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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025125979
(43)【公開日】2025-08-28
(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 20060101AFI20250821BHJP
C22C 38/58 20060101ALI20250821BHJP
B21B 3/02 20060101ALI20250821BHJP
C21D 9/46 20060101ALN20250821BHJP
C21D 1/76 20060101ALN20250821BHJP
C21D 8/02 20060101ALN20250821BHJP
C21D 9/08 20060101ALN20250821BHJP
C21D 9/50 20060101ALN20250821BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 302Z
C22C38/58
B21B3/02
C21D9/46 Q
C21D1/76 G
C21D8/02 D
C21D9/08 F
C21D9/50 101A
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024022302
(22)【出願日】2024-02-16
(71)【出願人】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002044
【氏名又は名称】弁理士法人ブライタス
(72)【発明者】
【氏名】松本 三月
(72)【発明者】
【氏名】秦野 正治
【テーマコード（参考）】
4K032
4K037
4K042
【Ｆターム（参考）】
4K032AA01
4K032AA02
4K032AA04
4K032AA08
4K032AA09
4K032AA13
4K032AA14
4K032AA16
4K032AA19
4K032AA21
4K032AA22
4K032AA24
4K032AA25
4K032AA27
4K032AA29
4K032AA31
4K032AA35
4K032AA36
4K032AA37
4K032AA39
4K032AA40
4K032BA01
4K032CA02
4K032CA03
4K032CB01
4K032CB02
4K032CF03
4K032CG01
4K032CG02
4K032CH05
4K032CH06
4K032CM01
4K037EA01
4K037EA02
4K037EA04
4K037EA05
4K037EA09
4K037EA10
4K037EA12
4K037EA13
4K037EA14
4K037EA15
4K037EA17
4K037EA18
4K037EA19
4K037EA21
4K037EA23
4K037EA25
4K037EA27
4K037EA31
4K037EA32
4K037EA33
4K037EA35
4K037EA36
4K037EB06
4K037EB07
4K037EB08
4K037EB09
4K037FA02
4K037FA03
4K037FB01
4K037FF03
4K037FF05
4K037FG01
4K037FG03
4K037FJ06
4K037FJ07
4K037FM01
4K037FM04
4K042AA06
4K042AA24
4K042BA04
4K042BA08
4K042CA02
4K042CA03
4K042CA04
4K042CA05
4K042CA07
4K042CA08
4K042CA09
4K042CA11
4K042CA12
4K042CA13
4K042CA14
4K042CA16
4K042DA03
4K042DC02
4K042DC03
4K042DC04
4K042DE05
(57)【要約】
【課題】水素環境下における疲労特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】母材と酸化皮膜とを有し、母材の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０８０％以下、Ｓｉ：０．１０～１．０％、Ｍｎ：２．００％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：１７．０～２０．０％、Ｎｉ：８．０～１３．０％、Ａｌ：０．３００％以下、Ｎ：０．２５０％以下、任意元素、残部：Ｆｅおよび不純物であり、ＧＤＳによって測定される、酸化皮膜の表面から１ｎｍの深さ位置におけるＳｉ含有量が１５％以上である、オーステナイト系ステンレス鋼。
【選択図】なし
【解決手段】母材と酸化皮膜とを有し、母材の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０８０％以下、Ｓｉ：０．１０～１．０％、Ｍｎ：２．００％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：１７．０～２０．０％、Ｎｉ：８．０～１３．０％、Ａｌ：０．３００％以下、Ｎ：０．２５０％以下、任意元素、残部：Ｆｅおよび不純物であり、ＧＤＳによって測定される、酸化皮膜の表面から１ｎｍの深さ位置におけるＳｉ含有量が１５％以上である、オーステナイト系ステンレス鋼。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
母材と、前記母材の表面上に形成された酸化皮膜とを有するオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０８０％以下、
Ｓｉ：０．１０～１．０％、
Ｍｎ：２．００％以下、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｃｒ：１７．０～２０．０％、
Ｎｉ：８．０～１３．０％、
Ａｌ：０．３００％以下、
Ｎ：０．２５０％以下、
Ｎｂ：０～０．２０％、
Ｔｉ：０～０．２０％、
Ｍｏ：０～１．００％、
Ｃｕ：０～１．０％、
Ｃｏ：０～０．５０％、
Ｖ：０～０．５０％、
Ｗ：０～０．５０％、
Ｂ：０～０．００５０％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
Ｚｒ：０～０．５０％、
Ｇａ：０～０．０５０％、
Ｈｆ：０～０．１０％、
ＲＥＭ：０～０．１０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
グロー放電発光分光分析法を用いて、前記オーステナイト系ステンレス鋼の最表面から深さ方向において、Ｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＡｌおよびＮの濃度変化を測定し、Ｏを除いたその他の元素の総量が、質量％で１００％となるように換算した場合に、
前記酸化皮膜の表面から１ｎｍの深さ位置におけるＳｉ含有量が１５％以上である、
オーステナイト系ステンレス鋼。
前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０８０％以下、
Ｓｉ：０．１０～１．０％、
Ｍｎ：２．００％以下、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｃｒ：１７．０～２０．０％、
Ｎｉ：８．０～１３．０％、
Ａｌ：０．３００％以下、
Ｎ：０．２５０％以下、
Ｎｂ：０～０．２０％、
Ｔｉ：０～０．２０％、
Ｍｏ：０～１．００％、
Ｃｕ：０～１．０％、
Ｃｏ：０～０．５０％、
Ｖ：０～０．５０％、
Ｗ：０～０．５０％、
Ｂ：０～０．００５０％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
Ｚｒ：０～０．５０％、
Ｇａ：０～０．０５０％、
Ｈｆ：０～０．１０％、
ＲＥＭ：０～０．１０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
