JP3680796B2 - 建築・土木構造用のＣｒ含有耐腐食鋼 - Google Patents
建築・土木構造用のＣｒ含有耐腐食鋼 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接構造用部材としてのCr含有鋼、特に構造物の完成後に人目に触れず、しかも外壁材のような厳しい環境に曝されない用途での、建築・土木構造用部材として好適なCr含有耐腐食鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
建築・土木構造用鋼材としては、従来、主に SS400等の普通鋼、 SM490等の高張力鋼ならびにこれらの鋼材に塗装やめっきを施した材料が使用されてきた。
しかしながら、近年の建物の大型化や設計の多様化に伴い、各種の鋼材や材料の利用が検討され始めている。
特に環境問題への関心が高まる中、ライフサイクルコスト（ＬＣＣ）を重視した材料の選定が検討されるようになってきており、例えば住宅に関しては 100年以上の寿命を前提とした設計が求められつつある。
【０００３】
構造物の長寿命化を考えた場合、めっき鋼板のめっき厚を厚くする方法が考えられるが、溶接を必要とする建築構造物の場合には、溶接後の溶接部の処理に多大な負荷がかかるため、実用には適さないという問題がある。
このような中、耐食性に優れ、発銹に対する保守費用がほとんど必要なく、またリサイクルも容易であるFe−Cr系合金の、建築・土木構造用材料への適用が大いに期待されている。
【０００４】
Cr含有鋼の代表であるステンレス鋼は、金属組織の違いから、SUS430に代表されるフェライト系ステンレス鋼、SUS304に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼、SUS410に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼およびSUS329に代表される２相ステンレス鋼に大別される。
このような各種ステンレス鋼の中で、オーステナイト系ステンレス鋼は、材料強度、耐食性、溶接性、溶接部じん性および汎用性の点で優れるため、従来から建築・土木構造用材料としての適用が試みられてきた。
【０００５】
しかしながら、オーステナイト系ステンレス鋼には、
(1) Ni，Cr等の合金元素を多量に含有しているため、普通鋼に比べると格段に高価である、
(2) 応力腐食割れ感受性が高い、
(3) 普通鋼に比べると熱膨張率が大きく、また熱伝導度が小さいため、溶接時の熱影響に起因した歪みが蓄積し易いことから、精度を要求される部材等への適用が難しい、
といった問題があり、従来、普通鋼や普通鋼に塗装あるいはめっきを施した材料が使用されていた汎用構造材への適用は難しく、適用範囲が制限されるという問題があった。
【０００６】
このため、最近では、めっきや塗装を施した普通鋼の代替として、Cr含有量の少ない低Cr含有鋼の建築・土木用材料への適用が検討されており、特にマルテンサイト系ステンレス鋼の建築・土木用材料への適用が考えられている。
マルテンサイト系ステンレス鋼は、上述したような高価なNiを多量に含有するオーステナイト系ステンレス鋼に比べると格段に安価であり、また熱膨張率が小さくかつ熱伝導率が大きいことに加え、普通鋼に比べると著しく耐食性に優れ、しかも高い強度を有するという特徴がある。
また、マルテンサイト系ステンレス鋼では、高Cr含有鋼で問題となるσ脆化や475 ℃脆化等の心配がなく、さらにオーステナイト系ステンレス鋼で問題となる塩化物環境下での応力腐食割れのおそれもないという利点がある。
【０００７】
しかしながら、SUS410鋼に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼は、Ｃ含有量が 0.1mass％程度と高いために、溶接部じん性や溶接部の加工性に劣り、しかも溶接に際しては予熱を必要とし溶接作業性にも劣ることから、溶接が必要な部材に対する適用には問題を残していた。
【０００８】
上記の問題に対し、例えば特公昭51−13463 号公報では、Cr：10〜18mass％，Ni：0.1 〜3.4 mass％，Si：1.0 mass％以下およびMn：4.0 mass％以下を含み、さらにＣ：0.03mass％以下、Ｎ：0.02mass％以下に低減し、溶接熱影響部にマッシブマルテンサイト組織を生成させることによって、溶接部の性能を向上させた溶接構造用マルテンサイト系ステンレス鋼を提案している。
また、特公昭57−28738 号公報には、Cr：10〜13.5mass％，Si：0.5 mass％以下およびMn：1.0 〜3.5 mass％を含有すると共に、Ｃ：0.02mass％以下、Ｎ：0.02mass％以下に低減し、さらにNiを 0.1mass％未満に低減することによって、溶接前後における予熱、後熱を必要としない、溶接部じん性および加工性に優れた構造用マルテンサイト系ステンレス鋼が提案されている。
【０００９】
ところで、構造用鋼を耐食性の観点から考えた場合には、Cr含有量は高い方が望ましい。しかしながら、実際に使用される構造用鋼の多くは、全く発銹がないような高耐食性を必ずしも必要とはしていない場合が多く、特に構造物の完成後に人目に触れず、しかも外壁材のような厳しい環境に曝されない部材では、完成後の長期間の使用に際して錆汁が垂れ出してこない程度の耐食性があれば充分であり、既存のステンレス鋼ほどの高い耐食性を必要としない。
また、建築・土木用構造材料として用いる場合、表面性状に対する要求が低いので、熱間圧延まま、あるいは熱間圧延後脱スケール処理を施したままでの使用が可能であることが経済的観点から望ましい。
このような要望に対し、Cr含有量を10mass％未満に低減し、しかも熱間圧延ままあるいは熱間圧延後脱スケールを施したままの状態での使用を前提として、コストを抑えた安価なCr含有鋼の開発が進められている。
【００１０】
例えば特許第 3039630号公報には、Cr：６〜18mass％，Si：0.05〜1.5 mass％，Mn：0.05〜1.5 mass％を含有し、またＣ：0.005 〜0.1 mass％とし、さらに熱間圧延での仕上温度を 780℃以下とすることにより、酸化スケール直下に５μm以上のCr欠乏層を生成させることで局部腐食の発生を抑えた、建造構造部材用低腐食速度鋼が提案されている。
【００１１】
また、特開平11−323505号公報には、Cr：５〜10mass％，Si：0.05〜1.0mass％，Mn：0.05〜2.0 mass％を含有し、かつＣ：0.005 〜0.03mass％、Ｎ：0.005〜0.03mass％に低減した鋼において、金属部最表層から 0.5〜10μm の深さのCr量を５mass％未満にすることにより、均一型の全面腐食を生じさせることで、強度低下や破壊を引き起こすような局部的かつ急激な肉厚の減少を抑え、腐食に伴う強度低下を抑制した鋼が提案されている。
【００１２】
しかしながら、上記した特許第 3039630号公報および特開平11−323505号公報に開示の技術によっても、Cr含有量が10mass％未満の低Cr含有鋼の耐食性は十分とはいい難く、耐長期間腐食性の一層の改善が望まれていた。
しかも、特開平11−323505号公報に開示の技術は、クラッド法や溶射、めっきといった工程を前提としており、実用化に向けてコスト面で大きな問題が残されていた。
【００１３】
また、発明者らは、先に、Ni, Cu, Cr, Moなどの元素を極端に増量することなく、またNb, Tiの添加、さらにはＣ, Ｎの過度の低減を必要とすることなしに、溶接性や耐初期発錆性に優れたFe−Cr合金を開発し、特願2001−148701号明細書において開示した。
具体的には、Crを８mass％超，15mass％未満の範囲で含有するFe−Cr合金について、特にCo，ＶおよびＷを、それぞれCo：0.01mass％以上、0.5 mass％未満、Ｖ：0.01mass％以上、0.5 mass％未満およびＷ：0.001 mass％以上、0.05mass％未満の範囲で含有させると共に、次式(2) で示されるＸ値および好ましくは次式(3) で示されるＺ値がそれぞれ、Ｘ値≦11.0、0.03≦Ｚ値≦1.5 の範囲を満足するように成分調整するものである。
Ｘ値＝Cr＋Mo＋1.5 Si＋0.5 Nb＋0.2 Ｖ＋0.3 Ｗ＋８Al
−Ni−0.6 Co−0.5 Mn−30Ｃ−30Ｎ−0.5 Cu --- (2)
Ｚ値＝（Co＋1.5 Ｖ＋4.8 Ｗ） --- (3)
