(57)【要約】本発明は、耐水素脆化特性の良好な鋼材、特に、耐水素脆化特性が良好で且つ強度が１２００ＭＰａ以上の高強度鋼とその製造方法を提供するもので、鋼中に特定のトラップエネルギーで水素をトラップするトラップサイトとしての酸化物、炭化物、窒化物の単独あるいは複合析出物の少なくとも１種を存在させ、かつこれらの析出物の平均サイズと数密度、長さと厚みの比（アスペクト比）を特定の範囲とする。さらに特定の鋼成分と製造方法を採用することにより、耐水素脆化特性の優れた高強度鋼を得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
５０℃、１０００ｃｃの２０質量％ＮＨ４ＳＣＮ水溶液に１００時間浸漬した後、２５℃の大気中で１００時間放置した後に、２５〜５０ｋＪ／ｍｏｌの活性化エネルギーによって脱離する水素量が０．５質量ｐｐｍ以上であることを特徴とする耐水素脆化特性の優れた鋼材。
【請求項２】
５０℃、１０００ｃｃの２０質量％ＮＨ４ＳＣＮ水溶液に１００時間浸漬した後、２５℃の大気中で１００時間放置した後に１００℃／時間の速度で昇温後水素分析をした際に、１８０℃以上４００℃以下の温度域で水素の放出ピークが得られ、かつ放出される水素の量が０．５質量ｐｐｍ以上であることを特徴とする耐水素脆化特性の優れた鋼材。
【請求項３】
長さ５０ｎｍ以下でかつ長さと厚みの比（アスペクト比）が３以上２０以下であるような板状で、かつＦＣＣ（面心立方）構造である炭化物、酸化物、窒化物あるいはこれらの複合化合物で、かつこれらを構成する金属成分として、Ｖを３０原子％以上含有し、かつＭｏを１０原子％以上含有するものを、０．１体積％以上含有することを特徴とする請求項１または２記載の耐水素脆化特性の優れた鋼材。
【請求項４】
長さ５０ｎｍ以下でかつ長さと厚みの比（以下アスペクト比と称する）が３以上２０以下であるような板状でかつＦＣＣ（面心立方）構造の炭化物、酸化物、窒化物あるいはこれらの複合化合物で、かつこれらを構成する金属成分として、Ｖを３０原子％以上含有し、かつＷを８原子％以上含有するものを、０．１体積％以上含有することを特徴とする請求項１または２記載の耐水素脆化特性の優れた鋼材。
【請求項５】
長さ５０ｎｍ以下でかつ長さと厚みの比（アスペクト比）が３以上２０以下であるような板状で、かつＦＣＣ（面心立方）構造である炭化物、酸化物、窒化物あるいはこれらの複合化合物で、かつこれらを構成する金属成分として、Ｖを３０原子％以上含有し、かつＭｏを１０原子％以上含有するものを、１×１０２０個／ｍ３以上の密度で含有することを特徴とする請求項３記載の耐水素脆化特性の優れた鋼材。
【請求項６】
長さ５０ｎｍ以下でかつ長さと厚みの比（アスペクト比）が３以上２０以下であるような板状でかつＦＣＣ（面心立方）構造の炭化物、酸化物、窒化物あるいはこれらの複合化合物で、かつこれらを構成する金属成分として、Ｖを３０原子％以上含有し、かつＷを４８原子％以上含有するものを、５×１０１９個／ｍ３以上の密度で含有することを特徴とする請求項４記載の耐水素脆化特性の優れた鋼材。
【請求項７】
前記鋼材が、質量％で、
Ｃ：０．１０〜１．００％、
Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
Ｍｎ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜３．０％、
Ｖ：０．１〜１．５％、
を含有し、かつ０．５＜Ｍｏ／Ｖ＜５を満足することを特徴とする請求項１〜３，５のいずれか１項に記載の耐水素脆化特性の優れた鋼材。
【請求項８】
前記鋼材が、質量％で、
Ｃ：０．１０〜１．００％、
Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
Ｍｎ：０．２〜２．０％、
Ｗ：０．０５〜３．５％、
