特許 5880310 オーステナイト系ステンレス鋼

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5880310

(24)【登録日】2016年2月12日

(45)【発行日】2016年3月9日

(54)【発明の名称】オーステナイト系ステンレス鋼

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20160225BHJP

   C22C 38/58 20060101ALI20160225BHJP

【ＦＩ】

   C22C38/00 302Z

   C22C38/58

【請求項の数】3

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2012-142341(P2012-142341)

(22)【出願日】2012年6月25日

(65)【公開番号】特開2014-5506(P2014-5506A)

(43)【公開日】2014年1月16日

【審査請求日】2014年8月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】新日鐵住金株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104444

【弁理士】

【氏名又は名称】上羽 秀敏

(74)【代理人】

【識別番号】100112715

【弁理士】

【氏名又は名称】松山 隆夫

(74)【代理人】

【識別番号】100125704

【弁理士】

【氏名又は名称】坂根 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100120662

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 桂子

(74)【代理人】

【識別番号】100123906

【弁理士】

【氏名又は名称】竹添 忠

(72)【発明者】

【氏名】旦 越雄

(72)【発明者】

【氏名】小薄 孝裕

(72)【発明者】

【氏名】上仲 秀哉

【審査官】 太田 一平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−１４４３４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−００３０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／０４４７９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／０４４８０２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−３４２６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１９１１０９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ５／００ − ２５／００

Ｃ２２Ｃ ２７／００ − ２８／００

Ｃ２２Ｃ ３０／００ − ３０／０６

Ｃ２２Ｃ ３５／００ − ４５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、
Ｃ：０．０１８％未満、
Ｓｉ：０．９％以下、
Ｍｎ：１．８％以下、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｃｕ：２．０〜４．５％、
Ｎｉ：９〜１６％、
Ｃｒ：１５〜１９％、
Ｍｏ：５％以下、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．０４％以下、
Ｎ：０．０２〜０．３％、
Ｓｎ：０．００２〜０．０３％、及び、
Ｂ：０．００９％以下を含有し、さらに、
Ｎｂ：０．９％以下、
Ｔｉ：０．１５％以下、及び、
Ｖ：０．４％以下からなる群から選択される１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、
式（１）〜式（３）を満たし、高温強度を有し、耐孔食性及び耐凝固割れ性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼。
０．２Ｃｕ＋３２５Ｓｎ≧１．５ （１）
Ｃｕ−１０Ｓｎ≧１．９ （２）
Ｃｕ＋３５Ｓｎ≦６．５ （３）
ここで、式（１）〜式（３）中の元素記号には、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であってさらに、
前記Ｆｅの一部に代えて、
Ｗ：５％以下、及び、
Ｃｏ：１％以下のうちの１種以上を含有する、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さらに、
前記Ｆｅの一部に代えて、
Ｃａ：０．０２％以下、
Ｍｇ：０．０２％以下、及び、
希土類元素（ＲＥＭ）：０．１％以下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、オーステナイト系ステンレス鋼。

【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する。

【背景技術】

【0002】

発電ボイラ、石油精製及び石油化学用プラントの加熱炉管等の設備は、高温環境で稼働し、さらに、硫化物及び／又は塩化物を含むプロセス流体と接触する。そのため、これらの設備に使用される材料には、優れた高温強度及び耐食性が求められる。

【0003】

上述のような設備に用いられる材料は、特開昭５０−６７２１５号公報（特許文献１）、特開昭６０−２２４７６４号公報（特許文献２）、国際公開第２００９／０４４８０２号（特許文献３）、工藤赳夫ら、「耐ポリチオン酸ＳＣＣ性に優れた加熱炉管用３４７ＡＰステンレス鋼の開発」、住友金属、３８（１９８６）、ｐ．１９０（非特許文献１）、及び、石塚哲夫ら、「高温強度と耐粒界腐食性を両立させたオーステナイト系ステンレスボイラ用鋼管の開発」、新日鉄技報、３８０（２００４）、ｐ．９１（非特許文献２）に提案されている。

【0004】

特許文献１は、粒界腐食と粒界応力腐食割れ（耐ポリチオン酸ＳＣＣ性）に強いステンレス鋼を提案する。特許文献１では、ステンレス鋼中のＣ含有量を０．０３％以下にする。さらに、Ｎｂ含有量のＣ含有量に対する比、及び、Ｎ含有量のＣ含有量に対する比を、所定値以上とする。これにより、粒界腐食特性が改善されると記載されている。

