KR20240017368A - 오스테나이트계 스테인리스 강재 및 그 제조 방법 그리고 수소용 기기 - Google Patents

오스테나이트계 스테인리스 강재 및 그 제조 방법 그리고 수소용 기기 Download PDF

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KR20240017368A
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마사하루 하타노
미쓰키 마쓰모토
마나미 이카도
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닛테츠 스테인레스 가부시키가이샤
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    • C21D2211/001—Austenite

Abstract

화학 조성이 질량%로, C：0.20% 이하, Si：2.0% 이하, Mn：6.0~20.0%, P：0.060% 이하, S：0.0080% 이하, Cr：10.0~18.0%, Ni：4.0~12.0%, N：0.01~0.30%, Cu：4.0% 이하, Mo：3.0% 이하, 임의 원소, 잔부：Fe 및 불순물이고, A값이, 30.0~60.0이며, 표층의 금속 조직에 있어서, 대각 입계의 비율 Gs가 [0.1<Gs<0.6]을 만족하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.

Description

오스테나이트계 스테인리스 강재 및 그 제조 방법 그리고 수소용 기기
본 개시는, 오스테나이트계 스테인리스 강재 및 그 제조 방법 그리고 수소용 기기에 관한 것이다.
최근, 이산화탄소 등의 온실 효과 가스를 배출하지 않는 깨끗한 에너지로서, 수소 에너지가 주목받고 있다. 수소 에너지를 활용하는데 있어서, 수소를 제조한다, 저장한다, 수송한다고 하는 수소 관련 기술의 확립이 요구되고 있다.
한편, 수소 관련 기술의 확립에는 다양한 문제가 있다. 그 하나로서, 수소 취화의 문제가 있다. 수소 에너지는, 수소 가스를 연료원으로 하는 것이다. 이 때문에, 예를 들면, 수소 제조 장치, 저장 장치 등의 관련 장치에서, 금속 재료를 사용한 경우, 수소 가스에 기인하여, 재료가 취화하는, 이른바 수소 취화의 문제가 발생한다.
제조 비용, 강도, 내식성이라는 관점에서, 상기 관련 장치에 사용되는 금속 재료의 하나로서, 오스테나이트계 스테인리스 강이 있다. 그래서, 수소 취화를 억제하기 위해, 내수소 취화성을 높인 오스테나이트계 스테인리스 강이 개발되고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1 및 2에는, 저온에서의 내수소 취화 특성과 경제성이 우수한 고(高) Mn 오스테나이트계 스테인리스 강이 개시되어 있다. 특허문헌 1 및 2에 개시된 오스테나이트계 스테인리스 강은, 화학 조성을 소정량으로 조정함으로써, 경제성과 내수소 취화 특성을 향상시키고 있다.
또, 상술한 수소 관련 장치의 부재 또는 부품은, 냉간 가공을 실시하여, 가공 경화에 의해 강도를 높여 사용하는 경우가 있으며, 오스테나이트계 스테인리스 강 중에는, 냉간 가공 후에 내수소 취화성이 저하되는 케이스도 있다. 그래서, 특허문헌 3에는, 일정한 냉간 가공을 행한 경우여도, 양호한 내수소성을 갖는 내수소스프링용 스테인리스 강선이 개시되어 있다.
특허문헌 3에 개시된 강선에서는, Cr 함유량을 18% 이상, N 함유량을 0.3% 이상으로 조정함으로써, 내수소성을 높여, 냉간 가공을 행한 경우여도 양호한 내수소성을 실현시키고 있다. 또, 특허문헌 4에는, 냉간 가공에 상관없이, 고용화 처리 상태에서, 고내력, 고경도를 실현한 고압 수소용 오스테나이트계 스테인리스 강이 개시되어 있다. 특허문헌 4에 개시된 오스테나이트계 스테인리스 강에서는, 0.40~1.00%의 C를 함유하고, Cr 탄화물을 면적률로 23% 이상 존재시킴으로써, 고용화 처리 상태에서도, 높은 강도를 갖고, 내수소 취화 특성도 향상시키고 있다.
일본국 특허공개 2019-143227호 공보 일본국 특허공개 2019-143228호 공보 일본국 특허공개 2009-084597호 공보 일본국 특허공개 2018-135592호 공보
그러나, 상술한 특허문헌 1 및 2에 개시된 오스테나이트계 스테인리스 강에 있어서는, 냉간 가공 후의 내수소 취화성에 대해서, 어떠한 언급도 하고 있지 않다. 이 때문에, 이 특성에 대해서, 더욱 개선의 여지가 있다. 또, 특허문헌 3 및 4에 개시된 오스테나이트계 스테인리스 강에 있어서는, 일반적인 오스테나이트계 스테인리스 강과 비교하여, Cr 함유량, N 함유량, 및 C 함유량이 높아, 경제성 및 제조성의 관점에서, 더욱 개선의 여지가 있다.
따라서, 수소 관련 장치의 부재, 부품 등으로서 이용되는 오스테나이트계 스테인리스 강재에 있어서, 내수소 취화성과, 경제성을 양립시키는 것은 어렵다는 과제가 있다.
본 개시는, 상기의 과제를 해결하여, 내수소 취화성과, 경제성을 양립시킨 오스테나이트계 스테인리스 강재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시는, 상기의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 하기의 오스테나이트계 스테인리스 강재를 요지로 한다.
(1) 화학 조성이, 질량%로,
C：0.20% 이하,
Si：2.0% 이하,
Mn：6.0~20.0%,
P：0.060% 이하,
S：0.0080% 이하,
Cr：10.0~18.0%,
Ni：4.0~12.0%,
N：0.01~0.30%,
Cu：4.0% 이하,
Mo：3.0% 이하,
Al：0~0.20%,
Ca：0~0.01%,
B：0~0.01%,
Mg：0~0.01%,
Nb：0~1.0%,
Ti：0~1.0%,
V：0~1.0%,
W：0~2.0%,
Zr：0~1.0%,
Co：0~2.0%,
Ga：0~0.10%,
Hf：0~0.10%,
REM：0~0.10%,
잔부：Fe 및 불순물이고,
하기 (i) 식으로 산출되는 A값이 30.0~60.0이며,
표층의 금속 조직에 있어서, 대각 입계의 비율 Gs가 하기 (ii) 식을 만족하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
A값=3.2Mn＋0.7Cr＋6.2Ni＋38.7N＋4.8Cu＋9.3Mo-53 ···(i)
0.1＜Gs＜0.6 ···(ii)
단, 상기 (i) 식 중의 각 원소 기호는, 강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타내고, 함유되지 않는 경우는 제로로 하며, 상기 식 중의 각 기호는, 이하와 같이 정의된다.
