JPWO2014181534A1 - 耐候性に優れた鋼材 - Google Patents

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Abstract

主に橋梁などの屋外で用いられ、特に高温かつ乾季などの雨量が少ない乾燥する期間が存在する環境下で構造用鋼材として好適な耐候性鋼を提供する。特定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｓｎ、さらに、少なくとも（１）式、（２）式のいずれかを満足するとともに、（３）式を満足し、必要に応じて、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｂ、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｍｇの一種以上、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材。（Ｃｕ−０．０１）×（Ｓｎ−０．００５）×（Ｎｂ−０．００５）×１０４≧０．０８（１）、（Ｃｕ−０．０１）×（Ｎｉ−０．０１）×（Ｃｒ−０．０１）×５０≧０．０８（２）、（Ｃｕ＋１０×Ｓｎ）／（２×Ｎｉ＋０．５×Ｓｉ）＜１０（３）、ここで、各元素記号は含有量（質量％）を示し、含有しない元素は０とする。

Description

本発明は、耐候性（atmospheric corrosion resistance）に優れた鋼材に関し、主に橋梁などの屋外で用いられ、特に高温かつ乾季などの雨量が少ない乾燥する期間が存在する環境下で耐候性が要求される構造用鋼材（structural steel material）として好適なものに関する。
従来、橋梁などの屋外で用いられる鋼構造物(steel structures)には耐候性鋼（weathering steel）が用いられている。耐候性鋼は、大気暴露環境(atmospheric exposure environment)において、Ｃｕ、Ｐ、Ｃｒ、Ｎｉなどの合金元素が濃化した(concentrated)保護性の高いさび層(highly protective rust layer)に表面が覆われることにより腐食速度(corrosion rate)が著しく低減する鋼材で、耐候性鋼を使用した橋梁は無塗装のままで数十年間の供用に耐え得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、建築等に適用された。その後、日本にも導入され、高炉メーカ各社で開発された耐候性鋼が、橋梁等に適用されている。ＢＲＩＣＳや東アジア地域の経済発展著しい国々は、現在インフラストラクチャーの整備中であるが、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なため、適用が望まれている。また、塗装された橋梁においても、塗膜寿命（coating life）が長くなれば、塗替え(repaint)の頻度が少なくなり、メンテナンスコストが抑制される。そのため、塗装寿命の延長可能な鋼材が望まれている。
これらの国々には、特に高温の環境となる国が多く含まれるので、耐候性鋼を適用する場合、そのような環境において優れた耐候性を有し、更に低コストであることが重要である。
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の他に、デリバリーおよび生産効率の観点から、製造が容易であることも必須である。
ＢＲＩＣＳや東アジア地域の諸国では、今後、裸使用が可能で、且つ低コストで構造用鋼としての強度も備えた耐候性鋼に対する性能向上の要望は強まるものと予測される。
鋼材の耐候性を向上させる手法は従来より種々提案されている。たとえば、特許文献１には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。特許文献２には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には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。特許文献４には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、特許文献５にはＳｎを添加した耐食性に優れた鋼材が開示されている。
特開平１１−１７２３７０号公報 特開２００２−３０９３４０号公報 特開平１１−７１６３２号公報 特開平１０−２５１７９７号公報 特開２０１２−２５５１８４号公報
しかしながら、特許文献１〜３のようにＮｉの含有量を増加させた場合や、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する。特許文献４の場合は、さらにＰの含有量が高いために溶接性が低下する。特許文献５では、Ｓｎの含有量を増加させるので、表面赤熱脆性(surface hot shortness)が助長される。
そこで、本発明は、Ｎｉ、Ｍｏ等の高価な合金元素の含有量を少なくし、製造性も良好な安価で、構造用鋼としての強度も備えた耐候性に優れた鋼材を提供することを目的とする。
