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JP2019090069A - Nickel steel for high-pressure hydrogen - Google Patents

Nickel steel for high-pressure hydrogen Download PDF

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JP2019090069A
JP2019090069A JP2017217718A JP2017217718A JP2019090069A JP 2019090069 A JP2019090069 A JP 2019090069A JP 2017217718 A JP2017217718 A JP 2017217718A JP 2017217718 A JP2017217718 A JP 2017217718A JP 2019090069 A JP2019090069 A JP 2019090069A
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慎一 大宮
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哲也 滑川
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Abstract

To provide a nickel steel that can be used in a high-pressure hydrogen environment of 100 MPa or less.SOLUTION: A nickel steel for high-pressure hydrogen comprises, in mass%, Ni: 14.0% or more and less than 20.0%, C: 0.003-0.080%, Si: 0.03-0.30%, Mn: 0.10-0.50%, Mo: 0.10-0.50%, Al: 0.010-0.060%, N: 0.0015-0.0050%, O: 0.0030% or less, P: 0.0070% or less, S: 0.0040% or less, 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%, a rare earth element: 0-0.0050%, with the balance being Fe and impurities, wherein, the nickel steel is mainly composed of a body-centered cubic lattice structure, the Ni solid solution amount in the body-centered cubic lattice structure is 12.5% or more, the old austenite grain size is 12.0 μm or less, and the tensile strength is 930 MPa or less.SELECTED DRAWING: None

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 (hereinafter also referred to as "Ni steel") 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 are increasing. With the prospect of widespread use of fuel cell vehicles using hydrogen, construction of a hydrogen station for supplying hydrogen to fuel cell vehicles is being carried out. In addition, facilities for storing a large amount of hydrogen and use of hydrogen for power generation etc. are being considered for hydrogen supply to stations. In general, hydrogen existing as a gas has a lower energy density than liquid fuel such as gasoline, and fuel cell vehicles and the like store hydrogen compressed to a high pressure in order to secure a load capacity. Such high pressure hydrogen is known to degrade the properties of various materials. This phenomenon is generally called hydrogen embrittlement. For this reason, it is required to use a special material which is less likely to cause hydrogen embrittlement as a steel material used for high pressure hydrogen tanks for vehicles or hydrogen stations, piping and the like. Therefore, Ni steel is 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 Ni steel materials, for example, as described in Patent Document 1, development for use in a cryogenic environment such as a storage tank of liquefied natural gas (LNG) is in progress. In order to improve the toughness at cryogenic temperatures such as -162 ° C, Ni steels for low temperatures are subjected to special heat treatment (generally called "intermediate heat treatment") on steel materials after hot rolling to actively retain retained austenite. Volume fraction of

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, with regard to high-pressure hydrogen tanks for vehicles, in Non-Patent Document 1, only austenitic stainless steels SUS316 and SUS316L are recognized as usable steel materials, and further, the Ni equivalent of the following formula (1) is limited depending on the use 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。   Although SUS316 conforming to this example standard has sufficient resistance to hydrogen embrittlement, the yield stress at room temperature is about 300 MPa (JIS standard: 175 MPa or more), which is a low class as a steel material for construction. In the case where such a relatively low strength SUS 316 is applied to a high pressure hydrogen tank, a very large thickness is required. For this reason, in fuel cell vehicles where weight reduction is important, there is an example in which this steel material is adopted for some parts such as valves and bosses, but there is no example adopted for the tank main body. In addition, also in piping, a very large wall thickness is required, and since the amount of steel material used increases, weight and cost increase.

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 excellent in hydrogen embrittlement resistance and high in strength, as in 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。   In Non-Patent Document 2, 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 or bainite It is described that low alloy steel (SCM 435) can be used for 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 investigation of the mechanical properties of Fe-9Ni-4Co steel, which is a bcc structure-based Ni steel, in high pressure hydrogen, and this steel exhibits significant hydrogen embrittlement. It is classified as a material whose properties are degraded and which is strongly affected by hydrogen.

特開2014−125678号公報JP 2014-125678 A 国際公開第2012/132992号International Publication No. 2012/132992

高圧ガス保安協会基準「70MPa圧縮水素自動車燃料装置用容器の技術基準」KHK S0128High Pressure Gas Safety Association standard "Technical standard of 70MPa compressed hydrogen automobile fuel container" KHK S0128 自動車研究所基準 「圧縮水素自動車燃料装置用容器の技術基準」JARI S001Automobile research institute standard "Technical standard of container for compressed hydrogen automobile fuel system" JARI S001 W.T.Chandler and R. J. Walter, “Hydrogen embrittlement testing”, ASTM STP543, ASTM, (1974), p.170.W. T. Chandler and R. J. Walter, "Hydrogen embrittlement testing", ASTM STP 543, ASTM (1974), p.

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。   In the low-temperature Ni steel material as described in Patent Document 1, the purpose of containing a large amount of Ni is to secure fracture toughness at cryogenic temperatures such as the LNG temperature. In this low-temperature Ni steel, 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 complex heat treatment is performed, in which after hot rolling, hardening is performed and then intermediate heat treatment is performed and then tempering. However, according to the study of the present inventors, it has been found that the steel obtained by performing the heat treatment including such an intermediate heat treatment is deteriorated in the resistance to hydrogen embrittlement.