【0005】

特許文献２は、耐食性及び（硫化物（ポリチオン酸）及び塩化物に起因した）耐応力腐食割れ性に優れたステンレス鋼を提案する。特許文献２では、Ｃｒ含有量及びＮｉ含有量を高くし、Ｃ含有量を０．０２％以下にする。これにより、耐応力腐食割れ性が改善され、耐食性も改善されると記載されている。

【0006】

特許文献３は、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性に優れ、高温で長時間使用された場合のＨＡＺでの耐脆化割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提案する。特許文献３では、Ｃ含有量を０．０５％未満にすることで耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を高める。さらに、ＮｂやＴｉといったＣ固定化元素を低減し、鋼中のＰ、Ｓ、Ｓｎ等の粒界脆化元素を低減する。これにより、ＨＡＺの耐脆化割れ性が改善されると記載されている。

【0007】

非特許文献１は、高温強度及び耐ポリチオン酸ＳＣＣ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提案する。非特許文献１では、Ｃ含有量を低くし、特定量のＮを含有し、Ｃ固定化元素として特定量のＮｂを含有する。これにより、優れた高温強度、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性が得られ、さらに、溶接後に熱処理することなく長時間時効した場合であっても鋭敏化が抑制されると記載されている。

【0008】

非特許文献２は、高温強度及び耐粒界腐食感受性に優れたボイラ用オーステナイト系ステンレス鋼を提案する。非特許文献２では、Ｃ含有量を低くし、特定量のＶを含有する。これにより、高温強度及び耐粒界腐食感受性が改善されると記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開昭５０−６７２１５号公報

【特許文献2】特開昭６０−２２４７６４号公報

【特許文献3】国際公開第２００９／０４４８０２号

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】工藤赳夫ら、「耐ポリチオン酸ＳＣＣ性に優れた加熱炉管用３４７ＡＰステンレス鋼の開発」、住友金属、３８（１９８６）、ｐ．１９０

【非特許文献2】石塚哲夫ら、「高温強度と耐粒界腐食性を両立させたオーステナイト系ステンレスボイラ用鋼管の開発」、新日鉄技報、３８０（２００４）、ｐ．９１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

ところで、上述のような高温環境下においてプロセス流体と接触する鋼材には、ポリチオン酸ＳＣＣだけでなく、孔食が発生する可能性がある。そのため、このような鋼材には、優れた耐孔食性及び高温強度が求められる。

【0012】

さらに、これらの鋼材は、種々の形状に加工されたり、ノンフィラ溶接が実施されたりする場合がある。したがって、これらの鋼材には、優れた耐凝固割れ性も求められる。

【0013】

しかしながら、上記特許文献１〜特許文献３、非特許文献１及び２で開示されたステンレス鋼では、高温強度、耐孔食性及び耐凝固割れ性のいずれかが低い場合がある。

【0014】

本発明の目的は、高温強度を有し、耐孔食性及び耐凝固割れ性に優れ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】

【0015】

本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０１８％未満、Ｓｉ：０．９％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｕ：２．０〜４．５％、Ｎｉ：９〜１６％、Ｃｒ：１５〜１９％、Ｍｏ：５％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０４％以下、Ｎ：０．０２〜０．３％、Ｓｎ：０．００２〜０．１％、及び、Ｂ：０．００９％以下を含有し、さらに、Ｎｂ：０．９％以下、Ｔｉ：０．１５％以下、及び、Ｖ：０．４％以下からなる群から選択される１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、式（１）〜式（３）を満たす。
０．２Ｃｕ＋３２５Ｓｎ≧１．５ （１）
Ｃｕ−１０Ｓｎ≧１．９ （２）
Ｃｕ＋３５Ｓｎ≦６．５ （３）
ここで、式（１）〜式（３）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。

【0016】

上記オーステナイト系ステンレス鋼ではさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｗ：５％以下、及び、Ｃｏ：１％以下のうちの１種以上を含有してもよい。上記オーステナイト系ステンレス鋼はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．０２％以下、及び、希土類元素（ＲＥＭ）：０．１％以下からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。

【発明の効果】

【0017】

本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、高温強度を有し、耐孔食性及び耐凝固割れ性に優れる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図1は、Ｆ１＝０．２Ｃｕ＋３２５Ｓｎと孔食電位との関係を示す図である。

