JP7226656B1 - 高圧水素用鋼管、高圧水素用容器および前記鋼管の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]質量%で、
C:0.05~0.60%、
Si:0.001~2.0%、
Mn:0.01~5.0%、
P:0.030%以下、
S:0.010%以下、
N:0.010%以下、
Al:0.0001~1.00%、
O:0.010%以下、および
H:0.00010%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
残留オーステナイトの面積分率が3%以下(0%を含む)であり、アスペクト比が2.0以上かつ長さが10μm以上の介在物が15個/100mm2以下である金属組織を有する、高圧水素用鋼管。
[2]前記成分組成が、さらに、質量%で、
Mo:5.0%以下、
Cr:5.0%以下のうちから選ばれた1種または2種を含有する、[1]に記載の高圧水素用鋼管。
[3]前記成分組成が、さらに、質量%で、
Ni:5.0%以下、
Cu:5.0%以下、
Co:5.0%以下、
B:0.01%以下、
のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する、[1]または[2]に記載の高圧水素用鋼管。
[4]前記成分組成が、さらに、質量%で、
V:1.0%以下、
W:5.0%以下、
Nb:0.1%以下、
Ti:0.1%以下、
Zr:0.2%以下、
Hf:0.2%以下、
Ta:0.2%以下、
Sn:0.2%以下、
Sb:0.2%以下、
のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する、[1]~[3]のいずれかに記載の高圧水素用鋼管。
[5]前記成分組成が、さらに、質量%で、
Ca:0.01%以下、
Mg:0.01%以下、
REM:0.5%以下、
のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する、[1]~[4]のいずれかに記載の高圧水素用鋼管。
[6]前記[1]~[5]のいずれかに記載の高圧水素用鋼管を用いた高圧水素用容器。
[7]前記[1]~[5]のいずれかに記載の成分組成を有する鋼素材を、1.0m/min以下の鋳造速度で鋳造する鋳造工程と、
前記鋳造工程で鋳造した鋼素材を、1350℃以下の温度に加熱する加熱工程と、
前記加熱工程で加熱された鋼素材を、圧延終了温度:820℃以上の条件で圧延して鋼管を得る圧延工程と、
前記圧延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、かつ、350~50℃における平均冷却速度:3℃/s以下の条件で50℃以下に冷却する冷却工程と、
前記冷却工程で冷却された鋼管を、400℃以上A1点以下に昇温し焼き戻す焼戻し工程と、
を有する高圧水素用鋼管の製造方法。
本発明の高圧水素用鋼管を用いることで、安全性を確保しながら機能向上が可能な高圧水素用容器をより安価に提供することができる。
残留オーステナイトが3%以下
残留オーステナイトが鋼材の金属組織中に存在することにより、鋼中の水素量が増加し、水素脆化感受性を増大させる場合がある。さらに、使用中の応力負荷により残留オーステナイトがマルテンサイトに変態した変態誘起マルテンサイトは非常に硬質であるため、水素誘起割れが発生しやすく、変態誘起マルテンサイト部分から微小き裂が発生し、疲労き裂進展速度を加速させる場合がある。本発明においては、疲労き裂進展速度を低減させるために、金属組織中の残留オーステナイトを3%以下とする。金属組織中に残留オーステナイトが少ないほど疲労き裂進展速度は低下するため、残留オーステナイトは、2%以下とすることが好ましく、1%以下とすることがより好ましい。一方、金属組織中の残留オーステナイトの下限は0%である。
硬度の高い介在物は、母材と比較して変形しにくいため、局所的な弾性歪場が広がるとともに応力集中源となり、強烈な水素の集積源として機能する。局所応力集中の程度は介在物の形状に依存し、球形に近いものほど小さく、針状に近づくほど大きくなる。また、高い局所応力集中部に集積した水素により、介在物とバルクの界面からの転位の生成が助長され、水素誘起われのリスクが高まる。特に、疲労き裂進展速度が1.0×10-7m/回以下の領域では、1回の振幅荷重で進展して進むき裂の距離が、マルテンサイトラスと呼ばれる厚さ2.0×10-7m程度の薄い木片状を有するマルテンサイトの基本単位より十分小さい領域であり、進展速度に対して、疲労き裂の先端からの転位生成以外の要因に強く影響される。すなわち、介在物が疲労き裂進展速度に顕著に影響を及ぼす。
