(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比で、Ｃ：0.01〜0.15％、Si：0.05〜0.80％、Mn：0.1〜2.0 ％、Ｐ：0.005 〜0.030 ％、Ｓ：0.01％以下、Al：0.08％以下、Cu：0.1〜1.0 ％、Ni：0.1 〜3.5 ％を含有し、かつ、Ti：0.015 〜0.040 ％、Ｎ：0.0045〜0.0085％を下記(1) 、(2) 式を満たす範囲で含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐塩特性および大入熱溶接靭性に優れた鋼材。
記
3.5 ≦[Ti]／[N] ≦5.0 ……(1)
Ｔ＝13000/(3.28-log[Ti][N])-273 ≧1500 ……(2)
（[Ti]：Ti含有量（％）、[N] ：Ｎ含有量（％））
【請求項２】
さらに、Ｂ：0.0003〜0.0025％を含有することを特徴とする請求項１記載の鋼材。
【請求項３】
さらに、Nb：0.050 ％以下、Ｖ：0.005 〜0.15％の１種または２種、および／または、Cr：0.1 〜1.0 ％、Mo：0.05〜0.5 ％の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の鋼材（ただし、鋼線材を除く）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海浜地域など塩分の多い環境で耐候性を発揮し、かつ、大入熱溶接, 特に溶接入熱が 100kJ/cm を超えるような大入熱溶接が適用される、耐塩特性および大入熱溶接靭性に優れた鋼材に関する。
本発明において、化学成分含有量の単位記号として用いる％は質量百分率を意味する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼中にＰ、Cu、Cr、Ni等の合金元素を添加し大気中における耐候性を向上させた耐候性鋼板は, 橋梁等の構造物に広く利用されている。耐候性鋼は、屋外に置いて腐食の原因である酸素, 水を通しにくい安定さびと呼ばれるさびを数年で形成し、その後の腐食を抑制している。このため、耐候性鋼は防錆塗料の塗布が不要であり、いわゆる裸使用が可能な安価な高耐食性材料である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、現行の耐候性鋼は, 飛来塩分の多い海浜地域では, 安定さび層を形成せず, 腐食速度が低減しない場合がある。このため、1993年には建設省土木研究所他の指針（「耐候性鋼材の橋梁への適用に関する共同研究報告書(XX)」、1993.3、建設省土木研究所、（社）鋼材倶楽部, （社）日本橋梁建設協会発行）において海浜地域での裸使用が制限された。また、近年、非海浜地域においても冬期に路面凍結防止剤（融雪塩）を散布するような環境で、同様の問題が指摘されている。
【０００４】
さらに、最近の合理化設計橋梁への対応が困難になりつつある。すなわち、溶接施工コスト削減の観点から、従来の小入熱多層溶接から、大入熱１層溶接となるため、溶接熱影響部靭性の劣化が懸念されている。
本発明は、上記の問題に鑑み、耐塩特性および大入熱溶接靭性に優れた鋼材を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
海浜地域など塩化物を多く含む環境で, 耐候性が劣化する原因として、(A) 塩化物の潮解性、(B) さびの結晶化（粗大化）、(C) さび層- 地鉄界面でのClの濃化、(D) 鋼材の腐食を加速するFe3O4 、β-FeOOHの生成、(E) さび層でのpH低下、等が指摘されている。
【０００６】
