JP7151945B1 - マルテンサイト系ステンレス鋼材 - Google Patents
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Abstract
高い降伏強度と、優れた耐ＳＳＣ性とを両立するマルテンサイト系ステンレス鋼材を提供する。本開示によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｃｕ：０．０１～３．５０％、Ｃｒ：１０．００～１４．００％、Ｎｉ：４．５０～７．５０％、Ｍｏ：１．００～４．００％、Ｔｉ：０．０５０～０．３００％、Ｖ：０．０１～１．００％、Ａｌ：０．００１～０．１００％、Ｃｏ：０．０１０～０．５００％、Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、Ｓｎ：０．０００５～０．０５００％、Ｎ：０．００１０～０．０５００％、Ｏ：０．０５０％以下、残部：Ｆｅ及び不純物からなり、降伏強度が７５８ＭＰａ以上である。この範囲内において、元素の含有量と降伏強度とが、明細書に記載の式（１）を満たす。
Description
本開示は鋼材に関し、さらに詳しくは、マルテンサイト系ステンレス鋼材に関する。
油井やガス井（以下、油井及びガス井を総称して「油井」という）の中には、腐食性物質を多く含有する環境がある。腐食性物質はたとえば、硫化水素（Ｈ２Ｓ）ガス及び炭酸（ＣＯ２）ガス等の腐食性ガスである。鋼材の耐炭酸ガス腐食性の向上にはクロム（Ｃｒ）が有効であることが知られている。そのため、炭酸ガスを多く含む環境の油井では、炭酸ガスの分圧や温度に応じて、ＡＰＩ Ｌ８０ １３Ｃｒ鋼材（通常の１３Ｃｒ鋼材）や、Ｃ含有量を低減したスーパー１３Ｃｒ鋼材等に代表される、１３質量％程度のＣｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼材が使用される。
近年、油井の深井戸化により、油井用鋼材の高強度化が要求されている。具体的には、８０ｋｓｉ級（降伏強度が８０～９５ｋｓｉ未満、つまり、５５２～６５５ＭＰａ未満）や、９５ｋｓｉ級（降伏強度が９５～１１０ｋｓｉ未満、つまり、６５５～７５８ＭＰａ未満）の油井用鋼材が広く利用されてきている。最近ではさらに、１１０ｋｓｉ以上（降伏強度が７５８ＭＰａ以上）の油井用鋼材が求められ始めている。
ここで、本明細書において、硫化水素及び炭酸ガスを含有する環境を「サワー環境」という。サワー環境で使用される油井用鋼材は、耐硫化物応力割れ性（耐Ｓｕｌｆｉｄｅ Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｒａｃｋｉｎｇ性：以下、耐ＳＳＣ性という）が要求される。つまり、近年、高強度と優れた耐ＳＳＣ性とを両立する油井用鋼材が求められてきている。
特開２０００－１９２１９６号公報（特許文献１）、特開２０１２－１３６７４２号公報（特許文献２）、及び、国際公開第２００８／０２３７０２号（特許文献３）は、高強度と優れた耐ＳＳＣ性とを有する鋼材を提案する。
特許文献１の鋼材は、油井用マルテンサイト系ステンレス鋼であり、重量％で、Ｃ：０．００１～０．０５％、Ｓｉ：０．０５～１％、Ｍｎ：０．０５～２％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：９～１４％、Ｍｏ：３．１～７％、Ｎｉ：１～８％、Ｃｏ：０．５～７％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１～０．１％、Ｎ：０．０５％以下、Ｏ（酸素）：０．０１％以下、Ｃｕ：０～５％、Ｗ：０～５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる。Ｍｏを含有した場合、Ｍｓ点が低下する。そこで、この鋼材は、Ｍｏと共にＣｏを含有することで、Ｍｓ点の低下を抑えてミクロ組織をマルテンサイト単相組織とする。その結果、この鋼材は、８０ｋｓｉ以上（５５２ＭＰａ以上）の強度を維持しつつ、耐ＳＳＣ性を高めることができる、と特許文献１には記載されている。
特許文献２の鋼材は、マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管であり、質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．１～２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：１４．０～１５．５％、Ｎｉ：５．５～７．０％、Ｍｏ：２．０～３．５％、Ｃｕ：０．３～３．５％、Ｖ：０．２０％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．０６％以下を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる。この鋼材は、降伏強さ：６５５～８６２ＭＰａの強度と降伏比：０．９０以上とを有する。Ｃ含有量を０．０１％以下とし、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏを適正範囲に調整し、さらに、適性量のＣｕ及びＶ又は適性量のＷを含有させることにより、６５５ＭＰａ以上の強度を有しつつ、優れた耐ＳＳＣ性が得られる、と特許文献２には記載されている。
特許文献３の鋼材は、マルテンサイト系ステンレス鋼であり、質量％で、Ｃ：０．０１０～０．０３０％、Ｍｎ：０．３０～０．６０％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１００％以下、Ｃｒ：１０．００～１５．００％、Ｎｉ：２．５０～８．００％、Ｍｏ：１．００～５．００％、Ｔｉ：０．０５０～０．２５０％、Ｖ：０．２５％以下、Ｎ：０．０７％以下と、Ｓｉ：０．５０％以下、Ａｌ：０．１０％以下のうちの１種以上とを含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、式（６．０≦Ｔｉ／Ｃ≦１０．１）を満たす。降伏強度は７５８～８６２ＭＰａである。鋼中のＴｉ含有量のＣ含有量に対する比（Ｔｉ／Ｃ）と、引張強度から降伏強度を差し引いた値とが相関関係を有する。また、鋼材内の硬度ばらつきが大きい場合、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。そこで、この鋼材は、Ｔｉ／Ｃを適正範囲に調整することで、硬度ばらつきを抑え、降伏強度を７５８～８６２ＭＰａにする、と特許文献３には記載されている。
上記特許文献１～３は、鋼材の降伏強度を高め、耐ＳＳＣ性を高める技術を提案する。しかしながら、上記特許文献１～３に提案される技術以外の他の技術によって、降伏強度を高めつつ、優れた耐ＳＳＣ性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼材が得られてもよい。
さらに近年、従来よりも水素イオン濃度が高い油井についても、開発が活発になってきている。通常、水素イオン濃度が高い（つまり、ｐＨが低い）環境では、ＳＳＣが発生しやすい。そのため、従来よりも水素イオン濃度が高い、ｐＨが３．０のサワー環境であっても、優れた耐ＳＳＣ性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼材が求められてきている。しかしながら、上記特許文献１～３では、ｐＨが３．０のサワー環境における鋼材の耐ＳＳＣ性について、検討されていない。
本開示の目的は、高い降伏強度と、ｐＨ３．０のサワー環境における優れた耐ＳＳＣ性とを両立できる、マルテンサイト系ステンレス鋼材を提供することである。
本開示によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、
質量％で、
Ｃ：０．０３０％以下、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｃｕ：０．０１～３．５０％、
Ｃｒ：１０．００～１４．００％、
Ｎｉ：４．５０～７．５０％、
Ｍｏ：１．００～４．００％、
Ｔｉ：０．０５０～０．３００％、
Ｖ：０．０１～１．００％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｃｏ：０．０１０～０．５００％、
Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、
Ｓｎ：０．０００５～０．０５００％、
Ｎ：０．００１０～０．０５００％、
Ｏ：０．０５０％以下、
Ｗ：０～０．５０％、
Ｎｂ：０～０．５００％、
Ａｓ：０～０．０１００％、
Ｓｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
降伏強度が、７５８ＭＰａ以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材の元素の含有量、及び、前記降伏強度の範囲内において、前記元素の含有量と、前記降伏強度とが、式（１）を満たす。
０．１５≦（Ｓｎ＋Ａｓ＋Ｓｂ）／｛（Ｃｕ＋Ｎｉ）／ＹＳ｝≦１．００ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入され、ＹＳには降伏強度がＭＰａで代入される。なお、対応する元素が含有されない場合、当該元素記号には「０」が代入される。
質量％で、
Ｃ：０．０３０％以下、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｃｕ：０．０１～３．５０％、
Ｃｒ：１０．００～１４．００％、
Ｎｉ：４．５０～７．５０％、
Ｍｏ：１．００～４．００％、
Ｔｉ：０．０５０～０．３００％、
Ｖ：０．０１～１．００％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｃｏ：０．０１０～０．５００％、
Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、
Ｓｎ：０．０００５～０．０５００％、
Ｎ：０．００１０～０．０５００％、
Ｏ：０．０５０％以下、
Ｗ：０～０．５０％、
Ｎｂ：０～０．５００％、
Ａｓ：０～０．０１００％、
Ｓｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
降伏強度が、７５８ＭＰａ以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材の元素の含有量、及び、前記降伏強度の範囲内において、前記元素の含有量と、前記降伏強度とが、式（１）を満たす。
０．１５≦（Ｓｎ＋Ａｓ＋Ｓｂ）／｛（Ｃｕ＋Ｎｉ）／ＹＳ｝≦１．００ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入され、ＹＳには降伏強度がＭＰａで代入される。なお、対応する元素が含有されない場合、当該元素記号には「０」が代入される。
本開示によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、高い降伏強度と、ｐＨ３．０のサワー環境における優れた耐ＳＳＣ性とを両立できる。
まず本発明者らは、高い降伏強度と、ｐＨ３．０のサワー環境における優れた耐ＳＳＣ性とを両立できるマルテンサイト系ステンレス鋼材について、化学組成の観点から検討した。その結果、本発明者らは、質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｃｕ：０．０１～３．５０％、Ｃｒ：１０．００～１４．００％、Ｎｉ：４．５０～７．５０％、Ｍｏ：１．００～４．００％、Ｔｉ：０．０５０～０．３００％、Ｖ：０．０１～１．００％、Ａｌ：０．００１～０．１００％、Ｃｏ：０．０１０～０．５００％、Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、Ｎ：０．００１０～０．０５００％、Ｏ：０．０５０％以下、Ｗ：０～０．５０％、及び、Ｎｂ：０～０．５００％を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼材であれば、７５８ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）以上の降伏強度と、ｐＨ３．０のサワー環境における優れた耐ＳＳＣ性とを両立できる可能性があると考えた。
次に本発明者らは、上述の元素含有量を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼材について、７５８ＭＰａ以上の降伏強度を維持したまま、耐ＳＳＣ性を高める手段を詳細に検討した。その結果、上述の元素含有量を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼材では、これまで着目されてこなかったスズ（Ｓｎ）、ヒ素（Ａｓ）及びアンチモン（Ｓｂ）が、耐ＳＳＣ性を高める可能性があることを、本発明者らは見出した。本発明者らのさらなる詳細な検討の結果、上述の元素含有量を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼材では、特にＳｎが耐ＳＳＣ性を顕著に高め、Ａｓ及びＳｂは、Ｓｎが耐ＳＳＣ性を高める効果を補助する可能性がある。
そこで本発明者らは、マルテンサイト系ステンレス鋼材の耐ＳＳＣ性を十分に高められるＳｎ、Ａｓ及びＳｂ含有量について、詳細に検討した。その結果、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の元素含有量に加えて、Ｓｎを０．０００５～０．０５００％、Ａｓを０～０．０１００％、及び、Ｓｂを０～０．０１００％含有することで、鋼材の耐ＳＳＣ性が高められることが明らかになった。つまり、質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｃｕ：０．０１～３．５０％、Ｃｒ：１０．００～１４．００％、Ｎｉ：４．５０～７．５０％、Ｍｏ：１．００～４．００％、Ｔｉ：０．０５０～０．３００％、Ｖ：０．０１～１．００％、Ａｌ：０．００１～０．１００％、Ｃｏ：０．０１０～０．５００％、Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、Ｓｎ：０．０００５～０．０５００％、Ｎ：０．００１０～０．０５００％、Ｏ：０．０５０％以下、Ｗ：０～０．５０％、Ｎｂ：０～０．５００％、Ａｓ：０～０．０１００％、Ｓｂ：０～０．０１００％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼材であれば、７５８ＭＰａ以上の降伏強度と、ｐＨ３．０のサワー環境における優れた耐ＳＳＣ性とを両立できる可能性がある。
