KR102022787B1

KR102022787B1 - 복합 용기 축압기 라이너용 강관 및, 복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법

Info

Publication number: KR102022787B1
Application number: KR1020177025476A
Authority: KR
Inventors: 슈사쿠 다카기; 아키히데 나가오; 미츠오 기무라; 히로시 오카노
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2019-09-18
Also published as: EP3272893A4; EP3272893B1; CA2979021C; US20180044748A1; CA2979021A1; EP3272893A1; US10697036B2; JPWO2016147594A1; CN107429340B; WO2016147594A1; CN107429340A; JP6278125B2; KR20170117149A; US20180230567A9

Abstract

복합 용기 축압기 라이너를 제조하기 위한 소재로서 사용했을 때에, 충분한 강도와, 높은 피로 한계를 구비한 라이너를 얻을 수 있고, 저렴한 복합 용기 축압기를 제조하는 것이 가능하게 되는 복합 용기 축압기 라이너용 강관를 제공한다.　질량%로, C:0.10∼0.60%, Si:0.01∼2.0%, Mn:0.1∼5.0%, P:0.0005∼0.060%, S:0.0001∼0.010%, N:0.0001∼0.010% 및 Al:0.01∼0.06%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고, 구오스테나이트립의 평균 입경이 20㎛이하, 또한 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 면적분율의 합계가 90%이상인 금속 조직을 갖는 복합 용기 축압기 라이너용 강관.

Description

복합 용기 축압기 라이너용 강관 및, 복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법{STEEL PIPE OR TUBE FOR COMPOSITE PRESSURE VESSEL LINER, AND METHOD OF MANUFACTURING STEEL PIPE OR TUBE FOR COMPOSITE PRESSURE VESSEL LINER}

본 발명은 고압의 수소를 수용하는 복합 용기 축압기의 라이너를 제조하기 위해 사용되는 복합 용기 축압기 라이너용 강재에 관한 것이다.

또, 본 발명은 상기 복합 용기 축압기 라이너용 강재로 이루어지는 복합 용기 축압기 라이너용 강관과, 상기 복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법에 관한 것이다.

수소를 연료로서 이용하는 연료 전지 자동차는 이산화탄소(CO₂)를 배출하지 않고, 에너지 효율도 우수하기 때문에, CO₂ 배출 문제와 에너지 문제를 해결할 수 있는 자동차로서 기대되고 있다. 이 연료 전지 자동차를 보급시키기 위해서는 연료 전지 자동차에 수소를 공급하기 위한 수소 스테이션을 설치할 필요가 있다. 그래서, 수소 스테이션에 있어서 고압의 수소를 안전하게 저장하기 위해 필요한 강도와 내구성이 우수한 용기(축압기)의 개발이 진행되고 있다.

금속 재료를 사용한 축압기로서는 축압기 전체가 금속으로 이루어지는 것(Type I)과, 금속제 라이너의 외주를 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 피복한 복합 용기 축압기(Type Ⅱ, Ⅲ)가 제안되고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에서는 Cr-Mo강제의 라이너의 외주를 CFRP로 피복하는 것에 의해서 고압 수소 환경하에 있어서 피로 균열 진전 속도를 개선한 복합 용기 축압기가 제안되어 있다. 금속만으로 이루어지는 축압기에 있어서는 수소의 압력에 견딜 수 있는 강도를 얻기 위해 두껍게 할 필요가 있지만, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같은 복합 용기 축압기에 있어서는 강제 라이너와 CFRP에서 하중을 분담하고 있기 때문에, 금속만으로 이루어지는 축압기에 비해 라이너를 얇게 할 수 있기 때문에, 경량화, 저비용화가 가능하다.

또, 복합 용기 축압기에 있어서 라이너의 하중 분담을 크게 할 수 있으면, 고가인 탄소 섬유의 사용량을 저감할 수 있기 때문에, 가일층의 저비용화가 가능하다. 그 때문에, 복합 용기 축압기의 라이너에 사용되는 강재의 특성을 향상시키는 것이 요구되고 있다.

축압기에 사용되는 강재의 특성 향상에 관해서는 예를 들면, 특허문헌 2∼5에 기재된 기술이 제안되어 있다. 특허문헌 2에서 제안되어 있는 강재에서는 강의 성분 조성과 조직 및 석출물을 제어하는 것에 의해서 내수소 취화 특성을 향상시키고 있다. 또, 특허문헌 3에서 제안되고 있는 강재에서는 강의 조직을 베이나이트 주체로 하는 동시에, 석출하는 시멘타이트의 에스팩트비를 제어하는 것에 의해서 강의 인성을 향상시키고 있다. 특허문헌 4에서 제안되어 있는 강재에서는 성분 조성을 제어하는 것에 의해 내수소 취화 특성을 향상시키고, 고압 수소 중에 있어서의 높은 수축값을 실현하고 있다. 특허문헌 5에서 제안되어 있는 강재에서는 강의 성분 조성을 소정의 범위로 하고, 탄화물의 생성을 제어하는 것에 의해 내수소 취화 특성을 향상시키고, 고압 수소 중에 있어서의 높은 수축값을 실현하고 있다.