Gs：대각 입계의 비율
(2) 비커스 경도가, 250~500HV1이며,
결정 구조에 있어서, 면적률로, 97% 이상이 fcc 구조인, 상기 (1)에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재.
(3) 상기 화학 조성이, 질량%로,
Al：0.01~0.20%,
Ca：0.001~0.01%,
B：0.0002~0.01%,
Mg：0.0002~0.01%,
Nb：0.01~1.0%,
Ti：0.01~1.0%,
V：0.01~1.0%,
W：0.01~2.0%,
Zr：0.01~1.0%,
Co：0.01~2.0%,
Ga：0.01~0.10%,
Hf：0.01~0.10%, 및
REM：0.01~0.10%
로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 상기 (1)에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재.
(4) 상기 화학 조성이, 질량%로,
Al：0.01~0.20%,
Ca：0.001~0.01%,
B：0.0002~0.01%,
Mg：0.0002~0.01%,
Nb：0.01~1.0%,
Ti：0.01~1.0%,
V：0.01~1.0%,
W：0.01~2.0%,
Zr：0.01~1.0%,
Co：0.01~2.0%,
Ga：0.01~0.10%,
Hf：0.01~0.10%, 및
REM：0.01~0.10%
로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 상기 (2)에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재.
(5) 고압 수소 가스 환경 하에서 이용되는, 상기 (1)에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재.
(6) 고압 수소 가스 환경 하에서 이용되는, 상기 (2)에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재.
(7) 고압 수소 가스 환경 하에서 이용되는, 상기 (3)에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재.
(8) 고압 수소 가스 환경 하에서 이용되는, 상기 (4)에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재.
(9) 상기 (1)~(8) 중 어느 하나에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재를 제조하는 제조 방법으로서,
용체화 처리를 행하는 공정과,
서브 제로 처리를 행하는 공정과,
냉간 가공을 행하는 공정을 갖는, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법.
(10) 상기 (1)~(8) 중 어느 하나에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재를 포함하는, 수소용 기기.
(11) 상기 수소용 기기가 탱크의 본체, 탱크의 구금, 라이너, 배관, 밸브, 또는 열교환기인, 상기 (10)에 기재된 수소용 기기.
본 개시에 의하면, 내수소 취화성과, 경제성을 양립시킨 오스테나이트계 스테인리스 강재를 얻을 수 있다.
본 발명자들은, 강도 및 내수소 취화성과, 경제성을 양립시킨 오스테나이트계 스테인리스 강재를 얻기 위해, 검토를 행하여, 이하의 (a)~(d)의 지견을 얻었다.
(a) 강도 및 신장률과, 고압 수소 가스 환경 하에 있어서의 내수소 취화성을 양립시키기 위해서는, 강재의 금속 조직을 fcc 구조로 하며, 또한 대각 입계의 비율을 제어하는 것이 유효하다. fcc 구조, 보다 구체적으로는, 오스테나이트 단상 금속 조직으로 하는 것은, bcc 구조인 마르텐사이트가 생성되면 수소 취화를 하기 쉬워지기 때문이다.
또, 상술한 대각 입계란, 결정립 내와의 방위차가 15~60°인 것이다. 통상의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 경우, 주로, 대각 입계가, 쌍정 계면이 된다. 그리고, 강재 제조 시의 냉간 가공에 의한 소성 변형에 있어서, 금속 조직 내의 변형 쌍정, 즉 대각 입계의 비율을 제어함으로써, 가공 경화에 의한 고강도가 된다. 덧붙여, 내수소 취화성을 향상시킬 수도 있다. 즉, 사용 환경 하에 있어서 소성 변형이 발생했다고 해도, 대각 입계를 기점으로 한 쌍정 변형이 되어, 대각 입계 구조를 유지할 수 있기 때문에, 내수소 취화성이 향상된다.
(b) 그래서, 쌍정에 의한 소성 변형을 발생시키기 위해서는, 강재에 있어서의 소성 변형의 양태의 지표인, A값을 제어하는 것이 효과적이다. A값을 제어함으로써, 대각 입계의 생성을 촉진할 수 있다. 또, 이로 인해, 소성 변형에 있어서의 변형 기구가, 주로 쌍정 변형이 된다. 한편, Ni, N, Cu, Mo와 같은 원소를 과도하게 함유시키면, 대각 입계의 생성이 억제되는 경우도 있다. 그 때문에, 강재의 화학 조성의 범위에 있어서, 경제성이 우수한 Mn의 함유량을 높여 A값을 제어하는 것이 유효하다.
(c) 이 결과, 사용 환경 하에 있어서, 대각 입계를 기점으로 한 쌍정 변형이 되어, 대각 입계 구조가 유지되고, 내수소 취화성도 유지된다. 또, 비커스 경도는, 고강도화의 시점에서 250HV1 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 고압 수소 가스 중에서 신장률의 저하를 억제하는, 즉 내수소 취화성을 확보하기 위해, 500HV1 이하로 하는 것이 바람직하다.
(d) 상술한 금속 조직으로 하기 위해서는, 강재 제조 공정에 있어서 용체화 처리 및 그 후의 냉간 가공이 필요해진다. 냉간 가공 시, 결정립 내에 상술한 대각 입계를 효율적으로 도입하여 가공 경화를 발현하기 위해, 서브 제로 처리를 실시한 후에 냉간 가공하는 것이 바람직하다. 서브 제로 처리는, 냉간 가공에 의한 소성 변형 시에 전위(轉位)의 교차 슬립을 억제하여 변형 쌍정을 촉진하는 작용이 있기 때문이다.
본 개시는 상기의 지견에 의거하여 이루어진 것이다. 이하, 본 개시의 일 실시 형태의 요건에 대해서 상세하게 설명한다.
1. 화학 조성
각 원소의 한정 이유는 하기와 같다. 또한, 이하의 설명에 있어서 함유량에 대한 「%」는, 「질량%」를 의미한다.
