(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学組成が、質量％で、
Ｃ  ：０．１％以下、
Ｓｉ：１．０％未満、
Ｍｎ：３．０〜１７．０％、
Ｎｉ：９．５〜１５％、
Ｃｒ：１５〜２５％、
Ｍｏ：０．１〜３．０％、
Ｎ  ：０．２０％を超え０．３５％以下、
Ｎｂ：０〜０．３％、
Ｖ  ：０〜０．３％、
Ｃｕ：０〜４．０％、
Ａｌ：０．００３〜０．１０％、
Ｐ  ：０．０５％以下、
Ｓ  ：０．０５％以下、
Ｃｏ：０〜３％、
Ｔｉ：０〜０．３％、
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、
固溶Ｎ量が０．２０質量％以上であり、
前記化学組成が、下記式（１）及び（２）を満たし、
−１９６℃におけるシャルピー衝撃値が５２Ｊ以上であり、
前記化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．００１〜０．３％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０５％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０５％、及び
ＲＥＭ：０．００１〜０．５％、
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、低温水素用オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｎｂ＋Ｖ≧０．１      （１）
Ｎｉ＋１２．９３Ｃ＋１．１１Ｍｎ＋０．７２Ｃｒ＋０．８８Ｍｏ−０．２７Ｓｉ＋０．１９Ｎｂ＋０．５３Ｃｕ＋０．９Ｖ＋７．５５Ｎ≧３０．０      （２）
前記式（１）及び（２）の元素記号には、質量％で、対応する元素の含有量が代入される。
【請求項２】
請求項１に記載の低温水素用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、
Ｃｕ：０．０５〜４．０％、
Ｃｏ：０．００５〜３％、及び
Ｂ  ：０．０００１〜０．０１％、
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、低温水素用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に記載の低温水素用オーステナイト系ステンレス鋼であって、
常温での引張強度が８００ＭＰａ以上である、低温水素用オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項４】
低温水素用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：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％未満、Ｍｎ：３．０〜１７．０％、Ｎｉ：９．５〜１５％、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｎ：０．２０％を超え０．３５％以下、Ｎｂ：０〜０．３％、Ｖ：０〜０．３％、Ｃｕ：０〜４．０％、Ａｌ：０．００３〜０．１０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｏ：０〜３％、Ｔｉ：０〜０．３％、Ｂ：０〜０．０１％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、ＲＥＭ：０〜０．５％、残部：Ｆｅ及び不純物である鋼材を準備する工程と、
前記鋼材を１１００〜１２８０℃で固溶化熱処理する工程とを備え、
前記化学組成が、下記式（３）及び（４）を満たし、
前記低温水素用オーステナイト系ステンレス鋼は、固溶Ｎ量が０．２０質量％以上であり、常温での引張強度が８００ＭＰａ以上であり、−１９６℃におけるシャルピー衝撃値が５２Ｊ以上であり、
前記化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．００１〜０．３％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０５％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０５％、及び
ＲＥＭ：０．００１〜０．５％、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、低温水素用オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
Ｎｂ＋Ｖ≧０．１      （３）
Ｎｉ＋１２．９３Ｃ＋１．１１Ｍｎ＋０．７２Ｃｒ＋０．８８Ｍｏ−０．２７Ｓｉ＋０．１９Ｎｂ＋０．５３Ｃｕ＋０．９Ｖ＋７．５５Ｎ≧３０．０      （４）
