JPH11323504A - 不均一型全面腐食を発生しにくい構造用ステンレス鋼およびその製品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、不均一型全面腐食を発生しにくい
構造用ステンレス鋼およびその製品、即ち溶接鋼管、形
材を提供する。 【解決手段】wt% で、Crを10〜16% 未満含むCr鋼におい
て、金属部最表層から0.5 〜10μｍの深さ部分のCr量が
10% 未満であることを特徴とする不均一型全面腐食を発
生しにくい構造用ステンレス鋼。上記鋼は、C:0.005%〜
0.03% 、Si:0．05% 〜1.0%、Mn:0.05%〜2.0%、Cr:10%〜
16% 、Ni≦2.5%、N:0.005%〜0.03% 、及び必要に応じて
Mo≦2%とCu≦2%の内１種または２種を含有しすることが
好ましい。これらの鋼を用いた溶接鋼管、形材も本発明
の対象とする。 【効果】本発明の均一型の全面腐食を発生するステンレ
ス鋼板により、耐食性を必要とする部分で使用可能な構
造部材の提供が可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、不均一型全面腐食
を発生しにくい構造用の高強度高靭性ステンレス鋼およ
び該鋼で成形した製品、即ち、構造用の溶接鋼管、組立
て形材に関するものである。特に、建築構造用に適し、
長期間の耐久性を確保し得るステンレス鋼材に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】ステンレス鋼は、耐食性に優れているこ
とから広範囲に使用されている。建築建材分野では、従
来より壁材や厨房、水周りなどの内装部材に広く用いら
れてきたが、非金属介在物の低減などの効果や合金元素
の新たな活用によって耐銹性の優れた鋼種が開発された
結果、その耐食性を生かして屋根材やバルコーニーなど
の外装部材に用いられるようになってきた。これらの用
途は、耐食性のほかには加工性が要求されることから、
ＳＵＳ４３０鋼を代表とするフェライト系ステンレス鋼
やＳＵＳ３０４鋼を代表とするオーステナイト系ステン
レス鋼が使用されてきた。

【０００３】しかし、強度を必要とする構造用途には、
ステンレス鋼の使用は稀であった。もちろん非磁性が不
可欠な特殊な環境や、構造材を意匠として露出させるよ
うな設計においては、オーステナイト系ステンレス鋼が
用いられてきた。オーステナイト系ステンレス鋼は、強
度が高く溶接部も含めて低温靭性が炭素鋼に比べてはる
かに優れていることから、構造材料としての大きな問題
は長時間のクリープ変形以外になかった。しかし、Ｎｉ
を多量に含有するために高価格とならざるを得ないこと
から、外観上の美麗さを強調するような主として公共建
造物に用いられることが多かった。

【０００４】一方、フェライト系ステンレス鋼は母材強
度ではオーステナイト系ステンレス鋼より劣るものの相
応に高いレベルであり、かつＮｉを必須としない分安価
ではあるが、溶接部のみならず母材も靭性が十分ではな
いために構造部材には適用されていなかった。

【０００５】また、マルテンサイト系ステンレス鋼は、
ＳＵＳ４１０鋼のように焼入れ硬化は可能であるが焼鈍
してフェライト相として使用するか、ＳＵＳ４２０鋼の
ように焼入れ硬化をするが刃物などの靭性を要求しない
用途に用いるかのどちらかであった。

【０００６】この他に、溶接構造用に開発された低Ｃ型
の高強度マルテンサイト系ステンレス鋼があり、マルテ
ンサイト相またはマルテンサイト相とフェライト相で使
用されている。しかし、この低Ｃマルテンサイト系ステ
ンレス鋼の溶接部の強度靭性は、従来のマルテンサイト
系ステンレス鋼の溶接部より良好ではあり、構造用とし
ての使用に期待がもてる。

