(57)【要約】【課題】  従来のステンレス鋼よりも少ないCr含有量でかつ熱延板焼鈍を省略した場合でも、局部腐食の発生を有効に防止し、もって従来の炭素鋼と比較して、構造材として５倍以上の耐用年数が得られる建築土木構造用鋼材とその安価な製造方法を提案する。【解決手段】  Ｃ：0.002〜0.03mass％、Ｎ：0.002〜0.03mass％、Si：0.05〜2.0mass％、Mn：0.05〜2.0mass％、Ｐ：0.04mass％以下、Ｓ：0.03mass％以下、Al：0.3mass％以下、Cr：5.0mass％超〜10.0mass％未満を含有しする熱延鋼板に、焼鈍を施すことなく、圧下率0.5〜３％の調質圧延を施す。【選択図】    図１
2005264253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.002〜0.03mass％、
Ｎ：0.002〜0.03mass％、
Si：0.05〜2.0mass％、
Mn：0.05〜2.0mass％、
Ｐ：0.04mass％以下、
Ｓ：0.03mass％以下、
Al：0.3mass％以下、
Cr：5.0mass％超〜10.0mass％未満
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有し、圧下率が0.5〜３％の調質圧延を施した未焼鈍の調質熱延材であることを特徴とする建築土木構造用鋼材。
【請求項２】
上記成分組成に加えてさらに、Cu：0.05〜1.0mass％、Ni：0.05〜1.0mass％、Mo：0.05〜1.0mass％のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の建築土木構造用鋼材。
【請求項３】
上記成分組成に加えてさらに、Nb：0.01〜0.5mass％、Ti：0.01〜0.5mass％、Zr：0.01〜0.5mass％、Ｖ：0.01〜0.5mass％、Ｗ：0.01〜0.5mass％のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の建築土木構造用鋼材。
【請求項４】
Ｃ：0.002〜0.03mass％、
Ｎ：0.002〜0.03mass％、
Si：0.05〜2.0mass％、
Mn：0.05〜2.0mass％、
Ｐ：0.04mass％以下、
Ｓ：0.03mass％以下、
Al：0.3mass％以下、
Cr：5.0mass％超〜10.0mass％未満
を含有する熱延鋼板に焼鈍を施すことなく、圧下率が0.5〜３％の調質圧延を行うことを特徴とする建築土木構造用鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建築土木構造用鋼材に関し、特に、局部腐食による強度低下が小さくて耐用寿命が長くかつ安価な建築土木構造用鋼材とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、建築構造物や土木構造物に対する長寿命化と低コスト化への要求は強まる一方である。従来、住宅構造材のように、完成後は外壁等に覆われる用途においては、結露等により腐食が起こるため、通常使われている板厚４mm程度の炭素鋼では、その耐用年数はせいぜい20年程度と言われている。
【０００３】
そこで、上記腐食を防止するために、炭素鋼にめっき処理あるいは防錆塗装を施した炭素鋼が一般的に使用されている。しかし、めっき処理した炭素鋼の場合には、溶接部や端面、穴開け部などに防錆補修が必須であり、さらに、防錆補修だけでは数十年という長期間の防食機能には不十分であり、定期的な補修が必要とされる。しかし、居住している住宅等では、定期的な防錆補修を内部の構造材にまで行うことは現実にはできない。また、防錆塗装した炭素鋼の場合には、十分な寿命を得るためには板厚を厚くする必要があり、設計上の問題やコストアップを招く。また、施工時に塗装に傷が入れば、その部分の寿命は低下するという問題がある。
【０００４】
一方、長寿命の鋼材として、ＳＵＳ３０４などのステンレス鋼が建築構造材料として認定されているが、極めて高価であるため、その用途はモニュメント等の限られたものに限定されているのが実情である。また、住宅構造材のように、完成後は外壁等に覆われて外部から見えなくなる用途には、ＳＵＳ３０４のような高価なステンレス鋼を使用する必要はない。むしろ、外観上、若干の錆びを生じても、構造材としての強度が維持できれば十分であることから、ステンレス鋼より安価な構造材が望まれている。
【０００５】