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。   The steel material of Patent Document 2 has a problem that the cost is extremely high because it contains a very large number of alloying elements.

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 the hydrogen station which supplies high pressure hydrogen, it is necessary to enable filling within 3 minutes. It is known that when hydrogen 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 specified that the temperature of the tank does not exceed 85 ° C. at the time of filling because materials for which the upper limit temperature of use is limited are used for parts of the safety valve required for high pressure equipment. Therefore, the hydrogen station solves the problem of short time filling and temperature rise at the same time by supplying high pressure hydrogen previously cooled to about -50 ° C. Therefore, materials for high pressure hydrogen used in fuel cell vehicles need to assume temperature changes 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 is mainly composed of an austenitic phase (hereinafter, also referred to as “fcc structure”) having a crystal structure (hereinafter, also referred to as “fcc structure”) of a face-centered cubic lattice (hereinafter, also referred to as “fcc”). However, in general, it is known that a steel material of fcc structure tends to have a larger coefficient of thermal expansion than a steel material mainly 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 a temperature change, and if a large temperature change is assumed as described above, a bcc-based steel material having a smaller thermal stress is more desirable. It can be said.

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 likely to be 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。   SCM 435 described in Non-Patent Document 2 causes hydrogen embrittlement due to the influence of high pressure hydrogen. In particular, since hydrogen embrittlement becomes more remarkable as the strength is increased, when used in a high pressure hydrogen environment, the heat treatment conditions are changed to lower the strength than generally used, and the use must be made. However, even if the strength is reduced, hydrogen embrittlement can not be avoided. In addition, SNCM 439 or the like, which has higher hardenability than SCM 435 and can easily secure strength even if made thicker with a higher pressure member, has been studied, but it is similar to SCM 435 in that it is affected by hydrogen. When applying a steel material with a bcc structure that causes so-called hydrogen embrittlement, the quality of which decreases due to the influence of hydrogen, to a high-pressure hydrogen device, the safety factor is large and it is better to use for high-pressure gas other than hydrogen. Also, consideration should be given such as designing with a large thickness.

70MPa用の水素用機器のうち、車載用機器については、25%の圧力変動を考慮する必要があり、約88MPaの水素で脆化しないことが要求される。したがって、100MPa程度まで水素脆化しない高強度のbcc組織からなる鋼材を見出すことで、大気中の特性そのままで設計できる高強度鋼材が得られることになり、非常に大きなメリットとなる。   Among the hydrogen devices for 70 MPa, for the in-vehicle devices, it is necessary to consider a pressure fluctuation of 25%, and it is required not to embrittle with about 88 MPa of hydrogen. Therefore, by finding a steel material having a high strength bcc structure that does not hydrogen embrittle to about 100 MPa, a high strength steel material that can be designed as it is in the atmosphere is 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100MPa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。   The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances and provides a nickel steel material usable in a high pressure hydrogen environment of more than 20 MPa and 100 MPa or less, which simultaneously solves the problems of hydrogen embrittlement resistance and strength, and cost. It is

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 that bcc structure is more susceptible to hydrogen than fcc structure in high pressure hydrogen is that the hydrogen solubility limit of fcc structure is generally larger than bcc structure, and that of hydrogen in fcc structure The diffusion rate is extremely slow compared to 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。   According to the investigation result of Non-Patent Document 3 mentioned above, in the steel having a bcc structure as a main component, the hydrogen embrittlement resistance can not be improved simply by simply 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 be used as a structural steel material that constitutes equipment for hydrogen, it is most important not to embrittle hydrogen, but it depends on the type of provided material such as plate material and pipe and the kind of member 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 conducted a number of studies on means for suppressing the deterioration of mechanical properties called hydrogen embrittlement in a high pressure hydrogen environment, for steel materials mainly having 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, in order to enhance the resistance to hydrogen embrittlement, the present inventors repeatedly studied by focusing on the behavior of Ni in steel materials. Ni is an element that stabilizes the austenite phase, and in a steel containing 3.5% by mass or more of Ni, when the austenite phase of the fcc structure is mixed in the bcc structure, it tends to be concentrated on the austenite phase side is there. 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 is originally not easily influenced by hydrogen, but rather, it is more Ni in the matrix bcc structure. It was found that the hydrogen embrittlement resistance of the bcc structure is improved by 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, in order to stably obtain the resistance to hydrogen embrittlement, the present inventors repeated studies focusing on the metal structure. The former austenite grain boundaries are relatively easy to accumulate hydrogen, and are relatively susceptible to hydrogen embrittlement as compared with other portions. For this reason, when tensile stress acts on the steel material in high pressure hydrogen, it is likely to cause fracture like fracture at the prior austenite grain boundary. The inventors of the present invention found that if the prior austenite grain size 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、100MPa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14.0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12.5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, by satisfying the following two conditions simultaneously, Ni steels mainly composed of bcc structure excellent in resistance to hydrogen embrittlement can be obtained even under a high pressure hydrogen environment of 100 MPa or less. I found that.
(I) After the Ni content of the steel material is 14.0 mass% or more, securing 12.5 mass% or more of the Ni content in the bcc structure mainly composed of martensite as a matrix.
(B) Making the prior austenite grain size of the steel material 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、100MPa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, assuming that the above-described Ni steel material is applied to a member such as a high-pressure hydrogen container, the relationship between the mechanical properties of the steel material and the resistance to hydrogen embrittlement is examined, and the tensile strength is 930 MPa or less It has been found that it exhibits excellent resistance to hydrogen embrittlement with a relative squeeze value of not less than 0.80 in high pressure hydrogen at 100 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 squeeze value is an index of hydrogen embrittlement resistance of the steel material, and the squeeze value of the steel material at the time of the tensile test in high pressure hydrogen is squeezed in an inert gas (or the atmosphere) such as helium. It is the value divided by the value. Therefore, the closer the relative reduction value to 1, the better the resistance to hydrogen embrittlement. In practice, if the relative reduction value of the steel material is 0.80 or more, it can be used in a high pressure hydrogen environment without any problem.

