(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：0.10％以下、Si：1.0％以下、Mn：2.0％以下、Ｐ：0.04％以下、Cu：0.05％以上1.0％以下、Ni：0.65％以上5.0％以下、Cr：0.4％以上1.49％以下およびAl:0.003％以上2.0％以下を含有するとともに、下記（１）式を満たし、さらに、Mo：0.01％以上1.0％以下、Ｗ：0.01％以上1.0％以下およびＶ：0.01％以上1.0％以下のうちの１種以上を含有し、かつ下記（２）式で表されるPcmが0.2％以下であり、残部がFeおよび不可避不純物からなり、不純物中のＳが0.005％以下であることを特徴とする海浜耐候性に優れた鋼材。
1.5％≦Cu（％）＋Ni（％）＋Cr（％）≦6.0％・・・（１）
Pcm＝Ｃ（％）＋（1／30）Si（％）＋（1／20）Mn（％）
＋（1／20）Cu（％）＋（1／60）Ni（％）＋（1／20）Cr（％）
＋（1／15）Mo（％）＋（1／10）Ｖ（％）・・・（２）
【請求項２】
請求項１に記載の鋼材が、さらに、重量％で、Ca：0.0001％以上0.1％以下およびMg：0.0001％以上0.1％以下のうちの１種または２種を含有することを特徴とする海浜耐候性に優れた鋼材。
【請求項３】
請求項１に記載の鋼材が、さらに、重量％で、Ti：0.01％以上0.3％以下およびNb：0.01％以上0.1％以下のうちの１種以上を含有することを特徴とする海浜耐候性に優れた鋼材。
【請求項４】
請求項３に記載の鋼材が、さらに、重量％で、Ca：0.0001％以上0.1％以下およびMg：0.0001％以上0.1％以下のうちの１種または２種を含有することを特徴とする海浜耐候性に優れた鋼材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海浜地域や融雪塩が散布される地域等の飛来塩分量が多い環境下でもメンテナンスフリー材料として使用し得る耐候性に優れた鋼材（以下、この鋼材を「海浜耐候性に優れた鋼材」という）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
耐候性鋼材を大気腐食環境中に暴露すると、その表面に保護性のあるさび層が形成され、それ以降の鋼材の腐食が著しく抑制される。そのため、耐候性鋼材は、塗装せずに裸のまま使用できるメンテナンスフリー鋼材として橋梁等の構造物に用いられている。
【０００３】
しかし、海浜地域や、内陸部でも融雪塩が散布される地域などの飛来塩分量が多い地域においては、鋼表面に保護性のあるさび層が形成されず、腐食の抑制効果はみられない。そのため、海浜部では、塗装なしの裸のままの耐候性鋼材は用いられず、普通鋼に塗装を施して使用する普通鋼の塗装使用が一般的である。しかしながら、塗装使用の場合、約１０年毎に再塗装をする必要があり、メンテナンス費用は莫大なものとなる。
【０００４】
一方、海浜地域における耐候性に優れた鋼材の開発が進められており、クロム（Cr）の含有量を増加させた材料（特開平６−９９３７２号公報、特開平９−１７６７９０号公報）、ニッケル（Ni）含有量を増加させた材料（特開平５−５１６６８号公報）や、りん（Ｐ）の含有量を高めた材料（特開平１０−２５１７９７号公報）等が提案されている。
【０００５】
しかし、CrやＰの含有量を増加させると、塩分が飛来する環境下における耐候性は向上するが、溶接性が劣化する。鋼材を橋梁等の構造物として使用する場合、溶接施工が必要であり、十分な溶接性を確保するためには、CrやＰの含有量をあまり高くすることは望ましくない。
【０００６】
また、Ni含有量を増加させた場合、耐候性はある程度改善されるが、鋼材自体のコストが高くなり、橋梁等の用途に使用される材料としては高価なものにならざるを得ない。これを避けるため、Ni含有量を少なくすると、耐候性はさほど改善されず、飛来塩分量が多い場合には、鋼材の表面に層状の剥離さびが生成し、長期間の使用に耐えられないという問題が生じる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような状況に鑑みなされたもので、その課題は、海浜地域等の飛来塩分量が多い環境下で優れた耐候性を有し、しかも、低コストで、十分な溶接性を備えた鋼材を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記の海浜耐候性に優れた鋼材にある。
【０００９】
