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JP5353501B2 - 耐水素性に優れた常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器およびその製造方法 - Google Patents

耐水素性に優れた常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、常温高圧水素ガスを貯蔵するための鋼製容器に関するもので、特に、耐水素性に優れた常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器およびその製造方法に関する。
具体的には、例えば水素をエネルギー源とする自動車に水素ガスを供給する水素ステーションにおいて、水素ガスを常温高圧貯蔵する鋼製容器に関する。
水素燃料エンジンを搭載する水素自動車や、燃料電池の電力で駆動する燃料電池自動車を普及させるためには、当該自動車に水素を供給するための水素ステーションが一般市街地に数多く存在することが望まれる。しかし、水素ステーションで鋼製容器中に高圧水素ガスを貯蔵すると、常温でも水素原子が鋼中に侵入・拡散し、鋼の脆化（水素脆化）をもたらすことがある。水素ステーションを一般市街地に数多く建設するためには、耐水素性に優れた安全な水素ガス貯蔵鋼製容器が必要となる。
水素ガス貯蔵容器用鋼は、石油化学プラントや発電プラントにおいて、４００℃以上の高温かつ２０ＭＰａ以上の高圧の水素ガス環境を前提に、耐水素侵食性、耐クリープ性、耐焼き戻し脆性及び耐水素脆化性に優れたＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）が発明されている。
また、水素ガス貯蔵容器用鋼ではないが、高力ボルト等に使用される高強度棒線材において、鋼中に多量の水素が侵入した場合の耐遅れ破壊特性に優れた高強度調質鋼（特許文献２参照。）が発明されている。
しかし、前者は高温環境により、後者は鋼の高強度化により、いずれも数ｐｐｍオーダーの非常に多量の拡散性水素が鋼中に侵入した場合の鋼の耐水素性を検討しており、水素ステーションにおける常温高圧水素ガス貯蔵を前提とはしていない。
また、水素ガス貯蔵の異なる方法として、水素吸蔵合金を利用する方法（例えば、特許文献３参照。）が開示されている。
特開平０５−１９５０６１号公報 特開２００６−０４５６７０号公報 特開２００４−３１６６７３号公報
家口浩、村上昌吾、藤綱宣之、新谷智彦、山田雅人：Ｖ改良型２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の恒温長時間時効特性、Ｒ＆Ｄ 神戸製鋼技報、Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．２（Ａｕｇ．２００６）、ｐｐ．６−９
水素ステーションを一般市街地に数多く建設するために、耐水素性に優れた安全な常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器が切望されている。
本発明者らは、水素ステーションの常温高圧水素ガス貯蔵を模擬した環境において、引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ２級から９５０Ｎ／ｍｍ２級の鋼に侵入する拡散性水素量を検討したところ、０．１から１ｐｐｍ程度であることが判明した。また、このような低い鋼中拡散性水素量においても、きずや構造的不連続部などの応力集中部を有する鋼材は破壊に対する抵抗力が低くなることを見出した。なお、この様な０．１から１ｐｐｍ程度の鋼中拡散性水素量で常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器に生じる破壊は、その破壊抵抗力は低いが粒内の延性引き裂き破壊であり、一方、高温高圧の石油化学・発電プラントで生じる破壊や高力ボルトの遅れ破壊は、粒界割れを主とする脆性破壊であることから、両者の破壊機構は異なる。よって、水素ステーションにおける常温高圧水素ガス貯蔵を前提とすると、耐水素性に優れた鋼製容器として、非特許文献１や特許文献１〜２に示す鋼材から成る容器では不十分である。
また、水素吸蔵合金を利用する方法では、水素吸蔵合金が高価であること、また、水素の吸蔵と放出を繰り返すと水素吸蔵合金が脆化して吸蔵率が低下することなどから、水素ステーションの水素ガス貯蔵方法として必ずしも適していない。
