JP3999344B2

JP3999344B2 - スケール中のクラック発生が少なく耐食性に優れた建築構造用熱延鋼帯とその製造方法

Info

Publication number: JP3999344B2
Application number: JP11098398A
Authority: JP
Inventors: 滋前田; 章夫山本; 泉武藤
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Stainless Steel Corp
Priority date: 1998-04-21
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: JPH11302800A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は戸建て住宅、集合住宅、大型建築物、ビルディングや橋梁等の建造物の構造部材として用いられる鋼材とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
建築物の安全基準の厳格化や機能性の追求等により、柱や梁用などの鋼材には、高機能化が一層求められている。中でも耐食性は構造物の耐用年数を左右する重要な因子であり、その特性向上が要求され、さびの発生を解消した建築構造用ステンレス鋼が注目されてきた。
【０００３】
構造用としては、耐食性や靱性に優れるＳＵＳ３０４（１８Ｃｒ−８Ｎｉ）の使用実績が多い。しかし、ステンレス鋼はＣｒやＮｉなどの高価な元素を多量に必要とするため素材コストや製造コストは高価であり、機能的には優れるものの経済性には問題がある。そこで、さびや腐食の発生は不可避であるものの安価でかつ腐食の進行を抑制し、腐食量を最小限に抑えた鋼材が開発されている。
【０００４】
例えば、特開昭６０−１６２５０７号公報には、普通鋼のスラブの表面スケールを除去し、ガラス紙を付着して粗圧延した後、ガラスの溶融皮膜を除去して仕上げ圧延を行い、密着性と耐食性に優れた黒皮スケール皮膜を製造する方法が開示されている。
【０００５】
また、特開平８−１９９２８９号公報には、０．５０〜１．５０％のＣｒを含有した鋼において熱間圧延工程において母材とスケール間にクロム酸化膜を有する厚さ１０μｍ以下の酸化スケールを有するＨ形鋼が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭６０−１６２５０７号公報記載の発明はガラス紙の付着と剥離に伴い工程が増加し、生産能力の低下が避けられず、製造コストが上昇するため、耐食性は改善されるものの経済性には問題が残る。
【０００７】
また、特開平８−１９９２８９号公報記載の発明は、従来耐食性が劣る普通鋼の表面に、耐食性に優れた酸化物層を生成させる技術である。したがって、酸化物層を貫通して腐食が進行するようになると、耐食性向上の効果が失われるため、湿潤環境において長期間にわたり普通鋼以下の低い腐食速度を維持することは不可能であり、建築物の長期耐久性を向上させることは不可能である。
【０００８】
ところで、建築物の柱や梁などの構造材を考えた場合、腐食環境は、外装材ができあがるまでとその後の２つの期間に大別される。後者は外気の自由な流入が外装材や内装材により規制されるため腐食環境としてはあまり厳しくない。むしろ、時間は短いものの風雨や埃などに直接曝される前者の期間の方が環境の腐食性は厳しい。また、外装材の施工が終了するまでに、鋼材表面にさびが発生すると、その後外装材が形成された後も、さび層下で腐食が進行しやすいという問題が生じる。すなわち、実質的に構造材の耐久性を支配しているのは、さび発生に対する耐食性である。したがって、構造物に耐食性を付与する最も経済的な手法は、素材の加工および施工期間の防食性能のみを高めることが最も効果的である。
【０００９】
一般的な鋼材の初期防錆処理として、さび止め油を塗布することが広く行われている。しかしながら、スケールが存在する熱延鋼帯あるいはスケールを酸洗により除去した熱延酸洗板に単純にさび止め油を塗布しただけでは、異物との機械的な接触により油膜は簡単に除去されてしまい、施工に先立って工場で行われる鋼材の穴あけや曲げなどの加工時や実際の施工段階において、充分な耐食性を付与することは不可能である。したがって、安価に施工期間の耐さび性を向上させるには、異物との接触や疵などに対してもさび止め油の効果が持続することが必要である。