【図2】図２は、Ｆ２＝Ｃｕ−１０Ｓｎと破断時間との関係を示す図である。

【図3】図３は、Ｆ３＝Ｃｕ＋３５Ｓｎと最大割れ長さとの関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。以降、元素に関する％は「質量％」を意味する。

【0020】

本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼の耐孔食性、高温強度及び耐凝固割れ性について調査した。その結果、本発明者らは以下の知見を得た。

【0021】

（Ａ）耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を高めるためにＣ含有量を低く抑える場合（たとえば、Ｃ含有量０．０２％以下にする場合）、ＣｕとＳｎとが含有されれば、これらの元素が相乗して耐孔食性を高める。ここで、Ｆ１＝０．２Ｃｕ＋３２５Ｓｎと定義する。Ｆ１が１．５以上であれば、Ｃｕ及びＳｎの相乗効果により、優れた耐孔食性が得られる。

【0022】

図１は、Ｃ含有量が０．０２％以下のオーステナイト系ステンレス鋼における、Ｆ１と孔食電位との関係を示す図である。後述の実施例における孔食電位の測定方法と同じ方法により、Ｆ１値の異なる複数のオーステナイト系ステンレス鋼の孔食電位を測定して図１を作成した。

【0023】

図１を参照して、Ｆ１が１．５未満の場合、Ｆ１の上昇に伴い、孔食電位は顕著に上昇する。一方、Ｆ１が１．５を超えると、Ｆ１の上昇に伴い孔食電位が上昇するものの、上昇の度合いはＦ１が１．５未満の場合と比較して小さくなる。要するに、図１に示す孔食電位のグラフは、Ｆ１＝１．５前後で変曲点を有する。したがって、Ｆ１が１．５以上であれば、優れた耐孔食性が得られる。

【0024】

（Ｂ）Ｃｕはさらに、上述のようにＣ含有量が低いオーステナイト系ステンレス鋼において、高温強度（クリープ強度）を高める。具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼を高温で長時間使用している間に鋼中に微細なＣｕが析出し、析出したＣｕが高温強度を高める。しかしながら、Ｓｎは粒界に偏析しやすく、高温強度を低下する。したがって、Ｃｕ含有量と比較してＳｎ含有量が過剰に多ければ、Ｃｕの上記効果が十分に得られない。

【0025】

Ｆ２＝Ｃｕ−１０Ｓｎと定義する。Ｆ２が１．９以上であれば、Ｃ含有量が低いオーステナイト系ステンレス鋼であっても、優れた高温強度が得られる。

【0026】

図２は、Ｃ含有量が０．０２％以下のオーステナイト系ステンレス鋼において、Ｆ２と破断時間との関係を示す図である。後述の実施例における高温強度評価試験と同じ方法により、Ｆ２値の異なる複数のオーステナイト系ステンレス鋼の６５０℃での破断時間（ｈ）を求め、図２を作成した。

【0027】

図２を参照して、Ｆ２が大きくなるにつれ、破断時間（ｈ）は徐々に増加する。そして、Ｆ２が１．９以上になると、Ｆ２の大きくなるにつれ、破断時間が顕著に上昇する。したがって、Ｆ２＝１．９以上であれば、優れた高温強度（クリープ強度）が得られる。

【0028】

（Ｃ）上述のとおり、Ｃｕ及びＳｎは相乗して孔食電位を高め、耐孔食性を高める。しかしながら、Ｃｕ及びＳｎは凝固割れ感受性を高める。Ｆ３＝Ｃｕ＋３５Ｓｎと定義する。Ｆ３が６．５以下であれば、優れた耐凝固割れ性が得られる。

【0029】

図３は、Ｆ３とトランスバレストレイン試験により得られた最大割れ長さとの関係を示す図である。後述する耐凝固割れ性評価試験と同じ方法により、Ｆ３値の異なる複数のオーステナイト系ステンレス鋼の最大割れ長さ（ｍｍ）を求め、図３を作成した。

【0030】

図３を参照して、Ｆ３が６．５よりも大きいの場合、Ｆ３が小さくなるにつれ、最大割れ長さは顕著に小さくなる。一方、Ｆ３が６．５以下の場合、Ｆ３が小さくなっても、最大割れ長さはほぼ同じである。要するに、最大割れ長さの曲線には、Ｆ３＝６．５前後に変曲点を有する。したがって、Ｆ３が６．５以下であれば、優れた耐凝固割れ性が得られる。

