溶融亜鉛めっき鋼構造物は耐食性に優れ,メンテナンスコストの低減が計れることから,今後需要が大幅に伸びると予想される。現在,亜鉛めっき大型鋼構造物の代表は送電鉄塔と橋梁であるが,これらを亜鉛めっきする場合の最大の技術的問題点は,めっき中に発生する熱応力・熱ひずみと,めっき前に存在する溶接残留応力により,溶接熱影響部(以下HAZと略称)に発生する液体金属ぜい化の一種の亜鉛ぜい化われ(以下亜鉛われと略称)である。

　従来,亜鉛われについては鉄塔分野で比較的多くの研究があり,亜鉛われ感受性当量CEZを規定した鉄塔用590MPa鋼が1988年にJISに制定されている。

　しかし,この鋼材は鋼種により亜鉛われ感受性(以下亜鉛われ性と略称)が高いことが鉄塔製作過程で明らかとなった。また,橋梁では構造や使用鋼種等が鉄塔と大きく異なるが,鋼材の亜鉛われ性やめっき中の応力挙動に関する研究は乏しかった。

　本研究は,亜鉛めっき大型鋼構造物を対象として,めっき時にHAZに発生する亜鉛われ現象に関する鋼材要因及び設計施工要因の影響を解明して亜鉛めっき用鋼材の適正合金成分条件及び構造物の設計指針を提示することと両者を総合した亜鉛われ防止技術の確立を目的とした。

　亜鉛われ性に及ぼすHAZの金属組織の影響を検討し,

　(1)HAZの粒界は,旧オーステナイト()粒界を界面とするA界面とフェライトが生成し旧粒界の位置がもはや界面でないB界面に分けられる。

　(2)亜鉛の拡散侵入はA界面で優先的に生じ,B界面では殆ど認められない。

　(3)そのため,マトリックスがベイナイト組織主体のHAZの亜鉛われ性は,旧粒界に占めるB界面の比率(以下粒界フェライト占有率と称す)により支配され,粒界フェライト占有率が増加するに従い,亜鉛われ性が直線的に向上する。

　(4)亜鉛が拡散侵入したA界面には,母相とエピタキシー関係を持つ析出相Fe₃(Zn,Mn)C_0.5が観察される。

　ことなどを明らかにした。

　鉄塔用590MPa鋼は前述のようにCEZの規定があるが,実際の製作では耐われ性が不十分なことから,強い影響が想定される微量のボロン(B)に着目して,亜鉛われ性に及ぼす合金元素の影響を検討し,

　(1)亜鉛ぜい化度(亜鉛がある時と無いときの切欠破断強度の比)は,図1に示す如く,C,Mn等の多少にかかわらず4mass ppm以下の微量なB量で著しく低下する。

　(2)その原因は,Bが粒界に濃化して粒界焼入性を高め,粒界フェライトの生成を抑制するためである。

　ことなどを明らかにした。これらの結果に基づき,新たな亜鉛われ性当量(CEZ_mod)を導き出し,JIS改訂を提案した。

図1 亜鉛ぜい化度に及ぼすBの影響

　橋梁部材で面外変形を伴う亜鉛われとめっき中の応力・変形挙動の関係について検討し,

　(1)亜鉛われはパネルに発生するめっき時の最大圧縮熱応力とパネル座屈強度の比(以下R_maxと略称)と良い相関を示す。

　(2)めっき時のパネル座屈の影響で圧縮塑性変形をうけた補剛材端部では,変形の回復過程で引張ひずみが発生し,そのため亜鉛われが発生する。

　(3)引張ひずみとR_maxに良好な関係があり,HAZの限界ひずみとの比較から,R_maxのわれ発生限界値が鋼種別に存在する。

　(4)R_maxは橋梁部材の形状寸法から回帰式で推定可能である。

　ことを明らかにし,亜鉛われ防止の設計指標としてR_maxを用いること及びそれをわれ限界値の8以下とすることを提案した。

　また,面外変形が生じない場合の応力挙動についても検討し,橋梁用亜鉛われ対策鋼の必要亜鉛ぜい化度を,鋼種別に明らかにした。

　上記の鋼材面及び設計施工面を総合した大型鋼構造物の亜鉛われ防止法の検討を行なった。先ず,めっき橋梁用の亜鉛われ対策鋼の開発検討を行い,

　(1)鋼材強度を確保しつつ亜鉛われ性を向上させる製造条件としてTMCP(水冷型)が有効である。

　(2)最適成分系として粒界焼入性の低い中C-低Mn系が優れている。

　ことを明らかにし,この系に適した亜鉛ぜい化度の化学成分の回帰式を提案した。この結果に基づきめっき橋梁用490及び570MPa級鋼を現場転炉で溶製し,母材特性,亜鉛われ性とも開発目標値を十分満足することを確認した。

　次に,面外変形が大きい場合には鋼材面の対策のみではわれ防止ができないことから,設計施工上の対策を検討し,通常の交差部構造のままで,応力集中低減型の補剛材先端形状を採用する方法及び補剛材同士を溶接接合して隙間部をなくす方法が有効であることを確認した。

　これらの鋼材面及び設計施工面を総合した亜鉛われ防止法を,めっき可能な最大サイズの非分割形箱桁の実橋製作に適用し,亜鉛われ防止に成功したことを確認した。

　以上の研究成果は,鉄塔関係では送電鉄塔用鋼材の亜鉛われ性当量CEZ式の改訂(1995年3月官報公示)に,めっき橋関係では(社)日本鋼構造協会の「溶融亜鉛めっき橋梁の設計・施工指針」(1996年1月発行予定)に反映された。

　これらにより今後益々増える亜鉛めっき鋼構造物が使用性能的にも安全で,且つ経済的に製造できることを確信する。