특허문헌 1: 일본국 특허공개공보 제2009-293799호 특허문헌 2: 일본국 특허공개공보 제2010-037655호 특허문헌 3: 일본국 특허공개공보 제2012-107332호 특허문헌 4: 일본국 특허공개공보 제2009-275249호 특허문헌 5: 일본국 특허공개공보 제2009-074122호

그러나, 특허문헌 1∼5에 기재되어 있는 기술에 있어서는 강재의 내수소 취화 특성이나 강도에 대해서는 일정한 향상이 보였지만, 피로 한계를 향상시키는 검토는 실행되고 있지 않다. 수소 스테이션용 축압기는 일반적으로 10년 이상의 장기간에 걸쳐 사용된다. 그 동안에는 수소 가스의 충전과 방출이 반복 실행되고, 그 반복 회수는 10만회 이상에 미친다고 상정되고 있다. 그 때문에, 축압기의 라이너에 사용되는 강재에는 수소 가스 중에 있어서의 10만회의 피로 변형으로도 파괴되지 않는 높은 피로 한계(피로 강도)을 구비하는 것이 요구된다. 또, 특허문헌 2∼5에서 제안되고 있는 강재는 모두 강재만으로 이루어지는 축압기에 이용하기 위한 것이기 때문에, 복합 용기 축압기의 라이너용 재료로서 이용하는 것이 상정되어 있지 않다.

본 발명은 상기 과제를 해소하기 위한 것이며, 복합 용기 축압기 라이너를 제조하기 위한 소재로서 사용했을 때에, 충분한 강도와, 높은 피로 한계를 구비하는 라이너를 얻을 수 있고, 저렴한 복합 용기 축압기를 제조하는 것이 가능하게 되는 복합 용기 축압기 라이너용 강재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 본 발명은 상기 복합 용기 축압기 라이너용 강재로 이루어지는 복합 용기 축압기 라이너용 강관 및, 복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 라이너를 제조하기 위해 이용되는 강재의 성분 조성이나 금속 조직이 제조 후의 라이너의 특성에 주는 영향을 검토한 결과, 이하의 지견을 얻었다.

(1) 강제 라이너를 이용하는 복합 용기 축압기는 강관을 성형하여 라이너 형상으로 한 후, 그 외주에 CFRP를 피복해서 제조된다. 그 때, 라이너의 강도와 인성을 확보하기 위해, 가공 후의 라이너에 대해 소둔과 템퍼링이 실행된다.

(2) 따라서, 최종적으로 얻어지는 라이너의 피로 한계를 향상시키기 위해서는 소둔 템퍼링(이하, 「열 처리」로 하는 경우가 있음) 후에 있어서 우수한 피로 한계를 얻을 수 있는 강재를 소재로서 이용할 필요가 있다.

(3) 소정의 성분 조성을 갖는 강재에 있어서, 구오스테나이트립의 평균 입경을 작게 하는 동시에, 금속 조직에 차지하는 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 비율을 일정 이상으로 하는 것에 의해, 소둔 템퍼링 후에 있어서의 피로 한계를 향상시킬 수 있다.

(4) 강 소재의 성분 조성과 열간 가공 조건을 제어하는 것에 의해, 상기 (3)의 조건을 만족시키는 강재를 제조할 수 있다.

이상의 지견에 의거하여, 강의 성분 조성과 조직 및 제조 조건에 대해 상세한 검토를 실행하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

１．질량%로, C:0.10∼0.60%, Si:0.01∼2.0%, Mn:0.1∼5.0%, P:0.0005∼0.060%, S:0.0001∼0.010%, N:0.0001∼0.010% 및 Al:0.01∼0.06%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고, 구오스테나이트립의 평균 입경이 20㎛이하, 또한 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 면적분율의 합계가 90%이상인 금속 조직을 갖는 복합 용기 축압기 라이너용 강재.

2. 상기 성분 조성이, 질량%로, Mo:0.005∼2.0%, Cr:0.005∼3.0%의 어느 한쪽 또는 양쪽을 더 함유하는 상기 1에 기재된 복합 용기 축압기 라이너용 강재.

３．상기 성분 조성이, 질량%로, Ni:0.005∼3.0%를 더 함유하는 상기 2에 기재된 복합 용기 축압기 라이너용 강재.

４．상기 성분 조성이, 또한 하기 (1)식의 관계를 만족시키는 상기 1 내지 3 중의 어느 하나에 기재된 복합 용기 축압기 라이너용 강재:

[Mn]+1.30×[Cr]+2.67×[Mo]+0.30×[Ni]≥2.30 …(1)

단, [M]은 원소 M의 함유량(질량%)을 나타내고, 원소 M을 함유하지 않는 경우에는 [M]=0으로 한다.

５．상기 성분 조성이, 또한 하기 (2)식의 관계를 만족시키는 상기 1 내지 3 중의 어느 하나에 기재된 복합 용기 축압기 라이너용 강재:

[Mn]+1.30×[Cr]+2.67×[Mo]+0.30×[Ni]≥3.00 …(2)

６．상기 1 내지 5 중의 어느 하나에 기재된 복합 용기 축압기 라이너용 강재로 이루어지는 복합 용기 축압기 라이너용 강관.

