JP7434611B2 - 固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに固体酸化物形燃料電池用部材及び固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに固体酸化物形燃料電池用部材及び固体酸化物形燃料電池に関する。
従来の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、作動温度が６００℃を超える高温作動型であった。しかし、近年、６００℃以下の温度帯域で作動する低温作動型の固体酸化物形燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１及び２）。このような固体酸化物形燃料電池の構成部材には、コストや耐食性などの観点から、ステンレス鋼材が一般的に用いられる。
また、固体酸化物形燃料電池は、主に定置型電源として開発が進められていた。しかし、近年、業務・産業用車両や、自動車、飛行機などの様々な移動体への用途拡大が期待されている。
固体酸化物形燃料電池を構成する部材（例えば、セパレータ、インターコネクタ、集電体など）には、導電性が要求される。しかし、この部材の導電性は、作動温度が低くなるにつれて低下するため、従来の高温作動型の固体酸化物形燃料電池に用いられていた部材では導電性が十分でないことがある。
また、移動体へ用途拡大する場合、部材の薄型・軽量化が要求される。しかし、部材の薄型・軽量化を行うと熱変形が生じ易くなる。
また、移動体へ用途拡大する場合、部材の薄型・軽量化が要求される。しかし、部材の薄型・軽量化を行うと熱変形が生じ易くなる。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、６００℃以下の温度における導電性に優れ、熱変形を抑制することが可能な固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、このような特徴を有する固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材を備える固体酸化物形燃料電池用部材及び固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
本発明者らは、ステンレス鋼材について鋭意研究を行った結果、特定の組成に制御することにより、上記の問題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、質量基準で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００３０％以下、Ｃｒ：２２．０～３２．０％、Ｍｏ：２．５０％以下、Ｎ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．３０％以下、Ｎｂ：０．４０％以下、Ｔｉ：０．０１～０．４０％、Ｎｉ：０．０１～１．００％、Ｃｕ：０．０１～１．００％を含み、下記式（１）で表される有効Ｃｒ量が２４．０～３５．０％であり、残部がＦｅ及び不純物からなる固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材である。
有効Ｃｒ量（％）＝Ｃｒ＋２Ｍｏ＋２Ｓｉ＋５Ｎｂ＋２Ｔｉ－３（２Ｃ＋３Ｎ＋Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．２Ｃｕ） ・・・ （１）
式中、各元素記号は、各元素の含有量を表す。
すなわち、本発明は、質量基準で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００３０％以下、Ｃｒ：２２．０～３２．０％、Ｍｏ：２．５０％以下、Ｎ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．３０％以下、Ｎｂ：０．４０％以下、Ｔｉ：０．０１～０．４０％、Ｎｉ：０．０１～１．００％、Ｃｕ：０．０１～１．００％を含み、下記式（１）で表される有効Ｃｒ量が２４．０～３５．０％であり、残部がＦｅ及び不純物からなる固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材である。
有効Ｃｒ量（％）＝Ｃｒ＋２Ｍｏ＋２Ｓｉ＋５Ｎｂ＋２Ｔｉ－３（２Ｃ＋３Ｎ＋Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．２Ｃｕ） ・・・ （１）
式中、各元素記号は、各元素の含有量を表す。
また、本発明は、質量基準で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００３０％以下、Ｃｒ：２２．０～３２．０％、Ｍｏ：２．５０％以下、Ｎ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．３０％以下、Ｎｂ：０．４０％以下、Ｔｉ：０．０１～０．４０％、Ｎｉ：０．０１～１．００％、Ｃｕ：０．０１～１．００％を含み、下記式（１）で表される有効Ｃｒ量が２４．０～３５．０％であり、残部がＦｅ及び不純物からなるスラブを熱間圧延した後、冷間圧延を行う固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材の製造方法である。
有効Ｃｒ量（％）＝Ｃｒ＋２Ｍｏ＋２Ｓｉ＋５Ｎｂ＋２Ｔｉ－３（２Ｃ＋３Ｎ＋Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．２Ｃｕ） ・・・ （１）
式中、各元素記号は、各元素の含有量を表す。
有効Ｃｒ量（％）＝Ｃｒ＋２Ｍｏ＋２Ｓｉ＋５Ｎｂ＋２Ｔｉ－３（２Ｃ＋３Ｎ＋Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．２Ｃｕ） ・・・ （１）
式中、各元素記号は、各元素の含有量を表す。
また、本発明は、前記固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材を備える固体酸化物形燃料電池用部材である。
さらに、本発明は、前記固体酸化物形燃料電池用部材を備える固体酸化物形燃料電池である。
さらに、本発明は、前記固体酸化物形燃料電池用部材を備える固体酸化物形燃料電池である。
本発明によれば、６００℃以下の温度における導電性に優れ、熱変形を抑制することが可能な固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材及びその製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、このような特徴を有する固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材を備える固体酸化物形燃料電池用部材及び固体酸化物形燃料電池を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
なお、本明細書において成分に関する「％」表示は、特に断らない限り「質量％」を意味する。
なお、本明細書において成分に関する「％」表示は、特に断らない限り「質量％」を意味する。
本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材（以下、「ステンレス鋼材」と略す）は、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００３０％以下、Ｃｒ：２２．０～３２．０％、Ｍｏ：２．５０％以下、Ｎ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．３０％以下、Ｎｂ：０．４０％以下、Ｔｉ：０．４０％以下、Ｎｉ：１．００％以下、Ｃｕ：１．００％以下を含み、下記式（１）で表される有効Ｃｒ量が２４．０～３５．０％であり、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有する。