また、さらに好ましくは、ＣとＮの比（Ｃ／Ｎ）が0.60以下となるよう成分調整するものである。
【００１４】
しかしながら、上記の技術は、Cr含有量が多く経済的に不利なだけでなく、特にCrを11mass％以上含むような場合には、軟質化を目的とした焼鈍が必要となるため、さらにコスト面で不利となる問題を残していた。
さらに、Crの含有量が多いと、長時間の使用に伴う腐食減量は少なくなるものの、局部腐食が起こり易くなり、強度低下の面ではむしろ全面腐食を起こす場合よりも不利となるところに問題を残していた。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、外観上の美麗さが問題とならないような溶接構造用材料に関し、100 年以上の寿命を満足するのに十分な耐食性を有し、熱間圧延ままあるいは熱間圧延後脱スケール処理を施したままでの使用を前提とし、特に構造物の完成後に人目に触れず、しかも外壁材のような厳しい環境にさらされない用途において、建築・土木構造用部材として好適な鋼材を、10mass％未満の低Cr含有量により実現し、同鋼材を安価に提供することを目的とする。
【００１６】
本発明鋼は、熱間圧延ままで実質的にフェライト単相からなる組織を有し、引張強さ（TS）が 400〜550 MPa 級の強度を有し、特に建築・土木構造用部材としての使用に当たり、100 年以上の使用においても、腐食に伴う強度低下が使用前の10％以下、特に好適には５％以下という性能を有している。
また、本発明鋼では、溶接に際し、溶接部のじん性劣化の原因となる熱影響部における粗大粒の生成を、該熱影響部での組織を実質的にマルテンサイト組織とすることによって抑制し、良好な溶接部じん性を確保している。
さらに、本発明鋼は、溶接・加工によって鋼管あるいは形鋼に成形したのち、構造用部材として用いることもできる。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、上記の目的を達成するために、各種元素の影響について綿密な検討を行った。特に、Co，Ｖ，Ｗに注目して、Cr含有量が10mass％未満の低Cr含有鋼において、耐発銹性に及ぼすこれらの元素の影響について調査した。
その結果、適量のCoを添加することによって溶接部じん性が格段に改善されること、またこれらの３元素を複合して適量添加することによって、Ni，Cu，Cr，Moなどの元素を極端に増量することや、Nb，Tiの添加あるいはＣ，Ｎの低減といったコストアップの要因を増やすことなしに、耐長期間耐食性を効果的に改善できるとの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚して完成されたものである。
【００１８】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．Ｃ：0.0015〜0.02mass％、 Ｎ：0.0015〜0.02mass％、
Si：0.1 〜1.0 mass％、 Mn：0.1 〜3.0 mass％、
Cr：５mass％超，10mass％未満、 Ni：0.01〜3.0 mass％、
Al：0.1 mass％以下、 Ｐ：0.05mass％以下および
Ｓ：0.03mass％以下
を含み、さらに
Co：0.010 〜1.0 mass％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。
【００１９】
２．上記１において、Cr含有量が５mass％超，８mass％未満で、さらにＶおよびＷを、それぞれＶ：0.01〜0.5 mass％、Ｗ：0.001 〜0.05mass％の範囲で、かつ下記 (1)式で表されるＺ値が0.03≦Ｚ≦1.5 を満足する範囲において含有する組成になり、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。
記
Ｚ値＝（〔％Co〕＋ 1.5〔％Ｖ〕＋ 4.8〔％Ｗ〕） ----(1)
ここで、〔％Co〕，〔％Ｖ〕，〔％Ｗ〕は各元素の含有量（mass％）
【００２０】
３．上記２において、CrおよびＷ含有量がそれぞれ、Cr：５mass％超，7.5 mass％未満、Ｗ：0.005 〜0.03mass％である、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。
【００２１】
４．上記１〜３のいずれかにおいて、鋼が、さらに
Cu：3.0 mass％以下およびMo：3.0 mass％以下
のうちから選んだ１種または２種を含有する組成になり、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。
【００２２】
５．上記１〜４のいずれかにおいて、鋼が、さらに
Ｂ：0.0002〜0.0030mass％
を含有する組成になり、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を由来するに至った実験結果について説明する。
まず、低Cr含有鋼へのCo添加効果について述べる。
図１に、７mass％Cr鋼に対して、Coを添加した場合の溶接部（熱影響部）じん性の変化について調べた結果を示す。
ここで、溶接部じん性は、板厚：5.5 mmの熱延板に溶接方向が鋼板の圧延方向に垂直な方向となるようにＩ開先を作製し、1.2 mmφの Y309Lタイプの溶接ワイヤを用い、半自動ＭＡＧ溶接機により溶接継手を作製し、この溶接継手から、図２に示すように、Ｖノッチ先端位置が止端部から１mm溶接金属側の位置となるように、２mmＶノッチサブサイズシャルピー試験片（JIS Z 2202）を採取し、−50℃における吸収エネルギー(vＥ-50)を測定することにより評価した。なお、Ｖノッチ先端位置における溶接金属部と母材部との比率ａ：ｂはおよそ１：４であった。
同図から明らかなように、Coを0.01mass％以上添加することによって、溶接部じん性が 150 J/cm2以上改善される。特にその効果は、0.03mass％以上の添加で200 J/cm2 以上と著しい。
【００２４】
次に、Co，Ｖ，Ｗの複合添加の効果について説明する。
図３に、同じく７mass％Cr鋼板に対し、これら３元素を複合添加した場合における耐長期間腐食試験による熱延板の強度低下状況について調べた結果を、Ｚ値（３元素の影響を示すパラメータ）との関係で示す。
ここで、Ｚ値とは、次式(1)
Ｚ値＝（〔％Co〕＋ 1.5〔％Ｖ〕＋ 4.8〔％Ｗ〕） ----(1)
ここで、〔％Co〕，〔％Ｖ〕，〔％Ｗ〕は各元素の含有量（mass％）
で示される耐長期間腐食性の指標となる値である。
また、強度低下状況は、板厚：４mmの熱延板に対し、塩水噴霧(0.1mass％NaCl，35℃，３ｈ）→乾燥（60℃，３h ）→湿潤（50℃，２ｈ）を１サイクルとする腐食試験を 300サイクル行った後に、腐食試験前後での強度（最大引張荷重）低下によって評価した。
なお、図３には、比較のため、Co，Ｖ，Ｗの単独添加または２種添加を行った場合の調査結果についても併せて示す。
同図に示したとおり、Ｚ値が0.03以上になると長期間腐食に伴う強度低下が５％以下に激減し、耐長期間腐食性が著しく改善されることが分かる。しかも、３元素を複合添加していない場合に比べて強度低下が小さい。
【００２５】
次に、本発明において、鋼材の成分組成を上記範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：0.0015〜0.02mass％，Ｎ：0.0015〜0.02mass％
ＣおよびＮは、溶接熱影響部の加工性の改善ならびに溶接割れ防止の観点からは、可能な限り低減するのが好ましい。また、過度に添加すると熱間圧延ままでの強度が高くなりすぎ、目標とする強度が得られない。さらに、Ｃ，Ｎは、溶接熱影響部のマルテンサイト相の硬さに大きな影響を及ぼすばかりでなく、炭窒化物の析出に伴うCr欠乏層の形成を助長し、耐食性を劣化させる原因となる。このためＣ，Ｎの上限はそれぞれ0.02mass％とする必要がある。一方、Ｃ，Ｎ量の過度の低減は、精錬コストの増大を招くばかりでなく、熱間圧延ままでの強度が低下し、目標とする強度が得られなくなる。さらに、溶接熱影響部でのマルテンサイト生成能を低下させ、粗大フェライト粒の生成を助長し、溶接熱影響部のじん性を劣化させる。このためＣ，Ｎの下限はそれぞれ0.0015mass％とした。より好ましい組成範囲は、Ｃ，Ｎとも0.0020〜0.010 mass％である。
【００２６】
Si：0.1 〜1.0 mass％
