JP6058521B2 - オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼に関する。
耐熱性・耐食性に優れた継目無しステンレス鋼管は、鋳塊（ステンレス鋼）に熱間加工を施すことによってビレットを作製し、その後、熱間押出や圧延穿孔、抽伸加工、熱処理などを施すことによって作製することができる。ここで、鋳塊の熱間加工工程では、変形抵抗を低減させるために１０００〜１２００℃程度まで加熱する必要があり、また、鋳造で作製された鋳塊は凝固偏析を伴っている場合が多いため、均質化の目的で高温に保持しなければならない場合がある。
このような観点から、鋳塊（ステンレス鋼）の熱間加工工程の加熱温度は高い方が望ましい。
このような観点から、鋳塊（ステンレス鋼）の熱間加工工程の加熱温度は高い方が望ましい。
しかしながら、熱間加工工程の加熱温度の上昇は、熱間割れや表面傷等の欠陥発生の原因になる。また、ステンレス鋼はＣｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）を多く含むとともに、高温強度を向上させたステンレス鋼はＣ（炭素）やＮ（窒素）が添加されているため、炭素鋼に比べて融点が低いという特徴がある。例えば、Ｎｉを２０質量％、Ｃｒを２５質量％程度含むステンレス鋼では融点が１３５０℃程度になるものもあり、高い加熱温度の熱間加工を適切に施すのが困難になる。
このように、熱間加工工程において、高い加熱温度の熱間加工を問題なく完了させることは極めて重要であることから、ステンレス鋼の熱間加工性に関する研究が進められている。
このように、熱間加工工程において、高い加熱温度の熱間加工を問題なく完了させることは極めて重要であることから、ステンレス鋼の熱間加工性に関する研究が進められている。
例えば、特許文献１には、鋼中のＳ（硫黄）の粒界偏析を抑制するために、Ｙ（イットリウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｃｅ（セリウム）などの元素を含有させる技術が開示されている。
また、特許文献２、３には、鋼中のＳの粒界偏析の抑制に加えて、Ｂ（ホウ素）を含有させる技術が開示されている。
また、特許文献４には、低融点のＣｕ化合物を抑制する技術が開示されている。
また、特許文献２、３には、鋼中のＳの粒界偏析の抑制に加えて、Ｂ（ホウ素）を含有させる技術が開示されている。
また、特許文献４には、低融点のＣｕ化合物を抑制する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１〜４に開示された技術は、幅広い温度域における熱間加工性に関する特性値の平均化した値に着目した技術や、８００〜１２００℃程度の比較的低温な温度域の熱間加工を想定した技術である。つまり、これらの技術は、熱間加工工程の中盤から終盤における温度の低下が比較的進んだ温度域の熱間加工性に相当する技術、言い換えると、比較的低温側の熱間加工性に対応する技術である。
したがって、特許文献１〜４に開示された技術では、熱間加工工程の上限温度付近（高温側）における熱間加工性について、十分に対応できるとは言えない。
したがって、特許文献１〜４に開示された技術では、熱間加工工程の上限温度付近（高温側）における熱間加工性について、十分に対応できるとは言えない。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、熱間加工性（特に、高温側での熱間加工性）に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提供することを課題とする。
本発明者らは鋭意研究開発した結果、オーステナイト系ステンレス鋼に所定の含有量のＴａを含有させ、且つ、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ等の含有量を定めること、更にはＳ、Ｐｂ、Ｚｎ等の特定の不可避不純物を一定量以下に制限することによって、オーステナイト系ステンレス鋼の高温強度、および耐食性を維持しながら熱間加工性を向上できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｃ＋Ｎ：０．２５〜０．３６質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｍｎ：０．８〜２．５質量％、Ｎｉ＋Ｃｏ：１８〜２２質量％、Ｃｒ：２２〜２８質量％、Ｎｂ：０．１５〜０．４質量％、Ｔａ：０．２〜０．５質量％、Ｍｏ：０．０１〜０．４５質量％、Ｂ：０．０００５〜０．００５質量％、Ｃａ：０．０００２〜０．００３質量％、Ｍｇ：０．０００２〜０．００３質量％、Ｃｕ：０．３質量％以下（０質量％も含む）、を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなるとともに、前記Ｃ、前記Ｎ、前記Ｎｉが、それぞれＣ：０．１２７質量％以下、Ｎ：０．２１３質量％以上、Ｎｉ：１８．０質量％以上、であり、前記不可避不純物として含まれるＳ、Ｐ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｓｂが、それぞれＳ：０．００３質量％以下、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｐｂ：０．００３質量％以下、Ｓｎ：０．００５質量％以下、Ｚｎ：０．０１０質量％以下、Ａｓ：０．０１０質量％以下、Ｓｂ：０．００３質量％以下、に制限されることを特徴とする。
