(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．２０％以下、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２０％超〜５０％、
Ｃｒ：１０〜２５％、
Ｎｉ：０．５〜８％未満、
Ａｌ：０．１０％以下、
Ｍｏ及び／又はＷ：合計で０．１〜５．０％、
Ｃｕ：０．００１〜３．０％、
Ｎ：０．０５〜０．４０％、
Ｃｏ：０〜３．０％、
Ｔｉ：０〜１．０％、
Ｖ：０〜１．０％、
Ｎｂ：０〜１．０％、
Ｚｒ：０〜１．０％、
Ｈｆ：０〜１．０％、
Ｂ：０〜０．０１％、
Ｃａ：０〜０．０５％、
Ｍｇ：０〜０．０５％、及び
希土類元素：０〜１．０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、
不純物中のＰ、Ｓ、及びＯが、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０５０％以下、及び
Ｏ：０．０２０％以下、であり、式（１）を満たす化学組成を有し、
鋼中のＣｒ窒化物及びσ相の総量が７質量％以下である、オーステナイト系ステンレス鋼。
３０≦（−６．５＋３．０Ｎｉ＋０．５Ｃｒ＋２．０Ｍｏ＋１．２Ｗ＋０．７Ｍｎ＋０．２Ｃｕ−５．５Ｃ−３０Ｎ）≦６０  （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【請求項２】
請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼がさらに、質量％で、第１群〜第４群から選択される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。
第１群：Ｃｏ：０．１〜３．０％
第２群：Ｔｉ：０．００１〜１．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、及びＮｂ：０．０１〜１．０％
第３群：Ｚｒ：０．００１〜１．０％、Ｈｆ：０．００１〜１．０％、及びＢ：０．０００１〜０．０１％
第４群：Ｃａ：０．０００３〜０．０５％、Ｍｇ：０．０００３〜０．０５％、及び希土類元素：０．０５〜１．０％
【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に関し、さらに詳しくは、高圧水素ガス用オーステナイト系ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新しいエネルギー源としての水素の利用に注目が集まっている。たとえば、水素を利用する燃料電池自動車の開発、及び、その水素を供給する水素ステーションの開発が進められている。水素を運搬、貯蔵、及び供給する設備には、非常に高い圧力がかかる。したがって、高圧水素環境で使用される材料には、高強度に加えて、優れた耐水素脆化特性が求められる。
【０００３】
耐水素脆化特性に優れる鋼として、ＪＩＳ規格に規定されたオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６Ｌが知られている。しかしながら、高圧水素環境においては、ＳＵＳ３１６Ｌよりも高い強度が要求される。
【０００４】
一般的に、窒素（Ｎ）を含有すれば、固溶強化により鋼の強度が高まることが知られている。しかしながら、Ｎ含有量が高すぎれば、強度は高くなるものの、耐水素脆化特性が低下しやすい。
【０００５】
国際公開第２０１２／１３２９９２号（特許文献１）は、高強度及び耐水素脆化特性に優れるステンレス鋼を提案する。この文献に開示された高圧水素ガス用ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３％以上７％未満、Ｃｒ：１５〜３０％、Ｎｉ：１０％以上１７％未満、Ａｌ：０．１０％以下、Ｎ：０．１０〜０．５０％、並びにＶ：０．０１〜１．０％及びＮｂ：０．０１〜０．５０％のうちの少なくとも１種を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる。このステンレス鋼は、０．１０〜０．５０％のＮを含有することにより、高強度を有し、１０％以上１７％未満のＮｉを含有することにより、Ｎを含有しているにも関わらず優れた耐水素脆化特性を有する。
【０００６】
高強度及び耐水素脆化特性に優れる他のオーステナイト系耐熱鋼として、ＡＩＳＩ規格のＡｌｌｏｙ２８６がある。Ａｌｌｏｙ２８６はＮを含有せず、Ｎｉを２５％程度含有する。そのため、Ａｌｌｏｙ２８６は耐水素脆化特性に優れる。さらに、鋼中にγ’−Ｎｉ3（Ａｌ、Ｔｉ）が微細に分散するため、高い強度を示す。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のステンレス鋼及びＡｌｌｏｙ２８６は、Ｎｉを１０％以上含有するため、コストが高くなる。そのため、Ｎｉ含有量を１０％未満に抑え、かつ強度及び耐水素脆化特性に優れた鋼が求められている。
