(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合容器蓄圧器用ライナーであって、
長手方向中央部における肉厚が２０ｍｍ以上であり、
マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９５％以上、該マルテンサイトおよび下部ベイナイトの平均ブロック長さが７μｍ以下、ならびに旧オーステナイト粒の平均粒径が１５μｍ以下である金属組織を有する鋼材からなり、
前記鋼材が、質量％で、
Ｃ  ：０．３０〜０．６０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．０％、
Ｍｎ：０．５〜３．０％、
Ｐ  ：０．０００５〜０．０６０％、
Ｓ  ：０．０００１〜０．０１０％、
Ｎ  ：０．０００１〜０．０１０％、および
Ａｌ：０．０１〜０．０６％を含有し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
引張強さが８００ＭＰａ以上１２００ＭＰａ以下、疲労限が３５０ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下である、複合容器蓄圧器用ライナー。
【請求項２】
前記成分組成が、質量％で、
Ｍｏ：０．００５〜２．０％、
Ｃｒ：０．００５〜３．０％の、いずれか一方または両方をさらに含有する、請求項１に記載の複合容器蓄圧器用ライナー。
【請求項３】
前記成分組成が、質量％で、
Ｎｉ：０．００５〜３．０％をさらに含有する、請求項２に記載の複合容器蓄圧器用ライナー。
【請求項４】
前記成分組成が、さらに下記（１）式の関係を満足する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合容器蓄圧器用ライナー。
記
［Ｍｎ］＋１．３０×［Ｃｒ］＋２．６７×［Ｍｏ］＋０．３０×［Ｎｉ］≧２．３０  ……  （１）
（ただし、［Ｍ］は元素Ｍの含有量（質量％）を表し、元素Ｍを含有しない場合には［Ｍ］＝０とする）
【請求項５】
前記成分組成が、さらに下記（２）式の関係を満足する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合容器蓄圧器用ライナー。
記
［Ｍｎ］＋１．３０×［Ｃｒ］＋２．６７×［Ｍｏ］＋０．３０×［Ｎｉ］≧３．００  ……  （２）
（ただし、［Ｍ］は元素Ｍの含有量（質量％）を表し、元素Ｍを含有しない場合には［Ｍ］＝０とする）
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合容器蓄圧器用ライナーの外周に炭素繊維強化樹脂が被覆された複合容器蓄圧器。
【請求項７】
複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法であって、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の成分組成を有する鋼管をそのまま、またはライナー形状に加工した後、Ａｃ3点以上８８０℃以下の温度に加熱し、前記温度に１０分以上保持した後、長手中央部内面および肉厚中心のうちいずれか冷却が遅い部分での８００〜３５０℃における平均冷却速度：５℃／ｓ以上の条件で冷却する焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の鋼管またはライナーを、５００℃以上７５０℃以下の温度に再加熱し、前記温度に１０分以上保持する焼戻し工程とを有し、
前記複合容器蓄圧器用ライナーの長手方向中央部における肉厚が２０ｍｍ以上であり、
前記複合容器蓄圧器用ライナーが、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９５％以上、該マルテンサイトおよび下部ベイナイトの平均ブロック長さが７μｍ以下、ならびに旧オーステナイト粒の平均粒径が１５μｍ以下である金属組織を有し、
前記複合容器蓄圧器用ライナーの引張強さが８００ＭＰａ以上１２００ＭＰａ以下、疲労限が３５０ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下である、複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法。
【請求項８】
複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法であって、
請求項４に記載の成分組成を有する鋼管をそのまま、またはライナー形状に加工した後、Ａｃ3点以上８８０℃以下の温度に加熱し、前記温度に１０分以上保持した後、長手中央部内面および肉厚中心のうちいずれか冷却が遅い部分での８００〜３５０℃における平均冷却速度：３℃／ｓ以上の条件で冷却する焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の鋼管またはライナーを、５００℃以上７５０℃以下の温度に再加熱し、前記温度に１０分以上保持する焼戻し工程とを有し、
前記複合容器蓄圧器用ライナーの長手方向中央部における肉厚が２０ｍｍ以上であり、