なお、Ｃ＋Ｎとは、ＣとＮとの合計の含有量を示し、Ｎｉ＋Ｃｏとは、ＮｉとＣｏとの合計の含有量を示す。
なお、Ｃ＋Ｎとは、ＣとＮとの合計の含有量を示し、Ｎｉ＋Ｃｏとは、ＮｉとＣｏとの合計の含有量を示す。
このオーステナイト系ステンレス鋼によれば、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａの含有量を所定範囲に規定していることにより、粒界近傍の局部的な融点を上昇させるとともに、粒界密度を増加させることで、高温側における熱間加工性を優れたものとすることができる。
さらに、このオーステナイト系ステンレス鋼によれば、上記元素に加えて、Ｓｉ、Ｍｎ等の含有量を所定範囲に規定していることにより、高温強度や耐食性等の諸性能を維持しつつ高温側における熱間加工性を優れたものとすることができる。
加えて、このオーステナイト系ステンレス鋼によれば、Ｓ、Ｐｂ、Ｚｎ等の特定の不可避不純物が一定量以下に制限されることにより、熱間加工性の向上という効果の発揮を確実なものとすることができる。
さらに、このオーステナイト系ステンレス鋼によれば、上記元素に加えて、Ｓｉ、Ｍｎ等の含有量を所定範囲に規定していることにより、高温強度や耐食性等の諸性能を維持しつつ高温側における熱間加工性を優れたものとすることができる。
加えて、このオーステナイト系ステンレス鋼によれば、Ｓ、Ｐｂ、Ｚｎ等の特定の不可避不純物が一定量以下に制限されることにより、熱間加工性の向上という効果の発揮を確実なものとすることができる。
また、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、更に、希土類元素：０．１質量％以下、を含有してもよい。
このオーステナイト系ステンレス鋼によれば、希土類元素を所定量以下に規定していることにより、オーステナイト系ステンレス鋼の耐酸化性を向上させ、酸化スケールの生成を抑制することができる。
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａ等の含有量を所定範囲に規定していることにより、熱間加工性（特に、高温側での熱間加工性）に優れる。その結果、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、熱間加工工程における割れや傷等の欠陥の発生を抑制することができ、さらに、偏析解消に必要な均質化処理時間を短縮できる。よって、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、歩留まり、生産性に優れた方法で製造することができるため、製品の価格の低減にも資することができる。
以下、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼を実施するための形態（実施形態）について説明する。
［本実施形態の概要］
本発明者らは、熱間加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を実現すべく、様々な角度からステンレス鋼について検討した。その結果、Ｓ等の粒界偏析する元素・低融点元素の含有量の上限値を規定したうえで、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａ等の含有量を所定の範囲に規定することにより、高温側における熱間加工性が改善されることを見出した。
本発明者らは、熱間加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を実現すべく、様々な角度からステンレス鋼について検討した。その結果、Ｓ等の粒界偏析する元素・低融点元素の含有量の上限値を規定したうえで、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａ等の含有量を所定の範囲に規定することにより、高温側における熱間加工性が改善されることを見出した。
詳細な原理については、全て解明されているわけではないものの、耐熱性ステンレス鋼において広く用いられているＮｂに加えて、Ｔａを添加することで、粒界密度の増加による粒界偏析を改善する作用と、Ｔａが添加されることによる粒界近傍の局部の融点上昇により、１２８０℃程度の高温側での熱間加工性が改善されるものと考える。
