JP2017008371A - 高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材ならびにその鋼材からなる、配管、容器、バルブおよび継手 - Google Patents
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- Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
Abstract
Description
Ni当量=12.6C+0.35Si+1.05Mn+Ni+0.65Cr+0.98Mo・・・[1]。
但し、[1]式中のC、Si、Mn、Ni、CrおよびMoは、それぞれの元素の鋼中含有量(質量%)を意味する。
マトリックスの金属組織が、体積率で、fcc構造相:20〜100%、bcc構造相:0〜20%およびhcp構造相:0〜80%、かつ上記構造相の合計:100%であり、結晶粒のアスペクト比:0.5〜2.0である、
高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材。
本発明の高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材の化学組成の限定理由は次のとおりである。以下の説明において各元素の含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
Siは、鋼の脱酸に有効な元素であり、この効果を得るには、0.05%以上含有させる必要がある。一方、1.0%を超えてSiを含有させても上記の効果は飽和する。このため、Siの含有量は0.05〜1.0%とする。Si含有量の好ましい下限は0.1%であり、また、好ましい上限は0.5%である。
Mnは、本発明において重要な元素である。Mnは、安価でかつオーステナイトを安定化させる作用を有する。この効果を十分に得るには、Mnを15.0%以上含有させる必要がある。一方、Mnを60.0%を超えて過剰に含有させても上記の効果は飽和し、かつ熱間加工性等の製造性が低下する。このため、Mnの含有量は15.0〜60.0%とする。Mn含有量の好ましい下限は20.0%であり、より好ましい下限は25%超えであり、より一層好ましい下限は35.0%である。Mn含有量の好ましい上限は50.0%であり、より好ましい上限は45.0%である。
Niは、オーステナイトを安定化させて水素ガス脆化を防止するのに有効な元素である。また、Niは、靱性の改善にも有効な元素である。このため、必要に応じてNiを含有させてもよい。しかしながら、Niを多量に含有させると、材料コストの上昇を招く。したがって、含有させる場合のNi含有量の上限を5%とする。Ni含有量の上限は3%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、Ni含有量の下限は、0.1%であることが好ましく、0.5%であることがより好ましい。
Cuは、オーステナイトを安定化させて水素ガス脆化を防止するのに有効な元素である。このため、必要に応じてCuを含有させてもよい。しかしながら、Cuを多量に含有させると、材料コストの上昇を招き、さらに熱間加工性等製造性の低下も招く。したがって、含有させる場合のCu含有量の上限を5%とする。Cu含有量の上限は3%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、Cu含有量の下限は、0.1%であることが好ましく、0.5%であることがより好ましい。
Coは、オーステナイトを安定化させて水素ガス脆化を防止するのに有効な元素である。また、Coは、靱性の改善にも有効な元素である。このため、必要に応じてCoを含有させてもよい。しかしながら、Coを多量に含有させると、材料コストの上昇を招く。したがって、含有させる場合のCo含有量の上限を5%とする。Co含有量の上限は3%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、Co含有量の下限は、0.1%であることが好ましく、0.5%であることがより好ましい。
Alは、フェライト安定化元素である。一方、Alは、鋼の脱酸に有効な元素である。このため、必要に応じてAlを含有させてもよい。しかしながら、Alを1%を超えて含有させてもその効果は飽和する。しかも、Alの含有量が1%を超えると、フェライトの生成を促進して耐水素ガス脆化特性の低下を招き、さらに、酸化物が形成されやすくなって、靱性等にも悪影響を与えることがある。このため、含有させる場合のAlの量を1%以下とする。Alの量は、0.5%以下であることが好ましい。一方、前記したAlの効果を安定して発現させるためには、Alの量は、0.005%以上であることが好ましく、0.02%以上であることがさらに好ましい。なお、本発明のAl含有量とは、酸可溶Al(所謂「Sol.Al」)での含有量を指す。
Crは、フェライト安定化元素である。一方、Crは、耐候性、耐酸性等、ステンレス鋼としての一般的な耐食性を確保するのに有効な元素である。このため、必要に応じてCrを含有させてもよい。しかしながら、Crを多量に含有させても上記の効果が飽和して材料コストの上昇を招き、さらに、フェライトの生成を促進して耐水素ガス脆化特性を低下させることがある。したがって、含有させる場合のCr含有量の上限を5%とする。Cr含有量の上限は3%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、Cr含有量の下限は、0.1%であることが好ましく、0.5%であることがより好ましい。