前記複合容器蓄圧器用ライナーが、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９５％以上、該マルテンサイトおよび下部ベイナイトの平均ブロック長さが７μｍ以下、ならびに旧オーステナイト粒の平均粒径が１５μｍ以下である金属組織を有し、
前記複合容器蓄圧器用ライナーの引張強さが８００ＭＰａ以上１２００ＭＰａ以下、疲労限が３５０ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下である、複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法。
【請求項９】
複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法であって、
請求項５に記載の成分組成を有する鋼管をそのまま、またはライナー形状に加工した後、Ａｃ3点以上８８０℃以下の温度に加熱し、前記温度に１０分以上保持した後、長手中央部内面および肉厚中心のうちいずれか冷却が遅い部分での８００〜３５０℃における平均冷却速度：１℃／ｓ以上の条件で冷却する焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の鋼管またはライナーを、５００℃以上７５０℃以下の温度に再加熱し、前記温度に１０分以上保持する焼戻し工程とを有し、
前記複合容器蓄圧器用ライナーの長手方向中央部における肉厚が２０ｍｍ以上であり、
前記複合容器蓄圧器用ライナーが、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９５％以上、該マルテンサイトおよび下部ベイナイトの平均ブロック長さが７μｍ以下、ならびに旧オーステナイト粒の平均粒径が１５μｍ以下である金属組織を有し、
前記複合容器蓄圧器用ライナーの引張強さが８００ＭＰａ以上１２００ＭＰａ以下、疲労限が３５０ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下である、複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧の水素を収容する複合容器蓄圧器用のライナーに関するものである。
また、本発明は、前記複合容器蓄圧器用ライナーを炭素繊維強化樹脂で被覆した複合容器蓄圧器、および前記複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素を燃料として用いる燃料電池自動車は、二酸化炭素（ＣＯ2）を排出せず、エネルギー効率にも優れることから、ＣＯ2排出問題とエネルギー問題を解決し得る自動車として期待されている。この燃料電池自動車を普及させるためには、燃料電池自動車自体や、燃料電池自動車に水素を供給するための水素ステーションにおいて、高圧の水素を安全に貯蔵することができる強度と耐久性に優れた容器（蓄圧器）が必要であり、その開発が進められている。
【０００３】
軽量化が求められる車載用の蓄圧器としては、アルミニウムや樹脂などの軽量な材料からなるライナーを、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）で被覆したものが提案されている。例えば、特許文献１には、疲労特性に優れたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金からなるライナーが記載されている。
【０００４】
一方、水素ステーションで使用する蓄圧器の場合、車載用蓄圧器の場合ほど軽量化を行う必要がないため、全体が鋼材で形成された蓄圧器（例えば、特許文献２）や、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製のライナーをＣＦＲＰで被覆した蓄圧器（例えば、特許文献３）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特解２００９−０２４２２５号公報
【特許文献２】特開２０１０−０３７６５５号公報
【特許文献３】特開２００９−２９３７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、水素ステーションでは、多数の燃料電池自動車に水素を供給する必要がある。したがって、水素ステーションで使用される蓄圧器には車載用蓄圧器に比べて高い圧力の水素を蓄えておく必要があるとともに、水素充填回数も圧倒的に多い。そのため、水素ステーション用蓄圧器には、車載用蓄圧器に比べて厳しい安全基準が課せられる。
【０００７】
しかし、特許文献１〜３に記載された蓄圧器を用いて上述の水素ステーションの安全基準を達成するためには、重量が著しく増加するとともにコストが掛かってしまうという問題がある。すなわち、特許文献１に記載されているような、アルミニウム合金製のライナーにＣＦＲＰを被覆した蓄圧器の場合、十分な強度を得るためには高価なＣＦＲＰを厚く被覆する必要があり、コストが掛かってしまう。
【０００８】
また、特許文献２に記載されているような全体が鋼材で形成された蓄圧器の場合、鋼材には水素脆化の問題があるため、鋼材をかなり厚くする必要があり、重量が著しく増加するとともにコストが掛かってしまう。
【０００９】
