耐食性に優れたステンレス鉄筋継手
【課題】 クロム系ステンレス鉄筋において優れた耐食性を有する継手及びその製造方法を提供する。
【解決の手段】ステンレス鉄筋母材を熱接合してなるステンレス鉄筋継手であって、質量％で、Ｃ：０.００１％以上０.５％以下、Ｓｉ：０.１％以上２.０％以下、Ｍｎ：２.０％以下、 Ｐ：０.０４％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｎ：０.００１％以上０.１％以下、Ｃｒ：１０.５０%以上１３.５０％以下、酸化スケールと母地との界面における固溶Ｃｒ濃度：８.０〜１３.５％、を含有し、残部鉄および不可避不純物を含有することを特徴とし、接合後に制御冷却することによって耐食性に優れたステンレス鉄筋継手を得る。
【解決の手段】ステンレス鉄筋母材を熱接合してなるステンレス鉄筋継手であって、質量％で、Ｃ：０.００１％以上０.５％以下、Ｓｉ：０.１％以上２.０％以下、Ｍｎ：２.０％以下、 Ｐ：０.０４％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｎ：０.００１％以上０.１％以下、Ｃｒ：１０.５０%以上１３.５０％以下、酸化スケールと母地との界面における固溶Ｃｒ濃度：８.０〜１３.５％、を含有し、残部鉄および不可避不純物を含有することを特徴とし、接合後に制御冷却することによって耐食性に優れたステンレス鉄筋継手を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリート構造物中での耐久性に優れたステンレス異形棒鋼(鉄筋)の継手に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｃｒ量が１０．５０mass%以上のステンレス鉄筋の継手に関しては、重ね継手や機械式継手が用いられてきた。
【０００３】
重ね継手は、簡便でありコストはかからないが、ステンレス細線などによる結束を必要とし、ある程度の重ね長を必要とする上に、継手自身の強度は期待できない。
【０００４】
機械式継手は、ボルト及びナット等で締結するので継手自身の強度の信頼性は高いが、コストが高くなる。
【０００５】
一方、普通鋼鉄筋（ＳＤ２９５、ＳＤ３４５、ＳＤ３９０等）の継手は熱を加える方式としてガス圧接、エンクローズド溶接、フラッシュバット溶接、アプセットバット溶接が用いられ、熱を加えない方式として重ね継手や機械式継手が用いられてきた。熱を加える方法はコストが低く、しかも信頼性も高いため広く用いられ、継手作製方法や検査方法が規格化されている。
【０００６】
しかし、ステンレス鉄筋、特にクロム系の鉄筋に関しては、継手の強度及び耐食性に関して課題があり、熱を加える継手製造方法は実用化されていない。
【０００７】
例えば、ガス圧接性にすぐれた普通鋼鉄筋が開示されている(特許文献１参照)。しかしながら、ステンレス鉄筋の継手は開示されていない。また、クロム系の鉄筋が開示されている(特許文献２〜５参照)。しかしながら、継手については開示されていない。
【特許文献１】特開２０００−１４４３２０号公報
【特許文献２】特開２００７-１９７７８６号公報
【特許文献３】特開２００７−２６９５５９号公報
【特許文献４】特開２００７−２６９５６５号公報
【特許文献５】特開２００７−２６９５６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
クロム系ステンレス鉄筋において達成困難であった優れた耐食性を有する継手を提供することを課題とする。発明者等は、後述するように、コンクリート中のｐＨ１２以上の高アルカリ性環境では、継手部分のＣｒ欠乏層においてもある程度の固溶Ｃｒ濃度を有すれば、不動態皮膜が形成・維持されて高い耐食性を確保できることを見出して本発明に至った。そして継手自身の耐食性が保たれしかも経済性にも優れている熱接合継手を得た。本発明は、その知見に立脚するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）ステンレス鉄筋母材を熱接合してなるステンレス鉄筋継手であって、質量％で、
Ｃ：０.００１％以上０.５％以下、Ｓｉ：０.１％以上２.０％以下、Ｍｎ：２.０％以下、Ｐ：０.０４％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｎ：０.００１％以上０.１％以下、Ｃｒ：１０.５０%以上１３.５０％以下、酸化スケールと母地との界面におけるＣｒ濃度：８.０〜１３.５％、を含有し、残部鉄および不可避不純物を含有することを特徴とする耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
（２）質量％で、更にＮｉ：０．６％以下、を含有することを特徴とする（１）に記載の耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
（３）質量％で、更に、Ａｌ：０.０５％以下、Ｖ：０.１％以下、Ｂ：０.０１％以下、Ｂｉ：０.５％以下、Ｓｎ：０.５％以下、Ｎｂ：０.５％以下、Ｔｉ: ０.５％以下、 Ｍｇ：０.１％以下、Ｃｕ：０.５％以下、の一種または二種以上を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載の耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
（４）熱接合がガス圧接であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか一項に記載の耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
【００１０】