一方、上述の化学組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼材であっても、７５８ＭＰａ以上の降伏強度を有する場合、ｐＨ３．０のサワー環境では、耐ＳＳＣ性を安定して高められない場合があることを本発明者らは知見した。そこで本発明者らは、上述の化学組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼材について、７５８ＭＰａ以上の降伏強度を維持したまま、ｐＨ３．０のサワー環境における耐ＳＳＣ性を高める手段を詳細に検討した。その結果、本発明者らは次の知見を得た。
本発明者らの詳細な検討の結果、上述の化学組成を有し、かつ、降伏強度が７５８ＭＰａ以上のマルテンサイト系ステンレス鋼材では、元素の含有量と降伏強度とが式（１）を満たせば、ｐＨ３．０のサワー環境における、鋼材の耐ＳＳＣ性を顕著に高められることが明らかになった。
０．１５≦（Ｓｎ＋Ａｓ＋Ｓｂ）／｛（Ｃｕ＋Ｎｉ）／ＹＳ｝≦１．００ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入され、ＹＳには降伏強度がＭＰａで代入される。なお、対応する元素が含有されない場合、当該元素記号には「０」が代入される。
０．１５≦（Ｓｎ＋Ａｓ＋Ｓｂ）／｛（Ｃｕ＋Ｎｉ）／ＹＳ｝≦１．００ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入され、ＹＳには降伏強度がＭＰａで代入される。なお、対応する元素が含有されない場合、当該元素記号には「０」が代入される。
Ｆ１＝（Ｓｎ＋Ａｓ＋Ｓｂ）／｛（Ｃｕ＋Ｎｉ）／ＹＳ｝と定義する。上述のとおり、Ａｓ及びＳｂは、Ｓｎが鋼材の耐ＳＳＣ性を高める効果を補助する。さらに、Ｓｎ、Ａｓ及びＳｂ含有量のＣｕ及びＮｉ含有量に対する比を、ある程度の範囲内にすることで、鋼材の耐ＳＳＣ性が顕著に高まる。一方、鋼材の降伏強度が高いほど、鋼材の耐ＳＳＣ性は低下しやすい。そこで、Ｆ１の分母をＣｕ及びＮｉ含有量の降伏強度に対する比とする。このように、降伏強度に応じて調整された、Ｓｎ、Ａｓ及びＳｂ含有量のＣｕ及びＮｉ含有量に対する比をＦ１と定義する。すなわち、Ｆ１は、降伏強度に応じて調整された、Ｓｎ、Ａｓ及びＳｂと、Ｃｕ及びＮｉとの相乗効果により、ｐＨ３．０のサワー環境における耐ＳＳＣ性を高める指標である。Ｆ１と、ｐＨ３．０のサワー環境における耐ＳＳＣ性との関係について、図面を用いて具体的に説明する。
図１は、本実施例におけるＦ１と、耐ＳＳＣ性との関係を示す図である。図１は、後述する実施例のうち、上述の化学組成を有し、かつ、降伏強度が７５８ＭＰａ以上の実施例について、Ｆ１と、耐ＳＳＣ性の指標である孔食発生本数（本）とを用いて作成した。なお、孔食発生本数は、後述するｐＨ３．０のサワー環境を想定した耐ＳＳＣ性評価試験によって得られた。
図１を参照して、Ｆ１が低すぎる場合、孔食が１本以上発生した。同様に、Ｆ１が高すぎる場合も、孔食が１本以上発生した。一方、Ｆ１が０．１５～１．００であれば、孔食が１本も発生しなかった。つまり、図１を参照して、上述の化学組成を有し、かつ、降伏強度が７５８ＭＰａ以上の鋼材では、Ｆ１が０．１５～１．００の範囲内であれば、ｐＨ３．０のサワー環境において、優れた耐ＳＳＣ性が得られる。
なお、上述の化学組成を有し、降伏強度が７５８ＭＰａ以上の鋼材について、Ｆ１を０．１５～１．００に調整することにより、ｐＨ３．０のサワー環境における鋼材の耐ＳＳＣ性が高まる詳細なメカニズムは、明らかになっていない。しかしながら、図１にも示されるとおり、Ｆ１を０．１５～１．００に調整することにより、上述の化学組成を有し、かつ、降伏強度が７５８ＭＰａ以上のマルテンサイト系ステンレス鋼材の、ｐＨ３．０のサワー環境における耐ＳＳＣ性が高まることは、実施例によって証明されている。
以上より、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成を有し、降伏強度が７５８ＭＰａ以上であり、さらに、元素の含有量、及び、降伏強度の範囲内において、元素の含有量と、降伏強度とが、式（１）を満たす。その結果、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、７５８ＭＰａ以上の高い降伏強度と、ｐＨ３．０のサワー環境における優れた耐ＳＳＣ性とを両立することができる。
以上の知見に基づいて完成した本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の要旨は、次のとおりである。
［１］
マルテンサイト系ステンレス鋼材であって、
質量％で、
Ｃ：０．０３０％以下、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｃｕ：０．０１～３．５０％、
Ｃｒ：１０．００～１４．００％、
Ｎｉ：４．５０～７．５０％、
Ｍｏ：１．００～４．００％、
Ｔｉ：０．０５０～０．３００％、
Ｖ：０．０１～１．００％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｃｏ：０．０１０～０．５００％、
Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、
Ｓｎ：０．０００５～０．０５００％、
Ｎ：０．００１０～０．０５００％、
Ｏ：０．０５０％以下、
Ｗ：０～０．５０％、
Ｎｂ：０～０．５００％、
Ａｓ：０～０．０１００％、
Ｓｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
降伏強度が、７５８ＭＰａ以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材の元素の含有量、及び、前記降伏強度の範囲内において、前記元素の含有量と、前記降伏強度とが、式（１）を満たす、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。
０．１５≦（Ｓｎ＋Ａｓ＋Ｓｂ）／｛（Ｃｕ＋Ｎｉ）／ＹＳ｝≦１．００ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入され、ＹＳには降伏強度がＭＰａで代入される。なお、対応する元素が含有されない場合、当該元素記号には「０」が代入される。
マルテンサイト系ステンレス鋼材であって、
質量％で、
Ｃ：０．０３０％以下、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｃｕ：０．０１～３．５０％、
Ｃｒ：１０．００～１４．００％、
Ｎｉ：４．５０～７．５０％、
Ｍｏ：１．００～４．００％、
Ｔｉ：０．０５０～０．３００％、
Ｖ：０．０１～１．００％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｃｏ：０．０１０～０．５００％、
Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、
Ｓｎ：０．０００５～０．０５００％、
Ｎ：０．００１０～０．０５００％、
Ｏ：０．０５０％以下、
Ｗ：０～０．５０％、
Ｎｂ：０～０．５００％、
Ａｓ：０～０．０１００％、
Ｓｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
降伏強度が、７５８ＭＰａ以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材の元素の含有量、及び、前記降伏強度の範囲内において、前記元素の含有量と、前記降伏強度とが、式（１）を満たす、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。
０．１５≦（Ｓｎ＋Ａｓ＋Ｓｂ）／｛（Ｃｕ＋Ｎｉ）／ＹＳ｝≦１．００ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入され、ＹＳには降伏強度がＭＰａで代入される。なお、対応する元素が含有されない場合、当該元素記号には「０」が代入される。
［２］
［１］に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材であって、
Ｗ：０．０１～０．５０％、
Ｎｂ：０．００１～０．５００％、
Ａｓ：０．０００１～０．０１００％、及び、
Ｓｂ：０．０００１～０．０１００％からなる群から選択される１元素以上を含有する、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。
［１］に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材であって、
Ｗ：０．０１～０．５０％、
Ｎｂ：０．００１～０．５００％、
Ａｓ：０．０００１～０．０１００％、及び、
Ｓｂ：０．０００１～０．０１００％からなる群から選択される１元素以上を含有する、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の形状は特に限定されない。本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、鋼管であってもよく、丸鋼（中実材）であってもよく、鋼板であってもよい。なお、丸鋼とは、軸方向に垂直な断面が円形状の棒鋼を意味する。また、鋼管は継目無鋼管であってもよく、溶接鋼管であってもよい。
以下、本実施形態によるマルテンサ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。また、以下の説明では、マルテンサイト系ステンレス鋼材を、単に「鋼材」ともいう。
［化学組成］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、次の元素を含有する。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、次の元素を含有する。
Ｃ：０．０３０％以下
炭素（Ｃ）は不可避に含有される。つまり、Ｃ含有量の下限は０％超である。Ｃは、鋼材の焼入れ性を高めて鋼材の強度を高める。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が高くなりすぎる。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０３０％以下である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．０２８％であり、さらに好ましくは０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０１８％である。Ｃ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｃ含有量の極端な低減は、製造コストを高める。したがって、工業生産を考慮すれば、Ｃ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００３％であり、さらに好ましくは０．００５％である。
炭素（Ｃ）は不可避に含有される。つまり、Ｃ含有量の下限は０％超である。Ｃは、鋼材の焼入れ性を高めて鋼材の強度を高める。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が高くなりすぎる。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０３０％以下である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．０２８％であり、さらに好ましくは０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０１８％である。Ｃ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｃ含有量の極端な低減は、製造コストを高める。したがって、工業生産を考慮すれば、Ｃ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００３％であり、さらに好ましくは０．００５％である。
Ｓｉ：１．００％以下
ケイ素（Ｓｉ）は不可避に含有される。つまり、Ｓｉ含有量の下限は０％超である。Ｓｉは、鋼を脱酸する。一方、Ｓｉ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は１．００％以下である。上記効果を有効に得るためのＳｉ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．８０％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．５０％であり、さらに好ましくは０．４５％である。
ケイ素（Ｓｉ）は不可避に含有される。つまり、Ｓｉ含有量の下限は０％超である。Ｓｉは、鋼を脱酸する。一方、Ｓｉ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は１．００％以下である。上記効果を有効に得るためのＳｉ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．８０％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．５０％であり、さらに好ましくは０．４５％である。
Ｍｎ：１．００％以下
マンガン（Ｍｎ）は不可避に含有される。つまり、Ｍｎ含有量の下限は０％超である。Ｍｎは、鋼材の焼入れ性を高めて、鋼材の強度を高める。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、ＭｎがＰ及びＳ等の不純物元素と共に粒界に偏析する場合がある。この場合、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．００％以下である。上記効果を有効に得るためのＭｎ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．８０％であり、さらに好ましくは０．７０％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。
