(57)【要約】【課題】熱処理ままで高強度を有し、さらに、高温環境下において優れた耐強酸・炭酸ガス腐食性を有するステンレス鋼材を提供する。【解決手段】本実施形態のステンレス鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０４０％以下、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０１０〜０．３０％、Ｃｒ：１８．０％を超えて２１．０％以下、Ｃｕ：１．５〜４．０％、Ｎｉ：３．０〜６．０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜０．１００％、及び、残部はＦｅ及び不純物からなり、式（１）及び式（２）を満たす化学組成と、体積率で、２０．０〜６０．０％のフェライト相、１．０〜１０．０％のオーステナイト相、及び、残部がマルテンサイトからなるミクロ組織とを有する。  １５．０≦６１６−７０６（Ｃ＋Ｎ）−２２Ｓｉ−２４Ｍｎ−２６Ｎｉ−１８Ｃｒ−８Ｃｕ−１６Ｍｏ・・・（１）  ２０．０≦Ｃｒ＋Ｃｕ≦２４．５・・・（２）【選択図】図２
2019073789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０４０％以下、
Ｓｉ：０．０５〜１．０％、
Ｍｎ：０．０１０〜０．３０％、
Ｃｒ：１８．０％を超えて２１．０％以下、
Ｃｕ：１．５〜４．０％、
Ｎｉ：３．０〜６．０％、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜０．１００％、
Ｍｏ：０〜０．６０％、
Ｗ：０〜２．０％、
Ｃｏ：０〜０．３０％、
Ｔｉ：０〜０．１０％、
Ｖ：０〜０．１５％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｎｂ：０〜０．１０％、
Ｃａ：０〜０．０１０％、
Ｍｇ：０〜０．０１０％、
ＲＥＭ：０〜０．０５％、
Ｂ：０〜０．００５％、及び、
残部はＦｅ及び不純物からなり、
前記不純物のうち、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｎはそれぞれ、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００２０％未満、
Ｏ：０．０２０％以下、及び、
Ｎ：０．０２０％以下であり、
式（１）及び式（２）を満たす化学組成と、
体積率で、
２０．０〜６０．０％のフェライト相、１．０〜１０．０％のオーステナイト相、及び、残部がマルテンサイトからなるミクロ組織とを有する、ステンレス鋼材。
１５．０≦６１６−７０６（Ｃ＋Ｎ）−２２Ｓｉ−２４Ｍｎ−２６Ｎｉ−１８Ｃｒ−８Ｃｕ−１６Ｍｏ・・・（１）
２０．０≦Ｃｒ＋Ｃｕ≦２４．５・・・（２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、各元素の含有量（質量％）が代入される。
【請求項２】
請求項１に記載のステンレス鋼材であって、
前記化学組成は、
Ｍｏ：０．０２〜０．６０％、
Ｗ：０．０１〜２．０％、及び、
Ｃｏ：０．０１〜０．３０％
からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する、ステンレス鋼材。
【請求項３】
請求項１又２に記載のステンレス鋼材であって、
前記化学組成は、
Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、
Ｖ：０．００５〜０．１５％、
Ｚｒ：０．００５〜０．１０％、及び、
Ｎｂ：０．００５〜０．１０％
からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する、ステンレス鋼材。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のステンレス鋼材であって、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．０５％、及び、
Ｂ：０．０００５％〜０．００５％
からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する、ステンレス鋼材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のステンレス鋼材からなる、ステンレス鋼管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼材及びステンレス鋼管に関し、さらに詳しくは油井や地熱井向けステンレス鋼材及びステンレス鋼管に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油や天然ガスの採掘や採取、及び、地熱発電用の蒸気の採取のために鋼管が使用される。石油や天然ガスは地中深くに存在するため、油井に使用される鋼管には高強度が要求される。また、油井は地域や深度等に応じて全く異なる環境を有する。特に、炭酸ガス（ＣＯ２）の含有量及び硫化水素ガス（Ｈ２Ｓ）の含有量は油井ごとに大きく異なる。たとえばある油井では、炭酸ガスの含有量及び硫化水素ガスの含有量の両方が高い。一方で別の油井では、炭酸ガスの含有量は高いものの硫化水素ガスの含有量は顕著に低い場合等がある。これら油井の環境に応じて、鋼管に求められる特性は異なる。
【０００３】
近年、原油価格や天然ガス価格の高騰に対処するために、従来よりも深層の油井及び従来よりも深層の天然ガス井の開発が進められている。さらに、再生可能エネルギーに対する意識の高まりを背景に、地熱発電用の蒸気を採取する地熱井においても、従来よりも深層の地熱井の開発が進められている。
【０００４】
このような大深度油井及び大深度天然ガス井（以下、両者をまとめて「大深度油井」と略記する）や大深度地熱井は一般に、深度が極めて深い。さらに、大深度油井及び大深度地熱井の雰囲気は、高温でかつ炭酸ガス（ＣＯ２）を含み、加えて塩化物イオン（Ｃｌ−）又は硫酸（Ｈ２ＳＯ４）等の酸を含有する厳しい腐食環境となっている。従って、このような大深度油井及び大深度地熱井で使用される鋼管の素材となる鋼材には、優れた耐炭酸ガス腐食性が求められる。
【０００５】
大深度油井や大深度地熱井等の腐食環境下では、耐炭酸ガス腐食性に優れた、質量％で１３％程度のＣｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼（いわゆる「１３％Ｃｒ鋼」）を用いた鋼管が使用されてきた。しかしながら、油井や地熱井がさらに深くなるに従って、環境がさらに高温及び高圧になり、加えて、ＣＯ２分圧もさらに高くなる。そのため、より厳しい炭酸ガス環境でも十分な耐炭酸ガス腐食性を有する鋼管が求められている。
【０００６】
高温での耐炭酸ガス腐食性は、一般的にＣｒ含有量を高めることによって改善できることが知られている。そのため、近年、マルテンサイト系ステンレス鋼をベースにして、従来よりもさらにＣｒ量を増加させることで、高温での耐炭酸ガス腐食性を高めた鋼材が提案されている。
【０００７】
特開２００５−３３６５９９号公報（特許文献１）では、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＣの含有量を適正化し、さらにＣとＮの含有量を一定以下に調整することにより、１５０℃以上の耐ＣＯ２腐食性に優れ、硫化水素環境下でも優れた耐硫化物応力腐食割れ性を示し、溶接性にも優れたラインパイプ用高強度ステンレス鋼管が提案されている。
【０００８】
特開２００６−０１６６３７号公報（特許文献２）では、１３％Ｃｒ鋼をベースとし、Ｃ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ａｌ、Ｎ及びＯの含有量を適正化し、さらにＭｏ、Ｃｕ、Ｎｂ及びＴｉを添加することで、１７０℃以上の耐ＣＯ２腐食性に優れた油井用高強度ステンレス鋼管が提案されている。
