WO2013129263A1 - 耐異種金属接触腐食性に優れた鋼材および溶接継手 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to steel materials and welded joints used in steel structures in corrosive environments typified by bridges, offshore structures, civil engineering / building structures, ships, and the like, and particularly when welding dissimilar steel materials.
- the present invention relates to a steel material and a welded joint used, and particularly relates to a steel material and a welded joint used without coating.
- a normal welded structural steel represented by the JIS SM standard is selected.
- the amount of incoming salt is 0.05 mg / dm 2 / day (hereinafter also abbreviated as “mdd”) in terms of NaCl, which is one guideline, JIS G
- JIS weathering steel The weathering steel specified in 3114 (hereinafter abbreviated as “JIS weathering steel”) is used without coating (bare specification).
- JIS weathering steel corrosion-resistant steel materials with increased amounts of alloy elements such as Ni-based weathering steel that improve corrosion resistance such as Cu and Ni are used according to the corrosivity of the use environment. ing.
- the most suitable steel materials are selected according to the corrosiveness of the usage environment from the viewpoint of the construction cost of the structure, but in some cases, such as rust stabilization treatment and heavy anti-corrosion coating Used with surface treatment.
- the corrosiveness of steel is almost determined by conditions such as temperature, humidity, and salinity in the environment of use, but corrosiveness also varies depending on the site of the structure. For example, on the upper surface of a steel material installed in a horizontal direction where no rain is directly applied, such as in a bridge girder, the accumulation of flying salt is conspicuous compared to the vertically installed member on the outer surface where rain is directly applied, and it is relatively corroded. Is remarkable.
- Ni-based weathering steel having excellent corrosion resistance is applied to the horizontal member in the bridge girder where corrosion is severe, and JIS weathering is applied to the vertical member. From the viewpoint of reducing construction costs, there is an increasing need to use different steel materials for each part, such as application of properties.
- the present invention has been made by paying attention to the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a steel material and a welded joint that have good corrosion resistance even when they are used for joining dissimilar steel materials by welding. It is in.
- the invention described in claim 2 further, Cr: 0.01 to 1.0%, Mo: 0.01 to 1.0%, W: 0.01 to 1.0%, Nb: 0.005 to 0.05%, V: 0.01 to 0.10%, B: One or more of 0.0001 to 0.005% It is a steel material of Claim 1 containing.
- the invention according to claim 3 It is a welded joint formed by welding two types of steel materials A and B having different chemical composition compositions, and one or both of the steel materials A and B are steel materials according to claim 1 or 2. It is a welded joint characterized by being.
- the invention according to claim 4 4.
- the invention described in claim 6 It is a welded joint of Claim 3 or 4 used for the structure used in an atmospheric corrosive environment.
- the invention described in claim 7 6.
- the invention according to claim 8 provides: 7.
- the welded joint according to claim 6, wherein the atmospheric corrosive environment is an atmospheric environment having an incoming salt content of 0.05 mg-NaCl / dm 2 / day or less.
- the TiN content is appropriately adjusted as the chemical component, and the N and O contents are reduced. Therefore, the synergistic action of these materials suppresses the cathode reaction when contacting different metals. It is possible to suppress the promotion of corrosion due to contact with dissimilar metals even when the potential difference with the counterpart material to be contacted is relatively large. Therefore, it is excellent in corrosion resistance and can be suitably used when joining dissimilar steel materials. .
- the welded joint of the present invention uses the steel material of the present invention as at least one steel material when joining dissimilar steel materials, so that it has excellent corrosion resistance as a result of the above action, and in an atmospheric corrosive environment. It can use suitably for the structure used.
- the present inventors have conducted intensive research on ensuring corrosion resistance when joining low-alloy corrosion-resistant steel materials applicable to steel structures such as bridges when steel materials having different chemical composition (hereinafter also simply referred to as “component composition”) are joined. As a result, the following knowledge was obtained.
- dissimilar metal contact corrosion occurs due to the difference in corrosion potential between contacting steel materials or between the base metal and the weld metal, and an electrochemical cell is formed between the dissimilar metals.
- an anodic reaction mainly composed of a dissolution reaction is promoted.
- the noble metal at the time of contact with a different metal promotes the cathode reaction mainly composed of the reduction reaction of dissolved oxygen and hydrogen ions, and this cathode reaction further promotes the anode of the base metal.
- the base metal not only accelerates the corrosion, but the noble metal produces hydrogen generated by local alkalinization or hydrogen ion reduction reaction caused by the reduction reaction of dissolved oxygen. Since it is difficult to form a stable protective rust due to gas or the like, the overall corrosion resistance is extremely deteriorated.
- the inventors have investigated the cathode reaction at the time of contacting different metals as a synergistic effect of appropriately adjusting the TiN content and reducing the N and O contents, particularly as the component composition of the steel material in contact with the different metals. It has been found that corrosion promotion due to contact with different metals can be suppressed even when the potential difference with the counterpart material in contact is relatively large. Furthermore, the corrosion potential is dominated by the chemical composition of steel and weld metal, especially the contents of Cu and Ni in steel and weld metal, and the total content of Cu + Ni between different metals (between each steel and weld metal) It was found that the effect of contact corrosion of dissimilar metals can be greatly suppressed by making the difference in amount within 1.0%. It has been found that by combining such knowledge with conventional techniques for improving corrosion resistance (weather resistance) in an atmospheric corrosion environment such as addition of Cu or Ni, it can be applied in a contact state of different metals in a bare specification in an atmospheric corrosion environment.
- the steel material as a structural material needs to satisfy various properties such as corrosion resistance, mechanical properties and weldability of the steel material itself.
- various properties such as corrosion resistance, mechanical properties and weldability of the steel material itself.
- Cu and Ni, C it is necessary to optimize the component composition of the steel material such as the contents of Si, Mn, Al, P, S and the like.
- C has an effect of improving the mechanical properties of the material, and is an element necessary for ensuring strength. In order to acquire such an effect, it is necessary to make it contain 0.01% or more. However, when C is contained excessively, the amount of cementite that acts as a cathode site increases, and the corrosion resistance deteriorates. In order to avoid such an adverse effect of C, the C content needs to be 0.30% or less. For these reasons, the C content range was set to 0.01 to 0.30%. In addition, the minimum with preferable C content is 0.02%, More preferably, it is good to set it as 0.03% or more. Moreover, the upper limit with preferable C content is 0.29%, It is good to set it as 0.28% or less more preferably.
- Si 0.1-1.0%
- Si is an element necessary for deoxidation and securing strength. If it is less than 0.1%, the O content necessary for mass production often cannot be achieved, and the minimum strength as a structural member cannot be secured. However, if the content exceeds 1.0%, weldability deteriorates.
- a more preferable lower limit of the Si content is 0.12%, and a more preferable lower limit is 0.15%.
- a more preferred upper limit for the Si content is 0.95%, and a more preferred upper limit is 0.90%.
- Mn is an element necessary for deoxidation and securing of strength similarly to Si, and if it is less than 0.1%, the O content necessary for mass production often cannot be achieved, and the minimum strength as a structural member is also low. It cannot be secured. However, if the content exceeds 2.0%, the toughness deteriorates.
- a more preferable lower limit of the Mn content is 0.15%, and a more preferable lower limit is 0.20%.
- a more preferable upper limit of the Mn content is 1.9%, and a more preferable upper limit is 1.8%.
- P 0.04% or less
- P is an element that deteriorates toughness and weldability, and it is recommended to reduce it as much as possible, but the upper limit of the allowable P content is 0.04%. It is recommended that the P content be 0.038% or less, more preferably 0.035% or less.
- S like P, is an element that deteriorates toughness and weldability, and it is recommended to reduce it as much as possible, but the upper limit of the allowable S content is 0.03%. It is recommended that the S content be 0.029% or less, more preferably 0.028% or less.
- Al like Si and Mn, is an element necessary for deoxidation and securing strength. If less than 0.010%, the O content required for mass production often cannot be achieved, and the minimum strength as a structural member cannot be ensured. However, if over 0.10% is added, the weldability is impaired, so the Al content range was 0.010 to 0.10%. In addition, the more preferable minimum of Al content is 0.011%, and a more preferable minimum is 0.012%. Moreover, the upper limit with more preferable Al content is 0.09%, and a more preferable upper limit is 0.08%.
- Cu 0.3-3.0%
- Cu has an effect of suppressing the progress of corrosion by forming a dense rust film on the surface of the steel material, and is an element necessary for improving the corrosion resistance of the base material itself.
- action which forms a fine rust film
- the minimum with preferable Cu content is 0.32%, and a more preferable minimum is 0.35%.
- the upper limit with preferable Cu content is 2.8%, and a more preferable upper limit is 2.6%.
- Ni like Cu, has an action of suppressing the progress of corrosion by forming a dense rust film on the surface of the steel material, and is an element necessary for improving the corrosion resistance of the base material itself.
- Ni is also an element effective for improving the toughness of the base material, and is an element necessary for preventing red heat embrittlement due to Cu.
- it is necessary to contain 0.3% or more of Ni.
