JP6278125B2 - 複合容器蓄圧器ライナー用鋼管および複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法 - Google Patents

複合容器蓄圧器ライナー用鋼管および複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、高圧の水素を収容する複合容器蓄圧器のライナーを製造するために使用される複合容器蓄圧器ライナー用鋼材に関するものである。
また、本発明は、上記複合容器蓄圧器ライナー用鋼材からなる複合容器蓄圧器ライナー用鋼管と、前記複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法に関するものである。
水素を燃料として用いる燃料電池自動車は、二酸化炭素（ＣＯ２）を排出せず、エネルギー効率にも優れることから、ＣＯ２排出問題とエネルギー問題を解決し得る自動車として期待されている。この燃料電池自動車を普及させるためには、燃料電池自動車に水素を供給するための水素ステーションを設置する必要がある。そこで、水素ステーションにおいて高圧の水素を安全に貯蔵するために必要な、強度と耐久性に優れた容器（蓄圧器）の開発が進められている。
金属材料を用いた蓄圧器としては、蓄圧器全体が金属からなるもの（Type I）と、金属製ライナーの外周を炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で被覆した複合容器蓄圧器（Type II、III）とが提案されている。
例えば、特許文献１では、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製のライナーの外周をＣＦＲＰで被覆することによって高圧水素環境下において疲労亀裂進展速度を改善した複合容器蓄圧器が提案されている。金属のみからなる蓄圧器においては、水素の圧力に耐えうる強度を得るために厚肉とする必要があるが、特許文献１に記載されているような複合容器蓄圧器においては、鋼製ライナーとＣＦＲＰとで荷重を分担しているため、金属のみからなる蓄圧器に比べてライナーを薄くできるため、軽量化、低コスト化が可能である。
また、複合容器蓄圧器においてライナーの荷重分担を大きくすることができれば、高価な炭素繊維の使用量を低減することができるため、さらなる低コスト化が可能である。そのため、複合容器蓄圧器のライナーに使用される鋼材の特性を向上させることが求められている。
蓄圧器に使用される鋼材の特性向上に関しては、例えば、特許文献２〜５に記載の技術が提案されている。特許文献２で提案されている鋼材では、鋼の成分組成と組織、および析出物を制御することによって耐水素脆化特性を向上させている。また、特許文献３で提案されている鋼材では、鋼の組織をベイナイト主体とするとともに、析出するセメンタイトのアスペクト比を制御することによって鋼のじん性を向上させている。特許文献４で提案されている鋼材では、成分組成を制御することにより耐水素脆化特性を向上させ、高圧水素中における高い絞り値を実現している。特許文献５で提案されている鋼材では、鋼の成分組成を所定の範囲とし、炭化物の生成を制御することにより耐水素脆化特性を向上させ、高圧水素中における高い絞り値を実現している。
特開２００９−２９３７９９号公報 特開２０１０−０３７６５５号公報 特開２０１２−１０７３３２号公報 特開２００９−２７５２４９号公報 特開２００９−０７４１２２号公報
しかし、特許文献１〜５に記載されている技術においては、鋼材の耐水素脆化特性や強度については一定の向上が見られるものの、疲労限を向上させる検討は行われていない。水素ステーション用蓄圧器は、一般的に１０年以上の長期間に渡って使用される。その間には、水素ガスの充填と放出が繰り返し行われ、その繰り返し回数は１０万回以上に及ぶと想定されている。そのため、蓄圧器のライナーに使用される鋼材には、水素ガス中における１０万回の疲労変形でも破壊しない、高い疲労限（疲労強度）を備えることが求められる。また、特許文献２〜５で提案されている鋼材は、いずれも鋼材のみからなる蓄圧器に用いるためのものであるため、複合容器蓄圧器のライナー用材料として用いることが想定されていない。