また、ＮｉとＣｏとの含有量の和、およびＣとＮとの含有量の和を一定以下に抑えることにより、粒界近傍の局部溶融を効果的に抑制するものと推定され、更に、ＮｉとＣｏとは、Ｎｂと低融点の化合物を形成しうるものであり、Ｎｂの含有量の範囲を規定することも併せて、効果の発揮に関係するものであると考える。
また、ＮｉとＣｏとの含有量の和、およびＣとＮとの含有量の和を一定以下に抑えることにより、粒界近傍の局部溶融を効果的に抑制するものと推定され、更に、ＮｉとＣｏとは、Ｎｂと低融点の化合物を形成しうるものであり、Ｎｂの含有量の範囲を規定することも併せて、効果の発揮に関係するものであると考える。
［オーステナイト系ステンレス鋼］
本発明の実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼（以下、適宜「ステンレス鋼」という）は、Ｃ＋Ｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ＋Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｃｕ、を所定量含有し、残部が鉄および不可避不純物からなるとともに、前記不可避不純物として含まれるＳ、Ｐ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｓｂが、所定量以下に規制されることを特徴とする。また、本発明の実施形態に係るステンレス鋼は、更に、希土類元素を所定量以下含有してもよい。
次に、本発明の実施形態に係るステンレス鋼を構成する元素の中でも、本発明の効果の発揮に特に影響を与える元素（Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａ）、および、これらの元素の含有量の設定理由について説明する。
本発明の実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼（以下、適宜「ステンレス鋼」という）は、Ｃ＋Ｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ＋Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｃｕ、を所定量含有し、残部が鉄および不可避不純物からなるとともに、前記不可避不純物として含まれるＳ、Ｐ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｓｂが、所定量以下に規制されることを特徴とする。また、本発明の実施形態に係るステンレス鋼は、更に、希土類元素を所定量以下含有してもよい。
次に、本発明の実施形態に係るステンレス鋼を構成する元素の中でも、本発明の効果の発揮に特に影響を与える元素（Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａ）、および、これらの元素の含有量の設定理由について説明する。
［Ｃ＋Ｎ：０．２５〜０．３６質量％］
ＣとＮとは粒界近傍の局部溶融に影響を与える元素である。粒界近傍の局部溶融の抑制という効果を確実なものとするためには、ＣとＮとの合計の含有量は０．３６質量％以下とする必要がある。しかし、高温強度の確保の観点から、ＣとＮとの合計の含有量は０．２５質量％以上とする必要がある。
なお、ＣとＮとの合計の含有量は、好ましくは０．２８〜０．３３質量％であり、更に好ましくは０．２９〜０．３２質量％である。
ちなみに、ＣとＮの各々の含有量については、Ｃの含有量は０．０２〜０．１５質量％が好ましく、Ｎの含有量は０．１〜０．３質量％が好ましい。
ＣとＮとは粒界近傍の局部溶融に影響を与える元素である。粒界近傍の局部溶融の抑制という効果を確実なものとするためには、ＣとＮとの合計の含有量は０．３６質量％以下とする必要がある。しかし、高温強度の確保の観点から、ＣとＮとの合計の含有量は０．２５質量％以上とする必要がある。
なお、ＣとＮとの合計の含有量は、好ましくは０．２８〜０．３３質量％であり、更に好ましくは０．２９〜０．３２質量％である。
ちなみに、ＣとＮの各々の含有量については、Ｃの含有量は０．０２〜０．１５質量％が好ましく、Ｎの含有量は０．１〜０．３質量％が好ましい。
［Ｎｉ＋Ｃｏ：１８〜２２質量％］
ＮｉとＣｏとは粒界近傍の局部溶融に影響を与える元素であるとともに、後記するＮｂと低融点の化合物を形成しうる元素でもある。粒界近傍の局部溶融の抑制という効果を確実なものとするためには、ＮｉとＣｏとの合計の含有量は２２質量％以下とする必要がある。しかし、ステンレス鋼としての耐食性を維持するためには、ＮｉとＣｏとの合計の含有量は１８質量％以上とする必要がある。
