JP4808598B2

JP4808598B2 - 裸耐発錆性に優れた耐食鋼材

Info

Publication number: JP4808598B2
Application number: JP2006315962A
Authority: JP
Inventors: 直樹斎藤; 謙治加藤; 基裕奥島; 慎長澤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2026-11-22
Also published as: JP2008127653A

Description

本発明は、屋内環境で使用される工作機械・産業機械などの部品を構成する鋼板、鋼管、形鋼などにおいて、塗装やメッキなどの表面処理を施さなくても長期の耐発錆性を有する鋼材に関するものである。

工作機械や産業機械など屋内環境で使用される機械の部品などに供される部品、部材には、多くの場合、鋼材が用いられる。しかしながら、そのような鋼材としては、発錆への懸念から塗装やメッキなどの表面処理が行われるか、もしくは、１３％以上のＣｒを含有した高価なステンレス鋼などを用いるのが一般的であった。

一方、近年の耐食用鋼材の技術開発から、多量のＣｒを含有しなくても良好な耐食性を得る鋼材が開発されている。それらの一例として、特許文献１および特許文献２では、４〜９％Ｃｒおよび０．１〜５％のＡｌを含有することを特徴とする耐食鋼の発明が開示されている。しかしながら、それらの耐食鋼における屋内での耐発錆性は、表面が切削され、圧延中に生じるミルスケール（以降、スケールと呼ぶ）が全く残存しない条件では確かに良好な特性を有するものの、スケールが残存した場合には、耐発錆性は保証されない。

一方、ステンレス鋼など耐食性を有する鋼材の表面にスケールが残存すると、耐食性が阻害されることが知られている。従って、ステンレス鋼における、スケールの除去方法やスケールの剥離しやすい製造方法、さらに、スケールの無害化などの発明がなされてきた。例えば、特許文献３は９〜１５％Ｃｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼管において、スケールの残存率を測定する方法を提供するとともに、スケールの残存率をある一定の値以下にすることで、大気環境下での耐発錆性を保持することを開示したものである。また、特許文献４には、９％以上のＣｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼管において、圧延条件および焼戻し処理条件の適正化でデスケール性と耐食性を良好にする製造方法が開示されている。さらに、特許文献５では、９〜１５％Ｃｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼管において、スケールの残存率と表面の粗さを規定することで、耐候性に優れた鋼管の提供を可能にしたものである。

以上のそれぞれの発明は、確かに優れたものではあるものの、屋内で使用される機械部品などへの適用を考えると、いずれも多量にＣｒが添加されたスレンレス鋼であることから高価であるという問題がある。

特開２００４−１６２１１９号公報特開２００２−３６３７０４号公報特開２００１−１２３２４９号公報特開２００１−１２９６０２号公報特開平１１−２３６６５１号公報

近年、省資源や環境負荷の低減などの社会的な要請から、産業機械や工作機械においても、塗装やメッキをしなくても耐発錆性が優れ、かつ、ステンレス鋼よりも安価な材料の提供が望まれている。

本発明は、屋内環境で使用する産業機械や工作機械などの部品として、塗装やメッキをせず裸仕様で適用可能な安価な裸耐発錆性に優れた耐食鋼材を提供することを課題とするものである。

本発明者らは、上記の課題を解決するために、屋内における耐発錆性において長時間安定した特性を維持するのに必要な鋼材について鋭意研究し、その結果、実際の製品として使用に供される前に、鋼表面に残存するスケールを表面積割合で１０％以下、１個あたりの最大残存面積を０．０１ｍｍ^２以下に、さらに、その時の表面粗さをＪＩＳＢ０６０１で測定した最大高さＲｙ値で１００μｍ以下にすることによって、本成分系を有する鋼材の熱間圧延後の鋼材の裸発錆性が優れたものとなることを見出し、本発明を完成した。