本発明は上記課題を解消するためのものであり、複合容器蓄圧器ライナーを製造するための素材として使用した際に、十分な強度と、高い疲労限を備えるライナーを得ることができ、安価な複合容器蓄圧器を製造することが可能となる複合容器蓄圧器ライナー用鋼材を提供することを目的とする。また、本発明は、前記複合容器蓄圧器ライナー用鋼材からなる複合容器蓄圧器ライナー用鋼管、および複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、ライナーを製造するために用いられる鋼材の成分組成や金属組織が、製造後のライナーの特性に与える影響を検討した結果、以下の知見を得た。
（１）鋼製ライナーを用いる複合容器蓄圧器は、鋼管を成形してライナー形状とした後、その外周にＣＦＲＰを被覆して製造される。その際、ライナーの強度とじん性を確保するために、加工後のライナーに対して、焼入れと焼戻しが行われる。
（２）したがって、最終的に得られるライナーの疲労限を向上させるためには、焼入れ焼戻し（以下、「熱処理」という場合がある）後において優れた疲労限を得ることができる鋼材を素材として用いる必要がある。
（３）所定の成分組成を有する鋼材において、旧オーステナイト粒の平均粒径を小さくするとともに、金属組織に占めるマルテンサイトおよび下部ベイナイトの割合を一定以上とすることにより、焼入れ焼戻し後における疲労限を向上させることができる。
（４）鋼素材の成分組成と熱間加工条件とを制御することにより、上記（３）の条件を満たす鋼材を製造することができる。
以上の知見に基づき、鋼の成分組成と組織および製造条件について詳細な検討を行い、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
１．質量％で、
Ｃ ：０．１０〜０．６０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．０％、
Ｍｎ：０．１〜５．０％、
Ｐ ：０．０００５〜０．０６０％、
Ｓ ：０．０００１〜０．０１０％、
Ｎ ：０．０００１〜０．０１０％、および
Ａｌ：０．０１〜０．０６％を含有し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
旧オーステナイト粒の平均粒径が２０μｍ以下、かつ、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９０％以上である金属組織を有する、複合容器蓄圧器ライナー用鋼材。
２．前記成分組成が、質量％で、
Ｍｏ：０．００５〜２．０％、
Ｃｒ：０．００５〜３．０％の、いずれか一方または両方をさらに含有する、前記１に記載の複合容器蓄圧器ライナー用鋼材。
３．前記成分組成が、質量％で、
Ｎｉ：０．００５〜３．０％をさらに含有する、前記２に記載の複合容器蓄圧器ライナー用鋼材。
４．前記成分組成が、さらに下記（１）式の関係を満足する、前記１〜３のいずれか一つに記載の複合容器蓄圧器ライナー用鋼材。
記
［Ｍｎ］＋１．３０×［Ｃｒ］＋２．６７×［Ｍｏ］＋０．３０×［Ｎｉ］≧２．３０ …… （１）
（ただし、［Ｍ］は元素Ｍの含有量（質量％）を表し、元素Ｍを含有しない場合には［Ｍ］＝０とする）
５．前記成分組成が、さらに下記（２）式の関係を満足する、前記１〜３のいずれか一つに記載の複合容器蓄圧器ライナー用鋼材。
記
［Ｍｎ］＋１．３０×［Ｃｒ］＋２．６７×［Ｍｏ］＋０．３０×［Ｎｉ］≧３．００ …… （２）
（ただし、［Ｍ］は元素Ｍの含有量（質量％）を表し、元素Ｍを含有しない場合には［Ｍ］＝０とする）
６．前記１〜５のいずれか一つに記載の複合容器蓄圧器ライナー用鋼材からなる複合容器蓄圧器ライナー用鋼管。
７．肉厚が２０ｍｍ以上である、前記６に記載の複合容器蓄圧器ライナー用鋼管。
８．複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法であって、
前記１〜３のいずれか一つに記載の成分組成を有する鋼素材を１３５０℃以下の温度に加熱する加熱工程と、
加熱された前記鋼素材を、拡管終了温度：８２０℃以上の条件で圧延、拡管して鋼管を得る圧延拡管工程と、
前記圧延拡管工程で得られた鋼管を、８００〜３５０℃における平均冷却速度：５℃／ｓ以上の条件で冷却する冷却工程とを有する、複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法。
９．複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法であって、
前記４に記載の成分組成を有する鋼素材を１３５０℃以下の温度に加熱する加熱工程と、
加熱された前記鋼素材を、拡管終了温度：８２０℃以上の条件で圧延、拡管して鋼管を得る圧延拡管工程と、