マンガン（Ｍｎ）は不可避に含有される。つまり、Ｍｎ含有量の下限は０％超である。Ｍｎは、鋼材の焼入れ性を高めて、鋼材の強度を高める。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、ＭｎがＰ及びＳ等の不純物元素と共に粒界に偏析する場合がある。この場合、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．００％以下である。上記効果を有効に得るためのＭｎ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．８０％であり、さらに好ましくは０．７０％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。
Ｐ：０．０３０％以下
燐（Ｐ）は、不可避に含有される不純物である。つまり、Ｐ含有量の下限は０％超である。Ｐは、結晶粒界に偏析して、ＳＳＣを発生しやすくする。そのため、Ｐ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐ＳＳＣ性が顕著に低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０１８％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、Ｐ含有量の極端な低減は、製造コストを高める。したがって、工業生産を考慮すれば、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％であり、さらに好ましくは０．００３％である。
燐（Ｐ）は、不可避に含有される不純物である。つまり、Ｐ含有量の下限は０％超である。Ｐは、結晶粒界に偏析して、ＳＳＣを発生しやすくする。そのため、Ｐ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐ＳＳＣ性が顕著に低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０１８％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、Ｐ含有量の極端な低減は、製造コストを高める。したがって、工業生産を考慮すれば、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％であり、さらに好ましくは０．００３％である。
Ｓ：０．００５０％以下
硫黄（Ｓ）は、不可避に含有される不純物である。つまり、Ｓ含有量の下限は０％超である。Ｓは、Ｐと同様に結晶粒界に偏析し、ＳＳＣを発生しやすくする。そのため、Ｓ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐ＳＳＣ性が顕著に低下する。したがって、Ｓ含有量は０．００５０％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００２５％であり、さらに好ましくは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、Ｓ含有量の極端な低減は、製造コストを高める。したがって、工業生産を考慮すれば、Ｓ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００２％であり、さらに好ましくは０．０００３％である。
硫黄（Ｓ）は、不可避に含有される不純物である。つまり、Ｓ含有量の下限は０％超である。Ｓは、Ｐと同様に結晶粒界に偏析し、ＳＳＣを発生しやすくする。そのため、Ｓ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐ＳＳＣ性が顕著に低下する。したがって、Ｓ含有量は０．００５０％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００２５％であり、さらに好ましくは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、Ｓ含有量の極端な低減は、製造コストを高める。したがって、工業生産を考慮すれば、Ｓ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００２％であり、さらに好ましくは０．０００３％である。
Ｃｕ：０．０１～３．５０％
銅（Ｃｕ）は、オーステナイト形成元素であり、焼入れ後のミクロ組織をマルテンサイトにする。Ｃｕはさらに、Ｓｎ、Ａｓ及びＳｂとの相乗効果により、ｐＨ３．０のサワー環境における鋼材の耐ＳＳＣ性を高める。Ｃｕ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｕ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が飽和し、さらに鋼材の熱間加工性が著しく低下する。この場合さらに、製造コストが高まる。したがって、Ｃｕ含有量は０．０１～３．５０％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％であり、さらに好ましくは０．０５％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は３．３０％であり、さらに好ましくは３．１０％であり、さらに好ましくは２．９０％である。
銅（Ｃｕ）は、オーステナイト形成元素であり、焼入れ後のミクロ組織をマルテンサイトにする。Ｃｕはさらに、Ｓｎ、Ａｓ及びＳｂとの相乗効果により、ｐＨ３．０のサワー環境における鋼材の耐ＳＳＣ性を高める。Ｃｕ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｕ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が飽和し、さらに鋼材の熱間加工性が著しく低下する。この場合さらに、製造コストが高まる。したがって、Ｃｕ含有量は０．０１～３．５０％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％であり、さらに好ましくは０．０５％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は３．３０％であり、さらに好ましくは３．１０％であり、さらに好ましくは２．９０％である。
Ｃｒ：１０．００～１４．００％
クロム（Ｃｒ）は、鋼材の表面に不働態皮膜を形成して、鋼材の耐ＳＳＣ性を高める。Ｃｒ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、フェライトが組織中に含まれ、十分な強度が確保し難くなる場合がある。Ｃｒ含有量が高すぎればさらに、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中に金属間化合物やＣｒ炭窒化物が生成しやすくなる。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１０．００～１４．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１０．３０％であり、さらに好ましくは１０．５０％であり、さらに好ましくは１１．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１３．８０％であり、さらに好ましくは１３．６０％であり、さらに好ましくは１３．５０％であり、さらに好ましくは１３．４５％であり、さらに好ましくは１３．４０％であり、さらに好ましくは１３．３５％である。
クロム（Ｃｒ）は、鋼材の表面に不働態皮膜を形成して、鋼材の耐ＳＳＣ性を高める。Ｃｒ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、フェライトが組織中に含まれ、十分な強度が確保し難くなる場合がある。Ｃｒ含有量が高すぎればさらに、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中に金属間化合物やＣｒ炭窒化物が生成しやすくなる。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１０．００～１４．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１０．３０％であり、さらに好ましくは１０．５０％であり、さらに好ましくは１１．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１３．８０％であり、さらに好ましくは１３．６０％であり、さらに好ましくは１３．５０％であり、さらに好ましくは１３．４５％であり、さらに好ましくは１３．４０％であり、さらに好ましくは１３．３５％である。
Ｎｉ：４．５０～７．５０％
ニッケル（Ｎｉ）はオーステナイト形成元素であり、焼入れ後のミクロ組織をマルテンサイトにする。Ｎｉはさらに、サワー環境において不働態皮膜上に硫化物を形成する。Ｎｉ硫化物は、塩化物イオン（Ｃｌ－）や硫化水素イオン（ＨＳ－）が不働態皮膜に接触するのを抑制し、不働態皮膜が塩化物イオンや硫化水素イオンにより破壊されるのを抑制する。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が高まる。Ｎｉはさらに、Ｓｎ、Ａｓ及びＳｂとの相乗効果により、ｐＨ３．０のサワー環境における鋼材の耐ＳＳＣ性を高める。Ｎｉ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎｉ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中の水素拡散係数が低下する場合がある。この場合、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｎｉ含有量は４．５０～７．５０％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は４．８０％であり、さらに好ましくは５．００％であり、さらに好ましくは５．５０％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は７．３０％であり、さらに好ましくは７．００％であり、さらに好ましくは６．５０％である。
ニッケル（Ｎｉ）はオーステナイト形成元素であり、焼入れ後のミクロ組織をマルテンサイトにする。Ｎｉはさらに、サワー環境において不働態皮膜上に硫化物を形成する。Ｎｉ硫化物は、塩化物イオン（Ｃｌ－）や硫化水素イオン（ＨＳ－）が不働態皮膜に接触するのを抑制し、不働態皮膜が塩化物イオンや硫化水素イオンにより破壊されるのを抑制する。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が高まる。Ｎｉはさらに、Ｓｎ、Ａｓ及びＳｂとの相乗効果により、ｐＨ３．０のサワー環境における鋼材の耐ＳＳＣ性を高める。Ｎｉ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎｉ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中の水素拡散係数が低下する場合がある。この場合、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｎｉ含有量は４．５０～７．５０％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は４．８０％であり、さらに好ましくは５．００％であり、さらに好ましくは５．５０％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は７．３０％であり、さらに好ましくは７．００％であり、さらに好ましくは６．５０％である。
Ｍｏ：１．００～４．００％
モリブデン（Ｍｏ）は、サワー環境において不働態皮膜上に硫化物を形成する。Ｍｏ硫化物は、塩化物イオン（Ｃｌ－）や硫化水素イオン（ＨＳ－）が不働態皮膜に接触するのを抑制し、不働態皮膜が塩化物イオンや硫化水素イオンにより破壊されるのを抑制する。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が高まる。Ｍｏはさらに、鋼材中に固溶して鋼材の強度を高める。Ｍｏ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｏ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、オーステナイトが安定化しにくくなる。その結果、焼戻し後のミクロ組織中にフェライトが多く含まれる場合がある。Ｍｏ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｌａｖｅｓ相などの金属間化合物を多量に生成し、鋼材の降伏強度が高くなりすぎる場合がある。したがって、Ｍｏ含有量は１．００～４．００％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は１．３０％であり、さらに好ましくは１．５０％であり、さらに好ましくは１．８０％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は３．８０％であり、さらに好ましくは３．６０％であり、さらに好ましくは３．４０％である。
モリブデン（Ｍｏ）は、サワー環境において不働態皮膜上に硫化物を形成する。Ｍｏ硫化物は、塩化物イオン（Ｃｌ－）や硫化水素イオン（ＨＳ－）が不働態皮膜に接触するのを抑制し、不働態皮膜が塩化物イオンや硫化水素イオンにより破壊されるのを抑制する。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が高まる。Ｍｏはさらに、鋼材中に固溶して鋼材の強度を高める。Ｍｏ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｏ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、オーステナイトが安定化しにくくなる。その結果、焼戻し後のミクロ組織中にフェライトが多く含まれる場合がある。Ｍｏ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｌａｖｅｓ相などの金属間化合物を多量に生成し、鋼材の降伏強度が高くなりすぎる場合がある。したがって、Ｍｏ含有量は１．００～４．００％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は１．３０％であり、さらに好ましくは１．５０％であり、さらに好ましくは１．８０％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は３．８０％であり、さらに好ましくは３．６０％であり、さらに好ましくは３．４０％である。
Ｔｉ：０．０５０～０．３００％
