(57)【要約】【課題】耐水素脆化特性に優れた低合金鋼を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．０１０％以下、Ｓｉ：０．０５〜１．００％およびＡｌ：０．００５〜０．１００％の両方またはいずれか一方、Ｂ：０．０１０〜１．０００％、Ｐ：０．０１０〜１．０００％、Ｓ：０．０１００％以下、Ｏ：０．００５％以下、Ｎ：０．０１０％以下、必要に応じて、所定量のＭｎ等の元素を含み、残部がＦｅおよび不純物であり、Ｐ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、ＳｂおよびＴｅの合計含有量が０．０５０〜１．０００％であり、前記低合金鋼中に固溶状態で存在するＰ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、ＳｂおよびＴｅの合計含有量が、質量％で、０．０５０〜１．０００であり、かつ、前記低合金鋼の粒界に偏析したＰ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、ＳｂおよびＴｅの合計量が、原子％で、２．０％以下である、耐水素脆化特性に優れる低合金鋼。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０１０％以下、
Ｓｉ：０．０５〜１．００％およびＡｌ：０．００５〜０．１００％の両方またはいずれか一方、
Ｂ：０．０１０〜１．０００％、
Ｐ：０．０１０〜１．０００％、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｏ：０．００５％以下、
Ｎ：０．０１０％以下、
Ｍｎ：０〜１．００％、
Ｃｒ：０〜５．００％、
Ｍｏ：０〜５．００％、
Ｖ：０〜５．００％、
Ｗ：０〜５．００％、
Ｎｂ：０〜０．１００％、
Ｔｉ：０〜０．１０％、
Ｚｒ：０〜０．２０％、
Ｈｆ：０〜０．２０％、
Ｔａ：０〜０．２００％、
Ｃｕ：０〜３．００％、
Ｎｉ：０〜５．００％、
Ｃｏ：０〜３．００％、
Ｃａ：０〜０．０１００％、
Ｍｇ：０〜０．０１００％、
ＲＥＭ：０〜０．５０％、
Ｇｅ：０〜１．０００％、
Ａｓ：０〜１．０００％、
Ｓｅ：０〜０．１００％、
Ｓｂ：０〜１．０００％、
Ｔｅ：０〜０．１００％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
Ｐ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、ＳｂおよびＴｅの合計含有量が０．０５０〜１．０００％である
化学組成を有し、
前記低合金鋼中に固溶状態で存在するＰ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、ＳｂおよびＴｅの合計含有量が、質量％で、０．０５０〜１．０００であり、かつ、前記低合金鋼の粒界に偏析したＰ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、ＳｂおよびＴｅの合計量が、原子％で、２．０％以下である、
耐水素脆化特性に優れる低合金鋼。
【請求項２】
質量％で、
Ｍｎ：０．１０〜１．００％、
Ｃｒ：０．０１〜５．００％、
Ｍｏ：０．０１〜５．００％、
Ｖ：０．０１〜５．００％、
Ｗ：０．０１〜５．００％、
Ｎｂ：０．００１〜０．１００％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１０％、
Ｚｒ：０．００１〜０．２０％、
Ｈｆ：０．００１〜０．２０％、
Ｔａ：０．００１〜０．２００％、
Ｃｕ：０．１０〜３．００％、
Ｎｉ：０．１０〜５．００％、
Ｃｏ：０．１０〜３．００％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０１００％および
ＲＥＭ：０．０００１〜０．５０％から選択される一種以上を含有する、
請求項１に記載の低合金鋼。
【請求項３】
析出物、介在物および金属間化合物の合計量が０．５００質量％以下である、
