(57)【要約】【課題】厚さが２０ｍｍ以上の厚肉の場合であっても、熱間加工時の表面欠陥が防止できるオーステナイト系耐熱合金部材を提供する。【解決手段】厚さ２０ｍｍ以上のオーステナイト系耐熱合金部材であって、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：４０〜５５％、Ｃｒ：２０〜３５％、Ｗ：３〜１０％、Ｔｉ：０．０１〜１．２％、Ａｌ：０．３％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、Ｎ：０．０２％以下およびＯ：０．０１％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、表層がＡＳＴＭ粒度番号７番以上の再結晶粒からなる金属組織を有し、部材の厚さ中央部がＡＳＴＭ粒度番号４番以下の結晶粒からなる金属組織を有するオーステナイト系耐熱合金部材。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ２０ｍｍ以上のオーステナイト系耐熱合金部材であって、
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：４０〜５５％、Ｃｒ：２０〜３５％、Ｗ：３〜１０％、Ｔｉ：０．０１〜１．２％、Ａｌ：０．３％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、Ｎ：０．０２％以下およびＯ：０．０１％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、
表層がＡＳＴＭ粒度番号７番以上の再結晶粒からなる金属組織を有し、
部材の厚さ中央部がＡＳＴＭ粒度番号４番以下の結晶粒からなる金属組織を有することを特徴とするオーステナイト系耐熱合金部材。
【請求項２】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらに下記に示す群から選択される１種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系耐熱合金部材。
第１群：Ｃａ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．１％以下
第２群：Ｃｏ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｍｏ：１％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下およびＺｒ：０．５％以下
【請求項３】
前記表層を含む試験片を、１１００℃において０．０００１ｓ−１のひずみ速度で引張試験を行い、伸びが１０％となった時の試験片内部における割れの深さが２０μｍ以下（０を含む）であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のオーステナイト系耐熱合金部材。
【請求項４】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：４０〜５５％、Ｃｒ：２０〜３５％、Ｗ：３〜１０％、Ｔｉ：０．０１〜１．２％、Ａｌ：０．３％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、Ｎ：０．０２％以下およびＯ：０．０１％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有する素材の表面に強加工を施し、再結晶熱処理を行うことで、
厚さ２０ｍｍ以上であり、
表層がＡＳＴＭ粒度番号７番以上の再結晶粒からなる金属組織を有し、
部材の厚さ中央部がＡＳＴＭ粒度番号４番以下の結晶粒からなる金属組織を有するオーステナイト系耐熱合金部材を製造するのに際して用いられるオーステナイト系耐熱合金素材であって、
該強加工後で該再結晶熱処理前における素材表層の硬さがＨＶ０．１で３００以上であることを特徴とするオーステナイト系耐熱合金素材。
【請求項５】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらに下記に示す群から選択される１種以上の元素を含有することを特徴とする請求項４に記載のオーステナイト系耐熱合金素材。
第１群：Ｃａ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．１％以下
第２群：Ｃｏ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｍｏ：１％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下およびＺｒ：０．５％以下
【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合金部材に係り、特に、熱間加工時の表面での割れ（以下、「表面欠陥」ということがある。）を防止できて、発電用ボイラの主蒸気管や再熱蒸気管など、厚肉、大径の高温部材として好適に用いることができるオーステナイト系耐熱合金部材およびそれを製造するのに際して用いられるオーステナイト系耐熱合金素材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷軽減の観点から発電用ボイラ等では運転条件の高温・高圧化が世界的規模で進められており、過熱器管や再熱器管の材料として使用されるオーステナイト系耐熱合金には、より優れた高温強度および耐食性を有することが求められている。
【０００３】
また、従来フェライト系耐熱鋼が使用されていた、主蒸気管、再熱蒸気管等の大径かつ厚肉の部材においても、オーステナイト系耐熱合金の適用が検討されている。
