(57)【要約】【課題】高いクリープ破断強度とクリープ破断延性とを有し、さらに耐溶接割れ性が良好であるオーステナイト系耐熱鋼を提供する。【解決手段】質量％で、C：0.02〜0.10％、Si：0.01〜0.50％、Mn：0.10〜1.50％、P：0.040％以下、S：0.020％以下、Cr：19.0〜23.0％、Ni：22.0〜28.0％、Co：0.03〜1.0％、Mo：1.20〜1.80%、Nb：0.10〜0.40％、B：0.0010〜0.0050％、Al：0.010〜0.040％、N：0.10〜0.25％、Cu：0.30％以下、Ti：0.0070％以下、O:0.0040％以下、V：0〜0.40％、W：0〜3.0％、REM：0〜0.050％、Mg：0〜0.050％、Ca：0〜0.050％、Zr：0〜0.10％、Hf：0〜1.0％、Ta：0〜1.0％、Re：0〜5.0％、残部：Feおよび不純物であり、[2.7≦Mo+0.5W+7.2N≦3.2]、［0.2≦Nb+2V+7N-3Si≦1.3］および［析出Cr/200+析出Nb/80+析出V/150+7×10-5d≦15B+REM≦0.075］を満足する、オーステナイト系耐熱鋼。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０２〜０．１０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｃｒ：１９．０〜２３．０％、
Ｎｉ：２２．０％〜２８．０％、
Ｃｏ：０．０３〜１．０％、
Ｍｏ：１．２０〜１．８０％
Ｎｂ：０．１０〜０．４０％、
Ｂ：０．００１０〜０．００５０％、
Ａｌ：０．０１０〜０．０４０％、
Ｎ：０．１０％〜０．２５％、
Ｃｕ：０．３０％以下、
Ｔｉ：０．００７０％以下、
Ｏ：０．００４０％以下、
Ｖ：０〜０．４０％、
Ｗ：０〜３．０％、
ＲＥＭ：０〜０．０５０％、
Ｍｇ：０〜０．０５０％、
Ｃａ：０〜０．０５０％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｈｆ：０〜１．０％、
Ｔａ：０〜１．０％、
Ｒｅ：０〜５．０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式、（ii）式、（iii）式を満足する、
オーステナイト系耐熱鋼。
２．７≦［Ｍｏ］＋０．５［Ｗ］＋７．２［Ｎ］≦３．２      ・・・（ｉ）
０．２≦［Ｎｂ］＋２［Ｖ］＋７［Ｎ］−３［Ｓｉ］≦１．３      ・・・（ii）
［析出Ｃｒ］／２００＋［析出Ｎｂ］／８０＋［析出Ｖ］／１５０＋７×１０−５ｄ
≦  １５［Ｂ］＋［ＲＥＭ］≦  ０．０７５      ・・・（iii）
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を表す。
［析出Ｃｒ］、［析出Ｎｂ］、［析出Ｖ］は７００℃、３０００ｈ時効後の抽出残渣分析によって得られるＣｒ析出量、Ｎｂ析出量、Ｖ析出量（質量％）から時効前の抽出残渣分析によって得られるＣｒ析出量、Ｎｂ析出量、Ｖ析出量（質量％）をそれぞれ差し引いた量を表す。ｄは平均結晶粒径（μｍ）を表す。
【請求項２】
前記化学組成が、質量％で、
Ｖ：０．０５〜０．４０％、
Ｗ：０．０５〜３．０％、
ＲＥＭ：０．００５０〜０．０５０％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０５０％、
Ｃａ：０．０００５〜０．０５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．１０％、
Ｈｆ：０．００５〜１．０％、
Ｔａ：０．０１〜１．０％、および、
Ｒｅ：０．０１〜５．０％、
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耐熱鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーステナイト系耐熱鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高温環境下で使用される火力発電用ボイラおよび化学プラント等においては、装置用材料としてＳＵＳ３０４Ｈ、ＳＵＳ３１６Ｈ、ＳＵＳ３２１Ｈ、ＳＵＳ３４７Ｈ等の１８−８系オーステナイトステンレス鋼が使用されてきた。
【０００３】
