JPWO2009107475A1 - Austenitic stainless steel and its hydrogen removal method - Google Patents

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敬宜 村上
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三郎 松岡
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洋二 峯
俊彦 金▲崎▼
俊彦 金▲崎▼
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Abstract

オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆性の原因となる拡散性水素、及び非拡散性水素に着目して、これを除去したオーステナイト系ステンレス鋼、及びその水素除去方法を提供する。本オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆性の原因となる拡散性水素、及び非拡散性水素を除去するために、オーステナイト系ステンレス鋼を大気雰囲気で保持しながら、200℃以上1100℃以下の加熱温度で加熱して時効処理を行う。よって、オーステナイト系ステンレス鋼に含有される水素(H)を0.001質量%(1質量ppm)以下に除去する。Focusing on diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen which cause hydrogen embrittlement of austenitic stainless steel, an austenitic stainless steel from which this has been removed, and a method for removing the hydrogen are provided. In order to remove diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen that cause hydrogen embrittlement of the austenitic stainless steel, the austenitic stainless steel is heated at a heating temperature of 200 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower while being held in an air atmosphere. And perform aging treatment. Therefore, hydrogen (H) contained in the austenitic stainless steel is removed to 0.001 mass% (1 mass ppm) or less.

Description

本発明は、水素脆性を低減したオーステナイト系ステンレス鋼、及びその水素除去方法に関する。特に、オーステナイト系ステンレス鋼内に存在する水素が、オーステナイト系ステンレス鋼内に発生した疲労き裂の進展に及ぼす影響を低減したオーステナイト系ステンレス鋼、及びその水素除去方法に関する。   The present invention relates to an austenitic stainless steel with reduced hydrogen embrittlement and a method for removing the hydrogen. In particular, the present invention relates to an austenitic stainless steel in which the effect of hydrogen present in the austenitic stainless steel on the progress of fatigue cracks generated in the austenitic stainless steel is reduced, and a method for removing the hydrogen.

地球環境問題の面から次世代エネルギーとしての水素の利用が注目されており、そのための研究開発が活発に行われている。特に、水素を燃料とした燃料電池車輌、定置用燃料電池の開発等その実用化が重要課題として注目されている。この燃料電池システムにおける高圧水素タンクや各種部品、配管等の材料としてステンレス鋼の使用が検討されている(例えば、特許文献1を参照。)。   The use of hydrogen as the next-generation energy is attracting attention from the viewpoint of global environmental problems, and research and development for that purpose is being actively conducted. In particular, the development of a fuel cell vehicle using hydrogen as a fuel and the development of a stationary fuel cell are attracting attention as important issues. The use of stainless steel as a material for high-pressure hydrogen tanks, various parts, piping, and the like in this fuel cell system has been studied (see, for example, Patent Document 1).

表1に代表的なオーステナイト系ステンレス鋼の成分を例示している。この表1の第1列は、日本工業規格(以下、略してJIS(Japan Industrial Standard)規格という。)によって定められたステンレス鋼及び耐熱鋼の名称である。表1の最後の一覧は、ステンレス鋼のビッカース硬さ(以下、HV(Vickers hardness)という。)を示している。その他の欄は、ステンレス鋼に含有される化学成分であり、成分の単位は、質量%で表されている。水素(H)の場合は、その含有量が質量ppmで表されている。

Figure 2009107475
Table 1 illustrates typical austenitic stainless steel components. The first column of Table 1 is the names of stainless steel and heat-resistant steel defined by Japanese Industrial Standard (hereinafter referred to as JIS (Japan Industrial Standard) standard). The last list in Table 1 shows the Vickers hardness of stainless steel (hereinafter referred to as HV (Vickers hardness)). The other columns are chemical components contained in the stainless steel, and the unit of the component is expressed by mass%. In the case of hydrogen (H), the content is expressed in mass ppm.
Figure 2009107475

水素は、金属材料中に侵入し、材料の静的強度や疲労強度を低下させることが知られている(例えば、非特許文献1、2)。この水素を除去する方法、水素の影響を予測する方法は、いろいろ提案されている。例えば、特許文献2には、オーステナイト系ステンレス鋼をめっき処理後270〜400℃の温度で10分間以上保持して加熱処理し、水素脆性の防止のための水素除去を行っている。特許文献3には、オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆化の程度を化学成分で予測し判定する方法を開示している。   It is known that hydrogen penetrates into a metal material and reduces the static strength and fatigue strength of the material (for example, Non-Patent Documents 1 and 2). Various methods for removing this hydrogen and predicting the influence of hydrogen have been proposed. For example, in Patent Document 2, austenitic stainless steel is subjected to heat treatment after being plated at a temperature of 270 to 400 ° C. for 10 minutes or more to remove hydrogen to prevent hydrogen embrittlement. Patent Document 3 discloses a method for predicting and determining the degree of hydrogen embrittlement of austenitic stainless steel by chemical components.

また、特許文献4、5には、脱水素処理したオーステナイト系ステンレス鋼線を開示している。特許文献4においては、脱水素処理(300℃で24時間)により水素を1.5ppm以下にした高強度のオーステナイト系ステンレス鋼線を開示している(特許文献4の表2及び段落[0015]、[0016]を参照。)。このステンレス線は、1900N/mm以上約2200N/mmまでの引張強さで引っ張り試験しても、伸線縦割れが観察されておらず、伸線後の加工誘起マルテンサイト量が30〜75%である。Patent Documents 4 and 5 disclose dehydrogenated austenitic stainless steel wires. Patent Document 4 discloses a high-strength austenitic stainless steel wire in which hydrogen is reduced to 1.5 ppm or less by dehydrogenation treatment (at 300 ° C. for 24 hours) (Table 2 of Patent Document 4 and paragraph [0015]). , [0016].) Even when this stainless steel wire was subjected to a tensile test at a tensile strength of 1900 N / mm 2 or more and up to about 2200 N / mm 2 , no longitudinal wire cracking was observed, and the amount of work-induced martensite after wire drawing was 30 to 30 75%.

特許文献5においては、脱水素処理(400℃で30分間の低温時効)により水素を1.5ppmまでに低減高強度のオーステナイト系ステンレス鋼線を開示している(特許文献5の表2及び段落[0042]を参照。)。このステンレス線は、2000N/mm以上2800N/mmまでの引張強さで引っ張り試験しても、破壊しておらず、伸線後の加工誘起マルテンサイト量が25〜70%である。しかしながら、特許文献4、5の発明は、オーステナイト系ステンレス鋼線の発明であり、更に、後述するように、繰返し速度が遅い疲労試験についての記述がない。Patent Document 5 discloses a high-strength austenitic stainless steel wire in which hydrogen is reduced to 1.5 ppm by dehydrogenation treatment (low temperature aging at 400 ° C. for 30 minutes) (Table 2 and paragraph of Patent Document 5). [0042].) The stainless steel wire, even if a tensile test at a tensile strength of up to 2000N / mm 2 or more 2800N / mm 2, not to destroy, deformation-induced martensite amount after drawing is 25 to 70%. However, the inventions of Patent Documents 4 and 5 are inventions of austenitic stainless steel wires, and there is no description of fatigue tests with a slow repetition rate as will be described later.

非特許文献1には、SUS304、SUS316、SUS316L準拠のオーステナイト系ステンレス鋼の疲労試験結果が発表されている。この疲労試験は、これらのオーステナイト系ステンレス鋼を、水素でチャージしたそれぞれのオーステナイト系ステンレス鋼と比較して行われたものである。水素チャージしたSUS304及びSUS316の疲労き裂進展速度は、未チャージの場合と比べて速くなっている。SUS316Lの場合は、明確な差がない。   Non-Patent Document 1 discloses the fatigue test results of austenitic stainless steel compliant with SUS304, SUS316, and SUS316L. This fatigue test was conducted by comparing these austenitic stainless steels with the respective austenitic stainless steels charged with hydrogen. The fatigue crack growth rate of hydrogen-charged SUS304 and SUS316 is faster than that in the case of no charge. In the case of SUS316L, there is no clear difference.

更に、試験片に予ひずみを与えた後に、100μm程度の微小な穴を形成したJIS規格のSUS304、SUS316Lオーステナイト系ステンレス鋼の疲労試験結果を発表している。水素チャージしたSUS304は、未チャージの場合と比べ、疲労き裂進展速度が10倍加速している。SUS316Lの場合は、疲労き裂進展速度が2倍加速している。   Furthermore, after pre-straining the test piece, the fatigue test results of JIS standard SUS304 and SUS316L austenitic stainless steel in which minute holes of about 100 μm are formed are announced. In SUS304 charged with hydrogen, the fatigue crack growth rate is accelerated 10 times as compared with the case of uncharged. In the case of SUS316L, the fatigue crack growth rate is accelerated twice.

しかしながら、準安定なオーステナイト系ステンレス鋼でも、冷間加工や繰返し応力により加工誘起マルテンサイト変態する可能性がある。JIS規格のSUS316L等のようなオーステナイト系ステンレス鋼に関して、疲労き裂進展速度に水素の影響が殆ど無いという認識が研究者の団体である学会内部をはじめ、産業界の間の当業者では一般的な常識であった。この常識を覆す結果を示したことで、5Hz以下の低周波数による繰返し荷重を加えて上記の結果を得ており、非常に意義がある。   However, even a metastable austenitic stainless steel may undergo work-induced martensitic transformation due to cold working or cyclic stress. Austenitic stainless steels such as JIS SUS316L, etc. are generally recognized by those skilled in the industry, including the inside of academic societies, which is a group of researchers, and that the fatigue crack growth rate has almost no influence of hydrogen. It was a common sense. By showing the result of overturning this common sense, the above result was obtained by applying a repetitive load at a low frequency of 5 Hz or less, which is very significant.

