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JP7810312B2 - Martensitic steel for high-pressure hydrogen environments - Google Patents
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JP7810312B2 - Martensitic steel for high-pressure hydrogen environments - Google Patents

Martensitic steel for high-pressure hydrogen environments

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JP7810312B2
JP7810312B2 JP2025528500A JP2025528500A JP7810312B2 JP 7810312 B2 JP7810312 B2 JP 7810312B2 JP 2025528500 A JP2025528500 A JP 2025528500A JP 2025528500 A JP2025528500 A JP 2025528500A JP 7810312 B2 JP7810312 B2 JP 7810312B2
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Description

本発明は、高圧水素環境下で使用される、高圧水素環境用マルテンサイト鋼に関する。 The present invention relates to martensitic steel for high-pressure hydrogen environments, which is used in high-pressure hydrogen environments.

従来、高圧水素環境下で使用される部材(例えば、水素製造機器、水素運搬や貯蔵機器、水素利用機器またはインフラ設備や水素を燃料とする内燃機関等の各種の摺動部材)には水素脆化の感受性が低いオーステナイト系ステンレス鋼のSUS316Lが使用されている。しかし液体よりもエネルギー密度の低い気体の水素を効率的に利用するために、水素もさらなる高圧化が進んでおり、引張強度が600MPa程度であるSUS316Lでは材料の強度が不足することが予想される。そのため耐水素脆性を低下させずに高い強度を高めることを目的とした様々な鋼が提案されている。 Conventionally, SUS316L, an austenitic stainless steel with low susceptibility to hydrogen embrittlement, has been used for components used in high-pressure hydrogen environments (e.g., various sliding components in hydrogen production equipment, hydrogen transportation and storage equipment, hydrogen utilization equipment or infrastructure facilities, and hydrogen-fueled internal combustion engines). However, in order to efficiently utilize gaseous hydrogen, which has a lower energy density than liquid hydrogen, hydrogen pressure is also being further increased, and it is expected that SUS316L, with a tensile strength of around 600 MPa, will not have enough strength. For this reason, various steels have been proposed that aim to increase strength without reducing hydrogen embrittlement resistance.

例えば特許文献1では、質量%で、C:0.10%以下、Si:1.0%以下、Mn:3%以上7%未満、Cr:15~30%、Ni:10%以上17%未満、Al:0.10%以下、N:0.10~0.50%、並びにV:0.01~1.0%およびNb:0.01~0.50%のうちの少なくとも1種を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、不純物中のPが0.050%以下、Sが0.050%以下であり、引張強さが800MPa以上、結晶粒度番号(ASTM E 112)が8番以上で、最大径が50~1000nmの合金炭窒化物を断面観察で0.4個/μm以上含有することを特徴とする高圧水素ガス用オーステナイトステンレス鋼が提案されている。この提案は、必要以上に合金を添加することなく水素脆化耐性と高強度を両立した点で優れたものである。 For example, Patent Document 1 proposes an austenitic stainless steel for high-pressure hydrogen gas, which contains, by mass%, C: 0.10% or less, Si: 1.0% or less, Mn: 3% or more but less than 7%, Cr: 15 to 30%, Ni: 10% or more but less than 17%, Al: 0.10% or less, N: 0.10 to 0.50%, and at least one of V: 0.01 to 1.0% and Nb: 0.01 to 0.50%, with the balance being Fe and impurities, wherein the impurities contain 0.050% or less of P and 0.050% or less of S, has a tensile strength of 800 MPa or more, a grain size number (ASTM E 112) of 8 or more, and contains 0.4 or more alloy carbonitrides/μm2 with a maximum diameter of 50 to 1000 nm when observed in cross section. This proposal is excellent in that it achieves both hydrogen embrittlement resistance and high strength without adding more alloy than necessary.

また、特許文献2では、質量%で、C:0.20~0.50%、Si:0.01~0.40%、Mn:0.10~1.0%、P:0.02%以下、S:0.02%以下、Ni:1.0~5.0%、Cr:0.5~2.5%、Mo:0.1~1.5%、V:0.005~0.3%を含有し、さらに、所望によりNb:0.1%以下、Cu:0.5%以下の1種または2種を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有し、且つ下記式で示されるCeq(Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14)が0.75以上となる組成とすることで、高い強度を有するとともに高圧水素環境で優れた水素脆化特性を有する高強度鋼が提案されている。この提案は、オーステナイト組織よりも高い強度が得やすいが水素脆性に対する感受性の高いマルテンサイト組織やベイナイト組織をベースとして高強度と水素脆化耐性を両立した点で優れたものである。 Patent Document 2 also proposes a high-strength steel that has high strength and excellent hydrogen embrittlement resistance in a high-pressure hydrogen environment by containing, by mass%, C: 0.20-0.50%, Si: 0.01-0.40%, Mn: 0.10-1.0%, P: 0.02% or less, S: 0.02% or less, Ni: 1.0-5.0%, Cr: 0.5-2.5%, Mo: 0.1-1.5%, V: 0.005-0.3%, and optionally containing one or both of Nb: 0.1% or less and Cu: 0.5% or less, with the balance consisting of Fe and unavoidable impurities, and by having a composition such that Ceq (Ceq = C + Mn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14) as shown in the following formula is 0.75 or greater. This proposal is excellent in that it combines high strength with hydrogen embrittlement resistance by using martensite or bainite structures, which tend to have higher strength than austenite structures but are highly susceptible to hydrogen embrittlement.

さらに、特許文献3では、質量%で、C:0.20~0.50%、Si:0.05~0.50%、Mn:0.05~1.00%、P:0.025%以下、S:0.0200%以下、Al:0.005~0.050%未満、Cr:0.30~1.50%、Mo:0.15~1.50%、Ti:0.002~0.050%、B:0.0001~0.0050%、N:0.0070%未満、及び、O:0.0050%未満、を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有し、固溶Cを0.010~0.050質量%含有し、引張強度が900~1100MPaであり、降伏比が85%以上である高圧水素容器が提案されている。この提案は、特許文献2と同じマルテンサイト組織あるいはベイナイト組織としながら水素脆性耐性に加え1000MPa以上の高い強度を実現している点で優れたものである。 Furthermore, Patent Document 3 proposes a high-pressure hydrogen container containing, by mass%, C: 0.20 to 0.50%, Si: 0.05 to 0.50%, Mn: 0.05 to 1.00%, P: 0.025% or less, S: 0.0200% or less, Al: 0.005 to less than 0.050%, Cr: 0.30 to 1.50%, Mo: 0.15 to 1.50%, Ti: 0.002 to 0.050%, B: 0.0001 to 0.0050%, N: less than 0.0070%, and O: less than 0.0050%, with the balance consisting of Fe and impurities, containing 0.010 to 0.050 mass% solid solution C, having a tensile strength of 900 to 1100 MPa, and a yield ratio of 85% or more. This proposal is superior in that it has the same martensite or bainite structure as Patent Document 2, while achieving high strength of 1000 MPa or more in addition to hydrogen embrittlement resistance.