そのような観点から、最近、長寿命と低コストとを両立した構造用鋼材が提案されている(例えば、特許文献１，２参照。)。しかし、構造用鋼材が上述した競合材であるめっき処理した鋼や防錆塗装した鋼に対して、長寿命を維持しつつコスト的に太刀打ちするためには、さらなる低コスト化を達成する必要がある。そのためには、できるだけ低Cr化して原料費を削減する他、防錆補修などのメンテナンス費用を低減し、ライフサイクルコスト(ＬＣＣ)を低減する必要がある。
【０００６】
しかし、低Cr化を進めると耐食性が低下し、構造材の寿命が問題となってくるが、その際、特に留意しなければならないのは、Cr鋼特有の局部腐食の問題である。すなわち、炭素鋼の場合には、通常、腐食は均一起こるため、この均一腐食による腐食減量率や板厚減少率に比例して強度低下を生じる。しかし、Cr鋼の場合には、不動態皮膜が存在するために局部腐食を起こし、その腐食部分に応力集中が発生した場合には、腐食減量率以上の強度低下を引き起こす。ここで、腐食減量率に対する強度低下率の比を「局部腐食係数」と呼ぶこととした場合、低Cr鋼の局部腐食係数は、炭素鋼と比較して大きいという問題がある。
【０００７】
上記局部腐食を低減する技術として、鋼材の表面に脱Cr層を積極的に生成させることにより均一腐食を起こさせて局部腐食を防止する方法が特許文献３〜５に開示されている。
【特許文献１】特開平１１−３０２７３７号公報
【特許文献２】特開平１１−３０２７９５号公報
【特許文献３】特開平１０−２９８７１８号公報
【特許文献４】特開平１１−３２３５０５号公報
【特許文献５】特開２００１−２３４２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献３〜５の技術によれば、確かに局部腐食の発生を低減することは可能である。しかし、これらの技術は、脱Cr層の制御が難しく、特に、実際の製造においては、脱Cr層が大きくなり過ぎるという問題がある。そのため、局部腐食は生じないが、均一腐食による腐食速度が大きくなるため、逆に鋼材寿命が著しく低下してしまう。
【０００９】
また、従来技術においては、後述するように、局部腐食を低減することを目的として、熱延後の鋼材に長時間の熱延板焼鈍を施しており、コスト上昇原因の１つとなっている。そのため、熱延板焼鈍を省略できる技術が望まれている。
【００１０】
本発明の目的は、従来のステンレス鋼よりも少ないCr含有量でかつ熱延板焼鈍を省略した場合でも、局部腐食の発生を有効に防止し、もって従来の炭素鋼と比較して５倍以上の耐用年数が得られる建築土木構造用鋼材とその安価な製造方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明者らは、Cr含有量が異なる種々の鋼の腐食挙動を調査した結果、Crを適量範囲に含有させ、熱延板焼鈍を省略した熱延材に、適度の加工歪を付与することにより、均一腐食だけでなく局部腐食をも低減でき、ひいては鋼材寿命の長い建築土木構造用鋼材を提供できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１２】
すなわち、本発明は、Ｃ：0.002〜0.03mass％、Ｎ：0.002〜0.03mass％、Si：0.05〜2.0mass％、Mn：0.05〜2.0mass％、Ｐ：0.04mass％以下、Ｓ：0.03mass％以下、Al：0.3mass％以下、Cr：5.0mass％超〜10.0mass％未満を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有し、圧下率が0.5〜３％の調質圧延を施した未焼鈍の調質熱延材であることを特徴とする建築土木構造用鋼材である。
【００１３】
本発明の鋼材は、上記成分組成に加えてさらに、Cu：0.05〜1.0mass％、Ni：0.05〜1.0mass％、Mo：0.05〜1.0mass％のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする。
【００１４】
