JPH1046285A - 耐候性に優れた鋼及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】特に、塩分が飛来する環境において高い耐候性
と溶接性を有し、靭性の良好な溶接構造用鋼及びその製
造方法を提供する。 【解決手段】鉄系低合金鋼において、重量％で、Ｎｉ：
０．４〜４％、Ｍｏ：０．１％〜１．５％、Ｃｒ：０．
１％以下、Ｐ：０．０３〜０．１５％を含有する耐候性
に優れた鋼、およびこの組成の鋼を連続鋳造又は分塊圧
延後、９５０℃以下における累積圧下率２０％以上の熱
感圧延を行い、かつ熱間圧延を７５０℃以上９００℃以
下の温度範囲で終了する耐候性に優れた鋼の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に、海岸地域に
建設される橋梁や鉄塔などの塩水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かつ高溶接性で靭性の
良好な耐候性鋼に関する。

【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、厳重な塗装を施すなどの防食処置を
とらねばならない。塗装は非常に効果の高い防食手段で
あるが、大気暴露環境においては劣化が著しいため、定
期的な補修を必要とする。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。

【０００３】耐候性鋼は、大気暴露環境において、銅、
りん、クロムなどの有効元素が富化した防食性の高い安
定錆が表面を覆うことにより、著しく腐食の進展が遅く
なるというものである。その著しい耐候性の高さのた
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。しかし、
海岸地域のように塩分が比較的に多い環境では、耐候性
鋼の錆は安定化しにくく、実用的な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示されている（例
えば特公昭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号公報参照）。

【０００４】ところで近年、耐候性鋼を日本国内の各所
に暴露腐食試験した結果が、建設省により公表された。
この試験結果から建設省は、耐候性鋼を無塗装で使用す
ることが可能な地域として、飛来する塩分量が０．０５
ｍｄｄ以下の地域に限るという指針を提示している。従
って、飛来塩分量が０．０５ｍｄｄ以上の地域において
は、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、無塗装で使用するのに十分な耐候性を
有していない。

【０００５】一方、海岸地域における耐候性を改善する
鋼の製造技術として、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、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示されている（特開平
7-207340号公報、特開平7-242993号公報参照）。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。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溶接構造用鋼を製
造することが困難である。

【０００６】以上のように、従来の技術によっては、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、靭性の良好な溶接構造用鋼を
製造することはできなかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような事
情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、
塩分、特に０．０５ｍｄｄ以上１０ｍｄｄ未満の塩分が
飛来する環境において高い耐候性と溶接性を有し、靭性
の良好な溶接構造用鋼及びその製造方法を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成すべく鋼材の成分組成について鋭意検討した。Ｃ
ｒは、塩分の少ない環境においては、鋼の耐食性を向上
させる効果を有するため、従来製造されてきた耐候性鋼
には、積極的に添加されてきた。しかし、本研究者らが
検討したところ、Ｃｒは塩分の多い環境においてはむし
ろ孔あき腐食を助長する作用があることが判明した。ま
た、Ｃｒは溶接部の硬さを増し、いわゆる低温割れを起
こしやすくさせるため、溶接性を著しく劣化させる元素
である。そこで、Ｃｒを実質的に添加せず、若しくは添
加量を極力減ずるようにして、塩分の多い環境における
鋼の耐食性を向上させる鋼組成及びその製造方法を研究
した。その結果、Ｍｏを適当な量のＮｉとともに添加す
ることにより、鋼材の耐候性を著しく向上しうること、
およびＭｏの量を限定し、かつＣｒを極力減ずることに
より、溶接割れ感受性を実用的な範囲に維持することが
できること、さらにはＭｎとＮｉおよびＭｏの量を限定
し、熱間圧延を適当な温度で終了することにより、鋼材
に良好な靭性を付与しうるとの知見を得た。これによ
り、高い耐候性と溶接性を両立し、靭性の良好な鋼材の
製造が可能であることを見いだしたものである。本発明
はこのような知見によりなされたもので、請求項１の発
明は、鉄系低合金鋼において、重量％で、Ｎｉ：０．４
〜４％、Ｍｏ：０．１％〜１．５％、Ｃｒ：０．１％以
下、Ｐ：０．０３〜０．１５％を含有する耐候性に優れ
た鋼である。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１記載の鋼にお
いて、重量％で、ＮｉとＭｏが Ｎｉ％＋３Ｍｏ％≧１．２％ なる関係を満たし、かつ下記に示す炭素当量（Ｃｅｑ）
と溶接割れ感受性指数（Ｐｃｍ）が、それぞれ Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｎｉ／
４０＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４≦０．４％ Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎ
ｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ≦
０．２％ である耐候性、溶接性に優れた鋼である。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１記載の鋼にお
いて、重量％で、さらにＭｎ：０．２〜１．５％を含
み、ＭｎとＭｏが Ｍｎ％×Ｍｏ％≦０．４％ なる関係を満たす耐候性、靭性に優れた鋼。