前記式（３）及び（４）の元素記号には、質量％で、対応する元素の含有量が代入される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温水素用オーステナイト系ステンレス鋼及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を媒体とする輸送機器の研究開発、及び水素を供給する水素ステーションの実用化研究が盛んに進められている。これらの実用化に際して、水素ガスを高圧貯蔵、使用する環境の整備が急務とされており、引張強度で８００ＭＰａを上回る高強度材料の開発及び適用検討が並行して進められている。
【０００３】
このような背景のもと、高圧水素用に使用される材料としては例えば、国際公開第２００４／０８３４７６号、国際公開第２００４／０８３４７７号、国際公開第２００４／１１０６９５号、及び国際公開第２０１２／１３２９９２号には、高強度のオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。これらのオーステナイト系ステンレス鋼は、高Ｍｎ化することによってＮの溶解度を高めている。さらに、ＶやＮｂを添加することによるＮの固溶強化及び窒化物の析出強化、さらにはそのピニングによる結晶粒の微細化を活用して、オーステナイト系ステンレス鋼を高強度化することが開示されている。
【０００４】
ところで、液体水素を用いた水素の貯蔵及び使用に対する期待も高まっている。水素を液体にすることで、高圧水素の場合と比較して、一度に貯蔵・輸送できる水素量を格段に多くすることができる。また、燃料電池自動車（ＦＣＶ）等への充填時には、液体水素を気体にする際、昇温とともに水素ガス圧が自動的に昇圧される。そのため、高圧水素ステーションに付随しているような圧縮に伴う各種機器が不要になるとされている。
【０００５】
特開２０１４−４０６４８号公報には、−１９６℃以下での極低温靱性に優れた高強度厚鋼板が開示されている。国際公開第２０１２／０４３８７７号には、４０ＭＰａ超の高圧水素ガスでの耐水素環境、あるいは、液体水素での耐水素環境において使用しても、優れた耐水素脆性を有する、安価なステンレス鋼及び安価かつ高強度のステンレス鋼が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００４／０８３４７６号
【特許文献２】国際公開第２００４／０８３４７７号
【特許文献３】国際公開第２００４／１１０６９５号
【特許文献４】国際公開第２０１２／１３２９９２号
【特許文献５】特開２０１４−４０６４８号公報
【特許文献６】国際公開第２０１２／０４３８７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
材料の水素脆化に対する懸念は、水素が液体として貯蔵されている際には、水素が拡散しにくい温度域であるため、比較的小さい。一方、昇圧過程では水素ガスに曝されるため、材料の水素脆化に対する懸念が大きい。そのため、低温水素に用いられる材料には、極低温における靱性に加えて、−５０℃近傍における耐水素脆性が求められる。
【０００８】
また、常温において狙いの圧力の水素にするためには、液体水素時にある程度昇圧しておく必要がある。そのため、低温水素に用いられる材料には、高強度が求められる。
【０００９】
特開２０１４−４０６４８号公報には、−５０℃近傍における耐水素脆性についての記述がない。また、国際公開第２０１２／０４３８７７号のステンレス鋼は、低コスト化の観点から記載されており、発明例では引張強度が８００ＭＰａ未満である。このように、強度、低温靱性、及び低温における耐水素脆性のすべての特性を満たす材料がないのが現状である。
【００１０】
本発明は上記現状に鑑みてなされたもので、強度、低温靱性、及び低温における耐水素脆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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一実施形態による低温水素用オーステナイト系ステンレス鋼は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％未満、Ｍｎ：３．０〜１７．０％、Ｎｉ：９．５〜１５％、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｎ：０．２０％を超え０．３５％以下、Ｎｂ：０〜０．３％、Ｖ：０〜０．３％、Ｃｕ：０〜４．０％、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｏ：０〜３％、Ｔｉ：０〜０．３％、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、固溶Ｎ量が０．２０質量％以上であり、化学組成が、下記式（１）及び（２）を満たす。