Moは、フェライト安定化元素である。一方、Moは、耐候性、耐酸性等、ステンレス鋼としての一般的な耐食性を確保するのに有効な元素である。このため、必要に応じてMoを含有させてもよい。しかしながら、Moを多量に含有させても上記の効果が飽和して材料コストの上昇を招き、さらに、フェライトの生成を促進して耐水素ガス脆化特性を低下させることがある。したがって、含有させる場合のMo含有量の上限を3%とする。Mo含有量の上限は2%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、Mo含有量の下限は、0.1%であることが好ましく、0.5%であることがより好ましい。
Wは、フェライト安定化元素である。一方、Wは、耐候性、耐酸性等、ステンレス鋼としての一般的な耐食性を確保するのに有効な元素である。このため、必要に応じてWを含有させてもよい。しかしながら、Wを多量に含有させても上記の効果が飽和して材料コストの上昇を招き、さらに、フェライトの生成を促進して耐水素ガス脆化特性を低下させることがある。したがって、含有させる場合のW含有量の上限量を6%とする。W含有量の上限は3%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、W含有量の下限は、0.1%であることが好ましく、0.5%であることがより好ましい。
Vは、フェライト安定化元素である。一方、Vは、合金炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化し、靱性改善に寄与する元素である。このため、必要に応じてVを含有させてもよい。しかしながら、Vを多量に含有させても上記の効果が飽和して材料コストの上昇を招き、さらに、フェライトの生成を促進して耐水素ガス脆化特性を低下させることがある。したがって、含有させる場合のV含有量の上限を1.0%とする。V含有量の上限は0.5%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、V含有量の下限は、0.01%であることが好ましく、0.1%であることがより好ましい。
Nbは、フェライト安定化元素である。一方、Nbは、合金炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化し、靱性改善に寄与する元素である。このため、必要に応じてNbを含有させてもよい。しかしながら、Nbを多量に含有させても上記の効果が飽和して材料コストの上昇を招き、さらに、フェライトの生成を促進して耐水素ガス脆化特性を低下させることがある。したがって、含有させる場合のNb含有量の上限を1.0%とする。Nb含有量の上限は0.5%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、Nb含有量の下限は、0.01%であることが好ましく、0.1%であることがより好ましい。
Tiは、フェライト安定化元素である。一方、Tiは、合金炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化し、靱性改善に寄与する元素である。このため、必要に応じてTiを含有させてもよい。しかしながら、Tiを多量に含有させても上記の効果が飽和して材料コストの上昇を招き、さらに、フェライトの生成を促進して耐水素ガス脆化特性を低下させることがある。したがって、含有させる場合のTi含有量の上限を1.0%とする。Ti含有量の上限は0.5%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、Ti含有量の下限は、0.001%であることが好ましく、0.1%であることがより好ましい。
Zrは、フェライト安定化元素である。一方、Zrは、合金炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化し、靱性改善に寄与する元素である。このため、必要に応じてZrを含有させてもよい。しかしながら、Zrを多量に含有させても上記の効果が飽和して材料コストの上昇を招き、さらに、フェライトの生成を促進して耐水素ガス脆化特性を低下させることがある。したがって、含有させる場合のZr含有量の上限を1.0%とする。Zr含有量の上限は0.5%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、Zr含有量の下限は、0.001%であることが好ましく、0.1%であることがより好ましい。
Hfは、フェライト安定化元素である。一方、Hfは、合金炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化し、靱性改善に寄与する元素である。このため、必要に応じてHfを含有させてもよい。しかしながら、Hfを多量に含有させても上記の効果が飽和して材料コストの上昇を招き、さらに、フェライトの生成を促進して耐水素ガス脆化特性を低下させることがある。したがって、含有させる場合のHf含有量の上限を1.0%とする。Hf含有量の上限は0.5%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、Hf含有量の下限は、0.001%であることが好ましく、0.1%であることがより好ましい。