請求項１または請求項２に記載の低合金鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低合金鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄鋼板、厚鋼板、鋼管、棒線などの種々の分野で、高強度化ならびに使用環境の過酷化に伴い、水素脆化が問題となっている。水素脆化が問題となる用途としては、例えば、自動車用の高強度薄鋼板、建材用の厚鋼板、油井管やラインパイプ等の過酷環境で使われる鋼管、高強度の棒線・棒鋼・ボルトなどが挙げられる。
【０００３】
ｂｃｃ構造を有する炭素鋼や低合金鋼の耐水素脆化特性を改善する組織上の対策としては、例えばマルテンサイト系の材料では、焼戻し温度を高めることによる粒界炭化物の球状化や、水素トラップ効果を有する微細な合金炭化物の活用が知られている（非特許文献１および非特許文献２）。
【０００４】
上記の対策は、焼戻し時に生じる炭化物の作用に着目し、これを制御するものである。一方、Ｆｅ以外の合金元素を添加した場合には、その一部がｂｃｃ構造の母相中に固溶し、この固溶元素を活用すれば、熱処理に依存しなくても普遍的な耐水素脆化特性が得られることが期待される。
【０００５】
ただし、Ｆｅ以外の固溶合金元素は一般には水素拡散係数を低下させ、使用環境中における吸蔵水素濃度を増加させ、水素脆化に対して悪影響を及ぼすと考えられている（非特許文献３および非特許文献４）。
【０００６】
特許文献１には、固溶窒素量が０．００４〜０．０３質量％に制限した冷間加工用鋼材に関する発明が開示されている。この冷間加工用鋼材によれば、冷間加工のみで高強度が得られるため、熱処理を省略することができる、としている。
【０００７】
特許文献２には、所定の化学組成を有する鋼スラブを、熱間圧延および冷間圧延をした後に、金属間化合物をインヒビターとして用い、二次再結晶の進行を制御する、仕上焼鈍を行う電磁鋼板の製造方法が開示されている。
【０００８】
特許文献３には、所定の化学組成を有し、固溶Ｍｏを０．４０％以上含有し、焼戻りマルテンサイト相を主相とする油井用継目無鋼管に関する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１６−０５６４１８号公報
【特許文献２】特開２００７−０３１７９３号公報
【特許文献３】特開２０１５−０３８２４７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】櫛田隆弘、松本斉、倉富直行、津村輝隆、中里福和、工藤赳夫、鉄と鋼Ｖｏｌ.８２、Ｎｏ．４（１９９６）２９７−３０２頁
【非特許文献２】山▲崎▼真吾、高橋稔彦、鉄と鋼Ｖｏｌ.８３、Ｎｏ．７（１９９７）４５４−４５９頁
【非特許文献３】羽木秀樹、日本金属学会誌  第５５巻  第１２号（１９９１）１２８３−１２９０頁
【非特許文献４】櫛田隆弘、工藤赳夫、まてりあ  第３３巻  第７号（１９９４）９３２−９３９頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明者らは、純鉄系の材料を用いて、各種の合金元素を完全に固溶させた合金を用いて鋭意検討を行った結果、主として、Ｐ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、ＳｂおよびＴｅ（以下、「Ｐ等の改善元素」ともいう。）は、固溶状態でも水素拡散係数を低下させず、かつ耐水素脆化特性の改善効果を有することを見出した。上記改善効果の作用機構については、詳細は不明であるが、鉄中にＰ等の改善元素が固溶している場合、鉄中を拡散して近づいて来た水素原子を反発し、拡散を促進することで水素原子が脆化起点（応力集中部や介在物などの界面）に集積するのを防止し、水素脆化を抑制すると推定される。
【００１２】
特許文献１の発明は、固溶状態で存在するＰ等の改善元素の含有量（以下、「固溶量」ともいう。）を確保することによる耐水素脆化特性について全く考慮されていない。また、調質のための熱処理、いわゆる焼入れ／焼戻し熱処理を省略することを前提としているが、熱処理を省略したこのような非調質鋼の場合、製造工程中の徐冷過程でＰ等の改善元素が析出するため、この技術では、Ｐ等の改善元素の固溶量を確保することはできない。
【００１３】
特許文献２の発明は、二次結晶を起こすために８００℃以上の温度域で２０秒以上保持することとされている。しかし、このような温度域で保持する熱処理を行うと、粒界に偏析するＰ等の改善元素の含有量（以下、「粒界偏析量」ともいう。）が増えて、耐水素脆化特性を劣化するおそれがある。