一方、鋼製ライナーをＣＦＲＰで被覆した複合容器蓄圧器においては、鋼製ライナーとＣＦＲＰとで荷重を分担しているため、鋼材のみからなる蓄圧器に比べてライナーを薄くできるため、軽量化、低コスト化が可能である。しかし、特許文献３の容器では、７０ＭＰａ程度の圧力の水素ガス中での予測寿命が８７３００回しかなく、水素ステーション用蓄圧器に求められている１０万回以上の寿命には及ばない。
【００１０】
本発明は上記課題を解消するためのものであり、十分な強度と、高い疲労限を備え、安価な複合容器蓄圧器を製造することが可能となる複合容器蓄圧器用ライナーを提供することを目的とする。
また、本発明は、前記複合容器蓄圧器用ライナーを用いた複合容器蓄圧器、および複合容器蓄圧器用ライナー用の製造方法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】
【００１１】
本発明の要旨構成は、次のとおりである。
１．複合容器蓄圧器用ライナーであって、
長手方向中央部における肉厚が２０ｍｍ以上であり、
マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９５％以上、該マルテンサイトおよび下部ベイナイトの平均ブロック長さが７μｍ以下、ならびに旧オーステナイト粒の平均粒径が１５μｍ以下である金属組織を有する鋼材からなる、複合容器蓄圧器用ライナー。
【００１２】
２．前記鋼材が、質量％で、
Ｃ  ：０．３０〜０．６０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．０％、
Ｍｎ：０．５〜３．０％、
Ｐ  ：０．０００５〜０．０６０％、
Ｓ  ：０．０００１〜０．０１０％、
Ｎ  ：０．０００１〜０．０１０％、および
Ａｌ：０．０１〜０．０６％を含有し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有する、前記１に記載の複合容器蓄圧器用ライナー。
【００１３】
３．前記成分組成が、質量％で、
Ｍｏ：０．００５〜２．０％、
Ｃｒ：０．００５〜３．０％の、いずれか一方または両方をさらに含有する、前記２に記載の複合容器蓄圧器用ライナー。
【００１４】
４．前記成分組成が、質量％で、
Ｎｉ：０．００５〜３．０％をさらに含有する、前記３に記載の複合容器蓄圧器用ライナー。
【００１５】
５．前記成分組成が、さらに下記（１）式の関係を満足する、前記２〜４のいずれか一つに記載の複合容器蓄圧器用ライナー。
記
［Ｍｎ］＋１．３０×［Ｃｒ］＋２．６７×［Ｍｏ］＋０．３０×［Ｎｉ］≧２．３０                                  ……  （１）
（ただし、［Ｍ］は元素Ｍの含有量（質量％）を表し、元素Ｍを含有しない場合には［Ｍ                                ］＝０とする）
【００１６】
６．前記成分組成が、さらに下記（２）式の関係を満足する、前記２〜４のいずれか一つに記載の複合容器蓄圧器用ライナー。
記
［Ｍｎ］＋１．３０×［Ｃｒ］＋２．６７×［Ｍｏ］＋０．３０×［Ｎｉ］≧３．００                                    ……  （２）
（ただし、［Ｍ］は元素Ｍの含有量（質量％）を表し、元素Ｍを含有しない場合には［Ｍ                                ］＝０とする）
【００１７】
７．前記１〜６のいずれか一つに記載の複合容器蓄圧器用ライナーの外周に炭素繊維強化樹脂が被覆された複合容器蓄圧器。
【００１８】
８．複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法であって、
前記２〜４のいずれか一つに記載の成分組成を有する鋼管をそのまま、またはライナー形状に加工した後、Ａｃ3点以上８８０℃以下の温度に加熱し、前記温度に１０分以上保持した後、長手中央部内面および肉厚中心のうちいずれか冷却が遅い部分での８００〜３５０℃における平均冷却速度：５℃／ｓ以上の条件で冷却する焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の鋼管またはライナーを、５００℃以上７５０℃以下の温度に再加熱し、前記温度に１０分以上保持する焼戻し工程とを有する、複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法。
【００１９】
９．複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法であって、
前記５に記載の成分組成を有する鋼管をそのまま、またはライナー形状に加工した後、Ａｃ3点以上８８０℃以下の温度に加熱し、前記温度に１０分以上保持した後、長手中央部内面および肉厚中心のうちいずれか冷却が遅い部分での８００〜３５０℃における平均冷却速度：３℃／ｓ以上の条件で冷却する焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の鋼管またはライナーを、５００℃以上７５０℃以下の温度に再加熱し、前記温度に１０分以上保持する焼戻し工程とを有する、複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法。
【００２０】
