JP6432607B2 - 耐候性に優れた構造用鋼材 - Google Patents
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Description
本発明は、主に橋梁などの屋外で用いられる構造用鋼材に関し、特に海岸近傍などの飛来塩分量が多い環境下での使用に供して好適な耐候性に優れた構造用鋼材に関するものである。
従来から、橋梁などの屋外で用いられる鋼構造物には、耐候性鋼材が用いられている。耐候性鋼材は、大気暴露環境において、鋼材表面が、Ｃｕ，Ｐ，Ｃｒ，Ｎｉなどの合金元素が濃化した保護性の高いさび層で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。その優れた耐候性により、耐候性鋼を使用した橋梁は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。
しかしながら、海岸近傍などの飛来塩分量が多い環境では、上記したような保護性の高いさび層は生成しにくく、実用的な耐候性が得難いことが知られている。
例えば、非特許文献１によれば、従来の耐候性鋼（JIS G 3114：溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材）は、飛来塩分量が０．０５ｍｇ・ＮａＣｌ／ｄｍ2／ｄａｙ（以降、単位（ｍｇ・ＮａＣｌ／ｄｍ2／ｄａｙ）をｍｄｄにて表記する場合がある）以下の地域でのみ、無塗装での使用が可能となっている。
従って、海岸近傍などの飛来塩分量が多い環境では、普通鋼材（JIS G 3106：溶接構造用圧延鋼材）に塗装等の防食措置を施したものが使用されている。
しかしながら、塗装は、時間の経過とともに塗膜が劣化するため、定期的な補修が必要となる。加えて、人件費の高騰や、再塗装の困難さが加わる。このような理由から、現在、無塗装での使用が可能な鋼材の要望が高い。
しかしながら、塗装は、時間の経過とともに塗膜が劣化するため、定期的な補修が必要となる。加えて、人件費の高騰や、再塗装の困難さが加わる。このような理由から、現在、無塗装での使用が可能な鋼材の要望が高い。
これまで、鋼材の耐候性を向上させる手法として、種々の技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、Ｃｕと１質量％以上のＮｉを添加した高耐候性鋼材が開示されている。
特許文献２には、１質量％以上のＮｉとＭｏを添加した耐候性に優れた鋼材が開示されている。
特許文献３には、Ｎｉに加え、Ｃｕ、Ｔｉを添加した耐候性に優れた鋼材が開示されている。
特許文献４には、Ｎｉを多量に含有し、加えてＰおよびＣｕ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｓｂ等を含有した溶接構造用鋼材が開示されている。
特許文献５には、Ｓｎを添加した耐食性に優れた鋼材が開示されている。
例えば、特許文献１には、Ｃｕと１質量％以上のＮｉを添加した高耐候性鋼材が開示されている。
特許文献２には、１質量％以上のＮｉとＭｏを添加した耐候性に優れた鋼材が開示されている。
特許文献３には、Ｎｉに加え、Ｃｕ、Ｔｉを添加した耐候性に優れた鋼材が開示されている。
特許文献４には、Ｎｉを多量に含有し、加えてＰおよびＣｕ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｓｂ等を含有した溶接構造用鋼材が開示されている。
特許文献５には、Ｓｎを添加した耐食性に優れた鋼材が開示されている。
建設省土木研究所，(社)鋼材倶楽部，(社)日本橋梁建設協会，耐候性鋼材の橋梁への適用に関する共同研究報告書（ＸＸ），平成５年３月
しかしながら、特許文献１，２および３のようにＮｉの含有量を増加させた場合、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇してしまうという問題があった。
また、特許文献４のようにＮｉおよびＰの含有量を増加させ、Ｃｕ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｓｂ等を含有した鋼材では、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇するだけでなく、Ｐの含有量が高いために溶接性の低下が避けられない。
さらに、特許文献５のようにＳｎの含有量を増加させた場合、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇してしまうという問題があった。
また、特許文献４のようにＮｉおよびＰの含有量を増加させ、Ｃｕ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｓｂ等を含有した鋼材では、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇するだけでなく、Ｐの含有量が高いために溶接性の低下が避けられない。
さらに、特許文献５のようにＳｎの含有量を増加させた場合、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇してしまうという問題があった。
本発明は、上記の事情に鑑み開発されたもので、低コストで、しかも飛来塩分量が多い環境下においても優れた耐候性を示す構造用鋼材を提供することを目的とする。
さて、発明者らは、上記の課題を解決するために、耐候性の観点から鋼材の成分組成について鋭意検討を重ねた。
その結果、少量のＣｕ，Ｎｉ，Ｃｏに加え、さらに微量のＮｂおよびＳｎを複合含有させることによって、鋼材の耐候性が大幅に向上することを見出した。
さらに、Ｃｒを含有させることにより、耐候性の一層の向上効果が得られることを見出した。
本発明は、上記の新規知見に立脚するものである。
その結果、少量のＣｕ，Ｎｉ，Ｃｏに加え、さらに微量のＮｂおよびＳｎを複合含有させることによって、鋼材の耐候性が大幅に向上することを見出した。
さらに、Ｃｒを含有させることにより、耐候性の一層の向上効果が得られることを見出した。
本発明は、上記の新規知見に立脚するものである。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で、
Ｃ：０．０２０％以上０．２００％未満、
Ｓｉ：０．１０％以上１．００％以下、
Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下、
Ｐ：０．００３％以上０．０３０％以下、
Ｓ：０．０００１％以上０．０２００％以下および
Ａｌ：０．００１％以上０．１００％以下
を含み、かつ
Ｃｕ：０．０１％以上１．００％以下、
Ｎｉ：０．０１％以上０．６５％以下
Ｃｏ：０．００２％以上０．２２０％未満、
Ｎｂ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｓｎ：０．００５％以上０．２００％以下
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる耐候性に優れた構造用鋼材。
１．質量％で、
Ｃ：０．０２０％以上０．２００％未満、
Ｓｉ：０．１０％以上１．００％以下、
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Ｐ：０．００３％以上０．０３０％以下、
Ｓ：０．０００１％以上０．０２００％以下および
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を含み、かつ
Ｃｕ：０．０１％以上１．００％以下、
Ｎｉ：０．０１％以上０．６５％以下
Ｃｏ：０．００２％以上０．２２０％未満、
Ｎｂ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｓｎ：０．００５％以上０．２００％以下
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる耐候性に優れた構造用鋼材。
２．Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，ＮｂおよびＳｎ量が、次式（１）を満足する前記１に記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
Ｌｏｇ（Ｃｕ×５００−１)×Ｌｏｇ（Ｎｉ×５００−１)×Ｌｏｇ（Ｃｏ×１０００−０．００１)×Ｌｏｇ（Ｎｂ×１０００−３)×Ｌｏｇ（Ｓｎ×１０００−３)＞０．０２・・・（１）
Ｌｏｇ（Ｃｕ×５００−１)×Ｌｏｇ（Ｎｉ×５００−１)×Ｌｏｇ（Ｃｏ×１０００−０．００１)×Ｌｏｇ（Ｎｂ×１０００−３)×Ｌｏｇ（Ｓｎ×１０００−３)＞０．０２・・・（１）
３．さらに、質量％で、
Ｃｒ：０．０１％以上１．００％以下
を含有する前記１または２に記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
Ｃｒ：０．０１％以上１．００％以下
を含有する前記１または２に記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
４．さらに、質量％で、
Ｍｏ：０．００１％以上１．０００％以下、
Ｗ：０．００５％以上１．０００％以下および
Ｓｂ：０．００５％以上０．２００％以下
のうちから選ばれる一種以上を含有する前記１〜３のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
Ｍｏ：０．００１％以上１．０００％以下、
Ｗ：０．００５％以上１．０００％以下および
Ｓｂ：０．００５％以上０．２００％以下
のうちから選ばれる一種以上を含有する前記１〜３のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
５．さらに、質量％で、
Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下、
Ｖ：０．００５％以上０．２００％以下、
Ｚｒ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｂ：０．０００１％以上０．００５０％以下
のうちから選ばれる一種以上を含有する前記１〜４のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下、
Ｖ：０．００５％以上０．２００％以下、
Ｚｒ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｂ：０．０００１％以上０．００５０％以下
のうちから選ばれる一種以上を含有する前記１〜４のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
６．さらに、質量％で、
ＲＥＭ：０．０００１％以上０．０１００％以下、
Ｃａ：０．０００１％以上０．０１００％以下および
Ｍｇ：０．０００１％以上０．０１００％以下
のうちから選ばれる一種以上を含有する前記１〜５のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
ＲＥＭ：０．０００１％以上０．０１００％以下、
Ｃａ：０．０００１％以上０．０１００％以下および
Ｍｇ：０．０００１％以上０．０１００％以下
のうちから選ばれる一種以上を含有する前記１〜５のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
本発明によれば、耐候性向上に有効な元素を少量ずつ複合含有させることによって、低コストで、しかも飛来塩分量が多い環境下においても優れた耐候性を有する構造用鋼材を得ることができる。
本発明に従う成分設計によって優れた耐候性が得られる理由については、まだ明確に解明されたわけではないが、発明者らは以下のように推定している。
Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏは、さび層全体に分布し、さび粒子の表面に存在する、あるいはさび粒子中に取り込まれることでさび粒子を微細化させ、これによりさび層が緻密化する。その結果、腐食促進因子である酸素や塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを防止する。特にＣｏは腐食促進因子のさび層中の透過を抑制する効果が高く、本発明においては重要な元素である。また、Ｎｂは、地鉄表面近傍のさび中に濃化することで、腐食促進因子である塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達することを防止し、鋼材のアノード反応、カソード反応を抑制する。Ｓｎは、地鉄表面近傍のさび中に濃化し、さび層を微細化することで腐食促進因子のさび層中の透過を抑制し、鋼材のアノード反応、カソード反応を抑制する。