【００１４】
特許文献３の発明は、Ｃを０．１５〜０．５０％含むため、焼鈍時に未固溶の粗大炭化物（主として鉄炭化物）が残存し、耐水素脆化特性が劣化する。
【００１５】
本発明は、Ｃを０．０１０％以下に制限した鋼において、Ｐ等の改善元素を固溶状態で存在させることにより耐水素脆化特性の改善させた低合金鋼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、上記の目的を達成するべく、水素脆化を抑制するのに有効なＰ等の改善元素の固溶量を増やす方法について鋭意研究を行った結果、下記の知見を得た。
【００１７】
（ａ）Ｐ等の改善元素の固溶量を増やすためには、Ｐ等の改善元素の粒界偏析量を減らす必要がある。また、析出物、介在物および金属間化合物（以下、「析出物等」ともいう。）の中に存在するＰ等の改善元素の含有量（以下、「析出量」ともいう。）が多いと、Ｐ等の改善元素の固溶量が低下する。よって、Ｐ等の改善元素の固溶量を増やすためには、Ｐ等の改善元素の析出量を減らす必要がある。
【００１８】
（ｂ）鋼に所定量のＢを含有させると、ＢがＰ等の改善元素より先に粒界に存在し、Ｐ等の改善元素の粒界偏析量を減らすことが可能となる。
【００１９】
（ｃ）熱間鍛造後にソーキングを行うことは、Ｐ等の改善元素の粒界偏析量を減らすのに有効であり、しかも、Ｐ等の改善元素の析出量を減らすのにも有効である。
【００２０】
（ｄ）最終熱処理温度が高すぎると、Ｐ等の改善元素の粒界偏析量が過剰となる。よって、最終熱処理温度は、フェライトの単相組織が得られる温度の範囲内で、極力低減することが重要である。
【００２１】
（ｅ）最終熱処理後の冷却工程は、析出物等の生成を防止し、ひいてはＰ等の改善元素の析出量を減らすためには、できる限り速い冷却速度で行うことが重要である。
【００２２】
本発明者らは、以上により、Ｐ等の改善元素の固溶量を増やして、水素脆化を抑制することに成功して、本発明を完成させた。
【００２３】
本発明は、下記の低合金鋼を要旨とする。
〔１〕質量％で、
Ｃ：０．０１０％以下、
Ｓｉ：０．０５〜１．００％およびＡｌ：０．００５〜０．１００％の両方またはいずれか一方、
Ｂ：０．０１０〜１．０００％、
Ｐ：０．０５１０〜１．０００％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｏ：０．００５％以下、
Ｎ：０．０１０％以下、
Ｍｎ：０〜１．００％、
Ｃｒ：０〜５．００％、
Ｍｏ：０〜５．００％、
Ｖ：０〜５．００％、
Ｗ：０〜５．００％、
Ｎｂ：０〜０．１００％、
Ｔｉ：０〜０．１０％、
Ｚｒ：０〜０．２０％、
Ｈｆ：０〜０．２０％、
Ｔａ：０〜０．２００％、
Ｃｕ：０〜３．００％、
Ｎｉ：０〜５．００％、
Ｃｏ：０〜３．００％、
Ｃａ：０〜０．０１００％、
Ｍｇ：０〜０．０１００％、
ＲＥＭ：０〜０．５０％、
Ｇｅ：０〜１．０００％、
Ａｓ：０〜１．０００％、
Ｓｅ：０〜０．１００％、
Ｓｂ：０〜１．０００％、
Ｔｅ：０〜０．１００％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
Ｐ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、ＳｂおよびＴｅの合計含有量が０．０５０〜１．０００％である化学組成を有し、
前記低合金鋼中に固溶状態で存在するＰ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、ＳｂおよびＴｅの合計含有量が、質量％で、０．０５０〜１．０００であり、かつ、前記低合金鋼の粒界に偏析したＰ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、ＳｂおよびＴｅの合計量粒界に偏析したＰ量が、原子％で、２．０％以下である、
耐水素脆化特性に優れる低合金鋼。
【００２４】
〔２〕質量％で、
Ｍｎ：０．１０〜１．００％、
Ｃｒ：０．０１〜５．００％、
Ｍｏ：０．０１〜５．００％、
Ｖ：０．０１〜５．００％、
Ｗ：０．０１〜５．００％、
Ｎｂ：０．００１〜０．１００％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１０％、
Ｚｒ：０．００１〜０．２０％、