C：0.20% 이하
C는, 오스테나이트상의 안정화에 유효한 원소이며, 내수소 취화성을 향상시킨다. 그러나, C를 과잉으로 함유시키면, Cr계 탄화물이 입계 석출되는 것을 조장하여, 내후성 및 냉간 가공 후의 내수소 취화성을 저하시킨다. 이 때문에, C 함유량은, 0.20% 이하로 한다. C 함유량은, 0.15% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.10% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, C 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Si：2.0% 이하
Si는, 탈산에 유효한 원소이며, 내수소 취화성의 향상 및 고용 강화에 의한 강도의 향상에 기여한다. 그러나, Si를 과잉으로 함유시키면, σ상 등의 금속간 화합물의 생성을 조장하여, 냉간 가공성을 저하시킨다. 이 때문에, Si 함유량은 2.0% 이하로 한다. Si 함유량은, 1.5% 이하로 하는 것이 바람직하고, 1.0% 이하로 하는 것이 보다 바람직하며, 0.8% 이하로 하는 것이 더 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, Si 함유량은, 0.1% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Mn：6.0~20.0%
Mn은, 오스테나이트상을 안정화시켜, 냉간 가공 및 그 후의 변형 쌍정의 발현을 촉진하고, 강도 및 내수소 취화성의 향상에 기여하는 원소이다. 또, N의 고용 한도를 크게 하기 때문에, 고가의 Ni의 절감에 간접적으로 기여한다. 이 때문에, Mn 함유량은, 6.0% 이상으로 한다. Mn 함유량은, 7.0% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 8.0% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 그러나, Mn을 과잉으로 함유시키면, 수소 취화 감수성이 높은 ε상의 생성을 조장하여, 오히려 내수소 취화성을 저하시킨다. 이 때문에, Mn 함유량은, 20.0% 이하로 한다. Mn 함유량은, 17.0% 이하로 하는 것이 바람직하고, 15.0% 이하로 하는 것이 보다 바람직하며, 13.0% 이하로 하는 것이 더 바람직하고, 10.0% 이하로 하는 것이 한층 바람직하다.
P：0.060% 이하
P는, 불순물로서 강에 함유되는 원소이지만, 응고의 최종 과정에서 농화하여 강의 융점을 낮추고, 응고 균열(고온 균열)을 조장하는 경우가 있다. 또, P는, 강도를 저하시키는 경우가 있다. 또, P 함유량이 많으며, 또한 후술하는 마무리 냉간 압연율이 높은 경우에는, 내수소 취화성을 저하시키는 경우가 있다. 이 때문에, P 함유량은, 0.060% 이하로 한다. P 함유량은, 내고온 균열성 개선의 관점에서 0.030% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.025% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, P를 과잉으로 저감하면, 제조 비용의 증가로 이어진다는 점에서, P 함유량은, 0.005% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
S：0.0080% 이하
S는, 불순물로서 강에 함유되는 원소이며, P와 마찬가지로 응고 균열(고온 균열)을 조장하는 경우가 있다. 이 때문에, S 함유량은, 0.0080% 이하로 한다. S 함유량은, 0.0030% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.0020% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 그러나, S를 과잉으로 저감하면, 제조 비용이 증가한다. 이 때문에, S 함유량은, 0.0001% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Cr：10.0~18.0%
Cr은, 스테인리스 강에 있어서, 내식성을 향상시키기 위해 필요한 원소이다. 이 때문에, Cr 함유량은, 10.0% 이상으로 한다. Cr 함유량은, 13.0% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 14.0% 이상으로 하는 것이 더 바람직하다. 그러나, Cr은 페라이트 형성 원소이다. 이 때문에, Cr을 과잉으로 함유시키면, 오스테나이트상을 불안정화시켜, 내수소 취화성을 저하시킨다. 또, 냉간 가공성도 저하시킨다. 이 때문에, Cr 함유량은, 18.0% 이하로 한다. Cr 함유량은, 17.0% 이하로 하는 것이 바람직하고, 16.0% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
Ni：4.0~12.0%
Ni는, Mn과 마찬가지로, 오스테나이트상을 안정화시켜, 냉간 가공 및 그 후의 변형 쌍정의 발현을 촉진하고, 고강도화하는 것과 더불어, 내수소 취화성을 향상시킨다. 이 때문에, Ni 함유량은, 4.0% 이상으로 한다. Ni 함유량은, 6.0% 초과로 하는 것이 바람직하고, 6.2% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하며, 6.5% 이상으로 하는 것이 더 바람직하다. 그러나, 과잉으로 Ni를 함유시키면, 냉간 가공 후의 변형 쌍정을 억제하여, 강도 및 내수소 취화성의 저하를 초래한다. 이 때문에, Ni 함유량은, 12.0% 이하로 한다. Ni 함유량은, 10.0% 이하로 하는 것이 바람직하고, 9.0% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
N：0.01~0.30%
N은, Mn 및 Ni와 마찬가지로, 오스테나이트상을 안정화시켜, 냉간 가공 및 그 후의 변형 쌍정의 발현을 촉진하고, 고강도화하는 것과 더불어, 내수소 취화성을 향상시킨다. 이 때문에, N 함유량은, 0.01% 이상으로 한다. N의 효과를 적극적으로 이용하는 경우, N 함유량은, 0.10% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, N을 과잉으로 함유시키면, 블로우 홀 등, 내부 결함이 발생하는 경우가 있으며, 열간 가공성 및 냉간 가공성, 그리고 내수소 취화성을 저하시킨다. 이 때문에, N 함유량은 0.30% 이하로 한다. N 함유량은, 0.25% 이하로 하는 것이 바람직하다.
Cu：4.0% 이하
Cu는, 스크랩 등의 원료로부터 혼입되는 원소이며, 오스테나이트상을 안정화시켜, 내수소 취화성을 향상시킨다. 한편, 과잉으로 Cu를 함유시키면, 제조성에 더하여, 냉간 가공 후의 변형 쌍정의 형성을 억제하여, 강도 및 내수소 취화성을 저하시킨다. 이 때문에, Cu 함유량은, 4.0% 이하로 한다. Cu 함유량은, 3.0% 이하로 하는 것이 바람직하고, 2.3% 미만으로 하는 것이 보다 바람직하며, 1.5% 이하로 하는 것이 더 바람직하다. 또, Cu 함유량은, 1.0% 미만으로 하는 것이 한층 바람직하고, 0.9% 이하로 하는 것이 가장 바람직하다. 그러나, Cu를 과잉으로 저감하면, 용해 원료의 제약을 초래하여, 제조 비용이 증가한다. 이 때문에, Cu 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Mo：3.0% 이하
Mo는, 스크랩 등의 원료로부터 혼입되어, 내수소 취화성에 유효한 원소이다. 한편, 과잉으로 Mo를 함유시키면, δ페라이트상의 생성을 촉진하여 제조성을 저하시킨다. 또, 냉간 가공 후의 변형 쌍정의 형성을 억제하여, 강도 및 내수소 취화성을 저하시킨다. 이 때문에, Mo 함유량은 3.0% 이하로 한다. Mo 함유량은 2.0% 이하로 하는 것이 바람직하고, 1.0% 이하로 하는 것이 더 바람직하다. 그러나, Mo를 과잉으로 함유시키면, 용해 원료의 제약을 초래하여, 제조 비용이 증가한다. 이 때문에, Mo 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
상기의 원소에 더하여, 또한 Al, Ca, B, Mg, Nb, Ti, V, W, Zr, Co, Ga, Hf, 및 REM으로부터 선택되는 1종 이상을, 이하에 나타내는 범위에 있어서 함유시켜도 된다. 각 원소의 한정 이유에 대해서 설명한다.