本発明における、熱接合とは、鋼材を加熱して接合する接合方法を意味し、熱接合の方法については問わず、継手部が（１）〜（３）のいずれかを具備するものは、本発明の範囲に属するものであるが、この熱接合がガス圧接であることが汎用性および経済性の観点から好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、耐食性にすぐれたステンレス鉄筋継手を得ることができ、コンクリート構造物の耐久性を格段に向上させることができるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について具体的に説明する。まず、本発明において、ステンレス鉄筋継手の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。
【００１３】
Ｃ：０．００１mass％以上０．５mass％以下
Ｃは、オーステナイト相および炭化物の生成元素である。オーステナイト相は、溶接後においてマルテンサイト組織を生じて強度を向上させ、また微細炭化物も強度の向上に寄与する。しかしながら、 ０．５mass％超では硬くなり過ぎて靱性が劣化する。従って、Ｃ量は ０．５ mass％以下の範囲に限定した。溶接部の靭性を確保するためには、Ｃ量は０．１５ mass％以下の範囲にすることが望ましい。
【００１４】
また、０．００１mass％未満ではオーステナイト相や微細炭化物の生成量が少なすぎて強度が不足するため、０．００１mass％以上含有させる。
【００１５】
Ｓｉ：０．１mass％以上２．０mass％以下
Ｓｉは、脱酸剤として有用な元素であるが、含有量が ２．０mass％以上になると硬くなり機械的性質が劣化する。従って、Ｓｉ量は ２．０mass％以下とした。
【００１６】
また、０．１mass％未満では脱酸効果が得られないため０．１mass％以上含有させる。
Ｍｎ：２．０mass％以下
Ｍｎも、Ｃと同様、オーステナイト相生成元素であるが、オーステナイトＭｎ含有量が ２．０mass％以上になると鋼中に残存する介在物が多くなり耐食性が劣化する。従って、Ｍｎ量は２．０mass％以下の範囲とした。
【００１７】
また、含有量が０．１mass％より少ないとオーステナイト相の生成が不十分となるため、熱間加工後のマルテンサイト組織が少なくなって、強度不足となる。したがって０．１mass％以上含有することが望ましい。
【００１８】
Ｐ：０．０４mass％以下
Ｐは、靱性等の機械的性質を劣化させるだけでなく、耐食性に対しても有害な元素であり、特にＰ含有量が０．０４mass％超になるとその悪影響が顕著になるので、Ｐ量は０．０４mass％以下とした。
【００１９】
Ｓ：０．０３mass％以下
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、初期発銹の起点となる。またＳは、結晶粒界に偏析して粒界脆化を促進する有害元素でもあるので、極力低減することが好ましい。特にＳ含有量が０．０３mass％を超えるとその悪影響が顕著になるので、Ｓ量は０．０３mass％以下とした。
【００２０】
Ｎ： ０．００１mass％以上０．１mass％以下
Ｎは、オーステナイト相および窒化物の生成元素であり強度を高めるが、耐食性、靭性を劣化させるため上限を０．１mass％とした。また、０．００１mass％未満ではオーステナイト相や窒化物の生成が少なく強度向上の効果が得られないため０．００１mass％以上含有させる。
【００２１】
Ｃｒ：１０．５０mass％以上１３．５０mass％以下
Ｃｒは、本発明における耐食性発現成分として重要な元素である。本発明で対象にする鉄筋継手は、一般的に大気中でさびないＣｒ量として、少なくとも１０．５０mass％が必要である。これは、１０．５０mass％未満になると表面において強固な不動態皮膜が生成され難くなるためである。一方、Ｃｒ濃度が１３．５０mass％超になると、耐食性は良くなるものの、フェライト相の生成量が多くなって溶接部の靱性不足となることやコストアップに繋がる。従って、固溶Ｃｒ濃度は１０．５０mass％以上１３．５０mass％以下とした。
【００２２】
界面における固溶Ｃｒ濃度：８．０mass％以上１３．５mass％以下
本発明で対象にする鉄筋継手として、ｐＨ１２以上のコンクリート中において塩化物イオンに対する耐食性を確保するためには、少なくともスケールと母地の界面において固溶Ｃｒ濃度８．０mass％以上のＣｒ濃度が必要である。これは、後述するように、８．０mass％未満になるとコンクリート中での耐食性が劣化するためである。一方、界面におけるＣｒ濃度は、母地のＣｒ濃度を超えることはない。したがって界面における固溶Ｃｒ濃度を８．０mass％以上１３．５mass％以下とした。
【００２３】
Ｎｉ： ０．６mass％以下、
Ｎｉは、過剰に含有するとマルテンサイト組織が析出し加工性を劣化させるため、上限を０．６mass％とした。また、靱性を高めるためには０．１mass％以上含有することが望ましい。
【００２４】
Ａｌ：０．０５mass％以下
Ａｌは、脱酸剤として有用な元素であるが、含有量が ０．０５mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．０５mass％以下とすることが望ましい。
【００２５】
また、０．００１mass％未満では脱酸効果が得られ難いため下限を０．００１mass％とすることが望ましい。
Ｖ：０．１mass％以下
Ｖは、耐食性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．１mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．１mass％以下とすることが望ましい。
【００２６】
また、０．０３mass％未満では耐食性向上効果が得られ難いため下限を０．０３mass％とすることが望ましい。
【００２７】
Ｂ：０．０１mass％以下
Ｂは、熱間加工性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．０１mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．０１mass％以下とすることが望ましい。
【００２８】
また、０．０００３mass％未満では熱間加工性を向上効果が得られ難いため下限を０．０００３mass％とすることが望ましい。
【００２９】
Ｂｉ：０．５mass％以下
