KR100319302B1

KR100319302B1 - 내식성(耐食性)이 우수한 강재 및 이 강재를 이용한 구조물

Info

Publication number: KR100319302B1
Application number: KR1019990034789A
Authority: KR
Inventors: 유세후미오; 나카야마다케노리; 칸토시아끼
Original assignee: 구마모토 마사히로; 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-08-21
Publication date: 2002-01-04
Also published as: US6218027B1; CN1207439C; CN1264755A; MY123028A; KR20000056969A

Abstract

통상의 탄소강과 저합금강으로서도, 도장되거나 또는 무도장으로 사용되는 구조재로 적합한, 재현성이 양호하고 내식성이 우수한 강재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 강재는 강 표면이 Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 중의 하나 또는 둘 이상을, 합계 0.01 중량% 이상 함유하고, 녹의 α- FeOOH성분 및 비정질 성분의 분율이 35 중량% 이상이고 녹의 β- FeOOH성분의 분율이 20 중량% 이하인 녹에 의해 피복되어 있는 강재이다.

Description

내식성(耐食性)이 우수한 강재 및 이 강재를 이용한 구조물 {Steel excellent in anticorrosion and steel structures thereof}

본 발명은, 특히 교량 등 유지관리의 수행이 곤란한 구조물에 사용되고, 도장(塗裝)되거나 또는 무도장(無塗裝)으로 사용되는 구조재로 사용하기에 적합한 내식성이 우수한 강재및 이 강재를 사용한 구조물에 관한 것이다.

예를 들면, 산간지방이나 해안지대에서 염수(鹽水)와 녹은 눈이 품고 있는 염기 등의 염분부식환경 하에 있는 다리 등의 교량구조물에 사용되는 강재는, 내식성의 향상을 위해 종래부터 도장되어 사용되고 있다. 그러나, 이 도장도막은 반드시 시간이 지나면 열화되기 때문에(劣化), 계속적인 내식성의 유지를 위해 일정주기마다 다시 도장하여 유지관리를 해야 할 필요성이 있다.

한편, 근래에, 이들 교량으로서는, 종래의 다수항교량(多數桁橋梁)에 대신하여, 2주항교량으로 대표되는 주항(主桁)의 수가 적은 소수주항교량이 많이 사용되고 있다. 이 소수주항교량은 다수항교량에 비교하여 사용강재량(무게)과 교재편수(橋材片數)의 삭감이 가능하고, 시공성도 좋으며, 환경보호와 공사기간 단축이라는 점에서도 이점을 지닌다. 그리고, 이와 같은 소수주항교량에는, 교량설치 후의 유지관리의 부하 및 비용의 최소화와 교량 자체의 고수명화(高壽命化)가 강하게 요구되고 있다.

따라서, 이러한 소수주항교량 등을 포함하여, 철탑과 건축물 등의 구조물용 강재의 경우, 상기 염분부식환경 하에서, 도장하지 않고 사용되는 경우이거나 또는 도장되어 사용되더라도 사용 중에 도장피막이 열화(劣化) 내지 파괴되는 경우의 그 어느 것이든 교량설치 후에는 유지관리가 불필요하도록 높은 내식성을 가진 강재가 강하게 요구되고 있다.

종래, 이러한 종류의 강재의 내식성 향상을 위해, 모재(母材)인 강재상의 개선기술이 여러가지 제안되고 있다. 예를 들면, 대표적인 예로서, P : 0.15 % 이하와 Cu : 0.2 ~ 0.6 %, Cr : 0.3 ~ 1.25 %, Ni : 0.65 % 이하를 함유한 내후성 강(耐候性鋼)을 들 수 있다. 이 내후성 강은 공업표준규격 KS D 3529(용접구조용 내후성 열간압연강재) 혹은 공업표준규격 KS D 3542(고내후성 압연강재)의 두 종류가 규격화 되어 있다. 이 내후성 강은, 상기 미량원소의 작용에 의해, 강재의 사용 중에 강 표면에 생성된 녹이, 높은 내식성을 지닌 치밀한 안정녹층 즉, 내후성 녹층으로 되는 자기방식기능(自記防食機能)을 지니고 있다. 그리고, 이러한 성질을 가진 내후성 강은, 상기 교량 등의 구조물에 있어 여러가지 정비가 불필요한 구조재로서 기본적으로 무도장(無塗裝)으로 사용되어 왔다.

그러나, 염분부식환경 하에서는, 염분의 작용으로, 내후성 강의 특징인 상기 안정녹층(安定層)이 형성되기 어려워진다. 그리고, 이 안정녹층이 형성되어 있지 않으면, 상기 내후성 강의 내식성은 현저하게 떨어지고 만다.이것은, 상기 염분이 많은 부식환경 하에서는, 강의 부식에 따라, 녹의 피막 중의 pH가 특히 저하하는 것에 기인하고 있다. 즉, 통상, 강의 부식이 약간이라도 시작되면, 우선, Fe →Fe²⁺+ 2e^-와, 이에 이어서 Fe²⁺+ 2H₂O →Fe(OH)₂+ 2H⁺로 되는 반응에 의해, 강 표면의 pH는 저하하고, 녹의 피막 중 또는 녹의 피막과 강과의 경계면의 pH도 저하한다. 그리고, 이들의 pH가 일단 저하하면, 전기적으로 중성을 유지하기 위해 녹의 피막 중의 염소이온의 수율(輸率)이 증대하고, 염소이온의 농축이 녹의 피막과 강과의 경계면에서 생성된다. 그 결과, 이 경계면 부분에 염산 분위기가 형성되어, 강의 부식을 촉진하게 되는 것이다. 또한, 이와 동시에, 녹의 피막 중의 pH의 저하에 의해 철이온의 용해도가 커지고, 내후성 강 등 내식저합금강(耐食低合金鋼)의 방식기구(防食機構)상의 핵심인 상기 안정녹층의 형성을 저해하는 현상도 생기며, 부식이 가속되는 상황이 형성된다.

이 때문에, 상기 녹의 피막 중의 pH의 저하를 방지하기 위해, 내후성 강의 표면을 알칼리화 하고, 상기 부식이 가속화되는 상태를 방지하는 기술이 제안되고 있다. 보다 구체적으로는, 내후성 강의 표면을 알칼리화 하는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba 등의 산화물을 미리 강 중에 분산시켜 놓고, 상기 강의 부식반응과 동시에 이들 화학성분의 산화물을 작용시켜, 강 표면의 pH의 저하를 억제하는 방법이 예컨데 특개소58-25458호 제 2572447호 공보 등에서 제안되고 있다.

이들 산화물을 첨가하여, 부식이 가속되는 상황의 형성을 방지하는 기술은, 외부로 부터의 염분 등의 영향을 억제하는 점에서는 확실히 효과가 있다. 그러나 이 또한 상기 안정녹층 자체를 형성하는 것은 상기 내후성 강과 마찬가지로 곤란하거나 한계가 있고, 충분한 내식성을 얻을 수 없는 것이 실정이다. 또한, 강 중에 첨가한 산화물 자체가 용접성과 강도 등의 특성에 악영향을 미칠 우려도 있다.

이 때문에, 강재의 내식성 향상이라는 과제에 대해, 상기 강재의 성분조성 측에서의 개선이 아닌, 강재의 표면처리에 의해 이 안정녹층 자체를 형성하는 기술이 여러가지 제안되고 있다. 예를 들면, 특개평06-93467호 공보에는, 강 표면을 0.3 중량% 이상의 Cr, Cu, P, Ni 중의 하나 또는 둘 이상을 함유하는 α- FeOOH 로 이루어진 녹으로 피복되는 것, 그리고 이 녹을 형성하기 위해 Cr, Cu, P, Ni 이온을 함유한 수용액을 강재 표면에 도포하는 기술이 나타나 있다.

또한, 특개평09-125224호 공보에는, 강을 열처리함에 의해, 강 표면을 30 nm~ 200 ㎛의 헤마타이트(Hemitite : αFe₂O₃)로 이루어진 녹으로 피복하는 기술이 나타나 있다.