チタン（Ｔｉ）は、Ｃ及び／又はＮと結合して炭化物又は窒化物を形成する。この場合、ピンニング効果により結晶粒の粗大化が抑制され、鋼材の降伏強度が高まる。Ｔｉ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｔｉ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が高くなりすぎ、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０．０５０～０．３００％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０８０％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．２５０％であり、さらに好ましくは０．２００％であり、さらに好ましくは０．１８０％である。
チタン（Ｔｉ）は、Ｃ及び／又はＮと結合して炭化物又は窒化物を形成する。この場合、ピンニング効果により結晶粒の粗大化が抑制され、鋼材の降伏強度が高まる。Ｔｉ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｔｉ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が高くなりすぎ、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０．０５０～０．３００％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０８０％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．２５０％であり、さらに好ましくは０．２００％であり、さらに好ましくは０．１８０％である。
Ｖ：０．０１～１．００％
バナジウム（Ｖ）は、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の降伏強度を高める。Ｖ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｖ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が高くなりすぎ、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０．０１～１．００％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．８０％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。
バナジウム（Ｖ）は、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の降伏強度を高める。Ｖ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｖ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が高くなりすぎ、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０．０１～１．００％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．８０％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。
Ａｌ：０．００１～０．１００％
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。Ａｌ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ａｌ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な酸化物が生成して、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００１～０．１００％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０５５％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。本明細書でいうＡｌ含有量は、ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）の含有量を意味する。
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。Ａｌ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ａｌ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な酸化物が生成して、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００１～０．１００％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０５５％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。本明細書でいうＡｌ含有量は、ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）の含有量を意味する。
Ｃｏ：０．０１０～０．５００％
コバルト（Ｃｏ）は、サワー環境において不働態皮膜上に硫化物を形成する。Ｃｏ硫化物は、塩化物イオン（Ｃｌ－）や硫化水素イオン（ＨＳ－）が不働態皮膜に接触するのを抑制し、不働態皮膜が塩化物イオンや硫化水素イオンにより破壊されるのを抑制する。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が高まる。Ｃｏはさらに、鋼材の焼入性を高め、特に工業生産時において、鋼材の安定した高強度を確保する。具体的には、Ｃｏは残留オーステナイトの生成を抑制し、鋼材の強度のばらつきを抑制する。Ｃｏ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｏ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靱性が低下する。したがって、Ｃｏ含有量は０．０１０～０．５００％である。Ｃｏ含有量の好ましい下限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０５０％であり、さらに好ましくは０．１００％である。Ｃｏ含有量の好ましい上限は０．４５０％であり、さらに好ましくは０．４００％であり、さらに好ましくは０．３５０％である。
コバルト（Ｃｏ）は、サワー環境において不働態皮膜上に硫化物を形成する。Ｃｏ硫化物は、塩化物イオン（Ｃｌ－）や硫化水素イオン（ＨＳ－）が不働態皮膜に接触するのを抑制し、不働態皮膜が塩化物イオンや硫化水素イオンにより破壊されるのを抑制する。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が高まる。Ｃｏはさらに、鋼材の焼入性を高め、特に工業生産時において、鋼材の安定した高強度を確保する。具体的には、Ｃｏは残留オーステナイトの生成を抑制し、鋼材の強度のばらつきを抑制する。Ｃｏ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｏ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靱性が低下する。したがって、Ｃｏ含有量は０．０１０～０．５００％である。Ｃｏ含有量の好ましい下限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０５０％であり、さらに好ましくは０．１００％である。Ｃｏ含有量の好ましい上限は０．４５０％であり、さらに好ましくは０．４００％であり、さらに好ましくは０．３５０％である。
Ｃａ：０．０００５～０．００５０％
カルシウム（Ｃａ）は、鋼材中のＳを硫化物として固定することで無害化し、鋼材の熱間加工性を高める。Ｃａ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃａ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中に粗大な介在物が生成して、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０．０００５～０．００５０％である。Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００６％であり、さらに好ましくは０．０００８％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００４５％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３５％である。
カルシウム（Ｃａ）は、鋼材中のＳを硫化物として固定することで無害化し、鋼材の熱間加工性を高める。Ｃａ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃａ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中に粗大な介在物が生成して、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０．０００５～０．００５０％である。Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００６％であり、さらに好ましくは０．０００８％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００４５％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３５％である。
Ｓｎ：０．０００５～０．０５００％
スズ（Ｓｎ）は、ｐＨ３．０のサワー環境における鋼材の耐ＳＳＣ性を高める。Ｓｎ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｓｎ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｓｎが粒界に偏析して、かえって鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｓｎ含有量は０．０００５～０．０５００％である。Ｓｎ含有量の好ましい下限は０．０００８％であり、さらに好ましくは０．００１０％であり、さらに好ましくは０．００１５％である。Ｓｎ含有量の好ましい上限は０．０４００％であり、さらに好ましくは０．０３００％であり、さらに好ましくは０．０２００％であり、さらに好ましくは０．０１００％であり、さらに好ましくは０．００８０％である。
スズ（Ｓｎ）は、ｐＨ３．０のサワー環境における鋼材の耐ＳＳＣ性を高める。Ｓｎ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｓｎ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｓｎが粒界に偏析して、かえって鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｓｎ含有量は０．０００５～０．０５００％である。Ｓｎ含有量の好ましい下限は０．０００８％であり、さらに好ましくは０．００１０％であり、さらに好ましくは０．００１５％である。Ｓｎ含有量の好ましい上限は０．０４００％であり、さらに好ましくは０．０３００％であり、さらに好ましくは０．０２００％であり、さらに好ましくは０．０１００％であり、さらに好ましくは０．００８０％である。
Ｎ：０．００１０～０．０５００％
窒素（Ｎ）は、Ｔｉと結合して微細なＴｉ窒化物を形成する。微細なＴｉＮはピンニング効果により結晶粒の粗大化を抑制する。その結果、鋼材の降伏強度が高まる。Ｎ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な窒化物が生成して、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００１０～０．０５００％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００１５％であり、さらに好ましくは０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００４０％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０４５０％であり、さらに好ましくは０．０４００％であり、さらに好ましくは０．０３５０％であり、さらに好ましくは０．０３００％である。
窒素（Ｎ）は、Ｔｉと結合して微細なＴｉ窒化物を形成する。微細なＴｉＮはピンニング効果により結晶粒の粗大化を抑制する。その結果、鋼材の降伏強度が高まる。Ｎ含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な窒化物が生成して、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００１０～０．０５００％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００１５％であり、さらに好ましくは０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００４０％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０４５０％であり、さらに好ましくは０．０４００％であり、さらに好ましくは０．０３５０％であり、さらに好ましくは０．０３００％である。
Ｏ：０．０５０％以下
酸素（Ｏ）は、不可避に含有される不純物である。つまり、Ｏ含有量の下限は０％超である。Ｏは、酸化物を形成して、鋼材の耐ＳＳＣ性を低下させる。そのため、Ｏ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐ＳＳＣ性が顕著に低下する。したがって、Ｏ含有量は０．０５０％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｏ含有量の極端な低減は、製造コストを高める。したがって、工業生産を考慮すれば、Ｏ含有量の好ましい下限は０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。
