耐候性鋼に関する包括的な概要

耐候性鋼とは？

耐候性鋼は、大気腐食性鋼としても知られ、低合金高強度鋼で、大気条件下での耐食性を高めるために少量の合金元素を組み込んでいる。その耐食性は通常の炭素鋼の2～8倍であり、その保護効果は時間の経過とともに顕著になる。耐候性鋼はその優れた耐候性だけでなく、優れた機械的特性と溶接性を誇り、鉄道車両、橋梁、輸送用コンテナなどに広く使用されている。

ステンレス鋼とは異なり、耐候性鋼は錆びにくい.当初は通常の炭素鋼と同様に腐食するが、時間の経過とともに挙動が変化する。発錆が進むと、銅（Cu）やリン（P）などの微量元素が鋼材表面に蓄積し、緻密で非晶質の錆層が形成される。この層は母材と強固に結合し、大気中の水分や有害なイオンから部分的にシールドするバリアとして機能するため、さらなる腐食を防ぐことができる。

耐候性鋼は、塗装を施したり、無塗装のまま使用したり、安定化処理を施したりすることができるが、塗装の条件は通常の炭素鋼と同じである。特筆すべき利点は、無塗装で使用でき、塗装の必要性がないことである。大気汚染が少ない地域や適度な湿度がある地域では、耐候性鋼板を塗装せずに大気に直接さらすことができる。通常、約1年後には錆の層が安定し、それ以上の腐食が止まり、美しいチョコレートブラウンの色合いになる。塗装の老朽化といった問題から解放されたこの鋼材は、メンテナンス用の塗装を必要としないため、維持費を大幅に削減し、塗装の中断に伴う損失を回避することができる。

開発の歴史

20世紀初頭から、アメリカ、ドイツ、イギリス、そして日本といった国々は、耐候性鋼材について広範な研究を行ってきました。早くも1916年には、ヨーロッパとアメリカの科学者たちが、銅が大気条件下での鋼鉄の耐食性を高めることを発見しました。同年、米国材料試験協会（ASTM）は大気腐食の研究を開始しました。C.P.ララビーのような研究者が腐食のデータをまとめ、パターンを特定し、根本的なメカニズムを探ったのです。1930年代、U.S.スチール社は、優れた耐食性を持つ高強度銅含有低合金鋼であるコールテン鋼を開発しました。1960年代までに、コールテン鋼は無塗装のまま建物や橋梁に使用されるようになり、最も一般的なものは、高リン、銅-クロム-ニッケルのコールテンAシリーズと、クロム-マンガン-銅のコールテンBシリーズであった。耐候性鋼はヨーロッパや日本でも広く採用されるようになった。今日では国際的に標準鋼種として扱われ、その開発、適用、設計を規定する詳細な仕様が定められている。表1は、耐候性鋼の世界的な発展における主要なマイルストーンの概要である。

中国では、1960年代に耐候鋼と大気暴露試験の研究が始まった。1965年には09MnCuPTi耐候鋼の試作に成功し、中国初の耐候鋼鉄道貨車の誕生につながった。国家科学技術委員会と中国自然科学基金会は、全国規模の環境腐食試験場ネットワークを構築し、1983年から20年間、5サイクルのデータ収集活動を開始した。中国の資源の利点を生かし、研究者たちは、安鋼の08CuPVREシリーズ、武漢鋼鉄の09CuPTiシリーズ、済南鋼鉄の09MnNb、上海第3製鉄所の10CrMoAl、10CrCuSiVなどの鋼種を開発した。

耐候性鋼の等級

以下は、国際規格や米国、日本、中国などの主要生産国の例を含む、いくつかの著名な耐候性鋼種の概要である。

コールテン鋼（米国）

1930年代にU.S.スチール社によって開発されたコールテン鋼は、最もよく知られた耐候性鋼のブランドのひとつである。主に2つのシリーズに分けられる：

コールテンA

構成:リン(P: 0.07%-0.15%)、銅(Cu: 0.25%-0.55%)、クロム(Cr: 0.5%-1.25%)、ニッケル(Ni: 最大0.65%)を多く含み、ケイ素(Si)などの他の元素をわずかに含む。
特徴:リン含有量が高いため耐食性に優れ、緻密な保護錆層が形成される。溶接性と機械的強度も高い。

コールテンB

構成:低リン(P: ≤0.025%)、銅(Cu: 0.20%-0.40%)、クロム(Cr: 0.40%-0.65%)、マンガン(Mn: 0.50%-1.25%)、バナジウム(V: 0.02%-0.10%)。
特徴:極端な耐食性よりも高い強度と靭性を重視。リンの含有量が少ないため、厚い部分に適している。

SPA-H（日本）

スタンダード:JIS G3125（日本工業規格）
構成:銅（Cu：0.25%-0.60%）、リン（P：0.07%-0.15%）、クロム（Cr：0.30%-1.25%）、ニッケル（Ni：≦0.65%）、ケイ素（Si：0.25%-0.75%）。
特徴:溶接構造用に設計された耐食性に優れた高強度耐候性鋼。安定した錆層が早く形成され、湿度の高い工業環境で耐久性を発揮する。