しかし、近年、高効率化のために蒸気の温度と圧力とを高めた超々臨界圧ボイラの新設が世界中で進められている。このような高温環境下における装置の使用条件が著しく過酷化し、それに伴って使用材料に対する要求性能が厳しくなってきた。そして、従来用いられてきた１８−８系オーステナイトステンレス鋼では耐食性に加え、高温強度、特にクリープ破断強度と、耐水蒸気酸化性および耐高温腐食性とが著しく不足する状況となっている。
【０００４】
そこで、Ｃｒを２０％程度以上含有するオーステナイト系ステンレス鋼において、各種元素の最適量添加により、クリープ破断強度を改善したオーステナイト系ステンレス鋼が開発されてきた。しかしながら、最近、例えば火力発電用ボイラの分野では、蒸気温度を７００℃以上に高める計画が推進されるようになってきた。この場合、使用される部材の温度は７００℃を遙かに超えることとなる。そのため、新たに改良されたオーステナイト系ステンレス鋼でもクリープ破断強度および耐食性が不十分となってきた。
【０００５】
上記の問題を解決するため、これまで様々な研究がなされてきた。例えば、特許文献１には、２０％を超え２８％未満のＣｒを含有するオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。同文献には、Ｃｕ、Ｎｂ及びＮを複合添加するとともに、Ｃｕ含有量に応じてＰ及びＯを制御することで、クリープ破断強度、クリープ破断延性、及び熱間加工性を改善したことが記載されている。
【０００６】
特許文献２には、１５〜３０％のＣｒを含有するオーステナイト系ステンレス鋼において、Ｐ、Ｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎ及びＡｓの含有量を制限することで、溶接熱影響部の耐脆化割れ性を改善したことが開示されている。特許文献３には、２２％を超え３０％未満のＣｒを含有するオーステナイト系ステンレス鋼において、Ｐ、Ｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎ及びＡｓの含有量を制限することで、経年材の加工性を改善したことが開示されている。
【０００７】
特許文献４には、２０〜２７％のＣｒを含有し、クリープ破断強度、耐水蒸気酸化性等に優れるオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。特許文献５には、１８．０〜２６．０％のＣｒを含有するオーステナイト系ステンレス鋼において、Ｍｏ、Ｗ及びＮを複合添加することで、高いクリープ破断強度を得られることが開示されている。
【０００８】
特許文献６には、１８〜２３％のＣｒを含有するオーステナイト系耐熱鋼において、オーステナイトバランスを規定することで、優れた高温強度と時効後靱性とを得られることが開示されている。特許文献７には、１８〜２３％のＣｒを含有するオーステナイト系耐熱鋼において、Ｍｏ、Ｗ、及びＮｂの添加量を最適化することで、優れたクリープ破断強度を得られることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３２３９３７号公報
【特許文献２】特許第４２５８６７８号公報
【特許文献３】特開２００９−０８４６０６号公報
【特許文献４】特表２００２−５３７４８６号公報
【特許文献５】特開２０１２−００１７４９号公報
【特許文献６】特開２０１３−０４４０１３号公報
【特許文献７】特開２０１３−０６７８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、クリープ破断強度の向上を重視した鋼では、高温長時間側におけるクリープ破断延性が低めになる場合があることが明らかとなってきた。そのため、従来技術においては、高いクリープ破断強度およびクリープ破断延性の観点からは十分ではない場合があることが分かった。また、構造物として使用する際に必須となる耐溶接割れ性についても改善の余地が残されている。
【００１１】
本発明は上記の問題を解決し、長時間の組織安定性に優れ、高いクリープ破断強度とクリープ破断延性とを有し、さらに耐溶接割れ性が良好であるオーステナイト系耐熱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】
【００１２】
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耐熱鋼を要旨とする。
【００１３】
（１）Ｃ：０．０２〜０．１０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｃｒ：１９．０〜２３．０％、
