(57)【要約】  強度、延性、及び溶接性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提供する。オーステナイト系ステンレス鋼は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０７％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：３．２〜６．５％、Ｎｉ：９〜１４％、Ｃｕ及びＣｏの少なくとも１種の合計：０．００５％以上３％未満、Ｃｒ：１９〜２４％、Ｍｏ：１〜４％、Ｎｂ：０．０５〜０．４％、Ｎ：０．１５〜０．５０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｏ：０．０２％以下、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．５％、Ｂ：０〜０．０１％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、ＲＥＭ：０〜０．５％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が、０．０１〜０．３質量％である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学組成が、質量％で、
Ｃ  ：０．００５〜０．０７％、
Ｓｉ：０．１〜１．２％、
Ｍｎ：３．２〜６．５％、
Ｎｉ：９〜１４％、
Ｃｕ及びＣｏの少なくとも１種の合計：０．００５％以上３％未満、
Ｃｒ：１９〜２４％、
Ｍｏ：１〜４％、
Ｎｂ：０．０５〜０．４％、
Ｎ  ：０．１５〜０．５０％、
Ａｌ：０．０５％以下、
Ｐ  ：０．０３％以下、
Ｓ  ：０．００２％以下、
Ｏ  ：０．０２％以下、
Ｖ  ：０〜０．５％、
Ｔｉ：０〜０．５％、
Ｂ  ：０〜０．０１％、
Ｃａ：０〜０．０５％、
Ｍｇ：０〜０．０５％、
ＲＥＭ：０〜０．５％、
残部：Ｆｅ及び不純物であり、
電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が、０．０１〜０．３質量％である、オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２】
請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記化学組成が、質量％で、
Ｖ  ：０．００１〜０．５％、
Ｔｉ：０．００１〜０．５％、
Ｂ  ：０．０００１〜０．０１％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０５％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０５％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．５％、
からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有する、オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼は、常温で６９０ＭＰａ以上の引張強度と３５％以上の破断伸びとを有する、オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼は、高圧水素ガス機器又は液体水素機器に使用される、オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法であって、
化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０７％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：３．２〜６．５％、Ｎｉ：９〜１４％、Ｃｕ及びＣｏの少なくとも１種の合計：０．００５％以上３％未満、Ｃｒ：１９〜２４％、Ｍｏ：１〜４％、Ｎｂ：０．０５〜０．４％、Ｎ：０．１５〜０．５０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｏ：０．０２％以下、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．５％、Ｂ：０〜０．０１％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、ＲＥＭ：０〜０．５％、残部：Ｆｅ及び不純物である素材を準備する工程と、
前記素材を熱間加工する工程と、
前記熱間加工された素材を、９５０〜１３００℃の固溶化熱処理温度で、下記の式（１）を満たす条件で固溶化熱処理する工程とを備え、
前記熱間加工と前記固溶化熱処理との間に、冷間加工を実施しない、オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
４０×［％Ｎｂ］＋１００≦Ｔ×ｌｏｇ（１．２＋ｔ／６０）≦−２００×［％Ｎｂ］＋７００…（１）
式（１）において、［％Ｎｂ］には前記素材のＮｂ含有量が質量％で代入され、Ｔには固溶化熱処理温度が℃で代入され、ｔには固溶化熱処理時間が分で代入される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼及びオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料に代わるエネルギーとして、水素をエネルギーとして利用する輸送機器の実用化研究が進められている。その実用化に際しては、水素を高圧で貯蔵、輸送できる使用環境（以下、水素設備ともいう。）の整備が併せて必要である。水素設備は例えば、高圧水素ガス用機器や液体水素用機器等である。水素設備に使用される材料には、耐水素脆化特性が要求される。【０００３】
