JFE 技報 No. 46（2020 年 8 月）p. 44-49Ⓡ

海浜環境等高塩分環境向け新高耐候性鋼（LALAC -HS）の開発
Development of New Weathering Steel for High Salinity Environment
for Coastal Use
三浦進一

MIURA Shinichi

JFE スチール

スチール研究所

羽鳥聡

HATORI Satoshi

JFE スチール

東日本製鉄所（京浜地区）商品技術部

鋼材研究部

主任研究員（副課長）鹿毛勇KAGE Isamu

JFE スチール

厚板セクター部

厚板室

主任部員（課長）

主任部員（副部長）・博士（工学）

要旨
海浜や凍結防止剤散布地域などの高塩分環境で適用可能な，ニッケル系高耐候性鋼より Ni 添加量を低く抑えた®

新しい高耐候性鋼（LALAC -HS）を開発し，本開発鋼がニッケル系高耐候性鋼（JFE-ACL-Type1，1.5Ni-0.3Mo 添加鋼）とほぼ同等の耐食性を示すことを確認した。本開発鋼は，合金元素の添加量を抑えた新合金設計としたことで経済性に優れ，また母材の機械的特性は従来の耐候性鋼（JIS G 3114，JIS SMA）の規格を満足し，JIS SMA と同等の溶接性，溶接継手特性を有する。

Abstract:
The new high performance weathering steel was developed with less nickel content than conventional Ni added
weathering steel to be applicable in the region of large amount of airborne salt. It was verified that the developed steel
had almost same corrosion resistance as conventional Ni added weathering steel (JFE-ACL-Type1, 1.5Ni-0.3Mo
bearing steel). The mechanical proper ties of a base material were satisfied the specification of conventional
weathering steel (JIS G 3114, JIS SMA) and the weldability and properties of welded joint were equivalent to JIS SMA.
Developed steel has an advantage in economical efficiency by applying the new alloy design reducing the amount ofexpensive alloying elements.

1． はじめに耐候性鋼が適用される。ニッケル系高耐候性鋼は，高塩分環境での耐食性を高めるため 1.0～3.0 mass％程度の Ni を含

社会インフラの維持管理費，老朽更新費は今後増加が見込まれ，国土交通省の推計

1）

有している

5-8）

。JFE スチールでは，架設地の環境の厳しさに基づく試算では，2050 年頃に応じた 2 つのタイプのニッケル系高耐候性鋼 JFE-ACL-には現在のおよそ 1.2 倍に増加すると推定される。したがっType1（1.5 mass ％ Ni-0.3 mass ％ Mo），Type2（0.3 mass ％て，長期間にわたり供用される鋼構造物に対するライフサイ

Cu-2.5 mass％ Ni）を開発し，商品化しており，これらのニッ

クルコスト低減ニーズは，今後とも増大すると見込まれる。

ケル系高耐候性鋼は既に多数の架橋実績がある。

橋梁の分野では，ライフサイクルコスト低減可能な耐候性
2）

しかし，ニッケル系高耐候性鋼は原料価格の高い Ni の含鋼が，現在鋼橋のおよそ 2 割に適用されている 。耐候性

有量が多いことからコスト高の要因となっていた。また，

鋼は，無塗装で使用できるため，塗装の塗替えなどのメン

JIS SMA の適用範囲を超える領域でニッケル系高耐候性鋼

テナンスコストを低減することで，ライフサイクルコストの3）低減に大きく寄与する 。

が適用されるが，JFE-ACL-Type1，Type2 とも腐食環境に対し過度な耐食性を持つことでコスト増につながる場合が従来の耐候性鋼（JIS G 3114，以降 JIS SMA と表記する）
は，
2

飛来塩分量が 0.05 mg･NaCl/dm /day（以降 mdd と表記する）

あった。そのため，腐食環境に応じた適切な耐食性を有する，経済性に優れた鋼材が求められていた。

4）

以下の地域において無塗装で使用可能である 。一方，より当社は，Ni の含有量を低く抑え，かつ高塩分環境におい海岸に近い地域や，冬季に凍結防止剤が散布される地域なて無塗装で使用可能な，新しい高耐候性鋼（LALAC -HS）

どの高塩分となる環境（以降，高塩分環境と表記する）で

を開発

®

9）

した。

本報では，Ni の含有量を低く抑えつつ高耐食性を確保すは JIS SMA は適用できず，より耐食性の高いニッケル系高るための耐食コンセプトと，それに基づいて設計した鋼材の，2020 年 3 月 10 日受付

