JP6703608B2 - 耐水素脆化性に優れたオーステナイト系鋼材 - Google Patents
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Description
炭素は、オーステナイトを安定化させ、鋼材の強度を向上させる元素であり、特に、オーステナイトが冷却過程又は加工中に、εマルテンサイト又はαマルテンサイトへ変態する変態点であるMs及びMdを減少させる役割を果たす。炭素の含有量が不足する場合にはオーステナイトの安定度が不十分となり、また、外部応力によってεマルテンサイト又はαマルテンサイトへの加工誘起変態が容易に起こってFCC組織を維持することができないため、耐水素脆化性が急激に劣化する。したがって、本発明では、炭素の含有量を0.1%以上に制御し、より好ましくは0.15%以上に、さらに好ましくは0.2%以上に制御する。但し、その含有量が過多であると、転位や動的歪時効が発生して鋼材の加工硬化が高くなるため耐水素脆化性が劣化し、炭化物が析出されやすいため延性や靭性が劣化する。したがって、本発明では、炭素の含有量を0.5%以下に制御し、より好ましくは0.45%以下に制御する。
本発明において、マンガンの含有量は、炭素及び他の合金化元素との関係を考慮して決定する。常温での引張試験後に、水素の透過率が低いオーステナイト又はεマルテンサイトを安定的に確保して耐水素脆化性を向上させるマンガンの含有量の範囲を図1に示す。図1に示すグラフは、本発明者らの多様な実験によって導出された結果である。
銅は、耐水素脆化性を得るためのオーステナイト組織を安定化させ、積層欠陥エネルギーを高めてすべりを促進する元素である。一方、炭素が多く添加されると、銅は、炭化物中への固溶度が非常に低く、オーステナイト中への拡散が遅いため、オーステナイト中に生成された炭化物核の界面に濃縮されるが、この場合、炭素の拡散を妨害することで炭化物の成長を効果的に遅延させ、結果的に、炭化物の形成を抑える役割を果たす。このような炭化物の形成抑制は、炭素の拡散場所を減少させて耐水素脆化性を向上させるとともに、鋼材の延性及び靭性を改善する。本発明において、銅が0.5%以上添加されると、このような炭化物の形成抑制の効果を十分に得ることができる。但し、その含有量が過多であると、鋼材の熱間加工性が劣化する。したがって、本発明では、銅の含有量を5%以下に制御し、より好ましくは3.5%以下に制御する。
窒素は、炭素とともにオーステナイトを安定化させて鋼材の靭性を向上させる元素であって、特に、炭素と同様に、固溶強化の効果により鋼材の強度を向上させるのに非常に有効な元素である。さらに、後述の式1に示すように、積層欠陥エネルギーを効果的に高めてすべりを助長する元素として知られている。但し、本発明では、窒素を添加しなくても目的とする物性確保の点で特に支障はない。一方、その含有量が過多であると、粗大な窒化物が形成されて鋼材の表面品質及び物性が劣化するため、本発明では、窒素の含有量を1%以下に制御し、より好ましくは0.5%以下に制御する。
クロムは、適正な範囲で添加されると、オーステナイトを安定化させて耐水素脆化性を増加させ、オーステナイト中に固溶されて鋼材の強度を増加させる。また、クロムは、鋼材の耐食性を向上させる元素でもある。但し、本発明では、クロムを添加しなくても目的とする物性確保の点では特に支障はない。一方、クロムは炭化物の形成元素であって、その含有量が過多であると、オーステナイト粒界に炭化物が形成されて水素拡散が容易な場所を提供するだけでなく、鋼材の靭性が劣化するという問題がある。したがって、本発明では、クロムの含有量を10%以下に制御し、より好ましくは8%以下に制御する。
ニッケルはオーステナイト安定化に非常に効果的な元素であって、冷却過程又は加工中に、オーステナイトがεマルテンサイト又はαマルテンサイトへ変態する変態点であるMs及びMdを減少させる役割を果たす。特に、後述の式1に示すように、積層欠陥エネルギーを効果的に高めてすべりを助長する元素として知られている。但し、本発明では、ニッケルを添加しなくても目的とする物性確保の点で特に支障はない。一方、ニッケルは高価な合金元素であって、その含有量が過多であると、経済性が低下するという問題がある。したがって、本発明では、ニッケルの含有量を5%以下に制御する。
モリブデンは、適正な範囲で添加されると、オーステナイトを安定化させ、冷却過程又は加工中に、オーステナイトがεマルテンサイト又はαマルテンサイトへ変態する変態点であるMs及びMdを減少させて鋼材の耐水素脆化性を向上させる役割を果たす。また、鋼材中に固溶されて鋼材の強度を増加させるとともに、オーステナイトの結晶粒界に偏析されて結晶粒界の安定度を高め、粒界のエネルギーを減少させることで、炭窒化物の結晶粒界の析出を抑える役割を果たす。特に、後述の式1に示すように、積層欠陥エネルギーを効果的に高めてすべりを助長する元素として知られている。但し、本発明では、モリブデンを添加しなくても目的とする物性確保の点で特に支障はない。一方、モリブデンは高価な合金元素であり、その含有量が過多であると、経済性が低下するという問題がある。したがって、本発明では、モリブデンの含有量を5%以下に制御し、より好ましくは4%以下に制御する。