Al：0~0.20%
Al은, 유효한 탈산 원소인 것에 더하여, 저융점 원소의 입계 편석을 억제하여, 입계를 강화하는 효과를 갖는다. 이 결과, 제조성 등이 향상되고, 냉간 가공성을 개선된다. 이 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, Al을 과잉으로 함유시키면, AlN을 석출시켜, 오히려 제조성이 저하된다. 또, N의 용해도를 저하시켜, 내수소 취화성이 저하된다. 그 때문에, Al 함유량은, 0.20% 이하로 한다. Al 함유량은, 0.10% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.08% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, Al 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Ca：0~0.01%
Ca는, 저융점 원소의 입계 편석을 억제하여, 입계를 강화하는 효과를 갖는다. 이 결과, 제조성 등이 향상되고, 냉간 가공성이 개선된다. 이 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, Ca를 과잉으로 함유시키면, 개재물의 형성에 의해 오히려, 제조성 및 내식성이 저하된다. 그 때문에, Ca 함유량은 0.01% 이하로 한다. Ca 함유량은, 0.005% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, Ca 함유량은, 0.001% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
B：0~0.01%
B는, 입계를 강화하여, 강도를 향상시킴과 더불어, 열간 가공성 및 냉간 가공성을 향상시킨다. 이 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, B를 과잉으로 함유시키면, 붕소 화합물(BN, BC, Cr2B)의 입계 석출을 촉진하여, 가공성 및 내식성을 저하시킨다. 그 때문에, B 함유량은, 0.01% 이하로 한다. B 함유량은, 0.005% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, B 함유량은, 0.0002% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Mg：0~0.01%
Mg는, 탈산 효과를 갖는 원소이며, 제조성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라, 함유시켜도 된다. 그러나, Mg를 과잉으로 함유시키면, 정련 등에 있어 제조성이 저하되어, 제조 비용이 증가한다. 그 때문에, Mg 함유량은, 0.01% 이하로 한다. Mg 함유량은, 0.005% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, Mg 함유량은, 0.0002% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.0005% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.
Nb：0~1.0%
Nb는, 탄질화물을 형성하고, 결정립을 미세화하여, 입계를 강화하는 효과를 갖는다. 이 결과, 강도의 향상에 기여한다. 이 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, Nb를 과잉으로 함유시키면, 고용 N 농도가 저하되어, 내수소 취화성 및 내후성의 저하를 초래함과 더불어, 열간 가공성 및 냉간 가공성이 저하된다. 그 때문에, Nb 함유량은, 1.0% 이하로 한다. Nb 함유량은, 0.50% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, Nb 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Ti：0~1.0%
Ti는, 탄질화물을 형성하고, 결정립을 미세화하여, 입계를 강화하는 효과를 갖는다. 이 결과, 강도를 향상시키는 효과를 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, Ti를 과잉으로 함유시키면, 고용 N 농도가 저하되어, 내수소 취화성 및 내후성이 저하됨과 더불어, 열간 가공성 및 냉간 가공성이 저하된다. 그 때문에, Ti 함유량은, 1.0% 이하로 한다. Ti 함유량은, 0.50% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, Ti 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
V：0~1.0%
V는, 강 중에 고용되거나, 또는 탄질화물로서 석출되어, 강도를 향상시키는 효과를 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, V를 과잉으로 함유시키면, 탄질화물이 과잉으로 형성되어, 열간 가공성 및 냉간 가공성이 저하된다. 그 때문에, V 함유량은, 1.0% 이하로 한다. V 함유량은, 0.50% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, V 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
W：0~2.0%
W는, 강도 및 내후성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, W를 과잉으로 함유시키면, 제조성 및 원료 비용이 증가하기 때문에, W 함유량은, 2.0% 이하로 한다. W 함유량은, 1.0% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, W 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Zr：0~1.0%
Zr은, 탈산 효과를 갖는다. 또, 내후성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, Zr을 과잉으로 함유시키면, 인성 및 가공성이 저하된다. 그 때문에, Zr 함유량은, 1.0% 이하로 한다. Zr 함유량은, 0.50% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, Zr 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Co：0~2.0%
Co는, 내식성을 향상시켜, 오스테나이트상을 안정화시키는 효과를 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, Co를 과잉으로 함유시키면, 제조 비용이 증가하기 때문에, Co 함유량은, 2.0% 이하로 한다. Co 함유량은, 1.0% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, Co 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Ga：0~0.10%
Ga는, 열간 가공성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라, 함유시켜도 된다. 그러나, Ga를 과잉으로 함유시키면, 제조성이 저하된다. 그 때문에, Ga 함유량은, 0.10% 이하로 한다. Ga 함유량은, 0.05% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, Ga 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Hf：0~0.10%
Hf는, 탈산 효과를 갖고, 용접성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라, 함유시켜도 된다. 그러나, Hf를 과잉으로 함유시키면, 정련 등 제조성이 저하된다. 그 때문에, Hf 함유량은, 0.10% 이하로 한다. Hf 함유량은, 0.05% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, Hf 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
REM：0~0.10%
REM은, 탈산 효과를 갖고, 제조성을 향상시키는 효과를 갖는다. 또, 내식성을 향상시키는 효과도 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, REM을 과잉으로 함유시키면, 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 오히려 정련 등으로 제조성이 저하된다. 그 때문에, REM 함유량은, 0.10% 이하로 한다. REM 함유량은, 0.05% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 효과를 얻기 위해서는, REM 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
REM은, Sc, Y 및 란타노이드의 합계 17원소를 가리키며, 상기 REM 함유량은 이들 원소의 합계 함유량을 의미한다. REM은, 공업적으로는, 미슈메탈의 형태로 첨가되는 경우가 많다.
