JP7425360B2 - マルテンサイト系ステンレス鋼材、及び、マルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は鋼材及び鋼材の製造方法に関し、さらに詳しくは、マルテンサイトを主体とするミクロ組織を有するマルテンサイト系ステンレス鋼材及びそのマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法に関する。
油井やガス井（以下、油井及びガス井を総称して、単に「油井」という）は、腐食性ガスを含有した腐食環境となっている場合がある。ここで、腐食性ガスとは、炭酸ガス、及び／又は、硫化水素ガスを意味する。油井で用いられる鋼材には、腐食環境における優れた耐食性が求められる。
腐食環境における鋼材の耐食性を高めるには、クロム（Ｃｒ）が有効であることが知られている。そこで、腐食環境では、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。
さらに近年、油井の深井戸化により、鋼材には耐食性だけでなく、高強度化が求められてきている。たとえば、１１０ｋｓｉ級（１１０～１２５ｋｓｉ未満、つまり、７５８～８６２ＭＰａ未満）、及び、１２５ｋｓｉ以上（つまり、８６２ＭＰａ以上）の鋼材が、求められ始めている。
特開２００１－９８３４８号公報（特許文献１）、国際公開第２００５／００７９１５号（特許文献２）、特開２０１２－１３６７４２号公報（特許文献３）、及び、特開２０１４－４３５９５号公報（特許文献４）は、高い強度と優れた耐食性とを有する鋼材を提案する。
特許文献１に開示される鋼材は、マルテンサイト系ステンレス鋼管であって、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｎ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．７０％以下、Ｍｎ：０．３０～２．００％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：１０．５～１５．０％、Ｎｉ：７．０％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．２０％以下、Ｖ：０．２０％以下、Ｏ：０．０１％以下を、式（１）（Ｃ＋Ｎ≦０．０４）、式（２）（０．０１≦０．８Ｎｂ＋０．５Ｖ≦０．２０）、式（３）（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１６Ｎ＋０．５Ｎｉ－５Ｃ≧１１．５）、式（４）（１．１（Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋Ｍｏ）－Ｎｉ－０．５（Ｍｎ＋Ｃｕ）－３０（Ｃ＋Ｎ）≦１１）を満足する条件下で含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する。この鋼材は、優れた耐食性と、高強度とを有し、溶接性に優れる、と特許文献１には開示されている。
特許文献２に開示される鋼材は、マルテンサイト系ステンレス鋼であって、質量％で、Ｃ：０．００１～０．１％、Ｓｉ：０．０５～１．０％、Ｍｎ：０．０５～２．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１１～１８％、Ｎｉ：１．５～１０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１～０．１％、Ｎ：０．１％以下、Ｏ：０．０１％以下、Ｃｕ：０～５％、固溶Ｍｏ量：３．５～７％、Ｗ：０～５％、Ｖ：０～０．５０％、Ｎｂ：０～０．５０％、Ｔｉ：０～０．５０％、Ｚｒ：０～０．５０％、Ｃａ：０～０．０５％、Ｍｇ：０～０．０５％、ＲＥＭ：０～０．０５％、Ｂ：０～０．０１％、であって、式（１）（Ｎｉ－ｂａｌ．＝３０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５（Ｍｎ＋Ｃｕ）＋Ｎｉ＋８．２－１．１（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ）≧－４．５）を満たし、残部がＦｅ、存在すれば未固溶Ｍｏ、及び、不純物からなる化学組成を有する。この鋼材は、高強度であり、耐食性に優れる、と特許文献２には開示されている。
特許文献３に開示される鋼材は、油井用高強度マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管であって、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、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、６５５～８６２ＭＰａの降伏強度と０．９０以上の降伏比とを有する。この鋼材は、高強度と安定して優れた耐食性とを有する、と特許文献３には開示されている。
特許文献４に開示される鋼材は、高強度高靭性高耐食マルテンサイト系ステンレス鋼であって、質量％で、Ｃ：０．００５～０．０５％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１６～１８％、Ｎｉ：２．５～６．５％、Ｍｏ：１．５～３．５％、Ｗ：３．５％以下、Ｃｕ：３．５％以下、Ｖ：０．０１～０．０８％、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５～０．１０％、Ｎ：０．０５％以下、Ｔａ：０．０１～０．０６％を含み、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する。この鋼材は、７５８～９６５ＭＰａの降伏強度と、優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する、と特許文献４には開示されている。
ところで、近年、油井の深井戸化がさらに進んでいる。その中でも、特に北海、北極海沿岸、シベリアといった地域での使用が想定された油井用鋼材として、通常の温度をはるかに下回る、－５０℃以下という極低温環境における優れた低温靭性を備えた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。具体的に、１２５ｋｓｉ以上（８６２ＭＰａ以上）の降伏強度と、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性と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。
上記特許文献１～３では、高強度と優れた耐食性とを有するマルテンサイト系ステンレス鋼材が提案されているが、低温靭性について検討されていない。上記特許文献４では、高強度と優れた低温靭性と優れた耐食性とを有するマルテンサイト系ステンレス鋼材が提案されているが、－５０℃以下という極低温環境における低温靭性については、検討されていない。
本開示の目的は、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度と、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有するマルテンサイト系ステンレス鋼材、及び、そのマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法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％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：０．０５～２．００％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｃｒ：１１．５０～１４．００％、
Ｎｉ：５．００～７．５０％、
Ｍｏ：１．１０～３．５０％、
Ｃｕ：０．５０～３．５０％、
Ｃｏ：０．０１～０．３０％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｎ：０．００１～０．１００％、
Ｏ：０．０１０％以下、
Ｗ：０～２．００％、
Ｖ：０～０．３００％、
Ｔｉ：０～０．３００％、
Ｎｂ：０～０．３００％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
希土類元素：０～０．１００％、
Ｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
ミクロ組織が、体積％で、０～１５％の残留オーステナイト、０～１０％のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなり、
降伏強度が、８６２ＭＰａ以上であり、
鋼材中において、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3である。
質量％で、
Ｃ：０．０３０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：０．０５～２．００％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｃｒ：１１．５０～１４．００％、
Ｎｉ：５．００～７．５０％、
Ｍｏ：１．１０～３．５０％、
Ｃｕ：０．５０～３．５０％、
Ｃｏ：０．０１～０．３０％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｎ：０．００１～０．１００％、
Ｏ：０．０１０％以下、
Ｗ：０～２．００％、
Ｖ：０～０．３００％、
Ｔｉ：０～０．３００％、
Ｎｂ：０～０．３００％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
希土類元素：０～０．１００％、
Ｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
ミクロ組織が、体積％で、０～１５％の残留オーステナイト、０～１０％のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなり、
降伏強度が、８６２ＭＰａ以上であり、
鋼材中において、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3である。
本開示によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法は、
上記マルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法であって、
質量％で、
Ｃ：０．０３０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：０．０５～２．００％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｃｒ：１１．５０～１４．００％、
Ｎｉ：５．００～７．５０％、
Ｍｏ：１．１０～３．５０％、
Ｃｕ：０．５０～３．５０％、
Ｃｏ：０．０１～０．３０％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｎ：０．００１～０．１００％、
Ｏ：０．０１０％以下、
Ｗ：０～２．００％、
Ｖ：０～０．３００％、
Ｔｉ：０～０．３００％、
Ｎｂ：０～０．３００％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
希土類元素：０～０．１００％、
Ｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなる中間鋼材を準備する準備工程と、
前記準備工程後、８００～１０００℃の前記中間鋼材を焼入れする焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の前記中間鋼材を、５００～５４５℃の焼戻し温度、５～６０分の焼戻し時間で焼戻しする第１焼戻し工程と、
前記第１焼戻し工程後の前記中間鋼材を、５５５～６５０℃の焼戻し温度、１０～９０分の焼戻し時間で焼戻しする第２焼戻し工程とを備える。
上記マルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法であって、
質量％で、
Ｃ：０．０３０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：０．０５～２．００％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｃｒ：１１．５０～１４．００％、
Ｎｉ：５．００～７．５０％、
Ｍｏ：１．１０～３．５０％、
Ｃｕ：０．５０～３．５０％、
Ｃｏ：０．０１～０．３０％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｎ：０．００１～０．１００％、
Ｏ：０．０１０％以下、
Ｗ：０～２．００％、
Ｖ：０～０．３００％、
Ｔｉ：０～０．３００％、
Ｎｂ：０～０．３００％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
希土類元素：０～０．１００％、
Ｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなる中間鋼材を準備する準備工程と、
前記準備工程後、８００～１０００℃の前記中間鋼材を焼入れする焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の前記中間鋼材を、５００～５４５℃の焼戻し温度、５～６０分の焼戻し時間で焼戻しする第１焼戻し工程と、
前記第１焼戻し工程後の前記中間鋼材を、５５５～６５０℃の焼戻し温度、１０～９０分の焼戻し時間で焼戻しする第２焼戻し工程とを備える。
本開示によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度と、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する。本開示によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法によれば、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度と、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有するマルテンサイト系ステンレス鋼材を製造できる。
まず、本発明者らは、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度と、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有するマルテンサイト系ステンレス鋼材を、化学組成の観点から検討した。その結果、質量％で、Ｃ：０．０３０％未満、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．０５～２．００％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｃｒ：１１．５０～１４．００％、Ｎｉ：５．００～７．５０％、Ｍｏ：１．１０～３．５０％、Ｃｕ：０．５０～３．５０％、Ｃｏ：０．０１～０．３０％、Ａｌ：０．００１～０．１００％、Ｎ：０．００１～０．１００％、Ｏ：０．０１０％以下、Ｗ：０～２．００％、Ｖ：０～０．３００％、Ｔｉ：０～０．３００％、Ｎｂ：０～０．３００％、Ｃａ：０～０．０１００％、Ｍｇ：０～０．０１００％、希土類元素：０～０．１００％、Ｂ：０～０．０１００％、及び、残部：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、優れた耐食性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼材が得られることを知見した。
一方、これまでに、鋼材の強度が高まれば、鋼材の低温靭性は低下すると考えられてきた。すなわち、上述の化学組成からなるマルテンサイト系ステンレス鋼材では、降伏強度を高めた結果、極低温環境における低温靭性が十分に得られない可能性がある。そこで本発明者らは、鋼材の耐食性だけでなく、降伏強度と低温靭性とを両方高める手段について、詳細に検討した。その結果、本発明者らは、鋼材中に微細なＣｕ析出物を多数析出させることにより、耐食性を維持したまま、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度と、極低温環境における優れた低温靭性とを両立できることを見出した。
この理由について、本発明者らは次のように考えている。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では、Ｃｕを０．５０～３．５０％含有する。その結果、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の降伏強度を、１２５ｋｓｉ以上にまで高めようとする場合、鋼材中に含有するＣｕのうち、一部又は全部が、析出物として鋼材中に析出する。
一方、Ｃｕ析出物は、そのサイズによって、鋼材の機械的特性に与える影響が異なる。具体的には、微細なＣｕ析出物は、鋼材の降伏強度を析出強化によって高めるが、鋼材の低温靭性にはほとんど影響を与えないと考えられる。一方、粗大なＣｕ析出物は、鋼材の降伏強度を大きく高めるが、鋼材の低温靭性を大きく低下させる。特に、－５０℃といった極低温環境においては、その影響が顕著に現れる。粗大なＣｕ析出物が析出した場合さらに、Ｃｕ析出物の１個当たりの体積が大きくなる。そのため、粗大なＣｕ析出物の個数密度は低下する。すなわち、Ｃｕ析出物の個数密度が多いほど、微細なＣｕ析出物が多く析出しており、粗大なＣｕ析出物の個数は低減されている。その結果、鋼材の降伏強度が高まり、さらに、粗大なＣｕ析出物に起因する鋼材の低温靭性の低下が低減される。このようにして、上述の化学組成とミクロ組織とを有するマルテンサイト系ステンレス鋼材では、Ｃｕ析出物の個数密度を３．０×１０21個／ｍ3以上にまで高めれば、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度と、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを得られる、と本発明者らは考えている。