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 summary thereof is as follows.

(1) 化学組成が、質量%で、
Ni:14.0%以上20.0%未満、
C:0.003〜0.080%、
Si:0.03〜0.30%、
Mn:0.10〜0.50%、
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12.5%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 in mass%,
Ni: 14.0% or more and less than 20.0%,
C: 0.003 to 0.080%,
Si: 0.03 to 0.30%,
Mn: 0.10 to 0.50%,
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 to 0.50%,
Cr: 0 to 0.50%,
Nb: 0 to 0.020%,
Ti: 0 to 0.020%,
V: 0 to 0.50%,
B: 0 to 0.0020%,
Ca: 0 to 0.0040%,
Rare earth elements: 0 to 0.0050%,
Remainder: Fe and impurities,
The metallographic structure is mainly composed of a body-centered cubic lattice structure,
The solid solution content of Ni in the structure of the body-centered cubic lattice structure is at least 12.5%,
The prior austenite grain 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 in mass%,
V: containing at least 0.10%,
The nickel steel material for high pressure hydrogen according to the above (1).

(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
Ni steel materials for high pressure hydrogen according to the above (1) or (2).

(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
Ni steel materials for high pressure hydrogen according to the above (1) or (2).

(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 austenite phase is 5.0% or less
A nickel steel material for high pressure hydrogen according to any one of the above (1) to (4).

本発明によれば、最大100MPa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 resistance to hydrogen embrittlement and high strength even under a high pressure hydrogen environment of up to 100 MPa. This Ni steel material is used under high pressure hydrogen environment in high pressure hydrogen applications, for example, tanks for storing high pressure hydrogen, piping, valves, hydrogen storage facilities, hydrogen supply facilities, fuel cell vehicles, hydrogen power generation facilities, etc. Is suitable. Therefore, when this Ni steel material is used for high-pressure hydrogen equipment, it is possible to reduce the thickness and weight and to reduce the amount of steel material used, as compared to a high Ni equivalent SUS316 austenitic stainless steel. In addition, cost can be reduced as compared to high strength austenitic stainless steel. Therefore, according to the present invention, weight reduction and cost reduction of high pressure hydrogen devices can be promoted, and fuel efficiency of fuel cell vehicles can be improved. Thus, the present invention is extremely significant for industrial contribution.

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 high-pressure hydrogen nickel steel material according to the present embodiment will be described. First, the chemical composition of the high-pressure hydrogen nickel steel material will be described. In addition, "%" of content means "mass%", unless there is particular explanation.

1.化学組成
Ni:14.0%以上20.0%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100MPa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14.0%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100MPaの高圧水素環境下での使用を想定すると、高価なNiを20.0%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20.0%未満とする。 好ましい上限は19.0%であり、より好ましい上限は18.0%であり、さらに好ましい上限は、17.0%である。
1. Chemical composition Ni: 14.0% or more and less than 20.0% Ni is an essential element for securing hydrogen embrittlement resistance. If the Ni content is less than 9.0%, the reduction in a high pressure hydrogen environment at a maximum of 100 MPa may be deteriorated, and the relative reduction value may be reduced to less than 0.80. In particular, when the pressure of hydrogen increases or the operating temperature decreases, the relative throttle value tends to decrease. Therefore, the Ni content is 14.0% or more. The Ni content should be increased in order to secure the relative squeeze value, but assuming use in a high-pressure hydrogen environment of up to 100 MPa, the merit of containing 20.0% or more of expensive Ni is small . Therefore, the Ni content is less than 20.0%. The upper limit is preferably 19.0%, more preferably 18.0%, and still more preferably 17.0%.

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 raises 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 can not be secured. Therefore, the C content is made 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 made 0.080%. The upper limit of the C content is preferably 0.070%, more preferably 0.060%, and still more preferably 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 raises 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 made 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%, cementite in the prior austenite grain boundaries tends to be coarsened, and the toughness is lowered. Therefore, the Si content is 0.30% or less. The upper limit of the Si content is preferably 0.20%, more preferably 0.15%, and the upper limit of the Si content is more preferably 0.10%.

