WO2017047099A1 - 高圧水素ガス中の耐水素脆化特性に優れた水素用鋼構造物およびその製造方法 - Google Patents

高圧水素ガス中の耐水素脆化特性に優れた水素用鋼構造物およびその製造方法 Download PDF

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彰英 長尾
▲高▼木　周作
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    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen steel structure having excellent hydrogen embrittlement resistance in a high-pressure hydrogen environment, a hydrogen steel structure such as a hydrogen line pipe, and a method for producing the same.
  • Fuel cell vehicles run with hydrogen stored in tanks instead of gasoline, so in order to spread fuel cell vehicles, a hydrogen station that refuels instead of a gas station is required.
  • hydrogen is filled from a hydrogen accumulator, which is a container for storing hydrogen at a high pressure, into an on-vehicle hydrogen fuel tank.
  • the maximum filling pressure in the on-vehicle hydrogen tank is currently 35 MPa, but in order to make the cruising range comparable to that of a gasoline vehicle, it is desired that the maximum filling pressure be 70 MPa. And it is required to store and supply hydrogen safely in such a high-pressure hydrogen environment.
  • the pressure of the hydrogen pressure accumulator at the hydrogen station is currently 40 MPa, but when the maximum filling pressure is increased to 70 MPa, the pressure of the hydrogen pressure accumulator at the hydrogen station is required to be 80 MPa. That is, the hydrogen pressure accumulator of the hydrogen station is exposed to an 80 MPa environment.
  • Patent Document 1 discloses a high-pressure hydrogen environment that suppresses embrittlement due to diffusible hydrogen by using MnS, Ca-based inclusions, or VC as non-diffusible hydrogen as a trap site for hydrogen in steel. Steel has been proposed.
  • Patent Documents 2 and 3 describe a high-pressure hydrogen environment embrittlement resistance in which the tensile strength is controlled to an extremely narrow range of 900 to 950 MPa by performing tempering treatment at a relatively high temperature in the tempering treatment of Cr—Mo steel.
  • a low-alloy high-strength steel excellent in the above has been proposed.
  • Patent Document 4 proposes a low-alloy steel for high-pressure hydrogen environment in which hydrogen-environment embrittlement characteristics are improved by utilizing V-Mo-based carbides and increasing the tempering temperature.
  • Patent Document 5 Mo and V are added in a large amount, and by applying a long-time stress relief annealing after the normalizing treatment at the time of manufacturing the steel sheet, it is excellent in hydrogen resistance in which a large amount of (Mo, V) C is precipitated. Steel for high-pressure hydrogen gas storage containers has been proposed.
  • Patent Document 6 proposes a technique for suppressing hydrogen embrittlement by reducing the amount of hydrogen intrusion by refinement of cementite and improving the base material toughness.
  • Patent Document 7 proposes a technique for suppressing hydrogen embrittlement by suppressing the formation of coarse cementite and island martensite (MA), thereby suppressing hydrogen intrusion and ductility reduction.
  • MA coarse cementite and island martensite
  • hydrogen steel pipes such as hydrogen line pipes used in hydrogen pipelines, which are not always in a high-pressure hydrogen environment as high as hydrogen accumulators in the future, will have the same level as hydrogen accumulators in the future. It is thought that ensuring safety is required.
  • the present invention was developed in view of the above-mentioned present situation, and is a hydrogen pressure accumulator that exhibits excellent hydrogen embrittlement resistance by lowering the fatigue crack growth rate in a high-pressure hydrogen environment than conventional steel.
  • An object of the present invention is to provide a steel structure for hydrogen such as a hydrogen line pipe and an advantageous manufacturing method thereof.
  • the present inventors have carefully examined the hydrogen embrittlement resistance in high-pressure hydrogen gas of a hydrogen steel structure having various structural forms, (1) Optimizing the addition amount of V and Mo and the atomic ratio thereof; (2) Or, by optimizing the addition amount of Ti and Mo and the atomic ratio thereof, the hydrogen embrittlement resistance in high-pressure hydrogen gas can be improved as compared with the conventional materials, and as a result, We obtained knowledge that hydrogen steel structures such as hydrogen accumulators and hydrogen line pipes with excellent hydrogen embrittlement characteristics can be obtained.
  • the present invention has been completed after further studies based on the above-mentioned new findings.
  • the gist configuration of the present invention is as follows. 1. In mass%, C: 0.02 to 0.50%, Si: 0.05 to 0.50%, Mn: 0.5 to 2.0%, P: 0.05% or less, S: 0.01 % Or less, Al: 0.01 to 0.10%, N: 0.0005 to 0.008%, and O: 0.01% or less, and V and Mo are further added to V: 0.05 to 0.00.
  • a steel structure for hydrogen excellent in hydrogen embrittlement resistance in a high-pressure hydrogen gas having a steel composition and a composite fine carbide composed of V and Mo having an average particle diameter of 1 to 20 nm.
  • C 0.02 to 0.50%
  • Si 0.05 to 0.50%
  • Mn 0.5 to 2.0%
  • P 0.05% or less
  • S 0.01 %: Al: 0.01 to 0.10%
  • N 0.0005 to 0.008%
  • O 0.01% or less
  • Ti and Mo Ti: 0.02 to 0.00. 12%
  • Mo 0.02 to 0.48%
  • Ti atom number / Mo atom number in a range satisfying 0.5 to 2.0, with the balance being Fe and inevitable impurities
  • a steel structure for hydrogen that has a steel composition and is excellent in hydrogen embrittlement resistance in high-pressure hydrogen gas in which the composite fine carbide composed of Ti and Mo has an average particle diameter of 1 to 20 nm.
  • Nd 0.005 to 1.0%
  • Ca 0.0005 to 0.005%
  • Mg 0.0005 to 0.005%
  • REM 0.0005 to 0.005% 4.
  • a method for producing a steel structure for hydrogen according to any one of 1 to 5 The steel material having the steel composition described in any one of 1 to 4 above is heated to the Ac 3 transformation point or higher, and after hot rolling, from the temperature above the Ar 3 transformation point to a cooling rate of 1 to 200 ° C./s.
  • a method for producing a steel structure for hydrogen excellent in hydrogen embrittlement resistance in high-pressure hydrogen gas quenched to 250 ° C. or lower and then tempered at a temperature of 600 ° C. or higher and below the Ac 1 transformation point.
  • a method for producing a steel structure for hydrogen according to any one of 1 to 5 The steel material having the steel composition described in any one of 1 to 4 above is formed into a predetermined shape, and then heated to the Ac 3 transformation point or higher, and then the cooling rate is 0.5 to 100 ° C. from the temperature above the Ar 3 transformation point.
  • a steel structure for hydrogen such as a hydrogen accumulator or a hydrogen line pipe, which is extremely superior in hydrogen embrittlement resistance in high-pressure hydrogen gas, and is extremely useful industrially.
  • the steel structure for hydrogen of the present invention comprises V and Mo in terms of mass%, V: 0.05 to 0.30%, Mo: 0.05 to 1.13%, and the number of V atoms / Mo atoms.
  • the tempering temperature in the quenching and tempering process is set to 600 ° C. or more and the Ac 1 transformation point or less, or Ti and Mo are contained in a mass% of Ti: 0.00.
  • the tempering temperature in the quenching and tempering process is 02 to 0.12%, Mo is contained in the range of 0.02 to 0.48%, and the number of Ti atoms / the number of Mo atoms satisfies 0.5 to 2.0.
  • V and Mo are added by the quenching and tempering treatment as described above, fine precipitates mainly of (V, Mo) C composition are added as composite carbide composed of V and Mo, and Ti and Mo are added.
  • fine precipitates having a composition of (Ti, Mo) C are mainly produced as composite fine carbides composed of Ti and Mo.
  • the addition amount of V and Mo and their atomic ratio, or the addition amount of Ti and Mo and their atomic ratio fine precipitates that effectively trap hydrogen are dispersed, As a result, the hydrogen embrittlement resistance in high-pressure hydrogen gas can be improved as compared with the conventional material, and excellent hydrogen embrittlement resistance can be exhibited.
  • the hydrogen trap effect by such fine precipitates is more effective as the atomic ratio of V and Mo or the atomic ratio of Ti and Mo is closer to 1, and preferably the number of atoms of V / the number of atoms of Mo.
  • the number of Ti atoms / the number of Mo atoms is in the range of 0.75 to 1.75, and more preferably in the range of 0.9 to 1.1.
  • the size and number density of fine precipitates are also important factors for hydrogen embrittlement resistance. That is, the average particle size of the fine precipitates needs to be 1 to 20 nm, preferably 1 to 10 nm, more preferably 1 to 5 nm. If the average particle size of the fine precipitate is smaller than 1 nm, the interface area between the precipitate and the mother phase is small, and the effect of the hydrogen trap is small. On the other hand, when the average particle size of the fine precipitates exceeds 20 nm, the consistency with the parent phase is lost, resulting in inconsistent precipitation, and in this case, the effect of the hydrogen trap is reduced.