ここで、「不純物」とは、ステンレス鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップなどの原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分（例えば、不可避不純物）であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。また、「ステンレス鋼材」とは、ステンレス鋼帯、ステンレス鋼板、ステンレス鋼箔などの各種形状を含む概念である。
ここで、「不純物」とは、ステンレス鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップなどの原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分（例えば、不可避不純物）であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。また、「ステンレス鋼材」とは、ステンレス鋼帯、ステンレス鋼板、ステンレス鋼箔などの各種形状を含む概念である。
また、本発明の実施形態に係るステンレス鋼材は、必要に応じて、Ｂ：０．００５０％以下、Ｓｎ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｗ：０．５％以下、Ｃａ：０．０１００％以下、Ｍｇ：０．０１０％以下、Ｚｒ：０．５０％以下、Ｃｏ：０．５％以下、Ｇａ：０．０１％以下、Ｈｆ：０．１０％以下、ＲＥＭ：０．１０％以下から選択される１種以上を更に含むことができる。
＜Ｃ：０．０３０％以下＞
Ｃは、ステンレス鋼材の６００℃以下の温度における導電性に影響を与える元素である。Ｃ含有量が多すぎると、当該導電性が低下する。そのため、Ｃ含有量は、０．０３０％以下、好ましくは０．０２０％以下、より好ましくは０．０１５％以下とする。一方、Ｃ含有量の下限は、特に限定されないが、Ｃ含有量を低減するほど精錬工程に時間を要することとなり、製造コストが上昇する恐れがある。そのため、Ｃ含有量は、好ましくは０．０００２％以上、より好ましくは０．０００５％以上である。
Ｃは、ステンレス鋼材の６００℃以下の温度における導電性に影響を与える元素である。Ｃ含有量が多すぎると、当該導電性が低下する。そのため、Ｃ含有量は、０．０３０％以下、好ましくは０．０２０％以下、より好ましくは０．０１５％以下とする。一方、Ｃ含有量の下限は、特に限定されないが、Ｃ含有量を低減するほど精錬工程に時間を要することとなり、製造コストが上昇する恐れがある。そのため、Ｃ含有量は、好ましくは０．０００２％以上、より好ましくは０．０００５％以上である。
＜Ｓｉ：１．００％以下＞
Ｓｉは、ステンレス鋼材の耐熱性を高めるとともに、６００℃以下でのＣｒ酸化皮膜の生成及び熱変形の抑制効果を得るのに有効な元素である。ただし、Ｓｉ含有量が多すぎると、ステンレス鋼材の界面にＳｉＯ2の連続酸化物が生成して導電性が低下するとともに、硬質化によって靭性が低下する恐れがある。そのため、Ｓｉ含有量は、１．００％以下、好ましくは０．８０％以下、より好ましくは０．６０％以下、更に好ましくは０．３０％以下とする。一方、Ｓｉ含有量の下限は、特に限定されない。Ｓｉ含有量は、Ｓｉによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０５％以上、より好ましくは０．０８％以上である。
Ｓｉは、ステンレス鋼材の耐熱性を高めるとともに、６００℃以下でのＣｒ酸化皮膜の生成及び熱変形の抑制効果を得るのに有効な元素である。ただし、Ｓｉ含有量が多すぎると、ステンレス鋼材の界面にＳｉＯ2の連続酸化物が生成して導電性が低下するとともに、硬質化によって靭性が低下する恐れがある。そのため、Ｓｉ含有量は、１．００％以下、好ましくは０．８０％以下、より好ましくは０．６０％以下、更に好ましくは０．３０％以下とする。一方、Ｓｉ含有量の下限は、特に限定されない。Ｓｉ含有量は、Ｓｉによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０５％以上、より好ましくは０．０８％以上である。
＜Ｍｎ：１．００％以下＞
Ｍｎは、ステンレス鋼材の靭性とともに、（Ｍｎ，Ｃｒ）3Ｏ4型酸化物の生成によって酸化皮膜の導電性を向上させるのに有効な元素である。ただし、Ｍｎ含有量が多すぎると、耐熱性や熱変形の抑制効果が低下する恐れがある。そのため、Ｍｎ含有量は、１．００％以下、好ましくは０．５０％以下とする。一方、Ｍｎ含有量の下限は、特に限定されない。Ｍｎ含有量は、Ｍｎによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０５％以上、より好ましくは０．０８％以上である。
Ｍｎは、ステンレス鋼材の靭性とともに、（Ｍｎ，Ｃｒ）3Ｏ4型酸化物の生成によって酸化皮膜の導電性を向上させるのに有効な元素である。ただし、Ｍｎ含有量が多すぎると、耐熱性や熱変形の抑制効果が低下する恐れがある。そのため、Ｍｎ含有量は、１．００％以下、好ましくは０．５０％以下とする。一方、Ｍｎ含有量の下限は、特に限定されない。Ｍｎ含有量は、Ｍｎによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０５％以上、より好ましくは０．０８％以上である。
＜Ｐ：０．０５０％以下＞
Ｐは、ステンレス鋼材の靭性を低下させる恐れがある元素である。そのため、Ｐ含有量は、０．０５０％以下、好ましくは０．０４０％以下とする。一方、Ｐ含有量の下限は、特に限定されないが、Ｐ含有量を低減するほど精錬工程に時間を要することとなり、製造コストが上昇する恐れがある。そのため、Ｐ含有量は、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．０１０％以上である。
Ｐは、ステンレス鋼材の靭性を低下させる恐れがある元素である。そのため、Ｐ含有量は、０．０５０％以下、好ましくは０．０４０％以下とする。一方、Ｐ含有量の下限は、特に限定されないが、Ｐ含有量を低減するほど精錬工程に時間を要することとなり、製造コストが上昇する恐れがある。そのため、Ｐ含有量は、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．０１０％以上である。
＜Ｓ：０．００３０％以下＞
Ｓは、硫化物系介在物を生成し、電極への蒸散・被毒によってＳＯＦＣの発電効率を低下させる恐れがある元素である。そのため、Ｓ含有量は、０．００３０％以下、好ましくは０．００１５％以下とする。一方、Ｓ含有量の下限は、特に限定されないが、Ｓ含有量を低減するほど精錬工程に時間を要することとなり、製造コストが上昇する恐れがある。そのため、Ｓ含有量は、好ましくは０．０００１％以上、より好ましくは０．０００２％以上である。
Ｓは、硫化物系介在物を生成し、電極への蒸散・被毒によってＳＯＦＣの発電効率を低下させる恐れがある元素である。そのため、Ｓ含有量は、０．００３０％以下、好ましくは０．００１５％以下とする。一方、Ｓ含有量の下限は、特に限定されないが、Ｓ含有量を低減するほど精錬工程に時間を要することとなり、製造コストが上昇する恐れがある。そのため、Ｓ含有量は、好ましくは０．０００１％以上、より好ましくは０．０００２％以上である。
＜Ｃｒ：２２．０～３２．０％＞
Ｃｒは、ステンレス鋼材の表面に不動態皮膜を形成するための主要な元素であり、不動態皮膜によって耐食性、耐熱性などの特性を向上させることができる。６００℃以下の温度における導電性に優れるＣｒ酸化皮膜を形成するとともに、熱変形の抑制効果を得る観点から、Ｃｒ含有量は、２２．０％以上、好ましくは２２．５％以上とする。一方、Ｃｒ含有量が多すぎると、靭性などの特性が低下するため、Ｃｒ含有量は、３２．０％以下、好ましくは３１．０％以下である。
Ｃｒは、ステンレス鋼材の表面に不動態皮膜を形成するための主要な元素であり、不動態皮膜によって耐食性、耐熱性などの特性を向上させることができる。６００℃以下の温度における導電性に優れるＣｒ酸化皮膜を形成するとともに、熱変形の抑制効果を得る観点から、Ｃｒ含有量は、２２．０％以上、好ましくは２２．５％以上とする。一方、Ｃｒ含有量が多すぎると、靭性などの特性が低下するため、Ｃｒ含有量は、３２．０％以下、好ましくは３１．０％以下である。