国際公開第2012/132992号International Publication No. 2012/132992 特開2014-227573号公報JP 2014-227573 A 特開2019-183218号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-183218

上述したような高圧水素環境下で用いられる部材は、水素環境下においても高い強度(例えば引張強度)の確保が要求される。加えて、水素を燃料とする内燃機関用部品(ベアリング、バルブ)や水素ガス昇圧用コンプレッサーのシール部品といった摺動部材は、他部材との摩擦・摩耗により低寿命になり易く、さらなる高強度化が要求されている。また、水素の貯蔵能力向上や、水素部品の小型化を推進させるために、水素のさらなる高圧化も要求されている。特許文献1は、オーステナイト系ステンレス鋼の優れた耐水素脆性を維持しつつ、強度を高めるのに有効な手法であるものの、摺動部材として使用する際に必要な強度特性を備えているかは検討されておらず、強度不足により部品寿命を低下させる惧れがある。また特許文献2、3はマルテンサイトもしくはベイナイト組織を有する鋼製品の耐水素脆性を高めるのに有効な手法であるが、特許文献1と同じく、水素環境下の摺動部材用途では強度不足となる可能性がある。
そこで本発明の目的は、マルテンサイト組織を有する鋼の耐水素脆化性を改善することで高圧水素環境でも非常に高い引張強度を有する、高圧水素環境用マルテンサイト鋼を提供することである。
Components used in the above-described high-pressure hydrogen environment are required to maintain high strength (e.g., tensile strength) even in the hydrogen environment. In addition, sliding components such as parts for hydrogen-fueled internal combustion engines (bearings, valves) and sealing components for hydrogen gas boosting compressors are prone to shortening their lifespan due to friction and wear with other components, and therefore require further strengthening. Furthermore, to improve hydrogen storage capacity and promote the miniaturization of hydrogen-related components, further increases in hydrogen pressure are also required. Patent Document 1 describes an effective method for increasing the strength of austenitic stainless steels while maintaining their excellent hydrogen embrittlement resistance, but does not examine whether they possess the strength characteristics required for use as sliding components, and there is a risk of shortening the component lifespan due to insufficient strength. Patent Documents 2 and 3 also describe effective methods for improving the hydrogen embrittlement resistance of steel products having martensite or bainite structures, but, like Patent Document 1, they may result in insufficient strength when used as sliding components in a hydrogen environment.
Therefore, an object of the present invention is to provide a martensitic steel for use in a high-pressure hydrogen environment, which has extremely high tensile strength even in a high-pressure hydrogen environment by improving the hydrogen embrittlement resistance of a steel having a martensitic structure.

本発明者は、マルテンサイト鋼の大きな課題である水素脆化しやすい問題について検討し、マルテンサイト鋼の化学組成及び金属組織を適正化することで耐水素脆性を高め、高圧水素環境下においても高い強度を得ることができることを見出し本発明に到達した。 The inventors investigated the major issue of martensitic steel, which is its susceptibility to hydrogen embrittlement, and discovered that by optimizing the chemical composition and metal structure of martensitic steel, it is possible to increase resistance to hydrogen embrittlement and achieve high strength even in high-pressure hydrogen environments, leading to the invention.

すなわち、本発明は、質量%で、C:0.25~0.75%、Si:0.1~1.5%、Mn:0.1~1.5%、P:0.04%以下、S:0.01%以下、Ni:0.5%以下、Cr:9.0~15.0%、(Mo+1/2W)の関係式によるMoおよびWのうちの1種または2種:3.0%以下、Cu:0.5%以下、Nb:0.3%以下、N:0.10%以下、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成からなり、
10MPaG以上の高圧水素中における中空試験片低ひずみ速度引張試験を実施した際、引張強度が1800MPa以上であり、断面組織における炭化物面積率が0.1~10.0%、炭化物平均円相当径が0.10~1.0μmである、高圧水素環境用マルテンサイト鋼である。
That is, the present invention provides a steel sheet having a component composition, in mass%, of C: 0.25 to 0.75%, Si: 0.1 to 1.5%, Mn: 0.1 to 1.5%, P: 0.04% or less, S: 0.01% or less, Ni: 0.5% or less, Cr: 9.0 to 15.0%, one or two of Mo and W according to the relationship formula (Mo + 1/2W): 3.0% or less, Cu: 0.5% or less, Nb: 0.3% or less, N: 0.10% or less, the balance being Fe and unavoidable impurities,
This martensitic steel for use in high-pressure hydrogen environments has a tensile strength of 1800 MPa or more when subjected to a slow strain rate tensile test on a hollow test piece in high-pressure hydrogen of 10 MPaG or more, a carbide area ratio of 0.1 to 10.0% in a cross-sectional structure, and an average carbide circle equivalent diameter of 0.10 to 1.0 μm.

本発明によれば、耐水素脆化性を改善すると共に高圧水素環境でも非常に高い引張強度を有する高圧水素環境用マルテンサイト鋼を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain martensitic steel for high-pressure hydrogen environments that has improved hydrogen embrittlement resistance and extremely high tensile strength even in high-pressure hydrogen environments.

上述したように、本発明の重要な特徴は、10MPaG以上(好ましくは20MPaG)の高圧水素環境下でも非常に高い強度特性を発揮するマルテンサイト鋼を見出したことにある。まず本発明の組成を限定した理由について説明する。As mentioned above, an important feature of the present invention is the discovery of a martensitic steel that exhibits extremely high strength properties even in a high-pressure hydrogen environment of 10 MPaG or more (preferably 20 MPaG). First, we will explain the reasons for limiting the composition of the present invention.

・C:0.25~0.75質量%(以下、単に「%」と表記する。)
Cは、焼入れ焼戻し後のマルテンサイト組織の硬度と強度(引張強度。以下単に「強度」とも記載する。)を高めるのに有効な元素である。しかし、Cが多すぎると、炭化物が粗大化し応力印加時に応力集中が起こることで水素脆化の破壊起点となり引張強度が著しく低下する。一方でCが少ないと基地に固溶して固溶強化作用を発現させるCが少なくなるため、硬さや強度が低下する。よって、Cの含有量は、0.25~0.75%とする。好ましいC含有量は0.30%以上であり、より好ましくは0.50%以上である。Cの好ましい上限は0.70%である。
C: 0.25 to 0.75% by mass (hereinafter simply referred to as “%”)
C is an element effective in increasing the hardness and strength (tensile strength, hereinafter also referred to simply as "strength") of the martensitic structure after quenching and tempering. However, if there is too much C, the carbides become coarse and stress concentration occurs when stress is applied, which becomes the starting point of fracture due to hydrogen embrittlement, significantly reducing tensile strength. On the other hand, if there is too little C, there is less C that dissolves in the matrix and exerts a solid solution strengthening effect, resulting in reduced hardness and strength. Therefore, the C content is set to 0.25 to 0.75%. The preferred C content is 0.30% or more, and more preferably 0.50% or more. The preferred upper limit of C is 0.70%.

