JP2010121177A - 耐食性に優れた表面処理鋼材 - Google Patents
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Abstract
【課 題】 鋼中に元素を添加して耐食性を向上させようとする従来方法では、添加元素全量のうち、鋼材内部に存在して鋼材表面の耐食性にはほとんど寄与しない元素量の割合が大きくなり、その分、添加元素のコストアップが大きくなる。
【解決手段】 鋼材表面1Sから外面側に、バナジウム、モリブデン、タングステンの内1種以上の元素を20at.%以上含む厚さ100nm〜100μmの酸化物層2を形成し、同表面から内面側に、厚さ100nm以上の前記元素の拡散層1Dを形成した表面処理鋼材である。
【選択図】 図1
Description
特許文献1には、Fe‐Ni拡散層、Ni層、Ni‐Sn合金層、Sn層からなる複層からなる缶用鋼板が示されている。また、特許文献2には、鋼材に窒化層を形成し、更に窒化層にCrの拡散層を形成することにより、塩浴内での耐食性を向上させる技術が開示されている。特許文献3には、鉄‐窒化物上に酸化物を形成する技術が開示され、特許文献4には、酸化物層、窒化物層とさらに窒素の拡散層を鋼材内部に作る耐摩耗性に優れた鋼材が開示されている。
モリブデン、バナジウム、タングステンは、鋼中に含有された場合、以下の機構で鋼の耐食性を向上できると推定された。腐食反応に伴う鋼の溶解により溶解する上記元素が酸化され、鋼材表面に沈殿することにより鋼表面に蓄積される。これが鋼材表面の腐食反応を抑制するインヒビターとして作用し、耐食性を向上させるのである。
また拡散層を腐食として消費したとしても、表面にこれらの酸化物層が存在することで耐食性の継続が期待できる。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は次の通りである。
(請求項1) 鋼材表面から外面側に、バナジウム、モリブデン、タングステンの内1種以上の元素を20at.%以上含む厚さ100nm〜100μmの酸化物層が形成され、同表面から内面側に、厚さ100nm以上の前記元素の拡散層が形成されてなる耐食性に優れた表面処理鋼材。
(請求項2) 請求項1に記載された表面処理鋼材で形成されてなる鋼構造物。
(請求項3) 請求項1に記載された表面処理鋼材を製造するにあたり、鋼材を、バナジウム、モリブデン、タングステンの内1種以上を含む溶液中に浸漬し、該溶液中にプラズマを発生させ、該プラズマを、前記鋼材の表面に所定の時間接触させ、次いで該表面から所定の時間離した後、前記鋼材を前記溶液中から取り出すことを特徴とする、耐食性に優れた表面処理鋼材の製造方法。
本発明の表面処理鋼材で形成された鋼構造物は、大気、水中、埋設土中環境において長期の耐久性を有する鋼構造物として使用することができる。
本発明の表面処理鋼材は、図1に示すように、鋼材表面1Sから外面側に酸化物層2、同表面1Sから内面側に拡散層1Dを有する。鋼材1から拡散層1Dを除いた残りを母材部1Bと称する。
拡散層1Dは酸素含有量が10at.%未満であり、効能元素を含有し、その含有量(at.%)は鋼材表面1S近傍では酸化物層2中のそれと同程度、母材部1Bとの境界近傍では母材部1B中のそれと同程度であり、鋼材表面1Sから母材部1Bとの境界に向かうにつれて概ね単調に減少する。拡散層1Dの厚さは100nm以上とされる。
モリブデン、タングステン、バナジウムは、モリブデン酸塩、タングステン酸塩、バナジウム酸塩として水溶液中に溶解するが、いずれも安定に存在できるpH領域が酸性側であり、中性領域では酸化物として沈殿する特性を有している。従ってこれらの酸化物層を形成するためには、これら塩類の水溶液に浸漬する方法が良い。鋼材表面では、その腐食反応のカソード領域では酸性溶液であっても、水素の発生反応が起きるので、局部的にはpHが低下しうる。この状態で各酸塩が沈殿し、皮膜を生成する。従って鋼材をカソード側に分極することにより、より多量で、かつ効能元素密度の高い沈殿層を形成することができる。浸漬処理を施した場合には、鋼材側もアノード反応で溶解するので、鉄酸化物と効能元素酸化物の混合体からなる酸化物層が形成される。この酸化物層を、鋼材の耐食性の確保に資するためには、該酸化物中の効能元素の合計の濃度を20at.%以上とする必要がある。
次に鋼材表面1Sから内面側の拡散層1Dであるが、この拡散層1Dは、鋼材表面1Sに、効能元素の純物質を塗布、あるいはめっきや溶射、コールドスプレーなどを行い、その後加熱することで形成することができる。
一方、発明者らの検討によれば、液中でプラズマを発生させる方法を応用することで、拡散層と酸化物層とを同一装置内で形成することができる。これを便宜上、方法Cという。
<表面処理鋼材の作製>
表面処理に供する素材には、mass%でC:0.09%,Si:0.25%,Mn:0.7%,P:0.015%,S:0.036%,Al:0.025%を含有し残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼材を使用した。この鋼材はサイズを100mm×50mm×6mm厚とし、表面の黒皮を酸洗処理で除去した。
<酸化物層の厚さおよび拡散層の厚さの同定>
オージェ電子分光装置を使用し、アルゴンスパッタにて対象材の表面から原子エッチングを行い、深さ方向の効能元素の割合(at.%)を求めた。酸化物層は、酸素が10at.%以上検出される領域として同定し、該領域における効能元素の平均割合を、酸化物層中の効能元素量とした。また、酸化物層の厚さは、鉄に対するエッチング時間とエッチング深さ(厚さ)の関係を表す検量線(これは予め求めてある)に基づいて同定した。
<耐食性の調査>
まず、前記対象材の初期重量を計測した。重量はmg単位で小数点以下1桁まで測定した。この対象材に対し、耐食性調査面分として面積が80mm×40mm(=3200mm2)の矩形部分を設定し、残りの面は、腐食しないよう、シールテープでマスキングを行い、これを試験材とした。
平均腐食厚さ[mm/180日]=(初期重量−腐食試験後重量)[mg/180日]/(3200mm2×7.8mg/mm3)
1B 母材部
1D 拡散層(バナジウム、モリブデン、タングステンの内1種または2種以上の元素を含む拡散層)
1S 鋼材表面
2 酸化物層(バナジウム、モリブデン、タングステンの内1種または2種以上の元素を含む酸化物層)
Claims (3)
- 鋼材表面から外面側に、バナジウム、モリブデン、タングステンの内1種以上の元素を20at.%以上含む厚さ100nm〜100μmの酸化物層が形成され、同表面から内面側に、厚さ100nm以上の前記元素の拡散層が形成されてなる耐食性に優れた表面処理鋼材。
- 請求項1に記載された表面処理鋼材で形成されてなる鋼構造物。
- 請求項1に記載された表面処理鋼材を製造するにあたり、鋼材を、バナジウム、モリブデン、タングステンの内1種以上を含む溶液中に浸漬し、該溶液中にプラズマを発生させ、該プラズマを、前記鋼材の表面に所定の時間接触させ、次いで該表面から所定の時間離した後、前記鋼材を前記溶液中から取り出すことを特徴とする、耐食性に優れた表面処理鋼材の製造方法。
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