国際公開第２００４／０８３４７６号、国際公開第２００４／０８３４７７号、国際公開第２００４／１１０６９５号、国際公開第２０１２／１３２９９２号には、高強度のオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。これらの文献では、高Ｍｎ化することでＮの溶解度を高め、かつＶやＮｂを添加することにより、Ｎによる固溶強化及び窒化物による析出強化、さらにはそのピニング効果による結晶粒の微細化を活用して、高強度化が試みられている。【０００４】
オーステナイト系ステンレス鋼を構造物として使用する場合、コスト面から溶接による組み立てが可能であることが求められる。特開平５−１９２７８５号公報、特開２０１０−２２７９４９号公報、及び前掲の国際公開第２００４／１１０６９５号には、Ａｌ、Ｔｉ及びＮｂを積極的に活用し、溶接後熱処理を行うことで８００ＭＰａを超える引張強さを有する溶接継手が開示されている。【０００５】
国際公開第２０１３／００５５７０号には、溶接材料のＮ含有量、溶接時のシールドガス、及び溶融池面積を管理することで、溶接金属のＮ含有量を増大させて、溶接後熱処理をしなくても高強度が得られるようにした溶接継手が開示されている。
【発明の開示】
【０００６】
構造物として用いられる材料には、耐水素脆化特性や強度以外に、様々な特性が求められる。例えば、これらの材料を配管として用いる場合、構造物によっては、冷間で曲げ加工を行ったり、種々の条件で溶接を実施したりすることがある。そのため、健全な構造物を得るためには、十分な延性及び優れた溶接性の両立が求められる。
【０００７】
上記の特許文献に記載された技術を活用すれば、耐水素脆化特性に優れた高強度の母材又は溶接継手が得られる。特に、国際公開第２００４／０８３４７６号及び国際公開第２００４／０８３４７７号には、破断伸びで３０％を上回る延性を有する高強度のオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。しかしながら、合金元素としてＮｂを高濃度に含有させて積極的にその添加効果を得ようとすると、溶接性が低下し、溶接施工時に溶接熱影響部に割れが生じる場合がある。
【０００８】
国際公開第２０１２／１３２９９２号には、固溶化熱処理後に冷間加工を施した後、再度熱処理を行うことで、８００ＭＰａ以上の強度を有するオーステナイト系ステンレス鋼を得られることが開示されている。しかしながら、構造物として使用する場合、すべての部材に冷間加工を実施することは困難であり、熱間加工後に固溶化熱処理を施したままの状態で、必要な強度等が得られる材料がより好ましい。
【０００９】
本発明の目的は、強度、延性、及び溶接性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提供することである。
【００１０】
本発明の一実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０７％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：３．２〜６．５％、Ｎｉ：９〜１４％、Ｃｕ及びＣｏの少なくとも１種の合計：０．００５％以上３％未満、Ｃｒ：１９〜２４％、Ｍｏ：１〜４％、Ｎｂ：０．０５〜０．４％、Ｎ：０．１５〜０．５０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｏ：０．０２％以下、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．５％、Ｂ：０〜０．０１％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、ＲＥＭ：０〜０．５％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が、０．０１〜０．３質量％である。
【００１１】
本発明によれば、強度、延性、及び溶接性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が得られる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明者らは、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０７％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：３．２〜６．５％、Ｎｉ：９〜１４％、Ｃｕ及びＣｏの少なくとも１種の合計：０．００５％以上３％未満、Ｃｒ：１９〜２４％、Ｍｏ：１〜４％、Ｎｂ：０．０５〜０．４％、Ｎ：０．１５〜０．５０％、Ａｌ：０．０５％以下等を含有する素材に対して、熱間加工及び固溶化熱処理を実施して製造したオーステナイト系ステンレス鋼の強度及び延性について調査し、以下の知見を得た。
【００１３】
オーステナイト系ステンレス鋼の強度及び延性は、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量、すなわち、Ｎｂを含有する析出物の量と関係する。Ｎｂを含有する析出物は、オーステナイト系ステンレス鋼の製造時に生成したＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物である。
【００１４】