前記圧延拡管工程で得られた鋼管を、８００〜３５０℃における平均冷却速度：３℃／ｓ以上の条件で冷却する冷却工程とを有する、複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法。
１０．複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法であって、
前記５に記載の成分組成を有する鋼素材を１３５０℃以下の温度に加熱する加熱工程と、
加熱された前記鋼素材を、拡管終了温度：８２０℃以上の条件で圧延、拡管して鋼管を得る圧延拡管工程と、
前記圧延拡管工程で得られた鋼管を、８００〜３５０℃における平均冷却速度：１℃／ｓ以上の条件で冷却する冷却工程とを有する、複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法。
本発明によれば、複合容器蓄圧器ライナーを製造するための素材として使用したときに、十分な強度と、高い疲労限を備えたライナーを得られる複合容器蓄圧器ライナー用鋼材を提供することができる。したがって、本発明の複合容器蓄圧器ライナー用鋼材を用いてライナーを作製すれば、ライナーにより多くの荷重を分担させることができるため、ＣＦＲＰの使用量を低減し、複合容器蓄圧器をより安価に提供することができる。
次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。
本発明においては、鋼材が、旧オーステナイト粒の平均粒径が２０μｍ以下、かつ、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９０％以上である金属組織を有することが重要である。以下、本発明における鋼材の金属組織を上記のように限定する理由を説明する。なお、金属組織に関する「％」表示は、特に断らない限り面積分率を意味するものとする。
［金属組織］
・旧オーステナイト粒の平均粒径が２０μｍ以下
複合容器蓄圧器ライナー用鋼材の旧オーステナイト粒径が小さいほど、該鋼材を成形してライナーを作製し、焼入れ焼戻し（熱処理）を行った後の旧オーステナイト粒径が小さくなる。そして、ライナーの旧オーステナイト粒径が小さいほど、高圧水素中でのライナーの疲労限が高くなる。前記効果を得るために、本発明においては、ライナー用鋼材、すなわち、ライナーを製造するための素材としての鋼材における旧オーステナイト粒の平均粒径を２０μｍ以下とする。旧オーステナイト粒の平均粒径は、１０μｍ以下とすることが好ましく、５μｍ以下とすることがより好ましい。一方、旧オーステナイト粒の平均粒径の下限は特に限定されないが、１μｍ以上とすることが好ましい。
・マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計：９０％以上
ライナー用鋼材の金属組織に占めるマルテンサイトおよび下部ベイナイトの合計が９０％未満であると、ライナー成形後の熱処理の際に、粗大な旧オーステナイト粒が発生する。そのため、本発明においては、ライナー用鋼材の金属組織に占めるマルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計を９０％以上とする。マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計は、９５％以上とすることが好ましい。なお、マルテンサイトと下部ベイナイトの面積分率の比率は特に限定されないが、旧オーステナイト粒の粗大化を抑制するという観点からは、マルテンサイトの面積分率を下部ベイナイトの面積分率よりも高くすることが好ましい。一方、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計の上限については特に限定されず、１００％以下であればよい。
ライナー用鋼材における、マルテンサイトおよび下部ベイナイト以外の組織は少ないほどよい。しかし、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９０％以上であれば、残部の組織の影響はそれほど大きくないため、フェライト、残留オーステナイト、パーライト、上部ベイナイトなど、他の組織の１種または２種以上を、合計面積分率で１０％以下含むことは許容される。マルテンサイトおよび下部ベイナイト以外の組織は、合計面積分率で５％以下であることが好ましい。
［成分組成］
本発明においては、さらに、複合容器蓄圧器ライナー用鋼材が所定の成分組成を有することが重要である。そこで、次に、本発明において鋼材の成分組成を限定する理由を説明する。なお、成分に関する「％」表示は、特に断らない限り「質量％」を意味するものとする。
