JP6933096B2 - Nickel steel for high pressure hydrogen - Google Patents
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Description
本発明は、高圧の水素を含む環境での使用に適した、ニッケルを含有する鋼材(以下、「Ni鋼材」ともいう。)に関する。 The present invention relates to a nickel-containing steel material (hereinafter, also referred to as “Ni steel material”) suitable for use in an environment containing high-pressure hydrogen.
近年、クリーンエネルギーとしての水素の利用に対する期待が高まっている。水素を利用した燃料電池自動車の普及が見込まれ、それに伴い、燃料電池自動車に水素を供給する水素ステーションの建設が行われている。さらに、ステーションへの水素供給のため、大量の水素を貯蔵しておく施設や、水素を発電などに使うことも検討されている。通常、気体として存在する水素は、ガソリンなどの液体燃料に比べてエネルギー密度が低く、燃料電池自動車等では積載量を確保するために高圧に圧縮した水素が貯蔵される。このような高圧の水素は、種々の材料の特性を低下させることが知られている。この現象は一般に水素脆化と呼ばれている。このため、車載用または水素ステーション用の高圧水素タンク、配管等に用いる鋼材には水素脆化が起きにくい特別な材料を使うことが求められている。そこで、Ni鋼材が注目されている。 In recent years, expectations for the use of hydrogen as clean energy have increased. Fuel cell vehicles that use hydrogen are expected to become widespread, and along with this, hydrogen stations that supply hydrogen to fuel cell vehicles are being constructed. Furthermore, in order to supply hydrogen to the station, facilities for storing a large amount of hydrogen and the use of hydrogen for power generation are being considered. Normally, hydrogen existing as a gas has a lower energy density than liquid fuel such as gasoline, and hydrogen compressed to a high pressure is stored in a fuel cell vehicle or the like in order to secure a load capacity. Such high pressure hydrogen is known to reduce the properties of various materials. This phenomenon is commonly referred to as hydrogen embrittlement. For this reason, it is required to use a special material that does not easily cause hydrogen embrittlement for steel materials used for high-pressure hydrogen tanks for automobiles or hydrogen stations, piping, and the like. Therefore, Ni steel materials are attracting attention.
Ni鋼材としては、例えば、特許文献1に記載されるように、液化天然ガス(LNG)の貯蔵タンクなどの極低温環境での使用を目的とした開発が進んでいる。低温用Ni鋼材は、−162℃といった極低温での靭性を向上させるために、熱間圧延後の鋼材に特殊な熱処理(一般に「中間熱処理」と呼ばれる。)を行なって、積極的に残留オーステナイトの体積分率を高めている。 As described in Patent Document 1, for example, the Ni steel material is being developed for use in an extremely low temperature environment such as a storage tank for liquefied natural gas (LNG). Ni steel for low temperature is positively retained austenite by subjecting the steel after hot rolling to a special heat treatment (generally called "intermediate heat treatment") in order to improve the toughness at an extremely low temperature such as -162 ° C. The volume fraction of is increased.
一方、車載用の高圧水素タンクについては、非特許文献1において、オーステナイト系ステンレス鋼SUS316およびSUS316Lのみが使用可能な鉄鋼材料として認定され、さらに使用温度によって下記(1)式のNi当量が制限されている。
Ni当量(%)=Ni+12.6C+1.05Mn+0.35Si+0.65Cr+0.98Mo・・・(1)
On the other hand, regarding the high-pressure hydrogen tank for automobiles, in Non-Patent Document 1, only austenitic stainless steels SUS316 and SUS316L are certified as usable steel materials, and the Ni equivalent of the following formula (1) is limited by the operating temperature. ing.
Ni equivalent (%) = Ni + 12.6C + 1.05Mn + 0.35Si + 0.65Cr + 0.98Mo ... (1)
この例示基準に適合するSUS316は、十分な耐水素脆化特性を有するが、室温での降伏応力は300MPa程度(JIS規格:175MPa以上)と構造用の鉄鋼材料としては低い部類である。このように強度が比較的低いSUS316を高圧水素タンクに適用する場合、非常に大きな肉厚が必要となる。このため、軽量化が重要な燃料電池自動車では、この鋼材をバルブやボスなど一部の部品に採用した例はあるが、タンク本体に採用された例はない。また、配管においても非常に大きな肉厚が必要となって、鋼材使用量が増えるため、重量やコストが増大する。 SUS316, which conforms to this example standard, has sufficient hydrogen embrittlement resistance, but has a yield stress of about 300 MPa (JIS standard: 175 MPa or more) at room temperature, which is a low class as a structural steel material. When applying SUS316, which has a relatively low strength, to a high-pressure hydrogen tank, a very large wall thickness is required. For this reason, in fuel cell vehicles where weight reduction is important, there are cases where this steel material is used for some parts such as valves and bosses, but there are no cases where it is used for the tank body. In addition, a very large wall thickness is required for piping, and the amount of steel used increases, resulting in an increase in weight and cost.
例えば、特許文献2には、SUS316と同様に、耐水素脆化特性に優れ、かつ高強度のオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。 For example, Patent Document 2 proposes an austenitic stainless steel having excellent hydrogen embrittlement resistance and high strength, similar to SUS316.
非特許文献2には、マルテンサイトやベイナイトなどの体心立方格子(以下、「bcc」ともいう。)の結晶構造(以下、「bcc構造」ともいう。)を主体とするCr−Mo系の低合金鋼(SCM435)を35MPaまでの水素ステーション用高圧水素タンクに使用できることが記載されている。 Non-Patent Document 2 describes a Cr-Mo system mainly composed of a crystal structure (hereinafter, also referred to as “bcc structure”) of a body-centered cubic lattice (hereinafter, also referred to as “bcc”) such as martensite and bainite. It is stated that low alloy steel (SCM435) can be used in high pressure hydrogen tanks for hydrogen stations up to 35 MPa.
非特許文献3には、bcc組織主体のNi鋼である、Fe−9Ni−4Co鋼の高圧水素中での機械的特性を調査した結果が報告されており、この鋼が、著しい水素脆化により特性が低下し、水素の影響を強くうける材料に分類されている。 Non-Patent Document 3 reports the results of investigating the mechanical properties of Fe-9Ni-4Co steel, which is a Ni steel mainly composed of bcc structure, in high-pressure hydrogen. It is classified as a material that has reduced properties and is strongly affected by hydrogen.
特許文献1のような低温用Ni鋼材において、Niを多量に含有させるのは、LNG温度など極低温における破壊靭性の確保が目的である。この低温用Ni鋼材においては、金属組織中のオーステナイト相の割合を高めた上で、オーステナイト相中にNiを濃化させてオーステナイト相の安定化を図り、極低温におけるより高い破壊靭性を実現している。このような金属組織を実現するため、熱間圧延後に、焼入れし、さらに中間熱処理を行なったうえで焼戻しする複雑な熱処理を行っている。しかし、本発明者らの検討により、このような中間熱処理を含む熱処理を行って得た鋼材は、耐水素脆化特性が劣化すること判明した。 The purpose of containing a large amount of Ni in a low temperature Ni steel material as in Patent Document 1 is to ensure fracture toughness at extremely low temperatures such as LNG temperature. In this low-temperature Ni steel material, after increasing the proportion of the austenite phase in the metal structure, Ni is concentrated in the austenite phase to stabilize the austenite phase and realize higher fracture toughness at extremely low temperatures. ing. In order to realize such a metallographic structure, a complicated heat treatment is performed in which hot rolling is performed, quenching is performed, intermediate heat treatment is performed, and then tempering is performed. However, according to the studies by the present inventors, it has been found that the steel material obtained by performing the heat treatment including such an intermediate heat treatment deteriorates the hydrogen embrittlement resistance.
特許文献2の鋼材は、非常に多くの合金元素を含有するため、コストが極めて高いという問題がある。 Since the steel material of Patent Document 2 contains an extremely large amount of alloying elements, there is a problem that the cost is extremely high.
ここで、高圧水素を供給する水素ステーションにおいては、3分以内での充填を可能にする必要がある。短時間で気体である水素を充填すると、断熱圧縮により温度が上がり、タンクが高温になる現象が知られている。一方で、高圧機器で必要とされる安全弁の部品には使用上限温度が制限される素材が使用されているため、タンクの温度は充填時に85℃を超えないことが規定されている。そこで、水素ステーションではあらかじめ−50℃程度に冷やされた高圧水素を供給することで、短時間充填と温度上昇の問題を同時に解決している。したがって、燃料電池自動車に使用される高圧水素用の材料は−50℃〜85℃の間の温度変化を想定する必要がある。 Here, in a hydrogen station that supplies high-pressure hydrogen, it is necessary to enable filling within 3 minutes. It is known that when hydrogen, which is a gas, is filled in a short time, the temperature rises due to adiabatic compression and the tank becomes hot. On the other hand, it is stipulated that the temperature of the tank does not exceed 85 ° C when filled because the material of the safety valve required for high-pressure equipment is made of a material whose upper limit temperature for use is limited. Therefore, the hydrogen station solves the problems of short-time filling and temperature rise at the same time by supplying high-pressure hydrogen that has been cooled to about −50 ° C. in advance. Therefore, the material for high-pressure hydrogen used in fuel cell vehicles needs to assume a temperature change between -50 ° C and 85 ° C.
オーステナイト系ステンレス鋼は面心立方格子(以下、「fcc」ともいう。)の結晶構造(以下、「fcc構造」ともいう。)を持つオーステナイト相(以下、「fcc組織」ともいう。)を主体とするが、一般にfcc構造の鉄鋼材料は、フェライト相などのbcc組織を主体とする鉄鋼材料に比べて、熱膨張率が大きい傾向が知られている。熱膨張率が大きいと温度変化によって大きな熱応力が発生する可能性があり、上記のように大きな温度変化が想定される場合、発生する熱応力が小さくなるbcc組織主体の鉄鋼材料がより望ましいといえる。 Austenitic stainless steel mainly consists of an austenitic phase (hereinafter, also referred to as “fcc structure”) having a face-centered cubic lattice (hereinafter, also referred to as “fcc”) crystal structure (hereinafter, also referred to as “fcc structure”). However, it is generally known that a steel material having an fcc structure tends to have a larger thermal expansion rate than a steel material having a bcc structure such as a ferrite phase. If the coefficient of thermal expansion is large, a large thermal stress may be generated due to the temperature change, and when a large temperature change is expected as described above, it is more desirable to use a bcc structure-based steel material in which the generated thermal stress is small. I can say.
しかしながら、非特許文献3に記載されるように、マルテンサイト、ベイナイトおよびフェライトなどのbcc組織からなる鉄鋼材料は、fcc構造のオーステナイト系ステンレス鋼よりも水素脆化し易いという問題がある。 However, as described in Non-Patent Document 3, a steel material having a bcc structure such as martensite, bainite and ferrite has a problem that it is more easily hydrogen embrittled than an austenitic stainless steel having an fcc structure.