１０．複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法であって、
前記６に記載の成分組成を有する鋼管をそのまま、またはライナー形状に加工した後、Ａｃ3点以上８８０℃以下の温度に加熱し、前記温度に１０分以上保持した後、長手中央部内面および肉厚中心のうちいずれか冷却が遅い部分での８００〜３５０℃における平均冷却速度：１℃／ｓ以上の条件で冷却する焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の鋼管またはライナーを、５００℃以上７５０℃以下の温度に再加熱し、前記温度に１０分以上保持する焼戻し工程とを有する、複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、十分な強度と、高い疲労限を備えた複合容器蓄圧器用ライナーと、該ライナーを用いた複合容器蓄圧器を提供することができる。本発明の複合容器蓄圧器用ライナーを用いれば、ライナーにより多くの荷重を分担させることができるため、ＣＦＲＰの使用量を低減し、複合容器蓄圧器をより安価に提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。
本発明においては、複合容器蓄圧器用ライナーが、長手方向中央部における肉厚が２０ｍｍ以上であるとともに、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９５％以上、該マルテンサイトおよび下部ベイナイトの平均ブロック長さが７μｍ以下、ならびに旧オーステナイト粒の平均粒径が１５μｍｍ以下である金属組織を有することが重要である。以下、本発明におけるライナーの肉厚と金属組織を上記のように限定する理由を説明する。なお、金属組織に関する「％」表示は、特に断らない限り面積分率を意味するものとする。なお、本発明で呼称するブロックとは、大角粒界で囲われ、かつ方位差８°以上の境界をその内部に含まない領域と定義する。
【００２３】
［肉厚］
・長手方向中央部における肉厚：２０ｍｍ以上
ライナーの長手方向中央部は、水素を充填した際にもっとも高い応力がかかる位置であり、破断しやすい部分である。長手方向中央部における肉厚が２０ｍｍ未満であると、ライナーに十分な荷重を分担させることができず、破断を防止するためにはＣＦＲＰの量を増やす必要があり、したがって複合容器蓄圧器のコストを低減することが困難となる。そのため、ライナーの長手方向中央部における肉厚を２０ｍｍ以上とする。長手方向中央部における肉厚は３０ｍｍ以上とすることが好ましく、３６ｍｍ以上とすることがより好ましい。一方、肉厚は厚すぎると蓄圧時にライナー外側の応力が高くなりすぎ、またライナーの組織を所望の組織とするためにより合金添加量を増加させる必要がでてコストアップの要因となるため、８０ｍｍ以下が好ましく、さらに好ましくは６０ｍｍ以下である。
【００２４】
［金属組織］
・マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計：９５％以上
ライナーの金属組織に占めるマルテンサイトおよび下部ベイナイトの合計が９５％未満であると、疲労限が低下する。そのため、本発明においては、ライナーの金属組織に占めるマルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計を９５％以上とする。なお、マルテンサイトと下部ベイナイトの面積分率の比率は特に限定されないが、疲労限を向上させるという観点からは、マルテンサイトの面積分率を極力高くすることが好ましい。一方、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計の上限については特に限定されず、１００％以下であればよい。
【００２５】
ライナーの金属組織に占める、マルテンサイトおよび下部ベイナイト以外の組織の面積分率は低いほどよい。しかし、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの面積分率の合計が９５％以上であれば、残部の組織の影響はそれほど大きくないため、フェライト、残留オーステナイト、パーライト、上部ベイナイトなど、他の組織の１種または２種以上を、合計面積分率で５％以下含むことは許容される。
【００２６】
・マルテンサイトおよび下部ベイナイトの平均ブロック長さ：７μｍ以下
マルテンサイトおよび下部ベイナイトの平均ブロック長さが７μｍを超えると、ライナーの疲労限が低下する。そのため、本発明のライナーにおいては、マルテンサイトおよび下部ベイナイトの平均ブロック長さを７μｍ以下とする。なお、前記ブロック長さは、実施例に記載する方法で測定することができる。一方、平均ブロック長さの下限は特に限定されないが、一般的には２μｍ以上である。
【００２７】
・旧オーステナイト粒の平均粒径：１５μｍ以下
ライナーの旧オーステナイト粒径が小さいほど、高圧水素中でのライナーの疲労限が高くなる。前記効果を得るために、本発明においては、ライナーにおける旧オーステナイト粒の平均粒径を１５μｍ以下とする。旧オーステナイト粒の平均粒径は、７μｍ以下とすることが好ましい。一方、旧オーステナイト粒の平均粒径の下限は特に限定されないが、１μｍ以上とすることが好ましい。