以上のメカニズム以外の他のメカニズムによって、本実施形態による鋼材のＣｕ析出物の個数密度が３．０×１０21個／ｍ3以上の場合に、降伏強度と耐食性とを維持したまま、極低温環境における鋼材の低温靭性が顕著に高まっている可能性もあり得る。しかしながら、Ｃｕ析出物の個数密度を３．０×１０21個／ｍ3以上とすれば、本実施形態の他の構成を満たすことを条件に、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度と、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有するマルテンサイト系ステンレス鋼材が得られることは、後述する実施例によって証明されている。
なお、上述の化学組成とミクロ組織とを有するマルテンサイト系ステンレス鋼材では、Ｃｕ析出物の個数密度の上限は、実質的に５０．０×１０21個／ｍ3である。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、上述の化学組成と、上述のミクロ組織とを有し、さらに、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3である。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、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度と、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する。
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、及び、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要旨は、次のとおりである。
［１］
質量％で、
Ｃ：０．０３０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：０．０５～２．００％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｃｒ：１１．５０～１４．００％、
Ｎｉ：５．００～７．５０％、
Ｍｏ：１．１０～３．５０％、
Ｃｕ：０．５０～３．５０％、
Ｃｏ：０．０１～０．３０％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｎ：０．００１～０．１００％、
Ｏ：０．０１０％以下、
Ｗ：０～２．００％、
Ｖ：０～０．３００％、
Ｔｉ：０～０．３００％、
Ｎｂ：０～０．３００％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
希土類元素：０～０．１００％、
Ｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
ミクロ組織が、体積％で、０～１５％の残留オーステナイト、０～１０％のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなり、
降伏強度が、８６２ＭＰａ以上であり、
鋼材中において、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3である、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。
質量％で、
Ｃ：０．０３０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：０．０５～２．００％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｃｒ：１１．５０～１４．００％、
Ｎｉ：５．００～７．５０％、
Ｍｏ：１．１０～３．５０％、
Ｃｕ：０．５０～３．５０％、
Ｃｏ：０．０１～０．３０％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｎ：０．００１～０．１００％、
Ｏ：０．０１０％以下、
Ｗ：０～２．００％、
Ｖ：０～０．３００％、
Ｔｉ：０～０．３００％、
Ｎｂ：０～０．３００％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
希土類元素：０～０．１００％、
Ｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
ミクロ組織が、体積％で、０～１５％の残留オーステナイト、０～１０％のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなり、
降伏強度が、８６２ＭＰａ以上であり、
鋼材中において、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3である、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。
［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：０．０１～２．００％、
Ｖ：０．００１～０．３００％、
Ｔｉ：０．００１～０．３００％、
Ｎｂ：０．００１～０．３００％、
Ｃａ：０．００１０～０．０１００％、
Ｍｇ：０．００１０～０．０１００％、
希土類元素：０．００１～０．１００％、及び、
Ｂ：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：０．０１～２．００％、
Ｖ：０．００１～０．３００％、
Ｔｉ：０．００１～０．３００％、
Ｎｂ：０．００１～０．３００％、
Ｃａ：０．００１０～０．０１００％、
Ｍｇ：０．００１０～０．０１００％、
希土類元素：０．００１～０．１００％、及び、
Ｂ：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。
［３］
［１］又は［２］に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法であって、
質量％で、
Ｃ：０．０３０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：０．０５～２．００％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｃｒ：１１．５０～１４．００％、
Ｎｉ：５．００～７．５０％、
Ｍｏ：１．１０～３．５０％、
Ｃｕ：０．５０～３．５０％、
Ｃｏ：０．０１～０．３０％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｎ：０．００１～０．１００％、
Ｏ：０．０１０％以下、
Ｗ：０～２．００％、
Ｖ：０～０．３００％、
Ｔｉ：０～０．３００％、
Ｎｂ：０～０．３００％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
希土類元素：０～０．１００％、
Ｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなる中間鋼材を準備する準備工程と、
前記準備工程後、８００～１０００℃の前記中間鋼材を焼入れする焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の前記中間鋼材を、５００～５４５℃の焼戻し温度、５～６０分の焼戻し時間で焼戻しする第１焼戻し工程と、
前記第１焼戻し工程後の前記中間鋼材を、５５５～６５０℃の焼戻し温度、１０～９０分の焼戻し時間で焼戻しする第２焼戻し工程とを備える、
マルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法。
［１］又は［２］に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法であって、
質量％で、
Ｃ：０．０３０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：０．０５～２．００％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｃｒ：１１．５０～１４．００％、
Ｎｉ：５．００～７．５０％、
Ｍｏ：１．１０～３．５０％、
Ｃｕ：０．５０～３．５０％、
Ｃｏ：０．０１～０．３０％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｎ：０．００１～０．１００％、
Ｏ：０．０１０％以下、
Ｗ：０～２．００％、
Ｖ：０～０．３００％、
Ｔｉ：０～０．３００％、
Ｎｂ：０～０．３００％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
希土類元素：０～０．１００％、
Ｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなる中間鋼材を準備する準備工程と、
前記準備工程後、８００～１０００℃の前記中間鋼材を焼入れする焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の前記中間鋼材を、５００～５４５℃の焼戻し温度、５～６０分の焼戻し時間で焼戻しする第１焼戻し工程と、
前記第１焼戻し工程後の前記中間鋼材を、５５５～６５０℃の焼戻し温度、１０～９０分の焼戻し時間で焼戻しする第２焼戻し工程とを備える、
マルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法。
［４］
［３］に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法であって、
前記中間鋼材は、
Ｗ：０．０１～２．００％、
Ｖ：０．００１～０．３００％、
Ｔｉ：０．００１～０．３００％、
Ｎｂ：０．００１～０．３００％、
Ｃａ：０．００１０～０．０１００％、
Ｍｇ：０．００１０～０．０１００％、
希土類元素：０．００１～０．１００％、及び、
Ｂ：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の製造方法。
［３］に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法であって、
前記中間鋼材は、
Ｗ：０．０１～２．００％、
Ｖ：０．００１～０．３００％、
Ｔｉ：０．００１～０．３００％、
Ｎｂ：０．００１～０．３００％、
Ｃａ：０．００１０～０．０１００％、
Ｍｇ：０．００１０～０．０１００％、
希土類元素：０．００１～０．１００％、及び、
Ｂ：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の製造方法。
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。なお、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］
本実施形態のマルテンサ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。
本実施形態のマルテンサ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：０．０３０％未満
炭素（Ｃ）は不可避に含有される。すなわち、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、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、鋼材の耐食性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０３０％未満である。Ｃ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０．０１５％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、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｃ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。
炭素（Ｃ）は不可避に含有される。すなわち、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、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、鋼材の耐食性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０３０％未満である。Ｃ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０．０１５％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、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｃ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。
Ｓｉ：１．００％以下
ケイ素（Ｓｉ）は鋼を脱酸し、鋼材に不可避に含有される。すなわち、Ｓｉ含有量の下限は０％超である。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。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０．６５％であり、さらに好ましくは０．５０％である。しかしながら、Ｓｉ含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。
ケイ素（Ｓｉ）は鋼を脱酸し、鋼材に不可避に含有される。すなわち、Ｓｉ含有量の下限は０％超である。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。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０．６５％であり、さらに好ましくは０．５０％である。しかしながら、Ｓｉ含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。
Ｍｎ：０．０５～２．００％
マンガン（Ｍｎ）は鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Ｍｎ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、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、粗大な介在物が形成され、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．０５～２．００％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．０７％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１．８０％であり、さらに好ましくは１．５０％であり、さらに好ましくは１．２０％であり、さらに好ましくは１．００％である。
マンガン（Ｍｎ）は鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Ｍｎ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、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、粗大な介在物が形成され、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．０５～２．００％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．０７％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１．８０％であり、さらに好ましくは１．５０％であり、さらに好ましくは１．２０％であり、さらに好ましくは１．００％である。
Ｐ：０．０５０％以下
燐（Ｐ）は不可避に含有される不純物である。すなわち、Ｐ含有量の下限は０％超である。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、Ｐが結晶粒界に偏析して、鋼材の低温靭性及び耐食性が低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０５０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３０％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、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｐ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。
