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(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】
(24)【登録日】2023-08-29
(45)【発行日】2023-09-06
(54)【発明の名称】オーステナイト系ステンレス鋼材
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20230830BHJP
C22C 38/58 20060101ALI20230830BHJP
C21D 8/00 20060101ALN20230830BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 302Z
C22C38/58
C21D8/00 E
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2019193110
(22)【出願日】2019-10-24
(65)【公開番号】P2021066928
(43)【公開日】2021-04-30
【審査請求日】2022-06-06
(73)【特許権者】
【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】110001553
【氏名又は名称】アセンド弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】大瀧 奈央
(72)【発明者】
【氏名】吉澤 満
(72)【発明者】
【氏名】露口 聡史
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 悠平
(72)【発明者】
【氏名】小薄 孝裕
【審査官】河野 一夫
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／０４３５６５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／１６８１１９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００４／１１１２８５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開昭６０－１１６７５０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２２Ｃ ３８／００
Ｃ２２Ｃ ３８／５８
Ｃ２１Ｄ ８／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
オーステナイト系ステンレス鋼材であって、化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３０％以下、
Ｓｉ：０．１０～１．００％、
Ｍｎ：０．２～２．０％、
Ｐ：０．０１～０．０４％、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１５．００～２５．００％、
Ｎｉ：９．００～１８．００％、
Ｍｏ：１．０～５．０％、
Ｎｂ：０．２０～２．００％、
Ｎ：０．０５０～０．１８０％、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｂ：０．０００５～０．００８０％、
Ｃｕ：０～２．００％、
Ｖ：０～１．００％、
Ｃｏ：０～１．０％、
Ｙ：０～１．００％、
Ｚｒ：０～１．０％、
Ｈｆ：０～０．２０％、
Ｔａ：０～０．２０％、
Ｗ：０～５．０％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、及び、
Ｙ以外の希土類元素：０～０．１００％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
結晶粒度番号が４．０～９．０であり、
前記オーステナイト系ステンレス鋼材中のオーステナイト結晶粒界でのＢ濃度（質量％）を［ＢＧＢ］と定義し、オーステナイト結晶粒内のＢ濃度（質量％）を［ＢＢＭ］と定義したとき、式（１）を満たす、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］≧５００ （１）
【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材であって、前記化学組成は、
Ｃｕ：０．０５～２．００％、
Ｖ：０．１０～１．００％、
Ｃｏ：０．１～１．０％、
Ｙ：０．０１～１．００％
Ｚｒ：０．１～１．０％
Ｈｆ：０．０１～０．２０％、
Ｔａ：０．０１～０．２０％、及び、
Ｗ：０．１～５．０％、からなる群から選択される１元素以上を含有する、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
【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材であって、前記化学組成は、
Ｃａ：０．０００５～０．０１００％、
Ｍｇ：０．０００５～０．０１００％、及び、
Ｙ以外の希土類元素：０．００１～０．１００％からなる群から選択される１元素以上を含有する、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
【請求項4】
請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼材であって、前記化学組成はさらに、式（２）を満たす、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
０．２×Ｍｏ＋５×Ｎｂ＋５００×Ｂ＞２．００ （２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、鋼材に関し、さらに詳しくは、オーステナイト系ステンレス鋼材に関する。
【背景技術】
【0002】
石油精製プラントや石油化学プラント等の化学プラント設備に用いられる鋼材は、高温強度が求められる。これらの化学プラント設備用途の鋼材として、オーステナイト系ステンレス鋼材が用いられている。
【0003】
化学プラント設備は複数の装置を含む。化学プラント設備の各装置はたとえば、減圧蒸留装置、脱硫装置、接触改質装置等である。これらの装置は、加熱炉管、反応塔、槽、熱交換器、配管等を含む。これらの装置は、鋼材を溶接して形成された溶接構造物である。
【0004】
減圧蒸留装置の加熱炉管等は、一般に３００～４００℃で操業され、加熱炉管に掛かる圧力はそれほど高くない。しかしながら、加熱中の石油が気化すると、気化した石油による断熱効果が発生する。この断熱効果により、加熱炉管の温度が７００℃程度まで高まる場合がある。そのため、化学プラント設備に利用されるオーステナイト系ステンレス鋼材では、３００～７００℃の高温環境において、高いクリープ強度が求められる。また、上述の高温環境で使用されるオーステナイト系ステンレス鋼材では、稼働中の鋼材の破断を抑制するために、高いクリープ延性も求められる。
【0005】
国際公開第２０１８／０４３５６５号（特許文献１）では、高温域で使用されるオーステナイト系ステンレス鋼材のクリープ強度及びクリープ延性の改善について開示されている。この文献に開示されているオーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：０．１０～１．００％、Ｍｎ：０．２０～２．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１６．０～２５．０％、Ｎｉ：１０．０～３０．０％、Ｍｏ：０．１～５．０％、Ｎｂ：０．２０～１．００％、Ｎ：０．０５０～０．３００％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５～０．１００％、Ｂ：０．００１０～０．００８０％、Ｃｕ：０～５．０％、Ｗ：０～５．０％、Ｃｏ：０～１．０％、Ｖ：０～１．００％、Ｔａ：０～０．２％、Ｈｆ：０～０．２０％、Ｃａ：０～０．０１０％、Ｍｇ：０～０．０１０％、及び、希土類元素：０～０．１０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、Ｂ＋０．００４－０．９Ｃ＋０．０１７Ｍｏ２≧０を満たす化学組成を有する。特許文献１に提案されたオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｂ、Ｃｕ及びＭｏ含有量を調整することにより、優れたクリープ強度及びクリープ延性が得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】国際公開第２０１８／０４３５６５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、化学プラント設備等の装置によっては、高温環境において、特許文献１で想定されているよりも長時間でのクリープ強度及びクリープ延性の両立が求められる場合がある。特に、試験応力を８０ＭＰａとした７００℃でのクリープ破断試験において、クリープ破断時間が１００００時間以上となり、かつ、クリープ破断絞りが５０％以上となる、クリープ強度及びクリープ延性を有するオーステナイト系ステンレス鋼材が求められている。
【0008】
本開示の目的は、高温環境での長時間での使用においても、優れたクリープ強度と優れたクリープ延性との両立が可能なオーステナイト系ステンレス鋼材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本開示によるオーステナイト系ステンレス鋼材は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３０％以下、
Ｓｉ：０．１０～１．００％、
Ｍｎ：０．２～２．０％、
Ｐ：０．０１～０．０４％、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１５．００～２５．００％、
Ｎｉ：９．００～１８．００％、
Ｍｏ：１．０～５．０％、
Ｎｂ：０．２０～２．００％、
Ｎ：０．０５０～０．１８０％、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｂ：０．０００５～０．００８０％、
Ｃｕ：０～２．００％、
Ｖ：０～１．００％、
Ｃｏ：０～１．０％、
Ｙ：０～１．００％、
Ｚｒ：０～１．０％、
Ｈｆ：０～０．２０％、
Ｔａ：０～０．２０％、
Ｗ：０～５．０％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、及び、
Ｙ以外の希土類元素：０～０．１００％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
結晶粒度番号が４．０～９．０であり、
前記オーステナイト系ステンレス鋼材中のオーステナイト結晶粒界でのＢ濃度（質量％）を［ＢＧＢ］と定義し、オーステナイト結晶粒内のＢ濃度（質量％）を［ＢＢＭ］と定義したとき、式（１）を満たす。
［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］≧５００ （１）
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３０％以下、
Ｓｉ：０．１０～１．００％、
Ｍｎ：０．２～２．０％、
Ｐ：０．０１～０．０４％、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１５．００～２５．００％、
Ｎｉ：９．００～１８．００％、
Ｍｏ：１．０～５．０％、
Ｎｂ：０．２０～２．００％、
Ｎ：０．０５０～０．１８０％、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｂ：０．０００５～０．００８０％、
Ｃｕ：０～２．００％、
Ｖ：０～１．００％、
Ｃｏ：０～１．０％、
Ｙ：０～１．００％、
Ｚｒ：０～１．０％、
Ｈｆ：０～０．２０％、
Ｔａ：０～０．２０％、
Ｗ：０～５．０％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、及び、
Ｙ以外の希土類元素：０～０．１００％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
結晶粒度番号が４．０～９．０であり、
前記オーステナイト系ステンレス鋼材中のオーステナイト結晶粒界でのＢ濃度（質量％）を［ＢＧＢ］と定義し、オーステナイト結晶粒内のＢ濃度（質量％）を［ＢＢＭ］と定義したとき、式（１）を満たす。
［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］≧５００ （１）
【発明の効果】
【0010】
本開示のオーステナイト系ステンレス鋼材は、高温環境での長時間での使用においても、優れたクリープ強度と優れたクリープ延性との両立が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明者らは、高温環境において、優れたクリープ強度及び優れたクリープ延性の両立が可能なオーステナイト系ステンレス鋼材について、検討を行った。
【0013】
本発明者らは初めに、鋼材の化学組成について検討を行った。化学プラント設備等に用いられる場合、鋼材には、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性も要求される。耐ポリチオン酸ＳＣＣ性にはＣｒ、Ｍｏが有効であることが知られている。さらに、高温環境での鋼材のクリープ強度を高めるためには、オーステナイトを安定化させることが有効である。オーステナイトの安定化には、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｎが有効である。さらに、高温環境での粒界強度を高めれば、クリープ強度及びクリープ延性の両方を高めることができる。粒界強度を高めるには、Ｂが有効である。
【0014】
以上の事項を考慮して、本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成を検討した。その結果、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：０．１０～１．００％、Ｍｎ：０．２～２．０％、Ｐ：０．０１～０．０４％、Ｓ：０．０１００％以下、Ｃｒ：１５．００～２５．００％、Ｎｉ：９．００～１８．００％、Ｍｏ：１．０～５．０％、Ｎｂ：０．２０～２．００％、Ｎ：０．０５０～０．１８０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１～０．０８０％、Ｂ：０．０００５～０．００８０％、Ｃｕ：０～２．００％、Ｖ：０～１．００％、Ｃｏ：０～１．０％、Ｙ：０～１．００％、Ｚｒ：０～１．０％、Ｈｆ：０～０．２０％、Ｔａ：０～０．２０％、Ｗ：０～５．０％、Ｃａ：０～０．０１００％、Ｍｇ：０～０．０１００％、及び、Ｙ以外の希土類元素：０～０．１００％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼材であれば、高温環境において優れたクリープ強度と優れたクリープ延性とを両立できる可能性があると考えた。
【0015】
本発明者らはさらに、Ｂの粒界での偏析に注目した。Ｂは粒界に偏析して粒界強度を高める。粒界強度が高まれば、クリープ強度が高まるだけでなく、クリープ延性も高まる。つまり、粒界でのＢ偏析度を高めれば、クリープ強度とクリープ延性との両方を高めることができる。そこで、本発明者らは、粒界でのＢ偏析度を高める方法を検討した。その結果、粒界でのＢ偏析度は、オーステナイト結晶粒のサイズと関連することを見出した。以下、この点について説明する。
【0016】
オーステナイト結晶粒が微細であれば、粒界面積が増大する。この場合、高温環境において、粒界での変形が助長される。そのため、クリープ強度が低下する。したがって、クリープ強度を考慮すれば、オーステナイト結晶粒は大きい方が好ましい。
【0017】
しかしながら、粒界でのＢ偏析を考慮した場合、オーステナイト結晶粒が大きくなれば、粒内のＢが粒界まで移動するまでの距離が長くなる。この場合、Ｂが拡散してもＢが粒界まで到達しにくくなり、その結果、粒界のＢ偏析度を高めることができない。したがって、オーステナイト結晶粒は、粒界でのＢ偏析度が十分に高くなる程度に小さく、かつ、高温環境においてクリープ強度を十分に維持できる程度に大きいサイズである必要がある。
