(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.2 wt％以下、Si：1.5 wt％以下、Mn：1.0 wt％以下、Ni：2.0 超〜5.0 wt％、Cr：17.0〜20.0wt％、N ：0.01〜0.30wt％、残部Feおよび不可避的不純物からなる、メルトエクストラクション法に基づいて製造されたステンレス鋼ファイバーを、凝固後の冷却過程において、1000℃から700 ℃までの保持時間を１時間以内とする冷却を行い、そして室温近傍まで冷却した後は酸洗することを特徴とするステンレス鋼ファイバーの製造方法。
【請求項２】
上記保持時間の調整を、溶湯から掬いだしたステンレス鋼ファイバーを移動冷却体上に受けることにより行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
移動冷却体の速度を保持時間に合わせて調節することを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、コンクリート補強に用いる高強度のステンレス鋼ファイバーに関し、特にメルトエクストラクション法（以下、「ＭＥ法」という）にて製造した耐食性に優れたステンレス鋼ファイバーの製造方法を提案する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にコンクリートは、耐久性や圧縮強度、剛性等に優れるが、反面、引張強度や衝撃強度が低く、エネルギ−吸収能も小さいために物性的には“もろい”という欠点を持っている。この欠点を補うコンクリートとして、従来、ファイバーを混合して補強したファイバー補強コンクリート（以下、「ＦＣＲ」という）がある。
このＦＣＲ用ファイバーとしては、鋼ファイバー、ガラスファイバーのほかに、最近では炭素ファイバーや高分子系ファイバーなどが用いられている。なかでも鋼ファイバーは、比較的低価格でかつ優れたコンクリート補強性能を持つことから、古くから使用されている。
【０００３】
そのコンクリート補強用の鋼ファイバーの製造方法としては、薄板剪断法、鋼線切断法、鋼材切断法、鋼材切削法等が既知であり、これらの方法を用いて普通鋼ファイバーやステンレス鋼ファイバーが製造されてきた。しかし、普通鋼ファイバーは錆がでやすく、発錆によるコンクリートの変色をきたし美観を損ねるという難点と、鋼ファイバーの腐食で耐久性が劣化するという難点があった。そこでこのような難点のないステンレス鋼ファイバーが注目され、たとえばＡＩＳＩ−４３０、−４３１、ＣＢ−３０  等に規定された鋼種のステンレス鋼のファイバーが用いられている。
【０００４】
しかし、ステンレス鋼の板材や線材等を切断したりして製造するステンレス鋼ファイバーは、その形状の自由度が低く、ドッグボーン状（骨のように両端が膨らんだ形状）などの複雑な形状のものは製造できなかった。
これに対し最近では、外周面に多数の突起を設けた円柱状ドラムを回転させつつ、その突起端を溶融金属に接触させて掬い上げることにより、突起端縁上にファイバー状の凝固金属を生成させて金属ファイバーとする上記ＭＥ法が開発されている。
【０００５】
ただし、このＭＥ法で製造されたステンレス鋼ファイバーの場合、コンクリ−ト補強用としては十分な強度が得られないという欠点があった。そこで出願人は先に、ステンレス鋼の成分組成を工夫して強度を上げる方法を提案した。  （特許第２５０６５１７  号参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステンレス鋼ファイバーをＭＥ法で製造する場合、高温で長時間大気にさらすことになるため、表面に厚い酸化スケールが不可避に生成する。
ところで、こうした酸化スケール付着ファイバーを、外観を重視するような用途で使うときには、該酸化スケールに起因する錆汁が発生することによって、美観を損ねるという問題点があった。
こうした理由により、コンクリート補強用材料として、酸化スケールのないステンレス鋼ファイバーへの要望はあったが、とくにＭＥ法では非酸化性の制御雰囲気での製造が不可欠となるが、そのためには大規模な設備を必要とし、現実的ではないという問題点があった。
【０００７】