  • the number density of fine precipitates is preferably 50/100 ⁇ m 2 or more by TEM observation of the extracted replica, whereby a high hydrogen trap effect can be obtained. More preferably 50/10 [mu] m 2 or more, more preferably in the range of 50 / [mu] m 2 or more.
  • a quenching and tempering process is indispensable for the production of fine precipitates as described above, and a desired fine precipitate cannot be obtained unless the tempering temperature is set to 600 ° C. or higher and the Ac 1 transformation point or lower.
  • the addition amounts of V and Mo are 0.25 mass% and 0.45 mass%, respectively, and the number of V atoms / the number of Mo atoms: 1.0. Although it is within the specified range of V and Mo of the invention, since tempering conditions are not described, it is unclear whether fine precipitates for trapping hydrogen are generated in an appropriate size and number density.
  • the steel structure for hydrogen having excellent hydrogen embrittlement resistance in high-pressure hydrogen gas is a low strain rate tensile test (Slow Strain Rate Test: SSRT) as described later. It means a steel structure for hydrogen that does not drop significantly from the throttle in the inside, and representative examples of the structure include a hydrogen line pipe and a hydrogen pressure accumulator.
  • the hydrogen line pipe which is the steel structure for hydrogen of the present invention is a seamless type or UOE type steel pipe, and the hydrogen pressure is 5 MPa or more.
  • the hydrogen pressure accumulator which is the steel structure for hydrogen of the present invention is a pressure accumulator used in a hydrogen station or the like, for example, a type using only type 1 steel, or type 2 and type
  • a carbon fiber reinforced plastic Carbon Fiber Reinforced Plastic: CFRP
  • Type 1, Type 2, and Type 3 are the standards for compressed natural gas vehicle fuel containers, ISO 11439, ANSI / NGV, High Pressure Gas Safety Law, Container Safety Regulations, Example Standard Attachment 9, etc. It is a division about the structure.
  • the pressure of hydrogen stored is about 35 MPa or about 70 MPa.
  • C 0.02 to 0.50% C is contained in order to ensure moderate hardenability, but if it is less than 0.02%, the effect is insufficient, while if it exceeds 0.50%, the toughness of the base metal and the weld heat affected zone deteriorates. In addition, the weldability is significantly deteriorated. Therefore, the C content is limited to a range of 0.02 to 0.50%.
  • Si 0.05 to 0.50% Si is contained as a deoxidizer in the steelmaking stage and as an element for ensuring hardenability. However, if it is less than 0.05%, its effect is insufficient. On the other hand, if it exceeds 0.50%, the grain boundary becomes brittle, and the temperature is low. Degradation of toughness. Therefore, the Si content is limited to a range of 0.05 to 0.50%.
  • Mn 0.5 to 2.0% Mn is contained as an element for ensuring hardenability. However, if it is less than 0.5%, the effect is insufficient. On the other hand, if it exceeds 2.0%, the grain boundary strength is lowered and the low-temperature toughness is deteriorated. . Therefore, the amount of Mn is limited to the range of 0.5 to 2.0%.
  • P 0.05% or less P, which is an impurity element, easily segregates at the grain boundaries, and if it exceeds 0.05%, the bonding strength of adjacent crystal grains is lowered and the low-temperature toughness is degraded. Therefore, the P amount is suppressed to 0.05% or less.
  • S 0.01% or less S, which is an impurity element, easily segregates at the grain boundaries and easily generates MnS, which is a non-metallic inclusion.
  • S 0.01% or less S, which is an impurity element, easily segregates at the grain boundaries and easily generates MnS, which is a non-metallic inclusion.
  • MnS which is a non-metallic inclusion.
  • the amount of S exceeds 0.01%, the bonding strength of adjacent crystal grains decreases, the amount of inclusions increases, and the low temperature toughness deteriorates. Therefore, the amount of S is suppressed to 0.01% or less.
  • Al 0.01 to 0.10%
  • Al is not only useful as a deoxidizer, but also forms fine precipitates of Al-based nitrides, which have the effect of pinning austenite grains during heating and suppressing grain coarsening.
  • the content is less than 0.01%, the effect is not sufficient.
  • the content exceeds 0.10%, surface flaws of the steel sheet tend to occur. Therefore, the Al content is limited to a range of 0.01 to 0.10%.
  • N 0.0005 to 0.008% N forms fine precipitates by forming nitrides with Nb, Ti, Al, etc., and this improves the low temperature toughness by pinning austenite grains during heating, thereby suppressing grain coarsening Add to have.
  • the content is less than 0.0005%, the effect of refining the structure is not sufficiently brought about.
  • the content exceeds 0.008%, the amount of solute N increases. Impairs toughness. Therefore, the N content is limited to a range of 0.0005 to 0.008%.
  • O 0.01% or less O forms an oxide with Al or the like, thereby adversely affecting the workability of the material.
  • the content exceeds 0.01%, inclusions increase and workability is impaired. Therefore, the amount of O is suppressed to 0.01% or less.
  • V and Mo are V: 0.05 to 0.30%, Mo: 0.05 to 1.13%, and the number of V atoms / the number of Mo atoms is 0. .6 to 2.0 or Ti and Mo are contained in a mass% of Ti: 0.02 to 0.12%, Mo: 0.02 to 0.48%, The number of atoms / the number of Mo atoms is in a range satisfying 0.5 to 2.0.
  • the V content is in the range of 0.05 to 0.30%
  • the Mo content is in the range of 0.05 to 1.13%
  • the atomic ratio of V / Mo is 0.6 to 2.0. It is necessary to control the range. If the amount of V and Mo is less than the lower limit, the amount of fine precipitates trapping hydrogen is small and sufficient hydrogen embrittlement suppression effect cannot be obtained, while if the upper limit is exceeded, hydrogen such as low temperature toughness decreases. Problems other than brittleness arise. Further, if the ratio of the number of atoms of V / the number of atoms of Mo is less than 0.6, expensive Mo is excessive, so that the manufacturing cost is unnecessarily large. On the other hand, if it exceeds 2.0, expensive V is excessive. Therefore, there is a disadvantage in terms of manufacturing cost.
  • Ti and Mo also form fine precipitates effective for trapping hydrogen, thereby improving the hydrogen embrittlement resistance in high-pressure hydrogen gas, resulting in excellent hydrogen embrittlement resistance Can do.
  • the Ti amount is in the range of 0.02 to 0.12%
  • the Mo amount is in the range of 0.02 to 0.48%
  • the Ti atom / Mo atomic ratio is 0.5 to 2.0. It is necessary to control the range. If the amount of Ti and Mo is less than the lower limit, the amount of fine precipitates trapping hydrogen is small and sufficient hydrogen embrittlement suppression effect cannot be obtained, while if the upper limit is exceeded, hydrogen such as low temperature toughness decreases.
  • the balance of the above-described component composition is Fe and inevitable impurities.
  • the elements described below can be further appropriately contained depending on desired characteristics.
  • Cu 0.05 to 1.0% Cu has the effect
  • Ni 0.05 to 12.0% Ni not only has the effect of improving the hardenability like Cu, but also has the effect of improving toughness. However, if the content is less than 0.05%, the effect is not sufficient. On the other hand, if the content exceeds 12.0%, the hydrogen embrittlement resistance deteriorates. Therefore, when Ni is included, it is included in the range of 0.05 to 12.0%.
  • Cr 0.1 to 2.5% Cr is useful as an element for ensuring hardenability, but if its content is less than 0.1%, its effect is insufficient, while if it exceeds 2.5%, weldability deteriorates. Therefore, when Cr is contained, it is contained in the range of 0.1 to 2.5%.
  • Nb 0.005 to 0.1%
  • Nb not only has the effect of improving hardenability, but also forms fine precipitates of Nb-based carbonitrides, which have the effect of pinning austenite grains during heating and suppressing grain coarsening.
  • the content is less than 0.005%, the effect is insufficient.
  • the toughness of the weld heat affected zone is deteriorated. Therefore, when Nb is contained, it is contained in the range of 0.005 to 0.1%.
  • W 0.05-2.0% W has an effect of improving hardenability, but if its content is less than 0.05%, its effect is insufficient, while if it exceeds 2.0%, weldability deteriorates. Therefore, when W is contained, it is contained in the range of 0.05 to 2.0%.
  • B 0.0005 to 0.005%
  • B is contained as an element for ensuring hardenability. However, if the content is less than 0.0005%, the effect is insufficient, and if it exceeds 0.005%, the toughness is deteriorated. Therefore, when B is contained, it is contained in the range of 0.0005 to 0.005%.