その発明の要旨は、次のとおりである。
（１）質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０３％、
Ｓｉ：０．０１〜３．０％、
Ｍｎ：０．１〜３％未満、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｃｒ：４〜７．９６％、
Ａｌ：０．２２〜５％、
Ｎ：０．０２％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、鋼材表面における圧延スケールの残存が表面積割合で１０％以下で、かつ、残存スケールのひとつの大きさが０．０１ｍｍ２以下であり、さらにＪＩＳＢ０６０１で規定される最大高さがＲｙで１００μｍ以下であることを特徴とする裸耐発錆性に優れた耐食鋼材、
（２）質量％で、
Ｃｕ：０．０５〜１０％、
Ｎｉ：０．０５〜１０％、
Ｍｏ：０．０１〜１％、
Ｖ：０．００５〜０．１％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）記載の裸耐発錆性に優れた耐食鋼材、
（３）質量％で、
Ｃａ：０．０００５〜０．０５％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０５％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．１％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）記載の裸耐発錆性に優れた耐食鋼材、
である。

本発明は、市販のステンレス鋼に比べ、低合金組成でありながら、ショットブラストなどの簡易は方法で表面の凹凸に配慮しながら圧延スケールを表面積で１０％以下とし、かつ、残存スケールのひとつの大きさが０．０１ｍｍ^２以下であり、さらにＪＩＳＢ０６０１で規定される最大高さがＲｙで１００μｍ以下とすることで、裸耐食性に優れた鋼材が提供できる。

そして、一般に屋内で使用される工作機械・産業機械などの部品として、塗装やメッキをせず裸仕様で適用可能な鋼材の提供を可能にすることができ、製造性にも優れた鋼材を低コストで提供することを可能とするという顕著な効果を奏するものである。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明の耐食鋼材を工作機械・産業機械などの部品として使用する上で、本発明の耐食鋼材は、耐摩耗鋼材としての硬さや靭性に対する合金添加量の規定は非常に重要である。

まず、本発明の鋼材の成分を限定した理由について説明する。なお、％の表記は特に断りがない場合は以下質量％を意味する。

Ｃ：０．００５〜０．０３％
Ｃは、強度を改善する元素で０．００５％以上必要であるが、一定以上の添加は炭化物の形成により耐食性を阻害するために、その添加量の上限を０．０３％とした。

Ｓｉ：０．０１〜３．０％
Ｓｉは、Ｃｒを２％以上含有する鋼に脱酸剤および強化元素として添加することが有効であるが、含有量が０．０１％未満ではその脱酸効果が充分ではなく、３．０％を超えて含有するとその効果は飽和するので、含有量の範囲を０．０１％以上３．０％以下に限定する。

Ｃｒ：４〜７．９６％
Ｃｒは、耐食性を確保するために４％以上を含有させることが必要であるが、９％を超えて含有させてもコストを増すばかりか、母材の靭性を損なうので上限の含有量は９％とするが、実施例に記載のＣｒの上限７．９６％に限定した。

Ａｌ：０．２２〜５％
Ａｌは、本発明において耐食性を確保するためにＣｒと並んで重要な元素であって、Ａｌの含有量は、耐食性を確保する観点から０．１％以上の必要であるが、実施例に記載のＡｌの下限０．２２％に限定した。一方、５％超えて添加するとフェライト相変態の温度範囲が極めて広くなり製造過程での鋳片割れなどの原因となるので、その含有量は０．１％以上５％以下に限定する

Ｍｎ：０．１〜３％
Ｍｎは本発明においては、主として強度の改善とオーステナイト形成元素として作用し、耐食性の観点から添加されているＣｒおよびＡｌにより助長される粗大フェライトの形成を抑制するために添加される。すなわち、ＣｒおよびＡｌは周知のようにフェライト形成元素であり、これらが多量に添加されると、凝固から室温に至るまで変態を経ずしてフェライト単相組織となり、鋳片の割れなどが生じ、製造性が低下する。従って、Ｍｎ量は０．１％以上添加することが必要であるが、３％以上の添加では、母材の延性が著しく低下するために３％未満の添加とする。