シリコンは、溶鋼の鋳造性を向上させ、特に、オーステナイト系鋼材に添加されると、鋼材中に固溶されて鋼材の強度を効果的に増加させる元素である。但し、本発明では、シリコンを添加しなくても目的とする物性確保の点で特に支障はない。一方、その含有量が過多であると、積層欠陥エネルギーが減少して部分転位の発生が助長され、応力集中が引き起こされるため、鋼材の耐水素脆化性が低下するという問題がある。したがって、本発明では、シリコンの含有量を4%以下に制御する。
アルミニウムは、適正な範囲で添加されると、オーステナイトを安定化させ、冷却過程又は加工中に、オーステナイトがεマルテンサイト又はαマルテンサイトへ変態する変態点であるMs及びMdを減少させて鋼材の耐水素脆化性を向上させる役割を果たす。また、鋼材中に固溶されて鋼材の強度を増加させ、鋼材中の炭素の活動度に影響を与えて炭化物の形成を効果的に抑えるとともに、鋼材の靭性を増加させる役割を果たす。また、鋼材の積層欠陥エネルギーを大きく増加させて交差すべりを誘導し、部分転位の生成を抑えて応力集中を緩和させることで耐水素脆化性を増加させる元素である。但し、本発明では、アルミニウムを添加しなくても目的とする物性確保の点で特に支障はない。但し、耐水素脆化性をより向上させるためには、0.2%以上添加することが好ましい。一方、その含有量が過多であると、酸化物及び窒化物が形成されて鋼の鋳造性及び表面品質が劣化するため、本発明では、アルミニウムの含有量を5%以下に制御する。
SFE(mJ/m2)=1.6[Ni]−1.3[Mn]+0.06[Mn]2−1.7[Cr]+0.01[Cr]2+15[Mo]−5.6[Si]+1.6[Cu]+5.5[Al]−60([C]+1.2[N])1/2+26.3([C]+1.2[N])([Cr]+[Mn]+[Mo])1/2+0.6{[Ni]([Cr]+[Mn])}1/2
(ここで、[Ni]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[Si]、[Cu]、[Al]、[C]、及び[N]は、それぞれの元素の含有量(重量%)を意味する)
冷却速度(℃/s)≧15[C]+[Cr]+[Mo]
(ここで、[C]、[Cr]、及び[Mo]は、それぞれの元素の含量(重量%)を意味する)
Claims (6)
- 重量%で、Cを0.1%〜0.5%、Cuを5%以下(0%を除く)、Nを1%以下(0%を除く)含み、Mnの含有量は[Mn]≧−10.7[C]+24.5を満たし(ここで、[Mn]及び[C]はそれぞれ対応する元素の重量%を意味する)、Crを10%以下、Niを5%以下、Moを5%以下、Siを4%以下、Alを5%以下含み、残りはFe及び不可避不純物からなるオーステナイト系鋼材であって、
25℃及び1atmの大気条件下での引張試験による破壊伸び(T−El1)に対する、25℃及び70MPaの水素条件下での引張試験による破壊伸び(T−El2)の比(T−El2/T−El1)が0.5以上であることを特徴とする耐水素脆化性に優れたオーステナイト系鋼材。 - 下記式1で定義される積層欠陥エネルギー(SFE)が30mJ/m2以上であることを特徴とする請求項1に記載の耐水素脆化性に優れたオーステナイト系鋼材。
[式1]
SFE(mJ/m2)=1.6[Ni]−1.3[Mn]+0.06[Mn]2−1.7[Cr]+0.01[Cr]2+15[Mo]−5.6[Si]+1.6[Cu]+5.5[Al]−60([C]+1.2[N])1/2+26.3([C]+1.2[N])([Cr]+[Mn]+[Mo])1/2+0.6{[Ni]([Cr]+[Mn])}1/2
(ここで、[Ni]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[Si]、[Cu]、[Al]、[C]、及び[N]は、それぞれ対応する元素の含有量(重量%)を意味する) - 25℃及び1atmの大気条件下での引張試験で測定された真歪及び真応力から計算される加工硬化率(strain hardening rate)が14000N/mm2以下であることを特徴とする請求項1に記載の耐水素脆化性に優れたオーステナイト系鋼材。
- 25℃及び1atmの大気条件下での引張試験による引張強度が800MPa以下であることを特徴とする請求項1に記載の耐水素脆化性に優れたオーステナイト系鋼材。
- 微細組織として、95面積%以上(100面積%を含む)のオーステナイト組織を含むことを特徴とする請求項1に記載のオーステナイト系鋼材。
- 25℃及び1atmの大気条件下での引張試験後の微細組織が、オーステナイト組織からなるか、又はεマルテンサイト組織及びオーステナイト組織からなることを特徴とする請求項1に記載のオーステナイト系鋼材。
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