JP7469714B2 - 鋼材 - Google Patents
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Description
本発明は、鋼材に関する。
鋼中に固溶したリン（Ｐ）（以下、「固溶Ｐ」ともいう）は、鋼中の特定の箇所、例えば、デンドライト樹間、結晶粒界に濃化して、鋼材の靭性、延性、耐食性及び溶接性などの特性を低下させる場合があることが知られている。鋼材のこれらの特性を向上させるためには、鋼中の固溶Ｐ量を低減することが重要であるが、Ｐ含有量を極端に低減させるには製造コストの上昇が避けられない。そのため、従来技術において鋼中のＰを無害化する方法が提案されている（例えば、特許文献１～特許文献４参照）。
特許文献１では、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏを含有する高強度パーライト系レールが記載されている。また、特許文献１では、靭性を低下させる元素であるＰを、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏのリン化物として固定し、固溶Ｐ濃度を０．０１８％以下とすることにより、靭性が向上することが教示されている。
特許文献２では、希土類元素（ＲＥＭ）を含有する大入熱溶接用調質高張力鋼が記載されている。また、特許文献２では、Ｂ含有量を０．００１０重量％までにして、ＲＥＭ含有量を０．００２重量％以上とすることにより、Ｐを極端に低下させなくても応力除去焼なましによる母材靭性の劣化を実用上問題のない程度にすることが可能であり、かつ大入熱溶接特性も優れることが教示されている。
特許文献３では、Ｐ含有量に応じてＮｄを含有することによって、Ｐのミクロ偏析が分散された鋼が記載されている。特許文献３では、デンドライト樹間において濃化するＰと添加したＮｄとを化合させ、Ｐを鋼中に微細に分散させて無害化することが記載されている。
特許文献４では、Ｐ含有量に応じてＣｅを含有する高強度ボルトが記載されている。また、特許文献４では、ＰとＣｅを結合させてリン化物を生成させて粒界脆化を抑制し、固溶Ｐ量を低減させて、ボルトの耐水素脆化特性を向上させることが教示されている。
特許文献１では、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＭｏの含有量を所定範囲内に規定してそれらのリン化物を生成することで固溶Ｐ量を低減することが教示されているが、リン化物の生成に影響を及ぼし得る他の因子については必ずしも十分な検討はなされていない。特許文献２では、ＲＥＭとして使用し得る具体的な元素については何ら教示も示唆もされておらず、また鋼中の固溶Ｐ量を低減するという観点からも十分な検討はなされていない。特許文献３では、ＲＥＭのうち実用鋼に添加可能なものはＬａ、Ｃｅ及びＮｄに限られ、Ｐを無害化するために最も有効なＲＥＭとしてＮｄを選択した旨が記載されている。したがって、特許文献３では、Ｌａ、Ｃｅ及びＮｄ以外の元素については必ずしも十分な検討はなされておらず、それゆえ特許文献３に記載の発明においては、鋼中における固溶Ｐ量の低減に関して依然として改善の余地があった。この点はＣｅ以外の元素について十分な検討がされていない特許文献４に記載の発明も同様である。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、新規な構成により、鋼中の固溶Ｐ量を低減可能な又は鋼中の固溶Ｐ量が低減された鋼材を提供することにある。
本発明者らは、上記目的を達成するために、鋼中の固溶Ｐ量を低減させることのできる元素について検討を行った。その結果、本発明者らは、特定元素の量を一定量以上確保するとともに、当該特定元素の量と鋼中のＰ含有量との関係を所定の範囲内とすることにより、鋼中の固溶Ｐ量を低減させることができることを見出し、本発明を完成させた。
上記目的を達成し得た鋼材は、以下のとおりである。
（１）質量％で、
Ｃ：０．００１～１．０００％、
Ｓｉ：０．０１～３．００％、
Ｍｎ：０．１０～４．５０％、
Ｐ：０．３００％以下、
Ｓ：０．０３００％以下、
Ａｌ：０．００１～５．０００％、
Ｎ：０．２０００％以下、
Ｏ：０．０１００％以下、
Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｓｍ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％からなる群より選択される少なくとも１種のＸ元素、
Ｎｂ：０～３．０００％、
Ｔｉ：０～０．５００％、
Ｔａ：０～０．５００％、
Ｖ：０～１．００％、
Ｃｕ：０～３．００％、
Ｎｉ：０～６０．００％、
Ｃｒ：０～３０．００％、
Ｍｏ：０～５．００％、
Ｗ：０～２．００％、
Ｂ：０～０．０２００％、
Ｃｏ：０～３．００％、
Ｂｅ：０～０．０５０％、
Ａｇ：０～０．５００％、
Ｚｒ：０～０．５０００％、
Ｈｆ：０～０．５０００％、
Ｃａ：０～０．０５００％、
Ｍｇ：０～０．０５００％、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０～０．５０００％、
Ｓｎ：０～０．３００％、
Ｓｂ：０～０．３００％、
Ｔｅ：０～０．１００％、
Ｓｅ：０～０．１００％、
Ａｓ：０～０．０５０％、
Ｂｉ：０～０．５００％、
Ｐｂ：０～０．５００％、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
下記式１及び式２を満たす化学組成を有する、鋼材。
０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ≧ ０．０００３ ・・・式１
１．８０×［Ｐ］－（０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］） ＜ ０．０１０ ・・・式２
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、［Ｓ］、及び［Ｐ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
（２）前記化学組成が、質量％で、
Ｎｂ：０．００３～３．０００％、
Ｔｉ：０．００５～０．５００％、
Ｔａ：０．００１～０．５００％、
Ｖ：０．００１～１．００％、
Ｃｕ：０．００１～３．００％、
Ｎｉ：０．００１～６０．００％、
Ｃｒ：０．００１～３０．００％、
Ｍｏ：０．００１～５．００％、
Ｗ：０．００１～２．００％、
Ｂ：０．０００１～０．０２００％、
Ｃｏ：０．００１～３．００％、
Ｂｅ：０．０００３～０．０５０％、
Ａｇ：０．００１～０．５００％、
Ｚｒ：０．０００１～０．５０００％、
Ｈｆ：０．０００１～０．５０００％、
Ｃａ：０．０００１～０．０５００％、
Ｍｇ：０．０００１～０．０５００％、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０．０００１～０．５０００％、
Ｓｎ：０．００１～０．３００％、
Ｓｂ：０．００１～０．３００％、
Ｔｅ：０．００１～０．１００％、
Ｓｅ：０．００１～０．１００％、
Ａｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｂｉ：０．００１～０．５００％、並びに
Ｐｂ：０．００１～０．５００％
のうち１種又は２種以上を含む、上記（１）に記載の鋼材。
（１）質量％で、
Ｃ：０．００１～１．０００％、
Ｓｉ：０．０１～３．００％、
Ｍｎ：０．１０～４．５０％、
Ｐ：０．３００％以下、
Ｓ：０．０３００％以下、
Ａｌ：０．００１～５．０００％、
Ｎ：０．２０００％以下、
Ｏ：０．０１００％以下、
Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｓｍ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％からなる群より選択される少なくとも１種のＸ元素、
Ｎｂ：０～３．０００％、
Ｔｉ：０～０．５００％、
Ｔａ：０～０．５００％、
Ｖ：０～１．００％、
Ｃｕ：０～３．００％、
Ｎｉ：０～６０．００％、
Ｃｒ：０～３０．００％、
Ｍｏ：０～５．００％、
Ｗ：０～２．００％、
Ｂ：０～０．０２００％、
Ｃｏ：０～３．００％、
Ｂｅ：０～０．０５０％、
Ａｇ：０～０．５００％、
Ｚｒ：０～０．５０００％、
Ｈｆ：０～０．５０００％、
Ｃａ：０～０．０５００％、
Ｍｇ：０～０．０５００％、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０～０．５０００％、
Ｓｎ：０～０．３００％、
Ｓｂ：０～０．３００％、
Ｔｅ：０～０．１００％、
Ｓｅ：０～０．１００％、
Ａｓ：０～０．０５０％、
Ｂｉ：０～０．５００％、
Ｐｂ：０～０．５００％、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
下記式１及び式２を満たす化学組成を有する、鋼材。
０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ≧ ０．０００３ ・・・式１
１．８０×［Ｐ］－（０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］） ＜ ０．０１０ ・・・式２
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、［Ｓ］、及び［Ｐ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
（２）前記化学組成が、質量％で、
Ｎｂ：０．００３～３．０００％、
Ｔｉ：０．００５～０．５００％、
Ｔａ：０．００１～０．５００％、
Ｖ：０．００１～１．００％、
Ｃｕ：０．００１～３．００％、
Ｎｉ：０．００１～６０．００％、
Ｃｒ：０．００１～３０．００％、
Ｍｏ：０．００１～５．００％、
Ｗ：０．００１～２．００％、
Ｂ：０．０００１～０．０２００％、
Ｃｏ：０．００１～３．００％、
Ｂｅ：０．０００３～０．０５０％、
Ａｇ：０．００１～０．５００％、
Ｚｒ：０．０００１～０．５０００％、
Ｈｆ：０．０００１～０．５０００％、
Ｃａ：０．０００１～０．０５００％、
Ｍｇ：０．０００１～０．０５００％、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０．０００１～０．５０００％、
Ｓｎ：０．００１～０．３００％、
Ｓｂ：０．００１～０．３００％、
Ｔｅ：０．００１～０．１００％、
Ｓｅ：０．００１～０．１００％、
Ａｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｂｉ：０．００１～０．５００％、並びに
Ｐｂ：０．００１～０．５００％
のうち１種又は２種以上を含む、上記（１）に記載の鋼材。
本発明によれば、鋼中の固溶Ｐ量を低減可能な又は鋼中の固溶Ｐ量が低減された鋼材を提供することができる。
＜鋼材＞
本発明の実施形態に係る鋼材は、質量％で、
Ｃ：０．００１～１．０００％、
Ｓｉ：０．０１～３．００％、
Ｍｎ：０．１０～４．５０％、
Ｐ：０．３００％以下、
Ｓ：０．０３００％以下、
Ａｌ：０．００１～５．０００％、
Ｎ：０．２０００％以下、
Ｏ：０．０１００％以下、
Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｓｍ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％からなる群より選択される少なくとも１種のＸ元素、
Ｎｂ：０～３．０００％、
Ｔｉ：０～０．５００％、
Ｔａ：０～０．５００％、
Ｖ：０～１．００％、
Ｃｕ：０～３．００％、
Ｎｉ：０～６０．００％、
Ｃｒ：０～３０．００％、
Ｍｏ：０～５．００％、
Ｗ：０～２．００％、
Ｂ：０～０．０２００％、
Ｃｏ：０～３．００％、
Ｂｅ：０～０．０５０％、
Ａｇ：０～０．５００％、
Ｚｒ：０～０．５０００％、
Ｈｆ：０～０．５０００％、
Ｃａ：０～０．０５００％、
Ｍｇ：０～０．０５００％、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０～０．５０００％、
Ｓｎ：０～０．３００％、
Ｓｂ：０～０．３００％、
Ｔｅ：０～０．１００％、
Ｓｅ：０～０．１００％、
Ａｓ：０～０．０５０％、
Ｂｉ：０～０．５００％、
Ｐｂ：０～０．５００％、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
下記式１及び式２を満たす化学組成を有することを特徴としている。
０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ≧ ０．０００３ ・・・式１
１．８０×［Ｐ］－（０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］） ＜ ０．０１０ ・・・式２
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、［Ｓ］、及び［Ｐ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
