説明

溶接用ステンレス鋼板およびステンレス溶接製品

【課題】ステンレス鋼板を用いた溶接製品の隙間腐食を、めっき層によって有効に抑制することにある。
【解決手段】ステンレス鋼板と、該ステンレス鋼板の少なくとも一方の面に形成された、Zn及びNiを含む合金からなるめっき層と、を有する溶接用ステンレス鋼板、及び、ステンレス鋼板と、該ステンレス鋼板の少なくとも一方の面に形成された、Zn又はZnを含む合金からなる第一のめっき層、及び、Ni又はNiを含む合金からなる第二のめっき層と、を有する溶接用ステンレス鋼板。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、溶接用ステンレス鋼板、すなわち、他の部材と溶接して用いるのに特に適したステンレス鋼板に関する。
また、本発明は、ステンレス鋼板と他の部材とを溶接することにより製造された製品に関する。
【背景技術】
【0002】
ステンレス鋼は、優れた耐食性を有するため、屋根・外装材、厨房製品等、屋外や湿度の高い場所で使用される製品に幅広く利用されている。しかし、ステンレス鋼により製造された製品といえども、海岸地帯や融雪塩散布地帯等の塩素イオンが多く存在する環境で使用したり、塩素イオンを含有する水溶液に長期間晒したりすると、製品が構造上不可避的に有する隙間部においていわゆる隙間腐食が起きる。
【0003】
ステンレス鋼の隙間腐食を抑制する方法として、合金組成を改良する方法、すなわち、Cr、Mo、Ni等の耐食性向上元素の含有量を高めて、ステンレス鋼自体の耐食性を向上させる方法が知られている。
しかし、耐食性向上元素の含有量の増加はステンレス鋼の製造コストの上昇を招く。また、フェライト系ステンレス鋼においては、オーステナイト系ステンレス鋼と比較して腐食が起こりやすく、耐食性向上元素の含有量を増加させてもその耐食性を十分向上させることは難しい。
【0004】
また、鋼一般の隙間腐食を抑制する方法として、鋼板の表面にAl、Zn等の金属のめっき層を設け、これらの金属による犠牲防食作用を利用する方法が知られている(例えば、特許文献1)。犠牲防食作用とは、Feよりもイオン化傾向の大きい金属がFeより先に犠牲溶解することにより、Feの腐食を防ぐ作用である。
めっき層の犠牲防食作用により隙間腐食を抑制する方法は、鋼の種類によらず有効であり、この方法によれば耐食性向上元素の含有量が少ない安価なステンレス鋼も高耐食性の製品に使用できるようになるため、製造コストの観点からも好ましい方法である。
【0005】
【特許文献1】特開平1−132792号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、めっき層を形成したステンレス鋼板に対して溶接を行うと、溶接時にステンレス鋼板に加えられる熱(溶接入熱)により溶着部(溶融接合部)近傍のめっき層が蒸散し、犠牲防食機能が低下するという問題がある。
特に、溶着部近傍は、鋼板の反りや割れ、例えば、溶解金属により誘発されるオーステナイト系ステンレス鋼の液体金属脆化割れ等、に起因した隙間が形成されやすい場所でもある。そのため、溶着部近傍におけるめっき層の蒸散による犠牲防食機能の低下は、隙間腐食の抑制にとっては致命的な問題である。
【0007】
このように、溶接製品に対しては、めっき層の犠牲防食作用による隙間腐食の抑制が機能しないので、高度の耐食性が要求される溶接製品の製造には、耐食性向上元素を多量に含む高価な高耐食性ステンレス鋼を利用せざるを得ないというのが現状である。
【0008】
そこで、本発明の目的は、ステンレス鋼板を用いた溶接製品の隙間腐食を、めっき層によって有効に抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者らは、めっき層の防食作用について鋭意研究した結果、Znめっき層をステンレス鋼板に形成した場合には、Znの犠牲溶解による犠牲防食作用に加えて、下地鋼に普通鋼を用いた場合には観察されない、Znの犠牲溶解により生成された腐食生成物による防食作用も発現されるという知見を得た。このZnの腐食生成物による防食作用は、主に、Znの腐食生成物(主に、酸化亜鉛及び水酸化亜鉛よりなる)がステンレスの腐食過程における陰極反応である酸素還元反応を抑制すること、及び、Znの腐食生成物のうちの水酸化亜鉛が解離してpH緩衝作用を示し、pHの低下を防いで腐食が進行しにくい環境を作ること、の2つ作用によるものと推測される。
【0010】
このZnの腐食生成物による防食作用は、とりわけ、隙間腐食の抑制に有効である。
