JP7761861B2 - 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 - Google Patents

Description

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。

近年、化石燃料に代えて、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。例えば、水素を燃料として走行する燃料電池自動車、及び燃料電池自動車に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。

ステンレス鋼を燃料電池自動車及び水素ステーションに使用する場合、ステンレス鋼は高圧の水素ガス環境で利用される。また、燃料電池自動車の軽量化、水素ステーションのコンパクト化、及び水素ステーションの高圧操業が求められている。そのため、燃料電池自動車及び水素ステーションに使用されるステンレス鋼には高強度が要求される。

国際公開第２０１２／１３２９９２号には、高圧水素ガス用高強度オーステナイトステンレス鋼が開示されている。国際公開第２０１７／０５６６１９号には、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が開示されている。特開２０１４－４７４２０号公報には、原子炉水温度域において優れた強度を示し、さらに、優れた耐ＳＣＣ性及び溶接性を有する原子炉用オーステナイト系ステンレス鋼が記載されている。

国際公開第２０１２／１３２９９２号 国際公開第２０１７／０５６６１９号 特開２０１４－４７４２０号公報

水素ステーションには様々な部材が使用される。従来、水素ステーション用の部材には鋼管から製造された配管が多く使用されてきた。しかし、近年は配管だけではなく、様々な部材に高強度が求められており、配管以外にもオーステナイト系ステンレス鋼の適用が検討されている。このような部材の中には、中実の部材が含まれる。そのため、中実材においても、鋼管と同様に優れた強度及び延性を両立できることが望まれる。

国際公開第２０１２／１３２９９２号公報には、固溶化熱処理後に断面減少率２０％以上の冷間加工を施した後、再度熱処理を行うことで、８００ＭＰａ以上の引張強さを有するオーステナイト系ステンレス鋼が得られることが開示されている。しかし、中実材の製造において、断面減少率の高い冷間加工を施すことは困難である。

本発明の課題は、強度及び延性に優れた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を提供することである。

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：０．００５～０．０６０％、Ｓｉ：０．２０～１．２０％、Ｍｎ：４．０～８．０％、Ｎｉ：１２．０～１５．０％、Ｃｒ：１９．０～２４．０％、Ｍｏ：１．０～４．０％、Ｎｂ：０．０５～０．４０％、Ｖ：０．０５～０．４０％、Ｎ：０．２０～０．５０％、Ａｌ：０．０５０％以下、Ｃｕ：０～３．０％、Ｃｏ：０～０．５０％、Ｃａ：０～０．００５０％、Ｂ：０～０．００５０％、Ｗ：０～０．１０％、Ｔａ：０～０．１０％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、前記不純物のうち、Ｐ、Ｓ及びＯがそれぞれ、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、及びＯ：０．０１５％以下、であり、引張強さが８００ＭＰａ以上であり、破断伸びが３５％以上であり、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が下記の式（１）を満たし、前記電解抽出残渣として分析されるＮｂ量と結晶粒径とが下記の式（２）を満たす。
０．７×Ｎｂ≦［Ｎｂ］≦０．３０ （１）
２０×［Ｎｂ］／Ｄ≧０．０５０ （２）
式（１）及び式（２）において、「Ｎｂ」、「［Ｎｂ］」、及び「Ｄ」にはそれぞれ、前記化学組成のＮｂ含有量を質量％で表した値、前記電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を質量％で表した値、及び前記結晶粒径をμｍで表した値が代入される。

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は、上記のオーステナイト系ステンレス鋼を製造する方法であって、前記化学組成を有する鋼材を１１８０～１２８０℃で一次熱処理をする工程と、前記一次熱処理後、前記鋼材に断面減少率５％以上２０％未満の冷間加工を施す工程と、前記冷間加工後、前記鋼材を１０００～１１８０℃の温度で二次熱処理をする工程と、を備える。

本発明によれば、強度及び延性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が得られる。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく種々の検討を行い、次の（ａ）～（ｆ）の知見を得た。