なお、ＮｉとＣｏとの合計の含有量は、好ましくは１９〜２１質量％であり、更に好ましくは１９．５〜２０．５質量％である。
ちなみに、ＮｉとＣｏの各々の含有量については、Ｎｉの含有量は１６質量％以上２２質量％未満が好ましく、Ｃｏの含有量は５．０質量％以下（０質量％を含まない）が好ましい。
ＮｉとＣｏとは粒界近傍の局部溶融に影響を与える元素であるとともに、後記するＮｂと低融点の化合物を形成しうる元素でもある。粒界近傍の局部溶融の抑制という効果を確実なものとするためには、ＮｉとＣｏとの合計の含有量は２２質量％以下とする必要がある。しかし、ステンレス鋼としての耐食性を維持するためには、ＮｉとＣｏとの合計の含有量は１８質量％以上とする必要がある。
なお、ＮｉとＣｏとの合計の含有量は、好ましくは１９〜２１質量％であり、更に好ましくは１９．５〜２０．５質量％である。
ちなみに、ＮｉとＣｏの各々の含有量については、Ｎｉの含有量は１６質量％以上２２質量％未満が好ましく、Ｃｏの含有量は５．０質量％以下（０質量％を含まない）が好ましい。
［Ｎｂ：０．１５〜０．４質量％、Ｔａ：０．２〜０．５質量％］
ＮｂとＴａは粒界近傍の局部的な融点および粒界密度に影響を与える元素である。粒界近傍の局部的な融点の上昇および粒界密度の増加という効果を発揮させるためには、Ｎｂの含有量は０．４質量％以下に抑える必要があるとともに、Ｔａの含有量は０．２質量％以上とする必要がある。しかし、高温強度を確保するためには、Ｎｂの含有量は０．１５質量％以上とする必要がある。また、Ｔａを過剰添加すると粗大介在物を形成して長期時効後の靭性を阻害するため、Ｔａの含有量は０．５質量％以下とする必要がある。
なお、Ｎｂの含有量は、好ましくは０．２０〜０．３５質量％であり、更に好ましくは０．２５〜０．３０質量％である。
また、Ｔａの含有量は、好ましくは０．２５〜０．４５質量％であり、更に好ましくは０．２５〜０．３５質量％である。
ＮｂとＴａは粒界近傍の局部的な融点および粒界密度に影響を与える元素である。粒界近傍の局部的な融点の上昇および粒界密度の増加という効果を発揮させるためには、Ｎｂの含有量は０．４質量％以下に抑える必要があるとともに、Ｔａの含有量は０．２質量％以上とする必要がある。しかし、高温強度を確保するためには、Ｎｂの含有量は０．１５質量％以上とする必要がある。また、Ｔａを過剰添加すると粗大介在物を形成して長期時効後の靭性を阻害するため、Ｔａの含有量は０．５質量％以下とする必要がある。
なお、Ｎｂの含有量は、好ましくは０．２０〜０．３５質量％であり、更に好ましくは０．２５〜０．３０質量％である。
また、Ｔａの含有量は、好ましくは０．２５〜０．４５質量％であり、更に好ましくは０．２５〜０．３５質量％である。
本発明の実施形態に係るステンレス鋼は、ＮｉとＣｒの含有量が２５Ｃｒ−２０Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼と同等の化学成分組成を有するものであるが、上記Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａ以外の元素（Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｃｕ）の含有量も適切に調整する必要がある。
次に、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｃｕ、および、これらの元素の含有量の設定理由について説明する。
次に、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｃｕ、および、これらの元素の含有量の設定理由について説明する。
［Ｓｉ：０．２〜１．０質量％］
Ｓｉは脱酸作用を示すとともに、鋼材に耐酸化性を付与するために必要な元素である。これらの効果を得るためには、Ｓｉの含有量は０．２質量％以上とする必要がある。しかし、Ｓｉの含有量が過剰になると、長期時効後の脆化を招くため、Ｓｉの含有量は１．０質量％以下とする必要がある。
なお、Ｓｉの含有量の好ましい下限は０．２５質量％以上（より好ましくは０．３質量％以上）であり、好ましい上限は０．７質量％以下（より好ましくは０．５質量％以下）である。
Ｓｉは脱酸作用を示すとともに、鋼材に耐酸化性を付与するために必要な元素である。これらの効果を得るためには、Ｓｉの含有量は０．２質量％以上とする必要がある。しかし、Ｓｉの含有量が過剰になると、長期時効後の脆化を招くため、Ｓｉの含有量は１．０質量％以下とする必要がある。
なお、Ｓｉの含有量の好ましい下限は０．２５質量％以上（より好ましくは０．３質量％以上）であり、好ましい上限は０．７質量％以下（より好ましくは０．５質量％以下）である。
［Ｍｎ：０．８〜２．５質量％］