中国耐候性鋼種

中国はいくつかの耐候性鋼種を開発し、多くの場合、資源の利用可能性と産業ニーズに合わせている：

Q235NH

構成:マンガン(Mn: 0.20-0.60%)、銅(Cu: ≤0.15%)、リン(P: ≤0.03%)。
特徴:降伏強さ≥235MPa、引張強さ360-510MPa、耐食性は一般炭素鋼の2-3倍で、ビルのカーテンウォールやガードレールなどの低荷重用途に適している。

Q295NH

構成:C≦0.16%、Mn 0.50-1.00%、Cu 0.20-0.60%、Cr 0.30-0.80%.
特徴:降伏強さ≥295MPa、引張強さ430-570MPaで、Q235NHより耐候性に優れ、鉄道車両や一般構造部品によく使用される。

Q355NH

構成:C≦0.16%、Mn 0.90-1.50%、Cu 0.25-0.55%、Cr 0.30-1.25%.
特徴:降伏強さ≥355MPa、引張強さ470-630MPa、伸び≥22%、良好な溶接性、容器や機械製造に適しています。

Q460NH

構成:C≦0.18%、Mn 1.00-1.60%、Cu 0.25-1.55%、Cr 0.40-1.25%.
特徴:降伏強さ≥460 MPa、引張強さ570-730 MPa、耐食性は普通炭素鋼の3-4倍で、重機や高荷重構造物に使用される。

Q295GNH

構成:C≦0.12%、P 0.07-0.15%、Cu 0.25-0.55%、Cr 0.30-1.25%
特徴:耐食性は普通炭素鋼の4～6倍で、緻密な錆層が彫刻や屋外施設などの露出した用途に適している。

Q345GNH

構成： C ≤ 0.12%、P 0.07-0.15%、Cu 0.25-0.55%、Ni ≤ 0.25%
特徴:降伏強さ≥345MPa、引張強さ490- 630MPa、耐海洋大気腐食性に優れ、海岸沿いの建物や風力タービンのタワーに使用される。

Q460GNH

構成： C≦0.12%、P 0.07-0.15%、Cu 0.25-0.55%、Cr 0.50-1.50%
特徴:降伏強さ≥460MPa、引張強さ570- 730MPa、高いリン含有量は錆層の安定化を促進し、化学容器に適しています。

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欧州規格（EN 10025-5）

欧州規格EN 10025-5では、耐候性鋼を「S」（構造用鋼）の呼称で規定し、耐候性を示す「W」を付けている：

S355J2W

構成:銅（Cu: 0.25%-0.55%）、クロム（Cr: 0.40%-0.80%）、リン（P: ≤0.035%）、マンガン（Mn: 0.50%-1.50%）。
特徴:降伏強度は355MPaで、耐候性に優れ、長期にわたって安定した錆層を形成する。

S355K2W

構成:S355J2Wに似ているが、靭性向上のため合金化を若干調整したもの（K2は耐衝撃性が高いことを示す）。
特徴:耐腐食性とともに低温性能も向上。

ASTM規格（米国）

ASTMは耐候性鋼の仕様を定めており、しばしばコールテン鋼種と重複する：

ASTM A588

グレード:A588グレードA、B、C、K
構成:品位により異なるが、通常Cu：0.25%～0.40%、Cr：0.40%-0.70%、Ni: ≤0.50%、P: ≤0.04%で、バナジウムやニオブを含むグレードもある。
特徴:最低降伏強度が345MPaの高強度低合金鋼。グレードKは耐食性に優れた添加元素を含む。

ASTM A242

構成:銅（Cu：0.20%以上）、クロム（Cr：0.50%～1.25%）、リン（P：0.15%以下）。
特徴:最も初期の耐候性鋼の規格のひとつで、薄肉部でも優れた耐食性を発揮する。

学年を超えた主な特徴

耐食性:すべての鋼種は、合金の含有量によって異なるが（例えば、コールテンAはPが高く、S355J2WはCrが高い）、それ以上の腐食を遅らせる保護錆パティーナを形成する。

機械的特性:降伏強度は通常、235MPa（SPA-Hなど）～355MPa（S355J2W、A588など）で、靭性や溶接性に最適化された鋼種もある。

カスタマイズ:中国の08CuPVREのようなレアアースを組み込んだ鋼種もあれば、10CrMoAlのように特定の環境（工業用雰囲気など）をターゲットにした鋼種もある。

耐候性鋼の機械的特性

耐候性鋼の機械的特性は高炭素鋼や低合金鋼に匹敵する。しかし、耐候性鋼は良好な冷間加工性能を示す必要がある。

耐候性鋼のミクロ組織は、一般的に次のようなものである。フェライトとパーライト.酸化物系介在物は2級以下、硫化物系介在物は2.5級以下、粒度は7級以下でなければならない。

