JP4007311B2

JP4007311B2 - ボンベ用鋼材およびそれを用いたボンベ

Info

Publication number: JP4007311B2
Application number: JP2003375919A
Authority: JP
Inventors: 正志熊谷; 暢俊村尾; 清治栗山
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-11-05
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2023-11-05
Also published as: JP2005139499A

Description

本発明は、ボンベに用いられる鋼材に関し、さらに詳しくは、薄肉のボンベに用いられる高強度の鋼材に関するものである。

従来から、流体の可搬式器具としては、高圧ガス、消化剤等が充填される容器（ボンベ）が知られている。このようなボンベに用いられる鋼材としては、例えばＪＩＳ規格でいうところのＳＣＭ４３０・４３５、ＳＭｎ４３３・４４３相当のものがある。また、ボンベ用鋼材の製造方法に関する先行技術としては、例えば「圧力容器用Ｃｒ−Ｍｏ鋼の製造方法」（特許文献１参照）がある。

一般的に、このようなボンベは、安全上の観点から、人および器物に対して危険を及ぼさず十分に安全で、かつ容器自体が長期にわたって稼動、設置されなければならないため、極端な高強度のものは好まれなかった。しかし、近年の低コスト化、省エネルギー化という社会的要請を受けて、引っ張り強さ（以下ＴＳという）が１０００ＭＰａ以上といった高強度のボンベが必要とされてきた。このような要求を満たす鋼材に関する先行技術として、例えば「超高圧圧力容器用鋼およびその製造方法」（特許文献２参照）がある。これは、鋼材に４％Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼を用い、ＣおよびＭｏの含有量を高めることで、１０００ＭＰａ以上のＴＳを実現している。

図１に示されるような形状の、高さが約５００〜１８００ｍｍ、内径が約２００〜３００ｍｍの小型軽量のボンベには、優れた耐圧性能の他に、容器１個当たりの充填ガス量を増加させるための内容積の増大、および製品の運搬能力の向上あるいは容器製造のための必要鋼材重量削減による軽量化が求められている。内容積の増大および軽量化という互いにトレードオフの関係にある２つの要求を同時に満たすボンベを実現する方法として、ボンベを薄肉、例えば、厚さを１３．０ｍｍ以下にする方法がある。
特開昭５６−４４７１７号公報特開平８−１２０４００号公報

しかしながら、従来の鋼材を用いて薄肉のボンベを製造しようとした場合、鋼材が０．４０％前後あるいはこれを超える高いＣを含有しており、また、ボンベが薄肉であるため、焼入れ時に割れが発生し易くなり、従来の鋼材では、薄肉のボンベを実現できないという問題がある。つまり、上記Ｃでは、高強度化のために焼入れ時の冷却速度を速くすると、薄肉のために割れが発生し易くなるのである。

また、一般にボンベではガス等の充填が繰り返しおこなわれるため、ボンベ用鋼材には高強度と共に良好な繰り返し疲労性が要求されるが、鋼材が高強度になると、靭性が劣化し、また、降伏比（降伏強さ（以下ＹＳという）／ＴＳ、以下ＹＲという）が高くなって、塑性変形した後に破断に至るまでの余裕がなくなり、繰り返し疲労性が劣化するため、従来の鋼材では、高強度と良好な繰り返し疲労性とを両立することができないという問題がある。

さらに、従来の鋼材では、高強度化のために高い含有量のＣｒ、Ｍｏを添加したり、高価な添加金属であるＮｉを３．５〜４．５％添加したりすることを前提としており、鋼材が高強度になると、鋼材が高コストとなるという問題がある。
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、薄肉のボンベに最適な高強度の鋼材を提供することを第１の目的とする。

また、高強度に加えて、優れた繰り返し疲労性をも有する鋼材を提供することを第２の目的とする。
さらに、高強度に加えて、コストに優れた鋼材を提供することを第３の目的とする。

本発明者は、上記状況に鑑み、高い焼入れ性および焼き戻し性を確保するために、冷却速度を高めた場合の割れの原因となっていたＣの含有量を減らし、その代替として焼入れ性の高い変態強化を促す元素であるＢ、ＣｒおよびＭｏを添加した鋼材を用いて強度、繰り返し疲労性について精査した。
その結果として、Ｃ、Ｃｒ、ＭｏおよびＢの含有量を調節すれば、高強度のために冷却速度を高くしても割れを発生させないことが可能で、さらに、繰り返し疲労性を向上させ、低コスト化できることを見出した。

以上の知見に基づき、本発明者らは化学成分の設計を行い、本発明に至った。
上記目的を達成するために、本発明の、厚さ１３．０ｍｍ以下のボンベ用の鋼材あるいは鋼管は、質量％で、Ｃ：０．２０〜０．３５％、Ｓｉ：≦０．３５、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｐ：≦０．０２５％、Ｓ：≦０．０１５％、Ｃｒ：０．８〜２．０％、Ｍｏ：０．３〜１．０％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：≦０．００８％を含有し、残部はＦｅと不純物とからなることを特徴とする。