鋼材中に水素が存在する環境では、疲労き裂進展速度が比較的小さいΔK領域において、介在物の長手方向(長さ)を厚さ方向(厚さ)で除した値であるアスペクト比が2.0以上の介在物が水素誘起割れを誘発し、その長手方向の長さが10μm以上の介在物では局所応力集中の影響範囲が大きくなる。結果として、疲労き裂進展速度を加速させる。そのため、本発明においては、アスペクト比が2.0以上、かつ、長さが10μm以上の介在物の数密度を規定する。なお、介在物のアスペクト比および長さは、実施例に記載の方法により求める。
鋼材中に水素が存在する状態で疲労き裂進展速度を加速させる、アスペクト比が大きく、かつ、サイズの大きい介在物の数密度を低減させることで、疲労き裂進展速度の加速を抑制することができる。本発明においては、疲労き裂進展速度を低減させるために、アスペクト比が2.0以上、かつ、長さが10μm以上の介在物の数密度を15個/100mm2以下とする。上記介在物の数密度が小さいほど、疲労き裂進展速度は低減するため、上記介在物の数密度は、12個/100mm2以下とすることが好ましく、10個/100mm2以下とすることがより好ましく、8個/100mm2以下とすることがさらに好ましく、6個/100mm2以下とすることがもっとも好ましい。特に介在物の数密度の下限は限定されるものではないが、0.1個/100mm2以上であることが好ましい。なお、介在物の数密度は、実施例に記載の方法により求める。
本発明においては、さらに、高圧水素用鋼管(以下、単に「鋼管」ともいう)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、本発明において鋼管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は、強度を上昇させるために必要な元素である。所望の高強度(引張強さ800MPa以上)を得るために、C含有量を0.05%以上とする。C含有量は、好ましくは0.20%以上であり、より好ましくは0.25%以上であり、さらに好ましくは0.33%以上である。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。また、C含有量は、好ましくは0.45%以下であり、より好ましくは0.40%以下である。
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0.001%以上であれば前記効果が得られる。よって、Si含有量は0.001%以上とする。Si含有量は、好ましくは0.15%以上であり、より好ましくは0.2%以上であり、さらに好ましくは0.25%以上であり、もっとも好ましくは0.3%以上である。一方、Si含有量が2.0%を超えると効果が飽和し、さらに鋼管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2.0%以下とする。Si含有量は、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.5%以下であり、さらに好ましくは0.4%以下である。
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。前記効果を得るために、Mn含有量を0.01%以上とする。Mn含有量は、好ましくは0.4%以上であり、より好ましくは0.5%以上であり、さらに好ましくは0.6%以上である。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、オーステナイトが残留しやすくなる。よって、Mn含有量は5.0%以下とする。Mn含有量は、好ましくは1.5%以下であり、より好ましくは1.0%以下であり、さらに好ましくは0.9%以下であり、もっとも好ましくは0.8%以下である。
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、靭性を劣化させ、水素脆化感受性を高める元素でもある。P含有量が0.030%を超えると特性劣化が顕著となるため、P含有量は0.030%以下とする。P含有量は、好ましくは0.025%以下であり、より好ましくは0.015%以下であり、さらに好ましくは0.010%以下である。下限は特に規定しないが、P含有量を0.0001%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0.0001%以上が好ましい。