【０００９】
特開２００７−３３２４３１号公報（特許文献３）では、Ｎｉ、Ｍｏ及びＶを添加したうえで、Ｓ、Ｓｉ、Ａｌ及びＯの含有量を低減することで、耐ＣＯ２腐食性と拡管性とを両立した油井用ステンレス鋼管が提案されている。
【００１０】
特許文献１〜特許文献３で提案されているステンレス鋼は、いずれも２００℃程度のＣＯ２環境において良好な耐炭酸ガス腐食性を示す。しかしながら、従来よりもさらに深井戸化が進んだ大深度油井や大深度地熱井では、特許文献１〜特許文献３で想定されているよりもさらに高温の環境となる。大深度油井や大深度地熱井ではたとえば、２５０℃を超える高温環境となる。さらに、このような高温環境においては、ＣＯ２だけでなく、塩化物イオンや硫酸を含有する環境が存在する。したがって、特許文献１〜特許文献３に開示されているような従来の鋼管では、たとえば２５０℃程度でＣＯ２とＣｌ−とを含む大深度油井環境、又は、２５０℃程度でＣＯ２と硫酸とを含む大深度地熱井環境のような高温・強酸のＣＯ２環境では、所望の耐食性（ここでは特に、塩化物イオン又は硫酸を含む強酸環境下における耐炭酸ガス腐食性をいう）を安定して示さないという問題があった。
【００１１】
このような問題を解決すべく、特開２００８−２９７５９９号公報（特許文献４）では、ＣｒとＣｕとを含有するステンレス鋼を高圧ＣＯ２環境下に浸漬し、表層に防食機能を有する皮膜を形成させることで、２５０℃の高温ＣＯ２環境であっても優れた耐食性を示すステンレス鋼材が提案されている。
【００１２】
一方で、Ｃｒの含有量をさらに高めた、フェライト相とオーステナイト相とからなる二相ステンレス鋼は、鋼材ままで高温ＣＯ２腐食環境下における十分な耐食性を有することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−３３６５９９号公報
【特許文献２】特開２００６−０１６６３７号公報
【特許文献３】特開２００７−３３２４３１号公報
【特許文献４】特開２００８−２９７５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献４で提案されているステンレス鋼は、優れた耐食性を発揮するために、高圧ＣＯ２環境での防食皮膜形成処理が必要であり、製造コストが高くなるという問題がある。
【００１５】
また、フェライト相とオーステナイト相とからなる二相ステンレス鋼は、熱処理ままで大深度油井や大深度地熱井に使用される鋼管に求められる強度である１２５ｋｓｉ級（８６２ＭＰａ以上）の強度を出すことはできない。そのため、この二相ステンレス鋼を大深度油井や大深度地熱井に用いる場合には冷間加工が必要であり、マルテンサイト系ステンレス鋼をベースとした鋼材と比べて製造コストが高いという問題がある。
【００１６】
したがって、上述の２５０℃程度の高温・強酸のＣＯ２環境において十分な耐炭酸ガス腐食性、特に、塩化物イオン又は硫酸を含む強酸環境下における耐炭酸ガス腐食性（以下、耐強酸・炭酸ガス腐食性という）を有し、熱処理ままで１２５ｋｓｉ級（８６２ＭＰａ以上）の強度を有する鋼材が求められていた。
【００１７】
本発明の目的は、熱処理ままで高強度を有し、さらに、高温環境下において優れた耐強酸・炭酸ガス腐食性を有するステンレス鋼材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本実施形態のステンレス鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０４０％以下、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０１０〜０．３０％、Ｃｒ：１８．０％を超えて２１．０％以下、Ｃｕ：１．５〜４．０％、Ｎｉ：３．０〜６．０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜０．１００％、Ｍｏ：０〜０．６０％、Ｗ：０〜２．０％、Ｃｏ：０〜０．３０％、Ｔｉ：０〜０．１０％、Ｖ：０〜０．１５％、Ｚｒ：０〜０．１０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｃａ：０〜０．０１０％、Ｍｇ：０〜０．０１０％、ＲＥＭ：０〜０．０５％、Ｂ：０〜０．００５％、及び、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物のうち、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｎはそれぞれ、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００２０％未満、Ｏ：０．０２０％以下、及び、Ｎ：０．０２０％以下であり、式（１）及び式（２）を満たす化学組成と、体積率で、２０．０〜６０．０％のフェライト相、１．０〜１０．０％のオーステナイト相、及び、残部がマルテンサイトからなるミクロ組織とを有する。
１５．０≦６１６−７０６（Ｃ＋Ｎ）−２２Ｓｉ−２４Ｍｎ−２６Ｎｉ−１８Ｃｒ−８Ｃｕ−１６Ｍｏ・・・（１）
２０．０≦Ｃｒ＋Ｃｕ≦２４．５・・・（２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、各元素の含有量（質量％）が代入される。
【００１９】
本実施形態のステンレス鋼管は、上記化学組成を有するステンレス鋼材からなる。
【発明の効果】
【００２０】
本実施形態のステンレス鋼材及びステンレス鋼管は、熱処理ままで高強度を有し、さらに、高温環境下において優れた耐強酸・炭酸ガス腐食性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、ステンレス鋼材のＣｒ含有量、Ｎｉ及びＣｕの合計含有量、及び、焼入れ後の組織との関係を示す図である。
【図２】図２は、図１中の線分Ｌ１を線分Ｌ２に移動させた図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本実施形態を詳しく説明する。
【００２３】
本発明者らはステンレス鋼材の強度、及び、高温環境下における耐炭酸ガス腐食性、特に、塩化物イオン又は硫酸を含む強酸環境での耐強酸・炭酸ガス腐食性について検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
【００２４】
高温環境下における耐炭酸ガス腐食性を高めるためにはＣｒ含有量の増加が有効であることが知られている。Ｃｒ含有量を高めれば、塩化物イオン又は硫酸を含有する環境における、耐強酸・炭酸ガス腐食性も高めることができる。しかしながらフェライト安定化元素であるＣｒの含有量を単純に高めただけの場合、ミクロ組織が、フェライトとオーステナイトとからなる二相組織、又は、オーステナイト単相組織となってしまう。この場合、熱処理ままで１２５ｋｓｉ級（８６２ＭＰａ以上）の強度を得ることは難しい。つまり、耐強酸・炭酸ガス腐食性との関係を考慮すれば、Ｃｒ含有量は高い方が好ましいが、強度との関係を考慮すれば、Ｃｒ含有量には限界がある。
【００２５】
そこで本発明者らは、ステンレス鋼材の化学組成と、組織と、強度とについて検討を行った。
【００２６】
図１は、ステンレス鋼材のＣｒ含有量、Ｎｉ及びＣｕの合計含有量、及び、焼入れ後の組織との関係を示す図である。図１中の横軸はＣｒ含有量を表す。図１中の縦軸は、Ｎｉ及びＣｕの合計含有量を表す。図１を参照して、フェライト安定化元素であるＣｒの含有量増加に伴って、焼入れ後の組織がマルテンサイト単相（図１中、領域Ｍ）から、マルテンサイト及びフェライトの二相組織（図１中、領域Ｍ＋Ｆ）、フェライト単相（図１中、領域Ｆ）へと変化する。また、図１中の線分Ｌ１は、焼入れによってマルテンサイト変態を生じる化学組成の境界を示す線である。線分Ｌ１より上の領域は、焼入れによってマルテンサイト変態を生じない。つまり、オーステナイト安定化元素であるＮｉ及びＣｕの含有量が高すぎる場合、焼入れによってマルテンサイト変態を生じなくなる（つまり、オーステナイト単相になる）（図１中、領域Ａ）。フェライト及びオーステナイトの二相組織（図１中、領域Ｆ及び領域Ａ）、又は、オーステナイト単相（図１中、領域Ａ）では強度が低い。一方、マルテンサイト及びフェライトの二相組織（図１中、領域Ｍ＋Ｆ）であれば、熱処理ままで１２５ｋｓｉ級（８６２ＭＰａ以上）の強度を得ることができる。