本発明の目的は、従来技術が抱えている上述した問題点を解決することにあり、コンクリート中に埋設使用されたあとに発錆したり、コンクリート表面に錆汁などを発生することのない、コンクリート補強用ステンレス鋼ファイバーおよびその製造方法を提案することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上掲の目的を実現する手段について鋭意研究した結果、耐食性や強度についてはステンレス鋼の成分組成を工夫することにより、またコスト的にはＭＥ法の適用により、そして発錆防止については高温冷却過程を短時間の急冷処理で対処し、常温に達したら酸洗して酸化スケールを剥離すること、が有効であるとの結論に達した。
【０００９】
すなわち、本発明は、基本的に次のようなステンレス鋼ファイバー、即ち、Ｃ：0.2 wt％以下、Si：1.5 wt％以下、Mn：1.0 wt％以下、Ni：2.0 超〜5.0 wt％、Cr：17.0〜20.0wt％、N ：0.01〜0.30wt％、残部Feおよび不可避的不純物からなる、メルトエクストラクション法に基づいて製造されるステンレス鋼ファイバーであって、実質的に酸化膜をもたない酸洗表面を有するステンレス鋼ファイバーを製造する方法である。
【００１０】
上記のステンレス鋼ファイバーは次のような方法, 即ち、Ｃ：0.2 wt％以下、Si：1.5 wt％以下、Mn：1.0 wt％以下、Ni：2.0 超〜5.0 wt％、Cr：17.0〜20.0wt％、N ：0.01〜0.30wt％、残部Feおよび不可避的不純物からなる、メルトエクストラクション法に基づいて製造されたステンレス鋼ファイバーを、凝固後の冷却過程において、1000℃から700 ℃までの保持時間を１時間以内とする冷却を行い、そして室温近傍まで冷却した後は酸洗することによって製造することができる。
また、本発明においては、上記保持時間の調整は、溶湯から掬いだしたステンレス鋼ファイバーを、移動冷却体上に受けることにより行うようにすることが好ましい。
さらに、本発明においては、上記移動冷却体の速度を、保持時間に合わせて調整することにより、とくに1000〜700 ℃の温度域を１時間以内で通過させることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴は、上記ＭＥ法により、耐食性に優れたコンクリ−ト補強用ステンレス鋼ファイバーを安価に製造するようにしたことにある。
本発明の他の特徴は、マルテンサイトを含むフェライト組織、あるいはマルテンサイトを含むフェライト−  オーステナイト組織になる成分組成とし、このことにより、溶融状態から空気中で冷却するＭＥ法の適用に必要な、ある程度の高温耐酸化性を確保できるとともに、高強度で（コンクリート混練時に折れ曲りや変形させることがなくて均一に分散させることができる）、高延性、高靱性を有する（コンクリート混練時に破断せず、かつＦＲＣに衝撃力が加わった時にもこれを十分吸収できる）コンクリート補強用として好適なステンレス鋼ファイバーを得ることにある。
本発明のさらに他の特徴は、溶融状態から凝固した直後の高温状態  （≧７００  ℃）  の鋼ファイバーを速やかに冷却することで、酸化被膜の生成を抑制すると共に、常温近傍に到達したときに酸洗を施して、実質的に酸化膜のない耐食酸洗面を形成することにある。このことによって、本発明のステンレス鋼ファイバーは、コンクリートに埋設したときに錆汁を発生するようなことがなくなる。
なお、低価格のコンクリート補強用ステンレス鋼ファイバーを得るためには、ステンレス鋼の材質そのものが安価であることが必要である。そのため、本発明で用いるステンレス鋼としては、クロム系ステンレス鋼または低ニッケル含有ステンレス鋼を用いることが好ましい。
【００１２】
ＭＥ法でステンレス鋼ファイバーを製造するに当たっては、次のような条件が要求される。
▲１▼  溶鋼の表面に多量のスラグが発生しないこと
溶鋼表面に多量のスラグが発生すると、回転ドラム面の突起と溶融金属との接触が妨げられて、ファイバーの生産性が低下するためである。
▲２▼  溶鋼の流動性が適度であること
溶鋼の流動性が大きい場合、回転ドラムの突起に溶鋼が掬い上げられ難く、形状が不均−になる上に生産性も低下する。一方、流動性が小さすぎると、溶鋼が一度に掬い上げられやすく、形状が不均−な固まりとなりやすい。そこで、寸法精度、形状などが良好なファイバーを形成するために適切な溶鋼の流動性が要求される。
