(57)【要約】【課題】水素環境においても優れた耐水素脆性を示し、かつ高い強度を有する鋼材を提供する。【解決手段】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。前記加工誘起マルテンサイト組織は、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エネルギーを加えて生成できる。準安定オーステナイト組織は、オーステナイト鋼材に熱処理を施して生成できる。内部にマルテンサイト組織を有し、一部または全部の表層部が主としてオーステナイト組織からなる鋼材が得られる。内部のマルテンサイト組織により材料として高い強度が得られ、表層部のオーステナイト組織により、水素環境においても優れた耐水素脆性を示す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にマルテンサイト組織を含み、一部または全部の表層部が主としてオーステナイト組織からなることを特徴とする耐水素脆性に優れた高強度鋼材。
【請求項２】
前記内部では、前記マルテンサイト組織が体積率で３０％超であることを特徴とする請求項１記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材。
【請求項３】
前記オーステナイト組織は、該表層部において体積率で７０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材。
【請求項４】
前記マルテンサイト組織が加工誘起マルテンサイト組織であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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５記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法。
【請求項７】
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６記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の製造方法。
【請求項８】
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５〜７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。
【請求項９】
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５〜８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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【特許文献１】特開２００３−２２６９４０号公報
【特許文献２】特開２００４−３３９５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【０００４】
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およびそ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】
【０００５】
すなわち、本発明の耐水素脆性に優れた高強度鋼材のうち、請求項１記載の発明は、内部にマルテンサイト組織を有し、一部または全部の表層部が主としてオーステナイト組織からなることを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の発明は、請求項１記載の発明において、前記内部では、前記マルテンサイト組織が体積率で３０％超であることを特徴とする。
【０００７】
請求項３記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記オーステナイト組織が、該表層部において体積率で７０％以上であることを特徴とする。
【０００８】
請求項４記載の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記マルテンサイト組織が、加工誘起マルテンサイト組織であることを特徴とする。
【０００９】
また、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５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。
【００１０】
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５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。
【００１１】
請求項７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６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。
【００１２】
請求項８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５〜７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。
【００１３】
請求項９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５〜８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。
【００１４】
すなわち、本発明の耐水素脆性に優れた高強度鋼材の発明によれば、材料内部に存在するマルテンサイト組織によって鋼材は高い強度を示す。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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【発明の効果】
【００１９】
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によれば、内部にマルテンサイト組織を有し、一部または全部の表層部が主としてオーステナイト組織からなるので、内部のマルテンサイト組織により材料として高い強度が得られ、さらには表層部のオーステナイト組織により、水素環境においても優れた耐水素脆性を示す効果がある。
【００２０】
また、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【実施例１】
【００２６】
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。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
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。
【００２９】
また、上記冷間圧延材に関し、２０ｍａｓｓ％ＮＨ４ＳＣＮ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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態における工程フロー示す図である。
【図２】同じく、誘導加熱時の状態を示す概略図である。
【図３】同じく、誘導加熱時の熱サイクルを示す図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【符号の説明】
【００３３】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図７】
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【図１０】
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