Mn:0.10〜0.50%
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0.50%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0.50%以下とする。好ましいMn含有量の上限は0.40%である。
Mn: 0.10 to 0.50%
Mn is an element that raises the yield stress at room temperature. If the Mn content is less than 0.10%, the strength can not be secured, and the formation of coarse bainite or the like may lower the toughness required as a structural material. Therefore, the Mn content is 0.10% or more. The preferable lower limit of the Mn content is 0.20%. On the other hand, when the Mn content exceeds 0.50%, fracture at grain boundaries occurs due to Mn segregated at prior austenite grain boundaries and MnS precipitated coarsely, and the toughness decreases. Further, since Mn is also an austenite stabilizing element, if a large amount of Mn is contained, an austenite phase is excessively formed, and it becomes difficult to form a solid solution of a sufficient amount of Ni in the bcc structure. Therefore, the Mn content is made 0.50% or less. The upper limit of the preferable Mn content is 0.40%.

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 raises the yield stress, and also has the effect of suppressing intergranular embrittlement. Therefore, the Mo content is 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 economy is impaired. Further, since Mo is also an austenite stabilizing element, if a large amount of Mo is added, 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 made 0.50% or less. The preferred 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 forms AlN to contribute to the refinement of the metal structure and the reduction of solid solution N that lowers the toughness. If the Al content is less than 0.010%, the effect of deoxidation, the effect of refining the metal structure, and the effect of reducing solid solution N are small. Therefore, the Al content is made 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 upper limit of the Al content is preferably 0.050%, and 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 nitride. When the N content is reduced to less than 0.0015%, fine AlN that suppresses the coarsening of the austenite grain size during heat treatment may be insufficient, and the austenite grains may be coarsened to lower the toughness. Therefore, the N content is made 0.0015% or more. Preferably, it is 0.0020% or more. On the other hand, when the N content exceeds 0.0050%, solid solution N increases or AlN coarsens, so the toughness decreases. Therefore, the N content is made 0.0050% or less. The upper limit of the N content is preferably 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Al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. When the O content exceeds 0.0030%, Al 2 O 3 clusters may increase and the toughness may decrease. Therefore, the upper limit of the O content is made 0.0030% or less. The upper limit of the O content is preferably 0.0025%, more preferably 0.0020%, and still more preferably 0.0015%. While it is desirable for the O content to be low, reducing the O content to less than 0.0007% may be accompanied by cost increases. Therefore, the O content is preferably made 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 causes intergranular embrittlement at prior austenite grain boundaries and is a harmful element to toughness. Therefore, the lower the P content, the better. If the P content exceeds 0.0070%, the toughness may decrease. Therefore, the P content is made 0.0070% or less. The upper limit of the P content is preferably 0.0050%, more preferably 0.0040%, and still more preferably 0.0030%. P may be mixed as impurities from scraps or the like during molten steel production, but the lower limit is not 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, which may be a starting point of brittle fracture as MnS, is an element harmful to toughness. If the S content exceeds 0.0040%, the toughness may decrease. Therefore, the S content is made 0.0040% or less. The upper limit of the S content is preferably 0.0030%, more preferably 0.0020%, and still more preferably 0.0010%. S may be mixed as impurities from scraps or the like during molten steel production, but the lower limit is not 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 to 0.50%
Cu is an element that raises the yield stress at room temperature, and may contain Cu. However, since toughness will fall when Cu content exceeds 0.50%, an upper limit is made into 0.50% or less. The upper limit of the Cu content is preferably 0.40% or less, more preferably 0.30% or less, and still more preferably 0.20% or less. Although Cu may be mixed as impurities from scraps or the like at the time of production of molten steel, the lower limit thereof need not be particularly limited, and the lower limit is 0%. In order to obtain the above effects, the lower limit of Cu is preferably 0.01%, more preferably 0.03%, and still 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 raises the yield stress at room temperature, and may contain Cr. However, if the Cr content exceeds 0.50%, the toughness decreases. Therefore, the Cr content is made 0.50% or less. The upper limit of the Cr content is preferably 0.30%, more preferably 0.20%, still more preferably 0.10%. Cr may be mixed as impurities from scraps or the like at the time of production of molten steel, but the lower limit thereof need not 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 raises 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, when the Nb content exceeds 0.020%, the toughness decreases. Therefore, the Nb content is made 0.020% or less. The upper limit of the Nb content is preferably 0.015%, more preferably 0.010%. Nb may be mixed as impurities from scraps or the like at the time of production of molten steel, but the lower limit is not 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 to 0.020%