【００２７】
従来、マルテンサイト及びフェライトの二相組織を得るためには、Ｃｒ含有量は１８．０％程度が限界であると考えられてきた。それ以上Ｃｒを含有させれば、フェライト及び／又はオーステナイト主体のミクロ組織となり、強度が得られない。そのため、従来は、マルテンサイト及びフェライトの二相組織を得られる化学組成の範囲内で、Ｃｒ含有量を最大の１８．０％程度とし（図１中、領域Ｙ）、特許文献４のように防食被膜を形成する等して耐食性を高める以外にさらに耐食性を高めることは難しいと考えられてきた。
【００２８】
しかしながら本発明者らは、従来とは異なり、Ｃｒ以外の化学組成を調整することで、Ｃｒ含有量を１８．０％よりもさらに高めた場合であっても高強度を得る方法を見出した。本発明者らは、これまで検討されてこなかった、マルテンサイト変態を生じる化学組成（図１中、線分Ｌ１）と、Ｃｒ含有量との関係に着目した。
【００２９】
本発明者らは種々検討を行った結果、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ及びＮの含有量を調整することで、線分Ｌ１の位置を変化できることを見出した。この知見に基づき、本発明者らは、上述の元素の含有量を調整して線分Ｌ１を移動させ、Ｃｒ含有量１８．０％超の化学組成（図１中、領域Ｘ）において、マルテンサイト及びフェライトの二相組織を得られると知見するに至った。
【００３０】
図２は、上述の各元素の含有量を調整して、線分Ｌ１を線分Ｌ２に移動させた図である。図２を参照して、上述のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ及びＮの含有量を調整することで、これまでマルテンサイトを得られなかった化学組成において、マルテンサイトが得られるようになる。（図１中、領域Ｘ）。これにより、従来難しいと考えられてきた、Ｃｒ含有量１８．０％超と、マルテンサイト及びフェライトの二相組織との両立を実現できる。つまり、ステンレス鋼材の高強度と耐強酸・炭酸ガス腐食性とを両立できる。
【００３１】
化学組成が、線分Ｌ１の位置に影響する元素の関係を規定した式（１）を満たすことで、Ｃｒ含有量が１８．０％超であっても、マルテンサイトを十分に含む組織とすることができる。
１５．０≦６１６−７０６（Ｃ＋Ｎ）−２２Ｓｉ−２４Ｍｎ−２６Ｎｉ−１８Ｃｒ−８Ｃｕ−１６Ｍｏ・・・（１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、各元素の含有量（質量％）が代入される。
【００３２】
一方で、耐強酸・炭酸ガス腐食性を高めるには、Ｃｒに加えてＣｕを含有させることが有効である。したがって、化学組成がＣｒ及びＣｕの合計含有量を規定した式（２）を満たすことで、塩化物イオン又は硫酸を含有する耐強酸・炭酸ガス腐食性が高まる。
２０．０≦Ｃｒ＋Ｃｕ≦２４．５・・・（２）
ここで、式（２）中の各元素記号には、各元素の含有量（質量％）が代入される。
【００３３】
また一方で、従来の油井用ステンレス鋼材の多くは、耐硫化物応力割れ性を高めるために多量のＭｏを含有する場合が多い。しかしながら、硫化水素の含有量が顕著に低い油井環境で使用するステンレス鋼材に対しては、Ｍｏはコストアップの要因であった。本実施形態のステンレス鋼材は、耐硫化物応力割れ性よりもむしろ、耐強酸・炭酸ガス腐食性を高めることを目的としている。そのため、Ｍｏ含有量については、耐硫化物応力割れ性の改善を主目的としたステンレス鋼材と比較して低くてもよい。
【００３４】
上述のとおり、式（１）に従って線分Ｌ１の位置に影響する元素の含有量を調節することで、Ｃｒ含有量１８．０％超と、マルテンサイトを十分に含む組織との両立が可能となる。これにより、熱処理のみで１２５ｋｓｉ級（８６２ＭＰａ以上）の強度と、２５０℃を超える高温環境下における耐強酸・炭酸ガス腐食性とを両立させることが可能となる。さらに、式（２）に従って、Ｃｒに加えてＣｕを含有させることで、耐強酸・炭酸ガス腐食性が高まる。そのため、大深度油井又は大深度地熱井に適したステンレス鋼材を提供することが可能となる。
【００３５】
以上の知見に基づいて完成した本実施形態のステンレス鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０４０％以下、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０１０〜０．３０％、Ｃｒ：１８．０％を超えて２１．０％以下、Ｃｕ：１．５〜４．０％、Ｎｉ：３．０〜６．０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜０．１００％、Ｍｏ：０〜０．６０％、Ｗ：０〜２．０％、Ｃｏ：０〜０．３０％、Ｔｉ：０〜０．１０％、Ｖ：０〜０．１５％、Ｚｒ：０〜０．１０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｃａ：０〜０．０１０％、Ｍｇ：０〜０．０１０％、ＲＥＭ：０〜０．０５％、Ｂ：０〜０．００５％、及び、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物のうち、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｎはそれぞれ、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００２０％未満、Ｏ：０．０２０％以下、及び、Ｎ：０．０２０％以下であり、式（１）及び式（２）を満たす化学組成と、体積率で、２０．０〜６０．０％のフェライト相、１．０〜１０．０％のオーステナイト相、及び、残部がマルテンサイトからなるミクロ組織とを有する。
１５．０≦６１６−７０６（Ｃ＋Ｎ）−２２Ｓｉ−２４Ｍｎ−２６Ｎｉ−１８Ｃｒ−８Ｃｕ−１６Ｍｏ・・・（１）
２０．０≦Ｃｒ＋Ｃｕ≦２４．５・・・（２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、各元素の含有量（質量％）が代入される。
【００３６】
本実施形態のステンレス鋼材は、熱処理ままで高強度を有し、さらに、高温環境下において優れた耐強酸・炭酸ガス腐食性を有する。
【００３７】
好ましくは、上記化学組成は、Ｍｏ：０．０２〜０．６０％、Ｗ：０．０１〜２．０％、及び、Ｃｏ：０．０１〜０．３０％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する。
【００３８】
この場合、ステンレス鋼材の耐食性がさらに高まる。
【００３９】
好ましくは、上記化学組成は、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．１５％、Ｚｒ：０．００５〜０．１０％、及び、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する。
【００４０】
この場合、ステンレス鋼材の強度がさらに高まる。
【００４１】
好ましくは、上記化学組成は、Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．０５％、及び、Ｂ：０．０００５％〜０．００５％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する。
【００４２】