耐候性鋼の合金元素

通常の炭素鋼に比べ、耐候性鋼は合金元素が錆層の導電性を低下させ、腐食生成物の急速な成長を妨げるため、大気腐食に対して優れた耐性を発揮する。その耐食性は、長期間の暴露で明らかになる。耐大気腐食性を向上させる合金元素は、以下の条件を満たす必要がある：(1) 錆層よりも鉄への溶解度が高いこと、 (2) 錆層と固溶体を形成すること。アイアン3）鋼の電気化学ポテンシャルを高める。耐候性能に及ぼす合金元素の影響は様々である。

カーボン

カーボンは耐大大気腐食性に悪影響を与え、溶接性、低温脆性、耐食性に影響を与える。足踏みの特性を持つ。通常、耐候性鋼に含まれるその質量分率は0.12%以下に制限される。

銅と硫黄

0.2%～0.4%の銅を添加することで、農村、工業、海洋の大気中における耐食性は、通常の炭素鋼よりも著しく向上する。銅は硫黄の有害な影響を顕著に相殺し、不溶性の硫化物が形成されるため、硫黄含有量が増加するにつれてその効果は増大する。残留硫黄を0.01%まで低減させることで、炭素鋼の耐候性能はコルテンBレベル近くまで、一般合金鋼はコルテンAレベルまで向上する。

リン

リンは、耐大気腐食性を高めるために最も効果的な元素のひとつです。リンは鋼材に均一に溶解し、表面に緻密な保護膜を形成します。最適な耐食性はリン含有量0.08%～0.15%で達成される。

クロム

クロムは鋼表面に緻密な酸化皮膜を形成し、不動態化を促進し、錆の成長を遅らせる。通常、クロムの含有量は0.4%～1.0%（最大1.3%）で、銅と組み合わせることで顕著な効果が得られる。

ニッケル

安定した元素であるニッケルは、鋼の自己腐食電位をプラスにシフトし、安定性を向上させる。大気暴露試験では、約4%のニッケルが沿岸環境での耐食性を著しく向上させることが示されている。

カルシウム

微量のカルシウムは、全体的な耐大気腐食性を向上させ、使用中の錆の流出を防止する。カルシウムはCaOとCaSを形成し、表面電解質膜に溶解してアルカリ性を高め、腐食性を低下させ、緻密で保護性の高いα-FeOOH錆相の形成を促進する。

マンガン

マンガンが耐食性に及ぼす影響については、さまざまな意見がある。ほとんどの研究者は、マンガンは海洋雰囲気に対する耐性を高めるが、工業環境ではほとんど影響を与えないという意見で一致している。マンガンの含有量は通常0.5%～2.0%の範囲である。

モリブデン

0.4%-0.5%のモリブデンは、大気環境、特に工業環境において、腐食速度を50%以上低減する。

希土類元素

0.2%以下で添加される希土類元素 (RE) は、クロムやニッケルを含まない耐候性鋼に使用される。反応性が高く、脱酸剤および脱硫剤として作用し、結晶粒を微細化し、有害な介在物を減少させ、腐食開始部位を最小限に抑えることで耐食性を向上させる。

耐候性鋼の用途

耐候性鋼板は耐候性に優れているだけでなく、ある程度の加工性も備えている。切断、溶接、彫刻などの加工が可能で、様々な複雑な設計要求に応えることができる。特に現代建築では、耐候性鋼板の応用は広い見通しを持っている。

建設

耐候性鋼は主に建設分野で鋼構造物、橋梁、高速道路のガードレールなどの製造に使用されている。耐候性鋼は耐食性に優れているため、これらの構造物の耐用年数を大幅に延ばし、メンテナンスや交換の頻度を減らし、メンテナンスコストを下げることができる。同時に、耐候性鋼の独特な外観は、建物に独特の美観をもたらすことができる。

鉄道・運輸

鉄道・運輸分野では、耐候性鋼は主に線路、車両、コンテナなどの製造に使用される。これらの設備は過酷な環境にさらされることが多い。これらの設備は、雨、雪、風、砂などの過酷な環境条件にさらされることが多い。耐候性鋼は優れた耐食性を発揮し、設備の長期安定稼働を保証します。

農業

農業分野における耐候性鋼の用途は、主に農業機械や温室構造物などである。耐候性鋼は優れた耐食性と老化防止特性を持つため、様々な厳しい環境条件に適応し、農業生産と施設に信頼できるサポートと保護を提供することができます。

石油化学分野

石油化学産業では、耐候性鋼は主に貯蔵タンク、パイプライン、バルブなどの製造に使用される。これらの設備は、酸、アルカリ、塩などの腐食性媒体にさらされることが多い。耐候性鋼は、良好な耐食性を提供し、設備の寿命を延ばすことができます。

結論

耐候性鋼は耐食性に優れ、コストパフォーマンスに優れているため、永続的な関連性を持つ重要な素材である。今後の研究は、中国独自の資源と技術的強みを活用しつつ、世界的な専門知識を活用すべきである。重点を置くべきは、表面層の迅速な錆安定化技術とともに、中国の環境および地域のニーズに合わせた高効率で高品質の耐候性鋼の開発である。

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