【０００４】
このような技術的背景のもと、種々のオーステナイト系耐熱合金に関する技術が提案されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、表面加工を施して３３０ＨＶ以上となる塑性加工硬化層を表面に形成させた後、その硬化した表面部分に対して、十分な再結晶を生じさせるとともに再結晶粒内または粒界にＣｒ炭化物を分散して析出させるための局部的な加熱処理を施して、耐粒界腐食性と耐応力腐食割れ性を高めた、オーステナイト系合金構造物およびその製造法が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、Ｎｉ基合金製品が提案されている。このＮｉ基合金製品は、Ｗを活用して高温強度を高めるとともに、有効Ｂ量を管理することにより、熱間加工性を改善するとともに溶接割れを防止した、特に大型製品として好適なオーステナイト系耐熱合金製品である。
【０００７】
特許文献３には、Ｃｒ、ＴｉおよびＺｒの活用によりα−Ｃｒ相を強化相としてクリープ強度を高めた、オーステナイト系耐熱合金ならびに、その合金からなる耐熱耐圧部材およびその製造方法が提案されている。
【０００８】
特許文献４には、多量のＷを含有させるとともにＡｌおよびＴｉを活用して、固溶強化とγ’相の析出強化によって強度を高めた、Ｎｉ基耐熱合金が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−２６５２４９号公報
【特許文献２】特開２０１１−６３８３８号公報
【特許文献３】国際公開第２００９／１５４１６１号
【特許文献４】国際公開第２０１０／０３８８２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
オーステナイト系耐熱合金を構造物として使用するために、一般に、溶接、熱間加工等が施される。溶接が施される場合、主に冶金的要因に起因した様々な割れが溶接部に発生しやすいことが知られている。
【００１１】
しかしながら、特許文献１は、耐粒界腐食性および耐応力腐食割れ性の向上を目的とする技術でしかなく、溶接部の割れ発生に配慮して開発されたものではない。さらに、熱間加工性についても全く検討されていない。
【００１２】
一方、特許文献２〜４に開示されているオーステナイト系耐熱合金（Ｎｉ基耐熱合金）はいずれも、溶接割れ感受性が十分に低いため、溶接が施される構造物の素材として好適に用いることができる。
【００１３】
しかしながら、本発明者らが実施した詳細な調査から、特許文献２〜４で開示されたオーステナイト系耐熱合金を用いても、熱間加工した場合、特に、厚さが２０ｍｍ以上の厚肉の部材において、これまでに確認されていなかった表面欠陥が発生する場合があることが明らかとなった。
【００１４】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、厚さが２０ｍｍ以上の厚肉の場合であっても、熱間加工時、例えば熱間曲げ加工時または熱間鍛造時の表面欠陥が防止できて、発電用ボイラの主蒸気管、再熱蒸気管等の厚肉、大径の高温部材に熱間加工して用いるのに好適な、オーステナイト系耐熱合金部材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】
【００１５】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得るに至った。
【００１６】
（ａ）熱間加工時の表面欠陥の発生は、熱間加工前の部材表面の金属組織と関係する。例えば、部材表面に加工層が残存した状態で熱間加工すると、熱間加工中、加工層内の転位上に炭化物が析出し、その結果、粒内が強化されて相対的に粒界が弱化するので、表面近傍に粒界割れが発生する。加えて、部材表面の結晶粒径が粗粒であるほど部材は変形しにくくなるため、粗粒組織も粒界弱化を助長することとなる。
【００１７】
（ｂ）熱間加工時の表面欠陥を防止するためには、部材表面に加工層を残存させた状態で熱処理を施し、表面近傍を再結晶化させることで転位上への析出を抑制するとともに、細粒効果によって表面近傍の変形抵抗を下げることが粒界弱化の低減に効果的であることが新たに分かった。
【００１８】
（ｃ）表面欠陥が存在する場合、クリープ亀裂の発生起点となる。したがって、優れたクリープ特性を維持するためにも表面欠陥を防止する必要がある。
【００１９】
（ｄ）熱間加工時の表面欠陥を防止するためには、部材表面からの深さが５０μｍまでの領域（以下、上記領域を「表層」ということがある。）における金属組織を、平均結晶粒度でＡＳＴＭ粒度番号７番以上の再結晶粒にする必要がある。
【００２０】
（ｅ）また、優れたクリープ特性を維持するためには、表層の金属組織を上記の再結晶粒として表面欠陥を防止するとともに、部材厚さの２５％となる各表面側を除外した領域（以下、上記領域を「部材の厚さ中央部」ということがある。）における金属組織を、平均結晶粒度でＡＳＴＭ粒度番号４番以下の粗粒にする必要がある。
【００２１】
本発明は、上記の知見を基礎としてなされたものであり、下記のオーステナイト系耐熱合金部材およびオーステナイト系耐熱合金素材を要旨とする。
【００２２】
（１）厚さ２０ｍｍ以上のオーステナイト系耐熱合金部材であって、
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：４０〜５５％、Ｃｒ：２０〜３５％、Ｗ：３〜１０％、Ｔｉ：０．０１〜１．２％、Ａｌ：０．３％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、Ｎ：０．０２％以下およびＯ：０．０１％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、
