JP2010248567A - 耐食性に優れた表面処理鋼材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.001〜0.15%、Si:2.5%以下、Mn:0.5%を超え2.5%以下、P:0.03%未満、S:0.005%以下、Cu:0.05%未満、Ni:0.05%未満、Cr:0.01〜3.0%、Al:0.003〜0.1%、N:0.001〜0.1%およびSn:0.03〜0.50%を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、Cu/Sn比が1以下である組成を有する鋼材であって、その表面あるいはその鋼材の表面錆層に、Al3+イオンをAl換算で0.1〜5質量%と、Fe3+イオンとの生成定数K1が下記(1)式を満たす1種または2種以上のアニオン化合物(但し、フッ素イオン、リン酸イオンおよび水酸イオンの化合物を除く)を1〜40質量%含有する有機樹脂組成物の被膜を乾燥膜厚として5〜50μmを有することを特徴とする表面処理鋼材。
2.5<logK1 ・・・ (1)式
さらに、Ti、Nb、Mo、W、V、Ca、Mg及びREMのうちの1種または2種以上を含んでもよい。
【選択図】なし
Description
Fe3++e−→Fe2+ (Fe3+の還元反応)
2H2O+O2+2e−→4OH−、
2H++2e−→H2
アノード反応:Fe→Fe2++2e− (Feの溶解反応)
2Fe3++Fe→3Fe2+ ・・・・・・(2)式
この生成定数が大きいほど、(3)式の平衡反応は右方向(錯体形成方向)に進行する。従って、生成定数は、形成された錯体の安定度を表すことから、安定度定数と呼ばれることもある。
ML+L=ML2 ・・・ (b)式
・・・・・・・・・
MLn−1+L=MLn ・・・ (n)式
これらの(a)式〜(n)式の各反応の平衡定数(即ち、生成定数)は、次の(a')式〜(n')式で示される。
K2=[ML2]/[ML][L] ・・・ (b')式
・・・・・・・・・
Kn=[MLn]/[MLn−1][L] ・・・ (n')式
ここで、[ ]内はそれぞれの成分のモル濃度(mol/dm3)である。
K1=[FeL]/[Fe][L] ・・・ (5)式
本発明では、上記(1)式に示したように、(5)式で求められるFe3+との生成定数K1の対数(logK1)が2.5より大きいアニオンLの化合物を使用する。
2.5<logK1 ・・・ (1)式
C:0.001〜0.15%
Cは、鋼の強度を確保するために必要な合金元素であるが、多量に含有させると鋼材の溶接性が劣化する。したがって、C含有量は0.15%を上限とする。また、0.001%未満になると所定の強度が確保できないので、下限は0.001%とする。望ましい範囲は、0.005%〜0.15%である。
Siは、製鋼時の脱酸に必要な合金元素である。同じく脱酸剤としての働きをするAlを含有する場合には、特に添加をしなくてもよいが、Al含有量が0.005%未満の場合には、0.4%以上含有させるのが望ましい。一方、Siを2.5%を超えて含有させると、鋼の靱性が損なわれる。したがって、Siの含有量は2.5%以下とする。また、Siには耐食性を向上させる効果もある。この効果を確実に得たい場合には、0.1%以上添加するのが好ましい。
Mnは、低コストで鋼の強度を高める作用効果を有する元素であり、鋼中のSの含有量が低い場合には、一般に塩分環境における耐食性を向上させる作用を有する。しかしながら、鋼中のSと結合してMnSを形成し、このMnSが腐食の起点となり、耐食性を劣化させる。また、機構は不明であるが、Niと共存する場合にはMnの含有量が2.5%を超えると耐食性が劣化する。したがって、Mnの含有量は2.5%以下とする。望ましくは1.5%以下とする。なお、構造用鋼としての強度を維持するためには、Mnを0.5%を超えて含有させる必要がある。
Pは、不純物として含有されるが、濃厚塩化物環境での過度のPの含有は耐食性を劣化させるため、できるだけ少なくする必要がある。したがって、その含有量は0.03%未満とする。
Sは、不純物として含有されるが、Mnと結合すると非金属介在物のMnSを形成して腐食の起点となり易く、耐食性を劣化させる。したがって、Sの含有はできるだけ少なくする必要があるので、その上限は0.005%とする。
Cuは、一般的に耐候性を向上させる基本元素とされ、全ての海浜耐候性鋼や耐食鋼に添加されているが、高飛来塩分下の比較的ドライな環境においては、むしろ耐食性を低下させる。またSnと共存すると鋼材製造時に割れが生じる原因にもなる。したがって、Cuの含有はできるだけ少なくする必要があり、不純物として含有されるとしても、Cu含有量は0.05%未満とする必要がある。