本発明者等は、上記課題を解決するため、鋭意検討し、成分組成において、一定量のＣｕに、微量のＮｂおよびＳｎを複合して含有することにより、高温の環境における鋼材の裸使用時の耐候性および塗装の耐久性(durability)が向上することを見出した。優れた耐候性および塗装の耐久性を示す詳細な理由は不明であるものの、以下のように推定される。
１．Ｃｕはさび粒子を微細化させることでさび層を緻密化(dense)させるため、酸素や塩化物イオンのような腐食促進因子(corrosion-accelerating factor)がさび層を透過して基材(the base material)（鋼（steel）)に到達するのを防止する。さらに、Ｃｕは鋼の界面の近傍において濃化(concentrate)するため、鋼のアノード反応は抑制される。
２．Ｎｂは基材（鋼）の界面近傍に濃化することで鋼のアノード反応およびカソード反応を抑制する。
３．ＳｎはＮｂと同様に基材（鋼）の界面近傍において濃化するため、鋼のアノード反応およびカソード反応は抑制される。
４．Ｃｕ、Ｎｂ、Ｓｎを複合して含有した場合、これらの合金元素を単独して含有した場合より耐食性が著しく向上する。
本発明は得られた知見を基に、更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
（１）成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３０％以上、０．２００％未満、
Ｓｉ：０．１０％以上、１．００％以下、
Ｍｎ：０．２０％以上、２．００％以下、
Ｐ：０．００３％以上、０．０３０％以下、
Ｓ：０．０００１％以上、０．０２０％以下、
Ａｌ：０．００１％以上、０．１００％以下、
Ｃｕ：０．０１％以上、０．５０％以下、
Ｎｂ：０．００５％以上、０．２００％以下、
Ｓｎ：０．００５％以上、０．２００％以下、
さらに、少なくとも（１）式、（２）式のいずれかを満足するとともに、（３）式を満足し、残部が鉄および不可避的不純物からなることを特徴とする耐候性に優れた鋼材。
（Ｃｕ−０．０１）×（Ｓｎ−０．００５）×（Ｎｂ−０．００５）×１０４≧０．０８ （１）
（Ｃｕ−０．０１）×（Ｎｉ−０．０１）×（Ｃｒ−０．０１）×５０≧０．０８ （２）
（Ｃｕ＋１０×Ｓｎ）／（２×Ｎｉ＋０．５×Ｓｉ）＜１０ （３）
ここで、各元素記号は含有量（質量％）を示し、含有しない元素は０とする。
（２）さらに、質量％で、
Ｎｉ：０．０１％以上、１．００％以下、
Ｃｒ：０．０１％以上、１．００％以下、
Ｍｏ：０．００５％以上、１．０００％以下、
Ｗ：０．０１０％以上、１．０００％以下、
Ｃｏ：０．０１０％以上、０．５００％以下、
Ｓｂ：０．００５％以上、０．２００％以下、
から選ばれる一種以上を含有することを特徴とする（１）に記載の耐候性に優れた鋼材。
（３）さらに、質量％で、
Ｔｉ：０．００５％以上、０．２００％以下、
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ことを特徴とする（１）または（２）に記載の耐候性に優れた鋼材。
（４）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ことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の耐候性に優れた鋼材。
（５）

さらに、質量％で、Ｔａ：０．００１％以上、０．１００％以下、
Ｂｉ：０．００１％以上、０．１００％以下、
Ｓｅ：０．００１％以上、０．１００％以下、
Ｈｆ：０．００１％以上、０．１００％以下、
から選ばれる一種以上を含有することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか一項に記載の耐候性に優れた鋼材。
（６）
（１）乃至（５）のいずれか一項に記載の組成を有する鋼材の表面に、塗膜を有することを特徴とする耐候性に優れた鋼材。
本発明によれば、製造性に優れ、合金コストが低い安価な耐候性に優れた構造用鋼材が得られ、産業上、極めて有用である。
以下に、本発明を詳細に説明する。説明において、％は質量％とする。
Ｃ：０．０３０％以上、０．２００％未満
Ｃは鋼材の強度を向上させる元素であり、構造用鋼としての所定の強度を確保するため、０．０３０％以上含有する必要がある。一方、０．２００％以上では溶接性(weldability)および靭性(toughness)が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０３０％以上、０．２００％未満とする。
Ｓｉ：０．１０％以上、１．００％以下
Ｓｉは本発明において重要な元素である。Ｓｉは、さび層全体のさび粒を微細化させて緻密なさび層を形成し、これにより鋼材の耐候性を向上させる。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、０．１０％以上含有する必要がある。一方、１．００％を超えて含有すると靭性および溶接性が著しく低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．１０％以上、１．００％以下とする。好ましくは０．２０％以上、０．８０％以下、より好ましくは、０．４０％以上、０．６０％以下である。