本発明の実施形態に係る鋼材は、質量％で、
Ｃ：０．００１～１．０００％、
Ｓｉ：０．０１～３．００％、
Ｍｎ：０．１０～４．５０％、
Ｐ：０．３００％以下、
Ｓ：０．０３００％以下、
Ａｌ：０．００１～５．０００％、
Ｎ：０．２０００％以下、
Ｏ：０．０１００％以下、
Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｓｍ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％からなる群より選択される少なくとも１種のＸ元素、
Ｎｂ：０～３．０００％、
Ｔｉ：０～０．５００％、
Ｔａ：０～０．５００％、
Ｖ：０～１．００％、
Ｃｕ：０～３．００％、
Ｎｉ：０～６０．００％、
Ｃｒ：０～３０．００％、
Ｍｏ：０～５．００％、
Ｗ：０～２．００％、
Ｂ：０～０．０２００％、
Ｃｏ：０～３．００％、
Ｂｅ：０～０．０５０％、
Ａｇ：０～０．５００％、
Ｚｒ：０～０．５０００％、
Ｈｆ：０～０．５０００％、
Ｃａ：０～０．０５００％、
Ｍｇ：０～０．０５００％、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０～０．５０００％、
Ｓｎ：０～０．３００％、
Ｓｂ：０～０．３００％、
Ｔｅ：０～０．１００％、
Ｓｅ：０～０．１００％、
Ａｓ：０～０．０５０％、
Ｂｉ：０～０．５００％、
Ｐｂ：０～０．５００％、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
下記式１及び式２を満たす化学組成を有することを特徴としている。
０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ≧ ０．０００３ ・・・式１
１．８０×［Ｐ］－（０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］） ＜ ０．０１０ ・・・式２
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、［Ｓ］、及び［Ｐ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
鋼材の靭性、延性、耐食性及び溶接性などの特性を向上させるためには、先に述べたとおり、鋼中の固溶Ｐ量を低減することが一般に重要である。例えば、高強度化のためにマルテンサイト及びベイナイトなどの組織を利用した鋼材においては、低温靭性を確保するため、焼入れ後に所定の温度で焼き戻し処理が典型的に行われる。鋼中の固溶Ｐが比較的多いと、このような焼き戻し処理の際に当該固溶Ｐが旧オーステナイト粒界に偏析して、いわゆる焼き戻し脆化を引き起こし、その結果として鋼材の靭性を低下させることがある。これに関連して、鋼中のＰ自体の含有量を低減すれば、それに応じて固溶Ｐ量を低減することができるため、当該固溶Ｐに起因する焼き戻し脆化等の発生を抑制することが可能である。しかしながら、Ｐ含有量を過度に低減することは、精錬に時間を要し、生産性の低下や製造コストの大幅な上昇を招くという問題がある。
そこで、本発明者らは、鋼中の固溶Ｐと反応してその量を低減させることのできる元素について検討を行った。その結果、本発明者らは、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、及びＳｃの元素（以下、「Ｘ元素」ともいう）の量をそれらの元素が鋼中で形成する介在物、より具体的にはこれらの元素の酸化物、窒化物及び硫化物との関係を考慮しつつ一定量以上確保し（すなわち、式１の左辺に対応する当該Ｘ元素の有効量を０．０００３％以上とし）、さらに当該特定元素の有効量と鋼中のＰ含有量との関係を所定の範囲内とすることにより（すなわち、式２の左辺に対応する量を０．０１０％未満とすることにより）、Ｐの少なくとも一部をリン化物として固定することができ、このようなリン化物の生成に起因して鋼中の固溶Ｐ量を低減することができることを見出した。
上記のＸ元素は、鋼中に存在するＯ（酸素）、Ｎ（窒素）及びＳ（硫黄）と結びついて、酸化物、窒化物及び硫化物からなる介在物を形成しやすいという性質を有する。Ｘ元素が鋼中でこのような介在物を形成してしまうと、固溶Ｐとの反応に寄与することができるＸ元素の量が少なくなり、固溶Ｐ量を十分に低減することができなくなる。本発明においては、このような介在物を考慮したＸ元素の量を、後で詳しく説明する上記式１によって当該Ｘ元素の有効量として算出し、そして当該有効量を一定量以上、すなわち０．０００３％以上確保することで、当該Ｘ元素を固溶Ｐと反応させてリン化物を形成することができる。リン化物を形成することで、固溶Ｐの少なくとも一部を固定することができ、固溶Ｐの粒界などへの偏析を顕著に抑制することが可能となる。本発明者らの検討の結果、Ｘ元素の有効量と鋼中のＰ含有量を同様に後で詳しく説明する上記式２の関係を満たすようにすることで、より高い固溶Ｐの低減効果を達成できることが見出された。したがって、本発明によれば、Ｐ含有量を過度に低減することなしに鋼中の固溶Ｐ量を十分に低減可能な又は鋼中の固溶Ｐ量が十分に低減された鋼材を得ることができるため、当該固溶Ｐに関連する鋼材の特性、例えば、靭性、延性、耐食性、溶接性などの特性を顕著に改善することが可能となる。より具体的には、鋼中の固溶Ｐ量を低減することで、例えば焼き戻し処理等の際に固溶Ｐが旧オーステナイト粒界などの特定の箇所に偏析することを抑制することができる。その結果として、本発明によれば、焼き戻し脆化等の発生を抑制することができ、それゆえ鋼材の靭性等の特性を顕著に向上させることが可能となる。
本発明におけるＸ元素は、上記のとおりＯ、Ｎ及びＳと結びついて介在物を形成しやすく、それゆえ鋼中で所定の有効量を確保することは一般に困難である。このような事情から、上記Ｘ元素による固溶Ｐの低減効果は従来知られていなかった。しかしながら、近年の精錬技術の進歩により、一般に不純物として鋼中に存在するＯ、Ｎ及びＳなどの元素の含有量を非常に低いレベルにまで低減することが可能となったこともあり、今回、上記Ｘ元素の所定範囲内における有効量を実現することができた。したがって、上記Ｘ元素に関する固溶Ｐの低減効果は、今回、本発明者らによって初めて明らかにされたことであり、極めて意外であり、また驚くべきことである。
以下、本発明の実施形態に係る鋼材についてより詳しく説明する。以下の説明において、各元素の含有量の単位である「％」は、特に断りがない限り「質量％」を意味するものである。また、本明細書において、数値範囲を示す「～」とは、特に断りがない場合、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
［Ｃ：０．００１～１．０００％］
炭素（Ｃ）は、硬さの安定化及び／又は強度の確保に必要な元素である。これらの効果を十分に得るために、Ｃ含有量は０．００１％以上である。Ｃ含有量は０．００５％以上、０．０１０％以上又は０．０２０％以上であってもよい。一方で、Ｃを過度に含有すると、靭性、曲げ性及び／又は溶接性が低下する場合がある。したがって、Ｃ含有量は１．０００％以下である。Ｃ含有量は０．８００％以下、０．６００％以下又は０．５００％以下であってもよい。
炭素（Ｃ）は、硬さの安定化及び／又は強度の確保に必要な元素である。これらの効果を十分に得るために、Ｃ含有量は０．００１％以上である。Ｃ含有量は０．００５％以上、０．０１０％以上又は０．０２０％以上であってもよい。一方で、Ｃを過度に含有すると、靭性、曲げ性及び／又は溶接性が低下する場合がある。したがって、Ｃ含有量は１．０００％以下である。Ｃ含有量は０．８００％以下、０．６００％以下又は０．５００％以下であってもよい。
［Ｓｉ：０．０１～３．００％］
ケイ素（Ｓｉ）は脱酸元素であり、強度の向上にも寄与する元素である。これらの効果を十分に得るために、Ｓｉ含有量は０．０１％以上である。Ｓｉ含有量は０．０５％以上、０．１０％以上又は０．３０％以上であってもよい。一方で、Ｓｉを過度に含有すると、靭性が低下したり、スケール疵と呼ばれる表面品質不良を発生したりする場合がある。したがって、Ｓｉ含有量は３．００％以下である。Ｓｉ含有量は２．００％以下、１．００％以下又は０．６０％以下であってもよい。
ケイ素（Ｓｉ）は脱酸元素であり、強度の向上にも寄与する元素である。これらの効果を十分に得るために、Ｓｉ含有量は０．０１％以上である。Ｓｉ含有量は０．０５％以上、０．１０％以上又は０．３０％以上であってもよい。一方で、Ｓｉを過度に含有すると、靭性が低下したり、スケール疵と呼ばれる表面品質不良を発生したりする場合がある。したがって、Ｓｉ含有量は３．００％以下である。Ｓｉ含有量は２．００％以下、１．００％以下又は０．６０％以下であってもよい。
［Ｍｎ：０．１０～４．５０％］
マンガン（Ｍｎ）は、焼入れ性及び／又は強度の向上に有効な元素であり、有効なオーステナイト安定化元素でもある。これらの効果を十分に得るために、Ｍｎ含有量は０．１０％以上である。Ｍｎ含有量は０．５０％以上、０．７０％以上又は１．００％以上であってもよい。一方で、Ｍｎを過度に含有すると、靭性に有害なＭｎＳが生成したり、耐酸化性を低下させたりする場合がある。したがって、Ｍｎ含有量は４．５０％以下である。Ｍｎ含有量は４．００％以下、３．５０％以下又は３．００％以下であってもよい。
マンガン（Ｍｎ）は、焼入れ性及び／又は強度の向上に有効な元素であり、有効なオーステナイト安定化元素でもある。これらの効果を十分に得るために、Ｍｎ含有量は０．１０％以上である。Ｍｎ含有量は０．５０％以上、０．７０％以上又は１．００％以上であってもよい。一方で、Ｍｎを過度に含有すると、靭性に有害なＭｎＳが生成したり、耐酸化性を低下させたりする場合がある。したがって、Ｍｎ含有量は４．５０％以下である。Ｍｎ含有量は４．００％以下、３．５０％以下又は３．００％以下であってもよい。
［Ｐ：０．３００％以下］
リン（Ｐ）は製造工程で混入する元素である。鋼中の固溶Ｐ量を低減するという観点からはＰは少ないほど好ましく、よってＰ含有量は０％であってもよい。しかしながら、Ｐ含有量を０．０００１％未満に低減するためには精錬に時間を要し、生産性の低下を招く。したがって、Ｐ含有量は０．０００１％以上、０．０００５％以上、０．００１％以上、０．００３％以上、又は、０．００５％以上であってもよい。Ｐ含有量は、製造コストの観点から、０．００７％以上であってもよい。一方で、Ｐを過度に含有すると、鋼中の固溶Ｐ量が増加し、鋼材の種々の特性、例えば靭性、延性、耐食性及び／又は溶接性などの特性が低下する場合がある。したがって、Ｐ含有量は０．３００％以下である。Ｐ含有量は０．１００％以下、０．０３０％以下又は０．０１０％以下であってもよい。
リン（Ｐ）は製造工程で混入する元素である。鋼中の固溶Ｐ量を低減するという観点からはＰは少ないほど好ましく、よってＰ含有量は０％であってもよい。しかしながら、Ｐ含有量を０．０００１％未満に低減するためには精錬に時間を要し、生産性の低下を招く。したがって、Ｐ含有量は０．０００１％以上、０．０００５％以上、０．００１％以上、０．００３％以上、又は、０．００５％以上であってもよい。Ｐ含有量は、製造コストの観点から、０．００７％以上であってもよい。一方で、Ｐを過度に含有すると、鋼中の固溶Ｐ量が増加し、鋼材の種々の特性、例えば靭性、延性、耐食性及び／又は溶接性などの特性が低下する場合がある。したがって、Ｐ含有量は０．３００％以下である。Ｐ含有量は０．１００％以下、０．０３０％以下又は０．０１０％以下であってもよい。
［Ｓ：０．０３００％以下］
硫黄（Ｓ）は製造工程で混入する元素であり、本発明の実施形態に係るＸ元素との間で形成される介在物を低減する観点からは少ないほど好ましく、よってＳ含有量は０％であってもよい。しかしながら、Ｓ含有量を０．０００１％未満に低減するためには精錬に時間を要し、生産性の低下を招く。したがって、Ｓ含有量は０．０００１％以上、０．０００５％以上又は０．００１０％以上であってもよい。一方で、Ｓを過度に含有すると、Ｘ元素の有効量が低下するとともに、靭性が低下する場合がある。したがって、Ｓ含有量は０．０３００％以下である。Ｓ含有量は好ましくは０．０１００％以下、より好ましくは０．００５０％以下、最も好ましくは０．００３０％以下である。
硫黄（Ｓ）は製造工程で混入する元素であり、本発明の実施形態に係るＸ元素との間で形成される介在物を低減する観点からは少ないほど好ましく、よってＳ含有量は０％であってもよい。しかしながら、Ｓ含有量を０．０００１％未満に低減するためには精錬に時間を要し、生産性の低下を招く。したがって、Ｓ含有量は０．０００１％以上、０．０００５％以上又は０．００１０％以上であってもよい。一方で、Ｓを過度に含有すると、Ｘ元素の有効量が低下するとともに、靭性が低下する場合がある。したがって、Ｓ含有量は０．０３００％以下である。Ｓ含有量は好ましくは０．０１００％以下、より好ましくは０．００５０％以下、最も好ましくは０．００３０％以下である。
［Ａｌ：０．００１～５．０００％］
