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JP4785054B2 - Method for producing high-strength steel material with excellent hydrogen embrittlement resistance - Google Patents
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Method for producing high-strength steel material with excellent hydrogen embrittlement resistance Download PDF

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Description

この発明は、水素環境で使用される構造用材料などに好適な耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法に関するものである。 This invention relates to a manufacturing method of the high strength steel material excellent in a suitable resistance to hydrogen embrittlement to such structural materials used in hydrogen environment.

種々の用途において、耐食性が必要な部材には、JIS SUS304などに代表されるオーステナイト系ステンレス鋼等、高Cr、高Ni鋼が多く使用されている。また、fcc構造のオーステナイト鋼は、耐水素脆性に優れていることが知られており、水素環境で使用される材料への適用が提案されている(例えば特許文献1、2参照)。一方、種々の用途で機器や部品の軽量化などの要請があり、構造用材料に対しても薄肉化などが可能な高強度特性が要求されている。
従来、鋼材の高強度化の一方法としては、焼入れによるマルテンサイト変態を利用した組織の強化が挙げられる。マルテンサイト組織は、高い硬度を有しており、該組織を有する材料の強度はオーステナイト鋼に比べて大幅に向上する。しかし、上記高Cr、高Ni鋼の場合、マルテンサイト変態開始温度が低いなどの理由により一般的な焼入れによるマルテンサイト化が困難である。この場合、熱処理によって該材料を準安定オーステナイト組織にし、該準安定オーステナイト組織に加工エネルギーを付与することで加工誘起変態を生じさせてマルテンサイト組織を得ることが可能になる。
特開2003−226940号公報 特開2004−339569号公報
In various applications, high Cr and high Ni steels such as austenitic stainless steel represented by JIS SUS304 are often used as members that require corrosion resistance. In addition, it is known that austenitic steel having an fcc structure is excellent in hydrogen embrittlement resistance, and application to a material used in a hydrogen environment has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2). On the other hand, there is a demand for reducing the weight of equipment and parts in various applications, and high strength characteristics that can reduce the thickness of structural materials are also required.
Conventionally, as one method for increasing the strength of steel materials, there is a strengthening of the structure using martensitic transformation by quenching. The martensite structure has a high hardness, and the strength of the material having the structure is greatly improved as compared with the austenitic steel. However, in the case of the high Cr and high Ni steels, it is difficult to make martensite by general quenching because the martensite transformation start temperature is low. In this case, the material is converted to a metastable austenite structure by heat treatment, and processing energy is imparted to the metastable austenite structure to cause a work-induced transformation to obtain a martensite structure.
JP 2003-226940 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-339569

しかし、bcc構造を有するマルテンサイト組織は、水素を吸蔵する性質を有しており、材料中のマルテンサイト組織が多くなるほど水素吸蔵量が多くなる。
該マルテンサイト組織とオーステナイト組織における水素吸蔵の挙動を図13に基づいて説明する。図13は、bcc構造のマルテンサイト組織と、fcc構造のオーステナイト組織における経時的な水素の拡散距離を示すものである。該図に明らかなように、マルテンサイト組織では、短時間において水素の拡散距離が増加しており、水素が容易に吸蔵されることが理解される。一方、オーステナイト組織では、長時間の経過においても水素の拡散距離の増加は極めて僅かであり、単位時間当たりの水素の移動量が小さい、すなわち水素の吸蔵が起こり難いことが理解される。
また、図14は、水素環境下における水素圧力とステンレス鋼の疲労限との関係を示したものであり、該図では、安定オーステナイト系ステンレス鋼、準安定オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼について評価がなされている(引用文献;藤野 河部 泉田、「耐水素脆性に優れたばね用ステンレス鋼線の開発」、SEIテクニカルレビュー、第167号(2005年9月))。該図から明らかなように、安定オーステナイト鋼では、水素圧力の増大に伴う疲労限の低下が少なく、準安定オーステナイト鋼、マルテンサイト鋼では疲労限の低下が顕著になっている。これは、材料の水素吸蔵の挙動差によって水素脆化が生じているためと考えられ、準安定オーステナイト鋼、マルテンサイト鋼では、安定オーステナイト鋼に比べて水素脆化が顕著に生じていることが分かる。
以上のように、マルテンサイト組織を有する材料を水素環境で使用すると、水素を吸蔵して水素脆化するおそれがある。したがって、従来、水素環境で使用される鋼材においては、良好な耐水素脆性を維持したままでマルテンサイト組織による高強度化を図ることは困難であり、高強度化の要請に十分に応えることができないという問題がある。
However, the martensite structure having a bcc structure has a property of storing hydrogen, and the amount of hydrogen storage increases as the martensite structure in the material increases.
The behavior of hydrogen storage in the martensite structure and austenite structure will be described with reference to FIG. FIG. 13 shows the hydrogen diffusion distance over time in the martensite structure of the bcc structure and the austenite structure of the fcc structure. As is apparent from the figure, in the martensite structure, the diffusion distance of hydrogen increases in a short time, and it is understood that hydrogen is easily occluded. On the other hand, in the austenite structure, the increase in the diffusion distance of hydrogen is extremely small even after a long time, and it is understood that the amount of hydrogen transferred per unit time is small, that is, hydrogen is not occluded.
FIG. 14 shows the relationship between the hydrogen pressure in a hydrogen environment and the fatigue limit of stainless steel. In this figure, stable austenitic stainless steel, metastable austenitic stainless steel, martensitic stainless steel (Cited reference: Kawano Izumida, “Development of stainless steel wire for springs with excellent hydrogen brittleness resistance”, SEI Technical Review, No. 167 (September 2005)). As is clear from the figure, in the stable austenitic steel, the fatigue limit decreases with increasing hydrogen pressure, and in the metastable austenitic steel and martensitic steel, the fatigue limit decreases remarkably. This is thought to be due to hydrogen embrittlement due to the difference in hydrogen storage behavior of the material. Metastable austenitic steels and martensitic steels have significant hydrogen embrittlement compared to stable austenitic steels. I understand.
As described above, when a material having a martensite structure is used in a hydrogen environment, hydrogen may be occluded and hydrogen embrittlement may occur. Therefore, in steel materials used in a hydrogen environment in the past, it is difficult to increase the strength with a martensite structure while maintaining good hydrogen embrittlement resistance, and it is possible to sufficiently meet the demand for higher strength. There is a problem that you can not.