７．두께가 20㎜이상인 상기 6에 기재된 복합 용기 축압기 라이너용 강관.

８．복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법으로서, 상기 1 내지 3 중의 어느 하나에 기재된 성분 조성을 갖는 강 소재를 1350℃이하의 온도로 가열하는 가열 공정과, 가열된 상기 강 소재를, 확관 종료 온도: 820℃이상의 조건에서 압연, 확관하여 강관을 얻는 압연 확관 공정과, 상기 압연 확관 공정에서 얻어진 강관을, 800∼350℃에 있어서의 평균 냉각 속도: 5℃/s이상의 조건에서 냉각하는 냉각 공정을 갖는 복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법.

９．복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법으로서, 상기 4에 기재된 성분 조성을 갖는 강 소재를 1350℃이하의 온도로 가열하는 가열 공정과, 가열된 상기 강 소재를, 확관 종료 온도: 820℃이상의 조건에서 압연, 확관하여 강관을 얻는 압연 확관 공정과, 상기 압연 확관 공정에서 얻어진 강관을, 800∼350℃에 있어서의 평균 냉각 속도: 3℃/s이상의 조건에서 냉각하는 냉각 공정을 갖는 복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법.

10. 복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법으로서, 상기 5에 기재된 성분 조성을 갖는 강 소재를 1350℃이하의 온도로 가열하는 가열 공정과, 가열된 상기 강 소재를, 확관 종료 온도: 820℃이상의 조건에서 압연, 확관하여 강관을 얻는 압연 확관 공정과, 상기 압연 확관 공정에서 얻어진 강관을, 800∼350℃에 있어서의 평균 냉각 속도: 1℃/s이상의 조건에서 냉각하는 냉각 공정을 갖는 복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법.

본 발명에 따르면, 복합 용기 축압기 라이너를 제조하기 위한 소재로서 사용했을 때에, 충분한 강도와, 높은 피로 한계를 구비한 라이너를 얻을 수 있는 복합 용기 축압기 라이너용 강재를 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 복합 용기 축압기 라이너용 강재를 이용해서 라이너를 제작하면, 라이너에 더욱 많은 하중을 분담시킬 수 있기 때문에, CFRP의 사용량을 저감하고, 복합 용기 축압기를 더욱 저렴하게 제공할 수 있다.

다음에, 본 발명을 실행하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다.

본 발명에 있어서는 강재가 구오스테나이트립의 평균 입경이 20㎛이하, 또한 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 면적분율의 합계가 90%이상인 금속 조직을 갖는 것이 중요하다. 이하, 본 발명에 있어서의 강재의 금속 조직을 상기와 같이 한정하는 이유를 설명한다. 또한, 금속 조직에 관한 「%」 표시는 특히 단정하지 않는 한 면적분율을 의미하는 것으로 한다.

[금속 조직]

·구오스테나이트립의 평균 입경이 20㎛이하

복합 용기 축압기 라이너용 강재의 구오스테나이트 입경이 작을수록, 해당 강재를 성형하여 라이너를 제작하고, 소둔 템퍼링(열 처리)을 실행한 후의 구오스테나이트 입경이 작아진다. 그리고, 라이너의 구오스테나이트 입경이 작을수록, 고압 수소 중에서의 라이너의 피로 한계이 높아진다. 상기 효과를 얻기 위해, 본 발명에 있어서는 라이너용 강재, 즉, 라이너를 제조하기 위한 소재로서의 강재에 있어서의 구오스테나이트립의 평균 입경을 20㎛이하로 한다. 구오스테나이트립의 평균 입경은 10㎛이하로 하는 것이 바람직하고, 5㎛이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 구오스테나이트립의 평균 입경의 하한은 특히 한정되지 않지만, 1㎛이상으로 하는 것이 바람직하다.

·마텐자이트 및 하부 베이나이트의 면적분율의 합계: 90%이상

라이너용 강재의 금속 조직에 차지하는 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 합계가 90%미만이면, 라이너 성형 후의 열 처리시에, 조대한 구오스테나이트립이 발생한다. 그 때문에, 본 발명에 있어서는 라이너용 강재의 금속 조직에 차지하는 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 면적분율의 합계를 90%이상으로 한다. 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 면적분율의 합계는 95%이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 마텐자이트와 하부 베이나이트의 면적분율의 비율은 특히 한정되지 않지만, 구오스테나이트립의 조대화를 억제한다는 관점에서는 마텐자이트의 면적분율을 하부 베이나이트의 면적분율보다 높게 하는 것이 바람직하다. 한편, 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 면적분율의 합계의 상한에 대해서는 특히 한정되지 않으며, 100%이하이면 좋다.

라이너용 강재에 있어서의, 마텐자이트 및 하부 베이나이트 이외의 조직은 적을수록 좋다. 그러나, 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 면적분율의 합계가 90%이상이면, 잔부의 조직의 영향은 그다지 크지 않기 때문에, 페라이트, 잔류 오스테나이트, 펄라이트, 상부 베이나이트 등, 다른 조직의 1종 또는 2종 이상을, 합계 면적분율에서 10%이하 포함하는 것은 허용된다. 마텐자이트 및 하부 베이나이트 이외의 조직은 합계 면적분율에서 5%이하인 것이 바람직하다.