Ｂｉは、耐食性及び切削加工性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．５mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．５ mass％以下とすることが望ましい。
また、０．００５mass％未満では耐食性向上効果及び切削加工性向上効果が得られ難いため下限を０．００５mass％とすることが望ましい。
【００３０】
Ｓｎ:０．５mass％以下
Ｓｎは、耐食性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．５mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．５mass％以下とすることが望ましい。
【００３１】
また、０．０１mass％未満では耐食性向上効果が得られ難いため下限を０．０１mass％とすることが望ましい。
【００３２】
Ｎｂ:０．５mass％以下
Ｎｂは、耐食性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．５mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．５mass％以下とすることが望ましい。
また、０．００３mass％未満では耐食性向上効果が得られ難いため下限を０．００３mass％とすることが望ましい。
【００３３】
Ｔｉ:０．５mass％以下
Ｔｉは、耐食性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．５mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．５mass％以下とすることが望ましい。
【００３４】
また、０．００３mass％未満では耐食性向上効果が得られ難いため下限を０．００３mass％とすることが望ましい。
【００３５】
Ｍｇ：０．１mass％以下
Ｍｇは、耐食性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．１mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．１mass％以下とすることが望ましい。
【００３６】
また、０．０００２mass％未満では耐食性向上効果が得られ難いため下限を０．０００２mass％とすることが望ましい。
【００３７】
Ｃｕ：０．５mass％以下
Ｃｕは、耐食性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．５mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．５mass％以下とした。
【００３８】
また、０．０３mass％未満では耐食性向上効果が得られ難いため下限を０．０３mass％とすることが望ましい。
【００３９】
なお、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。
【００４０】
次に、鉄筋母材を熱接合してなり、酸化スケールとの境界部分における金属母地の固溶Ｃｒ濃度が８．０mass％以上であることに限定した理由を詳しく説明する。
接合部の耐食性を高く保持するために、酸化スケールと母地界面に存在するＣｒ欠乏層におけるＣｒ濃度の低下を抑制する必要がある。継手部のＣｒ濃度を８．０mass％以上とすることができれば、コンクリート中のようにｐＨ１２以上のアルカリ性の高い環境は不動態皮膜が形成・維持されるので、高い耐食性を確保することができる。
図１はｐＨ１２．５の水溶液環境（飽和Ｃa(ＯＨ)２溶液中において種々のＣｒ濃度の鋼材について一定電位をかけた状態における孔食が発生する最も低いＣｌ-濃度（孔食発生限界Ｃｌ-濃度）を測定したものである。Ｃｒ量が８．０mass％以上では、普通鉄筋（孔食発生限界Ｃｌ-濃度０．０２％）の約２５倍以上の孔食発生限界Ｃｌ-濃度であることが分る。
【００４１】
図２は、母材Ｃｒ濃度が１０．５０mass％（他の成分組成はＣ:０.０１０mass％、 Ｓｉ:２.００mass％、Ｍｎ:０.３３mass％、Ｐ:０.０２２mass％、S:０.００６mass％、Ｎ:０.０１７mass％）のサンプルに基づいて、熱接合後の冷却速度と酸化スケール皮膜と母地の固溶Ｃｒ濃度との関係を示す図である。５０K／s以下の冷却速度で制御冷却することにより、Ｃｒ濃度８．０mass％以上を確保することができる。
【００４２】
Ｃｒ濃度は、オージェ電子分光法により測定し、酸化スケール皮膜と母地の境界部分における、最も低いＣｒ濃度とした。図３は、オージェ電子分光法により鉄筋継手における酸化スケール表面から母地への深さ方向のＦｅ、Ｏ、Ｃｒ等の元素濃度プロファイルの例である。酸化スケール皮膜と母地の境界部分の定義としては、酸化スケールにおける平均酸素濃度の１／２となる部位と母材と同じの酸素濃度となる部位の間の領域とした。
熱接合後５０K／s以下の冷却速度（１０００℃〜５００℃の平均冷却速度）となるように制御冷却し接合部において高温状態となる時間を長く保つことにより、母材のＣｒ濃度が１０．５０mass％であっても、接合部におけるＣｒの拡散を促し酸化スケールと母地界面における最低Ｃｒ濃度を８．０mass％以上に確保することができる。制御冷却の方法としては、接合後に保温カバーで接合部を覆うことによって熱の放散を防ぎ冷却速度を低くすることができる。
また、ガス圧接やアプセットバット溶接による拡散接合では温度条件として１０００℃以下で接合することにより、Ｃｒ欠乏層の生成を抑制できるので、熱接合後１００K／s以下の冷却速度で制御冷却しても、母材のＣｒ濃度が１０．５０mass％の場合スケールと母地界面における最低Ｃｒ濃度を８．０mass％以上に確保することができる。
