JP2009046737A

JP2009046737A - 耐高圧水素環境脆化特性に優れた低合金高強度鋼およびその製造方法

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Publication number: JP2009046737A
Application number: JP2007214937A
Authority: JP
Inventors: Koichi Takazawa; 孝一高澤; Hiroharu Wada; 洋流和田; Ryoji Ishigaki; 良次石垣; Yasuhiko Tanaka; 泰彦田中
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2027-08-21
Also published as: US20100212785A1; US8313589B2; JP5094272B2; EP2180074A4; EP2180074A1; WO2009025314A1; EP2180074B1

Abstract

【課題】高圧水素環境下において高強度で優れた耐高圧水素環境脆化特性を有する低合金鋼を安価に提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．１０〜０．４０％、Ｍｎ：０．５０〜１．２０％、Ｐ：０．００５％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：０．２０〜０．８０％、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、Ｍｏ：０．１０〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有する。前記組成を有する低合金鋼を溶製後、調質を行い大気中の引張強度を９００ＭＰａ〜９５０ＭＰａとする。高強度で、かつ水素環境脆化感受性が小さい材料が得られる。
【選択図】図１

Description

この発明は、高圧水素貯蔵用蓄圧器などに使用され、焼入れ焼戻し処理（以下調質という）によって製造され、大気中の引張強度範囲が９００〜９５０ＭＰａで、優れた耐高圧水素環境脆化特性を有する高強度鋼及びその製造に関するものである。

水素社会構築のための水素インフラ整備事業において、高圧水素を貯蔵、供給する水素スタンドの普及は重要である。高信頼性を有する水素スタンドの構成には高圧水素ガス蓄圧器の開発が必須であり、優れた蓄圧器用材料の開発が望まれている。ここで、金属材料、特に鉄鋼材料はコストやリサイクル性の観点から蓄圧器材料として有望である。
技術的な趨勢として、水素自動車の航続距離延伸のため貯蔵ガスの圧力はより高圧化することが望まれており、水素スタンドの蓄圧器には３５ＭＰａ以上の高圧水素ガスを貯蔵することが考えられている。しかしながら、炭素鋼や高強度低合金鋼においては高圧水素ガス環境下において水素環境脆化が生じるとされており、現在まででは３５ＭＰａ以上の高圧水素環境で使用できる鉄鋼材料はオーステナイト系ステンレス鋼にほぼ限定されていた。オーステナイト系ステンレス鋼は一般的にフェライト鋼よりも高価であり、また室温まで安定なオーステナイト相を有することから熱処理による強度調整ができない。そのため、より高圧の水素ガスを貯蔵するための蓄圧器材料としてＣｒ−Ｍｏ鋼に代表される高強度フェライト鋼が望まれている。

従来の技術として、例えば特許文献１では、高圧水素環境下における炭素鋼や低合金鋼、それより製造するシームレス鋼管、そしてその製造方法が提案されている。この提案技術では、構成成分のＣａ／Ｓ比を制御することにより鋼中の拡散性水素量を低減して耐高圧水素環境脆化特性を改善するものである。
特開２００５−２３８６号公報

しかしながら、上記提案技術は、電解水素チャージにより高圧水素環境を模擬した試験データに基づいており、間接的に水素環境脆化特性を評価したものに過ぎない。さらに実機の設計や製作に不可欠である機械的特性、特に水素環境脆化の影響を受けた状態での機械的特性に関してはデータが示されていない。また、各種Ｃｒ−Ｍｏ鋼におけるこれまでの４５ＭＰａ水素環境中引張試験の結果からは、溶接構造用高降伏点鋼板ＪＩＳＧ３１２８ＳＨＹ６８５ＮＳが大きな水素中絞りを示し、耐水素環境脆化特性に優れた材料であったが、大気中引張強度が現状の目標強度である９００ＭＰａ〜９５０ＭＰａには至っていない。

本発明は、耐高圧水素環境脆化特性に優れた高強度鋼開発の現状を背景としてなされたものであり、４５ＭＰａ水素環境における水素環境脆化特性を評価し、それに基づき大気中の引張強度が９００〜９５０ＭＰａの範囲において、溶接構造用高降伏点鋼板ＪＩＳＧ３１２８ＳＨＹ６８５ＮＳよりも優れた耐水素環境脆化特性を有する高強度鋼を提供することを目的としている。

この発明の構成においては、ＡＳＭＥＳＡ５１７Ｆ鋼をベースとする試験材を用いて、４５ＭＰａ水素雰囲気における引張特性の詳細な検討を実施した。その結果、目標強度範囲である９００ＭＰａ〜９５０ＭＰａの大気中引張強度範囲において、ＪＩＳＧ３１２８ＳＨＹ６８５ＮＳよりも４５ＭＰａ水素雰囲気中での絞りおよび伸びの値が大きく、水素環境脆化感受性が小さい新規な合金組成を見出し、本発明に至ったものである。