Ｖ：０．１〜１．５％、
を含有し、かつ０．３＜Ｗ／Ｖ＜７．０
を満足することを特徴とする請求項１，２，４，６のいずれか１項に記載の耐水素脆化特性の優れた高強度鋼材。
【請求項９】
前記鋼材が、さらに、質量％で、
Ｃｒ：０．０５〜３．０％、
Ｎｉ：０．０５〜３．０％、
Ｃｕ：０．０５〜２．０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項７記載の耐水素脆化特性の優れた銅材。
【請求項１０】
前記鋼材が、さらに、質量％で、
Ｍｏ：０．０５〜３．０％、
Ｃｒ：０．０５〜３．０％、
Ｎｉ：０．０５〜３．０％、
Ｃｕ：０．０５〜２．０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項８に記載の耐水素脆化特性の優れた高強度鋼材。
【請求項１１】
前記鋼材が、さらに、質量％で、
Ａｌ：０．００５〜０．１％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｂ  ：０．０００３〜０．０５％、
Ｎ  ：０．００１〜０．０５％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項７〜１０のいずれかの項に記載の耐水素脆化特性の優れた鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、耐水素脆化特性の優れた鋼材、特に、１２００ＭＰａ以上の引張強度を有する耐水素脆化特性の優れた高強度部材用鋼材に関する。
【背景技術】  機械、自動車、橋、建物に数多く使用されている高強度鋼は、例えばＪＩＳＧ  ４１０４，ＪＩＳ  Ｇ  ４１０５に規定されているＳＣｒ，ＳＣＭ等のＣ量が０．２０〜０．３５質量％の中炭素鋼を用いて焼入れ・焼戻し処理をすることによって製造されている。しかし、何れの品種についても引張強度が１３００ＭＰａを超えると水素脆化（遅れ破壊）の危険性が高まることがよく知られており、例えば現在使用されている建築用鋼の強度は１１５０ＭＰａ級が上限となっているのが現状である。
高強度鋼の遅れ破壊特性を向上させる従来の知見として、例えば、特公平３−２４３７４４号公報では、旧オーステナイト粒を微細化させること、組織をベイナイト化させることが有効であると提案している。確かに、ベイナイト組織は遅れ破壊に対して有効であるが、ベイナイト化処理は製造コストが高くなる。旧オーステナイト粒の微細化に関しては、特公昭６４−４５６６号公報や特公平３−２４３７４５号公報でも提案されている。また、特公昭６１−６４８１５号公報は、Ｃａを添加することを提案している。しかしながら、いずれの提案も本発明者らの試験では、大幅な遅れ破壊特性の改善には至っていない。また、特開平１０−１７９８５においては微細化合物による水素トラップを提案しているが、本発明者らの試験では、水素トラップ能を発現する析出物には構造、サイズ、形態に制約があり、化合物のサイズと数密度のみでは有効な水素トラップ能を得られない。
以上のように、従来の技術では、遅れ破壊特性を抜本的に向上させた高強度鋼を製造することには限界があった。
【発明の開示】
本発明は上記の如き実状に鑑みてなされたものであって、遅れ破壊特性の良好な鋼材、特に、遅れ破壊特性が良好で且つ強度が１２００ＭＰａ以上の高強度鋼を実現すると共に、その製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明者らは、まず焼入れ・焼戻し処理によって製造した種々の強度レベルの鋼材を用いて、遅れ破壊挙動を詳細に解析した。遅れ破壊は外部環境から鋼材中に侵入し、鋼材中を室温で拡散しうる拡散性水素に起因して発生していることは既に明らかである。そして拡散性水素は、鋼材を１００℃／時間の速度で加熱した際に得られる温度−鋼材からの水素放出速度の関係から得られる曲線において、約１００℃の温度にピークを有する曲線として測定できる。図１はその測定の一例を示すもので、□水素チャージ１５分、●は水素チャージ２４時間、○は水素チャージ後４８時間放置した試料を示している。