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、良好な耐水素脆性と高い強度とを兼ね備えた鋼材の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made with the above circumstances as a background, and an object thereof is to provide a method of manufacturing a steel material having both good resistance to hydrogen embrittlement and high strength.

すなわち、本発明の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法のうち、請求項記載の発明は、加工誘起マルテンサイト組織を有する鋼材の表層部を誘導加熱して該表層部の加工誘起マルテンサイト組織をオーステナイト組織に逆変態させることを特徴とする。 That is , among the methods for producing a high-strength steel material excellent in hydrogen embrittlement resistance according to the present invention, the invention according to claim 1 is directed to induction heating of a surface layer portion of a steel material having a work-induced martensite structure to induce work induction of the surface layer portion. The martensite structure is reversely transformed into an austenite structure.

請求項記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法の発明は、請求項記載の発明において、準安定オーステナイト組織を有するオーステナイト鋼材に加工を施して前記加工誘起マルテンサイト組織を有する鋼材を得ることを特徴とする。 The invention for producing a high-strength steel material excellent in hydrogen embrittlement resistance according to claim 2 is the invention according to claim 1 , wherein the austenitic steel material having a metastable austenite structure is processed to have the work-induced martensite structure. It is characterized by obtaining a steel material.

請求項記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法の発明は、請求項記載の発明において、オーステナイト鋼材に熱処理を施して前記準安定オーステナイト組織を生成することを特徴とする。 The invention for producing a high-strength steel material excellent in hydrogen brittleness resistance according to claim 3 is characterized in that, in the invention according to claim 2 , the austenitic steel material is subjected to a heat treatment to generate the metastable austenitic structure.

請求項記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法の発明は、請求項のいずれかに記載の発明において、前記誘導加熱は、1kHz〜400kHzの高周波誘導により行うことを特徴とする。 The invention of the method for producing a high-strength steel material excellent in hydrogen embrittlement resistance according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3 , wherein the induction heating is performed by high-frequency induction of 1 kHz to 400 kHz. Features.

請求項記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法の発明は、請求項のいずれかに記載の発明において、前記鋼材が、質量%で、Cr:12〜25%、Ni:5〜11%を含有することを特徴とする。
請求項6記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載の発明において、前記誘導加熱後の前記表層部において、前記オーステナイト組織が体積率で70%以上であることを特徴とする。
Present invention provides a method for preparing a high-strength steel having excellent hydrogen embrittlement resistance according to claim 5 is the invention according to claim 1, wherein the steel material, in mass%, Cr: 12 to 25%, Ni: 5 to 11% is contained.
The invention of the method for producing a high-strength steel material excellent in hydrogen embrittlement resistance according to claim 6 is the invention according to any one of claims 1 to 5, wherein the austenite structure has a volume in the surface layer portion after the induction heating. It is characterized by being 70% or more in rate.