ただし、これらの効果は、各成分の単独含有では不十分で、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｎｂ，Ｓｎを複合含有させ、各々の添加効果を相乗的に作用させることによって、初めて耐食性の著しい向上が達成される。
Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏは、さび層全体に分布し、さび粒子の表面に存在する、あるいはさび粒子中に取り込まれることでさび粒子を微細化させ、これによりさび層が緻密化する。その結果、腐食促進因子である酸素や塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを防止する。特にＣｏは腐食促進因子のさび層中の透過を抑制する効果が高く、本発明においては重要な元素である。また、Ｎｂは、地鉄表面近傍のさび中に濃化することで、腐食促進因子である塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達することを防止し、鋼材のアノード反応、カソード反応を抑制する。Ｓｎは、地鉄表面近傍のさび中に濃化し、さび層を微細化することで腐食促進因子のさび層中の透過を抑制し、鋼材のアノード反応、カソード反応を抑制する。
ただし、これらの効果は、各成分の単独含有では不十分で、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｎｂ，Ｓｎを複合含有させ、各々の添加効果を相乗的に作用させることによって、初めて耐食性の著しい向上が達成される。
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明において、鋼材の成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：０．０２０％以上０．２００％未満
Ｃは、構造用鋼材の強度を向上させる元素であり、所定の強度を確保するためには０．０２０％以上含有させる必要がある。一方、Ｃ含有量が０．２００％以上では溶接性および靭性の劣化を招く。従って、Ｃ量は０．０３０％以上０．２００％未満の範囲とした。好ましくは０．０３％以上、０．１８％以下、より好ましくは０．０６％以上、０．１６％以下である。
まず、本発明において、鋼材の成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：０．０２０％以上０．２００％未満
Ｃは、構造用鋼材の強度を向上させる元素であり、所定の強度を確保するためには０．０２０％以上含有させる必要がある。一方、Ｃ含有量が０．２００％以上では溶接性および靭性の劣化を招く。従って、Ｃ量は０．０３０％以上０．２００％未満の範囲とした。好ましくは０．０３％以上、０．１８％以下、より好ましくは０．０６％以上、０．１６％以下である。
Ｓｉ：０．１０％以上１．００％以下
Ｓｉは、本発明において重要な成分であり、さび層全体のさび粒を微細化させて緻密なさび層を形成し、鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。また、熱間圧延時の鋼材表面の割れを防止する効果を有する。これらの効果を得るためには、０．１０％以上含有させる必要がある。一方、１．００％を超えて過剰に含有すると靭性および溶接性が著しく劣化する。従って、Ｓｉ量は０．１０％以上１．００％以下の範囲とした。好ましくは０．１５％以上０．７０％以下、より好ましくは０．４０％以上０．６０％以下である。
Ｓｉは、本発明において重要な成分であり、さび層全体のさび粒を微細化させて緻密なさび層を形成し、鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。また、熱間圧延時の鋼材表面の割れを防止する効果を有する。これらの効果を得るためには、０．１０％以上含有させる必要がある。一方、１．００％を超えて過剰に含有すると靭性および溶接性が著しく劣化する。従って、Ｓｉ量は０．１０％以上１．００％以下の範囲とした。好ましくは０．１５％以上０．７０％以下、より好ましくは０．４０％以上０．６０％以下である。
Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下
Ｍｎは、構造用鋼材の強度を向上させる元素であり、所定の強度を確保するためには０．２０％以上含有させる必要がある。一方、２．００％を超えて過剰に含有すると靭性および溶接性が劣化する。従って、Ｍｎ量は０．２０％以上２．００％以下の範囲とした。好ましくは０．４０％以上１．８％以下、より好ましくは０．６０％以上１．６５％以下である。
Ｍｎは、構造用鋼材の強度を向上させる元素であり、所定の強度を確保するためには０．２０％以上含有させる必要がある。一方、２．００％を超えて過剰に含有すると靭性および溶接性が劣化する。従って、Ｍｎ量は０．２０％以上２．００％以下の範囲とした。好ましくは０．４０％以上１．８％以下、より好ましくは０．６０％以上１．６５％以下である。
Ｐ：０．００３％以上０．０３０％以下
Ｐは、構造用鋼材の耐候性を向上させる元素であり、この効果を得るためには０．００３％以上含有させる必要がある。一方、０．０３０％を超えて含有すると溶接性が劣化する。従って、Ｐ量は０．００３％以上０．０３０％以下とする。好ましくは０．０２０％以下である。
Ｐは、構造用鋼材の耐候性を向上させる元素であり、この効果を得るためには０．００３％以上含有させる必要がある。一方、０．０３０％を超えて含有すると溶接性が劣化する。従って、Ｐ量は０．００３％以上０．０３０％以下とする。好ましくは０．０２０％以下である。
Ｓ：０．０００１％以上０．０２００％以下
Ｓは、０．０２００％を超えて含有すると溶接性および靭性が劣化する。一方、含有量を０．０００１％未満まで低下させると、生産コストが増大する。従って、Ｓ量は０．０００１％以上０．０２００％以下とした。
Ｓは、０．０２００％を超えて含有すると溶接性および靭性が劣化する。一方、含有量を０．０００１％未満まで低下させると、生産コストが増大する。従って、Ｓ量は０．０００１％以上０．０２００％以下とした。
Ａｌ：０．００１％以上０．１００％以下