【００２８】
［成分組成］
本発明においては、さらに、複合容器蓄圧器ライナー用鋼材が所定の成分組成を有することが好ましい。そこで、次に、本発明において鋼材の成分組成を限定する理由を説明する。なお、成分に関する「％」表示は、特に断らない限り「質量％」を意味するものとする。
【００２９】
Ｃ：０．３０〜０．６０％
Ｃは、ライナーの強度を上昇させるために必要な元素である。本発明では、ライナーの引張強さは８００ＭＰａ以上であることが好ましく、そのような強度を得るために、ライナーのＣ含有量を０．３０％以上とすることが好ましい。一方、Ｃ含有量が０．６０％を超えると、ライナー製造時に焼入れを行った場合に焼き割れが生じることがあるため、Ｃ含有量を０．６０％以下とすることが好ましい。Ｃ含有量は、０．３３％以上０．４５％以下とすることがより好ましい。
【００３０】
Ｓｉ：０．０１〜２．０％
Ｓｉは、固溶強化により強度向上および疲労限の向上に寄与する元素である。Ｓｉ含有量が０．０１％以上であれば前記効果が得られる。一方、Ｓｉ含有量が２．０％を超えると効果が飽和し、さらに鋼材の表面性状が劣化するとともに、圧延性も低下する。よって、Ｓｉ含有量は０．０１％以上２．０％以下とすることが好ましい。なお、Ｓｉ含有量は０．１５％以上０．５％以下とすることがより好ましい。
【００３１】
Ｍｎ：０．５〜３．０％
Ｍｎは、固溶強化および焼き入れ性の向上により強度向上に寄与するとともに、疲労限を向上させる機能を有する元素である。前記効果を得るために、Ｍｎ含有量を０．５％以上とすることが好ましく、０．６％以上とすることがより好ましい。一方、Ｍｎ含有量が３．０％を超えると効果が飽和し、さらに製造時に圧延を行うことが困難となる。また、Ｍｎが過剰であると、オーステナイトが残留し、疲労特性が劣化する。よって、Ｍｎ含有量は３．０％以下とすることが好ましく、１．５％以下とすることがより好ましい。
【００３２】
Ｐ：０．０００５〜０．０６０％
Ｐは、固溶強化によって強度向上に寄与する元素であるが、その反面、じん性を劣化させる元素でもある。Ｐ含有量が０．０６０％を超えるとじん性の劣化が顕著となるため、Ｐ含有量は０．０６０％以下とすることが好ましく、０．０２５％以下とすることがより好ましく、０．０１５％以下とすることがさらに好ましい。一方、Ｐ含有量を０．０００５％未満とするような過度のＰ低減は製鋼工程における製造コストの増加を伴う。よって、Ｐ含有量は０．０００５％以上とすることが好ましい。
【００３３】
Ｓ：０．０００１〜０．０１０％、
Ｓ含有量の増加は熱間赤熱脆性の原因となり、製造上の不具合を生じる場合がある。また、Ｓは介在物ＭｎＳを形成し、じん性を低下させる。これらの影響は、Ｓ含有量が０．０１０％以下であれば問題とならない。よって、Ｓ含有量は０．０１０％以下とすることが好ましく、０．００３０％以下とすることがより好ましい。一方、Ｓ含有量を０．０００１％未満とするような過度の低減は製鋼工程における脱硫コストの増加を伴う。よって、Ｓ含有量は０．０００１％以上とすることが好ましい。
なお、Ｐ含有量とＳ含有量の合計は、じん性の高位安定化のため、０．０２％以下とすることがさらに好ましい。
【００３４】
Ｎ：０．０００１〜０．０１０％
鋼材の疲労特性に及ぼすＮの影響は小さく、Ｎ含有量が０．０１０％以下であれば本発明の効果を損なわない。よって、Ｎ含有量は０．０１０％以下とすることが好ましく、０．００４％以下とすることがより好ましい。一方、じん性向上の観点からは、Ｎ含有量が少ないことが望ましいが、過度の低減は製鋼上のコストを増大させるので、Ｎ含有量は０．０００１％以上とすることが好ましい。
【００３５】
Ａｌ：０．０１〜０．０６％
Ａｌは、製鋼工程において脱酸剤として有効な元素である。その効果を得るため、Ａｌ含有量は０．０１％以上とすることが好ましく、０．０２％以上とすることがより好ましい。一方、Ａｌ含有量が０．０６％を超えると効果が飽和するため、Ａｌ含有量を０．０６％以下とすることが好ましい。
【００３６】
本発明の複合容器蓄圧器用ライナーは、以上の成分に加え、残部のＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材からなることが好ましい。また、前記鋼材は、上記元素に加え、Ｍｏ：０．００５〜２．０％、およびＣｒ：０．００５〜３．０％の、いずれか一方または両方を、さらに含有することもできる。
【００３７】
Ｍｏ：０．００５〜２．０％
Ｍｏは焼き入れ性を向上させる元素であり、ライナーの強度上昇に寄与する。また、焼入れ性が向上する結果、肉厚が２０ｍｍ以上であるような、冷却速度が遅い部分が生じやすいライナーにおいても、疲労限や疲労限度比等の特性を向上させることができる。さらに、Ｍｏは、固溶強化によって疲労強度の上昇に寄与する元素である。前記効果を得るために、Ｍｏを添加する場合には、含有量を０．００５％以上とする。Ｍｏ含有量は０．１％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｏ含有量が２．０％を越えると、効果が飽和し、コストアップの要因となるため、Ｍｏ含有量は２．０％以下とする。Ｍｏ含有量は１．０％以下とすることが好ましく、０．５％以下とすることがより好ましい。
