(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．１５％以下、
Ｓｉ：０．７％以下、
Ｍｎ：０．２から１．５％、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｎｉ：１から４％、
Ｍｏ：０．３０から１．５％、
Ａｌ：０．０１から０．１％
を含有し、
Ｐ：０．０３％未満、
Ｃｒ：０．１％以下（以上、ｍａｓｓ％）
に規制し、且つ、ＮｉとＭｏが
Ｎｉ＋３Ｍｏ≧１．５ｍａｓｓ％、
Ｐｃｍ：０．２５ｍａｓｓ％以下、
但し、Ｐｃｍ＝Ｃ+Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５
を満たし、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる耐候性に優れた構造用鋼材。
【請求項２】
０．２５ｍａｓｓ％以下のＣｕを含有していることを特徴とする、請求項１記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、構造用鋼材、特に、海岸付近または凍結防止剤が散布される地域等、飛来塩化物が多い地域に建設される橋梁や鉄塔などの、塩化物が関与した腐食環境の溶接構造物材料に適した高耐食性且つ高溶接性で靭性の良好な耐候性鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
橋梁などの鋼構造物は、その実用期間が数十年に及ぶため、その多くは塗装等の防食処置を施す必要がある。塗装は、防食効果の高い手段であるが、時間の経過と共に塗膜が劣化して防食機能が低減するため、定期的な補修を必要とする。
【０００３】
しかし、特に近年は、人件費の高騰や塗装工の減少などにより、その補修が困難になるという問題が生じている。この問題を回避するため、橋梁などの鋼構造物には、耐候性鋼が適用される例が増えている。
【０００４】
耐候性鋼では、大気暴露環境において、銅、りん、クロムなどの合金元素が濃化した防食性の高い錆層に覆われることにより、腐食速度が著しく低減する鋼材である。その耐候性の高さのため、耐候性鋼を使用した橋梁は、しばしば無塗装のまま数十年間の供用に耐えることが知られている。
【０００５】
しかし、海岸地域のように飛来塩分が多い環境では、耐候性鋼の錆層の保護性は低く、実用に耐える耐食性が得難いことが知られている。こうした環境で実用に耐える鋼材を製造するため、銅、りん、クロム、タングステンなどの有効元素を多量に添加するなどの方法が、特公昭５１−２８０４８号公報、特公昭５７−１０９４１号公報、特開平３−１５８４３６号公報、特開平４−６２４５号公報等に開示されている。
【０００６】
近年、建設省は、耐候性鋼を日本国内各所に暴露腐食試験した結果から、耐候性鋼を無塗装で使用可能な地域として、飛来する塩分量が０．０５ｍｄｄ（ｍｇ／ｄｍ2／ｄａｙ）以下の地域に限るという指針を提示している。
【０００７】
従って、特公昭５１−２８０４８号公報、特公昭５７−１０９４１号公報、特開平３−１５８４３６号公報、特開平４−６２４５号公報などで製造される耐候性鋼は、無塗装使用するのに十分な耐候性を有していない。
【０００８】
さらに、耐候性鋼の無塗装使用に際して、構造物を汚損するものとしてしばしば問題視されるのが流れ錆である。これは、鉄がアノード溶解して生じた２価のイオンが鋼材表面に生成した錆層の外に流出した後、橋脚等で乾燥して錆となったもので、橋脚等を茶色く汚損する。流れ錆の発生量は、使用開始から１年以内に多い。これは、この時期において錆層がまだ十分に緻密化せず、保護性が低いためである。
【０００９】
一方、海岸地域における耐候性を改善した鋼の製造技術としては、クロムやニッケルなどの元素を多量に添加することにより、飛来塩分が比較的に多い環境における鋼の耐候性を改善する方法が特開平７−２０７３４０号公報、特開平７−２４２９９３号公報などに開示されている。
【００１０】