Siは、脱酸剤として有用な元素であるが、含有量が 0.1mass％未満では十分な脱酸効果が得られず、一方 1.0mass％を超える添加はじん性や加工性の低下を招くだけでなく、溶接熱影響部でのマルテンサイト生成能を低下させるので、Si量は 0.1〜1.0 mass％の範囲に限定した。より好ましい組成範囲は 0.1〜0.5 mass％である。
【００２７】
Mn：0.1 〜3.0 mass％
Mnは、オーステナイト安定化元素であり、溶接熱影響部のマルテンサイト生成能を増加させ、じん性を改善する効果を有するだけでなく、Siと同様、脱酸剤としての働きをもつ。しかしながら、含有量が 0.1mass％未満ではその添加効果に乏しく、一方 3.0mass％を超えて添加すると加工性の低下やMnＳの形成に伴う耐食性の低下を招くため、Mn量は 0.1〜3.0 mass％の範囲に限定した。より好ましい組成範囲は 0.1〜1.5 mass％である。
【００２８】
Cr：５mass％超, 10mass％未満
Crは、耐食性を向上させる有用元素である。本発明では、外壁材のような厳しい環境下での使用は想定していないが、構造物の完成後に人目に触れず、よりマイルドな環境下での使用においても、長期間の使用に際して錆汁が垂れてこないようにする必要がある。
このための耐食性を確保するには、５mass％超の添加が必要である。一方、本発明に関わる安価なCr含有鋼においては、10mass％以上のCr添加はコスト増加を招く不利がある。従ってCr量は５mass％超, 10mass％未満の範囲に限定した。
なお、Co，Ｖ，Ｗを複合して添加した場合は、複合添加による局部腐食の発生抑制効果が十分に発揮されるように、Cr量を５mass％超, ８mass％未満とするのが好適である。より好適な成分範囲は、Cr量が５mass％超，7.5 mass％未満で、Ｗ量が 0.005〜0.03mass％である。このような成分範囲に調整することにより、局部腐食の発生が効果的に抑制され、長期間の使用に伴う強度低下をより低く抑えることが可能となる。
【００２９】
Ni：0.01〜3.0 mass％
Niは、延性、じん性を向上させる元素であり、本発明では特に溶接部のじん性を向上させるために添加する。しかしながら、含有量が0.01mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 3.0mass％を超えて添加しても効果は飽和に達し、むしろ素材が硬質化して加工性が劣化するため、Ni量は0.01〜3.0 mass％の範囲に限定した。
【００３０】
Al：0.1 mass％以下
Alは、脱酸剤として作用する元素であるが、多量に含有すると酸化物系介在物が増加し、製鋼段階でのノズル詰まり等の原因となったり、へげ等の表面欠陥の原因となり耐食性の低下を招く。このためAl量は 0.1mass％以下に限定した。
【００３１】
Ｐ：0.05mass％以下
Ｐは、熱間加工の際に割れを誘発し、また耐食性に対しても有害な元素であるが、含有量が0.05mass％までならその悪影響が顕著とならず許容できるので、Ｐ量は0.05mass％に制限した。より好ましくは0.03mass％以下である。
【００３２】
Ｓ：0.03mass％以下
Ｓは、硫化物を形成し、鋼の清浄度を低下させるだけでなく、MnＳを形成して発銹の起点となる。また、Ｓは、結晶粒界に偏析し粒界脆化を惹起する有害な元素でもあるので、できるだけ低減するのが好ましい。しかしながら、0.03mass％以下であれば、その悪影響が顕著とならず許容できる。
【００３３】
Co：0.010 〜1.0 mass％
Coは、本発明の骨子となる元素であり、10mass％未満の低Cr含有鋼に対し、微量添加することで、溶接部じん性が著しく改善される。また、Coを添加しない場合に比べ、耐長期間腐食性も改善される。しかしながら、含有量が 0.010mass％未満ではその効果が得られず、一方 1.0mass％を超えて添加すると素材が硬質化し加工性が劣化するので、Co量は 0.010〜1.0 mass％の範囲に限定した。より好ましい添加範囲は 0.030〜1.0 mass％である。
【００３４】
Co添加による溶接部じん性の改善効果は、Co添加に伴うオーステナイト生成能の増加によって溶接熱影響部にマルテンサイト相が形成し易くなり、しかもその硬化能がＣ，Ｎ等を添加した場合に比べて小さいことによるものと考えられる。また、Co添加によって耐長期間腐食性が改善される機構は明らかではないが、長期間腐食において、最も強度低下の原因となる局部的かつ急激な腐食に対し、鋼板表面あるいはスケール中に濃化したCoが有効に働き、被腐食面全体が均一に腐食されるようになるためと考えられる。
【００３５】
以上、必須成分および抑制成分について説明したが、本発明では、その他にも以下の元素を適宜含有させることができる。
Ｖ：0.01〜0.5 mass％、Ｗ：0.001 〜0.05mass％で、かつ
Ｚ値（〔％Co〕＋ 1.5〔％Ｖ〕＋ 4.8〔％Ｗ〕）＝0.03〜1.5
Co，ＶおよびＷは、本発明において特に重要な元素である。これまで、溶接熱影響部の溶接割れ感受性を改善するためには、ＰCM｛＝Ｃ＋Si／30＋（Mn＋Cu＋Cr）／20＋Ni／60＋Mo／15＋Ｖ／10＋５Ｂ｝あるいはNi当量、Cr当量といった値の適正化が検討されてきた。このため、溶接熱影響部の特性改善に加え、耐腐食性および延性・加工性の改善を図るために、これらのパラメータに大きく影響するCr，Mo，Niや、Ｃ，Ｎ，Nb，Tiといった元素に注目した検討が行われてきた。しかしながら、CoおよびＷについては、耐食性やフェライト相、オーステナイト相の安定性に影響を与えるにもかかわらず、ＰCMあるいはNi当量、Cr当量といったパラメータに及ぼす影響や、熱延ままあるいは熱延後脱スケールままの鋼板の耐長期間腐食性に及ぼす影響について、詳細な検討が行われていなかった。
本発明では、熱延ままあるいは熱延後脱スケールままの鋼板の耐長期間腐食性に及ぼすCo，Ｖ，Ｗの影響、特にこれらを複合して添加した場合の効果を定量的に評価し、これら元素の適正な添加範囲および適正比率を明らかにした。
【００３６】
これら３元素の効果の指標となるＺ値は、耐長期間腐食性の指標となる値で、先に述べたように、このＺ値が0.03以上となるようにCo，Ｖ，Ｗを複合添加することによって所望の効果が得られる。
ここに、これら３元素の複合添加によって耐長期間腐食性が改善される機構は明らかではないが、長期間腐食において、最も強度低下の原因となる局部的かつ急激な腐食に対して、鋼板表面あるいはスケール中に濃化したCo，Ｖ，Ｗが有効に働き、被腐食面全体が均一に腐食されるようになったためと考えられる。
一方、Ｚ値が 1.5を超えるような添加を行った場合、耐長期間腐食性の効果は飽和する上、硬質化により加工性がかえって低下する。
このため、Ｚ値は0.03〜1.5 の範囲に限定した。より好ましくは0.05〜1.0 の範囲である。
【００３７】
また、Ｖ，Ｗの含有量はそれぞれ、Ｖ：0.01〜0.5 mass％，Ｗ：0.001 〜0.05mass％に限定する必要がある。というのは、上記したＺ値が適正範囲 (0.03≦Ｚ≦1.5)を満足していても、各々の含有量が下限値を下回ると複合添加による効果が得られず、一方Ｖの添加量が 0.5mass％、またＷの添加量が0.05mass％を超えると、炭化物の析出が著しくなり、母材および溶接熱影響部のじん性が著しく低下するからである。より好ましい添加量は、Ｖ：0.05〜0.3 mass％、Ｗ：0.005〜0.03mass％である。
【００３８】
このように、本発明による低Cr含有鋼へのCo添加による溶接熱影響部のじん性改善効果、およびCo，Ｖ，Ｗの複合添加による耐長期間腐食性向上効果を利用することにより、高価なNi，Cu，Cr，Moなどの元素を極端に増量することや、Nb，Tiの添加あるいはＣ，Ｎの低減といったコストアップの要因を増やすことなしに、溶接部じん性と、熱延ままあるいは熱延後脱スケールままの状態での耐長期間腐食性との両立が可能となったのである。
【００３９】
Cu：3.0 mass％以下
Cuは、耐食性を向上させる元素であり、高い耐食性を必要とする場合に添加することが有効である。しかしながら、3.0 mass％を超えて添加すると、熱間圧延等における熱間割れのおそれが生じるため、Cuは 3.0mass％以下で含有させるものとした。なお、より好ましくは効果が顕著となる 0.1mass％を下限とし、1.0mass％以下で含有させることが望ましい。
【００４０】