非特許文献2に記載されるSCM435は、高圧水素の影響により水素脆化を生ずる。特に、強度を高めるほど水素脆化が顕著になることから、高圧水素環境で使用する際には熱処理条件を変えて一般的に用いられるよりも強度を低下させて使用せざるを得ない。ただし、強度を低下させても水素脆化を回避することはできない。また、SCM435よりも焼き入れ性が高く、より高圧な部材で肉厚化しても強度を確保しやすいSNCM439なども検討されているが、水素の影響を受ける点ではSCM435と同様である。このような、水素の影響により材質が低下する、いわゆる水素脆化を生ずるbcc組織からなる鋼材を高圧水素機器に適用する際には、安全率を大きくとり、水素以外の高圧ガスに使用するよりも大きな板厚で設計するなど、配慮が必要である。 SCM435 described in Non-Patent Document 2 causes hydrogen embrittlement due to the influence of high-pressure hydrogen. In particular, as the strength is increased, hydrogen embrittlement becomes more remarkable. Therefore, when used in a high-pressure hydrogen environment, the heat treatment conditions must be changed to lower the strength as compared with that generally used. However, hydrogen embrittlement cannot be avoided even if the strength is lowered. Further, SNCM439, which has higher hardenability than SCM435 and is easy to secure strength even if the wall thickness is increased with a member having a higher pressure, is similar to SCM435 in that it is affected by hydrogen. When applying a steel material having a bcc structure that causes so-called hydrogen embrittlement, in which the material deteriorates due to the influence of hydrogen, to high-pressure hydrogen equipment, a large safety factor is taken and it is better than using it for high-pressure gas other than hydrogen. It is necessary to consider such as designing with a large plate thickness.
車載用機器や水素ステーション用機器においても、全ての部材が、必ずしも35MPaや70MPaの高圧水素にさらされるわけではなく、より低圧の水素を溜める容器や配管などが存在する。また、燃料電池に関係しない用途については、20MPa程度の圧力の水素を使用することも想定される。したがって、25MPa程度まで水素脆化しない高強度のbcc鋼を見出すことで、大気中の特性そのままで設計できる高強度鋼が得られることになり、非常に大きなメリットとなる。 Even in in-vehicle equipment and hydrogen station equipment, not all members are necessarily exposed to high-pressure hydrogen of 35 MPa or 70 MPa, and there are containers and pipes for storing lower-pressure hydrogen. Further, for applications not related to fuel cells, it is assumed that hydrogen having a pressure of about 20 MPa is used. Therefore, by finding a high-strength bcc steel that does not become hydrogen embrittled up to about 25 MPa, a high-strength steel that can be designed with the characteristics in the atmosphere as it is can be obtained, which is a great merit.
本発明は、上記のような実情に鑑み、耐水素脆化特性と強度、およびコストの問題を同時に解決する、20MPaを超え25MPa以下の高圧水素環境において使用可能なニッケル鋼材の提供を課題としてなされたものである。 In view of the above circumstances, the present invention has been made to provide a nickel steel material that can be used in a high-pressure hydrogen environment of more than 20 MPa and 25 MPa or less, which simultaneously solves the problems of hydrogen embrittlement resistance, strength, and cost. It is a thing.
高圧水素中で、bcc組織がfcc組織に比べて水素の影響を受けやすいという理由は、一般的にはfcc組織の水素固溶限界がbcc組織に比べて大きいこと、およびfcc組織中の水素の拡散速度がbcc組織に比べてきわめて遅いことなどが挙げられる。 The reason why the bcc structure is more susceptible to hydrogen than the fcc structure in high-pressure hydrogen is that the hydrogen dissolution limit of the fcc structure is generally larger than that of the bcc structure, and that the hydrogen in the fcc structure is more susceptible to hydrogen. The diffusion rate is extremely slow compared to the bcc tissue.
前掲の非特許文献3の調査結果からすると、bcc組織を主体とする鋼材において、単にNi含有量を高めるだけでは耐水素脆化特性を向上させることはできない。 Based on the above-mentioned search results of Non-Patent Document 3, it is not possible to improve the hydrogen embrittlement resistance of a steel material mainly composed of a bcc structure simply by increasing the Ni content.
水素用機器を構成する構造用鋼材として使用するためには、水素脆化しないことが最も重要であるが、板材やパイプなどの提供される形態や最終的に使用される部材の種類に応じて要求される強度や靭性も重要な機械的特性である。 In order to use it as a structural steel material that composes hydrogen equipment, it is most important that it does not become hydrogen embrittled, but depending on the form provided such as plate materials and pipes and the type of member that will be finally used. The required strength and toughness are also important mechanical properties.
そこで、本発明者らは、bcc組織を主体とする鋼材を対象として、高圧水素環境中において水素脆化といわれる機械的特性の低下を抑制する手段について、数多くの検討を実施した。 Therefore, the present inventors have conducted a number of studies on a means for suppressing a decrease in mechanical properties called hydrogen embrittlement in a high-pressure hydrogen environment, targeting a steel material mainly composed of a bcc structure.
まず、本発明者らは、耐水素脆化特性を高めるため、鋼材中のNiの挙動に着目して、検討を重ねた。Niはオーステナイト相を安定化する元素であり、3.5質量%以上のNiを含有する鋼材では、bcc組織の中にfcc構造のオーステナイト相が混在する場合、オーステナイト相側に濃化する傾向にある。しかしながら、本発明者らは、もともと水素の影響を受けにくいオーステナイト相中にNiが濃化しても鋼全体の耐水素脆化特性は向上せず、むしろ母相であるbcc組織中にNiを多く固溶させることでbcc組織の耐水素脆化特性が向上し、オーステナイト相を含めた鋼材全体の耐水素脆化特性を向上させることを見出した。 First, the present inventors focused on the behavior of Ni in the steel material and repeated studies in order to enhance the hydrogen embrittlement resistance. Ni is an element that stabilizes the austenite phase, and in steel materials containing 3.5% by mass or more of Ni, when an austenite phase having an fcc structure is mixed in the bcc structure, it tends to be concentrated on the austenite phase side. be. However, the present inventors did not improve the hydrogen embrittlement resistance of the entire steel even if Ni was concentrated in the austenite phase, which was originally not easily affected by hydrogen, but rather contained a large amount of Ni in the bcc structure which is the matrix phase. It has been found that the hydrogen embrittlement resistance of the bcc structure is improved by the solid solution, and the hydrogen embrittlement resistance of the entire steel material including the austenite phase is improved.
次に、本発明者らは、耐水素脆化特性を安定して得るため、金属組織に着目して、検討を重ねた。旧オーステナイト粒界は比較的水素が集積し易く、他の部位に比べて比較的水素脆化を起こし易い。このため、高圧水素中で鋼材に引張応力が作用すると、旧オーステナイト粒界に割れ状の破壊を生じやすい。本発明者らは、旧オーステナイト粒径を小さくすれば、割れの伝播が抑制される結果、鋼材の耐水素脆化特性を安定させることを見出した。 Next, the present inventors focused on the metal structure and repeated studies in order to stably obtain hydrogen embrittlement resistance. Hydrogen is relatively easy to accumulate at the former austenite grain boundaries, and hydrogen embrittlement is relatively easy to occur compared to other sites. Therefore, when tensile stress acts on the steel material in high-pressure hydrogen, crack-like fracture is likely to occur at the old austenite grain boundaries. The present inventors have found that if the particle size of the old austenite is reduced, the propagation of cracks is suppressed, and as a result, the hydrogen embrittlement resistance of the steel material is stabilized.
以上の検討結果から、具体的には次の2つの条件を同時に満足することで、25MPa以下の高圧水素環境下においても耐水素脆化特性に優れたbcc組織を主体とするNi鋼材が得られることを知見した。
(イ)鋼材のNi含有量を3.5質量%以上とした上で、母相となるマルテンサイトを主体とするbcc組織中のNi含有量を2.8質量%以上確保すること。
(ロ)鋼材の旧オーステナイト粒径を12.0μm以下とすること。
From the above examination results, specifically, by satisfying the following two conditions at the same time, a Ni steel material mainly having a bcc structure having excellent hydrogen embrittlement resistance can be obtained even in a high-pressure hydrogen environment of 25 MPa or less. I found that.
(B) The Ni content of the steel material shall be 3.5% by mass or more, and the Ni content in the bcc structure mainly composed of martensite as the parent phase shall be secured at 2.8% by mass or more.
(B) The old austenite particle size of steel materials shall be 12.0 μm or less.
さらに、上記Ni鋼材において、高圧水素容器などの部材に適用した時を想定して、鋼材の機械的特性と耐水素脆化特性の関係について検討した結果、引張強さを930MPa以下とすることで、25MPa以下の高圧水素中での相対絞り値が0.80以上という優れた耐水素脆化特性を発現することを見出すに至った。 Furthermore, as a result of examining the relationship between the mechanical properties of the steel material and the hydrogen embrittlement resistance, assuming that it is applied to members such as high-pressure hydrogen containers in the above Ni steel material, the tensile strength was set to 930 MPa or less. , It has been found that it exhibits excellent hydrogen embrittlement resistance of 0.80 or more in relative drawing value in high-pressure hydrogen of 25 MPa or less.
なお、上記の相対絞り値とは、鋼材の耐水素脆化特性の指標であり、高圧水素中での引張試験時の鋼材の絞り値をヘリウムなどの不活性ガス(もしくは大気)中での絞り値で除した値である。したがって、相対絞り値が1に近いほど耐水素脆化特性に優れることになる。実用的には、鋼材の相対絞り値が0.80以上であれば問題なく、高圧水素環境で使用できる。 The above relative drawing value is an index of hydrogen embrittlement resistance of steel materials, and the drawing value of steel materials during a tensile test in high-pressure hydrogen is drawn in an inert gas (or atmosphere) such as helium. It is the value divided by the value. Therefore, the closer the relative aperture value is to 1, the better the hydrogen embrittlement resistance. Practically, if the relative drawing value of the steel material is 0.80 or more, there is no problem and it can be used in a high-pressure hydrogen environment.
本発明は、以上のような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。 The present invention has been made based on the above findings, and the gist thereof is as follows.
(1) 化学組成が、質量%で、
Ni:3.5%以上9.0%未満、
C:0.003〜0.080%、
Si:0.03〜0.30%、
Mn:0.10〜2.00%、
Mo:0.10〜0.50%、
Al:0.010〜0.060%、
N:0.0015〜0.0050%、
O:0.0030%以下、
P:0.0070%以下、
S:0.0040%以下、
Cu:0〜0.50%、
Cr:0〜0.50%、
Nb:0〜0.020%、
Ti:0〜0.020%、
V:0〜0.50%、
B:0〜0.0020%、
Ca:0〜0.0040%、
希土類元素:0〜0.0050%、
残部:Feおよび不純物であり、
金属組織が、体心立方格子構造の組織を主体とし、
前記体心立方格子構造の組織中のNi固溶量が2.8%以上であり、
旧オーステナイト粒径が12.0μm以下であり、
引張強さが930MPa以下である、
高圧水素用ニッケル鋼材。
(1) The chemical composition is mass%.