본 실시 형태의 화학 조성에 있어서, 잔부는 Fe 및 불순물이다. 여기서 「불순물」이란, 오스테나이트계 스테인리스 강재를 공업적으로 제조할 때에, 광석, 스크랩 등의 원료, 제조 공정의 여러 가지 요인에 의해 혼입되는 성분이며, 본 실시 형태에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
A값
본 실시 형태의 강재의 화학 조성에 있어서는, 오스테나이트상의 안정도의 지표이며, 또한 소성 변형 기구의 지표인 A값을 30.0~60.0으로 한다. 또한, A값은, 하기 (i) 식으로 산출된다.
A값=3.2Mn＋0.7Cr＋6.2Ni＋38.7N＋4.8Cu＋9.3Mo-53 ···(i)
단, 상기 (i) 식 중의 각 원소 기호는, 강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타내며, 함유되지 않는 경우는 제로로 한다.
A값이 30.0 미만이면, 오스테나이트상의 안정성이 낮아, 가공 유기 마르텐사이트가 형성된다. 그 때문에, 결정 구조가 면심 입방정(fcc) 뿐만 아니라, 체심 입방정(bcc)인 결정립이 증가하여, 내수소 취화성이 저하된다. 이 때문에, A값은, 30.0 이상으로 한다. 내수소 취화성의 관점에서 A값은, 32.0 이상으로 하는 것이 바람직하고, 35.0 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.
그러나, A값이 60.0을 초과하면, 냉간 가공 후의 변형 쌍정의 발현이 억제되어, 고압 수소 가스 환경 하에 있어서, 강도 및 신장률의 저하를 초래한다. 이 결과, 내수소 취화성이 저하된다. 또, 원료 비용이 증가하여, 제조성의 저하로도 이어진다. 이 때문에, A값은, 60.0 이하로 한다. 냉간 가공 후의 강도, 경제성, 및 제조성의 관점에서, A값은, 50.0 이하로 하는 것이 바람직하다.
2. 대각 입계의 비율
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재에 있어서는, 금속 조직 중에서도 쌍정 변형에 영향을 주는 대각 입계의 비율을 이하의 범위로 한다. 구체적으로는, 표층의 금속 조직에 있어서, 대각 입계의 비율 Gs가 하기 (ii) 식을 만족한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서의 대각 입계란, 결정립 내와의 방위차가 15~60°의 범위에 있는 입계이다.
0.1＜Gs＜0.6 ···(ii)
상기 식 중의 각 기호는, 이하와 같이 정의된다.
Gs：대각 입계의 비율
상술한 Gs가 0.1 이하이면, 냉간 가공 후에 대각 입계를 기점으로 한 변형 쌍정의 형성을 촉진할 수 없다. 이 결과, 고압 수소 가스 환경 하에 있어서, 강도 및 신장률이 저하되고, 내수소 취화성이 저하된다. 이 때문에, 상기 Gs는 0.1 초과로 한다. 냉간 가공 후의 고강도와 내수소 취화성의 관점에서, 상기 Gs는, 0.20 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.30 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 상기 Gs가 0.6 이상이면, 냉간 가공 후의 변형 쌍정의 발현이 오히려 억제된다. 이 결과, 고압 수소 가스 환경 하에 있어서, 강도 및 신장률이 저하된다. 또, 냉간 가공 후에 있어서, 대각 입계를 기점으로 한 가공 유기 마르텐사이트의 생성을 유발하여, 내수소 취화성의 저하로도 이어진다. 이 때문에, 상기 Gs는, 0.6 미만으로 한다. 냉간 가공 후의 고강도와 내수소 취화성의 관점에서, 상기 Gs는, 0.5 이하로 하는 것이 바람직하다.
상기 Gs는, EBSP를 이용한 결정 방위 해석 시스템에 의해 측정할 수 있다. 구체적으로는, 냉간 가공면(압연면)에 수직인 방향에 있어서의 전체 두께를 t로 하고, 그 표면으로부터 t/4까지에서, 가공면(압연면)에 평행한 면을 하나 선택하여, 그 면에 대해서 경면 연마 마무리로 한다. 그 면을, 관찰면으로 하여 글로우 방전 발광 분석법(GDS)에 의해 EBSP 측정으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 예를 들면, t/8이며 또한 가공면(압연면)에 평행한 면에서 측정하면 된다.
예를 들면, GDS의 조건은, t/8이며 또한 가공면(압연면)에 평행한 면 등에서 측정한 경우, 출력 20W, 압력 600Pa의 펄스 스퍼터 모드로 하고, 스퍼터 깊이는 0.1μm 이하로 하는 것이 바람직하다. GDS를 사용함으로써, 냉간 가공된 강재에 있어서도 EBSP의 측정 정밀도를 유지할 수 있다. EBSP의 측정은 45μm×130μm의 영역을 커버하는 것이 바람직하다. 그 때의 관찰 배율은 2000으로 하는 것이 좋고, 적어도 1시야에 있어서 Gs가, 본 실시 형태의 범위를 만족하면 된다. 또한, Gs는, 결정 방위 해석 시스템의 결정 입계 맵 표시에 있어서, 결정립 내와의 방위차를 15~60°로 설정한 에어리어 프랙션(area fraction)법으로 계산할 수 있다. Gs는, CI값(신뢰성 지수)이 평균값으로 0.2 초과가 되는 관찰 시야의 수치를 채용하는 것이 바람직하다.
3. 비커스 경도
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 가공 경화되어 경도가 상승한다. 이 때문에, 비커스 경도는, 250~500HV1로 하는 것이 바람직하다. 비커스 경도가 250HV1 미만이면, 원하는 800MPa 이상의 강도를 얻기 어려워진다. 이 때문에, 비커스 경도는, 250HV1 이상으로 하는 것이 바람직하다. 강도 및 수소 취화성의 관점에서, 비커스 경도는, 300HV1로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 비커스 경도가 500을 초과하면, 인장 강도가 1700MPa를 초과하기 쉬워져, 재료의 신장률 자체도 크게 저하된다. 이 결과, 고압 수소 가스 환경 하에 있어서, 신장률을 유지하는 것도 곤란해진다.
또, 냉간 가공 그리고 그 후의 소성 변형에 있어서 가공 유기 마르텐사이트(체심 입방정：bcc)가 생성되어, 오스테나이트상(면심 입방정：fcc)의 비율이 감소하면, 내수소 취화성의 저하를 초래한다. 이 때문에, 비커스 경도는 500HV1 이하로 하는 것이 바람직하다. 내수소 취화성의 관점에서, 비커스 경도는, 450HV1 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 비커스 경도는, JIS Z 2244：2020에 준거하여, 이하의 조건으로 측정하면 된다. 구체적으로는, 단면의 수지 매입(埋入) 시료를 제작하고, t/2 부근에서 하중 1kg(9.8N)로 하여, 비커스 경도 시험기로 측정하면 된다. 또, 시험력의 유지 시간은 20초간 부하하면 된다.