Ｃ：０．１０〜０．６０％
Ｃは、ライナーの強度を上昇させるために必要な元素である。焼入れ焼戻しを行った後のライナーの引張強さは８００ＭＰａ以上であることが好ましく、そのような強度を得るために、ライナー用鋼材のＣ含有量を０．１０％以上とする。一方、Ｃ含有量が０．６０％を超えると、焼入れの際に焼き割れが生じることがあるため、Ｃ含有量を０．６０％以下とする。Ｃ含有量は、０．３３％以上０．４５％以下とすることが好ましい。
Ｓｉ：０．０１〜２．０％
Ｓｉは、固溶強化により強度向上および疲労限の向上に寄与する元素である。Ｓｉ含有量が０．０１％以上であれば前記効果が得られる。一方、Ｓｉ含有量が２．０％を超えると効果が飽和し、さらに鋼材の表面性状が劣化するとともに、圧延性も低下する。よって、Ｓｉ含有量は０．０１％以上２．０％以下とする。なお、Ｓｉ含有量は０．１５％以上０．５％以下とすることが好ましい。
Ｍｎ：０．１〜５．０％
Ｍｎは、固溶強化および焼き入れ性の向上により強度向上に寄与するとともに、疲労限を向上させる機能を有する元素である。また、Ｍｎは旧オーステナイト粒の粗大化を抑制する。前記効果を得るために、Ｍｎ含有量を０．１％以上とする。Ｍｎ含有量は０．５％以上とすることが好ましく、０．６％以上とすることがより好ましい。一方、Ｍｎ含有量が５．０％を超えると効果が飽和し、さらに圧延や成形が困難となる。また、ライナー成形後の熱処理の後にオーステナイトが残留し、疲労特性が劣化する。よって、Ｍｎ含有量は５．０％以下とする。Ｍｎ含有量は１．５％以下とすることが好ましい。
Ｐ：０．０００５〜０．０６０％
Ｐは、固溶強化によって強度向上に寄与する元素であるが、その反面、じん性を劣化させる元素でもある。Ｐ含有量が０．０６０％を超えるとじん性の劣化が顕著となるため、Ｐ含有量は０．０６０％以下とする。Ｐ含有量は０．０２５％以下とすることが好ましく、０．０１５％以下とすることがより好ましい。一方、Ｐ含有量を０．０００５％未満とするような過度のＰ低減は製鋼工程における製造コストの増加を伴う。よって、Ｐ含有量は０．０００５％以上とする。
Ｓ：０．０００１〜０．０１０％、
Ｓ含有量の増加は熱間赤熱脆性の原因となり、製造上の不具合を生じる場合がある。また、Ｓは介在物ＭｎＳを形成し、じん性を低下させる。これらの影響は、Ｓ含有量が０．０１０％以下であれば問題とならない。よって、Ｓ含有量は０．０１０％以下とする。Ｓ含有量は０．００３０％以下とすることが好ましい。一方、Ｓ含有量を０．０００１％未満とするような過度の低減は製鋼工程における脱硫コストの増加を伴う。よって、Ｓ含有量は０．０００１％以上とする。
なお、Ｐ含有量とＳ含有量の合計は、じん性の高位安定化のため、０．０２％以下とすることがより好ましい。一方、Ｐ含有量とＳ含有量の合計は低くすることが望ましいが、過度の低減は製造コストの増加を招くため、Ｐ含有量とＳ含有量の合計は０．０００６％以上とする。
Ｎ：０．０００１〜０．０１０％
鋼材の疲労特性に及ぼすＮの影響は小さく、Ｎ含有量が０．０１０％以下であれば本発明の効果を損なわない。よって、Ｎ含有量は０．０１０％以下とする。Ｎ含有量は０．００４％以下とすることが好ましい。一方、じん性向上の観点からは、Ｎ含有量が少ないことが望ましいが、過度の低減は製鋼上のコストを増大させるので、Ｎ含有量は０．０００１％以上とする。
Ａｌ：０．０１〜０．０６％
Ａｌは、製鋼工程において脱酸剤として有効な元素である。その効果を得るため、Ａｌ含有量は０．０１％以上とする。Ａｌ含有量は０．０２％以上とすることが好ましい。一方、Ａｌ含有量が０．０６％を超えると効果が飽和するため、Ａｌ含有量は０．０６％以下とする。
本発明の複合容器蓄圧器ライナー用鋼材は、以上の成分に加え、残部のＦｅおよび不可避的不純物からなる。また、本発明の複合容器蓄圧器ライナー用鋼材は、上記元素に加え、任意にＭｏ：０．００５〜２．０％、およびＣｒ：０．００５〜３．０％の、いずれか一方または両方を、さらに含有することもできる。
Ｍｏ：０．００５〜２．０％
Ｍｏは焼き入れ性を向上させる元素であり、ライナーの強度上昇に寄与するとともに、鋼材の金属組織におけるマルテンサイトおよび下部ベイナイトの比率を増加させる機能を有している。また、Ｍｏは、旧オーステナイト粒の粗大化を抑制するとともに、固溶強化によって疲労強度の上昇に寄与する。前記効果を得るために、Ｍｏを添加する場合には、含有量を０．００５％以上とする。Ｍｏ含有量は０．１％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｏ含有量が２．０％を越えると、効果が飽和し、コストアップの要因となるため、Ｍｏ含有量は２．０％以下とする。Ｍｏ含有量は１．０％以下とすることが好ましく、０．５％以下とすることがより好ましい。
