JP2020132979A - オーステナイト系ステンレス鋼及びオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高強度を有し、溶接部の低温靱性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提供する。【解決手段】オーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：６．０〜１２．０％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０５００％以下、Ｎｉ：１５．０〜１７．０％、Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｎｂ：０．０１〜０．３０％、Ｎ：０．４０〜０．６０％、Ｍｏ：０〜５．０％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなり、式（１）〜式（３）を満たす化学組成を有し、未固溶のＶ含有量が０．２０質量％以下、未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％以下である。Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）【選択図】なし
Description
本開示は、オーステナイト系ステンレス鋼及びオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法に関する。
化石燃料に代えて、水素をエネルギーとして利用する輸送機器の実用化研究が活発に進められている。水素エネルギーの実用化に際しては、水素を高圧で貯蔵、輸送できる使用環境の整備が併せて必要である。そのため、水素の貯蔵施設及び輸送施設に使用される材料として、水素環境下での耐脆化特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の開発が進められている。これらのオーステナイト系ステンレス鋼は、高圧の水素に耐えるために高強度を有することが望まれる。
現状、水素の貯蔵及び輸送は、圧縮水素ガスを用いて行われるのが主流である。一方で、液体水素を用いれば、より効率的に水素を貯蔵及び輸送できる。そのため、近年では、液体水素を用いた水素の貯蔵施設及び輸送施設に適したオーステナイト系ステンレス鋼の検討が行われている。
たとえば、特開２０１７−８４１３号公報（特許文献１）、国際公開第２０１２／１３２９９２号（特許文献２）及び国際公開第２０１７／１７５７３９号（特許文献３）には、高圧水素用途のオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。
特許文献１の低温水素用オーステナイト系ステンレス鋼は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％未満、Ｍｎ：３．０〜１７．０％、Ｎｉ：９．５〜１５％、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｎ：０．２０％を超え０．３５％以下、Ｎｂ：０〜０．３％、Ｖ：０〜０．３％、Ｃｕ：０〜４．０％、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｏ：０〜３％、Ｔｉ：０〜０．３％、
Ｂ：０〜０．０１％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、ＲＥＭ：０〜０．５％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、固溶Ｎ量が０．２０質量％以上であり、化学組成が、下記式（１）及び（２）を満たす。
Ｎｂ＋Ｖ≧０．１（１）
Ｎｉ＋１２．９３Ｃ＋１．１１Ｍｎ＋０．７２Ｃｒ＋０．８８Ｍｏ−０．２７Ｓｉ＋０．１９Ｎｂ＋０．５３Ｃｕ＋０．９Ｖ＋７．５５Ｎ≧３０．０（２）
これにより、強度、低温靱性、及び低温における耐水素脆性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が得られる、と特許文献１に記載されている。
Ｂ：０〜０．０１％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、ＲＥＭ：０〜０．５％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、固溶Ｎ量が０．２０質量％以上であり、化学組成が、下記式（１）及び（２）を満たす。
Ｎｂ＋Ｖ≧０．１（１）
Ｎｉ＋１２．９３Ｃ＋１．１１Ｍｎ＋０．７２Ｃｒ＋０．８８Ｍｏ−０．２７Ｓｉ＋０．１９Ｎｂ＋０．５３Ｃｕ＋０．９Ｖ＋７．５５Ｎ≧３０．０（２）
これにより、強度、低温靱性、及び低温における耐水素脆性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が得られる、と特許文献１に記載されている。
特許文献２の高圧水素ガス用オーステナイトステンレス鋼は、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／μｍ2以上含有することを特徴とする。これにより、Ｍｎが７％未満の組成領域で、引張強度８００ＭＰａ以上の高強度でかつ水素環境脆化特性に優れた、オーステナイトステンレス鋼が得られる、と特許文献２に記載されている。
特許文献３のオーステナイト系ステンレス鋼材は、質量％で、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３〜８％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｃｒ：１５〜３０％、Ｎ：０．２０〜０．７０％、Ｍｏ：０〜５．０％、Ｖ：０〜０．５％、及び、Ｎｂ：０〜０．５％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、ＡＳＴＭ Ｅ １１２に準拠した結晶粒度番号が６．０以上であり、引張強度が８００ＭＰａ以上であり、引張強度の最大値と最小値との差が５０ＭＰａ以下であり、鋼中の円相当径が１０００ｎｍを超える合金炭窒化物の個数が１０個／ｍｍ2以上である。これにより、鋼材全長にわたって安定した高強度を有するオーステナイト系ステンレス鋼が得られる、と特許文献３に記載されている。
特許文献１〜特許文献３に開示された技術により、低温靱性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が得られる。
ところで、水素の貯蔵施設及び輸送施設を建設するのに際し、部材を溶接により接合することがある。溶接部には、溶接部以外と同様に、優れた低温靱性が要求される。しかしながら、特許文献１〜特許文献３に開示された技術では、溶接部における優れた低温靱性が得られない場合がある。