ここで、請求項１に記載した成分に加え更に、質量％で、Ｎｂ：≦０．１０％、Ｔｉ：≦０．１０％、Ｃｕ：≦２．００％、Ｎｉ：≦２．００％、Ｖ：≦０．１０％、Ｃａ：≦０．０１％のうち、少なくとも１種を含有してもよい。
また、前記ボンベ用鋼材は、継ぎ目無し鋼管であってもよい。
また、本発明は、請求項１〜３のいずれか1項に記載の、厚さ１３．０ｍｍ以下のボンベ用鋼材を用いることを特徴とするボンベであってもよい。

本発明に係るボンベ用鋼材によれば、薄肉のボンベに最適な高強度の鋼材を提供すると共に優れた繰り返し疲労性を有した低コストのボンベ用鋼材を提供することが可能となり、低コストで優れた耐圧性能を有する小型軽量のボンベを実現することが可能である。

以下に本発明の各要件について詳しく説明する。なお、成分含有量の「％」は「質量％」を意味する。
Ｃ：
Ｃは、鋼の強度を増加させる元素である。しかし、その含有量が０．２０％未満では高強度を確保できず、一方、０．３５％を超えると冷却速度を高めた場合の割れが発生しやすくなり、また、靭性の低下が著しくなり、繰り返し疲労性も劣化する。したがって、Ｃの含有量を０．２０〜０．３５％とした。

Ｓｉ：
Ｓｉは、脱酸作用のほか、鋼の強度を増加させる元素である。しかし、その含有量が０．３５％を超えると清浄性が劣化しやすくなる。したがって、Ｓｉの含有量を０．３５％以下とした。
Ｍｎ：
Ｍｎは、焼入れ性を向上させ、強度の上昇および靱性の向上のために有効な元素である。しかし、その含有量が０．３０％未満ではその添加効果が得られず、一方、２．００％を超えると靭性が劣化する。したがって、Ｍｎの含有量を０．３０〜２．００％とした。なお、Ｍｎの含有量は０．３０％〜０．８０％とすることが好ましい。これによって、優れた靭性を得ることができる。

Ｐ：
Ｐは、鋼中に不純物として含まれる元素であり、その含有量が０．０２５％を超えると靭性を劣化させる。したがって、Ｐの含有量を０．０２５％以下とした。
Ｓ：
Ｓは、鋼中に不純物として含まれる元素であり、その含有量が０．０１５％を超えると靭性を劣化させる。したがって、Ｓの含有量を０．０１５％以下とした。

Ｃｒ：
Ｃｒは、高強度を確保するために有効な元素である。しかし、その含有量が０．８０％未満ではその添加効果が得られず、一方、２．００％を超えると焼戻脆化感受性が高まる。さらに、靱性が劣化し、それに伴い繰り返し疲労性も劣化する。したがって、Ｃｒの含有量を０．８０〜２．００％とした。なお、Ｃｒの含有量は０．８０％〜１．３０％とすることが好ましい。これによって、優れた靭性を得ることができる。

Ｍｏ：
Ｍｏは、高強度を確保するために有効な元素である。しかし、その含有量が０．３０％未満ではその添加効果が得られず、一方、１．００％を超えると靱性が劣化し、それに伴い繰り返し疲労性も劣化する。したがって、Ｍｏの含有量を０．３０％〜１．００％とした。なお、Ｍｏの含有量は０．３０％〜０．７０％とすることが好ましい。これによって、優れた靭性を得ることができる。

Ｂ：
Ｂは、焼入れ性を高くし、強度を上昇させる元素である。しかし、その含有量が０．０００５％未満ではその添加効果が得られず、一方、０．００３０％を超えると靱性が著しく劣化する。したがって、Ｂの含有量を０．０００５％〜０．００３０％とした。
Ａｌ：
Ａｌは、脱酸に加えて組織の細粒化のために有効な元素である。しかし、その含有量が０．０１％未満ではその添加効果が得られず、一方、０．１０％を超えると靭性が劣化する。したがって、Ａｌの含有量を０．０１％〜０．１０％とした。

Ｎ：
Ｎは、Ｂと結合してＢＮを生成させ、Ｂの焼入れ性を低下させる元素であり、その含有量が０．００８％を超えると焼入れ性が低下する。したがって、Ｎの含有量を０．００８％以下とした。
以上が請求項１の鋼材の化学成分を限定した理由である。