しかし、クロムを多量に含有する鋼は、低温割れなどの溶接欠陥が生じやすく、予熱を実施するなどの溶接欠陥を防止する処置が必要である。橋梁などの屋外構造物の場合、予熱や溶接欠陥の検査などの現場作業は困難であり、建設コストが増加するなどの弊害が生じる。
【００１１】
また、ニッケルを多量に含有する鋼は、焼入れ性が増大しており、通常の熱間圧延によっては、ベイナイト組織が析出し、靭性が不十分なものとなる。すなわち、これら技術では、実用的な溶接性と靭性を有する鋼を製造することが困難である。
【００１２】
これに対して、特開平８−１３４５８７号公報、特開平１１−２１６２２号公報には、クロムを含まないＮｉ−Ｍｏ系成分の耐候性鋼が開示されている。これは、塩分の多い環境においては、クロムは穴あき腐食を助長することを見出したものであり、優れた耐候性を示すことが報告されている。
【００１３】
しかしながら、これらの耐候性は最大穴あき深さで評価されており、外観を損なう初期の流れ錆については検討されていない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、上記従来技術によっては、飛来塩分量が０．０５ｍｄｄ以上の地域において、実用的な耐候性と溶接性を有し、且つ流れ錆が少なく靭性の良好な溶接構造用鋼を製造することは、不可能であった。
【００１５】
従って、この発明の目的は、０．０５ｍｄｄ以上０．５ｍｄｄ未満の塩分が飛来する環境において耐候性に優れ、流れ錆が少なく、靭性の良好な構造用鋼を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべくＮｉ−Ｍｏ成分系において流れ錆抑制の観点から鋼材の成分組成について鋭意検討した。その結果、流れ錆の発生は、Ｐ含有量と相関があり、Ｐ含有量の低減が効果的なことを知見した。また、Ｎｉ量の下限を１ｍａｓｓ％と従来より添加量を増やすことによって、流れ錆の発生がさらに抑制されることを見出し、これにより、高い耐候性と溶接性を両立し、且つ流れ錆が少なく靭性の良好な鋼材の製造が可能であることを知見した。
【００１７】
この発明は、上記知見に基づきなされたものであって、下記を特徴とするものである。
【００１８】
請求項１記載の発明は、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．７％以下、Ｍｎ：０．２から１．５％、Ｓ：０．０２％以下、Ｎｉ：１から４％、Ｍｏ：０．３０から１．５％、Ａｌ：０．０１から０．１％を含有し、Ｐ：０．０３％未満、Ｃｒ：０．１％以下（以上、ｍａｓｓ％）に規制し、且つ、ＮｉとＭｏがＮｉ＋３Ｍｏ≧１．５ｍａｓｓ％、Ｐｃｍ：０．２５ｍａｓｓ％以下（但し、Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５）を満たし、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなることに特徴を有するものである。
【００１９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、０．２５ｍａｓｓ％以下のＣｕを含有していることに特徴を有するものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
まず、この発明で、成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。
【００２１】
Ｃ：
Ｃは、所定の強度を確保するために添加するが、０．１５ｍａｓｓ％を超えると溶接性および靭性が劣化するので、Ｃ含有量を０．１５ｍａｓｓ％以下とした。
【００２２】
Ｓｉ：
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤および強度向上元素として添加するが、０．７ｍａｓｓ％を超えて過剰に添加すると靭性が著しく低下する。従って、Ｓｉ含有量は、０．７ｍａｓｓ％以下とした。
【００２３】
Ｍｎ：