【０００８】
Ｎｉ含有量を１０％未満に抑えつつ、耐水素脆化特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が特開２００７−１２６６８８号公報（特許文献２）に提案されている。
【０００９】
特許文献２に開示された高圧水素ガス用オーステナイト系高Ｍｎステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：０．０１〜０．４０％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｃｒ：１０〜２０％、Ｍｎ：６〜２０％、Ｃｕ：２〜５％、Ｎｉ：１〜６％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる。このステンレス鋼ではさらに、オーステナイト安定度の指標であるＭｄ３０を、−１２０〜２０℃としている。これにより、歪み誘起マルテンサイトの生成を抑制し、ＳＵＳ３１６Ｌを上回る耐水素脆化感受性を示す、と特許文献２には記載されている。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１３２９９２号
【特許文献２】特開２００７−１２６６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献２のステンレス鋼では耐水素脆化特性については優れるものの、強度については開示されておらず、強度が低い場合もあり得る。
【００１２】
本発明の目的は、Ｎｉ含有量を１０％未満に抑えても高い強度及び優れた耐水素脆化特性を有するオーステナイト系ステンレス鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．２０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２０％超〜５０％、Ｃｒ：１０〜２５％、Ｎｉ：０．５〜８％未満、Ａｌ：０．１０％以下、Ｍｏ及び／又はＷ：合計で０．１〜５．０％、Ｃｕ：０．００１〜３．０％、Ｎ：０．０５〜０．４０％、Ｃｏ：０〜３．０％、Ｔｉ：０〜１．０％、Ｖ：０〜１．０％、Ｎｂ：０〜１．０％、Ｚｒ：０〜１．０％、Ｈｆ：０〜１．０％、Ｂ：０〜０．０１％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、及び希土類元素：０〜１．０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰ、Ｓ、及びＯが、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０５０％以下、及びＯ：０．０２０％以下、であり、式（１）を満たす化学組成を有し、鋼中のＣｒ窒化物及びσ相の総量が７質量％以下である。
３０≦（−６．５＋３．０Ｎｉ＋０．５Ｃｒ＋２．０Ｍｏ＋１．２Ｗ＋０．７Ｍｎ＋０．２Ｃｕ−５．５Ｃ−３０Ｎ）≦６０  （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｎｉ含有量を１０％未満に抑えつつ、優れた強度及び耐水素脆化特性を有する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明者らは、鋼の強度及び耐水素脆化特性について調査及び検討を行い、次の知見を得た。
【００１６】
Ｎは固溶強化により鋼の強度を高める。そのため、Ｎ含有量は０．０５〜０．４０％とする。Ｎは耐水素脆化特性を低下するため、Ｎを含有しても、耐水素脆化特性を維持及び向上する必要がある。従前のステンレス鋼（特許文献１）では、Ｎｉ含有量を１０％以上とすることにより、Ｎ含有量を高めつつ、優れた耐水素脆化特性を得ていた。しかしながら、上述のとおりＮｉは高価であるため、１０％未満に抑えることが求められている。
【００１７】
Ｎｉの代替として、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及び／又はＷ、及びＣｕを含有すれば、Ｎｉ含有量を１０％未満に抑えつつ、優れた耐水素脆化特性が得られる。これらの元素と耐水素脆化特性の関係は必ずしも明らかではないが、これらの元素は積層欠陥エネルギー（以下ＳＦＥともいう）を増加すると考えられる。ＳＦＥは、変形中の転移組織の構造に深く関与する。
【００１８】
一方、ＮはＳＦＥを著しく低下し、さらにＣもＳＦＥを低下する。したがって、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及び／又はＷ、及びＣｕを含有すれば、Ｎ及びＣにより低下したＳＦＥを高めることができ、転移組織変形挙動が変化する。これにより、耐水素脆化特性が高まると考えられる。
