JP6972722B2 - 低合金鋼 - Google Patents
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Description
本発明は、低合金鋼に関する。
薄鋼板、厚鋼板、鋼管、棒線などの種々の分野で、高強度化ならびに使用環境の過酷化に伴い、水素脆化が問題となっている。水素脆化が問題となる用途としては、例えば、自動車用の高強度薄鋼板、建材用の厚鋼板、油井管やラインパイプ等の過酷環境で使われる鋼管、高強度の棒線・棒鋼・ボルトなどが挙げられる。
ｂｃｃ構造を有する炭素鋼や低合金鋼の耐水素脆化特性を改善する組織上の対策としては、例えばマルテンサイト系の材料では、焼戻し温度を高めることによる粒界炭化物の球状化や、水素トラップ効果を有する微細な合金炭化物の活用が知られている（非特許文献１および非特許文献２）。
上記の対策は、焼戻し時に生じる炭化物の作用に着目し、これを制御するものである。一方、Ｆｅ以外の合金元素を添加した場合には、その一部がｂｃｃ構造の母相中に固溶し、この固溶元素を活用すれば、熱処理に依存しなくても普遍的な耐水素脆化特性が得られることが期待される。
ただし、Ｆｅ以外の固溶合金元素は一般には水素拡散係数を低下させ、使用環境中における吸蔵水素濃度を増加させ、水素脆化に対して悪影響を及ぼすと考えられている（非特許文献３および非特許文献４）。
特許文献１には、固溶窒素量を０．００４〜０．０３質量％に制限した冷間加工用鋼材に関する発明が開示されている。この冷間加工用鋼材によれば、冷間加工のみで高強度が得られるため、熱処理を省略することができる、としている。
櫛田隆弘、松本斉、倉富直行、津村輝隆、中里福和、工藤赳夫、鉄と鋼Ｖｏｌ.８２、Ｎｏ．４（１９９６）２９７−３０２頁
山崎真吾、高橋稔彦、鉄と鋼Ｖｏｌ.８３、Ｎｏ．７（１９９７）４５４−４５９頁
羽木秀樹、日本金属学会誌 第５５巻 第１２号（１９９１）１２８３−１２９０頁
櫛田隆弘、工藤赳夫、まてりあ 第３３巻 第７号（１９９４）９３２−９３９頁
本発明者らは、純鉄系の材料を用いて、各種の合金元素を完全に固溶させた合金を用いて鋭意検討を行った結果、主として、ＳｉおよびＡｌは、固溶状態でも水素拡散係数を低下させず、かつ耐水素脆化特性の改善効果を有することを見出した。上記改善効果の作用機構については、詳細は不明であるが、これらの元素は表面エネルギーを高めて腐食環境における水素侵入を抑制する効果がある。水素侵入の抑制機構は、金属表面に水素原子が吸着した状態を不安定化させ、水素分子に速やかに再結合させ、系外に逃散させることと推定されている。この効果と同様に、鉄中にＳｉおよびＡｌが固溶している場合、鉄中を拡散して近づいて来た水素原子を反発し、拡散を促進することで水素原子が脆化起点(応力集中部や介在物などの界面)に集積するのを防止し、水素脆化を抑制すると推定される。
特許文献１の発明は、Ｓｉ、Ａｌの固溶量を確保することによる耐水素脆化特性について全く考慮されていない。また、調質のための熱処理、いわゆる焼入れ／焼戻し熱処理を省略することを前提としているが、熱処理を省略したこのような非調質鋼の場合、製造工程中の徐冷過程でＳｉやＡｌが析出するため、この技術では、Ｓｉ、Ａｌの固溶量を確保することはできない。
本発明は、ＳｉおよびＡｌを固溶状態で存在させることにより耐水素脆化特性の改善させた低合金鋼を提供することを目的とする。
本発明は、下記の低合金鋼を要旨とする。
〔１〕質量％で、
Ｃ：０．０１％以下と、
Ｓｉ：０．０５〜１０．０％およびＡｌ：０．０１〜１０．０％の両方またはいずれか一方と、
Ｐ：０．０２５％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｏ：０．００５％以下、
Ｎ：０．００８％以下、
Ｍｎ：０〜１．０％、
Ｂ：０〜０．００３％、