本発明において不活性ガス雰囲気中で溶接材料を使って接合するエンクローズ溶接を行う場合には、製造条件の例としては、鉄筋径呼び名Ｄ２５で、溶接材料ＹＭ３０９、電流２６０Ａ、電圧２５Ｖ、溶接時間４５秒、とする。また、電気のジュール熱を利用するアプセットバット溶接で接合する場合には、製造条件の例としてはＤ１３で加圧０．３ＭＰａ、電流２４０Ａ、電圧２０Ｖ、溶接時間５秒とする。これらの条件に加え５０K／s以下の冷却速度で制御冷却することにより、継手の固溶Ｃｒ濃度を８．０mass％以上に確保することができる。
【００４３】
また、本発明のガス圧接継手製造に際しては、製造条件の例としては加熱用アセチレンガス圧４〜８ｋＰａ、 酸素圧５０ｋＰａ、圧接用ポンプ圧１０〜５０ＭＰａ、加熱時間を１０〜３０秒とし、さらに接合後１００K／s以下の冷却速度で制御冷却することにより、継手の固溶Ｃｒ濃度を８．０mass％以上に確保することができる。
【００４４】
さらに、ショットブラスト処理や酸洗により継手の酸化スケールを除去してもよい。酸洗により表面から酸化スケール及びＣｒ欠乏層を除去すると同時に継手表面の不動態皮膜を強固にすることよって耐食性をさらに向上させることができる。酸洗処理としては、例えば、硝酸-弗酸の混酸溶液中（温度は３０℃〜５０℃が望ましい）に数分間浸漬し熱接合によって生じた酸化物膜を除去する。その後、不動態皮膜を強化するため硝酸中に浸漬する。場合によっては中和処理のためさらに炭酸水素ナトリウム水溶液等の弱アルカリ性溶液中に浸漬してもよい。
【００４５】
また、継手の防食のために塗装を施してもよい。塗装は、例えば、ステンレス鉄筋継手より母材にかかる、熱接合によって酸化物の生成した範囲（５０mm〜１００mm程度）に耐アルカリ性を有するエポキシ樹脂やアクリル樹脂、ゴム系塗料を塗装する。
【実施例】
【００４６】
表１に本発明の鉄筋継手の化学成分と耐食性の評価結果を示す。
【表１】
【００４７】
エンクローズ溶接継手については、Ａｒガス雰囲気中で、溶接材料ＹＭ３０９、電流２６０Ａ、電圧２５Ｖ、溶接時間３０秒〜９０秒の範囲で溶接し、５０K／s以下の冷却速度で制御冷却した。
アプセットバット溶接継手については、加圧０．２〜０．４ＭＰａ、電流２４０Ａ、電圧２０Ｖ、溶接時間５秒〜２０秒の範囲で溶接し、５０K／s以下の冷却速度で制御冷却した。
【００４８】
ガス圧接継手については、比較例のNo.３４以外は加熱温度を１０００℃以下とし冷却速度は１００K／s以下で制御冷却した。継手部の固溶Ｃｒ濃度は、最もＣｒが欠乏する酸化スケール皮膜と母地の境界部分３個所においてオージェ電子分光法で測定し、そのなかで最も低いＣｒ濃度を界面における固溶Ｃｒ濃度とした。
【００４９】
装置名：走査型FEオージェ電子分光装置（ＳＡＭ６７０ＸＩ型）
測定条件：ビーム電流１０ｎＡ、ビーム電圧１０ｋｅＶ
ビーム径２５〜４５ｎｍ、スパッタ速度５０ｎｍ／ｍｉｎ
表面性状は、処理なし（酸化スケールを除去しない）、酸洗処理（硝酸と弗酸の混酸及び硝酸中に浸漬し脱スケールを施す処理）、及びブラスト処理（ショットを吹き付けて酸化スケールを除去する処理）とした。耐食性は、４０℃コンクリート環境の模擬水溶液(飽和Ｃa(ＯＨ)２溶液に１％のＣｌ-濃度までＮａＣｌを加えたもの)中での孔食電位（５００μA/cm２となる電位(飽和ＫＣｌ銀塩化銀参照電極(ＳＳＥ)基準)）を測定した。孔食電位が高いほど耐食性は高くなるが、継手に酸化スケールが残存している場合でもその孔食電位は普通鉄筋ガス圧接継手の孔食電位（代表例：−０．１３Ｖ vs. ＳＳＥ）よりも２００ｍＶ以上高く、普通鉄筋よりも耐食性が高い。
【００５０】
次に、比較例について説明する。
Ｎｏ．３２ Ｃｒ量が請求範囲を下回っており、耐食性が劣化した。
Ｎｏ．３３ Ｃｒ量が請求範囲を超えており、継手の靭性が不足した。
Ｎｏ．３４ ガス圧接後３００K／sで冷却しており、継手の酸化スケール／母地界面におけるＣｒ濃度が少なくなった。
Ｎｏ．３５ 標準的なガス圧接により作製した普通鉄筋継手の特性を示す。
【００５１】
以上のように比較例の鉄筋継手は耐食性が低くなっており、本発明の鉄筋継手は耐食性に優れていることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上の実施例から明らかなように、本発明により耐食性に優れたクロム系ステンレス鉄筋継手の提供が可能であり、コンクリート構造物の建造上、鉄筋の継手が容易に作製できる点で極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】鋼中Ｃｒ濃度と、ｐＨ１２.５の飽和Ｃａ(ＯＨ)２溶液中において一定電位をかけた状態における孔食が発生する最も低いＣｌ-濃度（孔食発生限界Ｃｌ-濃度）の関係を示す図である。
【図２】母材Ｃｒ濃度が１０.５０mass％（他の成分組成はＣ:０.０１０mass％、 Ｓｉ:２.００mass％、Ｍｎ:０.３３mass％、Ｐ:０.０２２mass％、Ｓ:０.００６mass％、Ｎ:０.０１７mass％）のサンプルについて、熱接合後の平均冷却速度と、母材と酸化スケール界面におけるＣｒ濃度との関係を示す図である。
【図３】図３は、オージェ電子分光法により鉄筋継手における酸化スケール表面から母地への深さ方向のＦｅ、Ｏ、Ｃｒ等の元素濃度プロファイルの例である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリート構造物中での耐久性に優れたステンレス異形棒鋼(鉄筋)の継手に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｃｒ量が１０．５０mass%以上のステンレス鉄筋の継手に関しては、重ね継手や機械式継手が用いられてきた。
【０００３】
重ね継手は、簡便でありコストはかからないが、ステンレス細線などによる結束を必要とし、ある程度の重ね長を必要とする上に、継手自身の強度は期待できない。
【０００４】
機械式継手は、ボルト及びナット等で締結するので継手自身の強度の信頼性は高いが、コストが高くなる。
【０００５】
一方、普通鋼鉄筋（ＳＤ２９５、ＳＤ３４５、ＳＤ３９０等）の継手は熱を加える方式としてガス圧接、エンクローズド溶接、フラッシュバット溶接、アプセットバット溶接が用いられ、熱を加えない方式として重ね継手や機械式継手が用いられてきた。熱を加える方法はコストが低く、しかも信頼性も高いため広く用いられ、継手作製方法や検査方法が規格化されている。