・Si:0.1~1.5%
Siは、溶製工程時の脱酸剤等として用いる他、鋼中に固溶し、焼戻しにおける軟化を抑制する効果が期待できる元素である。一方で、Siが多すぎると、焼鈍素材(つまり、焼入れ焼戻し前の(製品硬さに調整する前の)、本発明のマルテンサイト鋼)の硬さが上がり、冷間加工性が低下する。
よって、Siの含有量は、0.1~1.5%とする。Siの効果を確実に得るための下限は0.2%である。またSiの好ましい上限は1.0%であり、より好ましくは0.8%以下である。さらに好ましい上限は0.5%であり、0.45%以下にするのが特に好ましい。
・Si: 0.1-1.5%
Si is an element that is used as a deoxidizer during the melting process, and is also expected to have the effect of suppressing softening during tempering by dissolving in steel. On the other hand, if the Si content is too high, the hardness of the annealed material (i.e., the martensitic steel of the present invention before quenching and tempering (before adjusting to the product hardness)) increases, and the cold workability decreases.
Therefore, the Si content is set to 0.1 to 1.5%. The lower limit for ensuring the effect of Si is 0.2%. The upper limit of Si is preferably 1.0%, more preferably 0.8% or less. The even more preferable upper limit is 0.5%, and it is particularly preferable to set it to 0.45% or less.

・Mn:0.1~1.5%
Mnは、溶製工程時の脱酸剤等として使用され、不可避的に含まれ得る元素である。その上、強度向上を目的として固相窒素吸収処理を実施した場合は、組織への窒素の固溶を促進する効果を有する元素である。しかし、Mnが多すぎると、オーステナイト組織が安定化され、マルテンサイト組織が得られ難くなることから、高い硬さと強度が得られにくくなる。よって、Mnの含有量は、0.1~1.5%とする。Mnの効果を確実に得るための下限は0.3%であり、より好ましくは0.4%以上である。またMnの好ましい上限は1.0%であり、より好ましくは0.9%以下である。
・Mn: 0.1-1.5%
Mn is used as a deoxidizer during the melting process, and is therefore an element that may be unavoidably included. Furthermore, when solid-phase nitrogen absorption treatment is performed to improve strength, Mn has the effect of promoting the solid solution of nitrogen into the structure. However, if there is too much Mn, the austenite structure is stabilized, making it difficult to obtain a martensite structure, and therefore high hardness and strength are difficult to obtain. Therefore, the Mn content is set to 0.1 to 1.5%. To ensure the effects of Mn, the lower limit is 0.3%, and more preferably 0.4% or more. Furthermore, the preferred upper limit of Mn is 1.0%, and more preferably 0.9% or less.

・P:0.04%以下
Pは、製品の靭性を悪化させる不純物元素であるため、0.04%以下に制限する。好ましくは0.03%以下である。
P: 0.04% or less P is an impurity element that deteriorates the toughness of the product, so it is limited to 0.04% or less, preferably 0.03% or less.

・S:0.01%以下
Sは、Mn共存下ではMnSを形成し、製品の被削性を向上する元素である。しかし、多すぎると熱間加工性が悪化するため、本発明ではSの含有量を0.01%以下に制限する。好ましくは0.005%以下、より好ましくは0.003%以下に制限すると良い。
S: 0.01% or less S is an element that forms MnS in the presence of Mn, improving the machinability of the product. However, if the content is too high, hot workability deteriorates, so in the present invention, the S content is limited to 0.01% or less. It is preferably limited to 0.005% or less, and more preferably to 0.003% or less.

・Ni:0.5%以下
Niは、ギ酸や硫酸や塩酸のような非酸化性の酸に対する耐食性を向上させるのに有効な元素である。しかし、Niが多すぎると、焼入れ焼戻し後のマルテンサイト鋼製品で、オーステナイト組織が安定化されて、マルテンサイト組織が得られ難く、高い硬さと強度が得られにくくなる。よって、Niは、必要に応じて0.5%以下を含有することができる。好ましくは0.3%以下、より好ましくは0.2%以下である。前述のNi添加による効果を期待するのであれば、その下限を0.05%とすれば良い。なお、本発明においては、Ni含有量は他の添加元素との関係で0.5%以下の範囲で適宜決めればよく、例えば、高硬度や高強度を優先する場合、Niは無添加(0%)であっても差し支えない。
Ni: 0.5% or less. Ni is an effective element for improving corrosion resistance against non-oxidizing acids such as formic acid, sulfuric acid, and hydrochloric acid. However, if the Ni content is too high, the austenite structure in a martensitic steel product after quenching and tempering is stabilized, making it difficult to obtain a martensite structure and high hardness and strength. Therefore, Ni can be contained in an amount of 0.5% or less as needed. It is preferably 0.3% or less, and more preferably 0.2% or less. If the aforementioned effects of Ni addition are to be expected, the lower limit can be set to 0.05%. In the present invention, the Ni content can be appropriately determined within a range of 0.5% or less in relation to other added elements. For example, if high hardness and high strength are prioritized, no Ni (0%) may be added.

・Cr:9.0~15.0%
Crは、マルテンサイト鋼の表面に非晶質の不動態皮膜を形成して、製品に耐食性を付与する元素である。また固相窒素吸収処理を実施する場合は、マルテンサイト鋼に固溶できる窒素量を増加させる効果もある。但し、Crが多すぎると、フェライト組織が安定化されて、マルテンサイト組織が得られ難く、高い硬さと強度が得られにくくなる。
よって、Crの含有量は、9.0~15.0%とする。Crの効果を確実に得るための好ましい下限は10.0%であり、より好ましくは10.5%以上である。またCrの好ましい上限は14.0%であり、より好ましくは13.5%以下である。
・Cr:9.0~15.0%
Cr is an element that forms an amorphous passive film on the surface of martensitic steel, imparting corrosion resistance to the product. Furthermore, when solid-phase nitrogen absorption treatment is performed, it also has the effect of increasing the amount of nitrogen that can be dissolved in martensitic steel. However, if there is too much Cr, the ferrite structure is stabilized, making it difficult to obtain a martensitic structure, and it becomes difficult to obtain high hardness and strength.
Therefore, the Cr content is set to 9.0 to 15.0%. In order to reliably obtain the effects of Cr, the lower limit is preferably 10.0%, more preferably 10.5% or more. The upper limit of Cr is preferably 14.0%, more preferably 13.5% or less.