Ｍｎ：０．２０％以上、２．００％以下
Ｍｎは鋼材の強度を向上させる元素であり、構造用鋼としての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。一方、２．００％を超えて含有すると靭性および溶接性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．２０％以上、２．００％以下とする。
Ｐ：０．００３％以上、０．０３０％以下
Ｐは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０．００３％以上含有する必要がある。一方、０．０３０％を超えて含有すると溶接性が低下する。したがって、Ｐ含有量は０．００３％以上、０．０３０％以下とする。
Ｓ：０．０００１％以上、０．０２０％以下
Ｓは０．０２０％を超えて含有すると溶接性および靭性が低下する。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。したがって、Ｓ含有量は０．０００１％以上、０．０２０％以下とする。
Ａｌ：０．００１％以上、０．１００％以下
Ａｌは、製鋼時の脱酸(deoxidation)に必要な元素である。このような効果を得るため、０．００１％以上含有する必要がある。一方、０．１００％を超えると溶接性に悪影響を及ぼす。したがって、Ａｌ含有量は０．００１％以上、０．１００％以下とする。
Ｃｕ：０．０１％以上、０．５０％以下
Ｃｕは本発明において重要な元素である。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、さび層と基材（鋼）との界面（以下、単にさび層−基材（鋼）界面、または、鋼界面と称することもある。）近傍に濃化することにより鋼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基材（鋼）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０．０１％以上で得られる。一方、０．５０％を超えるとＣｕ含有量増加に伴う合金コスト上昇を招く。したがって、Ｃｕ含有量は０．０１％以上、０．５０％以下とする。好ましくは、０．０５％以上、０．４０％以下、より好ましくは、０．０７％以上、０．３０％以下である。
Ｎｂ：０．００５％以上、０．２００％以下
Ｎｂは、本発明において重要な元素である。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を有する。Ｎｂは、アノード部においてさび層と基材（鋼）との界面付近に濃化するため、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、０．００５％以上含有する必要がある。一方、０．２００％を超えると靭性の低下を招く。したがって、Ｎｂ含有量は０．００５％以上、０．２００％以下とする。好ましくは、０．００８％以上、０．１００％以下、さらに好ましくは、０．０１０％以上、０．０３０％以下である。
Ｓｎ：０．００５％以上、０．２００％以下、
Ｓｎは、本発明において重要な元素である。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、鋼界面にＳｎを含む酸化皮膜を形成し、鋼のアノード反応およびカソード反応を抑制することで鋼材の耐候性を向上させる。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。一方、０．２００％を超えると鋼の延性や靭性の低下を招く。したがって、Ｓｎ含有量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは、０．０１０％以上、０．１００％以下、より好ましくは、０．０２０％以上、０．０５０％未満である。
（Ｃｕ−０．０１）×（Ｓｎ−０．００５）×（Ｎｂ−０．００５）×１０４≧０．０８・・（１）
（Ｃｕ−０．０１）×（Ｎｉ−０．０１）×（Ｃｒ−０．０１）×５０≧０．０８・・（２）
（１）式は、さび層−基材（鋼）界面近傍に合金元素を濃化させ腐食反応を抑制することで耐食性を向上させるために規定する。本発明にて知見したさび層−基材（鋼）界面での耐食性向上効果は、さび層全体でなく、主に界面付近で効果を発揮するため、このような効果を有するＮｂやＳｎの基材（鋼）への添加量は微量で良い。しかし、Ｎｂ、ＳｎはＣｕとの共存により効果が発現するため、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｂは、（Ｃｕ−０．０１）×（Ｓｎ−０．００５）×（Ｎｂ−０．００５）×１０４≧０．０８を満足するように含有させる。