アルミニウム（Ａｌ）は、脱酸元素であり、耐食性及び／又は耐熱性を向上させるのに有効な元素でもある。これらの効果を得るために、Ａｌ含有量は０．００１％以上である。Ａｌ含有量は０．０１０％以上、０．１００％以上又は０．２００％以上であってもよい。とりわけ、耐熱性を十分に向上させる観点からは、Ａｌ含有量は１．０００％以上、２．０００％以上又は３．０００％以上であってもよい。一方で、Ａｌを過度に含有すると、粗大な介在物が生成して靭性を低下させたり、製造過程で割れなどのトラブルが発生したり、及び／又は耐疲労特性を低下させたりする場合がある。したがって、Ａｌ含有量は５．０００％以下である。Ａｌ含有量は４．５００％以下、４．０００％以下又は３．５００％以下であってもよい。とりわけ、靭性の低下を抑制するという観点からは、Ａｌ含有量は１．５００％以下、１．０００％以下又は０．３００％以下であってもよい。
アルミニウム（Ａｌ）は、脱酸元素であり、耐食性及び／又は耐熱性を向上させるのに有効な元素でもある。これらの効果を得るために、Ａｌ含有量は０．００１％以上である。Ａｌ含有量は０．０１０％以上、０．１００％以上又は０．２００％以上であってもよい。とりわけ、耐熱性を十分に向上させる観点からは、Ａｌ含有量は１．０００％以上、２．０００％以上又は３．０００％以上であってもよい。一方で、Ａｌを過度に含有すると、粗大な介在物が生成して靭性を低下させたり、製造過程で割れなどのトラブルが発生したり、及び／又は耐疲労特性を低下させたりする場合がある。したがって、Ａｌ含有量は５．０００％以下である。Ａｌ含有量は４．５００％以下、４．０００％以下又は３．５００％以下であってもよい。とりわけ、靭性の低下を抑制するという観点からは、Ａｌ含有量は１．５００％以下、１．０００％以下又は０．３００％以下であってもよい。
［Ｎ：０．２０００％以下］
窒素（Ｎ）は製造工程で混入する元素であり、本発明の実施形態に係るＸ元素との間で形成される介在物を低減する観点からは少ないほど好ましく、よってＮ含有量は０％であってもよい。しかしながら、Ｎ含有量を０．０００１％未満に低減するためには精錬に時間を要し、生産性の低下を招く。したがって、Ｎ含有量は０．０００１％以上、０．０００５％以上又は０．００１０％以上であってもよい。一方で、Ｎはオーステナイトの安定化に有効な元素でもあり、必要に応じて意図的に含有させてもよい。この場合には、Ｎ含有量は０．０１００％以上であることが好ましく、０．０２００％以上、０．０５００％以上であってもよい。しかしながら、Ｎを過度に含有すると、Ｘ元素の有効量が低下するとともに、靭性が低下する場合がある。したがって、Ｎ含有量は０．２０００％以下である。Ｎ含有量は０．１５００％以下、０．１０００％以下又は０．０８００％以下であってもよい。
窒素（Ｎ）は製造工程で混入する元素であり、本発明の実施形態に係るＸ元素との間で形成される介在物を低減する観点からは少ないほど好ましく、よってＮ含有量は０％であってもよい。しかしながら、Ｎ含有量を０．０００１％未満に低減するためには精錬に時間を要し、生産性の低下を招く。したがって、Ｎ含有量は０．０００１％以上、０．０００５％以上又は０．００１０％以上であってもよい。一方で、Ｎはオーステナイトの安定化に有効な元素でもあり、必要に応じて意図的に含有させてもよい。この場合には、Ｎ含有量は０．０１００％以上であることが好ましく、０．０２００％以上、０．０５００％以上であってもよい。しかしながら、Ｎを過度に含有すると、Ｘ元素の有効量が低下するとともに、靭性が低下する場合がある。したがって、Ｎ含有量は０．２０００％以下である。Ｎ含有量は０．１５００％以下、０．１０００％以下又は０．０８００％以下であってもよい。
［Ｏ：０．０１００％以下］
酸素（Ｏ）は製造工程で混入する元素であり、本発明の実施形態に係るＸ元素との間で形成される介在物を低減する観点からは少ないほど好ましく、よってＯ含有量は０％であってもよい。しかしながら、Ｏ含有量を０．０００１％未満に低減するためには精錬に時間を要し、生産性の低下を招く。したがって、Ｏ含有量は０．０００１％以上、０．０００５％以上又は０．００１０％以上であってもよい。一方で、Ｏを過度に含有すると、粗大な介在物が形成され、Ｘ元素の有効量が低下するとともに、鋼材の成形性及び／又は靭性が低下する場合がある。したがって、Ｏ含有量は０．０１００％以下である。Ｏ含有量は０．００８０％以下、０．００６０％以下又は０．００４０％以下であってもよい。
酸素（Ｏ）は製造工程で混入する元素であり、本発明の実施形態に係るＸ元素との間で形成される介在物を低減する観点からは少ないほど好ましく、よってＯ含有量は０％であってもよい。しかしながら、Ｏ含有量を０．０００１％未満に低減するためには精錬に時間を要し、生産性の低下を招く。したがって、Ｏ含有量は０．０００１％以上、０．０００５％以上又は０．００１０％以上であってもよい。一方で、Ｏを過度に含有すると、粗大な介在物が形成され、Ｘ元素の有効量が低下するとともに、鋼材の成形性及び／又は靭性が低下する場合がある。したがって、Ｏ含有量は０．０１００％以下である。Ｏ含有量は０．００８０％以下、０．００６０％以下又は０．００４０％以下であってもよい。
［Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｓｍ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％からなる群より選択される少なくとも１種のＸ元素］
本発明の実施形態に係るＸ元素は、Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｓｍ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％であり、プラセオジム（Ｐｒ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、及びスカンジウム（Ｓｃ）はリン化物の形成に基づく固溶Ｐの低減効果を発現することができる。当該固溶Ｐの低減効果を発現することで、当該固溶Ｐに関連する鋼材の特性、例えば、靭性、延性、耐食性、溶接性などの特性を顕著に改善することが可能となる。
本発明の実施形態に係るＸ元素は、Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｓｍ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％であり、プラセオジム（Ｐｒ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、及びスカンジウム（Ｓｃ）はリン化物の形成に基づく固溶Ｐの低減効果を発現することができる。当該固溶Ｐの低減効果を発現することで、当該固溶Ｐに関連する鋼材の特性、例えば、靭性、延性、耐食性、溶接性などの特性を顕著に改善することが可能となる。
上記Ｘ元素は、いずれか１つの元素を単独で使用してもよいし、又は上記元素のうち２種以上のあらゆる特定の組み合わせにおいて使用してもよい。また、当該Ｘ元素は、後で詳しく説明する式１及び２を満たす量において存在すればよく、その下限値は特に限定されない。しかしながら、例えば、各Ｘ元素の含有量又は合計の含有量は０．００１０％以上であってもよく、好ましくは０．００５０％以上であり、より好ましくは０．０１５０％以上であり、さらにより好ましくは０．０３００％以上であり、最も好ましくは０．０５００％以上である。一方で、Ｘ元素を過度に含有しても効果が飽和し、それゆえ当該Ｘ元素を必要以上に鋼材中に含有させることは製造コストの上昇を招く虞がある。したがって、各Ｘ元素の含有量は０．８０００％以下であり、例えば０．７０００％以下、０．６０００％以下、０．５０００％以下、０．４０００％以下又は０．３０００％以下であってもよい。また、Ｘ元素の含有量の合計は９．６０００％以下であり、例えば６．００００％以下、５．００００％以下、４．００００％以下、２．００００％以下、１．００００％以下又は０．５０００％以下であってもよい。
本発明の実施形態に係る鋼材の基本化学組成は上記のとおりである。さらに、当該鋼材は、必要に応じて以下の任意選択元素のうち１種又は２種以上を含有してもよい。例えば、鋼材は、Ｎｂ：０～３．０００％、Ｔｉ：０～０．５００％、Ｔａ：０～０．５００％、Ｖ：０～１．００％、Ｃｕ：０～３．００％、Ｎｉ：０～６０．００％、Ｃｒ：０～３０．００％、Ｍｏ：０～５．００％、Ｗ：０～２．００％、Ｂ：０～０．０２００％、Ｃｏ：０～３．００％、Ｂｅ：０～０．０５０％、及びＡｇ：０～０．５００％のうち１種又は２種以上を含有してもよい。また、鋼材は、Ｚｒ：０～０．５０００％、Ｈｆ：０～０．５０００％、Ｃａ：０～０．０５００％、Ｍｇ：０～０．０５００％、並びにＬａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０～０．５０００％のうち１種又は２種以上を含有してもよい。また、鋼材は、Ｓｎ：０～０．３００％、及びＳｂ：０～０．３００％のうち１種又は２種を含有してもよい。また、鋼材は、Ｔｅ：０～０．１００％、Ｓｅ：０～０．１００％、Ａｓ：０～０．０５０％、Ｂｉ：０～０．５００％、及びＰｂ：０～０．５００％のうち１種又は２種以上を含有してもよい。以下、これらの任意選択元素について詳しく説明する。
［Ｎｂ：０～３．０００％］
ニオブ（Ｎｂ）は、析出強化及び再結晶の抑制等に寄与する元素である。Ｎｂ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｎｂ含有量は０．００３％以上であることが好ましい。例えば、Ｎｂ含有量は０．００５％以上又は０．０１０％以上であってもよい。とりわけ、析出強化を十分に図る観点からは、Ｎｂ含有量は１．０００％以上又は１．５００％以上であってもよい。一方で、Ｎｂを過度に含有すると、効果が飽和し、加工性及び／又は靭性を低下させる場合がある。したがって、Ｎｂ含有量は３．０００％以下である。Ｎｂ含有量は２．８００％以下、２．５００％以下又は２．０００％以下であってもよい。とりわけ、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性低下を抑制するという観点からは、Ｎｂ含有量は０．１００％以下であることが好ましく、０．０８０％以下、０．０５０％以下又は０．０３０％以下であってもよい。
ニオブ（Ｎｂ）は、析出強化及び再結晶の抑制等に寄与する元素である。Ｎｂ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｎｂ含有量は０．００３％以上であることが好ましい。例えば、Ｎｂ含有量は０．００５％以上又は０．０１０％以上であってもよい。とりわけ、析出強化を十分に図る観点からは、Ｎｂ含有量は１．０００％以上又は１．５００％以上であってもよい。一方で、Ｎｂを過度に含有すると、効果が飽和し、加工性及び／又は靭性を低下させる場合がある。したがって、Ｎｂ含有量は３．０００％以下である。Ｎｂ含有量は２．８００％以下、２．５００％以下又は２．０００％以下であってもよい。とりわけ、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性低下を抑制するという観点からは、Ｎｂ含有量は０．１００％以下であることが好ましく、０．０８０％以下、０．０５０％以下又は０．０３０％以下であってもよい。
［Ｔｉ：０～０．５００％］
チタン（Ｔｉ）は、析出強化等により鋼材の強度向上に寄与する元素である。Ｔｉ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｔｉ含有量は０．００５％以上であることが好ましい。Ｔｉ含有量は０．０１０％以上、０．０５０％以上又は０．０８０％以上であってもよい。一方で、Ｔｉを過度に含有すると、多量の析出物が生成して靭性を低下させる場合がある。したがって、Ｔｉ含有量は０．５００％以下である。Ｔｉ含有量は０．３００％以下、０．２００％以下又は０．１００％以下であってもよい。
チタン（Ｔｉ）は、析出強化等により鋼材の強度向上に寄与する元素である。Ｔｉ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｔｉ含有量は０．００５％以上であることが好ましい。Ｔｉ含有量は０．０１０％以上、０．０５０％以上又は０．０８０％以上であってもよい。一方で、Ｔｉを過度に含有すると、多量の析出物が生成して靭性を低下させる場合がある。したがって、Ｔｉ含有量は０．５００％以下である。Ｔｉ含有量は０．３００％以下、０．２００％以下又は０．１００％以下であってもよい。
［Ｔａ：０～０．５００％］
タンタル（Ｔａ）は、炭化物の形態制御と強度の増加に有効な元素である。Ｔａ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｔａ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｔａ含有量は０．００５％以上、０．０１０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｔａを過度に含有すると、微細なＴａ炭化物が多数析出し、鋼材の過度な強度上昇を招き、結果として延性の低下及び冷間加工性を低下させる場合がある。したがって、Ｔａ含有量は０．５００％以下である。Ｔａ含有量は、０．３００％以下、０．１００％以下又は０．０８０％以下であってもよい。