＜Ｍｏ：２．５０％以下＞
Ｍｏは、ステンレス鋼材の不動態皮膜を強化するための主要な元素であり、不動態皮膜によって耐食性、耐熱性などの特性を向上させることができる。また、Ｍｏは、ステンレス鋼材の６００℃以下の温度におけるＣｒ酸化皮膜の生成を促進して導電性を向上させるとともに、熱膨張係数を低下させて熱変形の抑制効果を与える元素でもある。通常、６００℃以下で生成するＣｒ酸化物はＦｅを含むことから、導電性が低いものの、ＭｏをＣｒ酸化物中に存在させることによって導電性を向上させることができる。ただし、Ｍｏ含有量が多すぎると、硬質化によって靭性や熱変形の抑制効果が損なわれる恐れがある。そのため、Ｍｏ含有量は、２．５０％以下、好ましくは２．００％以下、より好ましくは１．５０％以下とする。一方、Ｍｏ含有量の下限は、特に限定されない。Ｍｏ含有量は、Ｍｏによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０５％以上、より好ましくは０．３０％以上である。
Ｍｏは、ステンレス鋼材の不動態皮膜を強化するための主要な元素であり、不動態皮膜によって耐食性、耐熱性などの特性を向上させることができる。また、Ｍｏは、ステンレス鋼材の６００℃以下の温度におけるＣｒ酸化皮膜の生成を促進して導電性を向上させるとともに、熱膨張係数を低下させて熱変形の抑制効果を与える元素でもある。通常、６００℃以下で生成するＣｒ酸化物はＦｅを含むことから、導電性が低いものの、ＭｏをＣｒ酸化物中に存在させることによって導電性を向上させることができる。ただし、Ｍｏ含有量が多すぎると、硬質化によって靭性や熱変形の抑制効果が損なわれる恐れがある。そのため、Ｍｏ含有量は、２．５０％以下、好ましくは２．００％以下、より好ましくは１．５０％以下とする。一方、Ｍｏ含有量の下限は、特に限定されない。Ｍｏ含有量は、Ｍｏによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０５％以上、より好ましくは０．３０％以上である。
＜Ｎ：０．０３０％以下＞
Ｎは、Ａｌと結合して異常酸化の起点となるＡｌＮを生成し、ステンレス鋼材の靭性を低下させる恐れがある元素である。そのため、Ｎ含有量は、０．０３０％以下、好ましくは０．０２５％以下とする。一方、Ｎ含有量の下限は、特に限定されないが、Ｎ含有量を低減するほど精錬工程に時間を要することとなり、製造コストが上昇する恐れがある。そのため、Ｎ含有量は、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．０１０％以上である。
Ｎは、Ａｌと結合して異常酸化の起点となるＡｌＮを生成し、ステンレス鋼材の靭性を低下させる恐れがある元素である。そのため、Ｎ含有量は、０．０３０％以下、好ましくは０．０２５％以下とする。一方、Ｎ含有量の下限は、特に限定されないが、Ｎ含有量を低減するほど精錬工程に時間を要することとなり、製造コストが上昇する恐れがある。そのため、Ｎ含有量は、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．０１０％以上である。
＜Ａｌ：０．３０％以下＞
Ａｌは、ステンレス鋼材の６００℃以下の温度におけるＣｒ酸化皮膜の生成を促進して導電性を向上させるのに有効な元素である。ただし、Ａｌ含有量が多すぎると、異常酸化の起点となるＡｌＮを生成し易くなるとともに、ステンレス鋼材の靭性や熱変形の抑制効果が損なわれる恐れがある。そのため、Ａｌ含有量は、０．３０％以下、好ましくは０．２５％以下とする。一方、Ａｌ含有量の下限は、特に限定されない。Ａｌ含有量は、Ａｌによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０３％以上である。
Ａｌは、ステンレス鋼材の６００℃以下の温度におけるＣｒ酸化皮膜の生成を促進して導電性を向上させるのに有効な元素である。ただし、Ａｌ含有量が多すぎると、異常酸化の起点となるＡｌＮを生成し易くなるとともに、ステンレス鋼材の靭性や熱変形の抑制効果が損なわれる恐れがある。そのため、Ａｌ含有量は、０．３０％以下、好ましくは０．２５％以下とする。一方、Ａｌ含有量の下限は、特に限定されない。Ａｌ含有量は、Ａｌによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０３％以上である。
＜Ｎｂ：０．４０％以下＞
Ｎｂは、Ｔｉと同様に、Ｃ及びＮと優先的に結合してＮｂ炭窒化物を生成するため、ステンレス鋼材の有効Ｃｒ量を高める元素である。そのため、Ｎｂは、６００℃以下の温度におけるＣｒ酸化皮膜の生成を促進して導電性の向上に寄与する。ただし、Ｎｂ含有量が多すぎると、Ｎｂ炭窒化物の生成に消費されなかった固溶Ｎｂの量が増える。その結果、硬質化によって靭性や熱変形の抑制効果が損なわれる恐れがある。そのため、Ｎｂ含有量は、０．４０％以下、好ましくは０．３５％以下とする。一方、Ｎｂ含有量の下限は、特に限定されない。Ｎｂ含有量は、Ｎｂによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
Ｎｂは、Ｔｉと同様に、Ｃ及びＮと優先的に結合してＮｂ炭窒化物を生成するため、ステンレス鋼材の有効Ｃｒ量を高める元素である。そのため、Ｎｂは、６００℃以下の温度におけるＣｒ酸化皮膜の生成を促進して導電性の向上に寄与する。ただし、Ｎｂ含有量が多すぎると、Ｎｂ炭窒化物の生成に消費されなかった固溶Ｎｂの量が増える。その結果、硬質化によって靭性や熱変形の抑制効果が損なわれる恐れがある。そのため、Ｎｂ含有量は、０．４０％以下、好ましくは０．３５％以下とする。一方、Ｎｂ含有量の下限は、特に限定されない。Ｎｂ含有量は、Ｎｂによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
＜Ｔｉ：０．４０％以下＞
Ｔｉは、Ｎｂと同様に、Ｃ及びＮと優先的に結合してＴｉ炭窒化物を生成するため、ステンレス鋼材の有効Ｃｒ量を高める元素である。そのため、Ｔｉは６００℃以下の温度におけるＣｒ酸化皮膜の生成を促進して導電性の向上に寄与する。ただし、Ｔｉ含有量が多すぎると、Ｔｉ炭窒化物が粗大化してしまい、それが起点となって靭性や熱変形の抑制効果が低下してしまう。そのため、Ｔｉ含有量は、０．４０％以下、好ましくは０．３５％以下とする。一方、Ｔｉ含有量の下限は、特に限定されない。Ｔｉ含有量は、Ｔｉによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
Ｔｉは、Ｎｂと同様に、Ｃ及びＮと優先的に結合してＴｉ炭窒化物を生成するため、ステンレス鋼材の有効Ｃｒ量を高める元素である。そのため、Ｔｉは６００℃以下の温度におけるＣｒ酸化皮膜の生成を促進して導電性の向上に寄与する。ただし、Ｔｉ含有量が多すぎると、Ｔｉ炭窒化物が粗大化してしまい、それが起点となって靭性や熱変形の抑制効果が低下してしまう。そのため、Ｔｉ含有量は、０．４０％以下、好ましくは０．３５％以下とする。一方、Ｔｉ含有量の下限は、特に限定されない。Ｔｉ含有量は、Ｔｉによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
Ｎｂ及びＴｉの合計含有量は、特に限定されないが、好ましくは０．３２％以上、より好ましくは０．３５％以上である。また、Ｔｉ含有量に対するＮｂ含有量の比（Ｎｂ含有量／Ｔｉ含有量）は、特に限定されないが、好ましくは１．０以下、より好ましくは０．９以下である。このような条件にＮｂ及びＴｉの含有量を制御することにより、本発明の効果を安定して得ることができる。
＜Ｎｉ：１．００％以下＞
Ｎｉは、ステンレス鋼材の耐食性の向上及び靭性の低下を抑制する元素である。ただし、Ｎｉはオーステナイト相安定化元素であるため、Ｎｉ含有量が多すぎると、熱膨張係数が上昇して熱変形の抑制効果が低下する。そのため、Ｎｉ含有量は、１．００％以下、好ましくは０．８０％以下とする。一方、Ｎｉ含有量の下限は、特に限定されない。Ｎｉ含有量は、Ｎｉによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