本発明者らは、環境から侵入した水素を鋼材中の何らかの部分に捕捉することによって拡散しないようにすれば、水素を無害化することが可能になり、より多量の環境からの侵入水素量に対し、遅れ破壊が抑制されることを知見した。なお、試料中の侵入水素量は、水素チャージ前後の１０ｍｍφの鋼材を１００℃／時間で加熱して得られた水素放出曲線の面積分値の差によって求めた。また、水素の捕捉サイト（以後水素トラップサイトという。）の存在は、上記の水素放出曲線のピーク温度・ピーク高さから判定でき、或る水素トラップサイトに捕捉された水素の量（以後水素トラップ容量）はピークの面積積分値によって、水素がトラップサイトから脱離するのに必要な活性化エネルギー（以後水素トラップエネルギーという。）Ｅは、鋼材からの水素放出挙動を記述する次式から求めることができる。水素トラップエネルギーＥは材料によって決まる定数であるため、式（１）において変数はφとＴになる。式（１）の対数をとって整理すると式（２）のとおりとなる。従って、複数の加熱速度で水素分析を行い、その際の水素放出ピーク温度を測定し、１ｎ（φ／Ｔ２）と−１／Ｔの関係を示す直線の傾きを求めることによって、Ｅを求めることができる。
Ｅφ／ＲＴ２＝Ａｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）…式（１）ここで、φは加熱速度、Ａは水素のトラップ脱離の反応定数、Ｒは気体定数、Ｔは水素放出曲線のピーク温度である。
ｌｎ（φ／Ｔ２）＝−（Ｅ／Ｒ）／Ｔ＋ｌｎ（ＡＲ／Ｅ）…式（２）
そこで、遅れ破壊特性については、遅れ破壊が発生しない「侵入水素量」を求めることにより評価した。この方法は、切欠き付き丸棒試験片に電解水素チャージ、塩酸浸漬、水素焼鈍炉により種々のレベルの拡散性水素量を含有させた後、遅れ破壊試験中に試料から大気中に水素が抜けることを防止するためにＣｄめっきを施し、その後、大気中で所定の荷重（引張強度ＴＳの９０％）を負荷し、遅れ破壊が発生しなくなる侵入水素量を評価するものである。この水素量を「限界侵入水素量」と定義する。限界侵入水素量が高いほど鋼材の耐遅れ破壊特性は良好であり、鋼材の成分、熱処理等の製造条件によって決まる鋼材固有の値である。なお、試料中の侵入水素量は、水素チャージ前後の鋼材を１００℃／時間で加熱して得られた水素放出曲線の面積分値の差によって求めており、水素トラップサイトに捕捉された水素量も含んだ値である。
その結果、本発明者らは水素トラップエネルギーが２５〜５０ｋＪ／ｍｏｌであり、かつ水素トラップ容量が０．５質量ｐｐｍ以上であるような、水素トラップサイトとなりうる酸化物、炭化物、窒化物の単独あるいは複合析出物の少なくとも１種を有する組織を形成させれば、１２００ＭＰａを超えるような高強度域でも限界侵入水素量が増加し、耐遅れ破壊特性が格段に向上するという知見を見出したのである（図２参照）。また、本発明者らは、上記知見に加え鋼材成分を選択することによって、上記水素トラップサイトとなりうる種類、形態の酸化物、炭化物、窒化物の単独あるいは複合析出物を有する組織を形成させることが可能である技術を確立した。
以上の検討結果に基づき、鋼材組成、組織形態を最適に選択すれば、遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトを実現できるという結論に達し、本発明をなしたものであり、その要旨は次のとおりである。
（１）５０℃、１０００ｃｃの２０質量％ＮＨ４ＳＣＮ水溶液に１００時間浸漬した後、２５℃の大気中で１００時間放置した後に、２５〜５０ｋＪ／ｍｏｌの活性化エネルギーによって脱離する水素量が０．５質量ｐｐｍ以上であることを特徴とする耐水素脆化特性の優れた鋼材。
