JP5786830B2 - 高圧水素ガス用高強度オーステナイトステンレス鋼 - Google Patents
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鋼の各成分の作用効果および各成分の好ましい含有量は下記のとおりである。なお、含有量に関する「%」は「質量%」を意味する。
Cは、オーステナイト安定化元素ではあるが、同時に鋭敏化の原因にもなるので、本発明においては、Cは少ない方がよい。Cが0.10%を超えるとM23C6型炭化物が粒界に析出しやすくなり、靱性等への悪影響を及ぼすため、Cは0.10%以下に抑制する。Cの含有量は0.080%以下がより好ましく、0.055%以下がさらに好ましい。
Siは多量に含有されると、Ni、Cr等と金属間化合物を形成したり、シグマ相などの金属間化合物の生成を助長したりして、熱間加工性を著しく低下させる場合がある。そのため、Siの含有量を1.0%以下とした。好ましくは0.5%以下である。なお、Siは少ないほどよいが、精錬コストを考慮すれば、Siの含有量は0.001%以上とするのが望ましい。
Mnは、安価なオーステナイト安定化元素であり、含有させればNi、N等と同様にオーステナイト組織を安定化させる作用を有する。一方で、過剰に含有させると偏析し易くなり、また熱間加工性の低下などを招くため、Mnの含有量の上限を5%とする。好ましくは3%以下、さらに好ましくは1.5%以下である。Mnの含有量の下限は、好ましくは0.05%であり、より好ましくは、0.1%であり、更に好ましくは0.25%である。
Crは、耐候性や耐酸性などのステンレス鋼としての一般的な耐食性を確保する元素として有効である。その含有量が10%未満では、本発明では耐食性が不十分である。一方、30%を超えて含有させても本発明が対象とする高圧水素ガス用途のステンレス鋼としての耐食性は飽和するため、Crの含有量の上限を30%とする。Crの含有量の好ましい下限は12%、より好ましい下限は14%である。そして、Crの含有量の好ましい上限は25%であり、より好ましい上限は20%である。
Niは、オーステナイト安定化元素であり、かつ本発明では微細なγ´相[立方晶Ni3(Ti,Al)]を析出させ鋼の高強度化に作用する元素として重要である。ただし、Niの含有量が20%未満ではこれらの充分な効果が得られない。一方、32%を超えて含有させると転位の局在化(プラナー化)が起こり易くなり、水素環境脆化特性が低下するため、その上限を32%とする。Niの含有量の好ましい下限は22%、より好ましい下限は23%である。そして、好ましい上限は30%であり、より好ましい上限は28%である。
Tiは、時効処理により微細なγ´相[立方晶Ni3(Ti,Al)]を析出させ鋼の高強度化に作用する元素として本発明では重要な元素である。ただし、Tiの含有量が2.5%未満ではγ´相の析出量が不十分であり、所望の高強度が得られない。一方、4.5%を超えて含有させると熱間加工性が著しく低下するため、上限を4.5%とした。Tiの含有量の好ましい下限は2.7%、より好ましい下限は2.8%である。そして、好ましい上限は4.0%であり、より好ましい上限は3.5%である。
Alは脱酸剤として作用し、さらに本発明では微細なγ´相[立方晶Ni3(Ti,Al)]を安定化させその析出を促進するのに有効であり、Tiと共に鋼の強化に寄与する。この観点から、Alは0.1%以上の含有が必要である。望ましくは0.75%%以上、さらに望ましくは1.0%%以上である。一方、5%を超えて含有させてもその効果は飽和するため、その上限を5%とする。ここで、Alとは「sol.Al(酸可溶性Al)」を意味する。
Nは、含有させればオーステナイト組織を安定化させる効果を有する。また、Nは窒化物を形成しやすく、析出強化に寄与する。しかし、多量のTiを含有する場合はTiNを形成して、γ´相の形成を妨げ、窒化物を形成し機械的特性を劣化させる。そのため、N含有量の上限を0.05%とする。好ましくは0.015%以下であり、さらに好ましくは0.01%以下である。
Pは鋼の靭性等に悪影響を及ぼす不純物元素であり、0.05%以下でできるだけ少ない方がよい。好ましくは0.025%以下、さらに好ましくは0.015%以下である。
SもPと同様に、鋼の靭性等に悪影響を及ぼす不純物元素であり、0.05%以下でできるだけ少ない方がよい。好ましくは0.01%以下、さらに好ましくは0.005%以下である。
O(酸素)は不純物であって、鋼の靭性等に悪影響を及ぼすことがあり、0.020%以下でできるだけ少ない方がよい。好ましくは0.015%以下、より好ましくは0.010%以下である。
これらの元素は炭窒化物を形成し結晶粒を微細化する効果を有し、また固溶強化にも寄与するので、これらのうちの1種又は2種を必要に応じて含有させることができる。しかし、過剰に含有させてもその効果は飽和するため、これらを含有させる場合には含有量を、Moについては3.0%以下、そして、Wについては6.0%以下とする。なお、Moの効果を得たい場合にはMoを0.3%以上含有させるのが好ましい。また、Wの効果を得たい場合にはWを0.3%以上含有させるのが好ましい。