タンタル（Ｔａ）は、炭化物の形態制御と強度の増加に有効な元素である。Ｔａ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｔａ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｔａ含有量は０．００５％以上、０．０１０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｔａを過度に含有すると、微細なＴａ炭化物が多数析出し、鋼材の過度な強度上昇を招き、結果として延性の低下及び冷間加工性を低下させる場合がある。したがって、Ｔａ含有量は０．５００％以下である。Ｔａ含有量は、０．３００％以下、０．１００％以下又は０．０８０％以下であってもよい。
［Ｖ：０～１．００％］
バナジウム（Ｖ）は、析出強化等により鋼材の強度向上に寄与する元素である。Ｖ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｖ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｖ含有量は０．０１％以上、０．０２％以上、０．０５％以上又は０．１０％以上であってもよい。一方で、Ｖを過度に含有すると、多量の析出物が生成して靭性を低下させる場合がある。したがって、Ｖ含有量は１．００％以下である。Ｖ含有量は０．８０％以下、０．６０％以下又は０．５０％以下であってもよい。
バナジウム（Ｖ）は、析出強化等により鋼材の強度向上に寄与する元素である。Ｖ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｖ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｖ含有量は０．０１％以上、０．０２％以上、０．０５％以上又は０．１０％以上であってもよい。一方で、Ｖを過度に含有すると、多量の析出物が生成して靭性を低下させる場合がある。したがって、Ｖ含有量は１．００％以下である。Ｖ含有量は０．８０％以下、０．６０％以下又は０．５０％以下であってもよい。
［Ｃｕ：０～３．００％］
銅（Ｃｕ）は強度及び／又は耐食性の向上に寄与する元素である。Ｃｕ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｃｕ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｃｕ含有量は０．０１％以上、０．１０％以上、０．１５％以上、０．２０％以上又は０．３０％以上であってもよい。一方で、Ｃｕを過度に含有すると、靭性や溶接性の劣化を招く場合がある。したがって、Ｃｕ含有量は３．００％以下である。Ｃｕ含有量は２．００％以下、１．５０％以下、１．００％以下又は０．５０％以下であってもよい。
銅（Ｃｕ）は強度及び／又は耐食性の向上に寄与する元素である。Ｃｕ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｃｕ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｃｕ含有量は０．０１％以上、０．１０％以上、０．１５％以上、０．２０％以上又は０．３０％以上であってもよい。一方で、Ｃｕを過度に含有すると、靭性や溶接性の劣化を招く場合がある。したがって、Ｃｕ含有量は３．００％以下である。Ｃｕ含有量は２．００％以下、１．５０％以下、１．００％以下又は０．５０％以下であってもよい。
［Ｎｉ：０～６０．００％］
ニッケル（Ｎｉ）は強度及び／又は耐熱性の向上に寄与する元素であり、有効なオーステナイト安定化元素でもある。Ｎｉ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｎｉ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｎｉ含有量は０．０１％以上、０．１０％以上、０．５０％以上、０．７０％以上、１．００％以上又は３．００％以上であってもよい。とりわけ、耐熱性を十分に向上させる観点からは、Ｎｉ含有量は３０．００％以上、３５．００％以上又は４０．００％以上であってもよい。一方で、Ｎｉを過度に含有すると、合金コストの増加に加えて熱間加工時の変形抵抗が増大し、設備負荷が大きくなる場合がある。したがって、Ｎｉ含有量は６０．００％以下である。Ｎｉ含有量は５５．００％以下又は５０．００％以下であってもよい。とりわけ、経済性の観点及び／又は溶接性の低下を抑制するという観点からは、Ｎｉ含有量は１５．００％以下、１０．００％以下、６．００％以下又は４．００％以下であってもよい。
ニッケル（Ｎｉ）は強度及び／又は耐熱性の向上に寄与する元素であり、有効なオーステナイト安定化元素でもある。Ｎｉ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｎｉ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｎｉ含有量は０．０１％以上、０．１０％以上、０．５０％以上、０．７０％以上、１．００％以上又は３．００％以上であってもよい。とりわけ、耐熱性を十分に向上させる観点からは、Ｎｉ含有量は３０．００％以上、３５．００％以上又は４０．００％以上であってもよい。一方で、Ｎｉを過度に含有すると、合金コストの増加に加えて熱間加工時の変形抵抗が増大し、設備負荷が大きくなる場合がある。したがって、Ｎｉ含有量は６０．００％以下である。Ｎｉ含有量は５５．００％以下又は５０．００％以下であってもよい。とりわけ、経済性の観点及び／又は溶接性の低下を抑制するという観点からは、Ｎｉ含有量は１５．００％以下、１０．００％以下、６．００％以下又は４．００％以下であってもよい。
［Ｃｒ：０～３０．００％］
クロム（Ｃｒ）は強度及び／又は耐食性の向上に寄与する元素である。Ｃｒ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｃｒ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｃｒ含有量は０．０１％以上、０．０５％以上、０．１０％以上又は０．５０％以上であってもよい。とりわけ、耐食性を十分に向上させる観点からは、Ｃｒ含有量は１０．００％以上、１２．００％以上又は１５．００％以上であってもよい。一方で、Ｃｒを過度に含有すると、合金コストの増加に加えて靭性が低下する場合がある。したがって、Ｃｒ含有量は３０．００％以下である。Ｃｒ含有量は２８．００％以下、２５．００％以下又は２０．００％以下であってもよい。とりわけ、溶接性及び／又は加工性の低下を抑制するという観点からは、Ｃｒ含有量は１０．００％以下、９．００％以下又は７．５０％以下であってもよい。
クロム（Ｃｒ）は強度及び／又は耐食性の向上に寄与する元素である。Ｃｒ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｃｒ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｃｒ含有量は０．０１％以上、０．０５％以上、０．１０％以上又は０．５０％以上であってもよい。とりわけ、耐食性を十分に向上させる観点からは、Ｃｒ含有量は１０．００％以上、１２．００％以上又は１５．００％以上であってもよい。一方で、Ｃｒを過度に含有すると、合金コストの増加に加えて靭性が低下する場合がある。したがって、Ｃｒ含有量は３０．００％以下である。Ｃｒ含有量は２８．００％以下、２５．００％以下又は２０．００％以下であってもよい。とりわけ、溶接性及び／又は加工性の低下を抑制するという観点からは、Ｃｒ含有量は１０．００％以下、９．００％以下又は７．５０％以下であってもよい。
［Ｍｏ：０～５．００％］
モリブデン（Ｍｏ）は鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する元素であり、耐食性の向上にも寄与する元素である。Ｍｏ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｍｏ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｍｏ含有量は０．０１％以上、０．０２％以上、０．５０％以上又は１．００％以上であってもよい。一方で、Ｍｏを過度に含有すると、熱間加工時の変形抵抗が増大し、設備負荷が大きくなる場合がある。したがって、Ｍｏ含有量は５．００％以下である。Ｍｏ含有量は４．５０％以下、４．００％以下、３．００以下又は１．５０％以下であってもよい。
モリブデン（Ｍｏ）は鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する元素であり、耐食性の向上にも寄与する元素である。Ｍｏ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｍｏ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｍｏ含有量は０．０１％以上、０．０２％以上、０．５０％以上又は１．００％以上であってもよい。一方で、Ｍｏを過度に含有すると、熱間加工時の変形抵抗が増大し、設備負荷が大きくなる場合がある。したがって、Ｍｏ含有量は５．００％以下である。Ｍｏ含有量は４．５０％以下、４．００％以下、３．００以下又は１．５０％以下であってもよい。
［Ｗ：０～２．００％］
タングステン（Ｗ）は鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する元素である。Ｗ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｗ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｗ含有量は０．０１％以上、０．０２％以上、０．０５％以上、０．１０％以上又は０．５０％以上であってもよい。一方で、Ｗを過度に含有すると、延性や溶接性が低下する場合がある。したがって、Ｗ含有量は２．００％以下である。Ｗ含有量は１．８０％以下、１．５０％以下又は１．００％以下であってもよい。
タングステン（Ｗ）は鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する元素である。Ｗ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｗ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｗ含有量は０．０１％以上、０．０２％以上、０．０５％以上、０．１０％以上又は０．５０％以上であってもよい。一方で、Ｗを過度に含有すると、延性や溶接性が低下する場合がある。したがって、Ｗ含有量は２．００％以下である。Ｗ含有量は１．８０％以下、１．５０％以下又は１．００％以下であってもよい。
［Ｂ：０～０．０２００％］
ホウ素（Ｂ）は強度の向上に寄与する元素である。Ｂ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｂ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。Ｂ含有量は０．０００３％以上、０．０００５％以上又は０．０００７％以上であってもよい。一方で、Ｂを過度に含有すると、靭性及び／又は溶接性が低下する場合がある。したがって、Ｂ含有量は０．０２００％以下である。Ｂ含有量は０．０１００％以下、０．００５０％以下、０．００３０％以下又は０．００２０％以下であってもよい。
ホウ素（Ｂ）は強度の向上に寄与する元素である。Ｂ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｂ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。Ｂ含有量は０．０００３％以上、０．０００５％以上又は０．０００７％以上であってもよい。一方で、Ｂを過度に含有すると、靭性及び／又は溶接性が低下する場合がある。したがって、Ｂ含有量は０．０２００％以下である。Ｂ含有量は０．０１００％以下、０．００５０％以下、０．００３０％以下又は０．００２０％以下であってもよい。
［Ｃｏ：０～３．００％］
コバルト（Ｃｏ）は焼入れ性及び／又は耐熱性の向上に寄与する元素である。Ｃｏ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｃｏ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｃｏ含有量は０．０１％以上、０．０２％以上、０．０５％以上、０．１０％以上又は０．５０％以上であってもよい。一方で、Ｃｏを過度に含有すると、熱間加工性が低下する場合があり、原料コストの増加にも繋がる。したがって、Ｃｏ含有量は３．００％以下である。Ｃｏ含有量は２．５０％以下、２．００％以下、１．５０％以下又は０．８０％以下であってもよい。