グロー放電発光分光分析法を用いて、前記オーステナイト系ステンレス鋼の最表面から深さ方向において、Ｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＡｌおよびＮの濃度変化を測定し、Ｏを除いたその他の元素の総量が、質量％で１００％となるように換算した場合に、
前記酸化皮膜の表面から１ｎｍの深さ位置におけるＳｉ含有量が１５％以上である、
オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項2】
前記化学組成が、質量％で、
Ｎｂ：０．０１～０．２０％、
Ｔｉ：０．０１～０．２０％、
Ｍｏ：０．０５～１．００％、
Ｃｕ：０．０５～１．０％、
Ｃｏ：０．０１～０．５０％、
Ｖ：０．０５～０．５０％、
Ｗ：０．０５～０．５０％、
Ｂ：０．０００２～０．００５０％、
Ｃａ：０．０００２～０．０１００％、
Ｍｇ：０．０００２～０．０１００％、
Ｚｒ：０．０１～０．５０％、
Ｇａ：０．００１～０．０５０％、
Ｈｆ：０．０１～０．１０％、および
ＲＥＭ：０．０１～０．１０％、
から選択される１種以上を含有する、
請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
Ｎｂ：０．０１～０．２０％、
Ｔｉ：０．０１～０．２０％、
Ｍｏ：０．０５～１．００％、
Ｃｕ：０．０５～１．０％、
Ｃｏ：０．０１～０．５０％、
Ｖ：０．０５～０．５０％、
Ｗ：０．０５～０．５０％、
Ｂ：０．０００２～０．００５０％、
Ｃａ：０．０００２～０．０１００％、
Ｍｇ：０．０００２～０．０１００％、
Ｚｒ：０．０１～０．５０％、
Ｇａ：０．００１～０．０５０％、
Ｈｆ：０．０１～０．１０％、および
ＲＥＭ：０．０１～０．１０％、
から選択される１種以上を含有する、
請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項3】
前記化学組成が、質量％で、
Ｓｉ：０．４０％以上、および
Ｎｂ＋Ｔｉ：０．１０％以上、を含有する、
請求項２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
Ｓｉ：０．４０％以上、および
Ｎｂ＋Ｔｉ：０．１０％以上、を含有する、
請求項２に記載の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】
近年、化石燃料に代わる新たなエネルギー源として、水素ガスが注目されている。水素ガスは、ＣＯ２を排出しないクリーンなエネルギー源である。その一方、水素ガスは、例えば、素材を脆化させる水素脆化を引き起こすことがある。そこで、特許文献１には、耐水素ガス脆化性を向上させたオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１５－１９６８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
水素環境下で製造される部品には、例えば、水素ガス製造装置等に使用される鋼管等がある。オーステナイト系ステンレス鋼を、水素ガス製造装置等として使用する場合、水素環境下における疲労特性が問題になる。
【0005】
特許文献１に開示されたオーステナイト系ステンレス鋼では、水素環境下における疲労特性について十分な検討がなされておらず、さらに、改善の余地が残されている。
【0006】
本発明は、上記の課題を解決し、水素環境下における疲労特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】
【0007】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記のオーステナイト系ステンレス鋼を要旨とする。
【0008】
（１）母材と、前記母材の表面上に形成された酸化皮膜とを有するオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０８０％以下、
Ｓｉ：０．１０～１．０％、
Ｍｎ：２．００％以下、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｃｒ：１７．０～２０．０％、
Ｎｉ：８．０～１３．０％、
Ａｌ：０．３００％以下、
Ｎ：０．２５０％以下、
Ｎｂ：０～０．２０％、
Ｔｉ：０～０．２０％、
Ｍｏ：０～１．００％、
Ｃｕ：０～１．０％、
Ｃｏ：０～０．５０％、
Ｖ：０～０．５０％、
Ｗ：０～０．５０％、
Ｂ：０～０．００５０％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
Ｚｒ：０～０．５０％、
Ｇａ：０～０．０５０％、
Ｈｆ：０～０．１０％、
ＲＥＭ：０～０．１０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
グロー放電発光分光分析法を用いて、前記オーステナイト系ステンレス鋼の最表面から深さ方向において、Ｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＡｌおよびＮの濃度変化を測定し、Ｏを除いたその他の元素の総量が、質量％で１００％となるように換算した場合に、
前記酸化皮膜の表面から１ｎｍの深さ位置におけるＳｉ含有量が１５％以上である、
オーステナイト系ステンレス鋼。
前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０８０％以下、
Ｓｉ：０．１０～１．０％、
Ｍｎ：２．００％以下、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｃｒ：１７．０～２０．０％、
Ｎｉ：８．０～１３．０％、
Ａｌ：０．３００％以下、
Ｎ：０．２５０％以下、
Ｎｂ：０～０．２０％、
Ｔｉ：０～０．２０％、
Ｍｏ：０～１．００％、
Ｃｕ：０～１．０％、
Ｃｏ：０～０．５０％、
Ｖ：０～０．５０％、
Ｗ：０～０．５０％、
Ｂ：０～０．００５０％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
Ｚｒ：０～０．５０％、
Ｇａ：０～０．０５０％、
Ｈｆ：０～０．１０％、
ＲＥＭ：０～０．１０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
グロー放電発光分光分析法を用いて、前記オーステナイト系ステンレス鋼の最表面から深さ方向において、Ｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＡｌおよびＮの濃度変化を測定し、Ｏを除いたその他の元素の総量が、質量％で１００％となるように換算した場合に、
前記酸化皮膜の表面から１ｎｍの深さ位置におけるＳｉ含有量が１５％以上である、
オーステナイト系ステンレス鋼。
【0009】
（２）前記化学組成が、質量％で、
Ｎｂ：０．０１～０．２０％、
Ｔｉ：０．０１～０．２０％、
Ｍｏ：０．０５～１．００％、
Ｃｕ：０．０５～１．０％、
Ｃｏ：０．０１～０．５０％、
Ｖ：０．０５～０．５０％、
Ｗ：０．０５～０．５０％、
Ｂ：０．０００２～０．００５０％、
Ｃａ：０．０００２～０．０１００％、
Ｍｇ：０．０００２～０．０１００％、
Ｚｒ：０．０１～０．５０％、
Ｇａ：０．００１～０．０５０％、
Ｈｆ：０．０１～０．１０％、および
ＲＥＭ：０．０１～０．１０％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
Ｎｂ：０．０１～０．２０％、
Ｔｉ：０．０１～０．２０％、
Ｍｏ：０．０５～１．００％、
Ｃｕ：０．０５～１．０％、
Ｃｏ：０．０１～０．５０％、
Ｖ：０．０５～０．５０％、
Ｗ：０．０５～０．５０％、
Ｂ：０．０００２～０．００５０％、
Ｃａ：０．０００２～０．０１００％、
Ｍｇ：０．０００２～０．０１００％、
Ｚｒ：０．０１～０．５０％、
Ｇａ：０．００１～０．０５０％、
Ｈｆ：０．０１～０．１０％、および