Ｎｉ：２２．０％〜２８．０％、
Ｃｏ：０．０３〜１．０％、
Ｍｏ：１．２０〜１．８０％
Ｎｂ：０．１０〜０．４０％、
Ｂ：０．００１０〜０．００５０％、
Ａｌ：０．０１０〜０．０４０％、
Ｎ：０．１０％〜０．２５％、
Ｃｕ：０．３０％以下、
Ｔｉ：０．００７０％以下、
Ｏ：０．００４０％以下、
Ｖ：０〜０．４０％、
Ｗ：０〜３．０％、
ＲＥＭ：０〜０．０５０％、
Ｍｇ：０〜０．０５０％、
Ｃａ：０〜０．０５０％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｈｆ：０〜１．０％、
Ｔａ：０〜１．０％、
Ｒｅ：０〜５．０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式、（ii）式、（iii）式を満足する、
オーステナイト系耐熱鋼。
２．７≦［Ｍｏ］＋０．５［Ｗ］＋７．２［Ｎ］≦３．２      ・・・（ｉ）
０．２≦［Ｎｂ］＋２［Ｖ］＋７［Ｎ］−３［Ｓｉ］≦１．３      ・・・（ii）
［析出Ｃｒ］／２００＋［析出Ｎｂ］／８０＋［析出Ｖ］／１５０＋７×１０−５ｄ
≦  １５［Ｂ］＋［ＲＥＭ］≦  ０．０７５      ・・・（iii）
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を表す。
［析出Ｃｒ］、［析出Ｎｂ］、［析出Ｖ］は７００℃、３０００ｈ時効後の抽出残渣分析によって得られるＣｒ析出量、Ｎｂ析出量、Ｖ析出量（質量％）から時効前の抽出残渣分析によって得られるＣｒ析出量、Ｎｂ析出量、Ｖ析出量（質量％）をそれぞれ差し引いた量を表す。ｄは平均結晶粒径（μｍ）を表す。
【００１４】
（２）前記化学組成が、質量％で、
Ｖ：０．０５〜０．４０％、
Ｗ：０．０５〜３．０％、
ＲＥＭ：０．００５０〜０．０５０％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０５０％、
Ｃａ：０．０００５〜０．０５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．１０％、
Ｈｆ：０．００５〜１．０％、
Ｔａ：０．０１〜１．０％、および、
Ｒｅ：０．０１〜５．０％、
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耐熱鋼。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、長時間の組織安定性に優れ、高いクリープ破断強度とクリープ破断延性とを有し、さらに耐溶接割れ性が良好であるオーステナイト系耐熱鋼が得られる。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
【００１７】
１．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。
【００１８】
Ｃ：０．０２〜０．１０％
Ｃは炭化物を形成してオーステナイト系耐熱合金として必要な高温引張強さ、クリープ破断強度を保持する上で必須の元素である。しかし、その含有量が過剰であると、未固溶炭化物が生じるだけでなく、Ｃｒの炭化物が増えて延性、靭性などの機械的性質および耐溶接割れ性を劣化させる。したがって、Ｃ含有量は０．０２〜０．１０％とする。Ｃ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．０９％以下であるのが好ましい。
【００１９】
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％
Ｓｉは脱酸元素として含有される。また、Ｓｉは耐酸化性・耐水蒸気酸化性等を高めるのに有効な元素である。しかし、その含有量が過剰であると、Ｌａｖｅｓ相または窒化物などの析出量、析出形態に影響を及ぼし、クリープ破断強度の低下を招く。したがって、Ｓｉ含有量は０．０１〜０．５０％とする。Ｓｉ含有量は０．４５％以下であるのが好ましく、０．４０％以下であるのがより好ましい。
【００２０】
Ｍｎ：０．１０〜１．５０％
ＭｎはＳｉと同様に溶鋼の脱酸作用を有するとともに、鋼中に不可避的に含有されるＳを硫化物として固着し高温での延性を改善する。しかし、その含有量が過剰であると、σ相等の金属間化合物相の析出を助長し、組織安定性、高温強度、機械的性質が劣化する。したがってＭｎ含有量は０．１０〜１．５０％とする。Ｍｎ含有量は０．２０％以上であるのが好ましい。また、Ｍｎ含有量は１．２０％以下であるのが好ましく、１．００％以下であるのがより好ましい。