【００１９】
Ｆ１＝（−６．５＋３．０Ｎｉ＋０．５Ｃｒ＋２．０Ｍｏ＋１．２Ｗ＋０．７Ｍｎ＋０．２Ｃｕ−５．５Ｃ−３０Ｎ）と定義する。Ｆ１中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【００２０】
Ｆ１はＳＦＥの大きさを意味し、耐水素脆化特性の指標となる。Ｆ１が低すぎれば、耐水素脆化特性が低い。Ｆ１が３０以上であれば、Ｎ含有量が０．０５〜０．４％であっても、優れた耐水素脆化特性が得られる。
【００２１】
Ｆ１を３０以上にするために、Ｍｎ含有量を２０％よりも高くする。Ｍｎは安価である。したがって、Ｎｉの代替としてＭｎを利用し、Ｍｎ含有量を高める。さらに、Ｆ１中でＳＦＥを高める元素であるＣｒを１０〜２５％含有し、かつＭｏ及び／又はＷを合計で０．１〜５．０％含有して、Ｆ１値を３０以上とする。
【００２２】
耐水素脆化特性を高めるために、さらに、析出物の生成を抑制する。本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成の場合、析出物として、Ｃｒ窒化物（Ｃｒ2Ｎ）及びσ相（ＣｒＭｎ3）が生成する。以降、Ｃｒ窒化物及びσ相を特定析出物ともいう。鋼中に特定析出物が多くすると、特定析出物が水素脆化の起点となる、又は、特定析出物がＳＦＥを低下して、耐水素脆化特性が低下する。
【００２３】
粗大なＣｒ窒化物は水素脆化の起点となる。微細なＣｒ窒化物は水素脆化の起点とはならないが、ＳＦＥを低下させる。つまり、耐水素脆化特性を低下する。また、Ｍｎ含有量が高い鋼の場合には、σ相が鋼の冷却中に析出する。σ相は通常粗大であるため、水素脆化の起点となり、耐水素脆化特性を低下する。特定析出物の総量が７質量％以下であれば、耐水素脆化特性の低下が抑制される。特定析出物の総量は、たとえば、製造工程中の固溶化熱処理での処理温度及び冷却速度により調整できる。
【００２４】
以上の知見に基づいて完成した本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．２０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２０％超〜５０％、Ｃｒ：１０〜２５％、Ｎｉ：０．５〜８％未満、Ａｌ：０．１０％以下、Ｍｏ及び／又はＷ：合計で０．１〜５．０％、Ｃｕ：０．００１〜３．０％、Ｎ：０．０５〜０．４０％、Ｃｏ：０〜３．０％、Ｔｉ：０〜１．０％、Ｖ：０〜１．０％、Ｎｂ：０〜１．０％、Ｚｒ：０〜１．０％、Ｈｆ：０〜１．０％、Ｂ：０〜０．０１％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、及び希土類元素：０〜１．０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰ、Ｓ、及びＯが、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０５０％以下、及びＯ：０．０２０％以下、であり、式（１）を満たす化学組成を有し、鋼中の特定析出物の総量が７質量％以下である。
３０≦（−６．５＋３．０Ｎｉ＋０．５Ｃｒ＋２．０Ｍｏ＋１．２Ｗ＋０．７Ｍｎ＋０．２Ｃｕ−５．５Ｃ−３０Ｎ）≦６０    （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【００２５】
上記オーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、第１群〜第４群から選択される１種又は２種以上の元素を含有してもよい。
第１群：Ｃｏ：０．１〜３．０％
第２群：Ｔｉ：０．００１〜１．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、及びＮｂ：０．０１〜１．０％
第３群：Ｚｒ：０．００１〜１．０％、Ｈｆ：０．００１〜１．０％、及びＢ：０．０００１〜０．０１％
第４群：Ｃａ：０．０００３〜０．０５％、Ｍｇ：０．０００３〜０．０５％、及び希土類元素：０．０５〜１．０％
【００２６】
以下、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼について詳述する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。
【００２７】
［化学組成］
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、次の元素を含有する。
【００２８】
Ｃ：０．２０％以下