【００１１】請求項４の発明は、請求項１記載の鋼にお
いて、重量％で、ＮｉとＭｎおよびＭｏが Ｎｉ％＋３Ｍｏ％≧１．２％ Ｍｎ％×Ｍｏ％≦０．４％ なる関係を満たし、かつ下記に示す炭素当量（Ｃｅｑ）
と溶接割れ感受性指数（Ｐｃｍ）が、それぞれ Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｎｉ／
４０＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４≦０．４％ Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎ
ｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ≦
０．２％ である耐候性、溶接性及び靱性に優れた鋼である。

【００１２】請求項５の鋼の製造方法は、上記の鋼を、
連続鋳造又は分塊圧延後、９５０℃以下における累積圧
下率２０％以上の熱感圧延を行い、かつ熱間圧延を７５
０℃以上９００℃以下の温度範囲で終了することを特徴
とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明を詳細に説明する。
まず、鉄系低合金鋼において、重量％で、Ｎｉ：０．４
〜４％、Ｍｏ：０．１％〜１．５％、Ｃｒ：０．１％以
下、Ｐ：０．０３〜０．１５％を満足していれば、海岸
耐候性を確保できる。すなわち、Ｎｉはこの発明におい
て重要な元素であり、後述するように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。０．４％未満の添加では効果がないが、２．０％を
越える添加では、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
劣化するので、４％以下とする。

【００１４】Ｍｏはこの発明において重要な元素であ
り、後述するように、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、すなわち海岸耐候
性に優れている。０．１％未満の添加では効果がなく、
１．５％を越える添加では、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ので、０．１％〜１．５％とする。

【００１５】Ｃｒは、上述したように、塩分の多い環境
においては孔あき腐食を助長する。また、溶接性を著し
く劣化させる。そのため、実質的にＣｒを添加せず、若
しくは０．１％以下と極力少なくする。

【００１６】Ｐはこの発明において重要な元素であり、
鋼の強度を向上させる作用があるとともに、耐食性を向
上させる効果があるので、必要量添加する。０．０３％
未満の添加では耐食性の向上に効果がなく、０．１５％
を越える添加では溶接性が劣化するので、０．０３〜
０．１５％とする。

【００１７】さらに、重量％で、ＮｉとＭｏが、Ｎｉ％
＋３Ｍｏ％≧１．２％なる関係を満足すると、海岸耐候
性が一層良好になる。すなわち、Ｍｏを適当な量のＮｉ
とともに添加することにより、著しく耐食性を改善す
る。ＮｉおよびＭｏの耐食性に与える効果の詳細は、明
らかではないが、次のように考えられる。Ｍｏは錆の稠
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とともに添加することにより、耐
食性が著しく改善すると考えられる。耐食性の観点から
は、Ｍｏは０．１％以上のＮｉとともに添加する効果が
現れるが、Ｎｉ＋３Ｍｏ＜１．２％では効果が十分でな
いので、Ｎｉ＋３Ｍｏ≧１．２％に限定する。

【００１８】次に、溶接性を実用的水準とするため、炭
素当量（Ｃｅｑ）と溶接割れ感受性指数（Ｐｃｍ）の上
限を、それぞれ０．４％と０．２％とする。すなわち、 Ｃｅｑ（炭素当量）＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ
／５＋Ｎｉ／４０＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４≦０．４％ Ｐｃｍ（溶接割れ感受性指数）＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ
／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／
１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ≦０．２％とする。 Ｍｎ×Ｍｏ≦０．４％ ＮｉおよびＭｏを添加した本発明鋼は、鋼の焼入れ性を
著しく高めるため、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。この鋼
の有する欠点を克服するため、Ｍｎの添加量の上限を
１．５％とし、かつＭｏの添加量に応じて、Ｍｎ×Ｍｏ
≦０．４％なる関係式によりＭｎ添加量を制限する。こ
のようにＭｎの添加量を制限し、かつ後述する熱間圧延
条件を規定することにより、ベイナイト組織の析出を阻
止し、靭性を十分なものとする。