Ｎｉは、ステンレス鋼材の耐食性の向上及び靭性の低下を抑制する元素である。ただし、Ｎｉはオーステナイト相安定化元素であるため、Ｎｉ含有量が多すぎると、熱膨張係数が上昇して熱変形の抑制効果が低下する。そのため、Ｎｉ含有量は、１．００％以下、好ましくは０．８０％以下とする。一方、Ｎｉ含有量の下限は、特に限定されない。Ｎｉ含有量は、Ｎｉによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
＜Ｃｕ：１．００％以下＞
Ｃｕは、ステンレス鋼材の耐食性や導電性を向上させる元素である。ただし、Ｃｕはオーステナイト相安定化元素であるため、Ｃｕ含有量が多すぎると、熱膨張係数が上昇して熱変形の抑制効果が低下する。そのため、Ｃｕ含有量は１．００％以下、好ましくは０．８０％以下とする。一方、Ｃｕ含有量の下限は、特に限定されない。Ｃｕ含有量は、Ｃｕによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０３％以上とする。
Ｃｕは、ステンレス鋼材の耐食性や導電性を向上させる元素である。ただし、Ｃｕはオーステナイト相安定化元素であるため、Ｃｕ含有量が多すぎると、熱膨張係数が上昇して熱変形の抑制効果が低下する。そのため、Ｃｕ含有量は１．００％以下、好ましくは０．８０％以下とする。一方、Ｃｕ含有量の下限は、特に限定されない。Ｃｕ含有量は、Ｃｕによる上記の効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０３％以上とする。
＜有効Ｃｒ量：２４．０～３５．０％＞
有効Ｃｒ量は、下記式（１）で表される。
有効Ｃｒ量（％）＝Ｃｒ＋２Ｍｏ＋２Ｓｉ＋５Ｎｂ＋２Ｔｉ－３（２Ｃ＋３Ｎ＋Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．２Ｃｕ） ・・・ （１）
式中、各元素記号は、各元素の含有量を表す。また、「Ｃｒ＋２Ｍｏ＋２Ｓｉ＋５Ｎｂ＋２Ｔｉ」はＣｒ当量を表し、「２Ｃ＋３Ｎ＋Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．２Ｃｕ」はＮｉ当量を表す。
有効Ｃｒ量が多すぎると、σ相などの金属間化合物が４００～６００℃で析出し、靭性の低下とともに、Ｃｒ量が金属間化合物や炭窒化物などで消費され少なくなってしまう。その結果、導電性の低下とともに母相と変形能の異なる金属間化合物の出現によって熱変形の抑制効果の低下を招く。そのため、有効Ｃｒ量は、３５．０％以下、好ましくは３２．０％以下とする。一方、有効Ｃｒ量が低すぎると、Ｃｒ当量がＮｉ当量に比べて少なくなるため、Ｃｒ酸化皮膜の生成が阻害されて導電性が低下したり、熱膨張係数の上昇によって熱変形の抑制特性が低下したりしてしまう。そのため、有効Ｃｒ量は、２４．０％以上、好ましくは２５．０％以上とする。
有効Ｃｒ量は、下記式（１）で表される。
有効Ｃｒ量（％）＝Ｃｒ＋２Ｍｏ＋２Ｓｉ＋５Ｎｂ＋２Ｔｉ－３（２Ｃ＋３Ｎ＋Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．２Ｃｕ） ・・・ （１）
式中、各元素記号は、各元素の含有量を表す。また、「Ｃｒ＋２Ｍｏ＋２Ｓｉ＋５Ｎｂ＋２Ｔｉ」はＣｒ当量を表し、「２Ｃ＋３Ｎ＋Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．２Ｃｕ」はＮｉ当量を表す。
有効Ｃｒ量が多すぎると、σ相などの金属間化合物が４００～６００℃で析出し、靭性の低下とともに、Ｃｒ量が金属間化合物や炭窒化物などで消費され少なくなってしまう。その結果、導電性の低下とともに母相と変形能の異なる金属間化合物の出現によって熱変形の抑制効果の低下を招く。そのため、有効Ｃｒ量は、３５．０％以下、好ましくは３２．０％以下とする。一方、有効Ｃｒ量が低すぎると、Ｃｒ当量がＮｉ当量に比べて少なくなるため、Ｃｒ酸化皮膜の生成が阻害されて導電性が低下したり、熱膨張係数の上昇によって熱変形の抑制特性が低下したりしてしまう。そのため、有効Ｃｒ量は、２４．０％以上、好ましくは２５．０％以上とする。
＜Ｂ：０．００５０％以下＞
Ｂは、粒界に優先的に濃化することで粒界強度を高めて二次加工性を向上させるのに有効な元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｂ含有量が過剰になると粒界のボライド（Ｃｒ2Ｂ）が粗大化することにより熱変形の抑制効果を低下させる。そのため、Ｂ含有量は、０．００５０％以下、好ましくは０．００３０％以下とする。一方、Ｂ含有量の下限は、特に限定されない。Ｂ含有量は、Ｂによる効果を得る観点から、好ましくは０．０００２％以上、より好ましくは０．０００５％以上である。
Ｂは、粒界に優先的に濃化することで粒界強度を高めて二次加工性を向上させるのに有効な元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｂ含有量が過剰になると粒界のボライド（Ｃｒ2Ｂ）が粗大化することにより熱変形の抑制効果を低下させる。そのため、Ｂ含有量は、０．００５０％以下、好ましくは０．００３０％以下とする。一方、Ｂ含有量の下限は、特に限定されない。Ｂ含有量は、Ｂによる効果を得る観点から、好ましくは０．０００２％以上、より好ましくは０．０００５％以上である。
＜Ｓｎ：０．５％以下＞
Ｓｎは、耐食性や導電性の向上に効果的な元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｓｎ含有量が多すぎると、熱間加工性や靭性が低下する。そのため、Ｓｎ含有量は、０．５％以下、好ましくは０．３％以下とする。一方、Ｓｎ含有量の下限は、特に限定されない。Ｓｎ含有量は、Ｓｎによる効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
Ｓｎは、耐食性や導電性の向上に効果的な元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｓｎ含有量が多すぎると、熱間加工性や靭性が低下する。そのため、Ｓｎ含有量は、０．５％以下、好ましくは０．３％以下とする。一方、Ｓｎ含有量の下限は、特に限定されない。Ｓｎ含有量は、Ｓｎによる効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
＜Ｖ：０．５％以下＞
Ｖは、ステンレス鋼材の靭性を損なわずに強度を向上させる元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｖ含有量が多すぎると、加工性及び靭性が低下する恐れがあるとともに、コストが上昇する。そのため、Ｖ含有量は、０．５％以下、好ましくは０．４％以下とする。一方、Ｖ含有量の下限は、特に限定されない。Ｖ含有量は、Ｖによる効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
Ｖは、ステンレス鋼材の靭性を損なわずに強度を向上させる元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｖ含有量が多すぎると、加工性及び靭性が低下する恐れがあるとともに、コストが上昇する。そのため、Ｖ含有量は、０．５％以下、好ましくは０．４％以下とする。一方、Ｖ含有量の下限は、特に限定されない。Ｖ含有量は、Ｖによる効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
＜Ｗ：０．５％以下＞
Ｗは、ステンレス鋼材の靭性を損なわずに強度を向上させる元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｗ含有量が多すぎると、加工性及び靭性が低下する恐れがあるとともに、コストが上昇する。そのため、Ｗ含有量は、０．５％以下、好ましくは０．４％以下とする。一方、Ｗ含有量の下限は、特に限定されない。Ｗ含有量は、Ｗによる効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