Mo：3.0 mass％以下
Moは、Cu同様、耐食性の改善に有効な元素である。しかしながら、3.0 mass％を超えて添加すると、加工性が低下するだけでなく、オーステナイト相の安定性が低下し、特に溶接熱影響部のじん性が低下する。このため、Moは 3.0mass％以下で含有させるものとした。なお、加工性と耐食性の両立という観点からは 0.1〜1.0 mass％の範囲が好適である。
【００４１】
Ｂ：0.0002〜0.0030mass％
Ｂは、焼入れ性の向上を通じて特に溶接熱影響部のじん性改善に効果がある。しかしながら、含有量が0.0002mass％未満ではその効果に乏しく、一方0.0030mass％を超える添加では、硬化が大きくなり、母材、溶接熱影響部とも、じん性および加工性が損なわれる。
このため、Ｂは0.0002〜0.0030mass％の範囲で含有させるものとした。なお、より好ましい添加範囲は0.0005〜0.0010mass％である。
【００４２】
次に、本発明鋼の好適製造方法について説明する。
まず、上記の好適成分組成に調整した溶鋼を、転炉または電気炉等の通常の溶製法にて溶製したのち、真空脱ガス（ＲＨ法）、ＶＯＤ法、ＡＯＤ法等の公知の精練方法で精錬し、ついで連続鋳造あるいは造塊−分塊法でスラブ等に鋳造して鋼素材とする。
ついで、鋼素材は、加熱され、熱間圧延工程により鋼板、形鋼、棒鋼等の所定の形状の鋼材とされる。熱間圧延工程における加熱温度は特に限定しないが、加熱温度が高すぎると結晶粒の粗大化を招き、じん性・加工性が劣化するばかりでなく、δフェライトが生成し熱間圧延時に割れが生じ易くなる場合がある。一方、加熱温度が低すぎると圧延が困難となる。このため加熱温度は1000〜1300℃程度とするのが好ましい。また、熱間圧延工程では所定の板厚・寸法の鋼材とすることができればよく、熱間圧延条件は特に限定されないが、熱間圧延の仕上温度は 800〜1100℃とするのが生産性の面から好ましい。
【００４３】
熱間圧延後の鋼材は、そのまま、あるいはその後ショットブラスト、酸洗等による脱スケール処理を行ったのち、製品となる。必要に応じ、防錆剤等を熱延まま、あるいは脱スケール処理後の鋼材表面に塗布してもよい。また、より軟質な材料とする場合には、熱間圧延後に 600〜900 ℃に加熱・保持するバッチ式あるいは連続式の熱延板焼鈍を施してもよい。さらに、表面の硬質化あるいは表面粗さの低減や表面光沢を必要とする場合などは、脱スケール処理後に調質圧延により冷間での軽圧下を施すことは有利である。
製品となる鋼材は、そのまま構造用鋼材として用いることができ、また熱間圧延により得られる鋼板を必要に応じて角状あるいは円筒状のパイプ、各種形鋼等の素材として用いることもできる。
【００４４】
【実施例】
実施例１
表１に示す成分組成の溶鋼を、転炉−２次精錬工程で溶製し、連続鋳造法でスラブとした。これらのスラブを、加熱後、熱間圧延により板厚：４mmおよび板厚：5.5 mmの熱延板とした。スラブ加熱温度は1100〜1200℃、熱間圧延の仕上温度は 800〜1050℃、巻き取り温度は 600〜900 ℃であった。また、得られた熱延板の一部は脱スケール処理を行った。
これらの鋼板から試験片を採取し、引張試験、腐食試験および溶接試験を行い、強度、伸び、耐長期間腐食性および溶接部じん性について評価した。
【００４５】
測定方法は次のとおりである。
(1) 強度、伸び
板厚：４mmの熱延板（脱スケール材を含む）から、引張方向が圧延方向に平行になるようJIS 13号Ｂ試験片 (JIS Z 2201）を採取し、引張試験を実施して、伸び（El）および引張強さ（TS）を測定した。
【００４６】
(2) 耐長期間腐食性
板厚：４mmの熱延板（脱スケール材を含む）に対し、塩水噴霧(0.1mass％NaCl，35℃，３ｈ）→乾燥（60℃，３h ）→湿潤（50℃，２ｈ）を１サイクルとする腐食試験を 300サイクル行った。この試験方法により、100 年使用後相当における耐腐食性を評価することができる。腐食試験後の鋼板から引張方向が圧延方向に平行になるようJIS 13号Ｂ試験片を採取して引張試験を実施し、次式により腐食に伴う強度低下を求めた。
△TS＝〔（Ｐmax0−Ｐmax)／Ｐmax0〕×100 (％)
ここで、Ｐmax0：腐食試験前の鋼板を用いた引張試験における最高荷重点での荷重
Ｐmax ：腐食試験後の鋼板を用いた引張試験における最高荷重点での荷重
【００４７】
(3) 溶接部じん性
板厚：5.5 mmの熱延板（脱スケール材を含む）より、溶接方向が鋼板の圧延方向に垂直な方向になるようにＩ開先を作製し、1.2 mmφの Y309Lタイプ溶接ワイヤを用い、半自動ＭＡＧ溶接機により溶接継手を作製し、溶接熱影響部のじん性を評価した。溶接条件は、雰囲気ガス：Ar (流量：15リットル/min) ＋CO2(流量：４リットル/min）、電圧：20〜30Ｖ、電流：200 〜250 Ａ、ギャップ：２〜３mm、溶接速度：30〜60 cm/min の１パス溶接とした。
得られた溶接継手から、図２に示したように、Ｖノッチ先端位置が止端部から１mm溶接金属側の位置となるように、かつ衝撃方向が溶接方向に一致するように、２mmＶノッチ−サブサイズシャルピー試験片（JIS Z 2202) を採取し、−50℃における吸収エネルギーを測定した。なお、Ｖノッチ先端位置における溶接金属部と母材部との比率ａ：ｂはおよそ１：４であった。また、溶接金属が母材から盛り上がる部分は研削除去して試験片を作製した。
得られた結果を表２に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】
【表２】
【００５０】
表２に示したとおり、本発明の成分組成範囲を満足する発明例は、 vＥ-50 が174 J/cm2 以上と良好な溶接部じん性を有し、同時に 100年使用後相当での強度低下が10％以内であり、良好な耐長期間腐食性を有することがわかる。
これに対し、比較例は、発明例に比べると溶接部じん性や耐長期間腐食性に劣っている。
【００５１】
実施例２
表３に示す成分組成の溶鋼を、実施例１と同様に処理して得られた熱延鋼板から試験片を採取し、実施例１と同様の方法で引張試験、腐食試験および溶接試験を行い、強度、伸び、耐長期間腐食性および溶接部じん性について評価した。
得られた結果を表４に示す。
【００５２】
【表３】
【００５３】
【表４】
【００５４】
表４に示したとおり、本発明の成分組成範囲を満足する発明例は、良好な溶接部じん性を有し、同時に 100年使用後相当での強度低下が５％以内であり、極めて良好な耐長期間腐食性を有することが分かる。
これに対し、比較例は、発明例に比べると溶接部じん性および耐長期間腐食性とも劣っていた。
【００５５】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、溶接部じん性に優れるだけでなく、熱延ままあるいは熱延後脱スケールままの使用において耐長期間腐食性に優れたCr含有鋼を安定して得ることができる。
また、本発明のCr含有鋼は、建築・土木構造用材料としての用途をはじめとする、安価な材料の提供に対する要求に応えるものであり、またライフサイクルコストを大幅に低減することもでき、その工業的利用価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 溶接部じん性に及ぼすCo添加量の影響を示したグラフである。
【図２】 シャルピー試験片のＶノッチ先端位置と溶接部との位置関係を示した図である。
【図３】 長期間腐食に伴う強度低下とＺ値との関係を示したグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接構造用部材としてのCr含有鋼、特に構造物の完成後に人目に触れず、しかも外壁材のような厳しい環境に曝されない用途での、建築・土木構造用部材として好適なCr含有耐腐食鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
建築・土木構造用鋼材としては、従来、主に SS400等の普通鋼、 SM490等の高張力鋼ならびにこれらの鋼材に塗装やめっきを施した材料が使用されてきた。
しかしながら、近年の建物の大型化や設計の多様化に伴い、各種の鋼材や材料の利用が検討され始めている。
特に環境問題への関心が高まる中、ライフサイクルコスト（ＬＣＣ）を重視した材料の選定が検討されるようになってきており、例えば住宅に関しては 100年以上の寿命を前提とした設計が求められつつある。