耐食性および構造用鋼として具備すべき機械的特性につい－ 44 －

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®

海浜環境等高塩分環境向け新高耐候性鋼（LALAC -HS）の開発

0.5 mass ％ Cr-0.2 mass ％ Ni 添 加 鋼 ），JFE-ACL-Type1て検証した結果を報告する。

（1.5 mass％ Ni-0.3 mass％ Mo 添加鋼）を用いた。試験片を

2． 耐食設計回収後さびを除去して重量を測定し，初期の重量との差と試験片表面積から片面の平均板厚減少量を算出することで高塩分環境で適用可能なニッケル系高耐候性鋼は，多量腐食量を評価した。

に添加した Ni がさび層に広く分散し緻密なさび層を形成することで，Cl の地鉄表面への透過を抑え，腐食を抑制する

3.2

5-6）

開発鋼のさび層のキャラクタリゼーションを以下の手順

が，Ni の多量添加が必要という課題がある。また，JIS SMA
は，Cu，Ni，Cr が緻密な保護性の高いさび層を形成し腐食を抑制する

10-14）

一方，これらの元素の中で Cr は高塩分環

さび層の解析

で行った。
1） 偏光顕微鏡によるさび層断面の観察

境で腐食に対し悪影響を及ぼす場合がある。

暴露試験後の試験片を切断後，エポキシ樹脂に埋込

そこで本開発では，Ni の多量添加に頼らずに緻密な保護

み，乾式でエタノール研磨を行い，ダイヤモンドスプ

性の高いさび層を形成するため，微量でも高塩分環境で高レー仕上げをして観察した。

い耐食性を示す元素として Sn，Nb を見出し添加した。これ

2） XRD によるさび組成の定量評価

らの元素は，さび層の下層へ局所的に濃化して緻密なさび試験片上に生成したさび層を，浮きさびである上層，層を形成し，塩化物イオンが地鉄表面へ透過することを抑地鉄に密着している下層に区別してスクレーパを用い制する。さらに，Cu および Ni を JIS SMA と同程度添加すてかき落とし，回収した。回収したさびの中で，下層さることでさびの保護性を向上させ，かつ Cr を無添加とするびを粉砕して粉末試料として試験した。測定は，CuKα

ことで高塩分環境での耐食性の劣化を回避した。以上の耐線，40 kV，40 mA，ステップ角：0.02°の条件で行った。

食設計により，Ni 添加量を低く抑え，かつ高塩分環境にお3） EPMA によるさび層中の元素分布評価
試材として，偏光顕微鏡によるさび層断面の観察にける良好な耐食性を確保をすることができた。

用いた試料を使用した。EPMA 観察条件は，加速電圧

図 1 に耐食機構の模式図を示す。Cu や Ni が内層さびに分－7散し，Sn，Nb が濃化することにより，緻密なさび層を形成す

15.0 kV，照射電流 5.0×10る。形成した緻密なさび層により，腐食因子である塩化物イ

時間 25 ms とした。

オンが地鉄表面へ透過することを抑え，腐食反応を抑制する。

A，ビーム径 1 μ m，照射4） STEM の制限視野電子回折によるさび層の微細性評価
供試材は収束イオンビームを用いてさび層から薄膜

3． 実験方法
3.1を切り出して作製した。STEM による制限視野電子回
折条件は 200 kV，絞り 200 nm とした。

暴露試験

実際の大気環境での耐食性を評価するため，暴露試験を

4． 実験結果及び考察行った。暴露試験方法として，雨水による付着塩分の洗い
流しの無い厳しい実環境を想定し，雨がかりの無い軒下暴
露試験方法を採用した。供試材として開発鋼（0.3 mass％

4.1

暴露試験による耐食性評価

図 2 に開発鋼，JFE-ACL-Type1，JIS SMA を沖縄の海浜

Cu-0.3 mass％ Ni-Sn-Nb 添加鋼）
，JIS SMA（0.3 mass％ Cu-

図 2 腐食量の経時変化

図 1 開発鋼の耐食機構
Fig. 1

Fig. 2

Corrosion resistant mechanism of developed steel－ 45 －

Time-dependent changes of corrosion loss
JFE 技報 No. 46（2020 年 8 月）

®

海浜環境等高塩分環境向け新高耐候性鋼（LALAC -HS）の開発

環境で 3 年間暴露した際の腐食量の経年変化を示す。暴露100/（20 km-1.6 km）で置き換えできることが分かった。

試験地の飛来塩分量は 0.77 mdd であった。ここでは，開発

4.2

鋼とその他の鋼材の耐塩分耐食性を比較するため，高塩分環境で暴露した。図 2 より，開発鋼の腐食量は JIS SMA より大幅に少なく，JFE-ACL-Type1 とほぼ同等の値であるこ