【００２１】
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは不可避的不純物として鋼中に含まれ、耐溶接割れ性および高温での延性を著しく低下させる。したがって、Ｐ含有量は０．０４０％以下とする。Ｐ含有量は極力低くすることが好ましく、０．０３０％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。
【００２２】
Ｓ：０．０２０％以下
ＳはＰと同様に鋼中に不可避的不純物として含有され、耐溶接割れ性および高温での延性を著しく低下させる。したがって、Ｓ含有量は０．０２０％以下とする。熱間加工性を重視する場合は、Ｓ含有量は０．０１０％以下であるのが好ましく、０．００３％以下であるのがより好ましい。
【００２３】
Ｃｒ：１９．０〜２３．０％
Ｃｒは耐酸化性、耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性などの耐食性改善に優れた作用を発揮するとともに、Ｃｒ炭窒化物を形成しクリープ破断強度にも寄与する重要な元素である。しかし、その含有量が過剰であると、σ相の析出などによる組織の不安定化を招き、耐溶接割れ性も劣化する。したがって、Ｃｒ含有量は１９．０〜２３．０％とする。Ｃｒ含有量は２０．０％以上であるのが好ましく、２２．５％以下であるのが好ましい。
【００２４】
Ｎｉ：２２．０％〜２８．０％
Ｎｉはオーステナイト組織を安定にする元素であり、耐食性の確保にも有効な元素である。上記のＣｒ含有量とのバランスから、Ｎｉ含有量が不足すると、σ相が高温長時間側で析出し、クリープ破断強度、クリープ破断延性および靭性が著しく低下する。しかし、その含有量が過剰であると、耐溶接割れ性および経済性を損なう。したがって、Ｎｉ含有量は２２．０〜２８．０％とする。Ｎｉ含有量は２３．０％以上であるのが好ましく、２７．０％以下であるのが好ましい。また、Ｎｉ含有量はＭｏ、Ｗ等のフェライト安定化元素の含有量も考慮して調整するのが好ましい。
【００２５】
Ｃｏ：０．０３〜１．０％
ＣｏはＮｉと同様オーステナイト組織を安定にし、クリープ強度向上にも寄与する重要な元素である。その含有量が０．０３％未満では効果がない。しかし、その含有量が過剰であると、経済性が低下するだけでなく、放射性元素として溶解炉などの汚染が懸念される。したがって、Ｃｏ含有量は０．０３〜１．０％とする。好ましい含有量は０．０５〜０．９％である。さらに好ましくは０．１〜０．８％である。
【００２６】
Ｍｏ：１．２０〜１．８０％
本発明においてはクリープ破断延性を確保しながらクリープ破断強度を向上させるために、Ｍｏの固溶強化を十分発揮させながら、Ｍｏを含有する金属間化合物や窒化物を析出させない範囲で最適量のＭｏを含有させる必要がある。そのため、Ｍｏ含有量は１．２０〜１．８０％とする。好ましくは１．３０〜１．７０％、さらに好ましくは１．４０〜１．６０％である。
【００２７】
Ｎｂ：０．１０〜０．４０％
ＮｂはＶとともに微細な炭窒化物を形成し、クリープ破断強度の向上に大きく寄与する元素である。さらに、結晶粒界におけるＣｒ炭窒化物の析出を抑制し、耐応力腐食割れ性の向上にも寄与する。しかし、その含有量が過剰であると、クリープ破断延性および靭性が低下し、耐溶接割れ性、熱間加工性も劣化する。したがって、Ｎｂ含有量は０．１０〜０．４０％とする。Ｎｂ含有量は０．１５％以上であるのが好ましく、０．２０％以上であるのがより好ましい。また、Ｎｂ含有量は０．３５％以下であるのが好ましい。
【００２８】
Ｂ：０．００１０〜０．００５０％
Ｂは炭化物中または母相に存在し、析出する炭化物などの微細化を促進するだけでなく、粒界を強化することでクリープ破断強度および破断延性を向上させる元素である。しかし、その含有量が過剰であると、高温での延性が低下し融点も低下する。したがって、Ｂ含有量は０．００１０〜０．００５０％とする。Ｂ含有量は０．００１５％以上であるのが好ましく、０．００２０％以上であるのがより好ましい。また、Ｂ含有量は０．００４５％以下であるのが好ましい。
【００２９】
Ａｌ：０．０１０〜０．０４０％
Ａｌは溶鋼の脱酸剤として含有させる元素であり、その作用を発揮させるために０．０１０％以上必要である。しかし、その含有量が過剰であると、非金属介在物が多量析出し、延性、靭性および加工性などが劣化する。したがって、Ａｌ含有量は０．０１０〜０．０４０％とする。Ａｌ含有量は０．０３８％以下であるのが好ましく、０．０３５％以下であるのがより好ましい。