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、靭性を低下させ、水素脆化感受性を高める。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。より特性向上を望む場合は、S含有量は0.003%以下とすることが好ましい。下限は特に規定しないが、S含有量を0.00001%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0.00001%以上が好ましい。
なお、P含有量とS含有量の合計は、靭性の高位安定化のため、0.02%以下とすることが好ましい。
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0.005%以下とすることが好ましく、0.004%以下とすることがより好ましい。下限は特に規定しないが、靭性向上の観点からは、N含有量が少ないことが望ましい。過度の低減は製鋼上のコストを増大させるため、N含有量は0.00001%以上が好ましい。
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0.0001%以上とする。Al含有量は0.02%以上とすることが好ましく、0.03%以上とすることがより好ましく、0.04%以上とすることがさらに好ましい。一方、Al含有量が0.06%を超えると脱酸効果は飽和するが、Alの多量添加により、組織の整粒化が可能となり、材質が安定する。その効果は1.00%を超えると飽和するため、Al含有量は1.00%以下とする。Al含有量は、好ましくは0.50%以下であり、より好ましくは0.20%以下であり、さらに好ましくは0.10%以下である。
Oは、酸化物系介在物を生成する原因となるため少ないほど好ましい。この影響は、O含有量が0.010%以下であれば問題とならない。よって、O含有量は0.010%以下とする。O含有量は、好ましくは0.008%以下であり、より好ましくは0.007%以下であり、さらに好ましくは0.005%未満である。下限は特に規定しないが、0.0001%未満では生産能率の低下を招くため、O含有量は0.0001%以上が好ましい。
Hは、製造中の種々の工程で鋼材中に導入される場合があり、導入量が多いと凝固後の割れ発生リスクが高まるとともに、疲労き裂進展を加速させる場合がある。これらの影響は0.00010%以下であれば問題とならない。よって、H含有量は、0.00010%以下とする。H含有量は、好ましくは0.00008%以下、より好ましくは0.00005%未満である。下限は特に規定しないが、0.000001%未満では生産能率の低下を招くため、H含有量は0.000001%以上が好ましい。
Moは焼き入れ性を向上させる元素であり、鋼管の強度上昇に寄与する。さらに、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し、また、耐水素割れ感受性の低下に寄与する。下限は特に規定しないが、前記効果を得るために、Moを含有する場合には、Mo含有量は0.0001%以上が好ましい。Mo含有量は、より好ましくは0.1%以上であり、さらに好ましくは0.2%以上である。一方、Mo含有量が5.0%を超えると、効果が飽和し、コストアップの要因となる。そのため、Moを含有する場合、Mo含有量は5.0%以下とする。Mo含有量は、好ましくは2.0%以下であり、より好ましくは1.0%以下であり、さらに好ましくは0.5%以下であり、もっとも好ましくは0.3%以下である。
Crは、焼き入れ性を向上させる元素であり、鋼管の強度上昇に寄与する。さらに、旧オーステナイト粒の粗大化を抑制し、耐水素割れ感受性の低下に寄与する。また、Crは、旧オーステナイト粒の粗大化を抑制し、水素環境での種々の特性を向上させる。下限は特に規定しないが、前記効果を得るために、Crを含有する場合には、Cr含有量は0.0001%以上が好ましい。Cr含有量は、より好ましくは0.2%以上であり、さらに好ましくは0.5%以上である。一方、Cr含有量が5.0%を超えると効果が飽和し、コストアップの要因となる。そのため、Crを含有する場合、Cr含有量は5.0%以下とする。Cr含有量は、好ましくは2.5%以下であり、より好ましくは1.5%以下であり、さらに好ましくは1.0%以下であり、もっとも好ましくは0.9%以下である。