【0018】
そこで、本発明者らは、上述の化学組成のオーステナイト系ステンレス鋼材において、結晶粒度番号の適切な範囲について検討を行った。その結果、結晶粒度番号が４．０～９．０であれば、粒界のＢ偏析度を十分に高めつつ、高温環境におけるクリープ強度も十分に維持できることを見出した。
【0019】
しかしながら、上述の化学組成を有し、結晶粒度番号が４．０～９．０であるオーステナイト系ステンレス鋼材であっても、高温環境において十分なクリープ強度及び十分なクリープ延性の両立が困難となる場合があった。そこで、本発明者らはさらに検討を行った。上述の通り、粒界のＢ偏析度を十分に高めれば、クリープ強度及びクリープ延性の両方を高めることができる。そこで、本発明者らは、粒界のＢ偏析度について検討を行った。その結果、オーステナイト系ステンレス鋼材中のオーステナイト結晶粒界でのＢ濃度（質量％）を［ＢＧＢ］と定義し、オーステナイト結晶粒内のＢ濃度（質量％）を［ＢＢＭ］と定義したとき、上述の化学組成を有し、結晶粒度番号が４．０～９．０であるオーステナイト系ステンレス鋼材において、さらに式（１）を満たせば、高温環境において優れたクリープ強度と優れたクリープ延性とを両立できることを見出した。
［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］≧５００ （１）
［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］≧５００ （１）
【0020】
以上の知見に基づいて完成した本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、次の構成を有する。
【0021】
［１］
オーステナイト系ステンレス鋼材であって、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３０％以下、
Ｓｉ：０．１０～１．００％、
Ｍｎ：０．２～２．０％、
Ｐ：０．０１～０．０４％、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１５．００～２５．００％、
Ｎｉ：９．００～１８．００％、
Ｍｏ：１．０～５．０％、
Ｎｂ：０．２０～２．００％、
Ｎ：０．０５０～０．１８０％、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｂ：０．０００５～０．００８０％、
Ｃｕ：０～２．００％、
Ｖ：０～１．００％、
Ｃｏ：０～１．０％、
Ｙ：０～１．００％、
Ｚｒ：０～１．０％、
Ｈｆ：０～０．２０％、
Ｔａ：０～０．２０％、
Ｗ：０～５．０％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、及び、
Ｙ以外の希土類元素：０～０．１００％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
結晶粒度番号が４．０～９．０であり、
前記オーステナイト系ステンレス鋼材中のオーステナイト結晶粒界でのＢ濃度（質量％）を［ＢＧＢ］と定義し、オーステナイト結晶粒内のＢ濃度（質量％）を［ＢＢＭ］と定義したとき、式（１）を満たす、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］≧５００ （１）
オーステナイト系ステンレス鋼材であって、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３０％以下、
Ｓｉ：０．１０～１．００％、
Ｍｎ：０．２～２．０％、
Ｐ：０．０１～０．０４％、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１５．００～２５．００％、
Ｎｉ：９．００～１８．００％、
Ｍｏ：１．０～５．０％、
Ｎｂ：０．２０～２．００％、
Ｎ：０．０５０～０．１８０％、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｂ：０．０００５～０．００８０％、
Ｃｕ：０～２．００％、
Ｖ：０～１．００％、
Ｃｏ：０～１．０％、
Ｙ：０～１．００％、
Ｚｒ：０～１．０％、
Ｈｆ：０～０．２０％、
Ｔａ：０～０．２０％、
Ｗ：０～５．０％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、及び、
Ｙ以外の希土類元素：０～０．１００％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
結晶粒度番号が４．０～９．０であり、
前記オーステナイト系ステンレス鋼材中のオーステナイト結晶粒界でのＢ濃度（質量％）を［ＢＧＢ］と定義し、オーステナイト結晶粒内のＢ濃度（質量％）を［ＢＢＭ］と定義したとき、式（１）を満たす、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］≧５００ （１）
【0022】
［２］
［１］に記載のオーステナイト系ステンレス鋼材であって、
前記化学組成は、
Ｃｕ：０．０５～２．００％、
Ｖ：０．１０～１．００％、
Ｃｏ：０．１～１．０％、
Ｙ：０．０１～１．００％
Ｚｒ：０．１～１．０％
Ｈｆ：０．０１～０．２０％、
Ｔａ：０．０１～０．２０％、及び、
Ｗ：０．１～５．０％、からなる群から選択される１元素以上を含有する、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
［１］に記載のオーステナイト系ステンレス鋼材であって、
前記化学組成は、
Ｃｕ：０．０５～２．００％、
Ｖ：０．１０～１．００％、
Ｃｏ：０．１～１．０％、
Ｙ：０．０１～１．００％
Ｚｒ：０．１～１．０％
Ｈｆ：０．０１～０．２０％、
Ｔａ：０．０１～０．２０％、及び、
Ｗ：０．１～５．０％、からなる群から選択される１元素以上を含有する、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
【0023】
［３］
［１］又は［２］に記載のオーステナイト系ステンレス鋼材であって、
前記化学組成は、
Ｃａ：０．０００５～０．０１００％、
Ｍｇ：０．０００５～０．０１００％、及び、
Ｙ以外の希土類元素：０．００１～０．１００％からなる群から選択される１元素以上を含有する、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
［１］又は［２］に記載のオーステナイト系ステンレス鋼材であって、
前記化学組成は、
Ｃａ：０．０００５～０．０１００％、
Ｍｇ：０．０００５～０．０１００％、及び、
Ｙ以外の希土類元素：０．００１～０．１００％からなる群から選択される１元素以上を含有する、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
【0024】
［４］
［１］～［３］のいずれか１項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼材であって、
前記化学組成はさらに、式（２）を満たす、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
０．２×Ｍｏ＋５×Ｎｂ＋５００×Ｂ＞２．００ （２）
［１］～［３］のいずれか１項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼材であって、
前記化学組成はさらに、式（２）を満たす、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
０．２×Ｍｏ＋５×Ｎｂ＋５００×Ｂ＞２．００ （２）
【0025】
以下、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材について詳述する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。
【0026】
［化学組成について］
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
【0027】
Ｃ：０．０３０％以下
炭素（Ｃ）は不可避に含有される。つまり、Ｃ含有量は０％超である。Ｃは、高温環境でのオーステナイト系ステンレス鋼材の使用中において、粒界にＭ２３Ｃ６型のＣｒ炭化物を生成する。このＣｒ炭化物は、鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を低下する。Ｃ含有量が０．０３０％を超えれば、他の元素含有量が本実施の範囲内であっても、鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性が顕著に低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０３０％以下である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．０２８％であり、さらに好ましくは０．０２４％であり、さらに好ましくは０．０２２％である。Ｃ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｃ含有量の過剰な低減は製造コストを高くする。したがって、工業生産上、Ｃ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。
炭素（Ｃ）は不可避に含有される。つまり、Ｃ含有量は０％超である。Ｃは、高温環境でのオーステナイト系ステンレス鋼材の使用中において、粒界にＭ２３Ｃ６型のＣｒ炭化物を生成する。このＣｒ炭化物は、鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を低下する。Ｃ含有量が０．０３０％を超えれば、他の元素含有量が本実施の範囲内であっても、鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性が顕著に低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０３０％以下である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．０２８％であり、さらに好ましくは０．０２４％であり、さらに好ましくは０．０２２％である。Ｃ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｃ含有量の過剰な低減は製造コストを高くする。したがって、工業生産上、Ｃ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。
【0028】
Ｓｉ：０．１０～１．００％
シリコン（Ｓｉ）は、製鋼工程において、鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、高温環境において、鋼材の耐酸化性及び耐水蒸気酸化性を高める。Ｓｉ含有量が０．１０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｓｉ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、高温環境において、鋼材中にシグマ相（σ相）が生成する。この場合、高温環境での鋼材のクリープ強度が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．１０～１．００％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１４％であり、さらに好ましくは０．１６％であり、さらに好ましくは０．１８％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．９０％であり、さらに好ましくは０．８０％であり、さらに好ましくは０．７５％である。
シリコン（Ｓｉ）は、製鋼工程において、鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、高温環境において、鋼材の耐酸化性及び耐水蒸気酸化性を高める。Ｓｉ含有量が０．１０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｓｉ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、高温環境において、鋼材中にシグマ相（σ相）が生成する。この場合、高温環境での鋼材のクリープ強度が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．１０～１．００％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１４％であり、さらに好ましくは０．１６％であり、さらに好ましくは０．１８％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．９０％であり、さらに好ましくは０．８０％であり、さらに好ましくは０．７５％である。
【0029】
Ｍｎ：０．２～２．０％
マンガン（Ｍｎ）は、オーステナイトを安定化して、高温環境において鋼材のクリープ強度を高める。Ｍｎはさらに、製鋼工程において、鋼を脱酸する。Ｍｎ含有量が０．２％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｎ含有量が２．０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、高温環境において、鋼材中にσ相を形成する。この場合、高温環境での鋼材のクリープ強度が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．２～２．０％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．３％であり、さらに好ましくは０．４％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．９％であり、さらに好ましくは１．８％であり、さらに好ましくは１．７％である。
マンガン（Ｍｎ）は、オーステナイトを安定化して、高温環境において鋼材のクリープ強度を高める。Ｍｎはさらに、製鋼工程において、鋼を脱酸する。Ｍｎ含有量が０．２％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｎ含有量が２．０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、高温環境において、鋼材中にσ相を形成する。この場合、高温環境での鋼材のクリープ強度が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．２～２．０％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．３％であり、さらに好ましくは０．４％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．９％であり、さらに好ましくは１．８％であり、さらに好ましくは１．７％である。
【0030】
Ｐ：０．０１～０．０４％
燐（Ｐ）は、高温環境において粒界に偏析して、鋼材のクリープ延性を高める。Ｐ含有量が０．０１％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｐ含有量が０．０４％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及び靱性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０１～０．０４％である。Ｐ含有量の好ましい下限は０．０２％である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０３％である。
燐（Ｐ）は、高温環境において粒界に偏析して、鋼材のクリープ延性を高める。Ｐ含有量が０．０１％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｐ含有量が０．０４％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及び靱性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０１～０．０４％である。Ｐ含有量の好ましい下限は０．０２％である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０３％である。