この場合、ステンレス鋼材の熱間加工性が高まる。
【００４３】
本実施形態のステンレス鋼管は、上記いずれかの化学組成を有するステンレス鋼材からなる。
【００４４】
以下、本実施形態のステンレス鋼材について詳述する。
【００４５】
［化学組成］
本実施形態のステンレス鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。特に断りがない限り、元素に関する％は質量％を意味する。
【００４６】
Ｃ：０．０４０％以下
炭素（Ｃ）は不可避的に含有される。Ｃは、焼戻し時に炭化物として析出する。この場合、ステンレス鋼材の高温での耐炭酸ガス腐食性が低下する。さらに、Ｃ含有量が高すぎれば、焼入れ時の残留オーステナイトの生成量が多くなる。この場合、残留オーステナイトの生成量を低減するために、強度及び靭性に有効なＣｕ及びＮｉ含有量を低下しなければならない。したがって、Ｃ含有量は０．０４０％以下である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．０３０％であり、より好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０１５％であり、最も好ましくは０．０１０％である。Ｃ含有量は低い方が好ましい。しかしながら、製鋼工程における脱炭処理にかかるコストを考慮すれば、Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．００１％であり、より好ましくは０．００２％であり、さらに好ましくは０．００４％であり、最も好ましくは０．００５％である。
【００４７】
Ｓｉ：０．０５〜１．０％
シリコン（Ｓｉ）はステンレス鋼材を脱酸する。Ｓｉ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｓｉ含有量が高すぎれば、ステンレス鋼材の熱間加工性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０５〜１．０％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは０．９％であり、より好ましくは０．７％であり、さらに好ましくは０．６％であり、最も好ましくは０．５％である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．０６％であり、より好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、最も好ましくは０．１２％である。
【００４８】
Ｍｎ：０．０１０〜０．３０％
マンガン（Ｍｎ）はステンレス鋼材を脱酸する。Ｍｎ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、焼入れ焼戻し後にオーステナイトが過剰に残留しやすくなり、残留オーステナイトの体積率が１０％を超えるおそれがある。この場合、焼戻し後のステンレス鋼材の強度が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．０１０〜０．３０％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは０．２７％であり、より好ましくは０．２５％であり、さらに好ましくは０．２２％であり、最も好ましくは０．２０％未満である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは０．０１５％であり、より好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０３５％であり、最も好ましくは０．０５０％である。
【００４９】
Ｃｒ：１８．０％を超えて２１．０％以下
クロム（Ｃｒ）は２５０℃程度でＣＯ２と塩化物イオン又は硫酸とを含むような環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性確保に欠かせない元素である。Ｃｒ含有量が低すぎればこの効果が得られない。一方、Ｃｒはフェライト形成元素であるため、Ｃｒ含有量が高すぎれば、ステンレス鋼材中のフェライト量が過剰に多くなり、ステンレス鋼材の強度が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１８．０％を超えて２１．０％以下である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは２０．８％であり、より好ましくは２０．５％であり、さらに好ましくは２０．３％であり、最も好ましくは２０．２％である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは１８．３％であり、より好ましくは１８．５％であり、さらに好ましくは１８．７％であり、最も好ましくは１８．８％である。
【００５０】
Ｃｕ：１．５〜４．０％
銅（Ｃｕ）は、焼き戻し時に微細なＣｕ粒子として析出して、ステンレス鋼材の強度を高める。さらに、Ｃｕは塩化物イオン又は硫酸を含むような高温環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性を高める。Ｃｕ含有量が低すぎればこれらの効果が得られない。一方、Ｃｕ含有量が高すぎれば、焼き入れ時にマルテンサイト変態が十分に進行せず、残留オーステナイト量が過剰に多くなる。この場合、ステンレス鋼材の強度が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は１．５〜４．０％である。Ｃｕ含有量の上限は、好ましくは３．８％であり、より好ましくは３．５％であり、さらに好ましくは３．２％であり、最も好ましくは３．０％である。Ｃｕ含有量の下限は、好ましくは１．６％であり、より好ましくは１．７％であり、さらに好ましくは１．８％であり、最も好ましくは１．９％である。
【００５１】
Ｎｉ：３．０〜６．０％
ニッケル（Ｎｉ）はオーステナイト形成元素であり、高温でのオーステナイトを安定化する。そのため、Ｎｉは常温でのマルテンサイト量を増加させ、ステンレス鋼材の強度を高める。Ｎｉはさらに、塩化物イオン又は硫酸を含むような高温環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性を高める。Ｎｉ量が低すぎればこれらの効果が得られない。一方、Ｎｉ含有量が高すぎれば、安定なフェライト及びマルテンサイトの二相組織が得られなくなる。つまり、焼入れ焼戻し後にオーステナイトが過剰に残留しやすくなり、焼戻し後のステンレス鋼材の強度が低下する。したがって、Ｎｉ含有量は３．０〜６．０％である。Ｎｉ含有量の上限は、好ましくは５．８％であり、より好ましくは５．５％であり、さらに好ましくは５．２％であり、最も好ましくは５．０％である。Ｎｉ含有量の下限は、好ましくは３．２％であり、より好ましくは３．４％であり、さらに好ましくは３．６％であり、最も好ましくは３．８％である。
【００５２】
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜０．１００％
アルミニウム（Ａｌ）はステンレス鋼材を脱酸する。ｓｏｌ．Ａｌ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、ｓｏｌ．Ａｌ含有量が高すぎれば、その効果は飽和する。ｓｏｌ．Ａｌ含有量が高すぎればさらに、介在物が過剰に生成して、塩化物イオン又は硫酸を含むような高温環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性及び靭性が低下する。したがって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は０．００１〜０．１００％である。ｓｏｌ．Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．０８０％であり、より好ましくは０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０５５％であり、最も好ましくは０．０５０％である。ｓｏｌ．Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、より好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．０１０％であり、最も好ましくは０．０１５％である。