[성분 조성]

본 발명에 있어서는 또한 복합 용기 축압기 라이너용 강재가 소정의 성분 조성을 갖는 것이 중요하다. 그래서, 다음에, 본 발명에 있어서 강재의 성분 조성을 한정하는 이유를 설명한다. 또한, 성분에 관한 「%」 표시는 특히 단정하지 않는 한 「질량%」를 의미하는 것으로 한다.

C:0.10∼0.60%

C는 라이너의 강도를 상승시키기 위해 필요한 원소이다. 소둔 템퍼링을 실행한 후의 라이너의 인장 강도는 800MPa이상인 것이 바람직하고, 그러한 강도를 얻기 위해, 라이너용 강재의 C함유량을 0.10%이상으로 한다. 한편, C함유량이 0.60%를 넘으면, 담금질시에 담금질 깨짐이 발생하는 일이 있기 때문에, C함유량을 0.60%이하로 한다. C함유량은 0.33%이상 0.45%이하로 하는 것이 바람직하다.

Si:0.01∼2.0%

Si는 고용 강화에 의해 강도 향상 및 피로 한계의 향상에 기여하는 원소이다. Si함유량이 0.01%이상이면 상기 효과가 얻어진다. 한편, Si함유량이 2.0%를 넘으면 효과가 포화하고, 또한 강재의 표면 성상이 열화하는 동시에, 압연성도 저하한다. 따라서, Si함유량은 0.01%이상 2.0%이하로 한다. 또한, Si함유량은 0.15%이상 0.5%이하로 하는 것이 바람직하다.

Mn:0.1∼5.0%

Mn은 고용 강화 및 담금질성의 향상에 의해 강도 향상에 기여하는 동시에, 피로 한계를 향상시키는 기능을 갖는 원소이다. 또, Mn은 구오스테나이트립의 조대화를 억제한다. 상기 효과를 얻기 위해, Mn함유량을 0.1%이상으로 한다. Mn함유량은 0.5%이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.6%이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, Mn함유량이 5.0%를 넘으면 효과가 포화하고, 또한 압연이나 성형이 곤란하게 된다. 또, 라이너 성형 후의 열 처리의 후에 오스테나이트가 잔류하고, 피로 특성이 열화한다. 따라서, Mn함유량은 5.0%이하로 한다. Mn함유량은 1.5%이하로 하는 것이 바람직하다.

P:0.0005∼0.060%

P는 고용 강화에 의해서 강도 향상에 기여하는 원소이지만, 그 반면, 인성을 열화시키는 원소이기도 하다. P함유량이 0.060%를 넘으면 인성의 열화가 현저하게 되기 때문에, P함유량은 0.060%이하로 한다. P함유량은 0.025%이하로 하는 것이 바람직하고, 0.015%이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, P함유량을 0.0005%미만으로 하는 바와 같은 과도한 P저감은 제강 공정에 있어서의 제조 코스트의 증가를 수반한다. 따라서, P함유량은 0.0005%이상으로 한다.

S:0.0001∼0.010%

S함유량의 증가는 열간 적열 취성의 원인으로 되며, 제조상의 불합리를 발생시키는 경우가 있다. 또, S는 개재물 MnS를 형성하며, 인성을 저하시킨다. 이들 영향은 S함유량이 0.010%이하이면 문제로 되지 않는다. 따라서, S함유량은 0.010%이하로 한다. S함유량은 0.0030%이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, S함유량을 0.0001%미만으로 하는 바와 같은 과도한 저감은 제강 공정에 있어서의 탈황 코스트의 증가를 수반한다. 따라서, S함유량은 0.0001%이상으로 한다.

또한, P함유량과 S함유량의 합계는 인성의 고위 안정화를 위해, 0.02%이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, P함유량과 S함유량의 합계는 낮게 하는 것이 바람직하지만, 과도한 저감은 제조 코스트의 증가를 수반하기 때문에, P함유량과 S함유량의 합계는 0.0006%이상으로 한다.

N:0.0001∼0.010%

강재의 피로 특성에 미치는 N의 영향은 작으며, N함유량이 0.010%이하이면 본 발명의 효과를 손상시키지 않는다. 따라서, N함유량은 0.010%이하로 한다. N함유량은 0.004%이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 인성 향상의 관점에서는 N함유량이 적은 것이 바람직하지만, 과도한 저감은 제강상의 코스트를 증대시키므로, N함유량은 0.0001%이상으로 한다.

Al:0.01∼0.06%

Al은 제강 공정에 있어서 탈산제로서 유효한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해, Al함유량은 0.01%이상으로 한다. Al함유량은 0.02%이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Al함유량이 0.06%를 넘으면 효과가 포화하기 때문에, Al함유량은 0.06%이하로 한다.