・(Mo+1/2W)の関係式によるMo及びWのうちの1種または2種:3.0%以下
MoとWは、類似元素であり、(Mo+1/2W)の関係式で同等に扱うことができる。MoとWは、固溶状態でマルテンサイト鋼の不動態化被膜を安定化する効果があり、製品表面の耐食性を高めることにも寄与する元素である。また、MoとWには、Crによる不動態皮膜が疵ついた時に、その疵ついた場所のCr量を高めて、不動態皮膜の修復力を強める働きがある。これらの元素は、焼入れ時のNの吸収量を高める効果があるため、例えば窒素雰囲気で焼入れ処理を施すことでマルテンサイト鋼の表面に窒素による硬化層を形成し強度を高めることが出来る。但し、MoとWが多すぎると、上述のCrと同様、フェライト組織が安定化されて、マルテンサイト組織が得られ難くなる。よって、MoとWの含有量は、(Mo+1/2W)の関係式で、3.0%以下とする。好ましくは2.0%以下であり、より好ましくは1.5%以下であり、より好ましくは1.0%以下である。なお、上述した不動態化被膜を安定化させる効果が他の添加元素によって補えるのであれば、MoとWについては無添加(0%)であっても差し支えないが、Mo或いは/更にWの添加による効果を期待するのであれば、その下限を0.3%以上とすれば良い。また、MoとWの何れか一方を選択するのであればMoとすれば良い。
One or both of Mo and W according to the formula (Mo + 1/2W): 3.0% or less. Mo and W are similar elements and can be treated equally according to the formula (Mo + 1/2W). Mo and W have the effect of stabilizing the passivation film of martensitic steel in a solid solution state, contributing to improving the corrosion resistance of the product surface. Furthermore, when the Cr-based passivation film is scratched, Mo and W increase the amount of Cr at the scratched location, strengthening the repair ability of the passivation film. These elements increase the amount of N absorbed during quenching, so for example, quenching in a nitrogen atmosphere can form a nitrogen-based hardened layer on the surface of martensitic steel, increasing its strength. However, if the amount of Mo and W is too high, the ferrite structure will be stabilized, making it difficult to obtain a martensitic structure, as with Cr. Therefore, the content of Mo and W is set to 3.0% or less, based on the relationship (Mo + 1/2W). It is preferably 2.0% or less, more preferably 1.5% or less, and even more preferably 1.0% or less. If the effect of stabilizing the passivation film described above can be compensated for by other additive elements, it is acceptable to add no Mo or W (0%). However, if the effect of adding Mo and/or W is expected, the lower limit should be set to 0.3% or more. Furthermore, if one of Mo and W must be selected, Mo should be used.

・Cu:0.5%以下
Cuは、ギ酸や硫酸や塩酸のような非酸化性の酸に対する耐食性を向上させるのに有効な元素である。しかし、Cuが多すぎると、焼入れ焼戻し後のマルテンサイト鋼製品で、オーステナイト組織が安定化されて、マルテンサイト組織が得られ難く、高い硬さと強度が得られにくくなる。よってCuは、必要に応じて0.5%以下を含有することができる。Cuの好ましい上限は0.3%であり、より好ましくは0.2%以下である。前述のCu添加による効果を期待するのであれば、その下限を0.05%とすれば良い。なお、本発明においては、Cu含有量は他の添加元素との関係で0.5%以下の範囲で適宜決めればよく、例えば、高硬度や高強度を優先する場合、Cuは無添加(0%)であっても差し支えない。
Cu: 0.5% or less. Cu is an effective element for improving corrosion resistance against non-oxidizing acids such as formic acid, sulfuric acid, and hydrochloric acid. However, if the Cu content is too high, the austenite structure in the martensitic steel product after quenching and tempering is stabilized, making it difficult to obtain a martensite structure and high hardness and strength. Therefore, Cu can be contained in an amount of 0.5% or less as needed. The preferred upper limit of Cu is 0.3%, and more preferably 0.2% or less. If the aforementioned effects of Cu addition are to be expected, the lower limit can be set to 0.05%. In the present invention, the Cu content can be appropriately determined within a range of 0.5% or less in relation to other additive elements. For example, if high hardness and high strength are prioritized, no Cu (0%) may be added.

・Nb:0.3%以下
Nbは、旧オーステナイト粒界の成長を抑制し、マルテンサイト組織を微細にする効果を有する。結晶粒の微細化は強度、延性の向上に寄与し、水素脆化の感受性を低下させる効果がある。但し、Nbが多すぎると、CやNがNb化合物を生成して、CとNの固溶度が減少し、硬度と強度の向上効果を低下させる。よって、Nbは、必要に応じて0.3%以下(無添加を含む)を含有することができる。好ましくは0.2%以下である。前述のNb添加による効果を期待するのであれば、その下限を0.05%とすれば良い。
Nb: 0.3% or less Nb has the effect of suppressing the growth of prior austenite grain boundaries and refining the martensite structure. Refining the crystal grains contributes to improving strength and ductility and has the effect of reducing susceptibility to hydrogen embrittlement. However, if there is too much Nb, C and N form Nb compounds, which reduces the solid solubility of C and N and reduces the effect of improving hardness and strength. Therefore, Nb can be contained in an amount of 0.3% or less (including no addition) as necessary. Preferably, it is 0.2% or less. If the effect of adding Nb described above is expected, the lower limit should be set to 0.05%.