言い換えれば、SUS316L等のオーステナイト系ステンレス鋼は、低周波数の繰返し荷重によって疲労き裂の進展速度が加速されることが確認された。一方、非特許文献2には、「(3)オーステナイト系ステンレス鋼において変態により生じたマルテンサイト相は、材料中を拡散する水素の通り道となり、水素の拡散係数を上昇させる。(130頁を参照)」と指摘している。
特開2004−339569号公報 特開平10−199380号公報 特開2005−9955号公報 特開平10−121208号公報 特開2005−298932号公報 金崎俊彦、楢崎千尋、峯洋二、松岡三郎、村上敬宜「予ひずみを与えたオーステナイト系ステンレス鋼の疲労き裂進展に及ぼす水素の影響」日本機械学科〔No.05−9〕M&M2005材料力学シンポジウム講演論文集(’05.11.4−6,福岡市)、P86、P595−596 金崎俊彦、楢崎千尋、峯洋二、松岡三郎、村上敬宜「ステンレス鋼の疲労き裂進展特性に及ぼす水素の影響とマルテンサイト変態」日本機械学会論文集(A編)72巻723号(2006−11)、P123−130(原稿受け付け2006年5月1日)
In other words, in austenitic stainless steel such as SUS316L, it was confirmed that the fatigue crack growth rate was accelerated by a low frequency cyclic load. On the other hand, Non-Patent Document 2 states that “(3) The martensite phase generated by transformation in austenitic stainless steel becomes a passage for hydrogen diffusing in the material and increases the diffusion coefficient of hydrogen (see page 130). ) ”.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-339569 Japanese Patent Laid-Open No. 10-199380 JP-A-2005-9955 JP-A-10-121208 JP 2005-298932 A Toshihiko Kanazaki, Chihiro Amagasaki, Yoji Tsuji, Saburo Matsuoka, Takayoshi Murakami “Effect of Hydrogen on Fatigue Crack Propagation in Prestrained Austenitic Stainless Steel” Department of Mechanical Engineering, Japan 05-9] Proceedings of M & M 2005 Materials Mechanics Symposium ('05 .11.4-6, Fukuoka City), P86, P595-596 Toshihiko Kanazaki, Chihiro Amagasaki, Yoji Tsuji, Saburo Matsuoka, Takayoshi Murakami “The Effect of Hydrogen on the Fatigue Crack Growth Properties of Stainless Steel and the Martensitic Transformation” The Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 72, No. 723 (2006-2006) 11), P123-130 (original reception May 1, 2006)

しかしながら、オーステナイト系ステンレス鋼において、外部からチャージされた拡散性水素、及び結晶内に内在する非拡散性水素がどのように上記の疲労き裂の進展速度に関係しているかが十分に解析されていないのが現状である。更に、材料中のマルテンサイト変態量の変化、水素拡散速度の加速の効果、及び疲労き裂進展速度に拡散性水素と非拡散性水素がどのように影響を与えるのかその関係が十分に解明されていない。   However, in austenitic stainless steel, it has been fully analyzed how diffusible hydrogen charged from the outside and non-diffusible hydrogen inherent in the crystal are related to the above-mentioned fatigue crack growth rate. There is no current situation. Furthermore, the relationship between the amount of martensite transformation in the material, the effect of acceleration of the hydrogen diffusion rate, and how diffusible and non-diffusible hydrogen affect the fatigue crack growth rate is fully elucidated. Not.

更に、ステンレス鋼を水素燃料利用関連の機器、装置に使用すると、その使用環境によって様々な環境の影響を受ける。例えば、燃料電池車輌用の高圧水素容器や配管等にステンレス鋼を使用した場合、その高圧水素容器への水素ガスの充填、その消費等により、荷重と解放が比較的遅いサイクルで繰り返される。ところが、過去の疲労試験は、この遅いサイクルは想定されていない。即ち、繰返し速度が速い疲労試験により、このように1サイクルの時間が長い荷重による疲労試験は代替されると考えられていた。   Furthermore, when stainless steel is used in equipment and devices related to the use of hydrogen fuel, it is affected by various environments depending on the use environment. For example, when stainless steel is used for a high-pressure hydrogen container or piping for a fuel cell vehicle, loading and releasing are repeated in a relatively slow cycle due to filling and consumption of hydrogen gas in the high-pressure hydrogen container. However, this slow cycle is not assumed in past fatigue tests. That is, it was considered that the fatigue test with a load having a long cycle time could be replaced by a fatigue test with a high repetition rate.

また外気温による温度変化等による低周波数の繰返し荷重が発生する。例えば、外気温変化による繰返し荷重は、昼夜の温度差によるステンレス鋼自身の圧縮と伸張、ステンレス鋼部品と連結された部品の圧縮と伸張による熱応力が考えられる。その周波数は、例えば、昼と夜の温度差は数度から10℃以上になり、1日である24時間で1周期になる。燃料電池車輌関連の設備で、高圧水素タンク、燃料電池用の燃料供給用の設備等が上記のような1日単位の周期を持つこと、及び水素充填時間が長いことになる。その他に、燃料電池車輌が走行する環境に依存して数℃から数十℃の温度差と、サブ秒〜数時間単位の周期がある。   Also, low frequency repetitive loads are generated due to temperature changes caused by the outside air temperature. For example, the cyclic load due to changes in the outside air temperature may be due to compression and expansion of the stainless steel itself due to temperature difference between day and night, and thermal stress due to compression and expansion of the parts connected to the stainless steel parts. As for the frequency, for example, the temperature difference between day and night is from several degrees to 10 ° C. or more, and becomes one cycle in 24 hours, which is one day. In the fuel cell vehicle-related equipment, the high-pressure hydrogen tank, the fuel supply equipment for the fuel cell, etc. have a period of one day as described above, and the hydrogen filling time is long. In addition, there are a temperature difference of several degrees Celsius to several tens of degrees Celsius and a period of subseconds to several hours depending on the environment in which the fuel cell vehicle runs.

本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、オーステナイト系ステンレス鋼の疲労き裂の進展速度に及ぼす水素の影響を低減するためのオーステナイト系ステンレス鋼、及びその水素除去方法を提供する。
本発明の他の目的は、オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆性の原因となる拡散性水素及び非拡散性水素に着目して、両者を除去したオーステナイト系ステンレス鋼、及びその水素除去方法を提供することにある。
The present invention has been made based on the technical background as described above, and achieves the following objects.
An object of the present invention is to provide an austenitic stainless steel for reducing the influence of hydrogen on the fatigue crack growth rate of austenitic stainless steel, and a method for removing the hydrogen.
Another object of the present invention is to provide an austenitic stainless steel from which both are removed by focusing on diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen that cause hydrogen embrittlement of austenitic stainless steel, and a method for removing the hydrogen. It is in.

本発明の更に他の目的は、オーステナイト系ステンレス鋼に存在し、1サイクルの時間が長い繰返し荷重で問題となる拡散性水素、及び非拡散性水素に着目して、これを除去したオーステナイト系ステンレス鋼、及びその水素除去方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、オーステナイト系ステンレス鋼の製造工程で、オーステナイト系ステンレス鋼に存在する拡散性水素、及び非拡散性水素を除去するオーステナイト系ステンレス鋼、及びその水素除去方法を提供することにある。
Still another object of the present invention is austenitic stainless steel, which is present in austenitic stainless steel and has been removed by paying attention to diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen which are problematic in repeated loads with a long cycle time. It is to provide steel and a method for removing hydrogen.
Still another object of the present invention is to provide an austenitic stainless steel for removing diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen present in the austenitic stainless steel in a manufacturing process of austenitic stainless steel, and a method for removing the hydrogen. There is.

本発明の更に他の目的は、オーステナイト系ステンレス鋼の製造工程で、特に、大気中での熱処理環境において、オーステナイト系ステンレス鋼に存在する拡散性水素、及び非拡散性水素を除去するオーステナイト系ステンレス鋼、及びその水素除去方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、低周波数の繰返し荷重のとき、疲労き裂の進展速度を抑制できるオーステナイト系ステンレス鋼、及びその水素除去方法を提供することにある。
Still another object of the present invention is a process for producing austenitic stainless steel, particularly austenitic stainless steel for removing diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen present in austenitic stainless steel in a heat treatment environment in the atmosphere. It is to provide steel and a method for removing hydrogen.
Still another object of the present invention is to provide an austenitic stainless steel capable of suppressing the growth rate of fatigue cracks at a low frequency cyclic load, and a method for removing hydrogen therefrom.

[技術用語の定義]
本発明は、次の技術用語を次に定義された意味で使用する。「水素チャージ」とは、材料中に水素を侵入させることを意味する。水素チャージの方法としては、材料を高圧水素チャンバーに暴露する方法、陰極チャージを施す方法、及び化学溶液等に浸漬させる方法を用いる。「疲労き裂進展」とは、材料中に製造過程で発生した欠陥やき裂、又は材料に人工的に導入した穴、貫通孔等から繰返し荷重を受けてき裂が大きくなっていくことを意味する。
[Definition of technical terms]
The present invention uses the following technical terms in the meanings defined below. “Hydrogen charge” means that hydrogen enters the material. As a method of hydrogen charging, a method of exposing a material to a high-pressure hydrogen chamber, a method of applying a cathodic charge, and a method of immersing in a chemical solution or the like are used. "Fatigue crack growth" means that the crack grows due to repeated loads from defects or cracks that occur in the material during the manufacturing process, or holes or through holes that are artificially introduced into the material. .

疲労き裂進展速度は、疲労き裂進展の速さを意味する。オーステナイト系ステンレス鋼とは、Cr−Ni系の鉄鋼材料をいい、FeにCrとNiを加え、腐食性環境等に対する耐食性を増大させたオーステナイト相を有するステンレス鋼である。このステンレス鋼の例示を表1に示している。オーステナイト相とは、純度100%の鉄(Fe)において、911〜1392℃の温度領域にある鉄の相であり、面心立方格子構造(以下、FCC(Face Centered Cubic Lattice)構造という。)を有する。   The fatigue crack growth rate means the speed of fatigue crack growth. The austenitic stainless steel is a Cr—Ni-based steel material, which is a stainless steel having an austenitic phase in which Cr and Ni are added to Fe to increase corrosion resistance against a corrosive environment or the like. Examples of this stainless steel are shown in Table 1. The austenite phase is an iron phase in a temperature range of 911 to 1392 ° C. in iron (Fe) having a purity of 100%, and has a face-centered cubic lattice structure (hereinafter referred to as an FCC (Face Centered Cubic Lattice) structure). Have.

図11(a)には、面心立方格子を図示している。FeにCrやNi等の合金元素を添加することにより室温でもオーステナイト相が存在できる。マルテンサイト相は、高温の安定なオーステナイト相から鋼を急冷する事によって得られる組織であり、体心立方格子構造(以下、BCC(Body Centered Cubic Lattice)構造という。)を有する。図11(b)には、体心立方格子を図示している。また、常温において、オーステナイト相の状態のステンレス鋼に応力等の冷間加工を加えることによりマルテンサイト相を生じることがある。   FIG. 11A shows a face-centered cubic lattice. By adding an alloy element such as Cr or Ni to Fe, an austenite phase can exist even at room temperature. The martensite phase is a structure obtained by rapidly cooling steel from a high-temperature stable austenite phase, and has a body-centered cubic lattice structure (hereinafter referred to as a BCC (Body Centered Cubic Lattice) structure). FIG. 11B illustrates a body-centered cubic lattice. Further, a martensite phase may be produced by applying cold working such as stress to stainless steel in the austenite phase state at room temperature.

このように冷間加工により、FCC構造のオーステナイト相からBCC構造のマルテンサイト相への変態を加工誘起マルテンサイト変態という。拡散性水素とは、材料中に存在する水素で、室温で時間と共に材料から外に出る水素を言う。この拡散性水素は、材料の水素脆性の原因となるものである。非拡散性水素とは、材料中に存在する水素で、室温から200℃程度までの温度でも時間と共に材料から外に出ていけない水素を言う。   The transformation from the austenite phase of the FCC structure to the martensite phase of the BCC structure by cold working is referred to as processing-induced martensitic transformation. Diffusible hydrogen refers to hydrogen present in a material that exits the material over time at room temperature. This diffusible hydrogen causes hydrogen embrittlement of the material. Non-diffusible hydrogen refers to hydrogen that exists in a material and cannot escape from the material with time even at temperatures from room temperature to about 200 ° C.