（２）５０℃、１０００ｃｃの２０質量％ＮＨ４ＳＣＮ水溶液に１００時間浸漬した後、２５℃の大気中で１００時間放置した後に１００℃／時間の速度で昇温後水素分析をした際に、１８０℃以上４００℃以下の温度域で水素の放出ピークが得られ、かつ放出される水素の量が０．５質量ｐｐｍ以上であることを特徴とする耐水素脆化特性の優れた鋼材。
（３）長さ５０ｎｍ以下でかつ長さと厚みの比（アスペクト比）が３以上２０以下であるような板状で、かつＦＣＣ（面心立方）構造である炭化物、酸化物、窒化物あるいはこれらの複合化合物で、かつこれらを構成する金属成分として、Ｖを３０原子％以上含有し、かつＭｏを１０原子％以上含有するものを、０．１体積％以上含有することを特徴とする（１）または（２）記載の耐水素脆化特性の優れた鋼材。
（４）長さ５０ｎｍ以下でかつ長さと厚みの比（以下アスペクト比と称する）が３以上２０以下であるような板状でかつＦＣＣ（面心立方）構造の炭化物、酸化物、窒化物あるいはこれらの複合化合物で、かつこれらを構成する金属成分として、Ｖを３０原子％以上含有し、かつＷを８原子％以上含有するものを、０．１体積％以上含有することを特徴とする（１）または（２）記載の耐水素脆化特性の優れた鋼材。
（５）長さ５０ｎｍ以下でかつ長さと厚みの比（アスペクト比）が３以上２０以下であるような板状で、かつＦＣＣ（面心立方）構造である炭化物、酸化物、窒化物あるいはこれらの複合化合物で、かつこれらを構成する金属成分として、Ｖを３０原子％以上含有し、かつＭｏを１０原子％以上含有するものを、１×１０２０個／ｍ３以上の密度で含有することを特徴とする（３）記載の耐水素脆化特性の優れた鋼材。
（６）長さ５０ｎｍ以下でかつ長さと厚みの比（アスペクト比）が３以上２０以下であるような板状でかつＦＣＣ（面心立方）構造の炭化物、酸化物、窒化物あるいはこれらの複合化合物で、かつこれらを構成する金属成分として、Ｖを３０原子％以上含有し、かつＷを８原子％以上含有するものを、５×１０１９個／ｍ３以上の密度で含有することを特徴とする（４）記載の耐水素脆化特性の優れた鋼材。
（７）前記鋼材が、質量％で、
Ｃ：０．１０〜１．００％、
Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
Ｍｎ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜３．０％、
Ｖ：０．１〜１．５％、
を含有し、かつ０．５＜Ｍｏ／Ｖ＜５を満足することを特徴とする（１）〜（３），（５）のいずれか１項に記載の耐水素脆化特性の優れた鋼材。
（８）前記鋼材が、質量％で、
Ｃ：０．１０〜１．００％、
Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
Ｍｎ：０．２〜２．０％、
Ｗ：０．０５〜３．５％、
Ｖ：０．１〜１．５％、
を含有し、かつ０．３＜Ｗ／Ｖ＜７．０
を満足することを特徴とする（１），（２），（４），（６）のいずれか１項に記載の耐水素脆化特性の優れた高強度鋼材。
（９）前記鋼材が、さらに、質量％で、
Ｃｒ：０．０５〜３．０％、
Ｎｉ：０．０５〜３．０％、
Ｃｕ：０．０５〜２．０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする（７）記載の耐水素脆化特性の優れた鋼材。
（１０）前記鋼材が、さらに、質量％で、
Ｍｏ：０．０５〜３．０％、
Ｃｒ：０．０５〜３．０％、
Ｎｉ：０．０５〜３．０％、
Ｃｕ：０．０５〜２．０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする（８）に記載の耐水素脆化特性の優れた高強度鋼材。
（１１）前記鋼材が、さらに、質量％で、