Ni、Cu、Coは、焼き入れ性を向上させる元素であり、鋼管の強度上昇に寄与するとともに、旧オーステナイト粒の粗大化を抑制し、素材の各種特性を向上させる。下限は特に規定しないが、前記効果を得るためにこれらの元素を含有する場合には、Ni、Cu、Coの含有量はそれぞれ0.0001%以上が好ましい。Ni、Cu、Coの含有量は、より好ましくはそれぞれ0.5%以上である。一方、Ni、Cu、Co含有量がそれぞれ5.0%を超えると効果が飽和し、コストアップの要因となる。そのため、Ni、Cu、Coを含有する場合、Ni、Cu、Coの含有量はそれぞれ5.0%以下とする。コスト抑制のためには、Ni、Cu、Coの含有量は、それぞれ2.0%以下とすることが好ましい。
Bは、焼き入れ性を向上させる元素であり、鋼管の強度上昇に寄与するとともに、旧オーステナイト粒の粗大化を抑制し、素材の各種特性を向上させる。下限は特に規定しないが、前記効果を得るために、Bを含有する場合には、B含有量は0.0001%以上が好ましい。B含有量は、より好ましくは0.001%以上である。一方、B含有量が0.01%を超えると効果が飽和し、コストアップの要因となる。そのため、Bを含有する場合、B含有量は0.01%以下とする。コスト抑制のためには、B含有量は0.008%以下とすることが好ましく、0.005%以下とすることがより好ましい。
Vは、鋼管の強度上昇に寄与する。下限は特に規定しないが、前記効果を得るために、Vを含有する場合には、V含有量は0.0001%以上が好ましい。V含有量は、より好ましくは0.001%以上である。一方、V含有量が1.0%を超えると効果が飽和し、コストアップの要因となる。そのため、Vを含有する場合、V含有量は1.0%以下とする。コスト抑制のためには、V含有量は0.5%以下とすることが好ましい。
Wは、鋼管の強度上昇に寄与する。下限は特に規定しないが、前記効果を得るために、Wを含有する場合には、W含有量は0.0001%以上が好ましい。W含有量は、より好ましくは0.001%以上である。一方、W含有量が5.0%を超えると効果が飽和し、コストアップの要因となる。そのため、Wを含有する場合、W含有量は5.0%以下とする。コスト抑制のためには、W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く、0.4%以下とすることがさらに好ましい。
Nb、Tiは、鋼管の強度上昇に寄与する。下限は特に規定しないが、前記効果を得るために、これらの元素を含有する場合には、Nb、Tiの含有量はそれぞれ0.0001%以上が好ましい。Nb、Tiの含有量は、より好ましくはそれぞれ0.001%以上である。一方、Nb、Tiの含有量が0.1%を超えると効果が飽和し、コストアップの要因となる。そのため、Nb、Tiを含有する場合、Nb、Tiの含有量をそれぞれ0.1%以下とする。コスト抑制のためには、Nb、Tiの含有量は、それぞれ0.09%以下とすることが好ましく、0.07%以下とすることがより好ましく、0.05%以下とすることがさらに好ましい。
Zr、Hf、Taは、鋼管の強度上昇に寄与する。下限は特に規定しないが、前記効果を得るために、Zr、Hf、Taを含有する場合には、Zr、Hf、Taの含有量はそれぞれ0.0001%以上が好ましい。より好ましくは、Zr、Hf、Taの含有量は、それぞれ0.001%以上である。一方、Zr、Hf、Taの含有量がそれぞれ0.2%を超えると効果が飽和し、コストアップの要因となる。そのため、Zr、Hf、Taを含有する場合、Zr、Hf、Taの含有量はそれぞれ0.2%以下とする。コスト抑制のためには、Zr、Hf、Taの含有量は、それぞれ0.01%以下とすることが好ましい。
Sn、Sbは、鋼管の圧延加工性を低減させる。原料としてスクラップを用いた場合に含有しうる元素であり、下限は特に規定しないが、鋼管の圧延加工性の低減を抑制するために、Sn、Sbが含まれる場合には、Sn、Sbの含有量はそれぞれ0.2%以下とする。Sn、Sbの含有量は、それぞれ好ましくは0.1%以下であり、より好ましくは0.05%以下である。一方、Sn、Sbの含有量は、少ないほど好ましく、0%であってよいが、コストアップの要因となる。そのため、Sn、Sbを含有する場合、Sn、Sbの含有量はそれぞれ0.001%以上とすることが好ましい。コスト抑制のためには、Sn、Sbの含有量は、それぞれ0.002%以上とすることがより好ましい。