本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
本発明の発明者等は、オーステナイト系ステンレス鋼中の非拡散性水素が、疲労き裂進展に関係していることを突き止めた。これを利用したオーステナイト系ステンレス鋼、及びその水素除去方法を発明した。本発明は、結晶構造が面心立方格子構造であるオーステナイト相を有するオーステナイト系ステンレス鋼、及びその水素除去方法に関するものである。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following means.
The inventors of the present invention have found that non-diffusible hydrogen in austenitic stainless steel is related to fatigue crack growth. We have invented an austenitic stainless steel utilizing this and a method for removing hydrogen. The present invention relates to an austenitic stainless steel having an austenitic phase whose crystal structure is a face-centered cubic lattice structure, and a method for removing hydrogen therefrom.

本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、結晶構造が面心立方格子構造であるオーステナイト相を有するオーステナイト系ステンレス鋼を、大気雰囲気において、200℃以上1100℃以下の加熱温度で加熱処理して、オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆性の原因となる拡散性水素及び非拡散性水素を除去して、オーステナイト系ステンレス鋼に含有される水素(H)を0.0001質量%(1.0質量ppm)以下に除去したものであることを特徴とする。   The austenitic stainless steel of the present invention is obtained by heat-treating an austenitic stainless steel having an austenitic phase whose crystal structure is a face-centered cubic lattice structure at a heating temperature of 200 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower in an air atmosphere. Removes diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen, which cause hydrogen embrittlement of stainless steel, and removes hydrogen (H) contained in austenitic stainless steel to 0.0001 mass% (1.0 mass ppm) or less It is characterized by that.

本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法は、結晶構造が面心立方格子構造であるオーステナイト相を有するオーステナイト系ステンレス鋼を、大気雰囲気中に、加熱温度200℃以上1100℃以下の温度で加熱して、オーステナイト系ステンレス鋼中の拡散性水素、及び非拡散性水素の量を0.0001質量%(1.0質量ppm)以下になるように除去することを特徴とする。   The method for removing hydrogen from an austenitic stainless steel according to the present invention comprises heating an austenitic stainless steel having an austenitic phase having a face-centered cubic lattice structure in an air atmosphere at a heating temperature of 200 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower. Thus, the amount of diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen in the austenitic stainless steel is removed so as to be 0.0001 mass% (1.0 mass ppm) or less.

本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法で除去する拡散性水素、及び非拡散性水素は、低周波数の繰返し荷重による加工誘起マルテンサイト相を介して拡散して、応力集中を受けるき裂部に集結することで疲労き裂の進展速度を速めて、前記オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆性の原因となるものである。   The diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen that are removed by the hydrogen removal method of the austenitic stainless steel of the present invention are diffused through a work-induced martensite phase caused by a low frequency cyclic load, and are subjected to stress concentration. By concentrating on the steel, the growth rate of the fatigue crack is increased, which causes hydrogen embrittlement of the austenitic stainless steel.

以下の説明は、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼、及びその水素除去方法に共通するものである。本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、このオーステナイト系ステンレス鋼中の拡散性水素、及び非拡散性水素が除去されたものであって、このオーステナイト系ステンレス鋼中の水素(H)は、0.00007質量%(0.7質量ppm)以下にしたものが好ましい。より好ましくは、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼中の拡散性水素、及び非拡散性水素が除去されたものであって、このオーステナイト系ステンレス鋼中の水素(H)は、0.00002質量%(0.2質量ppm)以下にしたものが良い。   The following description is common to the austenitic stainless steel of the present invention and its hydrogen removal method. The austenitic stainless steel of the present invention is obtained by removing diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen in the austenitic stainless steel, and the hydrogen (H) in the austenitic stainless steel is 0.00007. What was made into the mass% (0.7 mass ppm) or less is preferable. More preferably, the austenitic stainless steel of the present invention is obtained by removing diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen in the austenitic stainless steel, and hydrogen (H) in the austenitic stainless steel is: What was 0.00002 mass% (0.2 mass ppm) or less is good.

上述の拡散性水素、及び非拡散性水素の除去は、オーステナイト系ステンレス鋼を、大気雰囲気において、200℃以上の加熱温度で加熱処理して除去する。この加熱温度の上限は、1100℃であり、特に、オーステナイト系ステンレス鋼のクロム(Cr)炭化物が加熱により析出する温度である鋭敏化温度より低い温度であることが好ましい。この加熱処理の処理時間は、2時間以上500時間以下の時間である。   The above diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen are removed by heat-treating austenitic stainless steel at a heating temperature of 200 ° C. or higher in an air atmosphere. The upper limit of this heating temperature is 1100 ° C., and in particular, it is preferably a temperature lower than the sensitization temperature which is the temperature at which chromium (Cr) carbide of austenitic stainless steel is precipitated by heating. The heat treatment time is 2 hours to 500 hours.

更に、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼からの拡散性水素、及び非拡散性水素の除去は、除去のための工程を行っても良いが、好ましくは特別に行うものではなく、オーステナイト系ステンレス鋼の製造工程で、所定時間加熱処理して、水素を除去し、水素(H)を0.00007質量%(0.7質量ppm)以下にする。よって、拡散性水素、及び非拡散性水素の除去のために工程を特別を設けることなく、オーステナイト系ステンレス鋼の製造工程は、工程の簡素化ができる。このときの温度は、200℃以上で、ステンレス鋼の融点温度未満であることが好ましい。   Furthermore, the removal of diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen from the austenitic stainless steel of the present invention may be carried out for removal, but it is preferably not performed specially. In the manufacturing process, heat treatment is performed for a predetermined time to remove hydrogen, and hydrogen (H) is reduced to 0.00007 mass% (0.7 mass ppm) or less. Therefore, the manufacturing process of austenitic stainless steel can be simplified without providing a special process for removing diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen. The temperature at this time is preferably 200 ° C. or higher and lower than the melting point temperature of stainless steel.

この製造工程での加熱時間は、材料の容量により変更されるが、2時間以上、数十時間以下であることが実用的である。この製造工程は、不活性ガスフロー雰囲気中であるとより好ましい。ここでいうオーステナイト系ステンレス鋼の製造工程とは、ステンレス鋼を製造するとき用いられる、溶体化処理、時効処理の工程を含む概念である。   Although the heating time in this manufacturing process is changed depending on the capacity of the material, it is practical that it is 2 hours or more and tens of hours or less. This manufacturing process is more preferably in an inert gas flow atmosphere. The manufacturing process of austenitic stainless steel here is a concept including the steps of solution treatment and aging treatment used when manufacturing stainless steel.

また、加熱処理の温度は、溶体化処理の場合、920℃以上の温度であることが最も好ましい。更に、加熱処理の温度は、時効処理の場合、700℃以上の温度であることが最も好ましい。更に、本発明のステンレス鋼は、上述の表1のものに限定されないが、オーステナイト系ステンレス鋼又は、オーステナイト系の耐熱鋼である。   The temperature of the heat treatment is most preferably 920 ° C. or higher in the case of the solution treatment. Furthermore, the temperature of the heat treatment is most preferably 700 ° C. or higher in the case of aging treatment. Furthermore, the stainless steel of the present invention is not limited to those in Table 1 described above, but is austenitic stainless steel or austenitic heat resistant steel.

本発明のオーステナイト系ステンレス鋼を大気中で時効処理を行う場合、加熱温度の範囲は、200〜1100℃が妥当であると考えられる。その根拠となる裏付けは次の通りである。後述するその他の実験例3の図14(a)と図14(b)から分かるように、200℃以上の温度で水素が放出されている。これは、ステンレス鋼を最低200℃以上に加熱する必要があること、つまり、加熱温度の下限を示している。加熱温度の上限は、ステンレス鋼の融点未満の温度になる。   When the aging treatment is performed on the austenitic stainless steel of the present invention in the atmosphere, it is considered that the heating temperature range is 200 to 1100 ° C. The supporting evidence is as follows. As can be seen from FIGS. 14A and 14B of other experimental example 3 described later, hydrogen is released at a temperature of 200 ° C. or higher. This indicates that the stainless steel needs to be heated to at least 200 ° C., that is, the lower limit of the heating temperature. The upper limit of the heating temperature is a temperature below the melting point of stainless steel.

通常、従来からの製鋼方法において、オーステナイト系ステンレス鋼には、製鋼過程で1ppmより多い水素が含まれることが一般的である。その水素量は、出荷時の材料の大きさに依存している。図15には、表1の材料の水素量と材料サイズとの関係をグラフにして示している。このグラフは、本発明の発明者等が、材料メーカーから購入した材料を測定した結果である。図中の横軸は、材料のサイズを表し、この材料のサイズは、出荷時の材料寸法の最小の値である。   Usually, in conventional steelmaking methods, it is common for austenitic stainless steel to contain more than 1 ppm of hydrogen during the steelmaking process. The amount of hydrogen depends on the size of the material at the time of shipment. FIG. 15 is a graph showing the relationship between the amount of hydrogen and the material size of the materials shown in Table 1. This graph is a result of measurement of materials purchased by the inventors of the present invention from material manufacturers. The horizontal axis in the figure represents the size of the material, which is the minimum value of the material dimensions at the time of shipment.

例えば、直径20mm×長さ1mの丸棒の場合はその直径の20mm、幅200mm×板厚10mm×長さ1mの板材の場合はその板厚10mmを意味する。また、直径20mm×長さ10mmの丸棒の場合にはその長さの10mmを意味する。上述の加熱時間は、試料から水素が拡散して抜けるのに必要な時間である。この時間は、材料のサイズに依存する。加熱時間は、加熱温度における材料中の水素の拡散係数から計算により概算することができる。試料のサイズが小さくなると、数時間と短時間の熱処理になる。   For example, a round bar having a diameter of 20 mm × a length of 1 m means 20 mm of the diameter, and a plate having a width of 200 mm × a plate thickness of 10 mm × a length of 1 m means a plate thickness of 10 mm. Further, in the case of a round bar having a diameter of 20 mm and a length of 10 mm, it means the length of 10 mm. The heating time described above is a time required for hydrogen to diffuse out of the sample. This time depends on the size of the material. The heating time can be estimated by calculation from the diffusion coefficient of hydrogen in the material at the heating temperature. When the sample size is reduced, the heat treatment takes a short time of several hours.

一方、試料のサイズが大きくなると、2週間以上というかなり長い期間を要する。加熱時間が試料から水素が拡散して抜けるのに必要な時間より長い場合は、加熱時間を長くしても水素量に変化はないと考えられる。よって、時効処理時間の有効範囲は、加熱温度と試料サイズに依存するが、500時間以下が現実的であると考えられる。しかし、この時間に限定されることはない。図15に示す結果から分かるとおり、大型の材料を利用する、例えば発電所等で構造用材料として使用される、場合、材料サイズが大きいために更に多くの水素が含まれている。   On the other hand, when the sample size increases, a considerably long period of two weeks or more is required. When the heating time is longer than the time required for hydrogen to diffuse out of the sample, it is considered that the amount of hydrogen does not change even if the heating time is increased. Therefore, the effective range of the aging treatment time depends on the heating temperature and the sample size, but 500 hours or less is considered realistic. However, it is not limited to this time. As can be seen from the results shown in FIG. 15, when a large material is used, for example, as a structural material in a power plant or the like, more hydrogen is contained because of the large material size.