【0031】
Ｓ：０．０１００％以下
硫黄（Ｓ）は不可避に含有される。つまり、Ｓ含有量は０％超である。Ｓは、鋼材の熱間加工性及び靱性を低下する。Ｓ含有量が０．０１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、熱間加工性及び靱性が顕著に低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０１００％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．００８０％であり、さらに好ましくは０．００７０％であり、さらに好ましくは０．００６０％であり、さらに好ましくは０．００５０％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｓ含有量の過剰な低減は、鋼材の製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、Ｓ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００２％である。
硫黄（Ｓ）は不可避に含有される。つまり、Ｓ含有量は０％超である。Ｓは、鋼材の熱間加工性及び靱性を低下する。Ｓ含有量が０．０１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、熱間加工性及び靱性が顕著に低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０１００％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．００８０％であり、さらに好ましくは０．００７０％であり、さらに好ましくは０．００６０％であり、さらに好ましくは０．００５０％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｓ含有量の過剰な低減は、鋼材の製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、Ｓ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００２％である。
【0032】
Ｃｒ：１５．００～２５．００％
クロム（Ｃｒ）は、高温環境で使用する鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を高める。Ｃｒはさらに、高温環境において、鋼材の耐酸化性及び耐食性を高める。Ｃｒ含有量が１５．００％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が２５．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、オーステナイトの安定性が低下する。この場合、高温環境において鋼材のクリープ強度が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１５．００～２５．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１５．５０％であり、さらに好ましくは１５．８０％であり、さらに好ましくは１６．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は２４．００％であり、さらに好ましくは２３．００％であり、さらに好ましくは２２．００％であり、さらに好ましくは２１．００％である。
クロム（Ｃｒ）は、高温環境で使用する鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を高める。Ｃｒはさらに、高温環境において、鋼材の耐酸化性及び耐食性を高める。Ｃｒ含有量が１５．００％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が２５．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、オーステナイトの安定性が低下する。この場合、高温環境において鋼材のクリープ強度が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１５．００～２５．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１５．５０％であり、さらに好ましくは１５．８０％であり、さらに好ましくは１６．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は２４．００％であり、さらに好ましくは２３．００％であり、さらに好ましくは２２．００％であり、さらに好ましくは２１．００％である。
【0033】
Ｎｉ：９．００～１８．００％
ニッケル（Ｎｉ）はオーステナイトを安定化して、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。Ｎｉ含有量が９．００％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎｉ含有量が１８．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が飽和し、さらに、製造コストが高くなる。したがって、Ｎｉ含有量は９．００～１８．００％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は、９．５０％であり、さらに好ましくは９．８０％であり、さらに好ましくは１０．００％であり、さらに好ましくは１０．２０％であり、さらに好ましくは１０．４０％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は１７．００％であり、さらに好ましくは１６．００％であり、さらに好ましくは１５．００％である。
ニッケル（Ｎｉ）はオーステナイトを安定化して、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。Ｎｉ含有量が９．００％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎｉ含有量が１８．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が飽和し、さらに、製造コストが高くなる。したがって、Ｎｉ含有量は９．００～１８．００％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は、９．５０％であり、さらに好ましくは９．８０％であり、さらに好ましくは１０．００％であり、さらに好ましくは１０．２０％であり、さらに好ましくは１０．４０％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は１７．００％であり、さらに好ましくは１６．００％であり、さらに好ましくは１５．００％である。
【0034】
Ｍｏ：１．０～５．０％
モリブデン（Ｍｏ）は、高温環境での鋼材の使用中において、粒界でのＭ２３Ｃ６型のＣｒ炭化物が生成及び成長するのを抑制する。その結果、Ｍｏは鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を高める。Ｍｏはさらに、高温環境での鋼材の使用中において、カイ相（χ相：Ｆｅ１２Ｃｒ３６Ｍｏ１０）を形成して、析出強化により鋼材のクリープ強度を高める。Ｍｏはさらに、Ｂの拡散を促進して、Ｂの粒界での偏析度を高める。その結果、高温環境での鋼材のクリープ強度及びクリープ延性を高める。Ｍｏ含有量が１．０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｏ含有量が５．０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、オーステナイトの安定性が低下する。この場合、高温環境での鋼材のクリープ強度がかえって低下する。したがって、Ｍｏ含有量は１．０～５．０％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は１．１％であり、さらに好ましくは１．３％であり、さらに好ましくは１．５％であり、さらに好ましくは１．８％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は４．５％であり、さらに好ましくは４．０％であり、さらに好ましくは３．８％であり、さらに好ましくは３．５％である。
モリブデン（Ｍｏ）は、高温環境での鋼材の使用中において、粒界でのＭ２３Ｃ６型のＣｒ炭化物が生成及び成長するのを抑制する。その結果、Ｍｏは鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を高める。Ｍｏはさらに、高温環境での鋼材の使用中において、カイ相（χ相：Ｆｅ１２Ｃｒ３６Ｍｏ１０）を形成して、析出強化により鋼材のクリープ強度を高める。Ｍｏはさらに、Ｂの拡散を促進して、Ｂの粒界での偏析度を高める。その結果、高温環境での鋼材のクリープ強度及びクリープ延性を高める。Ｍｏ含有量が１．０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｏ含有量が５．０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、オーステナイトの安定性が低下する。この場合、高温環境での鋼材のクリープ強度がかえって低下する。したがって、Ｍｏ含有量は１．０～５．０％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は１．１％であり、さらに好ましくは１．３％であり、さらに好ましくは１．５％であり、さらに好ましくは１．８％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は４．５％であり、さらに好ましくは４．０％であり、さらに好ましくは３．８％であり、さらに好ましくは３．５％である。
【0035】
Ｎｂ：０．２０～２．００％
ニオブ（Ｎｂ）は、Ｃと結合してＭＸ型のＮｂ炭窒化物を生成する。Ｎｂ炭窒化物を生成してＣを固定することにより、鋼材中の固溶Ｃ量が低減する。これにより、高温環境での鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性が高まる。Ｎｂ炭窒化物はさらに、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。Ｎｂはさらに、Ｂの拡散を促進して、Ｂの粒界での偏析度を高める。その結果、高温環境での鋼材のクリープ強度及びクリープ延性を高める。Ｎｂ含有量が０．２０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎｂ含有量が２．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、δフェライトが生成する。この場合、高温環境での鋼材のクリープ強度が低下する。さらに、鋼材の靱性及び溶接性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０．２０～２．００％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．２５％であり、さらに好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．３５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は１．８０％であり、さらに好ましくは１．６０％であり、さらに好ましくは１．４０％であり、さらに好ましくは１．２０％である。
ニオブ（Ｎｂ）は、Ｃと結合してＭＸ型のＮｂ炭窒化物を生成する。Ｎｂ炭窒化物を生成してＣを固定することにより、鋼材中の固溶Ｃ量が低減する。これにより、高温環境での鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性が高まる。Ｎｂ炭窒化物はさらに、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。Ｎｂはさらに、Ｂの拡散を促進して、Ｂの粒界での偏析度を高める。その結果、高温環境での鋼材のクリープ強度及びクリープ延性を高める。Ｎｂ含有量が０．２０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎｂ含有量が２．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、δフェライトが生成する。この場合、高温環境での鋼材のクリープ強度が低下する。さらに、鋼材の靱性及び溶接性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０．２０～２．００％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．２５％であり、さらに好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．３５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は１．８０％であり、さらに好ましくは１．６０％であり、さらに好ましくは１．４０％であり、さらに好ましくは１．２０％である。
【0036】
Ｎ：０．０５０～０．１８０％
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。これにより、高温環境でのクリープ強度を高める。Ｎはさらに、高温環境において、粒内に炭窒化物を生成し、クリープ強度を高める。つまり、Ｎは固溶強化及び析出強化の両方により、高温環境でのクリープ強度を高める。Ｎ含有量が０．０５０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎ含有量が０．１８０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、結晶粒界にＣｒ窒化物（Ｃｒ２Ｎ）が生成する。この場合、溶接時において、溶接熱影響部（ＨＡＺ）での耐ポリチオン酸ＳＣＣ性が低下する。Ｎ含有量が０．１８０％を超えればさらに、鋼材の熱間加工性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．０５０～０．１８０％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０７０％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．１６０％であり、さらに好ましくは０．１５０％であり、さらに好ましくは０．１３０％である。
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。これにより、高温環境でのクリープ強度を高める。Ｎはさらに、高温環境において、粒内に炭窒化物を生成し、クリープ強度を高める。つまり、Ｎは固溶強化及び析出強化の両方により、高温環境でのクリープ強度を高める。Ｎ含有量が０．０５０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎ含有量が０．１８０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、結晶粒界にＣｒ窒化物（Ｃｒ２Ｎ）が生成する。この場合、溶接時において、溶接熱影響部（ＨＡＺ）での耐ポリチオン酸ＳＣＣ性が低下する。Ｎ含有量が０．１８０％を超えればさらに、鋼材の熱間加工性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．０５０～０．１８０％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０７０％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．１６０％であり、さらに好ましくは０．１５０％であり、さらに好ましくは０．１３０％である。