炭素（Ｃ）は鋼の強度を高める。しかしながらＣ含有量が高すぎれば、炭化物が粒界に多量に析出し、鋼の靱性が低下し、さらに、耐水素脆化特性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．２０％以下である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．１６％であり、より好まくは０．１３％である。Ｃ含有量はなるべく低いほうが好ましい。
【００２９】
Ｓｉ：１．０％以下
シリコン（Ｓｉ）は、Ｎｉ及びＣｒ等と結合して金属間化合物を形成し、熱間加工性を低下する。したがって、Ｓｉの含有量は１．０％以下である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．５％である。Ｓｉ含有量はなるべく低い方が好ましい。精錬コストを考慮すれば、Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．０１％である。
【００３０】
Ｍｎ：２０％超〜５０％
マンガン（Ｍｎ）は安価であり、鋼中のオーステナイトを安定化する。Ｍｎは、Ｃｒ、Ｎｉ、及びＮ等との適正な組み合わせにより、鋼の強度、延性及び靱性を高める。Ｍｎはさらに、鋼の耐水素脆化特性を高める。Ｍｎ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、鋼の熱間加工性及び靭性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は２０％超〜５０％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は２２％であり、さらに好ましくは２４％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は４５％であり、さらに好ましくは４３％である。
【００３１】
Ｃｒ：１０〜２５％
クロム（Ｃｒ）は、鋼の耐食性を高め、さらに耐水素脆化特性を高める。Ｃｒ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、析出物であるＣｒ窒化物が生成しやすくなる。Ｃｒ窒化物は鋼の耐水素脆化特性を低下する。したがって、Ｃｒ含有量は、１０〜２５％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１２％であり、さらに好ましくは１４％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は２４％であり、さらに好ましくは２３％である。
【００３２】
Ｎｉ：０．５〜８％未満
ニッケル（Ｎｉ）は、鋼中のオーステナイトを安定化する。上述のとおり、Ｎｉは、Ｃｒ、Ｍｎ、及びＮ等との適正な組み合わせにより、鋼の強度、延性及び靱性を高める。Ｎｉはさらに、鋼の耐水素脆化特性を高める。Ｎｉ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｎｉ含有量が高すぎれば、原料コストが高くなる。したがって、Ｎｉ含有量は０．５〜８％未満である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は、０．６％であり、さらに好ましくは０．８％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は、７％であり、さらに好ましくは６％である。
【００３３】
Ａｌ：０.１０％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、不可避に含有される。Ａｌは鋼を脱酸する。しかしながら、Ａｌ含有量が高すぎれば、鋼中に酸化物及び金属間化合物が生成しやすくなり、鋼の靭性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０.１０％以下である。鋼をより有効に脱酸するためのＡｌ含有量の好ましい下限は０．００１％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．０３％である。本明細書において、Ａｌ含有量はｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）を意味する。
【００３４】
Ｍｏ及び/又はＷ：合計で０．１〜５．０％
モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）はいずれも、固溶強化により鋼の強度を高める。Ｍｏ及びＷはさらに、鋼の耐水素脆化特性を高める。これらの元素のいずれか一方の含有量、又は、Ｍｏ及びＷの両方が含有される場合には両方の合計含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｍｏ及び／又はＷの含有量が高すぎれば、原料コストが高くなる。したがって、Ｍｏ及び／又はＷの含有量は０．１〜５．０％である。本明細書において、Ｍｏ及び／又はＷの含有量とは、Ｍｏ及びＷのいずれか一方のみが含有されている場合は、その元素の含有量を意味する。Ｍｏ及びＷの両方が含有されている場合は、Ｍｏ及びＷの合計含有量を意味する。Ｍｏ及び／又はＷの含有量の好ましい下限は０．３％であり、さらに好ましくは０．５％である。Ｍｏ及び／又はＷの含有量の好ましい上限は４．０％であり、さらに好ましくは３．５％である。
【００３５】
Ｎ：０．０５〜０．４０％
窒素（Ｎ）は、固溶強化により鋼の強度を高める。Ｎ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、析出物であるＣｒ窒化物が生成する。Ｃｒ窒化物は鋼の靭性等の機械的性質を低下し、鋼の耐水素脆化特性を低下する。したがって、Ｎ含有量は０．０５〜０．４０％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．０８％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．３８％であり、さらに好ましくは０．３５％である。
【００３６】
Ｃｕ：０．００１〜３.０％
銅（Ｃｕ）は、鋼中のオーステナイトを安定化する。Ｃｕはさらに、固溶強化により鋼の強度を高め、さらに、鋼の耐水素脆化特性を高める。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、その効果は飽和する。Ｃｕ含有量が高すぎればさらに、原料コストが高くなる。したがって、Ｃｕ含有量は０．００１〜３．０％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は２．５％であり、さらに好ましくは２．０％である。
【００３７】
本発明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及び不純物からなる。ここで、不純物とは、オーステナイト系ステンレス鋼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、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００３８】
不純物中のＰ、Ｓ、及びＯの含有量はそれぞれ次のとおりである。
【００３９】
Ｐ：０．０５０％以下
燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは鋼の靭性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０５０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０１８％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。
【００４０】
Ｓ：０．０５０％以下
硫黄（Ｓ）は不純物である。Ｓは、Ｐと同様に、鋼の靭性を低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０５０％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０１０％であり、さらに好ましくは０．００５％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。
【００４１】
Ｏ：０．０２０％以下
酸素（Ｏ）は不純物である。Ｏは、鋼の熱間加工性及び靭性を低下する。したがって、Ｏ含有量は０．０２０％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は０．００８％であり、さらに好ましくは０．００６％である。
【００４２】
上述のオーステナイト系ステンレス鋼はさらに、下記の第１群〜第４群から選択される１種又は２種以上の元素を含有してもよい。以下、これらの元素について詳述する。
【００４３】
［第１群］
Ｃｏ：０〜３．０％
コバルト（Ｃｏ）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、Ｃｏは鋼中のオーステナイトを安定化する。Ｃｏはさらに、固溶強化により鋼の強度を高める。しかしながら、Ｃｏ含有量が高すぎれば原料コストが高くなる。したがって、Ｃｏ含有量は０〜３．０％である。Ｃｏ含有量の好ましい下限は０．１％である。
【００４４】
［第２群］
Ｔｉ：０〜１．０％、
Ｖ：０〜１．０％、及び、
Ｎｂ：０〜１．０％
チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、及びニオブ（Ｎｂ）はいずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、これらの元素はいずれも炭化物を形成して結晶粒を微細化する。この細粒化により、鋼の靭性及び耐水素脆化特性が高まる。しかしながら、これらの元素含有量が高すぎれば、鋼の加工性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０〜１．０％であり、Ｖ含有量は０〜１．０％であり、Ｎｂ含有量は０〜１．０％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｖ含有量及びＮｂ含有量の好ましい下限はそれぞれ０．０１％であり、さらに好ましくはそれぞれ０．１％である。Ｔｉ、Ｖ及びＮｂ含有量の好ましい上限はそれぞれ０．５％であり、さらに好ましくはそれぞれ０．３％である。
【００４５】
［第３群］
Ｚｒ：０〜１．０％、
Ｈｆ：０〜１．０％、及び、
Ｂ：０〜０．０１％
ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、及びホウ素（Ｂ）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、これらの元素はいずれも、結晶粒界に偏析することで、変形抵抗を増加させる。これにより、高強度化に寄与する。このため、Ｚｒ，Ｈｆ、及びＢを必要に応じて含有させることが出来る。また、Ｚｒ及びＨｆは第２群に属する元素と同様に、合金炭化物を形成して結晶粒を微細化させる。微細化した結晶粒は、靭性や耐水素脆化特性の改善に有効である。一方、これらの元素が過剰に含有されると、鋼の加工性が低下する。したがって、これらの元素を含有させる場合、Ｚｒ：０〜１．０％、Ｈｆ：０〜１．０％、及びＢ：０〜０．０１％である。Ｚｒ含有量及びＨｆ含有量の好ましい下限はそれぞれ０．００１％であり、さらに好ましくはそれぞれ０．１％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。Ｚｒ含有量及びＨｆ含有量の好ましい上限はそれぞれ０．５％であり、さらに好ましくはそれぞれ０．３％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．００３％である。
【００４６】
［第４群］
Ｃａ：０〜０．０５％、
Ｍｇ：０〜０．０５％、及び、
希土類元素（ＲＥＭ）：０〜１．０％
カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び希土類元素（ＲＥＭ）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、Ｍｇ、及びＲＥＭは、鋳造時の凝固割れを抑制する。しかしながら、これらの元素含有量が高すぎれば、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、及びＲＥＭ：０〜１．０％である。Ｃａ含有量及びＭｇ含有量の好ましい下限はそれぞれ０．０００３％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。ＲＥＭ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｃａ含有量及びＭｇ含有量の好ましい上限はそれぞれ０．０１％であり、さらに好ましくは０．００３％である。ＲＥＭ含有量の好ましい上限は０．５％であり、さらに好ましくは０．３％である。
【００４７】
本明細書において、ＲＥＭはＳｃ、Ｙ、及び、ランタノイド（原子番号５７番のＬａ〜７１番のＬｕ）からなる群から選択される１種以上を含有する。ＲＥＭ含有量は、これらの元素の合計含有量を意味する。
【００４８】
［式（１）について］
上記化学組成はさらに、式（１）を満たす。
３０≦（−６．５＋３．０Ｎｉ＋０．５Ｃｒ＋２．０Ｍｏ＋１．２Ｗ＋０．７Ｍｎ＋０．２Ｃｕ−５．５Ｃ−３０Ｎ）≦６０  （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【００４９】
Ｆ１＝（−６．５＋３．０Ｎｉ＋０．５Ｃｒ＋２．０Ｍｏ＋１．２Ｗ＋０．７Ｍｎ＋０．２Ｃｕ−５．５Ｃ−３０Ｎ）と定義する。上述のとおり、Ｆ１値は耐水素脆化特性の程度を示す指標である。Ｆ１値が３０以上であれば、充分な耐水素脆化特性を確保できる。この理由は定かではないが、ＳＦＥが充分に高い値になったためである可能性がある。一方、Ｆ１値が６０を超えると、耐水素脆化特性がかえって低下する。この理由も定かではないが、水素化物等の形成が促進されたためである可能性がある。したがって、Ｆ１値は３０〜６０である。Ｆ１値の好ましい下限は３１であり、さらに好ましくは３２である。Ｆ１値の好ましい上限は５５であり、さらに好ましくは５０である。
【００５０】
［鋼中の特定析出物の総量］