【０００６】
しかし、ステンレス鉄筋、特にクロム系の鉄筋に関しては、継手の強度及び耐食性に関して課題があり、熱を加える継手製造方法は実用化されていない。
【０００７】
例えば、ガス圧接性にすぐれた普通鋼鉄筋が開示されている(特許文献１参照)。しかしながら、ステンレス鉄筋の継手は開示されていない。また、クロム系の鉄筋が開示されている(特許文献２〜５参照)。しかしながら、継手については開示されていない。
【特許文献１】特開２０００−１４４３２０号公報
【特許文献２】特開２００７-１９７７８６号公報
【特許文献３】特開２００７−２６９５５９号公報
【特許文献４】特開２００７−２６９５６５号公報
【特許文献５】特開２００７−２６９５６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
クロム系ステンレス鉄筋において達成困難であった優れた耐食性を有する継手を提供することを課題とする。発明者等は、後述するように、コンクリート中のｐＨ１２以上の高アルカリ性環境では、継手部分のＣｒ欠乏層においてもある程度の固溶Ｃｒ濃度を有すれば、不動態皮膜が形成・維持されて高い耐食性を確保できることを見出して本発明に至った。そして継手自身の耐食性が保たれしかも経済性にも優れている熱接合継手を得た。本発明は、その知見に立脚するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）ステンレス鉄筋母材を熱接合してなるステンレス鉄筋継手であって、質量％で、
Ｃ：０.００１％以上０.５％以下、Ｓｉ：０.１％以上２.０％以下、Ｍｎ：２.０％以下、Ｐ：０.０４％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｎ：０.００１％以上０.１％以下、Ｃｒ：１０.５０%以上１３.５０％以下、酸化スケールと母地との界面におけるＣｒ濃度：８.０〜１３.５％、を含有し、残部鉄および不可避不純物を含有することを特徴とする耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
（２）質量％で、更にＮｉ：０．６％以下、を含有することを特徴とする（１）に記載の耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
（３）質量％で、更に、Ａｌ：０.０５％以下、Ｖ：０.１％以下、Ｂ：０.０１％以下、Ｂｉ：０.５％以下、Ｓｎ：０.５％以下、Ｎｂ：０.５％以下、Ｔｉ: ０.５％以下、 Ｍｇ：０.１％以下、Ｃｕ：０.５％以下、の一種または二種以上を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載の耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
（４）熱接合がガス圧接であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか一項に記載の耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
【００１０】
本発明における、熱接合とは、鋼材を加熱して接合する接合方法を意味し、熱接合の方法については問わず、継手部が（１）〜（３）のいずれかを具備するものは、本発明の範囲に属するものであるが、この熱接合がガス圧接であることが汎用性および経済性の観点から好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、耐食性にすぐれたステンレス鉄筋継手を得ることができ、コンクリート構造物の耐久性を格段に向上させることができるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について具体的に説明する。まず、本発明において、ステンレス鉄筋継手の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。
【００１３】
Ｃ：０．００１mass％以上０．５mass％以下
Ｃは、オーステナイト相および炭化物の生成元素である。オーステナイト相は、溶接後においてマルテンサイト組織を生じて強度を向上させ、また微細炭化物も強度の向上に寄与する。しかしながら、 ０．５mass％超では硬くなり過ぎて靱性が劣化する。従って、Ｃ量は ０．５ mass％以下の範囲に限定した。溶接部の靭性を確保するためには、Ｃ量は０．１５ mass％以下の範囲にすることが望ましい。
【００１４】
また、０．００１mass％未満ではオーステナイト相や微細炭化物の生成量が少なすぎて強度が不足するため、０．００１mass％以上含有させる。
【００１５】
Ｓｉ：０．１mass％以上２．０mass％以下
Ｓｉは、脱酸剤として有用な元素であるが、含有量が ２．０mass％以上になると硬くなり機械的性質が劣化する。従って、Ｓｉ量は ２．０mass％以下とした。
【００１６】
また、０．１mass％未満では脱酸効果が得られないため０．１mass％以上含有させる。
Ｍｎ：２．０mass％以下
Ｍｎも、Ｃと同様、オーステナイト相生成元素であるが、オーステナイトＭｎ含有量が ２．０mass％以上になると鋼中に残存する介在物が多くなり耐食性が劣化する。従って、Ｍｎ量は２．０mass％以下の範囲とした。
【００１７】
また、含有量が０．１mass％より少ないとオーステナイト相の生成が不十分となるため、熱間加工後のマルテンサイト組織が少なくなって、強度不足となる。したがって０．１mass％以上含有することが望ましい。
【００１８】
Ｐ：０．０４mass％以下
Ｐは、靱性等の機械的性質を劣化させるだけでなく、耐食性に対しても有害な元素であり、特にＰ含有量が０．０４mass％超になるとその悪影響が顕著になるので、Ｐ量は０．０４mass％以下とした。
【００１９】
Ｓ：０．０３mass％以下