Ｃｒ：０．００５〜３．０％
Ｃｒは焼き入れ性を向上させる元素であり、ライナーの強度上昇に寄与するとともに、鋼材の金属組織におけるマルテンサイトおよび下部ベイナイトの比率を増加させる機能を有している。また、Ｃｒは旧オーステナイト粒の粗大化を抑制する。前記効果を得るために、Ｃｒを添加する場合には、含有量を０．００５％以上とする。Ｃｒ含有量は０．５％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｒ含有量が３．０％を越えると効果が飽和し、コストアップの要因となるため、Ｃｒ含有量は３．０％以下とする。Ｃｒ含有量は１．５％以下とすることがより好ましい。
本発明の複合容器蓄圧器ライナー用鋼材は、上記元素に加え、任意にＮｉ：０．００５〜３．０％を、さらに含有することもできる。
Ｎｉ：０．００５〜３．０％
Ｎｉは、焼き入れ性を向上させる元素であり、ライナーの強度上昇に寄与するとともに、鋼材の金属組織におけるマルテンサイトおよび下部ベイナイトの比率を増加させる機能を有している。また、Ｎｉは、旧オーステナイト粒の粗大化を抑制する。前記効果を得るために、Ｎｉを添加する場合には、含有量を０．００５％以上とする。Ｎｉ含有量は０．５％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｉ含有量が３．０％を越えると効果が飽和し、コストアップの要因となるため、Ｎｉ含有量は３．０％以下とする。コスト抑制のためには、Ｎｉ含有量を２．０％以下とすることが好ましい。
本発明の一実施形態においては、上記鋼材の成分組成が、さらに下記（１）式の関係を満たすことが好ましい。
［Ｍｎ］＋１．３０×［Ｃｒ］＋２．６７×［Ｍｏ］＋０．３０×［Ｎｉ］≧２．３０ …… （１）
（ただし、［Ｍ］は元素Ｍの含有量（質量％）を表し、元素Ｍを含有しない場合には［Ｍ］＝０とする）
鋼材の成分組成を、（１）式の関係を満足するものとすることにより、鋼の焼入れ性が向上し、より容易にマルテンサイトおよび下部ベイナイトを得ることが可能となる。
さらに、上記成分組成を下記（２）式の関係を満足するものとすれば、鋼の焼入れ性が一層向上し、マルテンサイトおよび下部ベイナイトを極めて容易に得ることができ、さらにライナー製造時にも適切な組織を得やすくなる。
［Ｍｎ］＋１．３０×［Ｃｒ］＋２．６７×［Ｍｏ］＋０．３０×［Ｎｉ］≧３．００ …… （２）
（ただし、［Ｍ］は元素Ｍの含有量（質量％）を表し、元素Ｍを含有しない場合には［Ｍ］＝０とする）
マルテンサイトおよび下部ベイナイトを得るための具体的な製造条件については後述する。
［形状］
本発明における複合容器蓄圧器ライナー用鋼材の形状は特に限定されることなく、鋼管、鋼板など、任意の形状とすることができる。該複合容器蓄圧器ライナーを成形するための素材として使用するという観点からは、鋼管とすることが好ましく、継目無鋼管とすることがより好ましい。また、鍛接鋼管、電気抵抗溶接鋼管などの溶接鋼管を製造する際に用いるための鋼板としてもよい。
肉厚：２０ｍｍ以上
本発明の複合容器蓄圧器ライナー用鋼材を鋼管形状とする場合、肉厚を２０ｍｍ以上とすることが好ましい。鋼管の肉厚が２０ｍｍ以上であれば、最終的に得られる複合容器蓄圧器においてライナーの応力分担を大きくすることができるため、ＣＦＲＰの使用量を低減し、複合容器蓄圧器の低コスト化が可能となる。さらに、肉厚２０ｍｍ以上の鋼管を成形してライナーとした後、自緊処理を施してライナー内部に残留圧縮応力を付与することにより、高圧水素中における疲労限をさらに向上させることができる。なお、鋼管の肉厚は３０ｍｍ以上とすることがより好ましく、３６ｍｍ以上とすることがさらに好ましい。また、本発明の複合容器蓄圧器ライナー用鋼材を鋼板形状とする場合にも、板厚を２０ｍｍ以上とすることが好ましく、３０ｍｍ以上とすることがより好ましく、３６ｍｍ以上とすることがさらに好ましい。一方、肉厚は厚すぎると蓄圧時にライナー外側の応力が高くなりすぎ、また組織を所望の組織とするためにより合金添加量を増加させる必要がでてコストアップの要因となるため、８０ｍｍ以下とすることが好ましく、さらに好ましくは６０ｍｍ以下である。
［製造方法］