Ｎｂ＋Ｖ≧０．１      （１）
Ｎｉ＋１２．９３Ｃ＋１．１１Ｍｎ＋０．７２Ｃｒ＋０．８８Ｍｏ−０．２７Ｓｉ＋０．１９Ｎｂ＋０．５３Ｃｕ＋０．９Ｖ＋７．５５Ｎ≧３０．０      （２）
式（１）及び（２）の元素記号には、質量％で、対応する元素の含有量が代入される。
【００１２】
本発明の一実施形態による低温水素用オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％未満、Ｍｎ：３．０〜１７．０％、Ｎｉ：９．５〜１５％、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｎ：０．２０％を超え０．３５％以下、Ｎｂ：０〜０．３％、Ｖ：０〜０．３％、Ｃｕ：０〜４．０％、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｏ：０〜３％、Ｔｉ：０〜０．３％、Ｂ：０〜０．０１％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、ＲＥＭ：０〜０．５％、残部：Ｆｅ及び不純物である鋼材を準備する工程と、鋼材を１０５０〜１２８０℃で固溶化熱処理する工程とを備え、化学組成が、下記式（３）及び（４）を満たす。
Ｎｂ＋Ｖ≧０．１      （３）
Ｎｉ＋１２．９３Ｃ＋１．１１Ｍｎ＋０．７２Ｃｒ＋０．８８Ｍｏ−０．２７Ｓｉ＋０．１９Ｎｂ＋０．５３Ｃｕ＋０．９Ｖ＋７．５５Ｎ≧３０．０      （４）
式（３）及び（４）の元素記号には、質量％で、対応する元素の含有量が代入される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、強度、低温靱性、及び低温における耐水素脆性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、固溶Ｎ量と、−１９６℃におけるシャルピー衝撃値（Ｌ方向）との関係を示す散布図である。
【図２】図２は、固溶Ｎ量と、−１９６℃におけるシャルピー衝撃値（Ｔ方向）との関係を示す散布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明者らは、上記の課題を解決するために調査を重ねた。具体的には、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％未満、Ｍｎ：３．０〜１７．０％、Ｎｉ：９．５〜１５％、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｎｂ：０〜０．３％、Ｖ：０〜０．３％、Ｎ：０．２０を超え０．３５％以下、Ｃｕ：０〜４．０％等を含む種々のオーステナイト系ステンレス鋼の強度、低温靱性、低温における耐水素脆性を比較した。その結果、以下の知見を得た。
【００１６】
（ａ）下記の式（Ａ）で規定されるＮｉｅｑ値が３０．０％以上であるオーステナイト系ステンレス鋼が、高強度かつ優れた耐水素脆性を有する。
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋１２．９３Ｃ＋１．１１Ｍｎ＋０．７２Ｃｒ＋０．８８Ｍｏ−０．２７Ｓｉ＋０．１９Ｎｂ＋０．５３Ｃｕ＋０．９Ｖ＋７．５５Ｎ      （Ａ）
式（Ａ）の元素記号には、質量％で、対応する元素の含有量が代入される。
【００１７】
低温における耐水素脆性は、低温域におけるオーステナイトの安定度の観点から整理できる。すなわち、Ｎｉｅｑが３０．０％未満の材料の場合、低温においてオーステナイトの安定度を確保できず、急激に水素脆化感受性が高くなると考えられる。
【００１８】
（ｂ）鋼中の固溶Ｎ量が０．２０質量％以上であるオーステナイト系ステンレス鋼が、高強度かつ優れた低温靱性を有する。
【００１９】
上記の元素を含むオーステナイト系ステンレス鋼では、Ｎｂ、Ｖ含有窒化物を析出させ、結晶粒を微細化することで高強度化を図っている。一方、Ｎｂ、Ｖ含有窒化物が過剰に析出すると、低温靱性に悪影響を与え、低温水素用材料としては適さなくなることが分かった。しかし、単にＮ量を制限すると、強度を維持することが困難になる。そこで、固溶Ｎによって固溶強化を図ることによって、高強度と高靱性とを両立することができることが分かった。
【００２０】
（ｃ）熱処理の温度を高温にすることによって、窒化物の生成量を抑え、鋼中の固溶Ｎ量を増加させることができる。
【００２１】
具体的には、熱処理の温度を１０５０〜１２８０℃にすることで、高強度と高靱性とを両立できることが分かった。
【００２２】
以上の知見に基づいて、本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼は完成された。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を詳細に説明する。