Niは、一般的に飛来塩分量の多い環境下での海浜耐候性を著しく向上させる元素として従来から鋼中に添加され、Ni系耐候性鋼として開発・実用化されてきている。しかし、理由は定かではないが、Snと複合添加した場合には、耐食性の改善効果がないばかりか、Snによる耐候性改善効果を低下させるという悪影響が現れる。したがって、Niの含有はできるだけ少なくする必要があり、不純物として含有されるとしても、Ni含有量は0.05%未満とする必要がある。
Crは、塩分量がそれほど多くない環境では耐食性の向上が期待できるが、塩分量が多い環境において鋼のアノード溶解反応を促進し耐候性を劣化させる。ところが、Snを含有する場合には、塩分量が多い環境においても、Cr含有による耐食性の向上効果が発揮される。この効果は含有量0.01%以上で発揮されるが、3.0%を超えると局部腐食感受性が高まるとともに、溶接性が劣化する。したがって、Cr含有量は0.01〜3.0%とする必要がある。なお、Crの含有量の望ましい範囲は0.05〜1.0%である。
Alは、0.003%以上含有させると耐食性が向上するが、含有量が0.1%を超えると鋼が脆化し易くなる。したがって、Alの含有量は0.003〜0.1%とする。
Nは、アンモニアとなって溶解し、塩分量の多い環境におけるFe3+の加水分解によるpH低下を抑制することで、塩分環境における耐食性を向上させる効果を有する。この効果はNを0.001%以上含有させることにより得られ、0.1%を超えると飽和する。したがって、Nの含有量は0.001〜0.1%とする。含有量の望ましい範囲は0.002〜0.08%である。
Snは、Sn2+となって溶解し、酸性塩化物溶液中でのインヒビター作用により腐食を抑制する作用を有する。また、Fe3+を速やかに還元させ、酸化剤としてのFe3+濃度を低減する作用を有することにより、Fe3+の腐食促進作用を抑制するので、高塩分環境における耐食性を向上させる。また、Snには鋼のアノード溶解反応を抑制し耐食性を向上させる作用がある。さらに、Snを含有することにより、塩分が多い環境においてもCrの耐候性を向上させる効果が発揮される。
本発明のようにSnを含有する鋼の場合には、Cuの含有による耐食性の低下が著しい。また、鋼材を製造する際、Cuの含有による圧延割れの原因ともなる。このため、Cu/Sn比、すなわち、Si含有量に対するCu含有量の比を1以下とする必要がある。
Tiは、TiCを形成してCを固定することによって、クロム炭化物の形成を抑制して耐食性を向上させる。また、TiSの形成によりSを固定することによって、腐食の起点となるMnSの形成を抑える。しかしながら、Tiの含有量が0.3%を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は0.3%とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Tiを0.01%以上含有させるのが好ましい。
Nbには、Tiと同様、NbCを形成することによって、クロム炭化物の形成を抑制して耐食性を向上させる効果がある。しかしながら、Nbの含有量が0.1%を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は0.1%とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Nbを0.01%以上含有させるのが好ましい。
Moは、溶解して酸素酸イオンMoO4 2−の形でさびに吸着し、さび層中の塩化物イオンの透過を抑制し、耐食性を向上させる効果がある。しかしながら、Moの含有量が1.0%を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は1.0%とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Moを0.01%以上含有させるのが好ましい。
Wは、Moと同様、溶解して酸素酸イオンMoO4 2−の形でさびに吸着し、さび層中の塩化物イオンの透過を抑制し、耐食性を向上させる効果がある。しかしながら、Wの含有量が1.0%を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は1.0%とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Wを0.01%以上含有させるのが好ましい。
Vは、MoやWと同様、溶解して酸素酸イオンMoO4 2−の形でさびに吸着し、さび層中の塩化物イオンの透過を抑制し、耐食性を向上させる効果がある。しかしながら、Vの含有量が1.0%を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は1.0%とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Vを0.01%以上含有させるのが好ましい。