すなわち、第１の本発明に係る耐高圧水素環境脆化特性に優れた低合金高強度鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．１０〜０．４０％、Ｍｎ：０．５０〜１．２０％、Ｐ：０．００５％以下、Ｓ：０．００５％以下、好ましくは０．００３％以下、更に好ましくは０．００１％以下、Ｃｒ：０．２０〜０．８０％、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、Ｍｏ：０．１０〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする。

第２の本発明に係る耐高圧水素環境脆化特性に優れた低合金高強度鋼の製造方法は、前記第１の本発明の組成を有する低合金鋼を溶製後、調質を行い大気中の引張強度を９００ＭＰａ〜９５０ＭＰａとすることを特徴とする。

第３の本発明に係る耐高圧水素環境脆化特性に優れた低合金高強度鋼の製造方法は、前記第１の本発明の組成を有する低合金鋼熱間加工材に、焼ならしをし、９２０℃以上での焼き入れを行った後、６００℃〜６４０℃温度範囲で焼戻しを行うことを特徴とする。

以下本発明における成分の限定範囲について詳細に説明する。以下の成分含有量はいずれも質量％で示される。

Ｃ：０．１０〜０．２０％
Ｃは鋼の強度を向上させる有効な成分であり、溶接用鋼としての強度を確保するためその下限値を０．１０％と定める。また過剰の添加は鋼材の溶接性を著しく劣化させるため上限値を０．２０％とする。望ましくは、下限０．１４％、上限０．１６％である。

Ｓｉ：０．１０〜０．４０％
Ｓｉは母材の強度確保、脱酸等に必要な成分であり、その効果を得るため下限値を０．１０％とする。しかしながら過剰な添加は溶接部の靱性低下を引き起こすため上限を０．４０％とする。望ましくは下限０．１８％、上限０．３２％である。

Ｍｎ：０．５０〜１．２０％
Ｍｎは鋼の強化に有効な成分として、その下限を０．５０％に定める。しかし過剰な添加は溶接部の靭性低下や割れ引き起こすので上限値を１．２０％とする。望ましくは下限０．８０％、上限０．８４％である。

Ｐ：０．００５％以下
Ｐは熱間加工性低下防止の面からその含有量は少ないほど望ましく、０．００５％を上限とする。

Ｓ：０．００５％以下
Ｓは熱間加工性低下および靭性低下を防止する面からその含有量は少ないほど望ましく、０．００５％を上限とする。好ましくは０．００３％以下、更に好ましくは０．００１％以下である。

Ｃｒ：０．２０〜０．８０％
Ｃｒは鋼の強度を向上させるが、過剰な添加は溶接性を低下させるため下限を０．２０％、上限を０．８０％とする。望ましくは下限０．４７％、上限０．５７％である。

Ｎｉ：０．５％未満
Ｎｉは一般には鋼の強度や焼入れ性向上に有効な元素であるため積極的に添加するが、本発明ではＮｉは水素環境脆化特性の低下を招くため、不可避不純物として扱う。その上限は０．５％未満に規制するのが望ましい。さらに望ましくは０．２％以下であり、一層望ましくは０．１％以下である。

Ｃｕ：０．１０〜０．５０％
Ｃｕは鋼の強度を向上させるが、過剰な添加は溶接時の割れ感受性を高める。従って下限を０．１０％、上限を０．５０％とする。望ましくは下限０．３１％、上限０．３３％である。

Ｍｏ：０．１０〜１．００％
Ｍｏは鋼の強化に有効な元素であるが、過剰な添加は溶接性を損ない、またコスト高を招くので下限を０．１０％、上限を１．００％とする。望ましくは下限０．４５％、上限０．５５％である。

Ｖ：０．０１〜０．１０％
Ｖは鋼の強度を確保するために重要な元素であり、多すぎると靱性に悪影響を及ぼすことから下限を０．０１％、上限を０．１０％とする。望ましくは下限０．０４％、上限０．０６％である。

Ｂ：０．０００５〜０．００５％
Ｂは鋼の強化に有効であり、また焼入性の向上にも有効な元素であるため、その下限値を０．０００５％とする。一方で過剰な添加は溶接性の低下をもたらすので、その上限値を０．００５％とする。望ましくは下限０．００１８％、上限０．００４６％である。

Ｎ：０．０１％以下
Ｎは０．０１％を超えると固溶Ｎが増大し溶接部の靭性低下をもたらすため、その上限値を０．０１％とする。

この発明による主たる効果として、オーステナイト系ステンレス鋼よりも安価に高圧水素蓄圧器の製作が可能になる。また従来鋼よりも高強度であり、かつ水素環境脆化感受性が小さいため、設計圧力の高圧化ないしは設計肉厚の薄肉化を図ることができる。また従たる効果として、設計圧力の高圧化により水素充填量の増大が図れる。また容器の薄肉化により容器製造コストが低減できる。

