JP4907151B2 - 高圧水素ガス用オ−ステナイト系高Mnステンレス鋼 - Google Patents
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Description
−120<Md30<20・・・(A)
ここに、Md30(℃):551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−13.7Cr−29(Ni+Cu)−18.2Mo
(4)圧力が0.1〜120MPaの水素ガスを輸送する高圧水素ガス用配管の材料として、上述の(1)または(2)を満足するように成分設計されたオ−ステナイト系高Mnステンレス鋼を使用することができる。
Mnは、Niの代替として、オ−ステナイト安定化元素として有効に作用することはよく知られている。本発明者らは、歪み誘起マルテンサイトの生成に及ぼすMnとNiの作用効果について、変形組織の詳細を明らかにし、次のような新しい知見を得た。
(1)Ni量が1〜6%の低Niオ−ステナイト鋼において、Mnを添加していくと、加工に伴う歪み誘起マルテンサイトの生成が大幅に抑制される。
(2)(1)の歪み誘起マルテンサイトの抑制効果は、オ−ステナイト安定度の指標Md30値(℃)が同等である300系オ−ステナイトステンレス(SUS304,SUS316等)と比べて極めて大きい。
(3)Mnの添加により加工に伴う歪み誘起マルテンサイトが生成しない高Mn鋼は、オ−ステナイトのすべり変形により塑性変形が進行し、公称歪み0.2を超えと双晶変形を伴う。そのため、これら高Mn鋼は、加工によって歪み誘起マルテンサイトを生成しない。
(4)(3)の変形組織,すなわち歪み誘起マルテンサイトを生成せずに双晶変形を伴う塑性変形は、6%以上のMn量において発現しやすい。
(5)歪み誘起マルテンサイトを生成しない高Mn鋼は、低温水素環境において、SUS316を上回る耐水素脆化感受性を発現する。
本発明では、上述した作用効果を得るために、Mnは6%以上添加する。より好ましくは8%以上である。他方、Mnの添加はS系介在物の増加をもたらし,鋼材の延性・靭性あるいは耐食性を阻害するという問題もある。従って、上限は20%とする。好ましくは15%以下である。
Cuは、オ−ステナイト安定化元素であり、冷間加工性や耐食性の改善にも有効な元素であることは知られている。本発明の高Mn鋼において、Cuは、Mnとの相乗効果によって双晶変形を生じやすくし、上述した変形組織の視点から歪み誘起マルテンサイトの生成を有効に抑制する元素である。本発明では、これら作用効果を得るために、Cuを2%以上添加する。しかし、多量のCuを添加すると、製鋼時のCu汚染や熱間脆性を誘発するとともに、鋼材の延性・靭性を阻害する問題がある。そのため、Cuの上限は5%とする。
Nは、オ−ステナイト相の安定化やδフェライト相の生成抑制に有効な元素である。さらに、Nは固溶強化により鋼材の0.2%耐力や引張強度を上昇させることが知られている。本発明の高Mn鋼の高強度化においても、Nの添加は有効である。すなわち、Nの添加は、加工を施さなくても構造材としての強度を付与できるため、器材の薄肉化および軽量化に有効な手段である。
本発明では、上述の作用効果を得るために、Nを添加する場合がある。その場合は0.1〜0.40%とすることが好ましい。0.40%を超えるNの添加は、通常の溶製プロセスにおいて困難であり、製鋼コストの大幅な上昇に加え、過度な強度上昇により鋼材の延性低下を招く。そのため、Nの上限は0.40とする。より好ましくは0.30%以下である。また、Nを添加しない、すなわち鋼材を高強度化する必要がない場合、Nの下限は0.01%とする。Nを0.01%未満とするには製鋼コストの負担に加え、本発明の規定するMd30値を満足することが困難になる。
準安定オ−ステナイトステンレス鋼はMs点以上の温度でも塑性加工によってマルテンサイト変態を起こす。加工によって変態点を生じる上限温度はMd値と呼ばれる。すなわち、Md値はオ−ステナイトの安定度を示す指標である。そして、引張変形によって30%の歪を与えたとき、50%のマルテンサイトが生じる温度をMd30値という。Md30=497−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−13.7Cr−20(Ni+Cu)−18.5Mo と定義するMd30値(℃)を本発明の高Mnステンレス鋼において−120℃〜20℃の範囲に設計することにより、本発明が目的とする歪み誘起マルテンサイトの抑制および耐水素脆性感受性が確保されることを見出した。