本開示の目的は、高強度を有し、さらに、溶接部の低温靱性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼及びオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法を提供することである。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：６．０〜１２．０％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０５００％以下、Ｎｉ：１５．０〜１７．０％、Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｎｂ：０．０１〜０．３０％、Ｎ：０．４０〜０．６０％、Ｍｏ：０〜５．０％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなり、式（１）〜式（３）を満たす化学組成を有し、未固溶のＶ含有量が０．２０質量％以下であり、未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％以下である。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（１）〜式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（１）〜式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法は、準備工程と、熱間加工工程と、最終熱処理工程とを備える。準備工程では、質量％で、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：６．０〜１２．０％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０５００％以下、Ｎｉ：１５．０〜１７．０％、Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｎｂ：０．０１〜０．３０％、Ｎ：０．４０〜０．６０％、Ｍｏ：０〜５．０％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなり、式（１）〜式（３）を満たす化学組成を有する素材を準備する。熱間加工工程では、素材を熱間加工して中間材を製造する。最終熱処理工程では、中間材を、１０００℃以上の温度で最終熱処理する。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（１）〜式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（１）〜式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼は、高強度を有し、さらに、溶接部の低温靱性に優れる。また、本開示のオーステナイト系ステンレス鋼は、たとえば本開示の製造方法で製造できる。
本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼の高強度化、及び、オーステナイト系ステンレス鋼を溶接した場合の溶接部の低温靱性について調査及び検討し、次の知見を得た。
オーステナイト系ステンレス鋼の強度を高めるには、結晶粒の細粒化、固溶強化又は析出強化等様々な方法がある。たとえば、多量の析出物によりオーステナイト系ステンレス鋼の強度を高めることができる。しかしながら、析出物はオーステナイト系ステンレス鋼の低温靱性を低下させる。そのため、析出物は抑制しつつ、窒素（Ｎ）の固溶強化により強度を高めることが有効である。
オーステナイト系ステンレス鋼同士を溶接により接合する場合、オーステナイト系ステンレス鋼の母材の一部が溶融し、凝固することで溶接金属が形成される。溶接金属からなる領域を溶接部という。本発明者らは、溶接部の低温靱性を高める方法を検討した。その結果、オーステナイト系ステンレス鋼の化学組成が適切、特にＮｉを１５．０％以上含有し、さらに式（１）〜式（３）を満たす化学組成を有し、かつ、未固溶のＶ含有量が０．２０質量％以下であり、未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％以下であれば、溶接部の低温靱性が高まることを新たに知見した。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（１）〜式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（１）〜式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
以上の知見に基づいて完成した本開示のオーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：６．０〜１２．０％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０５００％以下、Ｎｉ：１５．０〜１７．０％、Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｎｂ：０．０１〜０．３０％、Ｎ：０．４０〜０．６０％、Ｍｏ：０〜５．０％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなり、式（１）〜式（３）を満たす化学組成を有し、未固溶のＶ含有量が０．２０質量％以下であり、未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％以下である。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（１）〜式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（１）〜式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼は、高強度を得るため、及び、溶接部の低温靱性を高めるための適切な化学組成を有し、かつ、式（１）〜式（３）を満たす。本開示のオーステナイト系ステンレス鋼はさらに、未固溶のＶ含有量が０．２０質量％以下であり、未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％以下である。そのため、本開示のオーステナイト系ステンレス鋼は、高強度を有し、さらに、溶接部の低温靱性に優れる。
上記オーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、Ｍｏ：０．１〜５．０％を含有してもよい。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法は、準備工程と、熱間加工工程と、最終熱処理工程とを備える。準備工程では、質量％で、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：６．０〜１２．０％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０５００％以下、Ｎｉ：１５．０〜１７．０％、Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｎｂ：０．０１〜０．３０％、Ｎ：０．４０〜０．６０％、Ｍｏ：０〜５．０％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなり、式（１）〜式（３）を満たす化学組成を有する素材を準備する。熱間加工工程では、素材を熱間加工して中間材を製造する。最終熱処理工程では、中間材を、１０００℃以上の温度で最終熱処理する。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（１）〜式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（１）〜式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
上記オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法において、化学組成は、Ｍｏ：０．１〜５．０％を含有してもよい。