すなわち、隙間腐食は、以下の(1)〜(3)のような悪循環により進行すると考えられる;
(1)隙間内外の酸素濃度差に起因して濃淡電池が形成され、酸素濃度の低い隙間内のステンレス鋼が陽極となって腐食が進行し、
(2)隙間内における腐食が進行することにより、ステンレス鋼から溶解した金属イオン、特に、Crイオン、が加水分解反応を起こして隙間内のpHを低下させ、腐食を促進し、
(3)pHが低下した隙間内の電気的中性を保つため、隙間外から隙間内にCl-イオンが侵入してCl-濃度の濃縮が生じる結果、さらに過酷な腐食環境となる。
これに対し、隙間内にZnの腐食生成物が存在すると、以下の(2´)、(3´)のような作用により、腐食の促進が抑制されると推測される;
(2´)水酸化亜鉛のpH緩衝作用により、ステンレス鋼から溶解した金属イオンによるpHの低下を抑制し、
(3´)pHの低下が抑制されるため、隙間内のCl-の濃縮が抑制できる。
特に、Znの腐食生成物は、Cl-濃度が高い場合に生成されやすいので、この点においても、隙間腐食の抑制に適している。
【0011】
本発明者らは、このZnの腐食生成物の防食作用が隙間腐食の抑制に極めて有効であることに着目して、Zn含有めっき層を形成したステンレス鋼板の溶接について鋭意検討を続けたところ、Zn含有めっき層にNiを共存させると、Niは溶接入熱によっても蒸散せずに溶着部近傍においてNi被膜を形成しステンレス鋼板の表面を被覆し、溶着部近傍がNi被膜により被覆されているとZnが蒸散して消失しても隙間腐食が抑制されること、を見い出した。
【0012】
溶着部近傍がNi被膜により被覆されていると、Znが蒸散して消失しているにもかかわらず隙間腐食が抑制される理由は明らかではないが、
1.Ni被膜がステンレス鋼表面のスケールを被覆することにより防食すること、
2.Niの腐食生成物である水酸化ニッケルが非常に良好なpH緩衝作用を示し溶着部近傍のpHの低下を抑制すること、
3.Znの腐食生成物による防食作用が隙間腐食の抑制に極めて有効であること、
の3つの作用の相乗効果によって、溶着部近傍の周囲に残るZnめっき層による防食作用が、溶着部近傍に対しても有効に作用することによると推測される。
【0013】
以上のような現象は、一般の防食用めっきにおいては、めっき層が蒸散して消失した場合、その周囲にめっき層が残っていても消失した部分には防食作用が及ばないことに照らすと、全く予想外のことであった。
【0014】
そして、本発明者らは、このような現象、すなわち、ステンレス鋼板に形成したZn含有めっき層にNiを共存させることにより、ステンレス鋼板の溶接製品における隙間腐食を抑制することができることを利用して、本発明を完成するに至った。
【0015】
本発明の溶接用ステンレス鋼板は、以下のとおりである。
[1]ステンレス鋼板と、該ステンレス鋼板の少なくとも一方の面に形成された、Zn及びNiを含む合金からなるめっき層と、を有する溶接用ステンレス鋼板。
[2]ステンレス鋼板と、該ステンレス鋼板の少なくとも一方の面に形成された、Zn又はZnを含む合金からなる第一のめっき層、及び、Ni又はNiを含む合金からなる第二のめっき層と、を有する溶接用ステンレス鋼板。
[3]なお、上記溶接用ステンレス鋼板におけるステンレス鋼板中のCrの含有量は、18質量%以下とすることができる。
【0016】
また、本発明の溶接製品は、以下のとおりである。
[4]本発明の溶接用ステンレス鋼板と、他の部材とを溶接することにより製造された製品。
[5]ステンレス鋼板と他の部材とを溶接することにより製造された製品であって、Zn又はZnを含む合金からなるめっき層が、該製品の隙間内の少なくとも一部に存在しNi被膜が、該製品のステンレス鋼板と他の部材の溶着部近傍の少なくとも一部に存在する、製品。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、隙間腐食が起こりにくいステンレス溶接製品を提供することができる。
さらに、本発明によれば、Cr、Mo等の高価な耐食性向上元素を多量に含まない安価なステンレス鋼を用いて、高耐食性の溶接製品を製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
以下に、本発明について具体的に説明する。
まず、本発明における、ステンレス鋼について説明する。
本発明において、ステンレス鋼とは、Crを含有するFe−C系合金をいう。その金属組織に限定はなく、オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系、2相系等、いかなる金属組織であってもよい。