ＲＥＭ：０．０１～０．１０％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【0010】
（３）前記化学組成が、質量％で、
Ｓｉ：０．４０％以上、および
Ｎｂ＋Ｔｉ：０．１０％以上、を含有する、
上記（２）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
Ｓｉ：０．４０％以上、および
Ｎｂ＋Ｔｉ：０．１０％以上、を含有する、
上記（２）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、水素環境下における疲労特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼管において、高価な合金元素を低減しつつも、水素環境下での疲労特性を改善する方法について検討を行い、以下の知見を得た。
【0013】
（ａ）オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆化は、－１００～－４０℃となる水素環境下で生じやすい。これは、この温度域で、オーステナイト相（以下、「γ相」ともいう。）が不安定になり、ひずみの蓄積等に起因して、脆くて弱いα′相に相変態するためと考えられる。このため、γ相の安定性を高めるために、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ等の添加元素の含有量を高めることが考えられる。一方、上記のような元素の含有量を高め、高合金化することで、合金コストが増加する。
【0014】
（ｂ）通常の鋼の製造プロセスおよび水素環境下では、鋼中に水素が侵入してしまうため、鋼内部に微量の水素が取り込まれた状態になる。このような鋼中の水素が、例えば、ひずみが蓄積されたような箇所に集積すると、水素脆化が促進され、鋼管の疲労特性が低下する。したがって、鋼中の水素は、放出されるのが望ましいが、使用環境となる低温での水素存在下では、鋼の外部に放出するのが難しい。
【0015】
（ｃ）そこで、本発明者らが、鋼中への水素の侵入を抑制する方法について検討を行った結果、水素の侵入抑制には、Ｓｉ酸化物が最表層に濃化したＣｒ２Ｏ３を主体とする酸化皮膜を、母材表面に形成することが有効であることが分かった。
【0016】
（ｄ）このような酸化皮膜を形成するためには、最終焼鈍において、露点が通常より高い水素ガス雰囲気で熱処理を行い、その後の冷却速度を低く制御することが有効である。
【0017】
本発明の一実施形態は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本実施形態の各要件について詳しく説明する。
【0018】
１．全体構成
本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、母材と、母材の表面上に形成された酸化皮膜とを有する。
本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、母材と、母材の表面上に形成された酸化皮膜とを有する。
【0019】
２．母材の化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
【0020】
Ｃ：０．０８０％以下
Ｃは、オーステナイト相の安定化に有効な元素であり、耐水素ガス脆化性の向上にも寄与する。しかしながら、過剰なＣの含有は、Ｃｒ系炭化物が粒界析出するのを助長し、破壊の起点を形成しやすくなる。この結果、耐水素ガス脆化性が却って低下する。このため、Ｃ含有量は、０．０８０％以下とする。Ｃ含有量は、０．０７５％以下とするのが好ましく、０．０７０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｃ含有量は、０．０１０％以上とするのが好ましく、０．０２０％以上とするのがより好ましい。
Ｃは、オーステナイト相の安定化に有効な元素であり、耐水素ガス脆化性の向上にも寄与する。しかしながら、過剰なＣの含有は、Ｃｒ系炭化物が粒界析出するのを助長し、破壊の起点を形成しやすくなる。この結果、耐水素ガス脆化性が却って低下する。このため、Ｃ含有量は、０．０８０％以下とする。Ｃ含有量は、０．０７５％以下とするのが好ましく、０．０７０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｃ含有量は、０．０１０％以上とするのが好ましく、０．０２０％以上とするのがより好ましい。
【0021】
Ｓｉ：０．１０～１．０％
Ｓｉは、脱酸に有効な元素であり、また、酸化皮膜の最表層に濃化することで耐水素ガス脆化性の向上にも寄与する。このため、Ｓｉ含有量は、０．１０％以上とする。Ｓｉ含有量は、０．２０％以上とするのが好ましく、０．４０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｓｉを過剰に含有させると、σ相などの金属間化合物の生成を助長し、熱間加工性および靭性を低下させる。このため、Ｓｉ含有量は、１．０％以下とする。Ｓｉ含有量は、０．８０％以下とするのが好ましく、０．６０％以下とするのがより好ましい。
Ｓｉは、脱酸に有効な元素であり、また、酸化皮膜の最表層に濃化することで耐水素ガス脆化性の向上にも寄与する。このため、Ｓｉ含有量は、０．１０％以上とする。Ｓｉ含有量は、０．２０％以上とするのが好ましく、０．４０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｓｉを過剰に含有させると、σ相などの金属間化合物の生成を助長し、熱間加工性および靭性を低下させる。このため、Ｓｉ含有量は、１．０％以下とする。Ｓｉ含有量は、０．８０％以下とするのが好ましく、０．６０％以下とするのがより好ましい。
【0022】
Ｍｎ：２．００％以下
Ｍｎは、オーステナイト相の安定化に有効な元素であり、耐水素ガス脆化性の向上に寄与する。しかしながら、Ｍｎを過剰に含有させると、水素脆化感受性の高いε相の生成を助長し、却って耐水素ガス脆化性を低下させる。また、ＭｎＳが過剰に析出し、耐水素ガス脆化性が却って低下する。このため、Ｍｎ含有量は、２．００％以下とする。Ｍｎ含有量は、１．８０％以下とするのが好ましく、１．６０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｍｎ含有量は、０．５０％以上とするのが好ましく、０．７０％以上とするのがより好ましく、１．００％以上とするのが好ましい。
Ｍｎは、オーステナイト相の安定化に有効な元素であり、耐水素ガス脆化性の向上に寄与する。しかしながら、Ｍｎを過剰に含有させると、水素脆化感受性の高いε相の生成を助長し、却って耐水素ガス脆化性を低下させる。また、ＭｎＳが過剰に析出し、耐水素ガス脆化性が却って低下する。このため、Ｍｎ含有量は、２．００％以下とする。Ｍｎ含有量は、１．８０％以下とするのが好ましく、１．６０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｍｎ含有量は、０．５０％以上とするのが好ましく、０．７０％以上とするのがより好ましく、１．００％以上とするのが好ましい。
【0023】
Ｐ：０．０５０％以下
Ｐは、不純物として鋼に含有される元素であり、偏析を生じさせ、耐水素ガス脆化性を低下させる。このため、Ｐ含有量は、０．０５０％以下とする。Ｐ含有量は、０．０４５％以下とするのが好ましく、０．０４０％以下とするのがより好ましい。一方、Ｐを過剰に低減すると、製造コストの増加に繋がることから、Ｐ含有量は、０．０１０％以上とするのが好ましい。
Ｐは、不純物として鋼に含有される元素であり、偏析を生じさせ、耐水素ガス脆化性を低下させる。このため、Ｐ含有量は、０．０５０％以下とする。Ｐ含有量は、０．０４５％以下とするのが好ましく、０．０４０％以下とするのがより好ましい。一方、Ｐを過剰に低減すると、製造コストの増加に繋がることから、Ｐ含有量は、０．０１０％以上とするのが好ましい。
【0024】
Ｓ：０．０２０％以下