- Ni if the addition amount is excessive, weldability and hot workability deteriorate, so Ni needs to be 5.0% or less.
- the minimum with preferable Ni content is 0.32%, and a more preferable minimum is 0.35%.
- the upper limit with preferable Ni content is 4.8%, and a more preferable upper limit is 4.6%.
- Ti 0.010 to 0.10% Ti coexists with N to form TiN and suppress the cathode reaction, and has the effect of preventing corrosion promotion due to the dissimilar metal contact between itself and the contacting steel material. It also has the function of forming a fine and dense rust film, and is an element necessary for improving corrosion resistance. In order to exhibit such an effect effectively, it is necessary to contain Ti 0.010% or more. However, if the addition amount is excessive, weldability and hot workability deteriorate, so Ti needs to be 0.10% or less. A preferable lower limit of the Ti content is 0.011%, and a more preferable lower limit is 0.012%. The upper limit with preferable Ti content is 0.09%, and a more preferable upper limit is 0.08%.
- Ca 0.0005 to 0.0050%
- Ca has an effect of increasing pH during corrosion dissolution and suppressing corrosion promotion by local acidification, and is an effective element for improving corrosion resistance. In order to exhibit such an effect effectively, it is necessary to contain Ca by 0.0005% or more. However, since the weldability and workability deteriorate when the added amount is excessive, Ca needs to be 0.0050% or less.
- the minimum with preferable Ca content is 0.0006%, and a more preferable minimum is 0.0007%.
- the upper limit with preferable Ca content is 0.0045%, and a more preferable upper limit is 0.0040%.
- N forms TiN by coexistence with Ti, suppresses the cathode reaction, and has an action of preventing corrosion promotion by contact of different metals between itself and the steel material in contact therewith.
- N needs to be contained in an amount of 0.0020% or more.
- N which does not form TiN is harmful because it promotes the cathode reaction and promotes the contact corrosion of different metals, and it needs to be optimized together with the Ti content.
- the minimum with preferable N content is 0.0022%, and a more preferable minimum is 0.0025%.
- the upper limit with preferable N content is 0.0075%, and a more preferable upper limit is 0.0070%.
- O in the steel promotes the cathode reaction and increases the contact corrosion of different metals in the steel material that comes into contact with it. Therefore, it is an element harmful to corrosion resistance, and it is recommended to reduce it as much as possible.
- the upper limit of the allowable O content is 0.0010%, but it is recommended that the O content is more preferably 0.0009% or less, and even more preferably 0.0008% or less.
- N * [N] ⁇ 0.29 ⁇ [Ti]: 0.0001% or less
- N * is an index indicating how much N such as solute N which is not fixed as TiN by Ti exists.
- “0.29” in the above formula represents the ratio of N atomic weight / Ti atomic weight in two significant digits. Since N which is not fixed as TiN, such as solute N, has the effect of deteriorating the corrosion resistance, it is recommended to reduce it as much as possible.
- N * is more preferably 0.00008% or less, still more preferably 0.00005% or less, and particularly preferably N * is negative (that is, N in the steel is considered to be fixed in its entirety). It is recommended.
- the steel material of the present invention contains the following elements. The reason for limiting the component range when these elements are contained will be described below.
- Cr 0.01 to 1.0%
- Mo 0.01 to 1.0%
- W 0.01 to 1.0% of one or more Cr, Mo, and W are effective elements for improving the corrosion resistance because they have an effect of enhancing the protection of rust and an effect of generating a compound that acts as an inhibitor during corrosion dissolution.
- the lower limit in the case of containing these elements is 0.01%. However, since it will degrade weldability and hot workability if it is contained excessively, each content needs to be 1.0% or less.
- the more preferable lower limit in the case of containing Cr, Mo, and W is 0.015%, respectively, and it is more preferable that 0.02% is set as the lower limit.
- the more preferable upper limit in the case of containing Cr, Mo, W is 0.95%, respectively, and it is more preferable that the upper limit is 0.90%.
- Nb 0.005 to 0.05%
- V 0.01 to 0.10%
- B One or more of 0.0001 to 0.005% Nb
- V and B are effective elements for improving the strength and can be added as necessary. However, if it is excessively contained, the base material toughness is deteriorated.
- the lower limit in the case of containing Nb is 0.005%, more preferably 0.006%, and most preferably 0.007%.
- the upper limit in the case of containing Nb is 0.05%, more preferably 0.045%, and most preferably 0.040%.
- V is contained, the lower limit is 0.01%, more preferably 0.012%, and most preferably 0.014%.
- the upper limit in the case of containing V is 0.10%, more preferably 0.095%, and most preferably 0.090%.
- the lower limit in the case of containing B is 0.0001%, more preferably 0.0002%, and most preferably 0.0003%.
- the upper limit in the case of containing B is 0.005%, more preferably 0.0045%, and most preferably 0.004%.
- the RH vacuum degassing apparatus is used to adjust the components to the chemical composition defined in the present invention and to perform secondary refining by adjusting the temperature. I do. Then, what is necessary is just to make a steel ingot by normal casting methods, such as a continuous casting method and an ingot-making method.
- killed steel it is preferable to use killed steel as the deoxidation form from the viewpoint of securing basic characteristics (mechanical characteristics and weldability) necessary for the steel material as a structural material, More preferably, it is recommended to use Al killed steel.
- the obtained steel ingot is heated to a temperature range of 1000 to 1300 ° C. and then hot rolled to obtain a desired size and shape.
- the hot rolling end temperature is controlled to 650 to 850 ° C.
- the cooling rate from the end of hot rolling to 500 ° C. is controlled within the range of 0.1 to 15 ° C./second or less, thereby obtaining predetermined strength characteristics. Can be obtained.
- the O content in steel can be reduced to 0.0010% (10 ppm by mass) or less by the progress of the component adjustment technology in recent years.
- the amount of elements (Si, Mn, Al) having a deoxidizing action defined in the present invention is added. It is recommended to take measures to reduce O, such as making the treatment time in the steelmaking process in which the deoxidation reaction proceeds appropriately longer than usual, or preventing reoxidation of molten steel.
- the welded joint of the present invention (hereinafter also referred to as “dissimilar material welded joint”) is a welded joint formed by welding two types of steel material A and steel material B having different chemical composition, and the steel material A and the steel material.
- One or both of the steel materials of B is the steel material of the present invention.
- the action of different metal contact corrosion can be suppressed, and the atmospheric corrosion environment (for example, the amount of incoming salt is 0.05 mg-NaCl / dm). It is now possible to provide a dissimilar weld joint with excellent corrosion resistance that can be suitably used for structures used in an atmospheric environment of 2 / day or less.
- various methods applied to ordinary steel structures such as covered arc welding, mag welding, submerged arc welding, TIG welding, self-shielded arc welding, electrogas arc welding, etc.
- a welding method is applicable.
- welding conditions such as the electric current at the time of welding, a voltage, and a welding speed, it is possible to select the normal conditions used with various welding methods according to the thickness of a steel material, the welding wire diameter to be used, etc.
- the component composition of the weld metal such as C, Si, and Mn.
- the component composition of the weld metal can be adjusted by the component composition of the welding material used during welding.
- C is in the range of 0.01 to 0.30%
- Si is in the range of 0.01 to 1.0%
- Mn is in the range of 0.1 to 2.0%. It is preferable to select the welding material so as to be contained in the weld metal.
- P and S are elements that deteriorate the weldability and the toughness of the welded portion, and are preferably reduced as much as possible.
- the composition of the welding material is such that the content of the weld metal is 0.03% or less. Is preferably adjusted.
- Cu and Ni are effective elements for improving the corrosion resistance of the welded portion, and it is preferable to add them to the welding material so that the total content of Cu and Ni in the weld metal is 0.4% or more. From the viewpoint of preventing red heat embrittlement due to Cu, it is preferable to adjust the contents of Cu and Ni in the welding material so that the Ni content in the weld metal is 1 ⁇ 2 or more of the Cu content. Furthermore, it is preferable from a corrosion-resistant viewpoint that Cu and Ni content of the welding material to be used are made into the middle of Cu + Ni total content of the steel materials A and B which are welded, or more than both.
- the weld metal contains Ti and Ca specified for the steel material of the present invention, You may contain Cr, Mo, W, etc.
- the dissimilar material welded joint of the present invention is basically used without coating (bare specification) even in a structure used in an atmospheric corrosive environment.
- Anticorrosion coatings include epoxy resin paints, phthalic acid resin paints, phenol resin paints, chlorinated rubber paints, urethane resin paints, silicon resin paints, fluororesin paints, acrylic resin paints, butyral resin paints, etc. Painting using can be applied. It is also possible to apply a plurality of different types of coatings.
- the coating material for forming the epoxy resin coating film is not particularly limited as long as it is used as an anticorrosion coating material, and any coating material that contains an epoxy resin as a vehicle may be used.
- any coating material that contains an epoxy resin as a vehicle may be used.
- an epoxy resin paint, a modified epoxy resin paint, a tar epoxy resin paint, and the like can be given.