【００２３】
［鋼の化学組成］
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。
【００２４】
Ｃ：０．１％以下
炭素（Ｃ）は、本実施形態において積極的に添加される元素ではない。Ｃ含有量が０．１％を超えると炭化物が粒界に析出し、靱性等に悪影響を及ぼす。そのため、Ｃ含有量は０．１％以下にする。Ｃ含有量は、好ましくは０．０４％以下であり、さらに好ましくは０．０２％以下である。Ｃ含有量はできるだけ少ない方が良いが、極端なＣ含有量の低減は精錬コストの上昇を招くので、実用上０．００１％以上とするのが好ましい。
【００２５】
Ｓｉ：１．０％未満
シリコン（Ｓｉ）は鋼を脱酸する。しかし、Ｓｉが多量に含有されると、Ｎｉ、Ｃｒ等と金属間化合物を形成したり、シグマ相等の金属間化合物の生成を助長したりして、熱間加工性を著しく低下させる場合がある。そのため、Ｓｉ含有量は１．０％未満にする。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．５％以下である。なお、Ｓｉ含有量は少ないほど良いが、精錬コストを考慮すれば、０．１％以上とするのが好ましい。
【００２６】
Ｍｎ：３．０〜１７．０％
マンガン（Ｍｎ）は、安価なオーステナイト安定化元素である。本実施形態においては、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎ等との適正な組み合わせによって、高強度化と延性及び靱性の向上とに寄与する。また本実施形態では、Ｎの固溶強化を利用するが、Ｍｎの含有量が少ない場合、Ｎの溶解量が少なくなり、Ｎの固溶強化の効果が十分に得られない。また本実施形態では、ＮｂやＶの炭窒化物を微細析出させることによる結晶粒の微細化も狙うが、Ｎの溶解量が少ない場合、炭窒化物の形成が不十分になる。そのため、Ｍｎは３．０％以上含有させる必要がある。一方、Ｍｎ含有量が１７．０％を超えると、熱間加工性や耐候性が低下する場合がある。したがって、Ｍｎ含有量は３．０〜１７．０％である。Ｍｎ含有量の下限は好ましくは４．０％である。Ｍｎ含有量の上限は好ましくは８．０％であり、さらに好ましくは７．０％であり、さらに好ましくは６．２％である。
【００２７】
Ｎｉ：９．５〜１５％
ニッケル（Ｎｉ）は、オーステナイト形成元素として添加される。本実施形態においてＮｉは、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎ等との適正な組み合わせによって、積層欠陥エネルギーを高め、耐水素脆化性を向上させる。その効果を十分に得るためには、９．５％以上含有させる必要がある。一方、Ｎｉは高価な元素であるため、多量の添加はコストの増大を招く。したがって、Ｎｉ含有量は９．５〜１５％である。Ｎｉ含有量の下限は好ましくは１０％であり、さらに好ましくは１１％である。Ｎｉ含有量の上限は好ましくは１４％である。
【００２８】
Ｃｒ：１５〜２５％
クロム（Ｃｒ）は、ステンレス鋼としての耐食性を確保する元素として、必須の成分である。一方、含有量が過剰になると延性及び靱性を低下させる粗大なＭ２３Ｃ６等の炭化物が多量に生成しやすくなる。したがって、Ｃｒ含有量は１５〜２５％である。Ｃｒ含有量の下限は好ましくは１８％である。Ｃｒ含有量の上限は好ましくは２４％である。
【００２９】
Ｍｏ：０．１〜３．０％
モリブデン（Ｍｏ）は、使用環境下での耐食性の向上、及び強度を高めるのに有効な元素である。その効果を得るためには０．１％以上の含有が必要である。一方、Ｍｏは高価な元素であるため、多量の添加はコストの増大を招く。したがって、Ｍｏ含有量は０．１〜３．０％である。Ｍｏ含有量の下限は好ましくは０．１５％である。Ｍｏ含有量の上限は好ましくは２．５％である。
【００３０】
Ｎ：０．２０％を超え０．３５％以下
窒素（Ｎ）は、最も重要な固溶強化元素であり、また、窒化物を形成することで結晶粒を微細化し、高強度化に寄与する。高強度化に活用するためには、０．２０％を超えるＮの含有が必要である。しかし、０．３５％を超えてＮを含有させることは、工業的には困難であり好ましくない。したがって、Ｎ含有量は０．２０％を超え０．３５％以下である。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０．２４％である。Ｎ含有量の上限は好ましくは０．３４％であり、さらに好ましくは０．３３％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は、Ｎｂ及びＶの少なくとも一方を含有する。後述するように、Ｎｂ及びＶは、合計の含有量が０．１％以上であれば良い。
【００３２】
Ｎｂ：０〜０．３％
