(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：0.003 ％以上0.15％以下、Si：0.02％以上1.0 ％以下、
Mn：0.05％以上2.0 ％以下、Ｐ：0.04％以下、
Ｓ：0.005 ％以下、Cu：0.05％以上1.0 ％以下、
Ni：1.00％以上6.50％以下、Cr：0.10％以上0.40％以下、
Al：0.003 ％以上2.0 ％以下、
残部Feおよび不純物から成り、下記の式(1) の関係を満たし、かつ式(2) で表わされる溶接割れ感受性指標Pcm が0.2 以下である鋼組成を有することを特徴とする高飛来塩分環境における耐候性および溶接性に優れた鋼材。
Cr (％) ≦(1/3)(6.5 −Ni (％))１／２        ・・・・・(1)
Pcm ＝Ｃ＋Si/30 ＋Mn/20 ＋Cu/20 ＋Ni/60 ＋Cr/20 ＋Mo/15 ＋V/10
・・・・・(2)
ただし、元素記号は鋼材中の各元素の含有量 (質量％) を表わす。
【請求項２】
前記鋼組成が、質量％で、さらに、Mo：0.05％以上1.0 ％以下、Ｗ：0.05％以上1.0 ％以下、およびＶ：0.05％以上1.0 ％以下のうち1 種または2 種以上をさらに含有する請求項１記載の高飛来塩分環境における耐候性および溶接性に優れた鋼材。
【請求項３】
前記鋼組成が、質量％で、Ti：0.005 ％以上0.3 ％以下、および／またはNb：0.005 ％以上0.1 ％以下をさらに含有する請求項１または２記載の高飛来塩分環境における耐候性および溶接性に優れた鋼材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば海浜に近い地域のように、海からの塩分を含む飛沫( 粒子) の飛来が多い環境( 以下、高飛来塩分環境という) にある領域において優れた耐候性を示す鋼材、すなわち、高飛来塩分環境における耐候性に優れた鋼材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
すでによく知られているように、耐候性鋼材は、大気腐食環境中に曝露されることにより鋼表面に保護性のあるさび層を形成し、このさび層の存在によって以降の腐食を著しく抑制することができる。そのため、耐候性鋼材は、無塗装で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多く用いられている。
【０００３】
しかし、海浜地域や融雪塩を散布する地域など、飛来塩分粒子( 以下、単に飛来塩分ともいう）の量が多い地域においては、耐候性鋼材でも保護性のあるさび層が形成されず、腐食の抑制効果は見られない。そのため、耐候性鋼材を無塗装で使用できる地域は限定されており、海浜地域では塗装仕様の普通鋼が用いられている。塗装仕様の場合、約10年毎に再塗装をする必要があり、そのメンテナンス費用は莫大なものとなる。
【０００４】
従来にあっても、海浜地域における耐候性を改善した鋼材については、Cr添加量を増加させた材料 (特開平6 −93372 号公報、特開平9 −176790号公報) やNi添加量を増加させた材料 (特開平5 −51668 号公報、特開平11−172370公報等) などが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように従来技術にしたがってCr添加量を増加させると耐候性は向上するが、溶接性が劣化する。通常、耐候性鋼材を使用する際、溶接施工が必要となってくるため、十分な溶接性を確保することが求められ、そのためにはCr添加量を低く抑えなければならない。
【０００６】
また、Ni添加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である。また、Niの添加量が少ない場合には、耐候性はさほど改善されず、例えば海浜などで海からの飛来塩分の量の特に多い環境においては層状剥離さびが生成するなど、長期間の使用に耐えられないという問題点がある。
【０００７】
従って、本発明の解決すべき課題は、低コストでかつ溶接性を確保でき、高飛来塩分環境下における耐候性に優れた鋼材を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