重量％で、Ｃ：0.10％以下、Si：1.0％以下、Mn：2.0％以下、Ｐ：0.04％以下、Cu：0.05％以上1.0％以下、Ni：0.65％以上5.0％以下、Cr：0.4％以上1.49％以下およびAl:0.003％以上2.0％以下を含有するとともに、下記（１）式を満たし、さらに、Mo：0.01％以上1.0％以下、Ｗ：0.01％以上1.0％以下およびＶ：0.01％以上1.0％以下のうちの１種以上を含有し、かつ下記（２）式で表されるPcmが0.2％以下であり、残部がFeおよび不可避不純物からなり、不純物中のＳが0.005％以下であることを特徴とする海浜耐候性に優れた鋼材。
【００１０】
1.5％≦Cu（％）＋Ni（％）＋Cr（％）≦6.0％・・・（１）、
Pcm＝Ｃ（％）＋（1／30）Si（％）＋（1／20）Mn（％）
＋（1／20）Cu（％）＋（1／60）Ni（％）＋（1／20）Cr（％）
＋（1／15）Mo（％）＋（1／10）Ｖ（％）・・・（２）。
なお、Cu（％）、Ni（％）等、元素記号の後に（％）を付した表示は、それぞれの元素の含有量（重量％）を意味する。
【００１１】
上記鋼材に、さらに、重量％で、カルシウム（Ca）：0.0001％以上0.1％以下およびマグネシウム（Mg）：0.0001％以上0.1％以下のうちの１種または２種を含有させるか、または、チタン（Ti）：0.01％以上0.3％以下およびニオブ（Nb）：0.01％以上0.1％以下のうちの１種以上を含有させてもよい。また、前記のTiおよびNbのうちの１種以上と、前記のCaおよびMgのうちの１種または２種を同時に含有させてもよい。
【００１２】
本発明者らは、上記の課題を解決するために、特にCrの耐候性に及ぼす影響に着目し、Cr含有量を変化させた材料についての耐候性試験を行った。これは、本発明者らの一人が既に報告しているように（「材料と環境」第43巻（1994）第１号26頁）、さび層が保護性を有するのは、Feの一部がCrで置換された微細なα−(Fe1-xCrx)OOH からなるさび層の生成によるものであるという知見に基づくもので、試験の結果、以下のことが判明した。
【００１３】
(1)Cuを0.05〜 1.0重量％程度含有させたCu添加鋼においては、Crの含有量が多いほど海浜耐候性が改善される。
【００１４】
(2)その際、Crに加えNiを含有させると、海浜耐候性がさらに改善される。また、このCu−Cr−Ni系材料の海浜耐候性は、Cu、CrおよびNiの含有量の合計値で評価することができ、この値が高いほど腐食量が少なく、耐候性に優れている。
【００１５】
(3)前記のCu−Cr−Ni系材料に、さらにMoや、Ｖや、Ｗを含有させると耐候性は一層向上する。
【００１６】
(4)また、CaやMg、または、TiやNbを含有させても耐候性の改善に効果がある。
【００１７】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の海浜耐候性に優れた鋼材に含まれる合金元素の作用効果とその含有量を上記のように限定した理由について述べる。なお、合金元素の含有量についての「％」はいずれも「重量％」を意味する。
【００１９】
Ｃ：0.10％以下
Ｃは、鋼の強度を確保するために必要な合金元素であるが、多量に含有させると鋼材の溶接性が劣化する。したがって、Ｃ含有量は0.10％以下とする。なお、Ｃは、Crの存在下ではクロム炭化物を形成し、大気腐食環境下でこのクロム炭化物がカソードとして作用して耐候性を劣化させる。そのため、Ｃの含有量は少ない方がよく、0.05％以下とするのが望ましい。
【００２０】
Si： 1.0％以下
Siは製鋼時の脱酸に必要な合金元素であるが、 1.0％を超えて含有させると鋼の靱性が損なわれる。したがって、その含有量は 1.0％以下とする。下限は特に定めないが、含有量が少なすぎると脱酸が十分に行われないので、Alを含有しない場合には、 0.1％以上含有させるのが望ましい。
【００２１】
Mn： 2.0％以下
Mnは低コストで鋼の強度を高める作用効果を有する元素であるが、Ｓと結合してMnＳを形成し、このMnＳが腐食の起点となって耐食性、ひいては耐候性を劣化させる。したがって、その含有量は 2.0％以下とする。
【００２２】
Ｐ：0.04％以下
Ｐは耐候性を著しく向上させる元素である。しかし、その反面、過度に含有させると溶接性を劣化させる。したがって、その含有量は0.04％以下とする。下限は特に定めないが、耐候性向上効果を発揮させるために、0.01％以上含有させるのが望ましい。
【００２３】
Cu：0.05％以上 1.0％以下
Cuは耐候性を向上させる基本元素であり、0.05％以上含有させると耐候性が向上する。しかし、 1.0％を超えて含有させても、その効果が飽和するだけでなく、脆化を起こす原因となる。したがって、その含有量は0.05％以上 1.0％以下とする。