このような材料を、本発明の発明者等が突き止めた水素脆弱の原因となる水素を除去することを意識して加熱処理を行う。これにより、サイズの大きい材料中の水素を加熱して1ppm以下にすることで、き裂進展特性を向上させる効果が得られ、その材料を用いた建造物、機械、装置、プラントの安全性が一層向上するものと考えられる。小型、微小サイズのステンレスにおいて、その効果は言うまでもない。   Such a material is subjected to heat treatment in consideration of removing hydrogen that causes hydrogen fragility, as determined by the inventors of the present invention. As a result, by heating hydrogen in a large material to 1 ppm or less, the effect of improving crack propagation characteristics can be obtained, and the safety of buildings, machines, devices, and plants using the material can be improved. This is considered to be further improved. Needless to say, the effect is small and small stainless steel.

本発明によると、次の効果が奏される。本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼を、大気雰囲気中に200℃以上の温度で加熱処理して、オーステナイト系ステンレス鋼中の非拡散性水素と拡散性水素を除去し、疲労き裂進展に強いオーステナイト系ステンレス鋼を提供することが可能になった。   According to the present invention, the following effects can be obtained. In the present invention, austenitic stainless steel is heat-treated in an air atmosphere at a temperature of 200 ° C. or higher to remove non-diffusible hydrogen and diffusible hydrogen in the austenitic stainless steel, and is resistant to fatigue crack growth. It has become possible to provide stainless steel.

図1は、疲労試験片の概要を図示した図であり、図1(a)は疲労試験片の形状を図示した図で、図1(b)は疲労試験片に形成した人工微小穴の形状を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an outline of a fatigue test piece, FIG. 1 (a) is a diagram illustrating the shape of a fatigue test piece, and FIG. 1 (b) is a shape of an artificial microhole formed in the fatigue test piece. FIG. 図2は、疲労試験片の試験部の概要及び導入された人工微小穴の形状及び人工微小穴から発生し進展する疲労き裂を図示している。FIG. 2 shows an outline of the test part of the fatigue test piece, the shape of the introduced artificial microhole, and the fatigue crack that is generated and propagates from the artificial microhole. 図3は、疲労試験片に予ひずみを導入する手順の概略図である。FIG. 3 is a schematic view of a procedure for introducing prestrain into a fatigue test piece. 図4は、疲労試験後に、人工微小穴から発生した疲労き裂の写真である。FIG. 4 is a photograph of a fatigue crack generated from an artificial microhole after a fatigue test. 図5は、疲労試験前に試験部表面を、疲労試験後に疲労破面をX線でオーステナイト相とマルテンサイト相を検査した結果を示すグラフで、図5(a)はSUS304の測定結果、図5(b)はSUS316の測定結果、図5(c)はSUS316Lの測定結果である。FIG. 5 is a graph showing the result of inspecting the austenite phase and the martensite phase by X-rays on the surface of the test part before the fatigue test and the fatigue fracture surface after the fatigue test. FIG. 5 (b) shows the measurement result of SUS316, and FIG. 5 (c) shows the measurement result of SUS316L. 図6は、疲労試験によるき裂の長さと繰返し回数との関係を示すグラフであり、図6(a)はSUS304、図6(b)はSUS316、図6(c)はSUS316Lの場合である。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the crack length and the number of repetitions in a fatigue test. FIG. 6 (a) is for SUS304, FIG. 6 (b) is for SUS316, and FIG. 6 (c) is for SUS316L. . 図7は、レプリカ法によって観察したSUS304、SUS316、SUS316Lの疲労き裂写真である。FIG. 7 is a fatigue crack photograph of SUS304, SUS316, and SUS316L observed by the replica method. 図8は、SUS316Lの疲労試験の結果を図示したグラフである。FIG. 8 is a graph illustrating the results of a fatigue test of SUS316L. 図9は、SUS316Lの疲労試験の結果を図示したグラフである。FIG. 9 is a graph illustrating the results of a fatigue test of SUS316L. 図10は、マルテンサイト変態を介して拡散性水素及び非拡散性水素が移動する要素を示す概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram showing elements in which diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen move through martensitic transformation. 図11は、オーステナイト相とマルテンサイト相の結晶構造の格子を示す概念図であり、図11(a)はオーステナイト相の面心立方格子構造(FCC)、図11(b)はマルテンサイト相の体心立方格子構造(BCC)の概念図である。FIG. 11 is a conceptual diagram showing the lattice of the crystal structure of the austenite phase and the martensite phase, FIG. 11 (a) is a face-centered cubic lattice structure (FCC) of the austenite phase, and FIG. 11 (b) is the martensite phase. It is a conceptual diagram of a body centered cubic lattice structure (BCC). 図12は、その他の実験例1の結果を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing the results of other experimental example 1. 図13は、その他の実験例2の結果を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing the results of other experimental example 2. 図14は、その他の実験例3の結果を示すグラフであり、図14(a)はSUS304、図14(b)はSUS316Lの場合である。FIG. 14 is a graph showing the results of other experimental example 3. FIG. 14A shows the case of SUS304, and FIG. 14B shows the case of SUS316L. 図15は、水素量と材料サイズの関係を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing the relationship between the amount of hydrogen and the material size.

以下、本発明の実施の形態を実験例に変えて説明する。まず、オーステナイト系ステンレス鋼に発生した疲労き裂の進展速度に水素がどのように影響しているかを説明する。表1に示したSUS304、SUS316、SUS316L等のオーステナイト系ステンレス鋼は、通常の加熱処理(溶体化処理)を施した後でも、1〜4.7質量ppmの非拡散性水素を含む。従来、当業者の間で、この非拡散性水素は水素脆性に影響が無いとみなされていた。   Hereinafter, the embodiment of the present invention will be described by changing to experimental examples. First, how hydrogen affects the growth rate of fatigue cracks generated in austenitic stainless steel will be described. Austenitic stainless steels such as SUS304, SUS316, and SUS316L shown in Table 1 contain 1 to 4.7 ppm by mass of non-diffusible hydrogen even after the usual heat treatment (solution treatment). Traditionally, it was considered by those skilled in the art that this non-diffusible hydrogen had no effect on hydrogen embrittlement.

しかしながら、次に記述する疲労試験によって、非拡散性水素は水素脆性に影響があることが判明された。非拡散性水素による水素脆性は、特に0.0015Hz程度(1サイクルの繰返し時間が約11分)の低周波数の疲労試験速度の場合において確認されたものである。本発明の発明者等が次の実験を行い、非拡散性水素がどのように疲労き裂の進展速度に影響しているかを観察した。実験の一例を示す。   However, the fatigue test described below has revealed that non-diffusible hydrogen has an effect on hydrogen embrittlement. Hydrogen embrittlement due to non-diffusible hydrogen has been confirmed particularly in the case of a low-frequency fatigue test speed of about 0.0015 Hz (repetition time of one cycle is about 11 minutes). The inventors of the present invention conducted the following experiment to observe how non-diffusible hydrogen affects the fatigue crack growth rate. An example of the experiment is shown.

[試験片]
使用した材料は、表1に示したオーステナイト系ステンレス鋼SUS304、SUS316、及び、SUSU316L(A)(以下、単にSUSU316Lという。)である。SUS304、SUS316、SUSU316Lは、溶体化処理を行ったものを用いた。図1(a)には、疲労試験片の形状を図示している。試験片の表面は、エメリー紙で#2000まで研磨した後、バフ研磨により仕上げたものである。
[Test pieces]
The materials used were austenitic stainless steels SUS304, SUS316, and SUSU316L (A) (hereinafter simply referred to as SUSU316L) shown in Table 1. As SUS304, SUS316, and SUSU316L, those subjected to solution treatment were used. FIG. 1A illustrates the shape of a fatigue test piece. The surface of the test piece was polished to # 2000 with emery paper and then finished by buffing.

疲労き裂進展を容易に観察するために、図1(b)に示すような直径100μm、深さ100μmの人工微小穴を疲労試験片の長さ方向の中央部で、かつ半径方向にその先端の角度120度のドリルで開けた。試験片の試験部の中央に人工微小穴を導入した。試験部は、試験片の中央の円柱部分で、円柱の長さが約20mmである。この円柱の上面と底面が平行かつ試験片の長さ方向の軸線に垂直である。図2には、試験部の概要及び導入された人工微小穴の形状を図示している。水素チャージされた疲労試験片の場合は、水素チャージ終了直後に、再びバフ研磨を施して人工微小穴を開けた。   In order to easily observe the fatigue crack growth, an artificial microhole having a diameter of 100 μm and a depth of 100 μm as shown in FIG. 1B is formed at the center in the length direction of the fatigue test piece and at the tip in the radial direction. It was opened with a drill with an angle of 120 degrees. An artificial microhole was introduced in the center of the test part of the test piece. The test part is a cylindrical part at the center of the test piece, and the length of the cylinder is about 20 mm. The upper surface and the bottom surface of this cylinder are parallel and perpendicular to the axis of the specimen in the length direction. FIG. 2 shows the outline of the test section and the shape of the introduced artificial microhole. In the case of a fatigue test piece charged with hydrogen, immediately after the completion of hydrogen charge, buffing was performed again to open an artificial microhole.

[X線回折]
オーステナイト系ステンレス鋼に対しては、疲労試験片の試験部のマルテンサイト量をX線回折により測定した。X線回折は、株式会社リガク(日本国東京都昭島市)製の微小部X線応力測定装置(PSPC-RSF/KM)によって行われた。定量分析はCrKα線を使用し、オーステナイト相{220}面及びマルテンサイト相{211}面の回折ピークの積分強度比より求めた。試験部に含有される疲労試験前のマルテンサイト量は、SUS304、SUS316、SUS316Lともに3%程度であった。
[X-ray diffraction]
For austenitic stainless steel, the amount of martensite in the test part of the fatigue test piece was measured by X-ray diffraction. X-ray diffraction was performed using a micro X-ray stress measurement apparatus (PSPC-RSF / KM) manufactured by Rigaku Corporation (Akishima City, Tokyo, Japan). Quantitative analysis was performed by using CrKα rays and calculating from the integrated intensity ratio of diffraction peaks of the austenite phase {220} plane and martensite phase {211} plane. The amount of martensite before the fatigue test contained in the test part was about 3% for SUS304, SUS316, and SUS316L.

水素チャージされた試験部の場合も同じ3%程度であった。マルテンサイト量の測定は、人工微小穴を導入する前に2箇所で行った。この測定の領域の1つ目は、人工微小穴を導入する予定の位置を中心とする直径1mmの円の領域である。この測定の領域の2つ目は、人工微小穴を導入する予定の位置から、試験片の長さ方向の軸を、180度回転させた位置を中心とする直径1mmの円の領域である。つまり、2つ目の測定領域は、円柱上の1つ目の測定領域より、その円柱の反対側に位置する。   In the case of the test section charged with hydrogen, the same was about 3%. The amount of martensite was measured at two locations before introducing artificial microholes. The first area of this measurement is a circular area having a diameter of 1 mm centered on the position where the artificial microhole is to be introduced. The second area of this measurement is a circle area having a diameter of 1 mm centered on a position obtained by rotating the axis in the length direction of the test piece 180 degrees from the position where the artificial microhole is to be introduced. That is, the second measurement region is located on the opposite side of the cylinder from the first measurement region on the cylinder.