【0037】
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１～０．０８０％
アルミニウム（Ａｌ）は、製鋼工程において、鋼を脱酸する。ｓｏｌ．Ａｌ含有量が０．００１％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、ｓｏｌ．Ａｌ含有量が０．０８０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及び靱性が低下する。したがって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は０．００１～０．０８０％である。ｓｏｌ．Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．００７％である。ｓｏｌ．Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。本実施形態においてｓｏｌ．Ａｌ含有量は、酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）の含有量を意味する。
アルミニウム（Ａｌ）は、製鋼工程において、鋼を脱酸する。ｓｏｌ．Ａｌ含有量が０．００１％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、ｓｏｌ．Ａｌ含有量が０．０８０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及び靱性が低下する。したがって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は０．００１～０．０８０％である。ｓｏｌ．Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．００７％である。ｓｏｌ．Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。本実施形態においてｓｏｌ．Ａｌ含有量は、酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）の含有量を意味する。
【0038】
Ｂ：０．０００５～０．００８０％
ボロン（Ｂ）は、粒界に偏析し、粒界強度を高める。その結果、高温環境での鋼材のクリープ強度及びクリープ延性の両方を高める。Ｂ含有量が０．０００５％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｂ含有量が０．００８０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及び溶接性が低下する。したがって、Ｂ含有量は０．０００５～０．００８０％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０．０００８％であり、さらに好ましくは、０．００１０％であり、さらに好ましくは０．００１２％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００７０％であり、さらに好ましくは０．００６０％であり、さらに好ましくは０．００５０％である。
ボロン（Ｂ）は、粒界に偏析し、粒界強度を高める。その結果、高温環境での鋼材のクリープ強度及びクリープ延性の両方を高める。Ｂ含有量が０．０００５％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｂ含有量が０．００８０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及び溶接性が低下する。したがって、Ｂ含有量は０．０００５～０．００８０％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０．０００８％であり、さらに好ましくは、０．００１０％であり、さらに好ましくは０．００１２％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００７０％であり、さらに好ましくは０．００６０％であり、さらに好ましくは０．００５０％である。
【0039】
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼材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材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、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【0040】
［任意元素について］
［任意元素第１群］
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ、Ｖ、Ｃｏ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、及び、Ｗ、からなる群から選択される１元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。
［任意元素第１群］
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ、Ｖ、Ｃｏ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、及び、Ｗ、からなる群から選択される１元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。
【0041】
Ｃｕ：０～２．００％
銅（Ｃｕ）は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｕ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃｕは、高温環境において、粒内にＣｕ相として析出して、析出強化により鋼材のクリープ強度を高める。Ｃｕが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ含有量が２．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｃｕ相が過剰に析出する。この場合、高温環境において、鋼材のクリープ延性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０～２．００％である。Ｃｕ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％であり、さらに好ましくは０．０７％であり、さらに好ましくは０．０８％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は１．８０％であり、さらに好ましくは１．６０％であり、さらに好ましくは１．４０％であり、さらに好ましくは１．２０％である。
銅（Ｃｕ）は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｕ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃｕは、高温環境において、粒内にＣｕ相として析出して、析出強化により鋼材のクリープ強度を高める。Ｃｕが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ含有量が２．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｃｕ相が過剰に析出する。この場合、高温環境において、鋼材のクリープ延性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０～２．００％である。Ｃｕ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％であり、さらに好ましくは０．０７％であり、さらに好ましくは０．０８％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は１．８０％であり、さらに好ましくは１．６０％であり、さらに好ましくは１．４０％であり、さらに好ましくは１．２０％である。
【0042】
Ｖ：０～１．００％
バナジウム（Ｖ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｖ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｖは、高温環境において、Ｃと結合してＶ炭窒化物を生成する。生成したＶ炭窒化物は、高温環境において、鋼材のクリープ強度を高める。Ｖ炭窒化物はさらに、固溶Ｃを低減して、鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を高める。Ｖが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｖ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中にδフェライトが生成し、鋼材のクリープ強度、靭性、及び溶接性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０～１．００％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．１２％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．９０％であり、さらに好ましくは０．８０％である。
バナジウム（Ｖ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｖ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｖは、高温環境において、Ｃと結合してＶ炭窒化物を生成する。生成したＶ炭窒化物は、高温環境において、鋼材のクリープ強度を高める。Ｖ炭窒化物はさらに、固溶Ｃを低減して、鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を高める。Ｖが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｖ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中にδフェライトが生成し、鋼材のクリープ強度、靭性、及び溶接性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０～１．００％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．１２％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．９０％であり、さらに好ましくは０．８０％である。
【0043】
Ｃｏ：０～１．０％
コバルト（Ｃｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｏ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃｏはオーステナイトを安定化して、高温環境において、鋼材のクリープ強度を高める。Ｃｏが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｏ含有量が１．０％を超えれば、原料コストが高くなる。したがって、Ｃｏ含有量は０～１．０％である。Ｃｏ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．２％である。Ｃｏ含有量の好ましい上限は０．９％であり、さらに好ましくは０．８％である。
コバルト（Ｃｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｏ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃｏはオーステナイトを安定化して、高温環境において、鋼材のクリープ強度を高める。Ｃｏが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｏ含有量が１．０％を超えれば、原料コストが高くなる。したがって、Ｃｏ含有量は０～１．０％である。Ｃｏ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．２％である。Ｃｏ含有量の好ましい上限は０．９％であり、さらに好ましくは０．８％である。
【0044】
Ｙ：０～１．００％
イットリウム（Ｙ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｙ含有量は０％であってもよい。含有される場合、ＹはＢの粒界偏析を促進し、高温環境での鋼材のクリープ強度及びクリープ延性を高める。Ｙが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｙ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、酸化物等の介在物が多くなり、鋼材の加工性及び溶接性が低下する。したがって、Ｙ含有量は０～１．００％である。Ｙ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｙ含有量の好ましい上限は０．９０％であり、さらに好ましくは０．８５％であり、さらに好ましくは０．８０％である。
イットリウム（Ｙ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｙ含有量は０％であってもよい。含有される場合、ＹはＢの粒界偏析を促進し、高温環境での鋼材のクリープ強度及びクリープ延性を高める。Ｙが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｙ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、酸化物等の介在物が多くなり、鋼材の加工性及び溶接性が低下する。したがって、Ｙ含有量は０～１．００％である。Ｙ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｙ含有量の好ましい上限は０．９０％であり、さらに好ましくは０．８５％であり、さらに好ましくは０．８０％である。
【0045】
Ｚｒ：０～１．０％
ジルコニウム（Ｚｒ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｚｒ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｚｒは炭素及び窒素と結合してＺｒ炭窒化物を生成する。生成したＺｒ炭窒化物は、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。Ｚｒはさらに、Ｂの粒界偏析を促進して、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。Ｚｒが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｚｒ含有量が１．０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、高温環境での鋼材のクリープ延性が低下する。したがって、Ｚｒ含有量は０～１．０％である。Ｚｒ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｚｒ含有量の好ましい上限は０．９％であり、さらに好ましくは０．８％である。
ジルコニウム（Ｚｒ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｚｒ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｚｒは炭素及び窒素と結合してＺｒ炭窒化物を生成する。生成したＺｒ炭窒化物は、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。Ｚｒはさらに、Ｂの粒界偏析を促進して、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。Ｚｒが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｚｒ含有量が１．０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、高温環境での鋼材のクリープ延性が低下する。したがって、Ｚｒ含有量は０～１．０％である。Ｚｒ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｚｒ含有量の好ましい上限は０．９％であり、さらに好ましくは０．８％である。