（２）式は、さび層全体を緻密化し腐食促進因子の透過を抑制することで耐食性を向上させるために規定する。耐候性鋼はＣｕ、Ｃｒ、Ｎｉなどの元素が濃化した緻密なさび層により、腐食促進因子である酸素や塩化物イオンの透過を抑制することで耐食性を向上させる。大気環境での耐食性向上効果を得るため、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒは（Ｃｕ−０．０１）×（Ｎｉ−０．０１）×（Ｃｒ−０．０１）×５０≧０．０８を満足するように含有させる。
本発明では、（１）式および（２）式のうち、少なくともどちらかの式を満たすように、成分組成を調整する。後述するように、本発明において、ＮｉおよびＣｒは選択元素である。ＮｉおよびＣｒを含有しない場合は、（２）式におけるＮｉおよびＣｒはそれぞれ０とする。本発明では、（１）式および（２）式の左辺を耐食性(corrosion resistance)指標と称する。
（Ｃｕ＋１０×Ｓｎ）／（２×Ｎｉ＋０．５×Ｓｉ）＜１０・・・・（３）
本発明に係る鋼材は、Ｃｕ、Ｓｎを同時に含有するため、熱間圧延(hot rolling)時の表面割れ(surface crack)が問題となる場合がある。ＮｉやＳｉはこのような表面割れを抑制する効果を有するため、表面割れを防ぐため（３）式を満足するように成分組成を調整する。後述するように、本発明において、Ｎｉは選択元素である。Ｎｉを含有しない場合は、（３）式におけるＮｉは０とする。本発明では（３）式の左辺を表面赤熱脆性(surface hot shortness)指標と称する。
なお、（１）式、（２）式および（３）式において、各元素は含有量（質量％）であり、含有しない元素は０とする。
以上が本発明の基本成分組成で、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、Ｎ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０１０％以下が許容できる。また、不可避的不純物としてＣａを含有する場合は、鋼中に多量に存在すると溶接熱影響部の靭性を低下させるため、０．００１０％以下が好ましい。
更に、特性を向上させる場合、選択元素として、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｓｂから選ばれる一種以上を添加することができる。
Ｎｉ：０．０１％以上、１．００％以下
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％以上含有する必要がある。一方、１．００％を超えて含有すると合金コストの上昇を招く。したがって、Ｎｉを含有する場合、含有量は０．０１％以上、１．００％以下とする。好ましくは、０．０１％以上、０．２０％未満、より好ましくは、０．０１％以上、０．１０％未満である。
Ｃｒ：０．０１％以上、１．００％以下
Ｃｒは、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、耐侯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、０．０１％以上含有することが必要である。一方、Ｃｒを過剰に添加すると溶接性が低下する。したがって、Ｃｒを含有する場合、含有量は０．０１％以上、１．００％以下とする。
Ｍｏ：０．００５％以上、１．０００％以下
Ｍｏは、鋼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基材（鋼）に到達するのを防止する。また、鋼界面にＭｏを含む化合物が沈殿することで、鋼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％以上含有する必要がある。一方、１．０００％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０．００５％以上、１．０００％以下とする。
Ｗ：０．０１０％以上、１．０００％以下
Ｗは、鋼のアノード反応に伴ってＷＯ４ ２−が溶出し、さび層中にＷＯ４ ２−として分布することによって、腐食促進因子の塩化物イオンがさび層を透過して基材（鋼）に到達するのを静電的に防止する。さらに、鋼界面にＷを含む化合物が沈殿することで、鋼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、０．０１０％以上含有する必要がある。一方、１．０００％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０．０１０％以上、１．０００％以下とする。
Ｃｏ：０．０１０％以上、０．５００％以下
Ｃｏはさび層全体に分布し、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％以上含有する必要がある。一方、０．５００％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０．０１０％以上、０．５００％以下とする。
Ｓｂ：０．００５％以上、０．２００％以下