이들 강재의 표면처리와 열처리에 의해 안정녹층 자체를 형성하는 종래의 기술은, 안정녹층의 성분과 조성 자체에 착안했다는 점에서 주목되어야 할 기술이다. 즉, 상기 내후성 강과 산화물 분산강 등에서는, 첨가원소를 많이 함유하고, 강재시공 시의 용접성과 용제, 압연 등의 강재제조시의 효율이, 통상의 강에 비하여, 필연적으로 저하된다. 또한 제조효율의 저하와 더불어 첨가원소를 많이 함유함에 따라 강재제조비용도 높게 형성되고 아울러 용접성이 저하하는 만큼, 강재시공비용도 높게 매겨진다. 따라서, 이들 내후성 강을 사용하지 않고도, 통상의 탄소강과 저합금강을 사용하여, 안정녹층의 성분과 조성으로 강재의 높은 내식성이 실현가능하게만 된다면, 상기 제조효율과 비용, 혹은 시공효율과 비용의 면에서도 많은 이점을 얻을 수 있다.

그렇지만, 상기 특개평06-93467호 공보와 같은 0.3 중량% 이상의 Cr, Cu, P, Ni 중의 하나 또는 둘 이상을 함유하는 α- FeOOH 로 이루어진 녹과, 상기 특개평09-125224호 공보와 같은 헤마타이트(Hemitite : αFe₂O₃)으로 이루어진 녹은, 상기 염분부식환경 하에서 무도장으로 사용하거나, 혹은 도장하여 사용했을 때라도 도장피막이 열화 내지 파괴된 경우에는 반드시 고내식성이 발휘되지는 않는다는 것을 본 발명자는 알게 되었다. 그리고, 이 원인으로서, 상기 각 피막(녹층)의 생성방법이 용이하지 않고, 생성을 위한 화학처리와 열처리를 행했다 해도, 재현성(再現性)이 양호하거나 높은 내식성이 발휘되지 않는 것도 알게 되었다.

따라서, 본 발명은 이들 종래의 강재의 표면처리와 열처리에 의해 안정녹층 자체를 형성하는 기술상의 문제에 비추어, 통상의 탄소강과 저합금강이더라도, 도장 또는 무도장으로 사용되는 구조재에 적합한, 재현성 좋고 내식성이 우수한 강재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에서 규정한 녹 중의 Ti 함유량과 판 두께 감소량과의 관계를 나타난 설명도이다.

도 2는 본 발명에서 규정한 녹 중의 Ti 함유량(미량의 범위)과 판 두께 감소량과의 관계를 나타낸 설명도이다.

도 3은 본 발명에서 규정한 녹 중의 Ti 함유량(미량의 범위)과 판 두께 감소량과의 관계를 나타낸 설명도이다.

도 4는 본 발명에서 규정한 녹의 미세구멍의 직경(細孔徑)과 판 두께 감소량과의 관계를 나타낸 설명도이다.

이를 위한 본 발명의 요지는, 강 표면이 Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 중의 하나 또는 둘 이상을, 합계 0.01 중량% 이상, 바람직하게는 0.05 중량% 이상 함유하고, 녹의 α- FeOOH 성분 및 비정질 성분의 분율(分率)이 35 중량% 이상이고, 녹의 β- FeOOH 성분의 분율이 20 중량% 이하인 녹에 의해 피복되도록 하는 것이다.

이와 같은 요지로 함으로써, 구조물의 사용 중에 강재 표면에 생성되는 녹을 염분부식환경 하에서도, 치밀한 안정녹층으로 하는 것이 가능하고, 높은 내식성을 지니는 것이 가능해진다.

본 발명자들은, 강재 표면에 생성된 녹의 성분ㆍ조성과, 염분부식환경 하에서의 내식성과의 관계에 대해 검토했다. 그 결과, 강재 표면 내지는 강재녹층에, Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 중의 하나 또는 둘 이상을 함유케 하면, 염분부식환경 하에서의 고내식성을 재현성 좋게 발휘할 수 있는 것을 알게 되었다.

즉, 강재 표면 내지 강재녹층에, Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 중의 하나 또는 둘 이상을 함유 내지는 존재시키면, 그 후, 이 강재 표면 내지 강재녹층에 대기환경 하에서 생성된 녹이, 이들 원소를 함유함으로써, 염분부식환경 하에서도, 미세하고 치밀한 α- FeOOH 녹과 비정질의 녹으로 생성되고 아울러, 이 과정에서, β- FeOOH의 발생이 강하게 억제되는 것을 알게 되었다.

이들 Ti 등의, 녹 생성에 대한 작용은, 녹의 생성ㆍ성장단계에서 이온, 콜로이드(colloide)적인 성질을 지닌 미세화합물 입자 또는 미세석출물(Ti 또는 Ti이온이 산화, 가수분해 등에 의해 생성된 Ti의 수산화물, 옥시 수산화물, 산화물 혹은 그 밖의 물질원소와의 반응 생성물) 등의 형태로 영향을 끼치고, 녹의 결정구조를 혼란시키고, 성장을 억제하여, 녹의 결함부분을 메우는 등의 작용에 의해, 부식과 박리의 기점이 되는 것을 억제하는 것으로 추정된다.

그러나, 상기 Ti 등을 함유한 내식성이 우수한 녹의 조성을, X선 회절법에 의해 구한 결과, 강재 표면 내지는 강재녹층에 미세하고 치밀한 α- FeOOH 녹과 비정질의 녹이 생성됨과 아울러, β- FeOOH 의 발생이 강하게 억제되고 있기 때문에, 염분부식환경 하에서의 고내식성을, 특히 재현성 좋게 발휘할 수 있는 것을 알게 되었다. 보다 구체적으로는, 내식성 향상에의 기여는, ① β- FeOOH 의 억제, ②비정질의 녹의 분율, ③ α- FeOOH 녹의 분율의 순으로 크고, 이 중에서도 특히, ①과 ②의 효과가 크다.

즉, 녹 중에서도, α- FeOOH성분 및 비정질 성분의 분율이 바람직하게는 35 중량% 이상이고, β- FeOOH 성분의 분율이 바람직하게는 20 중량% 이하인 녹이, 염분부식환경 하에서의 고내식성을 재현성 좋게 발휘할 수 있다. 그러나 α- FeOOH 성분 및 비정질 성분의 분율이 동일한 35 중량% 이상이더라도, 비정질의 녹의 분율이 높은 쪽이 보다 내식성이 우수하다. 또한, α- FeOOH 성분 및 비정질 성분의 분율이 35 중량% 이상인 것보다도, β- FeOOH 성분의 분율이 바람직하게는 20 중량% 이하로 낮은 쪽이 녹의 고내식성화에 기여한다.

상기 특개평06-93467호 공보에서는, 강재 표면에 생성되는 녹층의 성분으로서는, 치밀한 α- FeOOH 의 것이 바람직하다고 나타나 있다. 그러나, 보다 재현성 좋게 고내식성을 발휘하기 위해서는, 상술한 대로, 이 치밀한 녹 중에, β- FeOOH를 존재시키지 않는 것, 바꿔 말하면 β- FeOOH 의 생성을 강하게 억제하는 편이 중요하다. 이 β- FeOOH 을 존재시키지 않는 점, 존재시키더라도 고내식성에 악영향을 끼치지 않는 점, β- FeOOH 의 생성ㆍ성장을 강하게 억제하고, 치밀한 녹의 형성을 촉진하는 점이 본 발명의 큰 특징이다.

따라서, 상기 특개평06-93467호 공보에서도, α- FeOOH 녹에 착안하고 있는 것이지만, 상기 염분부식환경 하에 있어서 강재가 사용되는 경우에, 혹은 도장되어 사용된 때에 도장피막이 열화 내지 파괴된 경우에, 반드시 고내식성이 발휘되지는 않는 이유는, 상기 공보에서는 착안하고 있지 않은, 이 녹 중의 β- FeOOH 의 발생에 기인한 것이라고 생각된다.

즉, 녹 중의 비정질과 α- FeOOH 의 성분비율이 아무리 높아도, 특히 부식을 촉진하기 쉬운 β- FeOOH 가 존재한다면, 이 β- FeOOH 가 기점이 되어 부식이 진행된다. 그리고, 이 현상은, 특히 염분부식환경 아래에서는 현저해진다. 따라서, 이 β- FeOOH 을 어떻게 억제할 것인가가, 안정녹층이 고내식성을 발휘할 수 있을지의 여부가 결정된다.