ニオブ（Ｎｂ）は、基質に固溶し、又は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。一方、Ｎｂ含有量が過剰になると、窒化物が過剰に析出し、低温靱性の低下を招く。そのため、Ｎｂ含有量は０〜０．３％である。Ｎｂ含有量下限は好ましくは０．１％である。Ｎｂ含有量の上限は好ましくは０．２５％である。
【００３３】
Ｖ：０〜０．３％
バナジウム（Ｖ）は、Ｎｂと同様に、強度を向上させるのに有効な元素である。一方、Ｖ含有量が過剰になると、窒化物が過剰に析出し、低温靱性の低下を招く。そのため、Ｖ含有量は０〜０．３％である。Ｖ含有量の下限は好ましくは０．１％である。Ｖ含有量の上限は好ましくは０．２５％である。
【００３４】
Ａｌ：０．１０％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。一方、Ａｌ含有量が過剰になると、シグマ相等の金属間化合物の生成が助長される。したがって、Ａｌ含有量は０．１０％以下である。なお、脱酸の効果を確実にするためには、Ａｌを０．００１％以上含有することが好ましく、０．００３％以上含有することがさらに好ましい。Ａｌ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０．０４％である。なお、本明細書のＡｌとはいわゆる「ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）」を指す。
【００３５】
Ｐ：０．０５％以下
燐（Ｐ）は不純物であって、鋼の靱性等に悪影響を及ぼす。Ｐ含有量は０．０５％以下で、できるだけ少ない方が好ましい。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０．０１５％以下である。
【００３６】
Ｓ：０．０５％以下
硫黄（Ｓ）は不純物であって、鋼の靱性等に悪影響を及ぼす。Ｓ含有量は０．０５％以下で、できるだけ少ない方が好ましい。Ｓ含有量は、好ましくは０．０１％以下であり、さらに好ましくは０．００５％以下である。
【００３７】
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及び不純物からなる。ここで、不純物とは、鋼を工業的に製造する際に、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、又は製造過程の環境等から混入する元素を意味する。
【００３８】
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、上述のＦｅの一部に代えて、下記の第１群から第４群のいずれかの群から選択される１種以上の元素を含有しても良い。下記の元素は、すべて選択元素である。すなわち、下記の元素は、いずれも本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼に含有されていなくても良い。また、一部だけが含有されていても良い。
【００３９】
第１群  Ｃｕ：０〜４．０％、Ｃｏ：０〜３％
第１群に属する元素は、Ｃｕ及びＣｏである。これらの元素は、鋼のオーステナイト組織を安定化させる。
【００４０】
Ｃｕ：０〜４．０％
銅（Ｃｕ）は、オーステナイト形成元素であり、固溶強化によって鋼を高強度化する。Ｃｕを０．０５％以上含有すれば含有効果が顕著になる。一方、過剰に含有させてもその効果は飽和するとともに熱間加工性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０〜４．０％である。Ｃｕ含有量の下限は好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は３．０％である。
【００４１】
Ｃｏ：０〜３％
コバルト（Ｃｏ）は、Ｃｕと同様に安定なオーステナイト組織を得るのに有効な元素であるため、含有させても良い。Ｃｏが少しでも含有されていればこの効果が得られるが、０．００５％以上含有させることがより好ましい。しかしながら、過剰に含有させると、延性を僅かながら低下させるとともに、高価な元素であるため、大幅なコスト増を招く。そのため、Ｃｏ含有量は０〜３％である。Ｃｏ含有量の下限は、さらに好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．０１％である。Ｃｏ含有量の上限は、好ましくは２．５％であり、さらに好ましくは２．０％である。
【００４２】
第２群  Ｔｉ：０〜０．３％
第２群に属する元素は、Ｔｉである。Ｔｉは、鋼の強度を向上させる。
【００４３】
Ｔｉ：０〜０．３％