【0031】

以上の知見に基づいて、本発明者らは、本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼を完成した。以下、本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼について説明する。

【0032】

［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の化学組成は、以下の元素を含有する。

【0033】

Ｃ：０．０１８％未満
炭素（Ｃ）は、オーステナイト相を安定化する。Ｃはさらに、粒内炭化物を形成し、鋼の高温強度を高める。しかしながら、Ｃ含有量が高すぎれば、Ｃｒ炭化物が析出し、粒界腐食感受性が高まる。そのため、鋼の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０１８％未満である。Ｃ含有量の好ましい上限は、０．０１６％未満であり、さらに好ましくは、０．０１２％である。

【0034】

Ｓｉ：０．９％以下
珪素（Ｓｉ）は、溶製時に鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、鋼の耐酸化性及び耐水蒸気酸化性を高める。しかしながら、Ｓｉは、フェライト相を安定化するため、Ｓｉ含有量が高すぎれば、高温での時効後においてシグマ相（σ相）が生成しやすくなる。したがって、Ｓｉ含有量は０．９％以下である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は、０．０２％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．９％未満であり、さらに好ましくは０．５％である。

【0035】

Ｍｎ：１．８％以下
マンガン（Ｍｎ）はオーステナイト相を安定化する。Ｍｎはさらに、Ｓによる熱間加工性の低下を抑制する。Ｍｎはさらに、鋼を脱酸する。しかしながら、Ｍｎ含有量が高すぎれば、シグマ相等の金属間化合物相の析出が促進される。そのため、高温環境下における組織安定性が低下し、鋼の靭性及び延性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．８％以下である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は、０．０２％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は、１．８％未満である。

【0036】

Ｐ：０．０４％以下
Ｓ：０．０１％以下
燐（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）は不純物である。Ｐ及びＳは溶接凝固時に粒界に偏析し、凝固割れ感受性を高める。したがって、Ｐ含有量及びＳ含有量はできるだけ低い方が好ましい。Ｐ含有量は０．０４％以下であり、Ｓ含有量は０．０１％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０４％未満であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０１％未満であり、さらに好ましくは０．００５％である。

【0037】

Ｃｕ：２．０〜４．５％
銅（Ｃｕ）は鋼中に微細に析出して高温強度（クリープ強度）を高める。Ｃｕはさらに、Ｓｎとの相乗効果により、鋼の耐孔食性を高める。しかしながら、Ｃｕは粒界に偏析しやすく、かつ、オーステナイト安定化元素である。そのため、Ｃｕ含有量が高すぎれば、溶接凝固中のフェライトの生成が抑制され、凝固割れ感受性が高まる。したがって、Ｃｕ含有量は２．０〜４．５％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は２．０％よりも高く、さらに好ましくは２．５％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は４．５％未満である。

【0038】

Ｎｉ：９〜１６％
ニッケル（Ｎｉ）は鋼組織において、オーステナイトを安定化する。そのため、Ｎｉは長時間使用時における鋼組織を安定化し、高温強度（クリープ強度）を高める。しかしながら、Ｎｉ含有量が高すぎれば、コストが増大する。したがって、Ｎｉ含有量は９〜１６％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は９％よりも高く、さらに好ましくは９．５％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は１６％未満であり、さらに好ましくは１３％であり、さらに好ましくは１２％である。

【0039】

Ｃｒ：１５〜１９％
クロム（Ｃｒ）は、高温での鋼の耐酸化性及び耐食性を高める。しかしながら、Ｃｒ含有量が高すぎれば、高温でのオーステナイトの安定性が低下し、鋼の高温強度（クリープ強度）が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１５〜１９％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１５％よりも高く、さらに好ましくは１６％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１９％未満であり、さらに好ましくは１８％である。

【0040】

Ｍｏ：５％以下
モリブデン（Ｍｏ）はマトリクスに固溶して高温強度（クリープ強度）を高める。Ｍｏはさらに、Ｃｒ炭化物の粒界析出を抑制する。しかしながら、Ｍｏ含有量が高すぎれば、オーステナイトの安定性が低下して、高温強度が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は５％以下である。Ｍｏ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。Ｍｏ含有量の好ましい上限は５％未満であり、さらに好ましくは２．５％であり、さらに好ましくは２％である。