Ｓｂは鋼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％以上含有する必要がある。一方、Ｓｂを過剰に含有すると靭性の低下を招く。したがって、Ｓｂを含有する場合、含有量は０．００５％以上、０．２００％以下とする。
更に、特性を向上させる場合、選択元素として、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｂから選ばれる一種以上を添加することができる。
Ｔｉ：０．００５％以上、０．２００％以下
Ｔｉは、強度を高めるために必要な元素である。この効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する必要がある。一方、０．２００％を超えると靭性の低下を招く。したがって、含有する場合、Ｔｉ含有量は０．００５％以上、０．２００％以下とする。
Ｖ：０．００５％以上、０．２００％以下
Ｖは、強度を高めるために必要な元素である。この効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する必要がある。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０．００５％以上、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必要な元素である。この効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する必要がある。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０．００５％以上、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必要な元素である。この効果を充分に得るためには、０．０００１％以上含有する必要がある。一方、０．００５０％を超えると靭性の低下を招く。したがって、含有する場合、Ｂ含有量は０．０００１％以上、０．００５０％以下とする。
更に、特性を向上させる場合、選択元素として、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｍｇから選ばれる一種以上を添加することができる。
ＲＥＭ：０．０００１％以上、０．０１００％以下
ＲＥＭはさび層全体に分布し、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％以上含有する必要がある。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０．０００１％以上、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(fix)して溶接熱影響部(weld heat-affected zone)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％以上含有する必要がある。一方、０．０１００％を超えると鋼中の介在物(inclusions)の量が増加し、かえって靭性の低下を招く。したがって、含有する場合、Ｃａ含有量は０．０００１％以上、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％以上含有する必要がある。一方、０．０１００％を超えると鋼中の介在物の量が増加し、かえって靭性の低下を招く。したがって、含有する場合、Ｍｇ含有量は０．０００１％以上、０．０１００％以下とする。
更に、特性を向上させる場合、選択元素として、Ｔａ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｈｆから選ばれる一種以上を添加することができる。
Ｔａ：０．００１％以上、０．１００％以下
Ｔａはさび層全体に分布し、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、０．００１％以上含有する必要がある。一方、０．１００％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、Ｔａ含有量は０．００１％以上、０．１００％以下とする。
Ｂｉ：０．００１％以上、０．１００％以下
Ｂｉはさび層全体に分布し、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、０．００１％以上含有する必要がある。一方、０．１００％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、Ｂｉ含有量は０．００１％以上、０．１００％以下とする。
Ｓｅ：０．００１％以上、０．１００％以下
Ｓｅは、鋼のアノード反応に伴って酸素酸イオンが溶出し、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基材（鋼）に到達するのを防止する。この効果を充分に得るためには、０．００１％以上含有する必要がある。一方、０．１００％を超えるとＳｅ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、Ｓｅ含有量は０．００１％以上、０．１００％以下とする。