4. 결정 구조
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재에 있어서는, 내수소 취화성의 저하를 억제하기 위해, 가공 후에 있어서의 가공 유기 마르텐사이트의 생성을 억제하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 결정 구조에 있어서, 면적률로, 97% 이상이 fcc 구조인 것이 바람직하다.
fcc 구조인 결정립의 면적률이 97% 미만이면, bcc 구조를 갖는 δ페라이트 및 가공 유기 마르텐사이트가 다량으로 생성되게 되어, 내수소 취화성의 관점에서 바람직하지 않다. 이 때문에, 면적률로, 97% 이상이 fcc 구조인 것이 바람직하다. 또한, δ페라이트에 대해서는, 일부, 불가피적으로 형성되는 경우가 있지만, 이러한 경우여도, bcc 구조인 결정립의 면적률이, 3% 미만이면, 내수소 취화성에 주는 영향이 작기 때문에, 허용할 수 있다.
결정 구조에 대해서는, 이하의 순서로 측정하면 된다. 구체적으로는, 상술한 EBSP의 측정면에 있어서 X선 회절을 행하고, fcc 구조의 입자와 bcc 구조의 입자의 면적률을 산출하면 된다. X선 회절의 조건은, CuKα선을 이용하고, 인가 전압을 40kv로 하며, 2θ를 30°≤2θ≤90°의 범위로 하면 된다.
5. 용도
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 고압 수소 환경 하에 있어서, 고강도화를 목적으로 한 경량화 및 컴팩트화가 요구되는 수소용 기기에 이용되는 것이 바람직하다. 수소용 기기란, 예를 들면, 수소 가스 및 액체 수소를 저장하는 탱크의 본체, 탱크의 구금, 라이너, 수소 가스의 유로가 되는 배관, 밸브, 및 열교환기 등이다.
6. 제조 방법
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 바람직한 제조 방법에 대해서 설명한다. 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 제조 방법에 상관없이, 상술한 구성을 갖고 있으면, 그 효과를 얻을 수 있는데, 예를 들면, 이하와 같은 제조 방법에 의해, 안정적으로 제조할 수 있다.
이하의 설명에서는, 간략화를 위해, 강재의 형상을, 강판으로 하여 설명하는데, 강재의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 판 형상, 막대 형상, 또는 관과 같은 형상을 생각할 수 있다. 각각의 형상에 따른 가공 방법을 선택하면 된다.
상술한 화학 조성으로 조정한 강을 상법에 따라 용제, 주조하여, 열간 압연에 제공하는 강편을 얻는다. 계속해서, 상법에 따라, 열간 압연을 행한다. 열간 압연 시의 조건은, 특별히 한정되지 않지만, 통상, 강편의 가열 온도는 1050~1250℃로 하고, 압연율은 20~99%의 범위인 것이 바람직하다. 열간 압연 후에는, 필요에 따라, 소둔, 산세를 실시해도 된다. 이 때의 소둔 온도는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 1050~1100℃의 범위로 하면 된다.
계속해서, 필요에 따라 냉간 압연 및 소둔을 행한다. 또한, 최종 마무리 냉간 압연 직전의 소둔을 용체화 처리라고 하며, 용체화 처리도 동일하게 행한다. 또, 필요에 따라 산세를 행한다. 냉간 압연은, 예를 들면, 압연율 20~90%의 범위에서 행하고, 그 후의 소둔은 1000~1150℃에서, 1~600초의 등온 유지를 하는 것이 바람직하다. 냉간 압연 및 소둔, 산세는 최종적으로 필요한 두께의 강재를 얻는 목적으로 복수 회 반복해도 상관없다.
가공 경화를 위한 최종 마무리 냉간 압연 직전에 용체화 처리를 행한다. 용체화 처리에서는, 1000~1150℃에서, 1~600초, 등온 유지하는 조건으로, 열처리를 행하는 것이 바람직하다. 용체화 처리 온도가 1000℃ 미만에서는, 재결정이 불충분해져, 최종 마무리 냉간 압연 시에 쌍정 변형에 의한 충분한 대각 입계가 도입되지 않기 때문에, Gs가 (ii) 식을 만족하기 어려워진다. 이 때문에, 용체화 처리 온도는, 1000℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 용체화 처리 온도가 1150℃를 초과하면, 결정립이 조대화(0.1mm 초과)하여, 상기와 마찬가지로 냉간 가공 후에 Gs가 (ii) 식을 만족하기 어려워진다. 이 때문에, 용체화 처리 온도는, 1150℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 용체화 처리 직후, 추가로 서브 제로 처리를 행함으로써, 그 후의 최종 마무리 냉간 압연 시에, 효과적으로 결정립 내에 대각 입계를 효율적으로 도입할 수 있어, Gs의 값을 높일 수 있다. 이 때문에, 서브 제로 처리를 행하는 것이 바람직하다. 서브 제로 처리란, 용체화 처리 온도로부터, 0℃ 이하까지 급랭하는 담금질 처리를 말한다. 급랭 시에는, JIS 규격의 HSZ에 준하여, 한제에 드라이아이스, 액체 질소, 탄산 가스를 사용한 액체법 또는 가스법에 의해 실시하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 최종 마무리 냉간 압연을 행하여, 가공 경화된 강재로 한다. 용체화 처리 후, 또는 그 후의 서브 제로 처리 후에, 최종 마무리 냉간 압연을 행함으로써, Gs의 값을 높여, 양호한 강도를 얻을 수 있다. 이 때문에, 용체화 처리 후 또는 서브 제로 처리 후에는, 압연율이 10~80%의 범위에서 최종 마무리 냉간 압연을 행하는 것이 바람직하다. 압연율이 10% 미만이면, 충분한 경도 및 강도를 얻을 수 없기 때문이다. 또, Gs의 값을 높이기 어렵다. 이 때문에, 최종 마무리 냉간 압연율은, 10% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
한편, 압연율이 80%를 초과하면, 강도가 너무 상승하여, 내수소 취화성이 저하된다. 또, 원하는 Gs의 값을 얻기 어려워진다. 이 때문에, 최종 마무리 냉간 압연율은, 80% 이하로 하는 것이 바람직하다. 경도를 300~450HV1의 범위로 하기 위해서는, 최종 마무리 냉간 압연율은, 20~70%의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한, 강판에 대해서, 예를 들어, 설명했는데, 예를 들면, 막대 형상 또는 관 형상의 강재이면, 감면율을 10~80%의 범위로 하면 된다. 즉, 냉간 가공율이 10~80%의 범위가 되도록 조정하면 된다. 또, 상기 범위의 조건 및 그 외의 조건을 조정하여, 금속 조직이 오스테나이트계 스테인리스 강이 되도록 제어하면 된다.