Md30値が−120℃より小さい場合、高合金化あるいは高N化により、鋼材の延性が低下し,加工性が阻害される。他方、Md30値が20℃を越える場合、歪み誘起マルテンサイトを生成しやすくなり、耐水素脆性感受性を低下させる。Md30値が−120〜20℃の場合,本発明の高Mnステンレス鋼(Mn:6〜20%)は、低温水素環境において、歪み誘起マルテンサイトの生成を抑制し、SUS316を上回る耐水素脆化感受性を発現する。
Cは、オ−ステナイト相の安定化やδフェライト相の生成抑制に有効な元素である。また、CはNと同様に固溶強化により鋼材の0.2%耐力や引張強度を上昇させる効果を有する。しかし、Cはオ−ステナイトステンレス鋼において、M23C6型炭化物(M:Cr,Mo,Fe等)やMC型炭化物(M:Ti,Nb等)の析出によって延性・靭性あるいは耐食性へ悪影響を及ぼす場合がある。そのため、Cの上限は0.10%とする。下限は0.01%とする。Nを0.01%未満とするには製鋼コストの負担に加え、本発明の規定するMd30値を満足することが困難になる。
Siは溶製時の脱酸剤として有効であり、その効果を得るために0.1%以上添加する。より好ましくは0.3%以上である。Siを0.1%未満とするには脱酸が困難になることに加え、本発明の規定するMd30値を満足することも困難になる。他方、Siは固溶強化に有効な元素である。そのため、本発明の構造材としての強度を付与するために添加する場合がある。しかし、Siの添加はシグマ相などの金属間化合物の生成を助長して、熱間加工性や鋼材の延性・靭性を低下させる場合がある。そのため、上限は1%とする。
Crはステンレス鋼に要求される耐食性を得るために必須の合金元素であり、10%以上必要である。好ましくは12%以上である。また、Crを10%未満とすると本発明の規定するMd30値を満足することが困難になる。他方、Crは多量に添加するとCrN,Cr2N等の窒化物やM23C6型炭化物を生成し易くなるため、鋼材の延性・靭性に悪影響を及ぼす場合がある。そのため、Crの上限は20%以下である。好ましくは15%以下である。
Niは高価な元素であり,6%を超える300系のオ−ステナイトステンレス鋼は原料コストの上昇を招く。従って、本発明の高Mn鋼の場合、Niは6%以下である。好ましくは5%以下とする。Niはオ−ステナイトステンレス鋼に必要な元素であり、更に,加工に伴う歪み誘起マルテンサイトの生成を抑制するために有効な元素である。そのため、下限は1%とする。
耐食性向上に有効な元素である。また、本発明で定義するMd30値を低下させるために有効な元素である。そのため、Moはこれら効果を得るために添加することが好ましい。その場合、Moの下限は0.3%とする。しかし、Moは過剰に含まれると材料コストの著しい上昇を招くため、3%以下とする。
2.0mm厚の冷延焼鈍板からJIS13B引張試験片を作成し、45MPa,90MPa,120MPa高圧水素ガス中の引張試験を実施した。水素脆化感受性は、(1)高圧(120MPa)水素ガス中の引張試験後に生成した歪み誘起マルテンサイト体積率,(2)伸び(高圧水素ガス中)/伸び(大気中)により評価した。歪み誘起マルテンサイト体積率は市販のフェライトスコ−プMC3C型を用いて測定した。ここで、試験雰囲気温度は、高圧水素ガス中が−50〜−100℃,大気中が室温(20℃)である。
また、Mnの添加と90MPa水素ガス中の延性との関係を検討した結果、図2に見られるように、6≦Mn≦20にすることによって、本発明が目標とする延性(靭性)が得られることを確認できた。
Claims (4)
- 高圧水素ガス環境下で使用されるオーステナイト系高Mnステンレス鋼であって、質量%で、C:0.01〜0.10%,N:0.01〜0.40%,Si:0.1〜1%,Cr:10〜20%,Mn:6〜20%,Cu:2〜5%,Ni:1〜6%,残部Feおよび不可避的不純物からなり、オ−ステナイト安定度の指標Md30値が下記(A)式を満足することを特徴とする耐水素脆化感受性に優れたオ−ステナイト系高Mnステンレス鋼。
−120<Md30<20・・・(A)
ここに、Md30(℃):551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−13.7Cr−29(Ni+Cu)−18.2Mo - 質量%で、Mo:0.3〜3.0%を含むことを特徴とする請求項1に記載の耐水素脆化感受性に優れたオ−ステナイト系高Mnステンレス鋼。
- 請求項1または請求項2に記載の化学成分を有するオ−ステナイト系高Mnステンレス鋼からなることを特徴とする圧力が0.1〜120MPaの高圧水素ガスを貯蔵する高圧水素用ガスタンクまたは高圧水素用ガスタンクライナ−。
- 請求項1または請求項2に記載の化学成分を有するオ−ステナイト系高Mnステンレス鋼からなることを特徴とする圧力が0.1〜120MPaの高圧水素ガスを輸送する高圧水素ガス用配管。
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