[水素チャージ方法]
水素チャージは、陰極チャージ法によって行った。水素チャージの条件は、pH=3.5の硫酸水溶液、白金陽極、電流密度i=27A/mである。溶液温度が50℃(323K)の場合は、672時間(4週間)、温度が80℃(353K)の場合は、336時間(2週間)の水素チャージを行った。硫酸水溶液は、蒸発による硫酸濃度の変化を小さくするために、1週間ごとに交換した。
[Hydrogen charging method]
Hydrogen charging was performed by a cathodic charging method. The conditions for hydrogen charging are a sulfuric acid aqueous solution with pH = 3.5, a platinum anode, and a current density i = 27 A / m 2 . When the solution temperature was 50 ° C. (323 K), hydrogen charging was performed for 672 hours (4 weeks), and when the temperature was 80 ° C. (353 K), hydrogen charging was performed for 336 hours (2 weeks). The aqueous sulfuric acid solution was changed every week in order to reduce the change in sulfuric acid concentration due to evaporation.

[予ひずみ材]
水素による疲労き裂進展速度の加速とマルテンサイト変態量との関連について調べるためにSUS304、SUS316Lに対して予ひずみを与え、マルテンサイト変態させた試験片を用意した。図3に予ひずみ導入手順の概略図を示す。予ひずみは、マルテンサイト変態を促進させるために、−70℃のエタノール中で導入した。この予ひずみの導入後、試験片を図1(a)に示すような形状に加工した。SUS304に対しては、塑性ひずみ(真ひずみ)ε=0.28、SUS316Lに対しては塑性ひずみε=0.35の予ひずみを与えた。
[Pre-strained material]
In order to investigate the relationship between the acceleration of fatigue crack growth rate due to hydrogen and the amount of martensite transformation, pre-strain was applied to SUS304 and SUS316L to prepare martensitic transformed specimens. FIG. 3 shows a schematic diagram of the pre-strain introduction procedure. Pre-strain was introduced in ethanol at -70 ° C. to promote martensitic transformation. After the introduction of this pre-strain, the test piece was processed into a shape as shown in FIG. For SUS304, a pre-strain of plastic strain (true strain) ε p = 0.28 and for SUS316L, a plastic strain ε p = 0.35 was applied.

予ひずみを与えた後のビッカース硬さ(測定荷重9.8N)を測定したところ、SUS304ではHV=426(10点平均)、SUS316ではHV=351(10点平均)であった。ばらつきは±4%以内であった。試験片を研磨した後、予ひずみ導入後の試験部のマルテンサイト量をX線回折により測定した。マルテンサイト量はSUS304では体積比で65〜69%、SUS316Lでは体積比で26〜28%であった。マルテンサイト量の測定は、人工微小穴を導入する前に2箇所で行った。この測定の領域は、人工微小穴を導入する予定の位置、及び人工微小穴を導入する予定の位置から試験片の長さ方向の軸を180度回転させた位置を中心とする直径1mmの円の領域である。   When the Vickers hardness (measurement load 9.8 N) after applying pre-strain was measured, SUS304 was HV = 426 (10-point average) and SUS316 was HV = 351 (10-point average). The variation was within ± 4%. After polishing the test piece, the amount of martensite in the test section after introduction of prestrain was measured by X-ray diffraction. The amount of martensite was 65 to 69% by volume in SUS304, and 26 to 28% in volume by SUS316L. The amount of martensite was measured at two locations before introducing artificial microholes. This measurement area is a circle having a diameter of 1 mm centered on a position where the artificial microhole is to be introduced and a position obtained by rotating the longitudinal axis of the test piece 180 degrees from the position where the artificial microhole is to be introduced. It is an area.

[疲労試験方法]
疲労試験は、株式会社島津製作所(日本国京都市中京区)製の油圧サーボ引張圧縮疲労試験機サーボパルサーEHF−ED30KNを用いて、繰返し速度0.0015〜5Hz、応力比R=−1であった。繰返し速度は疲労試験中に試験部表面温度が60℃を超えないように調節した。レプリカ法により疲労き裂を観察するとともに疲労き裂の長さの測定を行った。
[Fatigue test method]
The fatigue test was performed using a hydraulic servo tension / compression fatigue tester servo pulser EHF-ED30KN manufactured by Shimadzu Corporation (Nakakyo-ku, Kyoto, Japan) with a repetition rate of 0.0015 to 5 Hz and a stress ratio R = -1. It was. The repetition rate was adjusted so that the surface temperature of the test part did not exceed 60 ° C. during the fatigue test. The fatigue crack was observed by the replica method and the length of the fatigue crack was measured.

レプリカ法による疲労き裂の観察は次の通りである。厚さ0.034mm程度のアセチルセルロースフィルム(以下、レプリカフィルムという。)を、酢酸メチル液にしばらく浸漬させた後、観察する場所に貼った。レプリカフィルムを貼ってから2〜3分間待ち、レプリカフィルムが乾燥したらレプリカフィルムを採取した。採取したレプリカフィルムに金を蒸着させて金属顕微鏡で観察することで、試験部の疲労き裂を観察した。   Observation of fatigue cracks by the replica method is as follows. An acetylcellulose film having a thickness of about 0.034 mm (hereinafter referred to as a replica film) was immersed in a methyl acetate solution for a while and then attached to a place to be observed. After applying the replica film, wait for 2 to 3 minutes. When the replica film dries, the replica film is collected. Fatigue cracks in the test part were observed by depositing gold on the collected replica film and observing it with a metal microscope.

よって、試験片を直接観察しなくても目的の疲労き裂の場所を観察することができた。水素チャージ材の場合は、疲労試験の終了直後直ちに試験部から直径7mm、厚さ0.8mmの試料を切り出し、真空チャンバー内に試料を入れ、昇温速度一定で加熱した。真空チャンバー内の圧力は、試料を加熱する前で1×10−7〜3×10−7Paであった。昇温速度0.5℃/sで800℃まで昇温した。Therefore, the target fatigue crack location could be observed without directly observing the specimen. In the case of a hydrogen charge material, immediately after the end of the fatigue test, a sample having a diameter of 7 mm and a thickness of 0.8 mm was cut out from the test part, placed in a vacuum chamber, and heated at a constant temperature increase rate. The pressure in the vacuum chamber was 1 × 10 −7 to 3 × 10 −7 Pa before heating the sample. The temperature was raised to 800 ° C. at a temperature raising rate of 0.5 ° C./s.

真空チャンバー内の試料が加熱されることで、試料から水素が脱離し、脱離した水素量を四重極質量分析方式の昇温脱離分析装置(以下、TDSと言う。)により測定した。測定に用いたTDSは、電子科学株式会社(日本国東京都武蔵野市)製の昇温脱離分析装置(以下、TDSと言う。)EMD−WA1000S/Hである。TDSによる測定の精度は0.01質量ppmであった。   When the sample in the vacuum chamber was heated, hydrogen was desorbed from the sample, and the amount of desorbed hydrogen was measured with a quadrupole mass spectrometry temperature programmed desorption analyzer (hereinafter referred to as TDS). The TDS used for the measurement is a temperature programmed desorption analyzer (hereinafter referred to as TDS) EMD-WA1000S / H manufactured by Electronic Science Co., Ltd. (Musashino City, Tokyo, Japan). The accuracy of measurement by TDS was 0.01 mass ppm.

[測定された各種特性]
図4は、疲労試験後に、水素未チャージのSUS304に導入した人工微小穴から発生した疲労き裂の写真である。写真からは、人工微小穴から発生した疲労き裂を確認できる。この疲労き裂は、人工微小穴の両側から発生し、ほぼ対称に進展していることがわかる。
[Measured characteristics]
FIG. 4 is a photograph of a fatigue crack generated from an artificial microhole introduced into hydrogen-uncharged SUS304 after a fatigue test. From the photograph, fatigue cracks generated from artificial microholes can be confirmed. It can be seen that this fatigue crack originates from both sides of the artificial microhole and propagates almost symmetrically.

図5は、疲労試験前に試験部表面を、疲労試験後に疲労破面をX線でオーステナイト相とマルテンサイト相を検査した結果である。図5の点線は、疲労試験前に試験部表面を測定した結果を示す。実線は、疲労試験後に疲労破面を測定した結果を示す。図5(a)は、SUS304の測定結果であり、この測定から疲労試験前より疲労試験後にオーステナイト相が減少し、マルテンサイト相が増加していることがわかる。   FIG. 5 shows the results of inspecting the austenite phase and martensite phase with X-rays on the surface of the test part before the fatigue test and on the fatigue fracture surface after the fatigue test. The dotted line in FIG. 5 shows the result of measuring the surface of the test part before the fatigue test. The solid line shows the result of measuring the fatigue fracture surface after the fatigue test. FIG. 5A shows the measurement result of SUS304, and it can be seen from this measurement that the austenite phase decreased after the fatigue test and the martensite phase increased before the fatigue test.

図5(b)は、SUS316の測定結果であり、この測定から疲労試験前より疲労試験後にオーステナイト相が少し減少し、マルテンサイト相が増加していることがわかる。図5(c)は、SUS316Lの測定結果であり、この測定から疲労試験前より疲労試験後にマルテンサイト相が増加していることがわかる。SUS316Lの場合は、オーステナイト相の変化があまり見られない。   FIG. 5B shows the measurement result of SUS316. From this measurement, it can be seen that the austenite phase is slightly decreased after the fatigue test and the martensite phase is increased before the fatigue test. FIG.5 (c) is a measurement result of SUS316L, and it turns out from this measurement that the martensite phase is increasing after the fatigue test than before the fatigue test. In the case of SUS316L, the change of the austenite phase is not so much seen.

図6は、疲労試験によるき裂の長さと繰返し数との関係を示すグラフである。図6(a)はSUS304、図6(b)はSUS316、図6(c)はSUS316Lの場合である。各材料SUS304、SUS316、SUS316Lは、水素チャージされたものと、水素チャージされていないものの測定結果を示している。繰返し速度は、SUS304、SUS316の場合は1.2Hz、SUS316Lの場合は5Hzになっている。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the crack length and the number of repetitions in the fatigue test. 6A shows the case of SUS304, FIG. 6B shows the case of SUS316, and FIG. 6C shows the case of SUS316L. Each material SUS304, SUS316, and SUS316L shows the measurement results of those charged with hydrogen and those not charged with hydrogen. The repetition rate is 1.2 Hz for SUS304 and SUS316, and 5 Hz for SUS316L.

このグラフからは、水素チャージされたSUS304、SUS316は、水素チャージされていない場合と比べて、き裂の進展の速度が速くなっている。例えば、き裂の長さ2aが400μmに達するまでの繰返し回数Nは、水素チャージされた場合が水素チャージされていない場合と比べて少なくなっている。この場合は、疲労き裂進展速度は水素チャージされた場合で約2倍速くなっていることになる。一方、SUS316Lの場合は、疲労き裂進展速度は、水素チャージされた場合は水素チャージされていない場合と比べて若干高いが明確な差が見られない。   From this graph, SUS304 and SUS316 that have been charged with hydrogen have a faster crack growth rate than those that are not charged with hydrogen. For example, the number of repetitions N until the crack length 2a reaches 400 μm is smaller when hydrogen is charged than when hydrogen is not charged. In this case, the fatigue crack growth rate is about twice as fast as when hydrogen is charged. On the other hand, in the case of SUS316L, the fatigue crack growth rate is slightly higher when hydrogen-charged than when not hydrogen-charged, but no clear difference is observed.