  • Nd 0.005 to 1.0%
  • Ca 0.0005 to 0.005%
  • Mg 0.0005 to 0.005%
  • REM 0.0005 to 0.005%
  • Nd 0.005 to 1.0%
  • Nd has the effect of incorporating S as inclusions, reducing the amount of S grain boundary segregation, and improving low-temperature toughness and hydrogen embrittlement resistance. However, if the content is less than 0.005%, the effect is insufficient. On the other hand, if the content exceeds 1.0%, the toughness of the weld heat affected zone is deteriorated. Therefore, when Nd is contained, it is contained in the range of 0.005 to 1.0%.
  • Ca 0.0005 to 0.005%
  • Ca forms CaS and acts to control the form of sulfide inclusions to CaS, which is a spherical inclusion that is difficult to expand by rolling, instead of MnS, which is an inclusion that is easy to expand by rolling.
  • MnS which is an inclusion that is easy to expand by rolling.
  • the content is less than 0.0005%, the effect is not sufficient.
  • the content exceeds 0.005%, the cleanliness is lowered, and thus material deterioration such as toughness is caused. Therefore, when Ca is contained, it is contained in the range of 0.0005 to 0.005%.
  • Mg 0.0005 to 0.005%
  • Mg may be used as a hot metal desulfurization agent. However, if the content is less than 0.0005%, the effect is not sufficient. On the other hand, if the content exceeds 0.005%, the cleanliness decreases. Accordingly, when Mg is contained, it is contained in the range of 0.0005 to 0.005%.
  • REM 0.0005 to 0.005% REM has the effect of improving SR cracking resistance by reducing the amount of solid solution S at the grain boundaries by producing sulfides called REM (O, S) in steel.
  • REM sulfides
  • the content is less than 0.0005%, the effect is not sufficient.
  • REM sulfide is remarkably accumulated in the precipitation crystal zone, leading to deterioration of the material. Therefore, when REM is included, it is included in the range of 0.0005 to 0.005%.
  • REM is an abbreviation for Rare Earth Metal.
  • the matrix steel structure may be a mixed structure of bainite and martensite or a martensite structure. preferable.
  • the steel structure for hydrogen of the present invention is a steel structure for hydrogen that uses various steel materials such as thin plates, thick plates, pipes, shaped steels, and bar steels that are excellent in fatigue crack growth resistance in high-pressure hydrogen gas, Alternatively, a hydrogen steel structure formed into a predetermined shape may be used.
  • the temperature regulation in the manufacturing conditions is the center of the steel material, and the thin plate, thick plate, pipe, and shape steel are the center of the plate thickness, and the steel bar is the center of the radial direction.
  • the vicinity of the center portion has substantially the same temperature history, and is not limited to the center itself.
  • the hydrogen line pipe that is the steel structure for hydrogen of the present invention can be produced, for example, by hot rolling a steel material and then accelerating cooling or directly quenching and tempering.
  • the steel material used for manufacturing the hydrogen line pipe of the present invention is cast from molten steel adjusted to the above component composition.
  • a method for producing a slab from molten steel and a method for producing a slab by rolling the slab are not particularly specified. Steel melted by a converter method, an electric furnace method, etc., or a steel slab produced by a continuous casting / ingot-making method can be used.
  • Direct quenching and tempering After heating the steel material to the Ac 3 transformation point or higher and performing hot rolling, the steel material is quenched from a temperature above the Ar 3 transformation point to a temperature of 250 ° C. or less at a cooling rate of 1 to 200 ° C./s. Subsequently, tempering is performed at a temperature of 600 ° C. or more and the Ac 1 transformation point or less. If the heating temperature is less than the Ac 3 transformation point, a part of untransformed austenite remains, so that a desired steel structure cannot be obtained after hot rolling, quenching and tempering. Therefore, the heating temperature before hot rolling is set to Ac 3 transformation point or more.
  • start temperature of quenching after hot rolling is lower than the Ar 3 transformation point, a part of austenite transformation occurs before quenching, so that a desired steel structure cannot be obtained after quenching and tempering. For this reason, after hot rolling, cooling is started from the Ar 3 transformation point or higher and quenching is performed.
  • the cooling rate when quenching from the Ar 3 transformation point or higher is set to 1 to 200 ° C./s in order to obtain a desired structure.
  • This cooling rate is an average cooling rate at the center of the plate thickness.
  • the cooling means is not particularly limited and may be performed by water cooling or the like. Further, when quenching is stopped at a temperature exceeding 250 ° C., the bainite transformation and martensitic transformation are not completed, and thus a desired steel structure cannot be obtained after tempering. For this reason, it shall temper to the temperature of 250 degrees C or less.
  • the steel After quenching, the steel is subsequently tempered at a temperature of 600 ° C. or higher and the Ac 1 transformation point or lower. If the tempering temperature is less than 600 ° C., a desired fine precipitate cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds the Ac 1 transformation point, it partially transforms into austenite, so that a desired steel structure cannot be obtained after tempering.
  • the hydrogen pressure accumulator which is the steel structure for hydrogen of the present invention is obtained by, for example, forming a steel material having a predetermined component composition into a predetermined shape, that is, the shape of the desired hydrogen pressure accumulator, and then reheating, quenching and tempering Can be manufactured.
  • the steel material After forming the steel material having the above composition into a predetermined shape, the steel material is heated to the Ac 3 transformation point or higher, and then the temperature from the Ar 3 transformation point to 250 ° C. at a cooling rate of 0.5 to 100 ° C./s. Quenching to the following temperature, followed by tempering at a temperature not lower than 600 ° C. and not higher than Ac 1 transformation point.
  • the steel material to be heated to the Ac 3 transformation point or higher need only have the above-described component composition, and the steel structure is not particularly required to be specified.
  • the heating temperature after forming into a predetermined shape is less than the Ac 3 transformation point, a part of untransformed austenite remains, and thus a desired steel structure cannot be obtained after quenching and tempering. Therefore, the heating temperature is set to Ac 3 transformation point or more. Further, if the start temperature of quenching after heating is lower than the Ar 3 transformation point, some transformation of austenite occurs before cooling, so that a desired steel structure cannot be obtained after quenching and tempering. For this reason, after heating, cooling is started from a temperature equal to or higher than the Ar 3 transformation point, and quenching is performed.
  • the cooling rate at the time of quenching from the Ar 3 transformation point or higher is set to 0.5 to 100 ° C./s in order to obtain a desired structure and prevent quench cracking.
  • This cooling rate is an average cooling rate at the center of the plate thickness (wall thickness of the accumulator).
  • the cooling means is not particularly limited and may be performed by oil cooling or water cooling. Further, when the above quenching, that is, cooling is stopped at a temperature exceeding 250 ° C., the desired transformation is not completed, so that a desired steel structure cannot be obtained after tempering. For this reason, it shall temper to the temperature of 250 degrees C or less.
  • the steel After quenching, the steel is subsequently tempered at a temperature of 600 ° C. or higher and the Ac 1 transformation point or lower. If the tempering temperature is less than 600 ° C., a desired fine precipitate cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds the Ac 1 transformation point, it partially transforms to austenite, so that a desired steel structure cannot be obtained after tempering.
  • the Ac 3 transformation point (° C.), Ar 3 transformation point (° C.), and Ac 1 transformation point (° C.) are calculated according to the following equations.
  • Ac 3 854-180C + 44Si-14Mn-17.8Ni-1.7Cr
  • Ar 3 910-310C-80Mn-20Cu-15Cr-55Ni-80Mo
  • Ac 1 723-14Mn + 22Si-14.4Ni + 13.3Cr
  • each element symbol is the content (% by mass) of each element in steel.
  • the manufacturing method and characteristic evaluation of the hydrogen line pipe and the hydrogen pressure accumulator were simulated by the steel sheet manufacturing method and characteristic evaluation. Specifically, when the production method is direct quenching and tempering, the hydrogen line pipe is simulated, and when reheating and quenching and tempering, the hydrogen pressure accumulator is simulated.
  • Steels A to H having the composition shown in Table 1 were melted, cast into slabs, heated to the heating temperatures shown in Table 2, then hot-rolled, and then directly by water cooling under the conditions shown in Table 2.
  • the steel plate No. was subjected to quenching and tempering treatment. 1 to 5 were produced.
  • the steel plate was once converted into a steel plate, heated under the conditions shown in Table 2, and then quenched by oil cooling, subjected to reheating quenching and tempering, and the steel plate No. 6-10 were produced.
  • the temperature measurement of the steel plate was implemented with the thermocouple inserted in plate thickness center part.
  • the cooling rate during water cooling shown in Table 2 was 10 to 50 ° C./s, and the cooling rate during oil cooling was in the range of 1 to 50 ° C./s.