熱間加工後、固溶化熱処理したままの状態で必要な強度を得るためには、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を０．００５質量％以上にする必要がある。一方、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が０．３質量％を超えると、延性が低下する。
【００１５】
電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が０．００５質量％以上であり、必要な強度を有する鋼であっても、溶接して使用すると、溶融線に近接した溶接熱影響部に液化割れが発生するという別の問題が生じる場合がある。これは、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が少ない場合、Ｎｂの炭窒化物や窒化物によるピニングの効果が十分に得られず、溶接中に結晶粒が粗大化することが原因と考えられる。溶接時の液化割れを抑制するためには、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を０．０１質量％以上にする必要がある。
【００１６】
したがって、上記の化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼において、優れた強度、延性、及び溶接性を得るためには、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を０．０１〜０．３質量％にすればよい。
【００１７】
本発明者らはさらに、熱間加工後に実施する固溶化熱処理の条件を、素材のＮｂ含有量に応じて調整することによって、さらに優れた延性及び溶接性が得られることを見いだした。具体的には、９５０〜１３００℃の固溶化熱処理温度で、下記の式（１）を満たす条件で固溶化熱処理すれば、優れた延性及び溶接性を得られることが分かった。
４０×［％Ｎｂ］＋１００≦Ｔ×ｌｏｇ（１．２＋ｔ／６０）≦−２００×［％Ｎｂ］＋７００…（１）
式（１）において、［％Ｎｂ］には前記素材のＮｂ含有量が質量％で代入され、Ｔには固溶化熱処理温度が℃で代入され、ｔには固溶化熱処理時間が分で代入される。
【００１８】
以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、本発明の一実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼及びその製造方法について詳述する。
【００１９】
［化学組成］
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。
【００２０】
Ｃ：０．００５〜０．０７％
炭素（Ｃ）は、オーステナイトを安定化するのに有効な元素である。さらに、Ｎｂの炭化物を生成し、強度確保にも寄与する。この効果を十分に得るためには、Ｃ含有量を０．００５％以上にする必要がある。しかしながら、Ｃ含有量が高すぎると、Ｎｂ炭化物が過剰に生成され、鋼の延性が低下する。そのため、Ｃ含有量は０．００５〜０．０７％である。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．０６％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
【００２１】
Ｓｉ：０．１〜１．２％以下
シリコン（Ｓｉ）は、脱酸剤として有効な元素であるとともに、耐食性の向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Ｓｉ含有量を０．１％以上にする必要がある。しかしながら、Ｓｉ含有量が高すぎると、オーステナイト組織の安定性を低下させるとともに、鋼の延性が低下する。そのため、Ｓｉ含有量は０．１〜１．２％である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．２％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは１．１％であり、さらに好ましくは１．０％である。
【００２２】
Ｍｎ：３．２〜６．５％
マンガン（Ｍｎ）は、製造時の脱酸に寄与するとともに、オーステナイトを安定化するのにも有効な元素である。Ｍｎはさらに、Ｎの溶解度を大きくして、強度を高めるのに間接的に寄与する。この効果を十分に得るためには、Ｍｎ含有量を３．２％以上にする必要がある。一方、Ｍｎ含有量が高すぎると、これらの効果が飽和するだけでなく、溶接時にヒュームとなって溶接部に付着し、耐食性を低下させる。そのため、Ｍｎ含有量は３．２〜６．５％である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは３．４％であり、さらに好ましくは３．５％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは６．３％であり、さらに好ましくは６．０％である。
【００２３】
Ｎｉ：９〜１４％
ニッケル（Ｎｉ）は、安定なオーステナイトを得るために必須の元素であり、積層欠陥エネルギーを高め、水素環境下での脆化感受性を低下させる。この効果を十分に得るためには、Ｎｉ含有量を９％以上にする必要がある。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であるため、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｎｉ含有量は９〜１４％である。Ｎｉ含有量の下限は、好ましくは９．５％であり、さらに好ましくは１０％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは１３．５％であり、さらに好ましくは１３％である。