Ｎ：０．０２％以下
Ｎは、鋼板の多量に添加されると窒化物の形成などで母材の延性や耐食性を阻害するために、上限の含有量は、０．０２％とする。

Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、耐食性を向上させる元素であるが、多量に存在すると延性を低下させ製造性が低下する懸念があるので本発明においては少ない方が望ましく、上限の含有量は０．０３％とする。

Ｓ：０．０１％以下
Ｓも多量に存在すると耐孔食性を低下させるので少ない方が望ましく、上限の含有量は０．０１％とする。ＳもＰと同様に不可避的な混入量をできる限り少なくするのがよい。

さらに、本発明では以下の元素を選択して添加できる。

Ｃｕ：０．０５〜１０％、Ｎｉ：０．０５〜１０％
Ｃｕ、Ｎｉともに強度を改善するとともに、フェライト生成を抑制する効果があると同様に特に、Ｎｉは母材の延性・靭性を改善する効果がある。その効果は、いずれも０．０５％以上の添加を必要とするが、いずれも１０％を越えて添加されると脆化が生じるために、両者ともに、その限定範囲を０．０５〜１０％とする。

Ｍｏ：０．０１〜１％
Ｍｏは、ＣｒおよびＡｌが添加された鋼において、０．０１％以上添加されると、母材の特性を損なうことなく孔食の発生と成長を抑制する効果が認められるが、１．０％を超えて添加しても効果が飽和するばかりか母材の靭性を低下させるので、その範囲を０．０１％〜１．０％とする。

Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％
Ｎｂは耐食性を損なわずに、強度および靭性を改善する元素であり、その効果は０．００５％から認められるが、０．０５％を超えるとその効果が飽和するのでその範囲を０．００５％〜０．０５０％とする。

Ｖ：０．００５〜０．１％
Ｖは、Ｎｂと同じく耐食性を損なわずに、強度を改善する元素であり、０．００５％以上で効果が認められるが、多量の添加は周知のように延性を阻害するので、その上限を０．１％とする。

Ｃａ：０．０００５〜０．０５％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０５％
ＣａおよびＭｇはＣｒおよびＡｌを含有する鋼において、耐食性を改善できる元素である。現在のところその機構には不明点が多いが、いずれも５ｐｐｍ以上で耐食性の向上が認められるが、５００ｐｐｍを越えて添加すると耐食性向上効果が飽和するばかりではなく、母材の延性や靭性が低下する傾向が明らかとなっており、その添加量を５ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下に限定する。

ＲＥＭ：０．００１〜０．１％
本発明では、希土類元素（ＲＥＭ）を適宜添加してもその耐食性を損なわずに、母材の延性などを改善することが可能である。その添加量は、０．００１％以上を必要とするが、多量の添加はそれを阻害するので、その上限を０．１％とする。

次に、本発明の鋼材の製造方法について説明する。
本発明の鋼材の製造方法においては、上記に述べた成分系を有する鋼片を出発材として、加熱・圧延工程、および必要に応じて熱処理工程を経て製造される。鋼片は、転炉あるいは、電気炉により成分調整され溶製後、連続鋳造法および造塊・分塊法などの工程により製造される。鋼片は加熱後、熱間圧延により鋼板、形鋼、もしくは鋼管などとして目的に応じて熱間圧延される。その後、必要に応じて焼入れ、焼戻しや焼きならしなどの熱処理を加えても、本鋼の耐食性に何ら影響を与えるものではない。

さらに本発明においては、実際の製品として使用に供される前に、鋼表面に残存するスケールを表面積割合で１０％以下、１個あたりの最大残存面積を０．０１ｍｍ^２以下に、さらに、その時の表面粗さをＪＩＳＢ０６０１で測定した最大高さＲｙ値で１００μｍ以下にすることが必要とされる。これらの制約は、多くの実験の結果、本成分系を有する鋼材の熱間圧延後の耐食性が、残存スケールおよび表面の粗さに大きく影響されることを定量的に見出したことによる。