이 점, Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 중의 하나 또는 둘 이상을, 그리고 이 중에서도 특히 Ti을 0.01 중량% 이상, 바람직하게는 0.05 중량% 이상, 보다 바람직하게는 0.1 중량% 이상 녹 중에 함유되어, 강재의 사용 중에 생성된 녹의 비정질과 α- FeOOH의 비율을 높게 하여, 미세하고 치밀한 녹을 형성함과 함께 β- FeOOH 을 억제한 안정녹층을 형성한다. 그리고, 이 결과, 특히 염분부식환경 하에 있어서 높은 내식성을 발휘한다.

(발명의 실시형태)

우선, 본 발명에 있어서 녹 중에 함유시킨 Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 의 의의에 대해 상술한다. Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 중의 하나 또는 둘 이상을 0.01 중량% 이상 녹 중에 함유함으로써, 강재의 사용 중에 생성되는 녹의 비정질과 α- FeOOH 의 비율을 높게 하여, 미세하고 치밀한 녹을 형성함과 함께, β- FeOOH 을 억제한 안정녹층을 형성할 수 있고, 이 결과, 특히 염분부식환경 하에 있어서 높은 내식성을 발휘한다. 강재의 사용 중에 생성된 녹이 치밀할수록, 염화물 이온 등의 부식인자의 침입을 저지하는 효과가 높아진다.

상기, Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 의 미세하고 치밀한 녹의 형성효과와 β- FeOOH 의 억제효과의 메카니즘은, 아직 명확하지는 않다. 단지, ① 강 중에 형성된 이들 금속의 미세한 탄화물과 질화물의 미세입자가, 지철(地鐵)의 부식용해 시에 용액 중에 배출되고, 이들 입자가 철녹(FeOOH)의 핵으로서 작용하거나 또는 ② 녹의 발생 시의 강이 용해할 때에, Ti 등도 이온으로서 용출하고, 이들 금속이온이 산화, 가수분해 등에 의해, 미소한 코로이드 내지는 수산화물을 형성하여, 이들이 생성된 녹의 핵이 되는 것이라고 생각된다. 즉, 상기 ①과 ② 등의 핵의 존재 자체가 β- FeOOH 등과 같이, 거칠어서 자칫 박리하기 쉬운 결정질의 녹의 발생, 성장을 저해하여 억제하여, 안정적이고 치밀한 비정질의 녹 형성을 촉진하는 것이라고 생각된다.

이들의 Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 의 효과는, 이들의 원소 중의 하나 또는 둘 이상을, 합계(총량) 0.01 중량% 이상, 바람직하게는 0.05 중량% 이상, 보다 바람직하게는 0.1 중량% 이상 녹 중에 함유함에 의해 그 효과가 현전히 발휘된다. 단, 50 중량%를 넘게 함유하더라도 효과는 동일하고, 강재의 사용조건에 따라서는, 녹과 강재 표면과의 밀착성을 저하시키는 등, 오히려 내식성을 저하시킬 가능성이 생긴다. 따라서, 상한량은, 합계(총량) 50 중량% 정도로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 이들 원소 중에서도, 후술하는 것과 같이, Ti의 내식성 향상 효과가 가장 크다. 따라서, 단독 내지는 복합으로 이들 원소를 녹에 함유시킬 경우에는, Ti을 필수로 하는 것이 바람직하다. 또한, Ti을 포함시키지 않고, Nb, Ta, Zr, V, Hf 중의 하나 또는 둘 이상을 녹에 함유시킬 때에는, Ti을 기준으로 하여 설정한 경우의 함유량보다도 더 많이 함유시키는 것이 내식성의 효과를 확실히 발휘하는데 바람직하다.

또한, 본 발명상의 녹의 Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 이외의 함유원소에 대해서는, 이들 원소의 효과 내지는 본 발명이 의도하는 녹의 생성을 저해하지 않는 범위 내에서 그리고, 다른 원소의 불순물로서의 함유는 허용된다. 여기에서, 그 밖의 원소로서는, 상기 특개평06-93467호 공보에 나타나 있는 Cr, Cu, P, Ni 중의 하나 또는 둘 이상을 함유해도 좋다. 이들 원소만으로는, 녹의 내식성을 확실히 향상시킬 수 없지만, 본 발명의 Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 의 원소와 조합시켜, 녹 중에 0.3 중량% 이상 함유시켜 사용함에 의해, 녹의 비정질화와 β- FeOOH 의 생성억제에 기여하는 복합효과를 지니는 것이 기대된다.

다음으로, 본 발명에 있어서 녹의 성분ㆍ조성에 대해 이하에서 설명한다. 본 발명에서는, 녹의 주성분이 비정질의 녹으로 이루어지고, β- FeOOH 가 적은 것으로 하는 것이 바람직하다. 통상, 강재 표면에 생성된 철녹의 주요한 성분은, α- FeOOH, β- FeOOH, γ- FeOOH 및 Fe₃O₄의 결정성을 가진 녹과, 비정질의 녹의 5 가지 종류로 이루어진다. 이 중, 비정질의 녹은, 결정성의 녹보다도 극히 미세하고 치밀한 안정녹층을 형성한다. 그러면서도, 예를 들어, 강재의 사용 중에 결정성의 녹에 의해 녹의 피막으로서의 「결함부분」이 형성되었다고 해도, 비정질의 녹 부분이 이 결손을 보충하고,「결함부분」을 감소시키는 「결함보수기능」도 지닌다. 이 결과, 강재의 장기간의 내식성을 보장한다. 따라서, 철녹 중의 비정질의 녹의 비율(비정질도)가 높을수록, β- FeOOH 가 적고, 이어서 결정성의 녹 성분의 내에서도 미세하고 치밀한 α- FeOOH 의 비율이 높을수록, 높은 내식성을 지닌다. 또한, 이들 치밀한 녹은, 더욱이 강재가 도장되어 사용된 경우에, 도장피막과의 밀착성을 양호하게 하고, 강재의 장기간의 내식성을 보장한다. 이 때문에, 본 발명에서는, 바람직한 조건으로서, 강재 표면에 생성된 녹의, X선 회절법에 의해 구한 비정질 성분 및 α- FeOOH 성분의 분율을 35 중량% 이상으로 규정한다.

한 편, 이 외의 녹, 특히 β- FeOOH 등의 결정성을 가진 녹은, 녹 중의 상기 비정질의 비율이 높아도, 이 녹이 기점이 되어 부식을 진행시키기 때문에, 강력하게 억제할 필요가 있다. 이 때문에, 본 발명에서는, 바람직한 조건으로서, 강재 표면에 생성된 녹의, X선 회절법에 의해 구한 β- FeOOH 성분의 분율을 20 중량% 이하로 규제한다. 녹의 비정질 성분 내지는 α- FeOOH 성분의 분율이 35 중량% 미만, 그리고 β- FeOOH 성분의 분율이 20 중량%를 넘는 경우에는, 상기 β- FeOOH, γ- FeOOH 및 Fe₃O₄등의 결정성이 거친 녹 성분이 많아지고, 강재 표면의 녹이 치밀한 안정녹층을 형성하지 않기 때문에, 강재의 고내식성을 보증할 수 없게 될 가능성이 있다.

여기서, 강재 표면에 생성된 녹의 상기 치밀성의 평가도, 내식성에 대한 평가로서 중요해 진다. 즉, 실제의 내식성 시험은 주지한 대로 장시간을 필요로 하기 때문에, 대상 강재의 평가를 단시간으로는 할 수 없다. 이 녹의 치밀성의 평가로서, 본 발명자들은, 분자흡착법을 이용하고, 이 분자 흡착법에 의해 측정된 녹의 미세구멍의 직경이 작은 쪽, 즉, 미세한 구멍의 크기(지름)가 작은 쪽이 치밀한 녹이라고 평가할 수 있는 것도 알게 되었다.

녹의 치밀성 평가 방법으로서 권장되는 분자흡착법은, 기체흡착법의 일종으로, 다공체(多孔體)의 미세공에의 질소의 흡착등온선(吸着等溫線)을, 자동용량흡착장치를 이용하여, 액체질소온도(°K)로 측정하고, 이 흡착등온선보다, t-플롯트법에 의해, 다공체의 미세공의 미세구멍의 직경(細孔徑)과 세공경 분포를 계산하여 구하는 것이다. 이것은, 액체질소온도(77.4°K)에서의 질소가 다공체의 미세공의 표면을 완전히 적심으로써, 켈빈식에 의해 미세구멍의 직경을 구하는 것이다. 그리고, 이 방법 자체는 「화학 세미나 16, 흡착의 화학」(마루젠 서점, 1991년 7월 30일 발행) 등에서 공지되어 있다.