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、初期発銹の起点となる。またＳは、結晶粒界に偏析して粒界脆化を促進する有害元素でもあるので、極力低減することが好ましい。特にＳ含有量が０．０３mass％を超えるとその悪影響が顕著になるので、Ｓ量は０．０３mass％以下とした。
【００２０】
Ｎ： ０．００１mass％以上０．１mass％以下
Ｎは、オーステナイト相および窒化物の生成元素であり強度を高めるが、耐食性、靭性を劣化させるため上限を０．１mass％とした。また、０．００１mass％未満ではオーステナイト相や窒化物の生成が少なく強度向上の効果が得られないため０．００１mass％以上含有させる。
【００２１】
Ｃｒ：１０．５０mass％以上１３．５０mass％以下
Ｃｒは、本発明における耐食性発現成分として重要な元素である。本発明で対象にする鉄筋継手は、一般的に大気中でさびないＣｒ量として、少なくとも１０．５０mass％が必要である。これは、１０．５０mass％未満になると表面において強固な不動態皮膜が生成され難くなるためである。一方、Ｃｒ濃度が１３．５０mass％超になると、耐食性は良くなるものの、フェライト相の生成量が多くなって溶接部の靱性不足となることやコストアップに繋がる。従って、固溶Ｃｒ濃度は１０．５０mass％以上１３．５０mass％以下とした。
【００２２】
界面における固溶Ｃｒ濃度：８．０mass％以上１３．５mass％以下
本発明で対象にする鉄筋継手として、ｐＨ１２以上のコンクリート中において塩化物イオンに対する耐食性を確保するためには、少なくともスケールと母地の界面において固溶Ｃｒ濃度８．０mass％以上のＣｒ濃度が必要である。これは、後述するように、８．０mass％未満になるとコンクリート中での耐食性が劣化するためである。一方、界面におけるＣｒ濃度は、母地のＣｒ濃度を超えることはない。したがって界面における固溶Ｃｒ濃度を８．０mass％以上１３．５mass％以下とした。
【００２３】
Ｎｉ： ０．６mass％以下、
Ｎｉは、過剰に含有するとマルテンサイト組織が析出し加工性を劣化させるため、上限を０．６mass％とした。また、靱性を高めるためには０．１mass％以上含有することが望ましい。
【００２４】
Ａｌ：０．０５mass％以下
Ａｌは、脱酸剤として有用な元素であるが、含有量が ０．０５mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．０５mass％以下とすることが望ましい。
【００２５】
また、０．００１mass％未満では脱酸効果が得られ難いため下限を０．００１mass％とすることが望ましい。
Ｖ：０．１mass％以下
Ｖは、耐食性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．１mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．１mass％以下とすることが望ましい。
【００２６】
また、０．０３mass％未満では耐食性向上効果が得られ難いため下限を０．０３mass％とすることが望ましい。
【００２７】
Ｂ：０．０１mass％以下
Ｂは、熱間加工性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．０１mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．０１mass％以下とすることが望ましい。
【００２８】
また、０．０００３mass％未満では熱間加工性を向上効果が得られ難いため下限を０．０００３mass％とすることが望ましい。
【００２９】
Ｂｉ：０．５mass％以下
Ｂｉは、耐食性及び切削加工性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．５mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．５ mass％以下とすることが望ましい。
また、０．００５mass％未満では耐食性向上効果及び切削加工性向上効果が得られ難いため下限を０．００５mass％とすることが望ましい。
【００３０】
Ｓｎ:０．５mass％以下
Ｓｎは、耐食性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．５mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．５mass％以下とすることが望ましい。
【００３１】
また、０．０１mass％未満では耐食性向上効果が得られ難いため下限を０．０１mass％とすることが望ましい。
【００３２】
Ｎｂ:０．５mass％以下
Ｎｂは、耐食性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．５mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．５mass％以下とすることが望ましい。
また、０．００３mass％未満では耐食性向上効果が得られ難いため下限を０．００３mass％とすることが望ましい。
【００３３】
Ｔｉ:０．５mass％以下
Ｔｉは、耐食性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．５mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．５mass％以下とすることが望ましい。
【００３４】
また、０．００３mass％未満では耐食性向上効果が得られ難いため下限を０．００３mass％とすることが望ましい。
【００３５】
Ｍｇ：０．１mass％以下
Ｍｇは、耐食性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．１mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．１mass％以下とすることが望ましい。
【００３６】
また、０．０００２mass％未満では耐食性向上効果が得られ難いため下限を０．０００２mass％とすることが望ましい。