본 발명의 복합 용기 축압기 라이너용 강재는 이상의 성분에 부가하여, 잔부의 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 또, 본 발명의 복합 용기 축압기 라이너용 강재는 상기 원소에 부가하여, 임의로 Mo:0.005∼2.0% 및 Cr:0.005∼3.0%의 어느 한쪽 또는 양쪽을 더 함유할 수도 있다.

Mo:0.005∼2.0%

Mo는 담금질성을 향상시키는 원소이며, 라이너의 강도 상승에 기여하는 동시에, 강재의 금속 조직에 있어서의 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 비율을 증가시키는 기능을 갖고 있다. 또, Mo는 구오스테나이트립의 조대화를 억제하는 동시에, 고용 강화에 의해서 피로 강도의 상승에 기여한다. 상기 효과를 얻기 위해, Mo를 첨가하는 경우에는 함유량을 0.005%이상으로 한다. Mo함유량은 0.1%이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Mo함유량이 2.0%를 넘으면, 효과가 포화하고, 코스트 상승의 요인으로 되기 때문에, Mo함유량은 2.0%이하로 한다. Mo함유량은 1.0%이하로 하는 것이 바람직하고, 0.5%이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

Cr:0.005∼3.0%

Cr은 담금질성을 향상시키는 원소이며, 라이너의 강도 상승에 기여하는 동시에, 강재의 금속 조직에 있어서의 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 비율을 증가시키는 기능을 갖고 있다. 또, Cr은 구오스테나이트립의 조대화를 억제한다. 상기 효과를 얻기 위해, Cr을 첨가하는 경우에는 함유량을 0.005%이상으로 한다. Cr함유량은 0.5%이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Cr함유량이 3.0%를 넘으면 효과가 포화하고, 코스트 상승의 요인으로 되기 때문에, Cr함유량은 3.0%이하로 한다. Cr함유량은 1.5%이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 복합 용기 축압기 라이너용 강재는 상기 원소에 부가하여, 임의로 Ni:0.005∼3.0%를 더 함유할 수도 있다.

Ni:0.005∼3.0%

Ni는 담금질성을 향상시키는 원소이며, 라이너의 강도 상승에 기여하는 동시에, 강재의 금속 조직에 있어서의 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 비율을 증가시키는 기능을 갖고 있다. 또, Ni는 구오스테나이트립의 조대화를 억제한다. 상기 효과를 얻기 위해, Ni를 첨가하는 경우에는 함유량을 0.005%이상으로 한다. Ni함유량은 0.5%이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Ni함유량이 3.0%를 넘으면 효과가 포화하고, 코스트 상승의 요인으로 되기 때문에, Ni함유량은 3.0%이하로 한다. 코스트 억제를 위해서는 Ni함유량을 2.0%이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 1실시형태에 있어서는 상기 강재의 성분 조성이 또한 하기 (1)식의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.

[Mn]+1.30×[Cr]+2.67×[Mo]+0.30×[Ni]≥2.30 …(1)

(단, [M]은 원소 M의 함유량(질량%)를 나타내고, 원소 M을 함유하지 않는 경우에는 [M]=0으로 한다)

강재의 성분 조성을, (1)식의 관계를 만족시키는 것으로 하는 것에 의해, 강의 담금질성이 향상하고, 더욱 용이하게 마텐자이트 및 하부 베이나이트를 얻는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 성분 조성을 하기 (2)식의 관계를 만족시키는 것으로 하면, 강의 담금질성이 한층 향상하고, 마텐자이트 및 하부 베이나이트를 극히 용이하게 얻을 수 있으며, 또한 라이너 제조시에도 적절한 조직을 얻기 쉬워진다.

[Mn]+1.30×[Cr]+2.67×[Mo]+0.30×[Ni]≥3.00 …(2)

(단, [M]은 원소 M의 함유량(질량%)을 나타내고, 원소 M을 함유하지 않는 경우에는 [M]=0으로 한다)

마텐자이트 및 하부 베이나이트를 얻기 위한 구체적인 제조 조건에 대해서는 후술한다.

[형상]

본 발명에 있어서의 복합 용기 축압기 라이너용 강재의 형상은 특히 한정되는 일 없이, 강관, 강판 등, 임의의 형상으로 할 수 있다. 해당 복합 용기 축압기 라이너를 성형하기 위한 소재로서 사용한다는 관점에서는 강관으로 하는 것이 바람직하고, 이음매없는 강관으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또, 단접 강관, 전기 저항 용접 강관 등의 용접 강관을 제조할 때에 이용하기 위한 강판으로 해도 좋다.