본 발명에서 말하는 강재 표면에 생성된 녹의 치밀성이라는 것은, 녹의 응집성으로, 이 응집상태(응집정도)는, 녹의 입자끼리의 간격(격간)의 크기로 평가할 수 있다. 그리고, 이 녹의 입자끼리의 간격을, 분자흡착법에 의해 상술한 미세구멍의 직경으로서 측정할 수 있는 것도, 본 발명자들은 알게 되었다. 즉, 분자흡착법을 이용하여 측정한 미세구멍의 직경은, 녹의 응집정도에 대응하는 녹의 입자끼리의 간격에 잘 대응하고 있고, 녹을 입체적인(전체적인) 구조로 분석할 수 있다. 이 점에서, 본 발명에서 말하는 녹의 미세구멍의 직경이라는 것은, 실질적으로는 상기 분자흡착법으로 측정된 미세구멍의 직경이고, 본질적으로는 녹의 입자끼리의 간격(격간)을 말한다.

이 분자흡착법에 의해 평가되는, 녹의 미세구멍의 직경이 촘촘할수록, 즉, 녹이 치밀할수록, 부식성 물질이 침입하기 어렵고, 내식성이 향상된다. 이에 착안하여, 본 발명에서는 녹의 미세구멍의 직경을 3 nm 이하, 바람직하게는 2 nm 이하, 보다 바람직하게는 1 nm 이하를 바람직한 상태로 규정한다. 더구나, Ti 등의 원소는 녹을 미세하게 하고, 치밀하게 하는 작용이 있기 때문에, 미세구멍의 직경을 작게 하기 위해서는, 이들 원소의 함유량을 증대시키면 좋다. 녹의 미세구멍의 직경이 3nm을 초과할 정도로 크게 되면, 내식성 물질이 침입하기 쉬워지고, 녹의 상기 내식성이 저하된다.

분자흡착법에 있어서는, BET 플롯트에 의해 구할 수 있는 비표면적(比表面積)도, 녹의 입자의 지름(크기)의 측면에서, 녹의 치밀도를 나타내는 지표가 된다. 이 비표면적에 착안하여, 바람직하게는 10 ㎡/g 이상, 보다 바람직하게는 50 ㎡/g으로 내식성이 향상된다. 그리고, X선 회절법으로 구해진 녹의 입경(粒徑)(결정자 크기)도 50 nm 이하, 더욱이 20 nm 이하의 미세한 것이 바람직하다.

이와 관련하여, 녹의 입자끼리 지닌 간격을 투과형 전자현미경(TEM)으로 측정할 수 있다. 그러나, 이 TEM으로는, 국소영역의 정보 밖에 얻을 수 없고, 녹을 입체적(전체적인)인 구조로 파악할 수 없다는 점에서, 분자흡착법에 비하여 떨어진다. 이 때문에, TEM에 의해 강재 표면의 녹을 재현성 좋게 평가하기 위해서는, 다수의 점(point)의 측정이 필요하고, 이 측정과 평가에 많은 수고와 시간을 필요로 한다는 문제가 있다.

그러나, 본 발명에서, 강재 표면에 생성된 녹의, 높은 내식성이라는 것은, 염분부식환경 하에서의 강재의 내식성이다. 따라서, 상기 분자흡착법에 의한 녹의 치밀성의 평가도 중요해지지만, 품질의 보증 등 실제 문제로는, 높은 내식성을 보증하기 위해 강재의 대기노출시험, 그것도 염분부식환경 하를 가정한 염수 산포(散布)(예를 들면, 주 1 회의 0.1 ~ 5.0 % 염수 산포)를 함유한 대기에 노출된 후의 강재의 내식성으로 평가할 필요가 있다.

또한, 상기 녹의 비정질도를 측정하는 수단으로는, 「부식방식(腐食防食) 95 C-306(341 ~ 344 페이지)」의 「분말 X선 회절법에 의한 철녹 성분의 정량화 및 그 응용」에 나타난 분말 X선 회절법이 유효하다. 이 문헌에서는 내후성 강재를 대상으로 분말 X선 회절법에 의해, 강재 표면의 상기 철녹 성분의 정량화를 시험하고, 철녹 중 비정질의 녹의 비율(비정질도)이 높을수록, 치밀한 안정녹층이 되는 내식성 개선모델을 뒷받침하고 있다. 그리고, 보다 구체적인 분말 X선 회절법으로, 이문헌에서는, 내부표준물질로서 일정 중량비의 CaF₂혹은 ZnO 등을 강재로부터 채취한 녹 시료에 혼합하여 분말화한 것을 통상의 X선 회절법에 의해 정하고, 상기 5 종류의 녹 각각의 고유의 회절 피크의 적분강도비와, 미리 구한 각각의 녹 성분의 검량선(檢量線)으로부터, 각각의 결정성의 녹 성분의 정량화를 행하고, 녹의 합계량으로부터 이들 각각의 결정성의 녹 성분량을 빼서 비정질 성분의 비율을 산출하고 있다. 이것은, 비정질 성분 자체의 회절 피크의 적분강도비가 구하기 어렵고, 정량화하기 어렵기 때문이다. 더구나, 동문헌에서는, 내부표준물질로서 ZnO가 신뢰성이 높다고 하고 있다.

이와 관련하여, 동문헌에도 나타나 있는 대로, X선 회절법 이외의, 적외분광분석법 등의 다른 분석법에서는, 녹 성분의 정성(定性)적인 분석은 가능하지만 정량(定量)적인 분석은 곤란하고, 녹 성분의 확립된 정량분석법이 없다. 따라서, 본 발명에서 말하는 강재 표면의 녹의 비정질도라는 것은, 이 X선 회절법, 특히 상기 문헌에 나타난 ZnO를 내부표준물질로 사용한 분말 X선 회절법에 의해 정량적으로 측정한 것을 말한다.

다음으로, 본 발명의 치밀한 안정녹층을 형성하는 방법에 대해 설명한다. 우선, 구조재로서의 사용 전, 혹은 사용 중의 강재 표면에, 세정, 청정화, 표면 연마 등의 적당한 처리를 행한다. 이들의 처리는, 강재 표면을 거울같이 반들거리게(鏡面化)하는 등의 목적에서 행하는 것이기 때문에 단순한 청정화까지 강재에 요구되는 표면상황에 의해, 적절히 선택적으로 행하면 좋다. 또한, 물론, 이들의 처리가 없어도 좋다.

그리고, Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 의 각 이온, 미세입자, 혹은 미세화합물을 단독 내지는 복합하여 함유한 수용액과 혼합액, 또는 이들 이온에 더하여 Cr, Cu, P, Ni 이온을 함유한 수용액 등의 용액을, 강재 표면에 도포, 혹은 강재를 용액과 혼합액 속에 침지하는 등의 화학적인 처리에 의한 방법에 의해, 강재 표면 내지는 강재 녹층에, Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 중 하나 또는 둘 이상을 함유 내지 존재시킨다. 이 때, 다른 원소에 비교한 상기 Ti의 치밀한 녹의 형성효과의 우위성으로부터 용액이 Ti 이온 또는 Ti 산(酸)이온을 함유하는 것이 바람직하다. 그리고, 이들 이온 또는 이들의 원소의 산(酸)이온을 함유시킬 경우에는, 용액의 안정성과 취급성의 점에서, 이들 원소의 유산염(硫酸鹽), 염화물을 사용하는 것이 바람직하다. 더구나, 상기 Ti, Nb 등의 미세입자, 혹은 미세화합물을 사용하는 경우에는, 내식성 향상의 점에서, 직경 평균 칫수가 50 nm 이하, 25 nm 이하, 더욱이는 15 nm 이하로,미세한 쪽이 바람직하다. 또한, 산화물, 탄화물, 질화물 혹은 이들을 기초로 한 복합화합물 등이 바람직하다. 각 이온과 미세입자, 혹은 미세화합물을 적절히 공존시키면, 한 층 더 내식효과를 발휘한다.