【0019】
また、本発明において、ステンレス鋼の組成に限定はなく、Crを含有するFe−C系合金であればいかなる組成であってもよい。本発明においては、溶接を行ってもめっき層の防食作用が有効に機能し、ステンレス鋼の隙間腐食が抑制されるから、ステンレス鋼板としてそれ自体が高耐食性である高価なものを利用しなくてもよい。したがって、本発明においては、例えば、耐食性向上元素であるCrの含有量が18質量%以下、さらには、16質量%以下であるような比較的耐食性の低い安価なフェライト系、マルテンサイト系ステンレス鋼板を用いることもできる。
【0020】
本発明において、ステンレス鋼板には、ステンレス鋼からなる板状体に加え、これらをプレス成形加工や打ち抜き加工等により各種部品の形状に成形したものも含む。
【0021】
次に、本発明の溶接用ステンレス鋼板について説明する。
本発明の溶接用ステンレス鋼板の第一の実施態様は、ステンレス鋼板にZn及びNiを含む合金からなるめっき層を形成するものであり、Zn含有めっき層にNiを添加することにより、Niを共存させる態様である。
第一の実施態様における、ZnとNiを含む合金は、少なくともZnとNiを含む合金であればよく、その組成に特に限定はない。具体例としては、例えば、ZnとNiのみからなる二元合金や、Zn、Ni以外のその他の合金成分、例えば、Fe、Co、Mg、Al等、を含む3元以上の合金が挙げられる。
【0022】
ZnとNiを含む合金の組成は、Znを50質量%以上含むものであることが好ましい。また、Niの含有量に上限に限定はないが、Niは異常型共析型の金属であるため、Niを高濃度で含む合金のめっき層の形成は難しい。このような観点から、ZnとNiを含む合金の組成は、Niの含有量が5〜20質量%、Zn、Ni以外のその他の金属成分の総含有量が0〜20質量%、残部がZnであることが好ましい。
【0023】
本発明の溶接用ステンレス鋼板の第二の実施態様は、ステンレス鋼板にZn又はZnを含む合金からなる第一のめっき層と、Ni又はNiを含む合金からなる第二のめっき層を形成するものであり、Zn含有めっき層とは別にNi含有めっき層を設けることにより、Niを共存させる態様である。
第二の実施態様における、Znを含む合金、Niを含む合金は、それぞれ、Zn、Niを含む合金であればよく、その組成に特に限定はない。具体例としては、例えば、Zn、Ni以外のその他の合金成分、例えば、Fe、Co、Mg、Al等、を含む合金が挙げられる。これらのその他の合金成分の総含有量は20質量%以下であることが好ましい。
【0024】
また、Zn又はZnを含む合金からなる第一のめっき層と、Ni又はNiを含む合金からなる第二のめっき層の積層順に限定はないが、溶着部近傍におけるNi被膜の形成を確実にするという観点からは、Ni又はNiを含む合金からなる第二のめっき層の方がステンレス鋼板表面に近い位置に形成されていることが好ましい。特に、Ni又はNiを含む合金からなる第二のめっき層が、ステンレス鋼板表面に直接形成されている場合には、溶着部近傍におけるNi被膜がより強固に形成され、隙間防食効果が長期間維持されるので好ましい。
【0025】
本発明の溶接用ステンレス鋼板において、ステンレス鋼板に対するZn、Niの付着量に特に限定はないが、Znの付着量が十分でないと、犠牲防食作用、Znの腐食生成物による防食作用が十分に発現されず、隙間腐食を抑制することができない。また、Niの付着量が十分でないと、溶着部近傍がNi被膜によって完全に被覆されず、ステンレス鋼板表面のスケールが露出し、そこから隙間腐食が進行してしまう。
したがって、ステンレス鋼板片面あたりのZnの総付着量は4.5g/m2以上であることが好ましく、Niの総付着量は0.5g/m2以上であることが好ましい。より好ましくは、Znが10g/m2以上、Niが5g/m2以上である。
【0026】
本発明のステンレス鋼板において、ZnとNiを含む合金のめっき層、又は、Zn又はZnを含む合金からなる第一のめっき層とNi又はNiを含む合金からなる第二のめっき層は、ステンレス鋼板の少なくとも一方の面、すなわち、後に溶接が施される面に形成すればよい。両面に溶接が施される場合には、これらのめっき層は、ステンレス鋼板の両面に形成されることが好ましい。
本発明のステンレス鋼板において、これらのめっき層が、ステンレス鋼板の一方の面にのみ形成される場合には、他方の面には、従来公知の防食用めっき層を形成することが好ましい。
【0027】