Ca、Mgは、介在物状態改善に寄与する。下限は特に規定しないが、前記効果を得るために、Ca、Mgを含有する場合には、Ca、Mgの含有量はそれぞれ0.0001%以上が好ましい。より好ましくは、Ca、Mgの含有量は、それぞれ0.001%以上である。一方、Ca、Mgの含有量がそれぞれ0.01%を超えると効果が飽和し、コストアップの要因となる。そのため、Ca、Mgを含有する場合、Ca、Mgの含有量は、それぞれ0.01%以下とする。コスト抑制のためには、Ca、Mg含有量はそれぞれ0.005%以下とすることが好ましい。
REM(Rare Earth Metals:希土類金属)は、介在物状態改善に寄与する。下限は特に規定しないが、前記効果を得るために、REMを含有する場合には、REM含有量は0.0001%以上が好ましい。REM含有量は、より好ましくは0.001%以上である。一方、REMの含有量が0.5%を超えると効果が飽和し、コストアップの要因となる。そのため、REMを含有する場合、REM含有量は0.5%以下とする。コスト抑制のためには、REM含有量は0.1%以下とすることが好ましい。なお、REMは、Sc、Yと、原子番号57のランタン(La)から原子番号71のルテチウム(Lu)までの15元素の総称であり、ここでいうREM含有量は、これらの元素の合計含有量である。
次に、本発明の鋼管の製造方法について説明する。以下の説明においては、前記鋼管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。ただし、継目無鋼管の場合と同様の熱履歴となるように処理を行うことにより、電縫管やUOE鋼管を製造可能であることはいうまでもない。例えば、電縫管の場合には、下記の鋳造工程、加熱工程の後、最終仕上げ圧延温度:820℃以上の条件で板材を圧延し、下記の冷却工程、焼戻し工程を行った後に溶接を行って電縫管を製造することで同様の特性を得ることができる。
(1)鋼素材を成分調整後、鋳造する鋳造工程
(2)鋳造工程で鋳造した鋳造材(鋼素材)を加熱する加熱工程
(3)加熱工程で加熱された鋳造材を圧延して鋼管を得る圧延工程
(4)圧延工程で得られた鋼管を冷却する冷却工程、および
(5)冷却工程で冷却された鋼管を焼戻しする焼戻し工程。
以下、各工程について説明する。なお、以下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。
1.0m/min以下の鋳造速度で鋳造
鋳造速度が遅いほど、鋼中の水素濃度および介在物を低減でき、その効果は鋳造速度が1.0m/min以下で顕著となる。そのため、鋳造速度は1.0m/min以下とする。鋳造速度が遅いほど多くの介在物を低減できるため、鋳造速度は、0.5m/min以下であることが好ましく、0.1m/min以下であることがより好ましい。一方、下限は特に限定されるものではないが、生産性の観点から0.01m/min以上であることが好ましい。
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。また、連続鋳造時に形成される鋳造方向に垂直な断面の中心に形成される巣状の欠陥を除去することに加え、水素を脱離させるための熱処理工程が追加されるため、長方形の鋳造材を熱間鍛造して丸形に成形したビレットを使用することも有効である。
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が過大となり、諸特性が劣化するため、加熱温度は1350℃以下とする。加熱温度は、好ましくは1300℃以下とする。一方、加熱温度が低すぎると仕上げ圧延温度が低下し、圧延困難となる。そのため、加熱温度を950℃以上とすることが好ましい。加熱時間(前記加熱温度での保持時間)は特に規定しないが、加熱時間が長すぎると生産性が低下するため、180分以下が好ましく、120分以下がより好ましい。
次に、圧延工程では、上記加熱工程で加熱された鋼素材を圧延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。