【００１９】そして、実製造によって好ましい他の成分
及びその添加範囲は次の通りである。 Ｃ：Ｃは所定の強度を確保するために添加するが、０．
１５％を越えると溶接性および靭性が劣化するので、上
限を０．１５％とするのが好ましい。 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、過剰に添加すると靭性が著しく低下するの
で、０．７％以下とするのが好ましい。 Ｍｎ：Ｍｎは所定の強度を確保するために０．２％以上
添加する。しかし、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の
で、１．５％以下とするのが好ましい。 Ｓ：Ｓは耐食性に有害な元素であるので、０．０１％以
下とするのが好ましい。 Ａｌ：Ａｌは製鋼時の脱酸剤として０．０１％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、０．１％以下とするのが好ましい。 Ｃｕ：Ｃｕは耐候性をさらに向上させるために必要量添
加するのが好ましい。ただし、０．４％を越える添加で
は効果が飽和し、かつ経済性の点で不利であるので、
０．４％以下とするのがよい。次に、上記特性を有する
鋼の製造方法を説明する。

【００２０】本発明鋼は、転炉または電気炉で溶製し、
ついで連続鋳造または造塊、分塊法によってスラブとし
たのち、熱間圧延により鋼板または形鋼とする方法によ
り製造することができる。

【００２１】熱間圧延は、９５０℃以下における累積圧
下率２０％以上の熱感圧延を行ない、熱間圧延の終了温
度を７５０〜９５０℃と比較的低温に抑制する。このこ
とにより、パーライト組織の析出を促進し、かつ組織を
微細化する。この結果、組織を好ましいフェライト−パ
ーライトの微細組織とし、良好な靭性を実現する。

【００２２】

【実施例】表１〜表４は、本発明鋼及び比較鋼に係る各
供試材の化学組成と斜めｙ型溶接割れ試験による割れ防
止予熱温度の値および複合サイクル腐食試験による最大
孔あき腐食深さを示す。

【００２３】この実施例では、表１〜表４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の鋼板とした。圧延終了
後は、室温まで空冷した。得られた鋼板は、ＪＩＳ斜め
ｙ型溶接割れ試験および図２に示す複合サイクル腐食試
験を実施した。図１は、複合サイクル腐食試験による供
試材の最大孔あき深さの値を、溶接割れ防止予熱温度と
ともに示したものである。比較鋼１０１〜〜１３２、１
３４〜１３６、１３９、１４０、１４３〜１６６、１６
８、１６９は、最大孔あき深さが０．４ｍｍを越え、耐
食性が劣る。比較鋼１３３、１３７、１３８、１４１、
１４２、１６９、１７０は、最大孔あき深さが比較的に
小さく、耐食性が優れるが、溶接割れ防止予熱温度がそ
れぞれ７０℃、１００℃、１５０℃、１００℃、１５０
℃、７０℃、１００℃であり、溶接性が良好でない。一
方、発明鋼１〜３、５〜７、９〜１１、１３、１４、１
７、１８、２１〜６４は、最大孔あき深さが０．４０ｍ
ｍ以下であり、溶接割れ防止予熱温度は室温と、耐食性
および溶接性がともに良好である。発明鋼４、８、１
２、１５、１６、１９、２０、５３、５４、５７、６２
〜６４は、溶接割れの防止のための予熱温度が５０℃ま
たは７０℃であるが、最大孔あき深さがそれぞれ０．３
０ｍｍ、０．３１ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．２０ｍｍ、
０．２１ｍｍ、０．１９ｍｍ、０．１８ｍｍ、０．２２
ｍｍ、０．２４ｍｍ、０．２３ｍｍ、０．２１ｍｍ、
０．１９ｍｍ、０．１７ｍｍである。これは、比較鋼で
同等の溶接性を有する１０５、１１４、１２２、１２
３、１３２〜１４２、１６９よりも、耐食性が著しく優
れている。