- the chlorinated rubber-based coating film is not particularly limited as long as it is a coating film formed using a coating material mainly composed of chlorinated resin such as chlorinated rubber or chlorinated poroolefin.
- the coating film formed using coating materials such as a normal acrylic resin coating material, an acrylic emulsion resin coating material, an acrylic urethane type emulsion coating material, an acrylic silicon type emulsion coating material, an acrylic lacquer, can be used.
- a coating film formed using a polyurethane resin paint, a polyester urethane resin paint, a moisture-curing polyurethane resin paint, an epoxy urethane paint, a modified epoxy urethane resin paint, or the like can be used.
- the film thickness of the anticorrosion resin coating film depends on the type of paint and the usage environment, but it is recommended that the film thickness be about 20 to 400 ⁇ m, for example, as a dry film thickness. When used in an environment where the corrosiveness is extremely severe, it can be applied to a coating material having a film thickness exceeding 1000 ⁇ m.
- an etching primer, an inorganic zinc rich primer, an organic zinc rich primer, or the like to the steel material used for the dissimilar material welded joint of the present invention as a primary rust prevention treatment or paint base treatment of the steel material.
- the steel material used for the dissimilar material welded joint of the present invention can be applied in combination with a rust stabilization treatment or the like applied to a normal bare weatherproof steel.
- a rust and anticorrosion spraying technique for improving the anticorrosion property by forming a sprayed coating of Zn, Al, Mg or the like on the surface of the dissimilar material welded joint of the present invention.
- the metal to be sprayed include Zn, Al, Mg, or a metal material or an alloy material that is less basic than a steel material such as a Zn—Al alloy or an Al—Mg alloy, and the film thickness of the sprayed coating is about 100 to 200 ⁇ m. Although it is recommended, it is recommended to increase the film thickness to about 300 to 400 ⁇ m in environments where the corrosiveness becomes severe due to the application of snowmelt salt.
- thermal spraying method flame spraying or arc spraying can be applied, and as a post-treatment after thermal spraying, sealing such as epoxy resin, silicon resin, urethane resin, butyral resin or fluorine resin is used. It is possible to apply a sealing treatment by applying a treatment agent.
- the Cu + Ni content (XW) of the weld metal shown in Table 2 was obtained by changing the contents of Cu and Ni in the welding wire.
- a test piece for corrosion test (see FIG. 1) having a size of 70 mm ⁇ 30 mm ⁇ 5 mm was cut out from the dissimilar welded joint thus obtained so that the weld metal part was at the center.
- the width of the weld metal of the test piece is 10 mm. All test pieces were wet-polished to # 600 with emery paper on the entire surface, washed with acetone, and then subjected to the following corrosion test.
- Corrosion tests include a salt spray process (spraying 5 mass% NaCl aqueous solution at 30 ° C. for 0.5 hours), a wet process (30 ° C., humidity 95% RH, 1.5 hours), and a drying process (temperature 50 ° C., humidity 50). % RH, 4 hours) was repeated. The test period is 90 days. The number of test pieces tested is No. shown in Table 2. Three for each of the different types of weld joints 1 to 31.
- the corrosion resistance evaluation method for dissimilar welded joints is as follows. First, the change in mass of each test piece before and after the test was measured, and the average value of the three samples tested was determined, and this was evaluated as the average corrosion amount of the dissimilar welded joint. The mass measurement after the corrosion test was carried out after removing the corrosion products by a cathodic electrolysis method (JIS K8284) in a 10% by mass diammonium hydrogen citrate aqueous solution.
- Step heights DA and DB were measured.
- DA is the height of the step between the weld metal and steel A
- DB is the height of the step between the weld metal and steel B
- the height DA and DB of these steps is an index representing the degree of dissimilar metal contact corrosion. (See FIG. 2).
- Table 2 also shows the average corrosion amount and the difference in corrosion amount between the base metal and the weld metal (step height) DA and DB.
- the average corrosion amount is No. The relative value when the average corrosion amount of 1 is 100 is shown.