燐（Ｐ）は不可避に含有される不純物である。すなわち、Ｐ含有量の下限は０％超である。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、Ｐが結晶粒界に偏析して、鋼材の低温靭性及び耐食性が低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０５０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３０％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、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｐ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％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。すなわち、Ｓ含有量の下限は０％超である。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、Ｓが結晶粒界に偏析して、鋼材の低温靭性及び耐食性が低下する。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０．００２０％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、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、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。すなわち、Ｓ含有量の下限は０％超である。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、Ｓが結晶粒界に偏析して、鋼材の低温靭性及び耐食性が低下する。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０．００２０％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、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、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。
Ｃｒ：１１．５０～１４．００％
クロム（Ｃｒ）は鋼材の表面に被膜を形成して、鋼材の耐食性を高める。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、焼戻し後の鋼材のミクロ組織中のフェライト含有量が高くなりすぎ、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１１．５０～１４．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１１．７０％であり、さらに好ましくは１２．００％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１３．５０％である。
クロム（Ｃｒ）は鋼材の表面に被膜を形成して、鋼材の耐食性を高める。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、焼戻し後の鋼材のミクロ組織中のフェライト含有量が高くなりすぎ、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１１．５０～１４．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１１．７０％であり、さらに好ましくは１２．００％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１３．５０％である。
Ｎｉ：５．００～７．５０％
ニッケル（Ｎｉ）は鋼材の耐食性を高める。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。Ｎｉはさらにオーステナイト形成元素であり、焼入れ後の鋼材のミクロ組織をマルテンサイトにする。そのため、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、焼戻し後の鋼材のミクロ組織中のフェライト含有量が高くなりすぎ、鋼材の低温靭性が低下する。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、Ａc1変態点が低くなりすぎ、鋼材の調質が困難になる。その結果、鋼材は所望の機械的特性が得られない。したがって、Ｎｉ含有量は５．００～７．５０％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は５．００％超であり、さらに好ましくは５．１０％であり、さらに好ましくは５．２０％であり、さらに好ましくは５．３０％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７．２０％であり、さらに好ましくは７．００％である。
ニッケル（Ｎｉ）は鋼材の耐食性を高める。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。Ｎｉはさらにオーステナイト形成元素であり、焼入れ後の鋼材のミクロ組織をマルテンサイトにする。そのため、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、焼戻し後の鋼材のミクロ組織中のフェライト含有量が高くなりすぎ、鋼材の低温靭性が低下する。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、Ａc1変態点が低くなりすぎ、鋼材の調質が困難になる。その結果、鋼材は所望の機械的特性が得られない。したがって、Ｎｉ含有量は５．００～７．５０％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は５．００％超であり、さらに好ましくは５．１０％であり、さらに好ましくは５．２０％であり、さらに好ましくは５．３０％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７．２０％であり、さらに好ましくは７．００％である。
Ｍｏ：１．１０～３．５０％
モリブデン（Ｍｏ）は鋼材の強度を高める。Ｍｏはさらに、鋼材の表面に被膜を形成して、鋼材の耐食性を高める。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はフェライト形成元素である。そのため、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、焼戻し後の鋼材のミクロ組織のフェライト含有量が高くなりすぎ、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は１．１０～３．５０％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は１．２０％であり、さらに好ましくは１．４０％であり、さらに好ましくは１．５０％であり、さらに好ましくは１．７０％であり、さらに好ましくは１．８０％であり、さらに好ましくは２．００％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は３．５０％未満であり、さらに好ましくは３．４０％であり、さらに好ましくは３．２０％であり、さらに好ましくは３．００％である。
モリブデン（Ｍｏ）は鋼材の強度を高める。Ｍｏはさらに、鋼材の表面に被膜を形成して、鋼材の耐食性を高める。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はフェライト形成元素である。そのため、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、焼戻し後の鋼材のミクロ組織のフェライト含有量が高くなりすぎ、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は１．１０～３．５０％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は１．２０％であり、さらに好ましくは１．４０％であり、さらに好ましくは１．５０％であり、さらに好ましくは１．７０％であり、さらに好ましくは１．８０％であり、さらに好ましくは２．００％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は３．５０％未満であり、さらに好ましくは３．４０％であり、さらに好ましくは３．２０％であり、さらに好ましくは３．００％である。
Ｃｕ：０．５０～３．５０％
銅（Ｃｕ）は鋼材中にＣｕ析出物として析出して、鋼材の強度を高める。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、鋼材の強度が高くなりすぎ、鋼材の耐食性及び／又は低温靭性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０．５０～３．５０％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．６０％であり、さらに好ましくは０．７０％であり、さらに好ましくは０．８０％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は３．５０％未満であり、さらに好ましくは３．４５％であり、さらに好ましくは３．４０％であり、さらに好ましくは３．２０％である。
銅（Ｃｕ）は鋼材中にＣｕ析出物として析出して、鋼材の強度を高める。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、鋼材の強度が高くなりすぎ、鋼材の耐食性及び／又は低温靭性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０．５０～３．５０％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．６０％であり、さらに好ましくは０．７０％であり、さらに好ましくは０．８０％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は３．５０％未満であり、さらに好ましくは３．４５％であり、さらに好ましくは３．４０％であり、さらに好ましくは３．２０％である。
Ｃｏ：０．０１～０．３０％
コバルト（Ｃｏ）は鋼材の表面に被膜を形成して、鋼材の耐食性を高める。Ｃｏはさらに、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を安定化する。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、上記効果が飽和する。Ｃｏ含有量が高すぎればさらに、製造コストが極端に増加する。したがって、Ｃｏ含有量は０．０１～０．３０％である。Ｃｏ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．０９％である。Ｃｏ含有量の好ましい上限は０．２７％であり、さらに好ましくは０．２５％である。
コバルト（Ｃｏ）は鋼材の表面に被膜を形成して、鋼材の耐食性を高める。Ｃｏはさらに、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を安定化する。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、上記効果が飽和する。Ｃｏ含有量が高すぎればさらに、製造コストが極端に増加する。したがって、Ｃｏ含有量は０．０１～０．３０％である。Ｃｏ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．０９％である。Ｃｏ含有量の好ましい上限は０．２７％であり、さらに好ましくは０．２５％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、上記効果が飽和する。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０．００３％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０６０％である。なお、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、上記効果が飽和する。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０．００３％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０６０％である。なお、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。
Ｎ：０．００１～０．１００％
窒素（Ｎ）は鋼材の耐食性を高める。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、粗大な窒化物が形成され、鋼材の耐食性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００１～０．１００％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００２％であり、さらに好ましくは０．００３％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０７０％である。
窒素（Ｎ）は鋼材の耐食性を高める。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、粗大な窒化物が形成され、鋼材の耐食性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００１～０．１００％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００２％であり、さらに好ましくは０．００３％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０７０％である。
Ｏ：０．０１０％以下
酸素（Ｏ）は不可避に含有される不純物である。すなわち、Ｏ含有量の下限は０％超である。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、粗大な酸化物系介在物が形成され、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｏ含有量は０．０１０％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は０．００８％であり、さらに好ましくは０．００６％であり、さらに好ましくは０．００５％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、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｏ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．００１％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。すなわち、Ｏ含有量の下限は０％超である。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、粗大な酸化物系介在物が形成され、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｏ含有量は０．０１０％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は０．００８％であり、さらに好ましくは０．００６％であり、さらに好ましくは０．００５％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、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｏ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．００１％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、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。
［任意元素について］
［第１群任意元素］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｗを含有してもよい。
［第１群任意元素］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｗを含有してもよい。
Ｗ：０～２．００％