Since Ti forms TiN and contributes to the refinement of the metal structure and the reduction of solid solution N which lowers the toughness, Ti may be contained. However, if the Ti content exceeds 0.020%, the toughness decreases. Therefore, the Ti content is made 0.020% or less. The upper limit of the Ti content is preferably 0.015%, and more preferably 0.010%. Although Ti may be mixed as impurities from scraps or the like at the time of production of molten steel, the lower limit thereof need not be particularly limited, 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 has the effect of forming carbides (VC) and trapping hydrogen harmed from the environment, so V may be contained. . However, if the content is more than 0.50%, the toughness is reduced. Therefore, the V content is 0.50% or less. The upper limit of the V content is preferably 0.40%. V may be mixed as impurities from scraps or the like at the time of production of molten steel, but the lower limit thereof need not be particularly limited, and the lower limit is 0%. In order to obtain the aforementioned hydrogen trapping effect, the lower limit of V is preferably 0.001%, more preferably 0.005%, still more preferably 0.010%, and 0. 0%. More preferably, it is 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 raises the yield stress at room temperature, and forms BN, which also contributes to the reduction of solid solution N that lowers toughness. Therefore, B may be contained. However, when the B content exceeds 0.0020%, the toughness is lowered. Therefore, the B content is made 0.0020% or less. The upper limit of the B content is preferably 0.0015%, more preferably 0.0012%, and still more preferably 0.0010%. B may be mixed as impurities from scraps or the like at the time of production of molten steel, but the lower limit thereof need not 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 still 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 is effective for improving toughness by spheroidizing MnS, which is likely to increase the harmfulness to toughness by hot rolling, as CaS, and may contain Ca. However, if the Ca content exceeds 0.0040%, the Ca-containing acid sulfide is coarsened to lower the toughness. Therefore, the Ca content is made 0.0040% or less. The upper limit of the preferred Ca content is 0.0030%. Ca may be mixed as impurities from scraps or the like during molten steel production, but the lower limit is not particularly limited, and the lower limit is 0%. In order to obtain the effect of Ca, the lower limit thereof is preferably set to 0.0001%, more preferably set to 0.0005%, and still more preferably set to 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 to 0.0050%
The rare earth elements (REM), like Ca, are effective in spheroidizing MnS, which is likely to increase the harmfulness to toughness by hot rolling, as REM oxysulfide and improve the toughness. May be contained. However, when the REM content exceeds 0.0050%, the acid sulfide containing REM is coarsened to lower the toughness. Therefore, the REM content is made 0.0050% or less. The upper limit of the preferred REM content is 0.0047%. Although REM may be mixed as impurities from scraps or the like at the time of production of molten steel, the lower limit thereof need not be particularly limited, and the lower limit is 0%. In order to obtain the effect of REM, the lower limit thereof is preferably set to 0.0001%, more preferably set to 0.0005%, and still more preferably set to 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。   Note that REM in the present specification contains at least one or more of Sc, Y, and 17 elements of lanthanoids (La from 57 to 71), and the REM content of these elements is It is 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 high-pressure hydrogen nickel steel material according to the present embodiment contains the above-described elements, with the balance being iron and impurities. Here, the impurities are components which are mixed due to various factors of the manufacturing process, including raw materials such as ore and scraps when industrially manufacturing steel, and do not adversely affect the present invention It means what is permitted in the range. However, in the present invention, among the impurities, O, P and S need to have upper limits as described above. In addition to the above components, the steel for high pressure hydrogen 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。   As 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, each of Co, Zn and W is preferably 0.010% or less, 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 limits of Sb, Sn, As, Co, Zn and W, and the lower limit of each element is 0%. Also, even if an impurity element (for example, P, S) is intentionally added, any 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 defined in the claims, the high-pressure hydrogen Ni steel material is interpreted as within the scope 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. Metallographic Structure The nickel steel material for high pressure hydrogen according to the present embodiment mainly has a structure of a body-centered cubic lattice structure, that is, a bcc structure. Being mainly composed means that the majority in the metallographic structure is a bcc tissue, and specifically, it is preferable that the volume fraction is 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 bainite may be partially contained. The proportion of martensite in the bcc structure may be 50.0% or more in 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 described later, in order to increase the amount of solid solution of Ni in the bcc structure, it is desirable to reduce the austenite phase in which Ni is easily concentrated as much as possible. Therefore, the austenite phase is preferably 5.0% or less by volume fraction, and more preferably 3.0% or less. More preferably, the volume fraction of the austenite phase is 0%, and the bcc structure is single phase. However, the volume fraction of the austenite phase may exceed 5.0% as long as the Ni solid solution amount in the bcc structure can be sufficiently secured. In addition, the austenite phase here is an austenite phase which exists in Ni steel materials after heat treatment unlike prior austenite. The volume fraction of the austenite phase is measured by X-ray diffraction.

bcc組織中のNi固溶量:12.5%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、100MPa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、12.5%質量以上とする必要がある。好ましい下限は、13.0質量%であり、より好ましいのは13.5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、20.0%未満である。
Ni solid solution amount in bcc structure: 12.5% by mass or more Since the austenite phase is originally hardly affected by hydrogen, even if Ni is concentrated in the austenite phase, the hydrogen embrittlement resistance of the entire nickel steel is Although it does not improve, when a large amount of Ni is dissolved in the matrix phase bcc structure, the hydrogen embrittlement resistance property of the bcc structure is improved, and the hydrogen embrittlement resistance property of the entire nickel steel material is also improved. In particular, in order to obtain excellent hydrogen embrittlement resistance under a high pressure hydrogen environment of 100 MPa or less, the amount of Ni solid solution in the bcc structure needs to be 12.5% by mass or more. The lower limit is preferably 13.0% by mass, more preferably 13.5% by mass. The amount of Ni solid solution is not particularly limited because it improves the resistance to hydrogen embrittlement as the amount increases. Substantially, depending on the upper limit of the amount of Ni to be added, it is less than 20.0%.