Ｈｆ：０．００１〜０．２０％、
Ｔａ：０．００１〜０．２００％、
Ｃｕ：０．１０〜３．００％、
Ｎｉ：０．１０〜５．００％、
Ｃｏ：０．１０〜３．００％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０１００％および
ＲＥＭ：０．０００１〜０．５０％から選択される一種以上を含有する、
上記〔１〕の低合金鋼。
【００２５】
〔３〕析出物、介在物および金属間化合物の合計量が０．５００質量％以下である、
上記〔１〕または〔２〕の低合金鋼。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、耐水素脆化特性に優れた低合金鋼が得られる。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
１．化学組成
本発明に係る低合金鋼は、下記の化学組成を有する。各元素の含有量の範囲および限定理由を説明する。各元素の含有量の％は、「質量％」を意味する。
【００２８】
Ｃ：０．０１０％以下
Ｃ（炭素）は、固溶強化により鋼の強度を高めるのに有効であるが、０．０１０％を超えて含有させると、母相のフェライト地に固溶しきれなくなり、焼鈍時に粗大な炭化物を形成し、耐水素脆化特性を低下させる。この観点から、Ｃ含有量は０．０１０％以下とする。Ｃ含有量は、低ければ低いほど望ましい。ただし、Ｃ含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｃ含有量の好ましい下限は０．０００３％であり、より好ましくは０．０００５％である。
【００２９】
Ｓｉ：０．０５〜１．００％および
Ａｌ：０．００５〜０．１００％の両方またはいずれか一方
Ｓｉ（珪素）およびＡｌ（アルミニウム）は、鋼の脱酸に有効な元素であり、両方またはいずれか一方を含有させる。脱酸効果を得るためには、Ｓｉは０．０５％以上、Ａｌは０．００５％以上含有させる。一方、いずれの元素も過剰に含有させてもその効果が飽和するので、Ｓｉ含有量の上限は１．００％、Ａｌ含有量の上限は０．１００％とする。上記の効果を得るためには、Ｓｉ含有量の下限は０．１０％とするのが好ましく、Ａｌ含有量の下限は０．０１０％とするのが好ましく、０．０１５％とするのがより好ましい。
【００３０】
Ｂ：０．０１０〜１．０００％
Ｂ（硼素）は、Ｃと同様に鋼の強度を高めるのに有効である。更に、Ｐ等の改善元素の粒界偏析を抑制し、粒界偏析したＰ等の改善元素による脆化を抑制する効果がある。これらの効果を得るためには、Ｂは０．０１０％以上含有させる。ただし、１．０００％を超えて含有させてもこれらの効果は飽和するだけでなく、再結晶温度を高め、高温焼鈍が必要となるため、製造コストの上昇を招き、更には加工性を劣化させる。このため、Ｂ含有量の上限を１．０００％とする。Ｂの望ましい上限は０．６００％であり、より望ましい上限は０．３００％である。
【００３１】
Ｐ：０．０５０〜１．０００％以下
Ｐ（燐）は、通常、鋼中に不純物として存在する元素である。また、Ｐは、粒界に偏析し、耐水素脆化特性を低下させる元素であるため、Ｐ含有量はできるだけ少ない方が望ましいとされているが、本発明においては重要な元素である。Ｐの粒界偏析量および析出量を低減して、母相のフェライト地に固溶状態で存在するＰの含有量を増加させることで、耐水素脆化特性を向上させる。そのためには、Ｐ含有量を０．０５０％以上とする。一方、Ｐ含有量が過剰な場合には、粒界脆化を引き起こすため、Ｐ含有量を１．０００％以下とする。
【００３２】
Ｇｅ：０〜１．０００％
Ａｓ：０〜１．０００％
Ｓｅ：０〜０．１００％
Ｓｂ：０〜１．０００％
Ｔｅ：０〜０．１００％
Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、ＳｂおよびＴｅは、Ｐと同様に、粒界に偏析し、耐水素脆化特性を低下させる元素である。よって、これらの元素の含有量はできるだけ少ない方が望ましいとされている。しかし、これらの元素の粒界偏析量および析出量を低減して、母相のフェライト地に固溶状態で存在するこれらの元素の含有量を増加させることにより、耐水素脆化特性を向上させることが可能となる。よって、これらの元素の一種以上を含有させてもよい。しかし、これらの元素を過剰に含有させると、粒界偏析量を増加させ、粒界脆化を引き起こすおそれがある。よって、これらの元素を含有させる場合、Ｇｅは１．０００％以下、Ａｓは１．０００％以下、Ｓｅは０．１００％以下、Ｓｂは１．０００％以下、Ｔｅは０．１００％以下とする。上記の効果を得るためには、いずれの元素も、その含有量を０．０５％以上とするのが好ましい。なお、Ｐ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、ＳｂおよびＴｅから選択される２種以上を含有する場合には、合計含有量を０．０５０〜１．０００％とする。