Ｃｒ：０〜５．０％、
Ｍｏ：０〜５．０％、
Ｖ：０〜５．０％、
Ｗ：０〜５．０％、
Ｎｂ：０〜０．１％、
Ｔｉ：０〜０．１％、
Ｚｒ：０〜０．２％、
Ｈｆ：０〜０．２％、
Ｔａ：０〜０．２％、
Ｃｕ：０〜３．０％、
Ｎｉ：０〜５．０％、
Ｃｏ：０〜３．０％、
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｍｇ：０〜０．０１％、
ＲＥＭ：０〜０．５０％と、
残部：Ｆｅおよび不純物とである化学組成を有し、
下記（１）式から求められるＦｎ１が１．０〜１０．０であり、
下記（２）式から求められるＦｎ２が１．０〜１０．０である、
耐水素脆化特性に優れる低合金鋼。
Ｆｎ１ ＝ Ｓｉ＋Ａｌ （質量％）（１）
Ｆｎ２ ＝ Ｓｉ＋Ａｌ （固溶分の質量％）（２）
ただし、（１）式中の各元素記号は、低合金鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味し、（２）式中の各元素記号は、低合金鋼中に固溶状態で存在する各元素の含有量（質量％）を意味する。
Ｃ：０．０１％以下と、
Ｓｉ：０．０５〜１０．０％およびＡｌ：０．０１〜１０．０％の両方またはいずれか一方と、
Ｐ：０．０２５％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｏ：０．００５％以下、
Ｎ：０．００８％以下、
Ｍｎ：０〜１．０％、
Ｂ：０〜０．００３％、
Ｃｒ：０〜５．０％、
Ｍｏ：０〜５．０％、
Ｖ：０〜５．０％、
Ｗ：０〜５．０％、
Ｎｂ：０〜０．１％、
Ｔｉ：０〜０．１％、
Ｚｒ：０〜０．２％、
Ｈｆ：０〜０．２％、
Ｔａ：０〜０．２％、
Ｃｕ：０〜３．０％、
Ｎｉ：０〜５．０％、
Ｃｏ：０〜３．０％、
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｍｇ：０〜０．０１％、
ＲＥＭ：０〜０．５０％と、
残部：Ｆｅおよび不純物とである化学組成を有し、
下記（１）式から求められるＦｎ１が１．０〜１０．０であり、
下記（２）式から求められるＦｎ２が１．０〜１０．０である、
耐水素脆化特性に優れる低合金鋼。
Ｆｎ１ ＝ Ｓｉ＋Ａｌ （質量％）（１）
Ｆｎ２ ＝ Ｓｉ＋Ａｌ （固溶分の質量％）（２）
ただし、（１）式中の各元素記号は、低合金鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味し、（２）式中の各元素記号は、低合金鋼中に固溶状態で存在する各元素の含有量（質量％）を意味する。
〔２〕質量％で、
Ｍｎ：０．１〜１．０％、
Ｂ：０．０００３〜０．００３％
Ｃｒ：０．０１〜５．０％、
Ｍｏ：０．０１〜５．０％、
Ｖ：０．０１〜５．０％、
Ｗ：０．０１〜５．０％、
Ｎｂ：０．００１〜０．１％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１％、
Ｚｒ：０．００１〜０．２％、
Ｈｆ：０．００１〜０．２％、
Ｔａ：０．００１〜０．２％、
Ｃｕ：０．１〜３．０％、
Ｎｉ：０．１〜５．０％、
Ｃｏ：０．１〜３．０％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％および
ＲＥＭ：０．０００１〜０．５０％から選択される一種以上を含有する、
上記〔１〕の低合金鋼。
Ｍｎ：０．１〜１．０％、
Ｂ：０．０００３〜０．００３％
Ｃｒ：０．０１〜５．０％、
Ｍｏ：０．０１〜５．０％、
Ｖ：０．０１〜５．０％、
Ｗ：０．０１〜５．０％、
Ｎｂ：０．００１〜０．１％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１％、
Ｚｒ：０．００１〜０．２％、
Ｈｆ：０．００１〜０．２％、
Ｔａ：０．００１〜０．２％、
Ｃｕ：０．１〜３．０％、