【００１３】
また、製造されたステンレス鋼ファイバーについては、次のような特性が要求される。
▲１▼  大気中で生産可能な耐酸化性に優れた組成であること、
ＭＥ法というのは、製造時にフアイバーを高温で大気にさらすことになるため、ファイバーの表面が酸化されやすい。この点、もし素材自身が十分な耐酸化性を有していないと、ＭＥ法により大気中を高温で飛行している間にファイバーが焼失してしまう場合がある。そのため、ＭＥ法による製造される材料は十分な耐酸化性を有することが必要とされる。また、製造されたステンレス鋼ファイバーをコンクリート補強に用いるには、高強度であると共に高延性、高靭性を有することが要求される。
▲２▼  コンクリート埋設時に発錆したり、錆汁を出さないこと、
コンクリート打放しの屋内外壁など、特に外観を重視するような用途では、ファイバー素材の耐食性が十分であっても、ファイバー自体に生成している酸化皮膜が溶出して錆汁を発生し、美観を損ねる場合がある。そこで、このような錆が出ないファイバーの要求がある。
【００１４】
本発明者らは、このような実情に鑑み、その要求に応え得るコンクリート補強用ステンレス鋼ファイバーを提供すべく研究を重ねた結果、Ｃが０．０３〜０．２  ｗｔ％、Ｓｉが１．５  ｗｔ％以下、Ｍｎが１．０  ｗｔ％以下、Ｎｉが２．０  超〜５．０  ｗｔ％、Ｃｒが１７．０〜２０．０ｗｔ％、Ｎ  が０．０１〜０．３０ｗｔ％を含有し、残部がＦｅと不可避的不純物からなる成分組成のものがもっとも好適であり、さらにＭＥ法による製造後の高温冷却過程を制御しやすく、冷却後は硝弗酸などの酸による酸洗によって酸化スケールを完全に除去できるようなファイバーの構成が有効であるとの結論を得た。
【００１５】
本発明にかかるステンレス鋼の各成分の臨界的意義は次の通りである。
Ｃ量：０．２  ｗｔ％以下
Ｃは、安価で高強度の材質を得るのに有効な元素であり、少なくとも０．０３ｗｔ％程度は含有することが望まれる。しかし、炭素量の増加と共にファイバー表面の酸化が激しくなり、多量に添加するとステンレスファイバーの製造が不能となることが判明した。そこで含有量の上限を０．２  ｗｔ％とした。
【００１６】
Ｓｉ量：１．５  ｗｔ％以下
Ｓｉは、溶鋼の流動性を調整する元素として、また脱酸剤として必要であるが、フェライト生成元素であり、これを多量に添加するとバランスの上からＮｉ、Ｃ、Ｎなどのオーステナイト安定化元素を増加させることが必要となるため、含有量の上限を１．５  ｗｔ％とした。
【００１７】
Ｎｉ量：２．０  超〜５．０  ｗｔ％
Ｎｉは、オ−ステナイト安定化元素であり、２ｗｔ％超の添加で多量のマルテンサイトが生成することがわかった。とくに、このＮｉの増加と共に強度、延性、靭性が向上するが、耐酸化性は劣化し、ファイバー表面のスケールが増大する。従って、Ｎｉ含有量の上限を５．０  ｗｔ％とした。
【００１８】
Ｃｒ量：１７．０〜２０．０ｗｔ％
Ｃｒは、ステンレス鋼としての耐食性、耐酸化性を確保するために重要な役割を担う元素である。本発明においては、Ｎｉを２．０  超〜５．０  ｗｔ％含有するので、耐酸化性を確保するためにはこのＣｒを最低１７．０ｗｔ％添加することが必要である。一方、Ｃｒ含有量が２０．０ｗｔ％を超えると、オーステナイト安定化元素との兼ね合いから金属組織上高強度化が困難となる。
【００１９】
Ｎ：０．０１〜０．３０ｗｔ％
Ｎは、Ｃと同様に強力なオーステナイト安定化元素であり、高強度ファイバーを得るために必要な元素である。とくに本発明のように、高Ｃｒ、低Ｃ、低Ｎｉの成分組成を有するものでは、高強度ファイバーを得るために最低０．０１ｗｔ％のＮを添加する必要がある。一方、０．３０ｗｔ％を超えて添加するとファイバー中にブローホール状の欠陥が生じるため、含有量の上限を０．３０ｗｔ％ｗｔ％とした。
【００２０】
上述した各成分量の限定は、高強度、高延性、高靱性のステンレス鋼ファイバーを得るために、オーステナイト相とフェライト相との生成、およびファイバー製造中にマルテンサイトを生成させるべくオーステナイト安定度を考慮して決定されたものである。また、溶鋼を大気中で凝固させて金属ファイバーを製造するＭＥ法に適用すべく、ファイバー表面のスケール発生量を制限する必要から、Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉなどの酸化促進元素と、Ｃｒ、Ｓｉなど酸化抑制元素とのバランスを考慮して決定されたものである。