チタン（Ｔｉ）は、基質に固溶又は炭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ため、含有させても良い。Ｔｉが少しでも含有されていればこの効果が得られるが、０．００１％以上含有させることがより好ましい。しかしながら、過剰に含有させると、製造時に粗大な炭窒化物が生成し、延性の低下を招く。そのため、Ｔｉ含有量は、０〜０．３％である。Ｔｉ含有量の下限は、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０．２５％であり、さらに好ましくは０．２０％である。
【００４４】
第３群  Ｂ：０〜０．０１％
第３群に属する元素は、Ｂである。Ｂは、鋼の水素環境下での脆化を抑制する。
【００４５】
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。加えて、水素環境下での脆化を抑制する効果も有するため、含有させても良い。Ｂが少しでも含有されていればこれらの効果が得られるが、０．０００１％以上含有させることがより好ましい。しかしながら、過剰に含有させると、溶接熱影響部の液化割れ感受性を高める。そのため、Ｂ含有量は０〜０．０１％である。Ｂ含有量の下限は、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。
【００４６】
第４群  Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、ＲＥＭ：０〜０．５％
第４群に属する元素は、Ｃａ、Ｍｇ、及びＲＥＭである。これらの元素は、鋼の熱間加工性を改善する。
【００４７】
Ｃａ：０〜０．０５％
カルシウム（Ｃａ）は、熱間加工性を改善する作用を有するため、含有させても良い。Ｃａが少しでも含有されていればこの効果が得られるが、０．０００１％以上含有させることがより好ましい。しかしながら、過剰に含有させると、Ｏと結合して清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、Ｃａ含有量は０〜０．０５％である。Ｃａ含有量の下限は、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。
【００４８】
Ｍｇ：０〜０．０５％
マグネシウム（Ｍｇ）は、Ｃａと同様、熱間加工性を改善する作用を有するため、含有させても良い。Ｍｇが少しでも含有されていればこの効果が得られるが、０．０００１％以上含有させることがより好ましい。しかしながら、過剰に含有させると、Ｏと結合して清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、Ｍｇ含有量は０〜０．０５％である。Ｍｇ含有量の下限は、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。
【００４９】
ＲＥＭ：０〜０．５％
希土類元素（ＲＥＭ）は、Ｓとの親和力が強く、熱間加工性を改善する作用を有するため、含有させても良い。ＲＥＭが少しでも含有されていればこの効果が得られるが、０．００１％以上含有させることがより好ましい。しかしながら、過剰に含有させると、Ｏと結合して清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、ＲＥＭ含有量は０〜０．５％である。ＲＥＭ含有量の下限は、さらに好ましくは０．００２％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。
【００５０】
なお、「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の含有量とは、ＲＥＭのうちの１種又は２種以上の合計含有量を指す。また、ＲＥＭについて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、ミッシュメタルの形で添加して、ＲＥＭの含有量が上記の範囲となるように含有させても良い。
【００５１】
［式（１）について］
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さらに、下記式（１）を満たす。
Ｎｂ＋Ｖ≧０．１      （１）
式（１）の元素記号には、質量％で、対応する元素の含有量が代入される。
【００５２】
上述のように、Ｎｂ及びＶはいずれも窒化物を形成し、析出強化によって鋼の強度を向上させる。さらに、Ｎｂ窒化物及びＶ窒化物は、ピニングによって結晶粒を微細化する。化学組成が式（１）を満たさなければ、Ｎ含有量及び後述する溶体化処理温度を調整しても、適正な量の窒化物が得られず、高強度化の効果が得られない。
【００５３】
［式（２）について］
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さらに、下記式（２）を満たす。
Ｎｉ＋１２．９３Ｃ＋１．１１Ｍｎ＋０．７２Ｃｒ＋０．８８Ｍｏ−０．２７Ｓｉ＋０．１９Ｎｂ＋０．５３Ｃｕ＋０．９Ｖ＋７．５５Ｎ≧３０．０      （２）