すなわち、本発明の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法により得られる鋼材は、材料内部に存在するマルテンサイト組織によって高い強度を示す。一方、表層部では、主としてオーステナイト組織からなることにより、水素環境での使用においても優れた耐水素脆性を示す。
上記材料内部では、高い強度を得るために、マルテンサイト組織が100%占めるものであってもよいが、該マルテンサイト組織が好適には体積率で30%超占めることで良好な強度特性を得ることが可能になる。なお、強度面からは望ましくは50%以上である。残部は、オーステナイト組織が挙げられる。
なお、主としてオーステナイト組織からなる表層部では、良好な耐水素脆性を得るために、オーステナイト組織が体積率で70%以上占めることが望ましい。より良好な耐水素脆性を得るためにはオーステナイト組織がさらに体積率で100%であるのが望ましい。残部は、上記マルテンサイト組織が挙げられる。
また、鋼材の全ての表層部がオーステナイト組織で構成されている必要はなく、水素に
晒されることが予定される、一部の表層部をオーステナイト組織で構成するようにして、
他の表層部は、内部と同様の組織で構成されるものであってもよい。
That is, the high strength steel material obtained Ri by the method for producing a steel water excellent hydrogen embrittlement of the present invention exhibit high have strength by the martensite structure which exists within the material. On the other hand, the surface layer portion mainly comprises an austenite structure, and thus exhibits excellent hydrogen embrittlement resistance even when used in a hydrogen environment.
In the material, in order to obtain high strength, the martensite structure may occupy 100%, but the martensite structure preferably occupies more than 30% by volume ratio to obtain good strength characteristics. It becomes possible. In terms of strength, it is desirably 50% or more. The balance includes an austenite structure.
In the surface layer portion mainly composed of an austenite structure, it is desirable that the austenite structure occupies 70% or more by volume in order to obtain good hydrogen embrittlement resistance. In order to obtain better hydrogen embrittlement resistance, it is desirable that the austenite structure is further 100% by volume. The remainder includes the martensite structure.
Moreover, it is not necessary that all the surface layer portions of the steel material are composed of an austenite structure, and a portion of the surface layer portion that is expected to be exposed to hydrogen is composed of an austenite structure,
Other surface layer portions may be composed of the same structure as the inside.

上記マルテンサイト組織は、オーステナイト鋼を焼入れすることにより得ることもできるが、加工エネルギーを与えることによりオーステナイト組織を加工誘起変態させてマルテンサイト組織を得るのが好ましい。加工誘起変態は、材料を均質に変態させることができ、材料全体の強度をばらつきなく高めることができる。その一方で、表層部に加工エネルギーが多く加わることで表層部での加工誘起変態が内部よりも強く現れやすい。
加工誘起変態は、通常は、準安定オーステナイト組織を有する材料に、加工を加えることで生じさせることができる。該加工では、オーステナイト鋼の成分などに従って所望のマルテンサイト組織体積率が得られるように適宜の加工率を選択する。また、該加工方法は、本発明としては特に限定されるものではなく、圧延、鍛造、押出、引き抜きなどにより行うことができる。また、該加工は、加工エネルギーを十分に与えるために冷間加工により行うのが望ましい。
The martensitic structure can be obtained by quenching austenitic steel. However, it is preferable to obtain a martensitic structure by subjecting the austenitic structure to work-induced transformation by applying processing energy. The processing-induced transformation can uniformly transform the material, and can increase the strength of the entire material without variation. On the other hand, when a large amount of processing energy is applied to the surface layer portion, the processing-induced transformation at the surface layer portion tends to appear stronger than inside.
The processing-induced transformation can usually be generated by processing a material having a metastable austenite structure. In the processing, an appropriate processing rate is selected so as to obtain a desired martensite structure volume ratio in accordance with the components of the austenitic steel. The processing method is not particularly limited as the present invention, and can be performed by rolling, forging, extrusion, drawing, or the like. Further, it is desirable that the processing is performed by cold processing in order to provide sufficient processing energy.

また、準安定オーステナイト組織は、一部のオーステナイト鋼に溶体化処理した後、冷却する熱処理によって得ることができる。この熱処理では、例えば、該オーステナイト鋼のマルテンサイト変態開始温度が室温より低いことにより、通常の水冷、油冷等においてはマルテンサイト変態が生じず、過冷オーステナイトのままで準安定オーステナイト組織となる。このようなオーステナイト鋼としては、Cr:12〜25%、Ni:5〜11%を含有する鋼(例えばステンレス鋼)を例示することができる。一般によく知られたオーステナイト鋼としてはJIS SUS304オーステナイト鋼(Cr:18.0〜20.0質量%、Ni:8.0〜10.5質量%、残部がFeおよび不可避不純物)を示すことができる。また、上記溶体化処理により準安定オーステナイト組織を生成するオーステナイト鋼としては、Ni当量を目安にすることができ、Ni当量(30[%C]+0.5[%Mn]+[%Ni]+30[%N])が5%以上であるオーステナイト鋼を用いることができる。   The metastable austenite structure can be obtained by a heat treatment in which a part of austenitic steel is solution-treated and then cooled. In this heat treatment, for example, the martensitic transformation start temperature of the austenitic steel is lower than room temperature, so that martensitic transformation does not occur in normal water cooling, oil cooling, etc., and a metastable austenitic structure is obtained while remaining as supercooled austenite. . Examples of such austenitic steel include steel containing Cr: 12 to 25% and Ni: 5 to 11% (for example, stainless steel). As a well-known austenitic steel, JIS SUS304 austenitic steel (Cr: 18.0 to 20.0 mass%, Ni: 8.0 to 10.5 mass%, the balance being Fe and inevitable impurities) can be shown. . Moreover, as an austenitic steel which produces | generates a metastable austenite structure | tissue by the said solution treatment, Ni equivalent can be made into a standard, Ni equivalent (30 [% C] +0.5 [% Mn] + [% Ni] An austenitic steel having +30 [% N]) of 5% or more can be used.