酸素（Ｏ）は、不可避に含有される不純物である。つまり、Ｏ含有量の下限は０％超である。Ｏは、酸化物を形成して、鋼材の耐ＳＳＣ性を低下させる。そのため、Ｏ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐ＳＳＣ性が顕著に低下する。したがって、Ｏ含有量は０．０５０％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｏ含有量の極端な低減は、製造コストを高める。したがって、工業生産を考慮すれば、Ｏ含有量の好ましい下限は０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、鋼材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、意図的に含有させるものではなく、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材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］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｗを含有してもよい。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｗを含有してもよい。
Ｗ：０～０．５０％
タングステン（Ｗ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｗ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｗはサワー環境において不働態皮膜を安定化して、不働態皮膜が塩化物イオンや硫化水素イオンにより破壊されるのを抑制する。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が高まる。Ｗが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Ｗ含有量が高すぎれば、ＷはＣと結合して、粗大な炭化物を形成する。この場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｗ含有量は０～０．５０％である。Ｗ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％であり、さらに好ましくは０．０５％である。Ｗ含有量の好ましい上限は０．４５％であり、さらに好ましくは０．４０％であり、さらに好ましくは０．３５％である。
タングステン（Ｗ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｗ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｗはサワー環境において不働態皮膜を安定化して、不働態皮膜が塩化物イオンや硫化水素イオンにより破壊されるのを抑制する。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が高まる。Ｗが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Ｗ含有量が高すぎれば、ＷはＣと結合して、粗大な炭化物を形成する。この場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｗ含有量は０～０．５０％である。Ｗ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％であり、さらに好ましくは０．０５％である。Ｗ含有量の好ましい上限は０．４５％であり、さらに好ましくは０．４０％であり、さらに好ましくは０．３５％である。
さらに、ＷはＣｕ含有量が高い場合の耐ＳＳＣ性を顕著に高める。具体的に、Ｃｕ含有量が０．５０％以上の場合、Ｗ含有量を０．１０％以上とするのが好ましい。Ｃｕ含有量が０．５０％以上の場合における、Ｗ含有量のさらに好ましい下限は０．１２％であり、さらに好ましくは０．１５％である。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｂを含有してもよい。
Ｎｂ：０～０．５００％
ニオブ（Ｎｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、ＮｂはＣ及び／又はＮと結合してＮｂ炭化物、Ｎｂ炭窒化物を形成する。この場合、ピンニング効果により結晶粒の粗大化が抑制され、鋼材の降伏強度が高まる。Ｎｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Ｎｂ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｎｂ炭化物及び／又はＮｂ炭窒化物が過剰に生成する。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０～０．５００％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％であり、さらに好ましくは０．００３％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．４５０％であり、さらに好ましくは０．４００％であり、さらに好ましくは０．３５０％である。
ニオブ（Ｎｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、ＮｂはＣ及び／又はＮと結合してＮｂ炭化物、Ｎｂ炭窒化物を形成する。この場合、ピンニング効果により結晶粒の粗大化が抑制され、鋼材の降伏強度が高まる。Ｎｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Ｎｂ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｎｂ炭化物及び／又はＮｂ炭窒化物が過剰に生成する。その結果、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０～０．５００％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％であり、さらに好ましくは０．００３％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．４５０％であり、さらに好ましくは０．４００％であり、さらに好ましくは０．３５０％である。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材さらに、Ｆｅの一部に代えて、Ａｓ、及び、Ｓｂからなる群から選択される１元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも、Ｓｎが鋼材の耐ＳＳＣ性を高める効果を補助する。
Ａｓ：０～０．０１００％
ヒ素（Ａｓ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ａｓ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ａｓは、Ｓｎが鋼材の耐ＳＳＣ性を高める効果を補助する。Ａｓが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Ａｓ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ａｓが粒界に偏析して、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ａｓ含有量は０～０．０１００％である。Ａｓ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ａｓ含有量の好ましい上限は０．００９０％であり、さらに好ましくは０．００８０％である。
ヒ素（Ａｓ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ａｓ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ａｓは、Ｓｎが鋼材の耐ＳＳＣ性を高める効果を補助する。Ａｓが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Ａｓ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ａｓが粒界に偏析して、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ａｓ含有量は０～０．０１００％である。Ａｓ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ａｓ含有量の好ましい上限は０．００９０％であり、さらに好ましくは０．００８０％である。
Ｓｂ：０～０．０１００％
アンチモン（Ｓｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｓｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｓｂは、Ｓｎが鋼材の耐ＳＳＣ性を高める効果を補助する。Ｓｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Ｓｂ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｓｂが粒界に偏析して、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｓｂ含有量は０～０．０１００％である。Ｓｂ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｓｂ含有量の好ましい上限は０．００９０％であり、さらに好ましくは０．００８０％である。
アンチモン（Ｓｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｓｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｓｂは、Ｓｎが鋼材の耐ＳＳＣ性を高める効果を補助する。Ｓｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Ｓｂ含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｓｂが粒界に偏析して、鋼材の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｓｂ含有量は０～０．０１００％である。Ｓｂ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｓｂ含有量の好ましい上限は０．００９０％であり、さらに好ましくは０．００８０％である。
［降伏強度］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の降伏強度は、７５８ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）以上であり、さらに好ましくは８６２ＭＰａ（１２５ｋｓｉ）以上である。降伏強度の上限は特に限定されないが、本実施形態の鋼材の降伏強度の上限は、たとえば、１０３４ＭＰａ（１５０ｋｓｉ）である。鋼材のさらに好ましい降伏強度の上限は１０００ＭＰａ（１４５ｋｓｉ）である。本明細書において、降伏強度は、ＡＳＴＭ Ｅ８／Ｅ８Ｍ（２０１３）に準拠した常温（２４±３℃）での引張試験により得られた、０．２％オフセット耐力（ＭＰａ）を意味する。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の降伏強度は、７５８ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）以上であり、さらに好ましくは８６２ＭＰａ（１２５ｋｓｉ）以上である。降伏強度の上限は特に限定されないが、本実施形態の鋼材の降伏強度の上限は、たとえば、１０３４ＭＰａ（１５０ｋｓｉ）である。鋼材のさらに好ましい降伏強度の上限は１０００ＭＰａ（１４５ｋｓｉ）である。本明細書において、降伏強度は、ＡＳＴＭ Ｅ８／Ｅ８Ｍ（２０１３）に準拠した常温（２４±３℃）での引張試験により得られた、０．２％オフセット耐力（ＭＰａ）を意味する。
具体的に、本実施形態では、降伏強度を次の方法で求める。まず、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材から、引張試験片を作製する。鋼材が鋼管の場合、肉厚中央位置から引張試験片を作製する。鋼材が丸鋼の場合、Ｒ／２位置から引張試験片を作製する。なお、本明細書において、丸鋼のＲ／２位置とは、丸鋼の軸方向に垂直な断面において、半径Ｒの中央位置を意味する。鋼材が鋼板の場合、板厚中央位置から引張試験片を作製する。引張試験片のサイズは特に限定されない。引張試験片はたとえば、平行部径が８．９ｍｍ、標点距離が３５．６ｍｍの丸棒引張試験片とする。引張試験片の平行部の長手方向は鋼材の圧延方向及び／又は軸方向と平行とする。作製した引張試験片を用いて、ＡＳＴＭ Ｅ８／Ｅ８Ｍ（２０１３）に準拠して、常温（２４±３℃）で引張試験を行い、０．２％オフセット耐力（ＭＰａ）を求める。求めた０．２％オフセット耐力を降伏強度（ＭＰａ）と定義する。
上述のとおり、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の降伏強度は、７５８ＭＰａ以上であり、好ましくは８６２ＭＰａ以上である。本実施形態では、Ｃｕ含有量が１．００％以下であり、７５８～８６２ＭＰａ未満の降伏強度を得ようとする場合、マルテンサイト系ステンレス鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｃｕ：０．０１～１．００％、Ｃｒ：１０．００～１４．００％、Ｎｉ：４．５０～６．５０％、Ｍｏ：１．００～３．００％、Ｔｉ：０．０５０～０．３００％、Ｖ：０．０１～１．００％、Ａｌ：０．００１～０．１００％、Ｃｏ：０．０１０～０．５００％、Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、Ｓｎ：０．０００５～０．０５００％、Ｎ：０．００１０～０．０５００％、Ｏ：０．０５０％以下、Ｗ：０～０．５０％、Ｎｂ：０～０．５００％、Ａｓ：０～０．０１００％、Ｓｂ：０～０．０１００％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなることが好ましい。