Ｎｉ：０．１〜５．０％、
Ｃｏ：０．１〜３．０％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％および
ＲＥＭ：０．０００１〜０．５０％から選択される一種以上を含有する、
上記〔１〕の低合金鋼。
〔３〕析出物、介在物および金属間化合物の合計量が０．５質量％以下である、
上記〔１〕または〔２〕の低合金鋼。
上記〔１〕または〔２〕の低合金鋼。
本発明によれば、耐水素脆化特性に優れた低合金鋼が得られる。
１．化学組成
本発明に係る低合金鋼は、下記の化学組成を有する。各元素の含有量の範囲および限定理由を説明する。各元素の含有量の％は、「質量％」を意味する。
本発明に係る低合金鋼は、下記の化学組成を有する。各元素の含有量の範囲および限定理由を説明する。各元素の含有量の％は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０１％以下
Ｃは、固溶強化により鋼の強度を高めるのに有効であるが、０．０１％を超えて含有させると、母相のフェライト地に固溶しきれなくなり、焼鈍時に粗大な炭化物を形成し、耐水素脆化特性を低下させる。この観点から、Ｃの含有量は０．０１％以下とする。Ｃ含有量は、低ければ低いほど望ましい。
Ｃは、固溶強化により鋼の強度を高めるのに有効であるが、０．０１％を超えて含有させると、母相のフェライト地に固溶しきれなくなり、焼鈍時に粗大な炭化物を形成し、耐水素脆化特性を低下させる。この観点から、Ｃの含有量は０．０１％以下とする。Ｃ含有量は、低ければ低いほど望ましい。
Ｓｉ：０．０５〜１０．０％および
Ａｌ：０．０１〜１０．０％の両方またはいずれか一方
ＳｉおよびＡｌは、鋼の脱酸に有効な元素であるが、本発明においては、耐水素脆化特性を向上させるために重要な元素である。脱酸の効果を得る観点ではＳｉは０．０５％以上、Ａｌは０．０１％以上含有させれば十分であるが、優れた耐水素脆化特性を得るためには、ＳｉおよびＡｌの合計含有量を１．０％以上とする必要がある。一方、耐水素脆化特性の効果は、過剰に含有させても飽和するので、それぞれの元素の含有量の上限および合計含有量の上限は１０．０％とする。すなわち、下記（１）式から求められるＦｎ１が１．０〜１０．０であることが必要である。一方、耐水素脆化特性は、特に、鋼中に固溶したＳｉおよびＡｌによって得られるので、下記（２）式から求められるＦｎ２が１．０〜１０．０であることも必要である。
Ｆｎ１ ＝ Ｓｉ＋Ａｌ （質量％）（１）
Ｆｎ２ ＝ Ｓｉ＋Ａｌ （固溶分の質量％）（２）
ただし、（１）式中の各元素記号は、低合金鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味し、（２）式中の各元素記号は、低合金鋼中に固溶状態で存在する各元素の含有量（質量％）を意味する。
Ａｌ：０．０１〜１０．０％の両方またはいずれか一方
ＳｉおよびＡｌは、鋼の脱酸に有効な元素であるが、本発明においては、耐水素脆化特性を向上させるために重要な元素である。脱酸の効果を得る観点ではＳｉは０．０５％以上、Ａｌは０．０１％以上含有させれば十分であるが、優れた耐水素脆化特性を得るためには、ＳｉおよびＡｌの合計含有量を１．０％以上とする必要がある。一方、耐水素脆化特性の効果は、過剰に含有させても飽和するので、それぞれの元素の含有量の上限および合計含有量の上限は１０．０％とする。すなわち、下記（１）式から求められるＦｎ１が１．０〜１０．０であることが必要である。一方、耐水素脆化特性は、特に、鋼中に固溶したＳｉおよびＡｌによって得られるので、下記（２）式から求められるＦｎ２が１．０〜１０．０であることも必要である。
Ｆｎ１ ＝ Ｓｉ＋Ａｌ （質量％）（１）
Ｆｎ２ ＝ Ｓｉ＋Ａｌ （固溶分の質量％）（２）