상기 화학적 처리방법에 대해, 용액을 강재 표면 내지는 강재 표면의 녹층에 접촉시키는 방법은, 용액을 강재에 대해 도포하는 방법이 가장 간편하다. 단지, 사정과 형편에 따라, 강재를 용액 속에 침지하는 등의 통상의 용액처리 방법이 적절히 선택된다. 또한, Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 의 각 미세입자 혹은 미세화합물의 경우에는, 강재 표면 내지는 강재 표면의 녹층에 고체상태로 직접 도포하는 방법도 있지만, 취급성의 점에서는 용액화 내지는 혼합액화하는 것이 바람직하다.

또한, 이 화학적인 처리방법 이외의 처리방법에 대해, 스팻터링과 증착(蒸着) 등에 의해, 이들 원소를 강재 표면에 농축 내지는 존재시키는 기상(氣相)코팅방법, 혹은 이들 원소를 함유함과 함께, 이들 원소를 표면에 농축한 강재를 사용하는 방법에 의해, 본 발명의 치밀한 안정녹층을 형성하는 소지가 되는, Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf를 존재시킨 강재 표면을 형성하는 등의 방법이 있다.

단지, 강재에 함유시킨 원소를 열확산 등에 의해, 녹 중에 이행시키는 방법으로는, 강재의 이들 원소량과 표면 농축량을 높게 하는 것이 어렵고, 또한 높게 했기 때문에 용접성과 기계적 성질 등의 다른 특성을 저해할 우려가 생긴다. 더욱이는, 원소량과 표면 농축량을 높인다 해도, 소정량(하한량 이상)의 원소를 녹 중에 함유시키는 것이 어렵다. 그리고, 통상의 탄소강과 저합금강을 사용할 수 있다는 이점도 잃어버릴 가능성이 있다. 또한, 기상코팅방법은, 설비와 처리비용 자체가 고가이고, 게다가 대량으로 대형의 후강판(厚鋼板)을 처리하는 일 자체가 효율적이지 않고, 실현성이 적다. 따라서, 상기 방법 내에서도, 가장 간편하고 값이 싼 상기 화학적인 처리에 의한 방법이 바람직하다.

그러나, 상술한 대로 강재 성분 중의 Ti 등에 의해, 녹층 중의 Ti 필요량 자체를 조달하는 것은 어렵지만, 후술하는 바과 같이, 강재 성분 중의 Ti 등은 고용(固溶) Ti 이온으로, 미고용(未固溶) Ti은 미세석출물 입자(형태적으로는 탄화물, 질화물, 산화물 등)로, 함께 치밀한 안정녹층의 생성을 촉진하는 작용이 있다. 따라서, 강재 표면 내지는 녹층에의 외부로부터의 Ti 공급과 함께, 강재 성분 중에 Ti 등을 함유시킴으로써, 이들 단독의 효과, 혹은 조합시킴으로써 치밀한 안정녹의생성촉진의 상승효과가 기대된다. 이들의 작용은, Ti 이외의 Nb, Ta, Zr, V, Hf 라도 마찬가지이다.

이상과 같이, Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf를 강재 표면 혹은 강 중에 존재시킨 강재는, 특히 적극적으로 처리시키지 않고도, 또한 염수와 염기를 품은 눈이 침투하는 등의 염분부식환경 하에서라도, 교량 등의 구조재로 사용 중에, 치밀한 안정녹층이 비교적 단기간에 생성되는 점이 큰 이점이다. 그러나, 확실한 나내후성 등의 내식성을 보장하는 품질보증의 관점에서, 강재를 제조 후, 필요에 의해 산세 등의 전처리를 시행한 후, 산화 포텐셜(potential)을 제어한 가스 등의 분위기 중에서 처리하는, 혹은, 인산염과 크로메이트, 산화제 등의 약제에 의해 화학적으로 표면 처리 하고, 강재의 제조과정 중에서 생성되고 있는 녹을 비정질화하는 등의 처리를 행하여, 적극적으로 치밀한 안정녹층을 형성해도 좋다.

따라서, 상기 강재 표면의 원소 성분의 정량화와 녹의 비정질 정도 등의 조성을 측정하는 대상 강재로서는, 예를 들면 실제로 구조재로 사용되기 전의 강재이거나, 구조재로서 사용된 후의 강재이더라도, 혹은 대기에 노출되게(주 1 회의 염수 산포를 포함한다) 시험한 강재라도 좋다.

또한, 본 발명은, 신규 구조물용의 강재만이 아니라, 기존의 구조재로 사용 중인 도장 내지는 비도장 강재의 내식성을 향상시키기 위해서도 사용할 수 있다. 즉, 기존의 구조물로 사용 중인 강재의 표면의 도막 내지 녹을 박리ㆍ제거시키지 않은 채로, 혹은 필요에 의해, 도막 내지는 녹을, 전부 내지 부분적으로(예를 들면 부식부분만) 박리하여 청정화 하고, 상기 화학적인 처리에 의해, 강재 표면에 Ti,Nb, Ta, Zr, V, Hf의 이온, 미세입자, 혹은 미세화합물을 함유한 수용액, 또는 이들 이온에 더하여 Cr, Cu, P, Ni 이온을 함유한 수용액을 도포해도, 그 후의 시간적인 경과에 의해 치밀한 녹을 생성시키는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명은 기존 구조물의 보수(補修) 내지 보수관리(保守管理)로도 사용 가능하다. 이 점에서, 본 발명에서 말하는 녹에 의한 피복이라는 것은, 강 표면을 전면적으로 피복하는 경우만이 아니라, 강 표면을 부분적으로 피복하는 경우와, 부분적으로 피복량을 바꾸는 경우, 혹은 피복처리에 있어서 미피복 부분이 필연적으로 생기게 되는 등의 경우, 더욱이는, 구조물에 있어서, 내식성이 필요한 강 부재만을 선택적으로 피복하는 경우 등도, 당연히 포함하는 것이다. 도장하여 사용하는 경우, 상기 용액(유산 Ti 등)을 도포 후, 도장해도 상관 없고, 유기수지도료 중에 유산 Ti 등을 분산시켜도 상관 없다. 수지는 유성수성, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 폴리에스텔 수지, 비닐 수지 등 어느 것이라도 상관 없다.

더욱이, 본 발명에서 사용한 강의 성분조성에 대해 설명한다. 우선, 상기 안정적인 녹 형성의 관점에서는, 본 발명에서 사용한 강은, 안정적인 녹의 생성을 저해하는 원소를 함유하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 강재는, 상기 소수주형교량 등의 구조재용이기 때문에, 시공성과 공사기간의 단축이라는 점에서, 탄산 가스아-크 용접과 엘렉트로 가스아-크 용접에 의해, 입열량 5 KJ/mm 이상, 경우에 따라서는 입열량 100 내지 300 KJ/mm 이상의 대입열용접이 시행된다. 따라서, 이 구조재로 사용되는 강재로는, 구조재로서의 강도 등의 기계적인 성질은 물론, 예열의 필요가 없고, 이들 대입열용접 등의 고효율 용접이 가능한, 우수한 용접성을 내식성과 함께 겸해 갖춘 강재가 바람직하다.

이 점에서, 본 발명에서 사용하는 강으로는, 염분부식사용환경 하에서 녹을 생겨나지 않도록 한 고합금강 등은 포함하지 않고, 염분부식사용환경 하에서 녹을 생성하는, 통상의 저탄소강과 저합금강 등이 기본적으로 사용 가능하다. 또한, 종래의 P, Cu, Cr, Ni 등을 함유하는 내후성 강을 사용해도 좋다.

그러나, 보다 엄격한 내식성의 방법과 염분사용환경 하에서는, 상기 강의 성분조성 내, 안정적인 녹의 생성을 저해하는 원소에 주의할 필요가 있다. 즉, 안정적인 녹의 생성을 저해하는 원소는 S와 Cr을 들 수 있다.

여기서, S가 0.02 % 를 넘게 함유되면, Ti 등의 녹 중에의 함유에 의한 상기 안정녹층의 형성을 저해하고, 내식성 열화를 초래할 가능성이 있다. 따라서, S 함유량은 0.02 % 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, Cr은, 종래의 내후성 강재로는, P와 Cu, Ni와 함께 상기 안정녹층을 형성시키기 위해 필수의 첨가원소로 인식되고, 상술한 대로, JIS 규격 등에서도 0.30 ~ 1.25 % 함유되어 있다. 또한, 상기 특개소58-25458호와 특허 제 2572447 호 공보 등에서도, Cr 의 첨가는 명시되어 있지 않지만, 철원료와 제강과정 등에서의 불순물로서, 필연적으로 0.05 % 이상 함유되어 있다.