次に、本発明の複合容器蓄圧器ライナー用鋼材の製造方法について説明する。以下の説明においては、前記鋼材が継目無鋼管である場合を例として製造方法を説明するが、同様の熱履歴となるように処理を行うことにより、他の形状の鋼材を製造可能であることはいうまでもない。例えば、鋼板の場合には、最終仕上げ圧延温度：８２０℃以上の条件で圧延し、引き続き、８００〜３５０℃における平均冷却速度：５℃／ｓ以上の条件で冷却することにより、同様の特性を得ることができる。
本発明の複合容器蓄圧器ライナー用鋼管は、次の（１）〜（３）の工程を順次行うことによって製造することができる。
（１）鋼素材を加熱する加熱工程、
（２）加熱された前記鋼素材を圧延、拡管して鋼管を得る圧延拡管工程、および
（３）前記圧延拡管工程で得られた鋼管を冷却する冷却工程。
以下、各工程について説明する。なお、以下の加熱工程、圧延拡管工程、冷却工程の説明における温度は、特に断らない限り、鋼素材または鋼管の表面における温度を意味する。
［加熱工程］
熱間圧延を行うために、上記した成分組成を有する鋼素材を加熱する。前記鋼素材としては、特に限定されないが、例えば、通常の連続鋳造法で得られるビレット等を使用することができる。
加熱工程における加熱温度が１３５０℃を超えると、旧オーステナイト粒の平均粒径を２０μｍ以下にすることができないため、加熱温度は１３５０℃以下とする。一方、加熱温度は低いほど好ましいが、低すぎると最終工程までに素材の温度が低下し、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの合計を９０％以上にすることが困難となる。そのため、加熱温度を９５０℃以上とすることが好ましい。
［圧延拡管工程］
次に、上記加熱工程で加熱された鋼素材を圧延、拡管して鋼管形状とする。前記圧延には、通常のマンネスマン−プラグミル方式またはマンネスマン−マンドレルミル方式の、穿孔圧延を含む熱間圧延を用いることができる。この際、拡管終了温度が８２０℃未満であると、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計を９０％以上にすることが困難となる。そのため、拡管終了温度は８２０℃以上とする。一方、拡管終了温度の上限は特に限定されないが、温度が高すぎると金属組織が不均一となりやすいため、拡管終了温度を１２００℃以下とすることが好ましい。
［冷却工程］
前記圧延拡管工程で得られた鋼管は、次いで、室温まで冷却されるが、その際、所望の金属組織を得るために、冷却速度を制御する必要がある。鋼管の長手方向中央部における温度：８００℃〜３５０℃における平均冷却速度が５℃／ｓ未満であると、フェライト、上部ベイナイト、パーライト等、マルテンサイトおよび下部ベイナイト以外の組織が生成し、最終製品であるライナーの疲労特性を劣化させる。そのため、本発明の一実施形態においては、８００〜３５０℃における平均冷却速度を５℃／ｓ以上とする。ただし、上述したように、鋼の成分組成が（１）式の関係を満足する場合には、８００〜３５０℃における平均冷却速度を３℃／ｓ以上とすれば所望の組織を得ることができる。さらに、鋼の成分組成が（２）式の関係を満足する場合には、８００〜３５０℃における平均冷却速度を１℃／ｓ以上とすれば所望の組織を得ることができる。冷却方法は特に限定されず、水冷、油冷、空冷等、任意の方法を単独または組み合わせて用いることができるが、高速冷却と焼き割れ防止の両立の点では、油冷が好ましい。
次に、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例は、本発明の好適な一例を示すものであり、本発明は、該実施例によって何ら限定されるものではない。
表１に示す成分組成の直径：３３０ｍｍのビレットを作製し、前記ビレットを外径：３７０ｍｍに圧延拡管して鋼管を得た。製造条件を表２に示す。得られた鋼管のそれぞれについて、金属組織を評価した。評価方法は、以下の通りである。
・ 旧オーステナイト粒の平均粒径
旧オーステナイト（γ）粒径は、鋼管の長手方向中央部、肉厚１／４の位置から採取した試験片の断面を飽和ピクリン酸水溶液によりエッチングして旧オーステナイト結晶粒界を現出させ、光学顕微鏡を用いて撮影した観察写真から切断法により求めた。
・ 金属組織
鋼管における金属組織は以下のようにして評価した。鋼管の長手方向中央部、肉厚１／４から採取した試験片の断面を、３ｖｏｌ％ナイタール溶液を用いてエッチングした。その後、前記断面を1000〜5000倍間の適正な倍率で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察し、得られた画像を解析して組織の種類、および面積分率を評価した。また、残留オーステナイトはＸ線回折測定により測定した。