以下、本開示のオーステナイト系ステンレス鋼材について詳述する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。
［化学組成］
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
Ｃ：０．１０％以下
炭素（Ｃ）は不可避に含有される。Ｃは水素脆性を生じにくいｆｃｃ構造であるオーステナイトを安定化する。Ｃはさらに、Ｃｒ等と結合し、析出強化により鋼の強度を高める。しかしながら、Ｃ含有量が高すぎれば、炭化物が粒界に析出して鋼の靭性を低下する。したがって、Ｃ含有量は０．１０％以下である。Ｃ含有量の上限は好ましくは０．０８％であり、より好ましくは０．０６％である。Ｃは不可避に含有されるため、Ｃ含有量の下限は０％超である。しかしながら、過度な脱炭は生産性を低下させるため、Ｃ含有量の下限はたとえば０．００１％である。また、オーステナイトを安定化するためのＣ含有量の好ましい下限は０．００５％である。
炭素（Ｃ）は不可避に含有される。Ｃは水素脆性を生じにくいｆｃｃ構造であるオーステナイトを安定化する。Ｃはさらに、Ｃｒ等と結合し、析出強化により鋼の強度を高める。しかしながら、Ｃ含有量が高すぎれば、炭化物が粒界に析出して鋼の靭性を低下する。したがって、Ｃ含有量は０．１０％以下である。Ｃ含有量の上限は好ましくは０．０８％であり、より好ましくは０．０６％である。Ｃは不可避に含有されるため、Ｃ含有量の下限は０％超である。しかしながら、過度な脱炭は生産性を低下させるため、Ｃ含有量の下限はたとえば０．００１％である。また、オーステナイトを安定化するためのＣ含有量の好ましい下限は０．００５％である。
Ｓｉ：１．００％以下
シリコン（Ｓｉ）は、Ｎｉ及びＣｒと結合して金属間化合物を形成する。Ｓｉはさらに、シグマ相（σ相）等の金属間化合物の成長を促進する。これらの金属間化合物は、鋼の熱間加工性を低下する。したがって、Ｓｉ含有量は１．００％以下である。Ｓｉ含有量の上限は好ましくは０．８０％であり、より好ましくは０．６０％である。Ｓｉ含有量の下限は０％超である。しかしながら、精錬コストを考慮して、Ｓｉ含有量の下限はたとえば０．１０％である。また、鋼の脱酸の観点から、Ｓｉ含有量の下限は０．２０％であってもよい。
シリコン（Ｓｉ）は、Ｎｉ及びＣｒと結合して金属間化合物を形成する。Ｓｉはさらに、シグマ相（σ相）等の金属間化合物の成長を促進する。これらの金属間化合物は、鋼の熱間加工性を低下する。したがって、Ｓｉ含有量は１．００％以下である。Ｓｉ含有量の上限は好ましくは０．８０％であり、より好ましくは０．６０％である。Ｓｉ含有量の下限は０％超である。しかしながら、精錬コストを考慮して、Ｓｉ含有量の下限はたとえば０．１０％である。また、鋼の脱酸の観点から、Ｓｉ含有量の下限は０．２０％であってもよい。
Ｍｎ：６．０〜１２．０％
マンガン（Ｍｎ）はオーステナイトを安定化して、水素脆化感受性の高いマルテンサイトの生成を抑制する。Ｍｎはさらに、Ｎの溶解量を高め、Ｎの固溶強化の作用を高める。Ｍｎ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、鋼の延性及び熱間加工性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は６．０〜１２．０％である。Ｍｎ含有量の下限は好ましくは６．３％であり、より好ましくは６．５％であり、さらに好ましくは６．８％である。Ｍｎ含有量の上限は好ましくは１１．５％であり、より好ましくは１１．０％であり、さらに好ましくは１０．５％である。
マンガン（Ｍｎ）はオーステナイトを安定化して、水素脆化感受性の高いマルテンサイトの生成を抑制する。Ｍｎはさらに、Ｎの溶解量を高め、Ｎの固溶強化の作用を高める。Ｍｎ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、鋼の延性及び熱間加工性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は６．０〜１２．０％である。Ｍｎ含有量の下限は好ましくは６．３％であり、より好ましくは６．５％であり、さらに好ましくは６．８％である。Ｍｎ含有量の上限は好ましくは１１．５％であり、より好ましくは１１．０％であり、さらに好ましくは１０．５％である。
Ｐ：０．０５０％以下
燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは鋼の熱間加工性及び靭性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０５０％以下である。Ｐ含有量の上限は好ましくは０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０３５％であり、さらに好ましくは０．０２５％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、過度な脱燐は生産性を低下させるため、Ｐ含有量の下限は好ましくは０％超であり、より好ましくは０．００５％である。
燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは鋼の熱間加工性及び靭性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０５０％以下である。Ｐ含有量の上限は好ましくは０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０３５％であり、さらに好ましくは０．０２５％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、過度な脱燐は生産性を低下させるため、Ｐ含有量の下限は好ましくは０％超であり、より好ましくは０．００５％である。
Ｓ：０．０５００％以下
硫黄（Ｓ）は、不純物である。Ｓは鋼の熱間加工性及び靭性を低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０５００％以下である。Ｓ含有量の上限は好ましくは０．０３００％であり、より好ましくは０．００２０％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、過度な脱硫は生産性を低下させるため、Ｓ含有量の下限は好ましくは０％超であり、より好ましくは０．０００２％である。
硫黄（Ｓ）は、不純物である。Ｓは鋼の熱間加工性及び靭性を低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０５００％以下である。Ｓ含有量の上限は好ましくは０．０３００％であり、より好ましくは０．００２０％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、過度な脱硫は生産性を低下させるため、Ｓ含有量の下限は好ましくは０％超であり、より好ましくは０．０００２％である。
Ｎｉ：１５．０〜１７．０％
ニッケル（Ｎｉ）はオーステナイトを安定化する。Ｎｉはさらに、鋼の延性及び靭性を高める。また、本開示の化学組成を満たし、後述する式（１）〜式（３）を満たした上で、Ｎｉ含有量が１５．０％以上であれば、溶接部の低温靱性が高まる。Ｎｉ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｎｉ含有量が高すぎれば、上記効果が飽和し、製造コストが高くなる。したがって、Ｎｉ含有量は１５．０〜１７．０％である。Ｎｉ含有量の下限は好ましくは１５．３％であり、より好ましくは１５．５％であり、さらに好ましくは１５．７％である。Ｎｉ含有量の上限は好ましくは１６．９％であり、より好ましくは１６．８％であり、さらに好ましくは１６．５％である。