Ｓは、不純物として鋼に含有される元素であり、ＭｎＳを形成し、耐水素ガス脆化性を低下させる。このため、Ｓ含有量は、０．０２０％以下とする。Ｓ含有量は、０．０１０％以下とするのが好ましく、０．００５％以下とするのがより好ましい。しかしながら、Ｓ含有量を過剰に低減すると、製造コストが増加する。このため、Ｓ含有量は、０．０００５％以上含有することが好ましい。
Ｓは、不純物として鋼に含有される元素であり、ＭｎＳを形成し、耐水素ガス脆化性を低下させる。このため、Ｓ含有量は、０．０２０％以下とする。Ｓ含有量は、０．０１０％以下とするのが好ましく、０．００５％以下とするのがより好ましい。しかしながら、Ｓ含有量を過剰に低減すると、製造コストが増加する。このため、Ｓ含有量は、０．０００５％以上含有することが好ましい。
【0025】
Ｃｒ：１７．０～２０．０％
Ｃｒは、ステンレス鋼において一定量含有させる元素であり、耐食性を向上させる効果を有する。また、Ｃｒは、Ｓｉの最表層への濃化を促進する効果も有する。このため、Ｃｒ含有量は、１７．０％以上とする。Ｃｒ含有量は、１７．５％以上とするのが好ましく、１８．０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃｒはフェライト形成元素である。したがって、Ｃｒを過剰に含有させると、オーステナイト相を不安定化させ、耐水素ガス脆化性を低下させる。このため、Ｃｒ含有量は、２０．０％以下とする。Ｃｒ含有量は、１９．５％以下とするのが好ましく、１９．０％以下とするのがより好ましい。
Ｃｒは、ステンレス鋼において一定量含有させる元素であり、耐食性を向上させる効果を有する。また、Ｃｒは、Ｓｉの最表層への濃化を促進する効果も有する。このため、Ｃｒ含有量は、１７．０％以上とする。Ｃｒ含有量は、１７．５％以上とするのが好ましく、１８．０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃｒはフェライト形成元素である。したがって、Ｃｒを過剰に含有させると、オーステナイト相を不安定化させ、耐水素ガス脆化性を低下させる。このため、Ｃｒ含有量は、２０．０％以下とする。Ｃｒ含有量は、１９．５％以下とするのが好ましく、１９．０％以下とするのがより好ましい。
【0026】
Ｎｉ：８．０～１３．０％
Ｎｉは、Ｍｎとともに、耐水素ガス脆化性を確保するために必要な元素である。このため、Ｎｉ含有量は、８．０％以上とする。しかしながら、過剰にＮｉを含有させると、製造コストが増加する。また、偏析が生じやすくなる。このため、Ｎｉ含有量は、１３．０％以下とする。Ｎｉ含有量は、１２．５％以下とするのが好ましく、１２．０％以下とするのがより好ましく、１１．５％以下とするのがさらに好ましい。
Ｎｉは、Ｍｎとともに、耐水素ガス脆化性を確保するために必要な元素である。このため、Ｎｉ含有量は、８．０％以上とする。しかしながら、過剰にＮｉを含有させると、製造コストが増加する。また、偏析が生じやすくなる。このため、Ｎｉ含有量は、１３．０％以下とする。Ｎｉ含有量は、１２．５％以下とするのが好ましく、１２．０％以下とするのがより好ましく、１１．５％以下とするのがさらに好ましい。
【0027】
Ａｌ：０．３００％以下
Ａｌは、有効な脱酸元素であることに加え、低融点元素の粒界偏析を抑制して、粒界を強化する効果を有する。しかしながら、Ａｌは、フェライト形成元素である。このため、Ａｌが過剰に含有されると、オーステナイト相が不安定化する。このため、Ａｌ含有量は、０．３００％以下とする。Ａｌ含有量は、０．２５０％以下であるのが好ましく、０．２００％以下であるのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ａｌ含有量は、０．００１％以上であるのが好ましく、０．００５％以上であるのがより好ましい。
Ａｌは、有効な脱酸元素であることに加え、低融点元素の粒界偏析を抑制して、粒界を強化する効果を有する。しかしながら、Ａｌは、フェライト形成元素である。このため、Ａｌが過剰に含有されると、オーステナイト相が不安定化する。このため、Ａｌ含有量は、０．３００％以下とする。Ａｌ含有量は、０．２５０％以下であるのが好ましく、０．２００％以下であるのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ａｌ含有量は、０．００１％以上であるのが好ましく、０．００５％以上であるのがより好ましい。
【0028】
Ｎ：０．２５０％以下
Ｎは、ＭｎおよびＮｉと同様に、耐水素ガス脆化性の向上に有効な元素である。しかしながら、Ｎが過剰に含有されると、溶製時のブローホール等、内部欠陥が発生する場合があり、却って、耐水素ガス脆化性が低下しやすくなる。このため、Ｎ含有量は、０．２５０％以下とする。Ｎ含有量は、０．２００％以下とするのが好ましく、０．１００％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｎ含有量は、０．０１０％以上とするのが好ましい。
Ｎは、ＭｎおよびＮｉと同様に、耐水素ガス脆化性の向上に有効な元素である。しかしながら、Ｎが過剰に含有されると、溶製時のブローホール等、内部欠陥が発生する場合があり、却って、耐水素ガス脆化性が低下しやすくなる。このため、Ｎ含有量は、０．２５０％以下とする。Ｎ含有量は、０．２００％以下とするのが好ましく、０．１００％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｎ含有量は、０．０１０％以上とするのが好ましい。
【0029】
上記の元素に加えて、さらに、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｖ、Ｗ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｇａ、Ｈｆ、およびＲＥＭから選択される１種以上を、以下に示す範囲において含有させてもよい。各元素の限定理由について説明する。
【0030】
Ｎｂ：０～０．２０％
Ｎｂは、炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化し、粒界を強化する効果を有する。また、Ｎｂは、母材表面に形成される酸化皮膜に固溶することで、酸化皮膜の緻密性を向上させる効果も有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂを過剰に含有させると、熱間圧延時の製造性および加工性が低下する。このため、Ｎｂ含有量は、０．２０％以下とする。Ｎｂ含有量は、０．１５％以下とするのが好ましく、０．１０％以下とするのがより好ましく、０．０５％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｎｂ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましい。
Ｎｂは、炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化し、粒界を強化する効果を有する。また、Ｎｂは、母材表面に形成される酸化皮膜に固溶することで、酸化皮膜の緻密性を向上させる効果も有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂを過剰に含有させると、熱間圧延時の製造性および加工性が低下する。このため、Ｎｂ含有量は、０．２０％以下とする。Ｎｂ含有量は、０．１５％以下とするのが好ましく、０．１０％以下とするのがより好ましく、０．０５％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｎｂ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましい。
【0031】
Ｔｉ：０～０．２０％