次に請求項２で請求項１の鋼材の化学成分に加えて、Ｎｂ：≦０．１０％、Ｔｉ：≦０．１０％、Ｃｕ：≦２．００％、Ｎｉ：≦２．００％、Ｖ：≦０．１０％、Ｃａ：≦０．０１％のうち、少なくとも１種を含有させる限定理由を述べる。
Ｎｂ：
Ｎｂは含有させなくてもよい。含有させれば、ＮｂＣの微細析出により組織を細粒化し、強度の確保、靭性の向上のために有効に機能する。ただし、その含有量が０．１０％を超えて過剰に添加されると、靭性が劣化するので、添加する場合には含有量を０．１０％以下とするのが好ましい。なお、含有量は０．０１％以上とすることがより好ましい。これによって、その効果を顕著に発揮させることができる。

Ｔｉ：
Ｔｉは含有させなくてもよい。含有させれば、ＴｉＣ、ＴｉＮの析出によって強度の上昇及び靭性を向上させる。ただし、その含有量が０．１０％を超えて添加されると、靭性が劣化するので、添加する場合には含有量を０．１０％以下とするのが好ましい。なお、含有量は０．０１％以上とすることがより好ましい。これによって、その効果を顕著に発揮させることができる。

Ｖ：
Ｖは含有させなくてもよい。含有させれば、ＶＣの析出によって強度の上昇に寄与する。ただし、その含有量が０．１０％を超えて添加されると、靭性が劣化するので、添加する場合には含有量を０．１０％以下とするのが好ましい。なお、含有量は０．０２％以上とすることがより好ましい。これによって、その効果を顕著に発揮させることができる。

Ｃｕ、Ｎｉ：
Ｃｕ、Ｎｉは含有させなくてもよい。含有させれば、それぞれ固溶強化等の強化機構で強度を更に高くすることが出来る。ただし、その含有量がそれぞれ２．０％を超えて添加されるとその効果が飽和し、コストが嵩むばかりであるため、添加する場合には含有量をそれぞれ２．０％以下とするのが好ましい。なお、含有量はそれぞれ０．０５％以上とすることがより好ましい。これによって、その効果を顕著に発揮させることができる。

Ｃａ：
Ｃａは含有させなくてもよい。含有させれば、Ｓと結合し靭性を向上させる。ただし、その含有量が０．０１％を超えて添加されるとＣａ系介在物が増加し、靭性を劣化させるので、添加する場合には含有量を０．０１％以下とするのが好ましい。なお、含有量は０．０００５％以上とすることがより好ましい。これによって、その効果を顕著に発揮させることができる。

以上が請求項１および請求項２の鋼材の化学成分を限定した理由である。
前述した理由で、請求項１および請求項２に記載した化学成分にすることで、薄肉のボンベに最適な高強度のボンベ用鋼材を実現すると共に優れた繰り返し疲労性を有した低コストのボンベ用鋼材をも実現することができる。
次に、請求項１および請求項２に記載のボンベ用鋼材を用いてボンベを製造する方法を、従来一般的に採用されているボンベの成型工程を例に説明する。なお、請求項の成分を満たしていれば、特別な設備あるいは特別なヒートパターンは必要とされない。

ボンベは、ボンベ用鋼材を容器の形状に加工した後、熱処理を施すという成型工程を経て製造される。熱処理方法は、例えば(Ａｒ３変態点＋５０℃)以上１１００℃以下の温度から、５℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で水焼入れもしくは油焼入れ処理を実施し、その後狙いの強度が得られる４５０℃以上Ａｃ１変態点以下の温度で焼戻し処理を実施する。
ここで、容器の形状に成形するには、継ぎ目無し鋼管を原管とする方法や、ブルーム・ビレットらの鋼片から成形する方法等がある。

継ぎ目無し鋼管から製造する場合、鋼管の端部を加熱し、片端は底部を形成、片端には頭部を形成し、その後熱処理を実施する。
ブルーム・ビレットらの鋼片から製造する場合、鋼片を加熱・穿孔・再加熱・搾伸しておおまかな形状に成形した後、底部を整え、片端に頭部を形成し、その後熱処理を実施する。

以下、本発明を実施例によって更に詳しく説明する。なお、本発明の構成および作用効果をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前後記の趣旨に適合しうる範囲で変更を加えて実施することももちろん可能であり、それらはいずれも本発明の技術範囲に含まれる。

（実施例）
表１は、各種ボンベ用鋼材１〜２３に関する化学成分を示している。なお、表１において、ボンベ用鋼材１〜１４は化学成分範囲が本発明で規定する条件を満たすボンベ用鋼材であり、ボンベ用鋼材１５〜２３は化学成分範囲が本発明で規定する条件を満たしていないボンベ用鋼材である。

各種ボンベ用鋼材１〜２３のそれぞれから試験片を切り出し、実験的に熱処理をし、強度と繰り返し疲労性を評価した。その結果を表２にまとめる。
ここで、強度の評価としては、ＴＳおよびＹＳを測定することによりおこない、ＴＳについては、１０００ＭＰａ以下、ＹＲについては、９５％以上のものに＃を付した。