ニッケル（Ｎｉ）はオーステナイトを安定化する。Ｎｉはさらに、鋼の延性及び靭性を高める。また、本開示の化学組成を満たし、後述する式（１）〜式（３）を満たした上で、Ｎｉ含有量が１５．０％以上であれば、溶接部の低温靱性が高まる。Ｎｉ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｎｉ含有量が高すぎれば、上記効果が飽和し、製造コストが高くなる。したがって、Ｎｉ含有量は１５．０〜１７．０％である。Ｎｉ含有量の下限は好ましくは１５．３％であり、より好ましくは１５．５％であり、さらに好ましくは１５．７％である。Ｎｉ含有量の上限は好ましくは１６．９％であり、より好ましくは１６．８％であり、さらに好ましくは１６．５％である。
Ｃｒ：１５．０〜３０．０％
クロム（Ｃｒ）は鋼の耐食性を高める。Ｃｒはさらに、熱処理によりＣ及びＮと結合してＣｒ2Ｎ等の合金炭窒化物を形成して、析出強化により鋼の強度を高める。Ｃｒ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、Ｍ23Ｃ6型の炭化物が生成し、鋼の延性及び靭性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１５．０〜３０．０％である。Ｃｒ含有量の下限は好ましくは２０．５％であり、より好ましくは２１．０％であり、さらに好ましくは２１．５％である。Ｃｒ含有量の上限は好ましくは２７．０％であり、より好ましくは２５．０％であり、さらに好ましくは２３．５％である。
クロム（Ｃｒ）は鋼の耐食性を高める。Ｃｒはさらに、熱処理によりＣ及びＮと結合してＣｒ2Ｎ等の合金炭窒化物を形成して、析出強化により鋼の強度を高める。Ｃｒ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、Ｍ23Ｃ6型の炭化物が生成し、鋼の延性及び靭性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１５．０〜３０．０％である。Ｃｒ含有量の下限は好ましくは２０．５％であり、より好ましくは２１．０％であり、さらに好ましくは２１．５％である。Ｃｒ含有量の上限は好ましくは２７．０％であり、より好ましくは２５．０％であり、さらに好ましくは２３．５％である。
Ｖ：０．０１〜０．３０％
バナジウム（Ｖ）は炭窒化物を生成し、鋼の強度を高める。Ｖ炭窒化物は、ＶＣ及びＶＮを含む。Ｖ含有量が低すぎればこの効果を得られない。しかしながら、Ｖ含有量が高すぎれば、その効果は飽和し、製造コストが高くなる。Ｖ含有量が高すぎればさらに、未固溶のＶ含有量が多くなり過ぎ、溶接部の低温靱性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０．０１〜０．３０％である。Ｖ含有量の下限は好ましくは０．０２％であり、より好ましくは０．０５％である。Ｖ含有量の上限は好ましくは０．２８％であり、より好ましくは０．２６％であり、さらに好ましくは０．２０％である。
バナジウム（Ｖ）は炭窒化物を生成し、鋼の強度を高める。Ｖ炭窒化物は、ＶＣ及びＶＮを含む。Ｖ含有量が低すぎればこの効果を得られない。しかしながら、Ｖ含有量が高すぎれば、その効果は飽和し、製造コストが高くなる。Ｖ含有量が高すぎればさらに、未固溶のＶ含有量が多くなり過ぎ、溶接部の低温靱性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０．０１〜０．３０％である。Ｖ含有量の下限は好ましくは０．０２％であり、より好ましくは０．０５％である。Ｖ含有量の上限は好ましくは０．２８％であり、より好ましくは０．２６％であり、さらに好ましくは０．２０％である。
Ｎｂ：０．０１〜０．３０％
ニオブ（Ｎｂ）は炭窒化物を生成し、鋼の強度を高める。Ｎｂ炭窒化物は、ＮｂＣ及びＮｂＮを含む。Ｎｂ含有量が低すぎればこの効果を得られない。しかしながら、Ｎｂ含有量が高すぎれば、その効果は飽和し、製造コストが高くなる。Ｎｂ含有量が高すぎればさらに、未固溶のＮｂ含有量が多くなり過ぎ、溶接部の低温靱性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０．０１〜０．３０％である。Ｎｂ含有量の下限は好ましくは０．０２％であり、より好ましくは０．０５％である。Ｎｂ含有量の上限は好ましくは０．２８％であり、より好ましくは０．２６％であり、さらに好ましくは０．２０％である。
ニオブ（Ｎｂ）は炭窒化物を生成し、鋼の強度を高める。Ｎｂ炭窒化物は、ＮｂＣ及びＮｂＮを含む。Ｎｂ含有量が低すぎればこの効果を得られない。しかしながら、Ｎｂ含有量が高すぎれば、その効果は飽和し、製造コストが高くなる。Ｎｂ含有量が高すぎればさらに、未固溶のＮｂ含有量が多くなり過ぎ、溶接部の低温靱性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０．０１〜０．３０％である。Ｎｂ含有量の下限は好ましくは０．０２％であり、より好ましくは０．０５％である。Ｎｂ含有量の上限は好ましくは０．２８％であり、より好ましくは０．２６％であり、さらに好ましくは０．２０％である。
Ｎ：０．４０〜０．６０％
窒素（Ｎ）はオーステナイトを安定化する。Ｎはさらに、固溶強化により鋼の強度を高める。本開示ではＮ含有量を高めることで固溶強化により高圧の水素に適した強度を得る。Ｎ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、鋼の靭性及び加工性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．４０〜０．６０％である。Ｎ含有量の下限は好ましくは０．４１％であり、より好ましくは０．４２％であり、さらに好ましくは０．４３％である。Ｎ含有量の上限は好ましくは０．５９％であり、より好ましくは０．５８％であり、さらに好ましくは０．５５％である。
窒素（Ｎ）はオーステナイトを安定化する。Ｎはさらに、固溶強化により鋼の強度を高める。本開示ではＮ含有量を高めることで固溶強化により高圧の水素に適した強度を得る。Ｎ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、鋼の靭性及び加工性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．４０〜０．６０％である。Ｎ含有量の下限は好ましくは０．４１％であり、より好ましくは０．４２％であり、さらに好ましくは０．４３％である。Ｎ含有量の上限は好ましくは０．５９％であり、より好ましくは０．５８％であり、さらに好ましくは０．５５％である。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、オーステナイト系ステンレス鋼を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、本開示のオーステナイト系ステンレス鋼に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
［任意元素について］
本開示によるオーステナイト系ステンレス鋼はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｍｏを含有してもよい。
本開示によるオーステナイト系ステンレス鋼はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｍｏを含有してもよい。