表層がＡＳＴＭ粒度番号７番以上の再結晶粒からなる金属組織を有し、
部材の厚さ中央部がＡＳＴＭ粒度番号４番以下の結晶粒からなる金属組織を有することを特徴とするオーステナイト系耐熱合金部材。
【００２３】
（２）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらに下記に示す群から選択される１種以上の元素を含有することを特徴とする上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱合金部材。
第１群：Ｃａ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．１％以下
第２群：Ｃｏ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｍｏ：１％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下およびＺｒ：０．５％以下
【００２４】
（３）前記表層を含む試験片を、１１００℃において０．０００１ｓ−１のひずみ速度で引張試験を行い、伸びが１０％となった時の試験片内部における割れの深さが２０μｍ以下（０を含む）であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のオーステナイト系耐熱合金部材。
【００２５】
（４）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：４０〜５５％、Ｃｒ：２０〜３５％、Ｗ：３〜１０％、Ｔｉ：０．０１〜１．２％、Ａｌ：０．３％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、Ｎ：０．０２％以下およびＯ：０．０１％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有する素材の表面に強加工を施し、再結晶熱処理を行うことで、
厚さ２０ｍｍ以上であり、
表層がＡＳＴＭ粒度番号７番以上の再結晶粒からなる金属組織を有し、
部材の厚さ中央部がＡＳＴＭ粒度番号４番以下の結晶粒からなる金属組織を有するオーステナイト系耐熱合金部材を製造するのに際して用いられるオーステナイト系耐熱合金素材であって、
該強加工後で該再結晶熱処理前における素材表層の硬さがＨＶ０．１で３００以上であることを特徴とするオーステナイト系耐熱合金素材。
【００２６】
（５）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらに下記に示す群から選択される１種以上の元素を含有することを特徴とする上記（４）に記載のオーステナイト系耐熱合金素材。
第１群：Ｃａ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．１％以下
第２群：Ｃｏ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｍｏ：１％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下およびＺｒ：０．５％以下
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、厚さが２０ｍｍ以上の厚肉の合金部材を用いた場合であっても、熱間加工時の表面欠陥を防止することができる。したがって、本発明のオーステナイト系耐熱合金部材は、発電用ボイラの主蒸気管、再熱蒸気管等の厚肉、大径の高温部材に熱間加工して用いるのに好適である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
１．化学組成
Ｃ：０．０１〜０．１５％
Ｃは、オーステナイトを安定にするとともに粒界に微細な炭化物を形成し、高温でのクリープ強度を向上させる。この効果を十分に得るためには、０．０１％以上のＣ含有量が必要である。しかしながら、Ｃが過剰に含有された場合には、炭化物が粗大となり、かつ多量に析出するので、粒界の延性が低下し、さらに、靱性およびクリープ強度の低下も生じる。したがって、上限を設け、Ｃの含有量を０．０１〜０．１５％とする。Ｃ含有量の望ましい下限は０．０３％、より望ましい下限は０．０４％、さらに望ましい下限は０．０５％である。また、Ｃ含有量の望ましい上限は０．１２％、より望ましい上限は０．１０％である。
【００２９】
Ｓｉ：１％以下
Ｓｉは、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合にはオーステナイトの安定性が低下して、靱性およびクリープ強度の低下を招く。そのため、Ｓｉの含有量に上限を設けて１％以下とする。Ｓｉの含有量は望ましくは０．８％以下、より望ましくは０．６％以下である。
【００３０】
なお、Ｓｉの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性が劣化するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上効果が得難くなり、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｓｉ含有量の望ましい下限は０．０２％、より望ましい下限は０．０５％である。
【００３１】