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 If the former austenite grain size exceeds 12.0 μm, the crack-like fracture generated at the former austenite grain boundary or at the packet boundary of martensite transformed from the former austenite grain fractures the entire steel material It may become large to cause it, and as a starting point, it may accelerate the destruction of the entire steel material and reduce the relative reduction value, which is an indicator of hydrogen embrittlement in hydrogen. Therefore, the prior austenite grain size is 12.0 μm or less. The preferred upper limit is 10.0 μm. The former austenite grain size is preferably as small as possible, but the grain refinement is accompanied by an increase in manufacturing cost, such as an increase in the number of heat treatments. In consideration of an industrial manufacturing process, the lower limit of the prior austenite grain size is preferably 3.0 μm. The former austenite grain size is obtained by burying a sample collected from a steel material in a resin and mirror polishing the cross section, and then etching with a picric acid saturated aqueous solution to which a surfactant is added, for example, and enlarging observation with an optical microscope. It 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. Physical Properties Tensile Strength: 930 MPa or Less Generally, hydrogen embrittlement of steel materials is known to occur more easily as the strength of the steel materials increases, and the nickel steel materials for high pressure hydrogen according to this embodiment are no exception. Even when the solid solution amount of Ni in the bcc structure is increased, if the tensile strength exceeds 930 MPa, the hydrogen embrittlement phenomenon easily occurs, and the characteristics in high pressure hydrogen deteriorate. Therefore, the tensile strength of the steel material is 930 MPa or less. On the other hand, hydrogen embrittlement is less likely to occur as the strength of the steel material is lower, but if the strength of the steel material is lower, the thickness of the plate necessary for designing a structure or equipment is increased. Therefore, the tensile strength of the steel material is desirably 560 MPa or more, and more desirably 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 method of manufacturing a steel plate will be described as an example of the method of manufacturing 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 of melting steel materials is, for example, after adjusting the content of elements 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 , To produce billets by continuous casting. The obtained billet is heated, subjected to hot rolling, and quenched by forced cooling such as water cooling, and then heat treatment is sequentially applied to tempering. Hereinafter, preferable manufacturing 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。   It is preferable that the heating temperature of the steel piece which performs hot rolling sets it as 950 degreeC or more and 1100 degrees C or less. When the heating temperature is lower than 950 ° C., AlN may be coarsened and the toughness may be reduced. When the heating temperature exceeds 1100 ° C., the austenite grain size becomes coarse during heating, and the hydrogen embrittlement resistance and toughness may be lowered. The upper limit of the heating temperature is more preferably 1050 ° C. The holding time of heating 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 less is less than 85%, the austenite grain refinement due to recrystallization of austenite during rolling becomes insufficient and a part of austenite grains after rolling becomes coarse . As a result, the hydrogen embrittlement resistance and toughness may be reduced. Therefore, the rolling reduction at 950 ° C. or less is preferably 85% or more. A more preferable rolling reduction is 90% or more. Homogenous grain refinement of prior austenite grains by recrystallization of rolling is important in securing hydrogen embrittlement resistance and toughness, and strict control of rolling temperature and rolling reduction is preferred. If the rolling reduction at 950 ° C. or less exceeds 95%, rolling time will be long, which may cause problems in productivity. Therefore, the rolling reduction at 950 ° C. or less 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。   When the end temperature of the hot rolling is below 580 ° C., the water cooling start temperature may be lowered, and it may not be possible to meet the preferable water cooling start temperature described later. Therefore, the end temperature is preferably 580 ° C. or higher. The more preferable completion | finish temperature of hot rolling is 600 degreeC or more. On the other hand, when the finish temperature of hot rolling exceeds 770 ° C., the dislocations introduced by rolling decrease due to recovery, and the grain size of the prior austenite becomes larger than 12.0 μm. As a result, the hydrogen embrittlement resistance may be lowered, the toughness may be lowered, and the yield stress at room temperature may be insufficient. Therefore, the end temperature is preferably 770 ° C. or less. A more preferable hot rolling finish temperature is 750 ° C. or less.