Ｗは、ステンレス鋼材の靭性を損なわずに強度を向上させる元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｗ含有量が多すぎると、加工性及び靭性が低下する恐れがあるとともに、コストが上昇する。そのため、Ｗ含有量は、０．５％以下、好ましくは０．４％以下とする。一方、Ｗ含有量の下限は、特に限定されない。Ｗ含有量は、Ｗによる効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
＜Ｃａ：０．０１００％以下＞
Ｃａは、Ｓを固定して耐酸化性を高め、Ｃｒ酸化皮膜の生成を促進する元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｃａ含有量が多すぎると、介在物の生成量が増加して導電性や熱変形の抑制特性を低下させてしまう。そのため、Ｃａ含有量は、０．０１００％以下、好ましくは０．００５０％以下とする。一方、Ｃａ含有量の下限は、特に限定されない。Ｃａ含有量は、Ｃａによる効果を得る観点から、好ましくは０．０００５％以上、より好ましくは０．００１０％以上である。
Ｃａは、Ｓを固定して耐酸化性を高め、Ｃｒ酸化皮膜の生成を促進する元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｃａ含有量が多すぎると、介在物の生成量が増加して導電性や熱変形の抑制特性を低下させてしまう。そのため、Ｃａ含有量は、０．０１００％以下、好ましくは０．００５０％以下とする。一方、Ｃａ含有量の下限は、特に限定されない。Ｃａ含有量は、Ｃａによる効果を得る観点から、好ましくは０．０００５％以上、より好ましくは０．００１０％以上である。
＜Ｍｇ：０．０１０％以下＞
Ｍｇは、ステンレス鋼材の精錬に有効な元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｍｇ含有量が多すぎると、介在物の生成量が増加して導電性や熱変形の抑制効果を低下させてしまう。そのため、Ｍｇ含有量は、０．０１０％以下、好ましくは０．００５％以下とする。一方、Ｍｇ含有量の下限は、特に限定されない。Ｍｇ含有量は、Ｍｇによる効果を得る観点から、好ましくは０．０００１％以上、より好ましくは０．０００５％以上である。
Ｍｇは、ステンレス鋼材の精錬に有効な元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｍｇ含有量が多すぎると、介在物の生成量が増加して導電性や熱変形の抑制効果を低下させてしまう。そのため、Ｍｇ含有量は、０．０１０％以下、好ましくは０．００５％以下とする。一方、Ｍｇ含有量の下限は、特に限定されない。Ｍｇ含有量は、Ｍｇによる効果を得る観点から、好ましくは０．０００１％以上、より好ましくは０．０００５％以上である。
＜Ｚｒ：０．５０％以下＞
Ｚｒは、Ｃを固定してステンレス鋼材の有効Ｃｒ量を高める元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｚｒ含有量が多すぎると、ステンレス鋼材の加工性が低下してしまう。そのため、Ｚｒ含有量は、０．５０％以下、好ましくは０．４０％以下とする。一方、Ｚｒ含有量の下限は、特に限定されない。Ｚｒ含有量は、Ｚｒによる効果を得る観点から、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．００５％以上である。
Ｚｒは、Ｃを固定してステンレス鋼材の有効Ｃｒ量を高める元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｚｒ含有量が多すぎると、ステンレス鋼材の加工性が低下してしまう。そのため、Ｚｒ含有量は、０．５０％以下、好ましくは０．４０％以下とする。一方、Ｚｒ含有量の下限は、特に限定されない。Ｚｒ含有量は、Ｚｒによる効果を得る観点から、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．００５％以上である。
＜Ｃｏ：０．５％以下＞
Ｃｏは、ステンレス鋼材の靭性を損なわずに強度を向上させる元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｃｏ含有量が多すぎると、加工性及び靭性が低下する恐れがあるとともに、コストが上昇する。そのため、Ｃｏ含有量は、０．５％以下、好ましくは０．４％以下とする。一方、Ｃｏ含有量の下限は、特に限定されない。Ｃｏ含有量は、Ｃｏによる効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
Ｃｏは、ステンレス鋼材の靭性を損なわずに強度を向上させる元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｃｏ含有量が多すぎると、加工性及び靭性が低下する恐れがあるとともに、コストが上昇する。そのため、Ｃｏ含有量は、０．５％以下、好ましくは０．４％以下とする。一方、Ｃｏ含有量の下限は、特に限定されない。Ｃｏ含有量は、Ｃｏによる効果を得る観点から、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上である。
＜Ｇａ：０．０１％以下＞
Ｇａは、ステンレス鋼材の熱間加工性を向上させる元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｇａ含有量が多すぎると、製造性を低下させてしまう。そのため、Ｇａ含有量は、０．０１％以下、好ましくは０．００５％以下とする。一方、Ｇａ含有量の下限は、特に限定されない。Ｇａ含有量は、Ｇａによる効果を得る観点から、好ましくは０．０００１％以上、より好ましくは０．０００５％以上である。
Ｇａは、ステンレス鋼材の熱間加工性を向上させる元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｇａ含有量が多すぎると、製造性を低下させてしまう。そのため、Ｇａ含有量は、０．０１％以下、好ましくは０．００５％以下とする。一方、Ｇａ含有量の下限は、特に限定されない。Ｇａ含有量は、Ｇａによる効果を得る観点から、好ましくは０．０００１％以上、より好ましくは０．０００５％以上である。
＜Ｈｆ：０．１０％以下＞
Ｈｆは、Ｃを固定してステンレス鋼材の有効Ｃｒ量を高める元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｈｆ含有量が多すぎると、ステンレス鋼材の加工性が低下してしまう。そのため、Ｈｆ含有量は、０．１０％以下、好ましくは０．０８％以下とする。一方、Ｈｆ含有量の下限は、特に限定されない。Ｈｆ含有量は、Ｈｆによる効果を得る観点から、好ましくは０．００１％、より好ましくは０．００５％である。
Ｈｆは、Ｃを固定してステンレス鋼材の有効Ｃｒ量を高める元素であり、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、Ｈｆ含有量が多すぎると、ステンレス鋼材の加工性が低下してしまう。そのため、Ｈｆ含有量は、０．１０％以下、好ましくは０．０８％以下とする。一方、Ｈｆ含有量の下限は、特に限定されない。Ｈｆ含有量は、Ｈｆによる効果を得る観点から、好ましくは０．００１％、より好ましくは０．００５％である。
＜ＲＥＭ：０．１０％以下＞
ＲＥＭ（希土類元素）は、Ｓ及びＰに対して優先的に結合して化合物を生成するため、Ｓ及びＰによる導電性や熱変形の抑制効果の低下を抑制することができる。ＲＥＭは、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、ＲＥＭ含有量が多すぎると、ステンレス鋼材が硬質化し、靭性や加工性が低下する恐れがある。そのため、ＲＥＭ含有量は、０．１０％以下、好ましくは０．０８％以下とする。一方、ＲＥＭ含有量の下限は、特に限定されない。ＲＥＭ含有量は、ＲＥＭによる効果を得る観点から、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．００５％以上である。