図7は、レプリカ法によって、観察したSUS304、SUS316、SUS316Lの疲労き裂写真である。疲労き裂は、図4の写真のようにほぼ対称的に進展するため、図7にその半分の写真のみを示した。この写真からは、水素チャージされた材料の疲労き裂が、未チャージの材料と比べて直線的に進展していることが観察できる。未チャージ材ではすべり帯が広い領域に渡って発生しているのに対して、水素チャージ材では、すべり帯が疲労き裂近傍に局在化していることがわかる。   FIG. 7 is a fatigue crack photograph of SUS304, SUS316, and SUS316L observed by the replica method. Since the fatigue crack propagates almost symmetrically as shown in the photograph of FIG. 4, only half of the photograph is shown in FIG. From this photograph, it can be observed that the fatigue crack of the hydrogen-charged material progresses linearly compared to the uncharged material. It can be seen that in the uncharged material, the slip band occurs over a wide region, whereas in the hydrogen charged material, the slip band is localized near the fatigue crack.

図8は、SUS316Lの疲労試験の結果を図示したグラフである。この図8には、未チャージの時の水素が0.4質量ppm、2.6質量ppmの2つの材料と、2.6質量ppmの材料を水素チャージして3.9質量ppmにした材料の疲労試験結果を示している。繰返し速度は、疲労き裂の長さが200μmに達するまでは繰返し速度が1.5Hzである。疲労き裂の長さが200μmになったら、繰返し速度を1.5Hzから0.0015Hzに変えた。水素が2.6質量ppm、3.9質量ppmの材料に関して疲労き裂が進展している。   FIG. 8 is a graph illustrating the results of a fatigue test of SUS316L. This FIG. 8 shows two materials with hydrogen of 0.4 mass ppm and 2.6 mass ppm when not charged, and a material obtained by hydrogen charging 2.6 mass ppm of material to 3.9 mass ppm. The fatigue test results are shown. The repetition rate is 1.5 Hz until the length of the fatigue crack reaches 200 μm. When the fatigue crack length was 200 μm, the repetition rate was changed from 1.5 Hz to 0.0015 Hz. Fatigue cracks have propagated for materials with 2.6 ppm by mass of hydrogen and 3.9 ppm by mass of hydrogen.

しかし、水素が0.4質量ppmの材料の場合は、疲労き裂があまり進展していない。図9は、SUS316Lの疲労試験の結果を図示したグラフである。この図9には、未チャージの時の水素が0.4質量ppm、2.6質量ppmの2つの材料と、2.6質量ppmの材料を水素チャージして3.9質量ppm、5.1質量ppmにした材料の疲労試験結果を示している。繰返し速度は、1.5Hzと0.0015Hzの2種類である。   However, in the case of a material having 0.4 ppm by mass of hydrogen, fatigue cracks have not progressed much. FIG. 9 is a graph illustrating the results of a fatigue test of SUS316L. In FIG. 9, two materials with hydrogen of 0.4 mass ppm and 2.6 mass ppm when uncharged and 2.6 mass ppm of material are charged with hydrogen to 3.9 mass ppm, and 5. The fatigue test result of the material made into 1 mass ppm is shown. There are two repetition rates, 1.5 Hz and 0.0015 Hz.

このグラフからは、水素が2.6質量ppm材料と、これを水素チャージして3.9質量ppmと5.1質量ppmにした材料の場合は、疲労き裂が進展していることがわかる。0.0015Hzと低い繰返し速度の場合は、1.5Hzと比べて疲労き裂の進展速度が速いことがわかる。しかし、水素が0.4質量ppmの場合は、繰返し速度が0.0015Hz、1.5Hzのどちらの場合よりも疲労き裂の進展速度が遅いことがわかる。これは、材料中の水素が0.4質量ppm以下の場合に、疲労き裂があまり進展しないことを示している。   This graph shows that fatigue cracks have progressed in the case of 2.6 mass ppm of hydrogen and the material charged with hydrogen to 3.9 mass ppm and 5.1 mass ppm. . It can be seen that when the repetition rate is as low as 0.0015 Hz, the fatigue crack growth rate is faster than at 1.5 Hz. However, it is understood that when the hydrogen content is 0.4 mass ppm, the fatigue crack growth rate is slower than when the repetition rate is 0.0015 Hz or 1.5 Hz. This indicates that fatigue cracks do not progress much when hydrogen in the material is 0.4 mass ppm or less.

図10には、変態したマルテンサイト相を介して拡散性水素及び非拡散性水素が移動する様子を示す概念図である。図中では、疲労き裂の先端がマルテンサイト変態し、拡散性水素及び非拡散性水素がこのマルテンサイト相を介して移動している。つまり、水素の拡散速度が速いマルテンサイト相を通路として移動し、疲労き裂の先端に集まっている。水素の拡散、移動時間に関係した現象である。オーステナイト相(FCC)中の水素の拡散速度は、マルテンサイト相(BCC)中の拡散速度と比べて4桁遅い。疲労き裂の周辺がマルテンサイト変態し、このマルテンサイト相にその周辺の水素が拡散して、疲労き裂の先端に集まる。   FIG. 10 is a conceptual diagram showing how diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen move through the transformed martensite phase. In the figure, the tip of the fatigue crack undergoes martensitic transformation, and diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen migrate through this martensite phase. That is, the martensite phase having a high hydrogen diffusion rate moves as a passage and gathers at the tip of the fatigue crack. This is a phenomenon related to the diffusion and movement time of hydrogen. The diffusion rate of hydrogen in the austenite phase (FCC) is four orders of magnitude slower than the diffusion rate in the martensite phase (BCC). The periphery of the fatigue crack undergoes martensitic transformation, and hydrogen around the martensite phase diffuses and collects at the tip of the fatigue crack.

[非拡散性水素の関与]
よって、上記の実験によって、拡散性水素だけでなく従来注目されなかった非拡散性水素も関与することが示された。これは、ステンレス鋼に対する水素脆性に関する新しい知見である。これには、疲労き裂先端のマルテンサイト変態(FCCからBCCへの変態)が影響している。
[Involvement of non-diffusible hydrogen]
Therefore, the above experiment showed that not only diffusible hydrogen but also non-diffusible hydrogen, which has not been noticed in the past, is involved. This is a new finding regarding hydrogen embrittlement for stainless steel. This is influenced by the martensitic transformation at the tip of the fatigue crack (transformation from FCC to BCC).

[疲労試験の速度と疲労き裂進展速度の関係]
更に、上記の実験の図9に示すように、SUS316L等のオーステナイト系ステンレス鋼が疲労試験の速度を遅くすれば、疲労き裂進展速度が速くなることがわかる。同様に、図6に示すように、拡散性水素をチャージした試験片等の水素チャージ材が、未チャージ材に比べて疲労き裂進展速度が速くなる。水素が0.4質量ppm以下の材料の場合は、図8,9に示すように疲労き裂の進展があまり無い。このように、疲労試験速度を遅くする効果は、水素の拡散、移動時間に関係した現象(FCC中はBCC中に比べて4桁拡散速度が遅い。)である。
[Relationship between fatigue test speed and fatigue crack growth speed]
Furthermore, as shown in FIG. 9 of the above experiment, it can be seen that if the austenitic stainless steel such as SUS316L decreases the fatigue test speed, the fatigue crack growth speed increases. Similarly, as shown in FIG. 6, a hydrogen charge material such as a test piece charged with diffusible hydrogen has a higher fatigue crack growth rate than an uncharged material. In the case of a material having hydrogen of 0.4 mass ppm or less, there is not much progress of fatigue cracks as shown in FIGS. Thus, the effect of slowing down the fatigue test speed is a phenomenon related to the diffusion and movement time of hydrogen (in the FCC, the 4-digit diffusion speed is slower than in the BCC).

以下、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼に含まれる合金成分、その含有量、及び本発明の製造方法に規定される製造方法等を説明する。
[オーステナイト系ステンレス鋼]
オーステナイト系ステンレス鋼は、別名Cr−Ni系ステンレス鋼と呼ばれ、FeにCrとNiを添加したものである。オーステナイト系ステンレス鋼の主成分は、Fe(鉄)、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)からなり、その他には次の表2に示す各種の添加物がある。
Hereinafter, the alloy component contained in the austenitic stainless steel of the present invention, the content thereof, the production method defined in the production method of the present invention, and the like will be described.
[Austenitic stainless steel]
Austenitic stainless steel is also called Cr-Ni stainless steel, which is obtained by adding Cr and Ni to Fe. The main components of austenitic stainless steel are Fe (iron), Cr (chromium), and Ni (nickel). In addition, there are various additives shown in Table 2 below.

次の表2は、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の好ましい例を示したものであり、本発明の実施の形態はこの例だけに限るものではない。

Figure 2009107475
The following Table 2 shows a preferable example of the austenitic stainless steel of the present invention, and the embodiment of the present invention is not limited to this example.
Figure 2009107475

[オーステナイト系ステンレス鋼の組成について]
Crは、耐食性を改善するためにFeに添加されたものである。Niは、耐食性を増すためにCrと組み合わせてFeに添加したものである。NiとMn(マンガン)は、冷間圧延後に非磁性を確保するための元素である。冷間圧延後に非磁性を保つためには10.0質量%以上のNiを含有させておく必要がある。さらに、加工誘起マルテンサイト相が1体積%以上生成しないように、Si(シリコン),Mnの含有量に応じてNi量を調整する必要がある。Mnは、N(窒素)の固溶度を高める作用も有する。
[Composition of austenitic stainless steel]
Cr is added to Fe in order to improve corrosion resistance. Ni is added to Fe in combination with Cr in order to increase corrosion resistance. Ni and Mn (manganese) are elements for ensuring non-magnetism after cold rolling. In order to maintain non-magnetism after cold rolling, it is necessary to contain 10.0% by mass or more of Ni. Furthermore, it is necessary to adjust the amount of Ni according to the contents of Si (silicon) and Mn so that the work-induced martensite phase is not generated by 1 vol% or more. Mn also has the effect of increasing the solid solubility of N (nitrogen).

C(炭素)は、強力なオーステナイト形成用の元素である。更に、Cはステンレス鋼の強度の向上に有効な元素である。Cを過剰に添加すると、再結晶処理時に粗大なCr系炭化物が析出し、耐粒界腐食や疲労特性低下の原因になる。Siは、脱酸と固溶強化の目的で添加される。Siの含有量が高くなると冷間加工時にマルテンサイト相の生成を促進させるため、微量の添加が望ましい。Nは、固溶硬化をもたらす。   C (carbon) is a strong element for forming austenite. Furthermore, C is an element effective for improving the strength of stainless steel. When C is added excessively, coarse Cr-based carbides precipitate during the recrystallization process, causing intergranular corrosion resistance and deterioration of fatigue characteristics. Si is added for the purpose of deoxidation and solid solution strengthening. If the Si content is high, the formation of a martensite phase is promoted during cold working, and therefore a small amount is preferably added. N brings about solid solution hardening.