Ｍｏ：０〜５．０％
モリブデン（Ｍｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｍｏはオーステナイトを固溶強化する。Ｍｏはさらに、鋼の耐食性を高める。しかしながら、Ｍｏ含有量が高すぎれば、金属間化合物が析出しやすくなり、鋼の延性及び靭性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０〜５．０％である。Ｍｏ含有量の下限は好ましくは０．１％であり、より好ましくは０．３％であり、さらに好ましくは０．５％である。Ｍｏ含有量の上限は好ましくは４．５％であり、より好ましくは４．０％であり、さらに好ましくは３．５％であり、さらに好ましくは３．０％である。
モリブデン（Ｍｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｍｏはオーステナイトを固溶強化する。Ｍｏはさらに、鋼の耐食性を高める。しかしながら、Ｍｏ含有量が高すぎれば、金属間化合物が析出しやすくなり、鋼の延性及び靭性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０〜５．０％である。Ｍｏ含有量の下限は好ましくは０．１％であり、より好ましくは０．３％であり、さらに好ましくは０．５％である。Ｍｏ含有量の上限は好ましくは４．５％であり、より好ましくは４．０％であり、さらに好ましくは３．５％であり、さらに好ましくは３．０％である。
［式（１）〜式（３）について］
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、上記各元素の含有量を満たし、かつ、式（１）〜式（３）を満たす。これにより、高強度を有し、さらに、溶接部の低温靱性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が得られる。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、上記各元素の含有量を満たし、かつ、式（１）〜式（３）を満たす。これにより、高強度を有し、さらに、溶接部の低温靱性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が得られる。
［式（１）について］
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、式（１）を満たす。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
ここで、式（１）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、式（１）を満たす。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
ここで、式（１）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
Ｆ１＝Ｎｂ＋Ｖと定義する。Ｆ１が０．４０より高ければ、析出物が抑制できず、オーステナイト系ステンレス鋼の低温靱性が低下する。したがって、Ｆ１は０．４０以下である。Ｆ１の下限は０．０２である。Ｆ１の下限は好ましくは０．０５であり、より好ましくは０．１０である。Ｆ１の上限は好ましくは０．３９であり、より好ましくは０．３５であり、さらに好ましくは０．３０であり、さらに好ましくは０．２７である。
［式（２）について］
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、式（２）を満たす。
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
ここで、式（２）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、式（２）を満たす。
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
ここで、式（２）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
Ｆ２＝Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３と定義する。Ｆ２が０未満であれば、溶接部の低温靱性を高めることができない。これは、溶接部のδ−フェライトを抑制できないためと考えられる。したがって、Ｆ２は０以上である。Ｆ２の下限は好ましくは０．２であり、より好ましくは１．０であり、さらに好ましくは２．０である。Ｆ２の上限は、たとえば２０．０である。Ｆ２の上限は好ましくは１５．０であり、より好ましくは１３．０である。
［式（３）について］
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、式（３）を満たす。
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、式（３）を満たす。
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
Ｆ３＝Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７と定義する。Ｆ３が０未満であれば、溶接部の低温靱性を高めることができない。これは、溶接部のδ−フェライトを抑制できないためと考えられる。したがって、Ｆ３は０以上である。Ｆ３の下限は好ましくは１．０であり、より好ましくは２．０である。Ｆ３の上限は、たとえば２０．０である。Ｆ３の上限は好ましくは１５．０であり、より好ましくは１２．０である。
［ミクロ組織］
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼のミクロ組織はオーステナイト単相である。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼のミクロ組織はオーステナイト単相である。
［未固溶のＶ含有量について］
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼は未固溶のＶ含有量が０．２０質量％以下である。Ｖは炭窒化物を形成する。Ｖ炭窒化物を抑制できれば、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部の低温靱性が高まる。未固溶のＶ含有量は、Ｖ炭窒化物の生成量に依存する。つまり、未固溶のＶ含有量が０．２０質量％以下ということは、Ｖ炭窒化物の生成が抑制されていることを意味する。この場合、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部の低温靱性が高まる。未固溶のＶ含有量は少ない程好ましい。未固溶のＶ含有量の下限は０質量％であってもよい。しかしながら、Ｖ炭窒化物を完全に除去することは、製造上困難な場合があるので、未固溶のＶ含有量の下限は好ましくは０．０１質量％であり、より好ましくは０．０２質量％である。未固溶のＶ含有量の上限はより好ましくは０．１８質量％であり、より好ましくは０．１５質量％である。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼は未固溶のＶ含有量が０．２０質量％以下である。Ｖは炭窒化物を形成する。Ｖ炭窒化物を抑制できれば、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部の低温靱性が高まる。未固溶のＶ含有量は、Ｖ炭窒化物の生成量に依存する。つまり、未固溶のＶ含有量が０．２０質量％以下ということは、Ｖ炭窒化物の生成が抑制されていることを意味する。この場合、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部の低温靱性が高まる。未固溶のＶ含有量は少ない程好ましい。未固溶のＶ含有量の下限は０質量％であってもよい。しかしながら、Ｖ炭窒化物を完全に除去することは、製造上困難な場合があるので、未固溶のＶ含有量の下限は好ましくは０．０１質量％であり、より好ましくは０．０２質量％である。未固溶のＶ含有量の上限はより好ましくは０．１８質量％であり、より好ましくは０．１５質量％である。