【0046】
Ｈｆ：０～０．２０％
ハフニウム（Ｈｆ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｈｆ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｈｆは炭素及び窒素と結合してＨｆ炭窒化物を生成する。生成したＨｆ炭窒化物は、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。Ｈｆ炭窒化物はさらに、固溶Ｃを低減して、鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を高める。Ｈｆが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｈｆ含有量が０．２０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、δフェライトが生成し、高温環境での鋼材のクリープ強度、靭性、及び、溶接性が低下する。したがって、Ｈｆ含有量は０～０．２０％である。Ｈｆ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｈｆ含有量の好ましい上限は０．１８％であり、さらに好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
ハフニウム（Ｈｆ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｈｆ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｈｆは炭素及び窒素と結合してＨｆ炭窒化物を生成する。生成したＨｆ炭窒化物は、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。Ｈｆ炭窒化物はさらに、固溶Ｃを低減して、鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を高める。Ｈｆが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｈｆ含有量が０．２０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、δフェライトが生成し、高温環境での鋼材のクリープ強度、靭性、及び、溶接性が低下する。したがって、Ｈｆ含有量は０～０．２０％である。Ｈｆ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｈｆ含有量の好ましい上限は０．１８％であり、さらに好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
【0047】
Ｔａ：０～０．２０％
タンタル（Ｔａ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｔａ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｔａは炭素及び窒素と結合してＴａ炭窒化物を生成する。生成したＴａ炭窒化物は、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。Ｔａ炭窒化物はさらに、固溶Ｃを低減して、鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を高める。Ｔａが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｔａ含有量が０．２０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、δフェライトが生成し、高温環境での鋼材のクリープ強度、靭性、及び、溶接性が低下する。したがって、Ｔａ含有量は０～０．２０％である。Ｔａ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０５％である。Ｔａ含有量の好ましい上限は０．１８％であり、さらに好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
タンタル（Ｔａ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｔａ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｔａは炭素及び窒素と結合してＴａ炭窒化物を生成する。生成したＴａ炭窒化物は、高温環境での鋼材のクリープ強度を高める。Ｔａ炭窒化物はさらに、固溶Ｃを低減して、鋼材の耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を高める。Ｔａが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｔａ含有量が０．２０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、δフェライトが生成し、高温環境での鋼材のクリープ強度、靭性、及び、溶接性が低下する。したがって、Ｔａ含有量は０～０．２０％である。Ｔａ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０５％である。Ｔａ含有量の好ましい上限は０．１８％であり、さらに好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
【0048】
Ｗ：０～５．０％
タングステン（Ｗ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｗ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｗは鋼材に固溶して、高温環境において鋼材のクリープ強度を高める。Ｗが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｗ含有量が５．０％を超えれば、原料コストが高くなる。したがって、Ｗ含有量は０～５．０％である。Ｗ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．２％であり、さらに好ましくは０．３％である。Ｗ含有量の好ましい上限は４．５％であり、さらに好ましくは４．０％であり、さらに好ましくは３．５％である。
タングステン（Ｗ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｗ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｗは鋼材に固溶して、高温環境において鋼材のクリープ強度を高める。Ｗが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｗ含有量が５．０％を超えれば、原料コストが高くなる。したがって、Ｗ含有量は０～５．０％である。Ｗ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．２％であり、さらに好ましくは０．３％である。Ｗ含有量の好ましい上限は４．５％であり、さらに好ましくは４．０％であり、さらに好ましくは３．５％である。
【0049】
［任意元素第２群］
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ、Ｍｇ、及び、Ｙ以外の希土類元素（ＲＥＭ）からなる群から選択される１元素以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であり、いずれも、高温環境での鋼材のクリープ延性を高める。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ、Ｍｇ、及び、Ｙ以外の希土類元素（ＲＥＭ）からなる群から選択される１元素以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であり、いずれも、高温環境での鋼材のクリープ延性を高める。
【0050】
Ｃａ：０～０．０１００％、
カルシウム（Ｃａ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃａ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃａは、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）を介在物として固定し、鋼材の熱間加工性及び高温環境でのクリープ延性を高める。Ｃａが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃａ含有量が０．０１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及びクリープ延性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０～０．０１００％である。Ｃａ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００９０％であり、さらに好ましくは０．００８０％であり、さらに好ましくは０．００６０％である。
カルシウム（Ｃａ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃａ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃａは、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）を介在物として固定し、鋼材の熱間加工性及び高温環境でのクリープ延性を高める。Ｃａが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃａ含有量が０．０１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及びクリープ延性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０～０．０１００％である。Ｃａ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００９０％であり、さらに好ましくは０．００８０％であり、さらに好ましくは０．００６０％である。
【0051】
Ｍｇ：０～０．０１００％
マグネシウム（Ｍｇ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｇ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｍｇは、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）を介在物として固定し、鋼材の熱間加工性及び高温環境でのクリープ延性を高める。Ｍｇが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｇ含有量が０．０１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及びクリープ延性が低下する。したがって、Ｍｇ含有量は０～０．０１００％である。Ｍｇ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｍｇ含有量の好ましい上限は０．００９０％であり、さらに好ましくは０．００８０％であり、さらに好ましくは０．００６０％である。
マグネシウム（Ｍｇ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｇ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｍｇは、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）を介在物として固定し、鋼材の熱間加工性及び高温環境でのクリープ延性を高める。Ｍｇが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｇ含有量が０．０１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及びクリープ延性が低下する。したがって、Ｍｇ含有量は０～０．０１００％である。Ｍｇ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｍｇ含有量の好ましい上限は０．００９０％であり、さらに好ましくは０．００８０％であり、さらに好ましくは０．００６０％である。
【0052】
Ｙ以外の希土類元素（ＲＥＭ）：０～０．１００％
Ｙ以外の希土類元素（ＲＥＭ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｙ以外のＲＥＭ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｙ以外のＲＥＭは、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）を介在物として固定し、鋼の熱間加工性及び高温環境でのクリープ延性を高める。ＲＥＭが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｙ以外のＲＥＭ含有量が０．１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及びクリープ延性が低下する。したがって、Ｙ以外ＲＥＭ含有量は０～０．１００％である。Ｙ以外のＲＥＭ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｙ以外のＲＥＭ含有量の好ましい上限は０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０６０％である。
Ｙ以外の希土類元素（ＲＥＭ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｙ以外のＲＥＭ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｙ以外のＲＥＭは、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）を介在物として固定し、鋼の熱間加工性及び高温環境でのクリープ延性を高める。ＲＥＭが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｙ以外のＲＥＭ含有量が０．１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及びクリープ延性が低下する。したがって、Ｙ以外ＲＥＭ含有量は０～０．１００％である。Ｙ以外のＲＥＭ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｙ以外のＲＥＭ含有量の好ましい上限は０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０６０％である。
【0053】
なお、本明細書におけるＲＥＭとは、原子番号２１番のスカンジウム（Ｓｃ）、原子番号３９番のイットリウム（Ｙ）、及び、ランタノイドである原子番号５７番のランタン（Ｌａ）～原子番号７１番のルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選択される１種以上の元素である。また、本明細書におけるＹ以外のＲＥＭ含有量とは、Ｙを除いた上述の元素の合計含有量を意味する。
【0054】
［オーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成分析方法］