Ａｌは、製鋼時の脱酸に必要な元素であり、この効果を得るためはＡｌ量として０．００１％以上含有させる必要がある。一方、０．１００％を超えて含有すると溶接性に悪影響を及ぼす。従って、Ａｌ量は０．００１％以上０．１００％以下とする。好ましくは０．００５％以上０．０７％以下、より好ましくは０．０１０％以上０．０５％未満である。
Ａｌは、製鋼時の脱酸に必要な元素であり、この効果を得るためはＡｌ量として０．００１％以上含有させる必要がある。一方、０．１００％を超えて含有すると溶接性に悪影響を及ぼす。従って、Ａｌ量は０．００１％以上０．１００％以下とする。好ましくは０．００５％以上０．０７％以下、より好ましくは０．０１０％以上０．０５％未満である。
Ｃｕ：０．０１％以上１．００％以下
Ｃｕ、本発明において重要な成分であり、Ｎｉ，Ｃｏ，ＮｂおよびＳｎと共存させることにより、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果を有する。Ｃｕは、さび層のさび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、腐食促進因子である塩化物イオンの地鉄への透過を抑制する効果を有する。この効果は、含有量が０．０１％以上で得られる。一方、含有量が１．００％を超えるとＣｕ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。従って、Ｃｕ量は０．０１％以上１．００％以下の範囲とする。好ましくは０．０３％以上０．４５％以下、より好ましくは０．１０％以上０．３６％以下である。
Ｃｕ、本発明において重要な成分であり、Ｎｉ，Ｃｏ，ＮｂおよびＳｎと共存させることにより、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果を有する。Ｃｕは、さび層のさび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、腐食促進因子である塩化物イオンの地鉄への透過を抑制する効果を有する。この効果は、含有量が０．０１％以上で得られる。一方、含有量が１．００％を超えるとＣｕ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。従って、Ｃｕ量は０．０１％以上１．００％以下の範囲とする。好ましくは０．０３％以上０．４５％以下、より好ましくは０．１０％以上０．３６％以下である。
Ｎｉ：０．０１％以上０．６５％以下
Ｎｉは、本発明において重要な成分であり、Ｃｕ，Ｃｏ，ＮｂおよびＳｎと共存させることによって、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果を有する。Ｎｉは、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、これにより鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。この効果を十分に得るためには０．０１％以上含有させる必要がある。一方、０．６５％を超えて含有するとＮｉ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。従って、Ｎｉ量は０．０１％以上０．６５％以下とする。好ましくは０．０３％以上０．５０％以下、より好ましくは０．２０％以上０．４０％以下である。
Ｎｉは、本発明において重要な成分であり、Ｃｕ，Ｃｏ，ＮｂおよびＳｎと共存させることによって、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果を有する。Ｎｉは、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、これにより鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。この効果を十分に得るためには０．０１％以上含有させる必要がある。一方、０．６５％を超えて含有するとＮｉ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。従って、Ｎｉ量は０．０１％以上０．６５％以下とする。好ましくは０．０３％以上０．５０％以下、より好ましくは０．２０％以上０．４０％以下である。
Ｃｏ：０．００２％以上０．２２０％未満
Ｃｏは、本発明において重要な成分であり、Ｃｕ，Ｎｉ，ＮｂおよびＳｎと共存させることによって、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Ｃｏは、さび層全体に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、これにより鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。この効果を十分に得るためには、０．００２％以上含有させる必要がある。一方、０．２２０％以上含有するとＣｏ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。従って、Ｃｏ量は０．００２％以上０．２２０％未満とする。好ましくは０．００３％以上０．１００％以下、より好ましくは０．０１０％以上０．０３０％以下である。
Ｃｏは、本発明において重要な成分であり、Ｃｕ，Ｎｉ，ＮｂおよびＳｎと共存させることによって、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Ｃｏは、さび層全体に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、これにより鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。この効果を十分に得るためには、０．００２％以上含有させる必要がある。一方、０．２２０％以上含有するとＣｏ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。従って、Ｃｏ量は０．００２％以上０．２２０％未満とする。好ましくは０．００３％以上０．１００％以下、より好ましくは０．０１０％以上０．０３０％以下である。