溶体化処理では、オーステナイト鋼をオーステナイト領域にまで加熱して、炭化物等を十分に固溶させることが必要である。溶体化処理における温度は、材料の組成によっても異なるが、通常は、1100〜1200℃に加熱して、30〜60分保持することにより行う。加熱後の冷却では、準安定オーステナイト組織とするために、冷却速度を空冷以上とするのが望ましい。   In the solution treatment, it is necessary to heat the austenitic steel to the austenitic region to sufficiently dissolve carbides and the like. Although the temperature in the solution treatment varies depending on the composition of the material, it is usually performed by heating to 1100 to 1200 ° C. and holding for 30 to 60 minutes. In cooling after heating, in order to obtain a metastable austenite structure, it is desirable to set the cooling rate to air cooling or higher.

加工誘起マルテンサイト組織を有する鋼材は、表層部を誘導加熱することにより、内部は加工誘起マルテンサイト組織のままにして表層部を逆変態させてオーステナイト組織にすることができる。誘導加熱では、例えば1kHz〜400kHzの高周波誘導により、鋼材の表層部を短時間で急速加熱するのが望ましい。該加熱では、加熱温度を、600〜850℃にして、0.1〜10秒加熱するのが望ましい。なお、加熱温度はさらに下限を650℃、上限を800℃とするのが望ましい。その理由は、加熱温度が下限未満であったり、加熱時間0.1秒未満では、マルテンサイト組織を十分に逆変態することができず、一方、加熱温度を上限を超えて加熱したり、加熱時間10秒を超えて加熱すると、内部のマルテンサイト組織も熱影響を受けて逆変態が生じるので、10秒以下で加熱するのが望ましい。
また、上記加熱後には、鋼材を50℃/秒以上、300℃/秒以下の冷却速度で冷却するのが望ましい。さらに、好ましくは下限100℃/秒である。上記冷却速度が望ましいのは、50℃/秒未満の冷却速度では、伝熱するためであり、300℃/秒を超えた冷却速度は実用的でないためである。
A steel material having a work-induced martensite structure can be formed into an austenite structure by subjecting the surface layer part to induction heating to reversely transform the surface layer part while maintaining the work-induced martensite structure inside. In the induction heating, it is desirable to rapidly heat the surface layer portion of the steel material in a short time by, for example, high frequency induction of 1 kHz to 400 kHz. In this heating, the heating temperature is preferably set to 600 to 850 ° C. and heated for 0.1 to 10 seconds. In addition, as for heating temperature, it is further desirable that the lower limit is 650 ° C. and the upper limit is 800 ° C. The reason is that if the heating temperature is less than the lower limit or if the heating time is less than 0.1 seconds, the martensite structure cannot be sufficiently reverse transformed, while the heating temperature exceeds the upper limit, When heating is performed for more than 10 seconds, the internal martensite structure is also affected by heat and reverse transformation occurs, so that heating is preferably performed for 10 seconds or less.
Further, after the heating, it is desirable to cool the steel material at a cooling rate of 50 ° C./second or more and 300 ° C./second or less. Furthermore, the lower limit is preferably 100 ° C./second. The above cooling rate is desirable because heat is transferred at a cooling rate of less than 50 ° C./sec, and a cooling rate exceeding 300 ° C./sec is not practical.

以上説明したように本発明の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法によれば、加工誘起マルテンサイト組織を有する鋼材の表層部を誘導加熱して該表層部の加工誘起マルテンサイト組織をオーステナイト組織に逆変態させるので、内部に確実かつ均質に、マルテンサイト組織を生成することができ、さらに後工程の誘導加熱により所望の表層部のみを所望の厚さでオーステナイト組織にすることができる。得られた鋼材は、高強度で優れた耐水素脆性を示す効果がある。 As described above , according to the method for producing a high-strength steel material excellent in hydrogen embrittlement resistance according to the present invention, the surface layer portion of the steel material having a work-induced martensite structure is induction-heated to induce the work-induced martensite structure of the surface layer portion. Is reversely transformed into an austenitic structure, so that a martensite structure can be generated reliably and homogeneously inside, and further, only a desired surface layer portion can be formed into an austenitic structure with a desired thickness by induction heating in a later step. it can. The obtained steel has the effect of exhibiting high strength and excellent hydrogen embrittlement resistance.