（ａ）鋼材の強度を高める方法としては、Ｎによる固溶強化及び細粒化がある。本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼では、０．２０～０．５０質量％のＮを含有させて固溶強化により強度を高める。結晶粒を微細化すればさらに強度が高まる。

（ｂ）結晶粒を微細化する方法としては、最終の固溶化熱処理時に微細な合金炭窒化物又は窒化物を析出させることで、ピニング効果により結晶粒の成長を抑制する方法がある。微細炭窒化物又は窒化物を生成して高窒素鋼の結晶粒を微細化するには、Ｎｂの添加が効果的である。しかし、従来の方法では、Ｎｂ炭窒化物やＮｂ窒化物は析出するものの粗大であり、ピニング効果を十分に発揮することができない。

（ｃ）これを解決する方法として、国際公開第２０１２／１３２９９２号には、固溶化熱処理、冷間加工及び二次熱処理をこの順番で行う方法が提案されている。しかし、断面減少率の高い冷間加工を施すことが困難な中実材では、同様の方法によって強度と延性とを確保することができない。

（ｄ）そこで、一次熱処理として、冷間加工前の熱処理を従来の固溶化熱処理温度よりも高温で実施する。これによって、合金元素がより固溶し、低い断面減少率の冷間加工によるひずみでも、二次熱処理時に析出するＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物の析出核を増やすことができる。そのため、低い断面減少率の冷間加工によっても、Ｎｂ炭窒化物やＮｂ窒化物を微細かつ多く析出させることができる。

（ｅ）ピニングによって結晶粒の成長を抑制する効果が同程度であれば、一次熱処理や二次熱処理の温度が高温になることで、結晶粒は相対的に大きくなる。しかし、結晶粒が国際公開第２０１２／１３２９９２号に記載されたものと比較して大きい場合であっても、Ｎｂ炭窒化物やＮｂ窒化物の量と結晶粒の大きさとが所定の関係を満たすようにすることで、高強度と延性とを両立させることができる。具体的には、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が下記の式（１）を満たし、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量と結晶粒径とが下記の式（２）を満たすようにすることで、結晶粒微細化と析出強化との重畳効果によって、高強度と延性とを両立させることができる。
０．７×Ｎｂ≦［Ｎｂ］≦０．３０ （１）
２０×［Ｎｂ］／Ｄ≧０．０５０ （２）
式（１）及び式（２）において、「Ｎｂ」、「［Ｎｂ］」、及び「Ｄ」にはそれぞれ、Ｎｂ含有量を質量％で表した値、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を質量％で表した値、及び結晶粒径をμｍで表した値が代入される。

（ｆ）さらに好ましくは、二次熱処理を１０５０～１１６０℃の温度で行う。二次熱処理をＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物の析出ノーズの近傍の温度域で行うことで、短時間でより多くのＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物を析出させることができる。

本発明は、以上の知見に基づいて完成された。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オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法について詳述する。

［化学組成］
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、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。

Ｃ：０．００５～０．０６０％
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、ＣはＮｂの炭窒化物を生成し、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炭窒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０．０６０％以下にする必要がある。Ｃ含有量の下限は、好ましくは、０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは、０．０５０％であり、さらに好ましくは０．０４０％である。

Ｓｉ：０．２０～１．２０％
シリコン（Ｓｉ）は脱酸材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０．２０％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が低下するとともに、鋼の延性が低下する。そのため、Ｓｉ含有量は０．２０～１．２０％である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．２５％であり、さらに好ましくは０．３０％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは１．１０％であり、さらに好ましくは１．００％である。

Ｍｎ：４．０～８．０％
マンガン（Ｍｎ）は、製造時に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。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含有量が高すぎると、鋼の延性及び熱間加工性が低下する。そのため、Ｍｎ含有量は４．０～８．０％である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは４．５％であり、さらに好ましくは５．０％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは７．５％であり、さらに好ましくは７．０％である。