これら塩化物の作用を防止することが、耐塩特性の向上に繋がるとの考えに基づき、種々の合金元素が耐塩特性に及ぼす影響を調査した。その結果、0.0045％以上のＮ添加がさび層でのpH低下(E) を抑制し, 耐塩特性向上に顕著な効果を示すことを見いだした。これは、鋼材の腐食により, 鋼中よりＮが溶出し、NH3 を形成したためと考えられる。
【０００７】
さらに、同調査により明らかとなったさびの結晶化（粗大化）(B) 抑制およびFe3O4 、β-FeOOHの生成(D) 抑制効果のあるNi、Cuと併用することにより、さらに耐塩特性が向上することを見いだした。
また、上記のように耐塩特性向上効果のあるＮをTiと下記(1) 、(2) 式を満たすように併用することにより、大入熱溶接熱影響部の靭性が向上することを見いだした。(1) 式および(2) 式は、溶接熱影響部の靭性向上のために, 溶接時の加熱によるオーステナイト粒の粗大化防止および微細フェライトの多量生成の観点から、溶鋼凝固時にTiN を有効に働かせるため、TiN の形態、サイズ、絶対量、溶解温度を適正化し、定式化したものである。
【０００８】
3.5 ≦[Ti]／[N] ≦5.0                             ……(1)
Ｔ＝13000/(3.28-log[Ti][N])-273 ≧1500            ……(2)
（[Ti]：Ti含有量（％）、[N] ：Ｎ含有量（％））
ここで、ＴはTiN の固溶温度 (℃）を示し、この値が大きいほどTiN が溶解しにくいことを示す。
【０００９】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）  Ｃ：0.01〜0.15％、Si：0.05〜0.80％、Mn：0.1 〜2.0 ％、Ｐ：0.005 〜0.030 ％、Ｓ：0.01％以下、Al：0.08％以下、Cu：0.1 〜1.0 ％、Ni：0.1 〜3.5 ％を含有し、かつ、Ti：0.015 〜0.040 ％、Ｎ：0.0045〜0.0085％を下記(1) 、(2) 式を満たす範囲で含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐塩特性および大入熱溶接靭性に優れた鋼材。
【００１０】
記
3.5 ≦[Ti]／[N] ≦5.0                             ……(1)
Ｔ＝13000/(3.28-log[Ti][N])-273 ≧1500            ……(2)
（[Ti]：Ti含有量（％）、[N] ：Ｎ含有量（％））
（２）  さらに、Ｂ：0.0003〜0.0025％を含有することを特徴とする（１）記載の鋼材。
【００１１】
（３） さらに、Nb：0.050 ％以下、Ｖ：0.005 〜0.15％の１種または２種、および／または、Cr：0.1 〜1.0 ％、Mo：0.05〜0.5 ％の１種または２種を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載の鋼材（ただし、鋼線材を除く）。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に各成分の限定理由について説明する。
Ｃ：0.01〜0.15％
Ｃ量は構造用鋼として必要な強度を得るために下限を0.01％とし、溶接割れの観点から上限を0.15％とした。
【００１３】
Si：0.05〜0.80％
Siは製鋼上0.05％以上が必要であり、0.08％を超えると母材の靭性を劣化させる。
Mn：0.1 〜2.0 ％
Mnは母材の強度を確保するために0.1 ％以上は必要であり、2.0 ％を超えると溶接部の靭性を著しく劣化させる。
【００１４】
Ｐ：0.005 〜0.030 ％
Ｐは、さび粒子を緻密化し耐塩特性を向上させる元素であるが、0.005 ％未満ではこの効果が認められない。また、0.030 ％を超えると靭性が劣化する。このため、Ｐは0.005 〜0.030 ％の範囲に限定した。
Ｓ：0.01％以下
Ｓは、耐塩特性を劣化させ、さらに溶接性、靭性を劣化させるため、0.01％以下に限定した。
