮膜をリン酸溶液中で陽極処理すると
き、不動態皮膜が強化され、耐孔食性等の耐食性が著し
く向上する現象を見い出した。リン酸溶液中での陽極電
解が不動態皮膜を強化するメカニズムは明らかでない。
しかし、陽極電解前後のステンレス鋼表面を分析した結
果、電解処理前の不動態皮膜に金属Ｎｂが多く含まれて
いたのに対し、電解処理後の不動態皮膜では金属Ｎｂが
大幅に減少し、ほとんど酸化物の状態でＮｂが存在して
いることを知見した。また、Ｎｂを含んでいないステン
レス鋼を同様に陽極電解したものでは、耐孔食性が著し
く向上する現象が観察されなかった。このことから、金
属状態で存在していたＮｂが陽極電解によって大幅に減
少する挙動が耐食性の向上に寄与しているものと推察さ
れる。

【０００８】基材となるフェライト系ステンレス鋼とし
ては、たとえばＣ：０．０５重量％以下，Ｎ：０．０５
重量％以下，Ｓｉ：１．０重量％以下，Ｍｎ：１．０重
量％以下，Ｐ：０．０４重量％以下，Ｓ：０．０３重量
％以下，Ｎｉ：１．０重量％以下，Ｃｒ：１６〜３５重
量％，Ｍｏ：０〜８重量％以下及びＮｂ：０．１〜１．
０重量％を含むステンレス鋼が使用される。なかでも、
比較的多量のＣｒ及びＭｏを含む系は、自己修復作用の
強い不動態皮膜を形成する上で有効である。このフェラ
イト系ステンレス鋼は、更にＴｉ，Ａｌ，Ｃｕ及びＺｒ
の１種又は２種以上を任意成分として含むことができ
る。以下、使用されるフェライト系ステンレス鋼に含ま
れる合金成分及び含有量を説明する。

【０００９】Ｃ，Ｎ：それぞれ０．０５重量％以下 何れも、ステンレス鋼に不可避的に含まれる元素であ
る。Ｃ，Ｎ含有量を低減すると軟質になり、加工性が向
上すると共に炭化物の生成が少なくなる。また、Ｃ，Ｎ
含有量の低減に伴って、溶接性及び溶接部の耐食性も向
上する。そこで、Ｃ及びＮ含有量の上限を、共に０．０
５重量％に規定する。 Ｓｉ：１．０重量％ 溶接部の高温割れや溶接部靭性に対し有害な元素であ
る。また、ステンレス鋼を硬質にするので、Ｓｉ含有量
は低い方が好ましい。そこで、Ｓｉ含有量の上限を１．
０重量％に規定する。 Ｍｎ：１．０重量％以下 ステンレス鋼中に微量に存在するＳと結合して可溶性硫
化物ＭｎＳを形成することにより、耐候性を低下させる
有害な元素である。そこで、Ｍｎ含有量の上限を１．０
重量％に規定する。

【００１０】Ｐ：０．０４重量％以下 母材及び溶接部靭性を損なうので、Ｐ含有量は低い方が
望ましい。しかし、ステンレス鋼等の含Ｃｒ鋼を脱Ｐす
ることは困難であり、且つＰ含有量を極度に低下させる
ことは製造コストの上昇を招く。したがって、Ｐ含有量
の上限を０．０４重量％に規定する。 Ｓ：０．０３重量％以下 耐候性及び溶接部の高温割れに悪影響を及ぼす有害な元
素であるため、Ｓ含有量は低い方が好ましい。そこで、
Ｓ含有量の上限を０．０３重量％に規定する。 Ｎｉ：１．０重量％以下 フェライト系ステンレス鋼の靭性改善に有効な合金元素
である。しかし、多量のＮｉ含有は、コスト高の原因と
なる。本発明においては、通常のフェライト系ステンレ
ス鋼で不可避的不純物として混入される１．０重量％に
Ｎｉ含有量の上限を定めた。

【００１１】Ｃｒ：１６〜３５重量％ ステンレス鋼の耐食性を高める主要元素であり、耐候
性，耐孔食性，耐隙間腐食性及び一般耐食性を著しく向
上させる。耐食性改善に与えるＣｒの作用は、１６重量
％未満では不十分である。しかし、Ｃｒ含有量が３５重
量％を超えると、著しい脆化が生じ、薄板製造，製品加
工等の際に困難を伴う。そのため、Ｃｒ含有量を１６〜
３５重量％の範囲に定める。 Ｍｏ：０〜８重量％ Ｃｒと共に耐候性を高める有効な合金元素であり、その
効果はＣｒ量が増すにつれて大きくなる。Ｍｏは、腐食
の起点となる不動態皮膜中の活性な欠陥部を補完し、腐
食の発生を抑制する。また、カソード反応を抑制する作
用があり、仮に腐食が発生した場合でも、腐食の進行が
抑えられる。このようなＭｏの作用は、含有量１重量％
以上で顕著となる。前掲したＣｒ量レベルにおいては、
８％を超えてＭｏを添加すると延性の低下を招き加工上
困難を伴う。ただし、Ｍｏを含まないステンレス鋼であ
っても、陽極処理により不動態皮膜が同様に強化され、
耐食性が改善される。