以下に、本発明の一実施形態を説明する。
好適にはCr:12〜25質量%、Ni:5〜11質量%を含有し、Ni当量が5%以上であるオーステナイト鋼を用意する。
該オーステナイト鋼は、図1に示すように、通常は、1100〜1200℃に加熱して、30〜60分保持する溶体化処理を行う。なお、上記加熱は、既知の加熱炉を用いることができ、本発明としては加熱手段などが特定のものに限定されるものではない。上記加熱後には、好ましくは空冷以上の冷却速度で冷却を行う。これにより図4に示すように、オーステナイト組織10から過冷された準安定オーステナイト組織11が得られる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
Preferably, an austenitic steel containing Cr: 12 to 25% by mass, Ni: 5 to 11% by mass and having an Ni equivalent of 5% or more is prepared.
As shown in FIG. 1, the austenitic steel is usually heated to 1100 to 1200 ° C. and subjected to a solution treatment for 30 to 60 minutes. In addition, a known heating furnace can be used for the said heating, and a heating means etc. are not limited to a specific thing as this invention. After the heating, cooling is preferably performed at a cooling rate equal to or higher than air cooling. As a result, as shown in FIG. 4, a metastable austenite structure 11 that is supercooled from the austenite structure 10 is obtained.

上記準安定オーステナイト鋼には、冷間圧延などをして加工エネルギーを付与する。なお、加工の種別としては冷間圧延に限られるものではなく、本発明としては、鍛造、押出、引き抜きなどの適宜の加工方法を採用することができる。
上記冷間加工によって準安定オーステナイト組織は、加工誘起変態をし、図4に示すようにマルテンサイト組織12が生成される。なお、マルテンサイト組織12は体積率で30%超とするのが望ましく、100%マルテンサイト組織でない場合、残部は通常、オーステナイト組織となる。
図5(a)に示す模式図は、加工誘起変態によってマルテンサイト組織が生成され、残部がオーステナイト組織からなる鋼材1を示すものである。マルテンサイト組織が一部である場合にも、加工エネルギーは表面部付近に多く与えられるため、表面部でのマルテンサイト組織の体積率は高くなる傾向がある。
The metastable austenitic steel is imparted with processing energy by cold rolling or the like. Note that the type of processing is not limited to cold rolling, and an appropriate processing method such as forging, extrusion, or drawing can be employed as the present invention.
By the cold working, the metastable austenite structure undergoes work-induced transformation, and a martensite structure 12 is generated as shown in FIG. The martensite structure 12 is desirably more than 30% by volume. When the martensite structure is not 100% martensite structure, the balance is usually an austenite structure.
The schematic diagram shown in FIG. 5A shows a steel material 1 in which a martensite structure is generated by work-induced transformation and the balance is an austenite structure. Even when the martensite structure is a part, since a large amount of processing energy is applied in the vicinity of the surface portion, the volume ratio of the martensite structure at the surface portion tends to increase.

マルテンサイト組織を有する鋼材1は、図2に示すように、高周波誘導コイル3内に配置する。該高周波誘導コイル3に好適には1kHz〜400kHzの高周波電流を流すことで、高周波誘導コイル3内に位置する鋼材1の加熱部分2において、表層部が極めて短時間で誘導加熱される。この際の加熱サイクルは、図3に示されるとおりであり、極短時間(例えば0.3秒)で加熱(例えば685℃)されている。該温度への到達度、誘導加熱を直ちに停止し、好適には水溶性冷却剤を用いて急冷する。この際の冷却速度は、例えば100〜300℃/秒とする。   The steel material 1 having a martensite structure is disposed in a high frequency induction coil 3 as shown in FIG. When a high frequency current of 1 kHz to 400 kHz is preferably applied to the high frequency induction coil 3, the surface layer portion is induction-heated in a very short time in the heating portion 2 of the steel material 1 located in the high frequency induction coil 3. The heating cycle at this time is as shown in FIG. 3 and is heated (for example, 685 ° C.) in an extremely short time (for example, 0.3 seconds). Attainment of the temperature and induction heating are immediately stopped, and preferably quenched with a water-soluble coolant. The cooling rate at this time is, for example, 100 to 300 ° C./second.