Ｎｉ：１２．０～１５．０％
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１２．０％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１２．０～１５．０％である。Ｎｉ含有量の下限は、好ましくは１２．３％であり、さらに好ましくは１２．５％である。Ｎｉ含有量の上限は、好ましくは１４．８％であり、さらに好ましくは１４．５％である。

Ｃｒ：１９．０～２４．０％
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、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１９．０％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１９．０～２４．０％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２０．０％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２３．０％である。

Ｍｏ：１．０～４．０％
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１．０％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１．０～４．０％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。

Ｎｂ：０．０５～０．４０％
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て、強度を高めるのに有効な元素である。こ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、鋼の延性が低下する。そのため、Ｎｂ含有量は０．０５～０．４０％である。Ｎｂ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。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．３５％であり、さらに好ましくは０．３０％である。

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。

Ｖ：０．０５～０．４０％
バナジウム（Ｖ）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て、強度を高めるのに有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Ｖ含有量を０．０５％以上にする必要がある。しかしながら、Ｖ含有量が高すぎると、鋼の延性が低下する。そのため、Ｖ含有量は０．０５～０．４０％である。Ｖ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。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．３５％であり、さらに好ましくは０．３０％である。

Ｎ：０．２０～０．５０％
窒素（Ｎ）は、マトリックスに固溶し高強度化に寄与するとともに、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か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０．２０％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０．２０～０．５０％である。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．２３％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。

Ａｌ：０．０５０％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、Ｓｉと同様脱酸材として含有される。しかしながら、Ａｌ含有量が高すぎると、鋼の清浄性が低下して熱間加工性が低下する。そのため、Ａｌ含有量は０．０５０％以下である。Ａｌ含有量は、好ましくは０．０４０％以下であり、さらに好ましくは０．０３０％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０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。

Ｃｕ：０～３．０％
銅（Ｃｕ）は、任意添加元素であり、含有されなくてもよい。Ｃｕはオーステナイト組織を安定化させる。Ｃｕはさらに、固溶強化により鋼の強度を高める。Ｃｕが少しでも含有されていれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ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含有量が高すぎれば、鋼の延性が低下する。そのため、Ｃｕ含有量は０～３．０％である。Ｃｕ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０．１０％である。Ｃｕ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。

Ｃｏ：０～０．５０％
コバルト（Ｃｏ）は、任意添加元素であり、含有されていなくてもよい。Ｃｏはオーステナイト組織を安定化させる。Ｃｏはさらに、固溶強化により鋼の強度を高める。Ｃｏが少しでも含有されていれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、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。そのため、Ｃｏ含有量は０～０．５０％である。Ｃｏ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０．１０％である。Ｃｏ含有量の上限は、好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．２０％である。

Ｃａ：０～０．００５０％
カルシウム（Ｃａ）は、任意添加元素であり、含有されていなくてもよい。Ｃａは、鋼を鋳造する際の凝固割れを抑制する。Ｃａが少しでも含有されていれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃａ含有量が過剰になると、鋼の熱間加工性が低下する。そのため、Ｃａ含有量は０～０．００５０％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％である。Ｃａ含有量の上限は、好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。

Ｂ：０～０．００５０％
ホウ素（Ｂ）は、任意添加元素であり、含有されていなくてもよい。Ｂは、析出物を微細化することで結晶粒を微細化して、鋼の強度を高める。Ｂが少しでも含有されていれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｂ含有量が過剰になると、鋼の熱間加工性が低下する。そのため、Ｂ含有量は０～０．００５０％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０．０００５％である。Ｂ含有量の上限は、好ましくは０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００２０％である。

Ｗ：０～０．１０％
タングステン（Ｗ）は、任意添加元素であり、含有されていなくてもよい。Ｗは、鋼の強度を高める。Ｗが少しでも含有されていれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、過剰に含有させても効果が飽和する。そのため、Ｗ含有量は０～０．１０％である。Ｗ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。Ｗ含有量の上限は、好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．０６％である。