Ｔｉは、炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化し、粒界を強化する効果を有する。また、Ｔｉは、母材表面に形成される酸化皮膜に固溶することで、酸化皮膜の緻密性を向上させる効果も有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉを過剰に含有させると、熱間圧延時の製造性が低下する。このため、Ｔｉ含有量は、０．２０％以下とする。Ｔｉ含有量は、０．１５％以下とするのが好ましく、０．１０％以下とするのがより好ましく、０．０５％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｔｉ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましい。
Ｔｉは、炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化し、粒界を強化する効果を有する。また、Ｔｉは、母材表面に形成される酸化皮膜に固溶することで、酸化皮膜の緻密性を向上させる効果も有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉを過剰に含有させると、熱間圧延時の製造性が低下する。このため、Ｔｉ含有量は、０．２０％以下とする。Ｔｉ含有量は、０．１５％以下とするのが好ましく、０．１０％以下とするのがより好ましく、０．０５％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｔｉ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましい。
【0032】
なお、酸化皮膜の緻密性を向上させ、水素環境下における疲労特性をさらに改善する観点からは、Ｎｂおよび／またはＴｉを含有することが好ましく、ＮｂおよびＴｉの合計含有量を０．１０％以上とすることが好ましい。
【0033】
Ｍｏ：０～１．００％
Ｍｏは、強度を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、δフェライト相の生成を促進させ、耐水素ガス脆化性を低下させる。このため、Ｍｏ含有量は、１．００％以下とする。Ｍｏ含有量は、０．５０％以下とするのが好ましく、０．２５％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｍｏ含有量は、０．０５％以上とするのが好ましい。
Ｍｏは、強度を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、δフェライト相の生成を促進させ、耐水素ガス脆化性を低下させる。このため、Ｍｏ含有量は、１．００％以下とする。Ｍｏ含有量は、０．５０％以下とするのが好ましく、０．２５％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｍｏ含有量は、０．０５％以上とするのが好ましい。
【0034】
Ｃｕ：０～１．０％
Ｃｕは、スクラップ等の原料から混入する元素であり、オーステナイト相の安定化に有効な元素である。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕは、低融点元素であり、粒界に偏析し、破壊の起点を生じやすくする。このため、Ｃｕ含有量は、１．０％以下とする。Ｃｕ含有量は、０．７０％以下とするのが好ましく、０．５０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｃｕ含有量は、０．０５％以上とするのが好ましい。
Ｃｕは、スクラップ等の原料から混入する元素であり、オーステナイト相の安定化に有効な元素である。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕは、低融点元素であり、粒界に偏析し、破壊の起点を生じやすくする。このため、Ｃｕ含有量は、１．０％以下とする。Ｃｕ含有量は、０．７０％以下とするのが好ましく、０．５０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｃｕ含有量は、０．０５％以上とするのが好ましい。
【0035】
Ｃｏ：０～０．５０％
Ｃｏは、耐食性を向上させ、オーステナイト相を安定化させる効果を有する。また、耐水素ガス脆化性を向上させる効果も有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｏを過剰に含有させると、靭性および加工性が低下する。このため、Ｃｏ含有量は、０．５０％以下とする。Ｃｏ含有量は、０．４０％以下とするのが好ましく、０．３０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｃｏ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましく、０．１０％以上とするのがさらに好ましい。
Ｃｏは、耐食性を向上させ、オーステナイト相を安定化させる効果を有する。また、耐水素ガス脆化性を向上させる効果も有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｏを過剰に含有させると、靭性および加工性が低下する。このため、Ｃｏ含有量は、０．５０％以下とする。Ｃｏ含有量は、０．４０％以下とするのが好ましく、０．３０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｃｏ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましく、０．１０％以上とするのがさらに好ましい。
【0036】
Ｖ：０～０．５０％
Ｖは、鋼中に固溶または炭窒化物として析出し、強度を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｖを過剰に含有させると、炭窒化物が過剰に形成し、熱間圧延時の製造性を低下させる。このため、Ｖ含有量は、０．５０％以下とするのが好ましい。Ｖ含有量は、０．３０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｖ含有量は、０．０５％以上とするのが好ましい。
Ｖは、鋼中に固溶または炭窒化物として析出し、強度を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｖを過剰に含有させると、炭窒化物が過剰に形成し、熱間圧延時の製造性を低下させる。このため、Ｖ含有量は、０．５０％以下とするのが好ましい。Ｖ含有量は、０．３０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｖ含有量は、０．０５％以上とするのが好ましい。
【0037】
Ｗ：０～０．５０％
Ｗは、強度および耐食性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｗを過剰に含有させると、製造コストが増加する。このため、Ｗ含有量は、０．５０％以下とする。Ｗ含有量は、０．３０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｗ含有量は、０．０５％以上とするのが好ましい。
Ｗは、強度および耐食性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｗを過剰に含有させると、製造コストが増加する。このため、Ｗ含有量は、０．５０％以下とする。Ｗ含有量は、０．３０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｗ含有量は、０．０５％以上とするのが好ましい。
【0038】
Ｂ：０～０．００５０％
Ｂは、粒界を強化し、強度を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させてもその効果が飽和する。このため、Ｂ含有量は、０．００５０％以下とする。Ｂ含有量は、０．００３０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｂ含有量は、０．０００２％以上とするのが好ましい。