ただし、（１）式中の各元素記号は、低合金鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味し、（２）式中の各元素記号は、低合金鋼中に固溶状態で存在する各元素の含有量（質量％）を意味する。
耐水素脆化特性を向上させるためには、Ｆｎ１の下限を１．５とするのが好ましく、２．０とするのがより好ましく、Ｆｎ２の下限も１．５とするのが好ましく、２．０とするのがより好ましい。一方、Ｓｉ、Ａｌのいずれも過剰に含有させてもその効果は小さくなるため、Ｆｎ１の上限を７．０とするのが好ましく、５．０とするのがより好ましく、Ｆｎ２の上限も７．０とするのが好ましく、５．０とするのがより好ましい。
Ｐ：０．０２５％以下
Ｐは、鋼中に不純物として存在する元素である。Ｐは、粒界に偏析し、耐水素脆化特性を低下させる元素であるため、その含有量は０．０２５％以下とする必要がある。Ｐの含有量はできるだけ少ない方が望ましい。
Ｐは、鋼中に不純物として存在する元素である。Ｐは、粒界に偏析し、耐水素脆化特性を低下させる元素であるため、その含有量は０．０２５％以下とする必要がある。Ｐの含有量はできるだけ少ない方が望ましい。
Ｓ：０．０１０％以下
Ｓは、鋼中に不純物として存在する元素である。ＳもＰと同様に粒界に偏析し，耐水素脆化特性を低下させる元素であるため、その含有量は０．０１％以下とする必要がある。Ｓの含有量はできるだけ少ない方が望ましい。
Ｓは、鋼中に不純物として存在する元素である。ＳもＰと同様に粒界に偏析し，耐水素脆化特性を低下させる元素であるため、その含有量は０．０１％以下とする必要がある。Ｓの含有量はできるだけ少ない方が望ましい。
Ｏ：０．００５％以下
Ｏ（酸素）は，鋼中に不純物として存在する元素である。その含有量が０．００５％を超えると、粗大な酸化物を形成し、靭性等の機械的特性を低下させる。従って、Ｏ（酸素）は０．００５％以下とする。Ｏ（酸素）の含有量はできるだけ低い方が望ましい。その上限は望ましくは０．００４％、さらに望ましくは０．００３％である。
Ｏ（酸素）は，鋼中に不純物として存在する元素である。その含有量が０．００５％を超えると、粗大な酸化物を形成し、靭性等の機械的特性を低下させる。従って、Ｏ（酸素）は０．００５％以下とする。Ｏ（酸素）の含有量はできるだけ低い方が望ましい。その上限は望ましくは０．００４％、さらに望ましくは０．００３％である。
Ｎ：０．００８％以下
Ｎ（窒素）は、鋼中に不純物として存在する元素である。その含有量が０．００８％を超えると、粗大な窒化物を形成し、靭性等の機械的特性を低下させる。従って、Ｎ（窒素）は０．００８％以下とする。Ｎ（窒素）の含有量はできるだけ低い方が望ましい。その上限は望ましくは０．００６％、さらに望ましくは０．００５％である。
Ｎ（窒素）は、鋼中に不純物として存在する元素である。その含有量が０．００８％を超えると、粗大な窒化物を形成し、靭性等の機械的特性を低下させる。従って、Ｎ（窒素）は０．００８％以下とする。Ｎ（窒素）の含有量はできるだけ低い方が望ましい。その上限は望ましくは０．００６％、さらに望ましくは０．００５％である。
Ｍｎ：０〜１．０％
Ｍｎは、固溶強化の効果を有するので、含有させてもよい。ただし、過剰に含有させても効果が飽和するので、含有させる場合の上限を１．０％とする。上記の効果を得るためには、０．１％以上含有させるのが好ましい。
Ｍｎは、固溶強化の効果を有するので、含有させてもよい。ただし、過剰に含有させても効果が飽和するので、含有させる場合の上限を１．０％とする。上記の効果を得るためには、０．１％以上含有させるのが好ましい。
Ｂ：０〜０．００３％
Ｂは、Ｃと同様に鋼の強度を高めるのに有効であるので、含有させてもよい。ただし、０．００３％を超えて含有させてもその効果は飽和するため、含有させる場合の上限を０．００３％とする。上記の効果を得るためには、０．０００３％以上含有させるのが好ましい。