【００３３】
Ｐ等の改善元素については、鋼に含有される総量だけではなく、Ｐ等の改善元素の固溶量も管理する必要がある。すなわち、Ｐ等の改善元素の固溶量が０．０５０％未満では、耐水素脆化特性が殆ど改善しない。一方、Ｐ等の改善元素の固溶量は、多いほど耐水素脆化特性は向上するが、過剰な場合には粒界脆化を引き起こすため、１．０００％以下とする。Ｐ等の改善元素の固溶量の上限は、０．５００％とするのが好ましく、０．２００％とするのがより好ましい。
【００３４】
Ｐ等の改善元素については、Ｐ等の改善元素の粒界偏析量が増加すると、相対的にＰ等の改善元素の固溶量が低減するという問題があるとともに、Ｐ等の改善元素の粒界偏析量が過剰な場合には粒界脆化を引き起こすという問題もある。よって、Ｐ等の改善元素の粒界偏析量は、原子％で、２．０％以下とする。好ましい上限は、１．０％であり、より好ましい上限は０．５％である。Ｐ等の改善元素の粒界偏析量は少なければ少ないほど好ましく、０％であってもよいが、実用上、０．００１原子％が実質的な下限である。
【００３５】
Ｐ等の改善元素の粒界偏析量は、３次元アトムプローブ（３ＤＡＰ）によって測定することができる。３ＤＡＰは、電界イオン顕微鏡（ＦＩＭ）に、位置敏感型の質量分析器を取り付けたものである。このような構成により、原子を同定すると共にその存在位置を特定できる。
【００３６】
３ＤＡＰによる測定では、まず、鋼板の粒界を含む部位を試料として採取し、集束イオンビーム法（ＦＩＢ）によって、針試料（１０μｍ×１０μｍ×１００μｍ）に加工する。３ＤＡＰにより、針試料に電圧を印加し、その際に放出されるＰ等のイオンを座標検出機で分析し、粒界幅１ｎｍとして粒界でのＰ等の改善元素の濃度（原子％）を算出する。このＰ等の改善元素の濃度を５つ以上の粒界において算出し、これらの平均値をＰ等の改善元素の粒界偏析量とする。３ＤＡＰによる測定の条件は、電圧をＤＣのパルス（パルス比２０％以上）とし、試料温度を７０Ｋ以下とする。
【００３７】
Ｓ：０．０１００％以下
Ｓ（硫黄）は、鋼中に不純物として存在する元素である。Ｓは粒界に偏析し，耐水素脆化特性を低下させる元素であるため、その含有量は０．０１００％以下とする必要がある。Ｓ含有量はできるだけ少ない方が望ましい。ただし、Ｓ含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｓ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、より好ましくは０．０００３％である。
【００３８】
Ｏ：０．００５％以下
Ｏ（酸素）は，鋼中に不純物として存在する元素である。その含有量が０．００５％を超えると、粗大な酸化物を形成し、靭性等の機械的特性を低下させる。従って、Ｏは０．００５％以下とする。Ｏ含有量はできるだけ低い方が望ましい。その上限は望ましくは０．００４％、さらに望ましくは０．００３％である。ただし、Ｏ含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｏ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、より好ましくは０．０００３％である。
【００３９】
Ｎ：０．０１０％以下
Ｎ（窒素）は、鋼中に不純物として存在する元素である。その含有量が０．０１０％を超えると、粗大な窒化物を形成し、靭性等の機械的特性を低下させる。従って、Ｎは０．０１０％以下とする。Ｎ含有量はできるだけ低い方が望ましい。その上限は望ましくは０．００８％、さらに望ましくは０．００６％である。ただし、Ｎ含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｎ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、より好ましくは０．０００３％である。