【００１２】Ｎｂ：０．１〜１．０重量％ 本発明で規定したＣ量レベルのフェライト系ステンレス
鋼において粒界腐食を防止する。また、陽極処理後の不
動態皮膜を強化し、耐食性を向上させる。このような作
用を得るため、０．１重量％以上のＮｂ含有量が必要で
ある。しかし、過剰のＮｂ添加によって溶接部靭性を阻
害するので、Ｎｂ含有量の上限を１．０重量％に規定す
る。 Ｔｉ：０．０５〜０．３重量％ 不動態皮膜を強固にし、比較的低いＣｒ量及びＭｏ量の
組成であっても優れた耐食性及び耐候性が得られる。ま
た、Ｔｉ添加は、粒界腐食を抑制し、Ｃ，Ｎを固定する
作用も呈する。このような効果を得るためには、０．０
５重量％以上のＴｉを含有することが必要である。しか
し、０．３重量％を超えてＴｉを含有させると、素材の
表面品質を劣化させ、局部的な腐食を強める傾向がみら
れる。

【００１３】Ａｌ：０．０１〜０．５重量％ 脱酸剤として添加される成分であるが、不動態皮膜を緻
密化する作用も呈する。このような作用は、０．０１重
量％以上のＡｌ含有量で顕著となる。しかし、０．５重
量％を超えてＡｌを添加すると、素材の表面品質の劣化
を招き、且つ溶接性が悪化する。 Ｃｕ：０．１〜１．０重量％，Ｚｒ：０．０５〜０．３
重量％ 任意成分として添加されるＣｕ及びＺｒは、共に耐候性
改善に有効な合金元素である、このような効果を得るた
めには、０．１重量％未満のＣｕ含有量又は０．０５重
量％未満のＺｒ含有量では不十分である。しかし、多す
ぎると溶接部靭性が阻害される。したがって、ＣｕやＺ
ｒを含有させる場合、Ｃｕ含有量の上限を１．０重量％
に、Ｚｒ含有量の上限を０．３重量％にそれぞれ設定す
る。

【００１４】光輝焼鈍：光輝焼鈍の雰囲気には、酸化ス
ケールが発生しない水素ガス又は水素ガスと非酸化性ガ
スとの混合ガスが使用される。焼鈍に際しては、テンパ
ーの発生を抑制するため、雰囲気の露点を−３５℃以下
にすることが好ましい。焼鈍温度は、冷延したステンレ
ス鋼を再結晶させることから、９００〜１１００℃の範
囲に維持することが好ましい。

【００１５】陽極電解：リン酸を使用した陽極電解によ
って、金属Ｎｂが大幅に減少した不動態皮膜がステンレ
ス鋼の表面に形成され、耐食性が向上する。このような
効果は、リン酸濃度２重量％以上で顕著になる。しか
し、３０重量％を超えてリン酸濃度を高くしても、濃度
上昇に見合った耐食性向上効果は得られない。常温の陽
極電解によっても耐食性が向上するが、温度を上げるほ
ど陽極電解の作業能率が改善される。電解条件として
は、たとえば電流密度０．５〜２０Ａ／ｄｍ² 及び電解
時間１０〜１５０秒が採用される。０．５Ａ／ｄｍ² 未
満の電流密度或いは１０秒に満たない電解時間では、不
動態皮膜の成長が不十分で、耐食性向上効果が発現しな
い。逆に、２０Ａ／ｄｍ² を超える電流密度或いは１５
０秒を超える電解時間では、肌荒れが発生し、陽極電解
されたステンレス鋼の表面性状が劣化する。

【００１６】

【実施例】本実施例では、Ｃ：０．０２４重量％，Ｓ
ｉ：０．５６重量％，Ｍｎ：０．１３重量％，Ｐ：０．
０２４重量％，Ｓ：０．００６重量％，Ｎｉ：０．３０
重量％，Ｃｒ：１９．２３重量％，Ｍｏ：０．０５重量
％，Ｎｂ：０．５０重量％，Ａｌ：０．０１０重量％，
Ｃｕ：０．４７重量％，Ｎ：０．０２０重量％を含み、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成をもつステ
ンレス鋼を、板厚１ｍｍにした冷延鋼帯を使用した。７
５％Ｈ₂ −２５％Ｎ₂ 混合ガスの雰囲気に維持された焼
鈍炉に鋼帯を通板し、１０００℃に８０秒間加熱する焼
鈍を施した。焼鈍後の鋼帯表面は、極めて薄い不動態皮
膜で覆われていた。次いで、室温の電解液に試験片を浸
漬し、試験片を陽極又は陰極として電流密度５Ａ／ｄｍ
² で２０秒間通電し、陽極処理及び陰極処理を施した。
表１は、このときに使用した電解液の組成及び試験片の
極性を示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】電解処理後の鋼帯から試験片を切り出し、
ＪＩＳ Ｇ０５７７に準拠して孔食電位を測定した。試
験液には、Ａｒで脱気した浴温３０℃の３．５％ＮａＣ
ｌ水溶液を使用した。孔食電位は、掃引速度２０ｍＶ／
分の動電位法で測定した。測定結果を示す図１から明ら
かなように、同じ鋼種であっても電解処理条件の如何に
応じて孔食電位が大きく異なっていることが判る。なか
でも、電解処理Ａを施した試験片２は、著しく高い孔食
電位を示した。光輝焼鈍材を研磨した後で電解処理Ａを
施した試験片６は、孔食電位が低くなっている。このこ
とから、電解処理Ａは、光輝焼鈍材に施した場合にのみ
有効であることが判る。本発明者等は、孔食電位の上昇
が不動態皮膜の改善に起因しているものと推定し、ＸＰ
Ｓ（光電子分光法）により試験片の最表面を分析した。
その結果、試験片表面に形成されている不動態皮膜に含
まれている元素のうち、Ｎｂの状態が電解処理Ａの前後
で大きく変わっていることを見い出した。