  • the evaluation method of a material characteristic is as follows. Using a round bar tensile test piece with a parallel part diameter of 5 mm with the rolling direction as the longitudinal direction (tensile direction), pulling to break at a constant displacement rate of 10 ⁇ 3 mm / s in air and 120 MPa high-pressure hydrogen gas Tests were conducted to evaluate tensile strength and drawing from atmospheric testing and drawing from hydrogen gas testing. When (throttle in 120 MPa high-pressure hydrogen gas / throttle in the atmosphere) ⁇ 100 (%) was set to 70% or more, and this target was satisfied, it was evaluated that the hydrogen embrittlement resistance was excellent. In addition, the average particle size of the precipitates of the (V, Mo) C composition and the (Ti, Mo) C composition was determined as follows.
  • Steel plate No. shown in Table 2 1 to 3 and 6 to 8 all satisfy the present invention in terms of the composition and production conditions, and the restriction in the high-pressure hydrogen gas with respect to the atmosphere is 70% or more, and the hydrogen embrittlement resistance in the high-pressure hydrogen gas is improved. It turns out that it is excellent.
  • steel plate No. In Nos. 4 and 9 the tempering temperature was lower than the lower limit of the range of the present invention and was out of the range of the present invention, so the ratio of the restriction in the high-pressure hydrogen gas to the atmosphere did not reach the target value.
  • Steel plate No. In Nos. 5 and 10 since the component composition was out of the range of the present invention, the ratio of the restriction in the high-pressure hydrogen gas to the atmosphere did not reach the target value.
  • the present invention example has a small amount of reduction in the throttle even in high-pressure hydrogen gas, has excellent hydrogen embrittlement characteristics, and has a hydrogen pressure accumulator and hydrogen line that have excellent hydrogen embrittlement resistance characteristics. It can be seen that a steel structure for hydrogen such as a pipe can be obtained.
  • the obtained fine precipitate was mainly (V, Mo) C, and the atomic ratio of V and Mo was approximately 1: 1. Furthermore, the fine precipitates in the compatible steel to which Ti and Mo were added in combination were mainly (Ti, Mo) C, and the atomic ratio of Ti and Mo was identified as approximately 1: 1.
  • steel plate No. which is an example of an invention. 1 to 3 and 6 to 8 all had average particle sizes within the scope of the present invention.
  • the tempering temperature is lower than the lower limit of the range of the present invention, and is out of the range of the present invention. In Nos.

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Abstract

質量％で、Ｃ：０．０２～０．５０％、Ｓｉ：０．０５～０．５０％、Ｍｎ：０．５～２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１～０．１０％、Ｎ：０．０００５～０．００８％およびＯ：０．０１％以下を含有し、さらにＶおよびＭｏを、Ｖ：０．０５～０．３０％、Ｍｏ：０．０５～１．１３％で、かつＶの原子数／Ｍｏの原子数：０．６～２．０を満足する範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼組成にすると共に、ＶおよびＭｏから構成される複合微細炭化物の平均粒子径を１～２０ｎｍの範囲に制御することにより、高圧水素環境中での耐水素脆化特性に優れた水素用蓄圧器や水素用ラインパイプ等の水素用鋼構造物を得ることができる。

Description

高圧水素ガス中の耐水素脆化特性に優れた水素用鋼構造物およびその製造方法
　本発明は、高圧水素環境中で優れた耐水素脆化特性を有する水素用蓄圧器や水素用ラインパイプ等の水素用鋼構造物およびその製造方法に関するものである。
　近年、クリーンなエネルギー源として、また、エネルギーの多様化の観点から、世界的に水素が大きく注目されている。特に、高圧水素ガスを燃料源とする燃料電池自動車に対する期待は大きく、燃料電池自動車の開発に関連した研究が世界的に広く進められており、一部では、すでに実用化試験が行われている。
　燃料電池自動車は、ガソリンの代わりに水素をタンクに積んで走行するため、燃料電池自動車の普及のためには、ガソリンスタンドに代わって燃料補給を行う水素ステーションが必要となる。水素ステーションでは、水素を高圧で貯蔵する容器である水素用蓄圧器から車載の水素燃料タンクへ水素を充填する。車載の水素タンクへの充填最高圧力は、現状では３５ＭＰａであるが、航続距離をガソリン車並とするために、充填最高圧力を７０ＭＰａとすることが望まれている。そして、このような高圧水素環境下で、水素を安全に貯蔵、供給することが要求される。
　そのため、水素ステーションの水素用蓄圧器の圧力は、現状では４０ＭＰａであるが、充填最高圧力を７０ＭＰａに上昇した場合には、水素ステーションの水素用蓄圧器の圧力は８０ＭＰａが要求される。すなわち、水素ステーションの水素用蓄圧器は８０ＭＰａの環境にさらされることになる。