【００５３】
本実施形態による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、化学組成における不純物とは、ステンレス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、本実施形態の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。
【００５４】
［任意元素について］
本実施形態のステンレス鋼材は、以下の任意元素を含有してもよい。
【００５５】
Ｍｏ：０〜０．６０％
モリブデン（Ｍｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。Ｍｏは塩化物イオン又は硫酸を含むような高温環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性を高める。Ｍｏが少しでも含有されれば、上記効果が得られる。一方、Ｍｏはフェライト形成元素であるため、Ｍｏ含有量が高すぎれば、ステンレス鋼材中にフェライトが過剰に生成する。この場合、ステンレス鋼材の強度が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０〜０．６０％である。Ｍｏ含有量の上限は、好ましくは０．５８％であり、より好ましくは０．５６％であり、さらに好ましくは０．５４％であり、最も好ましくは０．５２％である。Ｍｏ含有量の下限は、好ましくは０．０２％であり、より好ましくは０．０４％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、最も好ましくは０．０６％である。
【００５６】
Ｗ：０〜２．０％
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。ＷはＭｏと同様に塩化物イオン又は硫酸を含むような高温環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性を高める。Ｗが少しでも含有されれば、上記効果が得られる。一方、Ｗはフェライト形成元素であるため、Ｗ含有量が高すぎれば、ステンレス鋼材中にフェライトが過剰に生成し、ステンレス鋼材の強度が低下する。したがって、Ｗ含有量は０〜２．０％である。Ｗ含有量の上限は、好ましくは１．８％であり、より好ましくは１．５％であり、さらに好ましくは１．３％であり、最も好ましくは１．０％である。Ｗ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、より好ましくは０．０２％である。
【００５７】
Ｃｏ：０〜０．３０％
コバルト（Ｃｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。ＣｏはＭｏやＷと同様に塩化物イオン又は硫酸を含むような高温環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性を高める。しかしながら、Ｃｏ含有量が高すぎれば、製造性が低下すると同時に製造コストも高くなる。したがって、Ｃｏ含有量は０〜０．３０％である。Ｃｏ含有量の上限は、好ましくは０．２５％であり、より好ましくは０．２３％であり、さらに好ましくは０．２０％であり、最も好ましくは０．１８％である。Ｃｏ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、より好ましくは０．０２％である。
【００５８】
Ｔｉ：０〜０．１０％
チタン（Ｔｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｔｉは焼戻し時に微細な析出物として析出してステンレス鋼材の強度を高める。Ｔｉが少しでも含有されれば、上記効果が得られる。一方、Ｔｉ含有量が高すぎれば、塩化物イオン又は硫酸を含むような高温環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性及び靭性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０〜０．１０％である。Ｔｉ含有量の上限は、好ましくは０．０８％、より好ましくは０．０５％である。Ｔｉ含有量の下限は、好ましくは０．００５％、より好ましくは０．０１０％である。
【００５９】
Ｖ：０〜０．１５％
バナジウム（Ｖ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｖは焼戻し時に微細な析出物として析出してステンレス鋼材の強度を高める。Ｖが少しでも含有されれば、上記効果が得られる。一方、Ｖ含有量が高すぎれば、塩化物イオン又は硫酸を含むような高温環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性及び靭性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．１５％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．１３％であり、より好ましくは０．１２％である。Ｖ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、より好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。
【００６０】
Ｚｒ：０〜０．１０％
ジルコニウム（Ｚｒ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、ＺｒはＴｉやＶと同様に焼戻し時に微細な析出物として析出しステンレス鋼材の強度を高める。Ｚｒが少しでも含有されれば、上記効果が得られる。一方、Ｚｒ含有量が高すぎれば、ステンレス鋼材の靭性が低下する。したがって、Ｚｒ含有量は０〜０．１０％である。Ｚｒ含有量の上限は、好ましくは０．０８％であり、より好ましくは０．０５％である。Ｚｒ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、より好ましくは０．０１０％である。
【００６１】
Ｎｂ：０〜０．１０％
ニオブ（Ｎｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｎｂは焼戻し時に微細な析出物として析出してステンレス鋼材の強度を高める。Ｎｂが少しでも含有されれば、上記効果が得られる。一方、Ｎｂ含有量が高すぎれば、塩化物イオン又は硫酸を含むような高温環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性及び靭性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０〜０．１０％である。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．０８％であり、より好ましくは０．０５％である。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、より好ましくは０．０１０％である。
【００６２】
Ｃａ：０〜０．０１０％