【0041】

ｓｏｌ．Ａｌ：０．０４％以下
アルミニウム（Ａｌ）は鋼を脱酸する。しかしながら、Ａｌ含有量が高すぎれば、鋼の清浄度が低下し、鋼の加工性及び延性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．０４％以下である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０００５％以上であり、さらに好ましくは０．００１％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０４％未満であり、さらに好ましくは０．０３％である。本実施形態においてＡｌ含有量は、酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）の含有量を意味する。

【0042】

Ｎ：０．０２〜０．３％
窒素（Ｎ）は、マトリクス（母相）に固溶してオーステナイトを安定化する。Ｎはさらに、粒内に微細な炭窒化物を形成し、高温強度（クリープ強度）を高める。しかしながら、Ｎ含有量が高すぎれば、粒内でＣｒ窒化物が形成され、溶接熱影響部（ＨＡＺ）での耐ポリチオン酸ＳＣＣ性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．０２〜０．３％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．０２％よりも高く、さらに好ましくは０．０４％であり、さらに好ましくは０．０６％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．３％未満であり、さらに好ましくは０．２％であり、さらに好ましくは０．１５％である。

【0043】

Ｓｎ：０．００２〜０．１％
スズ（Ｓｎ）は、鋼の表面の不動態皮膜中に酸化物として存在する。Ｓｎはさらに、不動態皮膜下のマトリクスの最表層に固溶した状態で濃化して存在する。そのため、Ｓｎは、鋼の耐孔食性を高め、特に、塩化物環境での耐孔食性を高める。しかしながら、Ｓｎは強偏析を生じやすい。そのため、Ｓｎ含有量が高すぎれば、Ｓｎの強偏析により凝固割れ感受性が高まり、高温強度も低下する。したがって、Ｓｎ含有量は０．００２％〜０．１％である。Ｓｎ含有量の好ましい下限は０．００２％よりも高く、さらに好ましくは０．００４％である。Ｓｎ含有量の好ましい上限は、０．１％未満であり、さらに好ましくは、０．０３％である。

【0044】

Ｂ：０．００９％以下
ボロン（Ｂ）は、粒界に偏析して粒界炭化物を微細分散させる。そのため、Ｂは粒界を強化する。しかしながら、Ｂ含有量が高すぎれば、凝固割れ感受性が高まる。したがって、Ｂ含有量は０．００９％以下である。Ｂ含有量の好ましい下限は、０．０００５％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００９％未満であり、さらに好ましくは０．００５％である。

【0045】

本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼はさらに、Ｎｂ、Ｔｉ及びＶ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。

【0046】

Ｎｂ：０．９％以下
Ｔｉ：０．１５％以下
Ｖ：０．４％以下
ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）及びバナジウム（Ｖ）はいずれも、粒内で炭化物を形成する。これにより、粒界でのＣｒ炭化物の生成が抑制され、鋼の耐粒界腐食性が高まる。さらに、粒内に形成されたＮｂ炭化物、Ｔｉ炭化物及びＶ炭化物は、鋼の高温強度（クリープ強度）を高める。これらの元素のうちの１種以上が少しでも含有されれば上記効果がある程度得られる。上記効果を顕著に得るために、Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、Ｖ含有量の好ましい下限は０．００５％である。

【0047】

しかしながら、これらの元素含有量が高すぎれば、相安定性が低下するほか、粗大な炭化物を形成し、強度及び耐食性は逆に低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０．９％以下であり、Ｔｉ含有量は０．１５％以下であり、Ｖ含有量は０．４％以下である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．５％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．１％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．２％である。

【0048】

本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼の残部は鉄（Ｆｅ）及び不純物である。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップ、あるいは製造過程の環境等から混入される元素をいう。

【0049】

本実施の形態によるオーステナイト系ステンレス鋼はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｗ及びＣｏの１種以上を含有してもよい。Ｗ及びＣｏは必須元素ではなく、選択元素である。これらの元素はいずれも、鋼の高温強度を高める。

【0050】

Ｗ：５％以下
タングステン（Ｗ）は、マトリクスに固溶して鋼の高温強度（クリープ強度）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。しかしながら、Ｗ含有量が高すぎれば、オーステナイトの安定性が低下し、高温強度が低下する。したがって、Ｗ含有量は５％以下である。Ｗ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％である。Ｗ含有量の好ましい上限は５％未満であり、さらに好ましくは２％である。