【００１０】
このさび止め油の効果を持続させるため、本発明者は施工時の加工等でスケールにクラックが発生せず、金属面が露出しない熱延鋼帯の開発を目指し、鋼組成とその製造条件を詳細に検討して本願発明に至った。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願発明の要旨は、以下の通りである。
建築構造用としての施工期間中の耐食性を備えるために、
（１）質量％で、
Ｃ：０．００５％〜０．１％、Ｓｉ：０．３％〜１．５％、
Ｍｎ：０．０５％〜１．５％、Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．０５％以下、Ｎ：０．０５５以下
Ｃｒ：１０．５８〜１５％を含有し、かつＣ＋Ｎ：０．１％以下であり、
残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、スケールから下地金属にかけてＳｉＯ_２を膜状あるいは塊状に厚さ０．１μｍ〜１μｍで成形させることを特徴とするスケール中のクラック発生が少なく、耐食性に優れた建築構造用の熱延鋼帯。
【００１２】
（２）質量％で、
Ｍｏ：０．１〜２．５％、Ｃｕ：０．１〜２．５％、
Ｎｉ：０．１〜２．５％
の１種以上をさらに含有することを特徴とする（１）記載のスケール中のクラック発生が少なく、耐食性に優れた建築構造用の熱延鋼帯。
【００１３】
（３）鋳片を１１００〜１３００℃の温度域に再加熱した後に、８００℃以上で熱間圧延を終了して、５５０℃以上で巻き取り、その後５５０℃以上に３４分以上保持した後に冷却することを特徴とする（１）又は（２）に記載のスケール中のクラック発生が少なく、耐食性に優れた建築構造用の熱延鋼帯を製造する方法。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本願発明を詳細に説明する。
前述したようにさび止め油を施工中も安定的に存在させるためには、スケール付き熱延鋼帯の場合では、施工時の加工等でスケールが剥離せず、さび止め油が塗布されていない金属面が露出させないことが重要である。これを満足する熱延鋼帯を製造するための方法として、本発明者等は熱間圧工程でスケールと下地金属界面に有効元素を濃化させ、密着性を著しく向上させる技術を検討した。
【００１５】
そこで、Ｃｒ量が１２％であるフェライト系ステンレス鋼をベ−スとして、Ｍｎ、Ｓｉ等の各種元素の添加量を変えた鋼を製造し、１１００〜１３００℃の範囲で加熱後、８００℃以上で熱延を終了し、５５０℃以上で巻き取ることにより熱延鋼帯を製造した。これらを９０゜曲げ試験を行い、その後圧縮応力の加わる内面側、および引張応力が加わる外面側にセロテ−プを張り、次いでそれをはがして残存する鋼表面に残存するスケールの面積率( 鋼板表面の単位面積当たりに残るスケール付着面積) を求めた。
【００１６】
各種添加元素の中で、密着性に顕著な効果が認められたのはＳｉであり、その結果を図１に示す。Ｓｉ量０．３％以上ではスケール残存面積率が１００％であり、スケール剥離がなく、またスケールにクラックも発生しない密着性に優れた熱延鋼板が得られた。この原因を明らかにするために、Ｓｉ量の異なる熱延鋼帯のスケールと下地金属界面を光学顕微鏡により観察し、ＥＰＭＡおよびオ−ジェ電子分光装置によりＳｉの濃化状態、さらにＸ線回折によりＳｉの存在状態を詳細に解析した。その結果、Ｓｉ添加により下地金属の界面付近にＳｉＯ₂の内部酸化物が形成するが、０．３％未満では界面に点状に分布するだけで、ＳｉＯ₂としての平均厚さも０．１μｍ以下であった。
【００１７】
一方、９０゜曲げによってもスケール剥離は発生しなかった０．３％以上のＳｉを添加した鋼ではＳｉＯ₂がスケールと下地金属界面に膜状あるいは塊状に密に存在し、その厚さも０．１μｍから１μｍ程度であった。このＳｉＯ₂による密着性向上の詳細についての詳細は不明な点もあるが、
（１）ＳｉＯ₂が０．１μｍ〜１μｍ程度の成長することにより、金属界面の凹凸が増して、アンカ−効果で密着性が著しく向上する。