【００３８】
Ｃｒ：０．００５〜３．０％
Ｃｒは焼き入れ性を向上させる元素であり、ライナーの強度上昇に寄与する。また、焼入れ性が向上する結果、肉厚が２０ｍｍ以上であるような、冷却速度が遅い部分が生じやすいライナーにおいても、疲労限や疲労限度比等の特性を向上させることができる。前記効果を得るために、Ｃｒを添加する場合には、含有量を０．００５％以上とする。Ｃｒ含有量は０．５％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｒ含有量が３．０％を越えると効果が飽和し、コストアップの要因となるため、Ｃｒ含有量は３．０％以下とする。Ｃｒ含有量は２．０％以下とすることが好ましく、１．５％以下とすることがより好ましい。
【００３９】
本発明の複合容器蓄圧器ライナー用鋼材は、上記元素に加え、Ｎｉ：０．００５〜３．０％を、さらに含有することもできる。
【００４０】
Ｎｉ：０．００５〜３．０％
Ｎｉは、焼き入れ性を向上させる元素であり、ライナーの強度上昇に寄与する。また、焼入れ性が向上する結果、肉厚が３０ｍｍ以上であるような、冷却速度が遅い部分が生じやすいライナーにおいても、疲労限や疲労限度比等の特性を向上させることができる。前記効果を得るために、Ｎｉを添加する場合には、含有量を０．００５％以上とする。Ｎｉ含有量は０．５％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｉ含有量が３．０％を越えると効果が飽和し、コストアップの要因となるため、Ｎｉ含有量は３．０％以下とする。Ｎｉ含有量は２．０％以下とすることが好ましい。
【００４１】
なお、鋼材がＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＮｉの内、１種以上を含有する場合、これらの元素の含有量が、さらに下記（１）式の関係を満たすことが好ましい。
［Ｍｎ］＋１．３０×［Ｃｒ］＋２．６７×［Ｍｏ］＋０．３０×［Ｎｉ］≧２．３０                                  ……  （１）
（ただし、［Ｍ］は元素Ｍの含有量（質量％）を表し、元素Ｍを含有しない場合には［Ｍ］＝０とする）
鋼材の成分組成を、（１）式の関係を満足するものとすることにより、鋼の焼入れ性が向上し、ライナーの製造時に焼入れを行う場合に、より容易に所望の特性を得ることができる。
【００４２】
さらに、下記（２）式の関係を満足するものとすることにより、鋼の焼入れ性がさらに向上し、ライナーの製造時に焼入れを行う場合に、極めて容易に所望の特性を得ることができる。
［Ｍｎ］＋１．３０×［Ｃｒ］＋２．６７×［Ｍｏ］＋０．３０×［Ｎｉ］≧３．００                                    ……  （２）
（ただし、［Ｍ］は元素Ｍの含有量（質量％）を表し、元素Ｍを含有しない場合には［Ｍ］＝０とする）
【００４３】
［機械的特性］
本発明における複合容器蓄圧器用ライナーの機械的特性は特に限定されず、任意の値とすることができる。しかし、ライナーのじん性確保の観点からは、引張強さを１２００ＭＰａ以下とすることが好ましく、１１５０ＭＰａ以下とすることがより好ましい。一方、ライナーの応力分担を増やし、一層の低コスト化を図るため、引張強さは８００ＭＰａ以上とすることが好ましい。
また、疲労限は３５０ＭＰａ以上とすることが好ましく、４００ＭＰａ以上とすることがより好ましい。一方、疲労限は高いほどよいため、上限は特に限定されないが、通常は６００ＭＰａ以下である。
そして、複合容器蓄圧器においてライナーへの荷重分担を大きくし、ＣＦＲＰ使用量を削減するという観点からは、ライナーの相対的な疲労強度の指標である（疲労限／引張強さ）の値が大きい方が好ましく、０．４５以上であることがより好ましい。一方、（疲労限／引張強さ）は大きい方がよいため、上限は特に限定されないが、通常は０．６０以下である。
【００４４】
［複合容器蓄圧器］
本発明における複合容器蓄圧器用ライナーの外周部にＣＦＲＰを被覆して、複合容器蓄圧器とすることができる。ＣＦＲＰの被覆形態についても特に限定されず、ライナー胴部にのみ被覆を行うタイプ２型容器としてもよいし、ライナーの周囲全面を被覆するタイプ３型容器としてもよい。コスト低減の観点からはタイプ２型容器が好ましい。タイプ２型容器に関しては、ライナー部の両端を絞り加工したシリンダ型、および鋼管型ライナーの両端に蓋をボルト等で取り付ける、もしくはねじ切りしたプラグで蓋をするストレート型の、いずれの形態とすることもできる。水素ステーションに設置した後に行われる蓄圧器内部の定期点検を行いやすくするという観点からは、両端を大きく開放することができるストレート型が好ましい。
【００４５】
［炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）］
炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）に用いる炭素繊維種はとくに限定されず、例えば、ＰＡＮ系繊維やピッチ系繊維など、任意のものを用いることができる。コスト低減および蓄圧器の疲労特性向上の観点からは、剛性率の高いピッチ系繊維がより好ましい。樹脂としては熱硬化型樹脂を用いることが好ましく、なかでもエポキシ系樹脂を用いることがより好ましい。