그러나, Cr이 강 중에 0.05 % 이상 함유된 경우, 강의 미세한 표면 결함부에 있어서 부식이 약간이라도 시작되면, 강으로부터 화학 평형적으로 철 원자에 따라 미량용해한 Cr 이온이, 특히 C1 이온이 존재하는 환경에 있어서는, 상기 강의 미세한 표면 결함부 내에서의 pH의 저하 원인이 되고, 결함 내에서의 응축수분의 산화성을 촉진하며, 부식을 유발하는 작용이 있다. 따라서, Cr은 상기 치밀한 안정녹층이 생성된다고 하더라도, 안정녹층의 하부에서, 강의 부식을 촉진하는 작용이 있고, 녹층과 강과의 밀착성을 저해하여, 녹층의 박리를 조장하기도 하고, 결과적으로, 치밀한 안정녹층의 생성 내지는 유지를 저해할 가능성이 있다. 그렇기 때문에, 녹 중의 Cr의 함유량을 가능한 한 적게 하는 것이 바람직하고, Cr 함유량 저감의 경제성도 고려하여, 그 상한을 0.05 % 미만으로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 한 편, 이 Cr에 대신하는 안정녹층의 형성촉진원소로서, 강 중에 Ti을 함유하는 것이 바람직하다. Ti은, Cr과 같은 상기 pH의 저하 원인이 되지 않으면서, 상기 안정녹층의 형성촉진효과가 있고, 녹층 중의 Ti의 안정녹층의 형성촉진효과를 상승적으로 높인다고 하는 특이한 성질을 지닌다. 구체적으로는, 철녹 중의 비정질의 비율과 α- FeOOH의 녹의 비율을 높임과 함께, 결정성의 녹 성분 내에서도 특히 부식을 촉진하기 쉬운 β- FeOOH의 생성을 억제하여, 미세하고 치밀한 안정녹층의 형성을 촉진한다. 이러한 효과는, 먼저 상술한 바와 같이, 고용 Ti 이온으로, 미고용 Ti에서는 탄화물, 질화물, 산화물 등의 미세석출물 중 어느 형태에서도 발휘된다. 이 결과, 녹층에의 염화물 이온 등의 부식인자의 침입을 저지하고, 치밀한 안정녹층을 유지하여, 내식성을 향상시킨다. Ti 함유량이 0.01 % 미만에서는 이 효과가 없고, 또한 1.0 % 를 넘어도 그 효과는 포화하여 경제적이지 못하다. 이 점에서, Ti의 효과를 보다 발휘시키기 위해서는, 강 중에 Ti을 0.03 % 이상, 더욱이는 0.05 % 이상 함유하는 것이 바람직하고, 또한 강 중의 Ti이 0.5 %를 넘으면 강의 취화(脆化)가 문제가 되는 경우도 있고, 경제적이지도 않다. 따라서, 강 중에Ti을 함유하는 경우, Ti 함유량은 0.03 ~ 1.0 % 의 범위가 바람직하고, 더욱이는 0.05 % ~ 0.5 % 의 범위가 보다 바람직하다.

이 안정적인 녹의 생성을 저해하는 녹 중의 S와 Cr을 규제함과 함께, 역으로, 안정녹층의 형성촉진효과를 지닌 Ti을 함유시킨 강으로서, 본 발명자들은, 먼저 특원평09-330173호로, C : 0.15 % 이하, Si : 0.10 ~ 1.0 % , Mn : 1.5 % 이하, S : 0.02 % 이하, P : 0.05 % 이하, Cr : 0.05 % 이하, Ti : 0.01 ~ 1.0 %, Ca : 0.0001 ~ 0.01 % 및 Cu : 0.05 ~ 3.0 % 와 Ni : 0.05 ~ 6.0 % 중의 하나 또는 둘 이상을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 기본조성을 지닌 강재를 출원했다. 이 강재는, 상기 용접성도 양호하고, 본 발명의 사용 강재로서는 바람직한 상태로서 최적이다.

더구나, 이 기본조성에 더하여, Ti 이외의 안정녹층의 형성촉진효과를 지닌 이하의 원소를 녹 중에 함유시켜도 좋다. Mo : 0.05 ~ 3.0 % 와 W : 0.05 ~ 3.0 % 중 하나 또는 둘. Al : 0.05 ~ 0.50 %, La : 0.0001 ~ 0.05 %, Ce : 0.0001 ~ 0.05 %, Mg : 0.0001 ~ 0.05 % 중 하나 또는 둘 이상. Zr, Ta, Nb, V, Hf 중에서 하나 또는 둘 이상을, 합계 0.50 % 이하로 함유한다. 여기서, Zr, Ta, Nb, V, Hf의 작용효과는, 상술한 Ti의 작용효과와 마찬가지로, 고용의 경우는 각 금속 이온으로, 미고용의 경우는 미세석출물 입자로, 함께 치밀한 안정녹의 생성을 촉진하는 것이다.

또한, 강재의 조직으로, 페라이트(Ferrite)량이 90 % 이상, 혹은 페라이트 + 퍼얼라이트(Pearlite)의 혼합조직 등이 내식성의 관점에서 바람직하다. 한 편, 예를 들면 교량의 구조재 강도로서 500 N/㎟급 내지는 그 이상의 강도와 인성을 확보하고, 또한, 강재 자체의 내식성을 향상시키기 위해서는, 베이나이트(Bainite)조직 혹은 베이나이트 + 페라이트조직 등이 바람직하다.

다음으로, 본 발명 강재의 제조방법을 설명한다. 본 발명 강재는, 통상의 두께가 50 mm 이상인 후강판의 제조방법에 의해 제조 가능하다. 즉, 강의 연속주조와 조괴법(造塊法)에 의한 용제 후, 분괴압연 내지 열간 단조(鍛造)와, 후판(厚板) 압연 등의 열간 가공을 행하고, 소정의 제품 판 두께(板厚)로 제조된다. 더구나, 이들 열간가공조건과 열간가공후의 냉각과 열처리의 조건은, 강재의, 예를 들면 교량의 구조재로서의, 390 ~ 630 N/㎟급 내지 그 이상의 강도 등의 기계적 성질을 요구하는 사양에 따라, 적절히 결정된다. 따라서, 통상의 열간 가공의 외에, 용접성을 보장하는 저합금화 내지 저탄소 당량화(當量化)를 확보한 후에, 상기 강도 등의 기계적 성질을 확보하고, 본 발명의 강재조직을, 상술한 바람직하게는 페라이트량이 90 % 이상, 혹은 페라이트 + 퍼얼라이트 의 혼합조직, 나아가, 베이나이트조직과 베이나이트 + 페라이트조직 등으로 하기 위해, 열간가공 후의 가속냉각 등의 강제냉각과 제어압연을 실시해도 좋다. 또한, 열간가공 후의 열처리도, 필요에 의해, 압연온라인에서의 직접담금질(Quenching) (DQ)와 오프라인에서의 담금질 (Quenching)템퍼링 (QT) 등이 적절히 시행된다.

(실시예)

실시예 1

다음으로, 이상 설명한 본 발명 강재의 녹의 형성방법의 각 요건의 의의에 대해, 실시예를 들어 설명한다. 표 1에 나타난 화학성분을 지닌 강괴(鋼塊)를 각각 용제하고, 이들 강괴를 열간 압연 후 가속냉각에 의해 강제냉각하여 판 두께가 50 mm인 후강판을 제조했다. 표 1의 No. 1은 저탄소강, No. 2는 Ti이 들어있는 도장용 내후성 강, No. 3은 Ti이 들어있는 무도장 내후성 강이다. 그리고, 이들의 후강판으로부터 시험편을 잘라내고, 시험편 표면을 에메리(emery)지 연마 및 바후 연마에 의해 거울면으로 하고, 이 시험편 표면에 Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 의 유산염을 함유한 수용액 및 이들에 더하여 Cr, Ni, Cu, P 의 유산염을 함유한 수용액을 강재 표면에 도포하는 처리를 행했다.