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。すなわち、Ｗ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｗは鋼材の表面の被膜を安定化して、鋼材の耐食性を高める。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、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な炭化物が形成され、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｗ含有量は０～２．００％である。Ｗ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％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％であり、さらに好ましくは０．２０％である。Ｗ含有量の好ましい上限は１．８０％であり、さらに好ましくは１．５０％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。すなわち、Ｗ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｗは鋼材の表面の被膜を安定化して、鋼材の耐食性を高める。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、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な炭化物が形成され、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｗ含有量は０～２．００％である。Ｗ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％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％であり、さらに好ましくは０．２０％である。Ｗ含有量の好ましい上限は１．８０％であり、さらに好ましくは１．５０％である。
［第２群任意元素］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｖ、Ｔｉ、及び、Ｎｂ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任意元素であり、鋼材の強度を高める。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｖ、Ｔｉ、及び、Ｎｂ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任意元素であり、鋼材の強度を高める。
Ｖ：０～０．３００％
バナジウム（Ｖ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ｖ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｖは炭化物、窒化物、又は、炭窒化物（以下、「炭窒化物等」ともいう）を形成し、鋼材の強度を高める。Ｖ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、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、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０～０．３００％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．２９０％であり、さらに好ましくは０．２５０％であり、さらに好ましくは０．２００％である。
バナジウム（Ｖ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ｖ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｖは炭化物、窒化物、又は、炭窒化物（以下、「炭窒化物等」ともいう）を形成し、鋼材の強度を高める。Ｖ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、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、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０～０．３００％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．２９０％であり、さらに好ましくは０．２５０％であり、さらに好ましくは０．２００％である。
Ｔｉ：０～０．３００％
チタン（Ｔｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ｔｉ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｔｉは炭窒化物等を形成し、鋼材の強度を高める。Ｔｉ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、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、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０～０．３００％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．２９０％であり、さらに好ましくは０．２５０％であり、さらに好ましくは０．２００％である。
チタン（Ｔｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ｔｉ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｔｉは炭窒化物等を形成し、鋼材の強度を高める。Ｔｉ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、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、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０～０．３００％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．２９０％であり、さらに好ましくは０．２５０％であり、さらに好ましくは０．２００％である。
Ｎｂ：０～０．３００％
ニオブ（Ｎｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ｎｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｎｂは炭窒化物等を形成し、鋼材の強度を高める。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、鋼材の強度が高くなりすぎ、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０～０．３００％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．２９０％であり、さらに好ましくは０．２５０％であり、さらに好ましくは０．２００％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。すなわち、Ｎｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｎｂは炭窒化物等を形成し、鋼材の強度を高める。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、鋼材の強度が高くなりすぎ、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０～０．３００％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．２９０％であり、さらに好ましくは０．２５０％であり、さらに好ましくは０．２００％である。
［第３群任意元素］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ、Ｍｇ、希土類元素（ＲＥＭ）、及び、Ｂ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任意元素であり、鋼材の熱間加工性を高める。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ、Ｍｇ、希土類元素（ＲＥＭ）、及び、Ｂ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任意元素であり、鋼材の熱間加工性を高める。
Ｃａ：０～０．０１００％
カルシウム（Ｃａ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ｃａ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃａは鋼材中のＳを硫化物として無害化し、鋼材の熱間加工性を高める。Ｃａ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、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、鋼材中の介在物が粗大化して、鋼材の低温靱性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０～０．０１００％である。Ｃａ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは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。Ｃａ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。
カルシウム（Ｃａ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ｃａ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃａは鋼材中のＳを硫化物として無害化し、鋼材の熱間加工性を高める。Ｃａ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、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、鋼材中の介在物が粗大化して、鋼材の低温靱性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０～０．０１００％である。Ｃａ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは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。Ｃａ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。
Ｍｇ：０～０．０１００％
マグネシウム（Ｍｇ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ｍｇ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｍｇは鋼材中のＳを硫化物として無害化し、鋼材の熱間加工性を高める。Ｍｇ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、Ｍｇ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、鋼材中の介在物が粗大化して、鋼材の低温靱性が低下する。したがって、Ｍｇ含有量は０～０．０１００％である。Ｍｇ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは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。Ｍｇ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。
マグネシウム（Ｍｇ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ｍｇ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｍｇは鋼材中のＳを硫化物として無害化し、鋼材の熱間加工性を高める。Ｍｇ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、Ｍｇ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、鋼材中の介在物が粗大化して、鋼材の低温靱性が低下する。したがって、Ｍｇ含有量は０～０．０１００％である。Ｍｇ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは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。Ｍｇ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。
希土類元素：０～０．１００％
希土類元素（ＲＥＭ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、ＲＥＭ含有量は０％であってもよい。含有される場合、ＲＥＭは鋼材中のＳを硫化物として無害化し、鋼材の熱間加工性を高める。ＲＥＭ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、ＲＥＭ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、鋼材中の介在物が粗大化して、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、ＲＥＭ含有量は０～０．１００％である。ＲＥＭ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。ＲＥＭ含有量の好ましい上限は０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８０％である。
希土類元素（ＲＥＭ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、ＲＥＭ含有量は０％であってもよい。含有される場合、ＲＥＭは鋼材中のＳを硫化物として無害化し、鋼材の熱間加工性を高める。ＲＥＭ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、ＲＥＭ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、鋼材中の介在物が粗大化して、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、ＲＥＭ含有量は０～０．１００％である。ＲＥＭ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。ＲＥＭ含有量の好ましい上限は０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８０％である。
なお、本明細書におけるＲＥＭとは、原子番号２１番のスカンジウム（Ｓｃ）、原子番号３９番のイットリウム（Ｙ）、及び、ランタノイドである原子番号５７番のランタン（Ｌａ）～原子番号７１番のルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選択される１種以上の元素を意味する。また、本明細書におけるＲＥＭ含有量とは、含有する元素の合計含有量である。
Ｂ：０～０．０１００％
ホウ素（Ｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｂは鋼材中のＳの結晶粒界への偏析を抑制し、鋼材の熱間加工性を高める。Ｂ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、Ｂ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、窒化物が形成され、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｂ含有量は０～０．０１００％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは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。Ｂ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％であり、さらに好ましくは０．００５０％である。
ホウ素（Ｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｂは鋼材中のＳの結晶粒界への偏析を抑制し、鋼材の熱間加工性を高める。Ｂ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、Ｂ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、窒化物が形成され、鋼材の低温靭性が低下する。したがって、Ｂ含有量は０～０．０１００％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは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。Ｂ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％であり、さらに好ましくは０．００５０％である。