【００４６】
［製造方法］
次に、本発明の複合容器蓄圧器用ライナーの製造方法について説明する。
本発明の複合容器蓄圧器用ライナーは、次の（１）および（２）の工程を順次行うことによって製造することができる。
（１）鋼管をそのまま、またはライナー形状に加工した後、焼入れする焼入れ工程、および
（２）前記焼入れ工程後の鋼管またはライナーを、焼戻しする焼戻し工程。
以下、各工程について説明する。なお、以下の説明における温度は、特に断らない限り、鋼管またはライナーの長手方向中央部における、肉厚中心部における温度を意味する。
【００４７】
［焼入れ工程］
焼入れ工程においては、上述した成分組成を有する鋼管をそのまま、またはライナー形状に加工した後、Ａｃ3点以上８８０℃以下の温度に加熱し、前記温度に１０分以上保持した後、長手中央部内面および肉厚中心のうちいずれか冷却が遅い部分での８００〜３５０℃における平均冷却速度：５℃／ｓ以上の条件で冷却する。前記鋼管としては、鍛接鋼管、電気抵抗溶接鋼管などの溶接鋼管や、継目無鋼管など、任意のものを用いることができるが、継目無鋼管を使用することが好ましい。鋼管のライナー形状への成形は、焼入れ前に行ってもよいし、焼入れ、焼戻し後に行うこともできる。
以下、焼入れ工程における条件の限定理由について説明する。
【００４８】
・  加熱温度：Ａｃ3点以上８８０℃以下
焼入れ工程における加熱温度がＡｃ3点未満であると、焼入れ後のライナー中にフェライトが残存し、ライナーの強度および疲労限が低下する。そのため、加熱温度はＡｃ3点以上とする。一方、加熱温度が８８０℃を超えるとブロック長さおよび旧オーステナイト粒径が増大し、本発明の条件を満たさなくなるため、加熱温度は８８０℃以下とする。
【００４９】
・  保持時間：１０分以上
焼入れ工程における保持時間が１０分未満であると、焼入れ後のライナー中にフェライトが残存し、ライナーの強度および疲労限が低下する。一方、保持時間の上限は特に限定されないが、製造効率の観点からは６００分以下とすることが好ましい。
【００５０】
・  長手中央部内面および肉厚中心のうちいずれか冷却が遅い部分での８００〜３５０℃における平均冷却速度：５℃／ｓ以上
上記の通り加熱と保持を行った後、冷却を行う。冷却方法は特に限定されず、任意の方法を用いることができるが、冷却速度を大きくとるためには、水冷や油冷等の液体を冷媒とした冷却が好ましい。また、ライナー全体における冷却速度の差を緩和し、均一に焼入れを行うために、鋼管またはライナーの内面と外面の両側から冷却することが好ましい。
【００５１】
冷却を行う際、８００〜３５０℃における平均冷却速度が５℃／ｓ未満であると、上部ベイナイトやフェライト等が生成し、疲労限が低下する。そのため、本発明の一実施形態においては、長手中央部内面および肉厚中心のうちいずれか冷却が遅い部分での８００〜３５０℃における平均冷却速度を５℃／ｓ以上とする。前記平均冷却速度は１０℃／ｓ以上とすることが好ましい。ただし、上述したように、鋼の成分組成が（１）式の関係を満足する場合には、８００〜３５０℃における平均冷却速度を３℃／ｓ以上とすれば所望の組織を得ることができる。また、上述したように、鋼の成分組成が（２）式の関係を満足する場合には、８００〜３５０℃における平均冷却速度を１℃／ｓ以上とすれば所望の組織を得ることができる。
【００５２】
なお、長手方向中央部における温度に基づいて冷却速度を限定するのは、ライナーの長手中央部が一般的に高圧水素環境下での疲労の起点となるためである。また、内面および肉厚中心のうちいずれか冷却が遅い部分での冷却速度を限定するのは、鋼管またはライナーの外面のみから冷却を行う場合には、内面の冷却速度が最も遅くなり、内面と外面の両方から冷却を行う場合には、肉厚中心の冷却速度が最も遅くなるためである。最も冷却されにくい部位における冷却速度（最低冷却速度）を上記の通り制御することにより、ライナー全体の特性を良好なものとすることができる。
【００５３】
［焼戻し工程］
次に、焼入れ工程後の鋼管またはライナーを、５００℃以上７５０℃以下の温度に再加熱し、前記温度に１０分以上保持する焼戻しを行う。焼戻しを行うことによりマルテンサイト中の固溶炭素と転位を低減し、引張強さ等、疲労限以外の高圧水素環境下で必要な特性を調整することができる。以下、焼戻し条件の限定理由を説明する。
【００５４】
・  再加熱温度：５００℃以上７５０℃以下
焼戻しの際の再加熱温度が５００℃未満であると、引張強さが過大となり、一方、７５０℃を越えるとフェライトが生成してしまう。そのため、再加熱温度は５００℃以上７５０℃以下とする。再加熱温度は６００℃以上７００℃以下とすることが好ましい。
【００５５】
・  保持時間：１０分以上
前記再加熱温度における保持時間が１０分未満であると、固溶炭素と転位を十分に低減することができない。そのため、保持時間を１０分以上とする。保持時間の上限は特に限定されないが、６００分を超えると効果が飽和し、コストアップとなるため、保持時間は６００分以下とすることが好ましい。
【実施例】
【００５６】
次に、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例は、本発明の好適な一例を示すものであり、本発明は、該実施例によって何ら限定されるものではない。