【０００３】
構造物の長寿命化を考えた場合、めっき鋼板のめっき厚を厚くする方法が考えられるが、溶接を必要とする建築構造物の場合には、溶接後の溶接部の処理に多大な負荷がかかるため、実用には適さないという問題がある。
このような中、耐食性に優れ、発銹に対する保守費用がほとんど必要なく、またリサイクルも容易であるFe−Cr系合金の、建築・土木構造用材料への適用が大いに期待されている。
【０００４】
Cr含有鋼の代表であるステンレス鋼は、金属組織の違いから、SUS430に代表されるフェライト系ステンレス鋼、SUS304に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼、SUS410に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼およびSUS329に代表される２相ステンレス鋼に大別される。
このような各種ステンレス鋼の中で、オーステナイト系ステンレス鋼は、材料強度、耐食性、溶接性、溶接部じん性および汎用性の点で優れるため、従来から建築・土木構造用材料としての適用が試みられてきた。
【０００５】
しかしながら、オーステナイト系ステンレス鋼には、
(1) Ni，Cr等の合金元素を多量に含有しているため、普通鋼に比べると格段に高価である、
(2) 応力腐食割れ感受性が高い、
(3) 普通鋼に比べると熱膨張率が大きく、また熱伝導度が小さいため、溶接時の熱影響に起因した歪みが蓄積し易いことから、精度を要求される部材等への適用が難しい、
といった問題があり、従来、普通鋼や普通鋼に塗装あるいはめっきを施した材料が使用されていた汎用構造材への適用は難しく、適用範囲が制限されるという問題があった。
【０００６】
このため、最近では、めっきや塗装を施した普通鋼の代替として、Cr含有量の少ない低Cr含有鋼の建築・土木用材料への適用が検討されており、特にマルテンサイト系ステンレス鋼の建築・土木用材料への適用が考えられている。
マルテンサイト系ステンレス鋼は、上述したような高価なNiを多量に含有するオーステナイト系ステンレス鋼に比べると格段に安価であり、また熱膨張率が小さくかつ熱伝導率が大きいことに加え、普通鋼に比べると著しく耐食性に優れ、しかも高い強度を有するという特徴がある。
また、マルテンサイト系ステンレス鋼では、高Cr含有鋼で問題となるσ脆化や475 ℃脆化等の心配がなく、さらにオーステナイト系ステンレス鋼で問題となる塩化物環境下での応力腐食割れのおそれもないという利点がある。
【０００７】
しかしながら、SUS410鋼に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼は、Ｃ含有量が 0.1mass％程度と高いために、溶接部じん性や溶接部の加工性に劣り、しかも溶接に際しては予熱を必要とし溶接作業性にも劣ることから、溶接が必要な部材に対する適用には問題を残していた。
【０００８】
上記の問題に対し、例えば特公昭51−13463 号公報では、Cr：10〜18mass％，Ni：0.1 〜3.4 mass％，Si：1.0 mass％以下およびMn：4.0 mass％以下を含み、さらにＣ：0.03mass％以下、Ｎ：0.02mass％以下に低減し、溶接熱影響部にマッシブマルテンサイト組織を生成させることによって、溶接部の性能を向上させた溶接構造用マルテンサイト系ステンレス鋼を提案している。
また、特公昭57−28738 号公報には、Cr：10〜13.5mass％，Si：0.5 mass％以下およびMn：1.0 〜3.5 mass％を含有すると共に、Ｃ：0.02mass％以下、Ｎ：0.02mass％以下に低減し、さらにNiを 0.1mass％未満に低減することによって、溶接前後における予熱、後熱を必要としない、溶接部じん性および加工性に優れた構造用マルテンサイト系ステンレス鋼が提案されている。
【０００９】
ところで、構造用鋼を耐食性の観点から考えた場合には、Cr含有量は高い方が望ましい。しかしながら、実際に使用される構造用鋼の多くは、全く発銹がないような高耐食性を必ずしも必要とはしていない場合が多く、特に構造物の完成後に人目に触れず、しかも外壁材のような厳しい環境に曝されない部材では、完成後の長期間の使用に際して錆汁が垂れ出してこない程度の耐食性があれば充分であり、既存のステンレス鋼ほどの高い耐食性を必要としない。
また、建築・土木用構造材料として用いる場合、表面性状に対する要求が低いので、熱間圧延まま、あるいは熱間圧延後脱スケール処理を施したままでの使用が可能であることが経済的観点から望ましい。
このような要望に対し、Cr含有量を10mass％未満に低減し、しかも熱間圧延ままあるいは熱間圧延後脱スケールを施したままの状態での使用を前提として、コストを抑えた安価なCr含有鋼の開発が進められている。
【００１０】
例えば特許第 3039630号公報には、Cr：６〜18mass％，Si：0.05〜1.5 mass％，Mn：0.05〜1.5 mass％を含有し、またＣ：0.005 〜0.1 mass％とし、さらに熱間圧延での仕上温度を 780℃以下とすることにより、酸化スケール直下に５μm以上のCr欠乏層を生成させることで局部腐食の発生を抑えた、建造構造部材用低腐食速度鋼が提案されている。
【００１１】
また、特開平11−323505号公報には、Cr：５〜10mass％，Si：0.05〜1.0mass％，Mn：0.05〜2.0 mass％を含有し、かつＣ：0.005 〜0.03mass％、Ｎ：0.005〜0.03mass％に低減した鋼において、金属部最表層から 0.5〜10μm の深さのCr量を５mass％未満にすることにより、均一型の全面腐食を生じさせることで、強度低下や破壊を引き起こすような局部的かつ急激な肉厚の減少を抑え、腐食に伴う強度低下を抑制した鋼が提案されている。
【００１２】
しかしながら、上記した特許第 3039630号公報および特開平11−323505号公報に開示の技術によっても、Cr含有量が10mass％未満の低Cr含有鋼の耐食性は十分とはいい難く、耐長期間腐食性の一層の改善が望まれていた。
しかも、特開平11−323505号公報に開示の技術は、クラッド法や溶射、めっきといった工程を前提としており、実用化に向けてコスト面で大きな問題が残されていた。
【００１３】
また、発明者らは、先に、Ni, Cu, Cr, Moなどの元素を極端に増量することなく、またNb, Tiの添加、さらにはＣ, Ｎの過度の低減を必要とすることなしに、溶接性や耐初期発錆性に優れたFe−Cr合金を開発し、特願2001−148701号明細書において開示した。
具体的には、Crを８mass％超，15mass％未満の範囲で含有するFe−Cr合金について、特にCo，ＶおよびＷを、それぞれCo：0.01mass％以上、0.5 mass％未満、Ｖ：0.01mass％以上、0.5 mass％未満およびＷ：0.001 mass％以上、0.05mass％未満の範囲で含有させると共に、次式(2) で示されるＸ値および好ましくは次式(3) で示されるＺ値がそれぞれ、Ｘ値≦11.0、0.03≦Ｚ値≦1.5 の範囲を満足するように成分調整するものである。
Ｘ値＝Cr＋Mo＋1.5 Si＋0.5 Nb＋0.2 Ｖ＋0.3 Ｗ＋８Al
−Ni−0.6 Co−0.5 Mn−30Ｃ−30Ｎ−0.5 Cu --- (2)
Ｚ値＝（Co＋1.5 Ｖ＋4.8 Ｗ） --- (3)
また、さらに好ましくは、ＣとＮの比（Ｃ／Ｎ）が0.60以下となるよう成分調整するものである。
【００１４】
しかしながら、上記の技術は、Cr含有量が多く経済的に不利なだけでなく、特にCrを11mass％以上含むような場合には、軟質化を目的とした焼鈍が必要となるため、さらにコスト面で不利となる問題を残していた。
さらに、Crの含有量が多いと、長時間の使用に伴う腐食減量は少なくなるものの、局部腐食が起こり易くなり、強度低下の面ではむしろ全面腐食を起こす場合よりも不利となるところに問題を残していた。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、外観上の美麗さが問題とならないような溶接構造用材料に関し、100 年以上の寿命を満足するのに十分な耐食性を有し、熱間圧延ままあるいは熱間圧延後脱スケール処理を施したままでの使用を前提とし、特に構造物の完成後に人目に触れず、しかも外壁材のような厳しい環境にさらされない用途において、建築・土木構造用部材として好適な鋼材を、10mass％未満の低Cr含有量により実現し、同鋼材を安価に提供することを目的とする。