【００３７】
Ｃｕ：０．５mass％以下
Ｃｕは、耐食性を向上させる有用な元素であるが、含有量が ０．５mass％超になると靭性が劣化する。従って、０．５mass％以下とした。
【００３８】
また、０．０３mass％未満では耐食性向上効果が得られ難いため下限を０．０３mass％とすることが望ましい。
【００３９】
なお、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。
【００４０】
次に、鉄筋母材を熱接合してなり、酸化スケールとの境界部分における金属母地の固溶Ｃｒ濃度が８．０mass％以上であることに限定した理由を詳しく説明する。
接合部の耐食性を高く保持するために、酸化スケールと母地界面に存在するＣｒ欠乏層におけるＣｒ濃度の低下を抑制する必要がある。継手部のＣｒ濃度を８．０mass％以上とすることができれば、コンクリート中のようにｐＨ１２以上のアルカリ性の高い環境は不動態皮膜が形成・維持されるので、高い耐食性を確保することができる。
図１はｐＨ１２．５の水溶液環境（飽和Ｃa(ＯＨ)２溶液中において種々のＣｒ濃度の鋼材について一定電位をかけた状態における孔食が発生する最も低いＣｌ-濃度（孔食発生限界Ｃｌ-濃度）を測定したものである。Ｃｒ量が８．０mass％以上では、普通鉄筋（孔食発生限界Ｃｌ-濃度０．０２％）の約２５倍以上の孔食発生限界Ｃｌ-濃度であることが分る。
【００４１】
図２は、母材Ｃｒ濃度が１０．５０mass％（他の成分組成はＣ:０.０１０mass％、 Ｓｉ:２.００mass％、Ｍｎ:０.３３mass％、Ｐ:０.０２２mass％、S:０.００６mass％、Ｎ:０.０１７mass％）のサンプルに基づいて、熱接合後の冷却速度と酸化スケール皮膜と母地の固溶Ｃｒ濃度との関係を示す図である。５０K／s以下の冷却速度で制御冷却することにより、Ｃｒ濃度８．０mass％以上を確保することができる。
【００４２】
Ｃｒ濃度は、オージェ電子分光法により測定し、酸化スケール皮膜と母地の境界部分における、最も低いＣｒ濃度とした。図３は、オージェ電子分光法により鉄筋継手における酸化スケール表面から母地への深さ方向のＦｅ、Ｏ、Ｃｒ等の元素濃度プロファイルの例である。酸化スケール皮膜と母地の境界部分の定義としては、酸化スケールにおける平均酸素濃度の１／２となる部位と母材と同じの酸素濃度となる部位の間の領域とした。
熱接合後５０K／s以下の冷却速度（１０００℃〜５００℃の平均冷却速度）となるように制御冷却し接合部において高温状態となる時間を長く保つことにより、母材のＣｒ濃度が１０．５０mass％であっても、接合部におけるＣｒの拡散を促し酸化スケールと母地界面における最低Ｃｒ濃度を８．０mass％以上に確保することができる。制御冷却の方法としては、接合後に保温カバーで接合部を覆うことによって熱の放散を防ぎ冷却速度を低くすることができる。
また、ガス圧接やアプセットバット溶接による拡散接合では温度条件として１０００℃以下で接合することにより、Ｃｒ欠乏層の生成を抑制できるので、熱接合後１００K／s以下の冷却速度で制御冷却しても、母材のＣｒ濃度が１０．５０mass％の場合スケールと母地界面における最低Ｃｒ濃度を８．０mass％以上に確保することができる。
本発明において不活性ガス雰囲気中で溶接材料を使って接合するエンクローズ溶接を行う場合には、製造条件の例としては、鉄筋径呼び名Ｄ２５で、溶接材料ＹＭ３０９、電流２６０Ａ、電圧２５Ｖ、溶接時間４５秒、とする。また、電気のジュール熱を利用するアプセットバット溶接で接合する場合には、製造条件の例としてはＤ１３で加圧０．３ＭＰａ、電流２４０Ａ、電圧２０Ｖ、溶接時間５秒とする。これらの条件に加え５０K／s以下の冷却速度で制御冷却することにより、継手の固溶Ｃｒ濃度を８．０mass％以上に確保することができる。
【００４３】
また、本発明のガス圧接継手製造に際しては、製造条件の例としては加熱用アセチレンガス圧４〜８ｋＰａ、 酸素圧５０ｋＰａ、圧接用ポンプ圧１０〜５０ＭＰａ、加熱時間を１０〜３０秒とし、さらに接合後１００K／s以下の冷却速度で制御冷却することにより、継手の固溶Ｃｒ濃度を８．０mass％以上に確保することができる。
【００４４】
さらに、ショットブラスト処理や酸洗により継手の酸化スケールを除去してもよい。酸洗により表面から酸化スケール及びＣｒ欠乏層を除去すると同時に継手表面の不動態皮膜を強固にすることよって耐食性をさらに向上させることができる。酸洗処理としては、例えば、硝酸-弗酸の混酸溶液中（温度は３０℃〜５０℃が望ましい）に数分間浸漬し熱接合によって生じた酸化物膜を除去する。その後、不動態皮膜を強化するため硝酸中に浸漬する。場合によっては中和処理のためさらに炭酸水素ナトリウム水溶液等の弱アルカリ性溶液中に浸漬してもよい。
【００４５】
また、継手の防食のために塗装を施してもよい。塗装は、例えば、ステンレス鉄筋継手より母材にかかる、熱接合によって酸化物の生成した範囲（５０mm〜１００mm程度）に耐アルカリ性を有するエポキシ樹脂やアクリル樹脂、ゴム系塗料を塗装する。
【実施例】
【００４６】
表１に本発明の鉄筋継手の化学成分と耐食性の評価結果を示す。
【表１】
【００４７】
エンクローズ溶接継手については、Ａｒガス雰囲気中で、溶接材料ＹＭ３０９、電流２６０Ａ、電圧２５Ｖ、溶接時間３０秒〜９０秒の範囲で溶接し、５０K／s以下の冷却速度で制御冷却した。
アプセットバット溶接継手については、加圧０．２〜０．４ＭＰａ、電流２４０Ａ、電圧２０Ｖ、溶接時間５秒〜２０秒の範囲で溶接し、５０K／s以下の冷却速度で制御冷却した。
【００４８】
ガス圧接継手については、比較例のNo.３４以外は加熱温度を１０００℃以下とし冷却速度は１００K／s以下で制御冷却した。継手部の固溶Ｃｒ濃度は、最もＣｒが欠乏する酸化スケール皮膜と母地の境界部分３個所においてオージェ電子分光法で測定し、そのなかで最も低いＣｒ濃度を界面における固溶Ｃｒ濃度とした。
【００４９】
装置名：走査型FEオージェ電子分光装置（ＳＡＭ６７０ＸＩ型）
測定条件：ビーム電流１０ｎＡ、ビーム電圧１０ｋｅＶ
ビーム径２５〜４５ｎｍ、スパッタ速度５０ｎｍ／ｍｉｎ