コバルト（Ｃｏ）は焼入れ性及び／又は耐熱性の向上に寄与する元素である。Ｃｏ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｃｏ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｃｏ含有量は０．０１％以上、０．０２％以上、０．０５％以上、０．１０％以上又は０．５０％以上であってもよい。一方で、Ｃｏを過度に含有すると、熱間加工性が低下する場合があり、原料コストの増加にも繋がる。したがって、Ｃｏ含有量は３．００％以下である。Ｃｏ含有量は２．５０％以下、２．００％以下、１．５０％以下又は０．８０％以下であってもよい。
［Ｂｅ：０～０．０５０％］
ベリリウム（Ｂｅ）は、母材の強度の上昇及び組織の微細化に有効な元素である。Ｂｅ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｂｅ含有量は０．０００３％以上であることが好ましい。Ｂｅ含有量は０．０００５％以上、０．００１％以上又は０．０１０％以上であってもよい。一方で、Ｂｅを過度に含有すると、成形性が低下する場合がある。したがって、Ｂｅ含有量は０．０５０％以下である。Ｂｅ含有量は０．０４０％以下、０．０３０％以下又は０．０２０％以下であってもよい。
ベリリウム（Ｂｅ）は、母材の強度の上昇及び組織の微細化に有効な元素である。Ｂｅ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｂｅ含有量は０．０００３％以上であることが好ましい。Ｂｅ含有量は０．０００５％以上、０．００１％以上又は０．０１０％以上であってもよい。一方で、Ｂｅを過度に含有すると、成形性が低下する場合がある。したがって、Ｂｅ含有量は０．０５０％以下である。Ｂｅ含有量は０．０４０％以下、０．０３０％以下又は０．０２０％以下であってもよい。
［Ａｇ：０～０．５００％］
銀（Ａｇ）は、母材の強度の上昇及び組織の微細化に有効な元素である。Ａｇ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ａｇ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ａｇ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ａｇを過度に含有すると、成形性が低下する場合がある。したがって、Ａｇ含有量は０．５００％以下である。Ａｇ含有量は０．４００％以下、０．３００％以下又は０．２００％以下であってもよい。
銀（Ａｇ）は、母材の強度の上昇及び組織の微細化に有効な元素である。Ａｇ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ａｇ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ａｇ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ａｇを過度に含有すると、成形性が低下する場合がある。したがって、Ａｇ含有量は０．５００％以下である。Ａｇ含有量は０．４００％以下、０．３００％以下又は０．２００％以下であってもよい。
［Ｚｒ：０～０．５０００％］
ジルコニウム（Ｚｒ）は、硫化物の形態を制御できる元素である。Ｚｒ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｚｒ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。一方で、Ｚｒを過度に含有しても効果が飽和し、それゆえＺｒを必要以上に鋼材中に含有させることは製造コストの上昇を招く虞がある。したがって、Ｚｒ含有量は０．５０００％以下である。
ジルコニウム（Ｚｒ）は、硫化物の形態を制御できる元素である。Ｚｒ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｚｒ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。一方で、Ｚｒを過度に含有しても効果が飽和し、それゆえＺｒを必要以上に鋼材中に含有させることは製造コストの上昇を招く虞がある。したがって、Ｚｒ含有量は０．５０００％以下である。
［Ｈｆ：０～０．５０００％］
ハフニウム（Ｈｆ）は、硫化物の形態を制御できる元素である。Ｈｆ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｈｆ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。一方で、Ｈｆを過度に含有しても効果が飽和し、それゆえＨｆを必要以上に鋼材中に含有させることは製造コストの上昇を招く虞がある。したがって、Ｈｆ含有量は０．５０００％以下である。
ハフニウム（Ｈｆ）は、硫化物の形態を制御できる元素である。Ｈｆ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｈｆ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。一方で、Ｈｆを過度に含有しても効果が飽和し、それゆえＨｆを必要以上に鋼材中に含有させることは製造コストの上昇を招く虞がある。したがって、Ｈｆ含有量は０．５０００％以下である。
［Ｃａ：０～０．０５００％］
カルシウム（Ｃａ）は、硫化物の形態を制御できる元素である。Ｃａ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｃａ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。一方で、Ｃａを過度に含有しても効果が飽和し、それゆえＣａを必要以上に鋼材中に含有させることは製造コストの上昇を招く虞がある。したがって、Ｃａ含有量は０．０５００％以下である。
カルシウム（Ｃａ）は、硫化物の形態を制御できる元素である。Ｃａ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｃａ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。一方で、Ｃａを過度に含有しても効果が飽和し、それゆえＣａを必要以上に鋼材中に含有させることは製造コストの上昇を招く虞がある。したがって、Ｃａ含有量は０．０５００％以下である。
［Ｍｇ：０～０．０５００％］
マグネシウム（Ｍｇ）は、硫化物の形態を制御できる元素である。Ｍｇ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｍｇ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。Ｍｇ含有量は０．００１５％超、０．００１６％以上、０．００１８％以上又は０．００２０％以上であってもよい。一方で、Ｍｇを過度に含有しても効果が飽和し、粗大な介在物の形成に起因して冷間成形性及び／又は靭性が低下する場合がある。したがって、Ｍｇ含有量は０．０５００％以下である。Ｍｇ含有量は０．０４００％以下、０．０３００％以下又は０．０２００％以下であってもよい。
マグネシウム（Ｍｇ）は、硫化物の形態を制御できる元素である。Ｍｇ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｍｇ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。Ｍｇ含有量は０．００１５％超、０．００１６％以上、０．００１８％以上又は０．００２０％以上であってもよい。一方で、Ｍｇを過度に含有しても効果が飽和し、粗大な介在物の形成に起因して冷間成形性及び／又は靭性が低下する場合がある。したがって、Ｍｇ含有量は０．０５００％以下である。Ｍｇ含有量は０．０４００％以下、０．０３００％以下又は０．０２００％以下であってもよい。
［Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０～０．５０００％］
ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）及びイットリウム（Ｙ）は、Ｃａ及びＭｇと同様に硫化物の形態を制御できる元素である。Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種の含有量の合計は０％であってもよいが、このような効果を得るためには０．０００１％以上であることが好ましい。Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種の含有量の合計は０．０００２％以上、０．０００３％以上又は０．０００４％以上であってもよい。一方で、これらの元素を過度に含有しても効果が飽和し、粗大な酸化物等が形成して冷間成形性が低下する場合がある。したがって、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種の含有量の合計は０．５０００％以下であり、０．４０００％以下、０．３０００％以下又は０．２０００％以下であってもよい。
ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）及びイットリウム（Ｙ）は、Ｃａ及びＭｇと同様に硫化物の形態を制御できる元素である。Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種の含有量の合計は０％であってもよいが、このような効果を得るためには０．０００１％以上であることが好ましい。Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種の含有量の合計は０．０００２％以上、０．０００３％以上又は０．０００４％以上であってもよい。一方で、これらの元素を過度に含有しても効果が飽和し、粗大な酸化物等が形成して冷間成形性が低下する場合がある。したがって、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種の含有量の合計は０．５０００％以下であり、０．４０００％以下、０．３０００％以下又は０．２０００％以下であってもよい。
［Ｓｎ：０～０．３００％］
錫（Ｓｎ）は耐食性の向上に有効な元素である。Ｓｎ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｓｎ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｓｎ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｓｎを過度に含有すると、靭性、特には低温靭性の低下を招く場合がある。したがって、Ｓｎ含有量は０．３００％以下である。Ｓｎ含有量は０．２５０％以下、０．２００％以下又は０．１５０％以下であってもよい。
錫（Ｓｎ）は耐食性の向上に有効な元素である。Ｓｎ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｓｎ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｓｎ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｓｎを過度に含有すると、靭性、特には低温靭性の低下を招く場合がある。したがって、Ｓｎ含有量は０．３００％以下である。Ｓｎ含有量は０．２５０％以下、０．２００％以下又は０．１５０％以下であってもよい。
［Ｓｂ：０～０．３００％］
アンチモン（Ｓｂ）は、Ｓｎと同様に耐食性の向上に有効な元素であり、特にＳｎと複合して含有させることにより効果を増大させることができる。Ｓｂ含有量は０％であってもよいが、耐食性向上の効果を得るためには、Ｓｂ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｓｂ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｓｂを過度に含有すると、靭性、特には低温靭性の低下を招く場合がある。したがって、Ｓｂ含有量は０．３００％以下である。Ｓｂ含有量は０．２５０％以下、０．２００％以下又は０．１５０％以下であってもよい。
アンチモン（Ｓｂ）は、Ｓｎと同様に耐食性の向上に有効な元素であり、特にＳｎと複合して含有させることにより効果を増大させることができる。Ｓｂ含有量は０％であってもよいが、耐食性向上の効果を得るためには、Ｓｂ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｓｂ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｓｂを過度に含有すると、靭性、特には低温靭性の低下を招く場合がある。したがって、Ｓｂ含有量は０．３００％以下である。Ｓｂ含有量は０．２５０％以下、０．２００％以下又は０．１５０％以下であってもよい。
［Ｔｅ：０～０．１００％］