【００２４】
Ｃｕ及びＣｏの少なくとも１種の合計：０．００５％以上３％未満
Ｃｕ（銅）及びＣｏ（コバルト）は、Ｎｉと同様、安定なオーステナイト組織を得るために有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Ｃｕ及びＣｏの合計の含有量を０．００５％以上にする必要がある。Ｃｕ及びＣｏは、いずれか一方のみが含有されていてもよく、両方が含有されていてもよい。しかしながら、Ｃｕ及びＣｏは高価な元素であるため、多量の含有はコストの増大を招く。また、Ｃｕ及びＣｏの含有量が過剰になると、鋼の延性が低下する。したがって、Ｃｕ及びＣｏの含有量の合計は、０．００５％以上３％未満である。Ｃｕ及びＣｏの含有量の合計の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。Ｃｕ及びＣｏ含有量の合計の上限は、好ましくは２％であり、さらに好ましくは１％である。
【００２５】
Ｃｒ：１９〜２４％
クロム（Ｃｒ）は、使用環境下での耐食性を確保するために必須の元素である。Ｃｒはさらに、母材製造時にＮの溶解度を大きくして、強度を高めるのに間接的に寄与する。この効果を十分に得るためには、Ｃｒ含有量を１９％以上にする必要がある。しかしながら、Ｃｒ含有量が高すぎると、オーステナイト組織が不安定になる。そのため、Ｃｒ含有量は１９〜２４％である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは１９．５％であり、さらに好ましくは２０％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは２３．５％であり、さらに好ましくは２３％である。
【００２６】
Ｍｏ：１〜４％
モリブデン（Ｍｏ）は、使用環境下での耐食性の向上、及び、強度を高めるために有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Ｍｏ含有量を１％以上にする必要がある。しかしながら、Ｍｏは高価な元素であるため、多量の含有はコストの増大を招く。また、Ｍｏ含有量が高すぎるとオーステナイト組織が不安定になる。そのため、Ｍｏ含有量は１〜４％である。Ｍｏ含有量の下限は、好ましくは１．２％であり、さらに好ましくは１．５％である。Ｍｏ含有量の上限は、好ましくは３．８％であり、さらに好ましくは３．５％である。
【００２７】
Ｎｂ：０．０５〜０．４％
ニオブ（Ｎｂ）は、マトリックスに微細な炭窒化物や窒化物として析出し、強度を向上させるのに有効な元素である。また、微細に析出した炭窒化物や窒化物は溶接時の熱影響部の結晶粒の粗大化を抑制し、液化割れ感受性を低減する。その効果を十分に得るためには、Ｎｂ含有量を０．０５％以上にする必要がある。しかしながら、Ｎｂ含有量が高すぎると、溶接熱影響部の割れ感受性が高まるとともに、炭窒化物や窒化物が多量に析出して、材料の延性が低下する。そのため、Ｎｂ含有量は０．０５〜０．４％である。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．３８％であり、さらに好ましくは０．３５％である。
【００２８】
ここでのＮｂ含有量とは、オーステナイト系ステンレス鋼に含まれるＮｂの総量を意味する。すなわち、マトリックスに固溶しているＮｂの量と、析出物として存在しているＮｂの量との合計を意味する。なお、本実施形態では、Ｎｂ含有量に加えて、析出物として存在しているＮｂの量、すなわち電解抽出残渣として分析されるＮｂ量も規定の範囲にする必要がある。
【００２９】
Ｎ：０．１５〜０．５０％
窒素（Ｎ）は、マトリックスに固溶するとともに、Ｎｂ等と微細な炭窒化物や窒化物を形成し、高強度化に寄与する。Ｎはさらに、オーステナイト組織の安定化にも有効な元素である。これらの効果を十分に得るためには、Ｎ含有量を０．１５％以上にする必要がある。しかしながら、Ｎ含有量が高すぎると、製造時の熱間加工性が低下するとともに、Ｎｂの析出物が過剰に析出し、鋼の延性を低下させる。そのため、Ｎ含有量は０．１５〜０．５０％である。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．２２％であり、さらに好ましくは０．２５％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．４８％であり、さらに好ましくは０．４５％である。
【００３０】
Ａｌ：０．０５％以下
Ａｌ（アルミニウム）は、Ｓｉと同様、脱酸剤として含有される。しかしながら、Ａｌ含有量が高すぎると、鋼の清浄性が劣化して熱間加工性が低下する。そのため、Ａｌ含有量は０．０５％以下である。Ａｌ含有量は、好ましくは０．０４％以下であり、さらに好ましくは０．０３％以下である。なお、Ａｌ含有量の下限は特に設ける必要はないが、極端な低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。
【００３１】
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物とは、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、あるいは製造過程の環境等から混入する元素をいう。
【００３２】
不純物のうち、Ｐ、Ｓ、及びＯの含有量はそれぞれ、次に述べる範囲に制限する。
【００３３】
Ｐ：０．０３％以下