두께: 20㎜이상

본 발명의 복합 용기 축압기 라이너용 강재를 강관 형상으로 하는 경우, 두께를 20㎜이상으로 하는 것이 바람직하다. 강관의 두께가 20㎜이상이면, 최종적으로 얻어지는 복합 용기 축압기에 있어서 라이너의 응력 분담을 크게 할 수 있기 때문에, CFRP의 사용량을 저감하고, 복합 용기 축압기의 저비용화가 가능하게 된다. 또한, 두께 20㎜이상의 강관을 성형해서 라이너로 한 후, 자긴(autofrettage) 처리를 실시하여 라이너 내부에 잔류 압축 응력을 부여하는 것에 의해, 고압 수소 중에 있어서의 피로 한계를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 강관의 두께는 30㎜이상으로 하는 것이 더욱 바람직하고, 36㎜이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또, 본 발명의 복합 용기 축압기 라이너용 강재를 강판 형상으로 하는 경우에도, 판 두께를 20㎜이상으로 하는 것이 바람직하고, 30㎜이상으로 하는 것이 더욱 바람직하며, 36㎜이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 두께는 너무 두꺼우면 축압시에 라이너 외측의 응력이 너무 높아지고, 또 조직을 원하는 조직으로 하기 때문에 더욱 합금 첨가량을 증가시킬 하는 필요가 나와 코스트 상승의 요인으로 되기 때문에, 80㎜이하로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 60㎜이하이다.

[제조 방법]

다음에, 본 발명의 복합 용기 축압기 라이너용 강재의 제조 방법에 대해 설명한다. 이하의 설명에 있어서는 상기 강재가 이음매없는 강관인 경우를 예로 해서 제조 방법을 설명하겠지만, 마찬가지의 열 이력으로 되도록 처리를 실행하는 것에 의해, 다른 형상의 강재를 제조 가능한 것은 물론이다. 예를 들면, 강판의 경우에는 최종 마무리 압연 온도: 820℃이상의 조건에서 압연하고, 계속해서, 800∼350℃에 있어서의 평균 냉각 속도: 5℃/s이상의 조건에서 냉각하는 것에 의해, 마찬가지의 특성을 얻을 수 있다.

본 발명의 복합 용기 축압기 라이너용 강관은 다음의 (1)∼(3)의 공정을 순차 실행하는 것에 의해서 제조할 수 있다.

(1) 강 소재를 가열하는 가열 공정,

(2) 가열된 상기 강 소재를 압연, 확관하여 강관을 얻는 압연 확관 공정 및

(3) 상기 압연 확관 공정에서 얻어진 강관을 냉각하는 냉각 공정.

이하, 각 공정에 대해 설명한다. 또한, 이하의 가열 공정, 압연 확관 공정, 냉각 공정의 설명에 있어서의 온도는 특히 단정하지 않는 한, 강 소재 또는 강관의 표면에 있어서의 온도를 의미한다.

[가열 공정]

열간 압연을 실행하기 위해, 상기한 성분 조성을 갖는 강 소재를 가열한다. 상기 강 소재로서는 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, 통상의 연속 주조법에서 얻어지는 빌릿 등을 사용할 수 있다.

가열 공정에 있어서의 가열 온도가 1350℃를 넘으면, 구오스테나이트립의 평균 입경을 20㎛이하로 할 수 없기 때문에, 가열 온도는 1350℃이하로 한다. 한편, 가열 온도는 낮을수록 바람직하지만, 너무 낮으면 최종 공정까지 소재의 온도가 저하하고, 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 합계를 90%이상으로 하는 것이 곤란하게 된다. 그 때문에, 가열 온도를 950℃이상으로 하는 것이 바람직하다.

[압연 확관 공정]

다음에, 상기 가열 공정에서 가열된 강 소재를 압연, 확관해서 강관 형상으로 한다. 상기 압연에는 통상의 만네스만 플러그 밀 방식 또는 만네스만 맨드릴 밀 방식의, 천공 압연을 포함하는 열간 압연을 이용할 수 있다. 이 때, 확관 종료 온도가 820℃미만이면, 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 면적분율의 합계를 90%이상으로 하는 것이 곤란하게 된다. 그 때문에, 확관 종료 온도는 820℃이상으로 한다. 한편, 확관 종료 온도의 상한은 특히 한정되지 않지만, 온도가 너무 높으면 금속 조직이 불균일하게 되기 쉽기 때문에, 확관 종료 온도를 1200℃이하로 하는 것이 바람직하다.

[냉각 공정]

상기 압연 확관 공정에서 얻어진 강관은 다음에, 실온까지 냉각되지만, 그 때, 원하는 금속 조직을 얻기 위해, 냉각 속도를 제어할 필요가 있다. 강관의 긴쪽 방향 중앙부에 있어서의 온도: 800℃∼350℃에 있어서의 평균 냉각 속도가 5℃/s미만이면, 페라이트, 상부 베이나이트, 펄라이트 등, 마텐자이트 및 하부 베이나이트 이외의 조직이 생성되고, 최종 제품인 라이너의 피로 특성을 열화시킨다. 그 때문에, 본 발명의 1실시형태에 있어서는 800∼350℃에 있어서의 평균 냉각 속도를 5℃/s이상으로 한다. 단, 상술한 바와 같이, 강의 성분 조성이 (1)식의 관계를 만족시키는 경우에는 800∼350℃에 있어서의 평균 냉각 속도를 3℃/s이상으로 하면 원하는 조직을 얻을 수 있다. 또한, 강의 성분 조성이 (2)식의 관계를 만족시키는 경우에는 800∼350℃에 있어서의 평균 냉각 속도를 1℃/s이상으로 하면 원하는 조직을 얻을 수 있다. 냉각 방법은 특히 한정되지 않으며, 수랭, 유랭, 공랭 등, 임의의 방법을 단독 또는 조합해서 이용할 수 있지만, 고속 냉각과 담금질 깨짐 방지의 양립의 점에서는 유랭이 바람직하다.