圧延終了温度が820℃未満であると、圧延荷重が過大となり、圧延トラブル発生リスクが高まる。そのため、圧延終了温度は820℃以上とする。圧延終了温度は850℃以上とすることがより好ましい。一方、圧延終了温度の上限は特に限定されないが、圧延終了温度が高すぎると金属組織が不均一となりやすいため、圧延終了温度を1200℃以下とすることが好ましい。
800~350℃における平均冷却速度:5℃/s以上、かつ、350~50℃における平均冷却速度:3℃/s以下の条件で50℃以下に冷却
800~350℃での冷却速度を早くすることで、疲労き裂進展速度の低減に有効な均一微細炭化物組織を得ることができる。よって、800~350℃における平均冷却速度は5℃/s以上とする。800~350℃における平均冷却速度は6℃/s以上が好ましく、8℃/s以上がより好ましく、10℃/s以上がさらに好ましい。上限は特に限定されるものではないが、冷媒のコストの点から800~350℃における平均冷却速度は15℃/s以下が好ましい。さらに、350~50℃における平均冷却速度を3℃/s以下で50℃以下まで冷却することで鋼中の水素量を低減することができる。よって、350~50℃における平均冷却速度は3℃/s以下とする。350~50℃における平均冷却速度は2.8℃/s以下が好ましく、より2.5℃/s以下が好ましい。下限は特に限定されるものではないが、生産性の点から350~50℃における平均冷却速度は0.5℃/s以上が好ましい。
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。800~350℃における冷却は水冷もしくは油冷、350~50℃おける冷却は空冷が好ましい。
400℃以上A1点以下に昇温
上記冷却工程後、焼戻し工程では、400℃以上A1点以下に昇温する。焼戻し温度を400℃以上とすることで、残留オーステナイト分率の低減および鋼中の水素量を低減することができる。一方、A1点を超える温度まで昇温すると、残留オーステナイトおよび鋼中の水素量が増加する可能性がある。なお、鋼材のサイズや形状にもよるが、焼戻し工程では、500℃以上に昇温することが好ましい。また、(A1点-30)℃以下に昇温することが好ましい。焼戻し時間(焼戻し温度での保持時間)は、特に規定しないが、長いほど、鋼材中の残留オーステナイト分率および水素量が低減するため、60分以上が好ましく、90分以上がより好ましい。
なお、本発明では、A1点(℃)を下記式により算出する。
A1点(℃)=751-16.3[%C]×34.9[%Si]-27.5[%Mn]
ただし、上記式中の[%C]、[%Si]、[%Mn]は、それぞれC、Si、Mnの含有量(質量%)である。
介在物の調査は、焼戻し後の鋼管の肉厚中心部から、長さ方向に20mm、幅方向に5mmおよび肉厚方向に15mmの寸法の介在物測定用の試験片を採取して行う。鋼管の圧延方向に対して長手方向と肉厚方向からなる面(いわゆる、「L断面」)が観察面になるように樹脂埋めし、鏡面研磨した後、光学顕微鏡観察して10mm×10mmの面積(100mm2)におけるアスペクト比2.0以上、かつ、長さ10μm以上の介在物の数密度を評価する。なお、介在物測定用試験片は各試験番号について10個ずつ採取し、この10個の試験片を用いて上記のようにして計測したアスペクト比2.0以上、かつ、長さ10μm以上の介在物の合計個数を算術平均して、その試験番号の介在物個数(介在物数密度)とした。なお、介在物のアスペクト比および長さは、JIS G0555:2020(鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方法)の規格に準拠して求めた値である。
得られた鋼管のそれぞれから、該鋼管の長手方向中央部、肉厚1/4位置が観察位置となるように試験片を採取した。前記試験片の断面を、3%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)を用いて観察した。得られた画像を解析して組織の種類、および各組織の面積分率を評価した。残留オーステナイトの面積分率は、前記試験片の断面を化学研磨し、X線回折にて求めた。入射X線にはCo-Kα線源を用い、フェライトの(200)、(211)、(220)面とオーステナイトの(200)、(220)、(311)面の強度比から残留オーステナイトの面積分率を算出した。