［未固溶のＮｂ含有量について］
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼は未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％以下である。Ｎｂは炭窒化物を形成する。Ｎｂ炭窒化物を抑制できれば、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部の低温靱性が高まる。未固溶のＮｂ含有量は、Ｎｂ炭窒化物の生成量に依存する。つまり、未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％以下ということは、Ｎｂ炭窒化物の生成が抑制されていることを意味する。この場合、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部の低温靱性が高まる。未固溶のＮｂ含有量は少ない程好ましい。未固溶のＮｂ含有量の下限は０質量％であってもよい。しかしながら、Ｎｂ炭窒化物を完全に除去することは、製造上困難な場合があるので、未固溶のＮｂ含有量の下限は好ましくは０．０１質量％であり、より好ましくは０．０２質量％である。未固溶のＮｂ含有量の上限はより好ましくは０．１８質量％であり、より好ましくは０．１５質量％である。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼は未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％以下である。Ｎｂは炭窒化物を形成する。Ｎｂ炭窒化物を抑制できれば、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部の低温靱性が高まる。未固溶のＮｂ含有量は、Ｎｂ炭窒化物の生成量に依存する。つまり、未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％以下ということは、Ｎｂ炭窒化物の生成が抑制されていることを意味する。この場合、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部の低温靱性が高まる。未固溶のＮｂ含有量は少ない程好ましい。未固溶のＮｂ含有量の下限は０質量％であってもよい。しかしながら、Ｎｂ炭窒化物を完全に除去することは、製造上困難な場合があるので、未固溶のＮｂ含有量の下限は好ましくは０．０１質量％であり、より好ましくは０．０２質量％である。未固溶のＮｂ含有量の上限はより好ましくは０．１８質量％であり、より好ましくは０．１５質量％である。
［未固溶のＶ含有量、及び、未固溶のＮｂ含有量の測定方法］
未固溶のＶ含有量、及び、未固溶のＮｂ含有量は次の方法で測定する。オーステナイト系ステンレス鋼の一部を採取し、試験片とする。試験片を１０％アセチルアセトン−１％テトラメチルアンモニウムクロライド／メタノールの電解液を用いて電解する。得られた電解液を０．２μｍメッシュのフィルターを用いてろ過する。ろ過後に残った残渣を酸で分解する。酸での分解条件は以下のとおりであった、酸：硫酸５ｍｌ＋リン酸５ｍｌ＋過塩素酸５ｍｌ＋硝酸１０ｍｌ＋水５ｍｌ、温度：約２９０℃、処理時間：約３０分。得られた溶液をＩＣＰ分析法（高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法）により分析する。ＩＣＰ発光分光分析装置は島津製作所製ＩＣＰＶ−１０１７（誘導結合プラズマ発光分光分析装置）を用いる。
未固溶のＶ含有量、及び、未固溶のＮｂ含有量は次の方法で測定する。オーステナイト系ステンレス鋼の一部を採取し、試験片とする。試験片を１０％アセチルアセトン−１％テトラメチルアンモニウムクロライド／メタノールの電解液を用いて電解する。得られた電解液を０．２μｍメッシュのフィルターを用いてろ過する。ろ過後に残った残渣を酸で分解する。酸での分解条件は以下のとおりであった、酸：硫酸５ｍｌ＋リン酸５ｍｌ＋過塩素酸５ｍｌ＋硝酸１０ｍｌ＋水５ｍｌ、温度：約２９０℃、処理時間：約３０分。得られた溶液をＩＣＰ分析法（高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法）により分析する。ＩＣＰ発光分光分析装置は島津製作所製ＩＣＰＶ−１０１７（誘導結合プラズマ発光分光分析装置）を用いる。
［引張強さについて］
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の引張強さは好ましくは７００ＭＰａ以上である。引張強さの下限はより好ましくは７５０ＭＰａであり、さらに好ましくは８００ＭＰａである。引張強さの上限は特に限定されないが、たとえば１０００ＭＰａであり、好ましくは９５０ＭＰａであり、より好ましくは９３０ＭＰａである。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の引張強さは好ましくは７００ＭＰａ以上である。引張強さの下限はより好ましくは７５０ＭＰａであり、さらに好ましくは８００ＭＰａである。引張強さの上限は特に限定されないが、たとえば１０００ＭＰａであり、好ましくは９５０ＭＰａであり、より好ましくは９３０ＭＰａである。
［引張強さの測定方法］
引張強さはＪＩＳ Ｚ２２４１（２０１１）に準じて測定する。平行部の直径が６．０ｍｍで標点間距離が３０ｍｍの丸棒引張試験片を２本採取する。丸棒引張試験片の採取方向は、圧延方向とする。採取された丸棒引張試験片に対して、室温でＪＩＳ Ｚ２２４１（２０１１）に準拠した方法で引張試験を実施し、引張強さを求める。
引張強さはＪＩＳ Ｚ２２４１（２０１１）に準じて測定する。平行部の直径が６．０ｍｍで標点間距離が３０ｍｍの丸棒引張試験片を２本採取する。丸棒引張試験片の採取方向は、圧延方向とする。採取された丸棒引張試験片に対して、室温でＪＩＳ Ｚ２２４１（２０１１）に準拠した方法で引張試験を実施し、引張強さを求める。
［製造方法］
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法の一例を説明する。本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法は、準備工程と、熱間加工工程と、最終熱処理工程とを備える。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法の一例を説明する。本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法は、準備工程と、熱間加工工程と、最終熱処理工程とを備える。
［準備工程］
準備工程では、上記化学組成及び式（１）〜式（３）を満たす素材を準備する。具体的には、上記化学組成を有する溶鋼を製造する。製造された溶鋼に対して、必要に応じて周知の脱ガス処理を実施する。脱ガス処理を実施した溶鋼から、素材を製造する。素材の製造方法はたとえば、連続鋳造法である。連続鋳造法により、連続鋳造材（素材）を製造する。連続鋳造材はたとえば、スラブ、ブルーム及びビレット等である。溶鋼を造塊法によりインゴットにしてもよい。