- the amount of corrosion is indicated as + when the base metal is ⁇ weld metal, and-when the base metal is weld metal.
- the overall evaluation is based on the following evaluation criteria.
- ⁇ The average corrosion amount is 70 or less, and both DA and DB are within ⁇ 10 ⁇ m.
- ⁇ to ⁇ The average corrosion amount is 50 or less, and both DA and DB are within ⁇ 10 ⁇ m.
- ⁇ The average corrosion amount is 50 or less, and both DA and DB are within ⁇ 5 ⁇ m.
- the DA and DB of the same type welded joint (No. 1) in which the steel materials of ordinary weathering steel M1 were welded together were 9 ⁇ m, but the steel materials of M2 to M7 and M1 of M1 not satisfying the definition of the component composition of the present invention No. which is a welded joint with steel. 2 to No.
- the average corrosion amount exceeds 100, and an increase in the corrosion amount due to the dissimilar metal contact corrosion is recognized.
- either one or both of these DA and DB exceed the range of ⁇ 10 ⁇ m, and it can be seen that there is a problem in corrosion resistance.
- both the steel material A and the steel material B satisfy dissimilar weld joints such as No. 12, no. No. 15 and the like have an average corrosion amount of 50 or less, and it can be seen that the corrosion resistance against different metal contact corrosion is further improved.
- the steel materials and welded joints of the present invention are suitable for steel structures in corrosive environments such as bridges, marine structures, civil engineering / building structures, ships, and the like, and are particularly used when welding dissimilar steel materials.
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Abstract
本発明の鋼材は、質量%で、C:0.01~0.30%、Si:0.1~1.0%、Mn:0.1~2.0%、P:0.04%以下、S:0.03%以下、Al:0.010~0.10%、Cu:0.3~3.0%、Ni:0.3~5.0%、Ti:0.010~0.10%、Ca:0.0005~0.0050%、N:0.0020~0.0080%、O:0.0010%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、下記式1で定義されるN*が0.0001%以下であり、耐異種金属接触腐食性に優れる。 式1:N*=[N]-0.29×[Ti] ただし、[ ]は各化学成分の含有量(質量%)である。
Description
本発明は、橋梁、海洋構造物、土木・建築構造物、船舶などに代表される腐食性環境における鋼構造物に用いられる鋼材および溶接継手に関するものであり、特に異種鋼材を溶接接合する際に用いられる鋼材および溶接継手に関するものであって、特に無塗装で用いられる鋼材および溶接継手に関するものである。
橋梁、海洋構造物、土木・建築構造物、船舶などの鋼構造物においては、使用される環境の腐食性に応じてさまざまな鋼材が使用されている。
例えば、腐食性が非常に低い山間部等の使用環境では、JISのSM規格に代表される通常の溶接構造用鋼が選定される。
また、飛来塩分量がNaCl換算で0.05mg/dm2/day(以下「mdd」とも略記する。)以下を一つの目安とする腐食性が比較的低い使用環境では、橋梁分野においてはJIS G 3114に規定されている耐候性鋼(以下「JIS耐候性鋼」と略記する。)が無塗装(裸仕様)で用いられている。そして、さらに腐食性の厳しい使用環境ではNi系耐候性鋼などのようにCuやNiなどの耐食性を向上させる合金元素の添加量を増加させた耐食性鋼材が使用環境の腐食性に応じて使用されている。これらの耐候性鋼や耐食鋼材は、構造物の建設コストの観点から、使用環境の腐食性に応じて最適な鋼材が選定されるが、場合によっては、さび安定化処理や重防食塗装等の表面処理を施して用いられている。
ところで、化学成分の異なる材料が溶接などにより接触した場合には、異種金属接触腐食により卑な方の鋼材または溶接金属の腐食が促進される可能性がある。溶接構造物においては、使用する溶接材料と母材の鋼材の化学成分は必ずしも同じではないため、溶接金属と母材との成分が異なることが通常である。よって、溶接継手部において異種金属接触腐食が発生する可能性があり、溶接部の耐食性確保は腐食寿命確保の上でも重要な課題である。このようなことから、溶接部の耐食性向上を目的とした溶接材料や溶接方法が提案されている(特許文献1、2参照)。
鋼材の腐食性は使用環境の温度、湿度、塩分量などの条件によってほぼ決定されるが、腐食性は構造物の部位によっても異なる。例えば、橋梁の桁内などの降雨が直接かからない水平方向に設置された鋼材の上面では、降雨が直接かかる外面の垂直設置部材に比べれば、飛来塩分の蓄積が顕著であり、比較的腐食衰耗が顕著である。このような鋼構造物の部位毎の腐食性が異なることを考慮して、例えば、腐食が厳しい橋梁桁内水平部材には耐食性に優れるNi系耐候性鋼を適用し、垂直部材にはJIS耐候性を適用するといった部位毎に鋼材を使い分けるニーズが建設コスト低減の観点から高まっている。
このように、構造物の部位毎に鋼材を使い分ける場合には、上述のように溶接部近傍での異種金属接触腐食の問題が生じる傾向がさらに強くなり、異種金属接触腐食の対策が必要であるが、従来技術では十分なものとは言えず、さらに効果的な対策が望まれている。
本発明は上述のような事情に着目してなされたものであって、その目的は、異種鋼材を溶接で接合する際に用いた場合にも良好な耐食性を有する鋼材および溶接継手を提供することにある。
請求項1に記載の発明は、
質量%で(以下、化学成分について同じ。)、
C :0.01~0.30%、
Si:0.1~1.0%、
Mn:0.1~2.0%、
P :0.04%以下、
S :0.03%以下、
Al:0.010~0.10%、
Cu:0.3~3.0%、
Ni:0.3~5.0%、
Ti:0.010~0.10%、
Ca:0.0005~0.0050%、
N :0.0020~0.0080%、
O :0.0010%以下、
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材であって、
下記式1で定義されるN*が0.0001%以下であることを特徴とする耐異種金属接触腐食性に優れた鋼材である。
式1:N*=[N]-0.29×[Ti]
ただし、[ ]は各化学成分の含有量(質量%)である。
質量%で(以下、化学成分について同じ。)、
C :0.01~0.30%、
Si:0.1~1.0%、
Mn:0.1~2.0%、
P :0.04%以下、
S :0.03%以下、
Al:0.010~0.10%、
Cu:0.3~3.0%、
Ni:0.3~5.0%、
Ti:0.010~0.10%、
Ca:0.0005~0.0050%、
N :0.0020~0.0080%、
O :0.0010%以下、
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材であって、
下記式1で定義されるN*が0.0001%以下であることを特徴とする耐異種金属接触腐食性に優れた鋼材である。
式1:N*=[N]-0.29×[Ti]
ただし、[ ]は各化学成分の含有量(質量%)である。
請求項2に記載の発明は、
さらに、
Cr:0.01~1.0%、
Mo:0.01~1.0%、
W :0.01~1.0%、
Nb:0.005~0.05%、
V :0.01~0.10%、
B :0.0001~0.005%の1種または2種以上
を含有する請求項1に記載の鋼材である。
さらに、
Cr:0.01~1.0%、
Mo:0.01~1.0%、
W :0.01~1.0%、
Nb:0.005~0.05%、
V :0.01~0.10%、
B :0.0001~0.005%の1種または2種以上
を含有する請求項1に記載の鋼材である。
請求項3に記載の発明は、
化学成分組成の異なる2種類の鋼材Aおよび鋼材Bを溶接して形成される溶接継手であって、前記鋼材Aおよび鋼材Bのいずれか一方または双方の鋼材が請求項1または2に記載の鋼材であることを特徴とする溶接継手である。
化学成分組成の異なる2種類の鋼材Aおよび鋼材Bを溶接して形成される溶接継手であって、前記鋼材Aおよび鋼材Bのいずれか一方または双方の鋼材が請求項1または2に記載の鋼材であることを特徴とする溶接継手である。
請求項4に記載の発明は、
前記鋼材A、前記鋼材Bおよび溶接金属のCu+Ni合計含有量をそれぞれ、XA、XBおよびXWとした場合に、下記式2および式3の双方を満足する請求項3に記載の溶接継手である。
式2:|XA―XW|≦1.0%
式3:|XB―XW|≦1.0%