Ｎｂ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｎｂは、本発明において重要な成分であり、Ｃｕ，Ｎｉ，ＣｏおよびＳｎと共存させることにより、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Ｎｂは、アノード部においてさび層と地鉄の界面付近に濃化し、アノード反応、カソード反応を抑制する。この効果を十分に得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。一方、０．２００％を超えて含有すると靭性の低下を招く。従って、Ｎｂ量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは０．００８％以上０．１００％以下、より好ましくは０．０１０％以上０．０３０％以下である。
Ｎｂは、本発明において重要な成分であり、Ｃｕ，Ｎｉ，ＣｏおよびＳｎと共存させることにより、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Ｎｂは、アノード部においてさび層と地鉄の界面付近に濃化し、アノード反応、カソード反応を抑制する。この効果を十分に得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。一方、０．２００％を超えて含有すると靭性の低下を招く。従って、Ｎｂ量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは０．００８％以上０．１００％以下、より好ましくは０．０１０％以上０．０３０％以下である。
Ｓｎ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｓｎは、本発明において重要な成分であり、Ｃｕ，Ｎｉ，ＣｏおよびＮｂと共存させることによって、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Ｓｎは、鋼材表面にＳｎを含む酸化皮膜を形成し、鋼材のアノード反応、カソード反応を抑制することで鋼材の耐候性を向上させる。この効果を十分に得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。一方、０．２００％を超えて含有すると鋼の延性や靭性の劣化を招く。従って、Ｓｎ量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．１００％以下、より好ましくは０．０２０％以上０．０５０％未満である。
Ｓｎは、本発明において重要な成分であり、Ｃｕ，Ｎｉ，ＣｏおよびＮｂと共存させることによって、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Ｓｎは、鋼材表面にＳｎを含む酸化皮膜を形成し、鋼材のアノード反応、カソード反応を抑制することで鋼材の耐候性を向上させる。この効果を十分に得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。一方、０．２００％を超えて含有すると鋼の延性や靭性の劣化を招く。従って、Ｓｎ量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．１００％以下、より好ましくは０．０２０％以上０．０５０％未満である。
残部はＦｅおよび不可避的不純物である。ここで、主な可避的不純物としてＮやＯが挙げられるが、それぞれＮ：０．０１００％以下、Ｏ：０．０１００％以下で許容できる。
さらに、大気腐食環境下において十分な耐候性向上効果を得るためには、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｎｂ，Ｓｎを次式（１）を満足する範囲で含有させることがより有利であり、この範囲で含有させることによって一層の耐候性向上効果を得ることができる。
この（１）式は大気環境下における耐候性の指標となるものであり、耐候性向上に有効なＣｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｓｎの含有量が多いほど、耐候性が向上し、０．０２より大きい値となることで目標の耐候性を得ることができる。好ましくは０．０５以上である。より好ましくは０．０８以上である。
また、各元素の添加量が増大すると、耐候性の向上効果は徐々に小さくなり、（１）式の値が２５．００を超えると耐候性の向上効果は飽和に達する。さらに、鋼材の溶接性や靱性の劣化、合金コストの増大を招く。したがって、（１）式の上限値は、２５．００が好ましい。より好ましくは、２２．００である。さらに好ましくは、１８．００である。
Ｌｏｇ（Ｃｕ×５００−１)×Ｌｏｇ（Ｎｉ×５００−１)×Ｌｏｇ（Ｃｏ×１０００−０．００１)×Ｌｏｇ（Ｎｂ×１０００−３)×Ｌｏｇ（Ｓｎ×１０００−３)＞０．０２・・・（１）
この（１）式は大気環境下における耐候性の指標となるものであり、耐候性向上に有効なＣｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｓｎの含有量が多いほど、耐候性が向上し、０．０２より大きい値となることで目標の耐候性を得ることができる。好ましくは０．０５以上である。より好ましくは０．０８以上である。
また、各元素の添加量が増大すると、耐候性の向上効果は徐々に小さくなり、（１）式の値が２５．００を超えると耐候性の向上効果は飽和に達する。さらに、鋼材の溶接性や靱性の劣化、合金コストの増大を招く。したがって、（１）式の上限値は、２５．００が好ましい。より好ましくは、２２．００である。さらに好ましくは、１８．００である。
Ｌｏｇ（Ｃｕ×５００−１)×Ｌｏｇ（Ｎｉ×５００−１)×Ｌｏｇ（Ｃｏ×１０００−０．００１)×Ｌｏｇ（Ｎｂ×１０００−３)×Ｌｏｇ（Ｓｎ×１０００−３)＞０．０２・・・（１）
以上、必須成分について説明したが、本発明では、その他にも必要に応じて以下の元素を適宜含有させることができる。
Ｃｒ：０．０１％以上１．００％以下
Ｃｒは、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、耐侯性を向上させる元素である。この効果を得るためには、０．０１％以上含有させる必要がある。一方、Ｃｒを１．００％を超えて過剰に含有すると溶接性が低下する。従って、Ｃｒを含有させる場合、含有量は０．０１％以上１．００％以下とする。好ましくは０．０４％以上１．００％以下、より好ましくは０．１０％以上０．５０％以下である。
Ｃｒ：０．０１％以上１．００％以下