なお、ＲＥＭは、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）の２元素と、ランタン（Ｌａ）からルテチウム（Ｌｕ）までの１５元素（ランタノイド）の総称を指す。これらは単独で用いてもよいし、混合物として用いてもよい。また、ＲＥＭの中でも、Ｌａ及びＹが好ましい。
ＲＥＭ（希土類元素）は、Ｓ及びＰに対して優先的に結合して化合物を生成するため、Ｓ及びＰによる導電性や熱変形の抑制効果の低下を抑制することができる。ＲＥＭは、必要に応じてステンレス鋼材に含まれる。ただし、ＲＥＭ含有量が多すぎると、ステンレス鋼材が硬質化し、靭性や加工性が低下する恐れがある。そのため、ＲＥＭ含有量は、０．１０％以下、好ましくは０．０８％以下とする。一方、ＲＥＭ含有量の下限は、特に限定されない。ＲＥＭ含有量は、ＲＥＭによる効果を得る観点から、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．００５％以上である。
なお、ＲＥＭは、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）の２元素と、ランタン（Ｌａ）からルテチウム（Ｌｕ）までの１５元素（ランタノイド）の総称を指す。これらは単独で用いてもよいし、混合物として用いてもよい。また、ＲＥＭの中でも、Ｌａ及びＹが好ましい。
本発明の実施形態に係るステンレス鋼材は、表面から１０μｍの深さの位置において、結晶方位｛２００｝に対する結晶方位｛２１１｝の結晶方位比率（｛２１１｝／｛２００｝）が１．５超過３．５未満であることが好ましく、２．０～３．０であることがより好ましい。
ステンレス鋼材の６００℃以下の温度における導電性は、ステンレス鋼材の表層のＣｒ酸化皮膜（（Ｃｒ，Ｆｅ）2Ｏ3）のＣｒ濃度に主に依存する。結晶方位比率（｛２１１｝／｛２００｝）を上記の範囲に制御することにより、母材とＣｒ酸化皮膜との配向性が改善して表層の（（Ｃｒ，Ｆｅ）2Ｏ3）のＣｒ濃度を高めることができるため、６００℃以下の温度における導電性を向上させることができる。
ここで、上記の結晶方位は、ステンレス鋼材の表面のＸ線回折によって求められる。具体的には、ステンレス鋼材を切断し、その表面においてＸ線回折装置（株式会社リガク製ＲＩＮＴ ２５００）を用いて結晶方位の測定を行う。例えば、銅管球を用いそれから発せられるＣｕＫαの特性Ｘ線（波長（λ）＝１．５４４４Å）を回折に使う。その場合、２θ法において、｛２００｝は６５．２０°、｛２１１｝は８２．５８°に検出されるため、それら結晶面のＸ線強度比を算出する。
ステンレス鋼材の６００℃以下の温度における導電性は、ステンレス鋼材の表層のＣｒ酸化皮膜（（Ｃｒ，Ｆｅ）2Ｏ3）のＣｒ濃度に主に依存する。結晶方位比率（｛２１１｝／｛２００｝）を上記の範囲に制御することにより、母材とＣｒ酸化皮膜との配向性が改善して表層の（（Ｃｒ，Ｆｅ）2Ｏ3）のＣｒ濃度を高めることができるため、６００℃以下の温度における導電性を向上させることができる。
ここで、上記の結晶方位は、ステンレス鋼材の表面のＸ線回折によって求められる。具体的には、ステンレス鋼材を切断し、その表面においてＸ線回折装置（株式会社リガク製ＲＩＮＴ ２５００）を用いて結晶方位の測定を行う。例えば、銅管球を用いそれから発せられるＣｕＫαの特性Ｘ線（波長（λ）＝１．５４４４Å）を回折に使う。その場合、２θ法において、｛２００｝は６５．２０°、｛２１１｝は８２．５８°に検出されるため、それら結晶面のＸ線強度比を算出する。
本発明の実施形態に係るステンレス鋼材は、厚さ方向中心部の位置（ステンレス鋼材の厚さをｔとした場合にｔ／２の位置）において、結晶方位｛２００｝に対する結晶方位｛２１１｝の結晶方位比率（｛２１１｝／｛２００｝）が０．５超過２．０未満であることが好ましく、０．５～１．５であることがより好ましい。
ステンレス鋼材の熱変形は、厚さ方向中心部の位置における線膨張係数及びヤング率に影響を受ける。そのため、上記の範囲に当該結晶方位比率を制御することにより、線膨張係数及びヤング率が低下するため、熱変形を抑制することができる。
ここで、上記の結晶方位は、ステンレス鋼材の表面からｔ／２まで研磨（減肉加工）し、その表面のＸ線回折によって求められる。Ｘ線回折は、上記と同様にして行うことができる。
ステンレス鋼材の熱変形は、厚さ方向中心部の位置における線膨張係数及びヤング率に影響を受ける。そのため、上記の範囲に当該結晶方位比率を制御することにより、線膨張係数及びヤング率が低下するため、熱変形を抑制することができる。
ここで、上記の結晶方位は、ステンレス鋼材の表面からｔ／２まで研磨（減肉加工）し、その表面のＸ線回折によって求められる。Ｘ線回折は、上記と同様にして行うことができる。
本発明の実施形態に係るステンレス鋼材の形状は、特に限定されないが、板状又は箔状であることが好ましい。ステンレス鋼材が板状又は箔状である場合、その厚さは、例えば、０．１～５．０ｍｍ、好ましくは０．１～３．０ｍｍ、より好ましくは０．１～１．０ｍｍ、更に好ましくは０．１～０．５ｍｍである。
本発明の実施形態に係るステンレス鋼材は、上記のような組成を有するスラブを用いること以外は、公知の方法に準じて製造することができる。
ここで、本発明の実施形態に係るステンレス鋼材の典型的な製造方法の一例について説明する。なお、本発明の実施形態に係るステンレス鋼材の製造方法は、下記の製造方法に限定されるものではない。
ここで、本発明の実施形態に係るステンレス鋼材の典型的な製造方法の一例について説明する。なお、本発明の実施形態に係るステンレス鋼材の製造方法は、下記の製造方法に限定されるものではない。
本発明の実施形態に係るステンレス鋼材は、上記の組成を有するスラブを熱間圧延した後、冷間圧延を行うことによって製造することができる。熱間圧延及び冷間圧延の条件は、特に限定されず、組成に応じて適宜調整すればよい。
冷間圧延前には、熱間圧延で得られた熱延材に対して酸洗を行った後に表面研削を行うことが好ましい。また、熱延材は、焼鈍を行わずに酸洗を行うことが好ましい。このような条件とすることにより、ステンレス鋼材の結晶方位を上記の範囲に制御し易くなる。
表面研削の方法としては、特に限定されず、例えば、コイルグラインダーを使用して行うことができる。このとき、グラインダーの番手は＃１２０～６００などにすればよい。表面研削の厚さは、特に限定されないが、０．００５～０．１００ｍｍである。
なお、冷間圧延後には、焼鈍や酸洗などの公知の工程を実施してもよい。
冷間圧延前には、熱間圧延で得られた熱延材に対して酸洗を行った後に表面研削を行うことが好ましい。また、熱延材は、焼鈍を行わずに酸洗を行うことが好ましい。このような条件とすることにより、ステンレス鋼材の結晶方位を上記の範囲に制御し易くなる。
表面研削の方法としては、特に限定されず、例えば、コイルグラインダーを使用して行うことができる。このとき、グラインダーの番手は＃１２０～６００などにすればよい。表面研削の厚さは、特に限定されないが、０．００５～０．１００ｍｍである。
なお、冷間圧延後には、焼鈍や酸洗などの公知の工程を実施してもよい。
上記のようにして製造される本発明の実施形態に係るステンレス鋼材は、酸素含有雰囲気（例えば、大気雰囲気）下で不働態皮膜が表面に形成される。この不働態皮膜は、６００℃以下の温度における導電性に優れている。また、このステンレス鋼材は、熱変形も生じ難いため、固体酸化物形燃料電池、特に６００℃以下（例えば、５００～６００℃）の温度帯域で作動する低温作動型の固体酸化物形燃料電池に用いるのに適している。
本発明の実施形態に係るステンレス鋼材が固体酸化物形燃料電池に用いられる場合、セパレータ、集電体（例えば、空気極集電体及び燃料極集電体）、インターコネクタ、バスバー、端部プレート、燃料極フレームなどの部材にステンレス鋼材を用いることができる。これらの中でも、本発明の実施形態に係るステンレス鋼材は、セパレータ、インターコネクタ及び集電体から選択される１種以上の部材に用いることが好ましい。