Ｍｎ：２％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。Ｍｎは、オーステナイトの安定化にも寄与する。しかしながら、Ｍｎの含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、靱性およびクリープ延性の低下も生じる。そのため、Ｍｎの含有量に上限を設けて２％以下とする。Ｍｎの含有量は望ましくは１．８％以下、より望ましくは１．５％以下である。
【００３２】
なお、Ｍｎの含有量についても特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性を劣化させるとともに、オーステナイト安定化効果が得難くなり、さらに製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｍｎ含有量の望ましい下限は０．０２％、より望ましい下限は０．０５％である。
【００３３】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、不純物として合金中に含まれ、多量に含まれる場合には、熱間加工性および溶接性を著しく低下させ、さらに、長時間使用後のクリープ延性も低下させる。そのため、Ｐの含有量に上限を設けて０．０３％以下とする。Ｐの含有量は、望ましくは０．０２５％以下、より望ましくは０．０２％以下である。
【００３４】
なお、Ｐの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量の望ましい下限は０．０００５％、より望ましい下限は０．０００８％である。
【００３５】
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物として合金中に含まれ、多量に含まれる場合には、熱間加工性および溶接性を著しく低下させ、さらに、長時間使用後のクリープ延性も低下させる。そのため、Ｓの含有量に上限を設けて０．０１％以下とする。Ｓの含有量は、望ましくは０．００８％以下、より望ましくは０．００５％以下である。なお、Ｓの含有量は可能な限り低減することが好ましい。
【００３６】
Ｎｉ：４０〜５５％
Ｎｉは、オーステナイトを得るために有効な元素であり、長時間使用時の組織安定性を確保するために必須の元素である。後述の２０〜３５％という本発明のＣｒ含有量の範囲で、上記したＮｉの効果を十分に得るためには、４０％以上のＮｉ含有量が必要である。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、多量に含有させるとコストの増大を招く。そのため、上限を設けて、Ｎｉの含有量を４０〜５５％とする。Ｎｉ含有量の望ましい下限は４１％、より望ましい下限は４２％である。また、Ｎｉ含有量の望ましい上限は５４％、より望ましい上限は５３％である。
【００３７】
Ｃｒ：２０〜３５％
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。上記４０〜５５％という本発明のＮｉ含有量の範囲で、上記したＣｒの効果を得るためには、２０％以上のＣｒ含有量が必要である。しかしながら、Ｃｒの含有量が３５％を超えると、高温でのオーステナイトの安定性が劣化してクリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃｒの含有量を２０〜３５％とする。Ｃｒ含有量の望ましい下限は２０．５％、より望ましい下限は２１％である。また、Ｃｒ含有量の望ましい上限は３４．５％、より望ましい上限は３４％である。
【００３８】
Ｗ：３〜１０％
Ｗは、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度の向上に大きく寄与する元素である。その効果を十分に発揮させるためには少なくとも３％以上のＷ含有量が必要である。しかしながら、Ｗを過剰に含有させても効果は飽和し、却ってクリープ強度を低下させる場合もある。さらに、Ｗは高価な元素であるため、過剰に含有させるとコストの増大を招く。そのため、上限を設けて、Ｗの含有量を３〜１０％とする。Ｗ含有量の望ましい下限は３．５％、より望ましい下限は４％である。また、Ｗ含有量の望ましい上限は９．５％、より望ましい上限は９％である。
【００３９】
Ｔｉ：０．０１〜１．２％
Ｔｉは、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度に寄与する。その効果を得るためには０．０１％以上のＴｉ含有量が必要である。しかしながら、Ｔｉの含有量が過剰になると炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。このため、上限を設けて、Ｔｉの含有量を０．０１〜１．２％とする。Ｔｉ含有量の望ましい下限は０．０３％、より望ましい下限は０．０５％である。また、Ｔｉ含有量の望ましい上限は１．０％、より望ましい上限は０．８％である。
【００４０】
Ａｌ：０．３％以下
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。しかしながら、Ａｌの含有量が過剰になると合金の清浄性が著しく劣化して、熱間加工性および延性が低下する。そのため、Ａｌの含有量に上限を設けて０．３％以下とする。Ａｌの含有量は望ましくは０．２％以下、さらに望ましくは０．１％以下である。
【００４１】
なお、Ａｌの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性を逆に劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ａｌ含有量の望ましい下限は０．０００５％である。Ａｌの脱酸効果を安定して得、合金に良好な清浄性を確保させるためには、Ａｌ含有量の下限は０．００１％とすることがより望ましい。