さらに本発明の鋼材は、上記成分組成に加えてさらに、Nb：0.01〜0.5mass％、Ti：0.01〜0.5mass％、Zr：0.01〜0.5mass％、Ｖ：0.01〜0.5mass％、Ｗ：0.01〜0.5mass％のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、Ｃ：0.002〜0.03mass％、Ｎ：0.002〜0.03mass％、Si：0.05〜2.0mass％、Mn：0.05〜2.0mass％、Ｐ：0.04mass％以下、Ｓ：0.03mass％以下、Al：0.3mass％以下、Cr：5.0mass％超〜10.0mass％未満を含有する熱延鋼板に焼鈍を施すことなく、圧下率が0.5〜３％の調質圧延を行うことを特徴とする建築土木構造用鋼材の製造方法を提案する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来のステンレス鋼よりも低Crでかつ熱延板焼鈍を省略しても、局部腐食を有効に防止し耐用寿命に優れた構造用鋼材を製造することができる。そのため、完成後は外壁等に覆われて外部から見えなくなる建築構造用鋼材や、鋼矢板のように土の中に埋もれて外部から見えなくなる土木構造用鋼材、さらには塗装されて使用される建築土木構造用鋼材等に好適な鋼材を安価に提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の基本的な技術思想について説明する。
Cr含有量が５mass％以下の鋼材は、不動態皮膜が十分に生成しないため、局部腐食はほとんど発生しない。しかし、均一腐食の腐食速度が大きいため十分な鋼材寿命は得られない。一方、Cr含有量が５mass％を超える鋼材は、均一腐食の腐食速度は小さくなるが、不動態皮膜もある程度生成するため、局部腐食の傾向は強くなる。さらに、熱延板焼鈍を省略した鋼材では、熱延後、Cr炭窒化物が析出する際、局所的に脱Cr域が発生して不動態皮膜が不均一化し、局部腐食がより生じ易くなる。ここで、この鋼材に、圧下率が0.5％から3.0％の調質圧延(冷間圧延)を施すと、鋼板表面層に転位が均一に導入されて、そこが錆発生の起点となるため、均一腐食が進行して局部腐食の発生を抑制することが可能となる。
【００１８】
また、Cr含有量が10mass％以上の鋼材では、鋼材表面に強固な不動態皮膜が生成するため局部腐食が発生し易い。従って、若干の調質圧延を施しても、不動態皮膜を破壊して均一腐食を起こさせることはできない。また、高い圧下率の調質圧延を行うことは、鋼材の機械的性質を劣化させるだけで、局部腐食を低減する効果は小さい。さらに、Cr含有量が増して16mass％程度まで多くなると、局部腐食が発生しても、腐食速度が極めて小さいため鋼材寿命には悪影響はない。しかし、製造コストが上昇するため、めっき処理鋼や防錆塗装鋼と比較したライフサイクルコストが高くなり、本来の目的を達成することができない。
【００１９】
また、熱延板焼鈍を省略した鋼材において、局部腐食が生じやすい理由を説明する。Crを数mass％程度含有した鋼材の場合、熱間圧延後にオーステナイト相からフェライト相に変態し、Cr炭窒化物が析出し、その周囲に脱Cr層が生成する。また、化学成分と製造条件によっては、マルテンサイト相が生成する。そこで、通常、脱Cr層の回復とマルテンサイト相のフェライト相への焼き戻しのため、熱延後の鋼板には、長時間の熱延板焼鈍が行われている。しかし、熱延板焼鈍を省略した場合には、熱延後のコイルが持つ熱による自己焼鈍だけで上記目的を達成する必要があるが、自己焼鈍だけでは、熱延板焼鈍と比較して均熱時間が短いため、十分な脱Cr層の回復ができない。その結果、熱延板焼鈍を省略した鋼材では、局部腐食を起こし易くなる。
【００２０】
次に、本発明において、鋼材の成分組成を上記範囲に制限する理由について説明する。
Ｃ：0.002〜0.03mass％
Ｃは、0.002mass％未満では建築土木構造用鋼材として必要な強度が不足する。逆に、0.03mass％を超えると、構造用鋼材として必要な靭性・延性が得られない。よって、Ｃ含有量は0.002〜0.03mass％の範囲に制限する。
【００２１】
Ｎ：0.002〜0.03mass％
Ｎは、Ｃと同じく、0.002mass％未満では建築土木構造用鋼材として必要な強度が不足する。一方、0.03mass％超えでは、構造用鋼材として必要な靭性・延性が得られない。よって、Ｎ含有量は0.002〜0.03mass％の範囲とする。
【００２２】
Si：0.05〜2.0mass％
Siは、脱酸剤として添加される有用な元素であり、0.05mass％未満では十分な脱酸効果が得られない。しかし、Si含有量が2.0mass％超えると、構造材として必要な靭性・延性が得られない。よって、Si含有量は0.05〜2.0mass％に制限する。
【００２３】
Mn：0.05〜2.0mass％
Mnは、高温におけるオーステナイト相の生成量を増大することにより、冷却時の変態による微細なマルテンサイト相の生成を促進し、溶接部の靭性を向上する。Mn含有量が、0.05mass％未満では、十分な量のオーステナイト相が得られない。しかし、Mn含有量が2.0mass％を超えると、MnＳ系介在物が増加して耐食性が低下する。よって、Mn含有量は0.05〜2.0mass％の範囲に制限する。