さび層の構造解析

開発鋼の耐食機構を検討するため，暴露試験片に形成されたさび層の解析を行った。
図 4 に千葉（飛来塩分量 0.26 mdd）で 2 年間暴露した試とが分かる。この結果から，開発鋼は高塩分環境においてJIS SMA よりも耐食性が良好であり，JFE-ACL-Type1 とほ

験材のさび層断面の偏光顕微鏡像を示す。消光層は緻密なぼ同等の耐食性を有することを確認した。

さび層で防食に効果があり，非消光層（偏光層）はクラッ

次に，飛来塩分量に対する開発鋼の適用限界を明らかにクが多く防食性が低いことが報告されている

16）。JIS SMAするため，飛来塩分量の異なる種々の地域において暴露試のさび層は偏光層がさび層の地鉄近傍にも存在し，消光層験を実施した。図 3 に飛来塩分量と開発鋼の一年間の暴露がさび下層に連続的に生成していない。一方，開発鋼のさ試験後の腐食量の関係を示す。開発鋼の腐食量は飛来塩分

び層は消光層がさび下層に連続的に生成している。また，

量と正の相関を有する。本暴露試験結果をもとに開発鋼のJFE-ACL-Type1 のさび層も同様に消光層がさび下層に連続耐塩性能を評価した。日本鋼構造協会のテクニカルレポー的に形成している。以上から，開発鋼は，JFE-ACL-Type1ト15）によれば，短期間で耐候性鋼の適用性を評価する際，1 年間の暴露試験における腐食量が 0.03 mm 以下であれば適用可能と判断される。この基準を本暴露試験結果へ適用した結果，開発鋼の適用可能飛来塩分量は 0.27 mdd と見積もられた。
日本海側（金沢）での適用可能離岸距離を開発鋼，JFEACL-Type1 の腐食予測式から見積もった結果，開発鋼は4.4 km 以遠，JFE-ACL-Type1 は 1.6 km 以遠であった。なお，
同環境での JIS SMA の適用可能離岸距離は 20 km 以遠であ3）る 。このことから，開発鋼は同環境において JFE-ACLType1 の海浜地域適用可能範囲の 85％：
（20 km-4.4 km）×

図 3 開発鋼の腐食量と飛来塩分量の関係

図 4 さび層断面の偏光顕微鏡像a) JIS SMA b) 開発鋼 c) JFE-ACL-Type1

Fig. 3 Relationship between corrosion loss of developed steel
and amount of airborne salt

Fig. 4 Polarization microscope image of cross section of rusta) JIS SMA b) developed steel c) JFE-ACL-Type1

表 1 各鋼材のさびの組成
Table 1

Rust composition of various steels

α -FeOOH

β -FeOOH

γ -FeOOH

Fe3O4

X-ray amorphous rust

JIS SM

18.4

10.1

12.3

0.0

59.2

JIS SMA

15.9

13.6

7.1

0.0

63.4

Developed steel

16.6

11.5

5.7

0.0

66.3

JFE-ACL-Type1

14.7

14.9

3.5

0.0

67.0

JFE 技報 No. 46（2020 年 8 月）

－ 46 －

®

海浜環境等高塩分環境向け新高耐候性鋼（LALAC -HS）の開発

図 7 Sn，Nb 濃化部におけるさび層の電子回折像
Fig. 7 Electron diffraction image of rust layer at Sn and Nb
concentrated area
図 5 各鋼材のさびの保護性の指標
Fig. 5