テルル（Ｔｅ）は、ＭｎやＳなどと低融点化合物を形成して潤滑効果を高めるため、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ｔｅ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｔｅ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｔｅ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０４０％以上であってもよい。一方で、Ｔｅを過度に含有しても効果が飽和し、合金コストの増加を招く。したがって、Ｔｅ含有量は０．１００％以下である。Ｔｅ含有量は０．０９０％以下、０．０８０％以下又は０．０７０％以下であってもよい。
テルル（Ｔｅ）は、ＭｎやＳなどと低融点化合物を形成して潤滑効果を高めるため、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ｔｅ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｔｅ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｔｅ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０４０％以上であってもよい。一方で、Ｔｅを過度に含有しても効果が飽和し、合金コストの増加を招く。したがって、Ｔｅ含有量は０．１００％以下である。Ｔｅ含有量は０．０９０％以下、０．０８０％以下又は０．０７０％以下であってもよい。
［Ｓｅ：０～０．１００％］
セレン（Ｓｅ）は、鋼中に生成するセレン化物が被削材のせん断塑性変形に変化を与え、切りくずが破砕されやすくなるため、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ｓｅ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｓｅ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｓｅ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０４０％以上であってもよい。一方で、Ｓｅを過度に含有しても効果が飽和し、合金コストの増加を招く。したがって、Ｓｅ含有量は０．１００％以下である。Ｓｅ含有量は０．０９０％以下、０．０８０％以下又は０．０７０％以下であってもよい。
セレン（Ｓｅ）は、鋼中に生成するセレン化物が被削材のせん断塑性変形に変化を与え、切りくずが破砕されやすくなるため、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ｓｅ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｓｅ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｓｅ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０４０％以上であってもよい。一方で、Ｓｅを過度に含有しても効果が飽和し、合金コストの増加を招く。したがって、Ｓｅ含有量は０．１００％以下である。Ｓｅ含有量は０．０９０％以下、０．０８０％以下又は０．０７０％以下であってもよい。
［Ａｓ：０～０．０５０％］
ヒ素（Ａｓ）は、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ａｓ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ａｓ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ａｓ含有量は０．００５％以上又は０．０１０％以上であってもよい。一方で、Ａｓを過度に含有すると、熱間加工性が低下する場合がある。したがって、Ａｓ含有量は０．０５０％以下である。Ａｓ含有量は０．０４０％以下、０．０３０％以下又は０．０２０％以下であってもよい。
ヒ素（Ａｓ）は、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ａｓ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ａｓ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ａｓ含有量は０．００５％以上又は０．０１０％以上であってもよい。一方で、Ａｓを過度に含有すると、熱間加工性が低下する場合がある。したがって、Ａｓ含有量は０．０５０％以下である。Ａｓ含有量は０．０４０％以下、０．０３０％以下又は０．０２０％以下であってもよい。
［Ｂｉ：０～０．５００％］
ビスマス（Ｂｉ）は、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ｂｉ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｂｉ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｂｉ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｂｉを過度に含有しても効果が飽和し、合金コストの増加を招く。したがって、Ｂｉ含有量は０．５００％以下である。Ｂｉ含有量は０．４００％以下、０．３００％以下又は０．２００％以下であってもよい。
ビスマス（Ｂｉ）は、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ｂｉ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｂｉ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｂｉ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｂｉを過度に含有しても効果が飽和し、合金コストの増加を招く。したがって、Ｂｉ含有量は０．５００％以下である。Ｂｉ含有量は０．４００％以下、０．３００％以下又は０．２００％以下であってもよい。
［Ｐｂ：０～０．５００％］
鉛（Ｐｂ）は、切削による温度上昇で溶融してクラックの進展を促進するため、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ｐｂ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｐｂ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｐｂ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｐｂを過度に含有すると、熱間加工性が低下する場合がある。したがって、Ｐｂ含有量は０．５００％以下である。Ｐｂ含有量は０．４００％以下、０．３００％以下又は０．２００％以下であってもよい。
鉛（Ｐｂ）は、切削による温度上昇で溶融してクラックの進展を促進するため、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ｐｂ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｐｂ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｐｂ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｐｂを過度に含有すると、熱間加工性が低下する場合がある。したがって、Ｐｂ含有量は０．５００％以下である。Ｐｂ含有量は０．４００％以下、０．３００％以下又は０．２００％以下であってもよい。
本発明の実施形態に係る鋼材において、上記の元素以外の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石やスクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分等である。
［Ｘ元素の有効量］
本発明の実施形態によれば、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、及びＳｃからなるＸ元素の有効量は、下記式１の左辺によって求められ、そしてその値は下記式１を満たすようにする。
０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ≧ ０．０００３ ・・・式１
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、及び［Ｓ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
本発明の実施形態によれば、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、及びＳｃからなるＸ元素の有効量は、下記式１の左辺によって求められ、そしてその値は下記式１を満たすようにする。
０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ≧ ０．０００３ ・・・式１
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、及び［Ｓ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
上記Ｘ元素の有効量を上記式１を満たすようにすることで、鋼中に存在しているＸ元素と鋼中の固溶Ｐを反応させてリン化物を形成することができ、このようなリン化物の形成に伴い、鋼中の固溶Ｐ量を低減することが可能となる。より詳しく説明すると、これらのＸ元素（以下、単に「Ｘ」ともいう）は、鋼中に存在するＯ（酸素）、Ｎ（窒素）及びＳ（硫黄）と結びついて、酸化物（Ｘ2Ｏ3）、窒化物（ＸＮ）及び硫化物（ＸＳ）からなる介在物を形成する傾向がある。当該介在物を形成してしまうと、少なくともこれらの介在物中のＸ元素は固溶Ｐとの反応に寄与することはできない。したがって、固溶Ｐとの反応を促進して鋼中の固溶Ｐ量を低減するためには、介在物を形成せずに鋼中でリン化物を形成し得るＸ元素の量を増加させる必要がある。
ここで、リン化物を形成し得るＸ元素の量は、鋼中に含まれるＸ元素の量から介在物（酸化物、窒化物及び硫化物）を形成するのに消費され得る最大量を差し引くことによって概算することが可能である。そこで、本発明の実施形態においては、このようにして概算される鋼中の固溶Ｐ量を低減するのに有効なＸ元素の量（すなわち「Ｘ元素の有効量」）は、具体的には下記式Ａによって定義される。
Ｘの有効量［原子％］＝Σ（Ｍ[Fe]／Ｍ[X]）×［Ｘ］－（Ｍ[Fe]／Ｍ[O]）×［Ｏ］×２／３－（Ｍ[Fe]／Ｍ[N]）×［Ｎ］－（Ｍ[Fe]／Ｍ[S]）×［Ｓ］ ・・・式Ａ
ここで、ＸはＰｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、及びＳｃの各Ｘ元素を表し、Ｍ[X]はＸ元素の原子量、Ｍ[Fe]はＦｅの原子量、Ｍ[O]はＯの原子量、Ｍ[N]はＮの原子量、Ｍ[S]はＳの原子量を表し、［Ｘ］、［Ｏ］、［Ｎ］及び［Ｓ］は、それぞれ対応する元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
Ｘの有効量［原子％］＝Σ（Ｍ[Fe]／Ｍ[X]）×［Ｘ］－（Ｍ[Fe]／Ｍ[O]）×［Ｏ］×２／３－（Ｍ[Fe]／Ｍ[N]）×［Ｎ］－（Ｍ[Fe]／Ｍ[S]）×［Ｓ］ ・・・式Ａ
ここで、ＸはＰｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、及びＳｃの各Ｘ元素を表し、Ｍ[X]はＸ元素の原子量、Ｍ[Fe]はＦｅの原子量、Ｍ[O]はＯの原子量、Ｍ[N]はＮの原子量、Ｍ[S]はＳの原子量を表し、［Ｘ］、［Ｏ］、［Ｎ］及び［Ｓ］は、それぞれ対応する元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
上記式Ａについて以下に詳しく説明すると、まず、本発明の実施形態に係る鋼材には種々の合金元素が含有されているものの、鋼材全体としてはほぼＦｅによって構成されているか、あるいは任意選択元素であるＮｉ及び／又はＣｒを比較的多く含む場合（それぞれの最大含有量は６０．００％及び３０．００％）には、Ｆｅに加えてＮｉ及び／又はＣｒによってほぼ構成されていることが明らかである。一方で、Ｎｉ及びＣｒの原子量はＦｅの原子量と同等であることが周知である。このため、たとえ鋼材がＮｉ及び／又はＣｒを比較的多く含む場合であっても、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、及びＳｃの各Ｘ元素の原子％は、近似的には各Ｘ元素の含有量［質量％］にＦｅの原子量と当該各Ｘ元素の原子量の比を掛け算すること、すなわち（Ｍ[Fe]／Ｍ[X]）×［Ｘ］によって算出することができる。したがって、（Ｍ[Fe]／Ｍ[X]）×［Ｘ］によって算出される各Ｘ元素の量を合計することで（すなわちΣ（Ｍ[Fe]／Ｍ[X]）×［Ｘ］を計算することで）、Ｘ元素全体の原子％を算出することができる。