耐候性鋼材に関しては、本発明者等のうちの１人が既に報告しているが[ " 材料と環境" 第43巻第１号26頁(1994)] 、CrがFeの一部を置換した微細なα-(Fe1-xCrx )OOHからなるさび層が保護さびの本質であるとの知見がある。
【０００９】
一方で、上述のようにNi添加により耐候性が改善されるということも知られている。
これらの結果をふまえ、本発明者等は特にCrとNiの耐候性への影響に着目し、CrとNiとを共存させた鋼材についてCrおよびNi濃度を変化させた材料についての耐候性試験を行なった。
【００１０】
また、飛来塩分環境における腐食に特に影響の大きい曝露形態との関係についても調査した。
このような試験・研究の結果、以下のことが判明し、本発明に至った。
【００１１】
(1) 飛来塩分の堆積の少ない環境においてはCr添加量を多くするほど耐候性が高くなる。一方で、飛来塩分の堆積しやすい環境においてはCrを多く添加すると耐候性が劣化する。
【００１２】
(2) Cr添加量は、Ni添加量とのバランスを考慮して、Cr (％) ≦(1/3)(6.5 −Ni (％))1/2 とすることで飛来塩分の堆積量の多少にかかわらず優れた耐候性が得られる。
【００１３】
(3) Cr、Niに加え、Mo、Ｗ、Ｖを１種以上添加すると飛来塩分環境での耐候性がさらに改善される。
(4) 上記材料に、さらにTiおよび／またはNbを添加するとさらに耐候性が優れる。
【００１４】
よって、本発明は次の通りである。
(1)質量％で、
Ｃ：0.003 ％以上0.15％以下、Si：0.02％以上1.0 ％以下、
Mn：0.05％以上2.0 ％以下、Ｐ：0.04％以下、
Ｓ：0.005 ％以下、Cu：0.05％以上1.0 ％以下、
Ni：1.00％以上6.50％以下、Cr：0.10％以上0.40％以下、
Al：0.003 ％以上2.0 ％以下、
残部Feおよび不純物から成り、下記の式(1) の関係を満たし、かつ式(2) で表わされる溶接割れ感受性指標Pcm が0.2 以下である鋼組成を有することを特徴とする高飛来塩分環境における耐候性および溶接性に優れた鋼材。
【００１５】
Cr (％) ≦(1/3)(6.5 −Ni (％))１／２        ・・・・・(1)
Pcm ＝Ｃ＋Si/30 ＋Mn/20 ＋Cu/20 ＋Ni/60 ＋Cr/20 ＋Mo/15 ＋V/10
・・・・・(2)
ただし、元素記号は鋼材中の各元素の含有量 (質量％) を表わす。
(2)前組成が、質量％で、さらに、Mo：0.05％以上1.0 ％以下、Ｗ：0.05％以上1.0 ％以下、およびＶ：0.05％以上1.0 ％以下のうち1 種または2 種以上をさらに含有する上記(1)記載の高飛来塩分環境における耐候性および溶接性に優れた鋼材。
(3)前組成が、質量％で、Ti：0.005 ％以上0.3 ％以下、および／またはNb：0.005 ％以上0.1 ％以下をさらに含有する上記(1) または(2)記載の高飛来塩分環境における耐候性および溶接性に優れた鋼材。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明において鋼組成を上述のように規定した理由について、その合金元素の添加効果とともに述べる。本明細書においてとくにことわりがないかぎり、「％」は質量％である。
【００１７】
Ｃ：
Ｃは、鋼の強度を確保するために必要な元素であるが、添加量が多いと溶接性を劣化させるため上限値を0.15％以下とした。また、Crの存在下では通常のフェライト、パーライト組織にあってはクロム炭化物を形成し、それがカソードとして作用し、耐候性を劣化させるため、Ｃの添加量は極力少ない方が良い。そのため、Ｃの添加量は0.05％以下とするのが望ましい。しかし、例えばTi、Nbを添加しそれらの炭化物を優先的に生成させ、Cr炭化物の形成が少ない組織にすればこの限りではない。下限値としては、強度確保のため0.00３％以上、好ましくは0.00５％以上が必要である。
【００１８】
Si：
Siは、脱酸に必要な元素であり、1.0 ％を超えて添加すると鋼の靭性が損なわれるため、添加量は1.0%以下とする。また、添加量が少ないと脱酸が十分に行なわれないため、0.02％以上、好ましくは 0.1％以上添加する。