カルシウム（Ｃａ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｃａはステンレス鋼材の熱間加工性を高める。Ｃａが少しでも含有されれば、上記効果が得られる。一方、Ｃａ含有量が高すぎれば、介在物が過剰に生成する。この場合、ステンレス鋼材の靭性及び硫酸を含むような高温環境における耐強酸腐食性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０〜０．０１０％である。Ｃａ含有量の上限は、好ましくは０．００８％であり、より好ましくは０．００５％である。Ｃａ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％である。
【００６３】
Ｍｇ：０〜０．０１０％
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。含有される場合、Ｍｇはステンレス鋼材の熱間加工性を高める。Ｍｇが少しでも含有されれば、上記効果が得られる。一方、Ｍｇ含有量が高すぎれば、介在物が過剰に生成する。この場合、ステンレス鋼材の靭性及び硫酸を含むような高温環境における耐強酸腐食性が低下する。したがって、Ｍｇ含有量は０〜０．０１０％である。Ｍｇ含有量の上限は、好ましくは０．００８％であり、より好ましくは０．００５％である。Ｍｇ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％である。
【００６４】
ＲＥＭ：０〜０．０５％
希土類元素（ＲＥＭ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。ＲＥＭはＣａやＭｇと同様にステンレス鋼材の熱間加工性を高める。一方、ＲＥＭ含有量が高すぎれば、酸化物や硫化物の介在物が過剰に生成し、ステンレス鋼材の靭性及び硫酸を含むような高温環境における耐強酸腐食性が低下する。したがって、ＲＥＭ含有量は０〜０．０５％である。ＲＥＭ含有量の上限は、好ましくは０．０３％であり、より好ましくは０．０２％である。ＲＥＭ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％である。ここで、ＲＥＭとは、周期表において元素番号５７のランタン（Ｌａ）から元素番号７１のルテチウム（Ｌｕ）までの元素に、イットリウム（Ｙ）及びスカンジウム（Ｓｃ）を加えた１７元素を意味する。ＲＥＭ含有量とは、これらの元素の合計含有量を意味する。
【００６５】
Ｂ：０〜０．００５％
ボロン（Ｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。Ｂは添加されることでＣａ、Ｍｇ、ＲＥＭと同様にステンレス鋼材の熱間加工性を高める。一方、Ｂ含有量が高すぎれば、Ｃｒの炭硼化物が粒界に析出し、ステンレス鋼材の靭性が低下する。したがって、Ｂ含有量は０〜０．００５％である。Ｂ含有量の上限は、好ましくは０．００４％であり、より好ましくは０．００３％である。Ｂ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％である。
【００６６】
［不純物元素について］
本実施形態のステンレス鋼材の化学組成には、以下の元素が不純物として含有される場合がある。これらの元素は、次の理由によりその含有量が制限される。
【００６７】
Ｐ：０．０５０％以下
燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは粒界に偏析して、ステンレス鋼材の耐強酸・炭酸ガス腐食性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０５０％以下である。Ｐ含有量の上限は、好ましくは０．０４５％であり、より好ましくは０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３５％であり、最も好ましくは０．０３０％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。Ｐ含有量の下限は特に限定されないが、たとえば０．００１％である。
【００６８】
Ｓ：０．００２０％未満
硫黄（Ｓ）は不純物である。Ｓは粒界に偏析して、ステンレス鋼材の耐強酸・炭酸ガス腐食性を低下する。Ｓはさらに、ステンレス鋼材の熱間加工性を低下する。したがって、Ｓ含有量は０．００２０％未満である。Ｓ含有量の上限は、好ましくは０．００１７％であり、より好ましくは０．００１５％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。Ｓ含有量の下限は特に限定されないが、たとえば０．０００３％である。
【００６９】
Ｏ：０．０２０％以下
酸素（Ｏ）は不純物である。Ｏは粗大な酸化物を形成して、ステンレス鋼材の靭性及び硫酸を含むような高温環境における耐強酸腐食性を低下する。したがって、Ｏ含有量は０．０２０％以下である。Ｏ含有量の上限は、好ましくは０．０１５％、より好ましくは０．０１０％である。Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。Ｏ含有量の下限は特に限定されないが、たとえば０．００１％である。
【００７０】
Ｎ：０．０２０％以下
窒素（Ｎ）は不純物である。Ｎは粗大な窒化物を形成する。粗大な窒化物は孔食の起点となりステンレス鋼材の硫酸を含むような高温環境における耐強酸腐食性を低下する。したがって、Ｎ含有量は０．０２０％以下である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．０１８％であり、より好ましくは０．０１５％である。Ｎ含有量はなるべく低い方が好ましい。Ｎ含有量の下限は特に限定されないが、たとえば０．００１％である。
【００７１】
［式について］
本実施形態のステンレス鋼材の化学組成は、上記各元素の含有量が適切であり、且つ、次の式（１）及び式（２）を満たす。これにより、熱処理のみでの高強度と、高温環境下における優れた耐強酸・炭酸ガス腐食性とを両立できる。
【００７２】
［式（１）について］
上記化学組成は、式（１）を満たす。
１５．０≦６１６−７０６（Ｃ＋Ｎ）−２２Ｓｉ−２４Ｍｎ−２６Ｎｉ−１８Ｃｒ−８Ｃｕ−１６Ｍｏ・・・（１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、各元素の含有量（質量％）が代入される。
【００７３】
Ｆｎ１＝６１６−７０６（Ｃ＋Ｎ）−２２Ｓｉ−２４Ｍｎ−２６Ｎｉ−１８Ｃｒ−８Ｃｕ−１６Ｍｏと定義する。Ｆｎ１は、マルテンサイトを得られる化学組成を示す指標である。上記各元素の含有量が適切であり、且つ、Ｆｎ１が適切であれば、Ｃｒ含有量が１８．０％を超えても後述するマルテンサイト及びフェライトの二相組織が得られる。この組織は、マルテンサイト相の体積率（以下、マルテンサイト分率という）が十分に高い。これにより、ステンレス鋼材の強度が高まる。つまり、Ｆｎ１を調整することによってはじめて、塩化物イオン又は硫酸を含むような高温環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性と、熱処理のみで１２５ｋｓｉ級（８６２ＭＰａ以上）の強度とを両立できる。Ｆｎ１が１５．０未満であれば、マルテンサイト分率が低下し、ステンレス鋼材の強度が低下する。したがって、１５．０≦Ｆｎ１である。Ｆｎ１の下限は、好ましくは４０．０であり、より好ましくは５０．０であり、さらに好ましくは６０．０であり、最も好ましくは７０．０である。Ｆｎ１の上限は特に限定されないが、製造コストを考慮した場合、好ましくは３００であり、より好ましくは２５０であり、さらに好ましくは２００であり、最も好ましくは１５０である。
【００７４】
［式（２）について］
上記化学組成は、式（２）を満たす。
２０．０≦Ｃｒ＋Ｃｕ≦２４．５・・・（２）
ここで、式（２）中の各元素記号には、各元素の含有量（質量％）が代入される。