リン（Ｐ）は、鋼中に不純物として含まれる。Ｐ含有量が高すぎると、製造時の熱間加工性が低下するとともに、溶接時に溶接熱影響部の液化割れ感受性が高まる。Ｐ含有量は低いほど好ましいが、極端な低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量は０．０３％以下である。Ｐ含有量は、好ましくは０．０２５％以下であり、さらに好ましくは０．０２％以下である。
【００３４】
Ｓ：０．００２％以下
硫黄（Ｓ）は、鋼中に不純物として含まれる。Ｓ含有量が高すぎると、製造時の熱間加工性が低下するとともに、鋼の延性が低下する。Ｓ含有量が高すぎるとさらに、溶接時に溶接熱影響部の液化割れ感受性が高まる。Ｓ含有量は低いほど好ましいが、極端な低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量は０．００２％以下である。Ｓ含有量は、好ましくは０．００１８％以下であり、さらに好ましくは０．００１５％以下である。
【００３５】
Ｏ：０．０２％以下
酸素（Ｏ）は、鋼中に不純物として含まれる。Ｏ含有量が高すぎると、製造時の熱間加工性が低下するとともに、鋼の清浄性が劣化して延性が低下する。そのため、Ｏ含有量は、０．０２％以下である。Ｏ含有量は、好ましくは０．０１５％以下であり、さらに好ましくは０．０１％以下である。Ｏ含有量の下限は特に設ける必要はないが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｏ含有量の下限は、好ましくは０．００１％、さらに好ましくは０．００２％である。
【００３６】
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、上記のＦｅの一部に代えて、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＲＥＭから選択される１種以上の元素を含有してもよい。Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＲＥＭは、いずれも任意元素である。すなわち、本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＲＥＭの、一部又はすべてを含有していなくてもよい。
【００３７】
Ｖ：０〜０．５％
バナジウム（Ｖ）は、Ｎｂと同様に、炭窒化物として析出し、鋼の強度を向上させる。Ｖが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｖ含有量が高すぎると、炭窒化物が過剰に析出し、鋼の延性が低下する。そのため、Ｖ含有量は０〜０．５％である。Ｖ含有量の下限は、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０．０１％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。
【００３８】
Ｔｉ：０〜０．５％
チタン（Ｔｉ）は、Ｖ、Ｎｂと同様に、炭窒化物として析出し、鋼の強度を向上させる。Ｔｉが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｔｉ含有量が高すぎると、炭窒化物が過剰に析出し、鋼の延性が低下する。そのため、Ｔｉ含有量は０〜０．５％である。Ｔｉ含有量の下限は、好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００３％であり、さらに好ましくは０．００５％である。Ｔｉ含有量の上限は、好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。
【００３９】
Ｂ：０〜０．０１％
ボロン（Ｂ）は、粒界に偏析して粒界固着力を高め、強度向上に寄与するとともに、延性を改善する。Ｂはまた、水素環境下での脆化を抑制する。Ｂが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｂ含有量が高すぎると、溶接熱影響部の液化割れ感受性が高まる。そのため、Ｂ含有量は０〜０．０１％である。Ｂ含有量の下限は、好ましくは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０．０００５％である。Ｂ含有量の上限は、好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．００５％である。
【００４０】
Ｃａ：０〜０．０５％
カルシウム（Ｃａ）は、鋼の熱間加工性を改善する。Ｃａが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｃａ含有量が高すぎると、ＣａがＯと結合し、鋼の清浄性が劣化して熱間加工性が低下する。そのため、Ｃａ含有量は０〜０．０５％である。Ｃａ含有量の下限は、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０．００１％である。Ｃａ含有量の上限は、好ましくは０．０３％であり、さらに好ましくは０．０１％である。
【００４１】
Ｍｇ：０〜０．０５％
マグネシウム（Ｍｇ）は、Ｃａと同様に、鋼の熱間加工性を改善する。Ｍｇが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｍｇ含有量が高すぎると、ＭｇがＯと結合し、鋼の清浄性が劣化して熱間加工性が低下する。そのため、Ｍｇ含有量は０〜０．０５％である。Ｍｇ含有量の下限は、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０．００１％である。Ｍｇ含有量の上限は、好ましくは０．０３％であり、さらに好ましくは０．０１％である。
【００４２】
ＲＥＭ：０〜０．５％