【０００７】構造部材の多くは必ずしも外観上の美麗さ
は要求されないため、これまで構造用材料にはめっきや
塗装を施した炭素鋼が使用されてきた。しかしながら、
構造物の長寿命化を強く求める社会的な動きに応じて、
構造材の耐食性の一層の向上が強く求められることとな
り、従来のめっき材や塗装材では耐食性が不十分となっ
てきた。もちろん、めっき材や塗装材の耐食性向上は、
めっき厚さやめっき金属の高耐食化あるいは塗膜の厚手
化などの重防食塗装によって達成が可能であるが、溶接
を必要とする構造物ではこの手段は溶接後の処理を極め
て困難にする致命的な欠点があり、実用化は不可能であ
った。

【０００８】構造材にステンレス鋼を使用する場合、耐
食性は極めて良好であるために、腐食減肉による強度低
下の懸念は少ない。しかし、低Ｃｒのステンレス鋼を使
用した場合や高Ｃｒステンレス鋼でも腐食環境が厳しい
場合、腐食が発生する。特に、問題となる腐食が孔食な
どの局部腐食である。孔食が発生した場合、局所とは言
え急激な腐食の進行によってその部分の板厚が大きく減
少し強度が低下することとなるだけでなく、軽度であっ
ても応力集中のノッチとなり破壊の起点となりやすい。

【０００９】このような懸念から、外観上の美麗さは要
求されず軽度の発銹は許容できる場合であっても、構造
用ステンレス鋼にはこれまで１６％以上の高Ｃｒのオー
ステナイト系ステンレス鋼が用いられてきた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】構造用材料は、外観上
の美麗さは要求されない場合が多いので、大きな肉厚減
少に繋がらない軽度の発銹は許容できることが多い。し
かし、逆にこのような軽度の発銹も防止しようとする
と、耐久性は十分であるが高Ｃｒ化せざるを得ず、靭性
などの機械的性質からさらにオーステナイト系ステンレ
ス鋼とする必要が生じ、このためにさらに多量のＮｉが
必要となって、結局極めて高価な材料とならざるを得な
い。

【００１１】耐食性の向上の点からは、Ｃｒを多量に含
むステンレス鋼が望ましいことになるが、多くの構造用
鋼では、全く発銹しないような高耐食性は必ずしも必要
でない場合が多い。しかし、長期間の腐食に対してはス
テンレス鋼としての耐食性は要求される。そして最も重
要なのは、強度低下や破壊を引き起こす局所的ではある
が急激な肉厚減少を伴う腐食を確実に防止することであ
る。

【００１２】本発明は、耐食性の点から１０％未満のＣ
ｒ鋼に限定し、このような矛盾を解決した構造用Cr鋼を
提供することにある。すなわち、構造用として多少の発
銹は起きても応力の集中するような局部腐食は発生せ
ず、しかもステンレス鋼としての長期耐久性の享受でき
るステンレス鋼と、それを用いた製品、即ち構造用溶接
鋼管および組立て形材を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、大きな肉
厚減少に繋がらない軽度の錆は発生しても、腐食が最表
層で停留し内部には進行させない材料設計を検討した。
このような材料の例には、Ｚｎめっき鋼板がある。Ｚｎ
めっき鋼板は表層のＺｎが内層の鋼（Ｆｅ）に対して電
気化学的に卑であることからＺｎが優先腐食し鋼が防食
される。そこで、フェライト系ステンレス鋼において、
他の金属を利用することなくこのような電気化学的に平
衡電位を卑にすることを検討した。その結果、表層のみ
Ｃｒを低減することを想起した。

【００１４】この考えに従い、内層をＣｒ：１３．２％
含むステンレス鋼とし表層をＣｒが不可避不純物レベル
の炭素鋼とした鋼板を真空圧延によるクラッド法にて試
作した。この試作鋼板と表層に炭素鋼の層のないＣｒ：
１３．２％含むステンレス鋼板を、室温の人工海水の噴
霧１ｈと３５℃での乾燥１ｈおよび５０℃で相対湿度９
８％以上の湿潤環境放置２ｈを循環的に繰返す腐食試験
を実施した。発銹の開始は試作鋼板の方が圧倒的に短期
であったが、腐食減肉が生ずるほど長時間の発銹をさせ
た後、腐食表面を観察したところ、試作鋼板は炭素鋼の
部分だけの腐食であったが、表層に炭素鋼の層のないス
テンレス鋼板は、部分的に深い浸食が認められた。