【００３０】
Ｎ：０．１０〜０．２５％
ＮはＮｂまたはＶとともに窒化物を形成し、クリープ破断強度を向上させる元素である。また、固溶強化で引張強度も向上させる効果もある。さらにオーステナイト組織を安定化する作用を有する元素でもある。しかし、その含有量が過剰であると、過剰の窒化物析出による延性および靭性の低下が生じるだけでなく、鋼中にブローホール欠陥を形成する。したがって、Ｎ含有量は０．１０〜０．２５％とする。Ｎ含有量は０．１２％以上であるのが好ましく、０．２３％以下であるのが好ましい。
【００３１】
Ｃｕ：０．３０％以下
通常のオーステナイト鋼において、Ｃｕは微細なＣｕ相として析出しクリープ破断強度を向上させるが、Ｖ、Ｎｂの窒化物およびＭｏの固溶強化などで７００℃以上の高温側まで十分高いクリープ破断強度を確保した上で、クリープ破断延性および靭性を重視する本発明鋼においては、ＲＥＭによる延性向上効果を阻害することも判明した。そのため、溶解原料などから不可避的に混入するＣｕの含有量は０．３０％以下に制限する。
【００３２】
Ｔｉ：０．００７０％以下
０．１０％以上のＮを含有する本発明鋼において、Ｔｉはクリープ破断強度に寄与しない粗大なＴｉ窒化物を形成しＮを消費するため、Ｎ含有によるクリープ破断強度向上効果を低減させる。そのため、本発明において極力低減することが望ましくＴｉ含有量は０．００７０％以下に制限する。
【００３３】
Ｏ：０．００４０％以下
Ｏは介在物となり、延性、靭性、加工性などが著しく劣化する。そのため、本発明において極力低減することが望ましくＯ含有量は０．００４０％以下に制限する。
【００３４】
Ｖ：０〜０．４０％
ＶはＮｂとともに微細な炭窒化物を形成し、クリープ破断強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、Ｖ含有量が０．４０％を超えるとクリープ破断延性や靭性が低下し、さらに耐高温腐食性も劣化する。したがって、含有させる場合のＶ含有量は０．４０％以下とする。Ｖ含有量は０．３８％以下とであるのが好ましく、０．３５％以下であるのがより好ましい。一方、上記効果を得たい場合には、Ｖ含有量は０．０５％以上とするのが好ましい。Ｖ含有量は０．１０％以上であるのがより好ましい。
【００３５】
Ｗ：０〜３．０％
Ｗは母相に固溶し、Ｍｏと同様に固溶強化元素としてクリープ強度向上に寄与するため、必要に応じてＷを含有させてもよい。しかし、Ｗを過剰に含有させると、金属間化合物または窒化物が析出する。したがって、含有させる場合のＷ含有量は３．０％以下とする。一方、上記効果を得たい場合には、Ｗ含有量は０．０５％以上とするのが好ましい。Ｗ含有量は０．５％以上であるのがより好ましく、１．０％以上であるのがさらに好ましい。
【００３６】
ＲＥＭ：０〜０．０５０％
ＲＥＭは粒界のＳを硫化物として固定し、特に高温長時間側のクリープ破断延性を向上させるため、必要に応じてＢとともに含有させてもよい。さらにＲＥＭは鋼表面のＣｒ２Ｏ３保護皮膜の密着性を改善し、特に、繰り返し酸化時の耐酸化性を改善する作用も有する。しかし、その含有量が過剰であると、粒界の融点が低下するため、耐溶接割れ性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＲＥＭ含有量は０．０５０％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．０４５％以下であるのが好ましく、０．０４０％以下であるのがより好ましい。一方、上記効果を得たい場合にはＲＥＭ含有量は０．００５０％以上とするのが好ましい。
【００３７】
なお、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素を指し、前記ＲＥＭの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。
【００３８】
Ｍｇ：０〜０．０５０％
Ｍｇは高温での延性を阻害するＳを硫化物として固定して高温延性を改善する作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、清浄性が低下し、かえって高温延性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＭｇ含有量は０．０５０％以下とする。Ｍｇ含有量は０．０２０％以下であるのが好ましく、０．０１０％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｍｇ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