【００５７】
表１に示す成分組成の鋼材からなる複合容器蓄圧器用ライナーを製造した。製造手順は次の通りである。まず、表１に示した成分組成のビレットを作製し、前記ビレットを熱間で圧延、拡管して継目無鋼管を得た。前記鋼管の製造は、拡管を８２０℃以上で終了する条件で行った。得られた鋼管を空冷した後、ライナー形状に成形し、さらに焼入れ、焼戻しを行った。焼入れ、焼戻しの条件を表２に示す。最低冷却速度は、ライナーの長手方向中央部の、内面側の表面から５ｍｍの位置または肉厚中心部に熱電対を埋め込んで測定した。その後、得られたライナーのそれぞれについて、金属組織と機械的特性を評価した。評価方法は、以下の通りである。
【００５８】
・  金属組織
ライナーにおける金属組織は以下のようにして評価した。ライナーの長手方向中央部、内面側の表面より採取した試験片の断面を、３ｖｏｌ％ナイタール溶液を用いてエッチングした。その後、前記断面を1000〜5000倍間の適正な倍率で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察し、得られた画像を解析して組織の種類、および面積分率を評価した。また、残留オーステナイトはＸ線回折測定により測定した。
【００５９】
・  旧オーステナイト粒の平均粒径
旧オーステナイト（γ）粒径は、ライナーの長手方向中央部、内面側の表面より採取した試験片の断面を飽和ピクリン酸水溶液によりエッチングして旧オーステナイト結晶粒界を現出させ、光学顕微鏡を用いて撮影した観察写真から切断法により求めた。
【００６０】
・  平均ブロック長さ
マルテンサイトおよび下部ベイナイト組織における平均ブロック長さは、電子後方散乱パターン（Electron Back Scattering Pattern：ＥＢＳＰ）測定に基づいて決定した。ライナーの長手方向中央部、内面側の表面より採取した試験片の、旧オーステナイト粒３個以上の領域においてＥＢＳＰ測定を行い、ブロックを特定して、その長手方向の長さの平均値を求めた。その際、前記長さは、各ブロックにおける｛１１０｝面に平行な方向の最大長さとし、前記平均は、算術平均とした。
【００６１】
・  引張強さ（ＴＳ）
ライナーから、ＪＩＳ  Ｚ  ２２０１に準じて直径７ｍｍの丸棒試験片を採取し、引張強さを測定した。
【００６２】
・  疲労限
疲労限は、高圧水素中における疲労試験により測定した。ライナーより採取した評価部直径７ｍｍの試験片を用いて、応力比：−１の条件で、９０ＭＰａの高圧水素中で疲労試験を行い、繰り返し数２０万回で試験片が破断しない限界応力を疲労限とした。
【００６３】
・  シャルピー吸収エネルギー
シャルピー衝撃試験をＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に準じて実施し、−３０℃でのシャルピー吸収エネルギーを測定した。試験片は素材の圧延方向に平行に採取し、Ｖノッチを付与した。試験は３本の試験片について行い、その平均値をシャルピー吸収エネルギーと定義した。
【００６４】
測定結果は表２に示した通りである。肉厚と金属組織とが本発明の条件を満たすライナー（発明例）は、すべて８００ＭＰａ以上の十分な引張強さと、３５０ＭＰａ以上の優れた疲労限を有するとともに、相対的な疲労強度の指標である（疲労限／引張強さ）の値が０．４５以上と、極めて優れた特性を示した。さらに、ライナーの耐破壊性能を代表する−３０℃のシャルピー吸収エネルギーで５４Ｊ以上の良好な値を示した。これに対して、鋼の成分組成と金属組織との少なくとも一方が本発明の条件を満たさない比較例のライナーにおいては、引張強さ、疲労限、（疲労限／引張強さ）、およびシャルピー吸収エネルギーの値の１つまたは２つ以上が劣っていた。
【００６５】
【表１】
0006453798.tif 000002
【００６６】
【表２】
0006453798.tif 000003
【００６７】
次に、上述のようにして得たライナーを用いて複合容器蓄圧器を作製したときにどのような特性となるかを評価するために、実際に複合容器蓄圧器を製造し、試験を行った。複合容器蓄圧器は、ライナーの表面に、表３に示す条件で炭素繊維強化樹脂を被覆して得た。樹脂としては熱硬化型樹脂を用いた。
【００６８】
得られた複合容器蓄圧器に水素ガスを充填して内圧を０ＭＰａから８２ＭＰａとする加減圧サイクルを１０万回繰り返し、破壊の有無を評価した。また、有限要素法（ＦＥＭ）解析により、ライナー長手方向中央部の内側表面における発生応力を求めた。
【００６９】
表３に示したように、本発明のライナーは（疲労限／引張強さ）が０．４５以上と優れた特性を有しており、ライナー胴部長さ１０００ｍｍ当たりの炭素繊維重量を、ＰＩＴＣＨ系炭素繊維の場合１３０ｋｇ以下に、ＰＡＮ系炭素繊維の場合３００ｋｇ以下に、それぞれ低減しても十分な耐久性を得ることができた。
【００７０】
このように、本発明の複合容器蓄圧器用ライナーを用いて複合容器蓄圧器を製造すれば、ライナーにより多くの荷重を分担させることができるため、ＣＦＲＰの使用量を低減し、複合容器蓄圧器をより安価に提供することができる。
【００７１】
【表３】
0006453798.tif 000004