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成は、周知の成分分析法により求めることができる。具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼管である場合、ドリルを用いて、肉厚中央位置で穿孔加工して切粉を生成し、その切粉を採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が板厚ＴＨｍｍの鋼板である場合、ドリルを用いて、表面から板厚方向にＴＨ／４深さ位置で穿孔加工して切粉を生成し、その切粉を採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が棒鋼である場合、ドリルを用いて、Ｒ／２位置で穿孔加工して切粉を生成し、その切粉を採取する。ここで、Ｒ／２位置とは、棒鋼の長手方向に垂直な断面における、半径Ｒの中央位置を意味する。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成は、周知の成分分析法により求めることができる。具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼管である場合、ドリルを用いて、肉厚中央位置で穿孔加工して切粉を生成し、その切粉を採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が板厚ＴＨｍｍの鋼板である場合、ドリルを用いて、表面から板厚方向にＴＨ／４深さ位置で穿孔加工して切粉を生成し、その切粉を採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が棒鋼である場合、ドリルを用いて、Ｒ／２位置で穿孔加工して切粉を生成し、その切粉を採取する。ここで、Ｒ／２位置とは、棒鋼の長手方向に垂直な断面における、半径Ｒの中央位置を意味する。
【0055】
採取された切粉を酸に溶解させて溶液を得る。溶液に対して、ＩＣＰ－ＯＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を実施して、化学組成の元素分析を実施する。Ｃ含有量及びＳ含有量については、周知の高周波燃焼法により求める。具体的には、上記溶液を酸素気流中で高周波加熱により燃焼して、発生した二酸化炭素、二酸化硫黄を検出して、Ｃ含有量及びＳ含有量を求める。Ｎ含有量については、周知の不活性ガス溶融－熱伝導度法を用いて求める。以上の分析法により、オーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成を求めることができる。
【0056】
［結晶粒度番号について］
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材ではさらに、結晶粒度番号が４．０～９．０である。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材ではさらに、結晶粒度番号が４．０～９．０である。
【0057】
結晶粒度番号が小さいほど、つまり、オーステナイト結晶粒が大きいほど、鋼材中の粒界の総面積が小さくなる。この場合、粒界の総面積が大きい場合と比較して、粒界での変形が抑制される。そのため、クリープ強度は高くなる。しかしながら、オーステナイト結晶粒が大きくなれば、粒内のＢが粒界まで移動するまでの距離が長くなる。この場合、Ｂが拡散しても粒界まで到達しにくくなり、その結果、粒界のＢ偏析度を高めることができない。結晶粒度番号が４．０未満であれば、粒界でのＢ偏析度が低くなり、具体的には、後述の粒界Ｂ偏析度（［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］）が５００未満となる。一方、結晶粒度番号が大きいほど、つまり、オーステナイト結晶粒が小さいほど、鋼材中の粒界の総面積が大きくなる。この場合、粒界での変形が助長されるため、クリープ強度が低下する。結晶粒度番号が９．０を超えれば、高温環境でのクリープ強度が低くなる。したがって、結晶粒度番号は４．０～９．０である。結晶粒度番号の好ましい下限は４．１であり、さらに好ましくは４．２であり、さらに好ましくは４．４であり、さらに好ましくは、４．６である。結晶粒度番号の好ましい上限は８．８であり、さらに好ましくは８．６であり、さらに好ましくは８．４である。
【0058】
［結晶粒度番号の測定方法］
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の結晶粒度番号は、次の方法で求めることができる。オーステナイト系ステンレス鋼材の厚さ中央位置から１個のサンプルを採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼管である場合、肉厚中央位置からサンプルを採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼板である場合、板幅中央位置であって、かつ、板厚中央位置から、サンプルを採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が棒鋼である場合、長手方向に垂直な断面の中心位置からサンプルを採取する。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の結晶粒度番号は、次の方法で求めることができる。オーステナイト系ステンレス鋼材の厚さ中央位置から１個のサンプルを採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼管である場合、肉厚中央位置からサンプルを採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼板である場合、板幅中央位置であって、かつ、板厚中央位置から、サンプルを採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が棒鋼である場合、長手方向に垂直な断面の中心位置からサンプルを採取する。
【0059】
採取したサンプルの表面のうち、オーステナイト系ステンレス鋼材の長手方向に垂直な断面を、観察面とする。観察面を鏡面研磨する。鏡面研磨後の観察面を、１０％シュウ酸を用いて腐食して、オーステナイトの結晶粒界を現出させる。腐食した観察面の任意の３視野を観察して、ＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０１３）に準拠した切断法に基づいて、結晶粒度番号を求める。各視野の面積は０．７５ｍｍ２とする。視野の結晶粒度番号の算術平均値を、結晶粒度番号と定義する。
【0060】
［粒界Ｂ偏析度について］
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材ではさらに、オーステナイト結晶粒界でのＢ濃度（質量％）を［ＢＧＢ］と定義し、オーステナイト結晶粒内のＢ濃度（質量％）を［ＢＢＭ］と定義したとき、式（１）を満たす。
［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］≧５００ （１）
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材ではさらに、オーステナイト結晶粒界でのＢ濃度（質量％）を［ＢＧＢ］と定義し、オーステナイト結晶粒内のＢ濃度（質量％）を［ＢＢＭ］と定義したとき、式（１）を満たす。
［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］≧５００ （１）
【0061】
粒界Ｂ偏析度を［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］と定義する。粒界Ｂ偏析度は、粒界でのＢの偏析度を示す。粒内Ｂ濃度に対する粒界Ｂ濃度の比が高くなるほど、つまり、粒径でのＢ偏析量が大きくなるほど、Ｂにより粒界強度が顕著に高まる。その結果、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材では、上述の化学組成を有し、かつ、結晶粒度番号が４．０～９．０であることを前提として、高温環境における鋼材のクリープ強度及びクリープ延性の両方が高まる。具体的には、上述の化学組成を有し、かつ、結晶粒度番号が４．０～９．０であり、さらに、粒界Ｂ偏析度（＝［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］）が５００以上であれば、高温環境でのクリープ強度が十分に高まり、かつ、クリープ延性が十分に高まる。
【0062】
粒界Ｂ偏析度の好ましい下限は５５０であり、さらに好ましくは５８０であり、さらに好ましくは６００であり、さらに好ましくは６２０であり、さらに好ましくは６５０である。粒界Ｂ偏析度の上限は特に限定されない。しかしながら、粒界Ｂ偏析度を過剰に高くすれば、鋼材の製造工程時の製造条件（操業条件）の調整が過度に煩雑になる。したがって、工業生産性を考慮した場合、粒界Ｂ偏析度の好ましい上限は６０００であり、さらに好ましくは５０００であり、さらに好ましくは４５００であり、さらに好ましくは３５００であり、さらに好ましくは３０００であり、さらに好ましくは２５００であり、さらに好ましくは２０００である。
【0063】
［粒界Ｂ偏析度の測定方法］
粒界Ｂ偏析度は、電子エネルギー損失分光（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｏｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＥＬＳ）を用いて求めることができる。具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼材の厚さ中央位置から１個のサンプルを採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼管である場合、肉厚中央位置からサンプルを採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼板である場合、板幅中央位置であって、かつ、板厚中央位置から、サンプルを採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が棒鋼である場合、長手方向に垂直な断面の中心位置からサンプルを採取する。
粒界Ｂ偏析度は、電子エネルギー損失分光（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｏｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＥＬＳ）を用いて求めることができる。具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼材の厚さ中央位置から１個のサンプルを採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼管である場合、肉厚中央位置からサンプルを採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼板である場合、板幅中央位置であって、かつ、板厚中央位置から、サンプルを採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が棒鋼である場合、長手方向に垂直な断面の中心位置からサンプルを採取する。
【0064】
採取したサンプル表面のうち、オーステナイト系ステンレス鋼材の長手方向に垂直な断面を、観察面とする。サンプルの観察面を鏡面研磨する。鏡面研磨した観察面に対して、ＳＥＭ－ＥＢＳＤ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ － Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いて粒界を特定する。粒界を特定後、粒界を含む１０μｍ×１０μｍ×３０ｎｍの薄膜試料を、収束イオンビーム（ＦＩＢ）又はアルゴンイオンミリングにより作製する。薄膜試料は、異なる５つの粒界から１つずつ作製する（つまり、合計５個の薄膜試料を作製する）。
【0065】
透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）に付属の電子エネルギー損失分光（ＥＥＬＳ）検出器を用いて、薄膜試料に対して、ＥＥＬＳを実施する。具体的には、図１に示す通り、結晶粒１０同士の界面である任意の結晶粒界ＧＢと垂直な方向に１０ｎｍの線分析を実施する。このとき加速電圧は３００ｋＶとする。線分析を実施する範囲Ｌの中央位置に結晶粒界ＧＢが位置するように、線分析の範囲Ｌを決定する。範囲Ｌの長さは１０ｎｍとする。ＥＥＬＳを実施して、範囲Ｌの各位置でのＢ濃度（質量％）を求める。範囲ＬでのＢ濃度分析結果では、図１に示す通り、結晶粒界ＧＢ位置でＢの濃度がピークを示す。そこで、線分析結果において、結晶粒界ＧＢ位置でのピークの頂上位置Ｐ１でのＢ濃度を、粒界Ｂ濃度（質量％）と定義する。一方、線分析結果のうち、粒内部分の任意の４点（Ｐ２～Ｐ４）でのＢ濃度の算術平均値を、粒内Ｂ濃度（質量％）と定義する。５視野における粒界Ｂ濃度の算術平均値を、粒界Ｂ濃度［ＢＧＢ］（質量％）と定義する。そして、５視野における粒内Ｂ濃度の算術平均値を、粒内Ｂ濃度［ＢＢＭ］（質量％）と定義する。得られた粒界Ｂ濃度［ＢＧＢ］及び粒内Ｂ濃度［ＢＢＭ］を用いて、［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］を求める。
【0066】
［好ましい条件：式（２）について］
好ましくは、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成はさらに、式（２）を満たす。
０．２×Ｍｏ＋５×Ｎｂ＋５００×Ｂ＞２．００ （２）
好ましくは、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成はさらに、式（２）を満たす。
０．２×Ｍｏ＋５×Ｎｂ＋５００×Ｂ＞２．００ （２）
【0067】
Ｆ２＝０．２×Ｍｏ＋５×Ｎｂ＋５００×Ｂと定義する。Ｆ２は、粒界でのＢ偏析度合いを示す指標である。Ｎｂ及びＭｏは、Ｂの拡散を促進する。そのため、Ｎｂ及びＭｏは、Ｂの粒界偏析を促進する。その結果、粒界Ｂ偏析度を高め、高温環境での鋼材のクリープ強度及びクリープ延性をさらに高める。
【0068】
Ｆ２が２．００よりも高ければ、粒界へのＢ偏析がさらに促進される。その結果、粒界Ｂ偏析度がさらに高まる。その結果、高温環境での鋼材のクリープ強度及びクリープ延性がさらに高まる。Ｆ２の好ましい下限は２．４０であり、さらに好ましくは２．６０であり、さらに好ましくは２．８０であり、さらに好ましくは３．００であり、さらに好ましくは３．１０である。Ｆ２の上限は特に限定されないが、上述の化学組成の場合のＦ２の上限は１５．００である。
【0069】
［本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の形状］
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の形状は特に限定されない。本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、鋼管であってもよいし、鋼板であってもよいし、棒鋼であってもよい。また、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、鍛造品であってもよい。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の形状は特に限定されない。本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、鋼管であってもよいし、鋼板であってもよいし、棒鋼であってもよい。また、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、鍛造品であってもよい。
【0070】
［本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の用途について］