Ni: 3.5% or more and less than 9.0%,
C: 0.003 to 0.080%,
Si: 0.03 to 0.30%,
Mn: 0.10 to 2.00%,
Mo: 0.10 to 0.50%,
Al: 0.010 to 0.060%,
N: 0.0015 to 0.0050%,
O: 0.0030% or less,
P: 0.0070% or less,
S: 0.0040% or less,
Cu: 0-0.50%,
Cr: 0 to 0.50%,
Nb: 0 to 0.020%,
Ti: 0-0.020%,
V: 0 to 0.50%,
B: 0 to 0.0020%,
Ca: 0-0.0040%,
Rare earth elements: 0-0.0050%,
Remaining: Fe and impurities,
The metal structure is mainly composed of the body-centered cubic lattice structure.
The amount of Ni solid solution in the structure of the body-centered cubic lattice structure is 2.8% or more.
The old austenite particle size is 12.0 μm or less,
The tensile strength is 930 MPa or less.
Nickel steel for high-pressure hydrogen.
(2)前記化学組成が、質量%で、
V:0.10%以上を含有する、
上記(1)の高圧水素用ニッケル鋼材。
(2) The chemical composition is mass%.
V: Contains 0.10% or more,
The nickel steel material for high-pressure hydrogen described in (1) above.
(3)前記引張強さが560MPa以上である、
上記(1)または(2)の高圧水素用Ni鋼材。
(3) The tensile strength is 560 MPa or more.
The Ni steel material for high-pressure hydrogen according to (1) or (2) above.
(4)前記引張強さが690MPa以上である、
上記(1)または(2)の高圧水素用Ni鋼材。
(4) The tensile strength is 690 MPa or more.
The Ni steel material for high-pressure hydrogen according to (1) or (2) above.
(5)前記金属組織において、オーステナイト相の体積分率が、5.0%以下である、
上記(1)〜(4)のいずれかの高圧水素用ニッケル鋼材。
(5) In the metal structure, the volume fraction of the austenite phase is 5.0% or less.
The nickel steel material for high-pressure hydrogen according to any one of (1) to (4) above.
本発明によれば、最大25MPaの高圧水素環境下においても十分な耐水素脆化特性を有し、かつ高い強度を有するNi鋼材を提供することができる。このNi鋼材は、高圧水素用途、例えば、高圧水素を貯蔵するタンク、配管、バルブなど、水素貯蔵施設、水素供給施設、燃料電池自動車、水素利用発電施設等において高圧水素環境下で使用するのに適している。したがって、このNi鋼材を高圧水素用機器に使用すれば、高Ni当量のSUS316系オーステナイト系ステンレス鋼に比べて、板厚を薄く、軽量化し、鋼材使用量を低減することが可能となる。また、高強度のオーステナイト系ステンレス鋼に比べコストを低減することが可能となる。このため、本発明により、高圧水素機器の軽量化やコストダウンを進め、また燃料電池自動車の燃費向上などが可能となる。このように、本発明は産業上の貢献が極めて顕著である。 According to the present invention, it is possible to provide a Ni steel material having sufficient hydrogen embrittlement resistance and high strength even in a high-pressure hydrogen environment of up to 25 MPa. This Ni steel material is used in high-pressure hydrogen applications such as tanks, pipes, valves for storing high-pressure hydrogen, hydrogen storage facilities, hydrogen supply facilities, fuel cell vehicles, hydrogen-utilizing power generation facilities, etc. in a high-pressure hydrogen environment. Are suitable. Therefore, if this Ni steel material is used for high-pressure hydrogen equipment, the plate thickness can be made thinner and lighter, and the amount of steel material used can be reduced as compared with SUS316-based austenitic stainless steel having a high Ni equivalent. In addition, the cost can be reduced as compared with high-strength austenitic stainless steel. Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the weight and cost of high-pressure hydrogen equipment, and improve the fuel efficiency of fuel cell vehicles. As described above, the industrial contribution of the present invention is extremely remarkable.
以下、本実施形態に係る高圧水素用ニッケル鋼材について説明する。まず、高圧水素用ニッケル鋼材の化学組成について説明する。なお、含有量の「%」は、特に説明がない限り、「質量%」を意味する。 Hereinafter, the nickel steel material for high-pressure hydrogen according to this embodiment will be described. First, the chemical composition of nickel steel for high-pressure hydrogen will be described. The content "%" means "mass%" unless otherwise specified.
1.化学組成
Ni:3.5%以上9.0%未満
Niは、耐水素脆化特性を確保するために必須の元素である。Ni含有量が9.0%未満であると、最大25MPaの高圧水素環境での絞りが劣化し、相対絞り値が0.80未満まで低下する場合がある。特に、水素の圧力が上昇する、または、使用温度が低下すると、相対絞り値は低下する傾向にある。したがって、Ni含有量を3.5%以上とする。Ni含有量は、相対絞り値を確保する上で増加させるのが良いが、最大25MPaの高圧水素環境下での使用を想定すると、高価なNiを9.0%以上含有させることのメリットは小さい。したがって、Ni含有量を9.0%未満とする。 好ましい上限は8.0%であり、より好ましい上限は7.0%であり、さらに好ましい上限は、6.0%である。
1. 1. Chemical composition Ni: 3.5% or more and less than 9.0% Ni is an essential element for ensuring hydrogen embrittlement resistance. If the Ni content is less than 9.0%, the drawing in a high-pressure hydrogen environment with a maximum of 25 MPa deteriorates, and the relative drawing value may drop to less than 0.80. In particular, when the hydrogen pressure rises or the operating temperature falls, the relative throttle value tends to decrease. Therefore, the Ni content is set to 3.5% or more. The Ni content should be increased in order to secure the relative throttle value, but assuming use in a high-pressure hydrogen environment with a maximum of 25 MPa, the merit of containing 9.0% or more of expensive Ni is small. .. Therefore, the Ni content is set to less than 9.0%. The preferred upper limit is 8.0%, the more preferred upper limit is 7.0%, and the more preferred upper limit is 6.0%.
C:0.003〜0.080%
Cは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、マルテンサイトやオーステナイトの生成にも寄与する。C含有量が0.003%未満では強度が確保できなくなる。したがって、C含有量を0.003%以上とする。一方、C含有量が0.080%を超えると、強度が高くなりすぎて相対絞り値が低下するため、その上限を0.080%とする。好ましいC含有量の上限は0.070%、より好ましくは0.060%であり、更に好ましいC含有量の上限は0.055%である。 560MPa以上の引張強さを得るためには、C含有量の下限は0.005%とするのが好ましく、0.010%以上とするのがより好ましく、0.030%以上とするのがさらに好ましい。特に、690MPa以上の引張強さを得るためには、C含有量の下限は0.040%とするのが好ましい。
C: 0.003 to 0.080%
C is an element that increases the yield stress at room temperature and also contributes to the formation of martensite and austenite. If the C content is less than 0.003%, the strength cannot be secured. Therefore, the C content is set to 0.003% or more. On the other hand, if the C content exceeds 0.080%, the strength becomes too high and the relative aperture value decreases, so the upper limit is set to 0.080%. The upper limit of the preferable C content is 0.070%, more preferably 0.060%, and the upper limit of the more preferable C content is 0.055%. In order to obtain a tensile strength of 560 MPa or more, the lower limit of the C content is preferably 0.005%, more preferably 0.010% or more, and further preferably 0.030% or more. preferable. In particular, in order to obtain a tensile strength of 690 MPa or more, the lower limit of the C content is preferably 0.040%.
Si:0.03〜0.30%
Siは、降伏応力を上昇させる元素である。Si含有量が0.03%未満では室温での降伏応力の向上効果が小さい。したがって、Si含有量を0.03%以上とする。Si含有量の好ましい下限は0.04%であり、より好ましい下限は0.05%である。一方、Si含有量が0.30%を超えると、旧オーステナイト粒界のセメンタイトが粗大化しやすくなり、靭性が低下する。したがって、Si含有量を0.30%以下とする。好ましいSi含有量の上限は0.20%、より好ましくは0.15%であり、更に好ましいSi含有量の上限は0.10%である。
Si: 0.03 to 0.30%
Si is an element that increases the yield stress. If the Si content is less than 0.03%, the effect of improving the yield stress at room temperature is small. Therefore, the Si content is set to 0.03% or more. The preferable lower limit of the Si content is 0.04%, and the more preferable lower limit is 0.05%. On the other hand, when the Si content exceeds 0.30%, the cementite at the former austenite grain boundaries tends to be coarsened, and the toughness is lowered. Therefore, the Si content is set to 0.30% or less. The upper limit of the preferable Si content is 0.20%, more preferably 0.15%, and the upper limit of the more preferable Si content is 0.10%.
Mn:0.10〜2.00%
Mnは、室温での降伏応力を上昇させる元素である。Mn含有量が0.10%未満では強度を確保できず、また、粗大なベイナイトなどの生成によって構造材料として必要とされる靭性が低下することがある。したがって、Mn含有量を0.10%以上とする。Mn含有量の好ましい下限は0.20%である。一方、Mn含有量が2.00%を超えると、旧オーステナイト粒界に偏析したMnや粗大に析出するMnSにより粒界での破壊が起こり、靭性が低下する。また、Mnはオーステナイト安定化元素でもあるため、多量に含有させるとオーステナイト相が過剰に生成し、bcc組織中に十分な量のNiを固溶させることが困難になる。したがって、Mn含有量を2.00%以下とする。好ましいMn含有量の上限は1.50%である。
Mn: 0.10 to 2.00%
Mn is an element that increases the yield stress at room temperature. If the Mn content is less than 0.10%, the strength cannot be ensured, and the toughness required as a structural material may decrease due to the formation of coarse bainite or the like. Therefore, the Mn content is set to 0.10% or more. The preferable lower limit of the Mn content is 0.20%. On the other hand, when the Mn content exceeds 2.00%, the Mn segregated at the old austenite grain boundaries and the MnS coarsely precipitated cause fracture at the grain boundaries, resulting in a decrease in toughness. Further, since Mn is also an austenite stabilizing element, if it is contained in a large amount, an austenite phase is excessively formed, and it becomes difficult to dissolve a sufficient amount of Ni in the bcc structure. Therefore, the Mn content is set to 2.00% or less. The upper limit of the preferable Mn content is 1.50%.