Ａｌ：０．００５〜０．１％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｂ  ：０．０００３〜０．０５％、
Ｎ  ：０．００１〜０．０５％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする（７）〜（１０）のいずれかの項に記載の耐水素脆化特性の優れた鋼材。
【図面の簡単な説明】  図１は、加熱時の水素放出曲線を示す図である。
図２は、限界侵入水素量と水素トラップ容量の関係を示す図である。
図３は、炭化物の平均サイズと水素トラップ容量の関係を示す図である。
図４は、本発明（請求項３）を満たす炭化物の体積率と水素トラップ容量の関係を示す図である。
図５は、本発明（請求項４）を満たす炭化物の数密度と水素トラップ容量の関係を示す図である。
図６は、Ｖを３０原子％以上、Ｗを８原子％以上含有し、アスペクト比が３以上２０以下であり、かつＦＣＣ構造である析出物の炭化物の平均サイズと水素トラップ容量の関係を示す図である。
図７は、本発明（請求項５）を満たす炭化物の体積率と水素トラップ容量の関係を示す図である。
図８は、本発明（請求項６）を満たす炭化物の数密度と水素トラップ容量の関係を示す図である。
図９は、鋼材中のＷ／Ｖ比（ｗｔ．％比）と、ＦＣＣ合金炭化物の金属元素におけるＷおよびＶの原子％濃度の関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】（水素トラップサイト）
まず、本発明の目的である高強度鋼の遅れ破壊特性の向上に対して最も重要な点である水素トラップサイトの限定理由について述べる。遅れ破壊を引き起こす拡散性水素は腐食あるいは電気めっきによって発生し、室温で鋼材中に侵入する。腐食による水素侵入を想定して、５０℃、１０００ｃｃの２０質量％ＮＨ４ＳＣＮ水溶液に１００時間浸漬した後、２５℃の大気中で１００時間放置した後に、トラップエネルギーが２５〜５０ｋＪ／ｍｏｌ、望ましくは３０ｋＪ／ｍｏｌ〜５０ｋＪ／ｍｏｌの水素を、０．５質量ｐｐｍ以上、好ましくは１．０質量ｐｐｍ以上吸蔵しうるような組織に制御することによって、遅れ破壊特性を向上させることが可能になる。なお、トラップエネルギーが２５〜５０ｋＪ／ｍｏｌの水素は、１００℃／時間の速度で鋼材を加熱した場合、１８０℃以上６００℃以下の温度域で、３０ｋＪ／ｍｏｌ〜５０ｋＪ／ｍｏｌの水素は２００℃以上６００℃以下の温度域で放出ピークが得られる。
（組織形態）
１）次に、本発明による高強度鋼が水素を吸蔵しうる組織について説明する。高強度鋼の金属成分の内、Ｖを３０原子％以上含有し、かつＭｏを１０原子％以上含有する、長さ５０ｎｍ以下でかつ長さと厚みの比（以下アスペクト比と称する。）が３以上２０以下であるような板状で、かつＦＣＣ（面心立方）構造の炭化物、酸化物、窒化物あるいはこれらの複合化合物を、０．１体積％以上含有すること（図４参照）、
２）高強度鋼の金属成分の内、Ｖを３０原子％以上含有し、かつＭｏを１０原子％以上含有する、長さ４ｎｍ以上５０ｎｍ以下でかつ長さと厚みのアスペクト比が３以上２０以下であるような板状の炭化物、酸化物、窒化物あるいはこれらの複合化合物を、１×１０２０個／ｍ３以上の密度で含有すること（図５参照）、
３）金属成分の内、Ｖを３０原子％以上含有し、かつＷを８原子％以上含有する、長さ５０ｎｍ以下でかつ長さと厚みの比（以下アスペクト比と称する）が３以上２０以下であるような板状でかつＦＣＣ（面心立方）構造の炭化物、酸化物、窒化物あるいはこれらの複合化合物を、０．１体積％以上含有すること（図７参照）、
４）金属成分の内、Ｖを３０原子％以上含有し、かつＷを８原子％以上含有する、長さ４ｎｍ以上５０ｎｍ以下でかつ長さと厚みの比（以下アスペクト比と称する）が３以上２０以下であるような板状の炭化物、酸化物、窒化物あるいはこれらの複合化合物を、５×１０１９個／ｍ３以上の密度で含有すること（図８参照）、