실시예

다음에, 실시예에 의거하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명의 바람직한 일예를 나타내는 것이며, 본 발명은 해당 실시예에 의해서 하등 한정되는 것은 아니다.

표 1에 나타내는 성분 조성의 직경: 330㎜의 빌릿을 제작하고, 상기 빌릿을 외경: 370㎜로 압연 확관하여 강관을 얻었다. 제조 조건을 표 2에 나타낸다. 얻어진 강관의 각각에 대해, 금속 조직을 평가하였다. 평가 방법은 이하와 같다.

·구오스테나이트립의 평균 입경

구오스테나이트(γ) 입경은 강관의 긴쪽 방향 중앙부, 두께 1/4의 위치로부터 채취한 시험편의 단면을 포화 피크린산 수용액에 의해 에칭하여 구오스테나이트 결정립계를 출현시키고, 광학 현미경을 이용해서 촬영한 관찰 사진으로부터 절단법에 의해 구하였다.

·금속 조직

강관에 있어서의 금속 조직은 이하와 같이 해서 평가하였다. 강관의 긴쪽 방향 중앙부, 두께 1/4로부터 채취한 시험편의 단면을, 3vol% 나이탈 용액을 이용해서 에칭하였다. 그 후, 상기 단면을 1000∼5000배간의 적정한 배율로 주사형 전자현미경(SEM)을 이용해서 관찰하고, 얻어진 화상을 해석하여 조직의 종류 및 면적분율을 평가하였다. 또, 잔류 오스테나이트는 X선 회절 측정에 의해 측정하였다.

다음에, 상술한 바와 같이 해서 얻은 강관을 이용해서 라이너를 제작했을 때 어떤 특성으로 될지를 평가하기 위해, 실제로 라이너를 제조하고, 소둔 템퍼링을 실행한 후에, 금속 조직과 기계적 특성의 평가를 실행하였다. 라이너는 다음의 (a)∼(c)의 공정을 순차 실행하는 것에 의해 제조하였다.

(a) 강관을 성형, 가공하여 라이너 형상으로 하는 성형 공정

(b) 얻어진 라이너를 850℃로 가열하고, 해당 온도에서 120분 유지한 후, 소둔용의 오일에 침지하는 오일 소둔 공정 및

(c) 소둔 후의 라이너를 650℃에서 180분간 템퍼링하는 템퍼링 공정.

또한, 상기 (b) 및 (c)의 공정에 있어서의 온도는 라이너 긴쪽 방향 중앙부에 있어서의, 두께 중심부에 있어서의 온도이며, 라이너에 열전쌍을 매립해서 측정하였다.

얻어진 라이너의 평가를 실행함에 있어서, 구오스테나이트립의 평균 입경과 조직의 측정은 라이너의 긴쪽 방향 중앙부, 내면측의 표면으로부터 채취한 시험편의, 내면에서 두께 방향으로 5㎜ 이내의 부분에 대해, 상술한 강관의 평가와 마찬가지의 방법으로 실행하였다. 또, 다른 항목에 대한 평가는 이하의 방법으로 실행하였다. 또한, 특히 단정하지 않는 한, 라이너에 관한 평가, 측정은 모두 라이너의 긴쪽 방향 중앙부, 내측 표면부로부터 시험편을 채취해서 실행하였다. 측정 결과는 표 2에 나타낸 바와 같다.

·평균 블록 길이

마텐자이트 및 하부 베이나이트 조직에 있어서의 평균 블록 길이는 전자 후방 산란 패턴(Electron BackScattering Pattern:EBSP) 측정에 의거하여 결정하였다. 구오스테나이트립 3개 이상의 영역에 있어서 EBSP 측정을 실행하고, 블록을 특정하여, 그 긴쪽 방향의 길이의 평균값을 구하였다. 그 때, 상기 길이는 각 블록에 있어서의 (110)면에 평행한 방향의 최대 길이로 하고, 상기 평균은 산술 평균으로 하였다. 또한, 본 발명에서 호칭하는 블록은 대각 입계로 둘러싸이고, 또한 방위차 8°이상의 경계를 그 내부에 포함하지 않는 영역으로 정의한다.

·인장 강도(TS)

얻어진 라이너로부터, JIS Z 2201에 준하여 직경 7㎜의 환봉 시험편을 채취하고, 인장 강도를 측정하였다.

·피로 한계

피로 한계는 고압 수소 중에 있어서의 피로 시험에 의해 측정하였다. 라이너로부터 채취한 평가부 직경 7㎜의 시험편을 이용하여, 응력비: -1의 조건에서, 90MPa의 고압 수소 중에서 피로 시험을 실행하고, 반복 수 20만회에서 시험편이 파단하지 않는 한계 응력을 피로 한계으로 하였다.