【００２１】
次に、本発明にかかる製造方法について説明する。この方法の特徴は、上述したように、高温の冷却過程を速やかに通過冷却することと、常温到達時に酸洗を施すことにある。
まず、大気中で冷却凝固した鋼ファイバーを冷却するに当たっては、高温域における冷却速度を以下のような条件で行うことにある。
即ち、本発明の冷却条件は、凝固後、1000〜700 ℃の温度域での保持時間を１時間以内、好ましくは30分以内とする。
【００２２】
実際に本発明者らが研究したところによれば、種々の鋼ファイバーについて酸洗を行ったところ、スケール剥離の難易が同一ロット内でも大きくばらついており、酸洗条件を決定することが難しいことがわかった。そこで種々の冷却条件で鋼ファイバーを製造し、酸洗試験を行ったところ、１０００〜７００℃の温度域に１時間以上保持した試料については酸洗によるスケールの剥離が極めて悪いことが判明した。その原因についての詳細はわかっていないが、高温域で生成した酸化スケールが、上記温度に長時間保持されることによりステンレス鋼母材と反応し、緻密な酸化相がスケールと母材との界面に生成するためと考えている。このことは、１０００℃以上の温度域、または  ７００℃以下の温度域に１時間以上保持した鋼ファイバーの酸洗性には影響が少なかったことからも裏付けられた。
このような理由で、本発明では、  ７００℃以上の温度域、より好ましくは１０００〜７００  ℃の温度域でのステンレス鋼ファイバーの保持時間を１時間以内とすることにした。
【００２３】
上記冷却条件を満たすために、本発明では、溶湯から掬い出した凝固鋼ファイバーを、とりあえず冷却面が更新移動する、例えば金属ベルト上に受け止め、このベルトの移動速度を調節して冷却制御を行うようにする。このように冷却体が移動すると、従来のように単に受皿に収容するときのように山形に堆積して保温状態が長く続くようなことがなくなる。その結果、高温域を速やかに冷却して酸化皮膜が急速に成長するのを阻止することができるようになる。
【００２４】
次に、本発明では、上記鋼ファイバーを室温まで冷却し、この温度域において硝弗酸などのの酸を用いて酸洗する。例えば、１０％硝弗酸などが好適に用いられる。
【００２５】
なお、この発明のステンレス鋼ファイバーは、コンクリート以外にセメントを使用したモルタルや、ポリマーを使用したポリマーコンクリートなどの補強用としても、まったく同様に適用することが可能である。
また、本発明は、上記の説明に記載された内容だけに限らず、他の技術への適用も可能である。
【００２６】
【実施例】
以下、この発明の実施例を比較例と対比して説明する。
表１に、この発明によるステンレス鋼ファイバーの実施例１〜１１と、比較例１２〜１９との化学成分を示す。
各ステンレス鋼ファイバー  １〜１９は、径０．４  ｍ  、長さ３０ｍｍ程度のものをＭＥ法により製造した。すなわち、各実施例および比較例毎に、プロパンガスでシールした溶鋼の表面から水冷ドラムを用いてＭＥ法によりステンレス鋼ファイバーを製造した。凝固してドラムから分離した後のファイバーは、大気中で冷却されて鋼製ベルトまたは鉄板上に落下させて冷却した。この間、各ファイバーの表面は、本発明実施例と比較例とでは差はあるが、それぞれ酸化を受けており、組織的には程度の差はあるものの、いずれもマルテンサイト変態が起こっていた。ただし、本発明法に従うものでは、鋼製ベルトを移動させながら鋼ファイバーを受けることで、この鋼ファイバーが多量に積み重なるようなことがなく、しかも１０００〜７００  ℃温度域保持時間は１時間以内となるように制御したものである。
一方、比較例のものは、鉄板を移動させずにファイバーを受け続け、ファイバーが山形に積み重なることで１０００〜７００℃の保持時間が約１．５  時間以上となったものである。
【００２７】