【００４２】
Ｂ：０．０００１〜０．０１％
Ｂは、高温での使用中に粒界に偏析して粒界を強化するとともに粒界炭化物を微細分散させることにより、クリープ強度を向上させるのに必要な元素である。この効果を得るためには、Ｂ含有量を０．０００１％以上とする必要がある。しかしながら、Ｂの含有量が過剰になると、溶接性が劣化することに加えて、熱間加工性が劣化する。そのため、上限を設けて、Ｂの含有量を０．０００１〜０．０１％とする。Ｂ含有量の望ましい下限は０．０００５％、より望ましい下限は０．００１％である。また、Ｂ含有量の望ましい上限は０．００８％、より望ましい上限は０．００６％である。
【００４３】
Ｎ：０．０２％以下
Ｎは、オーステナイトを安定にするのに有効な元素であるものの、過剰に含有されると、高温での使用中に多量の微細窒化物が粒内に析出してクリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、Ｎの含有量に上限を設けて０．０２％以下とする。Ｎの含有量は望ましくは０．０１８％以下、より望ましくは０．０１５％以下である。
【００４４】
なお、Ｎの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端に低減するとオーステナイトを安定にする効果が得難くなり、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｎ含有量の望ましい下限は０．０００５％、より望ましい下限は０．０００８％である。
【００４５】
Ｏ：０．０１％以下
Ｏ（酸素）は、不純物として合金中に含まれ、その含有量が過剰になると熱間加工性が低下し、さらに靱性および延性の劣化を招く。このため、Ｏの含有量に上限を設けて０．０１％以下とする。Ｏの含有量は望ましくは０．００８％以下、より望ましくは０．００５％以下である。
【００４６】
なお、Ｏの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、Ｏ含有量の望ましい下限は０．０００５％、より望ましい下限は０．０００８％である。
【００４７】
本発明のオーステナイト系耐熱合金部材は、上述の各元素を含み、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有するものである。
【００４８】
なお、「不純物」とは、オーステナイト系耐熱合金部材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップまたは製造環境などから混入するものを指す。
【００４９】
本発明のオーステナイト系耐熱合金部材には、上述のＦｅの一部に代えて、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖ、ＮｂおよびＺｒから選択される１種以上の元素を含有させても良い。
【００５０】
Ｃａ：０．０５％以下
Ｃａは、熱間加工性を改善する作用を有する。具体的には、Ｃａは、ＣａＳを生成しＳの粒界偏析を抑制することで、熱間加工性を改善する効果を有する元素である。このため、Ｃａを含有させても良い。しかしながら、Ｃａの含有量が過剰になるとＯと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。このため、Ｃａを含有させる場合には、その含有量を０．０５％以下とする。Ｃａ含有量の上限は、望ましくは０．０４％である。
【００５１】
一方、前記したＣａの効果は、Ｃａの含有量が０．０００１％以上の場合に安定して得られる。
【００５２】
ＲＥＭ：０．１％以下
ＲＥＭは、熱間加工性を改善する作用を有する。すなわち、ＲＥＭは、Ｓとの親和力が強く、熱間加工性の向上に寄与する。このため、ＲＥＭを含有させても良い。しかしながら、ＲＥＭの含有量が過剰になると、Ｏと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。このため、ＲＥＭを含有させる場合には、その含有量を０．１％以下とする。ＲＥＭ含有量の上限は、望ましくは０．０８％である。
【００５３】
一方、前記したＲＥＭの効果は、ＲＥＭの含有量が０．００１％以上の場合に安定して得られる。
【００５４】
なお、「ＲＥＭ」とは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量はＲＥＭのうちの１種または２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭについては一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、ミッシュメタルの形で添加して、ＲＥＭの量が上記の範囲となるように含有させても良い。
【００５５】
上記のＣａおよびＲＥＭは、そのうちのいずれか１種のみ、または２種の複合で含有させることができる。これらの元素を複合して含有させる場合の合計量は０．１５％であっても良い。
【００５６】
Ｃｏ：１％以下
Ｃｏは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｃｏは、Ｎｉと同様オ−ステナイト生成元素であり、相安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。したがって、Ｃｏを含有させても良い。しかしながら、Ｃｏは極めて高価な元素であるため、Ｃｏの過剰の含有は大幅なコスト増を招く。このため、Ｃｏを含有させる場合には、その含有量を１％以下とする。Ｃｏ含有量の上限は、望ましくは０．８％である。
【００５７】