Ｔａ：０～０．１０％
タンタル（Ｔａ）は、任意添加元素であり、含有されていなくてもよい。Ｔａは、鋼の強度を高める。Ｔａが少しでも含有されていれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、過剰に含有させても効果が飽和する。そのため、Ｔａ含有量は０～０．１０％である。Ｔａ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％である。Ｔａ含有量の上限は、好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．０６％である。

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。本実施形態では、不純物のうち、特にＰ、Ｓ、及びＯの含有量を以下のように制限する。

Ｐ：０．０３０％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。そのため、Ｐ含有量は０．０３０％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０．０２０％以下である。

Ｓ：０．０１０％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。そのため、Ｓ含有量は０．０１０％以下である。Ｓ含有量は、好ましくは０．００５％以下であり、さらに好ましくは０．００２％以下である。

Ｏ：０．０１５％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０．０１５％以下である。Ｏ含有量は、好ましくは０．０１０％以下であり、さらに好ましくは０．００５％以下である。

［電解抽出残渣として分析されるＮｂ量及び鋼の組織］
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量が下記の式（１）を満たし、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量と結晶粒径とが下記の式（２）を満たす。
０．７×Ｎｂ≦［Ｎｂ］≦０．３０ （１）
２０×［Ｎｂ］／Ｄ≧０．０５０ （２）
式（１）及び式（２）において、「Ｎｂ」、「［Ｎｂ］」、及び「Ｄ」にはそれぞれ、Ｎｂ含有量を質量％で表した値、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を質量％で表した値、及び結晶粒径をμｍで表した値が代入される。

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、素材のＮｂ含有量の０．７倍以上であって、０．３０質量％以下である。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炭窒化物やＮｂ窒化物は、鋼の強度を向上させる。この効果を得るためには、炭窒化物や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量を母材のＮｂ含有量の０．７倍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量の上限は０．３０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、より好ましくは素材のＮｂ量の０．８倍である。電解抽出残渣として分析されるＮｂ量の上限は、さらに好ましくは０．２８質量％であり、さらに好ましくは０．２５質量％である。

強度と優れた延性とを両立させるためには、Ｎｂ炭窒化物やＮｂ窒化物を活用し、結晶粒を微細化することが効果的である。強度と延性とを両立するには、抽出残渣として分析されるＮｂ量と結晶粒径とが式（２）を満たす必要がある。式（２）の左辺の値は、さらに好ましくは０．０６０以上であり、さらに好ましくは０．０８０以上である。

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、並びに熱処理等の製造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。製造条件については後述する。

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。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片を採取する。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／ｃｍ^２で試験片を陽極溶解し、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。

結晶粒径は、切断法によって測定することができる。

本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、好ましくは結晶粒径が２０．０μｍ以上である。本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼によれば、結晶粒径を２０．０μｍよりも小さくすることが難しい場合であっても、強度と延性とを両立することができる。結晶粒径の下限は、さらに好ましくは２５．０μｍであり、さらに好ましくは３０．０μｍである。結晶粒径の上限は、好ましくは６０．０μｍである。

［機械特性］
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、引張強さが８００ＭＰａ以上である。本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼の引張強さは、好ましくは８３０ＭＰａ以上であり、さらに好ましくは８５０ＭＰａ以上である。

本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、破断伸びが３５％以上である。本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼の破断伸びは、好ましくは３８％以上であり、さらに好ましくは４０％以上である。

本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、好ましくは中実材（中実鋼）である。ここでの「中実材」とは、鋼管等の中空の部材以外の部材を意味する。本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、より好ましくは丸鋼であり、さらに好ましくは外径が２５ｍｍ以上の丸鋼である。中実材、特に外径が２５ｍｍ以上の丸鋼は、断面減少率の高い冷間加工を施して製造することが困難である。本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、断面減少率の高い冷間加工を施すことが困難な場合であっても、強度と延性とを両立することができる。本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼が丸鋼である場合の外径の下限は、さらに好ましくは２８ｍｍであり、さらに好ましくは３０ｍｍであり、さらに好ましくは３３ｍｍである。