【００１６】
本発明鋼は、熱間圧延ままで実質的にフェライト単相からなる組織を有し、引張強さ（TS）が 400〜550 MPa 級の強度を有し、特に建築・土木構造用部材としての使用に当たり、100 年以上の使用においても、腐食に伴う強度低下が使用前の10％以下、特に好適には５％以下という性能を有している。
また、本発明鋼では、溶接に際し、溶接部のじん性劣化の原因となる熱影響部における粗大粒の生成を、該熱影響部での組織を実質的にマルテンサイト組織とすることによって抑制し、良好な溶接部じん性を確保している。
さらに、本発明鋼は、溶接・加工によって鋼管あるいは形鋼に成形したのち、構造用部材として用いることもできる。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、上記の目的を達成するために、各種元素の影響について綿密な検討を行った。特に、Co，Ｖ，Ｗに注目して、Cr含有量が10mass％未満の低Cr含有鋼において、耐発銹性に及ぼすこれらの元素の影響について調査した。
その結果、適量のCoを添加することによって溶接部じん性が格段に改善されること、またこれらの３元素を複合して適量添加することによって、Ni，Cu，Cr，Moなどの元素を極端に増量することや、Nb，Tiの添加あるいはＣ，Ｎの低減といったコストアップの要因を増やすことなしに、耐長期間耐食性を効果的に改善できるとの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚して完成されたものである。
【００１８】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．Ｃ：0.0015〜0.02mass％、 Ｎ：0.0015〜0.02mass％、
Si：0.1 〜1.0 mass％、 Mn：0.1 〜3.0 mass％、
Cr：５mass％超，10mass％未満、 Ni：0.01〜3.0 mass％、
Al：0.1 mass％以下、 Ｐ：0.05mass％以下および
Ｓ：0.03mass％以下
を含み、さらに
Co：0.010 〜1.0 mass％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。
【００１９】
２．上記１において、Cr含有量が５mass％超，８mass％未満で、さらにＶおよびＷを、それぞれＶ：0.01〜0.5 mass％、Ｗ：0.001 〜0.05mass％の範囲で、かつ下記 (1)式で表されるＺ値が0.03≦Ｚ≦1.5 を満足する範囲において含有する組成になり、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。
記
Ｚ値＝（〔％Co〕＋ 1.5〔％Ｖ〕＋ 4.8〔％Ｗ〕） ----(1)
ここで、〔％Co〕，〔％Ｖ〕，〔％Ｗ〕は各元素の含有量（mass％）
【００２０】
３．上記２において、CrおよびＷ含有量がそれぞれ、Cr：５mass％超，7.5 mass％未満、Ｗ：0.005 〜0.03mass％である、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。
【００２１】
４．上記１〜３のいずれかにおいて、鋼が、さらに
Cu：3.0 mass％以下およびMo：3.0 mass％以下
のうちから選んだ１種または２種を含有する組成になり、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。
【００２２】
５．上記１〜４のいずれかにおいて、鋼が、さらに
Ｂ：0.0002〜0.0030mass％
を含有する組成になり、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を由来するに至った実験結果について説明する。
まず、低Cr含有鋼へのCo添加効果について述べる。
図１に、７mass％Cr鋼に対して、Coを添加した場合の溶接部（熱影響部）じん性の変化について調べた結果を示す。
ここで、溶接部じん性は、板厚：5.5 mmの熱延板に溶接方向が鋼板の圧延方向に垂直な方向となるようにＩ開先を作製し、1.2 mmφの Y309Lタイプの溶接ワイヤを用い、半自動ＭＡＧ溶接機により溶接継手を作製し、この溶接継手から、図２に示すように、Ｖノッチ先端位置が止端部から１mm溶接金属側の位置となるように、２mmＶノッチサブサイズシャルピー試験片（JIS Z 2202）を採取し、−50℃における吸収エネルギー(vＥ-50)を測定することにより評価した。なお、Ｖノッチ先端位置における溶接金属部と母材部との比率ａ：ｂはおよそ１：４であった。
同図から明らかなように、Coを0.01mass％以上添加することによって、溶接部じん性が 150 J/cm2以上改善される。特にその効果は、0.03mass％以上の添加で200 J/cm2 以上と著しい。
【００２４】
次に、Co，Ｖ，Ｗの複合添加の効果について説明する。
図３に、同じく７mass％Cr鋼板に対し、これら３元素を複合添加した場合における耐長期間腐食試験による熱延板の強度低下状況について調べた結果を、Ｚ値（３元素の影響を示すパラメータ）との関係で示す。
ここで、Ｚ値とは、次式(1)
Ｚ値＝（〔％Co〕＋ 1.5〔％Ｖ〕＋ 4.8〔％Ｗ〕） ----(1)
ここで、〔％Co〕，〔％Ｖ〕，〔％Ｗ〕は各元素の含有量（mass％）
で示される耐長期間腐食性の指標となる値である。
また、強度低下状況は、板厚：４mmの熱延板に対し、塩水噴霧(0.1mass％NaCl，35℃，３ｈ）→乾燥（60℃，３h ）→湿潤（50℃，２ｈ）を１サイクルとする腐食試験を 300サイクル行った後に、腐食試験前後での強度（最大引張荷重）低下によって評価した。
なお、図３には、比較のため、Co，Ｖ，Ｗの単独添加または２種添加を行った場合の調査結果についても併せて示す。
同図に示したとおり、Ｚ値が0.03以上になると長期間腐食に伴う強度低下が５％以下に激減し、耐長期間腐食性が著しく改善されることが分かる。しかも、３元素を複合添加していない場合に比べて強度低下が小さい。
【００２５】
次に、本発明において、鋼材の成分組成を上記範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：0.0015〜0.02mass％，Ｎ：0.0015〜0.02mass％
ＣおよびＮは、溶接熱影響部の加工性の改善ならびに溶接割れ防止の観点からは、可能な限り低減するのが好ましい。また、過度に添加すると熱間圧延ままでの強度が高くなりすぎ、目標とする強度が得られない。さらに、Ｃ，Ｎは、溶接熱影響部のマルテンサイト相の硬さに大きな影響を及ぼすばかりでなく、炭窒化物の析出に伴うCr欠乏層の形成を助長し、耐食性を劣化させる原因となる。このためＣ，Ｎの上限はそれぞれ0.02mass％とする必要がある。一方、Ｃ，Ｎ量の過度の低減は、精錬コストの増大を招くばかりでなく、熱間圧延ままでの強度が低下し、目標とする強度が得られなくなる。さらに、溶接熱影響部でのマルテンサイト生成能を低下させ、粗大フェライト粒の生成を助長し、溶接熱影響部のじん性を劣化させる。このためＣ，Ｎの下限はそれぞれ0.0015mass％とした。より好ましい組成範囲は、Ｃ，Ｎとも0.0020〜0.010 mass％である。
【００２６】
Si：0.1 〜1.0 mass％
Siは、脱酸剤として有用な元素であるが、含有量が 0.1mass％未満では十分な脱酸効果が得られず、一方 1.0mass％を超える添加はじん性や加工性の低下を招くだけでなく、溶接熱影響部でのマルテンサイト生成能を低下させるので、Si量は 0.1〜1.0 mass％の範囲に限定した。より好ましい組成範囲は 0.1〜0.5 mass％である。
【００２７】
Mn：0.1 〜3.0 mass％
Mnは、オーステナイト安定化元素であり、溶接熱影響部のマルテンサイト生成能を増加させ、じん性を改善する効果を有するだけでなく、Siと同様、脱酸剤としての働きをもつ。しかしながら、含有量が 0.1mass％未満ではその添加効果に乏しく、一方 3.0mass％を超えて添加すると加工性の低下やMnＳの形成に伴う耐食性の低下を招くため、Mn量は 0.1〜3.0 mass％の範囲に限定した。より好ましい組成範囲は 0.1〜1.5 mass％である。
【００２８】
Cr：５mass％超, 10mass％未満