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼ではさらに、鋼中のＣｒ窒化物（ＣｒＮ2）及びσ相（ＣｒＭｎ3）の総量は７質量％以下である。
【００５１】
特定析出物（Ｃｒ窒化物及びσ相）は、鋼の耐水素脆化特性を低下する。特定析出物が水素脆化の起点となる、又は、特定析出物がＳＦＥを低下するためである。
【００５２】
本発明では、鋼全体の質量に対する特定析出物の総質量の比、つまり、鋼中の特定析出物の総量が７質量％以下である。この場合、鋼の耐水素脆化の低下が抑制される。
【００５３】
特定析出物の総量の測定方法は次のとおりである。オーステナイトステンレス鋼材の中央部（オーステナイト系ステンレス鋼板の場合は板厚及び板幅の中央部、オーステナイト系ステンレス鋼管の場合は肉厚中央部）から、直径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍの丸棒状試験片を採取する。１０％ＡＡ系電解液（１０体積％アセチルアセトン−１質量％塩化テトラメチルアンモニウム−メタノール溶液）を用いて試験片に対して定電流電解を実施して、析出物を残渣として抽出する。残渣である析出物に対してＸ線回折を実施して、Ｃｒ窒化物及びσ相を特定する。特定されたＣｒ窒化物及びσ相の総量の試験片に対する質量％を求める。
【００５４】
［製造方法］
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法の一例は、素材を準備する工程（準備工程）と、素材を熱間加工して鋼材とする工程（熱間加工工程）と、熱間加工後の鋼材に対して固溶化熱処理を実施する工程（固溶化熱処理工程）とを備える。以下、この製造方法について説明する。
【００５５】
［準備工程］
上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。製造された溶鋼に対して、必要に応じて周知の脱ガス処理を実施する。脱ガス処理を実施した溶鋼から、素材を製造する。素材の製造方法はたとえば、連続鋳造法である。連続鋳造法により、連続鋳造材（素材）を製造する。連続鋳造材はたとえば、スラブ、ブルーム及びビレット等である。溶鋼を造塊法によりインゴットにしてもよい。
【００５６】
［熱間加工工程］
素材（連続鋳造材又はインゴット）を周知の方法により熱間加工して、オーステナイト系ステンレス鋼材にする。オーステナイト系ステンレス鋼材はたとえば、鋼管、鋼板、棒鋼、線材及び鍛鋼等である。オーステナイト系ステンレス鋼材はたとえば、ユジーン・セジュルネ法による熱間押出加工により製造されてもよい。
【００５７】
１回の熱間加工によりオーステナイト系ステンレス鋼材を製造してもよいし、複数回の熱間加工により、オーステナイト系ステンレス鋼材を製造してもよい。
【００５８】
［固溶化熱処理工程］
製造されたオーステナイト系ステンレス鋼材に対して固溶化熱処理を実施する。固溶化熱処理では、オーステナイト系ステンレス鋼材を固溶化熱処理温度で均熱した後、冷却する。固溶化熱処理の条件は次のとおりである。
【００５９】
固溶化熱処理温度：１０００〜１１５０℃
固溶化熱処理温度が低すぎれば、鋼中に特定析出物（Ｃｒ窒化物及びσ相）が残存し、特定析出物の総量が７質量％を超える。一方、固溶化熱処理温度が高すぎれば、結晶粒が粗大化して、鋼の靭性等の機械的性質が低下する。したがって、固溶化熱処理温度は１０００〜１１５０℃である。固溶化熱処理温度の好ましい下限は１０５０℃であり、好ましい上限は１１００℃である。
【００６０】
鋼材温度が１０００〜６００℃の範囲（以下、特定温度域という）における冷却速度：１００℃／ｍｉｎ以上。
特定温度域での冷却速度が遅すぎれば、冷却時に特定析出物が生成し、特定析出物の総量が７質量％を超える。したがって、特定温度域での冷却速度は１００℃／ｍｉｎ以上である。特定温度域での冷却速度は、平均の冷却速度が１００℃／ｍｉｎ以上であることを意味する。
【００６１】
以上の製造工程により、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼が製造できる。
【実施例】
【００６２】
表１の化学組成を有する溶鋼を真空溶解により製造して、５０ｋｇのインゴットを製造した。
【００６３】
【表１】
0006520617.tif 000002
【００６４】
インゴットを熱間鍛造して、４０〜６０ｍｍの厚さのブロックを製造した。ブロックを熱間圧延して、１５ｍｍの板厚を有する熱延鋼板を製造した。熱延鋼板に対して、表２に示す条件で固溶化熱処理を行った。具体的には、固溶化熱処理では、表２に示す固溶化熱処理温度（℃）で１時間保持し、その後、水冷した。水冷時において、１０００〜６００℃の温度域（特定温度域）における冷却速度は表２のとおりであった。以上の製造方法により、表２に示す各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼板を製造した。各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼板に対して、次の試験を実施した。