本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用部材は、本発明の実施形態に係るステンレス鋼材を備える。また、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用部材を備える。
固体酸化物形燃料電池用部材としては、特に限定されず、上記した各種部材が挙げられる。
ステンレス鋼材は、各種部材の形状に合わせて適宜形状加工することができる。また、ステンレス鋼材の表面には、導電コーティング層が形成されていてもよい。導電コーティング層としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の材料から形成することができる。例えば、導電コーティング層は、Ａｇ、Ｃｏなどの導電性に優れる金属を用いて形成することができる。また、導電コーティング層は、単一金属の層であっても合金の層であってもよく、また、単層構造であっても積層構造であってもよい。
なお、ステンレス鋼材は、導電コーティング層との密着性を高める観点から、不働態皮膜の改質（粗面化）を行ってもよい。例えば、不働態皮膜の改質（粗面化）は、ステンレス鋼材を弗硝酸溶液に浸漬するなどの公知の方法によって行うことができる。
固体酸化物形燃料電池用部材としては、特に限定されず、上記した各種部材が挙げられる。
ステンレス鋼材は、各種部材の形状に合わせて適宜形状加工することができる。また、ステンレス鋼材の表面には、導電コーティング層が形成されていてもよい。導電コーティング層としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の材料から形成することができる。例えば、導電コーティング層は、Ａｇ、Ｃｏなどの導電性に優れる金属を用いて形成することができる。また、導電コーティング層は、単一金属の層であっても合金の層であってもよく、また、単層構造であっても積層構造であってもよい。
なお、ステンレス鋼材は、導電コーティング層との密着性を高める観点から、不働態皮膜の改質（粗面化）を行ってもよい。例えば、不働態皮膜の改質（粗面化）は、ステンレス鋼材を弗硝酸溶液に浸漬するなどの公知の方法によって行うことができる。
以下に、実施例を挙げて本発明の内容を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定して解釈されるものではない。
表１に示す組成のスラブを溶製し、熱間圧延を行って厚さ３．５ｍｍの熱延板とした後、焼鈍を行わずに酸洗し、コイルグラインダー（番手１２０）によって０．０５ｍｍ表面研削した。次に、表面研削した熱延板を冷間圧延して厚さ０．１～０．６ｍｍの冷延板とした後、焼鈍及び酸洗してステンレス鋼材を得た。この方法で製造したものを表２では熱延板焼鈍が「無」、表面研削が「有」と表す。
また、上記の製造方法において表面研削を行わないこと以外は同じ条件にしてステンレス鋼を製造した。この方法で製造したものを表２では熱延板焼鈍が「無」、表面研削が「無」と表す。
さらに、上記と同じ条件で熱間圧延を行って熱延板とした後に９５０～１０５０℃で焼鈍を行って酸洗し、表面研削及び冷間圧延を行ったステンレス鋼材も製造した。この方法で製造したものを表２では熱延板焼鈍が「有」、表面研削が「有」と表す。
また、上記の製造方法において表面研削を行わないこと以外は同じ条件にしてステンレス鋼を製造した。この方法で製造したものを表２では熱延板焼鈍が「無」、表面研削が「無」と表す。
さらに、上記と同じ条件で熱間圧延を行って熱延板とした後に９５０～１０５０℃で焼鈍を行って酸洗し、表面研削及び冷間圧延を行ったステンレス鋼材も製造した。この方法で製造したものを表２では熱延板焼鈍が「有」、表面研削が「有」と表す。
次に、得られたステンレス鋼材について、表面から１０μｍの深さの位置及び厚さ方向中心部の位置における結晶方位｛２００｝及び｛２１１｝を測定し、結晶方位比率（｛２１１｝／｛２００｝）を求めた。結晶方位の測定は、上記の条件で行った。この結果を表２に示す。
また、得られたステンレス鋼材について、導電性及び熱変形の評価を行った。評価方法は以下の通りである。
（１）導電性
ステンレス鋼材を５．０質量％の弗酸及び１５質量％の硝酸を含む水溶液（液温６０℃）に１～５分浸漬することによって表面改質を行った後、コーティング処理を行って導電コーティング層を形成した。コーティング処理では、表面改質を行ったステンレス鋼材の表面にＣｏめっきが２～５μｍの厚みで形成されるように調整した。
導電コーティング層を形成したステンレス鋼材（以下、「導電コーティング層付きステンレス鋼材」という）２枚を大気雰囲気（露点２０℃：Ｈ2Ｏ濃度が約２．３１％）下にて６００℃で１０００時間熱暴露させた後、この２枚の導電コーティング層付きステンレス鋼材２枚を用いて図１に示すような測定用試験片を作製し、ポテンショスタットを用いた四端子法による測定を行った。具体的には以下のようにして行った。
まず、２枚の導電コーティング層付きステンレス鋼材１０の中央部に導電ペースト（Ａｇペースト）を正方形状（一辺が１０ｍｍ、厚さ１０μｍ）に塗布して乾燥させ、導電部２０を形成した。次に、２枚の導電コーティング層付きステンレス鋼材１０の導電部２０を重ねて十字型に配置した後、アルミナ板で挟み、重り（２００ｇ）を載せて電気炉で導電部２０の焼付けを行った（８５０℃×３０分）。次に、ミニターを用いて金属母材が露出するまで表面を削り、図１に示す配線取付部３０を形成した。次に、銀線４０（φ０．３ｍｍ）を配線取付部３０に巻き付け、導電ペーストを塗布して１５０℃で３０分間乾燥させることにより、測定用試験片を得た。次に、この測定用試験片を高温電気化学測定装置に配置し、ポテンショスタットを用いた四端子法により、電圧－電流曲線を求めた。この測定では、測定温度は６００℃とし、電圧を１０ｍＶまで掃引した。また、電圧－電流曲線の傾きから抵抗値を算出した。この評価において、抵抗値が２０ｍΩ・ｃｍ2以下であった場合をＡ（高温導電性が特に優れる）、抵抗値が２０ｍΩ・ｃｍ2超過３０ｍΩ・ｃｍ2以下であった場合をＢ（高温導電性が優れる）、抵抗値が３０ｍΩ・ｃｍ2超過であった場合をＣ（高温導電性が不十分である）と判断した。
（１）導電性
ステンレス鋼材を５．０質量％の弗酸及び１５質量％の硝酸を含む水溶液（液温６０℃）に１～５分浸漬することによって表面改質を行った後、コーティング処理を行って導電コーティング層を形成した。コーティング処理では、表面改質を行ったステンレス鋼材の表面にＣｏめっきが２～５μｍの厚みで形成されるように調整した。
導電コーティング層を形成したステンレス鋼材（以下、「導電コーティング層付きステンレス鋼材」という）２枚を大気雰囲気（露点２０℃：Ｈ2Ｏ濃度が約２．３１％）下にて６００℃で１０００時間熱暴露させた後、この２枚の導電コーティング層付きステンレス鋼材２枚を用いて図１に示すような測定用試験片を作製し、ポテンショスタットを用いた四端子法による測定を行った。具体的には以下のようにして行った。
まず、２枚の導電コーティング層付きステンレス鋼材１０の中央部に導電ペースト（Ａｇペースト）を正方形状（一辺が１０ｍｍ、厚さ１０μｍ）に塗布して乾燥させ、導電部２０を形成した。次に、２枚の導電コーティング層付きステンレス鋼材１０の導電部２０を重ねて十字型に配置した後、アルミナ板で挟み、重り（２００ｇ）を載せて電気炉で導電部２０の焼付けを行った（８５０℃×３０分）。次に、ミニターを用いて金属母材が露出するまで表面を削り、図１に示す配線取付部３０を形成した。次に、銀線４０（φ０．３ｍｍ）を配線取付部３０に巻き付け、導電ペーストを塗布して１５０℃で３０分間乾燥させることにより、測定用試験片を得た。次に、この測定用試験片を高温電気化学測定装置に配置し、ポテンショスタットを用いた四端子法により、電圧－電流曲線を求めた。この測定では、測定温度は６００℃とし、電圧を１０ｍＶまで掃引した。また、電圧－電流曲線の傾きから抵抗値を算出した。この評価において、抵抗値が２０ｍΩ・ｃｍ2以下であった場合をＡ（高温導電性が特に優れる）、抵抗値が２０ｍΩ・ｃｍ2超過３０ｍΩ・ｃｍ2以下であった場合をＢ（高温導電性が優れる）、抵抗値が３０ｍΩ・ｃｍ2超過であった場合をＣ（高温導電性が不十分である）と判断した。