Ｂは、Ｃと同様に鋼の強度を高めるのに有効であるので、含有させてもよい。ただし、０．００３％を超えて含有させてもその効果は飽和するため、含有させる場合の上限を０．００３％とする。上記の効果を得るためには、０．０００３％以上含有させるのが好ましい。
Ｃｒ：０〜５．０％
Ｍｏ：０〜５．０％
Ｖ：０〜５．０％
Ｗ：０〜５．０％
Ｎｂ：０〜０．１％
Ｔｉ：０〜０．１％
Ｚｒ：０〜０．２％
Ｈｆ：０〜０．２％
Ｔａ：０〜０．２％
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａ（以下、これらの元素を「第１群元素」ともいう。）は、フェライト生成元素であり、かつ固溶強化能を有する。また、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａは、炭窒化物の生成能が強く、焼鈍時に微細な炭窒化物を形成し、固溶Ｃや固溶Ｎを低減する効果を有する。このため、これらの元素の一種以上を含有させてもよい。ただし、それぞれの元素の含有量が過剰な場合には効果が飽和するので、これらの元素を含有させる場合には、Ｃｒは５．０％以下、Ｍｏは５．０％以下、Ｖは５．０％以下、Ｗは５．０％以下、Ｎｂは０．１％以下、Ｔｉは０．１％以下、Ｚｒは０．２％以下、Ｈｆは０．２％以下、Ｔａは０．２％以下とする。また、上記の効果を得るためには、Ｃｒは０．０１％以上、Ｍｏは０．０１％以上、Ｖは０．０１％以上、Ｗは０．０１％以上、Ｎｂは０．００１％以上、Ｔｉは０．００１％以上、Ｚｒは０．００１％以上、Ｈｆは０．００１％以上、Ｔａは０．００１％以上含有させるのが好ましい。
Ｍｏ：０〜５．０％
Ｖ：０〜５．０％
Ｗ：０〜５．０％
Ｎｂ：０〜０．１％
Ｔｉ：０〜０．１％
Ｚｒ：０〜０．２％
Ｈｆ：０〜０．２％
Ｔａ：０〜０．２％
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａ（以下、これらの元素を「第１群元素」ともいう。）は、フェライト生成元素であり、かつ固溶強化能を有する。また、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａは、炭窒化物の生成能が強く、焼鈍時に微細な炭窒化物を形成し、固溶Ｃや固溶Ｎを低減する効果を有する。このため、これらの元素の一種以上を含有させてもよい。ただし、それぞれの元素の含有量が過剰な場合には効果が飽和するので、これらの元素を含有させる場合には、Ｃｒは５．０％以下、Ｍｏは５．０％以下、Ｖは５．０％以下、Ｗは５．０％以下、Ｎｂは０．１％以下、Ｔｉは０．１％以下、Ｚｒは０．２％以下、Ｈｆは０．２％以下、Ｔａは０．２％以下とする。また、上記の効果を得るためには、Ｃｒは０．０１％以上、Ｍｏは０．０１％以上、Ｖは０．０１％以上、Ｗは０．０１％以上、Ｎｂは０．００１％以上、Ｔｉは０．００１％以上、Ｚｒは０．００１％以上、Ｈｆは０．００１％以上、Ｔａは０．００１％以上含有させるのが好ましい。
Ｃｕ：０〜３．０％
Ｎｉ：０〜５．０％
Ｃｏ：０〜３．０％
Ｃｕ、ＮｉおよびＣｏは、いずれも鋼の固溶強化に有効である。このため、これらの元素から選択される一種以上を含有させてもよい。ただし、過剰に含有させてもその効果は飽和するので、ＣｕおよびＣｏはその上限を３．０％とし、Ｎｉはその上限を５．０％とする。また、上記の効果を得るためには、いずれの元素も０．１％以上含有させるのが好ましい。
Ｎｉ：０〜５．０％
Ｃｏ：０〜３．０％
Ｃｕ、ＮｉおよびＣｏは、いずれも鋼の固溶強化に有効である。このため、これらの元素から選択される一種以上を含有させてもよい。ただし、過剰に含有させてもその効果は飽和するので、ＣｕおよびＣｏはその上限を３．０％とし、Ｎｉはその上限を５．０％とする。また、上記の効果を得るためには、いずれの元素も０．１％以上含有させるのが好ましい。