準備工程では、上記化学組成及び式（１）〜式（３）を満たす素材を準備する。具体的には、上記化学組成を有する溶鋼を製造する。製造された溶鋼に対して、必要に応じて周知の脱ガス処理を実施する。脱ガス処理を実施した溶鋼から、素材を製造する。素材の製造方法はたとえば、連続鋳造法である。連続鋳造法により、連続鋳造材（素材）を製造する。連続鋳造材はたとえば、スラブ、ブルーム及びビレット等である。溶鋼を造塊法によりインゴットにしてもよい。
［熱間加工工程］
熱間加工工程では、素材を熱間加工して中間材を製造する。具体的には、素材（連続鋳造材又はインゴット）を周知の方法により熱間加工して、オーステナイト系ステンレス鋼の中間材を製造する。中間材はたとえば、鋼管、棒鋼、及び線材等である。中間材はたとえば、ユジーン・セジュルネ法による熱間押出加工により製造される。熱間加工時の加熱温度はたとえば、１０００〜１２５０℃である。
熱間加工工程では、素材を熱間加工して中間材を製造する。具体的には、素材（連続鋳造材又はインゴット）を周知の方法により熱間加工して、オーステナイト系ステンレス鋼の中間材を製造する。中間材はたとえば、鋼管、棒鋼、及び線材等である。中間材はたとえば、ユジーン・セジュルネ法による熱間押出加工により製造される。熱間加工時の加熱温度はたとえば、１０００〜１２５０℃である。
［最終熱処理工程］
最終熱処理工程では、中間材を、１０００℃以上の温度で最終熱処理する。最終熱処理の温度が１０００℃未満では、Ｖ炭窒化物及びＮｂ炭窒化物を含む析出物が多くなり過ぎ、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部の低温靱性が低下する。したがって、最終熱処理の温度は１０００℃以上である。最終熱処理の温度の上限はたとえば１２５０℃である。
最終熱処理工程では、中間材を、１０００℃以上の温度で最終熱処理する。最終熱処理の温度が１０００℃未満では、Ｖ炭窒化物及びＮｂ炭窒化物を含む析出物が多くなり過ぎ、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部の低温靱性が低下する。したがって、最終熱処理の温度は１０００℃以上である。最終熱処理の温度の上限はたとえば１２５０℃である。
たとえば、以上の製造方法により、本開示のオーステナイト系ステンレス鋼が得られる。
［その他の工程］
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法は、上記工程の他にその他の工程を有してもよい。たとえば、最終熱処理工程の前に、冷間加工工程を備えてもよい。また、熱間加工工程の後、最終熱処理工程の前に、中間の熱処理工程を備えてもよい。冷間加工工程及び熱処理工程は複数回実施してもよい。
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法は、上記工程の他にその他の工程を有してもよい。たとえば、最終熱処理工程の前に、冷間加工工程を備えてもよい。また、熱間加工工程の後、最終熱処理工程の前に、中間の熱処理工程を備えてもよい。冷間加工工程及び熱処理工程は複数回実施してもよい。
［製造方法］
表１に示す化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼を試験炉で溶解し、熱間鍛造により長さ３００ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚さ１２０ｍｍの鋼板とした。得られた鋼板を表２に記載の熱処理温度で２０分間保持した後に水冷する最終熱処理を実施した。最終熱処理した鋼板から、各試験に使用する試験片を作製した。
表１に示す化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼を試験炉で溶解し、熱間鍛造により長さ３００ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚さ１２０ｍｍの鋼板とした。得られた鋼板を表２に記載の熱処理温度で２０分間保持した後に水冷する最終熱処理を実施した。最終熱処理した鋼板から、各試験に使用する試験片を作製した。
［未固溶のＶ含有量及び未固溶のＮｂ含有量の測定試験］
各試験番号の鋼板に対して、上述の方法で、未固溶のＶ含有量及び未固溶のＮｂ含有量を測定した。結果を表２に示す。
各試験番号の鋼板に対して、上述の方法で、未固溶のＶ含有量及び未固溶のＮｂ含有量を測定した。結果を表２に示す。
［シャルピー衝撃試験］
各試験番号の鋼板を、長さ１５０ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚さ１２０ｍｍに機械加工し、溶接により接合した。溶接は、ガスタングステンアーク溶接法により、各試験番号の鋼板と同じ化学組成の溶加材を用いて、入熱５ｋＪ／ｃｍとして、鋼板同士に対して突合せ溶接を行った。溶接後の溶接部に、ノッチ角度４５°、２ｍｍ深さのノッチ加工を施し、シャルピー試験片を作製した。ＪＩＳ Ｚ２２４２（２０１８）に準拠した方法でシャルピー衝撃試験を実施して、吸収エネルギー（Ｊ）及び横膨出量（ｍｍ）を測定した。得られた結果を表２に示す。
各試験番号の鋼板を、長さ１５０ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚さ１２０ｍｍに機械加工し、溶接により接合した。溶接は、ガスタングステンアーク溶接法により、各試験番号の鋼板と同じ化学組成の溶加材を用いて、入熱５ｋＪ／ｃｍとして、鋼板同士に対して突合せ溶接を行った。溶接後の溶接部に、ノッチ角度４５°、２ｍｍ深さのノッチ加工を施し、シャルピー試験片を作製した。ＪＩＳ Ｚ２２４２（２０１８）に準拠した方法でシャルピー衝撃試験を実施して、吸収エネルギー（Ｊ）及び横膨出量（ｍｍ）を測定した。得られた結果を表２に示す。
［引張試験］
各試験番号の鋼板に対して、上述の方法で引張強さを測定した。結果を表２に示す。
各試験番号の鋼板に対して、上述の方法で引張強さを測定した。結果を表２に示す。
［評価結果］
表１及び表２を参照して、試験番号１〜試験番号６の鋼板は、化学組成が適切であり、式（１）〜式（３）を満たした。試験番号１〜試験番号６の鋼板はさらに、未固溶のＶ含有量が０．２０質量％以下であり、未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％以下であった。そのため、試験番号１〜試験番号６の鋼板は、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが３０Ｊ以上であり、横膨出量が０．５０ｍｍ以上であり、溶接部の優れた低温靱性を示した。また、試験番号１〜試験番号６の鋼板は引張強さが７００ＭＰａ以上であり、優れた強度を有した。
表１及び表２を参照して、試験番号１〜試験番号６の鋼板は、化学組成が適切であり、式（１）〜式（３）を満たした。試験番号１〜試験番号６の鋼板はさらに、未固溶のＶ含有量が０．２０質量％以下であり、未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％以下であった。そのため、試験番号１〜試験番号６の鋼板は、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが３０Ｊ以上であり、横膨出量が０．５０ｍｍ以上であり、溶接部の優れた低温靱性を示した。また、試験番号１〜試験番号６の鋼板は引張強さが７００ＭＰａ以上であり、優れた強度を有した。