本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、好ましくは、高圧水素ガス又は液体水素を貯蔵又は輸送する機器の材料として用いられる。

［製造方法］
本実施形態では、微細なＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物を析出させるために、下記に述べる一次熱処理、冷間加工、及び二次熱処理を順次行う。

一次熱処理は、熱間加工等の一次熱処理よりも前の工程によって生成したＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物を十分に固溶させるため、１１８０℃以上の温度で行う。一方、一次熱処理の温度が１２８０℃を超えると、結晶粒が極端に粗大化する。一次熱処理の温度の下限は、好ましくは１２００℃である。一次熱処理の温度の上限は、好ましくは１２６０℃である。以下、便宜のため、一次熱処理の温度を「Ｔ１（℃）」とする。一次熱処理の保持時間は、好ましくは１～２０分であり、さらに好ましくは１～１０分である。なお、一次熱処理後の鋼材は、急冷されることが望ましく、水冷されることが望ましい。

一次熱処理でＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物を十分に固溶させた後、冷間加工及び二次熱処理を行うことで、微細なＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物を析出させることができる。本実施形態では冷間加工の断面減少率を低くしているので、一次熱処理においてＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物をより多く固溶させておく必要がある。熱間加工等で生成したＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物は粗大であるため、ピニング効果による結晶粒の微細化に寄与しない。また、熱間加工等で生成したＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物が十分に固溶せずに残留していると、冷間加工でひずみを導入することがより困難になる。

次に、Ｎｂ炭窒化物やＮｂ窒化物の析出核を増やすため、断面減少率５％以上２０％未満の冷間加工を施す。断面減少率が高いほど、析出核が多くなり、二次熱処理時により微細なＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物が析出する。冷間加工の断面減少率が低すぎると、二次熱処理時に微細なＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物が析出せず、ピニング効果による結晶粒の微細化の効果が十分に得られない。一方、オーステナイト系ステンレス鋼が厚肉の中実材の場合、断面減少率２０％以上の冷間加工を施すことは困難である。冷間加工の断面減少率の下限は、好ましくは８％であり、さらに好ましくは１０％である。冷間加工の断面減少率の上限は、好ましくは１８％であり、さらに好ましくは１５％である。

最後に、冷間加工によるひずみを除去し、かつ微細なＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物を析出させるため、二次熱処理を１０００～１１８０℃の温度で行う。以下、便宜のため、二次熱処理における熱処理温度を「Ｔ２（℃）」とする。

Ｔ２は、好ましくは１０５０～１１６０℃である。二次熱処理をＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物の析出ノーズの近傍の温度域で行うことで、短時間でより多くのＮｂ炭窒化物やＮｂ窒化物を析出させることができる。Ｔ２の下限は、より好ましくは１０８０℃である。Ｔ２の上限は、より好ましくは１１２０℃である。二次熱処理の保持時間は、好ましくは１～２０分であり、さらに好ましくは１～１５分である。二次熱処理後の鋼材は、急冷されることが好ましく、水冷されることがより好ましい。

以上、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オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法を説明した。本実施形態によれば、強度及び延性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が得られる。

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。

表１に示す化学組成を有する鋼種Ａ～Ｊの材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造及び熱間圧延により、板厚２０ｍｍの板材を作製した。その後、表２に示す温度Ｔ１（℃）の条件で一次熱処理を施した。一次熱処理後の冷却は水冷とした。その後、表２に示す断面減少率の冷間加工を行った。その後、表２に示す温度Ｔ２（℃）の条件で二次熱処理を施した。一次熱処理の保持時間は１～１０分、二次熱処理の保持時間は１～１５分とした。