Ｃｒは、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、耐侯性を向上させる元素である。この効果を得るためには、０．０１％以上含有させる必要がある。一方、Ｃｒを１．００％を超えて過剰に含有すると溶接性が低下する。従って、Ｃｒを含有させる場合、含有量は０．０１％以上１．００％以下とする。好ましくは０．０４％以上１．００％以下、より好ましくは０．１０％以上０．５０％以下である。
Ｍｏ：０．００１％以上１．０００％以下
Ｍｏは、鋼材のアノード反応に伴ってＭｏＯ4 2-が溶出し、さび層中にＭｏＯ4 2-が分布することで、腐食促進因子の塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを防止する働きがある。また、鋼材表面にＭｏを含む化合物が沈殿することで、鋼材のアノード反応を抑制する作用もある。これらの効果を十分に得るためには、０．００１％以上の含有が必要である。一方、含有量が１．０００％を超えるとＭｏ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。従って、Ｍｏを含有させる場合、Ｍｏ量は０．００１％以上１．０００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．５００％以下、より好ましくは０．０５０％以上０．３００％以下である。
Ｍｏは、鋼材のアノード反応に伴ってＭｏＯ4 2-が溶出し、さび層中にＭｏＯ4 2-が分布することで、腐食促進因子の塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを防止する働きがある。また、鋼材表面にＭｏを含む化合物が沈殿することで、鋼材のアノード反応を抑制する作用もある。これらの効果を十分に得るためには、０．００１％以上の含有が必要である。一方、含有量が１．０００％を超えるとＭｏ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。従って、Ｍｏを含有させる場合、Ｍｏ量は０．００１％以上１．０００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．５００％以下、より好ましくは０．０５０％以上０．３００％以下である。
Ｗ：０．００５％以上１．０００％以下
Ｗは、鋼材のアノード反応に伴ってＷＯ4 2-が溶出し、さび層中にＷＯ4 2-として分布することによって、腐食促進因子の塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを静電的に防止するはたきがある。また、鋼材表面にＷを含む化合物が沈殿することで、鋼材のアノード反応を抑制する作用もある。これらの効果を十分に得るためには、０．００５％以上の含有が必要である。一方、含有量が１．０００％を超えるとＷ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。従って、Ｗを含有させる場合、Ｗ量は０．００５％以上１．０００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．５００％以下、より好ましくは０．０３０％以上０．３００％以下である。
Ｗは、鋼材のアノード反応に伴ってＷＯ4 2-が溶出し、さび層中にＷＯ4 2-として分布することによって、腐食促進因子の塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを静電的に防止するはたきがある。また、鋼材表面にＷを含む化合物が沈殿することで、鋼材のアノード反応を抑制する作用もある。これらの効果を十分に得るためには、０．００５％以上の含有が必要である。一方、含有量が１．０００％を超えるとＷ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。従って、Ｗを含有させる場合、Ｗ量は０．００５％以上１．０００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．５００％以下、より好ましくは０．０３０％以上０．３００％以下である。
Ｓｂ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｓｂは、鋼材のアノード反応を抑制すると共に、カソード反応である水素発生反応を抑制することで鋼材の耐候性を向上させる元素である。このような効果を十分に得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。一方、０．２００％を超えてＳｂを過剰に含有すると靭性の劣化を招く。従って、Ｓｂを含有させる場合、Ｓｂ量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．１００％以下、より好ましくは０．０２０％以上０．０５０％以下である。
Ｓｂは、鋼材のアノード反応を抑制すると共に、カソード反応である水素発生反応を抑制することで鋼材の耐候性を向上させる元素である。このような効果を十分に得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。一方、０．２００％を超えてＳｂを過剰に含有すると靭性の劣化を招く。従って、Ｓｂを含有させる場合、Ｓｂ量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．１００％以下、より好ましくは０．０２０％以上０．０５０％以下である。
Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｔｉは、強度を高める上で有用な元素である。この効果を十分に得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。一方、含有量が０．２００％を超えると靭性の劣化を招く。従って、Ｔｉを含有させる場合、Ｔｉ量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．１０％以下、より好ましくは０．０２０％以上０．０５０％以下である。
