JP6848519B2 - 高圧水素用オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
この様に、高圧水素中でも大気中とほぼ変わりのない機械的性質を示し、低温での特性も優れたSUS316やSUS316Lではあるが、固溶化熱処理ままの特性は、0.2%耐力は約270MPa、硬さは約140HV程度と高圧水素ガス用の部品として必要な耐力、硬さと比べると非常に低く、前記した部品の軽量化、部品摩滅低減といった耐久性の良い部品を設計することや、繰返しの開放検査時の塑性変形抑制の要求に対応することが難しい。そのため、従来は、固溶化熱処理後に冷間加工を行って、耐力、硬さを高めて使用するということが行われている。しかしながら、この冷間加工による強度向上は、強度改善効果が冷間加工歪の大きさに左右されるため、強度を保証するために加工率のコントロールが求められる。よって、長手方向に均一な加工を行う冷間引抜加工や、冷間圧延加工においては、冷間加工後の鋼材の強度保証も比較的容易であるが、複雑な部品形状を形成する冷間鍛造等では、対象部位から引張試験片を切り出すことが困難となり、強度の保証が容易ではない。よって、冷間加工に頼ることなく、固溶化熱処理ままで、高耐力高硬度の得られる高圧水素用オーステナイト系ステンレス鋼の開発が強く望まれていた。
C:0.40〜1.00%、
Cは、本発明において特に重要な元素である。本発明では、従来のオーステナイト系ステンレス鋼に比較して、Cを大幅に増量しているので、添加したCは、鋼中に一部しか固溶できず、固溶できなかったCがCrと結合し、固溶化熱処理後の金属組織中に多数の炭化物を形成する。この炭化物の存在等の効果により塑性変形させる際の変形抵抗が増加するため、0.2%耐力、硬さを高めることができる。また、炭化物の生成は、前記した通り加工誘起マルテンサイトの生成抑制という本発明にとって最も重要な効果を有する。C含有の下限を0.40%としたのは、上記効果を十分に得るために必要なためであり、上限を1.00%としたのは、含有させすぎると、加工性が低下し、圧延、鍛造、切削等により素材を所定の部品形状へ加工するのが難しくなるためである。
Siは、ステンレス鋼の溶製において還元精錬を行うために必要な成分である。しかし、Siはフェライト安定化元素であり、過剰に添加すると水素脆化の感受性が高いフェライトを安定化させてしまいδフェライトを生成してしまうため、上限を1.00%とする。
Mnは、ステンレス鋼の溶製においてSiと共に還元精錬を行うために必要な成分である。また、スクラップを元に溶製する場合において、含有が不可避な元素でもある。しかし、過剰に添加するとガスのリークを引き起こす可能性がある粗大なMnSを形成しやすくなるため、上限を2.00%とする。
Pは、ステンレス鋼の精錬工程において不可避的に混入する元素である。Pを過剰に含有すると凝固時にワレを生じやすくなるため、上限を0.040%とした。より好ましくは、上限を0.035%とするのが良い。
Sは、鋼中のMnと結合し、MnSを形成することで、切削性を改善する元素である。過剰に添加するとガスのリークを引き起こす可能性がある粗大なMnSを形成しやすくなるため、上限を0.030%とした。より好ましくは、上限を0.010%とするのが良い。
Niは、強力なオーステナイト安定化元素であり、δフェライトの生成や加工誘起マルテンサイトの生成を抑制する効果が高い重要な元素である。好ましくは、12.00%以上含有させるのがよい。しかしながら、高価な元素であるとともに、多量に含有させても効果が飽和するため、上限を14.00%とした。
Crは、ステンレス鋼の耐食性に寄与する元素であるが、Cと結合することで炭化物を形成する元素でもある。炭化物を形成したCrは耐食性に寄与しなくなると共に、加工誘起マルテンサイトの抑制にも寄与しなくなるため、炭化物の形成による固溶Cr量の減少分を考慮して、必要な添加量を定める必要がある。本発明では、その点を考慮して、下限を16.00%とした。しかしながら、Crを添加しすぎると、δフェライトが生成し、オーステナイト組織を安定して得られにくくなるため、その上限を21.00%とした。
Nは、Cと同様にCr等と結合し、窒化物を形成する元素である。しかしながら、Nを多量に添加すると、低温において延性−脆性遷移挙動を示す傾向が一般的に知られているため、上限を0.09%とした。
上記の高圧水素用ステンレス鋼は、上記各成分の範囲内において式1の成分式を満たす成分組成に規制する。式1の各項において、Cを除く成分の係数は、前記した特許文献1の係数と同じ値を用いている。そして、この式1の意味は、この式で限定されるように成分調整することにより、オーステナイト形成元素によるオーステナイトの安定化効果が、フェライト生成元素のフェライト安定化効果を上回るようにすることができるという意味である。従って、この式を満足するよう成分調整することにより、オーステナイトが安定化し、加工誘起マルテンサイトの生成抑制および、δフェライトの生成抑制を図ることができる。
表1に示す様に、実施例、比較例の試料として、成分組成が異なる5種類の試料を準備した。このうち、実施例1〜実施例3が、本発明の成分、式1、炭化物量等の条件を満足する実施例であり、比較例1、比較例2は、C含有率が低く、本発明の条件を満足しない比較例であり、従来鋼はJISのSUS316である。
(引張試験の実施)
引張試験は、室温大気中と、−60℃(従来鋼のみ−50℃)のシリコンオイル中にて引張試験を実施した。0.2%耐力と破断後の試験片の伸びについては、室温での引張試験結果を表1に示した。
引張試験前の引張試験片の平行部および引張試験片の破断部近傍にて、ポータブル型の透磁率計を用いて、透磁率を測定した。この測定により、加工誘起マルテンサイトが生成した場合は、透磁率が上昇することにより確認することができる。
比較例1は、式1を満足しておらず、C含有率が低い例であるが、C含有率が低いため炭化物が面積率で18%と少なく、その結果引張試験後に比透磁率の上昇が確認され、加工誘起マルテンサイトの生成が抑制されておらず、耐水素脆化特性が劣っていることが確認できた。また、C含有率が低いため、強度向上効果が劣り、室温における0.2%耐力、硬さ共に前記した狙いの値を得られないことが確認できた。
実施例3の試料に対して、室温の85MPa高圧水素ガス環境において、SSRT試験を行い、大気中でのSSRT試験の結果と比較して耐水素脆化特性を評価した。その結果、実施例3の試料は、高圧水素ガス環境においても大気中と同等の0.2%耐力および、引張強さを示した。また、高圧水素ガス中SSRT試験における絞りを大気中SSRT試験における絞りで除した値である相対絞りは、1.04という結果となり、優れた耐水素脆化特性が改めて確認された。
Claims (1)
- 質量%で、C:0.40〜1.00%、Si:1.00%以下、Mn:2.00%以下、P:0.040%以下、S:0.030%以下、Ni:8.00〜14.00%、Cr:16.00〜21.00%、N:0.09%以下を含有し、残部Fe及び不純物元素からなり、さらに、54.8C+3.7Ni+2.5Mn−1.6Cr−0.9Si+266N−39.6>0の条件(式1)(但し、式中におけるC、Ni、Mn、Cr、Si、Nは、C、Ni、Mn、Cr、Si及びNの含有率(質量%)を示す。)を満足し、固溶化熱処理ままで用いられ、鋼中にCr炭化物が、面積率で23%以上存在することを特徴とする−60℃でのオーステナイト安定性に優れた高圧水素ガスを取り扱う高圧水素機器部品用オーステナイト系ステンレス鋼。
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