Ｍｎは、所定の強度を確保するために０．２ｍａｓｓ％以上添加する必要がある。しかし、１．５ｍａｓｓ％を超えて過剰に添加するとベイナイト組織が生じやすくなり、機械的特性、特に、靭性が劣化する。従って、Ｍｎ含有量は、０．２から１．５ｍａｓｓ％の範囲内とした。
【００２４】
Ｐ：
Ｐは、使用初期の錆層が薄い段階では、水にリン酸イオンとして溶解して錆層外に出やすい。錆層外に出たリン酸イオンは鉄の２価イオンを錆として沈殿させやすく、橋脚を汚損させる原因となり得る。
【００２５】
図１に、１．５Ｎｉ−０．３Ｍｏの成分系での流れ錆発生に及ぼすＰ量の影響を示す。これは飛来塩分量０．４ｍｄｄの海岸地帯に１年間暴露し、試験片の下に広口の容器を置き、雨水等と共に流れ錆を捕集し、水溶液中のＦｅイオン量を原子吸光法により定量し、１年間の流れ錆量を求めた結果である。
【００２６】
図１からＰ量が０．０３ｍａｓｓ％を超えると、Ｆｅイオンの流出量が急激に増えることが分かる。また、従来、Ｐは、長期使用における防食性の効果を有するため一定量添加されてきたが、Ｎｉ含有量、Ｍｏ含有量を増加させることでこれを補うことが可能である。従って、Ｐ含有量は、流れ錆抑制の観点から０．０３ｍａｓｓ％、好ましくは０．０２ｍａｓｓ％以下に制限する。
【００２７】
Ｓ：
Ｓは、溶接性および靭性に有害な元素であるので、０．０２ｍａｓｓ％以下とした。
【００２８】
Ａｌ：
Ａｌは、製鋼時の脱酸剤として０．０１ｍａｓｓ％以上添加するが、過剰に添加すると、腐食の起点となる介在物が生じやすくなるので、０．１ｍａｓｓ％以下とした。
【００２９】
Ｃｒ：
Ｃｒは、塩分の少ない環境においては、耐候性を向上させる効果を有するため、従来鋼では積極的に添加されてきた。しかし、本発明鋼の対象とする塩分の多い環境においては、穴あき腐食を助長する効果がある。また、溶接部の硬さを増して低温割れを助長して溶接性を著しく劣化させる。そのため、０．１ｍａｓｓ％以下、好ましくは０．０５ｍａｓｓ％以下に規制することが重要である。
【００３０】
Ｎｉ：
Ｎｉは、Ｍｏとの共存により塩分の多い環境における耐食性を向上させる効果がある。また、錆の早期安定化に寄与して流れ錆を抑制する効果も有する。流れ錆を抑えるため、さらに低Ｐ化に伴う錆安定化効果を補うためには１ｍａｓｓ％以上の添加が必要である。一方、４ｍａｓｓ％を超える添加では、効果が飽和し経済性の点で不利であり、また、ベイナイト組織が生じやすくなり、機械的特性、特に靭性が劣化する。従って、Ｎｉ含有量は、１から４ｍａｓｓ％の範囲内とした。
【００３１】
Ｍｏ：
Ｍｏは、Ｎｉとの共存により塩分の多い環境における耐食性を向上させる効果がある。０．３０ｍａｓｓ％未満の添加では効果がなく、１．５ｍａｓｓ％を超える添加では経済性の点で不利であり、また、ベイナイト組織が生じやすくなり、機械的特性、特に靭性が劣化する。従って、Ｍｏ含有量は、０．３０から１．５ｍａｓｓ％の範囲内とした。
【００３２】
Ｎｉ＋３Ｍｏ：
Ｍｏを適当な量のＮｉと共に添加することにより、耐候性は著しく改善される。ＮｉおよびＭｏの耐候性に与える効果の詳細は、明らかではないが、以下のように考えられる。
【００３３】
Ｍｏは、錆の凋密性を高め、水分や塩分といった腐食因子が鋼表面に接触するのを妨げる効果があると考えられる。その一方、Ｍｏは、錆を脆くする性質があり、クラックなどの欠陥が生じやすくなる。Ｎｉは、割れやすい錆の性質を改善し、クラックなどの欠陥を生じにくくする性質がある。これら２つの異なる性質による相乗効果が発揮されるため、Ｍｏを適当な量のＮｉと共に添加することにより、耐候性が著しく改善すると考えられる。Ｐ含有量の低減による錆安定化の低下を補うためには、Ｎｉ＋３Ｍｏ≧１．５ｍａｓｓ％を満足するＮｉとＭｏの添加が必要である。
【００３４】
Ｃｕ：
Ｃｕは、耐食性を向上させる効果があるため必要に応じて添加できるが、０．２５ｍａｓｓ％を超える添加では効果が飽和し、且つ経済性の点で不利であるので、添加する場合は０．２５ｍａｓｓ％以下とした。
【００３５】
また、溶接での低温割れを防止し、溶接施工時の予熱温度を５０℃以下の実操業上問題ないレペルにするためには、下記式で定義されるＰｃｍが０．２５ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。