【００７５】
Ｆｎ２＝Ｃｒ＋Ｃｕと定義する。Ｆｎ２は塩化物イオン又は硫酸を含むような高温環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性を示す指標である。上記各元素の含有量が適切であり、且つ、Ｆｎ２が適切であれば、耐強酸・炭酸ガス腐食性が高まる。Ｆｎ２が２０．０未満であれば、ステンレス鋼材の耐強酸・炭酸ガス腐食性が低下する。一方、Ｆｎ２が２４．５を超えれば、フェライト分率又は残留オーステナイト分率が過剰に高くなり、ステンレス鋼材の強度が低下する。したがって、２０．０≦Ｆｎ２≦２４．５である。Ｆｎ２の上限は、好ましくは２４．２であり、より好ましくは２４．０であり、さらに好ましくは２３．８であり、最も好ましくは２３．５である。Ｆｎ２の下限は、好ましくは２０．３である。
【００７６】
［式（３）について］
好ましくは、上記化学組成はさらに、式（３）を満たす。
０．３５≦Ｃｕ／Ｎｉ≦１．０・・・（３）
ここで、式（３）中の各元素記号には、各元素の含有量（質量％）が代入される。
【００７７】
Ｆｎ３＝Ｃｕ／Ｎｉと定義する。Ｆｎ３はステンレス鋼材の強度及び熱間加工性を示す指標である。上記各元素の含有量が適切であり、且つ、Ｆｎ３が適切であれば、ステンレス鋼材の強度及び熱間加工性がさらに高まる。Ｆｎ３が１．０以下であれば、Ｃｕ含有量に対するＮｉ含有量の比が十分に高く、ステンレス鋼材の熱間加工性が高まる。一方、Ｆｎ３が０．３５以上であれば、Ｎｉ含有量に対するＣｕ含有量の比が十分に高く、焼戻し時にＣｕの析出強化の効果が高まり、ステンレス鋼材の強度がさらに高まる。したがって、０．３５≦Ｆｎ３≦１．０であることが好ましい。Ｆｎ３の上限は、より好ましくは０．９であり、さらに好ましくは０．８であり、最も好ましくは０．７である。Ｆｎ３の下限は、より好ましくは０．４０であり、さらに好ましくは０．４５であり、最も好ましくは０．５０である。
【００７８】
［ミクロ組織について］
本実施形態のステンレス鋼材はフェライト及びマルテンサイトの二相系ステンレス鋼材である。具体的には、ステンレス鋼材のミクロ組織は、体積率で、２０．０〜６０．０％のフェライト相及び１．０〜１０．０％のオーステナイト相を含有し、残部がマルテンサイトからなる。
【００７９】
ミクロ組織中のフェライト相は、塩化物イオン又は硫酸を含むような高温環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性を高める。フェライト相の体積率（以下、フェライト分率とする）が低すぎれば、上記効果は得られない。一方、フェライト分率が高すぎれば、ステンレス鋼材の強度及び靭性が低下する。したがって、フェライト分率は２０．０〜６０．０％である。フェライト分率の上限は、好ましくは５８．０％、より好ましくは５５．０％、さらに好ましくは５２．０％である。フェライト分率の下限は、好ましくは２０．５％、より好ましくは２１．０％である。
【００８０】
焼戻し後の残留オーステナイトは、ステンレス鋼材の靭性を高める。残留オーステナイトの体積率（オーステナイト相の体積率、以下、残留オーステナイト分率ともいう）が低すぎれば、上記効果は得られない。一方、残留オーステナイト分率が高すぎれば、ステンレス鋼材の降伏強度が低下し、８６２ＭＰａ以上の降伏強度が安定的に得られない。したがって、残留オーステナイト分率は１．０〜１０．０％である。残留オーステナイト分率の上限は、好ましくは９．５％、より好ましくは９．０％である。残留オーステナイト分率の下限は、好ましくは１．５％、より好ましくは２．０％である。
【００８１】
［ミクロ組織中の各相の体積率の測定方法］
本実施形態におけるステンレス鋼材のミクロ組織中のフェライト分率（体積％）、残留オーステナイト分率（体積％）及びマルテンサイト分率（体積％）は次の方法で測定する。
【００８２】
［フェライト分率の測定方法］
はじめに、ステンレス鋼材からミクロ組織観察用の試験片を採取する。ステンレス鋼材が鋼板であれば、試験片の表面のうち、鋼板の板幅方向に垂直な断面（以下、観察面という）を研磨する。ステンレス鋼材が鋼管、棒鋼又は線材であれば、試験片の表面のうち、ステンレス鋼材の軸方向に垂直な断面（観察面）を研磨する。次に、王水とグリセリンとの混合液を用いて、研磨後の観察面をエッチングする。エッチングされた観察面において、フェライトを特定する。そして、特定されたフェライトの面積率を、ＪＩＳ  Ｇ０５５５（２００３）に準拠した点算法で測定する。測定された面積率は、体積分率に等しいとして、これをフェライト分率（体積％）と定義する。
【００８３】
［残留オーステナイト分率の測定方法］
残留オーステナイト分率は、Ｘ線回折法を用いて求める。はじめに、ステンレス鋼材から１５ｍｍ×１５ｍｍ×２ｍｍの試験片を採取する。次に、採取された試験片を用いて、フェライト（α相）の（２００）面及び（２１１）面、オーステナイト（γ相）の（２００）面、（２２０）面及び（３１１）面の各々のＸ線回折プロファイルを測定し、各面の積分強度を算出する。算出後、α相の各面と、γ相の各面との組み合わせ（合計６組）ごとに、次式を用いて残留オーステナイト分率Ｖγを求める。
Ｖγ＝１００／（１＋（Ｉα×Ｒγ）／（Ｉγ×Ｒα））
ここで、式中の「Ｉα」はα相の積分強度であり、「Ｉγ」はγ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り、「Ｒγ」はγ相の結晶学的理論計算値である。上記各面の体積率Ｖγの平均値を、残留オーステナイト分率（体積％）と定義する。
【００８４】
［マルテンサイト分率の測定方法］
本実施形態のステンレス鋼材のミクロ組織のうち、フェライト及び残留オーステナイト以外の残部は、マルテンサイトからなる。マルテンサイト分率は次の式で求める。
マルテンサイト分率＝１００−（フェライト分率＋残留オーステナイト分率）
【００８５】
［ステンレス鋼材］
本実施形態のステンレス鋼材の形状は、特に限定されない。ステンレス鋼材はたとえば、鋼管であってもよいし、鋼板であってもよいし、棒鋼であってもよいし、線材であってもよい。
【００８６】
［製造方法］
本実施形態のステンレス鋼材の製造方法の一例として、継目無鋼管の製造方法を説明する。上述の各元素の含有量、式（１）及び式（２）を満たす化学組成を有する素材を準備する。素材は、連続鋳造法（ラウンドＣＣを含む）により製造された鋳片であってもよいし、鋳片から製造された鋼片でもよい。また、造塊法により製造されたインゴットを熱間加工して製造された鋼片でもよい。
【００８７】
準備された素材を加熱炉又は均熱炉に装入し、たとえば１１００〜１３００℃に加熱する。続いて、加熱した素材を熱間加工して素管を製造する。たとえば、熱間加工としてマンネスマン法を実施する。具体的には、素材を穿孔機により穿孔圧延して素管にする。続いて、マンドレルミルやサイジングミルにより、素管をさらに圧延する。熱間加工として熱間押出を実施してもよいし、熱間鍛造を実施してもよい。熱間加工の温度はたとえば、１０００〜１３００℃である。
【００８８】
熱間加工後の素管を焼入れ及び焼戻しして、降伏強度が８６２ＭＰａ以上（１２５ｋｓｉ級）になるように強度を調整する。焼入れ温度は８００〜１０５０℃である。好ましい焼戻し温度は６５０℃以下である。
【００８９】
以上の工程により製造されたステンレス鋼材は、熱処理ままで高強度を有し、好ましくは８６２ＭＰａ以上の降伏強度を有する。ステンレス鋼材はさらに、塩化物イオン又は硫酸を含むような高温環境における耐強酸・炭酸ガス腐食性に優れる。
【００９０】
上記ステンレス鋼材の製造方法では、一例として継目無鋼管の製造方法を説明した。しかしながら、本実施形態のステンレス鋼材の製造方法は上記製造方法に限定されない。ステンレス鋼材が継目無鋼管ではない場合には、上記製造方法と同様の温度範囲の熱間加工、及び、焼入れ及び焼戻し処理により本実施形態のステンレス鋼材が製造できる。また、本実施形態のステンレス鋼材は、冷間加工せず、熱処理ままでも高強度を得ることができる。しかしながら、必要に応じて冷間加工や熱処理等を実施してもよい。