Taは、フェライト安定化元素である。一方、Taは、合金炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化し、靱性改善に寄与する元素である。このため、必要に応じてTaを含有させてもよい。しかしながら、Taを多量に含有させても上記の効果が飽和して材料コストの上昇を招き、さらに、フェライトの生成を促進して耐水素ガス脆化特性を低下させることがある。したがって、含有させる場合のTa含有量の上限を1.0%とする。Ta含有量の上限は0.5%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、Ta含有量の下限は、0.001%であることが好ましく、0.1%であることがより好ましい。
Bは、フェライト安定化元素である。一方、Bは、オーステナイト結晶粒径を微細化し、靱性改善に寄与する元素である。このため、必要に応じてBを含有させてもよい。しかしながら、Bを多量に含有させても上記の効果が飽和して材料コストの上昇を招き、また、フェライトの生成を促進して、耐水素ガス脆化特性を低下させることがある。このため、含有させる場合のBの量を0.020%以下とする。Bの量は、0.01%以下であることが好ましい。一方、前記したBの効果を安定して発現させるためには、Bの量は、0.0001%以上であることが好ましく、0.0005%以上であることがさらに好ましい。
Caは、鋳造時の凝固割れを防止する作用を有する。このため、必要に応じてCaを含有させてもよい。しかしながら、Caを多量に含有させると、熱間加工性の低下を招くことがある。このため、含有させる場合のCa含有量の上限を0.0050%とする。Ca含有量の上限は0.0030%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、Ca含有量の下限は、0.0001%であることが好ましく、0.0005%であることがより好ましい。
Mgは、鋳造時の凝固割れを防止する作用を有する。このため、必要に応じてMgを含有させてもよい。しかしながら、Mgを多量に含有させると、熱間加工性の低下を招くことがある。このため、含有させる場合のMg含有量の上限を0.0050%とする。Mg含有量の上限は0.0030%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、Mg含有量の下限は、0.0001%であることが好ましく、0.0005%であることがより好ましい。
REMは、鋳造時の凝固割れを防止する作用を有する。このため、必要に応じてREMを含有させてもよい。しかしながら、REMを多量に含有させると、熱間加工性の低下を招くことがある。このため、含有させる場合のREM含有量の上限を0.50%とする。REM含有量の上限は0.30%であることが好ましい。なお、上述の効果を得るためには、REM含有量の下限は、0.0001%であることが好ましく、0.0005%であることがより好ましい。
Cは、不純物として鋼中に存在する元素であるが、オーステナイトの安定化に有効に作用するので、オーステナイトの安定化のために含まれていてもよい。しかしながら、Cは、積層欠陥エネルギーを低下させる固溶型元素であって積層欠陥の生成を促進する。このため、Cの含有量が多くなると、積層欠陥の生成を促進し、特に15.0%以上のMnを含む高Mn鋼鋼材における耐水素ガス脆化特性を大きく低下させる。したがって、C含有量は1.00%以下とする必要がある。C含有量は、0.50%以下であることが好ましく、0.10%以下であればさらに好ましい。なお、他の元素で十分なオーステナイト安定化を行うことが可能であれば、C含有量はできるだけ少ないことが望ましい。
Pは、粒界に偏析し、靱性等の機械的特性に悪影響を及ぼす元素である。このため、P含有量は0.050%以下に制限する必要がある。P含有量はできるだけ少ないことが望ましい。
SもPと同様に、鋼の靱性等の機械的特性に悪影響を及ぼす元素である。このため、S含有量は0.050%以下に制限する必要がある。S含有量はできるだけ少ないことが望ましい。
Nは、不純物として鋼中に存在する元素であるが、オーステナイトの安定化に有効に作用するので、オーステナイトの安定化のために含まれていてもよい。しかしながら、Nは、積層欠陥エネルギーを低下させる固溶型元素であって積層欠陥の生成を促進する。このため、Nの含有量が多くなると、積層欠陥の生成を促進し、特に15.0%以上のMnを含む高Mn鋼鋼材における耐水素ガス脆化特性を大きく低下させる。したがって、N含有量は0.20%以下とする必要がある。N含有量は、0.10%以下であることが好ましく、0.05%以下であればさらに好ましい。なお、他の元素で十分なオーステナイト安定化を行うことが可能であれば、N含有量はできるだけ少ないことが望ましい。
O(酸素)も、SおよびPと同様に、鋼の靱性等の機械的特性に悪影響を及ぼす元素である。このため、O含有量は0.020%以下に制限する必要がある。O含有量はできるだけ少ないことが望ましい。
本発明の高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材は、マトリックスの金属組織が、体積率で、fcc構造相:20〜100%、bcc構造相:0〜20%およびhcp構造相:0〜80%、かつ上記構造相の合計:100%であり、結晶粒のアスペクト比:0.5〜2.0である。