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 carry out water cooling to room temperature vicinity. The water cooling start temperature is preferably 580 ° C. or more and 770 ° C. or less. 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 if it is subsequently subjected to heat treatment, it becomes difficult to control the former austenite grain size to 12.0 μm or less, and the hydrogen embrittlement resistance and toughness deteriorate. There is. In addition, since it contains bainite transformed at high temperature, yield stress at room temperature is likely to be reduced. Accordingly, the water cooling start temperature is preferably 580 ° C. or higher, and more preferably 600 ° C. or higher. The upper limit of the water cooling start temperature does not have to be particularly limited, and the water cooling may be started immediately after the end of the hot rolling. The preferable upper limit of the rolling end temperature, 770 ° C., is the 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 performed for the purpose of adjusting the strength. The heating temperature is preferably 490 ° C. or more and 590 ° C. or less. When the heating temperature (tempering temperature) of tempering is lower than 490 ° C., the tensile strength of the steel material may be too high, and the toughness may be reduced. A more preferable tempering temperature is 510 ° C. or more. 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 may decrease, and the hydrogen embrittlement resistance may decrease. Therefore, a preferable tempering temperature is 590 ° C. or less, more preferably 570 ° C. or less, and still more preferably 560 ° C. or less. The retention time of tempering is preferably 20 minutes to 180 minutes. It is desirable that the cooling method during tempering be water cooling to avoid temper 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。   In addition, as above-mentioned, in the case of Ni steel materials for low temperatures, intermediate heat treatment is usually implemented between the water-cooling (namely, hardening) and temper after hot rolling. This intermediate heat treatment reversely converts a part of the quenched structure to austenite, as well as enriches and stabilizes Ni, and increases stable retained austenite in the steel material after final heat treatment. This stable retained austenite phase plays a role in improving the fracture toughness at cryogenic temperatures. However, as the austenite phase is increased and Ni is enriched, the amount of Ni solid solution in the bcc structure of the parent phase, which is important for hydrogen embrittlement resistance, decreases. Therefore, in the Ni steel material for high pressure hydrogen according to the present embodiment, it is not preferable to carry out the intermediate heat treatment.

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-described manufacturing method, a method of manufacturing a thick steel plate has been described as an example. However, the steel material of the present invention is similar to a steel pipe or other shapes. That is, a billet is manufactured, and the heated billet is hot-worked, and heat treatment is carried out 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, although an Example is shown as an example of this invention, this invention is not restrict | limited to the Example 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。   The steel was melted by a converter, and a slab of 100 mm to 240 mm in thickness was manufactured by continuous casting. Tables 1 and 2 show chemical components of steel types A1 to A21. These slabs were heated, hot rolled, and then subjected to heat treatment such as quenching and tempering by water cooling to produce steel plates. As a comparative example, intermediate heat treatment was applied to some steel types. The holding time of the hot rolling heating was 30 to 120 minutes, and the holding time of the intermediate heat treatment and the heat treatment of the tempering was 20 to 60 minutes. A sample was taken from the steel plate, and the metal structure, mechanical properties (tensile strength), and relative throttling value were evaluated.

Figure 2019090069
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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 grain size of prior austenite was measured using a plane (L plane) parallel to the rolling direction at the center of the plate thickness as the observation plane. The grain size of prior austenite was in accordance with JIS G 0551. First, the observation surface of the sample is corroded with a picric acid-saturated aqueous solution to reveal old austenite grain boundaries, and then a scanning electron microscope (hereinafter, also referred to as "SEM") is used for 1000 times or 2000 times to obtain five or more views. I took a picture. After the prior austenite grain boundaries were identified using the structure photograph, the equivalent circle diameter (diameter) of at least 20 prior austenite grains was determined by a cutting method, and the average value thereof was taken as the grain size of prior 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 former austenite, the grain refinement of the former austenite grain size and the suppression of the P content are carried out. For this reason, it may be difficult to identify former austenite grain boundaries due to corrosion. In such a case, after heat treatment at 450 to 490 ° C. and heat treatment for holding for 1 hour or more, the grain size of the prior austenite was measured by the method described above. If identification of the former austenite grain boundaries is difficult even after heat treatment at 450 to 490 ° C, Charpy specimens are collected from the sample after heat treatment, subjected to an impact test at -196 ° C, and broken at the former austenite grain boundaries Samples were used. In this case, a cross section of the fractured surface is prepared in a plane (L plane) parallel to the rolling direction, and after corrosion, the former austenite grain boundary of the fractured surface cross section at the center of thickness is identified by SEM. It was measured. When the prior austenite grain boundaries are embrittled by heat treatment, minute cracks are generated in the former austenite grain boundaries due to the impact load at the Charpy test, so that the former austenite grain boundaries are 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 diffractometry by taking a sample parallel to the plate surface at the center of the plate thickness. The volume fraction of each phase was identified from the ratio of the integral intensities of the diffraction peaks of austenite (fcc structure (111)) and tempered martensite (bcc structure (110)) using CrK alpha rays.

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. In the measurement of the amount of Ni in the austenite phase, a thin film sample of 0.1 μm thickness is taken from a steel material, and using a transmission electron microscope (hereinafter, also referred to as “TEM”) The energy dispersive X-ray analyzer (hereinafter also referred to as "EDS") attached to the TEM after observing the dark field image and confirming the austenite phase from the diffraction pattern is attached to the TEM. It measured using. This was carried out at five places in the thin film, and the average value was obtained.