希土類元素（ＲＥＭ）は、Ｓとの親和力が強く、鋼の熱間加工性を改善する。ＲＥＭが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。しかしながら、ＲＥＭ含有量が高すぎると、ＲＥＭがＯと結合し、鋼の清浄性が劣化して熱間加工性が低下する。そのため、ＲＥＭ含有量は０〜０．５％である。ＲＥＭ含有量の下限は、好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％であり、さらに好ましくは０．００５％である。ＲＥＭ含有量の上限は、好ましくは０．３％であり、さらに好ましくは０．１％である。
【００４３】
「ＲＥＭ」とはＳｃ、Ｙ及びランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量はＲＥＭのうちの１種又は２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭは一般的にミッシュメタルに含有される。このため例えば、合金にミッシュメタルを添加して、ＲＥＭの含有量が上記の範囲となるようにしても良い。
【００４４】
［電解抽出残渣として分析されるＮｂ量］
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が、０．０１〜０．３質量％である。
【００４５】
素材に含有されるＮｂは、固溶化熱処理の過程で、微細な炭窒化物や窒化物として析出する。微細に析出したＮｂの炭窒化物及び／又は窒化物は、鋼の強度を向上させるとともに、溶接時に溶接熱影響部の結晶粒の粗大化抑制に寄与して液化割れ感受性を低減する。この効果を得るためには、炭窒化物及び／又は窒化物として析出しているＮｂ量、すなわち電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を０．０１質量％以上にする必要がある。しかしながら、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が過剰になると、鋼の延性が低下する。したがって、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量は０．０１〜０．３質量％である。電解抽出残渣として分析されるＮｂ量の下限は、好ましくは０．０２質量％であり、さらに好ましくは０．０３質量％である。電解抽出残渣として分析されるＮｂ量の上限は、好ましくは０．２８質量％であり、さらに好ましくは０．２５質量％である。
【００４６】
電解抽出残渣として分析されるＮｂ量は、素材のＮｂ含有量及びＮ含有量、並びに固溶化熱処理の条件によって調整することができる。具体的には、素材のＮｂ含有量及びＮ含有量が高いほど、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量は高くなる。固溶化熱処理の温度が低いほど、及び／又は保持時間が長いほど電解抽出残渣として分析されるＮｂ量は高くなる。ただし、固溶加熱処理の温度が低く、及び／又は保持時間が短い場合、熱間加工等、固溶化熱処理までの工程で生成したＮｂの炭窒化物及び／又は窒化物が十分に固溶しないため、この場合も電解抽出残渣として分析されるＮｂ量は高くなる。また、固溶化熱処理における冷却において、Ｎｂの炭窒化物及び／又は窒化物が析出する１１００〜６００℃の温度域の冷却速度を小さくするほど、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量は高くなる。
【００４７】
電解抽出残渣として分析されるＮｂ量は、以下のように測定する。
【００４８】
オーステナイト系ステンレス鋼から、所定の大きさの試験材を採取する。１０体積％アセチルアセトン−１質量％テトラメチルアンモニウムクロライドメタノール溶液を電解液として用いた定電流電解法によって、電流密度２０〜２５ｍＡ／ｃｍ２で試験材を陽極溶解し、炭窒化物及び窒化物を残渣として抽出する。抽出した残渣を酸分解した後、ＩＣＰ（高周波誘導結合プラズマ）発光分析を行い、残渣中のＮｂの質量を測定する。残渣中のＮｂの質量を試験材の溶解量で除して、炭窒化物及び／又は窒化物として存在しているＮｂ量、すなわち電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を求める。
【００４９】
［製造方法］
以下、本発明の一実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法を説明する。本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、素材を準備する工程と、素材を熱間加工する工程と、熱間加工された素材を固溶化熱処理する工程とを備える。
【００５０】
まず、上述した化学組成の素材を準備する。具体的には例えば、上述した化学組成の鋼を溶製し、精錬する。
【００５１】
素材を熱間加工する。熱間加工は例えば、熱間圧延や熱間鍛造である。
【００５２】
熱間加工された素材を固溶化熱処理する。具体的には、素材を所定の固溶化熱処理温度において、所定の固溶化熱処理時間保持した後、冷却する。これによって、熱間加工等の際に析出した粗大なＮｂの炭窒化物及び／又は窒化物を固溶させて、冷却の過程で微細な炭窒化物及び／又は窒化物として再度析出させることができる。微細に析出したＮｂの炭窒化物及び／又は窒化物は、鋼の強度及び延性の向上に寄与する。
【００５３】
固溶化熱処理温度は、好ましくは９５０〜１３００℃である。固溶化熱処理温度が９５０℃未満では、熱間加工時に析出したＮｂの炭窒化物及び／又は窒化物が十分に固溶せず、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を０．３質量％以下にできない場合がある。一方、固溶化熱処理温度が１３００℃を超えると、結晶粒が粗大化するとともに、粒界の一部溶融が開始する場合がある。