Mo:0.10〜0.50%
Moは、降伏応力を上昇させる元素であり、粒界脆化を抑制する効果も有する。したがって、Mo含有量を0.10%以上とする。Mo含有量の好ましい下限は0.15%であり、より好ましい下限は0.20%である。一方、Moは高価な元素であり、Mo含有量が0.50%を超えると経済性を損なう。また、Moはオーステナイト安定化元素でもあるため、多量に添加するとオーステナイト相が過剰に生成し、bcc組織中に十分な量のNiを固溶させることが困難になる。したがって、Mo含有量を0.50%以下とする。Mo含有量の好ましい上限は0.40%である。
Mo: 0.10 to 0.50%
Mo is an element that increases the yield stress and also has the effect of suppressing grain boundary embrittlement. Therefore, the Mo content is set to 0.10% or more. The preferable lower limit of the Mo content is 0.15%, and the more preferable lower limit is 0.20%. On the other hand, Mo is an expensive element, and if the Mo content exceeds 0.50%, the economic efficiency is impaired. Further, since Mo is also an austenite stabilizing element, if it is added in a large amount, an austenite phase is excessively formed, and it becomes difficult to dissolve a sufficient amount of Ni in the bcc structure. Therefore, the Mo content is set to 0.50% or less. The preferable upper limit of the Mo content is 0.40%.
Al:0.010〜0.060%
Alは、主に脱酸に使用される元素であり、また、AlNを形成し、金属組織の微細化や、靱性を低下させる固溶Nの低減にも寄与する。Al含有量が0.010%未満では脱酸の効果や金属組織の微細化効果及び固溶N低減効果が小さい。したがって、Al含有量を0.010%以上とする。Al含有量の下限は0.015%が好ましく、より好ましくは0.020%である。しかし、Al含有量が0.060%を超えると、靭性が低下する。したがって、Al含有量を0.060%以下とする。Al含有量の好ましい上限は0.050%であり、より好ましいのは0.040%である。
Al: 0.010 to 0.060%
Al is an element mainly used for deoxidation, and also contributes to the miniaturization of the metal structure and the reduction of the solid solution N that lowers the toughness by forming AlN. When the Al content is less than 0.010%, the deoxidizing effect, the metal structure refining effect, and the solid solution N reducing effect are small. Therefore, the Al content is set to 0.010% or more. The lower limit of the Al content is preferably 0.015%, more preferably 0.020%. However, if the Al content exceeds 0.060%, the toughness decreases. Therefore, the Al content is set to 0.060% or less. The preferred upper limit of the Al content is 0.050%, more preferably 0.040%.
N:0.0015〜0.0050%
Nは、窒化物の形成に寄与する。N含有量を0.0015%未満へ低減すると、熱処理時にオーステナイト粒径の粗大化を抑制する微細なAlNが不足し、オーステナイト粒が粗大化して靭性が低下する場合がある。したがって、N含有量は、0.0015%以上とする。好ましくは0.0020%以上とする。一方、N含有量が0.0050%を超えると固溶Nが増加したり、AlNが粗大化するため靭性が低下する。したがって、N含有量を0.0050%以下とする。N含有量の好ましい上限は0.0045%であり、より好ましいのは0.0040%である。
N: 0.0015 to 0.0050%
N contributes to the formation of nitrides. When the N content is reduced to less than 0.0015%, fine AlN that suppresses the coarsening of the austenite particle size during the heat treatment may be insufficient, and the austenite particles may be coarsened to reduce the toughness. Therefore, the N content is set to 0.0015% or more. It is preferably 0.0020% or more. On the other hand, when the N content exceeds 0.0050%, the solid solution N increases and the AlN becomes coarse, so that the toughness decreases. Therefore, the N content is set to 0.0050% or less. The preferred upper limit of the N content is 0.0045%, more preferably 0.0040%.
O:0.0030%以下
Oは、不純物である。O含有量が0.0030%を超えるとAl2O3のクラスターが増加し、靭性が低下する場合がある。したがって、O含有量の上限を0.0030%以下とする。好ましいO含有量の上限は0.0025%であり、より好ましくは0.0020%、更に好ましくは0.0015%とする。O含有量は少ないほうが望ましいが、0.0007%未満へのO含有量の低減はコスト上昇を伴う場合がある。したがって、好ましくはO含有量を0.0007%以上とする。
O: 0.0030% or less O is an impurity. If the O content exceeds 0.0030%, the clusters of Al 2 O 3 may increase and the toughness may decrease. Therefore, the upper limit of the O content is set to 0.0030% or less. The upper limit of the preferable O content is 0.0025%, more preferably 0.0020%, still more preferably 0.0015%. It is desirable that the O content is low, but reducing the O content to less than 0.0007% may be accompanied by an increase in cost. Therefore, the O content is preferably 0.0007% or more.
P:0.0070%以下
Pは、旧オーステナイト粒界での粒界脆化をもたらし、靭性に有害な元素である。そのため、P含有量は少ないほうが望ましい。P含有量が0.0070%を超えると靭性が低下する場合がある。したがって、P含有量を0.0070%以下とする。P含有量の上限は、好ましくは0.0050%、より好ましくは0.0040%、更に好ましくは0.0030%である。Pは溶鋼製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。
P: 0.0070% or less P is an element that causes grain boundary embrittlement at the former austenite grain boundaries and is harmful to toughness. Therefore, it is desirable that the P content is low. If the P content exceeds 0.0070%, the toughness may decrease. Therefore, the P content is set to 0.0070% or less. The upper limit of the P content is preferably 0.0050%, more preferably 0.0040%, still more preferably 0.0030%. P may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but the lower limit thereof does not need to be particularly limited, and the lower limit is 0%.
S:0.0040%以下
Sは、MnSとして脆性破壊の発生起点となる場合があり、靭性に有害な元素である。S含有量が0.0040%を超えると靭性が低下する場合がある。したがって、S含有量を0.0040%以下とする。S含有量の上限は、好ましくは0.0030%、より好ましくは0.0020%、更に好ましくは0.0010%である。Sは溶鋼製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。
S: 0.0040% or less
S may be the starting point of brittle fracture as MnS, and is an element harmful to toughness. If the S content exceeds 0.0040%, the toughness may decrease. Therefore, the S content is set to 0.0040% or less. The upper limit of the S content is preferably 0.0030%, more preferably 0.0020%, and even more preferably 0.0010%. S may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but the lower limit thereof does not need to be particularly limited, and the lower limit is 0%.
Cu:0〜0.50%
Cuは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、Cuを含有させてもよい。ただし、Cu含有量が0.50%を超えると靭性が低下するため、上限を0.50%以下とする。Cu含有量の上限は、好ましくは0.40%以下、より好ましくは0.30%以下、更に好ましくは0.20%以下である。Cuは、溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。上記の効果を得るためには、Cuの下限は、0.01%とするのが好ましく、0.03%とするのがより好ましく、0.04%とするのがさらに好ましい。
Cu: 0-0.50%
Cu is an element that increases the yield stress at room temperature, and may contain Cu. However, if the Cu content exceeds 0.50%, the toughness decreases, so the upper limit is set to 0.50% or less. The upper limit of the Cu content is preferably 0.40% or less, more preferably 0.30% or less, still more preferably 0.20% or less. Cu may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but the lower limit thereof does not need to be particularly limited, and the lower limit is 0%. In order to obtain the above effect, the lower limit of Cu is preferably 0.01%, more preferably 0.03%, and even more preferably 0.04%.
Cr:0〜0.50%
Crは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、Crを含有させてもよい。ただし、Cr含有量が0.50%を超えると靭性が低下する。したがって、Cr含有量を0.50%以下とする。Cr含有量の上限は、好ましくは0.30%、より好ましくは0.20%、更に好ましくは0.10%である。Crは、溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。上記の効果を得るためには、Crの下限は、0.01%とするのが好ましい。
Cr: 0 to 0.50%
Cr is an element that increases the yield stress at room temperature, and Cr may be contained. However, if the Cr content exceeds 0.50%, the toughness decreases. Therefore, the Cr content is set to 0.50% or less. The upper limit of the Cr content is preferably 0.30%, more preferably 0.20%, and even more preferably 0.10%. Cr may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but the lower limit thereof does not need to be particularly limited, and the lower limit is 0%. In order to obtain the above effect, the lower limit of Cr is preferably 0.01%.
Nb:0〜0.020%
Nbは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、金属組織の微細化による靭性の向上効果も有するので、Nbを含有させてもよい。ただし、Nb含有量が0.020%を超えると、靭性が低下する。したがって、Nb含有量を0.020%以下とする。Nb含有量の上限は、好ましくは0.015%、より好ましくは0.010%である。Nbは溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。上記の効果を得るためには、Nbの下限は、0.005%とするのが好ましい。
Nb: 0 to 0.020%
Nb is an element that increases the yield stress at room temperature, and also has the effect of improving toughness by refining the metal structure, so Nb may be contained. However, if the Nb content exceeds 0.020%, the toughness decreases. Therefore, the Nb content is set to 0.020% or less. The upper limit of the Nb content is preferably 0.015%, more preferably 0.010%. Nb may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but the lower limit thereof does not need to be particularly limited, and the lower limit is 0%. In order to obtain the above effect, the lower limit of Nb is preferably 0.005%.
Ti:0〜0.020%
Tiは、TiNを形成し、金属組織の微細化や、靱性を低下させる固溶Nの低減にも寄与するので、Tiを含有させてもよい。しかし、Ti含有量が0.020%を超えると、靭性が低下する。したがって、Ti含有量を0.020%以下とする。好ましいTi含有量の上限は0.015%であり、より好ましい上限は0.010%である。Tiは、溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。上記の効果を得るためには、Tiの下限は、0.008%とするのが好ましい。
Ti: 0-0.020%
Ti may be contained because it forms TiN and contributes to the miniaturization of the metal structure and the reduction of the solid solution N that lowers the toughness. However, if the Ti content exceeds 0.020%, the toughness decreases. Therefore, the Ti content is set to 0.020% or less. The upper limit of the preferable Ti content is 0.015%, and the more preferable upper limit is 0.010%. Ti may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but it is not necessary to limit the lower limit thereof, and the lower limit is 0%. In order to obtain the above effect, the lower limit of Ti is preferably 0.008%.
V:0〜0.50%
Vは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、また炭化物(VC)を生成して、環境中から侵入した水素をトラップして無害化する効果があるので、Vを含有させてもよい。しかしながら、0.50%を超えて含有させると靭性が低下する。したがって、V含有量を0.50%以下とする。V含有量の上限は、好ましくは0.40%である。Vは溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。前述の水素トラップ効果を得るためには、Vの下限は、0.001%とするのが好ましく、0.005%とするのがより好ましく、0.010%とするのがより好ましく、0.10%とするのがさらに好ましい。
V: 0 to 0.50%
V is an element that increases the yield stress at room temperature, and also has the effect of generating carbides (VC) to trap hydrogen that has entered from the environment and detoxify it, so V may be contained. .. However, if it is contained in excess of 0.50%, the toughness decreases. Therefore, the V content is set to 0.50% or less. The upper limit of the V content is preferably 0.40%. V may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but the lower limit thereof does not need to be particularly limited, and the lower limit is 0%. In order to obtain the above-mentioned hydrogen trap effect, the lower limit of V is preferably 0.001%, more preferably 0.005%, more preferably 0.010%, and 0. It is more preferably 10%.