Crは、耐食性を向上させる有用元素である。本発明では、外壁材のような厳しい環境下での使用は想定していないが、構造物の完成後に人目に触れず、よりマイルドな環境下での使用においても、長期間の使用に際して錆汁が垂れてこないようにする必要がある。
このための耐食性を確保するには、５mass％超の添加が必要である。一方、本発明に関わる安価なCr含有鋼においては、10mass％以上のCr添加はコスト増加を招く不利がある。従ってCr量は５mass％超, 10mass％未満の範囲に限定した。
なお、Co，Ｖ，Ｗを複合して添加した場合は、複合添加による局部腐食の発生抑制効果が十分に発揮されるように、Cr量を５mass％超, ８mass％未満とするのが好適である。より好適な成分範囲は、Cr量が５mass％超，7.5 mass％未満で、Ｗ量が 0.005〜0.03mass％である。このような成分範囲に調整することにより、局部腐食の発生が効果的に抑制され、長期間の使用に伴う強度低下をより低く抑えることが可能となる。
【００２９】
Ni：0.01〜3.0 mass％
Niは、延性、じん性を向上させる元素であり、本発明では特に溶接部のじん性を向上させるために添加する。しかしながら、含有量が0.01mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 3.0mass％を超えて添加しても効果は飽和に達し、むしろ素材が硬質化して加工性が劣化するため、Ni量は0.01〜3.0 mass％の範囲に限定した。
【００３０】
Al：0.1 mass％以下
Alは、脱酸剤として作用する元素であるが、多量に含有すると酸化物系介在物が増加し、製鋼段階でのノズル詰まり等の原因となったり、へげ等の表面欠陥の原因となり耐食性の低下を招く。このためAl量は 0.1mass％以下に限定した。
【００３１】
Ｐ：0.05mass％以下
Ｐは、熱間加工の際に割れを誘発し、また耐食性に対しても有害な元素であるが、含有量が0.05mass％までならその悪影響が顕著とならず許容できるので、Ｐ量は0.05mass％に制限した。より好ましくは0.03mass％以下である。
【００３２】
Ｓ：0.03mass％以下
Ｓは、硫化物を形成し、鋼の清浄度を低下させるだけでなく、MnＳを形成して発銹の起点となる。また、Ｓは、結晶粒界に偏析し粒界脆化を惹起する有害な元素でもあるので、できるだけ低減するのが好ましい。しかしながら、0.03mass％以下であれば、その悪影響が顕著とならず許容できる。
【００３３】
Co：0.010 〜1.0 mass％
Coは、本発明の骨子となる元素であり、10mass％未満の低Cr含有鋼に対し、微量添加することで、溶接部じん性が著しく改善される。また、Coを添加しない場合に比べ、耐長期間腐食性も改善される。しかしながら、含有量が 0.010mass％未満ではその効果が得られず、一方 1.0mass％を超えて添加すると素材が硬質化し加工性が劣化するので、Co量は 0.010〜1.0 mass％の範囲に限定した。より好ましい添加範囲は 0.030〜1.0 mass％である。
【００３４】
Co添加による溶接部じん性の改善効果は、Co添加に伴うオーステナイト生成能の増加によって溶接熱影響部にマルテンサイト相が形成し易くなり、しかもその硬化能がＣ，Ｎ等を添加した場合に比べて小さいことによるものと考えられる。また、Co添加によって耐長期間腐食性が改善される機構は明らかではないが、長期間腐食において、最も強度低下の原因となる局部的かつ急激な腐食に対し、鋼板表面あるいはスケール中に濃化したCoが有効に働き、被腐食面全体が均一に腐食されるようになるためと考えられる。
【００３５】
以上、必須成分および抑制成分について説明したが、本発明では、その他にも以下の元素を適宜含有させることができる。
Ｖ：0.01〜0.5 mass％、Ｗ：0.001 〜0.05mass％で、かつ
Ｚ値（〔％Co〕＋ 1.5〔％Ｖ〕＋ 4.8〔％Ｗ〕）＝0.03〜1.5
Co，ＶおよびＷは、本発明において特に重要な元素である。これまで、溶接熱影響部の溶接割れ感受性を改善するためには、ＰCM｛＝Ｃ＋Si／30＋（Mn＋Cu＋Cr）／20＋Ni／60＋Mo／15＋Ｖ／10＋５Ｂ｝あるいはNi当量、Cr当量といった値の適正化が検討されてきた。このため、溶接熱影響部の特性改善に加え、耐腐食性および延性・加工性の改善を図るために、これらのパラメータに大きく影響するCr，Mo，Niや、Ｃ，Ｎ，Nb，Tiといった元素に注目した検討が行われてきた。しかしながら、CoおよびＷについては、耐食性やフェライト相、オーステナイト相の安定性に影響を与えるにもかかわらず、ＰCMあるいはNi当量、Cr当量といったパラメータに及ぼす影響や、熱延ままあるいは熱延後脱スケールままの鋼板の耐長期間腐食性に及ぼす影響について、詳細な検討が行われていなかった。
本発明では、熱延ままあるいは熱延後脱スケールままの鋼板の耐長期間腐食性に及ぼすCo，Ｖ，Ｗの影響、特にこれらを複合して添加した場合の効果を定量的に評価し、これら元素の適正な添加範囲および適正比率を明らかにした。
【００３６】
これら３元素の効果の指標となるＺ値は、耐長期間腐食性の指標となる値で、先に述べたように、このＺ値が0.03以上となるようにCo，Ｖ，Ｗを複合添加することによって所望の効果が得られる。
ここに、これら３元素の複合添加によって耐長期間腐食性が改善される機構は明らかではないが、長期間腐食において、最も強度低下の原因となる局部的かつ急激な腐食に対して、鋼板表面あるいはスケール中に濃化したCo，Ｖ，Ｗが有効に働き、被腐食面全体が均一に腐食されるようになったためと考えられる。
一方、Ｚ値が 1.5を超えるような添加を行った場合、耐長期間腐食性の効果は飽和する上、硬質化により加工性がかえって低下する。
このため、Ｚ値は0.03〜1.5 の範囲に限定した。より好ましくは0.05〜1.0 の範囲である。
【００３７】
また、Ｖ，Ｗの含有量はそれぞれ、Ｖ：0.01〜0.5 mass％，Ｗ：0.001 〜0.05mass％に限定する必要がある。というのは、上記したＺ値が適正範囲 (0.03≦Ｚ≦1.5)を満足していても、各々の含有量が下限値を下回ると複合添加による効果が得られず、一方Ｖの添加量が 0.5mass％、またＷの添加量が0.05mass％を超えると、炭化物の析出が著しくなり、母材および溶接熱影響部のじん性が著しく低下するからである。より好ましい添加量は、Ｖ：0.05〜0.3 mass％、Ｗ：0.005〜0.03mass％である。
【００３８】
このように、本発明による低Cr含有鋼へのCo添加による溶接熱影響部のじん性改善効果、およびCo，Ｖ，Ｗの複合添加による耐長期間腐食性向上効果を利用することにより、高価なNi，Cu，Cr，Moなどの元素を極端に増量することや、Nb，Tiの添加あるいはＣ，Ｎの低減といったコストアップの要因を増やすことなしに、溶接部じん性と、熱延ままあるいは熱延後脱スケールままの状態での耐長期間腐食性との両立が可能となったのである。
【００３９】
Cu：3.0 mass％以下
Cuは、耐食性を向上させる元素であり、高い耐食性を必要とする場合に添加することが有効である。しかしながら、3.0 mass％を超えて添加すると、熱間圧延等における熱間割れのおそれが生じるため、Cuは 3.0mass％以下で含有させるものとした。なお、より好ましくは効果が顕著となる 0.1mass％を下限とし、1.0mass％以下で含有させることが望ましい。
【００４０】
Mo：3.0 mass％以下
Moは、Cu同様、耐食性の改善に有効な元素である。しかしながら、3.0 mass％を超えて添加すると、加工性が低下するだけでなく、オーステナイト相の安定性が低下し、特に溶接熱影響部のじん性が低下する。このため、Moは 3.0mass％以下で含有させるものとした。なお、加工性と耐食性の両立という観点からは 0.1〜1.0 mass％の範囲が好適である。
【００４１】
Ｂ：0.0002〜0.0030mass％
Ｂは、焼入れ性の向上を通じて特に溶接熱影響部のじん性改善に効果がある。しかしながら、含有量が0.0002mass％未満ではその効果に乏しく、一方0.0030mass％を超える添加では、硬化が大きくなり、母材、溶接熱影響部とも、じん性および加工性が損なわれる。
このため、Ｂは0.0002〜0.0030mass％の範囲で含有させるものとした。なお、より好ましい添加範囲は0.0005〜0.0010mass％である。
【００４２】
次に、本発明鋼の好適製造方法について説明する。