Rust protection index of various steels

暴露した各鋼種のさびの評価指標を示す。この値が大きい
ほどさびの保護性は良好である。各鋼種のさびの評価指標
は，JIS SM＜JIS SMA＜JFE-ACL-Type1＜開発鋼であり，開発鋼は最も良好なさびの保護性を示した。このことから，開発鋼は JFE-ACL-Type1 と同様に，JIS SMA よりも保護性の高いさび層を形成すると推測される。
図 6 に開発鋼のさび層断面の EPMA による元素マッピン
グを示す。ここでは主な腐食因子である Cl と，耐食元素である Sn，Nb について測定した。測定範囲は図 4 に示す偏光顕微鏡観察と同じ位置とした。図中の白線はさび層と地鉄の界面を示す。Cl は主にさび上層側，すなわち，図中の白の破線よりも上側に分布し，さび層と地鉄の界面近傍では Cl 分布量が顕著に少なかった。一方，Sn，Nb はさび層の下層すなわち白の破線よりも下側に濃化していた。また，
Sn，Nb が濃化している位置は図 4 に示す偏光顕微鏡像で消光層として観察された領域と一致した。以上のことから，開発鋼は，耐食元素がさび下層へ濃化することで，Cl のさび
層地鉄界面への透過を抑制していると推定できる。
図 7 に Sn，Nb 濃化部のさび層の電子回折像を示す。さび層の非晶質構造から得られるハローパターンを呈しており，微細な非晶質のさび層を形成していると推察される。
これらの解析結果から，開発鋼は耐食元素の効果により

図 6 さび層断面の EPMA マッピングa) Cl，b) Sn，c) Nb
Fig. 6

緻密なさび層を形成し，腐食促進因子である Cl がさび層を透過することを抑制することで，良好な耐食性が発現するとEPMA mapping of cross section of rust layera) Cl b) Sn c) Nb

考えられる。

と同様に，JIS SMA のさび層に比べ緻密なさび層を生成す5． 開発鋼の機械的特性る機能があると推定される。
次に，千葉で 2 年間暴露した試験材からさびを採取し，
XRD による定量分析を実施した。供試材は開発鋼，JFE-

以下に，構造用鋼材として具備すべき機械的特性について実機鋼板を評価した結果を示す。

ACL-Type1，JIS SMA，JIS SM とした。結果を表 1 に示す。

表 2 に開発鋼の化学成分の例を示す。耐食成分として定量分析結果からさび層の保護性を評価するため，さびのCu，Ni，Sn，Nb を含有させた。表 3 に各強度グレードに評価指標である（α ＋am）
/γ

＊17）

を用いて各鋼種の比較を行っ＊おける開発鋼の引張特性およびシャルピー衝撃特性の例をた。 こ こ で，α：α -FeOOH，am：X 線 的 非 晶 質 さ び，γ ：示す。開発鋼は，JIS SMA400CW，490CW，570W の機械的

γ -FeOOH＋β -FeOOH＋Fe3O4 である。図 5 に千葉で 2 年間

特性の規格値を満足した。表 4 に引張強度 490 MPa 級およ－ 47 －

JFE 技報 No. 46（2020 年 8 月）

®

海浜環境等高塩分環境向け新高耐候性鋼（LALAC -HS）の開発

表 2 開発鋼の化学成分
Chemical composition of developed steel

P

S

Cu

Ni

Chemical composition (mass%)

Grade
Developed
steel

Table 2CSi

Mn

Corrosion resistant elements

400 MPa

0.08

0.20

0.96

0.009

0.002

0.30

0.30

490 MPa

0.08

0.53

1.62

0.008

0.003

0.32

0.32

570 MPa

0.08

0.48

1.57

0.008

0.003

0.31

0.31

Total content of Nb, Sn shall be lessthan 0.15

Ceq

PCM

0.26

0.15

0.38

0.20

0.36

0.19

Ceq = C + Si/24 + Mn/6 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14
PCM = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B

表 3 開発鋼の母材機械的特性
Table 3

Grade

Developed
steel

JIS G 3114
Specification

Thickness(mm)

Mechanical properties of developed steel
Tensile test2

YS (N/mm )16 t 40

Charpy impact test

TS (N/mm )Specimen

El (%)

Test temp.
(˚C)

VE

2

(J)

400 MPa

25

354

456

JIS 1A29

0268

490 MPa

25

471

549

JIS 1A31

0

312

570 MPa
16

SMA490CW

16

SMA570W

JIS 5

39

−5

218

50

235

400

540

JIS 1A

21

0

47

50

355

490

610

JIS 1A

19

0

47

450

570

720

JIS 5

26

−5

47

25

SMA400CW

523

t
t
16

t

642

YS: yield strength, TS: tensile strength, El: elongation, vE: absorbed energy, Position of charpy impact test: 1/4t