Ｃａ：０〜０．０１％
Ｍｇ：０〜０．０１％
ＲＥＭ：０〜０．５０％
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭは、鋼中のＳと結合して硫化物を形成し、介在物の形状を改善して靭性等の機械的特性を改善するので、含有させてもよい。過剰に含有させてもこの効果は飽和するため、ＣａおよびＭｇの上限は、０．０１％、ＲＥＭの上限は０．５０％とする。上記の効果を得るためには、いずれの元素も０．０００１％以上含有させるのが好ましい。
Ｍｇ：０〜０．０１％
ＲＥＭ：０〜０．５０％
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭは、鋼中のＳと結合して硫化物を形成し、介在物の形状を改善して靭性等の機械的特性を改善するので、含有させてもよい。過剰に含有させてもこの効果は飽和するため、ＣａおよびＭｇの上限は、０．０１％、ＲＥＭの上限は０．５０％とする。上記の効果を得るためには、いずれの元素も０．０００１％以上含有させるのが好ましい。
なお、ＲＥＭとは、Ｓｃ、Ｙ、およびランタノイドの合計１７元素を指し、「ＲＥＭの含有量」とは、ＲＥＭが１種の場合はその含有量、２種以上の場合はそれらの合計含有量を指す。また、ＲＥＭは一般的には複数種のＲＥＭの合金であるミッシュメタルとしても供給されている。このため、個別の元素を１種または２種以上添加してＲＥＭの量が上記の範囲となるように含有させてもよいし、例えば、ミッシュメタルの形で添加して、ＲＥＭの量が上記の範囲となるように含有させてもよい。
本発明の化学組成は、上記の各元素をそれぞれ規定される範囲で含有し、残部は、Ｆｅおよび不純物である。不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入する成分を意味する。
２．金属組織
本発明鋼は、体積率で９９％以上がフェライトである、フェライト単相組織を対象とする。フェライト以外の組織については、特に制約がないが、水素脆化の起点および進展経路として働くので、その量はできるだけ少ないことが好ましい。このため、析出物、介在物および金属間化合物（以下、「析出物等」という。）の合計量は０．５質量％以下とするのが好ましい。
本発明鋼は、体積率で９９％以上がフェライトである、フェライト単相組織を対象とする。フェライト以外の組織については、特に制約がないが、水素脆化の起点および進展経路として働くので、その量はできるだけ少ないことが好ましい。このため、析出物、介在物および金属間化合物（以下、「析出物等」という。）の合計量は０．５質量％以下とするのが好ましい。
３．製造方法
本発明鋼は、通常の方法で溶製（溶解および鋳造）し、熱間鍛造し、必要に応じてさらに熱間圧延することにより製造することができる。ただし、偏析を除去し、金属間化合物の生成を抑えるために、熱間鍛造後に１２００〜１３００℃で１時間以上保持のソーキング熱処理を行うのが望ましい。最終熱処理の焼鈍温度は、フェライトの単相組織が得られる条件であればよいが、通常は、７５０〜８５０℃の温度で、５分以上均熱し、その後に水冷するのがよい。析出物等の生成を低減するためには、単にＳｉおよびＡｌの含有量を調整するだけでは足りず、水冷工程の８００〜５００℃間の冷却速度を１０℃／ｓ以上するのがよい。必要に応じて、焼鈍後に冷間圧延等を施し、強度を高めてもよい。
本発明鋼は、通常の方法で溶製（溶解および鋳造）し、熱間鍛造し、必要に応じてさらに熱間圧延することにより製造することができる。ただし、偏析を除去し、金属間化合物の生成を抑えるために、熱間鍛造後に１２００〜１３００℃で１時間以上保持のソーキング熱処理を行うのが望ましい。最終熱処理の焼鈍温度は、フェライトの単相組織が得られる条件であればよいが、通常は、７５０〜８５０℃の温度で、５分以上均熱し、その後に水冷するのがよい。析出物等の生成を低減するためには、単にＳｉおよびＡｌの含有量を調整するだけでは足りず、水冷工程の８００〜５００℃間の冷却速度を１０℃／ｓ以上するのがよい。必要に応じて、焼鈍後に冷間圧延等を施し、強度を高めてもよい。