【００１５】すなわち、試作鋼板ではほぼ均一に板厚減
少が進行する均一型の全面腐食であったが、表層に炭素
鋼の層のないステンレス鋼板は不均一に板厚減少が進行
する不均一型の全面腐食であった。この結果、表層に炭
素鋼の層のないステンレス鋼板の肉厚減少は、局所的で
はあるが試作鋼板より深い結果であった。

【００１６】本発明はこの知見を基になされたもので、
表層にＣｒの低下層を存在させるよう成分に濃度差を設
けたことで達成したものである。すなわち、（１）重量
％で、Ｃｒを１０％以上１６％未満含むＣｒ鋼におい
て、金属部最表層から０．５μｍ以上１０μｍ以下の深
さ部分のＣｒ量が１０％未満であることを特徴とする不
均一型全面腐食を発生しにくい構造用ステンレス鋼を発
明した。

【００１７】本発明を達成するための具体的な成分の組
合わせから、構造用としての強度を確保し得る第２の発
明として、（２）重量％で、 Ｃ ：０．００５％〜０．０３％、 Ｓｉ：０．０５％〜１．０％、 Ｍｎ：０．０５％〜２．０％、 Ｃｒ：１０％〜１６％未満、 Ｎｉ：２．５％以下、 Ｎ ：０．００５％〜０．０３％ を含有し、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物からな
り、金属部最表層から０．５μｍ以上１０μｍ以下の深
さ部分のＣｒ量が１０％未満であることを特徴とする不
均一型全面腐食を発生しにくい構造用ステンレス鋼を発
明した。

【００１８】また、本発明は要求される基本的な耐食性
レベルに応じてＭｏおよび／またはＣｕを添加すること
ができる。そこで、第３の発明として、（３）重量％
で、 Ｃ ：０．００５％〜０．０３％、 Ｓｉ：０．０５％〜１．０％、 Ｍｎ：０．０５％〜２．０％、 Ｃｒ：１０％〜１６％未満、 Ｎｉ：≦２．５％、 Ｎ ：０．００５％〜０．０３％ を含有し、さらに、 Ｍｏ：≦２％， Ｃｕ：≦２％ の内１種または２種を含有し、残部実質的にＦｅおよび
不可避不純物からなり、金属部最表層から０．５μｍ以
上１０μｍ以下の深さ部分のＣｒ量が１０％未満である
ことを特徴とする不均一型全面腐食を発生しにくい構造
用ステンレス鋼を発明した。

【００１９】構造用部材は、板状やそれをスリットした
平鋼状で使用する他に、溶接鋼管や形材に加工した後に
組立てることが多い。本発明はこの溶接鋼管や形材に加
工することも可能である。特に、溶接部の機械的特性に
は母材と大きな差異が生じないことから、既存の鋼管に
比べて進歩性は高い。そこで、本発明の実施態様とし
て、前記（１）ないし（３）の何れか１項に記載の不均
一型全面腐食を発生しにくいステンレス鋼を（４）冷間
にて円筒ないし角筒状に加工しかつ溶接で接合した構造
用溶接鋼管。（５）溶接で接合し組立てた構造用組立て
形材。（６）曲げ加工により組立てた構造用組立て形
材。のそれぞれを発明した。

【００２０】本発明は、構造用部材は、主として建築構
造物に適用することが望ましいが、土木構造物などの柱
や杭等への適用も可能である。また、自動車や生産機械
などの機械構造部品や電機部品等への適用も問題がな
い。また、本発明はクラッド法や溶射あるいはめっき等
によって製造可能である。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の限定条件を示す。
金属部最表層のＣｒ量は、１０％以上ではステンレス鋼
特有の孔食に進展する可能性があり、均一型の全面腐食
を継続的に起こすことができなくなって本発明の目的を
達成できなくなることから、上限とした。Ｃｒは試験的
な試作でも不可避不純物レベルまで低減しても目的を達
成し得ることから、下限は不可避不純物レベルまで含
む。