Ｂは、粒界を強化し、強度を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させてもその効果が飽和する。このため、Ｂ含有量は、０．００５０％以下とする。Ｂ含有量は、０．００３０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｂ含有量は、０．０００２％以上とするのが好ましい。
【0039】
Ｃａ：０～０．０１００％
Ｃａは、低融点元素の粒界偏析を抑制して、粒界を強化する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃａを過剰に含有させると、偏析が生じやすくなり、破壊の起点になりやすくなる。このため、Ｃａ含有量は、０．０１００％以下とする。Ｃａ含有量は、０．００５０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｃａ含有量は、０．０００２％以上とするのが好ましい。
Ｃａは、低融点元素の粒界偏析を抑制して、粒界を強化する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃａを過剰に含有させると、偏析が生じやすくなり、破壊の起点になりやすくなる。このため、Ｃａ含有量は、０．０１００％以下とする。Ｃａ含有量は、０．００５０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｃａ含有量は、０．０００２％以上とするのが好ましい。
【0040】
Ｍｇ：０～０．０１００％
Ｍｇは、低融点元素の粒界偏析を抑制して、粒界を強化する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇを過剰に含有させると、介在物が多量に形成し、破壊の起点になりやすくなる。このため、Ｍｇ含有量は、０．０１００％以下とする。Ｍｇ含有量は、０．００５０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｍｇ含有量は、０．０００２％以上とするのが好ましい。
Ｍｇは、低融点元素の粒界偏析を抑制して、粒界を強化する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇを過剰に含有させると、介在物が多量に形成し、破壊の起点になりやすくなる。このため、Ｍｇ含有量は、０．０１００％以下とする。Ｍｇ含有量は、０．００５０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｍｇ含有量は、０．０００２％以上とするのが好ましい。
【0041】
Ｚｒ：０～０．５０％
Ｚｒは、脱酸効果を有する。また、耐食性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｚｒを過剰に含有させると、靭性および加工性が低下する。また、介在物が多量に形成し、破壊の起点になりやすくなる。このため、Ｚｒ含有量は、０．５０％以下とする。Ｚｒ含有量は、０．３０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｚｒ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましい。
Ｚｒは、脱酸効果を有する。また、耐食性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｚｒを過剰に含有させると、靭性および加工性が低下する。また、介在物が多量に形成し、破壊の起点になりやすくなる。このため、Ｚｒ含有量は、０．５０％以下とする。Ｚｒ含有量は、０．３０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｚｒ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましい。
【0042】
Ｇａ：０～０．０５０％
Ｇａは、熱間加工性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Ｇａを過剰に含有させると、製造性を低下させる。このため、Ｇａ含有量は、０．０５０％以下とする。Ｇａ含有量は、０．０３０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｇａ含有量は、０．００１％以上とするのが好ましい。
Ｇａは、熱間加工性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Ｇａを過剰に含有させると、製造性を低下させる。このため、Ｇａ含有量は、０．０５０％以下とする。Ｇａ含有量は、０．０３０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｇａ含有量は、０．００１％以上とするのが好ましい。
【0043】
Ｈｆ：０～０．１０％
Ｈｆは、強度を向上させ、耐水素ガス脆化性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Ｈｆを過剰に含有させると、加工性が低下する。このため、Ｈｆ含有量は、０．１０％以下とする。Ｈｆ含有量は、０．０７％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｈｆ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましい。
Ｈｆは、強度を向上させ、耐水素ガス脆化性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Ｈｆを過剰に含有させると、加工性が低下する。このため、Ｈｆ含有量は、０．１０％以下とする。Ｈｆ含有量は、０．０７％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｈｆ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましい。
【0044】
ＲＥＭ：０～０．１０％
ＲＥＭは、熱間加工性を向上させる効果を有する。また、耐食性を向上させる効果も有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、ＲＥＭを過剰に含有させると、その効果が飽和するばかりか熱間加工性が低下する。このため、ＲＥＭ含有量は、０．１０％以下とする。ＲＥＭ含有量は、０．０７％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、ＲＥＭ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましい。
ＲＥＭは、熱間加工性を向上させる効果を有する。また、耐食性を向上させる効果も有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、ＲＥＭを過剰に含有させると、その効果が飽和するばかりか熱間加工性が低下する。このため、ＲＥＭ含有量は、０．１０％以下とする。ＲＥＭ含有量は、０．０７％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、ＲＥＭ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましい。
【0045】
ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素を指し、上記ＲＥＭ含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。ＲＥＭは、工業的には、ミッシュメタルの形で添加されることが多い。
【0046】
本実施形態の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。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、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本実施形態に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【0047】