本発明の効果を検証した実施例を以下に説明する。
表１に示す化学組成を有する低合金鋼をそれぞれ５０ｋｇ真空溶製した。得られた鋳片から、熱間鍛造、熱間圧延を経て、厚さ３０ｍｍの板材を得た後、８００℃で６０分加熱後水冷の焼鈍熱処理を行い、試験材（焼鈍材）を得た。また、焼鈍後に、減面率６０〜９４％の冷間圧延を施し、試験材（冷間圧延材）を得た。この際、引張強さが６００〜９００ＭＰａの範囲に入るように、素材に応じて冷間圧延率を調整した。
＜析出物等の合計含有量の測定等＞
ＳｉおよびＡｌの合計固溶量、析出物等の合計含有量は、下記の手順により求めた。
試験材（焼鈍材）の中心部から、直径が１〜１０ｍｍで長さが５０ｍｍの寸法の抽出分析用丸棒試験片を採取した。この試験片を陽極電解してマトリックスを溶解させ、析出物等を抽出し、抽出された残渣を用いてＩＣＰ（高周波誘導結合プラズマ）発光分析を行い、残渣中のＳｉおよびＡｌの合計含有量を測定する。陽極電解は、１質量％の酒石酸を含む電解液を用いて定電流電解により行った。この合計含有量を、陽極電解によるマトリックス溶解前後での試験片の質量差（つまり、試験片の溶解量）で除して、マトリックス中に析出したＳｉおよびＡｌの合計含有量（質量％）を算出した。鋼材のＳｉおよびＡｌの合計含有量から、析出したＳｉおよびＡｌの合計含有量を差し引いて、固溶したＳｉおよびＡｌの合計含有量を計算した。また、マトリックスを溶解させ得られた残渣の合計量を、陽極電解によるマトリックス溶解前後での試験片の質量差（試験片の溶解量）で除して、析出物等の合計含有量（質量％）を求めた。
ＳｉおよびＡｌの合計固溶量、析出物等の合計含有量は、下記の手順により求めた。
試験材（焼鈍材）の中心部から、直径が１〜１０ｍｍで長さが５０ｍｍの寸法の抽出分析用丸棒試験片を採取した。この試験片を陽極電解してマトリックスを溶解させ、析出物等を抽出し、抽出された残渣を用いてＩＣＰ（高周波誘導結合プラズマ）発光分析を行い、残渣中のＳｉおよびＡｌの合計含有量を測定する。陽極電解は、１質量％の酒石酸を含む電解液を用いて定電流電解により行った。この合計含有量を、陽極電解によるマトリックス溶解前後での試験片の質量差（つまり、試験片の溶解量）で除して、マトリックス中に析出したＳｉおよびＡｌの合計含有量（質量％）を算出した。鋼材のＳｉおよびＡｌの合計含有量から、析出したＳｉおよびＡｌの合計含有量を差し引いて、固溶したＳｉおよびＡｌの合計含有量を計算した。また、マトリックスを溶解させ得られた残渣の合計量を、陽極電解によるマトリックス溶解前後での試験片の質量差（試験片の溶解量）で除して、析出物等の合計含有量（質量％）を求めた。
＜耐水素脆化特性の測定＞
試験材（焼鈍材）および試験材（冷間圧延材）の板厚中心部から平行部の幅２ｍｍ×厚さ２ｍｍ、もしくは幅２ｍｍ×厚さ１ｍｍの板状引張試験片を採取し、水溶液中での陰極チャージ下での低ひずみ速度引張試験により、耐水素脆化特性を評価した。溶液には常温の３％ＮａＣｌ＋３ｇ／Ｌチオシアン酸アンモニウム水溶液を用いて、飽和カロメル電極に対して−１．２（Ｖ）で陰極水素チャージを行いつつ引張試験を行った。ひずみ速度は３×１０−４（ｓ−１）とした。陰極チャージ下の破断伸びを測定し、これを大気中で測定した破断伸びで除して、相対破断伸び（％）を算出した。相対破断伸びが大きい材料ほど、耐水素脆化特性に優れる。本実施形態においては、相対破断伸びが５０％以上の試験材を耐水素脆化特性に優れると判断した。