Mo(モリブデン)は、耐食性向上の目的で添加されるものである。更に、時効処理で炭窒化物を微細に分散させる作用も呈する。Ti(チタン)は、析出硬化に有効な元素であり、時効処理による強度を上昇させるために添加される。B(ホウ素)は、熱間加工温度域でのδフェライト相と、オーステナイト相の変形抵抗の差異により生じる熱延鋼帯での、エッジクラックの発生防止に有効な合金成分である。Al(アルミニウム)は、製鋼時に脱酸を目的として添加される元素であり、Tiと同様に析出硬化にも有効に作用する。   Mo (molybdenum) is added for the purpose of improving corrosion resistance. Furthermore, it also has an effect of finely dispersing carbonitride by aging treatment. Ti (titanium) is an element effective for precipitation hardening, and is added to increase the strength by aging treatment. B (boron) is an alloy component effective in preventing the occurrence of edge cracks in the hot-rolled steel strip caused by the difference in deformation resistance between the δ ferrite phase and the austenite phase in the hot working temperature range. Al (aluminum) is an element added for the purpose of deoxidation during steelmaking, and acts effectively on precipitation hardening in the same manner as Ti.

本発明の実施の形態は上記の表2に記述された元素の他に必用に応じてNb、Cu等の元素を添加して使用することができる。Nb(ニオブ)はTiの代替元素となりえる。
[オーステナイト相について]
オーステナイト系ステンレス鋼は、オーステナイト相が全体積のほぼ100%であることが望ましい。オーステナイト系ステンレス鋼中のマルテンサイト相は、無いことが望ましい。
The embodiment of the present invention can be used by adding elements such as Nb and Cu as required in addition to the elements described in Table 2 above. Nb (niobium) can be an alternative element for Ti.
[About austenitic phase]
The austenitic stainless steel desirably has an austenitic phase of almost 100% of the total volume. It is desirable that there is no martensite phase in the austenitic stainless steel.

[その他の性質について]
平均結晶粒径は、50μm程度以下であることがこのましい。現状の材料で平均結晶粒径が50μm程度であり、それ以下の平均結晶粒径が望ましい。
[加熱による水素除去処理について]
以下、オーステナイト系ステンレス鋼の加熱による水素除去処理について述べる。疲労き裂進展に非拡散性水素が関与していることを本発明の発明者等が突き止め、これを背景にオーステナイト系ステンレス鋼内の非拡散性水素及び拡散性水素を次のように加熱処理を施して除去する。
[Other properties]
The average crystal grain size is preferably about 50 μm or less. The average crystal grain size is about 50 μm in the current material, and an average crystal grain size smaller than that is desirable.
[Hydrogen removal treatment by heating]
Hereinafter, hydrogen removal treatment by heating austenitic stainless steel will be described. The inventors of the present invention have determined that non-diffusible hydrogen is involved in fatigue crack growth, and against this background, non-diffusible hydrogen and diffusible hydrogen in austenitic stainless steel are heat treated as follows. To remove.

拡散性水素及び非拡散性水素の除去は、オーステナイト系ステンレス鋼を200℃以上の加熱温度で加熱処理する。加熱処理は、真空雰囲気下で行われる。真空雰囲気は、0.2Pa以下の環境である。また、加熱処理は、オーステナイト系ステンレス鋼を真空雰囲気と加熱温度に保持する時間は460時間以下である。加熱温度が、オーステナイト系ステンレス鋼のクロム(Cr)炭化物が加熱により析出する温度である鋭敏化温度より低い温度である。   The removal of diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen is performed by heat-treating austenitic stainless steel at a heating temperature of 200 ° C. or higher. The heat treatment is performed in a vacuum atmosphere. The vacuum atmosphere is an environment of 0.2 Pa or less. Moreover, as for heat processing, the time which keeps austenitic stainless steel in a vacuum atmosphere and heating temperature is 460 hours or less. The heating temperature is lower than the sensitization temperature at which chromium (Cr) carbide of austenitic stainless steel is precipitated by heating.

例えば、表1及び表2に示すオーステナイト系ステンレス鋼の場合は、加熱温度の上限は温度500℃ある。よって、オーステナイト系ステンレス鋼に存在し、繰返し荷重による加工誘起マルテンサイト相を介して拡散して、応力集中を受けるき裂部に集結して、オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆性の原因となる拡散性水素、及び非拡散性水素を除去できる。   For example, in the case of the austenitic stainless steel shown in Tables 1 and 2, the upper limit of the heating temperature is 500 ° C. Therefore, diffusivity exists in austenitic stainless steel, diffuses through work-induced martensite phase due to cyclic loading, and collects in the stress-concentrated crack, causing hydrogen embrittlement of austenitic stainless steel Hydrogen and non-diffusible hydrogen can be removed.

このような加熱処理によって、オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆性の原因となる拡散性水素、及び非拡散性水素をオーステナイト系ステンレス鋼から除去して、オーステナイト系ステンレス鋼に含有される水素(H)を0.0001質量%(1.0質量ppm)以下にする。この加熱処理後に、オーステナイト系ステンレス鋼に含有される水素(H)の量は、0.00007質量%(0.7質量ppm)以下であることが望ましい。更に、この加熱処理後にオーステナイト系ステンレス鋼に含有される水素(H)の量は、0.00002質量%(0.2質量ppm)以下であることが望ましく、0.000007質量%(0.07質量ppm)以下であることがもっと望ましい。   By such heat treatment, diffusible hydrogen that causes hydrogen embrittlement of austenitic stainless steel and non-diffusible hydrogen are removed from austenitic stainless steel, and hydrogen (H) contained in austenitic stainless steel is removed. 0.0001 mass% (1.0 mass ppm) or less. After this heat treatment, the amount of hydrogen (H) contained in the austenitic stainless steel is desirably 0.00007 mass% (0.7 mass ppm) or less. Further, the amount of hydrogen (H) contained in the austenitic stainless steel after this heat treatment is desirably 0.00002 mass% (0.2 mass ppm) or less, and 0.000007 mass% (0.07 More preferably, it is less than ppm by mass.

このように、オーステナイト系ステンレス鋼に含有される水素の量を従来の量より少なくして、1サイクルの時間が長い繰返し荷重でも疲労き裂進展の加速が起こらない優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提供できる。   As described above, the amount of hydrogen contained in the austenitic stainless steel is less than the conventional amount, and an excellent austenitic stainless steel that does not accelerate fatigue crack growth even under repeated loading with a long cycle time is provided. it can.

[その他の実験例1]
SUS316でできている試験片を用いて加熱処理の実験を行った。試験片は、直径7mmの丸棒である。TDS測定には直径7mmで厚さ0.8mmの円板形状に切断して供した。実験は、温度800℃の中で、試験片をいれて20分間加熱処理した。この時の実験雰囲気は、大気中、真空雰囲気(約0.006Pa)と、Arガス雰囲気であった。Arガスは、供給しながら、加熱処理を行った。700℃まで加熱したときの昇温速度は、毎秒0.5℃であった。700℃までの加熱のときに、放出される水素を測定した。
[Other Experimental Example 1]
A heat treatment experiment was conducted using a test piece made of SUS316. The test piece is a round bar having a diameter of 7 mm. The TDS measurement was performed by cutting into a disk shape having a diameter of 7 mm and a thickness of 0.8 mm. In the experiment, a test piece was put in a temperature of 800 ° C. and heat-treated for 20 minutes. The experimental atmosphere at this time was air, a vacuum atmosphere (about 0.006 Pa), and an Ar gas atmosphere. The Ar gas was heated while being supplied. The heating rate when heated to 700 ° C. was 0.5 ° C. per second. The hydrogen released during heating up to 700 ° C. was measured.

測定は、電子科学株式会社(所在地:日本国東京都武蔵野市)製の昇温脱離分析装置EMD-WA1000S/Hで行われた。この測定結果を図12に示している。図中のグラフの横軸は、測定温度を示し、縦軸は、水素放出強度を示している。熱処理していない試験片の水素濃度は、1.5質量ppmであった。これを大気中で加熱処理したとき、試験片の水素濃度は0.7質量ppmになった。真空雰囲気で加熱処理したとき、試験片の水素濃度は0.4質量ppmになった。Arガスフローの場合は、加熱処理の実施で0.4質量ppmに減少した。   The measurement was performed with a temperature programmed desorption analyzer EMD-WA1000S / H manufactured by Electronic Science Co., Ltd. (location: Musashino City, Tokyo, Japan). The measurement results are shown in FIG. In the graph, the horizontal axis indicates the measured temperature, and the vertical axis indicates the hydrogen release intensity. The hydrogen concentration of the test piece that was not heat-treated was 1.5 mass ppm. When this was heat-processed in air | atmosphere, the hydrogen concentration of the test piece became 0.7 mass ppm. When the heat treatment was performed in a vacuum atmosphere, the hydrogen concentration of the test piece was 0.4 mass ppm. In the case of Ar gas flow, it decreased to 0.4 mass ppm by the heat treatment.

[その他の実験例2]
SUH660でできている試験片を用いて加熱処理の実験を行った。試験片は、直径7mmの丸棒である。TDS測定には直径7mmで厚さ0.8mmの円板形状に切断して供した。実験は、温度720℃の中で、試験片を入れて16時間加熱処理し、時効処理を行った。この時の実験雰囲気は、真空雰囲気(約0.006Pa)であった。時効処理前の試験片の水素濃度は、1.3ppmであった。時効処理後、試験片の水素濃度は0.6ppmになった。
[Other experimental example 2]
A heat treatment experiment was conducted using a test piece made of SUH660. The test piece is a round bar having a diameter of 7 mm. The TDS measurement was performed by cutting into a disk shape having a diameter of 7 mm and a thickness of 0.8 mm. In the experiment, a test piece was put in a temperature of 720 ° C. and heat-treated for 16 hours to perform an aging treatment. The experimental atmosphere at this time was a vacuum atmosphere (about 0.006 Pa). The hydrogen concentration of the test piece before aging treatment was 1.3 ppm. After the aging treatment, the hydrogen concentration of the test piece became 0.6 ppm.

このように、ステンレス鋼を、その製造工程で時効処理等を行い、その中に含有される水素を取り除くことができた。700℃まで加熱したときの昇温速度は、毎秒0.33℃であった。600℃までの加熱のときに、放出される水素を測定した。測定は、電子科学株式会社(日本国東京都武蔵野市)製の昇温脱離分析装置(EMD-WA1000S/H)で行われた。この測定結果を図13に示している。図中のグラフの横軸は、測定温度を示し、縦軸は、水素放出強度を示している。   As described above, the stainless steel was subjected to aging treatment or the like in the production process, and hydrogen contained therein could be removed. The heating rate when heated to 700 ° C. was 0.33 ° C. per second. The hydrogen released during heating up to 600 ° C. was measured. The measurement was performed with a temperature programmed desorption analyzer (EMD-WA1000S / H) manufactured by Electronic Science Co., Ltd. (Musashino City, Tokyo, Japan). The measurement results are shown in FIG. In the graph, the horizontal axis indicates the measured temperature, and the vertical axis indicates the hydrogen release intensity.