図１は、０．０１５％Ｃ−０．２５％Ｓｉ−２．４５％Ｍｎ−０．００２％Ｐ−０，．００１％Ｓ−６．５７％Ｃｒ−１．２５％Ａｌ−０．００９５％Ｎを板厚１０ｍｍに圧延後、ショットブラスト、サンドブラストなどによりスケールの残存率および表面の粗さを変化させた鋼板を素材として、温度２５℃−湿度９５％で４時間保持後、温度５０℃−湿度８５％で４時間保持するサイクルを１０回繰返す処理を実施した時の発錆状況を評点で示した図である。図中の○印は表面のＲｙ値は２５〜１００μｍであり、●印は、Ｒｙ値が１１５〜１４０μｍの場合である。なおすべての試料における最大の残存スケール面積は、０．００６ｍｍ^２以下であった。

この図から明らかなように、Ｒｙ値が１００μｍ以下である場合、スケールの残存面積率が１０％以下であると耐発錆性が向上しているが、Ｒｙ値が１１５μｍ以上であると、スケールの残存面積率が１０％以下であっても発錆がおこる。以上のことから、良好な発錆性実現するためには、Ｒｙ値を１００μｍ以下として、かつ、残存スケールの面積率を１０％以下とすることが必要となる。なお、Ｒｙ値を１００μｍ以下とするのは、例えば、サンドブラスト、ショットブラストなどの装置で、アルミナ、ガラスビーズ、鋼グリッドなどを投射することで、容易に実現できる。

一方、残存したスケールの個々の大きさは、スケール除去手段にも依存するが、実験の結果、それが０．０１ｍｍ^２を超える大きさになると、スケール面積率が１０％以下であってもそこから発錆が選択的に生じることが判明したため、残存するスケールの最大面積は、０．０１ｍｍ^２とした。

なお、鋼板表面に残存するスケールの面積率は、たとえば走査型電子顕微鏡を用いてその反射電子像を観察し、その濃淡により識別することで、容易に面積率を測定できる。また、表面粗さは、例えば、レーザー式表面粗さ計などで測定できる。

なお、スケール除去の手法は、通常用いられるショットブラスト処理、サンドブラスト処理、酸洗処理などのいずれの方法を用いても良いが、鋼球を用いたショットブラスト処理は、飛散した鋼球が鋼材表面に残存すると、錆発生の原因となる可能性が高いため、サンドブラスト処理や酸洗処理の適用が好ましい。

以下実施例に基づいて本発明の効果を詳細に説明する。

表１示す成分系の鋼を溶製後、板厚１０ｍｍの鋼板となるように熱間圧延を行い、一部のものについては、熱処理を施し、鋼球を用いたショットブラスト、アルミナ系サンドを用いたサンドブラスト処理、さらに、硫酸酸洗処理（８０℃ｘ２０分）を施した。なお、ショットブラスト処理およびサンドブラスト処理においては、表面状態を変化させるために、試験素材までの距離を１ｍ（標準）および５ｍ以上（軽）のそれぞれ２種類を実施した。

下記の項目について評価試験を実施した。
（１）製造性の評価
熱間圧延後、鋼板四周の状況を目視で観察し、割れの有無を評価した。
（２）残存スケール量および最大残存スケール面積の評価
走査型電子顕微鏡にて、倍率ｘ１００〜ｘ４００の反射電子像を観察し、残存する観察視野に対する残存スケールの面積率を求めた。また、観察の中で、最も面積が大きい残存スケールの大きさを計測した。
（３）Ｒｙ値
スケール除去処理を行った後、光波干渉式表面粗さ計で測定した。
（４）耐発錆性
試験鋼板から１５０ｍｍｘ１００ｍｍの試験片を切り出し後、試験面をアセトンで拭き取り洗浄後、以下の２種類の条件にて評価試験を実施した。
Ａ法：冷暖房設置の室内にて１００日間暴放置した。
Ｂ法：温度２５℃−湿度９５％で４時間保持後、温度５０℃−湿度８５％で４時間保持するサイクルを２５回繰返す処理を実施した。
なお、いずれも錆スポットの大きさを評点としてあらわした。