一方、前記したＣｏの効果は、Ｃｏの含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。
【００５８】
Ｃｕ：１％以下
Ｃｕは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｃｕは、ＮｉおよびＣｏと同様オ−ステナイト生成元素であり、相安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。したがって、Ｃｕを含有させても良い。しかしながら、Ｃｕが過剰に含有された場合には熱間加工性の低下を招く。このため、Ｃｕを含有させる場合には、その含有量を１％以下とする。Ｃｕ含有量の上限は、望ましくは０．８％である。
【００５９】
一方、前記したＣｕの効果は、Ｃｕの含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。
【００６０】
Ｍｏ：１％以下
Ｍｏは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｍｏは、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度を向上させる作用を有する。したがって、Ｍｏを含有させても良い。しかしながら、Ｍｏが過剰に含有された場合にはオーステナイトの安定性が低下して、却ってクリープ強度の低下を招く。そのため、Ｍｏを含有させる場合には、その含有量を１％以下とする。Ｍｏ含有量の上限は、望ましくは０．８％である。
【００６１】
一方、前記したＭｏの効果は、Ｍｏの含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。
【００６２】
Ｖ：０．５％以下
Ｖは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｖは、ＣまたはＮと結合して微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度を向上させる作用を有する。したがって、Ｖを含有させても良い。しかしながら、Ｖが過剰に含有された場合、炭化物または炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｖを含有させる場合には、その含有量を０．５％以下とする。Ｖ含有量の上限は、望ましくは０．４％である。
【００６３】
一方、前記したＶの効果は、Ｖの含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。
【００６４】
Ｎｂ：０．５％以下
Ｎｂは、Ｖと同様にＣまたはＮと結合して微細な炭化物または炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度向上に寄与する。したがって、Ｎｂを含有させても良い。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると炭化物や炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、Ｎｂを含有させる場合には、その含有量を０．５％以下とする。Ｎｂ含有量の上限は、望ましくは０．４％である。
【００６５】
一方、前記したＮｂの効果は、Ｎｂの含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。
【００６６】
Ｚｒ：０．５％以下
Ｚｒは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｚｒは、粒界強化元素であり、高温でのクリープ強度向上に寄与し、さらに、クリープ延性の向上にも寄与する。したがって、Ｚｒを含有させても良い。しかしながら、Ｚｒの含有量が０．５％を超えると熱間加工性が低下する場合がある。そのため、Ｚｒを含有させる場合には、その含有量を０．５％以下とする。Ｚｒ含有量の上限は、望ましくは０．４％である。
【００６７】
一方、前記したＺｒの効果は、Ｚｒの含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。
【００６８】
上記のＣｏ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖ、ＮｂおよびＺｒは、そのうちのいずれか１種のみ、または、２種以上の複合で含有させることができる。これらの元素を複合して含有させる場合の合計量は、４．５％であっても良い。
【００６９】
２．部材の平均結晶粒度
本発明のオーステナイト系耐熱合金部材は、表層が平均結晶粒度でＡＳＴＭ粒度番号７番以上の再結晶粒からなる金属組織を有し、部材の厚さ中央部が平均結晶粒度でＡＳＴＭ粒度番号４番以下の粗粒な結晶粒からなる金属組織を有する。
【００７０】
前述のように、本発明において、「表層」とは部材表面からの深さが５０μｍまでの領域をいう。また、部材の厚さ中央部の平均結晶粒度とは、部材厚さの２５％となる各表面側を除外した領域における平均結晶粒度のことである。
【００７１】
なお、熱間加工時の表面欠陥を防止するためには、表層の金属組織は細粒であるほど好ましく、平均結晶粒度について、上限は特に規定しない。しかしながら、過度に細粒な組織とするのは、技術的に困難であるだけでなく、製造コストの上昇を招くため、ＡＳＴＭ粒度番号１２番以下とするのが好ましい。
【００７２】
また、優れたクリープ特性を得るためには、部材の厚さ中央部の平均結晶粒度は、ＡＳＴＭ粒度番号３番以下であるのが好ましく、２番以下であるのがより好ましい。一方、部材の厚さ中央部の金属組織が過度に粗粒であるとクリープ延性の劣化および衝撃値の低下を招く場合があるため、部材の厚さ中央部の平均結晶粒度は、ＡＳＴＭ粒度番号−２番以上であるのが好ましく、−１番以上であるのがより好ましい。