次に、Ｘ元素全体の原子％のうち、酸化物（Ｘ2Ｏ3）、窒化物（ＸＮ）及び硫化物（ＸＳ）を形成するのに消費され得る最大量（原子％）を差し引くことで、固溶Ｐ量を低減するのに有効に作用し得る鋼中のＸ元素の量を算出することができる。ここで、酸化物（Ｘ2Ｏ3）、窒化物（ＸＮ）及び硫化物（ＸＳ）を形成するのに消費され得るＸ元素の最大量（原子％）は、上で説明したのと同様の理由から近似的には鋼中のＦｅ、Ｏ、Ｎ及びＳの原子量並びにＯ、Ｎ及びＳの含有量を用いて、それぞれ（Ｍ[Fe]／Ｍ[O]）×［Ｏ］×２／３、（Ｍ[Fe]／Ｍ[N]）×［Ｎ］、及び（Ｍ[Fe]／Ｍ[S]）×［Ｓ］として算出することが可能である。したがって、固溶Ｐ量を低減するためのＸ元素の有効量は、下記式Ａによって定義することができる。
Ｘの有効量［原子％］＝Σ（Ｍ[Fe]／Ｍ[X]）×［Ｘ］－（Ｍ[Fe]／Ｍ[O]）×［Ｏ］×２／３－（Ｍ[Fe]／Ｍ[N]）×［Ｎ］－（Ｍ[Fe]／Ｍ[S]）×［Ｓ］ ・・・式Ａ
Ｘの有効量［原子％］＝Σ（Ｍ[Fe]／Ｍ[X]）×［Ｘ］－（Ｍ[Fe]／Ｍ[O]）×［Ｏ］×２／３－（Ｍ[Fe]／Ｍ[N]）×［Ｎ］－（Ｍ[Fe]／Ｍ[S]）×［Ｓ］ ・・・式Ａ
ここで、Ｆｅ、Ｏ、Ｎ及びＳ並びに各Ｘ元素の原子量は、それぞれＦｅ：５５．８４５、Ｏ：１５．９９９４、Ｎ：１４．００６９、Ｓ：３２．０６８、Ｐｒ：１４０．９０８、Ｓｍ：１５０．３６、Ｅｕ：１５１．９６４、Ｇｄ：１５７．２５、Ｔｂ：１５８．９２５、Ｄｙ：１６２．５００、Ｈｏ：１６４．９３０、Ｅｒ：１６７．２５９、Ｔｍ：１６８．９３４、Ｙｂ：１７３．０４５、Ｌｕ：１７４．９６７、Ｓｃ：４４．９５５９である。したがって、上記式Ａに各元素の原子量を代入して整理すると、Ｘ元素の原子％による有効量は近似的には下記式Ｂによって表すことが可能となる。
有効量＝０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ・・・式Ｂ
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、及び［Ｓ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
有効量＝０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ・・・式Ｂ
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、及び［Ｓ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
本発明の実施形態においては、固溶Ｐ量を低減するためには、上記式Ｂによって求められるＸ元素の有効量は０．０００３％以上、すなわち下記式１を満たすことが少なくとも必要である。
０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ≧ ０．０００３ ・・・式１
Ｘ元素の有効量は、例えば０．０００５％以上又は０．０００７％以上であってもよく、好ましくは０．００１０％以上、より好ましくは０．００１５％以上、さらにより好ましくは０．００３０％以上、最も好ましくは０．００５０％以上又は０．０１００％以上である。また、上記式１からも明らかなように、当該有効量を安定的に確保するためには、鋼中のＯ、Ｎ及びＳの含有量を極力低減することが好ましい。ここで、Ｘ元素の有効量の上限は特に限定されないが、当該Ｘ元素の有効量を過度に増加させても効果が飽和するとともに、製造コストの上昇（Ｘ元素の含有量増加に伴う合金コストの上昇及び／又はＯ、Ｎ及びＳに関する精錬コストの上昇）を招くことになり必ずしも好ましくない。したがって、Ｘ元素の有効量は好ましくは２．００００％以下であり、例えば１．８０００％以下、１．５０００％以下、１．２０００％以下、１．００００％以下又は０．８０００％以下であってもよい。
０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ≧ ０．０００３ ・・・式１
Ｘ元素の有効量は、例えば０．０００５％以上又は０．０００７％以上であってもよく、好ましくは０．００１０％以上、より好ましくは０．００１５％以上、さらにより好ましくは０．００３０％以上、最も好ましくは０．００５０％以上又は０．０１００％以上である。また、上記式１からも明らかなように、当該有効量を安定的に確保するためには、鋼中のＯ、Ｎ及びＳの含有量を極力低減することが好ましい。ここで、Ｘ元素の有効量の上限は特に限定されないが、当該Ｘ元素の有効量を過度に増加させても効果が飽和するとともに、製造コストの上昇（Ｘ元素の含有量増加に伴う合金コストの上昇及び／又はＯ、Ｎ及びＳに関する精錬コストの上昇）を招くことになり必ずしも好ましくない。したがって、Ｘ元素の有効量は好ましくは２．００００％以下であり、例えば１．８０００％以下、１．５０００％以下、１．２０００％以下、１．００００％以下又は０．８０００％以下であってもよい。
［Ｘ元素の有効量と鋼中のＰ含有量との関係］
本発明の実施形態によれば、上記のＸ元素の有効量と鋼中のＰ含有量は、下記式２を満たす。
１．８０×［Ｐ］－（０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］） ＜ ０．０１０ ・・・式２
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、［Ｓ］、及び［Ｐ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
本発明の実施形態によれば、上記のＸ元素の有効量と鋼中のＰ含有量は、下記式２を満たす。
１．８０×［Ｐ］－（０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］） ＜ ０．０１０ ・・・式２
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、［Ｓ］、及び［Ｐ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
Ｘ元素とＰは１：１の割合で結合してリン化物（ＸＰ）を形成することから、鋼中のＰ含有量（原子％）からＸ元素の有効量（原子％）を差し引くことで、鋼材の化学組成から求められる理論上の固溶Ｐ量を算出することができる。ここで、原子％によるＰ含有量の値は、Ｘ元素の有効量に関連して上で説明したのと同様の理由から近似的には鋼中のＦｅ及びＰの原子量並びに質量％によるＰ含有量を用いて（Ｍ[Fe]／Ｍ[P]）×［Ｐ］として算出することが可能である（ここで、Ｍ[Fe]はＦｅの原子量、Ｍ[P]はＰの原子量を表し、［Ｐ］はＰ含有量［質量％］であり、Ｐを含有しない場合は０である）。したがって、理論上の固溶Ｐ量は近似的には下記式Ｃによって表すことが可能となる。
理論上の固溶Ｐ量［原子％］
＝（Ｍ[Fe]／Ｍ[P]）×［Ｐ］－Ｘの有効量［原子％］ ・・・式Ｃ
理論上の固溶Ｐ量［原子％］
＝（Ｍ[Fe]／Ｍ[P]）×［Ｐ］－Ｘの有効量［原子％］ ・・・式Ｃ
ここで、Ｆｅ及びＰの原子量は、それぞれＦｅ：５５．８４５及びＰ：３０．９７３８である。したがって、上記式ＣにＦｅ及びＰの原子量並びに式Ｂを代入して整理すると、原子％による理論上の固溶Ｐ量は近似的には下記式Ｄによって表すことが可能となる。
理論上の固溶Ｐ量［原子％］＝１．８０×［Ｐ］－（０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］） ・・・式Ｄ
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、［Ｓ］、及び［Ｐ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
理論上の固溶Ｐ量［原子％］＝１．８０×［Ｐ］－（０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］） ・・・式Ｄ
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、［Ｓ］、及び［Ｐ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
本発明の実施形態においては、実際に測定される固溶Ｐ量を低減し、それによって当該固溶Ｐに関連する鋼材の特性、例えば、靭性、延性、耐食性、溶接性などの特性を改善するためには、上記式１を満たすことに加えて、上記式Ｄによって求められる理論上の固溶Ｐ量が０．０１０％未満であること、すなわち下記式２を満たすことが必要である。
１．８０×［Ｐ］－（０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］） ＜ ０．０１０ ・・・式２
理論上の固溶Ｐ量（すなわち式２の左辺）は、好ましくは０．００８％以下、より好ましくは０．００５％以下、さらにより好ましくは０．００３％以下、最も好ましくは０％以下である。また、理論上の固溶Ｐ量を低減して上記式２を確実に満足させるためには、当然ながら鋼中のＰ含有量を極力低減することが好ましい。ここで、理論上の固溶Ｐ量の下限は特に限定されないが、理論上の固溶Ｐ量を過度に低減しても効果が飽和するとともに、製造コストの上昇（Ｐに関する精錬コストの上昇及び／又はＸ元素の含有量増加に伴う合金コストの上昇）を招くことになり必ずしも好ましくない。したがって、理論上の固溶Ｐ量は好ましくは－２．０００％以上であり、例えば－１．８００％以上、－１．５００％以上、－１．３００％以上、－１．０００％以上又は－０．８００％以上であってもよい。
１．８０×［Ｐ］－（０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］） ＜ ０．０１０ ・・・式２
理論上の固溶Ｐ量（すなわち式２の左辺）は、好ましくは０．００８％以下、より好ましくは０．００５％以下、さらにより好ましくは０．００３％以下、最も好ましくは０％以下である。また、理論上の固溶Ｐ量を低減して上記式２を確実に満足させるためには、当然ながら鋼中のＰ含有量を極力低減することが好ましい。ここで、理論上の固溶Ｐ量の下限は特に限定されないが、理論上の固溶Ｐ量を過度に低減しても効果が飽和するとともに、製造コストの上昇（Ｐに関する精錬コストの上昇及び／又はＸ元素の含有量増加に伴う合金コストの上昇）を招くことになり必ずしも好ましくない。したがって、理論上の固溶Ｐ量は好ましくは－２．０００％以上であり、例えば－１．８００％以上、－１．５００％以上、－１．３００％以上、－１．０００％以上又は－０．８００％以上であってもよい。
本発明の実施形態に係る鋼材は、任意の鋼材であってよく、特に限定されない。本発明の実施形態に係る鋼材は、例えば、熱間圧延前の鋼材であるスラブ、ビレット、ブルームや熱間圧延後の鋼材を包含するものである。熱間圧延後の鋼材としては、特に限定されないが、例えば、厚鋼板、薄鋼板、さらには棒鋼、線材、形鋼、及び鋼管等をも包含するものである。
本発明の実施形態に係る鋼材は、最終的な製品の形態等に応じて、当業者に公知の任意の適切な方法によって製造することが可能である。例えば、鋼材が厚鋼板の場合には、その製造方法は、一般に厚鋼板を製造する際に適用される工程を含み、例えば、上で説明した化学組成を有するスラブを鋳造する工程、鋳造されたスラブを熱間圧延する工程、及び得られた圧延材を冷却する工程を含み、必要に応じて焼入れ工程及び焼戻し工程等の熱処理をさらに含んでいてもよい。本発明の実施形態に係る鋼材の製造工程は、制御圧延と加速冷却を組み合わせた熱加工制御プロセス（ＴＭＣＰ）であってもよい。
また、鋼材が薄鋼板の場合には、その製造方法は、一般に薄鋼板を製造する際に適用される工程を含み、例えば、上で説明した化学組成を有するスラブを鋳造する工程、鋳造されたスラブを熱間圧延する工程、及び得られた圧延材を冷却して巻き取る工程、必要に応じて冷間圧延工程、焼鈍工程等をさらに含んでいてもよい。棒鋼や他の鋼材の製造方法においても同様に、一般に棒鋼や他の鋼材を製造する際に適用される工程を含み、例えば、上で説明した化学組成を有する溶鋼を形成する製鋼工程、形成された溶鋼からスラブ、ビレット、ブルーム等を鋳造する工程、鋳造されたスラブ、ビレット、ブルーム等を熱間圧延する工程、及び得られた圧延材を冷却する工程を含み、他の工程は、それらの鋼材を製造するのに当業者に公知の適切な工程を適宜選択し、実施することができる。
鋼中の固溶Ｐ量は、９００～１１００℃、好ましくは９５０～１１００℃の範囲内の所定の温度で６０００秒以上保持することによりリン化物を形成し（Ｐ固定処理）、低減することができる。Ｐ固定処理は、熱間圧延工程での熱履歴であってもよく、熱間圧延工程後の熱処理であってもよい。Ｐ固定処理の保持温度は、９００～１１００℃の範囲内の一定の温度であってもよく、当該範囲内で変動してもよい。Ｐ固定処理が熱間圧延工程での熱履歴である場合は、スラブ、ビレット、ブルームなどの鋼素材の加熱から熱間圧延の完了までの間に、９００～１１００℃の範囲内での保持時間が６０００秒以上であればよい。「保持」とは、上記の温度範囲内で放冷又は空冷等により徐々に温度が低下する場合を包含するものである。保持時間の上限は、特に限定されないが、例えば１５０００秒以下又は１２０００秒以下であってよい。熱間圧延工程の熱履歴又は熱間圧延工程後の熱処理にＰ固定処理を含めることで、鋼中の固溶Ｐをリン化物として十分に固定することができるため、その後の焼き戻し処理によってもＰが粒界等へ偏析することを抑制することができる。その結果として、焼き戻し脆化等の発生を抑制することができ、それゆえ鋼材の靭性等の特性を顕著に向上させることが可能となる。また、本発明の実施形態に係る鋼材の製造では、固溶Ｐを固定するためのＸ元素の有効量を確保することが重要であり、そのためにはＸ元素と鋼中で介在物を形成し得るＯ、Ｎ及びＳの含有量を精錬工程において十分に低減しておくことが極めて重要である。