【００３６】
Ｐｃｍ＝Ｃ+Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５
【００３７】
なお、残部はＦｅ及び不可避不純物である。
【００３８】
本発明では、通常の連続鋳造や分塊法により得られたスラブを熱間圧延することにより厚板や形鋼等の鋼材に製造される。加熱、圧延条件は、要求される材質に応じて適宜決定すればよく、制御圧延、加速冷却、あるいは再加熱熱処理等の組み合わせも可能である。
【００３９】
【実施例】
表１に示す成分組成の鋼塊を溶製し、１２００℃に加熱して熱間圧延を開始し、９５０℃以下で３０％の累積圧下率にて８５０℃で圧延を終了し、厚さ２５ｍｍの鋼板を調製した。圧延終了後は、室温まで空冷した。得られた鋼板を１５０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍ、表面△△△仕上げの試験片に加工し、年間飛来塩分量０．４ｍｄｄの海岸に１年間暴露した。暴露期間中、試験片の下に広口の容器を置き、雨水等と共に流れ錆を捕集し、毎月１回回収した。捕集した水溶液中のＦｅイオン量を原子吸光法により定量し、１年間の流れ錆量を求めた。暴露終了後、試験片を塩酸にヘキサメチレンテトラミンを加えた水溶液に浸漬して脱錆してから重量を測定し、初期重量との差を求めて板厚減少量に換算した。また、溶接性の評価としてｙ形溶接割れ試験を実施した。
【００４０】
【表１】
0003846218.tif 000002
【００４１】
暴露試験結果と溶接割れ防止温度を表２に示す。耐候性鋼を無塗装で橋梁に適用する場合、腐食環境が厳しい内桁も含めて５０年間の板厚減少量が０．３ｍｍ以下であるためには、実施例の暴露形式では１年間の板厚減少量が０．０３０ｍｍ以下でなければならない。また１年間の流れ錆量が０．１５ｇ／ｍ2を超えると、構造物の汚損が目立つようになる。
【００４２】
【表２】
0003846218.tif 000003
【００４３】
本発明鋼Ａ〜Ｆは、すべて板厚減少量が０．０２５ｍｍ以下であり、１年間の流れさび量が０．１５ｇ／ｍ２以下である。従って、耐候性は十分優れており、流れさび量も十分小さい。また、溶接割れ防止予熱温度は室温であり、良好な溶接性も有している。
【００４４】
比較鋼Ｈ、Ｉについては、板厚減少量は小さいが、Ｐ含有量が本発明の範囲を超えて高すぎたために流れ錆量が多すぎた。
【００４５】
比較鋼Ｊについては、Ｎｉ含有量が本発明の範囲以下で低すぎたために、板厚減少量が大きすぎ、流れ錆量も多すぎた。
【００４６】
比較鋼Ｋについては、Ｍｏ含有量が本発明の範囲以下で低すぎたために、板厚減少量が大きすぎ、流れ錆量も多すぎた。
【００４７】
比較鋼Ｌについては、Ｎｉ、Ｍｏ含有量は本発明の範囲内であるが、Ｎｉ＋３Ｍｏ量が本発明の範囲以下のため、板厚減少量が大きすぎ、流れ錆量も多すぎた。
【００４８】
比較鋼Ｍについては、Ｎｉ、Ｍｏ含有量がいずれも発明の範囲以下で低すぎたために、板厚減少量が大きすぎ、流れ錆量も多すぎた。
【００４９】
比較鋼Ｎについては、Ｃｒ含有量が本発明の範囲を超えて高すぎたために穴あき腐食が生じた結果、板厚減少量が大きすぎ、流れ錆量も多すぎた。
【００５０】
比較鋼Ｏ、Ｐについては、Ｐｃｍが０．２５を超えて大きいために、溶接割れ防止予熱温度が１００℃と高く、溶接性に劣っていた。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、飛来塩分量が０．０５ｍｄｄを超える環境においても良好な耐候性を有し、且つ初期の流れ錆発生の少ない耐候性鋼を提供でき、また、溶接性、靭性にも優れるため、溶接構造用鋼としても充分な性能を有し、産業上有用な効果をもたらすことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】流れ錆発生に及ぼすＰ含有量の影響を示すグラフである。
【図１】
0003846218.tif 000004