【００１９】光輝焼鈍されたままの試験片１では、図２
（ａ）に示すように、金属Ｎｂ及びＮｂ₂ Ｏ₅ のピーク
がみられる。これは、Ｎｂが金属状態で不動態皮膜に含
まれていることを示す。他方、電解処理Ａを施した試験
片２では、図２（ｂ）に示すように、金属Ｎｂのピーク
が低下し、Ｎｂ₂ Ｏ₅ を主とするピークに変化してい
た。このことから、不動態皮膜に含まれていた金属Ｎｂ
は、電解処理Ａによってほとんど存在しなくなっている
ことが判る。不動態皮膜に含まれている各元素の皮膜厚
み方向に関する分布を調査した。調査結果を示す図３か
ら明らかなように、電解処理Ａを施した試験片２（図３
ｂ）では、光輝焼鈍したままの試験片（図３ａ）に比較
して、最表面から基地に向かって増加するＦｅ濃度の勾
配が小さくなっていた。また、Ｏ濃度が高い表面層が深
くなっていた。このことは、腐食の起点となり易いＦｅ
が電解処理Ａによって優先的に溶出し、不動態皮膜中の
金属元素が酸化されていることを示す。すなわち、不動
態皮膜は、電解処理Ａで強化されている。

【００２０】次いで、試験片１及び２について、塩付着
量が０．５ｍｇ／ｃｍ² となるように人工海水を噴霧し
た後、温度３０℃及び相対湿度５０％の条件下で２日間
保持する腐食試験を行った。そして、試験片表面に発生
した赤錆の程度を、ＪＩＳＨ８５０２に規定されている
レイティング・ナンバー（Ｒ．Ｎ）で評価した。光輝焼
鈍まま材である試験片１では、顕著な発銹が観察され、
Ｒ．Ｎは５であった。これに対し、光輝焼鈍材に電解処
理Ａを施した試験片２では、Ｒ．Ｎ＝９．０と発銹が抑
制されていた。この対比から明らかなように、光輝焼鈍
したステンレス鋼を陽極としてリン酸溶液浴中で電解処
理するとき、耐食性が著しく向上することが確認され
た。

【００２１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、Ｎｂ含有フェライト系ステンレス鋼の表面に形成さ
れている不動態皮膜をリン酸溶液中での陽極電解の一工
程によって強化している。陽極電解後の不動態皮膜は、
金属成分が十分に酸化され、欠陥のない安定した皮膜と
なる。不動態皮膜が改質されたステンレス鋼は、極めて
高い孔食電位を呈し、塩素イオン等の腐食性物質を含む
環境にあっても優れた耐候性及び耐孔食性を示すため、
屋根材，外装材，貯湯槽等の屋外タンク等の外装構造材
料として広範な分野で使用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 光輝焼鈍されたステンレス鋼の孔食電位に処
理の相違が与える影響を示したグラフ

【図２】 光輝焼鈍ままのステンレス鋼表面にある不動
態皮膜最表面の分析結果（ａ）及びリン酸溶液中で陽極
電解した後の不動態皮膜最表面の分析結果（ｂ）

【図３】 光輝焼鈍ままステンレス鋼表面にある不動態
皮膜に含まれているＦｅ及びＯの皮膜厚み方向に関する
分布（ａ）及びリン酸溶液中で陽極電解した後の不動態
皮膜に含まれているＦｅ及びＯの皮膜厚み方向に関する
分布（ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｒ：１６〜３５重量％及びＮｂ：０．
   １〜１．０重量％を含むフェライト系ステンレス鋼を基
   材とし、金属Ｎｂに比較してＮｂ酸化物を多量に含む皮
   膜が前記基材の表面に形成されている耐食性を改善した
   フェライト系ステンレス鋼。
2. 【請求項２】 Ｃｒ：１６〜３５重量％及びＮｂ：０．
   １〜１．０重量％を含むフェライト系ステンレス鋼を光
   輝焼鈍した後、リン酸溶液中で陽極電解することを特徴
   とする耐食性を改善したフェライト系ステンレス鋼の製
   造方法。