【００１５】
Al：0.08％以下
Alは0.08％を超えて添加すると母材の靭性を低下させると同時に母材から溶接金属部への希釈によって溶接金属部の靭性を劣化させるので、0.08％以下とした。
Cu：0.1 〜1.0 ％
Cuは、さびの結晶化 (粗大化）を抑制し、かつ鋼材の腐食を加速するβ-FeOOHさび、Fe3O4 さびの生成を抑制し、耐塩特性を向上させる。しかし、0.1 ％未満ではその効果が小さく、一方、1.0 ％を超えると熱間加工性を阻害するとともに、耐塩特性向上効果も飽和し、経済的に不利となる。このため、Cu含有量は0.1 〜1.0 ％の範囲に限定した。
【００１６】
Ni：0.1 〜3.5 ％
NiはCuと同様、さびの結晶化 (粗大化）を抑制し、かつ鋼材の腐食を加速するβ-FeOOHさび、Fe3O4 さびの生成を抑制し、耐塩特性を向上させる。しかし、0.1 ％未満ではその効果が小さい。一方、 3.5 ％を超えて含有しても効果が飽和し、含有量に見合う効果が認められず、経済的に不利となる。このため、Niは0.1 〜3.5 ％の範囲とした。
【００１７】
Ｎ：0.0045〜0.0085％
Ｎは本発明において、最も重要な元素であり、耐塩特性を顕著に向上させ、さらに溶接熱影響部の靭性を向上させる。Ｎは鋼材の腐食により溶出し、NH3 を形成したためと考えられる理由により、さび層でのpH低下を抑制し、耐塩特性向上に顕著な効果を示す。さらに、Ｎによってさび層でのpHを低下を抑制することは、上記Cu、Niによる作用を助長する。これらの作用は、0.0045％以上で発現する。
【００１８】
さらに、Tiとの併用により、大入熱溶接熱影響部の靭性が向上する。その理由は、溶鋼凝固時に形成したTiN が溶接時の加熱によるオーステナイト粒の粗大化を防止し、さらに微細フェライトを多量生成するためである。ただし、この効果を奏するためには、TiN の性状、すなわち形態、サイズ、絶対量、溶解温度が限定される。それらの適正範囲は、前記(1) 式および(2) 式を満たす範囲となる。なお、Ｎ量が0.0085％を超えると、連続鋳造割れの発生、溶接熱影響部での島状マルテンサイトの生成による靭性劣化、母材より溶接金属部への希釈による溶接金属部の靭性劣化を引き起こす。したがって、Ｎ量の上限は0.0085％とした。
【００１９】
Ti：0.015 〜0.040 ％
Tiは、TiN を形成し溶接熱影響部の靭性を向上させるため、 本発明において重要な元素である。0.015 ％未満では、TiN が比較的低温で溶解・ 消失し、その絶対量が不足するため、溶接熱影響部の靭性が劣化する。一方、0.040 ％を超えると母材靭性に悪影響を与えるので、Ti量は0.015 〜0.040 ％とした。
【００２０】
Ｂ：0.0003〜0.0025％
Ｂは、鋼の高強度化に寄与し、また、溶接熱影響部において固溶Ｎと化合（BNとして析出）することによって、靭性に悪影響を与える固溶Ｎの量を減少させる働きがある。さらにBNは、オーステナイト粒内から靭性に効果的である微細フェライトの析出を促進させる。この効果は、0.0003％以上で発現する。しかし、0.0025％を超えて添加すると著しく硬化して母材靭性の劣化を招く虞があるので、0.0003〜0.0025％の範囲とした。
【００２１】
Nb：0.050 ％以下
Nbは熱間圧延時、または圧延後の冷却過程で炭窒化物を形成し、強度上昇に寄与するが、溶接継手の熱影響部の靭性を劣化させるので、0.050 ％を上限とした。
Ｖ：0.005 〜0.15％
Ｖも同じく熱間圧延時、または圧延後の冷却過程で炭窒化物を形成し、強度上昇に寄与するため、母材の強度および継手の強度確保のために添加するが、0.005 ％未満ではその効果に乏しく、一方、0.15％を超えると靭性の低下を招くため、0.005 〜0.15％とした。
【００２２】
Cr：0.1 〜1.0 ％