また、繰り返し疲労性の評価は、圧力サイクル試験を実施することによりおこない、破断に至る目標回数を１２０００回以上とし、目標値に達した場合には〇とし、達しない場合には×とし＃を付した。なお、圧力サイクル試験は、繰り返し最大試験圧量２４５０（Ｎ／ｃｍ²）、繰り返し最小試験圧量０（Ｎ／ｃｍ²）、サイクル２．３（回／ｍｉｎ）の試験条件でおこなった。

表２から、比較用のボンベ用鋼材であるボンベ用鋼材１５〜２３はすべて肉厚が１３ｍｍ以下であるが、ボンベ用鋼材１５はＢが本発明で規定した化学成分範囲を外れているためにＴＳが１０００ＭＰａ以下になり、ボンベ用鋼材１６はＣが本発明で規定した化学成分範囲を外れているためにＴＳが１０００ＭＰａ以下になり、ボンベ用鋼材１７はＣが本発明で規定した化学成分範囲を外れているために圧力サイクル試験において目標値に達しなくなり、ボンベ用鋼材１８はＭｏが本発明で規定した化学成分範囲を外れているためにＴＳが１０００ＭＰａ以下になり、ボンベ用鋼材１９はＣｒが本発明で規定した化学成分範囲を外れているためにＹＲが９５％以上でかつ圧力サイクル試験において目標値に達しなくなり、ボンベ用鋼材２０はＭｎが本発明で規定した化学成分範囲を外れているためにＴＳが１０００ＭＰａ以下になり、ボンベ用鋼材２１はＭｏが本発明で規定した化学成分範囲を外れているためにＹＲが９５％以上でかつ圧力サイクル試験において目標値に達しなくなり、ボンベ用鋼材２２はＣｒが本発明で規定した化学成分範囲を外れているためにＴＳが１０００ＭＰａ以下になり、ボンベ用鋼材２３はＮが本発明で規定した化学成分範囲を外れているためにＴＳが１０００ＭＰａ以下になっていることがわかる。

これらに対して、本発明で規定した化学成分範囲にしたボンベ用鋼材１〜１４は、すべて肉厚が１３ｍｍ以下であり、またＴＳおよびＹＲに関してそれぞれ１０００ＭＰａ以上、９５％以下であることがわかる。すなわち本発明に係るボンベ用鋼材であれば、薄肉のボンベに最適な高強度の鋼材を実現できる。
また、本発明で規定した化学成分範囲にしたボンベ用鋼材１〜１４は、すべてＴＳおよびＹＲに関してそれぞれ１０００ＭＰａ以上、９５％以下であり、また圧力サイクル試験に関して目標値に達していることがわかる。すなわち本発明に係るボンベ用鋼材であれば、高強度に加えて、優れた繰り返し疲労性を有する鋼材を実現できる。

さらに、本発明で規定した化学成分範囲にしたボンベ用鋼材１〜１４は、すべて高価な添加金属であるＮｉを最大でも１．９１％しか含有しておらず、またＣｒ、Ｍｏについてもそれぞれ最大でも１．９１％、０．９０％しか含有していないが、ＴＳおよびＹＲに関してそれぞれ１０００ＭＰａ以上、９５％以下であることがわかる。すなわち本発明に係るボンベ用鋼材であれば、高強度に加えて、コストに優れた鋼材を実現できる。

本発明は、薄肉のボンベ用鋼材に利用でき、特に小型軽量の高圧ガス用、消火器用ボンベ等に利用することができる。

ボンベの形状の概略を示す図である。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．２０〜０．３５％、Ｓｉ：≦０．３５、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｐ：≦０．０２５％、Ｓ：≦０．０１５％、Ｃｒ：０．８〜２．０％、Ｍｏ：０．３〜１．０％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：≦０．００８％を含有し、残部はＦｅと不純物とからなる
ことを特徴とする、厚さ１３．０ｍｍ以下のボンベ用鋼材。
請求項１に記載した成分に加え更に、質量％で、
Ｎｂ：≦０．１０％、Ｔｉ：≦０．１０％、Ｃｕ：≦２．００％、Ｎｉ：≦２．００％、Ｖ：≦０．１０％、Ｃａ：≦０．０１％のうち、少なくとも１種を含有する
ことを特徴とする請求項１に記載の、厚さ１３．０ｍｍ以下のボンベ用鋼材。
前記ボンベ用鋼材は、継ぎ目無し鋼管である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の、厚さ１３．０ｍｍ以下のボンベ用鋼材。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の、厚さ１３．０ｍｍ以下のボンベ用鋼材を用いる
ことを特徴とするボンベ。