上記誘導加熱により、鋼材1は、図4および図5(b)に示すように内部1aには、マルテンサイト組織12が生成され、表層部1bは、主としてオーステナイト組織10からなる。この際に、好適には、内部のマルテンサイト組織は体積率で30%超であり、表層部のオーステナイト組織は体積率で70%以上である。   As a result of the induction heating, as shown in FIGS. 4 and 5B, the steel material 1 has a martensite structure 12 formed in the interior 1a, and the surface layer portion 1b mainly comprises an austenite structure 10. At this time, the internal martensite structure is preferably more than 30% by volume, and the austenite structure of the surface layer part is more than 70% by volume.

上記鋼材は、内部のマルテンサイト組織により、オーステナイト鋼よりも明らかに高い強度を示す。また、表層部が主としてオーステナイト組織からなることから、オーステナイト鋼と同等で、かつマルテンサイト鋼よりは明らかに優れた耐水素脆性を示す。
本発明により提供される鋼材は、水素に晒される可能性のある種々の用途に使用が可能であり、例えば水素燃料電池、水素タンク、水素ステーションなどの用途に好適に利用可能である。
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の内容に限定をされるものではなく、当然に本発明の範囲内において適宜の変更が可能である。
The steel material has a significantly higher strength than austenitic steel due to the internal martensite structure. Moreover, since the surface layer portion is mainly composed of an austenitic structure, it is equivalent to austenitic steel and shows hydrogen embrittlement resistance clearly superior to martensitic steel.
The steel material provided by the present invention can be used for various applications that may be exposed to hydrogen, and can be suitably used for applications such as hydrogen fuel cells, hydrogen tanks, and hydrogen stations.
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the said embodiment, this invention is not limited to the content of the said embodiment, Of course, an appropriate change is possible within the scope of the present invention.

表1に示す組成を有し、7mm径、長さ20mmの形状の発明材と比較材とを供試材として用意した。これら供試材に、1100〜1200℃で30〜60分保持する溶体化処理を施し、空冷により冷却した。   Inventive materials having a composition shown in Table 1 and having a diameter of 7 mm and a length of 20 mm and comparative materials were prepared as test materials. These specimens were subjected to a solution treatment that was maintained at 1100 to 1200 ° C. for 30 to 60 minutes, and cooled by air cooling.

上記供試材に対し、さらに、圧下率(0%、20%、40%、60%、80%)を変えて冷間圧延を行った。得られた圧延材について圧下率毎にマルテンサイトの体積率とビッカース硬さとを測定した。なお、マルテンサイトの体積率測定は、飽和磁化測定の方法により行った。これらの測定結果を図6のグラフに示す。図6から明らかなように、準安定オーステナイト組織を有していた発明材は、冷間圧延によってマルテンサイト組織が得られており、圧下率が高いほどマルテンサイト組織の体積率が大きくなり、該体積率に従ってビッカース硬さが高くなっている。一方、安定オーステナイト組織を有する比較材は、冷間圧延に伴うマルテンサイト組織の生成は僅かであり、圧下率80%でもマルテンサイト組織の体積率は20%に達せず(発明材は約90%)、ビッカース硬さの上昇も小さくなっている。なお、比較材におけるビッカース硬さの上昇の大部分はマルテンサイト組織の生成によるものよりも加工硬化によるものと考えられる。
なお、発明材に関しては、図7に溶体化材、圧下率40%、80%のものについて光学顕微鏡による組織写真を示した。該組織写真より、冷間圧延により微細なマルテンサイト組織が生成され、圧下率が高いほど微細マルテンサイト組織が多くなっていることが分かる。
The sample material was further subjected to cold rolling at different rolling reductions (0%, 20%, 40%, 60%, 80%). The volume ratio and the Vickers hardness of martensite were measured for each rolling reduction of the obtained rolled material. The volume ratio of martensite was measured by a saturation magnetization measurement method. These measurement results are shown in the graph of FIG. As is apparent from FIG. 6, the inventive material having a metastable austenite structure has a martensite structure obtained by cold rolling, and the higher the rolling reduction, the larger the volume ratio of the martensite structure, Vickers hardness increases according to the volume ratio. On the other hand, in the comparative material having a stable austenite structure, the formation of martensite structure due to cold rolling is slight, and the volume ratio of the martensite structure does not reach 20% even when the reduction rate is 80% (the invention material is about 90%). ), The increase in Vickers hardness is also small. Note that most of the increase in Vickers hardness in the comparative material is thought to be due to work hardening rather than due to the formation of the martensite structure.
In addition, regarding the inventive material, FIG. 7 shows a structure photograph by an optical microscope of the solution material, the rolling reduction of 40%, and 80%. It can be seen from the structure photograph that a fine martensite structure is generated by cold rolling, and that the fine martensite structure increases as the rolling reduction increases.