ａ．得られた各ステンレス鋼ファイバー表面の酸化状況の評価を目視検査した。そして、酸化が少なくコンクリート補強用として使用可能なものを○、酸化スケールが多くて使用不可のものを×で示した。また、ステンレス鋼ファイバーの引張強さは、ファイバー引張り試験装置を用いて求めた。その試験の条件は、チャック間１０ｍｍでクロスヘッド速度０．３  ｍｍ／ｍｉｎ  とし、試験片の長さを３０ｍｍとしてその重量を測定すると共に、比重を７．８  一定として断面積を求めて算出した。
ｂ．さらに、ステンレス鋼ファイバーの曲げ試験は、先端Ｒ０．５  、刃先角度６０°の２個のバイトで挟んで実っ直ぐに保持した試験片を、一回目は左に、二回目は右に、三回目は左にと、交互に折曲して破断にいたった曲げ回数をもとめて、１０本の試験片の平均値で評価した。
ｃ．なお、ＦＲＣ製造時のファイバー破断、折れ曲がり試験は、ＦＲＣを製造した後、未硬化状態でそのコンクリートを水洗してステンレスファイバーを回収し、各ファイバーの破断、折れ曲がり状態を観察して以下のように表記した。
○：破断なし、折れ曲がり１０％以下
×：不良（破断）
●：不良（折れ曲がり）
なお、このステンレス鋼ファイバーの曲げ強度は、ステンレス鋼を含有しないプレーンコンクリートと、ステンレスファイバーを１ｖｏｌ％混入したＦＲＣとの曲げ強度をそれぞれに測定し、プレーンコンクリートに対する当該ＦＲＣの強度比を求めて評価したものである。
【００２８】
各項目ごとの評価結果によれば、Ｃｒの含有量を１７ｗｔ％以上とした本発明例のステンレス鋼ファイバーでは酸化スケールは少なく、ファイバー形状も正常であったが、Ｃｒ含有量が１７ｗｔ％以下で高Ｃ、高Ｎｉとした比較例のものは酸化が激しく、一部のファイバーはカールした形状であった。
また、ファイバー単体の引張強さについては、全般的に大きな値を示しており、本発明例のファイバーも最低でも９９ｋｇｆ／ｍｍ２  あり、とくに問題はないレベルであった。
曲げ試験結果については、比較例１３，  １４，  １５の試料で１回で破断している。一般に、この曲げ試験で、一回程度の曲げで破断するファイバーはＦＲＣ製造中のコンクリートとの混練で破断してしまうことから、コンクリート補強性能が小さい。この意味では、表１の比較例１３、１４、１５に示したような組成のファイバーでは、混練後のコンクリート強度はあまり期待できない。つまり、コンクリート補強用ステンレス鋼ファイバーとしては、ＦＲＣ製造中に破断しない程度の延性が必要である。
逆に、延性が十分あっても（曲げ回数が多い）、引張り強度が低いとＦＲＣ製造中にファイバーが折れ曲がり、均一にコンクリート内に分散しにくくなって、やはり実用上の補強効果が少なくなることが比較例１２の試験結果に現れている。
【００２９】
次に、各試料の耐食性について試験した。この試験は、
▲１▼    酸化皮膜のついた状態のファイバーについて、酸洗後の孔食電位を測定したもの  （ただし、この測定はＪＩＳ  に基づき３．５  ％ＮａＣｌ溶液を用いて４０℃で行った）  である。
▲２▼    それぞれのファイバーをシャーレー中の酸性ａ  （ｐＨ＝４  、Ｃｌ＝２００ｐｐｐｍ  ）、アルカリ性ｂ  （ｐＨ＝８．０  、Ｃｌ−  ＝２００ｐｐｍ）の溶液中に浸漬し、１４日放置して発錆の有無を観察したもので、発錆のなかったもの  （○）  、材料表面に発錆が認められたが錆汁とはならなかったもの  （△）  、錆汁の発生したもの  （×）  として、目視評価した。
▲３▼    ファイバーを混入したコンクリート試験片を用意し、１４日間浸漬放置して発錆の有無を観察したもの、
の３通りで行った。
その結果を表１に示すが、比較例１３，  １４，  １５は曲げ特性が劣り、比較例１６，  １７，  １８，  １９は、曲げ性は良好であるものの、抽出まま酸洗材であるにもかかわらず、発錆試験で発錆してしまい、ＳＦＲＣ用ファイバーとして不適であることがわかった。
【００３０】
【表１】
0003597687.tif 000002
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかるコンクリート補強用ステンレス鋼ファイバーは、ファイバー製造時の耐酸化性が十分にあり、またコンクリートとの混練時に破断、変形することなく均−に分散し、かつコンクリートの曲げ強度を７５〜１２５％も向上させることができる。しかも、錆びてコンクリートの美観を損なったり耐久性を劣化させるおそれが全くない。