・N:0.10%以下
Nは、焼入れ焼戻し後のマルテンサイト鋼製品で、マルテンサイト組織中に固溶あるいは化合物として析出し、強度、延性、さらには耐水素脆性向上させる元素である。上述したNの効果発現の理由については定かではないが、Nを添加すると焼戻しで生成する炭化物が炭窒化物となり、これが微細に分散することで強度と延性の両立が可能となり、さらには微細分散した炭窒化物が水素をトラップすることで水素の局在化を抑制し耐水素脆性を向上できると考えられる。またNは、焼入れ焼戻し前のマルテンサイト鋼で、ミクロ組織に有害なデルタフェライトが析出するのを抑制できる元素である。しかし、Nが多すぎると、鋳造時に気泡が発生し、製造性を著しく悪化させるだけでなく、凝固後には粗大な窒化物が晶出する要因ともなり得る。さらに、焼入れ前の素材を製品形状に仕上げるときに、冷間加工時に加工硬化しやすくなり、中間焼鈍を繰り返しながら加工する必要があり、さらに被削性も劣化する。よって、Nは、必要に応じて0.10%以下を含有することができる。好ましくは0.08%以下、より好ましくは0.06%以下である。前述のN添加による効果を期待するのであれば、その下限を0.01%とすれば良い。
以上、説明した各元素の他は、Feと不可避的不純物である。
N: 0.10% or less. N is an element that dissolves in the martensite structure or precipitates as a compound in quenched and tempered martensitic steel products, improving strength, ductility, and hydrogen embrittlement resistance. While the reason for the above-mentioned effects of N is unclear, adding N converts carbides produced during tempering into carbonitrides, which are finely dispersed, enabling both strength and ductility to be achieved. Furthermore, the finely dispersed carbonitrides are thought to trap hydrogen, suppressing hydrogen localization and improving hydrogen embrittlement resistance. Furthermore, N is an element that can suppress the precipitation of delta ferrite, which is harmful to the microstructure, in martensitic steel before quenching and tempering. However, excessive N content not only generates bubbles during casting, significantly degrading manufacturability, but also may cause the crystallization of coarse nitrides after solidification. Furthermore, when finishing the unquenched material into a product shape, it is prone to work hardening during cold working, necessitating repeated intermediate annealing, and further degrading machinability. Therefore, N can be contained in an amount of 0.10% or less as necessary, preferably 0.08% or less, and more preferably 0.06% or less. If the above-mentioned effect of adding N is expected, the lower limit may be set to 0.01%.
In addition to the elements described above, the elements include Fe and unavoidable impurities.

・炭化物面積率:0.1~10.0%
続いてミクロ組織について説明する。本発明のマルテンサイト鋼は、主に基地であるマルテンサイトと、主にC、Crを含む炭化物を有する。炭化物はマルテンサイト鋼の耐摩耗性を向上させるために必要であるが、一方で炭化物面積率が大きい場合、マルテンサイトに固溶するCr量が相対的に低下し、耐食性の低下や炭化物を起点とする水素脆性破壊を招く可能性がある。そのため、本発明のマルテンサイト鋼の断面組織における炭化物面積率は10.0%以下とする。より好ましい炭化物面積率の上限は9.5%であり、さらに好ましい炭化物面積率の上限は9.3%である。また、炭化物面積率が小さい場合、耐摩耗性が極端に低下するため、0.1%以上とする。より好ましい炭化物面積率の下限は0.15%である。
・Carbide area ratio: 0.1 to 10.0%
Next, the microstructure will be described. The martensitic steel of the present invention has martensite as its base and carbides containing mainly C and Cr. Carbides are necessary to improve the wear resistance of martensitic steel, but if the carbide area ratio is large, the amount of Cr dissolved in martensite decreases relatively, which may lead to a decrease in corrosion resistance and hydrogen embrittlement fracture originating from the carbides. Therefore, the carbide area ratio in the cross-sectional structure of the martensitic steel of the present invention is set to 10.0% or less. A more preferable upper limit of the carbide area ratio is 9.5%, and an even more preferable upper limit is 9.3%. Furthermore, since a small carbide area ratio significantly reduces wear resistance, the carbide area ratio is set to 0.1% or more. A more preferable lower limit of the carbide area ratio is 0.15%.

・炭化物平均円相当径:0.10~1.0μm
本発明では、上述した炭化物面積率の規定と同時に、炭化物平均円相当径も適切な範囲に制御する。即ち、粗大な炭化物は応力印加時の応力集中を助長し、水素脆化により著しい強度の低下を招く可能性があるため、断面組織における炭化物の平均円相当径(面積円相当径)の上限は1.0μmとする。好ましい平均円相当径の上限は0.8μmであり、より好ましい平均円相当径の上限は0.6μmであり、さらに好ましい平均円相当径の上限は0.5μmである。また好ましい平均円相当径の下限は0.13μmであり、好ましくは0.15μmであり、更に好ましくは0.18μmである。
なお、本実施形態における炭化物面積率および平均円相当径は、マルテンサイト鋼の加工方向(圧延加工の延伸方向)に対して垂直な断面組織において、走査型電子顕微鏡(倍率5000倍)で撮影した視野面積が500μm以上の視野における炭化物を観察し、それを画像解析することで算出することができる。なお画像解析で対象とする炭化物は、円相当径が0.1μm以上のものに限定し、それ未満のものは対象としていない。また、炭化物の同定は走査型電子顕微鏡に付属するEPMA(電子線マイクロアナライザ)による元素マッピングで確認することができる。
なお本発明のマルテンサイト鋼は、一例として、上述した成分組成を有する熱間加工材(例えば熱間圧延材)に1回以上の冷間加工(例えば冷間圧延)と焼鈍を行い、さらに得られた冷間加工材に焼入れ、サブゼロ処理(任意)、および焼戻しを行うことで得ることができる。そして、上述した本発明の炭化物面積率および炭化物平均径は、本発明の炭化物面積率または炭化物平均径となるように加熱条件・冷却条件を調整して、焼鈍、焼入れ、サブゼロ処理(任意)、および焼戻しを行えばよい。
・Average diameter of carbide particles equivalent to a circle: 0.10 to 1.0 μm
In the present invention, in addition to the above-mentioned carbide area ratio, the average equivalent circle diameter of the carbides is also controlled within an appropriate range. That is, since coarse carbides promote stress concentration when stress is applied and may lead to a significant decrease in strength due to hydrogen embrittlement, the upper limit of the average equivalent circle diameter (area equivalent circle diameter) of carbides in the cross-sectional structure is set to 1.0 μm. A preferred upper limit of the average equivalent circle diameter is 0.8 μm, a more preferred upper limit of the average equivalent circle diameter is 0.6 μm, and an even more preferred upper limit of the average equivalent circle diameter is 0.5 μm. Furthermore, a preferred lower limit of the average equivalent circle diameter is 0.13 μm, preferably 0.15 μm, and even more preferably 0.18 μm.
In this embodiment, the carbide area ratio and average equivalent circle diameter can be calculated by observing carbides in a field of view with an area of 500 μm2 or more taken with a scanning electron microscope (magnification 5000x) in a cross-sectional structure perpendicular to the processing direction (stretching direction of rolling) of the martensitic steel, and analyzing the image. Note that the carbides targeted in the image analysis are limited to those with an equivalent circle diameter of 0.1 μm or more, and those with a diameter less than this are not targeted. In addition, the identification of carbides can be confirmed by elemental mapping using an EPMA (electron probe microanalyzer) attached to the scanning electron microscope.
The martensitic steel of the present invention can be obtained, for example, by subjecting a hot-worked material (e.g., a hot-rolled material) having the above-described chemical composition to one or more cold working processes (e.g., cold rolling) and annealing, and then quenching the resulting cold-worked material, subjecting it to subzero treatment (optional), and tempering. The carbide area ratio and average carbide diameter of the present invention can be obtained by adjusting the heating and cooling conditions, and then performing annealing, quenching, subzero treatment (optional), and tempering.