【００１９】
Mn：
Mnは低コストで鋼の強度を確保する元素であり、0.05％以上添加するが、多量に添加すると、ＳとMnS を形成し腐食の起点となり、耐候性を劣化させる。そのため添加量は2.0％以下とした。
【００２０】
Ｐ：
Ｐは耐候性を著しく向上させる元素であるが, 高濃度の添加は溶接性の著しい劣化を伴なう。従って、添加量は0.04％以下とした。また0.01％以下では、耐候性の十分な改善効果が得られない。従って、好ましくは、0.01〜0.04％である。
【００２１】
Ｓ：
Ｓは不可避不純物であり、MnとMnS を形成し耐候性を劣化させるため、極力少なくする必要がある。そのため、Ｓ含有量を0.005 ％以下とした。
【００２２】
Cu：
Cuの添加は耐候性を向上させ、0.05％以上の添加によりその効果が得られるが、1.0 ％を超えて添加しても効果が飽和するだけでなく、脆化を起こす原因となるため、0.05％以上1.0 ％以下とした。好ましくは、0.1 〜1.0 ％である。
【００２３】
Ni：
Niを含有するＸ線的非晶質さびまたはα-FeOOHは微細であり、鋼の溶解反応を抑制する作用を有すると同時に、塩化物イオンの透過をある程度抑制する性質を持っているため、飛来塩分量の多い環境において有効な添加元素である。Ni 1.0％以上の添加でこの効果が得られるため、Ni添加量を1.0 ％以上とした。多量添加はコスト的に好ましくなく、効果も飽和する。本発明にあっては、後述する式(1) から6.50％以下である。
【００２４】
Cr：
Crの添加によりα-FeOOHのFeの一部をCrで置換し、微細化して緻密な保護性さび層を形成し、塩化物イオンの透過を抑制する働きがある。添加量が0.10％を下回るとその効果が得られず、高飛来塩分環境における耐候性を確保できない。一方で、添加量が0.40％超となると、塩分が堆積するような環境において孔食感受性が高まり必要な耐候性が得られない。そのため、0.10％以上0.40％以下とした。
【００２５】
なお、Ni添加量およびCr添加量については、後述する式(1) によってさらに制限される。
Al：
Alは、0.003 ％以上の添加によりAl置換α-FeOOHからなる保護性さび層を形成し耐候性を向上させるが、2.0 ％を上回ると効果が飽和する。
【００２６】
本発明にあっては、所望によりさらに、さび層の塩化物イオンの侵入抑制効果を発揮させるためMo、V 、W の１種以上を添加する。
Mo：
Moはさび層中に酸素酸イオンMoO42-の形で存在し、さび層がカチオン選択性を有するため、塩化物イオンの侵入を抑制する効果がある。0.05％以上の添加でこの効果が得られるが、1.0％を上回ると効果が飽和するだけでなく、コストを上昇させるため、添加量を0.05％以上1.0 ％以下とした。
【００２７】
Ｖ：
Moと同様に、酸素酸イオンVO4 - の形成によりさび層への塩化物イオンの侵入を抑制する0.05％以上の添加で効果が得られ、1.0 ％を超えると添加でその効果は飽和するため、0.05％以上1.0％以下とした。
【００２８】
Ｗ：
MoやＶと同様、酸素酸イオンWO4-の形成によりさび層への塩化物イオンの侵入を抑制する。0.05％以上の添加で効果が得られ、1.0 ％を超える添加でその効果は飽和するため、0.05％以上1.0 ％以下とした。
【００２９】
すでに述べたように、本発明の１態様にあっては、Nb、Tiの１種または２種を添加してもよく、いずれもCr炭化物の生成を抑制する効果を有する。
Nb：
NbはNbC を形成してＣを固定し、クロム炭化物の形成を抑制する効果がある。この効果は0.005 ％以上の添加により得られ、0.1 ％を上回ると飽和するため、添加量を0.005 ％以上0.1 ％以下とした。
【００３０】
Ti：
TiもNbと同様にTiCを形成しクロム炭化物の形成を抑制するとともに、TiS の形成により腐食の起点となるMnSの形成を抑え耐候性を改善する効果がある。0.005 ％以上の添加によりこの効果が現われ、0.3％を上回ると効果が飽和するだけでなく、コストを上昇させる。そのため、添加量は0.005 ％〜0.3 ％とした。
【００３１】