によって、遅れ破壊特性を向上させることが可能になる。
なお、化合物のアスペクト比の測定に関して以下に述べる。
Ｖを３０原子％以上含有するＦＣＣ（面心立方）化合物は、鉄のフェライトの（１００）面上で、［００１］および［０１０］方向に、ほぼ正方形の板状に成長する。この方位関係は（０１０）面上、（００１）面上の成長でも等価であるため、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）の薄膜観察において、鉄マトリクスの｛１００｝面から観察すれば、３つの｛１００｝面上で成長した化合物が観察される。この内の２組は電子ビーム方向（観察方向）と平行な面上で成長しているので、長さと厚みを観察することができる。
（鋼材成分）
次に、本発明の対象とする鋼の成分の限定理由について述べる。なお、鋼材成分の量はいずれも質量％である。
Ｃ：鋼材の強度を確保する上で必須の元素であるが、０．１０％未満では所要の強度が得られず、一方、１．００％を超えると靭性を劣化させると共に、耐遅れ破壊特性も劣化させるために、０．１０〜１．００％の範囲に限定した。
Ｓｉ：固溶体硬化作用によって強度を高める作用があるが、０．０５％未満では前記作用が発揮できず、一方、２．０％を超えると添加量に見合う効果が期待できないために、０．０５〜２．０％の範囲に限定した。
Ｍｎ：脱酸、脱硫のために必要であるばかりでなく、マルテンサイト組織を得るための焼入性を高めるために有効な元素であるが、０．２％未満ではこの効果が得られず、一方、２．０％を超えるとオーステナイト域の温度に加熱時に粒界に偏析し、粒界を脆化させると共に、耐遅れ破壊特性を劣化させるために、０．２〜２．０％の範囲に限定した。
Ｍｏ：微細析出物を形成し、焼き戻し時の軟化を抑制する効果がある。また、板状ＦＣＣ化合物にも溶解し、これを安定化させる働きもある。ただし、その効果は３．０％で飽和するばかりでなく、それを超えて添加すると、変形抵抗の増大により加工性が損なわれるため、０．０５〜３．０％に限定した。
Ｖ：鋼中に微細な板状ＦＣＣ化合物を効率良く析出させるのに有効な元素である。ただし、その効果は０．１％以上でなければその効果が少なく、１．５％以上では飽和する。また、１．５％を超えて添加すると、変形抵抗の増大により加工性が損なわれるため、０．１〜１．５％に限定した。
Ｖ量とＭｏ量の比：Ｍｏ／Ｖは、ＦＣＣ炭化物の化学組成をコントロールし、水素トラップ容量を増大させるために重要なパラメータである。Ｍｏ／Ｖが０．５以下では水素トラップ容量が小さく、５より大きいとＭ２Ｃ、Ｍ６Ｃ等の粗大な炭化物の析出を促進するため０．５〜５に限定した。
Ｗ：Ｗは微細析出物を形成し、焼き戻し時の軟化を抑制する効果がある。また、板状ＦＣＣ化合物にも溶解し、これを安定化させる働きもある。ただしその効果は３．５％で飽和するばかりでなく、それを超えて添加すると、変形抵抗の増大により加工性が損なわれるため、０．０５〜３．５％に制限した。
Ｗ量とＶ量の比Ｗ／Ｖは、図９に示すように、ＦＣＣ炭化物の化学組成をコントロールし、水素トラップ容量を増大させるために重要なパラメータである。０．３以下では水素トラップ容量が小さく、７より大きいとＭ２Ｃ等のＦＣＣ構造ではない、あるいは粗大な炭化物の析出を促進するため、０．３〜７．０に制限した。
以上が本発明の対象とする鋼材の基本成分であるが、本発明においては、さらに、上述する鋼材に、第１群として、Ｃｒ：０．０５〜３．０％、Ｎｉ：０．０５〜３．０％、Ｃｕ：０．０５〜２．０％の１種または２種以上を、更に、第２群として、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％、Ｎｂ：０．００５〜０．３％、Ｂ：０．０００３〜０．０５％、Ｎ：０．００１〜０．０５％の１または２群以上を含有せしめることができる。以下にそれぞれの成分の添加理由について説明する。