【００３９】
Ｃａ：０〜０．０５０％
Ｃａは高温での延性を阻害するＳを硫化物として固定して高温延性を改善する作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、清浄性が低下し、かえって高温延性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＣａ含有量は０．０５０％以下とする。Ｃａ含有量は０．０２０％以下であるのが好ましく、０．０１０％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｃａ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．００１％以上とするのがより好ましい。
【００４０】
Ｚｒ：０〜０．１０％
Ｚｒは炭窒化物の微細化を促進するとともに、粒界強化元素としてクリープ破断強度を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、高温での延性が低下する。したがって、含有させる場合のＺｒ含有量は０．１０％以下とする。Ｚｒ含有量は０．０６％以下であるのが好ましく、０．０５％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｚｒ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１％以上であるのがより好ましい。
【００４１】
Ｈｆ：０〜１．０％
Ｈｆは炭窒化物として析出強化に寄与しクリープ破断強度を向上させる作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、加工性および耐溶接割れ性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＨｆ含有量は１．０％以下とする。Ｈｆ含有量は０．８０％以下であるのが好ましく、０．５０％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｈｆ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１％以上であるのがより好ましく、０．０２％以上であるのがさらに好ましい。
【００４２】
Ｔａ：０〜１．０％
Ｔａは炭窒化物を形成するとともに固溶強化元素として高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＴａ含有量は１．０％以下とする。Ｔａ含有量は０．７０％以下であるのが好ましく、０．６０％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｔａ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０５％以上であるのがより好ましく、０．１０％以上であるのがさらに好ましい。
【００４３】
Ｒｅ：０〜５．０％
Ｒｅは主として固溶強化元素として高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＲｅ含有量は５．０％以下とする。Ｒｅ含有量は４．０％以下であるのが好ましく、３．０％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｒｅ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．１０％以上であるのがより好ましく、０．５０％以上であるのがさらに好ましい。
【００４４】
本発明に係るオーステナイト系耐熱鋼の化学組成は、各元素の含有量が上述した範囲であるとともに、下記（ｉ）式、（ii）式、（iii）式を満足する。それぞれについて説明する。
【００４５】
本発明においてはクリープ破断延性を確保しながらクリープ破断強度を確保するために、ＭｏおよびＮ、必要に応じてＷをその固溶強化能を十分発現させながら、金属間化合物および窒化物を析出させない範囲で含有させるため、それらの含有量が下記（ｉ）式を満足するように調整する必要がある。