式（２）の元素記号には、質量％で、対応する元素の含有量が代入される。
【００５４】
式（２）の左辺は、Ｎｉｅｑ値である。Ｎｉｅｑが３０．０％以上であれば、低温においても優れた耐水素脆性を維持することができる。一方、Ｎｉｅｑが３０．０％未満では、低温においてオーステナイトの安定度を確保できず、水素脆化感受性が高くなる。Ｎｉｅｑ値の下限は、好ましくは３２．０％であり、さらに好ましくは３５．０％である。
【００５５】
［固溶Ｎ量］
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、鋼中の固溶Ｎ量が０．２０質量％以上である。固溶Ｎ量は、次の式（Ｂ）により求めることができる。
［Ｎ］ＳＯＬ＝［Ｎ］−（［Ｚ相に使われるＮ］＋［Ｃｒ２Ｎに使われるＮ］）  （Ｂ）
［Ｎ］ＳＯＬは固溶Ｎ量、［Ｎ］は全窒素量である。［Ｃｒ２Ｎに使われるＮ］は、残渣抽出法によって求めたＣｒ２Ｎの析出量から算定されるＮ量である。［Ｚ相に使われるＮ］は、同じく残渣抽出法によって求めたＺ相の析出量に、当該析出物１ｍｏｌ当たりのＮの物質量を掛けた値である。なおＺ相とは、Ｃｒ（Ｎｂ，Ｖ）Ｎ型の複合窒化物である。Ｚ相にはＣが混入する可能性はあるが、本発明の組成範囲では無視しうる程度である。［Ｎ］ＳＯＬ、［Ｎ］、［Ｚ相に使われるＮ］、［Ｃｒ２Ｎに使われるＮ］の単位はいずれも質量％である。
【００５６】
化学組成が上述の範囲内であって、かつ固溶Ｎ量が０．２０質量％以上であれば、固溶強化によって強度を維持することができる。これによって、高強度と低温靱性とを両立することができる。なお、窒化物が少しでも析出していれば、ピニングによる効果が期待できる。そのため、固溶Ｎ量の上限は特になく、全窒素量とほぼ同じでも良い。
【００５７】
［引張強度及び低温靱性］
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、室温において、８００ＭＰａ以上の引張強度を有する。また、本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、−１９６℃におけるシャルピー衝撃値が、５０Ｊ以上である。
【００５８】
［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、鋼材を準備する工程と、鋼材を熱間加工する工程と、熱間加工された鋼材を固溶化熱処理する工程とを備える。
【００５９】
まず、上述した化学組成の鋼（以下、鋼材という。）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。
【００６０】
鋼材を熱間加工する。熱間加工は例えば、熱間圧延や熱間鍛造である。
【００６１】
熱間加工された鋼材を固溶化熱処理する。具体的には、鋼材を１０５０〜１２８０℃の温度（以下、固溶化熱処理温度という。）に所定時間保持した後、冷却する。固溶化熱処理温度が１０５０℃未満では、固溶Ｎ量を０．２０質量％以上にすることができない。一方、固溶化熱処理温度を１２８０℃よりも高くすることは工業的に好ましくない。保持時間は、例えば１０〜３６０分である。鋼材は、固溶化熱処理温度から急冷されることが好ましく、水冷（シャワー水冷やどぶ漬け）されることが好ましい。
【００６２】
なお、この固溶化熱処理は、独立した工程でなくても良く、例えば熱間加工後に急冷を行うことで、同等の効果を得ることができる。例えば、１１５０℃前後で熱間押し出しを実施した後、急冷を行っても良い。
【００６３】
あるいは、熱間加工と固溶化熱処理との間に、別の熱処理を実施しても良い。すなわち本実施形態では、最終の熱処理の温度が１０５０〜１２５０℃であれば良い。これによって、オーステナイト系ステンレス鋼の固溶Ｎ量を０．２０質量％以上にすることができる。
【実施例】
【００６４】
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。
【００６５】
表１に示す化学組成を有する材料を実験室溶解し、１２００℃で熱間鍛造して厚さ４０ｍｍの鋼板を作製した。
【００６６】
【表１】
0006801236.tif 000002
【００６７】
各鋼板をさらに１２００℃で熱間圧延して、厚さ１５ｍｍの鋼板とした。熱間圧延した各鋼板を、表２に示す温度で３０分間保持した後に水冷する固溶化熱処理を実施した。固溶化熱処理した各鋼板を、厚さ１５ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ５００ｍｍに機械加工し、供試材とした。各供試材から、引張試験片、低ひずみ速度引張試験片、シャルピー試験片、及び抽出残渣試験片を作製した。抽出残渣試験片は１０％アセチルアセトン電解液中で電解抽出し、得られた抽出残渣（析出物）をＩＣＰ発光分光分析に供した。