そこで、本発明は、水素ステーションにおける鋼製容器での常温高圧水素ガス貯蔵を想定し、耐水素性に優れた常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決する為になされた本発明の要旨は、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１） 質量％で、Ｃ：０．１２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜０．１０％、Ｍｎ：０．３０〜０．６０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：２．００〜２．５０％、Ｍｏ：０．９０〜１．２０％、Ｖ：０．２０〜０．３５％、Ｎｂ：０．０１〜０．０６％、Ｔｉ：０．００２〜０．０３０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｃ、Ｍｏ及びＶの各含有量（質量％）で表されるＭＣ系炭化物析出指数ＭＣＩ＝（０．２４Ｖ＋０．０６Ｍｏ）／Ｃが０．７０以上を満足し、焼き戻しベイナイト組織において、化学量論比１対１のＶを主体とするＶとＭｏのＭＣ系炭化物（Ｖ，Ｍｏ）Ｃの平均粒子径が１００ｎｍ以下で、且つ当該炭化物の面積率が０．２％以上であることを特徴とする、耐水素性に優れた常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器。
（２） さらに、質量％で、Ｎ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０４０％、Ｃｕ：０．０１〜０．２５％、Ｎｉ：０．０５〜０．２５％、Ｂ：０．０００３〜０．００２０％、Ｙ：０．０００５〜０．０１０％、Ｃｅ：０．０００５〜０．０１０％、Ｌａ：０．０００５〜０．０１０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％、Ｂａ：０．０００５〜０．０１０％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０１０％の１種または２種以上を含有することを特徴とする、上記（１）に記載の耐水素性に優れた常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器。
（３） 質量％で、Ｃ：０．１２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜０．１０％、Ｍｎ：０．３０〜０．６０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：２．００〜２．５０％、Ｍｏ：０．９０〜１．２０％、Ｖ：０．２０〜０．３５％、Ｎｂ：０．０１〜０．０６％、Ｔｉ：０．００２〜０．０３０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｃ、Ｍｏ及びＶの各含有量（質量％）で表されるＭＣ系炭化物析出指数ＭＣＩ＝（０．２４Ｖ＋０．０６Ｍｏ）／Ｃが０．７０以上を満足する容器に対して、６００〜７５０℃の温度において５〜４０時間の応力除去焼鈍を施すことにより、焼き戻しベイナイト組織において、化学量論比１対１のＶを主体とするＶとＭｏのＭＣ系炭化物（Ｖ，Ｍｏ）Ｃの平均粒子径が１００ｎｍ以下で、且つ当該炭化物の面積率が０．２％以上であるようにすることを特徴とする、耐水素性に優れた常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器の製造方法。
（４） 前記容器が、さらに、質量％で、Ｎ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０４０％、Ｃｕ：０．０１〜０．２５％、Ｎｉ：０．０５〜０．２５％、Ｂ：０．０００３〜０．００２０％、Ｙ：０．０００５〜０．０１０％、Ｃｅ：０．０００５〜０．０１０％、Ｌａ：０．０００５〜０．０１０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％、Ｂａ：０．０００５〜０．０１０％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０１０％の１種または２種以上を含有することを特徴とする、上記（３）に記載の耐水素性に優れた常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器の製造方法。
本発明によれば、水素ステーションの常温高圧水素ガス貯蔵において、水素性の損傷を防止した安全な常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器を提供することができ、産業上、著しく有用な効果を奏する。