Crは母材の高強度化に有効な元素であるが0.1 ％未満ではその効果に乏しく、また1.0 ％を超えて添加すると靭性に悪影響を与えるとともに、耐塩特性に悪影響を与えるので、0.1 〜1.0 ％とした。
Mo：0.05〜0.5 ％
Moは耐塩特性の向上および母材の高強度化に有効な元素であるが0.05％未満ではその効果に乏しく、また0.5 ％を超えて添加すると靭性に悪影響を与えるので、0.05〜0.5 ％とした。
【００２３】
以上のように、本発明によれば、耐塩特性に優れ、かつ大入熱溶接熱影響部の靭性にも優れた鋼材を得ることができる。なお、本発明の鋼材は、銑鉄を転炉で鋼とした後、ＲＨで脱ガスを行い、連続鋳造または造塊- 分塊工程を経て鋼片とし、これを再加熱して熱間圧延し、あるいはさらに、加速冷却、直接焼入れ焼戻し、再加熱焼入れ焼戻し、焼準、焼戻し処理の１つ以上を施して製造する。
【００２４】
【実施例】
表１に示す化学組成になる鋼片を加熱、圧延して、板厚50mmの鋼板となし、これらの鋼板について、板厚1/4 部から採取した試験片を用い、引張試験およびシャルピー衝撃試験を行い、母材の強度・ 延性およびシャルピー破面遷移温度（vTrs）を調査した。その結果を表２に示す。
【００２５】
次に、同鋼板から3.5mm 厚×60mm幅×125mm 長さの腐食試験片を採取し、海水散布試験に供した。海水散布試験は屋外にて海水を試験片に週２回（１h/回）散布し、これを１年間繰り返した。同試験後、試験片の重量減少量から腐食量を算出し、比較鋼であるNo.25 鋼（ＪＩＳ耐候性鋼）に対する比（相対腐食量）で耐塩特性を評価した。その評価結果を表２に示す。
【００２６】
さらに、エレクトロガスアーク溶接（入熱500kJ/cm）にて各鋼板の溶接継手を製作し、継手板厚1/4 部から採取したシャルピー試験片の溶接熱影響部にノッチを導入し、-20 ℃でシャルピー試験を行った。その結果を表２に示す。
【００２７】
【表１】
0004792644.tif 000002
【００２８】
【表２】
0004792644.tif 000003
表２に示すとおり、発明鋼(No.1-11) の相対腐食量は17〜47％であり、優れた耐塩特性を示す。一方、Ｎ量が下限値未満である比較鋼(No.13,14)の相対腐食量は95％であり、耐塩特性向上効果が認められない。また、Ni,Cu 量がそれぞれ下限値未満である比較鋼(No.18) および比較鋼(No.19) の相対腐食量は、87％および84％であり、耐塩特性向上効果が十分でない。その他の比較鋼(No.12,15-17,20-24) は、 耐塩特性は十分向上しているが、以下に述べるように溶接継手靭性が十分でない。
【００２９】
すなわち、発明鋼(No.1-11) を用いた溶接継手においては、いずれも-20 ℃で200Jを超える高いシャルピー吸収エネルギー(vE -20 ) を得た。一方、比較鋼(No.12-17)では、吸収エネルギーが著しく低い。No.12 ではTi量が不足し、No.13,14ではＮ量が不足し、No.15 では[Ti]/[N]比が5.0 超となっている。また、No.16 ではTi、Ｎ量は適正範囲であるが、Ｔ値が1500未満となっている。また、No.17 はTi、Ｎが適正範囲上限を超え、吸収エネルギーが低くなっている。また、比較鋼(No.20-24)は、それぞれＣ、Si、Mn、Ｐ、Ｓ量が適正範囲上限を超え、母材シャルピー破面遷移温度が上昇、 すなわち靭性が劣化し、さらに溶接継手の母材熱影響部（ＨＡＺ）のシャルピー吸収エネルギーも著しく低下している。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば耐塩特性は著しく向上し、さらに大入熱溶接を施されても溶接継手熱影響部の靭性の劣化を防ぐことができる。このことにより、橋梁などの構造物の塗装を省略することが可能であり、さらに溶接施工能率を顕著に向上できるという、 産業上格段の効果を奏する。