Ｈｆ：０．００１％以上、０．１００％以下
Ｈｆはさび層全体に分布し、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、０．００１％以上含有する必要がある。一方、０．１００％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、Ｈｆ含有量は０．００１％以上、０．１００％以下とする。
本発明の耐候性に優れた鋼材は、上記成分組成を有する鋼を通常の連続鋳造(continuous cast)や分塊法(blooming)により得られたスラブを熱間圧延することにより厚板(steel plate)や形鋼(shaped steel)、薄鋼板(steel sheet)、棒鋼(bar steel)等の鋼材に製造され、得られる。
加熱、圧延条件は、要求される材質に応じて適宜決定すればよく、制御圧延(controlled rolling)、加速冷却(accelerated cooling)、あるいは再加熱熱処理等の組合せも可能である。
また、各元素の含有量は、スパーク放電発光分光分析法(spark discharge-emission spectrochemical analysis)、蛍光Ｘ線分析法(X-ray Fluorescence Analysis)、ＩＣＰ(Atomic Emission Spectrometry)発光分光分析法およびＩＣＰ質量分析法(Mass Spectrometry)、燃焼法(combustion method)等により求めることができる。
表１に示す成分組成の鋼を溶製し、１１５０℃に加熱した後、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(wet and dry cyclic corrosion test)を行い、裸使用時の耐候性を評価した。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(girder)内部の環境を模擬した腐食試験を行った。また、本評価試験では、高温環境を想定した。腐食試験の条件は以下の通りである。温度５０℃、相対湿度３５％ＲＨの乾燥工程を１５時間、その後、移行時間を１時間とった後、温度を３０℃、相対湿度を９５％ＲＨの湿潤工程を７時間として、その後１時間移行時間をとり、合計２４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０．０５ｍｄｄ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（試験片表面に付着する塩分量がＣｌ換算で５．６ｍｇとなるように調製した希釈人工海水溶液を週１回乾燥工程中にピペットで試験片表面へ滴下した。）。この条件にて、１２週間で８４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を求めた。この平均板厚減少量が１４μｍ以下であれば、耐侯性が優れていると評価した。

また、高温引張試験を実施し、鋼材の表面赤熱脆性(surface hot shortness)を評価した。先に述べた方法で試作した厚さ１２ｍｍの鋼板から、平行部の直径が６ｍｍで、評点間距離が１６ｍｍになる引張試験片を採取し、高温引張試験に供した。引張試験片の長さ方向と圧延方向の向きが同じになるように、引張試験片を採取した。 試験は、大気中、１０３０℃で１時間加熱した後、歪速度５／ｓ、変位量６ｍｍの条件で歪を与えた。試験後、試験片平行部を試験片中心を通るように長軸方向に切断し、断面を観察した。５０倍の倍率で１０視野観測し、割れの深さを調査した。割れの最大深さが１５０μｍ以下であれば、表面赤熱脆性(surface hot shortness)に問題がないと判断した。
表２に腐食量（平均板厚減少量μｍ）および高温引張試験での最大割れ深さを示す。表１、表２より、耐食性指標が０．０８以上、かつ表面赤熱脆性(surface hot shortness)指標の値が１０未満となる本発明鋼Ｎｏ．１〜２２、２６、２７は、平均板厚減少量が１４μｍ以下であり、また、高温引張試験での最大割れ深さも１５０μｍ以下であることから、優れた耐候性を有し、熱間圧延時の表面割れも問題が無いことがわかる。
一方、耐食性指標が０．０８未満である比較鋼Ｎｏ．２３は平均板厚減少量が１６．８μｍ、Ｎｏ．２４は平均板厚減少量が１４．５μｍ、比較鋼Ｎｏ．２５は平均板厚減少量が１４．９μｍであり、本発明鋼に比べ耐候性が劣っている。また、比較鋼Ｎｏ．２５は、表面赤熱脆性(surface hot shortness)指標が１６．４２と１０を超えており、最大割れ深さが１５０μｍを超えていることから、表面赤熱脆性(surface hot shortness)が著しいことがわかる。なお、表１において、耐食性指標は、式（１）、式（２）の左辺のうち値が大きいものを採用している。
Figure 2014181534
Figure 2014181534