前記鋼材A、前記鋼材Bおよび溶接金属のCu+Ni合計含有量をそれぞれ、XA、XBおよびXWとした場合に、下記式2および式3の双方を満足する請求項3に記載の溶接継手である。
式2:|XA―XW|≦1.0%
式3:|XB―XW|≦1.0%
請求項5に記載の発明は、
大気腐食環境で使用される構造物に用いられる請求項1または2に記載の鋼材である。
大気腐食環境で使用される構造物に用いられる請求項1または2に記載の鋼材である。
請求項6に記載の発明は、
大気腐食環境で使用される構造物に用いられる請求項3または4に記載の溶接継手である。
大気腐食環境で使用される構造物に用いられる請求項3または4に記載の溶接継手である。
請求項7に記載の発明は、
前記大気腐食環境は、飛来塩分量が0.05mg-NaCl/dm2/day以下の大気環境である請求項5に記載の鋼材である。
前記大気腐食環境は、飛来塩分量が0.05mg-NaCl/dm2/day以下の大気環境である請求項5に記載の鋼材である。
請求項8に記載の発明は、
前記大気腐食環境は、飛来塩分量が0.05mg-NaCl/dm2/day以下の大気環境である請求項6に記載の溶接継手である。
前記大気腐食環境は、飛来塩分量が0.05mg-NaCl/dm2/day以下の大気環境である請求項6に記載の溶接継手である。
本発明の鋼材は、その化学成分として、特にTiN量が適切に調整されているとともに、NおよびO含有量が低減されているので、これらの相乗作用として異種金属接触時のカソード反応を抑制することができ、接触する相手材との電位差が比較的大きい場合にも異種金属接触による腐食促進を抑制できるため、耐腐食性に優れており、異種鋼材を接合する際に好適に用いることができる。
また、本発明の溶接継手は、異種鋼材を接合する際にその少なくとも一方の鋼材に上記本発明の鋼材を用いているので、上記作用の結果として耐腐食性に優れており、大気腐食環境で使用される構造物に好適に用いることができる。
以下、本発明を実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
本発明者らは橋梁などの鋼構造物に適用できる低合金耐食鋼材について、化学成分組成(以下、単に「成分組成」ともいう。)の異なる鋼材を接合した場合における耐食性確保について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
すなわち、異種金属接触腐食は、接触する鋼材同士の間または母材と溶接金属との間の腐食電位の差異に起因して発生し、異種金属間で電気化学セルが形成され、卑な方の金属では溶解反応を主体とするアノード反応が促進される。一方、異種金属接触時の貴な方の金属では溶存酸素や水素イオンの還元反応を主体とするカソード反応が促進され、このカソード反応が卑な方の金属のアノードをより一層促進する。このような異種金属接触腐食が発生すると卑な方の金属では腐食が促進されるのみでなく、貴な方では溶存酸素の還元反応で生じる局所的なアルカリ化や水素イオンの還元反応で生じる水素ガスなどにより、安定な保護性さびが形成されにくくなるため、全体の耐食性は極度に劣化する。
発明者らは種々検討の結果、異種金属接触させる鋼材の成分組成として、特にTiN量を適切に調整することと、NおよびO含有量を低減することの相乗作用として異種金属接触時のカソード反応を抑制することができ、接触する相手材との電位差が比較的大きい場合にも異種金属接触による腐食促進を抑制できることを見出した。さらに、腐食電位は、鋼材および溶接金属の化学成分組成、中でも鋼材および溶接金属のCuおよびNiの含有量が支配的であり、異種金属間(各鋼材と溶接金属との間)のCu+Ni合計含有量の差異を1.0%以内とすることにより異種金属接触腐食の作用を大きく抑制できることを見出した。このような知見を、CuやNi添加などの従来の大気腐食環境における耐食性(耐候性)の向上技術と組み合わせることにより、大気腐食環境において裸仕様での異種金属接触状態で適用できることがわかった。
構造用材料としての鋼材には、異種金属接触腐食に対する耐食性以外にも鋼材自身の耐食性や機械特性や溶接性などの諸特性を満足させる必要があり、上記のCu、Niに加えて、C、Si、Mn、Al、P、Sなどの含有量など、鋼材の成分組成を適正化する必要がある。
〔鋼材の成分組成〕
以下に本発明の鋼材におけるこれら基本含有元素の成分範囲の限定理由について説明する。
以下に本発明の鋼材におけるこれら基本含有元素の成分範囲の限定理由について説明する。
・C:0.01~0.30%
Cは材料の機械特性を向上させる効果があり、強度確保のために必要な元素である。このような効果を得るためには0.01%以上含有させる必要がある。しかし、Cを過剰に含有させると、カソードサイトとして作用するセメンタイトの生成量が多くなって、耐食性が劣化する。このようなCの悪影響を避けるためには、C含有量は0.30%以下とする必要がある。こうしたことから、C含有量の範囲は0.01~0.30%とした。なお、C含有量の好ましい下限は0.02%であり、より好ましくは0.03%以上とするのがよい。また、C含有量の好ましい上限は0.29%であり、より好ましくは0.28%以下とするのがよい。
Cは材料の機械特性を向上させる効果があり、強度確保のために必要な元素である。このような効果を得るためには0.01%以上含有させる必要がある。しかし、Cを過剰に含有させると、カソードサイトとして作用するセメンタイトの生成量が多くなって、耐食性が劣化する。このようなCの悪影響を避けるためには、C含有量は0.30%以下とする必要がある。こうしたことから、C含有量の範囲は0.01~0.30%とした。なお、C含有量の好ましい下限は0.02%であり、より好ましくは0.03%以上とするのがよい。また、C含有量の好ましい上限は0.29%であり、より好ましくは0.28%以下とするのがよい。
・Si:0.1~1.0%
Siは脱酸と強度確保のため必要な元素であり、0.1%に満たないと量産時に必要なO含有量が達成できない場合が多くなり、構造部材としての最低強度も確保できない。しかし、1.0%を超えて過剰に含有させると溶接性が劣化する。なお、Si含有量のより好ましい下限は0.12%であり、さらに好ましい下限は0.15%である。また、Si含有量のより好ましい上限は0.95%であり、さらに好ましい上限は0.90%である。
Siは脱酸と強度確保のため必要な元素であり、0.1%に満たないと量産時に必要なO含有量が達成できない場合が多くなり、構造部材としての最低強度も確保できない。しかし、1.0%を超えて過剰に含有させると溶接性が劣化する。なお、Si含有量のより好ましい下限は0.12%であり、さらに好ましい下限は0.15%である。また、Si含有量のより好ましい上限は0.95%であり、さらに好ましい上限は0.90%である。
・Mn:0.1~2.0%
MnもSiと同様に脱酸および強度確保のために必要な元素であり、0.1%に満たないと量産時に必要なO含有量が達成できない場合が多くなり、構造部材としての最低強度も確保できない。しかし、2.0%を超えて過剰に含有させると靱性が劣化する。なお、Mn含有量のより好ましい下限は0.15%であり、さらに好ましい下限は0.20%である。また、Mn含有量のより好ましい上限は1.9%であり、さらに好ましい上限は1.8%である。
MnもSiと同様に脱酸および強度確保のために必要な元素であり、0.1%に満たないと量産時に必要なO含有量が達成できない場合が多くなり、構造部材としての最低強度も確保できない。しかし、2.0%を超えて過剰に含有させると靱性が劣化する。なお、Mn含有量のより好ましい下限は0.15%であり、さらに好ましい下限は0.20%である。また、Mn含有量のより好ましい上限は1.9%であり、さらに好ましい上限は1.8%である。
・P:0.04%以下
Pは靭性や溶接性を劣化させる元素であり、可能な限り低減することが推奨されるが、許容されるP含有量の上限は0.04%である。P含有量はより好ましくは0.038%以下、さらに好ましくは0.035%以下とすることが推奨される。
Pは靭性や溶接性を劣化させる元素であり、可能な限り低減することが推奨されるが、許容されるP含有量の上限は0.04%である。P含有量はより好ましくは0.038%以下、さらに好ましくは0.035%以下とすることが推奨される。
・S:0.03%以下
SもPと同様に靭性や溶接性を劣化させる元素であり、可能な限り低減することが推奨されるが、許容されるS含有量の上限は0.03%である。S含有量はより好ましくは0.029%以下、さらに好ましくは0.028%以下とすることが推奨される。
SもPと同様に靭性や溶接性を劣化させる元素であり、可能な限り低減することが推奨されるが、許容されるS含有量の上限は0.03%である。S含有量はより好ましくは0.029%以下、さらに好ましくは0.028%以下とすることが推奨される。
・Al:0.010~0.10%
AlもSi、Mnと同様に脱酸および強度確保のために必要な元素である。0.010%に満たないと量産時に必要なO含有量が達成できない場合が多くなり、構造部材としての最低強度も確保できない。しかし、0.10%を超えて添加すると溶接性を害するため、Al含有量の範囲は0.010~0.10%とした。なお、Al含有量のより好ましい下限は0.011%であり、さらに好ましい下限は0.012%である。また、Al含有量のより好ましい上限は0.09%であり、さらに好ましい上限は0.08%である。
AlもSi、Mnと同様に脱酸および強度確保のために必要な元素である。0.010%に満たないと量産時に必要なO含有量が達成できない場合が多くなり、構造部材としての最低強度も確保できない。しかし、0.10%を超えて添加すると溶接性を害するため、Al含有量の範囲は0.010~0.10%とした。なお、Al含有量のより好ましい下限は0.011%であり、さらに好ましい下限は0.012%である。また、Al含有量のより好ましい上限は0.09%であり、さらに好ましい上限は0.08%である。
・Cu:0.3~3.0%
Cuは鋼材表面に緻密なさび皮膜を形成して腐食の進展を抑制する作用を有しており、母材自身の耐食性向上に必要な元素である。また、防食塗装を併用する場合には、塗膜傷部において緻密なさび皮膜を形成して腐食を抑制し、傷部劣化進展を抑制する作用も有する。このような効果を有効に発揮させるためには、0.3%以上含有させることが必要であるが、過剰に含有させると溶接性や熱間加工性が劣化することから、3.0%以下とする必要がある。Cu含有量の好ましい下限は0.32%であり、より好ましい下限は0.35%である。また、Cu含有量の好ましい上限は2.8%であり、より好ましい上限は2.6%である。