B:0〜0.0020%
Bは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、また、BNを形成し、靱性を低下させる固溶Nの低減にも寄与するので、Bを含有させてもよい。しかし、Bを0.0020%超含有すると靭性が低下する。したがって、B含有量を0.0020%以下とする。B含有量の上限は、好ましくは0.0015%であり、より好ましくは0.0012%、更に好ましくは0.0010%である。Bは溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。 Bの効果を得るためには、その下限は、0.0001%とするのが好ましく、0.0003%とするのがより好ましく、0.0005%とするのがさらに好ましい。
B: 0 to 0.0020%
B is an element that increases the yield stress at room temperature, and also contributes to the reduction of solid solution N that forms BN and reduces toughness, and therefore B may be contained. However, if B is contained in excess of 0.0020%, the toughness decreases. Therefore, the B content is set to 0.0020% or less. The upper limit of the B content is preferably 0.0015%, more preferably 0.0012%, and even more preferably 0.0010%. B may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but the lower limit thereof does not need to be particularly limited, and the lower limit is 0%. In order to obtain the effect of B, the lower limit thereof is preferably 0.0001%, more preferably 0.0003%, and even more preferably 0.0005%.
Ca:0〜0.0040%
Caは、熱間圧延により延伸して靭性への有害性が高まりやすいMnSをCaSとして球状化し、靭性を向上させるのに有効であるため、Caを含有してもよい。しかし、Ca含有量が0.0040%を超えると、Caを含有する酸硫化物が粗大化して、靭性が低下する。したがって、Ca含有量を0.0040%以下とする。好ましいCa含有量の上限は0.0030%である。Caは、溶鋼製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。Caの効果を得るためには、その下限は、0.0001%とするのが好ましく、0.0005%とするのがより好ましく、0.0010%とするのがさらに好ましい。
Ca: 0 to 0.0040%
Ca may be contained in Ca because it is effective in improving toughness by spheroidizing MnS as CaS, which is easily stretched by hot rolling to increase the harmfulness to toughness. However, when the Ca content exceeds 0.0040%, the acid sulfide containing Ca becomes coarse and the toughness decreases. Therefore, the Ca content is set to 0.0040% or less. The upper limit of the preferable Ca content is 0.0030%. Ca may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but the lower limit thereof does not need to be particularly limited, and the lower limit is 0%. In order to obtain the effect of Ca, the lower limit thereof is preferably 0.0001%, more preferably 0.0005%, and even more preferably 0.0010%.
希土類元素:0〜0.0050%
希土類元素(REM)は、Caと同様に、熱間圧延によって延伸して靭性への有害性が高まりやすいMnSをREMの酸硫化物として球状化し、靭性を向上させるのに有効であるため、REMを含有してもよい。しかし、REM含有量が0.0050%を超えるとREMを含有する酸硫化物が粗大化して、靭性が低下する。したがって、REM含有量を0.0050%以下とする。好ましいREM含有量の上限は0.0047%である。REMは、溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。REMの効果を得るためには、その下限は、0.0001%とするのが好ましく、0.0005%とするのがより好ましく、0.0010%とするのがさらに好ましい。
Rare earth element: 0-0.0050%
Like Ca, rare earth elements (REM) are effective in improving toughness by spheroidizing MnS, which is easily stretched by hot rolling and is likely to be harmful to toughness, as an acid sulfide of REM. May be contained. However, when the REM content exceeds 0.0050%, the acid sulfide containing REM becomes coarse and the toughness decreases. Therefore, the REM content is set to 0.0050% or less. The upper limit of the preferred REM content is 0.0047%. REM may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but the lower limit thereof does not need to be particularly limited, and the lower limit is 0%. In order to obtain the effect of REM, the lower limit thereof is preferably 0.0001%, more preferably 0.0005%, and even more preferably 0.0010%.
なお、本明細書におけるREMは、Sc、Y、及びランタノイド(原子番号57番のLa〜同71番のLu)の17元素のうちの少なくとも1種以上を含有し、REM含有量はこれら元素の合計含有量である。 The REM in the present specification contains at least one of 17 elements of Sc, Y, and lanthanoids (Atomic number 57 La to 71 Lu), and the REM content of these elements is the same. The total content.
本実施形態に係る高圧水素用ニッケル鋼材は、上記各元素を含有し、残部は、鉄および不純物である。ここで、不純物とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石やスクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。ただし、本発明においては、不純物のうち、O、P及びSについては、上述のように、上限を規定する必要がある。また、本実施形態に係る高圧水素用鋼には、上記成分の他に、スクラップ等の副原料からの不純物として、以下の合金元素を含有してもよい。 The nickel steel material for high-pressure hydrogen according to this embodiment contains each of the above elements, and the balance is iron and impurities. Here, the impurity is a component mixed by various factors in the manufacturing process, including raw materials such as ore and scrap, when steel is industrially manufactured, and does not adversely affect the present invention. Means what is acceptable in the range. However, in the present invention, among the impurities, it is necessary to specify the upper limit for O, P and S as described above. In addition to the above components, the high-pressure hydrogen steel according to the present embodiment may contain the following alloying elements as impurities from auxiliary raw materials such as scrap.
Sbは、靭性を損なうため、Sb含有量は、0.005%以下であることが好ましく、0.003%以下であることがより好ましく、0.001%以下であることが最も好ましい。 Since Sb impairs toughness, the Sb content is preferably 0.005% or less, more preferably 0.003% or less, and most preferably 0.001% or less.
Snは、靭性を損なうため、Sn含有量は、0.005%以下であることが好ましく、0.003%以下であることがより好ましく、0.001%以下であることが最も好ましい。 Since Sn impairs toughness, the Sn content is preferably 0.005% or less, more preferably 0.003% or less, and most preferably 0.001% or less.
Asは、靭性を損なうため、As含有量は、0.005%以下であることが好ましく、0.003%以下であることがより好ましく、0.001%以下であることが最も好ましい。 Since As impairs toughness, the As content is preferably 0.005% or less, more preferably 0.003% or less, and most preferably 0.001% or less.
また、Co、Zn及びWは、それぞれ0.010%以下であることが好ましく、0.005%以下であることがより好ましい。 Further, Co, Zn and W are each preferably 0.010% or less, and more preferably 0.005% or less.
Sb、Sn、As、Co、Zn及びWの下限を制限する必要はなく、各元素の下限は0%である。また、不純物元素(例えば、P、S)が意図的に添加されたとしても、任意添加元素(Cu、Cr、Mo、Nb、V、Ti、B、Ca、及びREM)が不純物として混入していても、その含有量が請求項で規定される範囲内にあれば、その高圧水素用Ni鋼材は本発明の範囲内と解釈する。 It is not necessary to limit the lower limit of Sb, Sn, As, Co, Zn and W, and the lower limit of each element is 0%. Further, even if an impurity element (for example, P, S) is intentionally added, an optional additive element (Cu, Cr, Mo, Nb, V, Ti, B, Ca, and REM) is mixed as an impurity. However, if the content is within the range specified in the claims, the Ni steel material for high-pressure hydrogen is interpreted as being within the range of the present invention.
2.金属組織
本実施形態に係る高圧水素用ニッケル鋼材は、体心立方格子構造の組織、すなわちbcc組織を主体とする。主体とするとは、金属組織中の大部分がbcc組織であることを意味し、具体的には、体積分率で90.0%以上であることが好ましい。より好ましい体積分率は95.0%である。本実施形態に係るbcc組織は、主としてマルテンサイトで構成されているが、一部にベイナイトが含まれていてもよい。bcc組織中のマルテンサイトの割合は、体積分率で50.0%以上であればよい。
2. Metal structure The nickel steel material for high-pressure hydrogen according to this embodiment mainly has a body-centered cubic lattice structure, that is, a bcc structure. The term "main body" means that most of the metal structure is a bcc structure, and specifically, the volume fraction is preferably 90.0% or more. A more preferable volume fraction is 95.0%. The bcc structure according to the present embodiment is mainly composed of martensite, but may contain bainite in a part thereof. The proportion of martensite in the bcc tissue may be 50.0% or more in terms of volume fraction.
後述するように、bcc組織中のNi固溶量を増やすためには、Niが濃化し易いオーステナイト相を極力減らすことが望ましい。このため、オーステナイト相は、体積分率で5.0%以下とするのが好ましく、3.0%以下とすることがより好ましい。さらに好ましくは、オーステナイト相の体積分率を0%として、bcc組織単相とする。ただし、bcc組織中のNi固溶量を十分に確保できるのであれば、オーステナイト相の体積分率は5.0%を超えていてもよい。なお、ここでいうオーステナイト相は、旧オーステナイトとは異なり、熱処理後のNi鋼材中に存在するオーステナイト相である。オーステナイト相の体積分率は、X線回折法で測定する。 As will be described later, in order to increase the amount of Ni solid solution in the bcc structure, it is desirable to reduce the austenite phase in which Ni tends to concentrate as much as possible. Therefore, the austenite phase preferably has a volume fraction of 5.0% or less, and more preferably 3.0% or less. More preferably, the volume fraction of the austenite phase is set to 0%, and the bcc structure is a single phase. However, the volume fraction of the austenite phase may exceed 5.0% as long as a sufficient amount of Ni solid solution in the bcc structure can be secured. The austenite phase referred to here is an austenite phase present in the Ni steel material after the heat treatment, unlike the old austenite. The volume fraction of the austenite phase is measured by X-ray diffraction.
bcc組織中のNi固溶量:2.8質量%以上
オーステナイト相は、元来、水素の影響を受けにくいため、オーステナイト相中にNiが濃化してもニッケル鋼材全体の耐水素脆化特性は向上しないが、母相であるbcc組織中にNiを多く固溶させると、bcc組織の耐水素脆化特性が向上し、ニッケル鋼材全体の耐水素脆化特性も向上する。特に、25MPa以下の高圧水素環境下における優れた耐水素脆化特性を得るためには、bcc組織中のNi固溶量は、2.8質量%以上とする必要がある。好ましい下限は、3.0質量%であり、より好ましいのは3.2質量%である。Ni固溶量は、多いほど耐水素脆化特性を向上させるので特に定めなくても良い。実質的には、添加するNi量の上限に依存し、9.0質量%未満である。
Ni solid solution amount of bcc tissue: 2.8 mass% or more <br/> austenite phase is originally because less susceptible to hydrogen, resistance of the entire nickel steel even Ni is concentrated in the austenite phase Although the hydrogen brittle property is not improved, when a large amount of Ni is dissolved in the bcc structure which is the matrix, the hydrogen brittle property of the bcc structure is improved and the hydrogen brittle property of the entire nickel steel material is also improved. In particular, in order to obtain excellent hydrogen embrittlement resistance under the following high-pressure hydrogen environment 25MPa is, Ni solid solution amount of bcc tissue needs to be 2.8 mass% or more. The preferred lower limit is 3.0% by mass, more preferably 3.2% by mass. The larger the amount of Ni solid solution, the better the hydrogen embrittlement resistance, so it is not necessary to specify it. Substantially, it depends on the upper limit of the amount of Ni added and is less than 9.0% by mass.