Ｍｎは溶鋼中での脱酸作用と脱硫作用を示す元素である。これらの効果を得るためにはＭｎの含有量は０．８質量％以上とする必要がある。しかし、Ｍｎの含有量が過剰になると、耐酸化性を阻害することになるため、Ｍｎの含有量は２．５質量％以下とする必要がある。
なお、Ｍｎの含有量の好ましい上限は１．７質量％以下（より好ましくは１．５質量％以下）であり、好ましい下限は０．９質量％以上（より好ましくは１．０質量％以上）である。
Ｍｎは溶鋼中での脱酸作用と脱硫作用を示す元素である。これらの効果を得るためにはＭｎの含有量は０．８質量％以上とする必要がある。しかし、Ｍｎの含有量が過剰になると、耐酸化性を阻害することになるため、Ｍｎの含有量は２．５質量％以下とする必要がある。
なお、Ｍｎの含有量の好ましい上限は１．７質量％以下（より好ましくは１．５質量％以下）であり、好ましい下限は０．９質量％以上（より好ましくは１．０質量％以上）である。
［Ｃｒ：２２〜２８質量％］
Ｃｒは優れた耐酸化性を得るために必須の元素である。この効果を得るためには、Ｃｒの含有量は２２質量％以上とする必要がある。しかし、Ｃｒの含有量が過剰になると、溶接時の高温割れを招いてしまう場合があるため、Ｃｒの含有量は２８質量％以下とする必要がある。
なお、Ｃｒの含有量の好ましい下限は２３質量％以上（より好ましくは２４質量％以上）であり、好ましい上限は２７質量％以下（より好ましくは２６質量％以下）である。
Ｃｒは優れた耐酸化性を得るために必須の元素である。この効果を得るためには、Ｃｒの含有量は２２質量％以上とする必要がある。しかし、Ｃｒの含有量が過剰になると、溶接時の高温割れを招いてしまう場合があるため、Ｃｒの含有量は２８質量％以下とする必要がある。
なお、Ｃｒの含有量の好ましい下限は２３質量％以上（より好ましくは２４質量％以上）であり、好ましい上限は２７質量％以下（より好ましくは２６質量％以下）である。
［Ｍｏ：０．０１〜０．４５質量％］
Ｍｏは耐食性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには、Ｍｏの含有量は０．０１〜０．４５質量％とする必要がある。
なお、Ｍｏの含有量の好ましい下限は０．１質量％以上（より好ましくは０．２質量％以上）であり、好ましい上限は０．４質量％以下（より好ましくは０．３質量％以下）である。
Ｍｏは耐食性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには、Ｍｏの含有量は０．０１〜０．４５質量％とする必要がある。
なお、Ｍｏの含有量の好ましい下限は０．１質量％以上（より好ましくは０．２質量％以上）であり、好ましい上限は０．４質量％以下（より好ましくは０．３質量％以下）である。
［Ｂ：０．０００５〜０．００５質量％］
Ｂは鋼中に固溶することで、主要な強化機構の一つであるＭ２３Ｃ６型炭化物（Ｍは炭化物形成元素）の形成を促進させる作用を示す元素である。この効果を得るためには、Ｂの含有量は０．０００５質量％以上とする必要がある。しかし、Ｂの含有量が過剰になると、溶接性の低下を招くため、Ｂの含有量は０．００５質量％以下とする必要がある。
なお、Ｂの含有量の好ましい下限は０．００１質量％以上（より好ましくは０．００１５質量％以上）であり、好ましい上限は０．００３質量％以下（より好ましくは０．００２５質量％以下）である。
Ｂは鋼中に固溶することで、主要な強化機構の一つであるＭ２３Ｃ６型炭化物（Ｍは炭化物形成元素）の形成を促進させる作用を示す元素である。この効果を得るためには、Ｂの含有量は０．０００５質量％以上とする必要がある。しかし、Ｂの含有量が過剰になると、溶接性の低下を招くため、Ｂの含有量は０．００５質量％以下とする必要がある。
なお、Ｂの含有量の好ましい下限は０．００１質量％以上（より好ましくは０．００１５質量％以上）であり、好ましい上限は０．００３質量％以下（より好ましくは０．００２５質量％以下）である。
［Ｃａ、Ｍｇ：０．０００２〜０．００３質量％］
Ｃａ、Ｍｇは、鋼中のＳを固定し、およそ１２００℃以下の低温側の熱間加工性を改善させることが知られている元素である。これらの効果を得るためには、Ｃａ、Ｍｇの含有量は各々０．０００２質量％以上とする必要がある。しかし、Ｃａ、Ｍｇを過剰に添加すると白煙・粉塵の発生を伴い操業上の問題を引き起こすため、Ｃａ、Ｍｇの含有量は各々０．００３質量％以下とする必要がある。
なお、Ｃａ、Ｍｇの含有量の好ましい下限は各々０．０００３質量％以上（より好ましくは０．０００５質量％以上）であり、好ましい上限は０．００２質量％以下（より好ましくは０．００１５質量％以下）である。
Ｃａ、Ｍｇは、鋼中のＳを固定し、およそ１２００℃以下の低温側の熱間加工性を改善させることが知られている元素である。これらの効果を得るためには、Ｃａ、Ｍｇの含有量は各々０．０００２質量％以上とする必要がある。しかし、Ｃａ、Ｍｇを過剰に添加すると白煙・粉塵の発生を伴い操業上の問題を引き起こすため、Ｃａ、Ｍｇの含有量は各々０．００３質量％以下とする必要がある。