ＭＣＩ値と耐水素脆化特性の関係を示す図である。 破壊特性評価試験に用いた０．５ＴＣＴ試験片を示す図である。
以下に本発明鋼製容器における各成分、熱処理及び炭化物の限定理由について、その作用とともに詳細に説明する。
Ｃ：鋼製容器の強度を向上させる為に、またＭＣ系炭化物を微細かつ高密度に分散析出させて耐水素脆化特性を向上させる為に０．１２％以上を含有させる必要があるが、０．１５％を超えて添加すると鋼製容器の靭性が低下することに関連し耐水素脆化特性も低下する為、０．１２〜０．１５％の範囲に限定した。
Ｓｉ：鋼の脱酸を助けるとともに、強度を得る為にも０．０１％以上が必要であるが、０．１０％を超えて添加すると焼き戻し脆化に対する感受性が増加するので、０．０１〜０．１０％の範囲に限定した。
Ｍｎ：鋼の脱酸・脱硫を助けるとともに、焼き入れ性を向上させるのに有効な元素であるが、０．３０％未満では上記の効果を得られず、一方、０．６０％を超えて添加すると焼き戻し脆化に対する感受性が増加するので、０．３０〜０．６０％の範囲に限定した。
Ｐ、Ｓ：いずれも鋼の不純物成分である。鋼製容器の靭性低下に至らぬように、Ｐは０．０２％以下、Ｓは０．００５％以下に制限する必要がある。鋼の高清浄度化に必要な制限である。
Ｃｒ：鋼製容器の耐クリープ性と耐水素侵食性を向上させる為に必要な元素であるが、２．００％未満ではそれらの効果を確保できず、２．５０％を超えて添加すると、長時間の高温使用で炭化物による脆化を促進することがある為、２．００〜２．５０％の範囲に限定した。
Ｍｏ：Ｖと共にＭＣ系炭化物（Ｖ，Ｍｏ）Ｃとして微細かつ高密度に分散析出し、拡散性水素をトラップすることにより、鋼製容器の水素脆化を防止する為に必要な元素である。また、鋼製容器の高温クリープ特性の改善に寄与する元素でもある。０．９０未満では効果が少なく、１．２０％を超えて添加するとＭ６Ｃ系炭化物Ｍｏ６Ｃとして粒界析出脆化を招くことがある為、０．９０〜１．２０％の範囲に限定した。
Ｖ：本発明において非常に重要な元素である。Ｖを主体とするＶとＭｏのＭＣ系炭化物（Ｖ，Ｍｏ）Ｃとして微細かつ高密度に分散析出し、拡散性水素をトラップして鋼製容器の水素脆化を防止する。０．２０％以上の添加で効果が発現し、０．３５％を超えて添加すると炭化物が粗大化して鋼製容器が脆化することがある為、０．２０〜０．３５％の範囲に限定した。
Ｎｂ：鋼製容器の耐クリープ性を向上させる為に必要な元素であるが、０．０１％未満ではそれらの効果を発揮できず、０．０６％を超えて添加すると、長時間の高温使用で粗大炭化物による脆化を促進することがある為、０．０１〜０．０６％の範囲に限定した。
Ｔｉ：ＴｉはＴｉＮを形成し結晶粒の粗大化を抑制する効果があるが、０．００２％未満ではその効果が発現せず、０．０３０％を超えて過剰に添加すると粗大炭化物による脆化を促進することがある為、０．００２〜０．０３０％の範囲に限定した。
また、Ｖを主体とするＶとＭｏのＭＣ系炭化物（Ｖ，Ｍｏ）Ｃが寄与する鋼製容器の耐水素脆化特性向上条件を詳細に検討したところ、（Ｖ，Ｍｏ）Ｃが微細かつ高密度に分散析出することが必須であることがわかった。そして、前記成分範囲の鋼製容器においてのみ、さらに当該炭化物の構成元素配分から、ＭＣ系炭化物析出指数ＭＣＩ＝（０．２４Ｖ＋０．０６Ｍｏ）／Ｃが０．７０以上を満足する場合、（Ｖ，Ｍｏ）Ｃが良好に析出し、図１に示すようにＣＴＯＤ比の高いものとなり、鋼製容器の耐水素脆化特性が向上することを見出した。よって、ＭＣＩを０．７０以上に限定した。図１は、鋼製容器の耐水素脆化特性を表すＣＴＯＤ比とＭＣＩとの関係を示したグラフである。ここで、ＣＴＯＤ（き裂先端開口変位）比とは、水素添加試験片の限界ＣＴＯＤを水素無添加試験片の限界ＣＴＯＤで割った値である。
本発明鋼製容器は上記の化学成分の範囲に調整されたものであるが、一般に、鋼製容器には組み立て後に応力除去焼鈍を施す。本発明鋼製容器は、耐水素脆化特性を改善するために、ＭＣ系炭化物の微細かつ高密度な分散析出を積極的に活用したものであり、このような炭化物の析出を達成するために、６００〜７５０℃の温度において５〜４０時間の応力除去焼鈍を施すことを必須とする。
上記に加えて、下記の各成分の１種または２種以上を含有することも有効であり、以下にその理由を説明する。
Ｎ：製鋼工程で不可避的に不純物として含まれるが、０．０１０％を超えて含有するとＶと窒化物を形成し、ＭＣ系炭化物の析出による耐水素脆化特性の改善効果の発現を阻害する可能性がある為、０．０１０％以下の範囲に限定した。
Ａｌ：Ｎを固定する効果があり、必要に応じて添加するが、０．００５％未満では殆どその効果を発現せず、０．０４０％を超えて添加すると耐クリープ特性に悪影響を及ぼすことがある為、０．００５〜０．０４０％の範囲に限定した。