이하, 실시예에 의해 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재를 보다 구체적으로 설명하는데, 본 실시 형태는 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예
표 1에 나타내는 조성의 슬래브를 용제하고, 1200℃로 가열한 후, 열간 압연하여 두께 5.0mm의 열연판으로 했다. 다음에, 열연판을 1050~1100℃에서 소둔 및 산세한 후에, 2mm 두께까지 냉간 압연하여, 냉연판으로 했다. 그 후, 냉연판을 1050~1100℃에서, 30초 용체화 처리를 실시한 후 산세했다. 또한, 일부의 강판에 대해서는, 서브 제로 처리를 행했다. 서브 제로 처리는, 상술한 액체법으로 한제에 드라이아이스와 에탄올을 사용하여, 용체화 처리 온도로부터 -10℃까지 급랭했다. 그 후, 서브 제로 처리의 유무에 관계없이, 얻어진 강판을 10~80%의 범위에 있어서 최종 마무리 냉간 압연을 실시하여 0.4~1.8mm 두께의 공시재(오스테나이트계 스테인리스 강판)로 했다.
얻어진 공시재에 대해서, 이하의 순서에 의해, Gs의 산출, 경도, 결정 구조를 조사함과 더불어, 내수소 취화성을 평가했다.
(Gs의 산출)
다음에, 공시재에 대해서, t/8의 위치에서 압연면에 평행한 면에 있어서, 상술한 방법에 의해 시료 조정을 행하고, EBSP의 결정 방위 해석 시스템에 의해 Gs를 구했다. EBSP의 관찰 배율은 2000으로 하고, Gs는 CI값≥0.2의 시야로부터 얻어진 수치로 했다. Gs의 측정은, 상술한 조건으로 행했다.
(경도의 측정)
또, 공시재에 대해서, 단면의 수지 매입 시료를 제작하고, t/2 부근에서 하중 1kg(9.8N)로 하고, JIS Z 2244：2020에 준거하여, 경도 시험을 행했다. 시험에서는 비커스 경도 시험기를 이용하고, 시험력의 유지 시간을 20초로 했다.
(결정 구조의 동정)
결정 구조에 대해서는, EBSP의 측정면에 있어서 X선 회절을 행하고, fcc 구조의 입자와 bcc 구조의 입자의 면적률을 산출했다. X선 회절의 조건은, CuKα선을 이용하고, 인가 전압을 40kv로 하며, 2θ를 30°≤2θ≤90°의 범위로 했다. 또한, 표 2의 결과에 있어서는, bcc 구조의 결정립이 면적률로, 3% 초과였던 것에 대해서는, 「유」로 기재했다.
(내수소 취화성의 평가)
내수소 취화성에 대해서는, 이하의 순서로 측정을 행했다. 평행부 4mm 폭×20mm 길이의 인장 시험편을 채취했다. 계속해서, 상기 인장 시험편에 대해서, -40℃, 70MPa 수소 중 및 0.1MPa 질소 중에 있어서, 변형률 속도 10-5/s의 저변형률 속도 인장 시험(이하, 「SSRT 시험」이라고 기재한다.)을 행했다. SSRT 시험의 평가는, 인장 파단 강도와 인장 파단 신장률을 측정함으로써 행했다. 구체적으로는, 내수소 취화성은, 하기의 식으로 산출되는 수치를 이용하여 평가했다.
인장 파단 강도의 내수소 취성 평가값=(70MPa 수소 중의 인장 파단 강도)/(0.1MPa 질소 중의 인장 파단 강도)×100(%) ···(a)
인장 파단 신장률의 내수소 취성 평가값=(70MPa 수소 중의 인장 파단 신장률)/(0.1MPa 질소 중의 인장 파단 신장률)×100(%) ···(b)
상기 식으로부터 산출된 인장 파단 강도의 내수소 취성 평가값이 95% 이상 또한 인장 파단 신장률의 내수소 취성 평가값이 85% 이상인 경우를, 양호한 내수소 취화성을 갖는 것으로 하여 「양」으로 기재했다. 한편, 내수소 취성 평가값이 상기 수치에 못 미친 경우를 내수소 취화성이 불량인 것으로 하여 「불량」으로 기재했다. 또한, 인장 파단 강도의 내수소 취성 평가값이 95% 이상 또한 인장 파단 신장률의 내수소 취성 평가값이 100% 이상인 경우를, 내수소 취화성이 특히 우수한 것으로 하여 「우」로 기재했다. 이하, 결과를 정리하여, 표 2에 나타낸다.
본 실시 형태의 화학 조성, A값, 및 Gs를 만족하는 공시재 No.1~12는, 목표로 하는 내수소 취화성이 얻어졌다. 특히, No.1~4, 7, 11, 12는, 본 실시 형태의 바람직한 경도와 결정 구조를 갖고, 내수소 취화성은 특히 우수한 「우」가 되었다. 내수소 취화성이 「우」인 No.1~4는, 본 실시 형태의 바람직한 범위의 화학 조성과 A값을 만족했다. No.7, 11, 12는, 본 실시 형태가 바람직한 화학 조성과 A값으로부터 벗어나지만, 서브 제로 처리에 의해 Gs를 높여 내수소 취화성이 「우」로 향상되었다. 또한, No.9는, 비교적 P 함유량이 많아, 본 실시 형태의 바람직한 화학 조성으로부터 벗어나지만, 마무리 냉간 압연율이 낮아, 내수소 취화성은, 「우」를 유지한 한편, 경도는 저하되었다. 또, No.10은, No.9와 마찬가지로, P 함유량이 비교적 높고, 또한 마무리 냉간 압연율이 높았기 때문에, 경도는 증가했지만, 내수소 취화성은 「양」이 되었다.
한편, No.13~18은 화학 조성, No.19, 20은, 화학 조성 중에서도 A값에 있어서 본 실시 형태의 요건을 만족하지 않았다. 이 때문에, 서브 제로 처리를 실시해도, 내수소 취화성이 저하되었다. 또, No.21 및 No.22는, 바람직한 마무리 냉간 압연율의 범위를 만족하지 않았기 때문에, Gs의 값이 과잉으로 상승 또는 저하되어, 내수소 취화성도 저하되었다.