［残渣分析］
各供試材から、１０ｍｍ角、長さ３０ｍｍの試験片を採取し、前述した方法によって、電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を測定した。

［結晶粒径］
各供試材から圧延方向に垂直な断面（Ｔ断面）が観察面となるように試験片を５個切り出して、鏡面研磨した後、腐食し、光学顕微鏡によって観察した。１個の試験片につき、倍率１００倍で３視野観察して、切断法により５個の試験片毎の平均粒径を求め、さらにそれらの平均を求めて結晶粒径とした。

［引張試験］
各供試材から、平行部径６ｍｍ、平行部長３０ｍｍのＪＩＳ Ｚ２２４１（２０１１）に準じた丸棒引張試験片を採取し、常温での引張試験を実施した。引張試験片は、板材の厚さ方向中央部から試験片の長手方向が圧延方向と平行になるように採取した。ＪＩＳ Ｚ２２４１（２０１１）に準じた方法で引張試験を実施して引張強さ（ＭＰａ）及び破断伸び（％）を求めた。

結果を表２に示す。表２において、「Ｒ」は冷間加工の断面減少率であり、「［Ｎｂ］」は電解抽出残渣として分析されるＮｂ量であり、「Ｄ」は結晶粒径であり、「ＴＳ」は引張強さであり、「ＥＬ」は破断伸びであり、Ｆ１は式（１）の左辺（０．７×Ｎｂ）の値であり、Ｆ２は式（２）の左辺（２０×［Ｎｂ］／Ｄ）の値である。

表２に示すように、試験番号１～２５の供試材は、引張強さが８００ＭＰａ以上であり、破断伸びが３５％以上であった。

試験番号２６及び２７は、一次熱処理を行わなかった供試材である。試験番号２６の供試材は、延性は十分であったものの、引張強さが８００ＭＰａ未満であった。これは、式（１）を満たさなかったためと考えられる。一方、試験番号２７の供試材は、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、式（２）を満たさなかったためと考えられる。

試験番号２８の供試材は、延性は十分であったものの、引張強さが８００ＭＰａ未満であった。これは、式（１）を満たさなかったためと考えられる。式（１）を満たさなかったのは、一次熱処理の温度が低すぎたためと考えられる。試験番号２９の供試材は、引張強さ、延性ともに低位であった。これは、式（２）を満たさなかったためと考えられる。式（２）を満たさなかったのは、一次熱処理の温度が高すぎたためと考えられる。

試験番号３０の供試材は、引張強さ、延性ともに低位であった。これは、式（１）及び（２）を満たさなかったためと考えられる。式（１）及び（２）を満たさなかったのは、二次熱処理の温度が高すぎたためと考えられる。

試験番号３１の供試材は、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、素材のＮｂ含有量に対して一次熱処理の温度が低く、熱間加工等で生成した炭化物や炭窒化物が十分に固溶しなかったためと考えられる。

試験番号３２の供試材は、引張強さ、延性ともに低位であった。これは、素材のＮｂ含有量が少なかったためと考えられる。試験番号３３の供試材は、引張強さ、延性ともに低位であった。これは、素材のＮ含有量が少なかったためと考えられる。

試験番号３４～３６は、一次熱処理及び冷間加工を行わなかった供試材である。試験番号３４及び３５の供試材は、引張強さが低位であった。試験番号３６の供試材は、延性が低位であった。これらの供試材は、式（１）及び（２）のいずれも満たしていなかった。

以上は板材を用いた評価試験であるが、鋼種Ａについては、丸鋼の供試材を製造し、同様の評価を行った。具体的には、外径１５０ｍｍのインゴットから熱間押出した丸鋼に対して、表３に示す温度Ｔ１（℃）の条件で一次熱処理を施した。一次熱処理後の冷却は水冷とした。その後、表３に示す断面減少率になるように冷間にて引張矯正を施し、外径５５ｍｍの丸鋼形状の中実材を作製した。その後、表２に示す温度Ｔ２（℃）の条件で二次熱処理を施した。一次熱処理の保持時間は１～１０分、二次熱処理の保持時間は１～１５分とした。結果を表３に示す。