本実施形態ではさらに、Ｃｕ含有量が１．００％以下であり、８６２ＭＰａ以上の降伏強度を得ようとする場合、マルテンサイト系ステンレス鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｃｕ：０．０１～１．００％、Ｃｒ：１０．００～１４．００％、Ｎｉ：５．００～７．５０％、Ｍｏ：２．００～４．００％、Ｔｉ：０．０５０～０．３００％、Ｖ：０．０１～１．００％、Ａｌ：０．００１～０．１００％、Ｃｏ：０．０１０～０．５００％、Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、Ｓｎ：０．０００５～０．０５００％、Ｎ：０．００１０～０．０５００％、Ｏ：０．０５０％以下、Ｗ：０～０．５０％、Ｎｂ：０～０．５００％、Ａｓ：０～０．０１００％、Ｓｂ：０～０．０１００％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなることが好ましい。
本実施形態では、Ｃｕ含有量が０．５０％以上であり、８６２ＭＰａ以上の降伏強度を得ようとする場合、マルテンサイト系ステンレス鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｃｕ：０．５０～３．５０％、Ｃｒ：１０．００～１４．００％、Ｎｉ：５．００～７．５０％、Ｍｏ：２．００～４．００％、Ｔｉ：０．０５０～０．３００％、Ｖ：０．０１～１．００％、Ａｌ：０．００１～０．１００％、Ｃｏ：０．０１０～０．５００％、Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、Ｓｎ：０．０００５～０．０５００％、Ｎ：０．００１０～０．０５００％、Ｏ：０．０５０％以下、Ｗ：０．１０～０．５０％、Ｎｂ：０～０．５００％、Ａｓ：０～０．０１００％、Ｓｂ：０～０．０１００％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなることが好ましい。
［式（１）について］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の元素の含有量、及び、７５８ＭＰａ以上の降伏強度の範囲内において、元素の含有量と、降伏強度とが、式（１）を満たす。その結果、本実施形態によるマルテンサイト鋼材は、本実施形態の他の構成を満たすことを条件に、ｐＨ３．０のサワー環境における優れた耐ＳＳＣ性を有する。
０．１５≦（Ｓｎ＋Ａｓ＋Ｓｂ）／｛（Ｃｕ＋Ｎｉ）／ＹＳ｝≦１．００ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入され、ＹＳには降伏強度がＭＰａで代入される。なお、対応する元素が含有されない場合、当該元素記号には「０」が代入される。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の元素の含有量、及び、７５８ＭＰａ以上の降伏強度の範囲内において、元素の含有量と、降伏強度とが、式（１）を満たす。その結果、本実施形態によるマルテンサイト鋼材は、本実施形態の他の構成を満たすことを条件に、ｐＨ３．０のサワー環境における優れた耐ＳＳＣ性を有する。
０．１５≦（Ｓｎ＋Ａｓ＋Ｓｂ）／｛（Ｃｕ＋Ｎｉ）／ＹＳ｝≦１．００ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入され、ＹＳには降伏強度がＭＰａで代入される。なお、対応する元素が含有されない場合、当該元素記号には「０」が代入される。
Ｆ１（＝（Ｓｎ＋Ａｓ＋Ｓｂ）／｛（Ｃｕ＋Ｎｉ）／ＹＳ｝）は、降伏強度に応じて調整された、Ｓｎ、Ａｓ及びＳｂと、Ｃｕ及びＮｉとの相乗効果により、ｐＨ３．０のサワー環境における耐ＳＳＣ性を高める指標である。Ｆ１が低すぎる場合、ｐＨ３．０のサワー環境において、鋼材は優れた耐ＳＳＣ性を示さない。同様に、Ｆ１が高すぎる場合、ｐＨ３．０のサワー環境において、鋼材は優れた耐ＳＳＣ性を示さない。一方、Ｆ１が０．１５～１．００であれば、ｐＨ３．０のサワー環境において、鋼材は優れた耐ＳＳＣ性を示す。
したがって、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の元素の含有量、及び、７５８ＭＰａ以上の降伏強度を満たした上で、Ｆ１を０．１５～１．００とする。Ｆ１の好ましい下限は０．１６であり、さらに好ましくは０．１８である。Ｆ１の好ましい上限は０．９５であり、さらに好ましくは０．９０である。
［鋼材のミクロ組織］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材のミクロ組織は、マルテンサイトを主体とする。本明細書において「マルテンサイトを主体とする」とは、ミクロ組織が、体積率で、０～５．０％の残留オーステナイト、０～５．０％のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなることを意味する。本明細書において、「残留オーステナイト、フェライト、及び、焼戻しマルテンサイトからなる」とは、残留オーステナイト、フェライト、及び、焼戻しマルテンサイト以外の相が無視できるほど少ないことを意味する。たとえば、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の化学組成においては、析出物や介在物の体積率は、残留オーステナイト、フェライト、及び、焼戻しマルテンサイトの体積率と比較して、無視できるほど小さい。すなわち、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼管のミクロ組織には、残留オーステナイト、フェライト、及び、焼戻しマルテンサイト以外に、析出物や介在物等を微小量含んでもよい。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材のミクロ組織は、マルテンサイトを主体とする。本明細書において「マルテンサイトを主体とする」とは、ミクロ組織が、体積率で、０～５．０％の残留オーステナイト、０～５．０％のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなることを意味する。本明細書において、「残留オーステナイト、フェライト、及び、焼戻しマルテンサイトからなる」とは、残留オーステナイト、フェライト、及び、焼戻しマルテンサイト以外の相が無視できるほど少ないことを意味する。たとえば、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の化学組成においては、析出物や介在物の体積率は、残留オーステナイト、フェライト、及び、焼戻しマルテンサイトの体積率と比較して、無視できるほど小さい。すなわち、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼管のミクロ組織には、残留オーステナイト、フェライト、及び、焼戻しマルテンサイト以外に、析出物や介在物等を微小量含んでもよい。
本明細書において、マルテンサイトとは、フレッシュマルテンサイトだけでなく、焼戻しマルテンサイトも含む。本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材のミクロ組織中のマルテンサイトの体積率の下限は９０．０％であり、さらに好ましくは９５．０％である。さらに好ましくは、鋼材のミクロ組織は、マルテンサイト単相である。
ミクロ組織において、少量の残留オーステナイトは、著しい強度の低下を招かず、かつ、鋼材の靭性を顕著に高める。しかしながら、残留オーステナイトの体積率が高すぎれば、鋼材の強度が顕著に低下する。したがって、本実施形態の鋼材のミクロ組織において、残留オーステナイトの体積率は０～５．０％である。強度確保の観点から、残留オーステナイトの体積率の好ましい上限は４．０％であり、さらに好ましくは３．０％である。残留オーステナイトの体積率は０％であってもよい。一方、少しでも残留オーステナイトを含有する場合、残留オーステナイトの体積率は０超～５．０％であり、さらに好ましくは０超～４．０％であり、さらに好ましくは０超～３．０％である。
ミクロ組織において、少量のフェライトが含まれる場合がある。しかしながら、フェライトの体積率が高すぎれば、鋼材の靭性が顕著に低下する。したがって、本実施形態の鋼材のミクロ組織において、フェライトの体積率は０～５．０％である。フェライトの体積率の好ましい上限は３．０％であり、さらに好ましくは２．０％であり、さらに好ましくは１．０％である。フェライトの体積率は０％であってもよい。一方、少しでもフェライトを含有する場合、フェライトの体積率は０超～５．０％であり、さらに好ましくは０超～３．０％であり、さらに好ましくは０超～２．０％であり、さらに好ましくは０超～１．０％である。
［マルテンサイトの体積率の測定方法］
本実施形態では、鋼材のミクロ組織中のマルテンサイトの体積率（％）は、以下に示す方法で求めた残留オーステナイトの体積率（％）と、以下に示す方法で求めたフェライトの体積率（％）とを、１００％から差し引いて求める。
本実施形態では、鋼材のミクロ組織中のマルテンサイトの体積率（％）は、以下に示す方法で求めた残留オーステナイトの体積率（％）と、以下に示す方法で求めたフェライトの体積率（％）とを、１００％から差し引いて求める。
［残留オーステナイトの体積率の測定方法］
鋼材のミクロ組織中の残留オーステナイトの体積率を、Ｘ線回折法により求める。具体的には、本実施形態による鋼材から、残留オーステナイトの体積率測定用の試験片を作製する。鋼材が鋼管の場合、肉厚中央位置から試験片を採取する。鋼材が丸鋼の場合、Ｒ／２位置から試験片を採取する。鋼材が鋼板の場合、板厚中央位置から試験片を採取する。試験片の大きさは特に限定されない。試験片はたとえば、１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ２ｍｍである。鋼材が鋼管の場合、試験片の厚さ方向は、管径方向である。鋼材が丸鋼の場合、試験片の厚さ方向は、径方向である。鋼材が鋼板の場合、試験片の厚さ方向は、板厚方向である。作製した試験片を用いて、α相（マルテンサイト）の（１１０）面、α相の（２００）面、α相の（２１１）面、γ相（残留オーステナイト）の（１１１）面、γ相の（２００）面、及び、γ相の（２２０）面の各々のＸ線回折強度を測定し、各面の積分強度を算出する。
鋼材のミクロ組織中の残留オーステナイトの体積率を、Ｘ線回折法により求める。具体的には、本実施形態による鋼材から、残留オーステナイトの体積率測定用の試験片を作製する。鋼材が鋼管の場合、肉厚中央位置から試験片を採取する。鋼材が丸鋼の場合、Ｒ／２位置から試験片を採取する。鋼材が鋼板の場合、板厚中央位置から試験片を採取する。試験片の大きさは特に限定されない。試験片はたとえば、１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ２ｍｍである。鋼材が鋼管の場合、試験片の厚さ方向は、管径方向である。鋼材が丸鋼の場合、試験片の厚さ方向は、径方向である。鋼材が鋼板の場合、試験片の厚さ方向は、板厚方向である。作製した試験片を用いて、α相（マルテンサイト）の（１１０）面、α相の（２００）面、α相の（２１１）面、γ相（残留オーステナイト）の（１１１）面、γ相の（２００）面、及び、γ相の（２２０）面の各々のＸ線回折強度を測定し、各面の積分強度を算出する。
Ｘ線回折強度の測定において、Ｘ線回折装置のターゲットをＣｏとし（ＣｏＫα線）、出力を３０ｋＶ－１００ｍＡとする。測定角度（２θ）を４５～１０５°とする。算出後、α相の各面と、γ相の各面との組合せ（３×３＝９組）ごとに式（Ｉ）を用いて残留オーステナイトの体積率Ｖγ（％）を算出する。そして、９組の残留オーステナイトの体積率Ｖγの平均値を、残留オーステナイトの体積率（％）と定義する。
Ｖγ＝１００／｛１＋（Ｉα×Ｒγ）／（Ｉγ×Ｒα）｝ （Ｉ）
ここで、Ｉαはα相の積分強度である。Ｒαはα相の結晶学的理論計算値である。Ｉγはγ相の積分強度である。Ｒγはγ相の結晶学的理論計算値である。各面でのＲα及びＲγの値は、株式会社リガク製、商品名ＲＩＮＴ－ＴＴＲに付属の残留γ定量解析システムに組み込まれた値を使用することができる。なお、残留オーステナイトの体積率は、得られた数値の小数第二位を四捨五入する。
Ｖγ＝１００／｛１＋（Ｉα×Ｒγ）／（Ｉγ×Ｒα）｝ （Ｉ）
ここで、Ｉαはα相の積分強度である。Ｒαはα相の結晶学的理論計算値である。Ｉγはγ相の積分強度である。Ｒγはγ相の結晶学的理論計算値である。各面でのＲα及びＲγの値は、株式会社リガク製、商品名ＲＩＮＴ－ＴＴＲに付属の残留γ定量解析システムに組み込まれた値を使用することができる。なお、残留オーステナイトの体積率は、得られた数値の小数第二位を四捨五入する。
［フェライトの体積率の測定方法］
鋼材のミクロ組織中のフェライトの体積率を、点算法により求める。具体的には、本実施形態による鋼材から、フェライトの体積率測定用の試験片を作製する。鋼材が鋼管の場合、肉厚中央位置から試験片を採取する。鋼材が丸鋼の場合、Ｒ／２位置から試験片を採取する。鋼材が鋼板の場合、板厚中央位置から試験片を採取する。試験片は、圧延方向に平行な面を観察面として有していればよく、特に限定されない。たとえば、鋼材が鋼管の場合、試験片の観察面は管軸方向に平行である。観察面を機械研磨した後、観察面を電解エッチングして組織現出を行う。電解エッチングは、電解液：３０％水酸化ナトリウム水溶液、電流密度：１Ａ／ｃｍ２、電解時間：１分間として実施する。
鋼材のミクロ組織中のフェライトの体積率を、点算法により求める。具体的には、本実施形態による鋼材から、フェライトの体積率測定用の試験片を作製する。鋼材が鋼管の場合、肉厚中央位置から試験片を採取する。鋼材が丸鋼の場合、Ｒ／２位置から試験片を採取する。鋼材が鋼板の場合、板厚中央位置から試験片を採取する。試験片は、圧延方向に平行な面を観察面として有していればよく、特に限定されない。たとえば、鋼材が鋼管の場合、試験片の観察面は管軸方向に平行である。観察面を機械研磨した後、観察面を電解エッチングして組織現出を行う。電解エッチングは、電解液：３０％水酸化ナトリウム水溶液、電流密度：１Ａ／ｃｍ２、電解時間：１分間として実施する。
電解エッチングされた観察面を、光学顕微鏡を用いて３０視野観察する。観察視野は、２５０μｍ×２５０μｍの長方形とする。なお、観察倍率は４００倍である。各観察視野において、フェライトと、その他の相（残留オーステナイトや焼戻しマルテンサイト）とは、当業者であればコントラストから区別することができる。そのため、各観察視野におけるフェライトを、コントラストに基づいて特定する。特定されたフェライトの面積率を、ＡＳＴＭ Ｅ５６２（２０１９）に準拠した点算法によって求める。