Ｃｕ：析出強化元素であり、必要に応じて添加するが、０．０１％未満ではその効果が低く、０．２５％を超えて添加すると熱間で鋼材を加工する際に割れ状のきずを生じる。この為、０．０１％〜０．２５％の範囲に限定した。
Ｎｉ：焼き入れ性を向上させて鋼の組織制御による強度・靭性を確保するために、０．０５％以上の添加が有効であるが、０．２５％を超えて添加してもコストに見合った効果を期待できない為、０．０５〜０．２５％の範囲に限定した。
Ｂ：固溶状態で活用すると溶接熱影響部の靭性改善に有効な元素であり、この効果を得るために０．０００３％以上の添加が必要であるが、０．００２０％を超えて添加すると窒化物の析出脆化を促進することがある為、０．０００３〜０．００２０％の範囲に限定した。
さらに、鋼材の中心偏析部に粗大なＭｎＳが形成されることによる材質低下を防止するために、Ｙ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂａ、Ｚｒの硫化物形態制御元素を１種または２種以上添加することが有効である。この効果を得るためにいずれの元素も０．０００５％以上の添加が必要であるが、０．０１０％を超えて添加すると酸化物のクラスターを形成して材質が低下する為、０．０００５〜０．０１０％の範囲に限定した。
本発明鋼製容器は、上記の成分範囲で構成される鋼製容器に対し、限定された応力除去焼鈍を施すことでもたらされるものであるが、そのＭＣ系炭化物の寸法と分布状態を分析装置付帯の透過型電子顕微鏡を用いて詳細に調査したところ、焼き戻しベイナイト組織から成る本発明鋼において、化学量論比１対１のＶを主体とするＶとＭｏのＭＣ系炭化物（Ｖ，Ｍｏ）Ｃの平均粒子径が１００ｎｍ以下で、且つ当該炭化物の面積率が０．２％以上との特徴を見出した為、ＭＣ系炭化物の平均粒子径と体積率をそのように規定した。
本発明例、比較例の化学成分から成る表１および表２に示す鋼を、高炉−転炉−二次精錬（真空脱ガス設備付き再加熱脱硫粉体吹き込み設備）を経て、連続鋳造でスラブとし、１１００〜１２５０℃に再加熱して１０〜２０％厚減比の粗圧延、２０〜５０％厚減比の仕上げ圧延を実施して、２５〜１６０ｍｍの鋼板とした。当該鋼板は、９００〜１１５０℃に再加熱して１０〜３６０分の均熱保持の後、冷却することで焼準処理し、さらに容器状に加工後、表３および表４に示すように、６００〜７５０℃の範囲で１〜５０時間、適宜、焼き戻し及び応力除去焼鈍に相当する熱処理を施した。
Figure 0005353501
Figure 0005353501
Figure 0005353501
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続いて、当該鋼製容器の板厚中央より、試験片厚さＢ：０．５インチ、試験片幅Ｗ：１インチの０．５ＴＣＴ試験片（図２）をＬ−Ｔ方向に採取し、日本溶接協会規格ＷＥＳ１１０８：１９９５（き裂先端開口変位（ＣＴＯＤ）試験方法）に準拠する荷重で疲労予き裂を導入した。疲労予き裂は、図２に示す初期き裂長さａが試験片幅Ｗの半分になるまで導入し、当該鋼製容器の破壊特性評価試験に用いた。
破壊特性評価試験は、水素を添加しない試験片と、水素を添加した試験片の両者で行い、室温大気中における静的なＣＴＯＤ比＝（水素添加試験片の限界ＣＴＯＤ／水素無添加試験片の限界ＣＴＯＤ）を評価した。限界ＣＴＯＤはＷＥＳ１１０８：１９９５の方法に従って得た。試験片への水素添加は、試験片を高圧水素オートクレーブ中に設置することにより行い、水素添加の温度は室温、水素分圧は４５ＭＰａ、添加時間は１９２時間とした。試験片は、高圧水素オートクレーブから取り出した後、直ちに電解Ｃｄめっきを施し、鋼中拡散性水素の試験片外への放出を防止して破壊特性評価試験に用いた。
また、当該鋼製容器からＭＣ系炭化物測定用の薄膜試料を採取し、分析装置付帯の透過型電子顕微鏡を用いて、ＭＣ系炭化物の平均粒子経と面積率を測定した。
破壊特性評価結果（耐水素脆化特性）とＭＣ系炭化物の測定結果を表３および表４に示す。
表１および表３のＮｏ．１〜１９は本発明例であって、いずれの実施例でも高いＣＴＯＤ比を示し、耐水素脆化特性は良好であった。ここで、高いＣＴＯＤ比としては、実験結果のばらつきを考慮しても水素添加後の限界ＣＴＯＤが水素無添加の限界ＣＴＯＤと同程度であることが望ましく、例えば、判定（良）を０．９５以上に設定した。
一方、表２および表４のＮｏ．２０〜３１は比較例であり、Ｎｏ．２０〜２７は鋼製容器成分が限定範囲外であった為、Ｎｏ．２８〜３１は応力除去焼鈍条件が限定範囲外であった為、いずれも低いＣＴＯＤ比を示した。