表３に示すように、試験番号５１～５６の供試材は、引張強さが８００ＭＰａ以上であり、破断伸びが３５％以上であった。一方、試験番号５７の供試材は、引張強さが８００ＭＰａ未満であった。これは、式（１）を満たさなかったためと考えられる。式（１）を満たさなかったのは、一次熱処理を行わなかったためと考えられる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示にすぎない。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、発明の範囲内で、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。

Claims (8)

1. 化学組成が、質量％で、
   Ｃ ：０．００５～０．０６０％、
   Ｓｉ：０．２０～１．２０％、
   Ｍｎ：４．０～８．０％、
   Ｎｉ：１２．０～１５．０％、
   Ｃｒ：１９．０～２４．０％、
   Ｍｏ：１．０～４．０％、
   Ｎｂ：０．０５～０．４０％、
   Ｖ ：０．０５～０．４０％、
   Ｎ ：０．２０～０．５０％、
   Ａｌ：０．０５０％以下、
   Ｃｕ：０～３．０％、
   Ｃｏ：０～０．５０％
   Ｃａ：０～０．００５０％、
   Ｂ ：０～０．００５０％、
   Ｗ ：０～０．１０％、
   Ｔａ：０～０．１０％、
   残部：Ｆｅ及び不純物であり、
   前記不純物のうち、Ｐ、Ｓ及びＯがそれぞれ、
   Ｐ ：０．０３０％以下、
   Ｓ ：０．０１０％以下、及び
   Ｏ ：０．０１５％以下、であり、
   引張強さが８００ＭＰａ以上であり、
   破断伸びが３５％以上であり、
   電解抽出残渣として分析されるＮｂ量が下記の式（１）を満たし、
   前記電解抽出残渣として分析されるＮｂ量と結晶粒径とが下記の式（２）を満たす、オーステナイト系ステンレス鋼。
   ０．７×Ｎｂ≦［Ｎｂ］≦０．３０ （１）
   ２０×［Ｎｂ］／Ｄ≧０．０５０ （２）
   式（１）及び式（２）において、「Ｎｂ」、「［Ｎｂ］」、及び「Ｄ」にはそれぞれ、前記化学組成のＮｂ含有量を質量％で表した値、前記電解抽出残渣として分析されるＮｂ量を質量％で表した値、及び前記結晶粒径をμｍで表した値が代入される。
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、
   前記オーステナイト系ステンレス鋼が中実材である、オーステナイト系ステンレス鋼。
3. 請求項２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
   前記中実材は丸鋼である、オーステナイト系ステンレス鋼。
4. 請求項３に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
   ２５ｍｍ以上の外径を有する、オーステナイト系ステンレス鋼。
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であって、
   前記化学組成が、質量％で、
   Ｃｕ：０．０１～３．０％、
   Ｃｏ：０．０１～０．５０％、
   Ｃａ：０．０００１～０．００５０％、
   Ｂ ：０．０００１～０．００５０％、
   Ｗ ：０．０１～０．１０％、及び
   Ｔａ：０．００１～０．１０％、
   からなる群から選択される１又は２以上の元素を含有する、オーステナイト系ステンレス鋼。
6. 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であって、
   高圧水素ガス又は液体水素を貯蔵又は輸送する機器の材料として用いられる、オーステナイト系ステンレス鋼。
7. 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を製造する方法であって、
   前記化学組成を有する鋼材を１１８０～１２８０℃で一次熱処理をする工程と、
   前記一次熱処理後、前記鋼材に断面減少率５％以上２０％未満の冷間加工を施す工程と、
   前記冷間加工後、前記鋼材を１０００～１１８０℃の温度で二次熱処理をする工程と、を備える、オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
8. 請求項７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、
   前記二次熱処理の温度が１０５０～１１６０℃である、オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。