【００２４】
Ni：0.65％以上5.0％以下
Niを含有する非晶質さびまたはα−FeOOHは、微細で、さび層の緻密性を向上させることにより物質の透過を抑制する性質を有しているので、飛来塩分量の多い環境で使用される鋼材の合金元素として有効な元素である。この効果は、0.65％以上含有させることにより得られるが、5.0を超えると効果が飽和するばかりではなく、鋼材のコストが上昇する。したがって、その含有量は0.65％以上5.0％以下とする。
【００２５】
Cr：0.4％以上1.49％以下
Crはα−FeOOHのFeの一部を置換してさびを微細化し、鋼表面に緻密なさび層を形成し、塩化物イオンの透過を抑制する作用効果を有する元素である。しかし、含有量が0.4％未満ではその効果が不十分であり、1.49％を超えると効果が飽和するばかりでなく、溶接性を劣化させる。したがって、その含有量は0.4％以上1.49％以下とする。
Al:0.003％以上2.0％以下
Alは、耐候性向上のために0.003％以上含有させるが、含有量が2.0％を超えるとその効果は飽和する。したがって、Aの含有量は0.003％以上2.0％以下とする。なお、多量に添加すると鋼が脆化しやすくなるので、含有量の上限は1.0％とするのが望ましい。
【００２６】
本発明の鋼材は、上記の合金元素の他に、さらにMo、ＷおよびＶのうちの１種以上を含有している。これらの元素の含有量を前記のように限定した理由は以下のとおりである。
【００２７】
Mo：0.01％以上 1.0％以下
Moは酸素酸イオンMoO42-の形でさびに吸着し、塩化物イオンの透過を抑制する作用効果を有する元素である。鋼中における含有量が0.01％以上でこの効果が得られるが、 1.0％を超えると効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇する。したがって、Moを含有させる場合、その含有量は0.01％以上 1.0％以下とする。
【００２８】
Ｗ：0.01％以上 1.0％以下
Ｗは、Moと同様に、酸素酸イオンの形で存在し、塩化物イオンの透過を抑制する。この効果は、含有量が0.01％以上で現れ、 1.0％を超えると飽和する。したがって、Ｗを含有させる場合、その含有量は0.01％以上 1.0％以下とする。
【００２９】
Ｖ：0.01％以上 1.0％以下
Ｖは、MoやＷと同様、酸素酸イオンの形で存在し、塩化物イオンの透過を抑制する。この効果は、0.01％以上含有させると現れ、 1.0％を超えると飽和する。したがって、Ｖを含有させる場合、その含有量は0.01％以上 1.0％以下とする。
【００３０】
本発明の鋼材においては、以上の個々の合金元素の含有量の他に、下記式を満たし、かつ下記（２）式で表されるPcmを0.2％以下とすることが必要である。
【００３１】
1.5％≦Cu（％）＋Ni（％）＋Cr（％）≦6.0％・・・（１）、
Pcm＝Ｃ（％）＋（1／30）Si（％）＋（1／20）Mn（％）
＋（1／20）Cu（％）＋（1／60）Ni（％）＋（1／20）Cr（％）
＋（1／15）Mo（％）＋（1／10）Ｖ（％）・・・（２）。
（１）式を満たすこととしたのは、以下の理由による。すなわち、鋼材の海浜地域における耐候性を高めるためには、上記の合金元素のうち特にCu、NiおよびCrを含有させることが有効であり、これらの元素の含有量の和が1.5％以上で海浜耐候性の向上が認められ、一方、含有量の和が6.0％を超えると、その向上効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するからである。
【００３２】
また、（２）式のPcmは鋼材の溶接性を評価するための指標で、その値が0.2％以下であれば、必要とされる溶接性が確保される。
【００３３】
本発明の鋼材は、上記の元素以外、残部がFeと不可避不純物からなる鋼材である。不純物としては、Ｓの上限を抑えることが必要である。
【００３４】
Ｓは、上記のように、Mnと結合して非金属介在物のMnＳを形成して腐食の起点となりやすく、耐候性を劣化させるので、できるだけ少なくする必要がある。したがって、その上限は 0.005％とする。
【００３５】
上記本発明の鋼材において、前記のように、さらに、CaおよびMgのうちの１種または２種を含有させるか、または、TiおよびNbのうちの１種以上を含有させてもよい。また、前記のTiおよびNbのうちの１種以上と、前記のCaおよびMgのうちの１種または２種を同時に含有させてもよい。
【００３６】