【0051】

Ｃｏ：１％以下
コバルト（Ｃｏ）は、Ｎｉと同様にオーステナイトを安定化して鋼の高温強度を高める。Ｃｏが少しでも含有されれば、上記効果が得られる。しかしながら、Ｃｏ含有量が高すぎれば、コストが増大する。したがって、Ｃｏ含有量は１％以下である。Ｃｏ含有量の好ましい下限は０．０３％である。Ｃｏ含有量の好ましい上限は１％未満である。

【0052】

本実施の形態によるオーステナイト系ステンレス鋼はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ、Ｍｇ及び希土類元素（ＲＥＭ）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。これらの元素いずれも必須元素ではなく、選択元素である。これらの元素はいずれも、鋼の熱間加工性を高める。

【0053】

Ｃａ：０．０２％以下
Ｍｇ：０．０２％以下
ＲＥＭ：０．１％以下
カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び希土類元素（ＲＥＭ）はいずれも、Ｓとの親和力が高い。そのためこれらの元素は、鋼の熱間加工性を高める。これらの元素はさらに、Ｓの粒界偏析に起因した凝固割れ感受性を低減する。Ｃａ、Ｍｇ及びＲＥＭの少なくとも１種が少しでも含有されれば、上記効果が得られる。しかしながら、これらの元素の含有量が高すぎれば、酸素と結合することにより鋼の清浄性が低下し、熱間加工性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０．０２％以下であり、Ｍｇ含有量は０．０２％以下であり、ＲＥＭ含有量は０．１％以下である。

【0054】

Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００１％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．０２％未満であり、さらに好ましくは０．０１％である。Ｍｇ含有量の好ましい下限は０．０００１％である。Ｍｇ含有量の好ましい上限は０．０２％未満であり、さらに好ましくは０．０１％である。ＲＥＭ含有量の好ましい下限は０．００１％である。ＲＥＭ含有量の好ましい上限は０．１％未満であり、さらに好ましくは０．０５％である。

【0055】

ＲＥＭは、周期律表中の原子番号５７のランタン（Ｌａ）から原子番号７１のルテチウム（Ｌｕ）に、イットリウム（Ｙ）及びスカンジウム（Ｓｃ）を加えた１７元素の総称である。ＲＥＭの含有量は、これらの１種又は２種以上の元素の総含有量を意味する。

【0056】

［式（１）〜式（３）］
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成はさらに、式（１）〜式（３）を満たす。
０．２Ｃｕ＋３２５Ｓｎ≧１．５ （１）
Ｃｕ−１０Ｓｎ≧１．９ （２）
Ｃｕ＋３５Ｓｎ≦６．５ （３）
ここで、式（１）〜式（３）中の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。

【0057】

［式（１）について］
Ｆ１＝０．２Ｃｕ＋３２５Ｓｎと定義する。上述のとおり、Ｃｕ及びＳｎは相乗して耐孔食性の向上に寄与する。したがって、Ｆ１は耐孔食性の指標である。図１に示すとおり、Ｆ１値１が１．５以上であれば、優れた耐孔食性が得られる。好ましくは、Ｆ１は１．５よりも高く、さらに好ましいＦ１は１．７以上である。

【0058】

［式（２）について］
Ｆ２＝Ｃｕ−１０Ｓｎと定義する。上述のとおり、Ｃｕは析出強化により高温強度を高めるものの、Ｓｎは粒界に偏析して高温強度を低下する。したがって、Ｆ２は高温強度の指標である。図２に示すとおり、Ｆ２が１．９以上であれば、優れた高温強度が得られる。好ましいＦ２は１．９よりも高く、さらに好ましいＦ２は２．０以上であり、さらに好ましいＦ２は２．２以上である。

【0059】

［式（３）について］
Ｆ３＝Ｃｕ＋３５Ｓｎと定義する。上述のとおり、過剰に含有されたＣｕは凝固割れ感受性を高め、Ｓｎも凝固割れ感受性を高める。したがって、Ｆ３は、耐凝固割れ性の指標である。図３に示すとおり、Ｆ３が６．５以下であれば、優れた凝固割れ感受性が得られる。好ましいＦ３は６．０以下であり、さらに好ましいＦ３は５．５以下であり、さらに好ましいＦ３は５．０以下である。