이들의 처리를 행한 시험편을, 표 1의 시험 No. 3 ~ 12는, 도장 사용을 안한 시험편 그대로, 그리고, 표 1의 시험 No. 15 ~ 19는, 도장 사용을 한 샘플로 만들어 교량 등의 도장에 통상 사용되는 프탈산(phthalic acid) 수지를 50 ㎛ 도포한 도장 시험편으로서 내식성 시험을 했다. 무도장 시험편의 내식성 시험은 대기노출시험으로 행하고, 실제의 염분부식환경 하를 가상하여, 주 1 회의 5 % 염수 산포를 행하고, 시험편은 남향으로, 또한 수평에서 30°경사로 설치하여, 15 개월 간의 대기에 노출케 하는 시험을 행하고, 장기 내구성을 평균 판 두께의 감소량(부식 감량)의 측정으로 평가했다. 평균 판 두께 감소량은, 대기노출시험 전후에서의 공시재의 중량변화를 측정하고, 밀도를 고려하여 평균 판 두께 감소량(mm)을 산출했다.

더구나, 염수 분무시험 등의 비교적 단기간의 부식촉진시험이 있는 중에서도, 감히 장기간 대기에 노출되게 시험을 행했다는 것은, 본 발명 강재의 용도가, 특히 염분부식환경 하의 교량 등의 구조재이기 때문에, 실제 사용조건 하의 부식에 적합한 시험이 아니면, 정확한 평가를 할 수 없기 때문이다.

또한, 도장 시험편에 대해서는, 도막에 미리 흠을 내어 인공도막결함을 설치함과 함께, 상기 무도장 시험편과 같은 조건으로 대기노출시험을 행하고, 시험 후의 인공도막결함부의 불룩한 폭의 측정에 의해 내식성을 평가했다. 이들의 결과를 표 2에 나타냈다. 더구나, 표 2에 있어서, 평균 판 두께의 감소량(부식 감량)은 mm 단위로 나타내고, 인공도막결함부의 불룩한 폭은, 0.80 mm 이상을 A, 0.5 ~ 0.8 mm 를 B, 0.5 mm 이하를 C, 거의 불룩하지 않은 것을 D로 하여 기재하고 있다.

또한, 대기노출시험 후의 시험편 표면에 생성된 녹 중의 원소와 원소량의 분석ㆍ측정을 X선 회절방(XRD) 및 전자선 프루프(proof) X선 마이크로 분석(EPMA)에 의해 행함과 함께, 녹의 조성을 상기 X선 회절법에 의해 분석했다. 보다 구체적으로는, 상기「부식방식 95 C - 306(341 ~ 344 페이지)」에 나타난 분말 X선 회절법에 의해 행하고, 내부표준으로서 일정 중량비의 ZnO를 강재로부터 채취한 녹 시료에 혼합하여 분말화한 것을 X선 회절법에 의해 정하고, 상기 α- FeOOH, β- FeOOH, γ- FeOOH 및 Fe₃O₄의 5 종류의 결정성 녹의 각각의 고유한 회절피크의 적분강도비와, 미리 구한 각각의 녹 성분의 검량선에서, 각각의 결정성의 녹 성분의 정량화를 행했다. 그리고, 비정질 성분의 비율(%)는 녹의 합계량에서 이들 각각의 결정성의 녹 성분량을 빼고 산출했다. 이들의 결과도 표 2에 나타낸다.

표 2에 있어서, 대기노출시험 후의 시험편 표면의 생성 녹의 조성은, α- FeOOH 및 비정질의 녹 성분의 분율을 A : 0 ~ 35 중량%, B : 35 ~ 40 중량%, C : 40 중량% 이상, β- FeOOH의 녹 성분의 분율을 A : 30 중량% 이상, B : 20 ~ 30 중량%, C : 20 중량% 미만으로 나타내고 있다. 표 중 α는 α- FeOOH , β는 β- FeOOH 의 약자이다.

또한, 비교를 위해, 표 1에 나타낸 공시강을, Ti 등을 함유한 수용액으로 하는 화학적 처리를 하지 않고, 처리를 행한 예와 마찬가지로 무도장 시험편으로 내식성 시험을 행한 시험 No. 1, Ti 등을 함유한 수용액으로 하는 화학적 처리를 하지 않고, 처리를 행한 예와 마찬가지로 도장 시험편으로 내식성 시험을 행한 시험 No. 13, 14도, 처리를 행한 예와 마찬가지로 분석ㆍ평가하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족하는 시험 No. 3 ~ 12, 15 ~ 19는, 무도장 및 도장 모두 내식성이 우수하다. 더구나, 발명예끼리의 비교에 있어서, 유산 Ti을 사용한 시험 No. 3은, 염화물 Ti을 사용하여 처리한 시험 No. 4에 비교하여, 내식성이 우수하고, 유산염을 사용한 쪽이 내식성이 우수한 것이 뒷받침된다. 이것은, 유산염을 함유하는 화합물의 수용액이 존재하면 강재의 부식이 촉진되어, 녹이 형성되기 쉬워지기 때문이고, 특히, α- FeOOH와 비정질 녹이 형성될 수 없게 되기 때문이다. 또한, Ti 이외에 Zr과 Cu 등 복합첨가한 쪽이 우수한 내식성을 나타내는 것을 알 수 있다.

이에 대해, Ti 등을 함유하는 수용액으로 하는 화학적 처리를 하지 않고, 처리를 행한 예와 마찬가지로 무도장 시험편으로 내식성 시험을 행한 시험 No. 1, Ti 등을 함유하는 수용액으로 하는 화학적 처리를 하지 않고, 처리를 행한 예와 마찬가지로 도장 시험편으로 내식성 시험을 행한 시험 No. 13은, 둘 다 부식 감량이0.8. mm 이상, 도막결함의 불룩한 폭이 0.8. mm 이상인 A 처럼 크고, 내식성이 현저히 열등하였다. 이들 비교예에서는, 녹의 조성이 α- FeOOH와 비정질의 녹 성분이 주가 되는 조직이면서, Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 의 녹 중의 함유가 없던지, 함유량이 적기 때문에, β- FeOOH의 결정성의 녹의 분율이 커지고, 이 β- FeOOH가 기점이 되어 부식이 진행되기 때문에, 내식성이 떨어진 것이다. 따라서, 이 결과로부터, 본 발명보다 바람직한 조건인 강 표면의 녹의 비정질화와, β- FeOOH의 결정성 녹의 억제를 위해, Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf을 녹 중에 함유해야 할 필요성을 알 수 있다. 그들 원소를 함유시키는 방법으로서, 특히 유산 Ti 등을 도장하는 방법이 우수하다.

이들 시험편 표면의 녹층과 지철의 경계면의 염화물 이온의 농축 정도를 EPMA법에 의해 측정한 결과, 본 발명으로 행한 예는, 모두 녹층과 지철의 경계면의 염화물 이온의 농축이 적었던 것에 대해, 비교예는, 녹층과 지철의 경계면의 염화물 이온의 농축이 많아서, 상기 내식성 시험의 결과가 뒷받침됨을 알 수 있었다.

실시예 2

또한, 표 1의 저탄소강을 사용하고, 실시예 1의 녹 중에 Ti을 함유하는 본 발명예와 같은 조건으로, 녹 중의 Ti 함유량만을, 화학적 처리된 수용액의 유산 Ti 농도를 바꾸어 제어한 시험편을 실시예 1과 마찬가지로, 대기폭로시험을 행하고, 판 두께의 평균 감소량을 측정했다. 이 결과로부터, 생성된 녹 중의 Ti 함유량과, 판 두께의 평균 감소량과의 관계를 정리한 것을 도 1, 2에 나타내었다. (도 2는 녹 중의 Ti 함유량이 0.12 중량% 이하인 미량의 범위를 나타낸다.) 도 1, 2로부터 알수 있는 대로, 녹 중의 Ti 함유량이 많아짐에 따라, 판 두께 감소량은 감소하고 있고, 특히 0.05 중량% 부근에서 판 두께 감소량은 급격히 저하되고 있고, 본 발명에서 규정한 녹 중의 Ti 등의 함유량 0.05 중량% 이상인 점에 바람직한 조건으로서의 임계적 의의가 있는 것을 알 수 있다.