表２にその試験の結果を示す。鋼１〜７、１０、１１は、いずれの成分系も本発明範囲のものであり、またスケール除去後の残存スケール率は１０％以下、最大スケール面積も０．０１ｍｍ２以下、Ｒｙが１００μｍ以下であった。この時、熱間圧延後の割れはいっさい認められず、さらに耐発錆性についても、一部に２ｍｍ以下の微小の発錆が観察されたのみであり、すべて良好な特性を示している。

それに反し、鋼１２〜１４、鋼１６〜２２はすべて比較鋼である。その中でも、鋼１２〜鋼１４は、成分系は本発明範囲内であるものの、ショットブラストおよびサンドブラスト条件がすべて、「軽」条件となっている。その結果、鋼１２〜１４は残存スケール率が１０％を超えており、さらに、鋼１３および鋼１４については残存スケールの最大面積が０．０１ｍｍ２を大きく超えている。それらの耐発錆性評価において、Ａ法では、すべて５ｍｍ以下の錆が、Ｂ法では１０ｍｍ以下もしくは、ほぼ全面にわたり錆の発生が認められた。また、鋼１５はＲｙ値が１３９と本発明の制約である１００μｍを超えており、その結果、やはり耐食性の低下が認められた。

一方、鋼１６〜鋼２２は、成分系が本発明範囲を逸脱した例である。すなわち、鋼１６はＣが本発明範囲を超えて添加された例であり、残存スケール率、残存スケールの最大面積およびＲｙ値が本発明範囲であっても耐食性の低下が認められる。鋼１７および鋼１８は、Ｍｎの量が本発明の下限を超えた例である。鋼１７は残存スケール率、最大スケール面積およびＲｙ値が発明範囲内であり、耐発錆性の低下は小さいが、Ｍｎ添加量が低いために、フェライト単相となっている。その結果、圧延後に割れが認められている。鋼１８はサンドブラスト条件を「軽」で行った結果、残存スケール率が４９％、最大残存スケール面積が０．０３５ｍｍ^２と本発明範囲を逸脱した例である。この場合、製造性および耐発錆性とも低下している。

さらに、鋼１９はＰが本発明範囲を超えて多量に添加された例である。この場合、耐発錆性への影響は小さいが、製造性が劣る。鋼２０はＣｒ量が本発明範囲の下限を超えて添加された例である。この場合、耐発錆性が極めて低下している。鋼２１はＡｌが本発明範囲の下限を超えて添加された例である。この場合も耐発錆性が低下している。最後に、鋼２２はＮが本発明範囲の上限を超えて添加された例である。この場合、耐発錆性の低下が認められる。

本発明は、屋内で使用される産業機械、加工機械などで使用される塗装鋼材やステンレス鋼材などの代替材料として適用が期待される。

サンドブラスト条件などを変えて残存スケール面積率および表面粗度を変化させた時の耐発錆性を表す評点を示した図である。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０３％、
Ｓｉ：０．０１〜３．０％、
Ｍｎ：０．１〜３％未満、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｃｒ：４〜７．９６％、
Ａｌ：０．２２〜５％、
Ｎ：０．０２％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、鋼材表面における圧延スケールの残存が表面積割合で１０％以下で、かつ、残存スケールのひとつの大きさが０．０１ｍｍ^２以下であり、さらにＪＩＳＢ０６０１で規定される最大高さがＲｙで１００μｍ以下であることを特徴とする裸耐発錆性に優れた耐食鋼材。
質量％で、さらに、
Ｃｕ：０．０５〜１０％、
Ｎｉ：０．０５〜１０％、
Ｍｏ：０．０１〜１％、
Ｖ：０．００５〜０．１％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の裸耐発錆性に優れた耐食鋼材。
質量％で、さらに、
Ｃａ：０．０００５〜０．０５％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０５％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．１％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載の裸耐発錆性に優れた耐食鋼材。