【0060】

［製造方法］
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法の一例を説明する。上述の化学組成であって、式（１）〜式（３）を満たす溶鋼を製造する。たとえば、電気炉やＡＯＤ（Ａｒｇｏｎ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）炉、ＶＯＤ（Ｖａｃｕｕｍ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）炉を用いて、上記溶鋼を製造する。

【0061】

製造された溶鋼から造塊法によりインゴットを製造する。インゴットを熱間加工（熱間鍛造等）してスラブやブルーム、ビレット等の鋼素材を製造する。製造された溶鋼から連続鋳造法によりスラブやブルーム、ビレット等の鋼素材を製造してもよい。

【0062】

製造された鋼素材を熱間加工して、オーステナイト系ステンレス鋼材を製造する。たとえば、鋼素材を熱間圧延して鋼板や棒鋼、線材を製造する。また、熱間押出や熱間穿孔圧延等によりオーステナイト系ステンレス鋼管を製造する。上記のとおり、熱間加工の具体的な方法は特に限定されず、最終製品の形状に応じた熱間加工を実施すればよい。

【0063】

好ましくは、熱間加工の加工終了温度は、１０５０℃以上である。ここでいう加工終了温度とは、最終の熱間加工工程が完了した直後の鋼材の温度を意味する。加工終了温度が１０５０℃以上であれば、Ｎｂ、Ｔｉ及びＶがマトリクスに十分に固溶するため、より優れた高温強度が得られるためである。

【0064】

熱間加工後のオーステナイト系ステンレス鋼材に対して、冷間加工を実施してもよい。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼管である場合、冷間加工はたとえば、冷間抽伸や冷間圧延である。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼板である場合、冷間圧延等である。

【0065】

好ましくは、冷間加工において、最終の加工での断面減少率を１０％以上にする。ここで、断面減少率（％）は次の式で定義される。
断面減少率＝（最終加工前の鋼材の断面積−最終加工後の鋼材の断面積）／最終加工前の鋼材の断面積×１００

【0066】

最終の加工での断面減少率を１０％以上にした場合、加工歪が付与された鋼材に対して後工程の熱処理が実施されるため、再結晶又は整粒化が進みやすくなる

【0067】

熱間加工後、又は冷間加工後に熱処理を実施してもよい。熱処理は複数回実施してもよい。最終の熱処理における熱処理温度は、好ましくは１０５０℃以上である。

【0068】

以上の製造方法により製造されるオーステナイト系ステンレス鋼は、優れた高温強度、耐孔食性及び耐凝固割れ性を有する。

【実施例】

【0069】

［調査方法］
［試験材の製造］
表１に示す試験番号Ａ１〜Ａ７、Ｂ１〜Ｂ７の溶鋼を電気炉を用いて製造した。

【0070】

【表1】

【0071】

表１中の「Ｆ１」、「Ｆ２」及び「Ｆ３」欄にはそれぞれ、各試験番号の鋼のＦ１値、Ｆ２値及びＦ３値が記入される。

【0072】

各溶鋼からインゴットを製造した。各インゴットに対して、熱間加工及び冷間加工を実施して、厚さ５又は１０ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さ３００ｍｍの鋼板を製造した。各鋼板に対して、固溶化熱処理を実施した。熱処理温度は１０５０℃として、熱処理後の鋼板を急冷（水冷）した。

【0073】

［高温強度評価試験］
ＪＩＳ Ｚ２２７１（２０１０）に準拠したクリープ破断試験を実施して、高温強度を評価した。具体的には、各試験番号の鋼板から、ＪＩＳ Ｚ２２７１（２０１０）に準拠したクリープ破断試験片を採取した。クリープ破断試験片は円形断面試験片であり、平行部の直径は６ｍｍであり、平行部長さは６０ｍｍであった。

【0074】

試験片を６５０℃に加熱して、クリープ破断試験を実施し、各試験番号の鋼の破断時間（ｈ）を得た。試験応力は２００ＭＰａとした。本実施例では、破断時間が０．８×１０^３ｈ以上である場合、優れた高温強度が得られたと判断した。