なお、Ｃａ、Ｍｇの含有量の好ましい下限は各々０．０００３質量％以上（より好ましくは０．０００５質量％以上）であり、好ましい上限は０．００２質量％以下（より好ましくは０．００１５質量％以下）である。
［Ｃｕ：０．３質量％以下（０質量％も含む）］
Ｃｕは鋼材の高温強度を改善する作用があるものの、１２００℃以下の低温側の熱間加工性を阻害するとされており、０．３質量％以下（０質量％も含む）とする必要がある。
なお、Ｃｕの含有量は、好ましくは０．０２％以下（より好ましくは０．００１％以下）である。
Ｃｕは鋼材の高温強度を改善する作用があるものの、１２００℃以下の低温側の熱間加工性を阻害するとされており、０．３質量％以下（０質量％も含む）とする必要がある。
なお、Ｃｕの含有量は、好ましくは０．０２％以下（より好ましくは０．００１％以下）である。
［残部：鉄および不可避不純物］
本発明で規定する含有元素は上記の通りであって、残部は鉄および不可避不純物であるが、不可避不純物として含まれるＳ、Ｐ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｓｂについては以下の通り、その含有量を制限する必要がある。
本発明で規定する含有元素は上記の通りであって、残部は鉄および不可避不純物であるが、不可避不純物として含まれるＳ、Ｐ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｓｂについては以下の通り、その含有量を制限する必要がある。
［Ｓ：０．００３質量％以下］
Ｓは、不可避不純物であるが、およそ１２００℃以下の低温側の熱間加工性に悪影響を及ぼす元素であり、０．００３質量％以下に制限する必要がある。
なお、Ｓの含有量は、好ましくは０．００２質量％以下（より好ましくは０．００１質量％以下）に制限するのがよい。
Ｓは、不可避不純物であるが、およそ１２００℃以下の低温側の熱間加工性に悪影響を及ぼす元素であり、０．００３質量％以下に制限する必要がある。
なお、Ｓの含有量は、好ましくは０．００２質量％以下（より好ましくは０．００１質量％以下）に制限するのがよい。
［Ｐ：０．０５質量％以下］
Ｐは、不可避不純物であるが、その含有量が増加すると溶接性を低下させるため、０．０５質量％以下に制限する必要がある。
なお、Ｐの含有量は、好ましくは０．０４質量％以下（より好ましくは０．０３質量％以下）に制限するのがよい。
Ｐは、不可避不純物であるが、その含有量が増加すると溶接性を低下させるため、０．０５質量％以下に制限する必要がある。
なお、Ｐの含有量は、好ましくは０．０４質量％以下（より好ましくは０．０３質量％以下）に制限するのがよい。
［Ｐｂ：０．００３質量％以下、Ｓｎ：０．００５質量％以下、Ｚｎ：０．０１０質量％以下、Ａｓ：０．０１０質量％以下、Ｓｂ：０．００３質量％以下］
Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｓｂは不可避不純物であるが、その含有量が増加すると熱間加工性や溶接性を低下させるため、Ｐｂの含有量は０．００３質量％以下、Ｓｎの含有量は０．００５質量％以下、Ｚｎの含有量は０．０１０質量％以下、Ａｓの含有量は０．０１０質量％以下、Ｓｂの含有量は０．００３質量％以下に制限する必要がある。
なお、Ｐｂの含有量は、好ましくは０．００２質量％以下（より好ましくは０．００１質量％以下）、Ｓｎの含有量は、好ましくは０．００３質量％以下（より好ましくは０．００２質量％以下）、Ｚｎの含有量は、好ましくは０．００８質量％以下（より好ましくは０．００５質量％以下）、Ａｓの含有量は、好ましくは０．００８質量％以下（より好ましくは０．００５質量％以下）、Ｓｂの含有量は、好ましくは０．００２質量％以下（より好ましくは０．００１質量％以下）に制限するのがよい。
Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｓｂは不可避不純物であるが、その含有量が増加すると熱間加工性や溶接性を低下させるため、Ｐｂの含有量は０．００３質量％以下、Ｓｎの含有量は０．００５質量％以下、Ｚｎの含有量は０．０１０質量％以下、Ａｓの含有量は０．０１０質量％以下、Ｓｂの含有量は０．００３質量％以下に制限する必要がある。
なお、Ｐｂの含有量は、好ましくは０．００２質量％以下（より好ましくは０．００１質量％以下）、Ｓｎの含有量は、好ましくは０．００３質量％以下（より好ましくは０．００２質量％以下）、Ｚｎの含有量は、好ましくは０．００８質量％以下（より好ましくは０．００５質量％以下）、Ａｓの含有量は、好ましくは０．００８質量％以下（より好ましくは０．００５質量％以下）、Ｓｂの含有量は、好ましくは０．００２質量％以下（より好ましくは０．００１質量％以下）に制限するのがよい。