【００４６】
（ｉ）式中辺値を２．７以上とすることにより、クリープ破断強度を確保するのに必要な固溶強化能を発現させることができる。一方、（ｉ）式中辺値を３．２以下とすることにより、金属間化合物および窒化物の析出を抑制し、十分なクリープ破断延性を確保することが可能となる。
２．７≦［Ｍｏ］＋０．５［Ｗ］＋７．２［Ｎ］≦３．２      ・・・（ｉ）
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を表す。
【００４７】
本発明においては、高温長時間における十分なクリープ破断強度および破断延性と、靭性との確保のために、主として窒化物を形成するＮｂ、ＶおよびＮ、これらの析出量および析出形態に影響を及ぼすＳｉの含有量を、下記（ii）式を満足するよう調整する必要がある。
【００４８】
（ii）式中辺値を０．２以上とすることにより、十分な粒内の析出強化効果が得られる。一方、（ii）式中辺値を１．３以下とすることにより、粒内が過度に強化されることによる破断延性および靭性の低下を抑制することが可能となる。
０．２≦［Ｎｂ］＋２［Ｖ］＋７［Ｎ］−３［Ｓｉ］≦１．３      ・・・（ii）
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を表す。
【００４９】
本発明においては主として粒内に析出し強化に寄与するＣｒ、Ｎｂ、Ｖの析出物量および結晶粒径に応じて適正に粒界強度を向上させ、クリープ破断延性および耐ＳＲ割れ性を向上させるとともに、十分な溶接性を確保するために、ＢおよびＲＥＭの含有量が下記（iii）式を満足するよう調整する必要がある。
【００５０】
（iii）式中辺値の下限を［析出Ｃｒ］／２００＋［析出Ｎｂ］／８０＋［析出Ｖ］／１５０＋７×１０−５ｄとすることにより、析出強化度および粒径に応じて適切に粒界強度を向上させ、クリープ破断延性および耐ＳＲ割れ性を飛躍的に向上させることができる。また、（iii）式中辺値を０．０７５以下とすることにより、十分な耐溶接割れ性を確保することができる。
［析出Ｃｒ］／２００＋［析出Ｎｂ］／８０＋［析出Ｖ］／１５０＋７×１０−５ｄ
≦  １５［Ｂ］＋［ＲＥＭ］≦  ０．０７５      ・・・（iii）
【００５１】
但し、上記式中の［析出Ｃｒ］、［析出Ｎｂ］、［析出Ｖ］は、７００℃、３０００ｈ時効後の抽出残渣分析によって得られるＣｒ析出量、Ｎｂ析出量、Ｖ析出量から時効前の抽出残渣分析によって得られるＣｒ析出量、Ｎｂ析出量、Ｖ析出量をそれぞれ差し引いた値（質量％）であり、ｄは平均結晶粒径（μｍ）であり、［Ｂ］、［ＲＥＭ］は各元素の含有量（質量％）である。なお、好ましい粒径の範囲は１００〜２００μｍ、さらに好ましくは１００〜１７０μｍである。
【００５２】
本発明のオーステナイト系耐熱鋼の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。また、ここで「不純物」とは、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。
【００５３】
２．製造方法
本発明のオーステナイト系耐熱鋼の製造方法については特に制限はないが、例えば、上述の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施すことによって製造することができる。また、当該熱間加工の後に、必要に応じて熱間押出等の異なる方法の熱間加工をさらに施してもよい。さらに、必要に応じて焼鈍を行った後、冷間加工を施してもよい。
【００５４】
上記の工程の後、部位ごとの金属組織および機械的性質のばらつきを抑制し、高いクリープ破断強度を保持するために、１１００〜１２５０℃の温度範囲まで加熱して保持する最終熱処理を施してもよい。最終熱処理を施す場合の好ましい温度範囲は１１００〜１２２０℃である。さらに好ましい上限温度は１２００℃未満である。最終熱処理の上限温度を１２００℃未満とすることにより容易に粒径を１７０μｍ以下にすることができる。加熱保持後は水冷することが望ましい。
【００５５】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００５６】
表１および表２に示す化学組成を有する鋼（鋼１〜３、Ａ〜Ｆ）を高周波真空溶解炉で溶製し、３０ｋｇのインゴットを得た。
【００５７】
【表１】
2020164919.tif 000002
【００５８】
【表２】