【００７３】
表層および部材の厚さ中央部の平均結晶粒度は、下記の手順で求めることができる。部材の横断面が被検面となるように切断し、鏡面研磨した後、王水で腐食して、倍率１００倍で３視野光学顕微鏡観察して、切断法により平均粒切片長さを測定し、その平均粒切片長さを１．１２８倍して平均結晶粒径を求める。さらに、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１−０２（２００９）により結晶粒度に換算する。
【００７４】
なお、部材の厚さ中央部の平均結晶粒度は、部材の溶体化熱処理時の温度および時間を管理することにより調整することが可能である。溶体化熱処理の条件としては、１０００〜１２８０℃の温度域において、０．１〜５ｈ保持するのが好ましい。熱処理の温度域は１１００〜１２５０℃とするのがより好ましく、保持時間は０．２〜１．５ｈとするのがより好ましい。
【００７５】
また、表層の平均結晶粒度は、上記の溶体化熱処理を施した部材の表面に、工具による切削、研磨、レーザーもしくはサンドブラスト等を活用したショットピーニング、ロールもしくは油圧プレスによる冷間圧延、または冷間での抽伸等を行って、機械的に表面部に強加工を施した後、熱処理を施して再結晶させることにより制御可能である。再結晶させるための熱処理の条件としては、９８０〜１１８０℃の温度域で０．１〜３ｈ保持するのが好ましい。熱処理の温度域は１０００〜１１５０℃とするのがより好ましく、保持時間は０．５〜１．５ｈとするのがより好ましい。
【００７６】
表層の硬さについて、上記の強加工を施した後で再結晶熱処理前の素材の表層におけるＨＶ０．１が３００以上であるのが好ましく、３５０以上であるのがより好ましい。強加工後の素材表層のＨＶ０．１が３００未満では、再結晶熱処理後の部材表層の平均結晶粒度がＡＳＴＭ粒度番号７番以上とならないためである。そして、再結晶熱処理後の部材の表層の硬さは、ＨＶ０.１が２５０以下であるのが好ましく、２００以下であるのがより好ましい。再結晶熱処理後の部材表層の硬さが２５０を超えると、粒内の変形抵抗が高く、粒界破壊を助長するためである。
【００７７】
ここで、「ＨＶ０．１」は、試験力を０．９８０７Ｎ（１００ｇｆ）として、マイクロビッカース硬さ試験を実施した場合の「硬さ記号」を意味する。
【００７８】
なお、表層の硬さにおいて、ＨＶ０．１が３００以上とは、表層の転位密度が１．０×１０１４／ｍ２以上であることに相当する。すなわち、強加工を施した後で再結晶熱処理前の素材の表層における転位密度は、１．０×１０１４／ｍ２以上であることが好ましい。
【００７９】
「転位密度」は、Ｃｏ管球を用いてＸＲＤにより試料表面をθ−２θ測定し、得られたＸ線回折データから{１１１}、{２００}、{２２０}および{３１１}面のLorents関数近似によって回折ピークの角度、半値幅、回折強度を求め、Modified  Ailliams-Hallの式およびModified  Marren-Averbachの式より算出することができる。
【００８０】
３．割れの評価方法
本発明のオーステナイト系耐熱合金部材は、熱間加工時の表面欠陥を防止できるものである。一方、部材内部の微小な割れについては、生じないのが最も望ましいことは言うまでもないが、たとえ生じたとしても、割れの深さが小さければ、実プラントにおいて重大な事故につながる可能性は低く、大きな問題とはならない。
【００８１】
したがって、本発明のオーステナイト系耐熱合金部材は、再結晶粒からなる部材の表層を含む試験片を、１１００℃において０．０００１ｓ−１のひずみ速度で引張試験を行い、伸びが１０％となった時の試験片内部における割れの深さが２０μｍ以下であるのが望ましい。
【００８２】
上記の試験に用いる試験片は、部材の少なくとも一方の面の表層を含むものとし、両方の面を含んでいても良い。また、形状については、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１（２０１１）に規定される、断面が長方形または正方形となるような板状試験片または棒状試験片を用いることができる。この際、試験片の少なくとも一面に部材表面が含まれるように試験片を作製するのが望ましい。
【００８３】
上記の試験片を用いて、熱間加工を模擬した低ひずみ速度での引張試験を行う。具体的には、グリーブル試験機を用いて、上記の試験片を、加工温度１１００℃でひずみ速度が０．０００１ｓ−１の低ひずみ速度で引張試験し、伸び（ひずみ量）が１０％になった時点で引張試験を中断し、引張試験中断後の試験片を用いて、試験片表面部および内部の割れを確認する。
【００８４】
なお、グリーブル試験とは、試験片中央部を通電加熱しながら行う引張試験である。加工温度は、グリーブル試験片の中央部に熱電対を溶着して測定する。
【００８５】
引張試験中断後の試験片表面における割れの有無は、ＪＩＳ  Ｚ  ２３４３−１（２００１）に規定される浸透探傷試験により行うこととする。また、試験片内部の割れの有無は、引張試験中断後の試験片中央部を横断面が被検面となるように切断し、鏡面研磨した後、倍率１００倍で光学顕微鏡観察して確認することとする。
【００８６】
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１】
【００８７】