一方、試験番号７の鋼板は、化学組成は適切であり、式（１）〜式（３）を満たしたものの、未固溶のＶ含有量が０．２０質量％を超えた。そのため、試験番号７の鋼板は、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが１３Ｊであり、横膨出量が０．２３ｍｍであり、溶接部の低温靱性が低かった。
試験番号８の鋼板は、化学組成は適切であり、式（１）〜式（３）を満たしたものの、未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％を超えた。そのため、試験番号８の鋼板は、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが２５Ｊであり、横膨出量が０．４２ｍｍであり、溶接部の低温靱性が低かった。
試験番号９の鋼板は、各元素の含有量は適切であったものの、式（２）を満たさなかった。そのため、試験番号９の鋼板は、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが２１Ｊであり、横膨出量が０．３６ｍｍであり、溶接部の低温靱性が低かった。
試験番号１０の鋼板は、Ｖ含有量が高すぎ、式（１）を満たさなかった。試験番号１０の鋼板はさらに、未固溶のＶ含有量が０．２０質量％を超えた。そのため、試験番号１０の鋼板は、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが１３Ｊであり、横膨出量が０．２９ｍｍであり、溶接部の低温靱性が低かった。
試験番号１１の鋼板は、Ｎｂ含有量が高すぎた。さらに未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％を超えた。そのため、試験番号１１の鋼板は、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが１５Ｊであり、横膨出量が０．３２ｍｍであり、溶接部の低温靱性が低かった。
試験番号１２の鋼板は、Ｎｉ含有量が低すぎた。そのため、試験番号１２の鋼板は、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが１３Ｊであり、横膨出量が０．２９ｍｍであり、溶接部の低温靱性が低かった。
試験番号１３の鋼板は、Ｃｒ含有量が低すぎた。そのため、試験番号１３の鋼板は、引張強さが６８５ＭＰａであり、強度が低かった。
試験番号１４の鋼板は、Ｃ含有量が高すぎた。そのため、試験番号１４の鋼板は、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが８Ｊであり、横膨出量が０．２２ｍｍであり、溶接部の低温靱性が低かった。
試験番号１５の鋼板は、Ｍｏ含有量が高すぎた。そのため、試験番号１５の鋼板は、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが２３Ｊであり、横膨出量が０．３２ｍｍであり、溶接部の低温靱性が低かった。
試験番号１６の鋼板は、各元素の含有量は適切であったものの、式（１）を満たさなかった。そのため、試験番号１６の鋼板は、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが１９Ｊであり、横膨出量が０．２１ｍｍであり、溶接部の低温靱性が低かった。
試験番号１７の鋼板は、各元素の含有量は適切であったものの、式（３）を満たさなかった。そのため、試験番号１７の鋼板は、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが２２Ｊであり、横膨出量が０．３１ｍｍであり、溶接部の低温靱性が低かった。
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
Claims (4)
- 質量％で、
Ｃ：０．１０％以下、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：６．０〜１２．０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０５００％以下、
Ｎｉ：１５．０〜１７．０％、
Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、
Ｖ：０．０１〜０．３０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．３０％、
Ｎ：０．４０〜０．６０％、
Ｍｏ：０〜５．０％、及び、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
式（１）〜式（３）を満たす化学組成を有し、
未固溶のＶ含有量が０．２０質量％以下であり、未固溶のＮｂ含有量が０．２０質量％以下である、オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（１）〜式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。 - 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記化学組成は、Ｍｏ：０．１〜５．０％を含有する、オーステナイト系ステンレス鋼。 - 質量％で、
Ｃ：０．１０％以下、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：６．０〜１２．０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０５００％以下、
Ｎｉ：１５．０〜１７．０％、
Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、
Ｖ：０．０１〜０．３０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．３０％、
Ｎ：０．４０〜０．６０％、
Ｍｏ：０〜５．０％、及び、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
式（１）〜式（３）を満たす化学組成を有する素材を準備する工程と、
前記素材を熱間加工して中間材を製造する工程と、
前記中間材を、１０００℃以上の温度で最終熱処理する工程とを備える、オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
Ｎｂ＋Ｖ≦０．４０ （１）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ−１．０９１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−３．２７３≧０ （２）
Ｎｉ＋３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋０．８０（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ）−４７≧０ （３）
ここで、式（１）〜式（３）の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。 - 請求項３に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法であって、
前記化学組成は、Ｍｏ：０．１〜５．０％を含有する、オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
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