·샤르피 흡수 에너지

샤르피 충격 시험을 JIS Z 2242에 준하여 실시하고, -30℃에서의 샤르피 흡수 에너지를 측정하였다. 시험편은 소재의 압연 방향에 평행하게 채취하고, V노치를 부여하였다. 시험은 3개의 시험편에 대해 실행하고, 그 평균값을 샤르피 흡수 에너지로 정의하였다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 성분 조성과 금속 조직이 본 발명의 조건을 만족시키는 강관을 이용해서 제조된 라이너(발명예)는 모두 800MPa이상의 충분한 인장 강도와, 350MPa이상의 우수한 피로 한계를 갖는 동시에, 상대적인 피로 강도의 지표인 (피로 한계/인장 강도)의 값이 0.47이상, 또한 -30℃의 샤르피 흡수 에너지에서 54J이상으로 극히 우수한 특성을 나타내었다. 이에 대해, 강의 성분 조성과 금속 조직의 적어도 한쪽이 본 발명의 조건을 만족시키지 않는 No.2, 4, 6, 14, 16, 17 및 18의 강관에 있어서는 해당 강관을 이용해서 제조된 라이너에 있어서의 (피로 한계/인장 강도)의 값이 모두 0.47미만이며, 피로 강도에 뒤떨어지는 것에 부가하여, 샤르피 흡수 에너지도 54J미만이며, 복합 용기 축압기 라이너로서의 성능에 뒤떨어지고 있었다.

이와 같이, 본 발명의 라이너용 강재, 강관을 이용해서 복합 용기 축압기 라이너를 제조하면, 충분한 강도와, 높은 피로 한계를 겸비한 라이너를 얻을 수 있다. 그러한 라이너를 사용해서 복합 용기 축압기을 제조하면, 라이너에 의해 많은 하중을 분담시킬 수 있기 때문에, CFRP의 사용량을 저감하고, 복합 용기 축압기를 더욱 저렴하게 제공할 수 있다.

[표 1]

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[표 2]

Claims

질량%로,
C:0.10∼0.60%,
Si:0.01∼2.0%,
Mn:0.1∼5.0%,
P:0.0005∼0.060%,
S:0.0001∼0.010%,
N:0.0001∼0.010% 및
Al:0.01∼0.06%를 함유하고,
Mo:0.005∼2.0%,
Cr:0.005∼3.0%의 어느 한쪽 또는 양쪽을 더 함유하고,
잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 구성된 성분 조성을 갖고, 또한,
상기 성분 조성이, 하기 (1)식의 관계를 만족시키고,
구오스테나이트립의 평균 입경이 20㎛이하, 또한 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 면적분율의 합계가 90%이상인 금속 조직을 갖고, 두께가 20mm이상인 복합 용기 축압기 라이너용 강관:
[Mn]+1.30×[Cr]+2.67×[Mo]+0.30×[Ni]≥2.30 …(1)
단, [M]은 원소 M의 함유량(질량%)을 나타내고, 원소 M을 함유하지 않는 경우에는 [M]=0으로 한다.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 성분 조성이 질량%로,
Ni:0.005∼3.0%를 더 함유하는 복합 용기 축압기 라이너용 강관.
삭제
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 성분 조성이, 또한 하기 (2)식의 관계를 만족시키는 복합 용기 축압기 라이너용 강관:
[Mn]+1.30×[Cr]+2.67×[Mo]+0.30×[Ni]≥3.00 …(2)
단, [M]은 원소 M의 함유량(질량%)를 나타내고, 원소 M을 함유하지 않는 경우에는 [M]=0으로 한다.
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복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법으로서,
제 1 항 또는 제 3 항에 기재된 성분 조성을 갖는 강 소재를 1350℃이하의 온도로 가열하는 가열 공정과,
가열된 상기 강 소재를, 확관 종료 온도: 820℃이상의 조건에서 압연, 확관하여 강관을 얻는 압연 확관 공정과,
상기 압연 확관 공정에서 얻어진 강관을, 800∼350℃에 있어서의 평균 냉각 속도: 3℃/s이상의 조건에서 냉각하는 냉각 공정을 갖고,
상기 복합 용기 축압기 라이너용 강관은 구오스테나이트립의 평균 입경이 20㎛이하, 또한 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 면적분율의 합계가 90%이상인 금속 조직을 갖고, 20㎜이상의 두께를 갖는 복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법.
복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법으로서,
제 5 항에 기재된 성분 조성을 갖는 강 소재를 1350℃이하의 온도로 가열하는 가열 공정과,
가열된 상기 강 소재를, 확관 종료 온도: 820℃이상의 조건에서 압연, 확관하여 강관을 얻는 압연 확관 공정과,
상기 압연 확관 공정에서 얻어진 강관을, 800∼350℃에 있어서의 평균 냉각 속도: 1℃/s이상의 조건에서 냉각하는 냉각 공정을 갖고,
상기 복합 용기 축압기 라이너용 강관은 구오스테나이트립의 평균 입경이 20㎛이하, 또한 마텐자이트 및 하부 베이나이트의 면적분율의 합계가 90%이상인 금속 조직을 갖고, 20㎜이상의 두께를 갖는 복합 용기 축압기 라이너용 강관의 제조 방법.