(1)厚さが2mm、幅が10mmで長さが10mmの寸法の試験片を採取する。
(2)上記の試験片を、1200番エメリー紙まで研磨する。
(3)上記の研磨した試験片を常温の過酸化水素とシュウ酸の混合溶液に浸漬して表面の加工層を除去する。
(4)加工層を除去した試験片にX線回折測定を実施する。
<1>厚さが10mm、幅が10mmで長さが20mmの寸法の試験片を採取する。
<2>上記試験片の厚さが10mmで長さが20mmの断面が被検面になるように樹脂埋めして鏡面研磨する。
<3>ビレラ溶液で腐食(エッチング)し、光学顕微鏡を用いて100倍の倍率で適宜の面積の視野を観察する。
<4>切片法にて、結晶粒における、長手方向での長径の平均値aおよび厚さ方向での長径の平均値bを求め、「a/b」を算出する。
本発明の高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材ならびにその鋼材からなる、高圧水素ガス用の、配管、容器、バルブおよび継手は、例えば、以下の方法により製造することができるが、この方法には限定されない。
本発明の高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材ならびにその鋼材からなる、高圧水素ガス用の、配管、容器、バルブおよび継手の強度は、特に限定するものではないが、大気中での引張強さ(TS)が450MPa以上800MPa以下の範囲であることが望ましい。なお、前記の化学組成とマトリックスの金属組織を満たせば、上述の製造方法によって、大気中での450MPa以上のTSを十分確保することができる。
(EL2/EL1)×100・・・[2]。
Claims (10)
- 化学組成が、質量%で、Si:0.05〜1.0%、Mn:15.0〜60.0%、Ni:0〜5%、Cu:0〜5%、Co:0〜5%、Al:0〜1%、Cr:0〜5%、Mo:0〜3%、W:0〜6%、V:0〜1.0%、Nb:0〜1.0%、Ti:0〜1.0%、Zr:0〜1.0%、Hf:0〜1.0%、Ta:0〜1.0%、B:0〜0.020%、Ca:0〜0.0050%、Mg:0〜0.0050%、REM:0〜0.50%、残部:Feおよび不純物であり、不純物としてのC、P、S、NおよびOが、C:1.00%以下、P:0.050%以下、S:0.050%以下、N:0.20%以下およびO:0.020%以下であり、
マトリックスの金属組織が、体積率で、fcc構造相:20〜100%、bcc構造相:0〜20%およびhcp構造相:0〜80%、かつ上記構造相の合計:100%であり、結晶粒のアスペクト比:0.5〜2.0である、
高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材。 - 質量%で、Ni:0.1〜5%、Cu:0.1〜5%およびCo:0.1〜5%から選択される1種以上を含有する、請求項1に記載の高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材。
- 質量%で、Al:0.005〜1%、Cr:0.1〜5%、Mo:0.1〜3%、W:0.1〜6%、V:0.01〜1.0%、Nb:0.01〜1.0%、Ti:0.001〜1.0%、Zr:0.001〜1.0%、Hf:0.001〜1.0%、Ta:0.001〜1.0%およびB:0.0001〜0.020%から選択される1種以上を含有する、請求項1または2に記載の高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材。
- 質量%で、Ca:0.0001〜0.0050%、Mg:0.0001〜0.0050%およびREM:0.0001〜0.50%から選択される1種以上を含有する、請求項1から3までのいずれかに記載の高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材。
- 質量%で、C:0.50%以下である、請求項1から4までのいずれかに記載の高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材。
- 質量%で、C:0.10%以下である、請求項1から4までのいずれかに記載の高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材。
- 質量%で、N:0.05%以下である、請求項1から6までのいずれかに記載の高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材。
- マトリックスの金属組織が、体積率で、hcp構造相:0〜80%およびfcc構造相:20〜100%、かつ上記構造相の合計:100%である、請求項1から7までのいずれかに記載の高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材。
- マトリックスの金属組織が、体積率で、fcc構造相:100%である、請求項8に記載の高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材。
- 請求項1から9までのいずれかに記載の高圧水素ガス用高Mn鋼鋼材からなる、高圧水素ガス用の、配管、容器、バルブおよび継手。
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