表１に示す化学組成を有するオーステナイト系耐熱合金を実験室溶解してインゴットを作製した。上記インゴットを用いて、熱間での鍛造および圧延による成形ならびに表２に示す条件での溶体化熱処理を行い、厚さ２５ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ５００ｍｍの合金板を複数枚作製した。その後、合金板に切削バイトによる表面切削加工を行い、さらに表２に示す条件で熱処理を行い合金板表層部に再結晶層を形成した。
【００８８】
【表１】
2014145109.tif 000002
【００８９】
【表２】
2014145109.tif 000003
【００９０】
上記のようにして得た各合金板から、横断面が被検面となるように平均結晶粒度を決定するための試験片を切り出して鏡面研磨した。その後、各試験片について、表層となる表面加工を施した合金板表面から深さ５０μｍまでの領域、および合金板の厚さの２５％となる各表面側を除外した領域のそれぞれの平均結晶粒度を、以下の方法により求めた。
【００９１】
上記の試験片を鏡面研磨して、王水で腐食した後、表層および部材の厚さ中央部のそれぞれの任意の３視野について倍率１００倍で光学顕微鏡観察して、切断法により平均粒切片長さを測定し、その平均粒切片長さを１．１２８倍して平均結晶粒径を求めた。さらに、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１−０２（２００９）により結晶粒度に換算した。
【００９２】
なお、素材の表層の硬さは、上記の強加工後で再結晶加熱処理前の合金板から試験片を採取し、強加工を施した合金板表面から深さ５０μｍの位置におけるマイクロビッカース硬さ（ＨＶ０．１）を試験力０．９８０７Ｎ（１００ｇｆ）で３点測定し、その平均値を求めた。
【００９３】
さらに、上記の各合金板について、引張試験に用いるための試験片を切り出した。引張試験用の試験片は、表面加工を施した合金板表面が含まれるように、合金板の長手方向に平行な１０ｍｍ角で長さが１３０ｍｍの角棒状の試験片を複数本ずつ機械加工により作製した。
【００９４】
上記の試験片を用いて、前述の加工温度が１１００℃、ひずみ速度が０．０００１ｓ−１の低ひずみ速度での引張試験を行った。そして、伸び（ひずみ量）が１０％になった時点で引張試験を中断し、引張試験中断後の試験片を用いて試験片表面部および内部の割れを調査した。
【００９５】
前述の通り、引張試験中断後の試験片表面における割れの有無は、ＪＩＳ  Ｚ  ２３４３−１（２００１）に規定される浸透探傷試験により行い、試験片内部の割れの有無は、試験片中央部を横断面が被検面となるように切断し、鏡面研磨した後、倍率１００倍で光学顕微鏡観察して調査した。
【００９６】
加えて、各合金板の肉厚中央部から、直径６ｍｍ、標点距離３０ｍｍの丸棒クリープ破断試験片を採取して、７００℃、１２０ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行った。なお、クリープ破断時間が、１０００ｈ以上となるものを合格とし、１０００ｈ未満のものを不合格とした。
【００９７】
表層および部材の厚さ中央部における平均結晶粒径ならびに上記の各試験結果について、表２に合わせて示した。表面割れについては、割れが発生しなかったものを「○」、割れが発生したものを「×」とした。また、内部割れについては、割れが発生しなかったものを「○」、割れは発生したものの、その深さが２０μｍ以下であったものを「△」、２０μｍを超える深さの割れが発生したものを「×」とした。
【００９８】
表２の総合評価においては、クリープ破断時間が長く、かつ熱間加工時の耐割れ性評価である引張試験片表面および内部の双方に割れが認められなかった場合を「良」とした。また、クリープ破断強度が長く、浸透探傷試験では試験片表面に割れが認められなかったものの、試験片内部に深さ２０μｍ以下の微小な割れが認められた場合を「可」とした。そして、クリープ破断時間が短い場合、引張試験片の表面に割れが認められた場合、または、引張試験片の内部に２０μｍを超える深さの割れが発生した場合を「不可」とした。
【００９９】
表２に示すように、表層および部材の厚さ中央部における平均結晶粒度が本発明で規定される範囲である試験番号２〜４、８〜１０、１４〜１６および２０〜２２は、総合評価において、「良」または「可」となった。
【０１００】
一方、試験番号１、７、１３および１９は、部材の厚さ中央部の平均結晶粒度が大きいため、クリープ破断時間が短く、クリープ強度に劣る結果となった。また、試験番号５、１１、１７および２３は、表層の平均結晶粒度が小さいため、熱間加工時に表面欠陥が生じる結果となった。さらに、試験番号６、１２、１８および２４は、強加工後の素材表層の硬度が低いため、再結晶化熱処理後の部材表層の平均結晶粒度が小さく、熱間加工時に表面欠陥が生じる結果となった。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明によれば、厚さが２０ｍｍ以上の厚肉の合金部材を用いた場合であっても、熱間加工時の表面欠陥を防止することができる。したがって、本発明のオーステナイト系耐熱合金部材は、発電用ボイラの主蒸気管、再熱蒸気管等の厚肉、大径の高温部材に熱間加工して用いるのに好適である。
【手続補正書】
【提出日】平成25年2月7日(2013.2.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
「転位密度」は、Ｃｏ管球を用いてＸＲＤにより試料表面をθ−２θ測定し、得られたＸ線回折データから{１１１}、{２００}、{２２０}および{３１１}面のLorents関数近似によって回折ピークの角度、半値幅、回折強度を求め、Modified  Williamson-Hallの式およびModified  Warren-Averbachの式より算出することができる。