また、上記冷間圧延材に関し、20mass%NHSCN水溶液323Kに86.4ks浸漬する水素吸蔵処理を行い、その水素吸蔵量を測定し、測定結果を図8に示した。なお、水素吸蔵量の測定は、水素を吸蔵させた供試材を昇温させて放出される累積水素量を測定することにより行った。図8に明らかなように、マルテンサイト組織の体積率が増大するに連れて水素吸蔵量が増大していることが分かる。したがって、マルテンサイト組織のままで水素環境で使用することは困難である。 Also relates to the aforementioned cold rolled material, subjected to hydrogen occlusion treatment of 86.4ks immersed in 20 mass% NH 4 SCN solution 323 K, to measure the hydrogen storage capacity, showing the measurement results in FIG. The amount of hydrogen occlusion was measured by measuring the cumulative amount of hydrogen released by raising the temperature of the test material occluded with hydrogen. As apparent from FIG. 8, the hydrogen storage amount increases as the volume ratio of the martensite structure increases. Therefore, it is difficult to use it in a hydrogen environment with a martensite structure.

上記冷間圧延材に対し、前記実施形態で説明した高周波誘導加熱装置を用いて、200kHzの高周波電流により表層部を0.3秒間加熱して、該表層部を685℃に昇温させた。その後、直ちに誘導加熱を停止し、水溶性冷却剤(冷却速度100℃/秒)を用いて該供試材を急冷した。上記誘導加熱、急冷は、供試材の長手方向両側にそれぞれ施した。
上記誘導加熱材のうち発明材について、表面近傍(約0.1mm深さ)、素地部(深さ方向中央部)についてX線回折分析を行い、その結果を図9(a)(b)に示した。図9から明らかなように、表面近傍は、一部にマルテンサイト組織が存在するものの、オーステナイト組織が主になっている。一方、素地部は、マルテンサイト組織で構成されている。また、上記表面近傍と素地部について光学顕微鏡による組織観察を行い、その写真を図10に示した。目視においても表層部(オーステナイト組織)と内部(マルテンサイト組織)とで組織が明らかに異なっていることが分かる。
該発明材について、さらに深さ方向における硬さ分布を測定した。その結果を図11に示す。図11に明らかなように、オーステナイト組織が主となっている表層部(深さ約1mm程度まで)の硬さは相対的に低く、マルテンサイト組織で構成されている素地部の硬さは前記表層部の約2倍になっている。
Using the high frequency induction heating apparatus described in the above embodiment, the cold rolled material was heated at a surface layer portion by a high frequency current of 200 kHz for 0.3 seconds, and the surface layer portion was heated to 685 ° C. Thereafter, induction heating was immediately stopped, and the specimen was rapidly cooled using a water-soluble coolant (cooling rate: 100 ° C./second). The induction heating and the rapid cooling were performed on both sides in the longitudinal direction of the test material.
Of the above induction heating materials, the inventive material is subjected to X-ray diffraction analysis in the vicinity of the surface (depth of about 0.1 mm) and the base portion (depth center), and the results are shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b). Indicated. As is clear from FIG. 9, the austenite structure is mainly used in the vicinity of the surface, although a martensite structure exists in part. On the other hand, the substrate portion is composed of a martensite structure. Moreover, the structure observation with the optical microscope was performed about the said surface vicinity and the base part, and the photograph was shown in FIG. Visually, it can be seen that the structure is clearly different between the surface layer portion (austenite structure) and the inside (martensite structure).
For the inventive material, the hardness distribution in the depth direction was further measured. The result is shown in FIG. As is clear from FIG. 11, the hardness of the surface layer portion (up to about 1 mm in depth) mainly composed of the austenite structure is relatively low, and the hardness of the base portion composed of the martensite structure is It is about twice the surface layer.

さらに、発明材について前記した水素吸蔵処理を行った後、水素放出試験を行った。また、比較のため、誘導加熱をすることなく加工ままの発明材についても同様に、水素吸蔵、放出試験を行った。その結果を図12に示す。図12に明らかなように、誘導加熱処理を行った発明材では、水素放出量、すなわち水素吸蔵量が少なく抑えられていることが分かる。これに対し、加工ままの供試材では、水素放出量、すなわち水素吸蔵量が非常に多いことが分かる。これにより誘導加熱により表層部を主としてオーステナイト組織にすることで水素吸蔵が顕著に抑制されることが理解された。   Furthermore, the hydrogen release test was performed after performing the above-described hydrogen storage treatment for the inventive material. For comparison, hydrogen storage and release tests were similarly performed on the inventive material as it was processed without induction heating. The result is shown in FIG. As is apparent from FIG. 12, in the inventive material subjected to the induction heat treatment, the hydrogen release amount, that is, the hydrogen storage amount is suppressed to be small. On the other hand, it can be seen that in the as-processed specimen, the amount of hydrogen released, that is, the amount of hydrogen occlusion is very large. As a result, it was understood that hydrogen occlusion is remarkably suppressed by making the surface layer portion mainly an austenite structure by induction heating.