실시예 3

상기 실시예 2(도 1, 2)에 있어서, 녹 중의 Ti 등의 함유량이 0.1 중량% 이하인 미량의 범위, 특히, 판 두께 감소량이 급격히 일어나는 부분에서의, Ti 등의 함유량과 판 두께 감소량과의 관계를, 더욱이 명확히 하기 위해, 녹 중의 Ti 등의 함유량이 미량인 범위에서의, 촉진폭로시험(促進暴露試驗) 즉, 노출촉진시험을 행했다. 내식성 시험은, 실시예 2와 마찬가지로, 녹 중의 Ti 함유량만을, 화학적 처리된 수용액의 유산 Ti농도를 바꾸에 제어한 시험편 및 녹 중에 존재하는 TiC와 TiN 등의 탄화물, 질화물 등의 각종 미세입자 혼합액을 도포한 시험편, 유산 Ti 용액에 TiC 와 TiN, TiO₂등의 미세입자를 첨가하여 Ti 농도를 제어한 시험편을 준비하였다. 그리고, 이들 시험편을 실제의 염분부식환경 아래에 있음을 설정하여, 실시예 2와 마찬가지의 노출시험조건으로, 단, 염수 산포조건을 주 1 회의 0.1 % 염수의 산포로 하여, 12 개월간 행하였다. 그리고, 시험 후의 판 두께의 평균 감소량을 측정했다.

이들 결과로부터, 생성된 녹 중의 Ti 함유량과, 판 두께의 평균 감소량과의 관계를 정리한 것을 도 3에 나타낸다. 도 3은 녹 중의 Ti 함유량이 0.05 중량% 이하의 미량인 범위에서의 판 두께 감소량과의 관계를 나타낸다. 도 3으로부터 알 수 있는 대로, 상기 도 1, 2와 마찬가지로, 녹 중의 Ti 함유량이 많아짐에 따라, 판 두께 감소량은 감소하고 있고, 특히 0.01 중량% 부근에서 판 두께 감소량은 급격히 저하하고 있다. 따라서, 노출촉진시험의 염수 산포조건이 실시예 1, 2에 비교하여 완만한 경우, 바꿔 말하면, 염분부식환경이 보다 완만한 경우에는, 녹 중의 Ti 등의 함유량을 낮추는 것이 가능(염분부식환경에 의해, Ti량을 선택하는 것이 가능)한 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명에서 규정한 녹 중의 Ti 등의 함유량 0.01 중량% 이상인 점에, 임계적 의의도 있는 것을 알았다.

더욱이, 실시예 3에서 준비한 녹 중의 Ti 함유량이 다른 시험편을, 주 1 회의 5.0 % 염수의 산포조건으로, 12 개월간의 노출촉진시험을 행했다. 그리고, 시험 후의 각 시험편의 녹의 미세구멍의 직경을 각각 상술한 분자흡착법에 의해 측정하고, 노출촉진시험에 있어서의 측정판 두께 감소량과의 관계를 정리했다. 이 결과를 도 4에 나타내었다. 또한, 각 Ti 함유량에 있어서 비정질 + α와 β의 비율을 표 3에 나타내었다. 도 중, 기호 ×는 녹 중의 Ti 함유량이 0.01 중량% 미만의 시험편, 기호는 녹 중의 Ti 함유량이 0.01 ~ 0.05 중량%의 시험편, 기호 △는 녹 중의 Ti 함유량이 0.05 중량%를 넘는 시험편이다. 도 4로부터 알 수 있는 것과 같이, 녹의 미세구멍의 직경과 판 두께 감소량과의 사이에는 상관이 있고, 미세구멍의 직경이 작을수록, 즉, 녹 입자의 간격이 작을수록, 내식성이 우수하다. 또한, 같은 미세구멍의 직경에서는, 녹 중의 Ti 함유량이 많을수록 내식성이 우수한 것을 알 수 있다. 더욱이, 이 결과로부터는, 녹 중의 Ti이 녹 입자의 간격을 작게 하고, 녹을 치밀화하여 내식성을 향상시키는 작용이 있다는 것도 알 수 있다. 또한, 표 3에서 녹의 분율은 Ti 함유량이 많을수록, α+ 비정질의 비율이 높고, β의 비율이 낮아져 있고, Ti 함유량과 상관이 있는 것을 알 수 있다. 한 편, 도 4에 있어서. ①을 붙인 기호 △은 유산 Ti 용액 도포와 평균 입경이 10 nm인 TiO₂입자혼합수용액의 도포에 의해, ②를 붙인 기호 △과 ③을 붙인 기호는, 각각 평균 입경가 20 nm 및 30 nm인 TiC 입자혼합수용액의 도포에 의해, ④는 평균적인 입경이 10 nm 이하인 TiC 혼합수용액의 도포에 의해, 시험편 표면에 Ti을 부여한 것이고, 그 외의 기호 △,, ×의 대개는 유산 Ti 용액도포에 있어서 시험편 표면에 Ti을 부여하였다. 그리고, 이 ①부터 ④까지의 번호를 붙인 것끼리의 비교로부터는, 미세입자 도포의 경우에는, 입자의 지름이 촘촘한 쪽이 내식성 향상에 보다 효과가 있다고 말할 수 있다.

이상의 실시예의 결과로부터 확실히 알 수 있듯이, 본 발명의 강재는, 도장, 무도장 중 어느 경우라도, 특히 염분부식환경 하에서, 더구나, 재현성 좋게 내식성이 우수하고, 소수주항고량 등의 교량에 한정되지 않고, 송전선 등의 철탑, 혹은 건물과 건옥 내지 건축물 등의, 통상의 구조물에 넓게 사용할 수 있다. 더구나, 통상의 탄소강과 저합금강도, 내후성 강 이상의 내식성을 지닌 것으로서, 사용 가능하고, 용접성과 기계적 성질 등의 통상의 탄소강과 저합금강의 특성을 발휘하는 것이 가능해진다.

본 발명에 따르면, 특히 염분부식환경 하에서의 내식성이 우수한 강재를 제공할 수 있다. 따라서, 특히, 이 종류의 내식성이 우수한 강의 용도를 신규로, 더욱이 대폭적으로 확대한 것으로, 공업적인 가치는 매우 크다.

표 1

표 2

표 3

Claims

강 표면이 Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf 중 하나 또는 둘 이상을, 합계 0.01 중량% 이상 함유하는 녹에 의해 피복되어 있고, 또한 상기 녹()의 X선 회절법에 의해 구한 α- FeOOH 성분 및 비정질 성분의 분율이 35 중량% 이상이고, β- FeOOH 성분의 분율이 20 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 강재.
청구항 제 1 항에 있어서,상기 녹은 Ti을 필수로 함유하는 내식성이 강한 강재.
청구항 제 1 항에 있어서, 상기 녹 중의 Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf의 함유량을, 합계 0.1 중량% 이상, 50중량% 이하로 하는 내식성이 우수한 강재.
청구항 제 1 항에 있어서, 상기 녹 중의 Ti, Nb, Ta, Zr, V, Hf의 적어도 일부가 미립자로서 존재하는 내식성이 우수한 강재.
청구항 제 3 항에 있어서, 상기 녹은 또한 추가적으로 Cr, Ni, Cu, P를 0.3 중량% 이상 함유하는 내식성이 우수한 강재.
청구항 제 1 항에 있어서, 상기 녹의 미세구멍직경(細孔徑)이 3 nm 이하인 내식성이 우수한 강재.
제 1 항에 있어서, 상기 청구항 1 항에 기재된 녹으로 피복되는 강재는 중량%로, C : 0.15 % 이하, Si : 0.10 ~ 1.0 %, Mn : 1.5 % 이하, S : 0.02 % 이하, P : 0.05 % 이하, Cr : 0.05 % 이하, Ti : 0.01 ~ 1.0 %, Ca : 0.0001 ~ 0.01 % 및 여기에 Cu : 0.05 ~ 3.0 % 또는 Ni : 0.05 ~ 6.0 % 중의 어느 하나 또는 둘(2種)을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 사용하는 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 강재.
청구항 1 항 내지 7 항 중 어느 하나의 항에 기재된 바의 상기 녹으로 피복되는 강재를 구조재로 사용한 구조물.
청구항9는 삭제 되었습니다.
청구항10는 삭제 되었습니다.
청구항11는 삭제 되었습니다.
청구항12는 삭제 되었습니다.
청구항13는 삭제 되었습니다.
청구항14는 삭제 되었습니다.
청구항15는 삭제 되었습니다.
청구항16는 삭제 되었습니다.