具体的には、観察視野について、観察視野の上端から下端までの縦線を、等間隔に２０本引く。すなわち、２０本の縦線により、観察視野は左右方向に２１個の領域に分割される。観察視野についてさらに、観察視野の左端から右端までの横線を、等間隔に２０本引く。すなわち、２０本の横線により、観察視野は上下方向に２１個の領域に分割される。このとき、縦線と横線との交点を格子点という。すなわち、観察視野には４００個の格子点が、等間隔に配置される。ＡＳＴＭ Ｅ５６２（２０１９）に準拠して、観察視野において、フェライトと重なる格子点を計数する。３０視野にて得られたフェライトと重なる格子点の数を、格子点の総数（４００×３０＝１２０００）で除し、フェライト面積率と定義する。本実施形態では、以上の方法で求めたフェライトの面積率を、フェライトの体積率（％）とする。なお、フェライトの体積率は、得られた数値の小数第二位を四捨五入する。
上述のＸ線回折法で得られた残留オーステナイトの体積率（％）と、上述の点算法で得られたフェライトの体積率（％）とを用いて、鋼材のミクロ組織のマルテンサイトの体積率（％）を次の式により求める。
マルテンサイトの体積率（％）＝１００．０－｛残留オーステナイトの体積率（％）＋フェライトの体積率（％）｝
マルテンサイトの体積率（％）＝１００．０－｛残留オーステナイトの体積率（％）＋フェライトの体積率（％）｝
［鋼材の耐ＳＳＣ性］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、７５８ＭＰａ以上の高い降伏強度を有していても、ｐＨ３．０のサワー環境における優れた耐ＳＳＣ性を有する。本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の耐ＳＳＣ性は、常温での耐ＳＳＣ性評価試験により評価できる。耐ＳＳＣ性評価試験は、ＮＡＣＥ ＴＭ０１７７－２０１６ Ｍｅｔｈｏｄ Ａに準拠した方法で実施する。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、７５８ＭＰａ以上の高い降伏強度を有していても、ｐＨ３．０のサワー環境における優れた耐ＳＳＣ性を有する。本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の耐ＳＳＣ性は、常温での耐ＳＳＣ性評価試験により評価できる。耐ＳＳＣ性評価試験は、ＮＡＣＥ ＴＭ０１７７－２０１６ Ｍｅｔｈｏｄ Ａに準拠した方法で実施する。
具体的には、本実施形態による鋼材から、丸棒試験片を作製する。鋼材が鋼管の場合、肉厚中央位置から丸棒試験片を作製する。鋼材が丸鋼の場合、Ｒ／２部から丸棒試験片を作製する。鋼材が鋼板の場合、板厚中央位置から丸棒試験片を作製する。丸棒試験片の大きさは特に限定されない。丸棒試験片は、たとえば、平行部の直径が６．３５ｍｍであり、平行部の長さが２５．４ｍｍである。なお、丸棒試験片の軸方向は、鋼材の圧延方向及び／又は軸方向と平行とする。
試験溶液は、ｐＨが３．０の０．１７質量％塩化ナトリウム水溶液とする。試験溶液は、０．１７質量％の塩化ナトリウムと、０．４１ｇ／Ｌの酢酸ナトリウムとを含有する水溶液に酢酸を添加して、ｐＨを３．０に調整する。上述のとおりに作製した丸棒試験片に対して、実降伏応力の９０％に相当する応力を負荷する。試験容器に２４℃の試験溶液を、応力を負荷された丸棒試験片が浸漬するように注入し、試験浴とする。試験浴を脱気した後、０．０３ｂａｒのＨ２Ｓガス及び０．９７ｂａｒのＣＯ２ガスを試験浴に吹き込み、試験浴にＨ２Ｓガスを飽和させる。Ｈ２Ｓガスが飽和した試験浴を、２４℃で７２０時間保持する。７２０時間保持後の試験片に対して、拡大率が１０倍のルーペで試験片の平行部の表面を観察して、孔食の有無を確認する。本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の方法で実施した耐ＳＳＣ性評価試験においても、７２０時間経過後に、孔食が確認されない。
［鋼材の形状及び用途］
上述のとおり、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の形状は特に限定されない。具体的に、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、鋼管であってもよく、丸鋼（中実材）であってもよく、鋼板であってもよい。鋼管は継目無鋼管であってもよく、溶接鋼管であってもよい。鋼管はたとえば、油井管用鋼管である。油井管用鋼管は、油井管用途の鋼管を意味する。油井管はたとえば、油井又はガス井の掘削、原油又は天然ガスの採取等に用いられるケーシング、チュービング、ドリルパイプ等である。好ましくは、本実施形態の鋼材は、油井管用継目無鋼管である。
上述のとおり、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の形状は特に限定されない。具体的に、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、鋼管であってもよく、丸鋼（中実材）であってもよく、鋼板であってもよい。鋼管は継目無鋼管であってもよく、溶接鋼管であってもよい。鋼管はたとえば、油井管用鋼管である。油井管用鋼管は、油井管用途の鋼管を意味する。油井管はたとえば、油井又はガス井の掘削、原油又は天然ガスの採取等に用いられるケーシング、チュービング、ドリルパイプ等である。好ましくは、本実施形態の鋼材は、油井管用継目無鋼管である。
以上の説明のとおり、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、各元素の含有量が本実施形態の範囲内であり、降伏強度が７５８ＭＰａ以上であり、かつ、上述の元素の含有量、及び、７５８ＭＰａ以上の降伏強度の範囲内において、Ｆ１が０．１５～１．００を満たす。その結果、本実施形態による鋼材は、高い降伏強度と、ｐＨ３．０のサワー環境における優れた耐ＳＳＣ性とを両立する。
［製造方法］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法の一例を説明する。なお、以下に説明する製造方法は一例であって、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法は、以下の説明に限定されない。つまり、上述の構成を有する本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材が製造できれば、以下に説明する製造方法に限定されない。ただし、以下に説明する製造方法は、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材を製造する好適な製造方法である。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法の一例を説明する。なお、以下に説明する製造方法は一例であって、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法は、以下の説明に限定されない。つまり、上述の構成を有する本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材が製造できれば、以下に説明する製造方法に限定されない。ただし、以下に説明する製造方法は、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材を製造する好適な製造方法である。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法の一例は、中間鋼材を準備する工程（準備工程）と、中間鋼材に対して焼入れ及び焼戻しを実施する工程（熱処理工程）とを含む。以下、各工程について詳述する。
［準備工程］
準備工程では、上述の化学組成を有する中間鋼材を準備する。中間鋼材が上記化学組成を有していれば、中間鋼材の製造方法は特に限定されない。ここでいう中間鋼材は、最終製品が鋼板又は溶接鋼管の場合は、板状の鋼材であり、最終製品が継目無鋼管の場合は素管である。
準備工程では、上述の化学組成を有する中間鋼材を準備する。中間鋼材が上記化学組成を有していれば、中間鋼材の製造方法は特に限定されない。ここでいう中間鋼材は、最終製品が鋼板又は溶接鋼管の場合は、板状の鋼材であり、最終製品が継目無鋼管の場合は素管である。
準備工程は、素材を準備する工程（素材準備工程）と、素材を熱間加工して中間鋼材を製造する工程（熱間加工工程）とを含んでもよい。以下、素材準備工程と、熱間加工工程を含む場合について、詳述する。
［素材準備工程］
素材準備工程では、上述の化学組成を有する溶鋼を用いて素材を製造する。素材の製造方法は特に限定されず、周知の方法でよい。具体的には、溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片（スラブ、ブルーム、又は、ビレット）を製造してもよい。溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造してもよい。必要に応じて、スラブ、ブルーム又はインゴットを分塊圧延して、ビレットを製造してもよい。以上の工程により素材（スラブ、ブルーム、又は、ビレット）を製造する。
素材準備工程では、上述の化学組成を有する溶鋼を用いて素材を製造する。素材の製造方法は特に限定されず、周知の方法でよい。具体的には、溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片（スラブ、ブルーム、又は、ビレット）を製造してもよい。溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造してもよい。必要に応じて、スラブ、ブルーム又はインゴットを分塊圧延して、ビレットを製造してもよい。以上の工程により素材（スラブ、ブルーム、又は、ビレット）を製造する。
［熱間加工工程］
熱間加工工程では、準備された素材を熱間加工して中間鋼材を製造する。鋼材が継目無鋼管の場合、中間鋼材は素管に相当する。始めに、ビレットを加熱炉で加熱する。加熱温度は特に限定されないが、たとえば、１１００～１３００℃である。加熱炉から抽出されたビレットに対して熱間加工を実施して、素管（継目無鋼管）を製造する。熱間加工の方法は、特に限定されず、周知の方法でよい。
熱間加工工程では、準備された素材を熱間加工して中間鋼材を製造する。鋼材が継目無鋼管の場合、中間鋼材は素管に相当する。始めに、ビレットを加熱炉で加熱する。加熱温度は特に限定されないが、たとえば、１１００～１３００℃である。加熱炉から抽出されたビレットに対して熱間加工を実施して、素管（継目無鋼管）を製造する。熱間加工の方法は、特に限定されず、周知の方法でよい。
たとえば、熱間加工としてマンネスマン法を実施して、素管を製造してもよい。この場合、穿孔機により丸ビレットを穿孔圧延する。穿孔圧延する場合、穿孔比は特に限定されないが、たとえば、１．０～４．０である。穿孔圧延された丸ビレットをさらに、マンドレルミル、レデューサー、サイジングミル等により熱間圧延して素管にする。熱間加工工程での累積の減面率はたとえば、２０～７０％である。
他の熱間加工方法を実施して、ビレットから素管を製造してもよい。たとえば、鋼材がカップリングのように短尺の厚肉鋼管の場合、エルハルト法等の鍛造により素管を製造してもよい。以上の工程により素管が製造される。素管の肉厚は特に限定されないが、たとえば、９～６０ｍｍである。
鋼材が丸鋼の場合、初めに、素材を加熱炉で加熱する。加熱温度は特に限定されないが、たとえば、１１００～１３００℃である。加熱炉から抽出された素材に対して熱間加工を実施して、軸方向に垂直な断面が円形の中間鋼材を製造する。熱間加工はたとえば、分塊圧延機による分塊圧延、又は、連続圧延機による熱間圧延である。連続圧延機は、上下方向に並んで配置された一対の孔型ロールを有する水平スタンドと、水平方向に並んで配置された一対の孔型ロールを有する垂直スタンドとが交互に配列されている。
鋼材が鋼板の場合、初めに、素材を加熱炉で加熱する。加熱温度は特に限定されないが、たとえば、１１００～１３００℃である。加熱炉から抽出された素材に対して、分塊圧延機、及び、連続圧延機を用いて熱間圧延を実施して、鋼板形状の中間鋼材を製造する。
熱間加工により製造された素管は空冷されてもよい（Ａｓ－Ｒｏｌｌｅｄ）。熱間加工により製造された素管は、常温まで冷却せずに、熱間加工後に直接焼入れを実施してもよく、熱間加工後に補熱（再加熱）した後、焼入れを実施してもよい。
熱間加工後に直接焼入れ、又は、補熱した後焼入れを実施する場合、焼入れ途中に冷却の停止、又は、緩冷却を実施してもよい。この場合、素管に焼割れが発生するのを抑制できる。熱間加工後に直接焼入れ、又は、補熱した後焼入れを実施する場合さらに、焼入れ後であって次工程の熱処理前に、応力除去焼鈍（ＳＲ）を実施してもよい。この場合、素管の残留応力が除去される。
以上のとおり、準備工程では中間鋼材を準備する。中間鋼材は、上述の好ましい工程により製造されてもよく、第三者により製造された中間鋼材、又は、後述の焼入れ工程及び焼戻し工程が実施される工場以外の他の工場、他の事業所にて製造された中間鋼材を準備してもよい。以下、熱処理工程について詳述する。
［熱処理工程］
熱処理工程は、焼入れ工程及び焼戻し工程を含む。
熱処理工程は、焼入れ工程及び焼戻し工程を含む。
［焼入れ工程］
熱処理工程では、初めに、熱間加工工程で製造された中間鋼材に対して、焼入れを実施する（焼入れ工程）。焼入れは周知の方法で実施する。具体的には、熱間加工工程後の中間鋼材を熱処理炉に装入し、焼入れ温度で保持する。焼入れ温度はＡＣ３変態点以上であり、たとえば、９００～１０００℃である。中間鋼材を焼入れ温度で保持した後、急冷（焼入れ）する。焼入れ温度での保持時間は特に限定されないが、たとえば、１０～６０分である。焼入れ方法はたとえば、水冷である。焼入れ方法は特に制限されない。中間鋼材が素管の場合、たとえば、水槽又は油槽に浸漬して素管を急冷してもよいし、シャワー冷却又はミスト冷却により、素管の外面及び／又は内面に対して冷却水を注いだり、噴射したりして、素管を急冷してもよい。