Ｃｒ：焼入性の向上および焼戻し処理時の軟化抵抗を増加させるために有効な元素であるが、０．０５％未満ではその効果が十分に発揮できず、一方、３．０％を超えると靭性の劣化、冷間加工性の劣化を招くために、０．０５〜３．０％に限定した。
Ｎｉ：高強度化に伴って劣化する延性を向上させるとともに熱処理時の焼入性を向上させて引張強さを増加させるために添加されるが、０．０５％未満ではその効果が少なく、一方、３．０％を超えても添加量に見合う効果が発揮できないため、０．０５〜３．０％の範囲に限定した。
Ｃｕ：焼戻し軟化抵抗を高めるために有効な元素であるが、０．０５％未満では効果が発揮できず、２．０％を超えると熱間加工性が劣化するため、０．０５〜２．０％に限定した。
Ａｌ：脱酸および熱処理時においてＡｌＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止する効果と共にＮを固定する効果も有しているが、０．００５％未満ではこれらの効果が発揮されず、０．１％を超えても効果が飽和するため０．００５〜０．１％の範囲に限定した。
Ｔｉ：Ａｌと同様に脱酸および熱処理時においてＴｉＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止する効果と共に、Ｎを固定する効果も有しているが、０．００５％未満ではこれらの効果が発揮されず、０．３％を超えて添加しても効果が飽和するため０．００５〜０．３％の範囲に限定した。
Ｎｂ：Ｖと同様に炭窒化物を生成することにより、オーステナイト粒を微細化させるために有効な元素であるが、０．００５％未満では上記効果が不十分であり、一方、０．３％を超えるとこの効果が飽和するため、０．００５〜０．３％に限定した。
Ｂ：粒界破壊を抑制し遅れ破壊特性を向上させる効果がある。更に、Ｂはオーステナイト粒界に偏析することにより、焼入性を著しく高めるが、０．０００３％未満ではこの効果が発揮されず、０．０５％を超えても効果が飽和するため、０．０００３〜０．０５％に限定した。
Ｎ：Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉと結合して窒化物を形成し、旧オーステナイト粒の微細化、降伏強度の増加の効果がある。０．００１％未満ではその効果が小さく、０．０５％を超えても効果が飽和するため、０．００１〜０．０５％に限定した。好ましくは０．００５〜０．０１％とする。
（製造方法）
本発明においては、フェライトマトリックス中に微細な化合物を析出させることが重要である。焼戻し処理を施す場合は、５００℃以上で焼き戻すこと、パーライト変態処理においては５００℃以上で恒温変態させることが重要であり、その他の製造条件は特に制限する必要はない。これは、焼戻しあるいは恒温変態処理が５００℃未満では、水素トラップサイトとなるＦＣＣ（面心立方）構造の微細析出物が十分に得られないためである。より好ましい条件は５５０℃以上である。熱処理温度の上限は特に定める必要はないが、７００℃以上になると析出物が粗大化しトラップサイトとしての効果が低下するために７００℃未満とすることが望ましい。
【実施例１】  表１に示す化学組成を有する供試材を種々の条件で熱処理してマルテンサイト、焼き戻しマルテンサイト、ベイナイト、焼戻しベイナイト、パーライトの組織に調整した後、様々な温度に加熱した。上記の試料を用いて、機械的性質、組織形態、遅れ破壊特性について評価した結果を表２に示す。水素チャージは、腐食による水素侵入を想定して５０℃、１０００ｃｃの２０質量％ＮＨ４ＳＣＮ溶液中に２０時間以上浸漬することによって行った。その後室温で１００時間保持し、拡散性水素を十分放出させた後に残留している水素量をトラップ水素容量として評価した。