・中空試験片低ひずみ速度引張試験
次に本発明で規定した試験方法とその特性について記載する。本発明では、高圧水素環境下の引張試験として中空試験片を用いた低ひずみ速度引張試験(中空試験片高圧水素中低ひずみ速度引張試験)を用いる。本発明とは別の高圧水素環境試験の方法としては、高圧が印加できるチャンバー内に中実引張試験片を用いて所定の水素圧力を印加した状態で引張試験を行う方法と、引張試験片を中空化してその中に水素ガスを高圧化して印加し引張試験を行う方法がある。両手法とも高圧水素環境下における水素脆化挙動を評価できる点は同じであるため本発明では高圧水素環境試験の中でより簡便な手法である中空試験片高圧中空試験により特性を評価する。また、水素脆化は引張試験時のひずみ速度に依存性があり、ひずみ速度が小さいほど水素感受性が高まることから、本発明では水素耐性の有無を明確にするため、低ひずみ速度で引張試験を実施する。
Hollow Specimen Slow Strain Rate Tensile Testing Next, the test method and its characteristics specified in the present invention will be described. In the present invention, a slow strain rate tensile test using a hollow specimen (hollow specimen slow strain rate tensile test in high-pressure hydrogen) is used as a tensile test in a high-pressure hydrogen environment. Other high-pressure hydrogen environment testing methods different from those of the present invention include a method in which a solid tensile specimen is used in a chamber capable of applying high pressure and a predetermined hydrogen pressure is applied, and a method in which a hollow tensile specimen is hollowed and high-pressure hydrogen gas is applied thereto. Both methods are capable of evaluating hydrogen embrittlement behavior in a high-pressure hydrogen environment. Therefore, in the present invention, the characteristics are evaluated using a hollow specimen high-pressure hollow test, which is the simpler method of high-pressure hydrogen environment testing. Furthermore, hydrogen embrittlement is dependent on the strain rate during tensile testing, with hydrogen susceptibility increasing as the strain rate decreases. Therefore, in the present invention, tensile testing is performed at a slow strain rate to clarify the presence or absence of hydrogen resistance.

本発明のマルテンサイト鋼は、上述したように、10MPaG以上(好ましくは20MPaG)の高圧水素中における中空試験片低ひずみ速度引張試験で得られる引張強度が1800MPa以上である。一般的に金属材料は、強度が高まるほど水素感受性が高まるため、1000MPaを超える材料は水素脆性しやすく水素環境中での強度が大きく低下する。水素環境で使用される摺動部材では高い耐摩耗性や疲労強度が重要視され、これらの特性と相関のある高強度を評価の指標とした。本発明では非常に優れた摺動特性を実現するために引張強度を1800MPa以上と規定する。また一般的に環境中の水素圧力が高いほど水素感受性が高まり、引張強度は低下する。本発明のマルテンサイト鋼は10MPaG以上(好ましくは20MPaG)の高圧水素環境下でも1800MPaという非常に高い引張強度を有するため、水素製造機器、水素運搬や貯蔵機器、水素利用機器のさらなる能力向上や、インフラ設備や水素を燃料とする内燃機関等の各種摺動部品のさらなる小型化への貢献が期待できる。
なお、後述する実施例で示すが、本発明のマルテンサイト鋼は10MPaGの高圧水素中における中空試験片低ひずみ速度引張試験を実施した際、引張強度が2000MPa以上の高い引張強度を得ることができる。また、20MPaGの高圧水素中における中空試験片低ひずみ速度引張試験を実施した際、引張強度が1800MPaを超える高い引張強度を得ることができる。
As described above, the martensitic steel of the present invention has a tensile strength of 1800 MPa or more obtained in a slow strain rate tensile test of a hollow specimen in high-pressure hydrogen of 10 MPaG or more (preferably 20 MPaG). Generally, the higher the strength of a metallic material, the higher its hydrogen sensitivity becomes. Therefore, materials with a strength exceeding 1000 MPa are prone to hydrogen embrittlement and exhibit a significant decrease in strength in a hydrogen environment. For sliding components used in a hydrogen environment, high wear resistance and fatigue strength are important, and high strength, which correlates with these properties, is used as an evaluation index. In the present invention, the tensile strength is specified as 1800 MPa or more to achieve extremely excellent sliding properties. Furthermore, generally, the higher the hydrogen pressure in the environment, the higher the hydrogen sensitivity and the lower the tensile strength. The martensitic steel of the present invention has an extremely high tensile strength of 1800 MPa even in a high-pressure hydrogen environment of 10 MPaG or more (preferably 20 MPaG), and is therefore expected to contribute to further improving the performance of hydrogen production equipment, hydrogen transportation and storage equipment, and hydrogen utilization equipment, as well as to further miniaturizing various sliding parts such as infrastructure equipment and hydrogen-fueled internal combustion engines.
As will be shown in the examples below, the martensitic steel of the present invention can achieve a high tensile strength of 2000 MPa or more when subjected to a slow strain rate tensile test on a hollow test piece in high-pressure hydrogen at 10 MPaG.Furthermore, when subjected to a slow strain rate tensile test on a hollow test piece in high-pressure hydrogen at 20 MPaG, it can achieve a high tensile strength of more than 1800 MPa.

本発明では、高圧水素環境下の疲労試験として中空試験片を用いた疲労試験を実施してもよい。この疲労試験は、疲労試験片を中空化してその中に水素ガスを高圧化して印加する手法を用い、上述した引張試験と同様、高圧水素環境試験の中でより簡便な手法である中空試験片高圧中空試験により疲労特性を評価することが可能である。そして疲労試験を実施した際、本発明では、10MPaG以上(好ましくは20MPaG)の高圧水素中において、応力比-1で荷重制御した引張-圧縮の疲労試験(サイクル数:1×10回)を行った際の疲労強度の値が少なくとも450MPaであることが好ましく、500MPaであれば更に良い。なお引張試験および疲労試験時の水素の圧力上限は特に限定しないが、内燃機関の燃焼圧力を考慮して、例えば25MPaGに設定することができる。 In the present invention, a fatigue test using a hollow test specimen may be performed as a fatigue test in a high-pressure hydrogen environment. This fatigue test involves hollowing out a fatigue test specimen and applying high-pressure hydrogen gas therein. Similar to the tensile test described above, this hollow test specimen high-pressure hollow test is a simpler method of high-pressure hydrogen environment testing, making it possible to evaluate fatigue properties. When fatigue testing is performed, in the present invention, a fatigue strength value is preferably at least 450 MPa, and even better, 500 MPa, when a tension-compression fatigue test (number of cycles: 1 × 10 7 ) is performed in high-pressure hydrogen of 10 MPaG or more (preferably 20 MPaG) with a load control at a stress ratio of −1. The upper limit of the hydrogen pressure during the tensile test and fatigue test is not particularly limited, but can be set to, for example, 25 MPaG, taking into account the combustion pressure of the internal combustion engine.