試験材（焼鈍材）および試験材（冷間圧延材）の板厚中心部から平行部の幅２ｍｍ×厚さ２ｍｍ、もしくは幅２ｍｍ×厚さ１ｍｍの板状引張試験片を採取し、水溶液中での陰極チャージ下での低ひずみ速度引張試験により、耐水素脆化特性を評価した。溶液には常温の３％ＮａＣｌ＋３ｇ／Ｌチオシアン酸アンモニウム水溶液を用いて、飽和カロメル電極に対して−１．２（Ｖ）で陰極水素チャージを行いつつ引張試験を行った。ひずみ速度は３×１０−４（ｓ−１）とした。陰極チャージ下の破断伸びを測定し、これを大気中で測定した破断伸びで除して、相対破断伸び（％）を算出した。相対破断伸びが大きい材料ほど、耐水素脆化特性に優れる。本実施形態においては、相対破断伸びが５０％以上の試験材を耐水素脆化特性に優れると判断した。
＜機械的特性の測定＞
試験材（焼鈍材）および試験材（冷間圧延材）から試験部の厚さが１〜２ｍｍ、試験部の幅が６ｍｍの板状引張試験片を採取し、JIS Z 2241:2011に従って引張試験を行い、ＴＳ（引張強さ）を求めた。
試験材（焼鈍材）および試験材（冷間圧延材）から試験部の厚さが１〜２ｍｍ、試験部の幅が６ｍｍの板状引張試験片を採取し、JIS Z 2241:2011に従って引張試験を行い、ＴＳ（引張強さ）を求めた。
表２に、焼鈍条件（冷却条件）と、上記の試験結果を示す。
表２に示すように、本発明例１〜２７は、焼鈍材および冷間加工材のいずれにおいても、相対破断伸びは５０％以上であり、優れた耐水素脆化特性を有していた。一方、比較例２８および２９は、Ｆｎ１およびＦｎ２の値が低く、耐水素脆化特性に劣っていた。比較例３０および３１は、Ｆｎ１値は本発明で規定される範囲を満たしていたが、Ｓｉ，Ａｌの析出物が生成したために、Ｆｎ２の値が１．０未満であり、耐水素脆化特性に劣っていた。比較例３２は、Ｃ含有量が０．０１％を超えており、焼鈍時に未固溶の粗大炭化物（主として鉄炭化物）が残存しており、耐水素脆化特性に劣っていた。
本発明によれば、耐水素脆化特性に優れた低合金鋼が得られる。
Claims (2)
- 質量％で、
Ｃ：０．０１％以下、
Ｓｉ：０．０５〜１０．０％およびＡｌ：０．０１〜１０．０％の両方またはいずれか一方と、
Ｐ：０．０２５％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｏ：０．００５％以下、
Ｎ：０．００８％以下とを含有し、さらに、
Ｍｎ：０．１〜１．０％、
Ｂ：０．０００３〜０．００３％、
Ｃｒ：０．０１〜５．０％、
Ｍｏ：０．０１〜５．０％、
Ｖ：０．０１〜５．０％、
Ｗ：０．０１〜５．０％、
Ｎｂ：０．００１〜０．１％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１％、
Ｚｒ：０．００１〜０．２％、
Ｈｆ：０．００１〜０．２％、
Ｔａ：０．００１〜０．２％、
Ｃｕ：０．１〜３．０％、
Ｎｉ：０．１〜５．０％、
Ｃｏ：０．１〜３．０％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％および
ＲＥＭ：０．０００１〜０．５０％から選択される一種以上を含有し、
残部：Ｆｅおよび不純物である化学組成を有し、
下記（１）式から求められるＦｎ１が１．０〜１０．０であり、
下記（２）式から求められるＦｎ２が１．０〜１０．０である、
耐水素脆化特性に優れる低合金鋼。
Ｆｎ１ ＝ Ｓｉ＋Ａｌ （質量％）（１）
Ｆｎ２ ＝ Ｓｉ＋Ａｌ （固溶分の質量％）（２）
ただし、（１）式中の各元素記号は、低合金鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味し、（２）式中の各元素記号は、低合金鋼中に固溶状態で存在する各元素の含有量（質量％）を意味する。 - 析出物、介在物および金属間化合物の合計量が０．５質量％以下である、
請求項１に記載の低合金鋼。
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