【００５４】
固溶化熱処理における冷却は、水冷が好ましい。固溶化熱処理後の冷却において、Ｎｂの炭窒化物及び／又は窒化物が析出する１１００〜６００℃の温度域の冷却速度を小さくするほど、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を高くすることができる。この温度域の冷却速度は、好ましくは０．５℃／秒以上であり、さらに好ましくは１℃／秒以上である。
【００５５】
固溶化熱処理は、好ましくは、下記の式（１）を満たす条件で実施する。
４０×［％Ｎｂ］＋１００≦Ｔ×ｌｏｇ（１．２＋ｔ／６０）≦−２００×［％Ｎｂ］＋７００…（１）
式（１）において、［％Ｎｂ］には前記素材のＮｂ含有量が質量％で代入され、Ｔには固溶化熱処理温度が℃で代入され、ｔには固溶化熱処理時間が分で代入される。なお、ｌｏｇ（ｘ）はｘの常用対数である。
【００５６】
Ｔ×ｌｏｇ（１．２＋ｔ／６０）が４０×［％Ｎｂ］＋１００よりも小さいと、粗大なＮｂの炭窒化物及び／又は窒化物が十分に固溶せず、冷却を含む過程で微細な炭窒化物及び／又は窒化物が十分に析出しなくなる。そのため、強度や延性の向上効果が小さくなる。これは、素材のＮｂ含有量が高いほど、粗大なＮｂの炭窒化物及び／又は窒化物を固溶させるために高い温度及び／又は長い時間を必要とするためである。したがって、素材のＮｂ含有量が高いほど、Ｔ×ｌｏｇ（１．２＋ｔ／６０）の値を大きくすることが好ましい。
【００５７】
一方、Ｔ×ｌｏｇ（１．２＋ｔ／６０）が−２００×［％Ｎｂ］＋７００を超えると、結晶粒の粗大化が著しく、溶接時の液化割れ感受性が高まる。Ｎｂは液化割れ感受性を高める元素であるため、素材のＮｂ含有量が高いほど、Ｔ×ｌｏｇ（１．２＋ｔ／６０）の値を小さくすることが好ましい。
【００５８】
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法は、好ましくは、熱間加工と固溶化熱処理との間に、冷間加工を実施しない。これは、冷間加工を実施すると、固溶化熱処理の昇温過程で歪誘起の析出物が生成され、固溶化熱処理により高い温度又は長い時間が必要になるためである。
【００５９】
以上、本発明の実施形態を説明した。本実施形態によれば、強度、延性、及び溶接性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が得られる。
【００６０】
上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。
【実施例】
【００６１】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。【００６２】
表１に示す化学組成を有する鋼種Ａ〜Ｆの材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延により、板厚１４ｍｍの板材を作製した。その後、温度及び時間を種々変化させて固溶化熱処理を実施した。固溶化熱処理後の冷却は水冷とした。固溶化熱処理した板材を板圧１２ｍｍに機械加工し、供試材とした。なお、表１の「−」は、該当する元素の含有量が不純物レベルであることを示す。【００６３】
【表１】
2017056619.tif 000002
【００６４】
［残渣分析］
各供試材から１０ｍｍ角、長さ５０ｍｍの試験材を採取し、上述の実施形態で説明した方法によって、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を測定した。【００６５】
［引張試験］
各供試材から、平行部径８ｍｍ、平行部長５５ｍｍのＪＩＳ  Ｚ２２０１（２０１３）に示されている１４Ａ号丸棒試験片を採取し、常温での引張試験を実施した。引張強さが、水素設備に要求される６９０ＭＰａ以上のものを合格とした。このうち、引張強さが８００ＭＰａ以上のものを、引張強さが特に優れていると評価した。また、延性については、引張試験における破断伸びが３５％以上のものを合格とした。このうち、破断伸びが４０％以上のものを、延性が特に優れていると評価した。【００６６】
［低歪速度引張試験］
引張試験に合格した供試材に対して、高圧水素環境下における耐水素脆化特性を評価するため、低歪速度引張試験を実施した。具体的には、供試材から板状低歪速度引張試験片を採取し、大気中、及び４５ＭＰａの高圧水素環境中で低歪速度引張試験を実施した。歪速度は３×１０−５／秒とした。高圧水素環境中での破断絞りの値が大気中での破断絞りの値の９０％以上となるものを合格とした。【００６７】
［溶接試験］
引張試験及び低歪速度引張試験に合格した供試材に対して、溶接性を評価するための試験を実施した。具体的には、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの鋼板を準備し、その長手方向に沿った断面に、開先角度３０°、ルート厚さ１ｍｍのＶ開先を加工した。この鋼板を、厚さ２５ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍのＪＩＳ  Ｇ  ３１０６（２００８）に規定のＳＭ４００Ｂ鋼板上に、ＪＩＳ  Ｚ  ３２２４（２０１０）に規定の被覆アーク溶接棒ＥＮｉ６６２５を用いて、四周を拘束溶接した。その後、開先内にＪＩＳ  Ｚ  ３３３４（２０１１）に規定のＳＮｉ６０８２該当のティグワイヤを用いて、開先内に入熱１０〜１５ｋＪ／ｃｍで積層溶接を行い、溶接継手を作製した。【００６８】