旧オーステナイト粒径:12.0μm以下
旧オーステナイト粒径が12.0μmを超えると、旧オーステナイト粒界や旧オーステナイト粒から変態したマルテンサイトのパケット境界に発生した割れ状の破壊が鋼材全体の破壊を引起こす程度に大きくなり、起点となって鋼材全体の破壊を早め、水素中での水素脆化指標である相対絞り値を低下させる場合がある。したがって、旧オーステナイト粒径は12.0μm以下とする。好ましい上限は10.0μmである。旧オーステナイト粒径は小さいほど好ましいが、細粒化するには熱処理の回数を増加させるなど、製造コストの上昇を伴う。工業的な製造工程を考慮した場合、旧オーステナイト粒径の下限は3.0μmとするのが好ましい。なお、旧オーステナイト粒径は、鋼材から採取した試料を樹脂に埋めて断面を鏡面研磨した後、例えば、界面活性剤を添加したピクリン酸飽和水溶液によってエッチングし、光学顕微鏡等で拡大観察することにより測定することができる。
Old austenite grain size: 12.0 μm or less When the old austenite grain size exceeds 12.0 μm, the crack-like fracture that occurs at the packet boundary of the old austenite grain boundary and the martensite transformed from the old austenite grain causes the destruction of the entire steel material. It becomes large enough to cause it, and it may become a starting point to accelerate the fracture of the entire steel material and lower the relative drawing value, which is an index of hydrogen embrittlement in hydrogen. Therefore, the particle size of the old austenite is set to 12.0 μm or less. The preferred upper limit is 10.0 μm. The smaller the particle size of the old austenite is, the more preferable it is. Considering the industrial manufacturing process, the lower limit of the old austenite particle size is preferably 3.0 μm. The old austenite particle size can be determined by burying a sample collected from a steel material in a resin, mirror-polishing the cross section, etching with a saturated aqueous solution of picric acid to which a surfactant is added, and magnifying and observing with an optical microscope or the like. Can be measured.
3.物性
引張強さ:930MPa以下
一般に、鋼材の水素脆化は、鋼材の強度が高まるにつれ起こり易くなることが知られており、本実施形態に係る高圧水素用ニッケル鋼材においても例外ではない。bcc組織中のNi固溶量を高めた場合においても、その引張強さが930MPaを超えると、水素脆化現象起きやすくなり、高圧水素中での特性が劣化する。したがって、鋼材の引張強さは930MPa以下とする。一方、鋼材の強度が低いほど水素脆化は起きにくいが、鋼材の強度が低いと構造物や設備等の設計において必要な板厚が増えるため構造物の重量が増してしまうなど好ましくない。そこで、鋼材の引張強さは560MPa以上が望ましく、より望ましくは690MPa以上である。
3. 3. Physical properties Tensile strength: 930 MPa or less Generally, it is known that hydrogen embrittlement of a steel material is more likely to occur as the strength of the steel material is increased, and the nickel steel material for high-pressure hydrogen according to the present embodiment is no exception. Even when the amount of Ni solid solution in the bcc structure is increased, if the tensile strength exceeds 930 MPa, the hydrogen embrittlement phenomenon is likely to occur, and the characteristics in high-pressure hydrogen are deteriorated. Therefore, the tensile strength of the steel material is set to 930 MPa or less. On the other hand, the lower the strength of the steel material, the less likely it is that hydrogen embrittlement will occur, but if the strength of the steel material is low, the plate thickness required for designing structures and equipment will increase, which is not preferable because the weight of the structure will increase. Therefore, the tensile strength of the steel material is preferably 560 MPa or more, more preferably 690 MPa or more.
4.製造方法
次に、本実施形態に係る高圧水素用Ni鋼材の製造方法の一例として、鋼板の製造方法について説明する。
4. Manufacturing Method Next, a steel sheet manufacturing method will be described as an example of the manufacturing method of the Ni steel material for high-pressure hydrogen according to the present embodiment.
鋼材の溶製方法は、例えば溶鋼温度を1650℃以下として、溶鋼O濃度を0.01%以下、溶鋼S濃度を0.02%以下とした状態で、元素の含有量の調整を行った後、連続鋳造により鋼片を製造する。得られた鋼片を加熱し、熱間圧延を施し、水冷等の強制冷却により焼入れした後、焼戻しを、順次、施す熱処理を行う。以下、各工程における好ましい製造条件について説明する。 The method for melting steel is, for example, after adjusting the element content in a state where the molten steel temperature is 1650 ° C. or less, the molten steel O concentration is 0.01% or less, and the molten steel S concentration is 0.02% or less. , Manufacture steel pieces by continuous casting. The obtained steel pieces are heated, hot-rolled, hardened by forced cooling such as water cooling, and then tempered in sequence. Hereinafter, preferable production conditions in each step will be described.
熱間圧延を施す鋼片の加熱温度は、950℃以上、1100℃以下とすることが好ましい。加熱温度が950℃を下回るとAlNが粗大化し、靭性が低下することがある。加熱温度が1100℃を上回ると加熱時にオーステナイト粒径が粗大となり、耐水素脆化特性や靭性が低下することがある。より好ましい加熱温度の上限は1050℃である。加熱の保持時間は30分〜180分が望ましい。 The heating temperature of the steel pieces to be hot-rolled is preferably 950 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower. If the heating temperature is lower than 950 ° C., AlN may become coarse and the toughness may decrease. If the heating temperature exceeds 1100 ° C., the austenite particle size becomes coarse during heating, and the hydrogen embrittlement resistance and toughness may deteriorate. The upper limit of the more preferable heating temperature is 1050 ° C. The heating holding time is preferably 30 minutes to 180 minutes.
熱間圧延では、950℃以下での圧下率が85%を下回ると、圧延中のオーステナイトの再結晶によるオーステナイト粒の細粒化が不十分となり、圧延後のオーステナイト粒の一部が粗大になる。その結果、耐水素脆化特性や靭性が低下する場合がある。したがって、950℃以下での圧下率は85%以上が好ましい。より好ましい圧下率は90%以上である。圧延の再結晶による旧オーステナイト粒の均質な細粒化は耐水素脆化特性と靭性を確保する上で重要であり、圧延温度と圧下率の厳格な規制が好ましい。950℃以下での圧下率が95%を上回ると、圧延時間が長時間となり、生産性に課題が生じる場合があるので、950℃以下での圧下率は95%以下が好ましい。 In hot rolling, when the rolling reduction at 950 ° C or lower is less than 85%, the austenite grains are not sufficiently finely divided by recrystallization of austenite during rolling, and some of the austenite grains after rolling become coarse. .. As a result, hydrogen embrittlement resistance and toughness may decrease. Therefore, the reduction rate at 950 ° C. or lower is preferably 85% or more. A more preferable reduction rate is 90% or more. Homogeneous granulation of old austenite grains by recrystallization of rolling is important for ensuring hydrogen embrittlement resistance and toughness, and strict regulation of rolling temperature and rolling reduction is preferable. If the reduction rate at 950 ° C. or lower exceeds 95%, the rolling time becomes long and a problem may occur in productivity. Therefore, the reduction rate at 950 ° C. or lower is preferably 95% or less.
熱間圧延の終了温度は、580℃を下回ると水冷開始温度が低下して、後述する好ましい水冷開始温度を満たせなくなる可能性がある。したがって、終了温度を580℃以上とすることが好ましい。より好ましい熱間圧延の終了温度は600℃以上である。一方、熱間圧延の終了温度が770℃を上回ると、圧延により導入された転位が回復により減少し、旧オーステナイト粒径が12.0μmを超えて大きくなる。その結果、耐水素脆化特性が低下するとともに、靭性が低下したり、室温の降伏応力が不足する場合がある。したがって終了温度は770℃以下とすることが好ましい。より好ましい熱間圧延の終了温度は750℃以下である。 If the end temperature of hot rolling is lower than 580 ° C., the water cooling start temperature may decrease, and it may not be possible to satisfy the preferable water cooling start temperature described later. Therefore, it is preferable that the end temperature is 580 ° C. or higher. A more preferable hot rolling end temperature is 600 ° C. or higher. On the other hand, when the end temperature of hot rolling exceeds 770 ° C., the dislocations introduced by rolling are reduced by recovery, and the grain size of the old austenite becomes larger than 12.0 μm. As a result, the hydrogen embrittlement resistance may be lowered, the toughness may be lowered, or the yield stress at room temperature may be insufficient. Therefore, the end temperature is preferably 770 ° C. or lower. A more preferable hot rolling end temperature is 750 ° C. or lower.
熱間圧延後は、室温付近まで水冷することが好ましい。水冷開始温度は、580℃以上、770℃以下が好ましい。水冷開始温度が580℃を下回ると、粗大なベイナイトが一部に生成する場合がある。この粗大なベイナイトはその後に熱処理を行っても比較的粗大なベイナイトとして残存しやすいため、旧オーステナイト粒径12.0μm以下に制御することが困難となり、耐水素脆化特性や靭性が低下する場合がある。また、高温で変態したベイナイトを含有するため、室温での降伏応力が低下しやすい。したがって、水冷開始温度を580℃以上とすることが好ましく、より好ましい水冷開始温度は600℃以上である。水冷開始温度の上限は特に規制する必要はなく、熱間圧延の終了後、直ちに水冷を開始してもよい。圧延終了温度の好ましい上限である770℃が水冷開始温度の好ましい上限となる。 After hot rolling, it is preferable to water-cool to around room temperature. The water cooling start temperature is preferably 580 ° C. or higher and 770 ° C. or lower. When the water cooling start temperature is lower than 580 ° C., coarse bainite may be partially formed. Since this coarse bainite tends to remain as relatively coarse bainite even after heat treatment, it is difficult to control the particle size of the old austenite to 12.0 μm or less, and the hydrogen embrittlement resistance and toughness are deteriorated. There is. In addition, since it contains bainite transformed at high temperature, the yield stress at room temperature tends to decrease. Therefore, the water cooling start temperature is preferably 580 ° C. or higher, and the more preferable water cooling start temperature is 600 ° C. or higher. The upper limit of the water cooling start temperature does not need to be particularly regulated, and water cooling may be started immediately after the completion of hot rolling. 770 ° C., which is a preferable upper limit of the rolling end temperature, is a preferable upper limit of the water cooling start temperature.