　一方、低合金鋼に水素が侵入すると脆化することが知られている。水素圧が１５ＭＰａ程度までであれば、十分な肉厚を有する低合金鋼が用いられているが、それ以上の圧力では使用中に水素脆性破壊を起こす危険性が高まるため、低合金鋼は使用されず、低合金鋼よりも水素脆化がし難いＳＵＳ３１６Ｌ鋼等のオーステナイト系ステンレス鋼等が用いられている。
　しかし、ＳＵＳ３１６Ｌ鋼等は、鋼材のコストが高いことに加えて、強度が低いため、８０ＭＰａの水素圧に耐え得るようにするには、肉厚が非常に厚くなり、水素用蓄圧器そのものの価格も非常に高価となる。そのため、より低コストで８０ＭＰａの圧力に耐え得る水素ステーション用の水素用蓄圧器の開発が要望されている。
　上記の問題点を解決し、低合金鋼を高圧水素用蓄圧器に適用するための技術が種々検討されている。
　例えば、特許文献１には、鋼中水素のトラップサイトとして、ＭｎＳやＣａ系介在物、またはＶＣを活用して非拡散性水素とすることにより、拡散性水素による脆化を抑制する高圧水素環境用鋼が提案されている。
　特許文献２、３には、Ｃｒ－Ｍｏ鋼の調質処理において比較的高い温度で焼戻し処理を行うことで、引張強度を９００～９５０ＭＰａの極めて狭い範囲に制御した、耐高圧水素環境脆化特性に優れた低合金高強度鋼が提案されている。
　特許文献４には、Ｖ－Ｍｏ系炭化物を活用し、焼戻し温度を高めることで耐水素環境脆化特性を向上させた、高圧水素環境用低合金鋼が提案されている。
　特許文献５には、ＭｏとＶを多量に添加し、鋼板製造時に焼準処理の後に長時間の応力除去焼鈍を施すことで、（Ｍｏ，Ｖ）Ｃを多量に析出させた耐水素性に優れた高圧水素ガス貯蔵容器用鋼が提案されている。
　特許文献６には、セメンタイトの微細化により水素侵入量を低減して母材靭性を向上させることにより水素脆化を抑制する技術が提案されている。
　特許文献７には、粗大セメンタイトおよび島状マルテンサイト（ＭＡ）の生成を抑制することにより、水素侵入と延性低下を抑制して、水素脆化を抑制する技術が提案されている。
　なお、通常の低合金鋼についての疲労き裂進展特性については、非特許文献１、２等に記載されている。
特開２００５－２３８６号公報 特開２００９－４６７３７号公報 特開２００９－２７５２４９号公報 特開２００９－７４１２２号公報 特開２０１０－３７６５５号公報 特開２０１２－１０７３３２号公報 特開２０１２－１０７３３３号公報
和田洋流著：「水素エネルギーシステム」，Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．４（２０１０），ｐ．３８～４４ 宮本泰介ら著：「日本機械学会論文集（Ａ編）」，７８巻，７８８号（２０１２），ｐ．５３１～５４６
　特に高圧水素環境下で使用する水素用蓄圧器では、繰り返し水素の充填を行うことから、容器に繰返し応力がかかるため、長期間の使用寿命を確保することが難しかった。使用寿命を長期間化する上では、疲労き裂進展速度を低減することが重要である。
　しかしながら、上記したような従来技術では、疲労き裂進展速度を十分に低下させることはできなかった。
　また、水素用パイプラインで使用される水素用ラインパイプ等、現状では必ずしも水素用蓄圧器ほどの高圧水素環境下にはない水素用鋼構造物についても、将来は水素用蓄圧器と同程度の安全性の確保が要求されると考えられる。
　本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、従来鋼より高圧水素環境中での疲労き裂進展速度を低下させることにより、優れた耐水素脆化特性を発現させた水素用蓄圧器や水素用ラインパイプ等の水素用鋼構造物を、その有利な製造方法と共に提供することを目的とする。
　さて、本発明者らは、上記の目的を達成すべく、様々な組織形態を有する水素用鋼構造物の高圧水素ガス中における耐水素脆化特性を慎重に調べた結果、
（１）ＶおよびＭｏの添加量およびそれらの原子数比を適正化すること、
（２）または、ＴｉおよびＭｏの添加量およびそれらの原子数比を適正化すること
によって、従来材よりも高圧水素ガス中での耐水素脆化特性を向上させることができ、その結果、耐水素脆化特性に優れた水素用蓄圧器や水素用ラインパイプ等の水素用鋼構造物を得ることができるとの知見を得た。
　本発明は、上記の新たな知見に基づき、さらに検討を加えた末に完成されたものである。
　すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で、Ｃ：０．０２～０．５０％、Ｓｉ：０．０５～０．５０％、Ｍｎ：０．５～２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１～０．１０％、Ｎ：０．０００５～０．００８％およびＯ：０．０１％以下を含有し、さらにＶおよびＭｏを、Ｖ：０．０５～０．３０％、Ｍｏ：０．０５～１．１３％で、かつＶの原子数／Ｍｏの原子数：０．６～２．０を満足する範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼組成を有し、さらにＶおよびＭｏから構成される複合微細炭化物の平均粒子径が１～２０ｎｍである高圧水素ガス中の耐水素脆化特性に優れた水素用鋼構造物。
２．質量％で、Ｃ：０．０２～０．５０％、Ｓｉ：０．０５～０．５０％、Ｍｎ：０．５～２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１～０．１０％、Ｎ：０．０００５～０．００８％およびＯ：０．０１％以下を含有し、さらにＴｉおよびＭｏを、Ｔｉ：０．０２～０．１２％、Ｍｏ：０．０２～０．４８％で、かつＴｉの原子数／Ｍｏの原子数：０．５～２．０を満足する範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼組成を有し、さらにＴｉおよびＭｏから構成される複合微細炭化物の平均粒子径が１～２０ｎｍである高圧水素ガス中の耐水素脆化特性に優れた水素用鋼構造物。
３．さらに、質量％で、Ｃｕ：０．０５～１．０％、Ｎｉ：０．０５～１２．０％、Ｃｒ：０．１～２．５％、Ｎｂ：０．００５～０．１％、Ｗ：０．０５～２．０％およびＢ：０．０００５～０．００５％のうちから選んだ一種または二種以上を含有する鋼組成とした前記１または２に記載の水素用鋼構造物。
４．さらに、質量％で、Ｎｄ：０．００５～１．０％、Ｃａ：０．０００５～０．００５％、Ｍｇ：０．０００５～０．００５％およびＲＥＭ：０．０００５～０．００５％のうちから選んだ一種または二種以上を含有する鋼組成とした前記１ないし３のいずれかに記載の水素用鋼構造物。
５．前記水素用鋼構造物が、水素用蓄圧器あるいは水素用ラインパイプである前記１ないし４のいずれかに記載の水素用鋼構造物。
６．前記１ないし５のいずれかに記載の水素用鋼構造物の製造方法であって、
　前記１ないし４のいずれかに記載の鋼組成を有する鋼素材を、Ａｃ3変態点以上に加熱し、熱間圧延後、Ａｒ3変態点以上の温度から冷却速度：１～２００℃／ｓで２５０℃以下まで焼入れ、ついで６００℃以上Ａｃ1変態点以下の温度で焼戻す、高圧水素ガス中の耐水素脆化特性に優れた水素用鋼構造部の製造方法。
７．前記１ないし５のいずれかに記載の水素用鋼構造物の製造方法であって、
　前記１ないし４のいずれかに記載の鋼組成を有する鋼材を、所定形状に成形後、Ａｃ3変態点以上に加熱し、引続きＡｒ3変態点以上の温度から冷却速度：０．５～１００℃／ｓで２５０℃以下まで焼入れ、ついで６００℃以上Ａｃ1変態点以下の温度で焼戻す、高圧水素ガス中の耐水素脆化特性に優れた水素用鋼構造物の製造方法。
　本発明によれば、従来よりも高圧水素ガス中の耐水素脆化特性が極めて優れる水素用蓄圧器や水素用ラインパイプ等の水素用鋼構造物を得ることができ、産業上極めて有用である。
　以下、本発明を具体的に説明する。
　本発明の水素用鋼構造物は、ＶおよびＭｏを、質量％で、Ｖ：０．０５～０．３０％、Ｍｏ：０．０５～１．１３％で、Ｖの原子数／Ｍｏの原子数が０．６～２．０を満足する範囲で含有させ、焼入れ焼戻し過程における焼戻し温度を６００℃以上Ａｃ1変態点以下とするか、またはＴｉおよびＭｏを、質量％で、Ｔｉ：０．０２～０．１２％、Ｍｏ：０．０２～０．４８％で、Ｔｉの原子数／Ｍｏの原子数が０．５～２．０を満足する範囲で含有させ、焼入れ焼戻し過程における焼戻し温度を６００℃以上Ａｃ1変態点以下として、ＶおよびＭｏ、またはＴｉおよびＭｏから構成される複合炭化物を平均粒子径が１～２０ｎｍの範囲で微細に析出させることにより得ることができる。
　上記のような焼入れ焼戻し処理により、ＶおよびＭｏを添加した場合には、ＶおよびＭｏから構成される複合炭化物として主に（Ｖ，Ｍｏ）Ｃ組成の微細析出物が、またＴｉおよびＭｏを添加した場合には、ＴｉおよびＭｏから構成される複合微細炭化物として主に（Ｔｉ，Ｍｏ）Ｃ組成の微細析出物が生成する。