なお、不可避不純物としては上記元素の他に、スクラップ原料に由来するＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒ等も含まれていることがあるが、これらは上記Ｓ等の元素ほど、厳密に制限をしなくても本発明の効果が損なわれてしまうことはない。ただし、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ等も粗大な窒化物を形成し易いため低濃度に制限（０．０２質量％以下、好ましくは０．０１質量％以下）するのが好ましい。
本実施形態に係るステンレス鋼は、更に希土類元素を含有していてもよく、含有する元素の種類に応じて鋼材の耐酸化性を調整することができる。
［希土類元素：０．１質量％以下］
希土類元素としては、Ｓｃ、Ｙ、および、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄに代表されるランタノイド元素を合わせた１７種が挙げられる。
希土類元素はステンレス鋼の耐酸化性を向上させる作用があるため、酸化スケールの生成を抑制することができる。しかし、希土類元素を過剰に添加すると酸化介在物を形成して長期時効後の靭性を阻害するため、希土類元素の含有量は０．１質量％以下に規制するのが好ましい。希土類元素の含有量は、より好ましくは０．０７質量％以下であり、さらに好ましくは０．０５質量％以下である。
なお、上記のような効果を有効に発揮させるための好ましい下限は、０．０１質量％以上であり、より好ましい下限は０．０１５質量％以上、さらに好ましくは０．０２質量％以上である。
ちなみに、希土類元素を複数種含有する場合は、合計の含有量が上記範囲となればよい。
［希土類元素：０．１質量％以下］
希土類元素としては、Ｓｃ、Ｙ、および、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄに代表されるランタノイド元素を合わせた１７種が挙げられる。
希土類元素はステンレス鋼の耐酸化性を向上させる作用があるため、酸化スケールの生成を抑制することができる。しかし、希土類元素を過剰に添加すると酸化介在物を形成して長期時効後の靭性を阻害するため、希土類元素の含有量は０．１質量％以下に規制するのが好ましい。希土類元素の含有量は、より好ましくは０．０７質量％以下であり、さらに好ましくは０．０５質量％以下である。
なお、上記のような効果を有効に発揮させるための好ましい下限は、０．０１質量％以上であり、より好ましい下限は０．０１５質量％以上、さらに好ましくは０．０２質量％以上である。
ちなみに、希土類元素を複数種含有する場合は、合計の含有量が上記範囲となればよい。
以上、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼によれば、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａの含有量を所定範囲に規定していることにより、粒界近傍の局部的な融点を上昇させるとともに、粒界密度を増加させることで、高温側における熱間加工性を優れたものとすることができる。また、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼によれば、上記元素に加えて、Ｓｉ、Ｍｎ等の含有量を所定範囲に規定していることにより、高温強度や耐食性等の諸性能を維持しつつ高温側における熱間加工性を優れたものとすることができる。加えて、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼によれば、Ｓ、Ｐｂ、Ｚｎ等の特定の不可避不純物を一定量以下に制限していることにより、熱間加工性の向上という効果の発揮を確実なものとすることができる。
さらに、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼によれば、希土類元素を所定量以下に規定していることにより、オーステナイト系ステンレス鋼の耐酸化性を向上させ、酸化スケールの生成を抑制することができる。
次に、本実施形態に係るステンレス鋼の製造方法を簡潔に説明する。
［オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法］
前記した本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、例えば、一次精錬において、それぞれ前記した化学成分組成となるように各元素を添加して溶解し、その後は常法に従って二次精錬等の製造プロセスを順次行うことにより、製造することができる。
［オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法］