（２）熱変形
ステンレス鋼材をＪＩＳ Ｒ１６０４：２００８に規定される高温曲げ強さ試験方法によって、熱変形を評価した。具体的には、外部支点間距離３０ｍｍの３点曲げ方式とし、ステンレス鋼材を切断加工して４ｍｍ×４０ｍｍの試験片を準備した。次に、試験片と３点曲げ試験機をマッフル炉に収容し、大気中で６５０℃に加熱した後、試験片に熱変形が生じる曲げ強さを測定した。曲げ強さが１５０ＭＰａ以上であった場合をＡ（熱変形の抑制効果が高い）、曲げ強さが１５０ＭＰａ未満であった場合をＣ（熱変形の抑制効果が低い）と判断した。
上記の各評価結果を表２に示す。
ステンレス鋼材をＪＩＳ Ｒ１６０４：２００８に規定される高温曲げ強さ試験方法によって、熱変形を評価した。具体的には、外部支点間距離３０ｍｍの３点曲げ方式とし、ステンレス鋼材を切断加工して４ｍｍ×４０ｍｍの試験片を準備した。次に、試験片と３点曲げ試験機をマッフル炉に収容し、大気中で６５０℃に加熱した後、試験片に熱変形が生じる曲げ強さを測定した。曲げ強さが１５０ＭＰａ以上であった場合をＡ（熱変形の抑制効果が高い）、曲げ強さが１５０ＭＰａ未満であった場合をＣ（熱変形の抑制効果が低い）と判断した。
上記の各評価結果を表２に示す。
表２に示されるように、試験Ｎｏ．１～１４（本発明例）のステンレス鋼材は、所定の組成を有しているため、導電性に優れ、熱変形の抑制効果が高かった。特に、試験Ｎｏ．２、７、１２及び１３のステンレス鋼材は、好ましい組成を有し且つ熱延板焼鈍を省略したものであったため、結晶方位比率が特に好ましい範囲を有し、導電性が非常に良好であった。また、試験Ｎｏ．２及び３の比較から、表面研削を行うことにより、表面から１０μｍの深さの位置における結晶方位比率が好ましい範囲となり、導電性が向上する傾向が確認された。
これに対して試験Ｎｏ．１５～２１（比較例）のステンレス鋼材は、組成又は有効Ｃｒ量が所定の範囲外であったため、熱延板焼鈍を省略して適切な結晶方位を有していても、導電性及び熱変形の抑制効果の一方又は両方が不十分であった。
これに対して試験Ｎｏ．１５～２１（比較例）のステンレス鋼材は、組成又は有効Ｃｒ量が所定の範囲外であったため、熱延板焼鈍を省略して適切な結晶方位を有していても、導電性及び熱変形の抑制効果の一方又は両方が不十分であった。
以上の結果からわかるように、本発明によれば、６００℃以下の温度における導電性に優れ、熱変形を抑制することが可能な固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材及びその製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、このような特徴を有する固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材を備える固体酸化物形燃料電池用部材及び固体酸化物形燃料電池を提供することができる。
１０ 導電コーティング層付きステンレス鋼材
２０ 導電部
３０ 配線取付部
４０ 銀線
２０ 導電部
３０ 配線取付部
４０ 銀線
Claims (11)
- 質量基準で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００３０％以下、Ｃｒ：２２．０～３２．０％、Ｍｏ：２．５０％以下、Ｎ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．３０％以下、Ｎｂ：０．４０％以下、Ｔｉ：０．０１～０．４０％、Ｎｉ：０．０１～１．００％、Ｃｕ：０．０１～１．００％を含み、下記式（１）で表される有効Ｃｒ量が２４．０～３５．０％であり、残部がＦｅ及び不純物からなる固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材。
有効Ｃｒ量（％）＝Ｃｒ＋２Ｍｏ＋２Ｓｉ＋５Ｎｂ＋２Ｔｉ－３（２Ｃ＋３Ｎ＋Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．２Ｃｕ） ・・・ （１）
式中、各元素記号は、各元素の含有量を表す。 - 質量基準で、Ｂ：０．００５０％以下、Ｓｎ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｗ：０．５％以下、Ｃａ：０．０１００％以下、Ｍｇ：０．０１０％以下、Ｚｒ：０．５０％以下、Ｃｏ：０．５％以下、Ｇａ：０．０１％以下、Ｈｆ：０．１０％以下、ＲＥＭ：０．１０％以下から選択される１種以上を更に含む、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材。
- 表面から１０μｍの深さの位置において、結晶方位｛２００｝に対する結晶方位｛２１１｝の結晶方位比率（｛２１１｝／｛２００｝）が１．５超過３．５未満である、請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材。
- 厚さ方向中心部の位置において、結晶方位｛２００｝に対する結晶方位｛２１１｝の結晶方位比率（｛２１１｝／｛２００｝）が０．５超過２．０未満である、請求項１～３のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材。
- セパレータ、インターコネクタ及び集電体から選択される１種以上の部材に用いられる、請求項１～４のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材。
- 質量基準で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００３０％以下、Ｃｒ：２２．０～３２．０％、Ｍｏ：２．５０％以下、Ｎ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．３０％以下、Ｎｂ：０．４０％以下、Ｔｉ：０．０１～０．４０％、Ｎｉ：０．０１～１．００％、Ｃｕ：０．０１～１．００％を含み、下記式（１）で表される有効Ｃｒ量が２４．０～３５．０％であり、残部がＦｅ及び不純物からなるスラブを熱間圧延した後、冷間圧延を行う固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材の製造方法。
有効Ｃｒ量（％）＝Ｃｒ＋２Ｍｏ＋２Ｓｉ＋５Ｎｂ＋２Ｔｉ－３（２Ｃ＋３Ｎ＋Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．２Ｃｕ） ・・・ （１）
式中、各元素記号は、各元素の含有量を表す。 - 前記スラブは、質量基準で、Ｂ：０．００５０％以下、Ｓｎ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｗ：０．５％以下、Ｃａ：０．０１００％以下、Ｍｇ：０．０１０％以下、Ｚｒ：０．５０％以下、Ｃｏ：０．５％以下、Ｇａ：０．０１％以下、Ｈｆ：０．１０％以下、ＲＥＭ：０．１０％以下から選択される１種以上を更に含む、請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材の製造方法。
- 前記冷間圧延前に、前記熱間圧延で得られた熱延材に対して酸洗を行った後に表面研削を行う、請求項６又は７に記載の固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材の製造方法。
- 前記熱延材に対して焼鈍を行わずに前記酸洗を行う、請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材の製造方法。
- 請求項１～５のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池用ステンレス鋼材を備える固体酸化物形燃料電池用部材。
- 請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池用部材を備える固体酸化物形燃料電池。
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