　このように、ＶおよびＭｏの添加量およびそれらの原子数比、またはＴｉおよびＭｏの添加量およびそれらの原子数比を適正化することによって、水素を有効にトラップする微細析出物が分散し、その結果、従来材よりも高圧水素ガス中での耐水素脆化特性を向上させることができ、優れた耐水素脆化特性を呈することができる。
　このような微細析出物による水素トラップ効果は、ＶとＭｏの原子数比、またはＴｉとＭｏの原子数比が１に近いほどより効果的であり、好ましくはＶの原子数／Ｍｏの原子数またはＴｉの原子数／Ｍｏの原子数が０．７５～１．７５の範囲、より好ましくは０．９～１．１の範囲である。
　また、微細析出物のサイズおよび数密度も、耐水素脆化特性にとって重要な因子である。すなわち、微細析出物の平均粒子径は、１～２０ｎｍとする必要がある、好ましくは１～１０ｎｍ、より好ましくは１～５ｎｍの範囲である。微細析出物の平均粒子径が１ｎｍより小さいと析出物と母相との界面積が小さく、水素トラップの効果が小さくなる。一方、微細析出物の平均粒子径が２０ｎｍを超えて大きくなると母相との整合性を失い、非整合析出となり、この場合も水素トラップの効果が小さくなる。
　他方、微細析出物の数密度は、抽出レプリカのＴＥＭ観察にて、５０／１００μｍ2以上とすることが好ましく、これにより高い水素トラップ効果を得ることができる。より好ましくは５０／１０μｍ2以上、さらに好ましくは５０／μｍ2以上の範囲である。
　上記のような微細析出物の生成には、焼入れ焼戻しのプロセスが必須であり、焼戻し温度を６００℃以上Ａｃ1変態点以下としなければ、所望の微細析出物を得ることができない。
　なお、前掲した非特許文献２は、ＶおよびＭｏの添加量がそれぞれ０．２５質量％および０．４５質量％であり、かつＶの原子数／Ｍｏの原子数：１．０であり、本発明のＶおよびＭｏの規定の範囲内であるが、焼戻し条件が記載されていないため、水素をトラップする微細析出物が適切なサイズと数密度で生成しているか不明である。また、Ｓ量が０．０１６ｍａｓｓ％と高く、Ｓの旧オーステナイト粒界への偏析によって、粒界の結合力が弱められているため、水素トラップによる水素脆化抑制の効果も小さいと推定される。
　また、高圧水素ガス中の耐水素脆化特性に優れた水素用鋼構造物とは、後述するような低歪み速度引張試験（Ｓｌｏｗ　Ｓｔｒａｉｎ　Ｒａｔｅ　Ｔｅｓｔ：ＳＳＲＴ）にて、水素ガス中の絞りが大気中の絞りから大きく低下しない水素用鋼構造物を意味し、代表的構造物としては、水素用ラインパイプや水素用蓄圧器が例示される。
　ここに、本発明の水素用鋼構造物である水素用ラインパイプは、シームレスタイプまたはＵＯＥタイプの鋼管であり、水素の圧力としては５ＭＰａ以上である。
　また、本発明の水素用鋼構造物である水素用蓄圧器は、前記したように、水素ステーションなどで使用される蓄圧器であり、例えばタイプ１の鋼材のみを用いるタイプ、またはタイプ２およびタイプ３の鋼材に炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃ：ＣＦＲＰ）を巻くタイプである。なお、ここでタイプ１、タイプ２、タイプ３とは、圧縮天然ガス自動車燃料容器に関する各規格、ＩＳＯ１１４３９、ＡＮＳＩ／ＮＧＶ、高圧ガス保安法　容器保安規則例示基準別添９などに記載される容器の構造についての区分である。また、貯蔵される水素の圧力としては、３５ＭＰａ程度または７０ＭＰａ程度である。
　次に、本発明の水素用鋼構造物の鋼組成を、前記の範囲に限定した理由について説明する。なお、成分組成を示す％は、特に断らない限り質量％を意味する。
Ｃ：０．０２～０．５０％
　Ｃは、適度な焼入れ性を確保するために含有するが、０．０２％未満ではその効果が不十分であり、一方０．５０％を超えると母材および溶接熱影響部の靭性が劣化するだけでなく、溶接性が著しく劣化する。従って、Ｃ量は０．０２～０．５０％の範囲に限定する。
Ｓｉ：０．０５～０．５０％
　Ｓｉは、製鋼段階の脱酸剤および焼入れ性を確保する元素として含有するが、０．０５％未満ではその効果が不十分であり、一方０．５０％を超えると粒界が脆化し、低温靭性を劣化させる。従って、Ｓｉ量は０．０５～０．５０％の範囲に限定する。
Ｍｎ：０．５～２．０％
　Ｍｎは、焼入れ性を確保する元素として含有するが、０．５％未満ではその効果が不十分であり、一方２．０％を超えて含有すると粒界強度が低下し、低温靭性が劣化する。従って、Ｍｎ量は０．５～２．０％の範囲に限定する。
Ｐ：０．０５％以下
　不純物元素であるＰは、結晶粒界に偏析しやすく、０．０５％を超えると隣接結晶粒の接合強度を低下させ、低温靭性を劣化させる。従って、Ｐ量は０．０５％以下に抑制するものとした。
Ｓ：０．０１％以下
　不純物元素であるＳは、結晶粒界に偏析しやすく、また非金属介在物であるＭｎＳを生成しやすい。特にＳ量が０．０１％を超えると隣接結晶粒の接合強度が低下し、介在物の量が多くなり、低温靭性を劣化させる。従って、Ｓ量は０．０１％以下に抑制するものとした。
Ａｌ：０．０１～０．１０％
　Ａｌは、脱酸剤として有用なだけでなく、Ａｌ系窒化物の微細析出物を形成し、これが加熱時にオーステナイト粒をピンニングして、粒の粗大化を抑制する効果がある。しかしながら、含有量が０．０１％未満の場合にはその効果が十分でなく、一方０．１０％を超えると、鋼板の表面疵が発生しやすくなる。従って、Ａｌ量は０．０１～０．１０％の範囲に限定する。
Ｎ：０．０００５～０．００８％
　Ｎは、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌなどと窒化物を形成することによって微細析出物を形成し、これが加熱時にオーステナイト粒をピンニングすることにより、粒の粗大化を抑制して、低温靭性を向上させる効果を有するために添加する。しかしながら、含有量が０．０００５％未満の添加では組織の微細化効果が充分にもたらされず、一方０．００８％を超える添加は固溶Ｎ量が増加するために、母材および溶接熱影響部の靭性を損なう。従って、Ｎ量は０．０００５～０．００８％の範囲に限定する。
Ｏ：０．０１％以下
　Ｏは、Ａｌなどと酸化物を形成することによって、材料の加工性に悪影響を及ぼす。特に含有量が０．０１％を超えると介在物が増加し、加工性を損なう。従って、Ｏ量は０．０１％以下に抑制するものとした。
　本発明では、上記した基本成分中に、ＶおよびＭｏを、Ｖ：０．０５～０．３０％、Ｍｏ：０．０５～１．１３％で、Ｖの原子数／Ｍｏの原子数が０．６～２．０を満足する範囲で含有させるか、またはＴｉおよびＭｏを、質量％で、Ｔｉ：０．０２～０．１２％、Ｍｏ：０．０２～０．４８％で、Ｔｉの原子数／Ｍｏの原子数が０．５～２．０を満足する範囲で含有させる。
Ｖ：０．０５～０．３０％、Ｍｏ：０．０５～１．１３％、Ｖの原子数／Ｍｏの原子数比：０．６～２．０
　ＶとＭｏは、水素をトラップするのに有効な微細析出物を形成し、これにより高圧水素ガス中での耐水素脆化特性を向上させ、その結果、優れた耐水素脆化特性を得ることができる。
　そのためには、Ｖ量が０．０５～０．３０％、Ｍｏ量が０．０５～１．１３％の範囲で、かつＶの原子数／Ｍｏの原子数比を０．６～２．０の範囲に制御する必要がある。ＶおよびＭｏ量がそれぞれ下限に満たないと水素をトラップする微細析出物の生成量が少なく、十分な水素脆化抑制の効果が得られず、一方上限を超えると低温靭性が低下するなどの水素脆性以外の問題が生じる。また、Ｖの原子数／Ｍｏの原子数比が０．６に満たないと高価なＭｏが過剰なため、製造コストが必要以上に大きくなり、一方２．０を超えるとやはり高価なＶが過剰なため、製造コストの面で不利が生じる。
Ｔｉ：０．０２～０．１２％、Ｍｏ：０．０２～０．４８％、Ｔｉの原子数／Ｍｏの原子数比：０．５～２．０
　ＴｉとＭｏも、水素をトラップするのに有効な微細析出物を形成し、これにより高圧水素ガス中での耐水素脆化特性を向上させ、その結果、優れた耐水素脆化特性を得ることができる。
　そのためには、Ｔｉ量が０．０２～０．１２％、Ｍｏ量が０．０２～０．４８％の範囲で、かつＴｉの原子数／Ｍｏの原子数比を０．５～２．０の範囲に制御する必要がある。ＴｉおよびＭｏ量がそれぞれ下限に満たないと水素をトラップする微細析出物の生成量が少なく、十分な水素脆化抑制の効果が得られず、一方上限を超えると低温靭性が低下するなどの水素脆性以外の問題が生じる。また、Ｔｉの原子数／Ｍｏの原子数比が０．５に満たないと高価なＭｏが過剰なため、製造コストが必要以上に大きくなり、一方２．０を超えるとやはり高価なＴｉが過剰なため、製造コストの面で不利が生じる。