前記した本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、例えば、一次精錬において、それぞれ前記した化学成分組成となるように各元素を添加して溶解し、その後は常法に従って二次精錬等の製造プロセスを順次行うことにより、製造することができる。
次に、本発明の所望の効果を奏する実施例を示して本発明について具体的に説明する。
［鋼材の作製］
下記表１の試験Ｎｏ．１〜１８に示す化学成分組成からなる各種鋼材を溶解し、真空溶解炉（ＶＩＦ）にて溶製した２０ｋｇインゴットを幅１３０ｍｍ×厚さ２０ｍｍの寸法に熱間鍛造加工し、１２５０℃で熱処理を施した後、冷間圧延によって厚さ１３ｍｍまで加工した。その後、１２２０℃で５分の熱処理を再度実施して、これを母材とした。
下記表１の試験Ｎｏ．１〜１８に示す化学成分組成からなる各種鋼材を溶解し、真空溶解炉（ＶＩＦ）にて溶製した２０ｋｇインゴットを幅１３０ｍｍ×厚さ２０ｍｍの寸法に熱間鍛造加工し、１２５０℃で熱処理を施した後、冷間圧延によって厚さ１３ｍｍまで加工した。その後、１２２０℃で５分の熱処理を再度実施して、これを母材とした。
なお、下記表１の試験Ｎｏ．１〜１８に示す鋼材のうち、試験Ｎｏ．１〜１１は本発明で規定する化学成分組成を満足する鋼材（本発明鋼）である。また、試験Ｎｏ．１２〜１８は本発明で規定する化学成分組成を外れる鋼材（比較鋼）である。
［試験方法］
これらの母材（鋼材）から機械加工によってφ８ｍｍの引張試験片を作製し、熱間加工再現試験装置にて引張試験を行った。試験は１２８０℃に５分加熱した後、公称歪速度が５／ｓｅｃの条件で引張変形させており、破断後の試験片から絞りを測定して試験前後の断面減少率（＝｛試験前の断面積−試験後の断面積｝／試験前の断面積×１００）を評価した。得られた断面減少率を下記表１に示す。
これらの母材（鋼材）から機械加工によってφ８ｍｍの引張試験片を作製し、熱間加工再現試験装置にて引張試験を行った。試験は１２８０℃に５分加熱した後、公称歪速度が５／ｓｅｃの条件で引張変形させており、破断後の試験片から絞りを測定して試験前後の断面減少率（＝｛試験前の断面積−試験後の断面積｝／試験前の断面積×１００）を評価した。得られた断面減少率を下記表１に示す。
［評価］
本発明で規定する化学成分組成を満足する鋼材（本発明鋼）は、断面減少率が５３．０％以上となり、本発明で規定する化学成分組成から外れた鋼材（比較鋼）に比べて断面減少率が大きく、１２８０℃という高温側における熱間加工性に優れていることが確認された。
本発明で規定する化学成分組成を満足する鋼材（本発明鋼）は、断面減少率が５３．０％以上となり、本発明で規定する化学成分組成から外れた鋼材（比較鋼）に比べて断面減少率が大きく、１２８０℃という高温側における熱間加工性に優れていることが確認された。
以上、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼について、発明を実施するための形態および実施例により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。
Claims (2)
- Ｃ＋Ｎ：０．２５〜０．３６質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｍｎ：０．８〜２．５質量％、Ｎｉ＋Ｃｏ：１８〜２２質量％、Ｃｒ：２２〜２８質量％、Ｎｂ：０．１５〜０．４質量％、Ｔａ：０．２〜０．５質量％、Ｍｏ：０．０１〜０．４５質量％、Ｂ：０．０００５〜０．００５質量％、Ｃａ：０．０００２〜０．００３質量％、Ｍｇ：０．０００２〜０．００３質量％、Ｃｕ：０．３質量％以下（０質量％も含む）、を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなるとともに、前記Ｃ、前記Ｎ、前記Ｎｉが、それぞれＣ：０．１２７質量％以下、Ｎ：０．２１３質量％以上、Ｎｉ：１８．０質量％以上、であり、
前記不可避不純物として含まれるＳ、Ｐ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｓｂが、それぞれＳ：０．００３質量％以下、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｐｂ：０．００３質量％以下、Ｓｎ：０．００５質量％以下、Ｚｎ：０．０１０質量％以下、Ａｓ：０．０１０質量％以下、Ｓｂ：０．００３質量％以下、に制限されることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。 - 更に、希土類元素：０．１質量％以下、を含有することを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
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