２．酸化皮膜
上述のように、鋼中への水素の侵入を抑制するためには、Ｃｒ２Ｏ３を主体とし、かつ最表層にＳｉが濃化した酸化皮膜を形成することが重要である。すなわち、水素環境下における疲労特性を向上させるためには、酸化皮膜の化学組成の制御が重要となる。
上述のように、鋼中への水素の侵入を抑制するためには、Ｃｒ２Ｏ３を主体とし、かつ最表層にＳｉが濃化した酸化皮膜を形成することが重要である。すなわち、水素環境下における疲労特性を向上させるためには、酸化皮膜の化学組成の制御が重要となる。
【0048】
本発明において、酸化皮膜の化学組成および厚さは、グロー放電発光分光分析法（ＧＤＳ）により測定する。具体的には、ＧＤＳを用いて鋼の最表面から深さ方向において、Ｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＡｌおよびＮの濃度変化を測定し、Ｏを除いたその他の元素の総量が、質量％で１００％となるように換算する。
【0049】
上記の観点から、本実施形態においては、酸化皮膜の表面から１ｎｍの深さ位置におけるＳｉ含有量を１５％以上とする。酸化皮膜の表面から１ｎｍの深さ位置におけるＳｉ含有量は２０％以上であるのが好ましく、２３％以上であるのがより好ましい。なお、後述のように、ＧＤＳによる分析では、深さ方向に０．８～１．２ｎｍのピッチでの測定となるため、酸化皮膜の表面から、最も１．０ｎｍに近い深さ位置における測定値を、１ｎｍの深さ位置におけるＳｉ含有量として採用する。
【0050】
酸化皮膜の厚さ
酸化皮膜の厚さについては特に制限はないが、より確実に水素の侵入を抑制する観点からは、酸化皮膜の厚さは３ｎｍ以上であるのが好ましく、５ｎｍ以上であるのがより好ましい。
酸化皮膜の厚さについては特に制限はないが、より確実に水素の侵入を抑制する観点からは、酸化皮膜の厚さは３ｎｍ以上であるのが好ましく、５ｎｍ以上であるのがより好ましい。
【0051】
ＧＤＳによる分析は、表面疵が少ない領域から選んだ任意の１点において行う。測定点において、鋼の最表面から５０ｎｍ深さ位置までスパッタリングしながら、０．８～１．２ｎｍのピッチで、Ｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＡｌおよびＮの各元素濃度を測定する。これにより、各深さ位置における上記元素の含有量（質量％）をそれぞれ求める。この際、Ｏを除いたその他の元素の総量が、質量％で１００％となるように換算する。また、ＧＤＳによる分析を鋼の最表面から１０００ｎｍ深さ位置においても行い、同様に各元素の含有量を求める。
【0052】
次に、得られたＣｒの濃度プロファイルを参照し、Ｃｒ含有量が最大となる深さ位置を特定する。そして、最大となるＣｒ含有量と最表面から１０００ｎｍ深さ位置におけるＣｒ含有量との平均値を算出する。続いて、Ｃｒ含有量が最大となる深さ位置から深さ方向（母材側）にＣｒ含有量を確認し、Ｃｒ含有量が初めて上記平均値を下回った深さ位置を母材と酸化皮膜との境界と定義する。当該結果に基づき、酸化皮膜の厚さを求める。
【0053】
ＧＤＳの測定装置としては、例えば、堀場製作所製のＧＤ－Ｐｒｏｆｉｌｅｒ２の装置を用い、測定条件は３５Ｗ、アルゴン圧６００Ｐａ、周波数１００Ｈｚ、測定径４ｍｍφとすることができる。
【0054】
３．厚さ
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼の厚さについては特に限定されないが、水素ガス配管の素材として用いる場合、厚さは６．０ｍｍ以下であることが好ましく、４．５ｍｍ未満であることがより好ましい。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼の厚さについては特に限定されないが、水素ガス配管の素材として用いる場合、厚さは６．０ｍｍ以下であることが好ましく、４．５ｍｍ未満であることがより好ましい。
【0055】
４．用途
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼には、オーステナイト系ステンレス鋼板またはオーステナイト系ステンレス鋼管が含まれる。また、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼は、水素環境下における疲労特性に優れているため、高圧水素ガス環境または液化水素環境で用いられるのが好ましい。例えば、水素ガス製造装置または水素ガス供給装置の部品に用いられるのが好ましい。なお、水素ガス製造装置または水素ガス供給装置の部品として、例えば、タンクの本体、口金、ライナー、バルブ、熱交換器、ディスペンサーなどの計器類等または流路に使用される配管がある。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼には、オーステナイト系ステンレス鋼板またはオーステナイト系ステンレス鋼管が含まれる。また、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼は、水素環境下における疲労特性に優れているため、高圧水素ガス環境または液化水素環境で用いられるのが好ましい。例えば、水素ガス製造装置または水素ガス供給装置の部品に用いられるのが好ましい。なお、水素ガス製造装置または水素ガス供給装置の部品として、例えば、タンクの本体、口金、ライナー、バルブ、熱交換器、ディスペンサーなどの計器類等または流路に使用される配管がある。
【0056】
５．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好ましい製造方法について説明する。本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼は、例えば、以下のような製造方法により、安定して製造することができる。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼の好ましい製造方法について説明する。本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼は、例えば、以下のような製造方法により、安定して製造することができる。
【0057】
上記化学組成を有するステンレス鋼を溶製し、スラブなどの鋼片を製造する。次に、鋼片を所定の温度に加熱して熱間圧延を行う（熱間圧延工程）。熱間圧延における加熱温度は、１０５０～１２５０℃の範囲とし、圧下率を４０％以上とするのが好ましい。熱間圧延の際の加熱温度と圧下率を上記範囲とすることで、所望する板厚に制御しやすくなるからである。
【0058】
熱間圧延後に、必要に応じて、組織を調整するために焼鈍を行ってもよい。焼鈍条件は、特に限定されないが、例えば、焼鈍温度は、９５０～１１５０℃の範囲とするのが好ましい。また、焼鈍時間は、０．５～１５ｍｉｎの範囲とするのが好ましい。なお、焼鈍雰囲気は、大気雰囲気とすればよい。熱間圧延後、または熱間圧延後の焼鈍を行った場合は焼鈍後、スケールを除去するため、酸洗を行う。酸洗の条件も、特に限定されず、常法に従えばよい。
【0059】
続いて、得られた熱間圧延板に対して冷間圧延を行い、冷間圧延板を得る。この際の条件は特に限定されないが、冷間圧延率は４０％以上とするのが好ましい。なお、冷間圧延は、複数回行ってもよい。また、冷間圧延と冷間圧延の間に、中間焼鈍を行ってもよい。中間焼鈍を行う場合の条件は、特に、限定されないが、例えば、９５０～１１５０℃の温度範囲で、１０ｓ～１０ｍｉｎ行うのが好ましい。
【0060】
得られた冷間圧延板には、冷延板焼鈍を行う。この際の焼鈍温度は、９５０～１１５０℃の範囲とするのが好ましい。また、焼鈍時間は、５ｓ～３ｍｉｎの範囲とするのが好ましい。焼鈍温度および焼鈍時間を上記範囲とすることで、再結晶を促進し、均質な組織とできるからである。なお、焼鈍後、必要に応じて、酸洗を行ってもよい。なお、この際の酸洗の条件も、特に限定されない。常法に従えばよい。