本発明のステンレス鋼板において、めっき層の形成方法に限定はなく、例えば、電気めっき法、溶融めっき法、蒸着めっき法等が挙げられる。第二の実施態様のように、Zn又はZnを含む合金からなる第一めっき層と、Ni又はNiを含む合金からなる第二のめっき層とを別層として設ける場合には、電気めっき法を用いることが好ましい。
また、本発明において、めっき層を形成するに先立って、ステンレス鋼板表面に従来公知の前処理を施してもよい。
【0028】
次に、本発明の溶接製品について説明する。
本発明の溶接製品は、ステンレス鋼板と他の部材とを溶接することにより製造された製品であって、その隙間内の少なくとも一部にZn又はZnを含む合金からなるめっき層が存在し、ステンレス鋼板と他の部材の溶着部近傍の少なくとも一部にNi被膜を有する微細構造を有するものである。
ここで、溶接製品の隙間とは、溶接製品に存する構造的な隙間をいい、溶接製品を構成する材料の間に挟まれた空間であって、ステンレス鋼板と他の部材との間だけでなく、ステンレス鋼板にできた割れ目の間等も含む。
また、溶着部近傍とは、ステンレス鋼板と他の部材との溶着部(溶融接合部)の周縁である。
【0029】
隙間内に存在するめっき層のZnを含む合金は、Znを含む合金であればいかなる組成のものであってもよく、具体例としては、例えば、本発明の溶接用ステンレス鋼板の第一の実施態様におけるZn及びNiを含む合金、第二の実施態様におけるZnを含む合金として前述したもの挙げられる。
【0030】
このような構成の溶接製品においては、前述のように、隙間内のZn又はZnを含む合金からなるめっき層の防食作用(より詳細には、Znの犠牲溶解により生成した腐食生成物の防食作用)と、溶着部周縁のNi被膜の防食作用(より詳細には、Ni被膜がステンレス鋼表面のスケールを被覆することによる防食作用と、水酸化ニッケルのpH緩衝作用)とが相乗的に作用して、溶接製品の隙間腐食を抑制すると推測される。したがって、溶接製品の隙間腐食を抑制するためには、溶接製品が最終的にこのような微細構造を有していればよく、いかなる方法によって製造されていてもよい。
【0031】
もっとも、このような溶接製品は、本発明の溶接用ステンレス鋼板を他の部材と溶接することにより、簡単に製造することができる。この場合、本発明の溶接用ステンレス鋼板と溶接する他の部材に限定はなく、他の部材として本発明の溶接用ステンレス鋼板を用いてもよいし、他の材料からなる部材を用いてもよい。
ここで、他の部材との溶接は、ZnとNiを含む合金のめっき層、又は、Zn又はZnを含む合金からなる第一のめっき層とNi又はNiを含む合金からなる第二のめっき層を形成した面において行うことが好ましい。
また、溶接方法、溶接条件に限定はなく、シーム溶接、スポット溶接等、従来公知の溶接方法を通常の条件で行うことができる。
【実施例】
【0032】
以下に実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。
[実施例1]
1.溶接用ステンレス鋼板の製造
(1)ステンレス鋼板の準備
ステンレス鋼板として、板厚1mm、2B仕上げの市販のSUS430(Cr含有量:17.1質量%)及びSUS304(Cr含有量:18.9質量%)を用意し、これらを15mm×15mmに切断した試験片を8枚づつ用意した。
(2)Zn−Ni層、又は、Zn含有層及びNi含有層の形成
(1)で準備したSUS430及びSUS304のステンレス鋼板の試験片の両面に、電気めっき法により、Zn−Ni合金めっき(Ni:10質量%、残部Zn)を合金の付着量が10g/m2となるように施したものを2枚づつ製造し、鋼板No.1、5とした。
同様にして、試験片の両面に、Niめっき(付着量:5g/m2)、Znめっき(付着量:10g/m2)をこの順で施したものを2枚づつ製造し、鋼板No.2、5とした。
同様にして、試験片の両面に、Znめっき(付着量:10g/m2)を施したものを2枚づつ製造し、鋼板No.3、6とした。
さらに、めっきを施していない試験片を、鋼板No.4、8とした。
鋼板No.1〜8の概要を表1に示す。
【0033】
【表1】

【0034】
2.溶接
1.で製造した鋼板No.1〜8を、同じものどうし組み合わせて中央部をスポット溶接により接合し、隙間部を有する溶接製品を製造した。
【0035】
3.溶着部の観察
2.において鋼板No.1、3を溶接したものの溶着部近傍の化学組成についてEPMA分析を行い、Zn、Niの存在状態を観察した。その結果を図1に示す。