Cuは鋼材表面に緻密なさび皮膜を形成して腐食の進展を抑制する作用を有しており、母材自身の耐食性向上に必要な元素である。また、防食塗装を併用する場合には、塗膜傷部において緻密なさび皮膜を形成して腐食を抑制し、傷部劣化進展を抑制する作用も有する。このような効果を有効に発揮させるためには、0.3%以上含有させることが必要であるが、過剰に含有させると溶接性や熱間加工性が劣化することから、3.0%以下とする必要がある。Cu含有量の好ましい下限は0.32%であり、より好ましい下限は0.35%である。また、Cu含有量の好ましい上限は2.8%であり、より好ましい上限は2.6%である。
・Ni:0.3~5.0%
NiはCuと同様に鋼材表面に緻密なさび皮膜を形成して腐食の進展を抑制する作用を有しており、母材自身の耐食性向上に必要な元素である。また、Niは母材靱性を向上させるのにも有効であり、さらに、Cuによる赤熱脆性を防止するのにも必要な元素である。こうした効果を有効に発揮させるためにはNiは0.3%以上含有させることが必要である。しかしながら、添加量が過剰になると溶接性や熱間加工性が劣化することから、Niは5.0%以下とすることが必要である。Ni含有量の好ましい下限は0.32%であり、より好ましい下限は0.35%である。Ni含有量の好ましい上限は4.8%であり、より好ましい上限は4.6%である。
NiはCuと同様に鋼材表面に緻密なさび皮膜を形成して腐食の進展を抑制する作用を有しており、母材自身の耐食性向上に必要な元素である。また、Niは母材靱性を向上させるのにも有効であり、さらに、Cuによる赤熱脆性を防止するのにも必要な元素である。こうした効果を有効に発揮させるためにはNiは0.3%以上含有させることが必要である。しかしながら、添加量が過剰になると溶接性や熱間加工性が劣化することから、Niは5.0%以下とすることが必要である。Ni含有量の好ましい下限は0.32%であり、より好ましい下限は0.35%である。Ni含有量の好ましい上限は4.8%であり、より好ましい上限は4.6%である。
・Ti:0.010~0.10%
TiはNとの共存によりTiNを形成してカソード反応を抑制し、自身および接触する鋼材の異種金属接触による腐食促進を防止する作用を有する。また、微細で緻密なさび皮膜を形成する作用も有しており、耐食性向上に必要な元素である。こうした効果を有効に発揮させるためにはTiは0.010%以上含有させることが必要である。しかしながら、添加量が過剰になると溶接性や熱間加工性が劣化することから、Tiは0.10%以下とすることが必要である。Ti含有量の好ましい下限は0.011%であり、より好ましい下限は0.012%である。Ti含有量の好ましい上限は0.09%であり、より好ましい上限は0.08%である。
TiはNとの共存によりTiNを形成してカソード反応を抑制し、自身および接触する鋼材の異種金属接触による腐食促進を防止する作用を有する。また、微細で緻密なさび皮膜を形成する作用も有しており、耐食性向上に必要な元素である。こうした効果を有効に発揮させるためにはTiは0.010%以上含有させることが必要である。しかしながら、添加量が過剰になると溶接性や熱間加工性が劣化することから、Tiは0.10%以下とすることが必要である。Ti含有量の好ましい下限は0.011%であり、より好ましい下限は0.012%である。Ti含有量の好ましい上限は0.09%であり、より好ましい上限は0.08%である。
・Ca:0.0005~0.0050%
Caは腐食溶解時にpHを上昇させ、局所的な酸性化による腐食促進を抑制する作用を有しており、耐食性を向上するのに有効な元素である。こうした効果を有効に発揮させるためにはCaは0.0005%以上含有させることが必要である。しかしながら、添加量が過剰になると溶接性や加工性が劣化することから、Caは0.0050%以下とすることが必要である。Ca含有量の好ましい下限は0.0006%であり、より好ましい下限は0.0007%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0045%であり、より好ましい上限は0.0040%である。
Caは腐食溶解時にpHを上昇させ、局所的な酸性化による腐食促進を抑制する作用を有しており、耐食性を向上するのに有効な元素である。こうした効果を有効に発揮させるためにはCaは0.0005%以上含有させることが必要である。しかしながら、添加量が過剰になると溶接性や加工性が劣化することから、Caは0.0050%以下とすることが必要である。Ca含有量の好ましい下限は0.0006%であり、より好ましい下限は0.0007%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0045%であり、より好ましい上限は0.0040%である。
・N:0.0020~0.0080%
NはTiとの共存によりTiNを形成してカソード反応を抑制し、自身および接触する鋼材の異種金属接触による腐食促進を防止する作用を有する。こうした効果を有効に発揮させるためにはNは0.0020%以上含有させることが必要である。しかしながら、TiNを形成しないNはカソード反応を促進して、異種金属接触腐食を促進するため有害であり、Ti含有量とともに適正化が必要である。また、TiNとして固定したとしてもN添加量が過剰になると溶接性や加工性が劣化することから、Nは0.0080%以下とすることが必要である。N含有量の好ましい下限は0.0022%であり、より好ましい下限は0.0025%である。N含有量の好ましい上限は0.0075%であり、より好ましい上限は0.0070%である。
NはTiとの共存によりTiNを形成してカソード反応を抑制し、自身および接触する鋼材の異種金属接触による腐食促進を防止する作用を有する。こうした効果を有効に発揮させるためにはNは0.0020%以上含有させることが必要である。しかしながら、TiNを形成しないNはカソード反応を促進して、異種金属接触腐食を促進するため有害であり、Ti含有量とともに適正化が必要である。また、TiNとして固定したとしてもN添加量が過剰になると溶接性や加工性が劣化することから、Nは0.0080%以下とすることが必要である。N含有量の好ましい下限は0.0022%であり、より好ましい下限は0.0025%である。N含有量の好ましい上限は0.0075%であり、より好ましい上限は0.0070%である。
・O:0.0010%以下
鋼中のOはカソード反応を促進して、接触する鋼材の異種金属接触腐食を増大させる作用があるため、耐食性に有害な元素であり、可能な限り低減することが推奨される。許容されるO含有量の上限は0.0010%であるが、O含有量はより好ましくは0.0009%以下、さらに好ましくは0.0008%以下とすることが推奨される。
鋼中のOはカソード反応を促進して、接触する鋼材の異種金属接触腐食を増大させる作用があるため、耐食性に有害な元素であり、可能な限り低減することが推奨される。許容されるO含有量の上限は0.0010%であるが、O含有量はより好ましくは0.0009%以下、さらに好ましくは0.0008%以下とすることが推奨される。
・N*=[N]-0.29×[Ti]:0.0001%以下
N*はTiによりTiNとして固定されていない固溶NなどのNがどの程度存在するかを表す指標である。ここに、上記式中の「0.29」はN原子量/Ti原子量の比を有効数字2桁で表示したものである。固溶NなどのTiNとして固定されていないNは耐食性を劣化させる作用があるため、可能な限り低減することが推奨される。N*を0.0001%以下とすることにより、鋼中のNはほとんどTiNとして固定でき、必要な耐食性を満足させることができる。なお、N*はより好ましくは0.00008%以下、さらに好ましくは0.00005%以下、特に好ましくはN*がマイナス(即ち、鋼中のNは全量固定されていると考えられる状態)とすることが推奨される。
N*はTiによりTiNとして固定されていない固溶NなどのNがどの程度存在するかを表す指標である。ここに、上記式中の「0.29」はN原子量/Ti原子量の比を有効数字2桁で表示したものである。固溶NなどのTiNとして固定されていないNは耐食性を劣化させる作用があるため、可能な限り低減することが推奨される。N*を0.0001%以下とすることにより、鋼中のNはほとんどTiNとして固定でき、必要な耐食性を満足させることができる。なお、N*はより好ましくは0.00008%以下、さらに好ましくは0.00005%以下、特に好ましくはN*がマイナス(即ち、鋼中のNは全量固定されていると考えられる状態)とすることが推奨される。
以上が、本発明の鋼材における基本含有元素の成分範囲の限定理由であり、残部はFeおよび不可避的不純物である。不可避的不純物は鋼材の諸特性を害さない程度で含有していても構わないが、合計で0.1%以下、好ましくは0.09%以下に抑えることによって、本発明の耐食性発現効果を極大化することができる。
また、本発明の鋼材に、以下に示す元素を含有させればさらに有効である。これらの元素を含有させる場合の成分範囲の限定理由について次に説明する。
・Cr:0.01~1.0%、
Mo:0.01~1.0%、
W :0.01~1.0%の1種または2種以上
Cr、MoおよびWはさびの保護性を高める作用や腐食溶解時にインヒビターとなる化合物を生成する作用を有しており、耐食性向上に有効な元素である。これらの元素を含有させる場合の下限はそれぞれ0.01%である。しかし、過剰に含有させると溶接性や熱間加工性を劣化させるため、含有量はそれぞれ1.0%以下とする必要がある。Cr、Mo、Wを含有させる場合のより好ましい下限はそれぞれ0.015%であり、それぞれ0.02%を下限とすることがさらに好ましい。Cr、Mo、Wを含有させる場合のより好ましい上限はそれぞれ0.95%であり、それぞれ0.90%を上限とすることがさらに好ましい。
Mo:0.01~1.0%、
W :0.01~1.0%の1種または2種以上
Cr、MoおよびWはさびの保護性を高める作用や腐食溶解時にインヒビターとなる化合物を生成する作用を有しており、耐食性向上に有効な元素である。これらの元素を含有させる場合の下限はそれぞれ0.01%である。しかし、過剰に含有させると溶接性や熱間加工性を劣化させるため、含有量はそれぞれ1.0%以下とする必要がある。Cr、Mo、Wを含有させる場合のより好ましい下限はそれぞれ0.015%であり、それぞれ0.02%を下限とすることがさらに好ましい。Cr、Mo、Wを含有させる場合のより好ましい上限はそれぞれ0.95%であり、それぞれ0.90%を上限とすることがさらに好ましい。
・Nb:0.005~0.05%、