【0061】
以上により、鋼板が得られる。一方、鋼管を得たい場合には、得られた鋼板を、管状に成形し、鋼管素材とする。成形方法は、特に限定されないが、通常、種々の曲率を有するロールを用いて曲げ加工し、管状に成形する、いわゆる、ロールフォーミングを用いる。
【0062】
続いて、成形された鋼管素材の板幅方向の端部を溶接し、溶接管とする。溶接方法は、特に限定されないが、例えば、高周波電気抵抗溶接（「ＥＲＷ」ともいう。）、イナートガスアーク溶接（「ＴＩＧ溶接」ともいう。）、またはレーザー溶接とすればよい。その他、溶接条件は、適宜、調整すればよい。
【0063】
得られた溶接管には、さらに必要に応じて焼鈍が施された後、酸洗を行い、冷間引抜を行うことで、所定の寸法の鋼管が得られる。冷間引抜の際の条件も特に、限定されないが、例えば、肉厚減少率は２０％以下とするのが好ましい。なお、冷間引抜は、複数回行ってもよい。
【0064】
以上のようにして得られた鋼板または鋼管に対して、最終焼鈍を施すことで、母材表面に酸化皮膜が形成される。また、Ｓｉ酸化物が最表層に濃化したＣｒ２Ｏ３を主体とする酸化皮膜を形成するためには、最終焼鈍における条件の制御が重要となる。
【0065】
本実施形態において、最終焼鈍では、不活性ガス雰囲気での熱処理、いわゆる、光輝焼鈍を行う。通常、光輝焼鈍では、露点をできる限り低くし、例えば、－６０℃以下とするのが一般的である。しかし、本発明者らが検討を行った結果、酸化皮膜の最表層にＳｉ酸化物を濃化させるためには、あえて露点が比較的高い水素ガス雰囲気で熱処理を行う必要があることを見出した。
【0066】
そのため、最終焼鈍時の露点は－６０℃超とする。最終焼鈍時の露点は－５０℃超とすることが好ましい。また、最終焼鈍時の熱処理温度は１０００～１２００℃とし、熱処理時間は１０ｓ～３０ｍｉｎとすることが好ましい。さらに、熱処理時の雰囲気は、１００％Ｈ２雰囲気とする。
【0067】
加えて、熱処理後の冷却速度を低く制御することも重要である。これにより、Ｓｉ酸化物およびＣｒ酸化物が生成しやすい７００～９００℃の温度域での滞留時間を十分に確保できるためである。そのため、熱処理後の冷却速度を２０℃／ｓ以下とする必要がある。
【0068】
以下、実施例によって本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼をより具体的に説明するが、本実施形態はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例0069】
表１に示す化学組成のステンレス鋼を溶製し、スラブを製造した。その後、スラブを１０５０～１２５０℃の範囲で加熱し、熱間圧延を行った。熱間圧延後に、冷間圧延を行った後に中間焼鈍を施し、厚さ２．０ｍｍの冷延焼鈍板を得た。続いて、得られた冷延焼鈍板に対して成形および溶接を施し、外径が２２ｍｍの溶接管を製造した。この際、溶接にはＴＩＧ溶接を用いた。
【0070】
続いて、得られた溶接管に対して、焼鈍および酸洗を行った後、冷間引抜を施すことにより、外径６．３５ｍｍ、肉厚１．３ｍｍの冷延鋼管を得た。
【0071】
その後、得られた各冷延鋼管に対して、表２に示す雰囲気において、１０５０℃で３０ｍｉｎ熱処理する最終焼鈍を施した。なお、表中の「焼鈍条件」の「雰囲気」の欄における「１００％Ｈ２」は、１００％Ｈ２雰囲気で光輝焼鈍を行ったことを意味し、「ＬＮＧ」は、ＬＮＧ燃焼模擬雰囲気（１％Ｏ２－７２％Ｎ２－１０％ＣＯ２－１７％Ｈ２Ｏの雰囲気）での熱処理後に酸洗を行ったことを意味する。また、「熱処理」の欄において「○」を付しているのは、最終焼鈍後に、４００℃の大気中で１ｈ保持したことを意味する。
【0072】
【表1】
【0073】
【表2】
【0074】
酸化皮膜の化学組成および厚さの測定
得られた各オーステナイト系ステンレス鋼管について、適当な大きさで切り出した後、冷間プレスによって平滑な板形状とし、ＧＤＳによる分析を表面疵が少ない範囲から選んだ任意の１点において行った。測定点において、鋼管の最表面から５０ｎｍ深さ位置までスパッタリングしながら、１ｎｍ程度のピッチで、Ｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＡｌおよびＮの各元素濃度を測定し、各深さ位置における上記元素の含有量（質量％）をそれぞれ求めた。この際、Ｏを除いたその他の元素の総量が、質量％で１００％となるように換算した。また、ＧＤＳによる分析を鋼管の最表面から１０００ｎｍ深さ位置においても行い、同様に各元素の含有量を求めた。そして、酸化皮膜の表面から、最も１．０ｎｍに近い深さ位置における測定値を、１ｎｍの深さ位置におけるＳｉ含有量とした。
得られた各オーステナイト系ステンレス鋼管について、適当な大きさで切り出した後、冷間プレスによって平滑な板形状とし、ＧＤＳによる分析を表面疵が少ない範囲から選んだ任意の１点において行った。測定点において、鋼管の最表面から５０ｎｍ深さ位置までスパッタリングしながら、１ｎｍ程度のピッチで、Ｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＡｌおよびＮの各元素濃度を測定し、各深さ位置における上記元素の含有量（質量％）をそれぞれ求めた。この際、Ｏを除いたその他の元素の総量が、質量％で１００％となるように換算した。また、ＧＤＳによる分析を鋼管の最表面から１０００ｎｍ深さ位置においても行い、同様に各元素の含有量を求めた。そして、酸化皮膜の表面から、最も１．０ｎｍに近い深さ位置における測定値を、１ｎｍの深さ位置におけるＳｉ含有量とした。
【0075】
次に、得られたＣｒの濃度プロファイルを参照し、Ｃｒ含有量が最大となる深さ位置を特定し、最大となるＣｒ含有量と最表面から１０００ｎｍ深さ位置におけるＣｒ含有量との平均値を算出した。続いて、Ｃｒ含有量が最大となる深さ位置から深さ方向（母材側）にＣｒ含有量を確認し、Ｃｒ含有量が初めて上記平均値を下回った深さ位置を母材と酸化皮膜との境界とした。当該結果に基づき、酸化皮膜の厚さを求めた。
【0076】
ＧＤＳの測定装置として、堀場製作所製のＧＤ－Ｐｒｏｆｉｌｅｒ２の装置を用い、測定条件は３５Ｗ、アルゴン圧６００Ｐａ、周波数１００Ｈｚ、測定径４ｍｍφとした。
【0077】
水素環境下での疲労特性評価試験
水素環境下での疲労特性を評価するため、以下の試験を行った。具体的には、試験体収容チャンバに、得られた鋼管（長さ５００ｍｍ）を設置した。－７０℃にしたチャンバ内部で、鋼管内部のＨ２ガス圧力を、０ＭＰａから１０ＭＰａまたは７０ＭＰａへ昇圧後、１０ＭＰａまたは７０ＭＰａから０ＭＰａへ減圧するまでを１サイクルとし、水素の漏れが発生する、または管の外径が変化するまで繰り返し行った、１サイクルは、３０秒、すなわち、周波数は、０．０３とし、最大、１００００サイクルまで行った。
水素環境下での疲労特性を評価するため、以下の試験を行った。具体的には、試験体収容チャンバに、得られた鋼管（長さ５００ｍｍ）を設置した。－７０℃にしたチャンバ内部で、鋼管内部のＨ２ガス圧力を、０ＭＰａから１０ＭＰａまたは７０ＭＰａへ昇圧後、１０ＭＰａまたは７０ＭＰａから０ＭＰａへ減圧するまでを１サイクルとし、水素の漏れが発生する、または管の外径が変化するまで繰り返し行った、１サイクルは、３０秒、すなわち、周波数は、０．０３とし、最大、１００００サイクルまで行った。
【0078】
表２において、Ｈ２ガス圧力を１０ＭＰａまたは７０ＭＰａとしたそれぞれの場合において、１００００サイクル後に、水素の漏れも外径の変化もなかった場合を、○と判定した。一方、１００００サイクル経過前に、水素の漏れまたは管の外径に変化が発生した場合を×と判定した。結果を表２に併せて記載する。
【産業上の利用可能性】
【0079】
本発明によれば、水素環境下における疲労特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を得ることができる。