(부기)
(1) 화학 조성이, 질량%로,
C：0.20% 이하,
Si：2.0% 이하,
Mn：6.0~20.0%,
P：0.060% 이하,
S：0.0080% 이하,
Cr：10.0~18.0%,
Ni：4.0~12.0%,
N：0.01~0.30%,
Cu：4.0% 이하,
Mo：3.0% 이하,
Al：0~0.20%,
Ca：0~0.01%,
B：0~0.01%,
Mg：0~0.01%,
Nb：0~1.0%,
Ti：0~1.0%,
V：0~1.0%,
W：0~2.0%,
Zr：0~1.0%,
Co：0~2.0%,
Ga：0~0.10%,
Hf：0~0.10%,
REM：0~0.10%,
잔부：Fe 및 불순물이고,
하기 (i) 식으로 산출되는 A값이 30.0~60.0이며,
표층의 금속 조직에 있어서, 대각 입계의 비율 Gs가 하기 (ii) 식을 만족하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
A값=3.2Mn＋0.7Cr＋6.2Ni＋38.7N＋4.8Cu＋9.3Mo-53 ···(i)
0.1＜Gs＜0.6 ···(ii)
단, 상기 (i) 식 중의 각 원소 기호는, 강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타내고, 함유되지 않는 경우는 제로로 하며, 상기 식 중의 각 기호는, 이하와 같이 정의된다.
Gs：대각 입계의 비율
(2) 비커스 경도가, 250~500HV1이며,
결정 구조에 있어서, 면적률로, 97% 이상이 fcc 구조인, 상기 (1)에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재.
(3) 상기 화학 조성이, 질량%로,
Al：0.01~0.20%,
Ca：0.001~0.01%,
B：0.0002~0.01%,
Mg：0.0002~0.01%,
Nb：0.01~1.0%,
Ti：0.01~1.0%,
V：0.01~1.0%,
W：0.01~2.0%,
Zr：0.01~1.0%,
Co：0.01~2.0%,
Ga：0.01~0.10%,
Hf：0.01~0.10%, 및
REM：0.01~0.10%
로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재.
(4) 고압 수소 가스 환경 하에서 이용되는, 상기 (1)~(3) 중 어느 하나에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재.
(5) 상기 (1)~(4) 중 어느 하나에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재를 제조하는 제조 방법으로서,
용체화 처리를 행하는 공정과,
서브 제로 처리를 행하는 공정과,
냉간 가공을 행하는 공정을 갖는, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법.
(6) 상기 (1)~(4) 중 어느 하나에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재를 포함하는 수소용 기기.
(7) 상기 수소용 기기가 탱크의 본체, 탱크의 구금, 라이너, 배관, 밸브, 또는 열교환기인, 상기 (6)에 기재된 수소용 기기.
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 고강도와 내수소 취화성을 모두 구비하고, 고압 수소 가스 환경 하에서 냉간 가공을 실시하여 이용되는 강판, 막대, 관으로서 적합하다. 또, 고강도화에 의한 경량화나 컴팩트화가 요구되는 수소용 기기로의 적용이 바람직하다. 본 실시 형태의 강재는 냉간 가공에 의한 고강도화, 그에 따른 수소용 기기나 부품의 박육·경량화에 기여할 수 있다.

Claims (11)

  1. 화학 조성이, 질량%로,
    C：0.20% 이하,
    Si：2.0% 이하,
    Mn：6.0~20.0%,
    P：0.060% 이하,
    S：0.0080% 이하,
    Cr：10.0~18.0%,
    Ni：4.0~12.0%,
    N：0.01~0.30%,
    Cu：4.0% 이하,
    Mo：3.0% 이하,
    Al：0~0.20%,
    Ca：0~0.01%,
    B：0~0.01%,
    Mg：0~0.01%,
    Nb：0~1.0%,
    Ti：0~1.0%,
    V：0~1.0%,
    W：0~2.0%,
    Zr：0~1.0%,
    Co：0~2.0%,
    Ga：0~0.10%,
    Hf：0~0.10%,
    REM：0~0.10%,
    잔부：Fe 및 불순물이고,
    하기 (i) 식으로 산출되는 A값이 30.0~60.0이며,
    표층의 금속 조직에 있어서, 대각 입계의 비율 Gs가 하기 (ii) 식을 만족하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
    A값=3.2Mn＋0.7Cr＋6.2Ni＋38.7N＋4.8Cu＋9.3Mo-53 ···(i)
    0.1＜Gs＜0.6 ···(ii)
    단, 상기 (i) 식 중의 각 원소 기호는, 강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타내고, 함유되지 않는 경우는 제로로 하며, 상기 식 중의 각 기호는, 이하와 같이 정의된다.
    Gs：대각 입계의 비율
  2. 청구항 1에 있어서,
    비커스 경도가, 250~500HV1이며,
    결정 구조에 있어서, 면적률로, 97% 이상이 fcc 구조인, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학 조성이, 질량%로,
    Al：0.01~0.20%,
    Ca：0.001~0.01%,
    B：0.0002~0.01%,
    Mg：0.0002~0.01%,
    Nb：0.01~1.0%,
    Ti：0.01~1.0%,
    V：0.01~1.0%,
    W：0.01~2.0%,
    Zr：0.01~1.0%,
    Co：0.01~2.0%,
    Ga：0.01~0.10%,
    Hf：0.01~0.10%, 및
    REM：0.01~0.10%
    로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 화학 조성이, 질량%로,
    Al：0.01~0.20%,
    Ca：0.001~0.01%,
    B：0.0002~0.01%,
    Mg：0.0002~0.01%,
    Nb：0.01~1.0%,
    Ti：0.01~1.0%,
    V：0.01~1.0%,
    W：0.01~2.0%,
    Zr：0.01~1.0%,
    Co：0.01~2.0%,
    Ga：0.01~0.10%,
    Hf：0.01~0.10%, 및
    REM：0.01~0.10%
    로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
  5. 청구항 1에 있어서,
    고압 수소 가스 환경 하에서 이용되는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
  6. 청구항 2에 있어서,
    고압 수소 가스 환경 하에서 이용되는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
  7. 청구항 3에 있어서,
    고압 수소 가스 환경 하에서 이용되는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
  8. 청구항 4에 있어서,
    고압 수소 가스 환경 하에서 이용되는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재를 제조하는 제조 방법으로서,
    용체화 처리를 행하는 공정과,
    서브 제로 처리를 행하는 공정과,
    냉간 가공을 행하는 공정을 갖는, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재를 포함하는, 수소용 기기.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 수소용 기기가 탱크의 본체, 탱크의 구금, 라이너, 배관, 밸브, 또는 열교환기인, 수소용 기기.
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