V :0.01~0.10%、
B :0.0001~0.005%の1種または2種以上
Nb、VおよびBは強度向上に有効な元素であり、必要に応じて添加することができる。しかし、過剰に含有させると母材靭性を劣化させる。Nbを含有させる場合の下限は、0.005%であり、さらに好ましい下限は0.006%であり、0.007%を下限とすることが最も好ましい。Nbを含有させる場合の上限は、0.05%であり、さらに好ましい上限は0.045%であり、0.040%を上限とすることが最も好ましい。Vを含有させる場合の下限は、0.01%であり、さらに好ましい下限は0.012%であり、0.014%を下限とすることが最も好ましい。Vを含有させる場合の上限は、0.10%であり、さらに好ましい上限は0.095%であり、0.090%を上限とすることが最も好ましい。Bを含有させる場合の下限は0.0001%、さらに好ましい下限は0.0002%であり、0.0003%を下限とすることが最も好ましい。Bを含有させる場合の上限は0.005%、さらに好ましい上限は0.0045%であり、0.004%を上限とすることが最も好ましい。
V :0.01~0.10%、
B :0.0001~0.005%の1種または2種以上
Nb、VおよびBは強度向上に有効な元素であり、必要に応じて添加することができる。しかし、過剰に含有させると母材靭性を劣化させる。Nbを含有させる場合の下限は、0.005%であり、さらに好ましい下限は0.006%であり、0.007%を下限とすることが最も好ましい。Nbを含有させる場合の上限は、0.05%であり、さらに好ましい上限は0.045%であり、0.040%を上限とすることが最も好ましい。Vを含有させる場合の下限は、0.01%であり、さらに好ましい下限は0.012%であり、0.014%を下限とすることが最も好ましい。Vを含有させる場合の上限は、0.10%であり、さらに好ましい上限は0.095%であり、0.090%を上限とすることが最も好ましい。Bを含有させる場合の下限は0.0001%、さらに好ましい下限は0.0002%であり、0.0003%を下限とすることが最も好ましい。Bを含有させる場合の上限は0.005%、さらに好ましい上限は0.0045%であり、0.004%を上限とすることが最も好ましい。
〔鋼材の製造方法〕
本発明の耐異種金属接触腐食性に優れた鋼材を確実に製造するには、例えば、以下に説明する方法により製造すればよい。
本発明の耐異種金属接触腐食性に優れた鋼材を確実に製造するには、例えば、以下に説明する方法により製造すればよい。
まず、転炉または電気炉から取鍋に出鋼した溶鋼に対して、RH真空脱ガス装置を用いて、本発明で規定する化学成分組成に成分調整するとともに、温度調整することで二次精錬を行う。その後、連続鋳造法、造塊法等の通常の鋳造方法で鋼塊とすればよい。なお、鋼材のO含有量を低減するとともに、構造用材料としての鋼材に必要な基本特性(機械的特性や溶接性)を確保する観点から、脱酸形式としてはキルド鋼を用いることが好ましく、さらに好ましくはAlキルド鋼を用いることが推奨される。
次いで、得られた鋼塊を1000~1300℃の温度域に加熱した後に熱間圧延を行って所望の寸法形状にすることが好ましい。このとき熱間圧延終了温度を650~850℃に制御し、熱間圧延終了後から500℃までの冷却速度を0.1~15℃/秒以下の範囲に制御することによって、所定の強度特性を得ることができる。
なお、近年の成分調整技術の進展により鋼中のO含有量は0.0010%(10質量ppm)以下に低減できるようになっているが、O量調整を特段意識しない場合には、通常の成分調整方法では鋼材のO含有量は本発明で規定する0.0010%を超えてしまう場合もあることから、本発明で規定する脱酸作用を有する元素(Si、Mn、Al)の添加量を調整する以外に、脱酸反応が進行する製鋼プロセスにおける処理時間を通常よりも適宜長時間としたり、溶鋼の再酸化を防止するなどのO低減対策を施すことが推奨される。
〔溶接継手〕
また、本発明の溶接継手(以下「異材溶接継手」ともいう。)は、化学成分組成の異なる2種類の鋼材Aおよび鋼材Bを溶接して形成される溶接継手であって、鋼材Aおよび鋼材Bのいずれか一方または双方の鋼材が上記本発明の鋼材であることを特徴とするものである。このように異種鋼材の少なくとも一方に上記本発明の鋼材を用いたことで、異種金属接触腐食の作用を抑制することができ、大気腐食環境(例えば、飛来塩分量が0.05mg-NaCl/dm2/day以下の大気環境)で使用される構造物にも好適に用いることができる、耐腐食性に優れた異材溶接継手が提供できるようになった。
また、本発明の溶接継手(以下「異材溶接継手」ともいう。)は、化学成分組成の異なる2種類の鋼材Aおよび鋼材Bを溶接して形成される溶接継手であって、鋼材Aおよび鋼材Bのいずれか一方または双方の鋼材が上記本発明の鋼材であることを特徴とするものである。このように異種鋼材の少なくとも一方に上記本発明の鋼材を用いたことで、異種金属接触腐食の作用を抑制することができ、大気腐食環境(例えば、飛来塩分量が0.05mg-NaCl/dm2/day以下の大気環境)で使用される構造物にも好適に用いることができる、耐腐食性に優れた異材溶接継手が提供できるようになった。
本発明の異材溶接継手を得るための溶接方法としては、被覆アーク溶接、マグ溶接、サブマージアーク溶接、ティグ溶接、セルフシールドアーク溶接、エレクトロガスアーク溶接など、通常の鋼構造物に適用される各種の溶接方法が適用可能である。また、溶接時の電流、電圧、溶接速度などの溶接条件については、鋼材の厚さや用いる溶接ワイヤ径などに応じて、各種溶接方法で用いられる通常の条件を選定することが可能である。
ただし、溶接部の強度や靭性などの構造物として必要な基本特性を満足させるために、溶接金属のC、Si、Mnなどの成分組成も調整することが好ましい。溶接金属の成分組成は溶接の際に用いる溶接材料の成分組成により調整することができる。
より具体的には、溶接部の強度を確保する観点からCは0.01~0.30%、Siは0.01~1.0%、Mnは0.1~2.0%の範囲で溶接金属中に含有されるように溶接材料を選定することが好ましい。また、PおよびSは溶接性および溶接部の靭性を劣化させる元素であり、できる限り低減することが好ましく、溶接金属中にそれぞれ0.03%以下の含有量となるように溶接材料の成分組成を調整することが好ましい。
また、CuおよびNiは溶接部の耐食性向上に有効な元素であり、溶接金属のCuおよびNiの合計含有量が0.4%以上となるように溶接材料に添加することが好ましい。Cuによる赤熱脆性を防止する観点から、溶接金属中のNiの含有量がCuの含有量の1/2以上となるように溶接材料のCuおよびNiの含有量を調整することが好ましい。さらに、用いる溶接材料のCuおよびNi含有量は、溶接する鋼材Aおよび鋼材BのCu+Ni合計含有量の中間とするかまたは双方より多くすることが耐食性の観点から好ましい。
特に、鋼材A、鋼材Bおよび溶接金属のCu+Ni合計含有量をそれぞれ、XA、XBおよびXWとした場合に、下記式2および式3の双方を満足させることがより好ましい。
式2:|XA―XW|≦1.0%
式3:|XB―XW|≦1.0%
このように、各鋼材と溶接金属の間のCu+Ni合計含有量の差異を1.0%以内とすることで、異種金属接触腐食の作用をさらに抑制できるようになり、大気腐食環境(例えば、飛来塩分量が0.05mg-NaCl/dm2/day以下の大気環境)で使用される構造物にも好適に用いることができる、より耐腐食性に優れた異材溶接継手が提供できるようになった。
式2:|XA―XW|≦1.0%
式3:|XB―XW|≦1.0%
このように、各鋼材と溶接金属の間のCu+Ni合計含有量の差異を1.0%以内とすることで、異種金属接触腐食の作用をさらに抑制できるようになり、大気腐食環境(例えば、飛来塩分量が0.05mg-NaCl/dm2/day以下の大気環境)で使用される構造物にも好適に用いることができる、より耐腐食性に優れた異材溶接継手が提供できるようになった。
なお、腐食性の厳しい環境で使用する場合には、溶接金属に本発明の鋼材に対して規定したTiやCaが含有されるように溶接材料の成分組成を調整することが可能であり、さらにCr、Mo、Wなどを含有させてもよい。
〔変形例:塗装および表面処理〕
本発明の異材溶接継手は、大気腐食環境で使用される構造物においても無塗装(裸仕様)で用いることを基本とするものであるが、例えば腐食性の厳しい環境で使用するような場合には、通常の防食塗装と併用することも可能である。防食塗膜としては、エポキシ樹脂系塗料、フタル酸樹脂系塗料、フェノール樹脂系塗料、塩化ゴム系塗料、ウレタン樹脂塗料、シリコン樹脂系塗料、フッ素樹脂系塗料、アクリル樹脂塗料、ブチラール樹脂系塗料などを用いた塗装が適用できる。また、種類の異なる複数の塗装を重ね塗りすることも可能である。
本発明の異材溶接継手は、大気腐食環境で使用される構造物においても無塗装(裸仕様)で用いることを基本とするものであるが、例えば腐食性の厳しい環境で使用するような場合には、通常の防食塗装と併用することも可能である。防食塗膜としては、エポキシ樹脂系塗料、フタル酸樹脂系塗料、フェノール樹脂系塗料、塩化ゴム系塗料、ウレタン樹脂塗料、シリコン樹脂系塗料、フッ素樹脂系塗料、アクリル樹脂塗料、ブチラール樹脂系塗料などを用いた塗装が適用できる。また、種類の異なる複数の塗装を重ね塗りすることも可能である。
上記エポキシ樹脂系塗膜の形成用塗料としては、防食塗料として用いられるものであれば、特に限定されず、ビヒクルとしてエポキシ樹脂を含むものであればよい。例えば、エポキシ樹脂塗料、変性エポキシ樹脂塗料、タールエポキシ樹脂塗料などが挙げられる。塩化ゴム系塗膜も、塩化ゴムや塩素化ポロオレフィンなどの塩素化樹脂を主原料としてなる塗料を用いて形成した塗膜であればよく、特に限定されない。また、アクリル樹脂塗膜としては、通常のアクリル樹脂塗料、アクリルエマルジョン樹脂塗料、アクリルウレタン系エマルジョン塗料、アクリルシリコン系エマルジョン塗料、アクリルラッカーなどの塗料を用いて形成した塗膜が使用できる。ウレタン樹脂塗膜としては、例えばポリウレタン樹脂塗料、ポリエステルウレタン樹脂塗料、湿気硬化ポリウレタン樹脂塗料、エポキシウレタン塗料、変性エポキシウレタン樹脂塗料、などを用いて形成した塗膜を使用できる。
防食樹脂塗膜の膜厚は、塗料の種類と使用環境にもよるが、乾燥膜厚で、例えば20~400μm程度の厚さとすることが推奨される。腐食性の非常に厳しい環境で使用する場合には、1000μmを超える膜厚にて塗装する塗料にも適用が可能である。