さらに本発明の別の態様にあっては、Ca、Mgの１種または２種を必要に応じて添加してもよい。なお、Ca、Mgは酸化物または硫化物として添加してもよい。これらの元素は鋼中において酸化物または硫化物として存在し、さび粒子の微細析出、凝集を促進し、耐候性の改善に寄与する。
【００３２】
そのような効果を発揮させるために、Ca、Mgはそれぞれ0.0001％以上0.10％以下添加する。
次に、式(1) および(2) について説明する。
【００３３】
本発明によれば、飛来塩分量の高い地域における耐候性には、Cr，Niの添加が特に有効であり、これらを下記式(1) に示すようなCr量、Ni量のバランスで添加することにより、高飛来塩分下における耐候性が確保できる。
【００３４】
Cr (％)≦(1/3)(6.5 −Ni (％))1/2      ・・・・・(1)
図１は、後述する実施例の鋼から一連の鋼試験片を作成し、同じく実施例と同様の暴露試験を行ったときの、Cr量、Ni量と飛来塩分環境における耐候性との関係を示したグラフである。
【００３５】
図１における耐候性の評価基準は次の通りであった。
□: 塩分の堆積量に関係なく耐候性良好
●: 塩分の堆積量が多い場合、耐候性不良
×: 塩分の堆積量に関係なく耐候性不良
これらの結果からも分かるように、本発明にしたがえば、Ni：1.0 ％以上、    Cr：0.10％以上0.40％以下であって、かつ上述の式(1) を満足する場合に初めて、塩分の堆積量に関係なく優れた耐候性が確保できることが分かる。
【００３６】
また、本発明の材料は溶接施工が行なわれるため、溶接性を備える必要がある。そこで、下記のようなPcm ：溶接割れ感受性指標を0.2 以下に制限する。
0003820841.tif 000002
上記式(2) は、鋼の溶接性を評価する式で、この値が0.2以下であれば必要とする溶接性が確保される。
【００３７】
このように本発明によれば、高飛来塩分環境においても耐候性が著しく改善され、メンテナンスフリーの鋼材を安価に提供できる。
なお、本発明鋼においてミクロ組織はフェライト・パーライト組織が標準であるが、ベイナイト組織でも耐候性はほぼ同等で、耐候性はミクロ組織には依存しない。
【００３８】
【実施例】
次に、本発明の作用効果をその実施例に関連させてさらに具体的に示す。
本発明の実施例に用いた試験鋼の化学成分を表１に示す。
【００３９】
これらの試験鋼について、寸法100mm×60mm×3mmの試験片を作成し、各試験片を同一条件のもとに、厳しい大気腐食環境である高飛来塩分環境にある沖縄県の海岸地域に試験片を垂直 (塩分の堆積少ない) 、水平 (塩分の堆積多い) の２種類の曝露状態で３年間曝露した。試験後、表面のさび層を除去し、板厚減少量（表裏両面の平均腐食深さの平均）を測定した。板厚減少量10μm 以下を耐候性良とし、Pcm が0.20以下のものを溶接性良とした。
【００４０】
その結果、表1に示すように、本発明鋼No.1 〜14においては溶接性を確保しつつ垂直、水平のいずれの曝露状態においても良好な耐候性を示すことがわかった。一方で、Cr，Ni量のバランスが本発明の範囲から外れている 比較鋼No.15 〜37では垂直、水平のどちらかの腐食量が大きく耐候性が不十分であるだけでなく、溶接性を確保できないものが多くあった。
【００４１】
以上のことより、本発明にかかる鋼材は必要な溶接性を確保しつつ高飛来塩分環境における優れた耐候性を有していることがわかった。
【００４２】
【表１】
0003820841.tif 000003
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高飛来塩分下において十分な耐候性を示す鋼材を提供でき、かかる鋼材は、海浜地域や融雪塩散布地域において橋梁等の構造物に用いるメンテナンスフリー材料として用いることができる。また、本発明にかかるそのような鋼材は、従来鋼に比べ比較的低コストであり、十分な溶接性も備えているため、溶接施工を必要とする用途にも問題無く用いることができるなど、実際上の本発明の意義は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  Cr、Ni量と飛来塩分環境における耐候性との関係を表したグラフである。
【図１】
0003820841.tif 000004