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
［例Ａ］
本例では、まず、種々の化学組成を有するスラブを鋳造し、次いで熱間圧延を圧下率５０％以上で実施し、冷却した。次に、得られた圧延材を９５０～１１００℃の範囲内の所定の温度に加熱し、６０００～１２０００秒保持することによりリン化物を形成し（Ｐ固定処理）、すなわち鋼中のＰの少なくとも一部がリン化物として固定された鋼材を得た。得られた各鋼材から採取した試料を分析した化学組成は、下表１に示すとおりである。また、得られた各鋼材中の固溶Ｐ量は以下の方法によって測定した。
本例では、まず、種々の化学組成を有するスラブを鋳造し、次いで熱間圧延を圧下率５０％以上で実施し、冷却した。次に、得られた圧延材を９５０～１１００℃の範囲内の所定の温度に加熱し、６０００～１２０００秒保持することによりリン化物を形成し（Ｐ固定処理）、すなわち鋼中のＰの少なくとも一部がリン化物として固定された鋼材を得た。得られた各鋼材から採取した試料を分析した化学組成は、下表１に示すとおりである。また、得られた各鋼材中の固溶Ｐ量は以下の方法によって測定した。
［鋼材中の固溶Ｐ量の測定］
鋼材中の固溶Ｐ量は抽出残渣法によって測定した。より具体的には、まず、鋼材から採取した鋼材表面から０．５ｍｍ深さ位置を含む試料を１０％アセチルアセトン－１％テトラメチルアンモニウムクロライド－メタノール溶液中５００ｍｍＡ及び２時間の条件下での定電流電解によって鋼材１ｇ以上を電解し、次いで孔径０．２μｍのメンブレンフィルタを用いて濾過し、析出物（リン化物）を分離した。次に、分離した析出物を硝酸（ＨＮＯ3）と過塩素酸（ＨＣｌＯ4）を２：１で混合した溶液にて分解し、次いで得られた残渣をＩＣＰ－ＭＳ（誘導結合プラズマ質量分析計）で測定することにより鋼材中でリン化物として析出したＰ量（質量％）を決定した。この析出Ｐ量（質量％）を、表１に示される各鋼材中のＰ含有量（質量％）から差し引くことにより各鋼材中の固溶Ｐ量（質量％）を決定した。その結果を表１に示す。
鋼材中の固溶Ｐ量は抽出残渣法によって測定した。より具体的には、まず、鋼材から採取した鋼材表面から０．５ｍｍ深さ位置を含む試料を１０％アセチルアセトン－１％テトラメチルアンモニウムクロライド－メタノール溶液中５００ｍｍＡ及び２時間の条件下での定電流電解によって鋼材１ｇ以上を電解し、次いで孔径０．２μｍのメンブレンフィルタを用いて濾過し、析出物（リン化物）を分離した。次に、分離した析出物を硝酸（ＨＮＯ3）と過塩素酸（ＨＣｌＯ4）を２：１で混合した溶液にて分解し、次いで得られた残渣をＩＣＰ－ＭＳ（誘導結合プラズマ質量分析計）で測定することにより鋼材中でリン化物として析出したＰ量（質量％）を決定した。この析出Ｐ量（質量％）を、表１に示される各鋼材中のＰ含有量（質量％）から差し引くことにより各鋼材中の固溶Ｐ量（質量％）を決定した。その結果を表１に示す。
本例では、リン化物が析出しかつ固溶Ｐ量が０．０１０原子％に相当する０．００６質量％よりも低減されている場合を固溶Ｐ量が低減された鋼材として評価した。表１を参照すると、比較例８５～９２では、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、及びＳｃからなるＸ元素の有効量が低かったために、鋼材中の固溶Ｐをリン化物として析出させることができないか又は十分に析出させることができず、結果として鋼材中の固溶Ｐ量を低減することができなかった。一方、比較例９３では、Ｘ元素の有効量は０．０００３％よりも高く、それゆえ式１を満足するものであったが、鋼材中のＰ含有量が比較的高かったために式２を満足せず、結果として固溶Ｐ量を十分に低減することができなかった。これとは対照的に、本発明に係る全ての実施例において、Ｘ元素の有効量を０．０００３％以上とし、さらには式２を満足する（すなわち式２の左辺を０．０１０％未満にする）ことで、実際に測定される鋼材中の固溶Ｐ量を十分に低減することができた。例えば、実施例９、２５及び４９では、鋼材中のＰ含有量が比較的低いにもかかわらず、本発明の構成を満足することで、その一部をリン化物として析出させて鋼材中の固溶Ｐ量を極めて低い値まで低減できていることがわかる。
［例Ｂ］
低温靭性を確保するため、焼入れ後に所定の温度で焼き戻し処理が行われることがある。鋼中の固溶Ｐが比較的多いと、このような焼き戻し処理の際に当該固溶Ｐが旧オーステナイト粒界等に偏析して、いわゆる焼き戻し脆化を引き起こす場合がある。このような場合には、粒界破壊が起こりやすくなるため、鋼材の靭性が低下する。そこで、本例では、例Ａの幾つかの鋼材について、固溶Ｐの低減に起因する効果を検証した。具体的には、まず、例ＡのＰ固定処理（詳細は下表２に示す）後の実施例４９、６３、７５及び８４並びに比較例９０及び９３の鋼材を焼入れし、次いで５５０℃及び１２００秒の条件下で焼き戻し処理を実施し、得られた鋼材の板厚１／４ｔ部分からＪＩＳ４号試験片（Ｖノッチ試験片：１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ）を採取した。試験片の長手方向は板幅方向であり、ノッチは圧延方向に破壊が伝播するように設けられた。このＪＩＳ４号試験片に基づいてＪＩＳ Ｚ２２４２：２００５の規定に準拠して－１００℃でシャルピー衝撃試験を行った。次いで、シャルピー衝撃試験後の試験片の破面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察した。より具体的にはＳＥＭにより、破面のノッチ底の中央部付近の３００μｍ×３００μｍの範囲を試験片の長軸方向（圧延材の板幅方向）から撮影し、得られた画像から全破面の面積に対する粒界破面の面積の割合（粒界破面率）を算出した。その結果を表２に示す。
低温靭性を確保するため、焼入れ後に所定の温度で焼き戻し処理が行われることがある。鋼中の固溶Ｐが比較的多いと、このような焼き戻し処理の際に当該固溶Ｐが旧オーステナイト粒界等に偏析して、いわゆる焼き戻し脆化を引き起こす場合がある。このような場合には、粒界破壊が起こりやすくなるため、鋼材の靭性が低下する。そこで、本例では、例Ａの幾つかの鋼材について、固溶Ｐの低減に起因する効果を検証した。具体的には、まず、例ＡのＰ固定処理（詳細は下表２に示す）後の実施例４９、６３、７５及び８４並びに比較例９０及び９３の鋼材を焼入れし、次いで５５０℃及び１２００秒の条件下で焼き戻し処理を実施し、得られた鋼材の板厚１／４ｔ部分からＪＩＳ４号試験片（Ｖノッチ試験片：１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ）を採取した。試験片の長手方向は板幅方向であり、ノッチは圧延方向に破壊が伝播するように設けられた。このＪＩＳ４号試験片に基づいてＪＩＳ Ｚ２２４２：２００５の規定に準拠して－１００℃でシャルピー衝撃試験を行った。次いで、シャルピー衝撃試験後の試験片の破面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察した。より具体的にはＳＥＭにより、破面のノッチ底の中央部付近の３００μｍ×３００μｍの範囲を試験片の長軸方向（圧延材の板幅方向）から撮影し、得られた画像から全破面の面積に対する粒界破面の面積の割合（粒界破面率）を算出した。その結果を表２に示す。
固溶Ｐ量が小さいほど、当該固溶Ｐの粒界への偏析が抑制されるため、焼き戻し脆化による粒界破壊が起こりにくくなり、結果として粒界破面率が小さくなる。表２を参照すると、固溶Ｐ量が比較的高い比較例９０及び９３では、粒界破面率が１００％であり、固溶Ｐに起因する焼き戻し脆化が認められた。これとは対照的に、実施例４９、６３、７５及び８４では、Ｘ元素の有効量が高く、それゆえ固溶Ｐ量が十分に低減されているために、粒界破面率が１０％以下であり、鋼材の靭性、特に低温靭性が顕著に向上していることを確認した。
本発明の実施形態に係る鋼材は、例えば、熱間圧延前の鋼材であるスラブ、ビレット、ブルームや熱間圧延後の鋼材である。熱間圧延後の鋼材としては、例えば、橋梁、建築、造船及び圧力容器等の用途に使用される厚鋼板、自動車及び家電等の用途に使用される薄鋼板、さらには棒鋼、線材、形鋼、及び鋼管等をも包含するものである。これらの材料において本発明の実施形態に係る鋼材を適用した場合には、鋼中の固溶Ｐ量が十分に低減されているため、当該固溶Ｐに関連する鋼材の特性、例えば、靭性、延性、耐食性、溶接性などの特性を顕著に改善することが可能である。
Claims (5)
- 質量％で、
Ｃ：０．００１～１．０００％、
Ｓｉ：０．０１～３．００％、
Ｍｎ：０．１０～４．５０％、
Ｐ：０．３００％以下、
Ｓ：０．０３００％以下、
Ａｌ：０．００１～５．０００％、
Ｎ：０．２０００％以下、
Ｏ：０．０１００％以下、
Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｓｍ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％からなる群より選択される少なくとも１種のＸ元素、
Ｎｂ：０～３．０００％、
Ｔｉ：０～０．５００％、
Ｔａ：０～０．５００％、
Ｖ：０～１．００％、
Ｃｕ：０～３．００％、
Ｎｉ：０～６０．００％、
Ｃｒ：０～３０．００％、
Ｍｏ：０～５．００％、
Ｗ：０～２．００％、
Ｂ：０～０．０２００％、
Ｃｏ：０～３．００％、
Ｂｅ：０～０．０５０％、
Ａｇ：０～０．５００％、
Ｚｒ：０～０．５０００％、
Ｈｆ：０～０．５０００％、
Ｃａ：０～０．０５００％、
Ｍｇ：０～０．０５００％、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０～０．５０００％、
Ｓｎ：０～０．３００％、
Ｓｂ：０～０．３００％、
Ｔｅ：０～０．１００％、
Ｓｅ：０～０．１００％、
Ａｓ：０～０．０５０％、
Ｂｉ：０～０．５００％、
Ｐｂ：０～０．５００％、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
下記式１及び式２を満たす化学組成を有する、鋼材。
０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ≧ ０．０００３ ・・・式１
１．８０×［Ｐ］－（０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］） ＜ ０．０１０ ・・・式２
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、［Ｓ］、及び［Ｐ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｎｂ：０．００３～３．０００％、
Ｔｉ：０．００５～０．５００％、
Ｔａ：０．００１～０．５００％、
Ｖ：０．００１～１．００％、
Ｃｕ：０．００１～３．００％、
Ｎｉ：０．００１～６０．００％、
Ｃｒ：０．００１～３０．００％、
Ｍｏ：０．００１～５．００％、
Ｗ：０．００１～２．００％、
Ｂ：０．０００１～０．０２００％、
Ｃｏ：０．００１～３．００％、
Ｂｅ：０．０００３～０．０５０％、及び
Ａｇ：０．００１～０．５００％
のうち１種又は２種以上を含む、請求項１に記載の鋼材。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｚｒ：０．０００１～０．５０００％、
Ｈｆ：０．０００１～０．５０００％、
Ｃａ：０．０００１～０．０５００％、
Ｍｇ：０．０００１～０．０５００％、並びに
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０．０００１～０．５０００％
のうち１種又は２種以上を含む、請求項１又は２に記載の鋼材。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｓｎ：０．００１～０．３００％、及び
Ｓｂ：０．００１～０．３００％
のうち１種又は２種を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の鋼材。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｔｅ：０．００１～０．１００％、
Ｓｅ：０．００１～０．１００％、
Ａｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｂｉ：０．００１～０．５００％、及び
Ｐｂ：０．００１～０．５００％
のうち１種又は２種以上を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の鋼材。
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