【実施例】
【００９１】
表１に示す化学組成を有する溶鋼を真空高周波溶解炉にて溶解し、５０ｋｇのインゴットを製造した。表１に示す化学組成のうち、試験番号１〜２０は本発明例、試験番号２１〜２６は本発明の範囲を外れる比較例である。
【００９２】
【表１】
2019073789.tif 000003
【００９３】
各インゴットを１２００℃で３時間加熱した。加熱されたインゴットに対して、熱間鍛造を実施して、厚さ４５ｍｍ、幅６０ｍｍの鋼材とした。鋼材を１２３０℃で１時間加熱した。加熱後の鋼材を熱間圧延して、板厚が１３ｍｍの鋼板を製造した。熱間圧延後の鋼板に対して焼入れ焼戻しを実施した。焼入れでは、鋼板を９５０℃で１５分間加熱してから水焼入れした。焼入れ後の鋼板に対して、５５０℃で３０分焼戻しを実施し、その後空冷した。
【００９４】
焼入れ焼戻し後の各試験番号の鋼板を用いて、ミクロ組織観察試験、引張試験、高温強酸ＣＯ２環境における腐食試験を実施した。
【００９５】
［ミクロ組織観察試験（各相の体積率の測定）］
各試験番号の鋼板からミクロ組織観察用の試験片を採取した。採取した試験片の表面のうち、鋼板の板幅方向に垂直な断面（観察面）を研磨した。王水とグリセリンとの混合液を用いて、研磨後の観察面をエッチングした。エッチングされた観察面を用いて、上述の測定方法により、フェライト分率（体積％）を求めた。結果を表２に示す。
【００９６】
各試験番号の鋼板から１５ｍｍ×１５ｍｍ×２ｍｍの試験片を採取した。採取された試験片を用いて、上述の測定方法により、残留オーステナイト分率（体積％）を求めた。結果を表２に示す。
【００９７】
得られたフェライト分率及び残留オーステナイト分率に基づいて、上記方法により、マルテンサイト分率（体積％）を求めた。結果を表２に示す。
【００９８】
［引張試験］
各試験番号の鋼板の厚さ中央部から、丸棒引張試験片を採取した。丸棒引張試験片の長手方向は、鋼板の圧延方向に平行な方向（Ｌ方向）であった。丸棒引張試験片の平行部の直径は６ｍｍであり、標点間距離は４０ｍｍであった。採取された丸棒引張試験片に対して、室温で引張試験を実施し、降伏強度（０．２％耐力）を求めた。結果を表２に示す。
【００９９】
［高温強酸ＣＯ２環境における腐食試験］
はじめに、各試験番号の鋼板から、腐食試験片を採取した。試験片は、長さ４０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ３ｍｍであり、治具に吊り下げるための直径３ｍｍの穴を有していた。次に、この試験片の重量を測定した。続いて、試験片を試験条件Ａ又は試験条件Ｂに示す試験溶液に浸漬し、試験溶液に浸漬したまま試験片をオートクレーブ内に収納した。オートクレーブの内部は試験条件Ａ又は試験条件Ｂに示す試験ガス雰囲気及び試験温度にそれぞれ調整した。試験時間は３３６時間であった。
【０１００】
試験条件Ａ
試験溶液：２５ｍａｓｓ％ＮａＣｌ水溶液
試験ガス：３０ｂａｒＣＯ２
試験温度：２５０℃
【０１０１】
試験条件Ｂ
試験溶液：０．０１ｍｏｌ／Ｌ  Ｈ２ＳＯ４水溶液
試験ガス：３０ｂａｒＣＯ２
試験温度：２５０℃
【０１０２】
試験時間終了後の試験片の重量を測定し、試験前後の重量の変化量に基づいて、各試験片の腐食減量を求めた。得られた腐食減量から、各試験番号の鋼板の年間腐食量（ｍｍ／ｙ）を計算した。結果を表２に示す。
【０１０３】
さらに、腐食条件Ａでは、試験後の各試験片について、倍率１０倍のルーペを用いて試験片表面の孔食発生の有無を確認した。結果を表２に示す。
【０１０４】
【表２】
2019073789.tif 000004
【０１０５】
［評価結果］
試験条件Ａにおいては、年間腐食量が０．０５０（ｍｍ／ｙ）未満であれば、耐強酸・炭酸ガス腐食性が良好であると判定した。試験条件Ｂにおいては、年間腐食量が０．１００（ｍｍ／ｙ）未満であれば、耐強酸・炭酸ガス腐食性が良好であると判定した。
【０１０６】
表１及び表２を参照して、試験番号１〜２０の鋼板は、各元素の含有量が適切であり、且つ、式（１）及び式（２）を満たす化学組成を有した。そのため、試験番号１〜２０の鋼板は降伏強度が８６２ＭＰａ以上の高強度を有した。試験番号１〜２０の鋼板はさらに、大深度油井及び大深度地熱井の環境を想定した試験条件Ａ及び試験条件Ｂのいずれにおいても、腐食速度が小さく、孔食の発生が無かった。したがって、試験番号１〜２０の鋼板は、熱処理ままで高強度を有し、さらに、２５０℃でＣＯ２と塩化物イオン又は硫酸とを含むような環境における優れた耐強酸・炭酸ガス腐食性を示した。
【０１０７】
さらに、式（３）を満たす化学組成を有する試験番号１〜１９の鋼板は、式（３）を満たさない（Ｆｎ３＝０．３２の）化学組成を有する試験番号２０の鋼板と比較して、降伏強度（ＹＳ）がさらに高かった。
【０１０８】
一方で、試験番号２１では、Ｃｒ含有量が低過ぎた。試験番号２１ではさらに、Ｆｎ２が１８．９と低く、式（２）を満たさなかった。そのため、試験番号２１の鋼板は、腐食試験において、試験条件Ａの年間腐食量が０．１２０ｍｍ／ｙとなり、さらに孔食が発生した。試験番号２１の鋼板はさらに、試験条件Ｂの年間腐食量が０．２８０ｍｍ／ｙとなった。試験番号２１では、耐強酸・炭酸ガス腐食性が劣った。
【０１０９】
試験番号２２では、Ｃｕ含有量が低過ぎた。試験番号２２ではさらに、Ｆｎ２が１９．９と低く、式（２）を満たさなかった。そのため、試験番号２２の鋼板は降伏強度が３５１．３ＭＰａと低かった。試験番号２２の鋼板はさらに、腐食試験において、試験条件Ｂで年間腐食量が０．１６０ｍｍ／ｙとなり、耐強酸・炭酸ガス腐食性が劣った。
【０１１０】
試験番号２３では、Ｎｉ含有量が多過ぎた。試験番号２３ではさらに、Ｆｎ１が１４．３と低く、式（１）を満たさなかった。そのため、試験番号２３の鋼板は、残留オーステナイト分率が３２．５体積％と高くなり、降伏強度が４０５．４ＭＰａと低かった。
【０１１１】
試験番号２４の鋼板の化学組成は、各元素の含有量は適切であったものの、Ｆｎ１が７．５と低く、式（１）を満たさなかった。そのため、試験番号２４の鋼板は、残留オーステナイト分率が４７．２体積％と高くなり、降伏強度が３８６．７ＭＰａと低かった。
【０１１２】
試験番号２５の鋼板の化学組成は、各元素の含有量は適切であったものの、Ｆｎ２が２４．７と高く、式（２）を満たさなかった。そのため、試験番号２５の鋼板は、残留オーステナイト分率が１１．７体積％と高くなり、降伏強度が５３７．９ＭＰａと低かった。
【０１１３】
試験番号２６の鋼板の化学組成は、各元素の含有量は適切であったものの、Ｆｎ２が１９．８と低く、式（２）を満たさなかった。そのため、試験番号２６の鋼板は、腐食試験において、試験条件Ａの年間腐食量が０．１４２ｍｍ／ｙとなり、さらに孔食が発生した。試験番号２６の鋼板はさらに、試験条件Ｂの年間腐食量が０．２６８ｍｍ／ｙとなった。試験番号２６では、耐強酸・炭酸ガス腐食性が劣った。
【０１１４】
以上、本発明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発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明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。
【符号の説明】
【０１１５】
Ｍ      マルテンサイト相
Ｍ＋Ｆ  マルテンサイト相及びフェライト相の二相組織
Ｆ      フェライト相
Ａ      オーステナイト相
【図１】
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【図２】
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