［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、体積％で、０～１５％の残留オーステナイト、０～１０％のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなる。本明細書においてマルテンサイトとは、焼入れ時に形成される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総称である。さらに、本明細書において、「残留オーステナイト、フェライト、及び、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、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、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材のミクロ組織には、残留オーステナイト、フェライト、及び、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、体積％で、０～１５％の残留オーステナイト、０～１０％のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなる。本明細書においてマルテンサイトとは、焼入れ時に形成される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総称である。さらに、本明細書において、「残留オーステナイト、フェライト、及び、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、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、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材のミクロ組織には、残留オーステナイト、フェライト、及び、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。
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ミクロ組織において、残留オーステナイトの体積率は０～１５％であり、かつ、フェライトの体積率は０～１０％である。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材のミクロ組織において、マルテンサイトの体積率は７５～１００％である。残留オーステナイト及びフェライトの体積率が高すぎれば、鋼材の機械的特性の制御が困難になる。一方、残留オーステナイト及びフェライトの体積率の下限は、０％であってもよい。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材は、マルテンサイトのみからなるミクロ組織を有していてもよい。
本実施形態では、ミクロ組織において、残留オーステナイトの体積率の下限は１％であってもよく、２％であってもよい。さらに、ミクロ組織において、残留オーステナイトの体積率の上限は１３％であってもよく、１０％であってもよい。本実施形態では、ミクロ組織において、フェライトの体積率の下限は１％であってもよく、２％であってもよい。さらに、ミクロ組織において、フェライトの体積率の上限は８％であってもよく、５％であってもよい。
［残留オーステナイトの体積率の測定方法］
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス鋼材のミクロ組織における、残留オーステナイトの体積率（％）は、以下に示す方法で求めることができる。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス鋼材のミクロ組織における、残留オーステナイトの体積率（％）は、以下に示す方法で求めることができる。
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、マルテンサイト系ステンレス鋼材から試験片を作製する。鋼材が鋼板の場合、板厚中央部から試験片を作製する。鋼材が鋼管の場合、肉厚中央部から試験片を作製する。鋼材が断面円形の棒鋼である場合、Ｒ／２位置から試験片を作製する。本明細書において、Ｒ／２位置とは、棒鋼の長手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。試験片の大きさは特に限定されないが、たとえば、１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ２ｍｍである。この場合、試験片の厚さ方向は、板厚方向、肉厚（管径）方向、又は、棒鋼の長手方向に垂直な断面の半径Ｒ方向と平行である。作製した試験片を用いて、α相（フェライト及びマルテンサイト）の（２００）面、α相の（２１１）面、γ相（残留オーステナイト）の（２００）面、γ相の（２２０）面、γ相の（３１１）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Ｍｏとする（ＭｏＫα線）。算出後、α相の各面と、γ相の各面との組合せ（２×３＝６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、６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。なお、本明細書において、α相の（２００）面でのＲαを１５．９、α相の（２１１）面でのＲαを２９．２、γ相の（２００）面でのＲγを３５．５、γ相の（２２０）面でのＲγを２０．８、γ相の（３１１）面でのＲγを２１．８とする。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一位を四捨五入する。
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。なお、本明細書において、α相の（２００）面でのＲαを１５．９、α相の（２１１）面でのＲαを２９．２、γ相の（２００）面でのＲγを３５．５、γ相の（２２０）面でのＲγを２０．８、γ相の（３１１）面でのＲγを２１．８とする。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一位を四捨五入する。
［フェライトの体積率の測定方法］
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス鋼材のミクロ組織における、フェライトの体積率（％）は、以下に示す方法で求めることができる。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス鋼材のミクロ組織における、フェライトの体積率（％）は、以下に示す方法で求めることができる。
フェライトの体積率を、ＪＩＳ Ｇ ０５５５（２００３）に準拠した点算法により求める。具体的には、マルテンサイト系ステンレス鋼材から試験片を作製する。鋼材が鋼板の場合、板厚中央部から試験片を作製する。鋼材が鋼管の場合、肉厚中央部から試験片を作製する。鋼材が断面円形の棒鋼である場合、Ｒ／２位置から試験片を作製する。試験片は、圧延方向に垂直な観察面を有していればよく、その大きさは特に限定されない。試験片を樹脂に埋め込み、鏡面に研磨した観察面を、ビレラ腐食液（エタノール、塩酸、ピクリン酸の混合液）に６０秒間程度浸漬して、エッチングによる組織現出を行う。エッチングされた観察面を、光学顕微鏡を用いて１０視野観察する。視野面積は特に限定されないが、たとえば、１．００ｍｍ2（倍率１００倍）である。
各観察視野において、フェライトと、その他の相とは、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、ＪＩＳ Ｇ ０５５５（２００３）に準拠した点算法によって求める。求めた１０視野におけるフェライトの面積率の算術平均値を、フェライトの体積率（％）と定義する。なお、フェライトの体積率は、得られた数値の小数第一位を四捨五入する。
［マルテンサイトの体積率の測定方法］
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス鋼材のミクロ組織における、マルテンサイトの体積率（％）は、以下に示す方法で求めることができる。具体的に、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、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－残留オーステナイトの体積率（％）－フェライトの体積率（％）
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス鋼材のミクロ組織における、マルテンサイトの体積率（％）は、以下に示す方法で求めることができる。具体的に、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、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－残留オーステナイトの体積率（％）－フェライトの体積率（％）
［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は、８６２ＭＰａ以上（１２５ｋｓｉ以上）の降伏強度を有する。本明細書でいう降伏強度は、引張試験で得られた０．２％オフセット耐力を意味する。本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度を有していても、上述の化学組成及びミクロ組織と、後述のＣｕ析出物とを有することで、優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する。なお、本実施形態において、マルテンサイト系ステンレス鋼材の降伏強度の上限は特に限定されない。降伏強度の上限は、たとえば、１０６９ＭＰａ（１５５ｋｓｉ）であってもよく、１０３４ＭＰａ（１５０ｋｓｉ）であってもよく、１０００ＭＰａ（１４５ｋｓｉ）であってもよく、９６５ＭＰａ（１４０ｋｓｉ）であってもよく、９６５ＭＰａ未満（１４０ｋｓｉ未満）であってもよい。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、８６２ＭＰａ以上（１２５ｋｓｉ以上）の降伏強度を有する。本明細書でいう降伏強度は、引張試験で得られた０．２％オフセット耐力を意味する。本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度を有していても、上述の化学組成及びミクロ組織と、後述のＣｕ析出物とを有することで、優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する。なお、本実施形態において、マルテンサイト系ステンレス鋼材の降伏強度の上限は特に限定されない。降伏強度の上限は、たとえば、１０６９ＭＰａ（１５５ｋｓｉ）であってもよく、１０３４ＭＰａ（１５０ｋｓｉ）であってもよく、１０００ＭＰａ（１４５ｋｓｉ）であってもよく、９６５ＭＰａ（１４０ｋｓｉ）であってもよく、９６５ＭＰａ未満（１４０ｋｓｉ未満）であってもよい。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の降伏強度は、次の方法で求めることができる。本実施形態による鋼材から、丸棒試験片を作製する。鋼材が鋼板である場合、板厚中央部から丸棒試験片を作製する。鋼材が鋼管である場合、肉厚中央部から丸棒試験片を作製する。鋼材が断面円形の棒鋼である場合、Ｒ／２位置から丸棒試験片を作製する。丸棒試験片の大きさは、たとえば、平行部直径４ｍｍ、平行部長さ３５ｍｍである。なお、丸棒試験片の軸方向は、鋼材の圧延方向と平行である。丸棒試験片を用いて、ＡＳＴＭ Ｅ８／Ｅ８Ｍ（２０１３）に準拠して、常温（２４±３℃）で引張試験を実施して、得られた０．２％オフセット耐力（ＭＰａ）を降伏強度（ＭＰａ）と定義する。
［Ｃｕ析出物］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成と上述のミクロ組織とを有し、さらに、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3である。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、降伏強度が１２５ｋｓｉ以上（８６２ＭＰａ以上）であっても、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する。本明細書において、Ｃｕ析出物とは、Ｃｕ及び不純物からなる析出物を意味する。具体的に、本実施形態では、後述するエネルギー分散型Ｘ線分析法（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：以下、「ＥＤＳ」ともいう）による元素分析において、対象元素をＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｏ、及び、Ｓｉとして定量した場合、Ｃｕが１５．０質量％以上検出される析出物を、「Ｃｕ析出物」と定義する。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成と上述のミクロ組織とを有し、さらに、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3である。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、降伏強度が１２５ｋｓｉ以上（８６２ＭＰａ以上）であっても、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する。本明細書において、Ｃｕ析出物とは、Ｃｕ及び不純物からなる析出物を意味する。具体的に、本実施形態では、後述するエネルギー分散型Ｘ線分析法（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：以下、「ＥＤＳ」ともいう）による元素分析において、対象元素をＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｏ、及び、Ｓｉとして定量した場合、Ｃｕが１５．０質量％以上検出される析出物を、「Ｃｕ析出物」と定義する。
上述のとおり、上述の化学組成と上述のミクロ組織とを有するマルテンサイト系ステンレス鋼材では、Ｃｕは、その一部又は全部がＣｕ析出物として析出する。そのため、Ｃｕ析出物の個数密度が少ない場合とは、Ｃｕ析出物の総体積そのものが少ない（すなわち、Ｃｕの固溶量が多い）場合と、Ｃｕ析出物の総体積は変わらず、個数が減っている場合とが考えられる。このうち、Ｃｕ析出物の総体積が少ない場合、Ｃｕ析出物による析出強化の効果が十分に得られず、鋼材は１２５ｋｓｉ以上の降伏強度が得られない。一方、Ｃｕ析出物の総体積は多いものの、個数が減っている場合、粗大なＣｕ析出物が主として析出し、鋼材は、優れた低温靭性が得られない。
すなわち、Ｃｕ析出物の個数密度が高ければ、微細なＣｕ析出物が多く析出しており、粗大なＣｕ析出物の析出が少なく抑えられている。その結果、鋼材は、優れた耐食性を維持したまま、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度と、優れた低温靭性とを得ることができる。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では、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21個／ｍ3以上であれば、本実施形態によるその他の構成を満たすことを条件に、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度と、優れた低温靭性と、優れた耐食性とが得られる。なお、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材では、Ｃｕ析出物の個数密度の上限は、高いほど好ましい。しかしながら、上述の化学組成とミクロ組織とを前提とする、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材では、Ｃｕ析出物の個数密度の上限は、実質的に５０．０×１０21個／ｍ3である。
したがって、本実施形態では、Ｃｕ析出物の個数密度を３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3とする。本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材において、Ｃｕ析出物の個数密度の好ましい下限は３．２×１０21個／ｍ3であり、さらに好ましくは３．５×１０21個／ｍ3である。一方、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において、Ｃｕ析出物の個数密度の上限は高い方が好ましい。しかしながら、Ｃｕ析出物の個数密度の実質的な上限は、鋼材中のＣｕ含有量に応じて変化する。そのため、Ｃｕ析出物の個数密度の上限は、たとえば、４５．０×１０21個／ｍ3であってもよく、４０．０×１０21個／ｍ3であってもよく、３５．０×１０21個／ｍ3であってもよい。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材におけるＣｕ析出物の個数密度は、次の方法で求めることができる。本実施形態による鋼材から、Ｃｕ析出物観察用の薄膜試験片（厚さ１００～２００μｍ）を作製する。鋼材が鋼板の場合、板厚中央部から薄膜試験片を作製する。鋼材が鋼管の場合、肉厚中央部から薄膜試験片を作製する。鋼材が断面円形の棒鋼である場合、Ｒ／２位置から薄膜試験片を作製する。なお、薄膜試験片は、Ｔｗｉｎ－ｊｅｔ法を用いた電解研磨によって作製する。また、薄膜試験片の大きさは、後述する観察視野が得られれば、特に限定されない。
得られた薄膜試験片の観察面から、任意の４視野を特定する。各視野の面積は特に限定されないが、たとえば、８００ｎｍ×８００ｎｍである。特定した４視野に対して、透過電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下、「ＴＥＭ」ともいう）による組織観察を実施する。組織観察は、加速電圧を２００ｋＶとし、回折条件を析出物観察に適した条件（たとえば、（２００）２波条件）で実施する。さらに、適切な時間露光を行うことで、析出物を写真撮影する。