【0075】

［耐孔食性評価試験］
ＪＩＳ Ｇ０５７７（２００５）に準拠した孔食電位測定試験を実施して、耐孔食性を評価した。具体的には、各試験番号の厚さ５ｍｍの鋼板から、直径１５ｍｍの分極試験片を採取した。分極試験片をすきま腐食防止電極に装着した。すきま腐食防止電極を用いて、アノード分極曲線を測定し、電流密度が１００μＡ／ｃｍ^２を超えた最も高い電位を孔食電位Ｖとして求めた。なお、照合電極には、飽和甘こう電極を用いた。

【0076】

孔食電位Ｖが１．０×１０^−１Ｖ以上である場合、優れた耐孔食性が得られたと判断した。

【0077】

［耐凝固割れ性評価試験］
トランスバレストレイン試験を実施して、耐凝固割れ性を評価した。具体的には、各試験番号の厚さ５ｍｍの鋼板から、厚さ４ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ６０ｍｍの試験片を採取した。トランスバレストレイン試験では、ＴＩＧ溶接トーチによりビードオンプレート溶接（溶加材なし）を実施し、試験片表面の一部を溶融した。ＴＩＧ溶接の条件は、溶接電流を１００Ａ、溶接電圧を１５Ｖ、溶接速度を１５ｃｍ／ｍｉｎとした。溶接中に、試験片に対して、溶接進行方向と垂直方向に強制的に曲げ変形（付加歪み２％）を加え、発生した割れのうち、最大割れ長さを求めた。

【0078】

凝固時に組織が１００％オーステナイトになるＡｌｌｏｙ８００Ｈ溶接金属は優れた耐凝固割れ性を示す。上記トランスバレストレイン試験によるＡｌｌｏｙ８００Ｈの最大割れ長さは１．３ｍｍである。したがって、本実施例においては、最大割れ長さが１．３ｍｍ以下であれば、優れた耐凝固割れ性が得られたと判断した。

【0079】

［試験結果］
表２に試験結果を示す。

【0080】

【表2】

【0081】

表１及び表２を参照して、試験番号Ａ１〜Ａ７の鋼板の各元素の含有量は適切であり、かつ、化学組成は式（１）〜式（３）を満たした。そのため、破断時間が０．８×１０^３ｈ以上であり、優れた高温強度を示した。さらに、これらの試験番号の孔食電位Ｖは１．０×１０^−１Ｖ以上であり、優れた耐孔食性を示した。さらに、これらの試験番号の最大割れ長さは１．３ｍｍ以下であり、優れた耐凝固割れ性を示した。

【0082】

一方、試験番号Ｂ１のＣｕ含有量は低く、Ｆ２が式（２）を満たさなかった。そのため、破断時間が０．８×１０^３ｈ未満であり、高温強度が低かった。

【0083】

試験番号Ｂ２のＣｕ含有量は低く、Ｆ２が式（２）を満たさなかった。そのため、破断時間が０．８×１０^３ｈ未満であり、高温強度が低かった。さらに、試験番号Ｂ２のＳｎ含有量は高く、Ｆ３が式（３）を満たさなかった。そのため、最大割れ長さが１．３ｍｍを超え、耐凝固割れ性が低かった。

【0084】

試験番号Ｂ３のＳｎ含有量は低く、Ｆ１が式（１）を満たさなかった。そのため、孔食電位Ｖが１．０×１０^−１Ｖ未満であり、耐孔食性が低かった。

【0085】

試験番号Ｂ４のＳｎ含有量は高く、Ｆ２が式（２）を満たさず、Ｆ３が式（３）を満たさなかった。そのため、破断時間が０．８×１０^３ｈ未満であり、高温強度が低かった。さらに、最大割れ長さが１．３ｍｍを超え、耐凝固割れ性が低かった。

【0086】

試験番号Ｂ５の各元素の含有量は適切であった。しかしながら、Ｆ２が式（２）を満たさなかった。そのため、破断時間が０．８×１０^３ｈ未満であり、高温強度が低かった。

【0087】

試験番号Ｂ６の各元素の含有量は適切であった。しかしながら、Ｆ３が式（３）を満たさなかった。そのため、そのため、最大割れ長さが１．３ｍｍを超え、耐凝固割れ性が低かった。

【0088】

試験番号Ｂ７の各元素の含有量は適切であった。しかしながら、Ｆ１が式（１）を満たさなかった。そのため、孔食電位Ｖが１．０×１０^−１Ｖ未満であり、耐孔食性が低かった。

【0089】

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。

【図1】

【図2】

【図3】