作製した溶接継手の５カ所から、観察面が継手の横断面（溶接ビードと垂直な断面）になるように試料を採取した。採取した試料を鏡面研磨、腐食した後、光学顕微鏡によって検鏡し、溶接熱影響部における割れの有無を調査した。５個の試料のうち、割れが認められた試料の数が１個以下であったものを合格とした。このうち、すべての試料で割れが認められなかったものを、溶接性が特に優れていると評価した。【００６９】
固溶化熱処理条件、及び各試験の結果を表２に示す。【００７０】
【表２】
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【００７１】
表２において、「Ｎｂ量（質量％）」は、素材のＮｂ含有量を示す。「Ｔ（℃）」及び「ｔ（分）」はそれぞれ、固溶化熱処理温度及び固溶化熱処理時間を示す。ｆｎ１、ｆｎ２、及びｆｎ３はそれぞれ、式（１）の左辺、中辺、及び右辺を示す。「残渣Ｎｂ量（質量％）」は、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を示す。【００７２】
「引張試験」の欄には、引張試験の結果が記載されている。「引張強さ」の欄において、「優」は当該供試材の引張強さが８００ＭＰａ以上であったことを示し、「不可」は６９０ＭＰａ未満であったことを示す。「伸び」の欄において、「優」は当該供試材の破断伸びが４０％以上であったことを、「良」は３５％以上４０％未満であったことを、「不可」は３５％未満であったことを示す。【００７３】
「低歪速度引張試験」の欄には、低歪速度引張試験の結果が記載されている。同欄の「合格」は、当該供試材において、高圧水素環境中での破断絞りの値が大気中での破断絞りの値の９０％以上であったことを示す。【００７４】
「溶接試験」の欄には、溶接試験の結果が記載されている。同欄において、「優」は５個の試料いずれにも割れが認められなかったことを、「良」は、１個の試料のみに割れが認められたことを、「不可」は２個以上の試料に割れが認められたことを示す。【００７５】
「低歪速度引張試験」及び「溶接試験」の欄の「−」は、当該試験を実施していないことを示す。【００７６】
表２に示すように、代符Ａ１〜Ａ１９、Ｂ１〜Ｂ６、Ｂ８〜Ｂ１３、及びＣ１〜Ｃ１２の供試材は、引張試験、低歪速度引張試験、及び溶接試験のいずれにも合格した。なかでも、代符Ａ１、Ａ３〜Ａ８、Ａ１１〜Ａ１６、Ａ１８、Ａ１９、Ｂ１、Ｂ３〜Ｂ５、Ｂ８〜Ｂ１１、Ｂ１３、Ｃ１〜Ｃ６、Ｃ８〜Ｃ１１の供試材は、引張試験及び溶接試験の両方において優れた結果を示した。具体的には、引張強さが８００ＭＰａ以上であり、破断伸びが４０％以上であり、５個の試料いずれにも割れが認められなかった。【００７７】
代符Ａ２、Ａ１０、及びＢ２の供試材は、破断伸び３５％以上４０％未満であり、代符Ａ１等と比較すると延性が若干劣っていた。これは、Ｔ×ｌｏｇ（１．２＋ｔ／６０）の値が素材のＮｂ含有量との関係で低すぎ、粗大なＮｂの炭窒化物及び／又は窒化物を十分に固溶できなかったためと考えられる。【００７８】
代符Ａ９、Ａ１７、Ｂ６、Ｂ１２、Ｃ７、及びＣ１２の供試材は、５個のうち１個の試料のみに割れが認められ、代符Ａ等と比較すると溶接性が若干劣っていた。これは、Ｔ×ｌｏｇ（１．２＋ｔ／６０）の値がＮｂ含有量との関係で高すぎ、粒径が大きくなったことによって液化割れ感受性が高まったためと考えられる。【００７９】
代符Ｂ７は、引張強さは十分であったものの、破断伸びが３５％未満であった。これは、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が高すぎたためと考えられる。電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が高すぎたのは、固溶化熱処理の温度が低かったことにより、冷却開始温度も低くなり、析出物が生成する温度域を通過するときの冷却速度が小さくなりすぎて析出物が過剰に生成されたためと考えられる。【００８０】
代符Ｃ１３は、引張強さが６９０ＭＰａ未満であった。これは、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が低すぎたためと考えられる。電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が低すぎたのは、固溶化熱処理の温度が高かったことにより、冷却開始温度も高くなり、析出物が生成する温度域を通過するときの冷却速度が大きくなりすぎて析出物の生成が抑制されたためと考えられる。【００８１】
代符Ｄ１及びＤ２は、引張強さ及び延性は十分であったものの、５個のうち２個以上の試料に割れが認められた。これは、鋼種ＤのＮｂ含有量が高すぎたため、液化割れ感受性が高まったためと考えられる。【００８２】
代符Ｅ１及びＥ２は、引張強さは十分であったものの、破断伸びが３５％未満であった。これは、鋼種ＥのＣｕ及びＣｏの合計の含有量が高すぎたためと考えられる。【００８３】
代符Ｆ１及びＦ２は、Ｎｂを含有しなかったため、引張強さが６９０ＭＰａ未満であった。【００８４】
以上のように、本発明によれば、強度、延性、及び溶接性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が得られることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明によれば、強度、延性、及び溶接性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が得られる。したがって、本発明は、高圧水素ガス用機器や液体水素貯槽等の種々の鋼材に好適に利用することができる。
【国際調査報告】
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