また、本発明の異材溶接継手に用いる鋼材には、エッチングプライマー、無機ジンクリッチプライマや有機ジンクリッチプライマなどを鋼材の一次防錆処理あるいは塗装下地処理として塗布することも可能である。
また、本発明の異材溶接継手に用いる鋼材には、通常の裸仕様の耐候性鋼に適用される錆安定化処理などを組み合わせて適用することも可能である。
また、本発明の異材溶接継手には、Zn、Al、Mgなどの溶射被膜を表面に形成して防食性を高める防錆・防食溶射技術を適用することも可能である。溶射する金属としては、Zn、Al、Mg、または、Zn-Al合金やAl-Mg合金などの鋼材よりも卑な金属材料や合金材料が例示でき、溶射被膜の膜厚は100~200μm程度が推奨されるが、融雪塩散布などにより腐食性が厳しくなる環境では300~400μm程度まで厚膜化することが推奨される。溶射方法としては、フレーム溶射やアーク溶射などの方法が適用可能であり、溶射後の後処理として、エポキシ樹脂系、シリコン樹脂系、ウレタン樹脂系、ブチラール樹脂系塗料またはフッ素樹脂系などの封孔処理剤塗布による封孔処理を適用することが可能である。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含されるものである。
〔供試材の作製〕
表1に示す種々の成分組成の鋼材を真空溶解炉により溶製し、50kgの鋼塊とした。得られた鋼塊を1150℃に加熱した後、熱間圧延を行って、寸法が600mm×80mm×12mmの溶接継手作製用素材を切り出した。表1の中から2種の溶接継手作製用素材を選定して、サブマージアーク溶接法により突合せ溶接し、異種鋼材の溶接継手(異種溶接継手)を作製した。鋼材の組み合わせは表2に示す通りである。なお、用いた溶接ワイヤは、0.05C-0.3Si-1.0Mn-0.012P-0.005S鋼をベースにCuおよびNiを適宜添加したワイヤであり、溶接ワイヤ中のCuおよびNiの含有量は表2に示す通りである。このように溶接ワイヤ中のCuおよびNiの含有量を変化させて、表2に示す溶接金属のCu+Ni合計含有量(XW)を得た。このようにして得られた異種溶接継手から、溶接金属部が中心になるように寸法が70mm×30mm×5mmの腐食試験用テストピース(図1参照)を切り出した。テストピースの溶接金属の幅は10mmである。すべてのテストピースは、全面をエメリー紙で#600まで湿式研磨し、アセトン洗浄をしてから、以下の腐食試験に供した。
表1に示す種々の成分組成の鋼材を真空溶解炉により溶製し、50kgの鋼塊とした。得られた鋼塊を1150℃に加熱した後、熱間圧延を行って、寸法が600mm×80mm×12mmの溶接継手作製用素材を切り出した。表1の中から2種の溶接継手作製用素材を選定して、サブマージアーク溶接法により突合せ溶接し、異種鋼材の溶接継手(異種溶接継手)を作製した。鋼材の組み合わせは表2に示す通りである。なお、用いた溶接ワイヤは、0.05C-0.3Si-1.0Mn-0.012P-0.005S鋼をベースにCuおよびNiを適宜添加したワイヤであり、溶接ワイヤ中のCuおよびNiの含有量は表2に示す通りである。このように溶接ワイヤ中のCuおよびNiの含有量を変化させて、表2に示す溶接金属のCu+Ni合計含有量(XW)を得た。このようにして得られた異種溶接継手から、溶接金属部が中心になるように寸法が70mm×30mm×5mmの腐食試験用テストピース(図1参照)を切り出した。テストピースの溶接金属の幅は10mmである。すべてのテストピースは、全面をエメリー紙で#600まで湿式研磨し、アセトン洗浄をしてから、以下の腐食試験に供した。
〔腐食試験方法〕
腐食試験として、塩水噴霧過程(30℃の5質量%NaCl水溶液を0.5時間噴霧)、湿潤過程(30℃、湿度95%RH、1.5時間)、乾燥過程(温度50℃、湿度50%RH、4時間)を繰り返す複合サイクル試験を実施した。試験期間は90日間である。供試したテストピースの数量は、表2に示すNo.1~31の異種溶接継手について各々3枚ずつである。
腐食試験として、塩水噴霧過程(30℃の5質量%NaCl水溶液を0.5時間噴霧)、湿潤過程(30℃、湿度95%RH、1.5時間)、乾燥過程(温度50℃、湿度50%RH、4時間)を繰り返す複合サイクル試験を実施した。試験期間は90日間である。供試したテストピースの数量は、表2に示すNo.1~31の異種溶接継手について各々3枚ずつである。
異種溶接継手の耐食性評価方法は以下の通りである。まず、各々のテストピースの試験前後の質量変化を測定し、供試した3枚の平均値を求め、これを異種溶接継手の平均腐食量として評価した。なお、腐食試験後の質量測定は、10質量%クエン酸水素二アンモニウム水溶液中での陰極電解法(JIS K8284)により腐食生成物を除去してから行った。
次いで、腐食試験後の質量測定の後、テストピース中央断面における溶接金属と母材(鋼材Aまたは鋼材B)との界面付近を顕微鏡観察し、溶接金属と母材との腐食量の差異により生じる段差の高さDAおよびDBを測定した。DAは溶接金属と鋼材Aとの段差の高さ、DBは溶接金属と鋼材Bとの段差の高さであり、これらの段差の高さDAとDBを異種金属接触腐食の度合いを表す指標とした(図2参照)。
〔試験結果〕
表2に腐食試験による平均腐食量および母材と溶接金属との腐食量の差異(段差の高さ)DAおよびDBを併記する。なお、平均腐食量はNo.1の平均腐食量を100としたときの相対値で示している。DAおよびDBについては、腐食量が母材<溶接金属の場合を+、母材>溶接金属の場合を-として示している。
表2に腐食試験による平均腐食量および母材と溶接金属との腐食量の差異(段差の高さ)DAおよびDBを併記する。なお、平均腐食量はNo.1の平均腐食量を100としたときの相対値で示している。DAおよびDBについては、腐食量が母材<溶接金属の場合を+、母材>溶接金属の場合を-として示している。
総合評価は下記の評価基準によるものである。
○ :平均腐食量が70以下であり、かつ、DAとDBの双方が±10μm以内であること
○~◎:平均腐食量が50以下であり、かつ、DAとDBの双方が±10μm以内であること
◎ :平均腐食量が50以下であり、かつ、DAとDBの双方が±5μm以内であること
○ :平均腐食量が70以下であり、かつ、DAとDBの双方が±10μm以内であること
○~◎:平均腐食量が50以下であり、かつ、DAとDBの双方が±10μm以内であること
◎ :平均腐食量が50以下であり、かつ、DAとDBの双方が±5μm以内であること
通常の耐候性鋼M1の鋼材同士を溶接した同種溶接継手(No.1)のDAおよびDBはともに9μmであったが、本発明の成分組成の規定を満足しないM2~M7の鋼材とM1の鋼材との溶接継手であるNo.2~No.7の異種溶接継手はいずれも平均腐食量が100を超えており、異種金属接触腐食による腐食量の増大が認められる。また、これらのDAとDBはいずれか一方または双方が±10μmの範囲を超えており、耐食性に問題があることがわかる。
これらに対して、鋼材成分が本発明の規定を満たすNo.8~No.31の異材溶接継手はいずれも平均腐食量が70以下になっており、同種溶接継手であるNo.1に対して大幅な改善が認められる。また、これらのDAおよびDBは双方とも±10μm以内であり、異種金属接触腐食が抑制された結果であることがわかる。
特に、鋼材Aと鋼材Bの双方ともが本発明の規定を満たす異種溶接継手、例えばNo.12、No.15などは平均腐食量が50以下となっており、異種金属接触腐食に対する耐食性はより改善されることがわかる。
さらに、各母材と溶接金属とのCu+Ni含有量の差異をともに1.0%以内としたNo.16などは、DAとDBの双方が±5μm以内であり、異種金属接触腐食に対する耐食性が大幅に向上する結果を示している。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、2012年2月28日出願の日本特許出願(特願2012-042179)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本出願は、2012年2月28日出願の日本特許出願(特願2012-042179)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明の鋼材および溶接継手は、橋梁、海洋構造物、土木・建築構造物、船舶などの腐食性環境における鋼構造物用として好適であり、特に異種鋼材を溶接接合する際に用いられる。
Claims (8)
- 質量%で(以下、化学成分について同じ。)、
C :0.01~0.30%、
Si:0.1~1.0%、
Mn:0.1~2.0%、
P :0.04%以下、
S :0.03%以下、
Al:0.010~0.10%、
Cu:0.3~3.0%、
Ni:0.3~5.0%、
Ti:0.010~0.10%、
Ca:0.0005~0.0050%、
N :0.0020~0.0080%、
O :0.0010%以下、
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材であって、下記式1で定義されるN*が0.0001%以下であることを特徴とする耐異種金属接触腐食性に優れた鋼材。
式1:N*=[N]-0.29×[Ti]
ただし、[ ]は各化学成分の含有量(質量%)である。 - さらに、
Cr:0.01~1.0%、
Mo:0.01~1.0%、
W :0.01~1.0%
Nb:0.005~0.05%、
V :0.01~0.10%、
B :0.0001~0.005%の1種または2種以上
を含有する請求項1に記載の鋼材。 - 化学成分組成の異なる2種類の鋼材Aおよび鋼材Bを溶接して形成される溶接継手であって、前記鋼材Aおよび鋼材Bのいずれか一方または双方の鋼材が請求項1または2に記載の鋼材であることを特徴とする溶接継手。
- 前記鋼材A、前記鋼材Bおよび溶接金属のCu+Ni合計含有量をそれぞれ、XA、XBおよびXWとした場合に、下記式2および式3の双方を満足する請求項3に記載の溶接継手。
式2:|XA―XW|≦1.0%
式3:|XB―XW|≦1.0% - 大気腐食環境で使用される構造物に用いられる請求項1または2に記載の鋼材。
- 大気腐食環境で使用される構造物に用いられる請求項3または4に記載の溶接継手。
- 前記大気腐食環境は、飛来塩分量が0.05mg-NaCl/dm2/day以下の大気環境である請求項5に記載の鋼材。
- 前記大気腐食環境は、飛来塩分量が0.05mg-NaCl/dm2/day以下の大気環境である請求項6に記載の溶接継手。
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