なお本発明のマルテンサイト鋼は、さらに高強度特性を高めたい場合、固相窒素吸収処理を実施することもできる。この固相窒素吸収処理は、本発明の合金組成を有するマルテンサイト鋼に焼入れ焼戻し処理を実施する際、焼入れ時の雰囲気を窒素雰囲気とすることで実施することができる。この時の焼入れ温度は1000~1100℃とすることで、十分に窒素を固溶させることが出来るため好ましい。なお、焼入れ工程の後、焼戻し工程を実施する前に、-50℃以下のサブゼロ処理を実施することもできる。一方でより耐水素脆性効果を高めたい時は、固相窒素吸収処理を省略することも可能である。 If further enhancement of high strength properties is desired, the martensitic steel of the present invention can also be subjected to solid-phase nitrogen absorption treatment. This solid-phase nitrogen absorption treatment can be carried out by using a nitrogen atmosphere during quenching when quenching and tempering martensitic steel having the alloy composition of the present invention. A quenching temperature of 1000 to 1100°C is preferred, as this allows sufficient nitrogen to be dissolved in solid solution. After the quenching process, sub-zero treatment at -50°C or below can also be carried out before the tempering process. On the other hand, if further enhancement of hydrogen embrittlement resistance is desired, the solid-phase nitrogen absorption treatment can be omitted.

高周波誘導溶解炉で溶解した10kgの溶湯を鋳造して、表1に示す複数の成分組成を有するNo.1~No.13のマルテンサイト鋼鋳塊を作製した。次に、これらの鋳塊に1080~1150℃の保持温度にて60分保持する熱処理を実施した。この保持温度を鍛造開始温度とし、これに続く鍛造比(鍛造前の断面積/鍛造後の断面積)が10程度の熱間鍛造を行って冷却した後、780~860℃の保持温度で4時間以上保持する焼鈍を行い、厚さ約15~20mmのマルテンサイト鋼素材を得た。なお、表1中のNo.1~7及びNo.12のマルテンサイト鋼は、本発明で規定する組成の範囲を満たすものである。10 kg of molten metal was melted in a high-frequency induction melting furnace and cast to produce martensitic steel ingots No. 1 to No. 13 with the multiple component compositions shown in Table 1. These ingots were then heat-treated by holding them at a holding temperature of 1080 to 1150°C for 60 minutes. This holding temperature was used as the forging start temperature, followed by hot forging with a forging ratio (cross-sectional area before forging/cross-sectional area after forging) of approximately 10. After cooling, the ingots were annealed by holding them at a holding temperature of 780 to 860°C for at least 4 hours, yielding martensitic steel materials with thicknesses of approximately 15 to 20 mm. Note that martensitic steels No. 1 to 7 and No. 12 in Table 1 satisfy the composition ranges specified in this invention.

本発明のNo.1~No.13の素材は表2に示す焼入れ処理、深冷処理(サブゼロ処理)および焼戻し処理を実施した。これらの素材を平行部径4mm、平行部長20mm、全長70~90mm、内部貫通孔径1mmの中空引張試験片に加工した。また炭化物面積率および炭化物平均円相当径も測定した。炭化物面積率および炭化物平均円相当径は、焼入れ処理、深冷処理および焼戻し処理後のマルテンサイト鋼の加工方向(圧延加工の延伸方向)に対して垂直な断面組織において、走査型電子顕微鏡(倍率5000倍)で撮影した視野面積が500μm以上の視野における炭化物を観察し、それを画像解析して算出した。なお画像解析で対象とする炭化物は、円相当径が0.1μm以上のものに限定し、それ未満のものは対象としていない。得られた炭化物面積率および炭化物平均円相当径を表2に示す。なお、表2中のNo.1~7のマルテンサイト鋼は、本発明で規定する炭化物形態を満たす結果となった。 The materials Nos. 1 to 13 of the present invention were subjected to the quenching, deep-freezing (subzero treatment), and tempering treatments shown in Table 2. These materials were processed into hollow tensile test specimens with a parallel section diameter of 4 mm, a parallel section length of 20 mm, a total length of 70 to 90 mm, and an internal through-hole diameter of 1 mm. The carbide area ratio and the average carbide equivalent circle diameter were also measured. The carbide area ratio and the average carbide equivalent circle diameter were calculated by observing carbides in a field of view with an area of 500 μm2 or more in a cross-sectional structure perpendicular to the processing direction (stretching direction of rolling) of the martensitic steel after quenching, deep-freezing, and tempering treatments, photographed with a scanning electron microscope (magnification 5000x), and analyzing the image. Note that the carbides targeted in the image analysis were limited to those with an equivalent circle diameter of 0.1 μm or more; those with a diameter less than this were not considered. The resulting carbide area ratios and average carbide equivalent circle diameters are shown in Table 2. Note that the No. 2 specimens in Table 2 were analyzed. The martensitic steels Nos. 1 to 7 satisfied the carbide morphology specified in the present invention.

そして得られた中空引張試験片に対し、常温または200℃下にて内部貫通孔に圧力が10または20MPaGとなるように水素を導入し、ひずみ速度5.0×10-5/sで引張試験を行った。試験条件および試験結果を表3に示す。 Hydrogen was then introduced into the obtained hollow tensile test specimens at room temperature or 200°C to a pressure of 10 or 20 MPaG in the internal through holes, and tensile tests were carried out at a strain rate of 5.0 x 10 -5 /s. The test conditions and test results are shown in Table 3.