熱処理工程では、初めに、熱間加工工程で製造された中間鋼材に対して、焼入れを実施する（焼入れ工程）。焼入れは周知の方法で実施する。具体的には、熱間加工工程後の中間鋼材を熱処理炉に装入し、焼入れ温度で保持する。焼入れ温度はＡＣ３変態点以上であり、たとえば、９００～１０００℃である。中間鋼材を焼入れ温度で保持した後、急冷（焼入れ）する。焼入れ温度での保持時間は特に限定されないが、たとえば、１０～６０分である。焼入れ方法はたとえば、水冷である。焼入れ方法は特に制限されない。中間鋼材が素管の場合、たとえば、水槽又は油槽に浸漬して素管を急冷してもよいし、シャワー冷却又はミスト冷却により、素管の外面及び／又は内面に対して冷却水を注いだり、噴射したりして、素管を急冷してもよい。
なお、上述のとおり、熱間加工工程後、中間鋼材を常温まで冷却することなく、熱間加工直後に焼入れ（直接焼入れ）を実施してもよいし、熱間加工後の素管の温度が低下する前に補熱炉に装入して焼入れ温度に保持した後、焼入れを実施してもよい。
［焼戻し工程］
焼入れ後の中間鋼材に対してさらに、焼戻し工程を実施する。焼戻し工程では、鋼材の降伏強度を調整する。本実施形態では、焼戻し温度を５４０～６２０℃とする。焼戻し温度での保持時間は特に限定されないが、たとえば、１０～１８０分である。化学組成に応じて焼戻し温度を適宜調整することにより、鋼材の降伏強度を調整することができることは当業者に周知である。そこで、鋼材の降伏強度が７５８ＭＰａ以上となるように焼戻し条件を調整する。
焼入れ後の中間鋼材に対してさらに、焼戻し工程を実施する。焼戻し工程では、鋼材の降伏強度を調整する。本実施形態では、焼戻し温度を５４０～６２０℃とする。焼戻し温度での保持時間は特に限定されないが、たとえば、１０～１８０分である。化学組成に応じて焼戻し温度を適宜調整することにより、鋼材の降伏強度を調整することができることは当業者に周知である。そこで、鋼材の降伏強度が７５８ＭＰａ以上となるように焼戻し条件を調整する。
以上の工程により、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材を製造することができる。なお、上述のとおり、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の製造方法に限定されない。具体的には、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、体積％で、０～５．０％の残留オーステナイト、０～５．０％のフェライト、及び、残部が焼戻しマルテンサイトからなるミクロ組織を有し、７５８ＭＰａ以上の降伏強度を有し、さらに、Ｆ１が０．１５～１．００であるマルテンサイト系ステンレス鋼材を製造できれば、本実施形態の製造方法は上述の製造方法に限定されない。以下、実施例によって本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材を、さらに具体的に説明する。
表１に示す化学組成を有する溶鋼を製造した。なお、表１中の「－」は、該当する元素の含有量が不純物レベルであったことを意味する。たとえば、試験番号１のＷ含有量は、小数第三位で四捨五入して、０％であったことを意味する。試験番号１のＮｂ含有量は、小数第四位で四捨五入して、０％であったことを意味する。試験番号１のＡｓ含有量、及び、Ｓｂ含有量は、小数第五位で四捨五入して、０％であったことを意味する。
上記溶鋼を１８０ｋｇ真空炉で溶製し、造塊法によりインゴットを製造した。インゴットを１２５０℃で３時間加熱した。加熱後のインゴットに対して熱間鍛造を実施してブロックを製造した。熱間鍛造後のブロックを１２３０℃で３時間加熱した後、熱間圧延を実施した。このようにして、１３ｍｍの厚さを有する鋼材（鋼板）を製造した。
各試験番号の鋼材に対して、焼入れを実施した。具体的に、各試験番号の鋼板を、表２に記載の焼入れ温度（℃）となるように加熱した。各試験番号の鋼板について、焼入れ温度で１５分保持した後、水冷を実施した。焼入れ後の各試験番号の鋼材に対して、表２に記載の焼戻し温度（℃）で３０分保持する焼戻しを実施した。
以上の製造工程により、各試験番号の鋼板を製造した。
［評価試験］
製造された各試験番号の鋼板に対して、ミクロ組織観察試験、引張試験、及び、耐ＳＳＣ性評価試験を実施した。
製造された各試験番号の鋼板に対して、ミクロ組織観察試験、引張試験、及び、耐ＳＳＣ性評価試験を実施した。
［ミクロ組織観察試験］
各試験番号の鋼板に対して、ミクロ組織観察試験を実施した。まず、各試験番号の鋼板について、上述のＸ線回折法により、残留オーステナイトの体積率（％）を求めた。なお、Ｘ線回折強度の測定では、Ｘ線回折装置として、株式会社リガク製、商品名ＲＩＮＴ－ＴＴＲを用いた。線源をＣｏＫα線、出力を３０ｋＶ－１００ｍＡ、測定角度（２θ）を４５～１０５°として測定した。得られた各試験番号の鋼板における残留オーステナイトの体積率（％）を、表２の「残留γ（％）」欄に示す。
各試験番号の鋼板に対して、ミクロ組織観察試験を実施した。まず、各試験番号の鋼板について、上述のＸ線回折法により、残留オーステナイトの体積率（％）を求めた。なお、Ｘ線回折強度の測定では、Ｘ線回折装置として、株式会社リガク製、商品名ＲＩＮＴ－ＴＴＲを用いた。線源をＣｏＫα線、出力を３０ｋＶ－１００ｍＡ、測定角度（２θ）を４５～１０５°として測定した。得られた各試験番号の鋼板における残留オーステナイトの体積率（％）を、表２の「残留γ（％）」欄に示す。
また、上述の点算法により、フェライトの体積率（％）を求めた。具体的に、各試験番号の鋼板の板厚中央位置から、試験片を作製した。試験片の観察面は、圧延方向に平行な面とした。なお、本実施例では、上述のＡＳＴＭ Ｅ５６２（２０１９）に準拠した方法で求めたフェライトの面積率を、フェライトの体積率（％）とした。得られた各試験番号の鋼板におけるフェライトの体積率を、表２の「フェライト（％）」に示す。
さらに、各試験番号の鋼板について、残留オーステナイトの体積率（％）と、フェライトの体積率（％）とを用いて、マルテンサイトの体積率（％）を次の式により求めた。
マルテンサイトの体積率（％）＝１００－｛残留オーステナイトの体積率（％）＋フェライトの体積率（％）｝
得られた各試験番号のマルテンサイトの体積率（％）を、表２の「マルテンサイト（％）」欄に示す。
マルテンサイトの体積率（％）＝１００－｛残留オーステナイトの体積率（％）＋フェライトの体積率（％）｝
得られた各試験番号のマルテンサイトの体積率（％）を、表２の「マルテンサイト（％）」欄に示す。
［引張試験］
各試験番号の鋼板に対して、ＡＳＴＭ Ｅ８／Ｅ８Ｍ（２０１３）に準拠して、引張試験を実施した。具体的には、各試験番号の鋼板の板厚中央位置から、平行部の直径を８．９ｍｍ、標点距離を３５．６ｍｍとする丸棒引張試験片を作製した。丸棒引張試験片の長手方向は、鋼板の圧延方向と平行であった。各試験番号の丸棒引張試験片を用いて、常温（２４±３℃）、大気中にて引張試験を実施して、０．２％オフセット耐力（ＭＰａ）を求めた。求めた０．２％オフセット耐力を降伏強度（ＭＰａ）と定義した。得られた各試験番号の降伏強度を、表２の「ＹＳ（ＭＰａ）」欄に示す。さらに、各試験番号の鋼板について、化学組成と、降伏強度と、式（１）を用いて、Ｆ１を求めた。得られた各試験番号のＦ１の値を、表２の「Ｆ１」欄に示す。
各試験番号の鋼板に対して、ＡＳＴＭ Ｅ８／Ｅ８Ｍ（２０１３）に準拠して、引張試験を実施した。具体的には、各試験番号の鋼板の板厚中央位置から、平行部の直径を８．９ｍｍ、標点距離を３５．６ｍｍとする丸棒引張試験片を作製した。丸棒引張試験片の長手方向は、鋼板の圧延方向と平行であった。各試験番号の丸棒引張試験片を用いて、常温（２４±３℃）、大気中にて引張試験を実施して、０．２％オフセット耐力（ＭＰａ）を求めた。求めた０．２％オフセット耐力を降伏強度（ＭＰａ）と定義した。得られた各試験番号の降伏強度を、表２の「ＹＳ（ＭＰａ）」欄に示す。さらに、各試験番号の鋼板について、化学組成と、降伏強度と、式（１）を用いて、Ｆ１を求めた。得られた各試験番号のＦ１の値を、表２の「Ｆ１」欄に示す。
［耐ＳＳＣ性評価試験］
各試験番号の鋼板に対して、耐ＳＳＣ性評価試験を実施した。具体的には、各試験番号の鋼板の板厚中央位置から、径６．３５ｍｍ、平行部の長さ２５．４ｍｍの丸棒試験片を作製した。作製した丸棒試験片のうち３本に対して、ＮＡＣＥ ＴＭ０１７７－２０１６ Ｍｅｔｈｏｄ Ａに準拠した、耐ＳＳＣ性評価試験を実施した。なお、丸棒試験片の軸方向は、圧延方向に平行であった。
各試験番号の鋼板に対して、耐ＳＳＣ性評価試験を実施した。具体的には、各試験番号の鋼板の板厚中央位置から、径６．３５ｍｍ、平行部の長さ２５．４ｍｍの丸棒試験片を作製した。作製した丸棒試験片のうち３本に対して、ＮＡＣＥ ＴＭ０１７７－２０１６ Ｍｅｔｈｏｄ Ａに準拠した、耐ＳＳＣ性評価試験を実施した。なお、丸棒試験片の軸方向は、圧延方向に平行であった。
試験溶液は、ｐＨが３．０の０．１７質量％塩化ナトリウム水溶液とした。試験溶液は、０．１７質量％の塩化ナトリウムと０．４１ｇ／Ｌの酢酸ナトリウムとを含有する水溶液に酢酸を添加してｐＨを３．０に調整した。各試験番号の丸棒試験片に対して、実降伏応力の９０％に相当する応力を負荷した。試験容器に２４℃の試験溶液を、応力を負荷された丸棒試験片が浸漬するように注入し、試験浴とした。試験浴を脱気した後、０．０３ｂａｒのＨ２Ｓガス及び０．９７ｂａｒのＣＯ２ガスを試験浴に吹き込み、試験浴にＨ２Ｓガスを飽和させた。Ｈ２Ｓガスが飽和した試験浴を、２４℃で７２０時間保持した。
７２０時間保持後の丸棒試験片の平行部の表面を、拡大率が１０倍のルーペで観察して、孔食の有無を確認した。３本の丸棒試験片のうち、孔食の発生が確認された本数を、「孔食発生本数（本）」として、表２に示す。
［評価結果］
表１及び表２を参照して、試験番号１～２２の鋼板は、化学組成が適切であり、０～５．０体積％の残留オーステナイト、０～５．０体積％のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなるミクロ組織を有していた。これらの鋼板はさらに、降伏強度が７５８ＭＰａ以上の高強度を有していた。これらの鋼板はさらに、Ｆ１が０．１５～１．００を満たしていた。その結果、これらの鋼板は、ｐＨ３．０のサワー環境において、孔食が発生した本数が０本であり、優れた耐ＳＳＣ性を有していた。
表１及び表２を参照して、試験番号１～２２の鋼板は、化学組成が適切であり、０～５．０体積％の残留オーステナイト、０～５．０体積％のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなるミクロ組織を有していた。これらの鋼板はさらに、降伏強度が７５８ＭＰａ以上の高強度を有していた。これらの鋼板はさらに、Ｆ１が０．１５～１．００を満たしていた。その結果、これらの鋼板は、ｐＨ３．０のサワー環境において、孔食が発生した本数が０本であり、優れた耐ＳＳＣ性を有していた。
一方、試験番号２３～２６の鋼板は、Ｆ１が低すぎた。その結果、これらの鋼板は、ｐＨ３．０のサワー環境において、少なくとも１本以上孔食が発生し、優れた耐ＳＳＣ性を有していなかった。
試験番号２７～３０の鋼板は、Ｆ１が高すぎた。その結果、これらの鋼板は、ｐＨ３．０のサワー環境において、３本に孔食が発生し、優れた耐ＳＳＣ性を有していなかった。
試験番号３１の鋼板は、Ｓｎを含有しなかった。その結果、この鋼板は、ｐＨ３．０のサワー環境において、１本に孔食が発生し、優れた耐ＳＳＣ性を有していなかった。
試験番号３２～３４の鋼板は、Ｓｎを含有しなかった。これらの鋼板はさらに、Ｆ１が低すぎた。その結果、これらの鋼板は、ｐＨ３．０のサワー環境において、少なくとも１本以上孔食が発生し、優れた耐ＳＳＣ性を有していなかった。
試験番号３５の鋼板は、Ｓｎを含有しなかった。この鋼板はさらに、Ｆ１が高すぎた。その結果、この鋼板は、ｐＨ３．０のサワー環境において、３本に孔食が発生し、優れた耐ＳＳＣ性を有していなかった。
試験番号３６の鋼板は、Ｃｏ含有量が低すぎた。その結果、この鋼板は、ｐＨ３．０のサワー環境において、１本に孔食が発生し、優れた耐ＳＳＣ性を有していなかった。
試験番号３７の鋼板は、Ｃｏ含有量が低すぎた。この鋼板はさらに、Ｆ１が低すぎた。その結果、この鋼板は、ｐＨ３．０のサワー環境において、３本に孔食が発生し、優れた耐ＳＳＣ性を有していなかった。
以上、本開示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開示を実施するための例示に過ぎない。したがって、本開示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 (2)
- マルテンサイト系ステンレス鋼材であって、
質量％で、
Ｃ：０．０３０％以下、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｃｕ：０．０１～３．５０％、
Ｃｒ：１０．００～１４．００％、
Ｎｉ：４．５０～７．５０％、
Ｍｏ：１．００～４．００％、
Ｔｉ：０．０５０～０．３００％、
Ｖ：０．０１～１．００％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｃｏ：０．０１０～０．５００％、
Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、
Ｓｎ：０．０００５～０．０５００％、
Ｎ：０．００１０～０．０５００％、
Ｏ：０．０５０％以下、
Ｗ：０～０．５０％、
Ｎｂ：０～０．５００％、
Ａｓ：０～０．０１００％、
Ｓｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
降伏強度が、７５８ＭＰａ以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材の元素の含有量、及び、前記降伏強度の範囲内において、前記元素の含有量と、前記降伏強度とが、式（１）を満たす、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。
０．１５≦（Ｓｎ＋Ａｓ＋Ｓｂ）／｛（Ｃｕ＋Ｎｉ）／ＹＳ｝≦１．００ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入され、ＹＳには降伏強度がＭＰａで代入される。なお、対応する元素が含有されない場合、当該元素記号には「０」が代入される。 - 請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材であって、
Ｗ：０．０１～０．５０％、
Ｎｂ：０．００１～０．５００％、
Ａｓ：０．０００１～０．０１００％、及び、
Ｓｂ：０．０００１～０．０１００％からなる群から選択される１元素以上を含有する、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。
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