6． 実構造物への適用

表 4 開発鋼の溶接性
Table 4 Weldability of developed steel

開発鋼は日本国内で橋梁に適用済である。橋梁への適用

Preheating
Welding Welding Thickness temperature to
Gradeprocess consumables (mm)prevent root
cracking (˚C)
25
0
SMAW LB-W52CL
50
0490 MPa
25
0
GMAW MX-50WCL
500Developed
steel
25
0
SMAW LB-W62CL
50
25
570 MPa
25
0
GMAW DW-60WCL
500事例を図 8 に示す。当該橋梁は自動車専用道路における長さ 194 m の橋梁である。開発鋼は，橋梁のほか，沿岸に近い地域に設置される鉄塔などの鋼構造物へ適用可能である。

7． おわりに海岸の近傍や凍結防止剤を散布する環境など，高塩分環®

境に無塗装で適用可能な新高耐候性鋼（LALAC -HS）を開

SMAW: Self Metal Arc Welding, GMAW: Gas Metal Arc
Welding, Welding consumable: KOBE STEEL, Ltd.

発した。以下に本開発鋼の特長と機械的特性を示す。
1） 耐食性向上に有効な元素として Sn，Nb，Cu，Ni を添加することで，多量のニッケルを添加せずに高塩分環
境での耐食性を向上できることを見出し，高塩分環境

び 570 MPa 級の開発鋼を用い，JIS Z 3158 に準拠して y 形
溶接割れ試験を実施した結果を示す。ルート割れ防止予熱

で JISJFE-ACL-Type1 とほぼ同等の耐食性を有する新し

温度は 0℃および 25℃であり，溶接性は良好である。

い高耐候性鋼を開発した。

表 5 に引張強度 490 MPa 級，570 MPa 級の開発鋼の溶接

2） 本開発鋼は引張強度 400，490，570 MPa 級の各強度グ

継手の機械的特性の例を示す。溶接継手はそれぞれニッケ

レードにおいて，JIS SMA と同等の機械的特性，溶接性，

ル系高耐候性鋼（JFE-ACL-Type1）用の溶接材料を用いて

溶 接 継 手 特 性 を 有 す る。 ま た， 本 開 発 鋼 は JIS製作した。開発鋼を用いた溶接継手は，JIS SMA の引張強SMA400AW，400BW，400CW，490AW，490BW，

度 490 MPa 級および 570 MPa 級鋼板の強度の規格値を超え，490CW，570W に相当するラインナップを持つ。

曲げ特性も良好であった。このことから，実橋梁への適用に

本開発鋼は，高塩分環境において無塗装で鋼構造物に適おいて，従来鋼種と同様な溶接施工が可能であるといえる。

用できるため，塗替えなどの維持管理費の削減により，鋼構造物のライフサイクルコストの低減に大きく寄与する。

JFE 技報 No. 46（2020 年 8 月）

－ 48 －

®

海浜環境等高塩分環境向け新高耐候性鋼（LALAC -HS）の開発

表 5 開発鋼の継手機械的特性
Table 5

Grade

Grade

490 MPa

Weldeing
process

Mechanical properties of developed steel

Thickness
(mm)

GMAW

25

Developed steel

JIS G 3114
Specification

Welding
consumable
DW-50WCL

Heat input(kJ/mm)Tensile test
TS
2
(N/mm )

2.0

Charpy impact test
Test temp.
(˚C)

556

0

Notch
position

VE0

Weld Metal

121

(J)

HAZ1

257

Weld Metal

86

570 MPa

SAW

50

US-W62CL
×MF-38

4.1

641

−5

HAZ1

295

SMA490CW

−

−

−

−

490

0

−

47

SMA570W

−

−

−

−

570

−5

−

47

GMAW: Gas Metal Arc Welding, SAW: Submerged arc welding, TS: tensile strength, vE: absorbed energy,
Welding consumable: KOBE STEEL, Ltd., HAZ1: Position of 1 mm from fusion line
Wet/Dry Cycles Observed by Synchrotron Radiation X-ray Diffraction.
Materials Transaction. 2005, vol.46, no. 5. p. 1004-1009.
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図 8 開発鋼が適用された橋梁の外観
Fig. 8 Appearance of the bridge in which developed steel isapplied

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三浦 進一

羽鳥

聡

鹿毛

勇

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