表2および表3より本発明のNo.1~No.7は、炭化物の面積率が0.2~9.3%であった。また、炭化物の平均円相当径は0.15μm以上0.60μm以下であった。そして常温から200℃、10~20MPaGの高温高圧水素環境下において1800MPa以上の非常に高い引張強度を示した。特に本発明例であるNo.1~5は、水素雰囲気の圧力が10MPaGの際、引張強度が2000MPa以上得られ、2100MPa以上と非常に良好な値を示した。なかでも、No.1~3、5においては、2200MPa以上が得られた。No.1においては、20MPaGの高温高圧水素環境下において1820MPa以上の非常に高い引張強度を示した。
一方で比較例のNo.8は、C量が少ないため、引張強度が低い結果となった。また、比較例のNo.9~No.12は炭化物の面積率が10.8~18.7%であり、比較例のNo.13は炭化物の平均円相当径が1.16μmであるため、応力集中部において水素脆化が起こり弾性域における脆性的な破壊となり、結果的に引張強度は低い結果となった。
As shown in Tables 2 and 3, Nos. 1 to 7 of the present invention had an area ratio of carbides of 0.2 to 9.3%. The average equivalent circle diameter of the carbides was 0.15 μm or more and 0.60 μm or less. They exhibited extremely high tensile strengths of 1800 MPa or more at room temperature to 200°C and in a high-temperature, high-pressure hydrogen environment of 10 to 20 MPaG. In particular, Nos. 1 to 5, which are examples of the present invention, achieved tensile strengths of 2000 MPa or more when the hydrogen atmosphere pressure was 10 MPaG, and even showed very good values of 2100 MPa or more. Among these, Nos. 1 to 3 and 5 achieved tensile strengths of 2200 MPa or more. No. 1 exhibited an extremely high tensile strength of 1820 MPa or more in a high-temperature, high-pressure hydrogen environment of 20 MPaG.
On the other hand, Comparative Example No. 8 had low tensile strength due to the low amount of C. Furthermore, Comparative Examples No. 9 to No. 12 had carbide area ratios of 10.8 to 18.7%, and Comparative Example No. 13 had an average equivalent circle diameter of 1.16 μm, so hydrogen embrittlement occurred in the stress concentration area, resulting in brittle fracture in the elastic range and, as a result, low tensile strength.

続いて、本発明例の疲労強度を確認した。本発明例1および本発明例6のマルテンサイト鋼素材に表2に示す焼入れ処理、深冷処理および焼戻し処理を実施した後、平行部径7mm、平行部長20mm、全長95mm、内部貫通孔径1mmの中空疲労試験片に加工した。この中空疲労試験片に対し、常温にて内部貫通孔に圧力が10MPaとなるように水素を導入し、応力比-1で荷重制御した引張-圧縮の疲労試験(サイクル数:1×10回)を行った。試験温度は室温として、波形は正弦波、周波数は20HZとした。ここで荷重は500MPaとなるように制御して試験を実施した。結果、No.1とNo.6のいずれも1×10サイクルにおける疲労強度が少なくとも500MPaと良好な疲労特性も示した。
以上の結果より本発明のマルテンサイト鋼は、耐水素脆性の向上により、高圧水素環境下においても高い強度を示すことが確認された。
Next, the fatigue strength of the inventive examples was confirmed. The martensitic steel materials of Inventive Examples 1 and 6 were subjected to the quenching, deep-freezing, and tempering treatments shown in Table 2, and then machined into hollow fatigue test specimens with a parallel portion diameter of 7 mm, a parallel portion length of 20 mm, a total length of 95 mm, and an internal through-hole diameter of 1 mm. These hollow fatigue test specimens were subjected to a tension-compression fatigue test (number of cycles: 1 × 10 7 ) at room temperature, with hydrogen introduced into the internal through-hole at a pressure of 10 MPa, and with a load controlled at a stress ratio of -1. The test temperature was room temperature, the waveform was a sine wave, and the frequency was 20 Hz. The test was conducted with the load controlled to 500 MPa. As a result, both No. 1 and No. 6 exhibited good fatigue properties, with fatigue strengths of at least 500 MPa at 1 × 10 7 cycles.
From the above results, it was confirmed that the martensitic steel of the present invention exhibits high strength even in a high-pressure hydrogen environment due to its improved resistance to hydrogen embrittlement.

Claims (3)

質量%で、C:0.25~0.75%、Si:0.1~1.5%、Mn:0.1~1.5%、P:0.04%以下、S:0.01%以下、Ni:0.5%以下、Cr:9.0~15.0%、(Mo+1/2W)の関係式によるMoおよびWのうちの1種または2種:3.0%以下、Cu:0.5%以下、Nb:0.3%以下、N:0.10%以下、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成からなり、
平行部径4mm、平行部長20mm、全長70~90mm、内部貫通孔径1mmの中空引張試験片に対して、常温下にて内部貫通孔に圧力が10MPaとなるように水素を導入し、ひずみ速度5.0×10 -5 /sとなるように中空試験片高圧水素中低ひずみ速度引張試験を実施した際、引張強度が1800MPa以上であり、
断面組織における炭化物面積率が0.1~10.0%、炭化物平均円相当径が0.10~1.0μmである、高圧水素環境用マルテンサイト鋼。
The composition is, in mass%, C: 0.25 to 0.75%, Si: 0.1 to 1.5%, Mn: 0.1 to 1.5%, P: 0.04% or less, S: 0.01% or less, Ni: 0.5% or less, Cr: 9.0 to 15.0%, one or two of Mo and W according to the relationship formula (Mo+½W): 3.0% or less, Cu: 0.5% or less, Nb: 0.3% or less, N: 0.10% or less, the balance being Fe and unavoidable impurities;
A hollow tensile test piece having a parallel portion diameter of 4 mm, a parallel portion length of 20 mm, a total length of 70 to 90 mm, and an internal through-hole diameter of 1 mm was subjected to a high-pressure hydrogen low strain rate tensile test at room temperature, where hydrogen was introduced into the internal through-hole at a pressure of 10 MPa and the strain rate was 5.0 × 10 -5 /s. The tensile strength was 1800 MPa or more.
A martensitic steel for use in a high-pressure hydrogen environment, having a carbide area ratio of 0.1 to 10.0% in a cross-sectional structure and an average carbide equivalent circle diameter of 0.10 to 1.0 μm.
前記高圧水素環境用マルテンサイト鋼は、10MPaGの高圧水素中における中空試験片低ひずみ速度引張試験を実施した際、引張強度が2000MPa以上である、請求項1に記載の高圧水素環境用マルテンサイト鋼。 The martensitic steel for high-pressure hydrogen environments according to claim 1, wherein the martensitic steel has a tensile strength of 2000 MPa or more when subjected to a hollow specimen slow strain rate tensile test in high-pressure hydrogen at 10 MPaG. 前記高圧水素環境用マルテンサイト鋼は、20MPaGの高圧水素中における中空試験片低ひずみ速度引張試験を実施した際、引張強度が1800MPa以上である、請求項1に記載の高圧水素環境用マルテンサイト鋼。
2. The martensitic steel for use in a high-pressure hydrogen environment according to claim 1, wherein the martensitic steel for use in a high-pressure hydrogen environment has a tensile strength of 1800 MPa or more when subjected to a hollow test piece slow strain rate tensile test in high-pressure hydrogen at 20 MPaG.
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JP2021143388A (en) 2020-03-12 2021-09-24 日鉄ステンレス株式会社 Martensitic stainless steel of high strength/high corrosion resistance excellent in durability and manufacturing method thereof
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