以下に、本発明の一実施形態を説明する。
本発明の組成に調整した低合金鋼を溶製し、鋳塊を得る。該低合金鋼の溶製方法は本発明としては特に限定をされるものではなく、常法により鋳塊を得ることができる。
該鋳塊は、常法により熱間加工（熱間圧延や熱間鍛造など）を行うことができ、本発明としては熱間加工における条件等が特に限定をされるものではない。
熱間加工後には、熱間加工材に対し、好適には焼ならしを行って組織の均一化を図る。該焼ならしは、例えば１０５０〜１１００℃で２時間の加熱を行い、その後、炉冷することにより行うことができる。

さらに、調質として焼き入れ焼戻しの処理を行うことができる。
焼き入れは、例えば９２０〜９４０℃に加熱し、急冷することにより行うことができる。焼き入れ後は、例えば、６００〜６４０℃で加熱する焼戻しを行うことができる。該焼戻しでは、焼戻し温度Ｔ（Ｋ）と時間ｔ（ｈｒ．）において、Ｔ（ｌｏｇｔ＋２０）×１０^−３で表される焼戻しパラメータを、１８．０〜１８．５の範囲で調整することで、大気中の引張強度を９００〜９５０ＭＰａに設定することができ、これにより低合金高強度鋼が得られる。該低合金高強度鋼は、４５ＭＰａ水素雰囲気中でも優れた絞り、伸び特性を示す。

以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。
供試材を真空誘導溶解炉により５０ｋｇ丸型鋼塊に溶製し、熱間鍛造により３５ｍｍ厚さとした。表１に発明鋼供試材の組成を示す。今回の試験では製造方法として熱間鍛造後の３５ｍｍ厚さで調質した。焼入温度は９２０℃とし、焼戻しは６００℃から６４０℃の温度範囲にて行った。焼戻し温度Ｔ（Ｋ）と時間ｔ（ｈ）を調整し、Ｔ（ｌｏｇｔ＋２０）×１０^−３にて表される焼戻しパラメータを１８．３から１８．６の範囲で変動させ、大気中の引張強度が８７５ＭＰａから９５０ＭＰａの範囲となるように調整した。調質後、試験材をＪＩＳＺ２２０１で規定された１４号平滑引張試験片（径８ｍｍ、標点間距離４０ｍｍ）に加工した。水素中引張試験は高圧水素環境疲労試験機を用い、４５ＭＰａ水素環境下で行った。引張試験における変形速度は０．００１５ｍｍ／ｓ、試験温度は常温であった。また、比較鋼としてＪＩＳＧ３１２８ＳＨＹ６８５ＮＳ鋼およびＡＳＭＥＳＡ５１７Ｆ鋼、ならびにその他に、いくつかの鋼を用いた。比較鋼は、既知の製造基準により製造した。

図１に供試材の大気中引張強度と４５ＭＰａ水素中の絞りの関係を示す。
発明鋼供試材および比較鋼の４５ＭＰａ水素中絞りは、大気中引張強度の増大に伴い低下するが、供試材の目標強度範囲である９００ＭＰａ〜９５０ＭＰａにおいて比較鋼より最大で約１０％大きな値を示した。これは比較鋼よりも強度が高く、かつ水素環境脆化感受性に優れることを示している。

図２に供試材の大気中引張強度と４５ＭＰａ水素中の伸びの関係を示す。本発明鋼は、絞りと同様に、伸びにおいても目標強度範囲において比較鋼よりも大きな値であり、水素環境脆化感受性が低いことを示している。供試材と比較鋼の相違としてＮｉ含有量の相違が挙げられる。

図１は本発明鋼と比較鋼の大気中引張強度と４５ＭＰａ水素中絞りの関係を示すグラフである。図２は本発明鋼と比較鋼の大気中引張強度と４５ＭＰａ水素中伸びの関係を示すグラフである。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．１０〜０．４０％、Ｍｎ：０．５０〜１．２０％、Ｐ：０．００５％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：０．２０〜０．８０％、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、Ｍｏ：０．１０〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする耐高圧水素環境脆化特性に優れた低合金高強度鋼。
請求項１記載の組成を有する低合金鋼を溶製後、調質を行い大気中の引張強度を９００ＭＰａ〜９５０ＭＰａとすることを特徴とする耐高圧水素環境脆化特性に優れた低合金高強度鋼の製造方法。
請求項１記載の組成を有する低合金鋼熱間加工材に、焼ならしをし、９２０℃以上での焼き入れを行った後、６００℃〜６４０℃温度範囲で焼戻しを行うことを特徴とする耐高圧水素環境脆化特性に優れた低合金高強度鋼の製造方法。