以上のとおり特定した析出物に対して、ＥＤＳによる元素分析を行う。なお、対象元素をＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｏ、及び、Ｓｉとして定量する。ここで、ＥＤＳでは、装置の特性上、一定の体積を有する範囲について元素分析が実施される。すなわち、観察面に析出物が存在する場合でも、析出物のみの元素分析を実施することはできず、母材も同時に元素分析が実施される。したがって、観察面にＣｕ析出物が存在する領域において、ＥＤＳによる元素分析を行った場合、Ｃｕ以外に母材由来の元素（Ｆｅ等）も同時に検出される。
一方、本実施形態では、母材におけるＣｕ含有量は、上述のとおり、０．５０～３．５０％である。そのため、ＥＤＳによる元素分析において、Ｃｕ濃度が１５．０質量％以上の析出物であれば、Ｃｕ析出物であると判断できる。各観察視野において、Ｃｕ濃度が１５．０質量％以上の析出物（Ｃｕ析出物）の個数を計数する。さらに、各観察視野の面積と、観察領域の厚さとから、各観察領域の体積（ｍ3）を求める。なお、観察領域の厚さは、薄膜試験片に対する、電子エネルギー損失強度スペクトル（ＥＥＬＳ）の全積分強度と、ゼロロススペクトルの積分強度とから求めることができる。
得られた各観察視野における、Ｃｕ析出物の数（個）と、各観察視野の体積（ｍ3）とから、各観察視野における、Ｃｕ析出物の個数密度（個／ｍ3）を求める。４視野において得られたＣｕ析出物の個数密度の算術平均値を、Ｃｕ析出物の個数密度（個／ｍ3）と定義する。
なお、本実施形態では、Ｃｕ析出物の大きさは特に限定されない。Ｃｕ析出物は、上述する方法において、コントラストから析出物として特定できるサイズであればよい。そのため、本実施形態では、Ｃｕ析出物の大きさは、たとえば、円相当径で１～１００ｎｍである。なお、本明細書において、円相当径とは、組織観察における視野面において、観察された析出物の面積を、同じ面積を有する円に換算した場合の円の直径を意味する。
［低温靭性］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成と上述のミクロ組織とを有し、さらに、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3である。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、降伏強度が１２５ｋｓｉ以上であっても、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する。本実施形態において、極低温環境における優れた低温靭性とは、以下のとおりに定義される。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成と上述のミクロ組織とを有し、さらに、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3である。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、降伏強度が１２５ｋｓｉ以上であっても、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する。本実施形態において、極低温環境における優れた低温靭性とは、以下のとおりに定義される。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の低温靭性は、ＡＳＴＭ Ｅ２３（２０１８）に準拠したシャルピー衝撃試験によって評価できる。本実施形態による鋼材から、Ｖノッチ試験片を作製する。具体的に、ＡＰＩ ５ＣＲＡ（２０１０）に準拠して、Ｖノッチ試験片を作製する。作製されたＶノッチ試験片に対して、ＡＳＴＭ Ｅ２３（２０１８）に準拠したシャルピー衝撃試験を実施して、－５０℃における吸収エネルギーＥ（－５０℃）（Ｊ）を求める。本実施形態では、－５０℃における吸収エネルギーＥ（－５０℃）が１００Ｊ以上である場合、極低温環境においても、優れた低温靭性を有すると判断する。なお、－５０℃における吸収エネルギーＥ（－５０℃）（Ｊ）は、得られた数値の小数第一位を四捨五入する。
［耐食性］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成と上述のミクロ組織とを有し、さらに、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3である。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、降伏強度が１２５ｋｓｉ以上であっても、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する。本実施形態において、優れた耐食性とは、以下のとおりに定義される。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成と上述のミクロ組織とを有し、さらに、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3である。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、降伏強度が１２５ｋｓｉ以上であっても、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する。本実施形態において、優れた耐食性とは、以下のとおりに定義される。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の耐食性は、ＮＡＣＥ ＴＭ０１７７－２０１６ Ｍｅｔｈｏｄ Ａに準拠した方法によって評価できる。本実施形態による鋼材が鋼板である場合、板厚中央部から丸棒試験片を作製する。本実施形態による鋼材が鋼管である場合、肉厚中央部から丸棒試験片を作製する。鋼材が断面円形の棒鋼である場合、Ｒ／２位置から丸棒試験片を採取する。丸棒試験片の大きさは、たとえば、径６．３５ｍｍ、平行部の長さ２５．４ｍｍである。なお、丸棒試験片の軸方向は、マルテンサイト系ステンレス鋼材の圧延方向と平行である。
試験溶液は、酢酸を添加してｐＨを４．０に調整した、２０質量％の塩化ナトリウムと０．４１ｇ／Ｌの酢酸ナトリウムとの混合水溶液とする。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、０．１ａｔｍのＨ2Ｓガスと０．９ａｔｍのＣＯ2ガスとの混合ガスを試験浴に吹き込み、試験浴に混合ガスを飽和させる。混合ガスが飽和した試験浴を、２４℃で７２０時間保持する。
７２０時間保持後の丸棒試験片を、肉眼、倍率１０倍のルーペ、及び、倍率１００倍の光学顕微鏡によって観察する。観察の結果、丸棒試験片に割れが確認されない場合、優れた耐食性を有すると評価する。なお、本明細書において、「割れが確認されない」とは、試験後の試験片を肉眼、倍率１０倍のルーペ、及び、倍率１００倍の光学顕微鏡によって観察した結果、割れが確認されないことを意味する。
［鋼材の形状］
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。鋼材はたとえば、鋼管、鋼板、及び、棒鋼である。鋼材が鋼管である場合、好ましい肉厚は４～６０ｍｍである。さらに好ましくは、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、継目無鋼管である。本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材が継目無鋼管である場合、肉厚が１５ｍｍ以上であっても、８６２ＭＰａ以上（１２５ｋｓｉ以上）の降伏強度と、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の形状は、特に限定されない。鋼材はたとえば、鋼管、鋼板、及び、棒鋼である。鋼材が鋼管である場合、好ましい肉厚は４～６０ｍｍである。さらに好ましくは、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、継目無鋼管である。本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材が継目無鋼管である場合、肉厚が１５ｍｍ以上であっても、８６２ＭＰａ以上（１２５ｋｓｉ以上）の降伏強度と、極低温環境における優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する。
［鋼材の用途］
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の用途は、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、油井に用いられる油井用鋼材に好適である。油井用鋼材とは、たとえば、ダウンホール用棒鋼、ラインパイプ、油井管である。油井管とは、たとえば、油井又はガス井の掘削、及び、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用途は、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、油井に用いられる油井用鋼材に好適である。油井用鋼材とは、たとえば、ダウンホール用棒鋼、ラインパイプ、油井管である。油井管とは、たとえば、油井又はガス井の掘削、及び、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、ドリルパイプである。
［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。すなわち、以下に説明する製造方法は一例であって、本実施形態のマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法は、以下に説明する製造方法に限定されない。要するに、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成と、上述のミクロ組織と、上述の降伏強度と、上述のＣｕ析出物の個数密度とを満たしていれば、以下に説明する製造方法以外の他の製造方法によって、製造されてもよい。以下に説明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製造方法では、中間鋼材を準備する工程（準備工程）と、準備された中間鋼材を熱処理する工程（熱処理工程）とを備える。以下、各工程について詳述する。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法の一例を説明する。すなわち、以下に説明する製造方法は一例であって、本実施形態のマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法は、以下に説明する製造方法に限定されない。要するに、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成と、上述のミクロ組織と、上述の降伏強度と、上述のＣｕ析出物の個数密度とを満たしていれば、以下に説明する製造方法以外の他の製造方法によって、製造されてもよい。以下に説明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製造方法では、中間鋼材を準備する工程（準備工程）と、準備された中間鋼材を熱処理する工程（熱処理工程）とを備える。以下、各工程について詳述する。
［準備工程］
準備工程は、上述の化学組成を有する中間鋼材を準備する。ここで、本実施形態において、中間鋼材の化学組成は、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と同一である。具体的に、本実施形態による中間鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０３０％未満、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．０５～２．００％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｃｒ：１１．５０～１４．００％、Ｎｉ：５．００～７．５０％、Ｍｏ：１．１０～３．５０％、Ｃｕ：０．５０～３．５０％、Ｃｏ：０．０１～０．３０％、Ａｌ：０．００１～０．１００％、Ｎ：０．００１～０．１００％、Ｏ：０．０１０％以下、Ｗ：０～２．００％、Ｖ：０～０．３００％、Ｔｉ：０～０．３００％、Ｎｂ：０～０．３００％、Ｃａ：０～０．０１００％、Ｍｇ：０～０．０１００％、希土類元素：０～０．１００％、Ｂ：０～０．０１００％、及び、残部：Ｆｅ及び不純物からなる。中間鋼材は、上述の化学組成を有していれば、製造方法は特に限定されない。ここでいう中間鋼材は、たとえば、最終製品が鋼板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り、最終製品が棒鋼の場合は棒状の鋼材である。好ましくは、本実施形態による準備工程は、素材準備工程と、熱間加工工程とを含む。以下、準備工程が素材準備工程と、熱間加工工程とを含む場合について詳細に説明する。
準備工程は、上述の化学組成を有する中間鋼材を準備する。ここで、本実施形態において、中間鋼材の化学組成は、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と同一である。具体的に、本実施形態による中間鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０３０％未満、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．０５～２．００％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｃｒ：１１．５０～１４．００％、Ｎｉ：５．００～７．５０％、Ｍｏ：１．１０～３．５０％、Ｃｕ：０．５０～３．５０％、Ｃｏ：０．０１～０．３０％、Ａｌ：０．００１～０．１００％、Ｎ：０．００１～０．１００％、Ｏ：０．０１０％以下、Ｗ：０～２．００％、Ｖ：０～０．３００％、Ｔｉ：０～０．３００％、Ｎｂ：０～０．３００％、Ｃａ：０～０．０１００％、Ｍｇ：０～０．０１００％、希土類元素：０～０．１００％、Ｂ：０～０．０１００％、及び、残部：Ｆｅ及び不純物からなる。中間鋼材は、上述の化学組成を有していれば、製造方法は特に限定されない。ここでいう中間鋼材は、たとえば、最終製品が鋼板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り、最終製品が棒鋼の場合は棒状の鋼材である。好ましくは、本実施形態による準備工程は、素材準備工程と、熱間加工工程とを含む。以下、準備工程が素材準備工程と、熱間加工工程とを含む場合について詳細に説明する。
［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素材を準備する。素材は製造して準備してもよいし、第三者から購入することにより準備してもよい。すなわち、素材を準備する方法は特に限定されない。素材を製造する場合、たとえば、次の方法で製造する。上述の化学組成を有する溶鋼を周知の方法により製造する。製造された溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片を製造する。ここで、鋳片とは、スラブ、ブルーム、又は、ビレットである。鋳片に代えて、上記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、インゴットを熱間圧延して、ビレットを製造してもよい。以上の製造工程により、素材（スラブ、ブルーム、又は、ビレット）を製造する。以下、熱間加工工程について詳述する。
素材準備工程では、上述の化学組成を有する素材を準備する。素材は製造して準備してもよいし、第三者から購入することにより準備してもよい。すなわち、素材を準備する方法は特に限定されない。素材を製造する場合、たとえば、次の方法で製造する。上述の化学組成を有する溶鋼を周知の方法により製造する。製造された溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片を製造する。ここで、鋳片とは、スラブ、ブルーム、又は、ビレットである。鋳片に代えて、上記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、インゴットを熱間圧延して、ビレットを製造してもよい。以上の製造工程により、素材（スラブ、ブルーム、又は、ビレット）を製造する。以下、熱間加工工程について詳述する。
［熱間加工工程］
熱間加工工程では、上記準備工程で準備された素材を熱間加工して、中間鋼材を製造する。中間鋼材を製造する熱間加工の方法は、特に限定されない。すなわち、本実施形態において、熱間加工は、熱間鍛造であってもよく、熱間押出であってもよく、熱間圧延であってもよい。
熱間加工工程では、上記準備工程で準備された素材を熱間加工して、中間鋼材を製造する。中間鋼材を製造する熱間加工の方法は、特に限定されない。すなわち、本実施形態において、熱間加工は、熱間鍛造であってもよく、熱間押出であってもよく、熱間圧延であってもよい。
鋼材が継目無鋼管である場合、素材を熱間加工して、素管（継目無素管）を製造する。この場合、熱間加工として、たとえば、ユジーン・セジュルネ法、又は、エルハルトプッシュベンチ法（すなわち、熱間押出）を実施してもよい。中間鋼材が継目無鋼管である場合さらに、熱間加工として、たとえば、マンネスマン法による穿孔圧延（すなわち、熱間圧延）を実施してもよい。