2020164919.tif 000003
【００５９】
得られたインゴットを、１２００℃に加熱した後、仕上げ温度が１０００℃となるように熱間鍛造して、厚さ１５ｍｍの板材とした。この厚さ１５ｍｍの板材を用いて、１１００℃で軟化熱処理を施した後、１０ｍｍまで冷間圧延し、さらに、鋼１および鋼Ａ〜Ｄ、Ｆは１２１０℃、鋼２は１１９０℃、鋼３は１１７０℃、鋼Ｅは１２５０℃で各３０分保持（溶体化熱処理）してから水冷し、試験材を得た。
【００６０】
各試料について、肉厚中央部から組織観察用の試験片を採取し、長手方向の断面をエメリーペーパーとバフで研磨後、混酸で腐食して光学顕微鏡観察を行った。観察面の結晶粒径はＪＩＳ  Ｇ  ０５５１（２０１３）に規定される交差線分による測定方法に従って求めた。さらに肉厚中央部長手方向から抽出残渣分析用の試験片を採取した。
【００６１】
上記の各試験材の一部を用いて、７００℃、３０００ｈの時効を行い、時効後水冷した試験材の長手方向肉厚中央部から、抽出残渣分析用の試験片を採取した。前記の時効前、時効後のそれぞれの試験片の表面積を求めた上でそれぞれ１０％アセチルアセトン−１％テトラメチルアンモニウムクロライド−メタノール溶液中で２０ｍＡ／ｃｍ２の電解条件で合金部材の母材のみを完全に電解して析出物を残渣として抽出し、この抽出残渣を定量分析することによってＣｒ析出物、Ｎｂ析出物、Ｖ析出物として含まれるＣｒ、Ｎｂ、Ｖの含有量（質量％）を測定し、７００℃、３０００ｈの時効後の析出Ｃｒ量、析出Ｎｂ量、析出Ｖ量から時効前の析出Ｃｒ量、析出Ｎｂ量、析出Ｖ量をそれぞれ差し引き、（iii）式に示される［析出Ｃｒ］、［析出Ｎｂ］、［析出Ｖ］を求めた。
【００６２】
それらの結果を表２に併せて示す。
【００６３】
上記の溶体化熱処理後の各試験材の一部を用いて、厚さ方向中心部から、長手方向に平行に、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１：２０１１に記載される直径が６ｍｍで標点距離が３０ｍｍの丸棒引張試験片を機械加工により作製し、クリープ破断試験を実施した。クリープ破断試験は７５０℃、１１０ＭＰａで実施し、破断時間および破断伸びを測定した。そして、破断時間が１２００時間以上の場合に、クリープ破断強度が優れると判断し、クリープ破断伸びが３５％以上の場合に、クリープ破断延性が優れると判断した。
【００６４】
次に、上記の各試験材の一部から、機械加工によって厚さ１０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの板状の試験片を得た。その試験片の長手方向に沿って開先加工を施し、開先加工を施した試験片同士を突き合わせ、以下の手順でそれぞれ２継手ずつ突合せ溶接を行って溶接継手を作製した。
【００６５】
まず、ガスタングステンアーク溶接法によって、溶加材料を用いず、５ｋＪ／ｃｍの入熱量で初層のみ溶接した後、市販の炭素鋼板の上に置き、四隅を拘束溶接した。その後、ＪＩＳ  Ｚ  ３３３４に規定のＳＮｉ６６２５相当のＴＩＧワイヤを用いて、入熱１０〜１５ｋＪ／ｃｍでＴＩＧ溶接により開先内に積層溶接を行って溶接継手を作製した。
【００６６】
作製した溶接継手の各５か所から、観察面が継手の横断面（溶接ビードと垂直な断面）になるように試料を採取した。採取した試料を研磨、腐食した後、光学顕微鏡観察により溶接熱影響部における割れの有無を調査した。そして、５個の試料の全て、または４個で割れが観察されなかった場合に、耐溶接割れ性が優れると判断して「良好」とし、それ以外を「不良」とした。
【００６７】
それらの評価結果を表３にまとめて示す。
【００６８】
【表３】
2020164919.tif 000004
【００６９】
表３に示すように、本発明の規定を満足する鋼１〜３では、クリープ破断時間が１２００時間以上、クリープ破断伸びが３５％以上、耐溶接割れ性が良好であった。それに対して、比較例である鋼Ａ〜Ｆでは、クリープ破断強度、クリープ破断伸び、および耐溶接割れ性のいずれかが劣る結果となった。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明によれば、長時間の組織安定性に優れ、高いクリープ破断強度とクリープ破断延性とを有し、さらに耐溶接割れ性が良好であるオーステナイト系耐熱鋼が得られる。そのため、本発明のオーステナイト系耐熱鋼は、高温環境下で使用される火力発電用ボイラおよび化学プラント等の大型構造部材として好適に用いることができる。