【００１８】
（２）ＳｉＯ₂が金属相とスケールの両相にまたがるように成長することにより、スケールと下地金属との結合力をさらに増加させる
ためであると考えられる。いずれにしても、Ｓｉを０．３％以上添加し、前述した加熱温度、熱延温度、捲取り温度で製造した場合、スケール剥離はもちろん加工によるクラックの発生を防止できるとの新たな知見を得るに至った。
【００１９】
さらに、付随したＳｉＯ₂形成の利点として、上記のＳｉを添加した熱延鋼帯を酸洗した後、さび止め油を塗布し、その後、工具で酸洗板表面にあえて疵を付けても疵部にさび止め油が回り込み、疵部をさび止め油で修復できることを確認した。これはＳｉＯ₂形成による金属表面の凹凸の増大により、疵部周辺の凹部に存在していたさび止め油が疵部に回る込むためと考えられる。
【００２０】
次に、本願発明の溶鋼の成分範囲と製造方法の限定理由について述べる。
Ｃは、鋼の強度を向上させる元素ために有効な元素である。しかし、０．００５％未満では、構造用鋼として必要な強度を得ることができない。また、０．１％を超える過剰の添加は、母材靭性や溶接熱影響部の靭性を著しく低下させる。このため、下限を０．００５％、上限を０．１％とした。
【００２１】
Ｓｉは、脱酸剤として鋼中の固溶酸素を低減し熱間加工性を確保するため溶鋼に添加する必要がある。しかし、０．３％未満では上述したように熱延鋼帯のスケールの密着性向上には効果がなく、一方、１．５％を超えて添加すると母材と溶接部の靭性を損なうため、下限を０．３％、上限を１．５％とした。
【００２２】
Ｍｎは、脱酸剤および脱硫剤として溶鋼に添加する必要がある。０．０５％未満では所定の効果が得られない。一方、１．５％を超えて添加すると母材と溶接部の靭性や割れ性を損なうため、下限を０．０５％、上限を１．５％とした。
【００２３】
Ｐは、多量に存在すると溶接性を害するのみならず、さび発生を促進する現象が現れる。そのため、０．０４％以下に限定した。
【００２４】
Ｓは、主にＭｎＳなどの硫黄系介在物として、さびの起点となるだけではなく、腐食速度を高める原因にもなる。さらに、粒界に偏析し熱間加工性を害する。そのため、０．０５％％以下に規制する必要がある。Ｓは不純物として少ないほど好ましい。
【００２５】
Ｎは、不可避的不純物元素であり、鋼の強度を向上させるのに有効であるが、０．０５５％を超える過剰の添加は、マルテンサイト相を硬質化し、溶接熱影響部の靭性を著しく低下させ、溶接時に割れを生じることもある。上限を０．０５５％とした。
【００２６】
Ｃｒは、大気環境において、腐食の発生抑制と腐食速度を低減する効果を有する。特に、さび発生の抑制に関しては、酸化スケールに含浸されたさび止め油と相乗効果を発揮する。また、一旦腐食が起こり、さび層が形成された際にも、さび層下での鋼材の全面腐食の速度を低減する作用がある。しかし、Ｃｒ添加量が１０．５８％未満では、さび発生抑制と腐食速度低減に関してその効果が弱い。一方、過度に添加すると原材料費や製錬費用がかさむため、経済性が低下する。以上の点から下限を１０．５８％、上限を１５％とした。
【００２７】
Ｍｏ、Ｃｕ、およびＮｉは、Ｃｒと同様に大気環境において、腐食の発生抑制と腐食速度を低減する効果を有する。したがって、Ｃｒ添加による耐食性向上効果が弱い際には、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉの内１種以上を添加する必要がある。但し、その量が少ないと効果が弱く、過度に添加すると原材料費や製造費用などが増し経済性が低下する。そこで、下限を０．１％、上限を２．５％とした。
【００２８】
ところで、鋼中の化学成分を上述した範囲に規制し、通常の方法で熱間圧延を行っただけでは、本願発明でのＳｉ酸化物の形成を有効に作用させることができない。このような従来にない特性を発揮させるためには、上記の鋼の化学組成と併せて、以下に述べる製造方法により鋼板金属表面、および生成する酸化スケールの性状を制御する必要がある。
【００２９】