Ｔｉは、強度を高める上で有用な元素である。この効果を十分に得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。一方、含有量が０．２００％を超えると靭性の劣化を招く。従って、Ｔｉを含有させる場合、Ｔｉ量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．１０％以下、より好ましくは０．０２０％以上０．０５０％以下である。
Ｖ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｖは、強度を高める上で有用な元素である。この効果を十分に得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。一方、含有量が０．２００％を超えると効果が飽和する。従って、Ｖを含有させる場合、Ｖ量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．１５％以下、より好ましくは０．０３０％以上０．１００％以下である。
Ｖは、強度を高める上で有用な元素である。この効果を十分に得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。一方、含有量が０．２００％を超えると効果が飽和する。従って、Ｖを含有させる場合、Ｖ量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．１５％以下、より好ましくは０．０３０％以上０．１００％以下である。
Ｚｒ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｚｒは、強度を高める上で有用な元素である。この効果を十分に得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。一方、含有量が０．２００％を超えると効果が飽和する。従って、Ｚｒを含有させる場合、Ｚｒ量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．１０％以下、より好ましくは０．０２０％以上０．０５０％以下である。
Ｚｒは、強度を高める上で有用な元素である。この効果を十分に得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。一方、含有量が０．２００％を超えると効果が飽和する。従って、Ｚｒを含有させる場合、Ｚｒ量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは０．０１０％以上０．１０％以下、より好ましくは０．０２０％以上０．０５０％以下である。
Ｂ：０．０００１％以上０．００５０％以下
Ｂは、強度を高める上で有用な元素である。この効果を十分に得るためには、０．０００１％以上含有させる必要がある。一方、含有量が０．００５０％を超えると靭性の劣化を招く。従って、Ｂを含有させる場合、Ｂ量は０．０００１％以上０．００５０％以下とする。好ましくは、０．０００５％以上０．００４０％以下、より好ましくは、０．００１０％以上０．００２５％以下である。
Ｂは、強度を高める上で有用な元素である。この効果を十分に得るためには、０．０００１％以上含有させる必要がある。一方、含有量が０．００５０％を超えると靭性の劣化を招く。従って、Ｂを含有させる場合、Ｂ量は０．０００１％以上０．００５０％以下とする。好ましくは、０．０００５％以上０．００４０％以下、より好ましくは、０．００１０％以上０．００２５％以下である。
ＲＥＭ：０．０００１％以上０．０１００％以下
ＲＥＭは、さび層全体に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。この効果を十分に得るためには、０．０００１％以上含有させる必要があるが、０．０１００％を超えるとその効果は飽和する。従って、ＲＥＭを含有させる場合、ＲＥＭ量は０．０００１％以上０．０１００％以下とする。
ＲＥＭは、さび層全体に分布し、さび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。この効果を十分に得るためには、０．０００１％以上含有させる必要があるが、０．０１００％を超えるとその効果は飽和する。従って、ＲＥＭを含有させる場合、ＲＥＭ量は０．０００１％以上０．０１００％以下とする。
Ｃａ：０．０００１％以上０．０１００％以下
Ｃａは、鋼中のＳを固定して溶接熱影響部の靭性向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには０．０００１％以上含有させる必要がある。一方、含有量が０．０１００％を超えると鋼中の介在物の量が増加し、かえって靭性の劣化を招く。従って、Ｃａを含有させる場合、Ｃａ量は０．０００１％以上０．０１００％以下とする。
Ｃａは、鋼中のＳを固定して溶接熱影響部の靭性向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには０．０００１％以上含有させる必要がある。一方、含有量が０．０１００％を超えると鋼中の介在物の量が増加し、かえって靭性の劣化を招く。従って、Ｃａを含有させる場合、Ｃａ量は０．０００１％以上０．０１００％以下とする。
Ｍｇ：０．０００１％以上０．０１００％以下
Ｍｇは、鋼中のＳを固定して溶接熱影響部の靭性向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには０．０００１％以上含有させる必要がある。一方、含有量が０．０１００％を超えると鋼中の介在物の量が増加し、かえって靭性の劣化を招く。従って、Ｍｇを含有させる場合、Ｍｇ量は０．０００１％以上０．０１００％以下とする。
Ｍｇは、鋼中のＳを固定して溶接熱影響部の靭性向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには０．０００１％以上含有させる必要がある。一方、含有量が０．０１００％を超えると鋼中の介在物の量が増加し、かえって靭性の劣化を招く。従って、Ｍｇを含有させる場合、Ｍｇ量は０．０００１％以上０．０１００％以下とする。
本発明の耐候性に優れた構造用鋼材は、上記の成分組成に調製した溶鋼を、通常の連続鋳造や分塊法によってスラブとし、ついで得られたスラブを熱間圧延によって厚板や形鋼、薄鋼板、棒鋼等の鋼材とすることにより得られる。
熱間圧延における加熱条件や圧延条件は、要求される材質に応じて適宜決定すればよく、また制御圧延、加速冷却、あるいは再加熱熱処理等の組合せも可能である。