Ｂ 試験片厚さ、
Ｗ 試験片幅、
ａ 初期き裂長さ

Claims (4)

  1. 質量％で、
    Ｃ ：０．１２〜０．１５％、
    Ｓｉ：０．０１〜０．１０％、
    Ｍｎ：０．３０〜０．６０％、
    Ｐ ：０．０２％以下、
    Ｓ ：０．００５％以下、
    Ｃｒ：２．００〜２．５０％、
    Ｍｏ：０．９０〜１．２０％、
    Ｖ ：０．２０〜０．３５％、
    Ｎｂ：０．０１〜０．０６％、
    Ｔｉ：０．００２〜０．０３０％
    を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｃ、Ｍｏ及びＶの各含有量（質量％）で表されるＭＣ系炭化物析出指数ＭＣＩ＝（０．２４Ｖ＋０．０６Ｍｏ）／Ｃが０．７０以上を満足し、焼き戻しベイナイト組織において、化学量論比１対１のＶを主体とするＶとＭｏのＭＣ系炭化物（Ｖ，Ｍｏ）Ｃの平均粒子径が１００ｎｍ以下で、且つ当該炭化物の面積率が０．２％以上であることを特徴とする、耐水素性に優れた常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器。
  2. さらに、質量％で、
    Ｎ ：０．０１０％以下、
    Ａｌ：０．００５〜０．０４０％、
    Ｃｕ：０．０１〜０．２５％、
    Ｎｉ：０．０５〜０．２５％、
    Ｂ ：０．０００３〜０．００２０％、
    Ｙ ：０．０００５〜０．０１０％、
    Ｃｅ：０．０００５〜０．０１０％、
    Ｌａ：０．０００５〜０．０１０％、
    Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％、
    Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％、
    Ｂａ：０．０００５〜０．０１０％、
    Ｚｒ：０．０００５〜０．０１０％
    の１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１に記載の耐水素性に優れた常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器。
  3. 質量％で、
    Ｃ ：０．１２〜０．１５％、
    Ｓｉ：０．０１〜０．１０％、
    Ｍｎ：０．３０〜０．６０％、
    Ｐ ：０．０２％以下、
    Ｓ ：０．００５％以下、
    Ｃｒ：２．００〜２．５０％、
    Ｍｏ：０．９０〜１．２０％、
    Ｖ ：０．２０〜０．３５％、
    Ｎｂ：０．０１〜０．０６％、
    Ｔｉ：０．００２〜０．０３０％
    を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｃ、Ｍｏ及びＶの各含有量（質量％）で表されるＭＣ系炭化物析出指数ＭＣＩ＝（０．２４Ｖ＋０．０６Ｍｏ）／Ｃが０．７０以上を満足する容器に対して、
    ６００〜７５０℃の温度において５〜４０時間の応力除去焼鈍を施すことにより、焼き戻しベイナイト組織において、化学量論比１対１のＶを主体とするＶとＭｏのＭＣ系炭化物（Ｖ，Ｍｏ）Ｃの平均粒子径が１００ｎｍ以下で、且つ当該炭化物の面積率が０．２％以上であるようにすることを特徴とする、耐水素性に優れた常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器の製造方法。
  4. 前記容器が、さらに、質量％で、
    Ｎ ：０．０１０％以下、
    Ａｌ：０．００５〜０．０４０％、
    Ｃｕ：０．０１〜０．２５％、
    Ｎｉ：０．０５〜０．２５％、
    Ｂ ：０．０００３〜０．００２０％、
    Ｙ ：０．０００５〜０．０１０％、
    Ｃｅ：０．０００５〜０．０１０％、
    Ｌａ：０．０００５〜０．０１０％、
    Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％、
    Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％、
    Ｂａ：０．０００５〜０．０１０％、
    Ｚｒ：０．０００５〜０．０１０％
    の１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項３に記載の耐水素性に優れた常温高圧水素ガス貯蔵鋼製容器の製造方法。
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