次に、上述のようにして得た鋼管を用いてライナーを作製したときどのような特性となるかを評価するために、実際にライナーを製造し、焼入れ焼戻しを行った後に、金属組織と機械的特性の評価を行った。ライナーは、次の（ａ）〜（ｃ）の工程を順次行うことにより製造した。
（ａ）鋼管を成形、加工してライナー形状とする成形工程、
（ｂ）得られたライナーを８５０℃に加熱し、該温度で１２０分間保持した後、焼入れ用の油に浸漬する油焼入れ工程、および
（ｃ）焼入れ後のライナーを、６５０℃で１８０分間焼き戻す焼戻し工程。
なお、上記（ｂ）および（ｃ）の工程における温度は、ライナー長手方向中央部における、肉厚中心部における温度であり、ライナーに熱電対を埋め込んで測定した。
得られたライナーの評価を行うにあたり、旧オーステナイト粒の平均粒径と組織の測定は、ライナーの長手方向中央部、内面側の表面より採取した試験片の、内面から肉厚方向に５ｍｍ以内の部分について、上述した鋼管の評価と同様の方法で行った。また、他の項目についての評価は以下の方法で行った。なお、特に断らない限り、ライナーに関する評価、測定は、すべてライナーの長手方向中央部、内側表面部から試験片を採取して行った。測定結果は表２に示したとおりである。
・ 平均ブロック長さ
マルテンサイトおよび下部ベイナイト組織における平均ブロック長さは、電子後方散乱パターン（Electron BackScattering Pattern：ＥＢＳＰ）測定に基づいて決定した。旧オーステナイト粒３個以上の領域においてＥＢＳＰ測定を行い、ブロックを特定して、その長手方向の長さの平均値を求めた。その際、前記長さは、各ブロックにおける（１１０）面に平行な方向の最大長さとし、前記平均は、算術平均とした。なお、本発明で呼称するブロックとは、大角粒界で囲われ、かつ方位差８°以上の境界をその内部に含まない領域と定義する。
・ 引張強さ（ＴＳ）
得られたライナーから、ＪＩＳ Ｚ ２２０１に準じて直径７ｍｍの丸棒試験片を採取し、引張強さを測定した。
・ 疲労限
疲労限は、高圧水素中における疲労試験により測定した。ライナーより採取した評価部直径７ｍｍの試験片を用いて、応力比：−１の条件で、９０ＭＰａの高圧水素中で疲労試験を行い、繰り返し数２０万回で試験片が破断しない限界応力を疲労限とした。
・ シャルピー吸収エネルギー
シャルピー衝撃試験をＪＩＳ Ｚ ２２４２に準じて実施し、−３０℃でのシャルピー吸収エネルギーを測定した。試験片は素材の圧延方向に平行に採取し、Ｖノッチを付与した。試験は３本の試験片について行い、その平均値をシャルピー吸収エネルギーと定義した。
表２に示したように、成分組成と金属組織とが本発明の条件を満たす鋼管を用いて製造されたライナー（発明例）は、すべて８００ＭＰａ以上の十分な引張強さと、３５０ＭＰａ以上の優れた疲労限を有するとともに、相対的な疲労強度の指標である（疲労限／引張強さ）の値が０．４７以上、さらに、−３０℃のシャルピー吸収エネルギーで５４Ｊ以上と、極めて優れた特性を示した。これに対して、鋼の成分組成と金属組織との少なくとも一方が本発明の条件を満たさないＮｏ．２、４、６、１４、１６、１７および１８の鋼管においては、該鋼管を用いて製造されたライナーにおける（疲労限／引張強さ）の値がいずれも０．４７未満であり、疲労強度に劣ることに加え、シャルピー吸収エネルギーも５４Ｊ未満であり、複合容器蓄圧器ライナーとしての性能に劣っていた。
このように、本発明のライナー用鋼材、鋼管を用いて複合容器蓄圧器ライナーを製造すれば、十分な強度と、高い疲労限を兼ね備えたライナーを得ることができる。そのようなライナーを使用して複合容器蓄圧器を製造すれば、ライナーにより多くの荷重を分担させることができるため、ＣＦＲＰの使用量を低減し、複合容器蓄圧器をより安価に提供することができる。
Figure 0006278125
Figure 0006278125

Claims (9)

  1. 質量％で、
    Ｃ ：０．１０〜０．６０％、
    Ｓｉ：０．１５〜２．０％、
    Ｍｎ：０．１〜５．０％、
    Ｐ ：０．０００５〜０．０６０％、
    Ｓ ：０．０００１〜０．０１０％、
    Ｎ ：０．０００１〜０．０１０％、および
    Ａｌ：０．０１〜０．０６％を含有し、
    残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