たとえば、熱間加工においてマンネスマン法による穿孔圧延を実施する場合、次の方法で実施できる。まず、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穿孔圧延を実施して、中間鋼材（素管）を製造する。穿孔圧延における、穿孔比は特に限定されないが、たとえば、１．０～４．０である。穿孔圧延後のビレットに対して、マンドレルミルを用いた延伸圧延を実施する。さらに、必要に応じて、延伸圧延後のビレットに対して、レデューサ又はサイジングミルを用いた定径圧延を実施する。以上の工程により、素管を製造する。熱間加工工程での累積の減面率は特に限定されないが、たとえば、２０～７０％である。
鋼材が棒鋼である場合、素材を熱間加工して、中間鋼材（棒鋼）を製造する。この場合、熱間加工として、分塊圧延を実施してもよく、熱間圧延を実施してもよい。分塊圧延又は熱間圧延を実施する場合、加熱温度は特に限定されないが、たとえば、１１００～１３００℃である。熱間圧延を実施する場合、連続圧延機による熱間圧延を実施するのが好ましい。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。
鋼材が鋼板である場合、素材を熱間加工して、中間鋼材（板状の鋼材）を製造する。この場合、熱間加工として、分塊圧延を実施してもよく、熱間圧延を実施してもよい。分塊圧延又は熱間圧延を実施する場合、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、中間鋼材（板状の鋼材）を製造する。
以上のとおり、熱間加工工程により、所望の形状を有する中間鋼材を製造する。なお、熱間加工は、１回のみ実施してもよく、複数回実施してもよい。たとえば、素材に対して、上述の穿孔圧延を実施した後、上述の熱間押出を実施してもよい。たとえばさらに、素材に対して、上述の分塊圧延を実施した後、上述の連続圧延機による熱間圧延を実施してもよい。
熱間加工により製造された中間鋼材は、空冷されてもよい（Ａｓ－Ｒｏｌｌｅｄ）。熱間加工により製造された中間鋼材はまた、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、熱間加工後に補熱した後焼入れを実施した場合、残留応力を除去することを目的として、次工程の熱処理工程（焼入れ及び焼戻し）前に、応力除去焼鈍（ＳＲ処理）を実施してもよい。
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いし、第三者により製造された中間鋼材、又は、後述の熱処理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。すなわち、熱処理工程では、準備工程によって準備された中間鋼材に対して、焼入れを実施する（焼入れ工程）。焼入れが実施された中間鋼材に対して、焼戻しを実施する（焼戻し工程）。以下、焼入れ工程と焼戻し工程とについて、それぞれ詳述する。
熱処理工程は、焼入れ工程及び焼戻し工程を含む。すなわち、熱処理工程では、準備工程によって準備された中間鋼材に対して、焼入れを実施する（焼入れ工程）。焼入れが実施された中間鋼材に対して、焼戻しを実施する（焼戻し工程）。以下、焼入れ工程と焼戻し工程とについて、それぞれ詳述する。
［焼入れ工程］
焼入れ工程では、準備工程によって準備された中間鋼材に対して、焼入れを実施する。本明細書において、「焼入れ」とは、Ａc3変態点以上の中間鋼材を、急冷することを意味する。好ましい焼入れ温度は８００～１０００℃である。すなわち、本実施形態の焼入れ工程では、８００～１０００℃の中間鋼材を急冷することによって焼入れする。なお、焼入れ温度とは、熱間加工後に直接焼入れを実施する場合、最終の熱間加工を実施する装置の出側に設置した温度計で測定された中間鋼材の表面温度に相当する。焼入れ温度とはさらに、熱間加工後に補熱炉又は熱処理炉を用いて焼入れを実施する場合、補熱炉又は熱処理炉の温度に相当する。
焼入れ工程では、準備工程によって準備された中間鋼材に対して、焼入れを実施する。本明細書において、「焼入れ」とは、Ａc3変態点以上の中間鋼材を、急冷することを意味する。好ましい焼入れ温度は８００～１０００℃である。すなわち、本実施形態の焼入れ工程では、８００～１０００℃の中間鋼材を急冷することによって焼入れする。なお、焼入れ温度とは、熱間加工後に直接焼入れを実施する場合、最終の熱間加工を実施する装置の出側に設置した温度計で測定された中間鋼材の表面温度に相当する。焼入れ温度とはさらに、熱間加工後に補熱炉又は熱処理炉を用いて焼入れを実施する場合、補熱炉又は熱処理炉の温度に相当する。
熱間加工後に補熱炉又は熱処理炉を用いて焼入れを実施する場合、補熱炉又は熱処理炉で中間鋼材を保持する時間は特に限定されず、たとえば、１０～６０分である。この場合、補熱炉又は熱処理炉で中間鋼材を保持する時間とは、在炉時間（中間鋼材が熱処理炉又は補熱炉に装入されてから抽出されるまでの時間）を意味する。
焼入れ方法は、周知の方法でよく、特に限定されない。焼入れ方法は、たとえば、焼入れ開始温度から中間鋼材を連続的に冷却し、中間鋼材の温度を連続的に低下する。たとえば、水槽に中間鋼材を浸漬して冷却してもよく、シャワー水冷又はミスト冷却により中間鋼材を加速冷却してもよい。これらの方法によれば、焼入れ時において、中間鋼材の温度が８００～５００℃の範囲の冷却速度が８℃／秒以上となる。その結果、焼入れ後の中間鋼材のミクロ組織において、マルテンサイトが体積率で７５％以上となり、残留オーステナイトが体積率で１５％以下となり、さらに、フェライトが体積率で１０％以下となる。なお、上述の化学組成を有し、８００～１０００℃の中間鋼材に焼入れを実施することによって、上述のミクロ組織とするのは、当業者であれば当然に実施できる。
［焼戻し工程］
焼戻し工程では、焼入れが実施された中間鋼材に対して、焼戻しを実施する。本明細書において、「焼戻し」とは、焼入れ後の中間鋼材をＡc1点以下で再加熱して、保持することを意味する。焼戻し温度は、鋼材の化学組成、及び、得ようとする降伏強度に応じて適宜調整する。つまり、本実施形態の化学組成を有する中間鋼材に対して、焼戻し温度を調整して、鋼材の降伏強度を８６２ＭＰａ以上（１２５ｋｓｉ以上）に調整する。ここで、焼戻し温度とは、焼入れ後の中間鋼材を加熱して、保持する際の炉の温度に相当する。焼戻し時間とは、在炉時間（中間鋼材が熱処理炉に装入されてから抽出されるまでの時間）を意味する。
焼戻し工程では、焼入れが実施された中間鋼材に対して、焼戻しを実施する。本明細書において、「焼戻し」とは、焼入れ後の中間鋼材をＡc1点以下で再加熱して、保持することを意味する。焼戻し温度は、鋼材の化学組成、及び、得ようとする降伏強度に応じて適宜調整する。つまり、本実施形態の化学組成を有する中間鋼材に対して、焼戻し温度を調整して、鋼材の降伏強度を８６２ＭＰａ以上（１２５ｋｓｉ以上）に調整する。ここで、焼戻し温度とは、焼入れ後の中間鋼材を加熱して、保持する際の炉の温度に相当する。焼戻し時間とは、在炉時間（中間鋼材が熱処理炉に装入されてから抽出されるまでの時間）を意味する。
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では、鋼材中にＣｕ析出物を多く析出させる。さらに、本実施形態の製造方法では、上述のとおり中間鋼材に対して焼入れを実施する。そのため、焼入れ後の中間鋼材では、Ｃｕはそのほとんどが、中間鋼材中に固溶している。したがって、焼戻しによって中間鋼材中にＣｕ析出物を微細に析出させることができれば、焼戻し後のマルテンサイト系ステンレス鋼材において、Ｃｕ析出物の個数密度を高めることができる。
そこで本発明者らは、焼戻しによって微細なＣｕ析出物を多数析出させる手法について詳細に調査及び検討を行った。その結果、比較的低温で保持する焼戻し工程と、高温で保持する焼戻し工程との二段階による焼戻しを実施することで、Ｃｕ析出物の個数密度を高められることを、本発明者らは見出した。二段階による焼戻しによって、マルテンサイト系ステンレス鋼材のＣｕ析出物の個数密度を高められる理由について、本発明者らは次のように考えている。
上述の化学組成を有する中間鋼材に焼戻しを実施して１２５ｋｓｉ以上のマルテンサイト系ステンレス鋼材を得ようとする場合、焼戻し温度を５５５～６５０℃とし、焼戻し時間を１０～１８０分とする。ここで、５５５～６５０℃の温度域で焼戻しを実施した場合、Ｃｕ析出物のうち面心立方構造を有するＣｕ析出物（以下、「ε－Ｃｕ」ともいう）が、主として析出する可能性がある。ε－Ｃｕは、Ｃｕ析出物の中でもエネルギー状態が低く、熱力学的に安定であると考えられている。しかしながら、上述の化学組成を有する中間鋼材では、焼入れ後の中間鋼材のミクロ組織は、体心立方構造を有するマルテンサイトが主体となっている。そのため、面心立方構造を有するε－Ｃｕでは、周囲のマルテンサイト相と結晶構造の親和性が低い。すなわち、ε－Ｃｕが析出しやすい温度域での保持では、析出核が増えるよりも、ε－Ｃｕが粗大に成長する方が容易であると推測される。このようにして、１２５ｋｓｉ以上のマルテンサイト系ステンレス鋼材を得ようして焼戻しを実施した場合に、粗大なＣｕ析出物が析出するものと推測される。
一方、上述の化学組成を有する中間鋼材に対して、焼戻し温度を５００～５４５℃として焼戻しを実施した場合、Ｃｕ析出物のうち準安定な体心立方構造を有するＣｕ析出物（以下、「ｂｃｃ－Ｃｕ」ともいう）が、主として析出する可能性がある。ｂｃｃ－Ｃｕは、ε－Ｃｕと比較してエネルギー状態が高く、熱力学的には安定性が低い。しかしながら、ｂｃｃ－Ｃｕは、周囲のマルテンサイト相との結晶構造の親和性が高い。そのため、ｂｃｃ－Ｃｕが析出しやすい温度域での保持では、Ｃｕの拡散によりｂｃｃ－Ｃｕが粗大に成長するよりも、析出核が増える方が容易であると推測される。そのため、ｂｃｃ－Ｃｕを中間鋼材中に析出させることにより、中間鋼材中にＣｕ析出物を微細に分散できる可能性がある。
しかしながら、上述のとおり、上述の化学組成を有する中間鋼材に対して焼戻しを実施して、焼戻し後の鋼材の降伏強度を１２５ｋｓｉ以上とするために、焼戻し温度を５５５～６５０℃としていた。そのため、ｂｃｃ－Ｃｕを析出させる目的で、焼戻し温度を５００～５４５℃まで低下させた場合、焼戻し温度が低すぎて、降伏強度が高くなりすぎる。この場合、焼戻し後の鋼材の低温靭性及び耐食性が低下する。そこで、本実施形態による焼戻し工程では、焼戻し温度を５００～５４５℃とする第１焼戻し工程を実施した後、焼戻し温度を５５５～６５０℃とする第２焼戻し工程を実施する。この二段階による焼戻し工程によれば、第１焼戻し工程においてｂｃｃ－Ｃｕが多数析出し、Ｃｕ析出物の個数密度が増加する。その後、第２焼戻し工程において鋼材の降伏強度を１２５ｋｓｉ以上に調整することができるものと考えられる。なお、第２焼戻し工程において、ｂｃｃ－Ｃｕは、その大部分がε－Ｃｕへと変態するものと予想される。
以上のとおり、上述の第１焼戻し工程と第２焼戻し工程とによれば、焼戻し後の鋼材において、Ｃｕ析出物の個数密度を３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3とし、かつ、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度を得ることができる。なお、上述のメカニズム以外のメカニズムによって、本実施形態による鋼材のＣｕ析出物の個数密度が高まっている可能性もあり得る。しかしながら、上述の二段階による焼戻し工程によれば、焼戻し後の鋼材のＣｕ析出物の個数密度を３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3とし、かつ、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度が得られることは、後述する実施例によって証明されている。以下、第１焼戻し工程と第２焼戻し工程とについて詳述する。
［第１焼戻し工程］
第１焼戻し工程では、焼入れされた中間鋼材を加熱して、５００～５４５℃の焼戻し温度、５～６０分の焼戻し時間で焼戻しを実施する。第１焼戻し工程における焼戻し温度が低すぎれば、第１焼戻し工程の焼戻し実施中に、ｂｃｃ－Ｃｕが十分に析出しない。この場合、後述する第２焼戻し工程後の鋼材において、Ｃｕ析出物の個数密度が低下して、鋼材の低温靭性が低下する。一方、第１焼戻し工程における焼戻し温度が高すぎれば、第１焼戻し工程の焼戻し実施中に、ε－Ｃｕが析出し、粗大化する。その結果、Ｃｕ析出物の個数密度が低下して、鋼材の低温靭性が低下する。
第１焼戻し工程では、焼入れされた中間鋼材を加熱して、５００～５４５℃の焼戻し温度、５～６０分の焼戻し時間で焼戻しを実施する。第１焼戻し工程における焼戻し温度が低すぎれば、第１焼戻し工程の焼戻し実施中に、ｂｃｃ－Ｃｕが十分に析出しない。この場合、後述する第２焼戻し工程後の鋼材において、Ｃｕ析出物の個数密度が低下して、鋼材の低温靭性が低下する。一方、第１焼戻し工程における焼戻し温度が高すぎれば、第１焼戻し工程の焼戻し実施中に、ε－Ｃｕが析出し、粗大化する。その結果、Ｃｕ析出物の個数密度が低下して、鋼材の低温靭性が低下する。
したがって、本実施形態による第１焼戻し工程では、焼戻し温度は５００～５４５℃である。第１焼戻し工程における焼戻し温度の好ましい上限は５４０℃である。第１焼戻し工程における焼戻し温度の好ましい下限は５１０℃である。
第１焼戻し工程における焼戻し時間が短すぎれば、第１焼戻し工程の焼戻し実施中に、ｂｃｃ－Ｃｕが十分に析出しない。この場合、後述する第２焼戻し工程後の鋼材において、Ｃｕ析出物の個数密度が低下して、鋼材の低温靭性が低下する。一方、第１焼戻し工程における焼戻し時間が長すぎても、上記効果が飽和する。したがって、本実施形態による第１焼戻し工程では、焼戻し時間は５～６０分とする。
［第２焼戻し工程］
第２焼戻し工程では、焼入れされた中間鋼材を加熱して、５５５～６５０℃の焼戻し温度、１０～９０分の焼戻し時間で焼戻しを実施する。第２焼戻し工程における焼戻し温度が低すぎれば、鋼材の降伏強度が高くなりすぎ、鋼材の低温靭性が低下する。一方、第２焼戻し工程における焼戻し温度が高すぎれば、鋼材の降伏強度が低くなりすぎ、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度が得られない。
第２焼戻し工程では、焼入れされた中間鋼材を加熱して、５５５～６５０℃の焼戻し温度、１０～９０分の焼戻し時間で焼戻しを実施する。第２焼戻し工程における焼戻し温度が低すぎれば、鋼材の降伏強度が高くなりすぎ、鋼材の低温靭性が低下する。一方、第２焼戻し工程における焼戻し温度が高すぎれば、鋼材の降伏強度が低くなりすぎ、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度が得られない。
したがって、本実施形態による第２焼戻し工程では、焼戻し温度は５５５～６５０℃である。第２焼戻し工程における焼戻し温度の好ましい上限は６３０℃である。第２焼戻し工程における焼戻し温度の好ましい下限は５６０℃である。
第２焼戻し工程における焼戻し時間が短すぎれば、焼戻しが不足して、鋼材の降伏強度が高くなりすぎ、鋼材の低温靭性が低下する。一方、第２焼戻し工程における焼戻し時間が長すぎても、上記効果が飽和する。したがって、本実施形態による第２焼戻し工程では、焼戻し時間は１０～９０分とする。
なお、上述の第１焼戻し工程と第２焼戻し工程とは、連続した熱処理として実施することができる。すなわち、第１焼戻し工程において、上述の焼戻しを実施した後、引き続いて、加熱することにより、第２焼戻し工程を実施してもよい。このとき、第１焼戻し工程と第２焼戻し工程とは、同一の熱処理炉内で実施してもよい。
一方、上述の第１焼戻し工程と第２焼戻し工程とは、非連続の熱処理として実施することもできる。すなわち、第１焼戻し工程において、上述の焼戻しを実施した後、一旦上述の焼戻し温度よりも低い温度まで冷却してから、再び加熱して、第２焼戻し工程を実施してもよい。この場合であっても、第１焼戻し工程及び第２焼戻し工程で得られる効果は損なわれず、本実施形態による鋼材を製造することができる。
以上の製造方法によって、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材を製造することができる。なお、上述の製造方法では、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した。すなわち、上述する製造方法以外の製造方法によっても、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は製造される場合がある。この場合であっても、上述の化学組成と、上述のミクロ組織と、上述のＣｕ析出物の個数密度とを有するマルテンサイト系ステンレス鋼材は、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度と、優れた低温靭性と、優れた耐食性とを有する。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材の製造方法は、上述の製造方法に限定されず、他の製造方法によって製造されてもよい。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、５０ｋｇの真空溶解炉を用いて溶製し、造塊法により鋼塊（インゴット）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、小数第三位を四捨五入して、０％であったことを意味する。たとえばさらに、試験番号１のＶ含有量、Ｔｉ含有量、Ｎｂ含有量、及び、ＲＥＭ含有量は、小数第四位を四捨五入して、０％であったことを意味する。たとえばさらに、試験番号１のＣａ含有量、Ｍｇ含有量、及び、Ｂ含有量は、小数第五位を四捨五入して、０％であったことを意味する。たとえばさらに、試験番号４４のＣｏ含有量は、小数第三位を四捨五入して、０％であったことを意味する。
各試験番号のインゴットを１２５０℃で３時間加熱して、熱間鍛造を実施して、ブロックを製造した。熱間鍛造後の各試験番号のブロックを、１２３０℃で１５分加熱して、熱間圧延を実施した。このようにして、１３ｍｍの厚さを有する中間鋼材（板材）を製造した。