【００６８】
【表２】
0006801236.tif 000003
【００６９】
［固溶Ｎ量測定］
抽出残渣から、上述した式（Ｂ）より固溶Ｎ量を算定した。
【００７０】
［引張強度測定］
供試材の長手方向に平行部直径が６ｍｍの丸棒引張試験片を採取し、室温大気中で引張試験を行い、引張強度を測定した。引張強度が８００ＭＰａ以上であるものを合格とした。
【００７１】
［低ひずみ速度引張試験］
大気中及び７０ＭＰａの高圧水素環境において、室温でひずみ速度３×１０−５／ｓで引張試験を行った。高圧水素環境下における破断絞りの値を大気中での破断絞りの値で割った値を、室温における相対破断絞り（％）とした。同様の試験を−４０℃でも行い、−４０℃における相対破断絞りを求めた。いずれも８０％以上であるものを合格とした。
【００７２】
［シャルピー衝撃試験］
ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に準拠し、フルサイズの２ｍｍＶノッチ試験片を用いて、−１９６℃でシャルピー衝撃試験を行った。シャルピー衝撃試験片は、長手方向が圧延方向と垂直になるＴ方向、及び長手方向が圧延方向と平行になるＬ方向について評価した。Ｌ方向及びＴ方向におけるシャルピー衝撃値（吸収エネルギー）がともに５０Ｊ以上であるものを合格とした。
【００７３】
［試験結果］
各供試材の固溶Ｎ量、引張強度、−４０℃及び室温における相対破断絞り、並びに−１９６℃におけるＬ方向及びＴ方向のシャルピー衝撃値を、前掲の表２に示す。表中の「−」は、当該試験を実施していないことを示す。
【００７４】
番号１〜３、５〜８、１７、２０〜２３、２７、及び２８の供試材は、引張強度が８００ＭＰａ以上であり、室温及び−４０℃における相対破断絞りが８０％以上であり、−１９６℃におけるシャルピー衝撃値が５０Ｊ以上であった。
【００７５】
番号４の供試材は、鋼の化学組成が番号１〜３の供試材と同じであったのにもかかわらず、−１９６℃におけるシャルピー衝撃値が５０Ｊ未満であった。これは、固溶Ｎ量が０．２０質量％未満であったため、換言すれば、窒化物の析出量が多すぎたためと考えられる。固溶Ｎ量が少なかったのは、溶体化熱処理温度が低かったためと考えられる。
【００７６】
番号９の供試材は、引張強度が８００ＭＰａ未満であった。これは、鋼ＦのＮ含有量が低かったためと考えられる。
【００７７】
番号１０、１１の供試材は、−４０℃及び室温における相対破断絞りが８０％未満であった。これは、鋼Ｇ、ＨのＮｉ含有量が低かったためと考えられる。
【００７８】
番号１２の供試材は、引張強度が８００ＭＰａ未満であった。これは、鋼ＩのＭｎ含有量が低く、そのためＮ含有量も低かったためと考えられる。
【００７９】
番号１３、１４、２４、及び２５の供試材は、−１９６℃におけるシャルピー衝撃値が５０Ｊ未満であった。これは、固溶Ｎ量が０．２０質量％未満であったため、換言すれば、窒化物の析出量が多すぎたためと考えられる。固溶Ｎ量が少なかったのは、Ｎｂ含有量及びＶ含有量が多すぎたためと考えられる。
【００８０】
番号１５、１６の供試材は、引張強度が８００ＭＰａ未満であった。これは、固溶Ｎ量が０．２０質量％未満であり、固溶強化が十分でなかったためと考えられる。これは、Ｍｎ含有量が低かったためと考えられる。番号１５、１６、２６の供試材はまた、−４０℃における相対破断絞りが８０％未満であった。これは、Ｎｉｅｑが低かったためと考えられる。
【００８１】
番号１８，１９の供試材は、引張強度が８００ＭＰａ未満であった。これは、ＶやＮｂの含有量が不足し、窒化物の析出量が不十分であったためと考えられる。
【００８２】
図１は、固溶Ｎ量と、−１９６℃におけるシャルピー衝撃値（Ｌ方向）との関係を示す散布図である。図２は、固溶Ｎ量と、−１９６℃におけるシャルピー衝撃値（Ｔ方向）との関係を示す散布図である。図１及び図２に示すように、固溶Ｎ量が０．２０質量％以上であれば、Ｌ方向及びＴ方向のいずれにおいてもシャルピー衝撃値を５０Ｊ以上にすることができる。
【００８３】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、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。よって、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形して実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明は、低温水素用材料として好適に用いることができる。低温水素用材料は例えば、液体水素の貯蔵容器、配管、継手、バルブ、液体水素昇圧ポンプ等に用いられる材料である。
【図１】
0006801236.tif 000004
【図２】
0006801236.tif 000005