これらの元素の含有量を前記のように限定した理由は以下のとおりである。
【００３７】
Ca：0.0001％以上 0.1％以下
Caは鋼中に酸化物の形で存在し、腐食反応時における界面のpHの低下を抑制して、腐食の促進を抑える作用効果を有している。この効果は0.0001％以上含有させることにより得られるが、 0.1％を超えると飽和する。したがって、Caを含有させる場合、その含有量は0.0001％以上 0.1％以下とする。
【００３８】
Mg：0.0001％以上 0.1％以下
Mgは、Caと同様に、腐食反応時における界面のpHの低下を抑制する。この効果は0.0001％以上含有させることにより得られるが、 0.1％を超えると飽和する。したがって、Mgを含有させる場合、その含有量は0.0001％以上 0.1％以下とする。
【００４０】
Ti：0.01％以上 0.3％以下
TiはTiＣを形成してＣを固定し、クロム炭化物の形成を抑制して耐候性を向上させるとともに、TiＳの形成により腐食の起点となるMnＳの形成を抑える作用効果を有している。この効果は、含有量が0.01％以上で現れ、 0.3％を超えると、効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇する。したがって、Tiを含有させる場合、その含有量は0.01％以上 0.3％以下とする。
【００４１】
Nb：0.01％以上 0.1％以下
Nbには、Tiと同様に、NbＣを形成してクロム炭化物の形成を抑制して耐候性を向上させる効果がある。この効果は、含有量が0.01％以上で現れ、 0.1％を超えると飽和するので、Nbを含有させる場合、その含有量は、0.01％以上 0.1％以下とする。
【００４２】
上記本発明の鋼材は、海浜耐候性に優れ、しかも十分な溶接性を備えているので、海浜地域や融雪塩が散布される地域における橋梁等の構造物に、塗装を必要としないメンテナンスフリー材料として使用することができる。また、各合金元素の含有量の規定に加え、Cu、CrおよびNiの含有量の合計値を規定することによって海浜耐候性を確保するために十分な上限を定めているので、例えば、高価なNiの含有量を相対的に低める等の方法により鋼材コストの上昇を抑えることができる。
【００４３】
【実施例】
表１に示した化学組成を有するNo.1〜No.6、No.8、No.10〜No.13、No.16〜No.18およびNo.20〜No.29の鋼について、寸法100mm×60mm×3mm（厚さ）の試験片を作製し、海岸地帯（沖縄県）で、試験片を水平に保持して２年間暴露した。
【００４４】
暴露試験終了後、各試験片の表面のさび層を除去し、板厚減少量を測定した。なお、暴露地への飛来塩分量は、ガーゼ法（JIS Z 2381に規定される方法）を用いて測定した結果、NaClに換算して 0.5mg／dm2 ／day で、大気腐食環境としては厳しい環境であった。
【００４５】
試験結果を表１に併せて示す。同表において、「Cu＋Cr＋Ni」はこれらの元素の含有量（重量％）の和を意味する。「板厚減少量」は、２年間における板厚の減少量で、試験片の表裏両面の腐食深さをそれぞれ求め、その平均値で表示した。また、「溶接性」は、入熱 8kJ／cmで溶接した場合の溶接熱影響部の最高硬さをビッカース硬さ試験により測定し、 300以下であれば溶接性が良好（○印で表示）、 300を超える場合は不良（×印）とした。
【００４６】
表１の結果から明らかなように、本発明例（No.1〜No.6、No.8、No.10〜No.13およびNo.16〜No.18）では、板厚減少量が非常に少なく、しかも溶接性が良好であった。
【００４７】
これに対し、比較例の No.20〜No.24 では、溶接性は確保されているものの、「Cu＋Cr＋Ni」が小さく、本発明で規定する範囲から外れており、板厚減少量が本発明例に比べて多かった。また、比較例の No.25〜No.29 では、「Cu＋Cr＋Ni」が大きいので、板厚減少量は本発明例の場合と同程度であったが、 Pcmが大きく、本発明で規定する範囲から外れており、溶接性が不良であった。「Cu＋Cr＋Ni」が大きいので、材料自体のコストも高くなる。
【００４８】
【表１】
0004061771.tif 000002
【００４９】
【発明の効果】
本発明の鋼材は、飛来塩分量が多い環境下において十分な耐候性を有しており、海浜地域や融雪塩が散布される地域における橋梁等の構造物に使用するメンテナンスフリー材料として用いることができる。この鋼材は比較的低コストであり、また十分な溶接性を備えているので、溶接施工を必要とする他の用途にも問題なく適用することができる。