【００２４】
Ｐ：0.04mass％以下
Ｐは、靭性・延性等の機械的性質を劣化させるばかりでなく、耐食性に対しても有害な元素である。特に、Ｐ含有量が0.04mass％を超えるとその影響が顕著になるので、Ｐ含有量は0.04mass％以下に規制する。
【００２５】
Ｓ：0.03mass％以下
Ｓは、Mnと結合してMnＳを形成し、耐食性を劣化させる。またＳは、結晶粒界に偏析して、粒界脆化を引き起こす有害元素でもあるので、極力低減することが好ましい。特に、Ｓ含有量が0.03mass％を超えるとその悪影響が顕著になるので、Ｓ含有量の上限は0.03mass％とする。
【００２６】
Al：0.3mass％以下
Alは、脱酸剤として添加される元素であり、また、酸化物を球状化して、曲げ加工時の延性を改善する効果を有する。従って、SiやMnによる脱酸が不足する場合には添加することができる。しかし、Al含有量が多過ぎると、介在物が多くなり耐食性が低下するため0.3mass％以下に制限する。
【００２７】
Cr：5.0mass％超〜10.0mass％未満
Crは、本発明が対象とする建築土木構造用鋼材として必要な耐食性を確保するために不可欠な元素である。本発明は、住宅構造材のように完成後には外壁等により覆われて外部から見えなくなる鋼材等を対象としているため、一般のステンレス鋼であるＳＵＳ４３０やＳＵＳ３０４ほどの耐食性は要求されない。しかし、Cr含有量が5.0mass％以下では均一腐食の腐食速度が大きいために、構造材として必要な寿命を確保できない。一方、10.0mass％以上では不動態皮膜が強固となるため、調質圧延による転位の導入では局部腐食を防止することができない。また、Cr量の増加に伴い腐食速度は小さくなるが、16％Crまで含有すると鋼材寿命が延びる反面、原料コストが高くなり、めっき処理した鋼や防錆塗装した鋼と比較したライフサイクルコストにおけるメリットが無くなる。さらに、熱延後に焼きが入り易く、熱延板焼鈍を省略することが難しくなり、製造コストも上昇する。結局、Cr量が5.0mass％超〜10.0mass％未満の範囲においてのみ、適度な調質圧延による局部腐食の低減効果と熱延板焼鈍省略のコスト低減効果の両方を得ることができる。
【００２８】
本発明の鋼材は、上記基本成分の他、耐食性の向上を目的として、下記の元素を添加することができる。
Cu：0.05〜1.0mass％
Cuは、腐食速度を低減して耐食性を向上するのに有用な元素であるが、0.05mass％未満ではその効果が得られず、また、その含有量が1.0mass％を超えると、加工性の低下を招く。よって、Cu含有量は0.05〜1.0mass％とすることが好ましい。
【００２９】
Ni：0.05〜1.0mass％
Niは、Cuと同様、腐食速度を低減して耐食性を向上するが、0.05mass％未満ではその効果が得られない。一方、Niは、高価な元素であり、その含有量が1.0mass％を超えると原料コストの上昇を招く他、加工性の低下も招く。よって、Ni含有量は0.05〜1.0mass％が好ましい。
【００３０】
Mo：0.05〜1.0mass％
Moも、Niと同様、腐食速度を低減して耐食性を向上するが、0.05mass％未満ではその効果が得られない。また、高価な元素であり、多量の添加はコストアップとなり、加工性の低下も招く。よって、Mo含有量は0.05〜1.0mass％とすることが好ましい。
【００３１】
Nb：0.01〜0.5mass％、Ti：0.01〜0.5mass％、Zr：0.01〜0.5mass％、Ｖ：0.01〜0.5mass％、Ｗ：0.01〜0.5mass％
Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，ＶおよびＷはいずれも、Ｃ，Ｎと結合して、Cr炭窒化物の析出を抑制して局部腐食を低減する効果を有する元素である。これらの元素の含有量が0.01mass％未満ではその効果が得られない。一方、0.5mass％を超えて添加すると、加工性が低下し、製造コストも上昇する。従って、これら元素の含有量は各々0.01〜0.5mass％の範囲であることが好ましい。
【００３２】
次に、本発明係る建築土木構造用鋼材の製造方法について説明する。
本発明の鋼材は、上述した成分組成に調整した溶鋼を、転炉または電気炉等の溶製炉によって溶製したのち、ＶＯＤ法、ＡＯＤ法、ＲＨ法等の真空処理による２次精錬を行ってから、連続鋳造法あるいは造塊−分塊圧延法で鋼スラブとすることが好ましい。この鋼スラブを再加熱した後、熱間圧延し熱延鋼板(熱延材)とする。なお、上記スラブ再加熱は、連続鋳造から直送されて熱間圧延される場合には不要である。また、熱間圧延の条件は、特に制限はなく、常法に従って行うことができる。また、本発明の鋼材は、ＳＵＳ４３０(16％Cr鋼)や11％Cr鋼などのステンレス鋼に比べてCr含有量が低いため、熱延板焼鈍を省略することができるので、一層のコストダウンが達成される。