なお、各元素の含有量は、スパーク放電発光分光分析法、蛍光Ｘ線分析法、ＩＣＰ発光分光分析法およびＩＣＰ質量分析法、燃焼法等により求めることができる。
熱間圧延における加熱条件や圧延条件は、要求される材質に応じて適宜決定すればよく、また制御圧延、加速冷却、あるいは再加熱熱処理等の組合せも可能である。
なお、各元素の含有量は、スパーク放電発光分光分析法、蛍光Ｘ線分析法、ＩＣＰ発光分光分析法およびＩＣＰ質量分析法、燃焼法等により求めることができる。
表１に示す成分組成の鋼を溶製し、１１５０℃に加熱した後、熱間圧延し、ついで室温まで空冷して、厚さ１２ｍｍの鋼板を作製した。ついで、得られた鋼板から５０ｍｍ×５０ｍｍ×４ｍｍの試験片を採取した。試験片は、表面を表面粗さＲａが１．６μｍ以下となるよう研削加工し、端面、裏面をテープシールし、表面露出部の面積が４０ｍｍ×４０ｍｍとなるよう表面もテープシールした。
以上により得られた試験片について、乾湿繰り返し腐食試験を行い、耐候性を評価した。
以上により得られた試験片について、乾湿繰り返し腐食試験を行い、耐候性を評価した。
腐食試験の条件は以下のとおりである。
温度６０℃、相対湿度３５％ＲＨの乾燥工程を３時間、その後、移行時間を１時間とった後、温度を４０℃、相対湿度を９５％ＲＨの湿潤工程を３時間として、その後１時間移行時間をとり、合計８時間で１サイクルとした。前記工程を８サイクル繰り返したのち、８時間の乾燥工程を実施した。さらに、前記工程を１１サイクル繰り返したのち、８時間の乾燥工程を実施した。また、８時間乾燥工程中に試験片表面に付着する塩分量が０．３０ｍｄｄとなるよう調整した人工海水溶液を試験片表面に噴霧した。この条件にて、１２週間で８４サイクルの試験を行った。
温度６０℃、相対湿度３５％ＲＨの乾燥工程を３時間、その後、移行時間を１時間とった後、温度を４０℃、相対湿度を９５％ＲＨの湿潤工程を３時間として、その後１時間移行時間をとり、合計８時間で１サイクルとした。前記工程を８サイクル繰り返したのち、８時間の乾燥工程を実施した。さらに、前記工程を１１サイクル繰り返したのち、８時間の乾燥工程を実施した。また、８時間乾燥工程中に試験片表面に付着する塩分量が０．３０ｍｄｄとなるよう調整した人工海水溶液を試験片表面に噴霧した。この条件にて、１２週間で８４サイクルの試験を行った。
上記の腐食試験終了後、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、得られた重量と初期重量との差を求め、テープシール部を除く試験片の表面積と鉄の密度から、片面の平均板厚減少量を求め、腐食量とした。
表１−１および表１−２に腐食量（平均板厚減少量）について調べた結果および式（１）の値を併記する。なお、この腐食量（平均板厚減少量）が１５μｍ以下であれば、耐侯性が優れているといえる。
表１−１および表１−２に腐食量（平均板厚減少量）について調べた結果および式（１）の値を併記する。なお、この腐食量（平均板厚減少量）が１５μｍ以下であれば、耐侯性が優れているといえる。
表１−１および表１−２から明らかなように、本発明の成分組成を満足する発明例はいずれも腐食量が１５μｍ以下であり、優れた耐侯性を有することが分かる。
これに対し、本発明でとくに重要とするＣｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，ＮｂおよびＳｎの５元素のうち、一元素でも本発明の適正範囲を外れた比較例は、いずれも腐食量が１５μｍを超え、十分な耐侯性を得ることはできなかった。
これに対し、本発明でとくに重要とするＣｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，ＮｂおよびＳｎの５元素のうち、一元素でも本発明の適正範囲を外れた比較例は、いずれも腐食量が１５μｍを超え、十分な耐侯性を得ることはできなかった。
Claims (6)
- 質量％で、
Ｃ：０．０２０％以上０．２００％未満、
Ｓｉ：０．１０％以上１．００％以下、
Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下、
Ｐ：０．００３％以上０．０３０％以下、
Ｓ：０．０００１％以上０．０２００％以下および
Ａｌ：０．００１％以上０．１００％以下
を含み、かつ
Ｃｕ：０．０１％以上１．００％以下、
Ｎｉ：０．０１％以上０．６５％以下
Ｃｏ：０．００２％以上０．２２０％未満、
Ｎｂ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｓｎ：０．００５％以上０．２００％以下
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる耐候性に優れた構造用鋼材。 - Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，ＮｂおよびＳｎ量が、次式（１）を満足する請求項１に記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
Ｌｏｇ（Ｃｕ×５００−１)×Ｌｏｇ（Ｎｉ×５００−１)×Ｌｏｇ（Ｃｏ×１０００−０．００１)×Ｌｏｇ（Ｎｂ×１０００−３)×Ｌｏｇ（Ｓｎ×１０００−３)＞０．０２・・・（１） - さらに、質量％で、
Ｃｒ：０．０１％以上１．００％以下
を含有する請求項１または２に記載の耐候性に優れた構造用鋼材。 - さらに、質量％で、
Ｓｂ：０．００５％以上０．２００％以下
を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材。 - さらに、質量％で、
Ｖ：０．００５％以上０．２００％以下、
Ｚｒ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｂ：０．０００１％以上０．００５０％以下
のうちから選ばれる一種以上を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材。 - さらに、質量％で、
ＲＥＭ：０．０００１％以上０．０１００％以下および
Ｃａ：０．０００１％以上０．０１００％以下のうちから選ばれる一種以上を含有する請求項１〜５のいずれかに記載の耐候性に優れた構造用鋼材。
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