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表１および表２は請求項７および９に相当する実施例で、試験Ｎｏ．１〜１６が本発明例で、その他は比較例である。同表に見られるように本発明例はいずれも０．５質量ｐｐｍ以上の水素トラップ能を示す。これに対して比較例であるＮｏ．１７はＣ含有量が低すぎるために本発明で目的とする０．１体積％以上の炭化物量が確保できず、水素トラップ量が低い例である。また、比較例であるＮｏ．１８は、炭化物が粗大化しすぎ、水素トラップ量が低い例である。比較例であるＮｏ．１９、２１は、鋼のＭｏ／Ｖ比が高すぎ、Ｍｏ主体のＭ２Ｃ炭化物が析出し、水素トラップ量が低い例である。比較例であるＮｏ．２０、２５、２６、２７は、鋼のＭｏ／Ｖ比が低すぎ、水素トラップ量が低い例である。比較例であるＮｏ．２２、２３は、熱処理条件が不適切であったため、０．１体積％以上の炭化物量が確保できず、水素トラップ量が低い例である。比較例であるＮｏ．２４は、鋼のＭｏ／Ｖ比が高すぎ、Ｍｏ主体のＭ６Ｃ炭化物が析出し、水素トラップ量が低い例である。
【実施例２】  表３に示す化学組成を有する供試材を種々の条件で熱処理してマルテンサイト、焼き戻しマルテンサイト、ベイナイト、焼戻しベイナイト、パーライトの組織に調整した後、様々な温度に加熱した。上記の試料を用いて、機械的性質、組織形態、耐遅れ破壊特性について評価した結果を表４に示す。水素チャージは、腐食による水素侵入を想定して５０℃、１０００ｃｃの２０質量％ＮＨ４ＳＣＮ溶液中に２０時間以上浸漬することによって行った。その後室温で１００時間保持し、拡散性水素を十分放出させた後に残留している水素量をトラップ水素容量として評価した。
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表３、４は請求項８および１０に相当する実施例で、試験Ｎｏ．２８〜４１が本発明例で、その他は比較例である。同表に見られるように本発明例はいずれも０．６質量ｐｐｍ以上の水素トラップ能を示す。これに対して比較例であるＮｏ．４２はＣ含有量が低すぎるために本発明で目的とする０．１体積％以上のＦＣＣ合金炭化物量が確保できず、水素トラップ量が低い例である。
比較例であるＮｏ．５４は、Ｓｉ添加量が高すぎたために加工性、延性が悪く、遅れ破壊特性が改善されなかった例である。
比較例であるＮｏ．５５は、Ｔｉ添加量が高すぎたために粗大なＴｉＣ炭化物が主体となったため、水素トラップ量が低い例である。
比較例であるＮｏ．５７は、Ｎｂ添加量が高すぎたために粗大なＮｂＣ炭化物が主体となったため、水素トラップ量が低い例である。
比較例であるＮｏ．４６、４７、４８、４９、５０、５１、５３、５６は、鋼のＷ／Ｖ比が高すぎ、Ｗ主体のＭ２Ｃ炭化物が析出し、水素トラップ量が低い例である。
比較例であるＮｏ．４４、５２、５８、５９は、鋼のＷ／Ｖ比が低すぎ、水素トラップ量が低い例である。
比較例であるＮｏ．４３、４５は、熱処理条件が不適切であったため、０．１体積％のＦＣＣ合金炭化物量が確保できず、水素トラップ量が低い例である。
【産業上の利用可能性】  上述したように、本発明は適切な構造、サイズ、成分、数密度の炭化物を、マルテンサイト、焼き戻しマルテンサイト、ベイナイト、焼戻しベイナイト、パーライトの組織中で析出させることによって、鋼材の水素トラップ能を向上させ、鋼材の水素脆化を引き起こす拡散性水素量を相対的に低下させることによって、１２００Ｍｐａ以上の高強度鋼材でも耐水素脆化特性を向上させることが可能となる。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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