【００６５】
【表２】
0006520617.tif 000003
【００６６】
［特定析出物総量測定試験］
各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼板の中心部から直径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍの電解抽出用試験片を採取した。試験片を１０％ＡＡ系電解液中に浸漬して定電流電解を実施し、析出物である残渣を抽出した。残渣である析出物に対してＸ線回折を実施した結果、いずれの試験番号においても、析出物は、Ｃｒ窒化物（Ｃｒ2Ｎ）及び／又はσ相（ＣｒＭｎ3）であり、他の析出物は観察されなかった。残渣の試験片に対する質量％を求め、特定析出物（Ｃｒ窒化物及びσ相）の総量（質量％）と定義した。特定析出物の総量を表２に示す。
【００６７】
［引張試験］
各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼板の中心部から、丸棒引張試験片を採取した。丸棒引張試験片では、平行部の径が２．５ｍｍであり、平行部の長さが２０ｍｍであった。丸棒引張試験片の長手方向はオーステナイト系ステンレス鋼板の圧延方向とした。丸棒引張試験片を用いて、常温（２５℃）大気中で引張試験を実施して、引張強度ＴＳ（ＭＰａ）及び破断絞り（％）を求めた。試験中のひずみ速度は３×１０-6／秒とした。得られた引張強度ＴＳ（ＭＰａ）を表２に示す。
【００６８】
［耐水素脆化特性試験］
各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼板から、引張試験と同様の丸棒引張試験片を新たに採取した。低歪速度試験機（ＳＳＲＴ）を用いて、常温（２５℃）、８５ＭＰａの高圧水素ガス雰囲気中において、３×１０-6／秒のひずみ速度で引張試験を実施し、破断絞り（％）を求めた。耐水素脆化特性試験にて得られた破断絞りの、引張試験にて得られた破断絞りに対する比を、相対破断絞り（％）と定義した。相対破断絞りが高ければ、耐水素脆化特性に優れると判断した。得られた相対破断絞り（％）を表２に示す。
【００６９】
［試験結果］
表２を参照して、試験番号１〜１０の化学組成は適切であり、式（１）を満たした。さらに、製造条件も適切であった。その結果、これらの試験番号の引張強度ＴＳは６６０ＭＰａ以上であり、高い強度を示した。さらに、試験番号１〜１０の相対破断絞りはいずれも８０％以上であり、優れた耐水素脆化特性を示した。
【００７０】
一方、試験番号１１では、Ｍｎ含有量が低すぎた。その結果、相対破断絞りが８０％未満と低く、耐水素脆化特性が低かった。
【００７１】
試験番号１２では、Ｃｒ含有量が低すぎた。その結果、相対破断絞りが８０％未満と低かった。
【００７２】
試験番号１３では、Ｃｒ含有量が高すぎた。その結果、特定析出物の総量が７質量％を超え、相対破断絞りが８０％未満となった。Ｃｒ含有量が高く、Ｃｒ窒化物が過剰に析出したためと考えられる。
【００７３】
試験番号１４では、Ｎｉ含有量が低すぎた。そのため、相対破断絞りが８０％未満と低かった。
【００７４】
試験番号１５では、Ｆ１値が式（１）の上限を超えた。そのため、相対破断絞りが８０％未満と低かった。
【００７５】
試験番号１６ではＦ１値が式（１）の下限未満であった。そのため、相対破断絞りが８０％未満と低かった。
【００７６】
試験番号１７では、Ｎ含有量が低すぎた。そのため、引張強度が低かった。
【００７７】
試験番号１８では、Ｎ含有量が高すぎ、Ｆ１値が式（１）の下限未満であった。そのため、特定析出物の総量が７質量％を超え、相対破断絞りが８０％未満となった。Ｎ含有量が高く、Ｃｒ窒化物が過剰に析出したためと考えられる。
【００７８】
試験番号１９では、化学組成は適切であったものの、特定析出物の総量が７質量％を超えた。それは、固溶化熱処理温度が低すぎたためである。その結果、相対破断絞りが８０％未満と低かった。
【００７９】
試験番号２０の化学組成は、Ｍｏ及びＷを含有しなかった。そのため、引張強度ＴＳが６６０ＭＰａ未満と低く、相対破断絞りも８０％未満であった。
【００８０】
試験番号２１及び２２では、化学組成が適切であったものの、固溶化熱処理における特定温度域の冷却速度（平均冷却速度）が遅かった。そのため、特定析出物の質量率が７％を超え、相対破断絞りが８０％未満と低かった。
【００８１】
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。