焼戻しは、強度を調節する目的で実施される。加熱温度は490℃以上、590℃以下が好ましい。焼戻しの加熱温度(焼戻し温度)が490℃を下回ると、鋼材の引張強さが高くなりすぎ、また靭性が低下する場合がある。より好ましい焼戻し温度は510℃以上である。一方、焼戻し温度が590℃を上回ると、室温でのオーステナイト相が増え、その結果bcc組織中のNi固溶量が低下し、耐水素脆化特性が低下する場合がある。したがって、好ましい焼戻し温度は590℃以下であり、より好ましくは570℃以下、さらに好ましくは560℃以下である。焼戻しの保持時間は20分〜180分が望ましい。焼戻し時の冷却方法は、焼戻し脆化を避けるために水冷を行うことが望ましい。 Tempering is carried out for the purpose of adjusting the strength. The heating temperature is preferably 490 ° C. or higher and 590 ° C. or lower. If the tempering heating temperature (tempering temperature) is lower than 490 ° C., the tensile strength of the steel material may become too high and the toughness may decrease. A more preferable tempering temperature is 510 ° C. or higher. On the other hand, when the tempering temperature exceeds 590 ° C., the austenite phase at room temperature increases, and as a result, the amount of Ni solid solution in the bcc structure decreases, and the hydrogen embrittlement resistance may decrease. Therefore, the preferred tempering temperature is 590 ° C. or lower, more preferably 570 ° C. or lower, and even more preferably 560 ° C. or lower. The tempering retention time is preferably 20 to 180 minutes. As a cooling method at the time of tempering, it is desirable to perform water cooling in order to avoid tempering embrittlement.
なお、前述のように、低温用Ni鋼材の場合、通常、熱間圧延後の水冷(すなわち焼入れ)と焼戻しの間に中間熱処理が実施される。この中間熱処理は、焼き入れ組織の一部をオーステナイトに逆変態させるとともに、Niを濃化させて安定化し、最終の熱処理後の鋼材に安定的な残留オーステナイトを増加させる。この安定な残留オーステナイト相が極低温での破壊靱性を向上させる役割をになう。しかし、オーステナイト相を増やし、かつ、Niを濃化させる結果、耐水素脆化特性にとって重要な母相のbcc組織中のNi固溶量は低下する。したがって、本実施形態に係る高圧水素用Ni鋼材においては中間熱処理を実施するのは好ましくない。 As described above, in the case of Ni steel for low temperature, intermediate heat treatment is usually performed between water cooling (that is, quenching) and tempering after hot rolling. In this intermediate heat treatment, a part of the hardened structure is reverse-transformed into austenite, Ni is concentrated and stabilized, and stable retained austenite is increased in the steel material after the final heat treatment. This stable retained austenite phase plays a role in improving fracture toughness at extremely low temperatures. However, as a result of increasing the austenite phase and concentrating Ni, the amount of Ni solid solution in the bcc structure of the matrix phase, which is important for hydrogen embrittlement resistance, decreases. Therefore, it is not preferable to carry out the intermediate heat treatment in the Ni steel material for high pressure hydrogen according to the present embodiment.
上述の製造方法では、一例として厚鋼板の製造方法を説明した。しかしながら、本発明の鋼材は、鋼管や他の形状であって同様である。すなわち、鋼片を製造して、加熱された鋼片に熱間加工を施し、焼入れ及び焼戻しを順次施す熱処理を行う。 In the above-mentioned manufacturing method, a method for manufacturing a thick steel sheet has been described as an example. However, the steel material of the present invention has the same steel pipe and other shapes. That is, a steel piece is manufactured, the heated steel piece is hot-worked, and a heat treatment is performed in which quenching and tempering are sequentially performed.
以下、本発明の一例として実施例を示すが、本発明は、以下に説明する実施例に制限されるものではない。 Hereinafter, examples will be shown as an example of the present invention, but the present invention is not limited to the examples described below.
転炉により鋼を溶製し、連続鋳造により厚さが100mm〜240mmのスラブを製造した。表1および表2に鋼種A1〜A21の化学成分を示す。これらのスラブを加熱して、熱間で圧延を行い、そのまま水冷により焼入れ、さらに焼戻しの熱処理を施して鋼板を製造した。比較例として、一部の鋼種に対しては中間熱処理を施した。熱間圧延の加熱の保持時間は30〜120分、中間熱処理および焼戻しの熱処理の保持時間は20〜60分とした。鋼板から試料を採取し、金属組織、機械的特性(引張強さ)、相対絞り値を評価した。 Steel was melted by a converter, and slabs with a thickness of 100 mm to 240 mm were produced by continuous casting. Tables 1 and 2 show the chemical components of steel types A1 to A21. These slabs were heated, rolled hot, and then quenched by water cooling as they were, and further subjected to tempering heat treatment to produce a steel sheet. As a comparative example, some steel grades were subjected to an intermediate heat treatment. The holding time for heating in hot rolling was 30 to 120 minutes, and the holding time for intermediate heat treatment and tempering heat treatment was 20 to 60 minutes. A sample was taken from the steel sheet, and the metallographic structure, mechanical properties (tensile strength), and relative drawing value were evaluated.
旧オーステナイトの粒径は、板厚中心部の圧延方向に平行な面(L面)を観察面として測定した。旧オーステナイトの粒径は、JIS G 0551に準拠して行った。まず、試料の観察面をピクリン酸飽和水溶液で腐食し、旧オーステナイト粒界を現出させた後、走査電子顕微鏡(以下、「SEM」ともいう。)で1000倍あるいは2000倍で5視野以上の写真を撮影した。組織写真を用いて、旧オーステナイト粒界を同定した後に、少なくとも20個の旧オーステナイト粒につき円相当粒径(直径)を切断法により求め、これらの平均値を旧オーステナイトの粒径とした。 The particle size of the old austenite was measured with the plane (L plane) parallel to the rolling direction at the center of the plate thickness as the observation plane. The particle size of the former austenite was determined in accordance with JIS G 0551. First, the observation surface of the sample is corroded with a saturated aqueous solution of picric acid to reveal the old austenite grain boundaries, and then with a scanning electron microscope (hereinafter, also referred to as “SEM”) at 1000 times or 2000 times, 5 fields or more. I took a picture. After identifying the prior austenite grain boundaries using microstructure photographs, the circle-equivalent particle size (diameter) was determined for at least 20 former austenite grains by a cutting method, and the average value thereof was taken as the particle size of the former austenite.
なお、本発明鋼では、旧オ−ステナイトの粒界の破壊を抑制するために、旧オーステナイト粒径の細粒化やP含有量の抑制などを実施している。このため、旧オーステナイト粒界を腐食により同定しにくいことがある。このような場合、450〜490℃に加熱後、1時間以上保持する熱処理を施した後、上述の方法で旧オーステナイト粒径を測定した。450〜490℃での熱処理を行っても旧オーステナイト粒界の同定が難しい場合は、熱処理後のサンプルからシャルピー試験片を採取し、−196℃で衝撃試験を行い、旧オーステナイト粒界で破壊させたサンプルを使用した。この場合は、圧延方向に平行な面(L面)で破面の断面を作製し、腐食後、SEMで板厚中心部の破面断面の旧オーステナイト粒界を同定し、旧オーステナイト粒径を測定した。熱処理によって旧オーステナイト粒界を脆化させると、シャルピー試験時の衝撃荷重で旧オーステナイト粒界に微小なクラックが生じるため、旧オーステナイト粒界が同定しやすくなる。 In the steel of the present invention, in order to suppress the destruction of the grain boundaries of the old austenite, the grain size of the old austenite is made finer and the P content is suppressed. Therefore, it may be difficult to identify the old austenite grain boundaries due to corrosion. In such a case, after heating to 450 to 490 ° C. and performing a heat treatment for holding for 1 hour or more, the particle size of the old austenite was measured by the above-mentioned method. If it is difficult to identify the old austenite grain boundaries even after heat treatment at 450 to 490 ° C, take a Charpy test piece from the heat-treated sample, perform an impact test at -196 ° C, and destroy it at the old austenite grain boundaries. The sample was used. In this case, a cross section of the fracture surface is prepared on a plane parallel to the rolling direction (L plane), and after corrosion, the old austenite grain boundaries of the fracture surface cross section at the center of the plate thickness are identified by SEM, and the old austenite grain size is determined. It was measured. When the former austenite grain boundaries are made brittle by heat treatment, minute cracks are generated in the former austenite grain boundaries due to the impact load during the Charpy test, so that the former austenite grain boundaries can be easily identified.
オーステナイト相の体積分率は、板厚中心部につき板面に平行なサンプルを採取してX線回折法で測定した。CrKα線を使用し、オーステナイト(fcc構造(111))と焼戻しマルテンサイト(bcc構造(110))との回折ピークの積分強度の比から各相の体積分率を同定した。 The volume fraction of the austenite phase was measured by X-ray diffraction method by taking a sample parallel to the plate surface at the center of the plate thickness. Using CrKα rays, the volume fraction of each phase was identified from the ratio of the integrated intensities of the diffraction peaks of austenite (fcc structure (111)) and tempered martensite (bcc structure (110)).
bcc組織中のNi固溶量については、まず、オーステナイト相中のNi量を測定し、オーステナイト相の体積分率との関係を用いて、bcc組織中のNi固溶量を計算により求めた。オーステナイト相中のNi量の測定は、0.1μm厚の薄膜試料を鋼材から採取し、透過電子顕微鏡(以下、「TEM」ともいう。)を用いて、薄膜内のオーステナイト相と思われる部分を暗視野像により観察し、回折パターンによりオーステナイト相であることを確認した上で、当該部分におけるNi含有量をTEMに付属したエネルギー分散型X線分析装置(以下、「EDS」ともいう。)を用いて測定した。これを薄膜内の5か所で実施し、その平均値から求めた。 Regarding the amount of Ni solid solution in the bcc structure, first, the amount of Ni in the austenite phase was measured, and the amount of Ni solid solution in the bcc structure was calculated by using the relationship with the volume fraction of the austenite phase. To measure the amount of Ni in the austenite phase, a thin film sample with a thickness of 0.1 μm is taken from a steel material, and a transmission electron microscope (hereinafter, also referred to as “TEM”) is used to determine the portion of the thin film that is thought to be the austenite phase. After observing with a dark field image and confirming that it is an austenite phase by a diffraction pattern, an energy dispersion type X-ray analyzer (hereinafter, also referred to as "EDS") attached to the TEM is used to determine the Ni content in the portion. Measured using. This was carried out at 5 places in the thin film, and it was obtained from the average value.