表面性状は、処理なし（酸化スケールを除去しない）、酸洗処理（硝酸と弗酸の混酸及び硝酸中に浸漬し脱スケールを施す処理）、及びブラスト処理（ショットを吹き付けて酸化スケールを除去する処理）とした。耐食性は、４０℃コンクリート環境の模擬水溶液(飽和Ｃa(ＯＨ)２溶液に１％のＣｌ-濃度までＮａＣｌを加えたもの)中での孔食電位（５００μA/cm２となる電位(飽和ＫＣｌ銀塩化銀参照電極(ＳＳＥ)基準)）を測定した。孔食電位が高いほど耐食性は高くなるが、継手に酸化スケールが残存している場合でもその孔食電位は普通鉄筋ガス圧接継手の孔食電位（代表例：−０．１３Ｖ vs. ＳＳＥ）よりも２００ｍＶ以上高く、普通鉄筋よりも耐食性が高い。
【００５０】
次に、比較例について説明する。
Ｎｏ．３２ Ｃｒ量が請求範囲を下回っており、耐食性が劣化した。
Ｎｏ．３３ Ｃｒ量が請求範囲を超えており、継手の靭性が不足した。
Ｎｏ．３４ ガス圧接後３００K／sで冷却しており、継手の酸化スケール／母地界面におけるＣｒ濃度が少なくなった。
Ｎｏ．３５ 標準的なガス圧接により作製した普通鉄筋継手の特性を示す。
【００５１】
以上のように比較例の鉄筋継手は耐食性が低くなっており、本発明の鉄筋継手は耐食性に優れていることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上の実施例から明らかなように、本発明により耐食性に優れたクロム系ステンレス鉄筋継手の提供が可能であり、コンクリート構造物の建造上、鉄筋の継手が容易に作製できる点で極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】鋼中Ｃｒ濃度と、ｐＨ１２.５の飽和Ｃａ(ＯＨ)２溶液中において一定電位をかけた状態における孔食が発生する最も低いＣｌ-濃度（孔食発生限界Ｃｌ-濃度）の関係を示す図である。
【図２】母材Ｃｒ濃度が１０.５０mass％（他の成分組成はＣ:０.０１０mass％、 Ｓｉ:２.００mass％、Ｍｎ:０.３３mass％、Ｐ:０.０２２mass％、Ｓ:０.００６mass％、Ｎ:０.０１７mass％）のサンプルについて、熱接合後の平均冷却速度と、母材と酸化スケール界面におけるＣｒ濃度との関係を示す図である。
【図３】図３は、オージェ電子分光法により鉄筋継手における酸化スケール表面から母地への深さ方向のＦｅ、Ｏ、Ｃｒ等の元素濃度プロファイルの例である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鉄筋母材を熱接合してなるステンレス鉄筋継手であって、
質量％で、
Ｃ ：０.００１％以上０.５％以下、
Ｓｉ：０.１％以上２.０％以下、
Ｍｎ：２.０％以下、
Ｐ：０.０４％以下、
Ｓ：０.０３％以下、
Ｎ：０.００１％以上０.１％以下、
Ｃｒ：１０.５０%以上１３.５０％以下、
酸化スケールと母地との界面における固溶Ｃｒ濃度：８.０〜１３.５％、を含有し、残部は鉄および不可避不純物からなることを特徴とする耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
【請求項２】
質量％で、更に、
Ｎｉ：０.６％以下、を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
【請求項３】
質量％で、更に、
Ａｌ：０.０５％以下、
Ｖ：０.１％以下、
Ｂ：０.０１％以下、
Ｂｉ：０.５％以下、
Ｓｎ：０.５％以下、
Ｎｂ：０.５％以下、
Ｔｉ: ０.５％以下、
Ｍｇ：０.１％以下、
Ｃｕ：０.５％以下、の一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
【請求項４】
熱接合がガス圧接であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
【請求項１】
ステンレス鉄筋母材を熱接合してなるステンレス鉄筋継手であって、
質量％で、
Ｃ ：０.００１％以上０.５％以下、
Ｓｉ：０.１％以上２.０％以下、
Ｍｎ：２.０％以下、
Ｐ：０.０４％以下、
Ｓ：０.０３％以下、
Ｎ：０.００１％以上０.１％以下、
Ｃｒ：１０.５０%以上１３.５０％以下、
酸化スケールと母地との界面における固溶Ｃｒ濃度：８.０〜１３.５％、を含有し、残部は鉄および不可避不純物からなることを特徴とする耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
【請求項２】
質量％で、更に、
Ｎｉ：０.６％以下、を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
【請求項３】
質量％で、更に、
Ａｌ：０.０５％以下、
Ｖ：０.１％以下、
Ｂ：０.０１％以下、
Ｂｉ：０.５％以下、
Ｓｎ：０.５％以下、
Ｎｂ：０.５％以下、
Ｔｉ: ０.５％以下、
Ｍｇ：０.１％以下、
Ｃｕ：０.５％以下、の一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
【請求項４】
熱接合がガス圧接であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の耐食性に優れたステンレス鉄筋継手。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−９０４５６（Ｐ２０１０−９０４５６Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６３２９５（Ｐ２００８−２６３２９５）
【出願日】平成２０年１０月１０日（２００８．１０．１０）
【出願人】（５０３３７８４２０）新日鐵住金ステンレス株式会社 (247)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１０日（２００８．１０．１０）
【出願人】（５０３３７８４２０）新日鐵住金ステンレス株式会社 (247)
【Ｆターム（参考）】
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