Znの単独めっきを施した鋼板No.3においては、溶着部近傍においてZnが消失していた。一方、Zn−Ni合金めっきを施した鋼板No.1においては、溶着部近傍においてZnは鋼板No.3と同様に消失していたが、Niは残存していた。これにより、Zn−Ni合金めっき中のNiは溶接入熱によっても蒸散せず、ステンレス鋼板表面に残存することが確認できた。
【0036】
4.耐食性の評価
2.において製造した溶接製品の耐食性を塩乾湿複合サイクル試験により評価した。塩乾湿複合サイクル試験は、塩水噴霧(NaCl5質量%、15分)→乾燥(60℃、35%RH、60分)→湿潤(60℃、95%RH、180分)を1サイクルとして、300サイクル行い、耐食性試験開始前、及び、50、100、150、200、250、300サイクル後の隙間腐食部の最大侵食深さ(mm)を測定することにより行った。
その結果を図2、3に示す。
【0037】
無垢のステンレス鋼板であるNo.4、8を溶接したものは、耐食性試験のサイクルを繰り返す毎に隙間腐食が進行した。
また、Znの単独めっきを施した鋼板No.3、7を溶接したものは、耐食性試験の初期においては隙間腐食が抑制されていたが、150サイクルを経過したあたりから、隙間腐食抑制効果が低下し、隙間腐食が進行した。
これらに対して、本発明の溶接用ステンレス鋼板No.1、2、5、6を溶接したものは、いずれも、300サイクル経過後においても隙間腐食は認められなかった。特に、Crの含有量が17.1質量%である比較的耐食性の低いフェライト系ステンレス鋼SUS430を用いた鋼板No.1、2を溶接したものにおいても、隙間腐食は全く認められなかった。
以上より、ステンレス鋼板に形成された従来の防食用めっきであるZn単独めっき層は、溶接を施すと防食機能が低下してしまうが、これにNiを共存させると、溶接を施してもその防食機能は低下せず、隙間腐食を抑制できることが確認できた。
【0038】
5.溶着部の観察
耐食性試験300サイクル経過後の鋼板No.3(ステンレス鋼板SUS430にZn単独めっきを施したもの(比較例))の溶着部をX線CTにより観察した。CT写真を図4に示す。溶着部周縁に大きな隙間腐食が観察されたが、ここは溶接入熱が最も高かった場所である。このことからも、従来の防食用めっきであるZn単独めっき層においては、溶接入熱により防食機能が低下することが分かる。
【産業上の利用可能性】
【0039】
本発明の溶接用ステンレス鋼板は、各種溶接製品の製造に用いることができる。
特に、本発明の溶接製品は耐食性に優れているので、化学薬品を扱う機械器具、厨房設備、建材、自動車部品等の高度な耐食性が要求される製品に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】鋼板No.1、3の溶着部近傍のEPMAによる化学組成分析の結果
【図2】鋼板No.1〜4を溶接したものの耐食性試験の結果
【図3】鋼板No.5〜8を溶接したものの耐食性試験の結果
【図4】鋼板No.3の溶着部及びその近傍のX線CT写真

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ステンレス鋼板と、
該ステンレス鋼板の少なくとも一方の面に形成された、Zn及びNiを含む合金からなるめっき層と、
を有する溶接用ステンレス鋼板。
【請求項2】
ステンレス鋼板と、
該ステンレス鋼板の少なくとも一方の面に形成された、Zn又はZnを含む合金からなる第一のめっき層、及び、Ni又はNiを含む合金からなる第二のめっき層と、
を有する溶接用ステンレス鋼板。
【請求項3】
前記ステンレス鋼板中のCrの含有量が、18質量%以下である、請求項1又は2に記載の溶接用ステンレス鋼板。
【請求項4】
請求項1〜3いずれか1項に記載の溶接用ステンレス鋼板と、他の部材とを溶接することにより製造された製品。
【請求項5】
ステンレス鋼板と他の部材とを溶接することにより製造された製品であって、
Zn又はZnを含む合金からなるめっき層が、該製品の隙間内の少なくとも一部に存在し、
Ni被膜が、ステンレス鋼板と他の部材の溶着部近傍の少なくとも一部に存在する、製品。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2009−30126(P2009−30126A)
【公開日】平成21年2月12日(2009.2.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−196443(P2007−196443)
【出願日】平成19年7月27日(2007.7.27)
【出願人】(000004581)日新製鋼株式会社 (1,178)
【Fターム(参考)】