機械的特性として、引張強さを評価した。圧延方向に平行な方向(L方向)を長手方向とするJIS Z 2241に規定の1A号全厚引張試験片を各鋼材から採取し、JIS Z 2241に規定の方法で室温にて評価した。引張強さの目標値は930MPa以下である。 Tensile strength was evaluated as a mechanical property. A No. 1A full-thickness tensile test piece specified in JIS Z 2241 whose longitudinal direction is parallel to the rolling direction (L direction) was sampled from each steel material and evaluated at room temperature by the method specified in JIS Z 2241. The target value of tensile strength is 930 MPa or less.
さらに、相対絞り値を評価した。まず、大気中室温における絞り値を、圧延方向に平行な方向(L方向)を長手方向とするJIS Z 2241に規定の平行部径6mmの4A号丸棒引張試験片を各鋼材から採取し、JIS Z 2241に規定の方法で評価した。次に、水素中室温の絞り値を、25MPaの高圧水素中で、大気中と同じ方法で採取した試験片を各鋼材から採取し、引張試験を行い評価した。このとき、水素の影響を十分に評価可能とするため、JIS Z 2241の規定より遅い歪速度8×10−5(1/s)で行った。そして、水素中で得られた絞り値を大気中で得られた絞り値で除し、相対絞り値を得た。相対絞り値の目標値は0.80以上、好ましくは0.90以上である。相対絞り値が0.80以上であった場合に耐水素脆化特性に優れると判定した。 Furthermore, the relative aperture value was evaluated. First, a No. 4A round bar tensile test piece having a parallel portion diameter of 6 mm specified in JIS Z 2241 whose longitudinal direction is the direction parallel to the rolling direction (L direction) as the drawing value at room temperature in the atmosphere is collected from each steel material. It was evaluated by the method specified in JIS Z 2241. Next, the throttle value at room temperature in hydrogen was measured in high-pressure hydrogen at 25 MPa by collecting test pieces collected by the same method as in the atmosphere from each steel material, and subjected to a tensile test for evaluation. At this time, in order to make it possible to sufficiently evaluate the influence of hydrogen, the strain rate was 8 × 10-5 (1 / s), which was slower than the specification of JIS Z 2241. Then, the diaphragm value obtained in hydrogen was divided by the diaphragm value obtained in the atmosphere to obtain a relative diaphragm value. The target value of the relative aperture value is 0.80 or more, preferably 0.90 or more. When the relative drawing value was 0.80 or more, it was determined that the hydrogen embrittlement resistance was excellent.
表3および表4に鋼種A1〜A21の化学成分を有するスラブを用いて製造した鋼材(製造条件No.1〜32)の板厚、製造方法、機械的特性(引張強さ)、金属組織を示す。 Tables 3 and 4 show the plate thickness, manufacturing method, mechanical properties (tensile strength), and metallographic structure of steel materials (manufacturing conditions No. 1-32) manufactured using slabs having chemical components of steel types A1 to A21. show.
表3に示すように、製造条件No.1〜18は,室温での強度、及び、相対絞り値が、目標値を満足している。ただし、鋼材のNi含有量が低めでbcc組織中のNi固溶量が低い製造条件No.2〜6のうち、No.2、3及び5は、相対絞り値が目標値内ではあるがやや低下している。一方、鋼材のNi含有量が低めであっても、Vを0.10%以上含有させた製造条件No.4、6については、高い相対絞り値を示した。また、製造条件No.9は、水冷開始温度が低めで旧オーステナイト粒径が好ましい範囲内ではあるが若干大きくなり、相対絞り値が目標値内ではあるがやや低下している。また、No.10は、焼戻し温度が高く、No.17は、C含有量が少ないため、いずれも引張強さが他の本発明例に比べて低下している。No.18は、オーステナイト相の体積分率が5.2%と高いが、bcc組織中のNi固溶量が4.5%と高いため、相対絞り値が高かった。 As shown in Table 3, the manufacturing condition No. In 1 to 18, the intensity at room temperature and the relative aperture value satisfy the target values. However, the production condition No. 1 in which the Ni content of the steel material is low and the Ni solid solution amount in the bcc structure is low. Of 2 to 6, No. In 2, 3 and 5, the relative aperture value is within the target value, but is slightly lower. On the other hand, even if the Ni content of the steel material is low, the production condition No. 1 in which V is contained in an amount of 0.10% or more. For 4 and 6, high relative aperture values were shown. In addition, the manufacturing condition No. In No. 9, the water cooling start temperature is low and the old austenite particle size is within a preferable range but slightly larger, and the relative aperture value is within the target value but slightly lower. In addition, No. No. 10 has a high tempering temperature, and No. Since the C content of No. 17 is small, the tensile strength of each of 17 is lower than that of other examples of the present invention. No. In No. 18, the volume fraction of the austenite phase was as high as 5.2%, but the relative drawing value was high because the amount of Ni solid solution in the bcc structure was as high as 4.5%.
これに対して、表4に示すように、製造条件No.19は、C含有量が高いため、強度が高く相対絞り値が低下している。製造条件No.20、21は、Ni含有量が少ないため、bcc組織中のNi含有量が不足し、相対絞り値が低下している。製造条件No.22、23は、それぞれ、Mn含有量、Mo含有量が高く、オーステナイト相の体積分率が高いためにbcc組織中のNi固溶量が不足し、相対絞り値が低下している。製造条件No.24は、N含有量が高いため、強度が高く、オーステナイト相の体積分率が高くなりbcc組織中のNi固溶量も低下しているため、相対絞りが低下している。 On the other hand, as shown in Table 4, the manufacturing condition No. In No. 19, since the C content is high, the strength is high and the relative aperture value is low. Manufacturing condition No. In Nos. 20 and 21, since the Ni content is low, the Ni content in the bcc structure is insufficient, and the relative drawing value is lowered. Manufacturing condition No. In 22 and 23, the Mn content and the Mo content are high, respectively, and the volume fraction of the austenite phase is high, so that the amount of Ni solid solution in the bcc structure is insufficient, and the relative drawing value is lowered. Manufacturing condition No. In No. 24, since the N content is high, the strength is high, the volume fraction of the austenite phase is high, and the amount of Ni solid solution in the bcc structure is also low, so that the relative drawing is lowered.
製造条件No.25〜32は、好ましい範囲から逸脱する製造条件を採用した例である。製造条件No.25は、焼戻し温度が低く、強度が高いため、相対絞り値が低下している。製造条件No.26〜28は、中間熱処理を実施したため、オーステナイト相中に固溶するNiが増加し、その結果、bcc組織中のNi固溶量が低下したため、相対絞り値が低下している。製造条件No.29は圧延時の加熱温度が高く、旧オーステナイト粒の粒径が大きくなり、相対絞り値が低下している。製造条件No.30は、950℃以下での圧下率が低く、旧オーステナイト粒径が大きくなり、相対絞り値が低下している。製造条件No.31は、圧延終了温度が高く、旧オーステナイト粒径が大きくなり、相対絞り値が低下している。製造条件No.32は、熱間圧延の加熱温度と圧延終了温度が低く、旧オーステナイト粒径が大きくなり、相対絞り値が低下している。
Manufacturing condition No. 25 to 32 are examples in which manufacturing conditions deviating from the preferable range are adopted. Manufacturing condition No. In No. 25, the tempering temperature is low and the strength is high, so that the relative drawing value is lowered. Manufacturing condition No. In Nos. 26 to 28, since the intermediate heat treatment was performed, the amount of Ni solid-solved in the austenite phase increased, and as a result, the amount of Ni solid-solved in the bcc structure decreased, so that the relative drawing value decreased. Manufacturing condition No. In No. 29, the heating temperature at the time of rolling is high, the particle size of the old austenite grains is large, and the relative drawing value is lowered. Manufacturing condition No. In No. 30, the reduction rate at 950 ° C. or lower is low, the particle size of the old austenite is large, and the relative drawing value is low. Manufacturing condition No. In No. 31, the rolling end temperature is high, the grain size of the old austenite is large, and the relative drawing value is low. Manufacturing condition No. In No. 32, the heating temperature and the rolling end temperature of hot rolling are low, the particle size of the old austenite is large, and the relative drawing value is low.
Claims (5)
Ni:3.5%以上9.0%未満、
C:0.003〜0.080%、
Si:0.03〜0.30%、
Mn:0.10〜2.00%、
Mo:0.10〜0.50%、
Al:0.010〜0.060%、
N:0.0015〜0.0050%、
O:0.0030%以下、
P:0.0070%以下、
S:0.0040%以下、
Cu:0〜0.50%、
Cr:0〜0.50%、
Nb:0〜0.020%、
Ti:0〜0.020%、
V:0〜0.50%、
B:0〜0.0020%、
Ca:0〜0.0040%、
希土類元素:0〜0.0050%、
残部:Feおよび不純物であり、
金属組織が、体心立方格子構造の組織が体積分率で90.0%以上であり、
前記体心立方格子構造の組織中のNi固溶量が2.8質量%以上であり、
旧オーステナイト粒径が12.0μm以下であり、
引張強さが930MPa以下である、
高圧水素用ニッケル鋼材。 The chemical composition is mass%,
Ni: 3.5% or more and less than 9.0%,
C: 0.003 to 0.080%,
Si: 0.03 to 0.30%,
Mn: 0.10 to 2.00%,
Mo: 0.10 to 0.50%,
Al: 0.010 to 0.060%,
N: 0.0015 to 0.0050%,
O: 0.0030% or less,
P: 0.0070% or less,
S: 0.0040% or less,
Cu: 0-0.50%,
Cr: 0 to 0.50%,
Nb: 0 to 0.020%,
Ti: 0-0.020%,
V: 0 to 0.50%,
B: 0 to 0.0020%,
Ca: 0-0.0040%,
Rare earth elements: 0-0.0050%,
Remaining: Fe and impurities,
The metal structure and the body-centered cubic lattice structure have a volume fraction of 90.0% or more .
The amount of Ni solid solution in the structure of the body-centered cubic lattice structure is 2.8 % by mass or more.
The old austenite particle size is 12.0 μm or less,
The tensile strength is 930 MPa or less.
Nickel steel for high-pressure hydrogen.
V:0.10%以上を含有する、
請求項1に記載の高圧水素用ニッケル鋼材。 When the chemical composition is mass%,
V: Contains 0.10% or more,
The nickel steel material for high-pressure hydrogen according to claim 1.
請求項1または2に記載の高圧水素用ニッケル鋼材。 The tensile strength is 560 MPa or more.
The nickel steel material for high-pressure hydrogen according to claim 1 or 2.
請求項1または2に記載の高圧水素用ニッケル鋼材。 The tensile strength is 690 MPa or more.
The nickel steel material for high-pressure hydrogen according to claim 1 or 2.
請求項1から4までのずれかに記載の高圧水素用ニッケル鋼材。
In the metal structure, the volume fraction of the austenite phase is 5.0% or less.
The nickel steel material for high-pressure hydrogen according to the deviation from claims 1 to 4.
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