Caは、鋼中に酸化物の形で存在し、腐食反応部における界面のpHの低下を抑制して、腐食の促進を抑える効果がある。しかしながら、Caの含有量が0.1%を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は0.1%とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Caを0.0001%以上含有させるのが好ましい。
Mgは、Caと同様、腐食反応部における界面のpHの低下を抑制し、耐食性を向上させる効果がある。しかしながら、Mgの含有量が0.1%を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は0.1%とする。なお、この効果を確実に発現させるために、Mgを0.0001%以上含有させるのが好ましい。
REMは、鋼の溶接性を向上させる目的で含有させることができる。しかしながら、REMの含有量が0.02%を超えると、この効果が飽和するだけでなく、鋼材のコストが上昇するので、その含有量の上限は0.02%とする。なお、この効果を確実に発現させるために、REMを0.0001%以上含有させるのが好ましい。なお、REMとは、ランタニドの15元素にYおよびScを合わせた17元素の総称であり、これらの元素のうちの1種又は2種以上を含有させることができる。なお、REMの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。
塩化物環境における鋼材の腐食では、鉄の溶出反応によってまずFe2+が生成し、これが大気中の酸素によりFe3+に酸化された後、主に、保護性に乏しいβ−FeOOHとして沈殿して、鋼材の腐食が促進されると考えられる。同時に、Fe3−δO4も多量に生成する。このFe3−δO4は電子伝導性が高く、腐食反応におけるカソード反応(酸素還元反応)のサイトとして働くため、腐食を加速する。また、前述した通り、β−FeOOHは、塩素イオン(Cl−)を取り込むことで結晶構造が安定化する。
こうして形成された上記のカチオンとアニオンとを含有する有機樹脂組成物の被膜の上に、さらに、通常の有機樹脂被膜を塗付することもできる。特に飛来塩分量が高い場合には好適である。塗膜厚としては乾燥膜厚で20〜1000μmが好ましい。
塩分付着:0.5質量%NaCl、0.1質量%CaCl2、0.075質量%NaHCO3水溶液浸漬、0.25時間、
乾燥:60℃、50%RH、
17.75時間を1サイクル(合計24時間)とした。
Claims (6)
- 質量%で、C:0.001〜0.15%、Si:2.5%以下、Mn:0.5%を超え2.5%以下、P:0.03%未満、S:0.005%以下、Cu:0.05%未満、Ni:0.05%未満、Cr:0.01〜3.0%、Al:0.003〜0.1%、N:0.001〜0.1%およびSn:0.03〜0.50%を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、Cu/Sn比が1以下である組成を有する鋼材であって、その表面あるいはその鋼材の表面錆層に、Al3+イオンをAl換算で0.1〜5質量%と、Fe3+イオンとの生成定数K1が下記(1)式を満たす1種または2種以上のアニオン化合物(但し、フッ素イオン、リン酸イオンおよび水酸イオンの化合物を除く)を1〜40質量%含有する有機樹脂組成物の被膜を乾燥膜厚として5〜50μmを有することを特徴とする表面処理鋼材。
2.5<logK1 ・・・ (1)式 - 鋼材の化学組成として、Feの一部に代えて、質量%で、Ti:0.3%以下、Nb:0.1%以下、Mo:1.0%以下、W:1.0%以下、V:1.0%以下、Ca:0.1%以下およびMg:0.1%以下よりなる群から選ばれた1種または2種以上を含有するものであることを特徴とする、請求項1に記載の表面処理鋼材。
- 鋼材の化学組成として、Feの一部に代えて、質量%で、REMを0.02%以下含有するものであることを特徴とする、請求項1または2に記載の表面処理鋼材。
- 有機樹脂組成物の被膜中のAl3+イオンの供給源がアルミニウム塩であることを特徴とする、請求項1から3までのいずれかに記載の表面処理鋼材。
- 有機樹脂組成物の被膜中のアニオン化合物が有機酸化合物であることを特徴とする、請求項1から4までのいずれかに記載の表面処理鋼材。
- 有機樹脂組成物の被膜の上に、さらに乾燥膜厚20〜1000μmの有機樹脂被膜を有することを特徴とする、請求項1から5までのいずれかに記載の表面処理鋼材。
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