[その他の実験例3]
SUS304及びSUS316Lでできている試験片を用いて加熱処理の実験を行った。試験片は、直径7mm、厚さ0.4mmの円板形状の試料である。この加熱処理時の実験雰囲気は、大気中雰囲気であった。この大気雰囲気は、約0.1013MPaであった。実験は、温度300℃、450℃の大気中雰囲気に、試験片を入れて2時間加熱処理し、時効処理を行った。
[Other Experimental Example 3]
A heat treatment experiment was performed using test pieces made of SUS304 and SUS316L. The test piece is a disk-shaped sample having a diameter of 7 mm and a thickness of 0.4 mm. The experimental atmosphere during the heat treatment was an atmospheric atmosphere. This atmospheric atmosphere was about 0.1013 MPa. In the experiment, an aging treatment was performed by placing a test piece in an air atmosphere at temperatures of 300 ° C. and 450 ° C. and performing heat treatment for 2 hours.

TDS測定は、加熱処理後に直径7mm、厚さ0.4mmの円板形状の状態で行った。TDS測定は、電子科学株式会社(日本国東京都武蔵野市)製の昇温脱離分析装置(EMD-WA1000S/H)で行われた。この測定の結果を、図14に示している。図中のグラフの横軸は、測定の温度を示し、縦軸は、水素放出強度を示している。TDS測定時に、700℃まで加熱したときの昇温速度は、毎秒0.5℃であった。TDS測定時に、600℃までの加熱のときに、放出される水素を測定した。   The TDS measurement was performed in a disk shape with a diameter of 7 mm and a thickness of 0.4 mm after the heat treatment. TDS measurement was performed with a temperature programmed desorption analyzer (EMD-WA1000S / H) manufactured by Electronic Science Co., Ltd. (Musashino City, Tokyo, Japan). The result of this measurement is shown in FIG. In the graph, the horizontal axis indicates the measurement temperature, and the vertical axis indicates the hydrogen emission intensity. At the time of TDS measurement, the heating rate when heated to 700 ° C. was 0.5 ° C. per second. During the TDS measurement, hydrogen released during heating up to 600 ° C. was measured.

図14(a)は、SUS304でできている試験片の測定結果を示している。図示したように、時効処理前、この試験片の水素濃度は、2.3ppmであった。時効処理後、この試験片の水素濃度は、温度300℃で加熱処理した場合は0.19ppm、温度450℃で加熱処理した場合は0.07ppmになった。   FIG. 14A shows the measurement result of a test piece made of SUS304. As shown in the figure, the hydrogen concentration of this test piece was 2.3 ppm before the aging treatment. After the aging treatment, the hydrogen concentration of the test piece was 0.19 ppm when heat-treated at a temperature of 300 ° C. and 0.07 ppm when heat-treated at a temperature of 450 ° C.

図14(b)は、SUS316Lでできている試験片の測定結果を示している。時効処理前、この試験片の水素濃度は、2.6ppmであった。時効処理後、この試験片の水素濃度は、温度300℃で加熱処理した場合は0.07ppm、温度450℃で加熱処理した場合は0.03ppmになった。   FIG. 14B shows the measurement result of a test piece made of SUS316L. Prior to the aging treatment, the hydrogen concentration of this test piece was 2.6 ppm. After the aging treatment, the hydrogen concentration of the test piece was 0.07 ppm when heat-treated at a temperature of 300 ° C. and 0.03 ppm when heat-treated at a temperature of 450 ° C.

このように、ステンレス鋼を、大気雰囲気で時効処理等を行い、その中に含有される水素を取り除くことができた。   As described above, the stainless steel was subjected to an aging treatment or the like in an air atmosphere to remove hydrogen contained therein.

本発明は、耐食性とともに高圧の水素を利用する分野に使用されると良い。特に水素侵入で水素脆性・遅れ破壊が懸念されるメタルガスケット、自動車用各種バルブ、ばね、スチールベルト、刃物材、燃料電池、燃料電池システム周辺で用いられるバルブ、ばね材等に利用されると良い。更に、建造物、機械、装置、プラントにも利用されると良い。   The present invention is preferably used in a field that utilizes high-pressure hydrogen as well as corrosion resistance. It is especially useful for metal gaskets, various valves for automobiles, springs, steel belts, blade materials, fuel cells, valves used in the vicinity of fuel cell systems, spring materials, etc., where hydrogen intrusion may cause hydrogen embrittlement and delayed fracture. . Furthermore, it may be used for buildings, machines, devices, and plants.

Claims (12)

結晶構造が面心立方格子構造であるオーステナイト相を有するオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼を、大気雰囲気において、200℃以上1100℃以下の加熱温度で加熱処理して、前記オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆性の原因となる拡散性水素及び非拡散性水素を除去して、前記オーステナイト系ステンレス鋼に含有される水素(H)を0.0001質量%(1.0質量ppm)以下に除去したものである
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
An austenitic stainless steel having an austenitic phase whose crystal structure is a face-centered cubic lattice structure,
The austenitic stainless steel is heat-treated in an air atmosphere at a heating temperature of 200 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower to remove diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen that cause hydrogen embrittlement of the austenitic stainless steel. An austenitic stainless steel, wherein hydrogen (H) contained in the austenitic stainless steel is removed to 0.0001 mass% (1.0 mass ppm) or less.
請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼において、
前記拡散性水素、及び前記非拡散性水素を除去して、前記水素(H)を0.00002質量%(0.2質量ppm)以下にしたものである
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
In the austenitic stainless steel according to claim 1,
The austenitic stainless steel, wherein the diffusible hydrogen and the non-diffusible hydrogen are removed to reduce the hydrogen (H) to 0.00002 mass% (0.2 mass ppm) or less.
請求項2に記載のオーステナイト系ステンレス鋼において、
前記拡散性水素、及び前記非拡散性水素を除去して、前記水素(H)を0.00007質量%(0.7質量ppm)以下にしたものである
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
In the austenitic stainless steel according to claim 2,
The austenitic stainless steel, wherein the diffusible hydrogen and the non-diffusible hydrogen are removed to reduce the hydrogen (H) to 0.00007 mass% (0.7 mass ppm) or less.
請求項3に記載のオーステナイト系ステンレス鋼において、
前記拡散性水素、及び前記非拡散性水素を除去して、前記水素(H)を0.000007質量%(0.07質量ppm)以下にしたものである
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
In the austenitic stainless steel according to claim 3,
The austenitic stainless steel, wherein the diffusible hydrogen and the non-diffusible hydrogen are removed to reduce the hydrogen (H) to 0.000007 mass% (0.07 mass ppm) or less.
請求項1ないし4の中から選択される1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼において、
前記オーステナイト系ステンレス鋼は、200℃以上1100℃以下の加熱温度で、2時間以上500時間以下の間に加熱して、前記拡散性水素、及び前記非拡散性水素を除去したものである
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
In the austenitic stainless steel according to claim 1, selected from claims 1 to 4,
The austenitic stainless steel is heated at a heating temperature of 200 ° C. to 1100 ° C. for 2 hours to 500 hours to remove the diffusible hydrogen and the non-diffusible hydrogen. A feature of austenitic stainless steel.
結晶構造が面心立方格子構造であるオーステナイト相を有するオーステナイト系ステンレス鋼を加熱処理して、前記オーステナイト系ステンレス鋼内に存在する水素を除去するための熱処理方法において、
前記オーステナイト系ステンレス鋼を、大気雰囲気中に、加熱温度200℃以上1100℃以下の温度で加熱して、前記オーステナイト系ステンレス鋼中の拡散性水素、及び非拡散性水素の量を0.0001質量%(1.0質量ppm)以下になるように除去する
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法。
In the heat treatment method for removing hydrogen present in the austenitic stainless steel by heat-treating the austenitic stainless steel having an austenitic phase having a face-centered cubic lattice structure in the crystal structure,
The austenitic stainless steel is heated in an air atmosphere at a heating temperature of 200 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower, and the amount of diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen in the austenitic stainless steel is 0.0001 mass. % (1.0 mass ppm) or less. A method for removing hydrogen from an austenitic stainless steel.
請求項6に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法において、
前記オーステナイト系ステンレス鋼に存在し、繰返し荷重による加工誘起マルテンサイト相を介して拡散して、応力集中を受けるき裂部に集結して、前記オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆性の原因となる前記拡散性水素、及び前記非拡散性水素を除去する
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法。
In the method for removing hydrogen of austenitic stainless steel according to claim 6,
The diffusion that exists in the austenitic stainless steel, diffuses through a work-induced martensite phase due to repeated loading, and collects in a cracked portion that undergoes stress concentration, causing the hydrogen embrittlement of the austenitic stainless steel A method for removing hydrogen from austenitic stainless steel, characterized by removing volatile hydrogen and the non-diffusible hydrogen.
請求項6に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法において、
前記オーステナイト系ステンレス鋼のクロム(Cr)炭化物が加熱により析出する温度である鋭敏化温度より低い温度で、前記オーステナイト系ステンレス鋼を2時間以上500時間以下の時間保持し、
前記オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆性の原因となる前記拡散性水素、及び前記非拡散性水素を除去する
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法。
In the method for removing hydrogen of austenitic stainless steel according to claim 6,
Holding the austenitic stainless steel for 2 hours or more and 500 hours or less at a temperature lower than a sensitization temperature at which chromium (Cr) carbide of the austenitic stainless steel is precipitated by heating;
A method for removing hydrogen from an austenitic stainless steel, comprising removing the diffusible hydrogen and non-diffusible hydrogen that cause hydrogen embrittlement of the austenitic stainless steel.
請求項7又8に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法において、
前記オーステナイト系ステンレス鋼に含有される前記水素(H)を0.00007質量%(0.7質量ppm)以下にする
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法。
In the method for removing hydrogen of austenitic stainless steel according to claim 7 or 8,
The hydrogen (H) contained in the austenitic stainless steel is 0.00007 mass% (0.7 mass ppm) or less. A method for removing hydrogen from an austenitic stainless steel.
請求項9に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法において、
前記オーステナイト系ステンレス鋼に含有される前記水素(H)を0.00002質量%(0.2質量ppm)以下にする
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法。
In the method for removing hydrogen of austenitic stainless steel according to claim 9,
The hydrogen (H) contained in the austenitic stainless steel is 0.00002 mass% (0.2 mass ppm) or less. A method for removing hydrogen from an austenitic stainless steel.
請求項10に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法において、
前記オーステナイト系ステンレス鋼に含有される前記水素(H)を0.000007質量%(0.07質量ppm)以下にする
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法。
In the method for removing hydrogen of austenitic stainless steel according to claim 10,
The hydrogen (H) contained in the austenitic stainless steel is 0.000007 mass% (0.07 mass ppm) or less. A method for removing hydrogen from an austenitic stainless steel.
請求項6に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法において、
前記拡散性水素、及び前記非拡散性水素は、低周波数の繰返し荷重による加工誘起マルテンサイト相を介して拡散して、応力集中を受けるき裂部に集結することで疲労き裂の進展速度を速めて、前記オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆性の原因となるものである
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の水素除去方法。
In the method for removing hydrogen of austenitic stainless steel according to claim 6,
The diffusible hydrogen and the non-diffusible hydrogen diffuse through the work-induced martensite phase due to low-frequency cyclic loading, and gather at the stress-concentrated crack, thereby increasing the fatigue crack growth rate. A method for removing hydrogen from an austenitic stainless steel, characterized in that it causes hydrogen embrittlement of the austenitic stainless steel.
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