次に塗装の耐久性を調査するため、鋼Ｎｏ．１、２、７、１２、１５、１７、１８、２０、２３について、以下の要領にて試験を実施した。
得られた鋼板から１５０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍの試験片を採取した。試験片は、表面を表面粗さがＩＳＯ Ｓａ ２．５となるようショットブラストを実施し、アセトン中で超音波脱脂を５分間行い、風乾して試験片とした。片面を塗装するための面とし、もう片面と端面は溶剤型のエポキシ樹脂塗料(solvent based epoxy resin paint)にてシールし、さらにシリコン系のシール剤(silicone sealant)にて被覆した。塗装は、表３に示す仕様にて実施した。塗装後、試験片の中央部に幅１ｍｍ、長さ７０ｍｍのクロスカットを入れ、初期欠陥を設けた。次いで、以下に示す条件にて腐食試験を実施した。ＪＩＳ Ｋ ５６２１に準拠し、塩水噴霧を０．５時間（５％ＮａＣｌ）、相対湿度９５％を１．５時間、５０℃の熱風乾燥を２時間、３０℃の温風乾燥を２時間とするサイクルとした。塗装系１は５０サイクル、塗装系２は１５０サイクル、塗装系３は２２０サイクルとした。腐食試験終了後、クロスカットからの塗膜膨れ幅(coating film blister)を１０点測定し、平均値を求め、塗装の耐久性の評価指標とした。塗膜膨れは、カットを中心に両側に膨れているが、その片側の幅を塗膜膨れ幅とした。塗膜膨れ幅の平均値が、塗装系１は１０ｍｍ以下、塗装系２および塗装系３は５ｍｍ以下であれば塗膜の耐久性に優れると判断した。
表４に塗膜膨れ幅の平均値を示す。表４より、本発明鋼では塗膜膨れ幅の平均値が塗装系１では１０ｍｍ以下、塗装系２および塗装系３では５ｍｍ以下であり、塗膜の耐久性に優れることがわかる。一方、比較鋼では、塗膜膨れ幅の平均値が塗装系１では１０ｍｍ、塗装系２および塗装系３では５ｍｍをそれぞれ超えており、塗膜の耐久性に劣ることがわかる。
Figure 2014181534
Figure 2014181534

Claims (6)

  1. 成分組成が、質量％で、
    Ｃ：０．０３０％以上、０．２００％未満、
    Ｓｉ：０．１０％以上、１．００％以下、
    Ｍｎ：０．２０％以上、２．００％以下、
    Ｐ：０．００３％以上、０．０３０％以下、
    Ｓ：０．０００１％以上、０．０２０％以下、
    Ａｌ：０．００１％以上、０．１００％以下、
    Ｃｕ：０．０１％以上、０．５０％以下、
    Ｎｂ：０．００５％以上、０．２００％以下、
    Ｓｎ：０．００５％以上、０．２００％以下、
    さらに、少なくとも（１）式、（２）式のいずれかを満足するとともに、（３）式を満足し、残部が鉄および不可避的不純物からなることを特徴とする耐候性に優れた鋼材。
    （Ｃｕ−０．０１）×（Ｓｎ−０．００５）×（Ｎｂ−０．００５）×１０４≧０．０８ （１）
    （Ｃｕ−０．０１）×（Ｎｉ−０．０１）×（Ｃｒ−０．０１）×５０≧０．０８ （２）
    （Ｃｕ＋１０×Ｓｎ）／（２×Ｎｉ＋０．５×Ｓｉ）＜１０ （３）
    ここで、各元素記号は含有量（質量％）を示し、含有しない元素は０とする。
  2. さらに、質量％で、
    Ｎｉ：０．０１％以上、１．００％以下
    Ｃｒ：０．０１％以上、１．００％以下、
    Ｍｏ：０．００５％以上、１．０００％以下、
    Ｗ：０．０１０％以上、１．０００％以下、
    Ｃｏ：０．０１０％以上、０．５００％以下、
    Ｓｂ：０．００５％以上、０．２００％以下、
    から選ばれる一種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐候性に優れた鋼材。
  3. さらに、質量％で、
    Ｔｉ：０．００５％以上、０．２００％以下、
    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ことを特徴とする請求項１または２に記載の耐候性に優れた鋼材。
  4. 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ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の耐候性に優れた鋼材。

  5. さらに、質量％で、Ｔａ：０．００１％以上、０．１００％以下、
    Ｂｉ：０．００１％以上、０．１００％以下、
    Ｓｅ：０．００１％以上、０．１００％以下、
    Ｈｆ：０．００１％以上、０．１００％以下、
    から選ばれる一種以上を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の耐候性に優れた鋼材。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の組成を有する鋼材の表面に、塗膜を有することを特徴とする耐候性に優れた鋼材。
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