【００３３】
上記熱延材は、その後、または必要に応じて酸洗等によりスケールを除去した後、圧下率0.5〜３％の調質圧延(冷間圧延)を施すことを必須の要件とする。この調質圧延における圧下率は、0.5〜３％の範囲とする必要がある。圧下率が0.5％未満では、局部腐食の低減による強度低下の減少、すなわち、局部腐食係数の低減効果は得られない。一方、３％を超える圧下率を付与しても、局部腐食係数の低減効果は飽和する。また、構造用鋼材の場合、耐震性能等の観点から、引張強さに対する0.2％耐力の比である降伏比ＹＲが小さいことが求められ、ＹＲが80％を超えると、構造材料としては好ましくない。本発明の鋼材は、調質圧延による0.2％耐力の上昇量が大きいので、３％を超える圧下率を付与するとＹＲが80％を超える虞がある。よって、調質圧延における圧下率は、0.5〜３％の範囲に制限する必要がある。
【実施例１】
【００３４】
表１に示す成分組成を有する鋼を真空溶解炉で溶製し、鋳造して50kg鋼塊とした後、この鋼塊の表面を４mm研削した。次いで、1200℃×１時間の焼鈍を施してから、仕上温度を850℃とする熱間圧延により板厚4.5mmの熱延鋼板とした後、この熱延鋼板を、実ラインにおける熱延コイルの冷却速度を模するため、35℃/ｈの冷却速度で炉冷した。この熱延鋼板に、ショットブラストとフッ酸−硝酸の混合酸による脱スケール処理を施した後、０〜５％の調質圧延を行い、試験材を得た。この試験材より、引張方向を圧延方向とするＪＩＳ １３Ｂ号引張試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準じて引張試験を行い、0.2％耐力(ＰＳ)、引張強さ(ＴＳ)および降伏比(ＹＲ＝ＰＳ／ＴＳ×100)を求めた。
【００３５】
また、上記試験材から50×150mmの試験片を切り出し、重量を測定した後、複合サイクル腐食試験を1000時間行った。この複合サイクル腐食試験は、(0.1％NaCl＋0.1％Ｈ2Ｏ2)液噴霧(35℃×0.5時間)→乾燥(60℃×１時間)→湿潤(40℃×１時間)を１サイクルとし、これを繰り返して行うもので、数％のCr鋼の耐候性を評価する方法として、発明者らが開発した腐食試験方法である。試験後、試験片表面の錆を落としてから重量を測定し、腐食減量を求め、腐食減量率と腐食速度を測定した。また、錆落としした後の試験片より、引張方向を圧延方向とするＪＩＳ １３Ｂ号引張試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準じて引張試験を行い、腐食試験後の強度と腐食試験前の強度とから強度低下率を求めた。さらに、この強度低下率と腐食減量率との比を取ることにより、局部腐食係数を求めた。
【００３６】
【表１】
2005264253.tif 000003
【００３７】
図１および表２にその試験結果を示す。図１は、Cr含有量を０〜16mass％の範囲で変化させた鋼No.Ａ〜Ｄ，ＴおよびＵを熱間圧延して得た熱延鋼板に、圧下率０％〜５％の範囲で調質圧延を行った時の、局部腐食係数に及ぼすCr含有量と調質圧延圧下率の影響を示したものである。この図１から、Cr量が５mass％超え10mass％未満の鋼材に、0.5〜3.0％の調質圧延を施すことにより、調質圧延を施さないものに比べて局部腐食係数が顕著に減少していることがわかる。
【００３８】
また、表２から、発明鋼である鋼No.Ｃ〜Ｓで調質圧延の圧下率を0.5〜３％としたものは、０％Cr鋼(鋼No.Ａ)に対する寿命比が５倍以上あり、十分な鋼材寿命を示していることがわかる。また、ＹＲも80％以下であり、構造用鋼材としても適した特性となっている。一方、Cr量が５mass％未満の鋼No.Ａ，Ｂは、腐食速度が大きく、鋼材寿命が不足している。また、鋼No.Ｔの11％Crは局部腐食係数が大きく、鋼材寿命が０％Cr鋼(鋼No.Ａ)の５倍に満たない。また、16％Cr鋼である鋼No.Ｕでは、鋼材寿命は十分であるが、熱延板焼鈍を省略できず、成分コストも高いことから、本発明の目的は達成できない。
【００３９】
【表２】
2005264253.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】局部腐食係数に及ぼすCr含有量と調質圧下率の影響を示すグラフである。
【図１】
2005264253.tif 000005