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、高温環境で長期間使用される装置用途に適する。本明細書でいう高温環境は、平均の操業温度が３００～７００℃の温度域の環境を意味する。操業温度は７００℃を超える場合があってもよい。このような高温環境の装置はたとえば、石油精製や石油化学に代表される化学プラント設備の装置である。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、高温環境で長期間使用される装置用途に適する。本明細書でいう高温環境は、平均の操業温度が３００～７００℃の温度域の環境を意味する。操業温度は７００℃を超える場合があってもよい。このような高温環境の装置はたとえば、石油精製や石油化学に代表される化学プラント設備の装置である。
【0071】
なお、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、化学プラント設備以外の他の設備にも当然に使用可能である。化学プラント設備以外の他の設備はたとえば、化学プラント設備と同様に平均の操業温度が３００～７００℃の高温環境での使用が想定される、火力発電ボイラ設備（たとえばボイラチューブ等）等である。
【0072】
以上の通り、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成を有し、結晶粒度番号が４．０～９．０であり、粒界Ｂ偏析度（［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］）が５００以上である。そのため、高温環境で長時間使用される鋼材のクリープ強度及びクリープ延性の両方を十分に高めることができる。
【0073】
［本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法］
以下、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法を説明する。以降に説明するオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法は、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法の一例である。したがって、上述の構成を有するオーステナイト系ステンレス鋼材は、以降に説明する製造方法以外の他の製造方法により製造されてもよい。しかしながら、以降に説明する製造方法は、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法の好ましい一例である。
以下、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法を説明する。以降に説明するオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法は、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法の一例である。したがって、上述の構成を有するオーステナイト系ステンレス鋼材は、以降に説明する製造方法以外の他の製造方法により製造されてもよい。しかしながら、以降に説明する製造方法は、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法の好ましい一例である。
【0074】
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法は、素材を準備する工程（準備工程）と、素材に対して熱間加工を実施して中間鋼材を製造する工程（熱間加工工程）と、必要に応じて、熱間加工工程後の中間鋼材に対して冷間加工を実施する工程（冷間加工工程）と、熱間加工工程後又は冷間加工工程後の中間鋼材に対して、溶体化処理を実施する工程（溶体化処理工程）とを含む。以下、各工程について説明する。
【0075】
［準備工程］
準備工程では、上述の化学組成を有する素材を準備する。素材は第三者から供給されてもよいし、製造してもよい。素材はインゴットであってもよいし、スラブ、ブルーム、ビレットであってもよい。素材を製造する場合、次の方法により、素材を製造する。上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。製造された溶鋼を用いて、造塊法によりインゴットを製造する。製造された溶鋼を用いて、連続鋳造法によりスラブ、ブルーム、ビレット（円柱素材）を製造してもよい。製造されたインゴット、スラブ、ブルームに対して熱間加工を実施して、ビレットを製造してもよい。たとえば、インゴットに対して熱間鍛造を実施して、円柱状のビレットを製造し、このビレットを素材（円柱素材）としてもよい。この場合、熱間鍛造開始直前の素材の温度は特に限定されないが、たとえば、１０００～１３００℃である。熱間鍛造後の素材の冷却方法は特に限定されない。
準備工程では、上述の化学組成を有する素材を準備する。素材は第三者から供給されてもよいし、製造してもよい。素材はインゴットであってもよいし、スラブ、ブルーム、ビレットであってもよい。素材を製造する場合、次の方法により、素材を製造する。上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。製造された溶鋼を用いて、造塊法によりインゴットを製造する。製造された溶鋼を用いて、連続鋳造法によりスラブ、ブルーム、ビレット（円柱素材）を製造してもよい。製造されたインゴット、スラブ、ブルームに対して熱間加工を実施して、ビレットを製造してもよい。たとえば、インゴットに対して熱間鍛造を実施して、円柱状のビレットを製造し、このビレットを素材（円柱素材）としてもよい。この場合、熱間鍛造開始直前の素材の温度は特に限定されないが、たとえば、１０００～１３００℃である。熱間鍛造後の素材の冷却方法は特に限定されない。
【0076】
［熱間加工工程］
熱間加工工程では、準備工程において準備された素材に対して熱間加工を実施して、中間鋼材を製造する。中間鋼材はたとえば鋼管であってもよいし、鋼板であってもよいし、棒鋼であってもよい。
熱間加工工程では、準備工程において準備された素材に対して熱間加工を実施して、中間鋼材を製造する。中間鋼材はたとえば鋼管であってもよいし、鋼板であってもよいし、棒鋼であってもよい。
【0077】
中間鋼材が鋼管である場合、熱間加工工程では、次の加工を実施する。初めに、円柱素材を準備する。機械加工により、円柱素材の中心軸に沿った貫通孔を形成する。貫通孔が形成された円柱素材に対して、ユジーンセジュルネ法に代表される熱間押出を実施して、中間鋼材（鋼管）を製造する。熱間押出直前の素材の温度は特に限定されない。熱間押出直前の素材の温度はたとえば、１０００～１３００℃である。熱間押出法に代えて、熱間押抜き製管法を実施してもよい。
【0078】
熱間押出に代えて、マンネスマン法による穿孔圧延を実施して、鋼管を製造してもよい。この場合、穿孔機により丸ビレットを穿孔圧延する。穿孔圧延する場合、穿孔比は特に限定されないが、たとえば、１．０～４．０である。穿孔圧延された丸ビレットをさらに、マンドレルミル、レデューサ、サイジングミル等により熱間圧延して素管にする。熱間加工工程での累積の減面率は特に限定されないが、たとえば、２０～８０％である。熱間加工により鋼管を製造した場合、熱間加工が完了した直後の鋼管温度（仕上げ温度）は、９００℃以上であるのが好ましい。
【0079】
中間鋼材が鋼板である場合、熱間加工工程はたとえば、一対のワークロールを備える１又は複数の圧延機を用いる。スラブ等の素材に対して圧延機を用いて熱間圧延を実施して、鋼板を製造する。熱間圧延前に素材を加熱する。加熱後の素材に対して熱間圧延を実施する。熱間圧延直前の素材の温度はたとえば、１０００～１３００℃である。
【0080】
中間鋼材が棒鋼である場合、熱間加工工程はたとえば、粗圧延工程と、仕上げ圧延工程とを含む。粗圧延工程では、素材を熱間加工してビレットを製造する。粗圧延工程はたとえば、分塊圧延機を用いる。分塊圧延機の下流に連続圧延機が設置されている場合、分塊圧延後のビレットに対してさらに、連続圧延機を用いて熱間圧延を実施して、さらにサイズの小さいビレットを製造してもよい。連続圧延機では、たとえば、一対の水平ロールを有する水平スタンドと、一対の垂直ロールを有する垂直スタンドとが交互に一列に配列される。粗圧延工程では、ブルーム等の素材をビレットに製造する。粗圧延工程直前の素材温度は特に限定されないが、たとえば、１０００～１３００℃である。仕上げ圧延工程では、初めにビレットを加熱する。加熱後のビレットに対して、連続圧延機を用いて熱間圧延を実施して、棒鋼を製造する。仕上げ圧延工程での加熱炉での加熱温度は特に限定されないが、たとえば、１０００～１３００℃である。
【0081】
［冷間加工工程］
冷間加工工程は必要に応じて実施する。つまり、冷間加工工程は実施しなくてもよい。実施する場合、中間鋼材に対して、酸洗処理を実施した後、冷間加工を実施する。中間鋼材が鋼管又は棒鋼である場合、冷間加工はたとえば、冷間抽伸である。中間鋼材が鋼板である場合、冷間加工はたとえば、冷間圧延である。冷間加工工程を実施することにより、溶体化処理工程前に、中間鋼材に歪を付与する。これにより、溶体化処理工程時において再結晶の発現及び整粒化を行うことができる。冷間加工工程における減面率は特に限定されないが、たとえば、１０～９０％である。
冷間加工工程は必要に応じて実施する。つまり、冷間加工工程は実施しなくてもよい。実施する場合、中間鋼材に対して、酸洗処理を実施した後、冷間加工を実施する。中間鋼材が鋼管又は棒鋼である場合、冷間加工はたとえば、冷間抽伸である。中間鋼材が鋼板である場合、冷間加工はたとえば、冷間圧延である。冷間加工工程を実施することにより、溶体化処理工程前に、中間鋼材に歪を付与する。これにより、溶体化処理工程時において再結晶の発現及び整粒化を行うことができる。冷間加工工程における減面率は特に限定されないが、たとえば、１０～９０％である。
【0082】
［溶体化処理工程］
溶体化処理工程では、熱間加工工程後又は冷間加工工程後の中間鋼材に対して、溶体化処理を実施する。溶体化処理工程では、結晶粒が粗大化するのを抑制しつつ、粒界Ｂ偏析度を高める。溶体化処理では、中間鋼材を溶体化処理温度まで昇温する工程（昇温工程）と、昇温工程後、溶体化処理温度で保持する工程（保持工程）と、保持工程後、溶体化処理温度から常温まで冷却する工程（冷却工程）とを含む。昇温工程での昇温速度ＲＲ、保持工程での溶体化処理温度Ｔと溶体化処理温度Ｔでの保持時間ｔ、冷却工程での平均冷却速度ＣＲ９００－５００は、それぞれ次の条件とする。
１０００℃までの昇温速度ＲＲ：０．５℃／秒以上
溶体化処理温度Ｔ：１０００～１２５０℃
溶体化処理温度Ｔでの保持時間ｔ：２～６０分
９００℃～５００℃までの平均冷却速度ＣＲ９００－５００：１０～５００℃／秒
溶体化処理工程では、熱間加工工程後又は冷間加工工程後の中間鋼材に対して、溶体化処理を実施する。溶体化処理工程では、結晶粒が粗大化するのを抑制しつつ、粒界Ｂ偏析度を高める。溶体化処理では、中間鋼材を溶体化処理温度まで昇温する工程（昇温工程）と、昇温工程後、溶体化処理温度で保持する工程（保持工程）と、保持工程後、溶体化処理温度から常温まで冷却する工程（冷却工程）とを含む。昇温工程での昇温速度ＲＲ、保持工程での溶体化処理温度Ｔと溶体化処理温度Ｔでの保持時間ｔ、冷却工程での平均冷却速度ＣＲ９００－５００は、それぞれ次の条件とする。
１０００℃までの昇温速度ＲＲ：０．５℃／秒以上
溶体化処理温度Ｔ：１０００～１２５０℃
溶体化処理温度Ｔでの保持時間ｔ：２～６０分
９００℃～５００℃までの平均冷却速度ＣＲ９００－５００：１０～５００℃／秒
【0083】
［昇温速度ＲＲについて］
昇温速度ＲＲが０．５℃／秒未満であれば、結晶粒が粗大化する。その結果、結晶粒度番号が４．０未満となる。昇温速度ＲＲが０．５℃／秒以上であれば、結晶粒の粗大化を抑制できる。昇温速度ＲＲの好ましい下限は０．７℃／秒であり、さらに好ましくは０．９℃／秒である。昇温速度ＲＲの好ましい上限は１０℃／秒である。
昇温速度ＲＲが０．５℃／秒未満であれば、結晶粒が粗大化する。その結果、結晶粒度番号が４．０未満となる。昇温速度ＲＲが０．５℃／秒以上であれば、結晶粒の粗大化を抑制できる。昇温速度ＲＲの好ましい下限は０．７℃／秒であり、さらに好ましくは０．９℃／秒である。昇温速度ＲＲの好ましい上限は１０℃／秒である。
【0084】
［溶体化処理温度Ｔについて］
溶体化処理温度Ｔが１０００℃未満であれば、Ｎｂ炭窒化物等の析出物が十分に固溶しない。この場合、結晶粒が過剰に微細化される。そのため、高温環境でのクリープ強度が低下する。一方、溶体化処理温度Ｔが１２５０℃を超えれば、結晶粒が粗大化して、結晶粒度番号が４．０未満となる。そのため、高温環境でのクリープ延性が低下する。溶体化処理温度Ｔが１０００～１２５０℃であれば、析出物を十分に固溶でき、結晶粒度番号を４．０～９．０とすることができる。
溶体化処理温度Ｔが１０００℃未満であれば、Ｎｂ炭窒化物等の析出物が十分に固溶しない。この場合、結晶粒が過剰に微細化される。そのため、高温環境でのクリープ強度が低下する。一方、溶体化処理温度Ｔが１２５０℃を超えれば、結晶粒が粗大化して、結晶粒度番号が４．０未満となる。そのため、高温環境でのクリープ延性が低下する。溶体化処理温度Ｔが１０００～１２５０℃であれば、析出物を十分に固溶でき、結晶粒度番号を４．０～９．０とすることができる。
【0085】
［溶体化処理温度Ｔでの保持時間ｔについて］
溶体化処理温度Ｔでの保持時間ｔが６０分を超えれば、結晶粒が粗大化して、結晶粒度番号が４．０未満となる。溶体化処理温度Ｔでの保持時間ｔが２～６０分であれば、析出物を十分に固溶でき、結晶粒度番号を４．０以上に維持できる。なお、溶体化処理温度Ｔでの保持時間ｔは通常、２分以上実施する。
溶体化処理温度Ｔでの保持時間ｔが６０分を超えれば、結晶粒が粗大化して、結晶粒度番号が４．０未満となる。溶体化処理温度Ｔでの保持時間ｔが２～６０分であれば、析出物を十分に固溶でき、結晶粒度番号を４．０以上に維持できる。なお、溶体化処理温度Ｔでの保持時間ｔは通常、２分以上実施する。
【0086】
［平均冷却速度ＣＲ９００－５００について］
９００℃～５００℃までの温度域では、結晶粒度番号が４．０～９．０であることを前提として、Ｂが粒界に偏析しやすい温度域である。そこで、この温度域での平均冷却速度ＣＲ９００－５００を１０～５００℃／秒とする。平均冷却速度ＣＲ９００－５００が１０℃／秒未満であれば、Ｂが拡散しすぎるため、Ｂが粒界にとどまりにくくなる。そのため、粒界Ｂ偏析度［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］が５００未満となる。一方、平均冷却速度ＣＲ９００－５００が５００℃／秒を超えると、Ｂの拡散距離が短すぎて、Ｂが粒界まで拡散できない。この場合も、粒界Ｂ偏析度［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］が５００未満となる。
９００℃～５００℃までの温度域では、結晶粒度番号が４．０～９．０であることを前提として、Ｂが粒界に偏析しやすい温度域である。そこで、この温度域での平均冷却速度ＣＲ９００－５００を１０～５００℃／秒とする。平均冷却速度ＣＲ９００－５００が１０℃／秒未満であれば、Ｂが拡散しすぎるため、Ｂが粒界にとどまりにくくなる。そのため、粒界Ｂ偏析度［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］が５００未満となる。一方、平均冷却速度ＣＲ９００－５００が５００℃／秒を超えると、Ｂの拡散距離が短すぎて、Ｂが粒界まで拡散できない。この場合も、粒界Ｂ偏析度［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］が５００未満となる。
【0087】
平均冷却速度ＣＲ９００－５００を１０～５００℃／秒であれば、Ｂの拡散が適切であり、Ｂが粒界に偏析しやすくなる。その結果、粒界Ｂ偏析度［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］が５００以上となる。なお、溶体化処理温度Ｔから９００℃までの平均冷却速度は、平均冷却速度ＣＲ９００－５００よりも遅い。また、５００℃から常温までの平均冷却速度は、平均冷却速度ＣＲ９００－５００よりも遅い。
【0088】