　本発明では、上記した成分組成の残部はＦｅおよび不可避的不純物とするが、所望する特性に応じてさらに、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。
Ｃｕ：０．０５～１．０％、Ｎｉ：０．０５～１２．０％、Ｃｒ：０．１～２．５％、Ｎｂ：０．００５～０．１％、Ｗ：０．０５～２．０％およびＢ：０．０００５～０．００５％のうちから選んだ一種または二種以上
Ｃｕ：０．０５～１．０％
　Ｃｕは、焼入れ性を向上する作用を有している。しかしながら、含有量が０．０５％未満ではその効果が充分でなく、一方１．０％を超えると、鋼片加熱時や溶接時に熱間での割れが生じやすくなる。従って、Ｃｕを含有させる場合には、０．０５～１．０％の範囲で含有させるものとした。
Ｎｉ：０．０５～１２．０％
　Ｎｉは、Ｃｕと同様に焼入れ性を向上する作用を有するだけでなく、靭性を向上する作用も有する。しかしながら、含有量が０．０５％未満ではその効果が充分ではなく、一方１２．０％を超えると、耐水素脆化特性が劣化する。従って、Ｎｉを含有させる場合には、０．０５～１２．０％の範囲で含有させるものとした。
Ｃｒ：０．１～２．５％
　Ｃｒは、焼入れ性を確保する元素として有用であるが、含有量が０．１％未満ではその効果が不十分であり、一方２．５％を超えて含有させると溶接性が劣化する。従って、Ｃｒを含有させる場合には、０．１～２．５％の範囲で含有させるものとした。
Ｎｂ：０．００５～０．１％
　Ｎｂは、焼入れ性を向上する作用を有するだけでなく、Ｎｂ系炭窒化物の微細析出物を形成し、これが加熱時にオーステナイト粒をピンニングして、粒の粗大化を抑制する効果がある。しかしながら、含有量が０．００５％未満ではその効果が不十分であり、一方０．１％を超えると溶接熱影響部の靭性を劣化させる。従って、Ｎｂを含有させる場合には、０．００５～０．１％の範囲で含有させるものとした。
Ｗ：０．０５～２．０％
　Ｗは、焼入れ性を向上する作用を有するが、含有量が０．０５％未満ではその効果が不十分であり、一方２．０％を超えると溶接性が劣化する。従って、Ｗを含有させる場合には、０．０５～２．０％の範囲で含有させるものとした。
Ｂ：０．０００５～０．００５％
　Ｂは、焼入れ性を確保する元素として含有させるが、含有量が０．０００５％未満ではその効果が不十分であり、一方０．００５％を超えると靭性を劣化させる。従って、Ｂを含有させる場合には、０．０００５～０．００５％の範囲で含有させるものとした。
　さらに、本発明では、以下に述べる元素を適宜含有させることもできる。
Ｎｄ：０．００５～１．０％、Ｃａ：０．０００５～０．００５％、Ｍｇ：０．０００５～０．００５％およびＲＥＭ：０．０００５～０．００５％のうちから選んだ一種または二種以上
Ｎｄ：０．００５～１．０％
　Ｎｄは、Ｓを介在物として取り込み、Ｓの粒界偏析量を低減させて、低温靭性および耐水素脆性を向上させる効果を有している。しかしながら、含有量が０．００５％未満ではその効果が不十分であり、一方１．０％を超えると溶接熱影響部の靭性を劣化させる。従って、Ｎｄを含有させる場合には、０．００５～１．０％の範囲で含有させるものとした。
Ｃａ：０．０００５～０．００５％
　Ｃａは、ＣａＳを形成し、圧延によって展伸しやすい介在物であるＭｎＳの代わりに、圧延により展伸しにくい球状介在物であるＣａＳへと、硫化物系介在物の形態を制御する作用を有する。しかしながら、含有量が０．０００５％未満ではその効果は充分ではなく、一方０．００５％を超えて含有すると清浄度が低下するため、靭性などの材質劣化を招く。したがって、Ｃａを含有させる場合には、０．０００５～０．００５％の範囲で含有させるものとした。
Ｍｇ：０．０００５～０．００５％
　Ｍｇは、溶銑脱硫剤として使用する場合がある。しかしながら、含有量が０．０００５％未満ではその効果は充分ではなく、一方０．００５％を超える含有は清浄度の低下を招く。従って、Ｍｇを含有させる場合には、０．０００５～０．００５％の範囲で含有させるものとした。
ＲＥＭ：０．０００５～０．００５％
　ＲＥＭは、鋼中で、ＲＥＭ（Ｏ、Ｓ）という硫化物を生成することによって結晶粒界の固溶Ｓ量を低減して、耐ＳＲ割れ特性を改善する効果がある。しかしながら、含有量が０．０００５％未満ではその効果が充分ではなく、一方０．００５％を超えると、沈殿晶帯にＲＥＭ硫化物が著しく集積して、材質の劣化を招く。従って、ＲＥＭを含有させる場合には、０．０００５～０．００５％の範囲で含有させるものとした。なお、ＲＥＭとは、Ｒａｒｅ　Ｅａｒｔｈ　Ｍｅｔａｌの略である。
　本発明の水素用鋼構造物は、前記したような微細析出物が分散した組織とする必要があるが、母相鋼組織としては、ベイナイトおよびマルテンサイトの混合組織またはマルテンサイト組織であることが好ましい。
　次に、本発明の水素用鋼構造物である水素用ラインパイプ、水素用蓄圧器を例示して、本発明の水素用鋼構造物の好ましい製造方法について説明する。
　なお、本発明の水素用鋼構造物は、高圧水素ガス中の耐疲労き裂進展特性に優れる薄板、厚板、パイプ、形鋼および棒鋼など種々の鋼材をそのまま使用する水素用鋼構造物、あるいは所定形状に成形した水素用鋼構造物としてもよい。
　また、製造条件における温度規定は鋼材中心部のものとし、薄板、厚板、パイプ、形鋼は板厚中心、棒鋼では径方向の中心とする。但し、中心部近傍はほぼ同様の温度履歴となるので、中心そのものに限定するものではない。
　本発明の水素用鋼構造物である水素用ラインパイプは、例えば鋼素材を熱間圧延したのち、加速冷却する、あるいは直接焼入れ焼戻しすることにより製造することができる。
　本発明の水素用ラインパイプの製造に用いる鋼素材は、上記成分組成に調整された溶鋼から鋳造する。ここで、特に鋳造条件を限定する必要はなく、いかなる鋳造条件で製造された鋼素材としてもよい。溶鋼から鋳片を製造する方法や、鋳片を圧延して鋼片を製造する方法は特に規定しない。転炉法・電気炉法等で溶製された鋼や、連続鋳造・造塊法等で製造された鋼スラブが利用できる。
直接焼入れ焼戻し
　上記鋼素材を、Ａｃ3変態点以上に加熱し、熱間圧延を行った後、Ａｒ3変態点以上の温度から冷却速度１～２００℃／ｓで２５０℃以下の温度まで焼入れ、引続き６００℃以上Ａｃ1変態点以下の温度で焼戻す。
　加熱温度がＡｃ3変態点未満では、一部未変態オーステナイトが残存するため、熱間圧延および焼入れ、焼戻し後に所望の鋼組織を得ることができない。このため、熱間圧延前の加熱温度はＡｃ3変態点以上とする。また、熱間圧延後の焼入れの開始温度がＡｒ3変態点を下回るとオーステナイトの一部の変態が焼入れ前に生じてしまうため、焼入れ、焼戻し後に所望の鋼組織を得ることができない。このため熱間圧延後は、Ａｒ3変態点以上から冷却を開始し、焼入れを行う。
　Ａｒ3変態点以上から焼入れる際の冷却速度は、所望の組織を得るため、１～２００℃／ｓとする。なお、この冷却速度は、板厚中心での平均冷却速度である。冷却手段は特に限定する必要はなく、水冷等により行えばよい。
　また、焼入れを２５０℃超えの温度で停止すると、ベイナイト変態やマルテンサイト変態が完了しないため、焼戻し後に所望の鋼組織を得ることができない。このため、２５０℃以下の温度まで焼入れることとする。
　焼入れ後は、引き続き６００℃以上Ａｃ1変態点以下の温度で焼戻す。焼戻し温度が６００℃未満だと所望の微細析出物を得ることができず、一方Ａｃ1変態点を超えると、一部オーステナイトに変態するため、焼戻し後に所望の鋼組織を得ることができない。
　また、本発明の水素用鋼構造物である水素用蓄圧器は、例えば所定の成分組成を有する鋼材を所定形状、すなわち所望する水素用蓄圧器の形状に成形後、再加熱焼入れ焼戻しすることにより製造することができる。
再加熱焼入れ焼戻し
　上記の成分組成を有する鋼材を、所定形状に成形後、Ａｃ3変態点以上に加熱し、ついでＡｒ3変態点以上の温度から冷却速度０．５～１００℃／ｓで２５０℃以下の温度まで焼入れ、引続き６００℃以上Ａｃ1変態点以下の温度で焼戻す。
　ここで、Ａｃ3変態点以上に加熱する鋼材は、上記した成分組成を有するものであれば良く、鋼組織は特に規定する必要はない。所定形状に成形後の加熱温度がＡｃ3変態点未満では、一部未変態オーステナイトが残存するため、焼入れ、焼戻し後に所望の鋼組織を得ることができない。このため、加熱温度はＡｃ3変態点以上とする。また、加熱後の焼入れの開始温度がＡｒ3変態点を下回るとオーステナイトの一部の変態が冷却前に生じてしまうため、焼入れ、焼戻し後に所望の鋼組織を得ることができない。このため、加熱後に、Ａｒ3変態点以上の温度から冷却を開始し、焼入れを行う。