本発明においては、まず、上述した範囲の化学組成からなる溶鋼を鋳造し、次に、１１００〜１３００℃の温度域に再加熱する。加熱温度が１１００℃未満では、加熱中に形成するＳｉＯ₂量が少なく、続く熱間圧延工程でも不十分成長せず、厚さ０．１μｍ以上のＳｉＯ₂を界面に存在させることが出来ない。また、１１００℃未満の加熱では続く熱間圧延時の圧延反力が増加し、製造性でも問題である。一方、上限は加熱炉の性能と経済性から１３００℃とした。
【００３０】
加熱した鋳片は粗圧延、仕上げ圧延により所定の厚さに制御するが、スケールと下地金属との密着性に有効となるＳｉＯ₂の成長を促進する点から、仕上げ圧延終了温度を８００℃以上とする、しかしながら、１０００℃を超えての仕上げは、鋼板の結晶粒が粗大化し構造材料として必要な靭性が低下するため、それ以下が好ましい。
【００３１】
さらに、仕上げ圧延後の捲取り温度は前記した仕上げ圧延温度と同様、高い程ＳｉＯ２の成長に効果があるため、５５０℃以上とした。また、捲き取り後、熱延板に形成したＦｅ系酸化物およびＦｅとＣｒの複合酸化物の変態によるスケール性状の安定化を図るため、３４分以上の保定が必要である。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００３３】
表１の試作鋼を転炉溶製し、連続鋳造により鋳片に鋳造した。その後、加熱炉で再加熱後、粗圧延機および仕上げ圧延機で厚さ３mmまで圧延しコイル状に巻き取った。その後、コイルは保熱炉に入れ所定の温度に保持した。また、製造した熱延鋼帯を通常の酸洗ラインにより酸洗した。
【００３４】
さび止め油はハケで塗布し、常温で３時間乾燥させた。また使用したさび止め油として、ＪＩＳＫ２２４６に記載されている溶剤希釈形さび止め油３種１号を用いた。
【００３５】
耐さび性については、以下の方法で評価した。大きさ１００mm×７０mmに切断した鋼材に、さび止め油をハケで塗布し、常温で３時間乾燥させた。その後、１ｔあるいは２ｔでの４５゜〜１３５゜曲げを行い、その後、３５℃に加熱した５％ＮａＣｌ水溶液を１００時間噴霧した。さび発生の程度は、肉眼で赤さびの状態を観察した。また、曲げ加工後に超硬工具で疵を入れ、それに３５℃に加熱した５％ＮａＣｌ水溶液を１００時間噴霧する実験も行い、疵部でのさび発生状態を肉眼で観察した。
【００３６】
本願発明のＮｏ．１〜３、５ではさび発生が殆ど認められず、比較として記載したＮｏ．９〜１３ではさびが著しく発生した。
【００３７】
【表１】
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、戸建て住宅、集合住宅、大型建築物、ビルディングや橋梁等の建造物の構造部材として用いられるさび止め油の効果を充分に生かした耐食性に優れる鋼材を安価に供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓｉ添加量と９０℃曲げ試験後のスケール剥離面積の関係を示した図である。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．００５％〜０．１％、
Ｓｉ：０．３％〜１．５％、
Ｍｎ：０．０５％〜１．５％、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．０５％以下、
Ｎ：０．０５５以下、
Ｃｒ：１０．５８〜１５％を含有し、かつ
Ｃ＋Ｎ：０．１％以下であり、
残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、スケールから下地金属にかけてＳｉＯ_２を膜状あるいは塊状に厚さ０．１μｍ〜１μｍで成形させることを特徴とするスケール中のクラック発生が少なく、耐食性に優れた建築構造用の熱延鋼帯。
質量％で、
Ｍｏ：０．１〜２．５％、
Ｃｕ：０．１〜２．５％、
Ｎｉ：０．１〜２．５％
の１種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載のスケール中のクラック発生が少なく、耐食性に優れた建築構造用の熱延鋼帯。
鋳片を１１００〜１３００℃の温度域に再加熱した後に、８００℃以上で熱間圧延を終了して、５５０℃以上で巻き取り、その後５５０℃以上に３４分以上保持した後に冷却することを特徴とする請求項１又は２に記載のスケール中のクラック発生が少なく、耐食性に優れた建築構造用の熱延鋼帯を製造する方法。