本発明の一実施形態における工程フロー示す図である。It is a diagram illustrating a process flow in an embodiment of the present invention. 同じく、誘導加熱時の状態を示す概略図である。Similarly, it is the schematic which shows the state at the time of induction heating. 同じく、誘導加熱時の熱サイクルを示す図である。Similarly, it is a figure which shows the thermal cycle at the time of induction heating. 同じく、工程フローに伴うステンレス鋼組織の変化を示す概念図である。Similarly, it is a conceptual diagram which shows the change of the stainless steel structure | tissue accompanying a process flow. 同じく、冷間加工後のステンレス鋼材と誘導加熱後のステンレス鋼材の組織状態を示す概念図である。Similarly, it is a conceptual diagram which shows the structure | tissue state of the stainless steel material after cold processing, and the stainless steel material after induction heating. 実施例における加工後の発明材と比較材について、加工率とマルテンサイト組織体積率およびビッカース硬さの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a processing rate, a martensite structure volume ratio, and Vickers hardness about the invention material after a process in an Example, and a comparative material. 実施例における溶体化ままと加工後の発明材についての組織を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the structure | tissue about the invention material after processing as a solution in an Example. 実施例における加工後の発明材と比較材について、加工率と水素吸蔵量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a processing rate and hydrogen storage amount about the invention material after a process in an Example, and a comparative material. 実施例における誘導加熱後の発明材の表面近傍と素地部のX線回折分析結果を示す図である。It is a figure which shows the surface vicinity of the invention material after the induction heating in an Example, and the X-ray-diffraction analysis result of a base part. 実施例における誘導加熱後の発明材の表面近傍と素地部の組織を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the surface vicinity of the invention material after the induction heating in an Example, and the structure | tissue of a base part. 実施例における誘導加熱後の発明材の深さ方向での硬さ分布を示すグラフである。It is a graph which shows the hardness distribution in the depth direction of the invention material after the induction heating in an Example. 実施例における誘導加熱後と加工ままの発明材の水素吸蔵量を示すグラフである。It is a graph which shows the hydrogen storage amount of the invention material after the induction heating in an Example, and as processed. ステンレス鋼における経時的な水素拡散距離を示すグラフである。It is a graph which shows the hydrogen diffusion distance with time in stainless steel. ステンレス鋼における、雰囲気水素圧力と疲労限の経時変化の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of a temporal change of atmospheric hydrogen pressure and fatigue limit in stainless steel.

符号の説明Explanation of symbols

1 鋼材
1a 内部
1b 表層部
3 高周波誘導コイル
10 オーステナイト組織
11 準安定オーステナイト組織
12 マルテンサイト組織
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Steel material 1a Inside 1b Surface layer part 3 High frequency induction coil 10 Austenitic structure 11 Metastable austenitic structure 12 Martensitic structure

Claims (6)

加工誘起マルテンサイト組織を有する鋼材の表層部を誘導加熱して該表層部の加工誘起マルテンサイト組織をオーステナイト組織に逆変態させることを特徴とする耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法。   A method for producing a high-strength steel material having excellent hydrogen embrittlement resistance, wherein the surface layer portion of a steel material having a work-induced martensite structure is induction-heated to reversely transform the work-induced martensite structure of the surface layer portion into an austenite structure. 準安定オーステナイト組織を有するオーステナイト鋼材に加工を施して前記加工誘起マルテンサイト組織を有する鋼材を得ることを特徴とする請求項記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法。 Method for producing a high-strength steel having excellent hydrogen embrittlement resistance according to claim 1, wherein the obtaining a steel having a strain-induced martensitic structure giving the process the austenite steel having a metastable austenite structure. オーステナイト鋼材に熱処理を施して前記準安定オーステナイト組織を生成することを特徴とする請求項記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法。 The method for producing a high-strength steel material excellent in hydrogen embrittlement resistance according to claim 2, wherein the austenitic steel material is heat treated to produce the metastable austenite structure. 前記誘導加熱は、1kHz〜400kHzの高周波誘導により行うことを特徴とする請求項のいずれかに記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法。 The method for producing a high-strength steel material excellent in hydrogen embrittlement resistance according to any one of claims 1 to 3 , wherein the induction heating is performed by high-frequency induction of 1 kHz to 400 kHz. 前記鋼材が、質量%でCr:12〜25%、Ni:5〜11%を含有することを特徴とする請求項のいずれかに記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法。 The steel material, Cr in mass%: 12~25%, Ni: the production of high strength steel having excellent hydrogen embrittlement resistance according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it contains 5 to 11% Method. 前記誘導加熱後の前記表層部において、前記オーステナイト組織が体積率で70%以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法。The method for producing a high-strength steel material excellent in hydrogen embrittlement resistance according to any one of claims 1 to 5, wherein the austenite structure is 70% or more by volume in the surface layer portion after the induction heating. .
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