各試験番号の中間鋼材に対して、焼入れを実施した。具体的には、各試験番号の中間鋼材を９００℃に保持された熱処理炉で加熱した後、水冷を実施して冷却した。なお、各試験番号の中間鋼材の、熱処理炉での在炉時間は、１５分であった。
焼入れされた各試験番号の中間鋼材に対して、焼戻しを実施して、各試験番号の鋼材（板材）を製造した。具体的には、各試験番号の中間鋼材に対して、第１焼戻し工程と、第２焼戻し工程とを、連続的に実施した。各試験番号において、第１焼戻し工程における焼戻し温度（焼戻し炉の温度）を「Ｔ１（℃）」、第１焼戻し工程における焼戻し時間（在炉時間）を「ｔ１（分）」、第２焼戻し工程における焼戻し温度（焼戻し炉の温度）を「Ｔ２（℃）」、第２焼戻し工程における焼戻し時間（在炉時間）を「ｔ２（分）」として、それぞれ表２に示す。
［評価試験］
以上の製造方法によって製造された、各試験番号の鋼材（板材）に対して、ミクロ組織体積率測定試験、Ｃｕ析出物個数密度測定試験、引張試験、シャルピー衝撃試験、及び、耐食性試験を実施した。
以上の製造方法によって製造された、各試験番号の鋼材（板材）に対して、ミクロ組織体積率測定試験、Ｃｕ析出物個数密度測定試験、引張試験、シャルピー衝撃試験、及び、耐食性試験を実施した。
［ミクロ組織体積率測定試験］
各試験番号の鋼材に対して、ミクロ組織体積率測定試験を実施して、残留オーステナイト及びフェライトの体積率を求めた。具体的に、各試験番号の鋼材について、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。得られた各試験番号の残留オーステナイトの体積率（％）を「残留γ（％）」として、表２に示す。さらに、各試験番号の鋼材について、上述のＪＩＳ Ｇ ０５５５（２００３）に準拠した点算法により、フェライトの体積率（％）を求めた。得られた各試験番号のフェライトの体積率（％）を「フェライト（％）」として、表２に示す。
各試験番号の鋼材に対して、ミクロ組織体積率測定試験を実施して、残留オーステナイト及びフェライトの体積率を求めた。具体的に、各試験番号の鋼材について、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。得られた各試験番号の残留オーステナイトの体積率（％）を「残留γ（％）」として、表２に示す。さらに、各試験番号の鋼材について、上述のＪＩＳ Ｇ ０５５５（２００３）に準拠した点算法により、フェライトの体積率（％）を求めた。得られた各試験番号のフェライトの体積率（％）を「フェライト（％）」として、表２に示す。
［Ｃｕ析出物個数密度測定試験］
各試験番号の鋼材に対して、Ｃｕ析出物個数密度測定試験を実施して、Ｃｕ析出物の個数密度を求めた。具体的には、まず、各試験番号の鋼材の板厚中央部から、圧延方向５ｍｍ、板幅方向５ｍｍの観察面を有する試験片を作製した。作製された試験片を用いて、上述の方法でＣｕ析出物の個数密度を求めた。得られた各試験番号のＣｕ析出物の個数密度（個／ｍ3）を「Ｃｕ析出物個数密度（×１０21個／ｍ3）」として、表２に示す。
各試験番号の鋼材に対して、Ｃｕ析出物個数密度測定試験を実施して、Ｃｕ析出物の個数密度を求めた。具体的には、まず、各試験番号の鋼材の板厚中央部から、圧延方向５ｍｍ、板幅方向５ｍｍの観察面を有する試験片を作製した。作製された試験片を用いて、上述の方法でＣｕ析出物の個数密度を求めた。得られた各試験番号のＣｕ析出物の個数密度（個／ｍ3）を「Ｃｕ析出物個数密度（×１０21個／ｍ3）」として、表２に示す。
［引張試験］
各試験番号の鋼材に対して、ＡＳＴＭ Ｅ８／Ｅ８Ｍ（２０１３）に準拠した上述の方法で引張試験を実施して、降伏強度（ＭＰａ）を求めた。具体的には、まず、各試験番号の鋼材の板厚中央部から、引張試験用の丸棒試験片を作製した。なお、丸棒試験片の軸方向は、鋼材の圧延方向と平行であった。作製された各試験番号の丸棒試験片に対して、ＡＳＴＭ Ｅ８／Ｅ８Ｍ（２０１３）に準拠して、引張試験を実施した。引張試験で得られた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「ＹＳ（ＭＰａ）」として、表２に示す。
各試験番号の鋼材に対して、ＡＳＴＭ Ｅ８／Ｅ８Ｍ（２０１３）に準拠した上述の方法で引張試験を実施して、降伏強度（ＭＰａ）を求めた。具体的には、まず、各試験番号の鋼材の板厚中央部から、引張試験用の丸棒試験片を作製した。なお、丸棒試験片の軸方向は、鋼材の圧延方向と平行であった。作製された各試験番号の丸棒試験片に対して、ＡＳＴＭ Ｅ８／Ｅ８Ｍ（２０１３）に準拠して、引張試験を実施した。引張試験で得られた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「ＹＳ（ＭＰａ）」として、表２に示す。
［シャルピー衝撃試験］
各試験番号の鋼材に対して、ＡＳＴＭ Ｅ２３（２０１８）に準拠したシャルピー衝撃試験を実施して、低温靭性を評価した。具体的には、まず、各試験番号の鋼材の板厚中央部から、ＡＰＩ ５ＣＲＡ（２０１０）に準拠して、シャルピー衝撃試験用のＶノッチ試験片を作製した。作製された各試験番号の３本の試験片を－５０℃に冷却し、ＡＳＴＭ Ｅ２３（２０１６）に準拠したシャルピー衝撃試験を実施して、吸収エネルギー（Ｊ）を求めた。求めた吸収エネルギーの算術平均値を、吸収エネルギー（Ｊ）と定義した。得られた各試験番号の吸収エネルギー（Ｊ）を「Ｅ（－５０℃）（Ｊ）」として、表２に示す。
各試験番号の鋼材に対して、ＡＳＴＭ Ｅ２３（２０１８）に準拠したシャルピー衝撃試験を実施して、低温靭性を評価した。具体的には、まず、各試験番号の鋼材の板厚中央部から、ＡＰＩ ５ＣＲＡ（２０１０）に準拠して、シャルピー衝撃試験用のＶノッチ試験片を作製した。作製された各試験番号の３本の試験片を－５０℃に冷却し、ＡＳＴＭ Ｅ２３（２０１６）に準拠したシャルピー衝撃試験を実施して、吸収エネルギー（Ｊ）を求めた。求めた吸収エネルギーの算術平均値を、吸収エネルギー（Ｊ）と定義した。得られた各試験番号の吸収エネルギー（Ｊ）を「Ｅ（－５０℃）（Ｊ）」として、表２に示す。
［耐食性試験］
各試験番号の鋼材のうち、１２５ｋｓｉ以上（８６２ＭＰａ以上）の降伏強度を有する鋼材に対して、ＮＡＣＥ ＴＭ０１７７－２０１６ Ｍｅｔｈｏｄ Ａに準拠した方法で、耐食性を評価した。具体的には、該当する試験番号の鋼材の板厚中央部から、丸棒試験片を３本作製した。丸棒試験片は、いずれも径６．３５ｍｍ、平行部の長さ２５．４ｍｍであり、丸棒試験片の軸方向は、鋼材の圧延方向と平行であった。
各試験番号の鋼材のうち、１２５ｋｓｉ以上（８６２ＭＰａ以上）の降伏強度を有する鋼材に対して、ＮＡＣＥ ＴＭ０１７７－２０１６ Ｍｅｔｈｏｄ Ａに準拠した方法で、耐食性を評価した。具体的には、該当する試験番号の鋼材の板厚中央部から、丸棒試験片を３本作製した。丸棒試験片は、いずれも径６．３５ｍｍ、平行部の長さ２５．４ｍｍであり、丸棒試験片の軸方向は、鋼材の圧延方向と平行であった。
試験溶液は、酢酸を添加してｐＨを４．０に調整した、２０質量％の塩化ナトリウムと０．４１ｇ／Ｌの酢酸ナトリウムとの混合水溶液とした。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した。３つの試験容器に２４℃の試験溶液を注入し、試験浴とした。応力が負荷された３本の丸棒試験片を、１本ずつ異なる試験容器の試験浴に浸漬した。試験浴を脱気した後、０．１ａｔｍのＨ2Ｓガスと０．９ａｔｍのＣＯ2ガスとの混合ガスを試験浴に吹き込み、試験浴に混合ガスを飽和させた。混合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を、肉眼、倍率１０倍のルーペ、及び、倍率１００倍の光学顕微鏡によって観察した。観察の結果、全ての丸棒試験片に割れが確認されなかったものを、「Ｅ」（Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ）と評価した。一方、少なくとも１本の丸棒試験片に割れが確認されたものを、「ＮＡ」（Ｎｏｔ Ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ）と評価した。なお、降伏強度が１２５ｋｓｉ（８６２ＭＰａ）に満たなかったものについては、「－」（評価なし）とした。得られた各試験番号の耐食性の評価結果を表２に示す。
［評価結果］
表１及び表２を参照して、試験番号１～３４の鋼材の化学組成は適切であり、製造方法も上述の好ましい製造方法の条件を満たしていた。その結果、ミクロ組織において、残留オーステナイトが０～１５体積％であり、フェライトが０～１０体積％であった。さらに、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3であった。さらに、降伏強度が８６２ＭＰａ以上であった。すなわち、試験番号１～３４の鋼材は、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度を有していた。さらに、吸収エネルギーが１００Ｊ以上となり、極低温環境においても、優れた低温靭性を有していた。さらに、耐食性試験の評価が「Ｅ」となり、優れた耐食性を有していた。
表１及び表２を参照して、試験番号１～３４の鋼材の化学組成は適切であり、製造方法も上述の好ましい製造方法の条件を満たしていた。その結果、ミクロ組織において、残留オーステナイトが０～１５体積％であり、フェライトが０～１０体積％であった。さらに、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3であった。さらに、降伏強度が８６２ＭＰａ以上であった。すなわち、試験番号１～３４の鋼材は、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度を有していた。さらに、吸収エネルギーが１００Ｊ以上となり、極低温環境においても、優れた低温靭性を有していた。さらに、耐食性試験の評価が「Ｅ」となり、優れた耐食性を有していた。
一方、試験番号３５の鋼材は、Ｃ含有量が高すぎた。その結果、耐食性の評価が「ＮＡ」となった。すなわち、試験番号３５の鋼材は、優れた耐食性を有していなかった。
試験番号３６の鋼材は、Ｃｒ含有量が低すぎた。その結果、耐食性の評価が「ＮＡ」となった。すなわち、試験番号３６の鋼材は、優れた耐食性を有していなかった。
試験番号３７の鋼材は、Ｃｒ含有量が高すぎた。その結果、ミクロ組織におけるフェライトの体積率が高すぎた。その結果、吸収エネルギーが１００Ｊ未満となった。すなわち、試験番号３７の鋼材は、優れた低温靭性を有していなかった。
試験番号３８の鋼材は、Ｎｉ含有量が低すぎた。その結果、ミクロ組織におけるフェライトの体積率が高すぎた。その結果、吸収エネルギーが１００Ｊ未満となった。さらに、耐食性の評価が「ＮＡ」となった。すなわち、試験番号３８の鋼材は、優れた低温靭性と、優れた耐食性とのいずれも有していなかった。
試験番号３９の鋼材は、Ｎｉ含有量が高すぎた。その結果、ミクロ組織における残留オーステナイトの体積率が高すぎた。その結果、降伏強度が８６２ＭＰａ未満となった。すなわち、試験番号３９の鋼材は、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度を有していなかった。
試験番号４０の鋼材は、Ｍｏ含有量が低すぎた。その結果、耐食性の評価が「ＮＡ」となった。すなわち、試験番号４０の鋼材は、優れた耐食性を有していなかった。
試験番号４１の鋼材は、Ｍｏ含有量が高すぎた。その結果、ミクロ組織におけるフェライトの体積率が高すぎた。その結果、吸収エネルギーが１００Ｊ未満となった。すなわち、試験番号４１の鋼材は、優れた低温靭性を有していなかった。
試験番号４２の鋼材は、Ｃｕ含有量が低すぎた。その結果、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21個／ｍ3未満となった。その結果、降伏強度が８６２ＭＰａ未満となった。すなわち、試験番号４２の鋼材は、１２５ｋｓｉ以上の降伏強度を有していなかった。
試験番号４３の鋼材は、Ｃｕ含有量が高すぎた。その結果、Ｃｕ析出物の個数密度が５０．０×１０21個／ｍ3を超えた。その結果、吸収エネルギーが１００Ｊ未満となった。さらに、耐食性の評価が「ＮＡ」となった。すなわち、試験番号４３の鋼材は、優れた低温靭性と、優れた耐食性とのいずれも有していなかった。
試験番号４４の鋼材は、Ｃｏ含有量が低すぎた。その結果、耐食性の評価が「ＮＡ」となった。すなわち、試験番号４４の鋼材は、優れた耐食性を有していなかった。
試験番号４５及び４６の鋼材は、製造工程において、第１焼戻し工程における焼戻し温度Ｔ１が高すぎた。さらに、第２焼戻し工程を実施しなかった。その結果、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21個／ｍ3未満となった。その結果、吸収エネルギーが１００Ｊ未満となった。すなわち、試験番号４５及び４６の鋼材は、優れた低温靭性を有していなかった。
試験番号４７の鋼材は、製造工程において、第１焼戻し工程における焼戻し温度Ｔ１が高すぎた。その結果、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21個／ｍ3未満となった。その結果、吸収エネルギーが１００Ｊ未満となった。すなわち、試験番号４７の鋼材は、優れた低温靭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 (4)
- 質量％で、
Ｃ：０超～０．０１５％、
Ｓｉ：０超～１．００％、
Ｍｎ：０．０５～２．００％、
Ｐ：０超～０．０５０％、
Ｓ：０超～０．００５０％、
Ｃｒ：１１．５０～１４．００％、
Ｎｉ：５．００～７．５０％、
Ｍｏ：１．１０～３．５０％、
Ｃｕ：０．５０～３．２０％、
Ｃｏ：０．０１～０．３０％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｎ：０．００１～０．１００％、
Ｏ：０超～０．０１０％、
Ｗ：０～２．００％、
Ｖ：０～０．３００％、
Ｔｉ：０～０．３００％、
Ｎｂ：０～０．３００％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
希土類元素：０～０．１００％、
Ｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
ミクロ組織が、体積％で、０～１５％の残留オーステナイト、０～１０％のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなり、
降伏強度が、８６２ＭＰａ以上であり、
鋼材中において、Ｃｕ析出物の個数密度が３．０×１０21～５０．０×１０21個／ｍ3である、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。 - 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：０．０１～２．００％、
Ｖ：０．００１～０．３００％、
Ｔｉ：０．００１～０．３００％、
Ｎｂ：０．００１～０．３００％、
Ｃａ：０．００１０～０．０１００％、
Ｍｇ：０．００１０～０．０１００％、
希土類元素：０．００１～０．１００％、及び、
Ｂ：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。 - 請求項１又は２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法であって、
質量％で、
Ｃ：０超～０．０１５％、
Ｓｉ：０超～１．００％、
Ｍｎ：０．０５～２．００％、
Ｐ：０超～０．０５０％、
Ｓ：０超～０．００５０％、
Ｃｒ：１１．５０～１４．００％、
Ｎｉ：５．００～７．５０％、
Ｍｏ：１．１０～３．５０％、
Ｃｕ：０．５０～３．２０％、
Ｃｏ：０．０１～０．３０％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｎ：０．００１～０．１００％、
Ｏ：０超～０．０１０％、
Ｗ：０～２．００％、
Ｖ：０～０．３００％、
Ｔｉ：０～０．３００％、
Ｎｂ：０～０．３００％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
希土類元素：０～０．１００％、
Ｂ：０～０．０１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物からなる中間鋼材を準備する準備工程と、
前記準備工程後、８００～１０００℃の前記中間鋼材を焼入れする焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後の前記中間鋼材を、５００～５４５℃の焼戻し温度、５～６０分の焼戻し時間で焼戻しする第１焼戻し工程と、
前記第１焼戻し工程後の前記中間鋼材を、５５５～６５０℃の焼戻し温度、１０～９０分の焼戻し時間で焼戻しする第２焼戻し工程とを備える、
マルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法。 - 請求項３に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法であって、
前記中間鋼材は、
Ｗ：０．０１～２．００％、
Ｖ：０．００１～０．３００％、
Ｔｉ：０．００１～０．３００％、
Ｎｂ：０．００１～０．３００％、
Ｃａ：０．００１０～０．０１００％、
Ｍｇ：０．００１０～０．０１００％、
希土類元素：０．００１～０．１００％、及び、
Ｂ：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の製造方法。
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