【００４０】
Ｍｎ：０〜１．００％
Ｍｎ（マンガン）は、固溶強化の効果を有するので、含有させてもよい。ただし、過剰に含有させても効果が飽和するので、含有させる場合の上限を１．００％とする。上記の効果を得るためには、０．１０％以上含有させるのが好ましい。
【００４１】
Ｃｒ：０〜５．００％
Ｍｏ：０〜５．００％
Ｖ：０〜５．００％
Ｗ：０〜５．００％
Ｎｂ：０〜０．１０％
Ｔｉ：０〜０．１０％
Ｚｒ：０〜０．２０％
Ｈｆ：０〜０．２０％
Ｔａ：０〜０．２０％
Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｖ（バナジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）およびＴａ（タンタル）（以下、これらの９つの元素をまとめて「第１群元素」ともいう。）は、フェライト生成元素であり、かつ固溶強化能を有する。また、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａは、炭窒化物の生成能が強く、焼鈍時に微細な炭窒化物を形成し、固溶Ｃや固溶Ｎを低減する効果を有する。このため、これらの元素の一種以上を含有させてもよい。ただし、それぞれの元素の含有量が過剰な場合には効果が飽和するので、これらの元素を含有させる場合には、Ｃｒは５．００％以下、Ｍｏは５．００％以下、Ｖは５．００％以下、Ｗは５．００％以下、Ｎｂは０．１０％以下、Ｔｉは０．１０％以下、Ｚｒは０．２０％以下、Ｈｆは０．２０％以下、Ｔａは０．２０％以下とする。また、上記の効果を得るためには、Ｃｒは０．０１％以上、Ｍｏは０．０１％以上、Ｖは０．０１％以上、Ｗは０．０１％以上、Ｎｂは０．００１％以上、Ｔｉは０．００１％以上、Ｚｒは０．００１％以上、Ｈｆは０．００１％以上、Ｔａは０．００１％以上含有させるのが好ましい。
【００４２】
Ｃｕ：０〜３．００％
Ｎｉ：０〜５．００％
Ｃｏ：０〜３．００％
Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）およびＣｏ（コバルト）は、いずれも鋼の固溶強化に有効である。このため、これらの元素から選択される一種以上を含有させてもよい。ただし、過剰に含有させてもその効果は飽和するので、ＣｕおよびＣｏはその上限を３．００％とし、Ｎｉはその上限を５．００％とする。また、上記の効果を得るためには、いずれの元素も０．１０％以上含有させるのが好ましい。
【００４３】
Ｃａ：０〜０．０１００％
Ｍｇ：０〜０．０１００％
ＲＥＭ：０〜０．５０％
Ｃａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）およびＲＥＭ（希土類元素）は、鋼中のＳと結合して硫化物を形成し、介在物の形状を改善して靭性等の機械的特性を改善するので、含有させてもよい。過剰に含有させてもこの効果は飽和するため、ＣａおよびＭｇの上限は、０．０１００％、ＲＥＭの上限は０．５０％とする。上記の効果を得るためには、いずれの元素も０．０００１％以上含有させるのが好ましい。
【００４４】
なお、ＲＥＭとは、Ｓｃ、Ｙ、およびランタノイドの合計１７元素を指し、ＲＥＭ含有量とは、ＲＥＭが１種の場合はその含有量、２種以上の場合はそれらの合計含有量を指す。また、ＲＥＭは一般的には複数種のＲＥＭの合金であるミッシュメタルとしても供給されている。このため、個別の元素を１種または２種以上添加してＲＥＭ含有量が上記の範囲となるように含有させてもよいし、例えば、ミッシュメタルの形で添加して、ＲＥＭ含有量が上記の範囲となるように含有させてもよい。
【００４５】
本発明の化学組成は、上記の各元素をそれぞれ規定される範囲で含有し、残部は、Ｆｅおよび不純物である。不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入する成分を意味する。
【００４６】
２．金属組織
本発明鋼は、体積率で９９％以上がフェライトである、フェライト単相組織を対象とする。フェライト以外の組織については、特に制約がないが、水素脆化の起点および進展経路として働くので、その量はできるだけ少ないことが好ましい。このため、析出物、介在物および金属間化合物の合計量は０．５００質量％以下とするのが好ましい。