【００２２】金属部表層のＣｒ低減層の厚さは、０．５
μｍ以下の場合、均一型の全面腐食を継続的に起こすこ
とができないことから下限とした。しかし、１０μｍを
超えると、発銹が激しくなりステンレス鋼として許容さ
れる耐食性の低下のレベルを超えることから上限とし
た。

【００２３】次いで、構造用ステンレス鋼として本発明
を達成するための具体的な成分の限定条件を示す。内層
のＣｒは、１０％未満ではステンレス鋼板としての基本
的な耐食性が不足するため、下限とした。また１６％以
上になるとマルテンサイト組織を生成するためにＮｉや
Ｃが多量に必要となるだけでなく、高温でのオーステナ
イト相が安定化しマルテンサイト組織への変態が困難と
なるために、上限を１６％未満とした。

【００２４】Ｃは、高温でフェライト相をオーステナイ
ト相に変態させるのに有効であるので０．００５％以上
の添加が必要である。しかし、多量に添加すると、冷却
による変態後のマルテンサイト相が硬化して、曲げ性や
靭性が劣化するために、０．０３％を上限とした。

【００２５】Ｓｉは、０．０５％未満では脱酸が不十分
となって非金属介在物が多量に残留する危険性がある。
他の方法で脱酸を確実に実施することは可能であるの
で、その場合には０．０５％未満にしても問題はない
が、そのレベルまで低減するコストが掛かることから、
下限とした。一方、１．０％を超えるとマルテンサイト
相が硬質化し、冷間での曲げ性や靭性が劣化するだけで
なく、熱間加工性も劣化するため上限とした。

【００２６】Ｍｎは、０．０５％未満では不可避不純物
であるＳの固定が不十分となり表面疵の原因となるため
下限とした。一方、２．０％を超えるとγ相が安定化し
マルテンサイト変態が困難となるために上限とした。

【００２７】Ｎｉは、γ相を増加させマルテンサイト変
態を促進する元素であるが、多量に添加するとγ相が安
定化しマルテンサイト変態が困難となるために２．５％
を上限とした。

【００２８】Ｎは、高温でフェライト相をオーステナイ
ト相に変態させるのに有効であるので０．００５％以上
の添加が必要である。しかし、多量に添加すると、冷却
による変態後のマルテンサイト相が硬化して、曲げ性や
靭性が劣化するために、０．０３％を上限とした。

【００２９】本発明の請求項３に示した実施態様におい
て、耐食性を確保するために添加し得るＭｏは高温での
オーステナイト相を減少させる元素であるので、多量に
添加すると変態後にフェライト相が多量となり強度を低
下せしめることから、２％を上限とした。

【００３０】Ｃｕは、Ｎｉと同様に高温でのオーステナ
イト相を増加させる元素であるが、多量に添加するとＮ
ｉ同様の弊害が生ずるだけでなく、熱間でのいわゆる赤
熱脆性が生ずることから、２％を上限とした。

【００３１】

【実施例】表１に示した成分を含有し残部実質的にＦｅ
および不可避不純物からなるステンレス鋼を内層とし、
クラッド法によってＣｒを１０％未満に低減した表層を
有する厚さ２．０mmのマルテンサイト系ステンレス鋼板
を製造し、冷間で角筒状の溶接鋼管に加工した。腐食に
よる板厚減少測定の基準部分を残すために、この鋼管外
表面の一部を残してエポキシ樹脂でシールし、室温の人
工海水の噴霧１ｈと３５℃での乾燥１ｈおよび５０℃で
相対湿度９８％以上の湿潤環境放置２ｈを循環的に３０
０サイクル繰返す腐食試験を実施した。