    旧オーステナイト粒の平均粒径が２０μｍ以下、かつ、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９０％以上である金属組織を有する、複合容器蓄圧器ライナー用鋼管。
  2. 前記成分組成が、質量％で、
    Ｍｏ：０．００５〜２．０％、
    Ｃｒ：０．００５〜３．０％の、いずれか一方または両方をさらに含有する、請求項１に記載の複合容器蓄圧器ライナー用鋼管。
  3. 前記成分組成が、質量％で、
    Ｎｉ：０．００５〜３．０％をさらに含有する、請求項２に記載の複合容器蓄圧器ライナー用鋼管。
  4. 前記成分組成が、さらに下記（１）式の関係を満足する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合容器蓄圧器ライナー用鋼管。
    記
    ［Ｍｎ］＋１．３０×［Ｃｒ］＋２．６７×［Ｍｏ］＋０．３０×［Ｎｉ］≧２．３０ …… （１）
    （ただし、［Ｍ］は元素Ｍの含有量（質量％）を表し、元素Ｍを含有しない場合には［Ｍ］＝０とする）
  5. 前記成分組成が、さらに下記（２）式の関係を満足する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合容器蓄圧器ライナー用鋼管。
    記
    ［Ｍｎ］＋１．３０×［Ｃｒ］＋２．６７×［Ｍｏ］＋０．３０×［Ｎｉ］≧３．００ …… （２）
    （ただし、［Ｍ］は元素Ｍの含有量（質量％）を表し、元素Ｍを含有しない場合には［Ｍ］＝０とする）
  6. 肉厚が２０ｍｍ以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合容器蓄圧器ライナー用鋼管。
  7. 複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法であって、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の成分組成を有する鋼素材を１３５０℃以下の温度に加熱する加熱工程と、
    加熱された前記鋼素材を、拡管終了温度：８２０℃以上の条件で圧延、拡管して鋼管を得る圧延拡管工程と、
    前記圧延拡管工程で得られた鋼管を、８００〜３５０℃における平均冷却速度：５℃／ｓ以上の条件で冷却する冷却工程とを有し、
    前記複合容器蓄圧器ライナー用鋼管が、旧オーステナイト粒の平均粒径が２０μｍ以下、かつ、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９０％以上である金属組織を有する、複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法。
  8. 複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法であって、
    請求項４に記載の成分組成を有する鋼素材を１３５０℃以下の温度に加熱する加熱工程と、
    加熱された前記鋼素材を、拡管終了温度：８２０℃以上の条件で圧延、拡管して鋼管を得る圧延拡管工程と、
    前記圧延拡管工程で得られた鋼管を、８００〜３５０℃における平均冷却速度：３℃／ｓ以上の条件で冷却する冷却工程とを有し、
    前記複合容器蓄圧器ライナー用鋼管が、旧オーステナイト粒の平均粒径が２０μｍ以下、かつ、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９０％以上である金属組織を有する、複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法。
  9. 複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法であって、
    請求項５に記載の成分組成を有する鋼素材を１３５０℃以下の温度に加熱する加熱工程と、
    加熱された前記鋼素材を、拡管終了温度：８２０℃以上の条件で圧延、拡管して鋼管を得る圧延拡管工程と、
    前記圧延拡管工程で得られた鋼管を、８００〜３５０℃における平均冷却速度：１℃／ｓ以上の条件で冷却する冷却工程とを有し、
    前記複合容器蓄圧器ライナー用鋼管が、旧オーステナイト粒の平均粒径が２０μｍ以下、かつ、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９０％以上である金属組織を有する、複合容器蓄圧器ライナー用鋼管の製造方法。
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