【００４７】
３．製造方法
本発明鋼は、通常の方法で溶製（溶解および鋳造）し、熱間鍛造し、必要に応じてさらに熱間圧延することにより製造することができる。ただし、Ｐ等の改善元素の固溶量を増やし、粒界偏析量および析出量を減らすためには、熱間鍛造後の熱履歴が重要である。すなわち、本発明鋼は、熱間鍛造後に、下記の条件を満足するソーキング熱処理および最終熱処理を行う必要がある。
【００４８】
ソーキング処理：１２００〜１３００℃×１〜１６８時間
Ｐ等の改善元素の粒界偏析量を低減し、金属間化合物の生成を抑えるためには、熱間鍛造後に１２００℃以上で１時間以上保持のソーキング熱処理を行う。ソーキング処理温度が高すぎると、処理コストを増加させるので、ソーキング処理温度の上限は１３００℃とする。また、ソーキングの時間が長すぎると、処理コストを増加させるので、ソーキング処理時間の上限は、１６８時間とする。ここで、ソーキング温度とは、熱間鍛造後の鋼材を加熱して、保持する際に用いる炉の温度に相当する。
【００４９】
最終熱処理：６５０〜７５０℃×５分以上の均熱保持＋均熱温度〜４００℃を１０℃／ｓ以上の冷却速度で冷却
最終熱処理の均熱温度は、フェライトの単相組織を得るために、６５０℃以上とする。しかし、均熱温度が高すぎると、Ｐ等の改善元素の粒界偏析量が過剰となるので、上限は７５０℃以下とする。保持時間が短すぎると、上記の効果が得られないので、５分以上とする。保持時間が長すぎると、処理コストを増加させるので、１８０分以下とするのがよい。
【００５０】
均熱保持後の冷却速度が遅すぎると、析出物等の生成を抑えることができないため、均熱温度〜４００℃における冷却速度は１０℃／ｓ以上とする。好ましくは、１５℃以上、より好ましくは２０℃以上である。
【００５１】
冷却方法として、例えば、均熱温度から鋼材を連続的に強制冷却し、鋼材の表面温度を連続的に低下させる。このような連続冷却処理としては、例えば、水槽に鋼材を浸漬して冷却する方法、シャワー水冷、ミスト冷却、強制風冷により鋼材を加速冷却する方法などがある。また、均熱保持後の冷却速度は、鋼材の断面内で最も遅く冷却される部位において測定する。例えば、鋼材が鋼板であり、両表面から強制冷却する場合は、鋼板の板厚中央部にシース型の熱電対を装入し、測温することで、均熱保持後の冷却速度を測定できる。
【００５２】
本発明の効果を検証した実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００５３】
表１に示す化学組成を有する低合金鋼をそれぞれ５０ｋｇ真空溶製した。得られた鋳片から、熱間鍛造、ソーキング、熱間圧延を経て、厚さ３０ｍｍの板材を得た後、最終熱処理を行い、試験材（焼鈍材）を得た。
【００５４】
【表１】
2019173160.tif 000002
【００５５】
＜析出物等の合計含有量の測定等＞
Ｐ等の改善元素の固溶量、析出物等の合計含有量は、下記の手順により求めた。
試験材（焼鈍材）の中心部から、直径が１〜１０ｍｍで長さが５０ｍｍの寸法の抽出分析用丸棒試験片を採取した。この試験片を陽極電解してマトリックスを溶解させ、析出物等を抽出し、抽出された残渣を用いてＩＣＰ（高周波誘導結合プラズマ）発光分析を行い、残渣中のＰ等の含有量を測定する。陽極電解は、１質量％の酒石酸を含む電解液を用いて定電流電解により行った。この含有量を、陽極電解によるマトリックス溶解前後での試験片の質量差（つまり、試験片の溶解量）で除して、マトリックス中に析出したＰ等の含有量（析出Ｐ等の量）（質量％）を算出した。鋼材のＰ等の含有量から、析出Ｐ等の量を差し引いて、Ｐ等の改善元素の固溶量を計算した。また、マトリックスを溶解させ得られた残渣の合計量を、陽極電解によるマトリックス溶解前後での試験片の質量差（試験片の溶解量）で除して、析出物等の含有量（質量％）を求めた。
【００５６】
＜Ｐ等の改善元素の粒界偏析量の測定＞
試験材（焼鈍材）の板厚中心部から、粒界を含む部位を試料として採取し、針試料（１０μｍ×１０μｍ×１００μｍ）に加工し、上述の３ＤＡＰによって、５つの粒界においてＰ等の改善元素の濃度を求め、これらの平均値をＰ等の改善元素の粒界偏析量とした。このとき、電圧をＤＣパルス（パルス比２０％）とし、試料温度を７０Ｋとした。