【００２４】表５は各供試材の化学組成およびその圧延
条件と靭性の関係を示す。２１-0-0から２１-5-3は、化
学成分を同一とし、圧延条件が靭性に与える影響を調査
したものである。２１-4-2およびＡからＩまでと、ａか
らｅまでは、圧延条件を一定とし、成分組成が靭性に与
える影響を調査したものである。靭性は、シャルピー遷
移温度で評価した。仕上げ圧延温度が９００℃を越える
２１-0-0から２１-2-2までは、ｖＴreが０℃を越え、靭
性が十分でない。また、仕上げ圧延温度が９００℃以下
であっても、９５０℃以下における累積圧下率が２０％
未満である２１-3-1と２１-4-1および２１-5-1は、ｖＴ
reが０℃を越え、靭性が十分でない。仕上げ圧延温度が
９００℃以下であり、９５０℃以下の累積圧下率が２０
％を越える２１-3-2、２１-4-2、２１-4-3、２１-5-2、
２１-5-3は、いずれもｖＴreが−３０℃以下であり、靭
性が優れている。比較鋼ａ〜ｅは、いずれもｖＴreが０
℃を越え、靭性が十分でない。発明鋼２１とＡ〜Ｉは、
いずれもｖＴreが０℃以下で、靭性が優れている。図３
は、ＭｎとＭｏの添加量が靭性に与える影響を表したも
のである。図中の数字は、シャルピー遷移温度ｖＴreで
ある。Ｍｎが０．２％〜１．５％かつＭｏが０．１％〜
１．５％の範囲において、ｖＴreが０℃以下であり、特
にＭｎ×Ｍｏ≦０．４％の範囲では、ｖＴreが−２０℃
以下で、特に優れた靭性を有することが明確である。

【００２５】図４は、複合サイクル腐食試験と暴露腐食
試験による最大孔あき深さである。暴露腐食試験地は銚
子で、試験期間は約１年間、飛来する塩分量は約０．２
５ｍｄｄである。ＪＩＳ規格に定める一般構造用鋼ＳＳ
４００や従来型鋼ＳＭＡ４００に比べ、本発明鋼２１は
銚子での暴露試験でも耐食性が優れているのが明らかで
ある。また、この３種の鋼において、複合サイクル腐食
試験と暴露腐食試験で孔あき深さの比はほとんど同じ値
であり、複合サイクル腐食試験は暴露腐食試験に変わる
腐食試験として妥当なものであることが明らかである。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】

【表３】

【００２９】

【表４】

【００３０】

【表５】

【００３１】

【発明の効果】この発明によれば、Ｃｒの添加量を極力
減じ、特にＮｉ、Ｍｏ、Ｍｎ量を制限し熱間圧延方法を
制限することにより、塩分、特に、０．０５ｍｄｄ以上
１０ｍｄｄ未満の塩分が飛来する環境において高い耐候
性を有し、かつ実用的な溶接性を有する溶接用構造用鋼
を経済的に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】各供試材の斜めｙ型溶接割れ試験による割れ防
止予熱温度と複合サイクル腐食試験により生じた孔あき
腐食の最大深さを示す図。

【図２】複合サイクル腐食試験の試験条件を示す図。

【図３】各供試材のＭｎ、Ｍｏ添加量とシャルピー遷移
温度を示す図。

【図４】複合サイクル腐食試験と暴露腐食試験による最
大孔あき深さを示す図。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄系低合金鋼において、重量％で、Ｎ
   ｉ：０．４〜４％、Ｍｏ：０．１％〜１．５％、Ｃｒ：
   ０．１％以下、Ｐ：０．０３〜０．１５％を含有する耐
   候性に優れた鋼。
2. 【請求項２】 請求項１記載の鋼において、重量％で、
   ＮｉとＭｏが Ｎｉ％＋３Ｍｏ％≧１．２％ なる関係を満たし、かつ下記に示す炭素当量（Ｃｅｑ）
   と溶接割れ感受性指数（Ｐｃｍ）が、それぞれ Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｎｉ／
   ４０＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４≦０．４％ Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎ
   ｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ≦
   ０．２％ である耐候性、溶接性に優れた鋼。
3. 【請求項３】 請求項１記載の鋼において、重量％で、
   さらにＭｎ：０．２〜１．５％を含み、ＭｎとＭｏが Ｍｎ％×Ｍｏ％≦０．４％ なる関係を満たす耐候性、靭性に優れた鋼。
4. 【請求項４】 請求項１記載の鋼において、重量％で、
   ＮｉとＭｎおよびＭｏが Ｎｉ％＋３Ｍｏ％≧１．２％ Ｍｎ％×Ｍｏ％≦０．４％ なる関係を満たし、かつ下記に示す炭素当量（Ｃｅｑ）
   と溶接割れ感受性指数（Ｐｃｍ）が、それぞれ Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｎｉ／
   ４０＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４≦０．４％ Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎ
   ｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ≦
   ０．２％ である耐候性、溶接性及び靱性に優れた鋼。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか１に記載の組
   成の鋼を、連続鋳造又は分塊圧延後、９５０℃以下にお
   ける累積圧下率２０％以上の熱感圧延を行い、かつ熱間
   圧延を７５０℃以上９００℃以下の温度範囲で終了する
   ことを特徴とする鋼の製造方法。