【００３２】表２に、ＥＰＭＡで測定した表層のＣｒが
１０％未満の層の厚さと非シール部分の腐食減量から計
算した平均肉厚減少深さおよび顕微鏡的に測定した最大
肉厚減少深さをまとめて示した。いずれの鋼管も非シー
ル部分は赤錆を発生したが、本発明鋼の最大肉厚減少深
さは、平均腐食肉厚減少深さの概ね１．５倍以内であっ
た。これに対して、比較鋼の最大肉厚減少深さは、平均
腐食肉厚減少深さに比べて概ね３倍以上あり、大きなも
のでは１００倍以上あった。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】

【発明の効果】本発明の均一型の全面腐食を発生するス
テンレス鋼板により、耐食性を必要とする部分で使用可
能な構造部材の提供が可能となった。従来のステンレス
鋼は耐食性は良いが、孔食などの急激な腐食による肉厚
減少が発生するため、寿命の予測が困難で構造耐の設計
が困難であった。しかし、本発明鋼板は発銹するとは言
え、その速度は炭素鋼に比べて圧倒的に遅く耐久性向上
に大きく寄与する。そして何より均一型の全面腐食を発
生することから、寿命の予測が容易に可能であり、設計
に折り込むことで安心して用いることができる。

【００３６】この結果、例えば海浜地区などの土木建築
分野での構造用材料として、平板の曲げ加工や鋼管の使
用が可能となった。従来は、高強度炭素鋼にめっきや重
防食を施していたが、溶接が困難な上に溶接部の防食の
補修が困難であったため、構造物の寿命が短くなるとい
う欠点があった。しかし、本願発明により溶接後の補修
の必要なく、しかも安心して長寿命が得られるなど社会
的な利益は大きい。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃｒを１０％以上１６％未満
   含むＣｒ鋼において、金属部最表層から０．５μｍ以上
   １０μｍ以下の深さ部分のＣｒ量が１０％未満であるこ
   とを特徴とする不均一型全面腐食を発生しにくい構造用
   ステンレス鋼。
2. 【請求項２】 重量％で、 Ｃ：０．００５％以上０．０３％以下、 Ｓｉ：０．０５％以上１．０％以下、 Ｍｎ：０．０５％以上２．０％以下、 Ｃｒ：１０％以上１６％未満、 Ｎｉ：２．５％以下、 Ｎ ：０．００５％以上０．０３％以下 を含有し、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物からな
   り、金属部最表層から０．５μｍ以上１０μｍ以下の深
   さ部分のＣｒ量が１０％未満であることを特徴とする不
   均一型全面腐食を発生しにくい構造用ステンレス鋼。
3. 【請求項３】 重量％で、 Ｃ ：０．００５％以上０．０３％以下、 Ｓｉ：０．０５％以上１．０％以下、 Ｍｎ：０．０５％以上２．０％以下、 Ｃｒ：１０％以上１６％未満、 Ｎｉ：２．５％以下、 Ｎ ：０．００５％以上０．０３％以下、 を含み、さらに Ｍｏ：２％以下、 Ｃｕ：２％以下 の内１種または２種を含有し、残部実質的にＦｅおよび
   不可避不純物からなり、金属部最表層から０．５μｍ以
   上１０μｍ以下の深さ部分のＣｒ量が１０％未満である
   ことを特徴とする不均一型全面腐食を発生しにくい構造
   用ステンレス鋼。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３の何れか１項に記載の
   鋼を冷間にて円筒ないし角筒状に加工し、かつ溶接で接
   合したことを特徴とする不均一型全面腐食を発生しにく
   いステンレス鋼よりなる構造用溶接鋼管。
5. 【請求項５】 請求項１ないし３の何れか１項に記載の
   鋼を溶接で接合し組立てたことを特徴とする不均一型全
   面腐食を発生しにくいステンレス鋼よりなる構造用組立
   て形材。
6. 【請求項６】 請求項１ないし３の何れか１項に記載の
   鋼を曲げ加工により組立てたことを特徴とする不均一型
   全面腐食を発生しにくいステンレス鋼よりなる構造用組
   立て形材。