【００５７】
＜耐水素脆化特性の測定＞
試験材（焼鈍材）の板厚中心部から、平行部の幅２ｍｍ×厚さ２ｍｍ、もしくは幅２ｍｍ×厚さ１ｍｍの板状引張試験片を採取し、水溶液中での陰極チャージ下での低ひずみ速度引張試験により、耐水素脆化特性を評価した。溶液には常温の３％ＮａＣｌ＋３ｇ／Ｌチオシアン酸アンモニウム水溶液を用いて、飽和カロメル電極に対して−１．２（Ｖ）で陰極水素チャージを行いつつ引張試験を行った。ひずみ速度は３×１０−４（ｓ−１）とした。陰極チャージ下の破断伸びを測定し、これを大気中で測定した破断伸びで除して、相対破断伸び（％）を算出した。相対破断伸びが大きい材料ほど、耐水素脆化特性に優れる。本実施形態においては、相対破断伸びが５５％以上の試験材を耐水素脆化特性に優れると判断した。
【００５８】
＜機械的特性の測定＞
試験材（焼鈍材）から試験部の厚さが１〜２ｍｍ、試験部の幅が６ｍｍの板状引張試験片を採取し、JIS Z 2241:2011に従って引張試験を行い、ＴＳ（引張強さ）を求めた。
【００５９】
表２に、ソーキングおよび最終熱処理の条件と、上記の試験結果を示す。
【００６０】
【表２】
2019173160.tif 000003
【００６１】
表２に示すように、本発明例１〜２５は相対破断伸びが５５％以上であり、優れた耐水素脆化特性を有していた。一方、比較例２６は、鋼材中のＰの総量および固溶量が低く、耐水素脆化特性に劣っていた。比較例２７〜２９は、鋼材中のＰの総量は本発明で規定される範囲を満たしていたが、析出物等が多く生成したために、Ｐの固溶量が低くなり、耐水素脆化特性に劣っていた。比較例３０は、Ｃ含有量が０．０１％を超えており、焼鈍時に未固溶の粗大炭化物（主として鉄炭化物）が残存しており、耐水素脆化特性に劣っていた。比較例３１は、鋼材中のＰの総量および固溶量が１．０００％を超えており、且つ、Ｐの粒界偏析量が２．０原子％以上であるため、耐水素脆化特性に劣っていた。比較例３２は、Ｂ量が本発明で規定される範囲を下回っており、Ｐの粒界偏析量が２．０原子％超であり、耐水素脆化特性に劣っていた。比較例３３、３４は最終熱処理の均熱温度が高いため、Ｐの粒界偏析量が２．０原子％超であり、耐水素脆化特性に劣っていた。
【実施例２】
【００６２】
表３〜表５に示す化学組成を有する低合金鋼をそれぞれ５０ｋｇ真空溶製した。得られた鋳片から、熱間鍛造、ソーキング、熱間圧延を経て、厚さ３０ｍｍの板材を得た後、最終処理を行い、試験材（焼鈍材）を得た。表３〜表５において、下線部が本発明で規定される範囲または本件明細書で推奨される範囲を外れることを意味する。
【００６３】
【表３】
2019173160.tif 000004
【００６４】
【表４】
2019173160.tif 000005
【００６５】
【表５】
2019173160.tif 000006
【００６６】
表６および表７には、ソーキングおよび最終熱処理の条件を示す。また、表６および表７には、実施例１と同様の試験を行った結果を併記する。表６および表７において、下線部が本発明で規定される範囲または本件明細書で推奨される範囲を外れることを意味する。
【００６７】
【表６】
2019173160.tif 000007
【００６８】
【表７】
2019173160.tif 000008
【００６９】
表６および表７に示すように、本発明例はいずれも相対破断伸びが５５％以上であり、優れた耐水素脆化特性を有していた。一方、比較例５１、５３、５６、６１、７１、８４、８８、８９および９３は、Ｐ等の改善元素の合計含有量及び固溶量が高かったため、耐水素脆化特性に劣っていた。比較例７８は、Ｐ等の改善元素の固溶量が低かったため、耐水素脆化特性に劣っていた。比較例５４、６７、６８、７２、９１、９４、９５および９６は、Ｐ等の改善元素の合計含有量及び固溶量は本発明で規定される範囲を満たしていたが、Ｐ等の改善元素の粒界偏析量が２．０原子％を超えたため、耐水素脆化特性に劣っていた。比較例９７および９８は、鋼材中のＰ等の改善元素の合計含有量は本発明で規定される範囲を満たしていたが、析出物等が多く生成したために、Ｐ等の改善元素の固溶量が低くなり、耐水素脆化特性に劣っていた。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明によれば、耐水素脆化特性に優れた低合金鋼が得られる。