まず、上記の好適成分組成に調整した溶鋼を、転炉または電気炉等の通常の溶製法にて溶製したのち、真空脱ガス（ＲＨ法）、ＶＯＤ法、ＡＯＤ法等の公知の精練方法で精錬し、ついで連続鋳造あるいは造塊−分塊法でスラブ等に鋳造して鋼素材とする。
ついで、鋼素材は、加熱され、熱間圧延工程により鋼板、形鋼、棒鋼等の所定の形状の鋼材とされる。熱間圧延工程における加熱温度は特に限定しないが、加熱温度が高すぎると結晶粒の粗大化を招き、じん性・加工性が劣化するばかりでなく、δフェライトが生成し熱間圧延時に割れが生じ易くなる場合がある。一方、加熱温度が低すぎると圧延が困難となる。このため加熱温度は1000〜1300℃程度とするのが好ましい。また、熱間圧延工程では所定の板厚・寸法の鋼材とすることができればよく、熱間圧延条件は特に限定されないが、熱間圧延の仕上温度は 800〜1100℃とするのが生産性の面から好ましい。
【００４３】
熱間圧延後の鋼材は、そのまま、あるいはその後ショットブラスト、酸洗等による脱スケール処理を行ったのち、製品となる。必要に応じ、防錆剤等を熱延まま、あるいは脱スケール処理後の鋼材表面に塗布してもよい。また、より軟質な材料とする場合には、熱間圧延後に 600〜900 ℃に加熱・保持するバッチ式あるいは連続式の熱延板焼鈍を施してもよい。さらに、表面の硬質化あるいは表面粗さの低減や表面光沢を必要とする場合などは、脱スケール処理後に調質圧延により冷間での軽圧下を施すことは有利である。
製品となる鋼材は、そのまま構造用鋼材として用いることができ、また熱間圧延により得られる鋼板を必要に応じて角状あるいは円筒状のパイプ、各種形鋼等の素材として用いることもできる。
【００４４】
【実施例】
実施例１
表１に示す成分組成の溶鋼を、転炉−２次精錬工程で溶製し、連続鋳造法でスラブとした。これらのスラブを、加熱後、熱間圧延により板厚：４mmおよび板厚：5.5 mmの熱延板とした。スラブ加熱温度は1100〜1200℃、熱間圧延の仕上温度は 800〜1050℃、巻き取り温度は 600〜900 ℃であった。また、得られた熱延板の一部は脱スケール処理を行った。
これらの鋼板から試験片を採取し、引張試験、腐食試験および溶接試験を行い、強度、伸び、耐長期間腐食性および溶接部じん性について評価した。
【００４５】
測定方法は次のとおりである。
(1) 強度、伸び
板厚：４mmの熱延板（脱スケール材を含む）から、引張方向が圧延方向に平行になるようJIS 13号Ｂ試験片 (JIS Z 2201）を採取し、引張試験を実施して、伸び（El）および引張強さ（TS）を測定した。
【００４６】
(2) 耐長期間腐食性
板厚：４mmの熱延板（脱スケール材を含む）に対し、塩水噴霧(0.1mass％NaCl，35℃，３ｈ）→乾燥（60℃，３h ）→湿潤（50℃，２ｈ）を１サイクルとする腐食試験を 300サイクル行った。この試験方法により、100 年使用後相当における耐腐食性を評価することができる。腐食試験後の鋼板から引張方向が圧延方向に平行になるようJIS 13号Ｂ試験片を採取して引張試験を実施し、次式により腐食に伴う強度低下を求めた。
△TS＝〔（Ｐmax0−Ｐmax)／Ｐmax0〕×100 (％)
ここで、Ｐmax0：腐食試験前の鋼板を用いた引張試験における最高荷重点での荷重
Ｐmax ：腐食試験後の鋼板を用いた引張試験における最高荷重点での荷重
【００４７】
(3) 溶接部じん性
板厚：5.5 mmの熱延板（脱スケール材を含む）より、溶接方向が鋼板の圧延方向に垂直な方向になるようにＩ開先を作製し、1.2 mmφの Y309Lタイプ溶接ワイヤを用い、半自動ＭＡＧ溶接機により溶接継手を作製し、溶接熱影響部のじん性を評価した。溶接条件は、雰囲気ガス：Ar (流量：15リットル/min) ＋CO2(流量：４リットル/min）、電圧：20〜30Ｖ、電流：200 〜250 Ａ、ギャップ：２〜３mm、溶接速度：30〜60 cm/min の１パス溶接とした。
得られた溶接継手から、図２に示したように、Ｖノッチ先端位置が止端部から１mm溶接金属側の位置となるように、かつ衝撃方向が溶接方向に一致するように、２mmＶノッチ−サブサイズシャルピー試験片（JIS Z 2202) を採取し、−50℃における吸収エネルギーを測定した。なお、Ｖノッチ先端位置における溶接金属部と母材部との比率ａ：ｂはおよそ１：４であった。また、溶接金属が母材から盛り上がる部分は研削除去して試験片を作製した。
得られた結果を表２に示す。
【００４８】
【表１】
【表２】
表２に示したとおり、本発明の成分組成範囲を満足する発明例は、 vＥ-50 が174 J/cm2 以上と良好な溶接部じん性を有し、同時に 100年使用後相当での強度低下が10％以内であり、良好な耐長期間腐食性を有することがわかる。
これに対し、比較例は、発明例に比べると溶接部じん性や耐長期間腐食性に劣っている。
【００５１】
実施例２
表３に示す成分組成の溶鋼を、実施例１と同様に処理して得られた熱延鋼板から試験片を採取し、実施例１と同様の方法で引張試験、腐食試験および溶接試験を行い、強度、伸び、耐長期間腐食性および溶接部じん性について評価した。
得られた結果を表４に示す。
【００５２】
【表３】
【表４】
表４に示したとおり、本発明の成分組成範囲を満足する発明例は、良好な溶接部じん性を有し、同時に 100年使用後相当での強度低下が５％以内であり、極めて良好な耐長期間腐食性を有することが分かる。
これに対し、比較例は、発明例に比べると溶接部じん性および耐長期間腐食性とも劣っていた。
【００５５】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、溶接部じん性に優れるだけでなく、熱延ままあるいは熱延後脱スケールままの使用において耐長期間腐食性に優れたCr含有鋼を安定して得ることができる。
また、本発明のCr含有鋼は、建築・土木構造用材料としての用途をはじめとする、安価な材料の提供に対する要求に応えるものであり、またライフサイクルコストを大幅に低減することもでき、その工業的利用価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 溶接部じん性に及ぼすCo添加量の影響を示したグラフである。
【図２】 シャルピー試験片のＶノッチ先端位置と溶接部との位置関係を示した図である。
【図３】 長期間腐食に伴う強度低下とＺ値との関係を示したグラフである。
Claims (5)
- Ｃ：0.0015〜0.02mass％、 Ｎ：0.0015〜0.02mass％、
Si：0.1 〜1.0 mass％、 Mn：0.1 〜3.0 mass％、
Cr：５mass％超，10mass％未満、 Ni：0.01〜3.0 mass％、
Al：0.1 mass％以下、 Ｐ：0.05mass％以下および
Ｓ：0.03mass％以下
を含み、さらに
Co：0.010 〜1.0 mass％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。 - 請求項１において、Cr含有量が５mass％超，８mass％未満で、さらにＶおよびＷを、それぞれＶ：0.01〜0.5 mass％、Ｗ：0.001 〜0.05mass％の範囲で、かつ下記 (1)式で表されるＺ値が0.03≦Ｚ≦1.5 を満足する範囲において含有する組成になり、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。
記
Ｚ値＝（〔％Co〕＋ 1.5〔％Ｖ〕＋ 4.8〔％Ｗ〕） --- (1)
ここで、〔％Co〕，〔％Ｖ〕，〔％Ｗ〕は各元素の含有量（mass％） - 請求項２において、CrおよびＷ含有量がそれぞれ、Cr：５mass％超，7.5 mass％未満、Ｗ：0.005 〜0.03mass％である、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。
- 請求項１〜３のいずれかにおいて、鋼が、さらに
Cu：3.0 mass％以下およびMo：3.0 mass％以下
のうちから選んだ１種または２種を含有する組成になり、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。 - 請求項１〜４のいずれかにおいて、鋼が、さらに
Ｂ：0.0002〜0.0030mass％
を含有する組成になり、耐長期間腐食性および溶接部じん性に優れることを特徴とする建築・土木構造用のCr含有耐腐食鋼。
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