水素量は、焼戻し後の鋼管における肉厚中心から直径15mm×長さ15mmの丸棒を採取し、昇温脱離分析により計測する。ここでの水素量は、水素放出量(1分あたりに検出される水素量)が検出され始めた時点(室温付近)から、分析が進み温度が上がり水素放出量が最初に検出下限未満になるまでの時間積分量と定義する。一方で、水素は残留オーステナイト中に強くトラップされることなどにより、鋼種によっては水素放出量が検出下限に至らない場合もあり、その場合は検出開始温度から400℃までの範囲の積分量とする。また、測定開始温度を-100℃とし、分析の効率を上げるために、分析における昇温速度は200℃/hとした。さらに、丸棒を3本取得し、その平均値を鋼中の水素量(表1中の水素含有量)とした。
得られた鋼管の肉厚1/4位置(鋼管の外面側から1/4板厚位置)から、JIS Z 2201に準じて直径7mmの丸棒試験片を採取し、JIS Z 2241に示される金属材料引張試験方法に準拠して引張強さを測定した。
疲労き裂進展速度は、93MPaの高圧水素ガス中で測定した。鋼管の内面側から厚さ10mmのCT試験片を採取し、前記試験片を用いて、ΔK=15MPa・m1/2から8MPa・m1/2までΔKを漸減させて疲労き裂進展速度を測定し、ΔK=10MPa・m1/2での値を記載した。なお、疲労き裂進展において付与する応力振幅の周波数を1Hzとした。なお、疲労き裂進展速度は、継目無鋼管では上記のとおり鋼管の内面側から厚さ10mmのCT試験片を採取して測定し、電縫管やUOE鋼管等の鋼管(厚板、薄板から製造される鋼管)では鋼管の肉厚1/2位置を中心位置として厚さ10mmのCT試験片を採取して測定する。
Claims (7)
- 質量%で、
C:0.05~0.60%、
Si:0.001~2.0%、
Mn:0.01~5.0%、
P:0.030%以下、
S:0.010%以下、
N:0.010%以下、
Al:0.0001~1.00%、
O:0.010%以下、および
H:0.00010%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
残留オーステナイトの面積分率が3%以下(0%を含む)であり、アスペクト比が2.0以上かつ長さが10μm以上の介在物が15個/100mm2以下である金属組織を有する、高圧水素用鋼管。 - 前記成分組成が、さらに、質量%で、
Mo:5.0%以下、
Cr:5.0%以下のうちから選ばれた1種または2種を含有する、請求項1に記載の高圧水素用鋼管。 - 前記成分組成が、さらに、質量%で、
Ni:5.0%以下、
Cu:5.0%以下、
Co:5.0%以下、
B:0.01%以下、
のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する、請求項1または2に記載の高圧水素用鋼管。 - 前記成分組成が、さらに、質量%で、
V:1.0%以下、
W:5.0%以下、
Nb:0.1%以下、
Ti:0.1%以下、
Zr:0.2%以下、
Hf:0.2%以下、
Ta:0.2%以下、
Sn:0.2%以下、
Sb:0.2%以下、
のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する、請求項1~3のいずれかに記載の高圧水素用鋼管。 - 前記成分組成が、さらに、質量%で、
Ca:0.01%以下、
Mg:0.01%以下、
REM:0.5%以下、
のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する、請求項1~4のいずれかに記載の高圧水素用鋼管。 - 請求項1~5のいずれかに記載の高圧水素用鋼管を用いた高圧水素用容器。
- 請求項1~5のいずれかに記載の高圧水素用鋼管の製造方法であって、
請求項1~5のいずれかに記載の成分組成を有する鋼素材を、1.0m/min以下の鋳造速度で鋳造する鋳造工程と、
前記鋳造工程で鋳造した鋼素材を、1350℃以下の温度に加熱する加熱工程と、
前記加熱工程で加熱された鋼素材を、圧延終了温度:820℃以上の条件で圧延して鋼管を得る圧延工程と、
前記圧延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、かつ、350~50℃における平均冷却速度:3℃/s以下の条件で50℃以下に冷却する冷却工程と、
前記冷却工程で冷却された鋼管を、400℃以上A1点以下に昇温し焼き戻す焼戻し工程と、
を有する高圧水素用鋼管の製造方法。
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