　Ａｒ3変態点以上から焼入れる際の冷却速度は、所望の組織を得るとともに、焼割れを防止するため、０．５～１００℃／ｓとする。なお、この冷却速度は、板厚（蓄圧器の壁厚）中心での平均冷却速度である。冷却手段は特に限定する必要はなく、油冷や水冷等により行えばよい。
　また、上記の焼入れ、すなわち冷却を２５０℃超えの温度で停止すると、所望の変態が完了しないため、焼戻し後に所望の鋼組織を得ることができない。このため、２５０℃以下の温度まで焼入れることとする。
　焼入れ後は、引き続き６００℃以上Ａｃ1変態点以下の温度で焼戻す。焼戻し温度が６００℃未満だと所望の微細析出物が得られず、一方Ａｃ1変態点を超えると、一部オーステナイトに変態するため、焼戻し後に所望の鋼組織を得ることができない。
　なお、本発明では、Ａｃ3変態点（℃）、Ａｒ3変態点（℃）およびＡｃ1変態点（℃）は、次式に従って算出するものとした。
Ａｃ3＝８５４－１８０Ｃ＋４４Ｓｉ－１４Ｍｎ－１７．８Ｎｉ－１．７Ｃｒ
Ａｒ3＝９１０－３１０Ｃ－８０Ｍｎ－２０Ｃｕ－１５Ｃｒ－５５Ｎｉ－８０Ｍｏ
Ａｃ1＝７２３－１４Ｍｎ＋２２Ｓｉ－１４．４Ｎｉ＋２３．３Ｃｒ
　なお、上記式中において各元素記号は各元素の鋼中含有量（質量％）である。
　上述した製造条件に従って製造することにより、水素を有効にトラップする微細析出物が分散し、従来材よりも高圧水素ガス中での耐水素脆化特性を向上でき、優れた耐水素脆化特性を有する水素用鋼構造物、例えば水素用ラインパイプあるいは水素用蓄圧器などを得ることができる。
　以下、本発明の効果を検証した実施例について、説明する。なお、以下の実施例においては、水素用ラインパイプおよび水素用蓄圧器の製造方法および特性評価を、鋼板の製造方法および特性評価でシミュレイトした。具体的には、製造方法が直接焼入れ焼戻しの場合は水素用ラインパイプをシミュレイトした場合であり、再加熱焼入れ焼戻しの場合は水素用蓄圧器をシミュレイトした場合である。
　表１に示す成分組成になる鋼Ａ～Ｈを溶製し、スラブに鋳造したのち、表２に示す加熱温度に加熱後、熱間圧延し、ついで表２に示す条件での水冷により、直接焼入れ焼戻し処理を施して鋼板Ｎｏ．１～５を製造した。
　また、スラブに鋳造後、一旦鋼板とし、この鋼板を表２に示す条件にて、加熱後、油冷により焼入れを行う、再加熱焼入れ焼戻しを施して鋼板Ｎｏ．６～１０を製造した。
　なお、鋼板の温度測定は、板厚中心部に挿入した熱電対によって実施した。また、表２に示す水冷の際の冷却速度は１０～５０℃／ｓ、油冷の際の冷却速度は１～５０℃／ｓの範囲内であった。
　得られた各鋼板について、引張強さ、大気中の絞り、１２０ＭＰａ高圧水素ガス中における絞り、それらの絞りの比、さらには（Ｖ，Ｍｏ）Ｃ組成の析出物や（Ｔｉ，Ｍｏ）Ｃ組成の析出物の平均粒子径について調べた結果を、表２に併記する。
　なお、材料特性の評価法は次のとおりである。
　圧延方向を長手方向（引張方向）とする平行部径５ｍｍの丸棒引張試験片を用い、大気中および１２０ＭＰａ高圧水素ガス中にて、１０-3ｍｍ／ｓの一定の変位速度で破断まで引張試験を行い、大気中試験から引張強さおよび絞りを、また水素ガス中試験から絞りを評価した。
　（１２０ＭＰａ高圧水素ガス中の絞り／大気中の絞り）×１００（％）が、７０％以上を目標とし、この目標を満足する場合、耐水素脆化特性に優れる評価した。
　また、（Ｖ，Ｍｏ）Ｃ組成や（Ｔｉ，Ｍｏ）Ｃ組成の析出物の平均粒子径については次のようにして求めた。
　薄膜ＴＥＭ－ＥＤＸまたは抽出レプリカＴＥＭ－ＥＤＸによって分析して確認された（Ｖ，Ｍｏ）Ｃ析出物および（Ｔｉ，Ｍｏ）Ｃ析出物それぞれ５０個について、ＴＥＭ写真を用いて、粒子径（円相当径：直径）を測定し、その平均値を求めた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示した鋼板Ｎｏ．１～３、６～８はいずれも、成分組成および製造条件が本発明を満足し、大気中に対する高圧水素ガス中の絞りは７０％以上であり、高圧水素ガス中の耐水素脆化特性に優れていることが判る。
　一方、鋼板Ｎｏ．４，９は、焼戻し温度が、本発明範囲の下限より低く、本発明範囲から外れていたため、大気中に対する高圧水素ガス中の絞りの比が目標値に達していない。鋼板Ｎｏ．５，１０は、成分組成が本発明範囲の範囲から外れていたため、大気中に対する高圧水素ガス中の絞りの比が目標値に達していない。
　上記の結果から明らかなように、本発明例は、高圧水素ガス中でも絞りの低下量が小さく、水素脆化特性に優れるものであり、耐水素脆化特性に優れる水素用蓄圧器や水素用ラインパイプ等の水素用鋼構造物を得られることがわかる。
　また、ＶおよびＭｏを複合添加した適合鋼中の微細析出物を薄膜ＴＥＭ－ＥＤＸによって分析した結果、得られた微細析出物は主に（Ｖ，Ｍｏ）Ｃであり、ＶとＭｏの原子比はほぼ１：１であった。さらに、ＴｉおよびＭｏを複合添加した適合鋼中の微細析出物は主に（Ｔｉ，Ｍｏ）Ｃであり、ＴｉとＭｏの原子比はほぼ１：１と同定された。
　そして、発明例である鋼板Ｎｏ．１～３、６～８は、いずれも本発明の範囲内の平均粒子径となっていた。これに対し、焼戻し温度が、本発明範囲の下限より低く、本発明範囲から外れている鋼板Ｎｏ．４，９は、（Ｖ，Ｍｏ）Ｃ微細析出物および（Ｔｉ，Ｍｏ）Ｃ微細析出物がほとんど観察されなかった。なお、成分組成が本発明の範囲から外れている鋼板Ｎｏ．５，１０に関しては、本発明の範囲内の平均粒子径が観察された。

Claims (7)

  1. 　質量％で、Ｃ：０．０２～０．５０％、Ｓｉ：０．０５～０．５０％、Ｍｎ：０．５～２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１～０．１０％、Ｎ：０．０００５～０．００８％およびＯ：０．０１％以下を含有し、さらにＶおよびＭｏを、Ｖ：０．０５～０．３０％、Ｍｏ：０．０５～１．１３％で、かつＶの原子数／Ｍｏの原子数：０．６～２．０を満足する範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼組成を有し、さらにＶおよびＭｏから構成される複合微細炭化物の平均粒子径が１～２０ｎｍである高圧水素ガス中の耐水素脆化特性に優れた水素用鋼構造物。
  2. 　質量％で、Ｃ：０．０２～０．５０％、Ｓｉ：０．０５～０．５０％、Ｍｎ：０．５～２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１～０．１０％、Ｎ：０．０００５～０．００８％およびＯ：０．０１％以下を含有し、さらにＴｉおよびＭｏを、Ｔｉ：０．０２～０．１２％、Ｍｏ：０．０２～０．４８％で、かつＴｉの原子数／Ｍｏの原子数：０．５～２．０を満足する範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼組成を有し、さらにＴｉおよびＭｏから構成される複合微細炭化物の平均粒子径が１～２０ｎｍである高圧水素ガス中の耐水素脆化特性に優れた水素用鋼構造物。
  3. 　さらに、質量％で、Ｃｕ：０．０５～１．０％、Ｎｉ：０．０５～１２．０％、Ｃｒ：０．１～２．５％、Ｎｂ：０．００５～０．１％、Ｗ：０．０５～２．０％およびＢ：０．０００５～０．００５％のうちから選んだ一種または二種以上を含有する鋼組成とした請求項１または２に記載の水素用鋼構造物。
  4. 　さらに、質量％で、Ｎｄ：０．００５～１．０％、Ｃａ：０．０００５～０．００５％、Ｍｇ：０．０００５～０．００５％およびＲＥＭ：０．０００５～０．００５％のうちから選んだ一種または二種以上を含有する鋼組成とした請求項１ないし３のいずれかに記載の水素用鋼構造物。
  5. 　前記水素用鋼構造物が、水素用蓄圧器あるいは水素用ラインパイプである請求項１ないし４のいずれかに記載の水素用鋼構造物。
  6. 　請求項１ないし５のいずれかに記載の水素用鋼構造物の製造方法であって、
    　請求項１ないし４のいずれかに記載の鋼組成を有する鋼素材を、Ａｃ3変態点以上に加熱し、熱間圧延後、Ａｒ3変態点以上の温度から冷却速度：１～２００℃／ｓで２５０℃以下まで焼入れ、ついで６００℃以上Ａｃ1変態点以下の温度で焼戻す、高圧水素ガス中の耐水素脆化特性に優れた水素用鋼構造部の製造方法。
  7. 　請求項１ないし５のいずれかに記載の水素用鋼構造物の製造方法であって、
    　請求項１ないし４のいずれかに記載の鋼組成を有する鋼材を、所定形状に成形後、Ａｃ3変態点以上に加熱し、引続きＡｒ3変態点以上の温度から冷却速度：０．５～１００℃／ｓで２５０℃以下まで焼入れ、ついで６００℃以上Ａｃ1変態点以下の温度で焼戻す、高圧水素ガス中の耐水素脆化特性に優れた水素用鋼構造物の製造方法。
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