V、Nb、Zr、HfおよびTaは、合金炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化する効果を有するので、これらのうちの1種又は2種以上を必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させてもその効果は飽和するため、VおよびNbの上限をそれぞれ1.0%、Zrの上限を5.0%、Hfの上限を0.01%、そして、Taの上限を0.40%とする。なお、合金炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化する効果を得たい場合には、VおよびNbに関してはそれぞれ0.01%以上含有させることが好ましく、そして、Zr、HfおよびTaについてはそれぞれ0.001%以上含有させることが好ましい。
Bは、析出物を微細化しオーステナイト結晶粒径の微細化して、強度を上げるので、必要に応じて含有させることができる。ただし、含有量が過多になると低融点の化合物を形成して熱間加工性を低下させる場合があるので、その上限を0.020%とする。なお、この効果を得たい場合は0.0001%以上含有させるのが好ましい。
Cuはオーステナイト安定化元素であり、固溶強化により高強度化に寄与するため、必要に応じて含有させることができる。しかし、効果と材料コストとの兼ね合いから含有量の上限は5.0%とする。なお、この効果を得たい場合は0.3%以上含有させるのが好ましい。
Coはオーステナイト安定化元素であり、固溶強化により高強度化に寄与するため、必要に応じて含有させることができる。しかし、効果と材料コストとの兼ね合いから含有量の上限は10.0%とする。なお、この効果を得たい場合は0.3%以上含有させるのが好ましい。
MgとCaおよび遷移金属の中でLa、Ce、Y、Sm、PrおよびNdは、鋳造時の凝固割れを防止する作用を有するので、これらのうちの1種または2種以上を必要に応じて含有させることができる。ただし、過剰に含有させた場合には熱間加工性の低下を招くため、含有量の上限を、MgとCaについては0.0050%、LaとCeについては0.20%、Y、SmおよびPrについては0.40%、Ndについては0.50%とする。なお、この効果を得たい場合には、それぞれ、0.0001%以上含有させるのが好ましい。
結晶粒界に析出した長径100nm以上の粗大なη相は耐水素環境脆化特性を低下させるため、その析出数は粒界長さ10μm当たり3.5個以下とする必要がある。粗大なη相の析出を抑制するには、結晶粒径を微細化することが有効な手段のひとつであり、結晶粒度番号をASTM結晶粒度番号(ASTM E 112)で8.0以上とする必要がある。好ましくは9.0以上、より好ましくは9.3以上である。
本発明の鋼の製造方法は、特に限定するものではないが、粗大なη相の生成を防止し、結晶粒を微細化させるために、その固溶化熱処理条件および時効熱処理条件を適切に管理するのがよい。
相対破断伸び(%)=(水素中破断伸び)/(大気中破断伸び)×100
Claims (5)
- 質量%で、C:0.10%以下、Si:1.0%以下、Mn:5%以下、Cr:10〜30%、Ni:20〜32%、Ti:2.5〜4.5%、Al:0.1〜5%、N:0.050%以下を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、不純物中のPが0.05%以下、Sが0.05%以下、O(酸素)が0.020%以下の化学組成を有し、金属組織の結晶粒度がASTMによる粒度番号で8.0以上であって、オーステナイト結晶粒界に析出した長径100nm以上のη相の個数が粒界長さ10μm当たり3.5個以下であることを特徴とする、引張強さが1150MPa以上の高圧水素ガス用オーステナイトステンレス鋼。
- さらに、質量%で、Mo:3.0%以下およびW:6.0%以下のうちの1種または2種を含有することを特徴とする、請求項1に記載の引張強さが1150MPa以上の高圧水素ガス用オーステナイトステンレス鋼。
- さらに、質量%で、V:1.0%以下、Nb:1.0%以下、Zr:5.0%以下、Hf:0.01%以下およびTa:0.40%以下のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1または2に記載の引張強さが1150MPa以上の高圧水素ガス用オーステナイトステンレス鋼。
- さらに、質量%で、B:0.020%以下、Cu:5.0%以下およびCo:10.0%以下のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1から3までのいずれかに記載の引張強さが1150MPa以上の高圧水素ガス用オーステナイトステンレス鋼。
- さらに、質量%で、Mg:0.0050%以下、Ca:0.0050%以下、La:0.20%以下、Ce:0.20%以下、Y:0.40%以下、Sm:0.40%以下、Pr:0.40%以下およびNd:0.50%以下のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1から4までのいずれかに記載の引張強さが1150MPa以上の高圧水素ガス用オーステナイトステンレス鋼。
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