以上の工程により、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材を製造できる。上述の製造方法は、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法の一例である。したがって、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法は、上述の製造方法に限定されない。上述の化学組成を有し、結晶粒度番号が４．０～９．０であり、粒界Ｂ偏析度（［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］）が５００以上であれば、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、上述の製造方法に限定されない。
【0089】
以上の通り、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成を有し、結晶粒度番号が４．０～９．０であり、粒界Ｂ偏析度（［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］）が５００以上である。そのため、高温環境において長時間使用しても、十分なクリープ強度及び十分なクリープ延性を有する。
【実施例】
【0090】
以下、実施例により本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の効果をさらに具体的に説明する。以下の実施例での条件は、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例である。したがって、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材はこの一条件例に限定されない。
【0091】
［オーステナイト系ステンレス鋼材の製造］
表１の化学組成を有する溶鋼を製造した。
表１の化学組成を有する溶鋼を製造した。
【0092】
【表1】
【0093】
表１中の「その他」欄には、含有された任意元素の含有量を示す。たとえば、試験番号１の場合、任意元素であるＣｕが０．０８％含有されていたことを意味する。試験番号８の場合、任意元素であるＶが０．１５％含有され、Ｙが０．１１％含有され、Ｍｇが０．００２０％含有されていたことを意味する。
【0094】
溶鋼を用いて、外径１２０ｍｍ、３０ｋｇのインゴットを製造した。インゴットに対して熱間鍛造を実施して、厚さ４０ｍｍの素材（鋼板）とした。熱間鍛造前のインゴットの温度は１０５０℃以上であった。さらに、素材に対して熱間圧延を実施して、厚さ１５ｍｍの中間鋼材（鋼板）を製造した。熱間加工（熱間圧延）前の素材温度は、１０５０℃以上であった。
【0095】
熱間圧延後の中間鋼材に対して、冷間圧延を実施して、厚さ１０．５ｍｍ、幅５０ｍｍ、長手１００ｍｍの鋼板を製造した。冷間圧延後の鋼板に対して、溶体化処理を実施した。溶体化処理での昇温速度ＲＲ（℃／秒）、溶体化処理温度Ｔ（℃）、溶体化処理温度Ｔでの保持時間ｔ（分）、９００～５００℃の温度域での平均冷却速度ＣＲ９００－５００（℃／秒）はそれぞれ、表２に示す通りであった。以上の工程により、各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼材（鋼板）を製造した。
【0096】
【表2】
【0097】
［評価試験］
各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼材に対して、次の評価試験を実施した。
各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼材に対して、次の評価試験を実施した。
【0098】
［化学組成測定試験］
各試験番号の鋼板の板厚をＴＨ（ｍｍ）として、ドリルを用いて、表面からＴＨ／４深さ位置で穿孔加工して切粉を生成し、その切粉を採取した。採取された切粉を酸に溶解させて溶液を得た。溶液に対して、ＩＣＰ－ＯＥＳを実施して、化学組成の元素分析を実施した。Ｃ含有量及びＳ含有量については、周知の高周波燃焼法により求めた。Ｎ含有量については、周知の不活性ガス溶融－熱伝導度法を用いて求めた。以上の分析法により、各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成を求めた。その結果、各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成は、表１と一致した。
各試験番号の鋼板の板厚をＴＨ（ｍｍ）として、ドリルを用いて、表面からＴＨ／４深さ位置で穿孔加工して切粉を生成し、その切粉を採取した。採取された切粉を酸に溶解させて溶液を得た。溶液に対して、ＩＣＰ－ＯＥＳを実施して、化学組成の元素分析を実施した。Ｃ含有量及びＳ含有量については、周知の高周波燃焼法により求めた。Ｎ含有量については、周知の不活性ガス溶融－熱伝導度法を用いて求めた。以上の分析法により、各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成を求めた。その結果、各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成は、表１と一致した。
【0099】
［結晶粒度番号測定試験］
各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼材の結晶粒度番号を次の方法で求めた。オーステナイト系ステンレス鋼材の板幅中央位置であって、かつ、板厚中央位置から、サンプルを採取した。採取したサンプルの表面のうち、オーステナイト系ステンレス鋼材の長手方向に垂直な断面を、観察面とした。観察面を鏡面研磨した。鏡面研磨後の観察面を、１０％シュウ酸を用いて腐食して、オーステナイトの結晶粒界を現出させた。腐食した観察面の任意の３視野を観察して、ＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０１３）に準拠した切断法に基づいて、結晶粒度番号を求めた。各視野の面積は０．７５ｍｍ２とした。視野の結晶粒度番号の算術平均値を、結晶粒度番号と定義した。得られた結晶粒度番号を、表２の「結晶粒度番号」欄に示す。
各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼材の結晶粒度番号を次の方法で求めた。オーステナイト系ステンレス鋼材の板幅中央位置であって、かつ、板厚中央位置から、サンプルを採取した。採取したサンプルの表面のうち、オーステナイト系ステンレス鋼材の長手方向に垂直な断面を、観察面とした。観察面を鏡面研磨した。鏡面研磨後の観察面を、１０％シュウ酸を用いて腐食して、オーステナイトの結晶粒界を現出させた。腐食した観察面の任意の３視野を観察して、ＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０１３）に準拠した切断法に基づいて、結晶粒度番号を求めた。各視野の面積は０．７５ｍｍ２とした。視野の結晶粒度番号の算術平均値を、結晶粒度番号と定義した。得られた結晶粒度番号を、表２の「結晶粒度番号」欄に示す。
【0100】
［粒界Ｂ偏析度測定試験］
次の方法により、粒界Ｂ濃度［ＢＧＢ］（質量％）、粒内Ｂ濃度［ＢＢＭ］（質量％）を求め、さらに、粒界Ｂ偏析度（＝［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］）を求めた。オーステナイト系ステンレス鋼材の板幅中央位置であって、かつ、板厚中央位置から、サンプルを採取した。採取したサンプル表面のうち、オーステナイト系ステンレス鋼材の長手方向に垂直な断面を、観察面とした。サンプルの観察面を鏡面研磨した。鏡面研磨した観察面に対して、ＳＥＭ－ＥＢＳＤを用いて粒界を特定した。粒界を特定後、粒界を含む１０μｍ×１０μｍ×３０ｎｍの薄膜試料を、収束イオンビーム（ＦＩＢ）を実施して作製した。薄膜試料は、異なる５つの粒界から１つずつ作製した（つまり、合計５個の薄膜試料を作製した）。
次の方法により、粒界Ｂ濃度［ＢＧＢ］（質量％）、粒内Ｂ濃度［ＢＢＭ］（質量％）を求め、さらに、粒界Ｂ偏析度（＝［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］）を求めた。オーステナイト系ステンレス鋼材の板幅中央位置であって、かつ、板厚中央位置から、サンプルを採取した。採取したサンプル表面のうち、オーステナイト系ステンレス鋼材の長手方向に垂直な断面を、観察面とした。サンプルの観察面を鏡面研磨した。鏡面研磨した観察面に対して、ＳＥＭ－ＥＢＳＤを用いて粒界を特定した。粒界を特定後、粒界を含む１０μｍ×１０μｍ×３０ｎｍの薄膜試料を、収束イオンビーム（ＦＩＢ）を実施して作製した。薄膜試料は、異なる５つの粒界から１つずつ作製した（つまり、合計５個の薄膜試料を作製した）。
【0101】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付属の電子エネルギー損失分光（ＥＥＬＳ）検出器を用いて、薄膜試料に対して、ＥＥＬＳを実施した。具体的には、図１に示す通り、結晶粒１０同士の界面である任意の結晶粒界ＧＢと垂直な方向に１０ｎｍの線分析を実施した。このとき加速電圧は３００ｋＶとした。線分析を実施する範囲Ｌの中央位置に結晶粒界ＧＢが位置するように、線分析の範囲Ｌを決定した。範囲Ｌの長さは１０ｎｍとした。ＥＥＬＳを実施して、範囲ＬのＢ濃度（質量％）を求めた。範囲ＬでのＢ濃度分析結果では、図１に示す通り、結晶粒界ＧＢ位置でＢの濃度がピークを示す。そこで、線分析結果において、結晶粒界ＧＢ位置でのピークの頂上位置Ｐ１でのＢ濃度を、粒界Ｂ濃度（質量％）と定義した。一方、線分析結果のうち、粒内部分の任意の４点（Ｐ２～Ｐ４）でのＢ濃度の算術平均値を、粒内Ｂ濃度（質量％）と定義した。５視野における粒界Ｂ濃度の算術平均値を、粒界Ｂ濃度［ＢＧＢ］（質量％）と定義した。そして、５視野における粒内Ｂ濃度の算術平均値を、粒内Ｂ濃度［ＢＢＭ］（質量％）と定義した。得られた粒界Ｂ濃度［ＢＧＢ］及び粒内Ｂ濃度［ＢＢＭ］を用いて、［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］を求めた。粒界Ｂ偏析度（＝［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］）を、表２に示す。
【0102】
［クリープ強度及びクリープ延性評価試験（クリープ破断試験）］
各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼材から、ＪＩＳ Ｚ２２７１（２０１０）に準拠したクリープ破断試験片を作製した。各試験番号の鋼板の板厚中央位置、かつ、板幅中央位置から、クリープ破断試験片を作製した。クリープ破断試験片の軸方向に垂直な断面は円形であり、クリープ破断試験片の外径は６ｍｍであり、平行部は３０ｍｍであった。平行部は、鋼板の長手方向（圧延方向）に平行であった。
各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼材から、ＪＩＳ Ｚ２２７１（２０１０）に準拠したクリープ破断試験片を作製した。各試験番号の鋼板の板厚中央位置、かつ、板幅中央位置から、クリープ破断試験片を作製した。クリープ破断試験片の軸方向に垂直な断面は円形であり、クリープ破断試験片の外径は６ｍｍであり、平行部は３０ｍｍであった。平行部は、鋼板の長手方向（圧延方向）に平行であった。
【0103】
作製されたクリープ破断試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ２２７１（２０１０）に準拠したクリープ破断試験を実施した。具体的には、クリープ破断試験片を７００℃で加熱した後、クリープ破断試験を実施した。試験応力は８０ＭＰａとし、クリープ破断時間（時間）及び、クリープ破断絞り（％）を求めた。
【0104】
クリープ強度に関して、クリープ破断時間が１５０００時間以上である場合、高温環境においてクリープ強度が顕著に優れると判断した（表２中の「クリープ強度」欄で「Ｅ（ＥＸＣＥＬＬＥＮＴ）」で表記）。クリープ破断時間が１００００時間～１５０００時間未満である場合、高温環境においてクリープ強度が良好であると判断した（表２中の「クリープ強度」欄で「Ｇ（ＧＯＯＤ）」で表記）。クリープ破断時間が１００００時間未満である場合、高温環境においてクリープ強度が低いと判断した（表２中の「クリープ強度」欄で「Ｂ（ＢＡＤ）」で表記）。クリープ破断時間が「Ｅ」又は「Ｇ」である場合、高温環境での長時間クリープ強度に優れると判断した。
【0105】
クリープ延性に関して、クリープ破断絞りが７０％を超えれば、クリープ延性が顕著に優れると判断した（表２中の「クリープ延性」欄で「Ｅ（ＥＸＣＥＬＬＥＮＴ）」で表記）。クリープ破断絞りが５０～７０％である場合、高温環境においてクリープ延性が良好であると判断した（表２中の「クリープ延性」欄で「Ｇ（ＧＯＯＤ）」で表記）。クリープ破断絞りが５０％未満である場合、高温環境においてクリープ延性が低いと判断した（表２中の「クリープ延性」欄で「Ｂ（ＢＡＤ）」で表記）。クリープ破断絞りが「Ｅ」又は「Ｇ」である場合、高温環境でのクリープ延性に優れると判断した。
【0106】
［評価結果］
評価結果を表２に示す。
評価結果を表２に示す。
【0107】
表１及び表２を参照して、試験番号１～１１では、化学組成中の各元素含有量が適切であり、結晶粒度番号が４．０～９．０であり、粒界Ｂ偏析度（［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］）が５００以上であり、式（１）を満たした。そのため、高温環境でのクリープ強度に優れ、かつ、クリープ延性に優れた。具体的には、試験応力を８０ＭＰａとした７００℃でのクリープ破断試験において、クリープ破断時間が１００００時間以上となり、かつ、クリープ破断絞りが５０％以上となった。
【0108】
試験番号１～６、８～１１はさらに、Ｆ２が２．０を超え、式（２）を満たした。そのため、試験番号１～６、８～１１では、試験番号７と比較して、粒界Ｂ偏析度（［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］）が高く、６５０以上であった。その結果、クリープ破断時間が１５０００時間以上であり、かつ、クリープ破断絞りが７０％を超えた。
【0109】
一方、試験番号１２では、溶体化処理工程での９００～５００℃の温度域での平均冷却速度ＣＲ９００－５００が速すぎた。そのため、粒界Ｂ偏析度（［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］）が５００未満であった。その結果、クリープ強度及びクリープ延性がいずれも低かった。
【0110】
試験番号１３では、昇温速度ＲＲが遅すぎた。そのため、結晶粒度番号が４．０未満であった。その結果、クリープ強度は優れていたものの、クリープ延性が低かった。
【0111】
試験番号１４では、溶体化処理温度Ｔが低すぎた。そのため、結晶粒度番号が９．０を超えた。その結果、クリープ延性は優れていたものの、クリープ強度が低かった。
【0112】
試験番号１５では、溶体化処理工程での昇温速度ＲＲが遅すぎた。そのため、結晶粒度番号が４．０未満であった。その結果、クリープ強度は優れていたものの、クリープ延性が低かった。
【0113】
試験番号１６では、溶体化処理工程での溶体化処理温度Ｔが高すぎた。そのため、結晶粒度番号が４．０未満であった。その結果、クリープ強度は優れていたものの、クリープ延性が低かった。
【0114】
試験番号１７では、溶体化処理工程での溶体化処理温度Ｔでの保持時間ｔが長すぎた。そのため、結晶粒度番号が４．０未満であった。その結果、クリープ強度は優れていたものの、クリープ延性が低かった。
【0115】
試験番号１８では、溶体化処理工程での９００～５００℃の温度域での平均冷却速度ＣＲ９００－５００が遅すぎた。そのため、粒界Ｂ偏析度（［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］）が５００未満であった。その結果、クリープ強度及びクリープ延性がいずれも低かった。
【0116】
試験番号１９では、溶体化処理工程での９００～５００℃の温度域での平均冷却速度ＣＲ９００－５００が速すぎた。そのため、粒界Ｂ偏析度（［ＢＧＢ］／［ＢＢＭ］）が５００未満であった。その結果、クリープ強度及びクリープ延性がいずれも低かった。
【0117】
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。
【図1】