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 mechanical characteristics. A total thickness No. 1A tensile test piece prescribed in JIS Z 2241 whose longitudinal direction is the direction parallel to the rolling direction (L direction) was taken from each steel material and evaluated at room temperature by a method prescribed 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、100MPa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 was evaluated. First, a 4A round bar tensile test specimen with a parallel part diameter of 6 mm specified in JIS Z 2241 whose longitudinal direction is the reduction value at room temperature in the atmosphere parallel to the rolling direction (L direction) is taken from each steel material, It evaluated by the method of prescription to JISZ2241. Next, test pieces of the squeeze value at room temperature in hydrogen were taken from each steel material in a high pressure hydrogen of 100 MPa in the same manner as in the air, and were evaluated by a tensile test. At this time, in order to be able to sufficiently evaluate the influence of hydrogen, the strain rate was 8 × 10 −5 (1 / s) slower than the definition of JIS Z 2241. Then, the squeeze value obtained in hydrogen was divided by the squeeze value obtained in the atmosphere to obtain a relative squeeze value. The target value of the relative aperture value is 0.80 or more, preferably 0.90 or more. It was determined that the hydrogen embrittlement resistance was excellent when the relative throttling value was 0.80 or more.

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。   Table 3 and Table 4 show the plate thickness, manufacturing method, mechanical properties (tensile strength) and metal structure of steel products (manufacturing conditions No. 1 to 32) manufactured using slabs having chemical compositions of steel types A1 to A21. Show.

Figure 2019090069
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Figure 2019090069
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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5.3%と高いが、bcc組織中のNi固溶量が14.8%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, in the production condition No. 4 where the Ni content of the steel 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 slightly lower than the target value. On the other hand, even if the Ni content of the steel material is low, manufacturing conditions No. 1 in which V is contained 0.10% or more. For 4 and 6, high relative aperture values were shown. Moreover, manufacturing condition No. In No. 9, although the water-cooling start temperature is lower and the prior austenite grain size is within the preferable range, it is slightly larger, and the relative reduction value is slightly within the target value, though it is smaller. Also, no. No. 10 has a high tempering temperature. In No. 17 in all, the tensile strength is lower than those of the present invention examples because the C content is small. No. No. 18 had a high austenitic volume fraction of 5.3%, but had a high relative squeeze value because the Ni solid solution content in the bcc structure was as high as 14.8%.

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. Since No. 19 has a high C content, the strength is high and the relative throttling value is low. Manufacturing condition No. Since No. 20 and 21 had small Ni content, Ni content in bcc structure | tissue runs short, and the relative contraction value is falling. Manufacturing condition No. In each of Nos. 22 and 23, the Mn content and the Mo content are high, and the volume fraction of the austenite phase is high, so the amount of Ni solid solution in the bcc structure is insufficient, and the relative reduction value is reduced. Manufacturing condition No. Since No. 24 has a high N content, 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 the relative reduction is low.

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. No. 25 has a low tempering temperature and a high strength, so the relative aperture value is lowered. Manufacturing condition No. In Nos. 26 to 28, since the intermediate heat treatment was performed, the amount of Ni in solid solution in the austenite phase increased, and as a result, the amount of Ni in solid solution in the bcc structure decreased, so the relative reduction value decreased. Manufacturing condition No. In No. 29, the heating temperature at the time of rolling is high, the grain size of the prior austenite grains is large, and the relative reduction value is low. Manufacturing condition No. In No. 30, the rolling reduction at 950 ° C. or lower is low, the grain size of the prior austenite is large, and the relative reduction value is low. Manufacturing condition No. In No. 31, the rolling end temperature is high, the grain size of the prior austenite is large, and the relative reduction value is low. Manufacturing condition No. In No. 32, the heating temperature and the rolling end temperature of hot rolling are low, the grain size of the prior austenite is large, and the relative reduction value is low.

Claims (5)

化学組成が、質量%で、
Ni:14.0%以上20.0%未満、
C:0.003〜0.080%、
Si:0.03〜0.30%、
Mn:0.10〜0.50%、
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12.5%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 in mass%,
Ni: 14.0% or more and less than 20.0%,
C: 0.003 to 0.080%,
Si: 0.03 to 0.30%,
Mn: 0.10 to 0.50%,
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 to 0.50%,
Cr: 0 to 0.50%,
Nb: 0 to 0.020%,
Ti: 0 to 0.020%,
V: 0 to 0.50%,
B: 0 to 0.0020%,
Ca: 0 to 0.0040%,
Rare earth elements: 0 to 0.0050%,
Remainder: Fe and impurities,
The metallographic structure is mainly composed of a body-centered cubic lattice structure,
The solid solution content of Ni in the structure of the body-centered cubic lattice structure is at least 12.5%,
The prior austenite grain size is 12.0 μm or less,
The tensile strength is 930 MPa or less
Nickel steel for high pressure hydrogen.
前記化学組成が、質量%で、
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。
The chemical composition is, in mass%,
V: containing at least 0.10%,
A nickel steel material for high pressure hydrogen according to claim 1.
前記引張強さが560MPa以上である、
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.
前記引張強さが690MPa以上である、
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.
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、
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 austenite phase is 5.0% or less
A nickel steel material for high pressure hydrogen according to any one of claims 1 to 4.
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