(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ：２０〜３５％（質量％の意味，以下同じ），
Ａｌ：４〜１５％，
Ｏ  ：０．１％以下（０％を含まない），
Ｎ  ：０．０５〜０．２０％，
残部：不可避不純物およびＦｅ
を満足するＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系粉末合金を焼結して得られる鋼管において、
フェライト結晶の平均粒径が４０μｍ以下（０μｍを含まない）であることを特徴とする高温での形状安定性に優れたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系鋼管。
【請求項２】
１２００〜１５００℃で１時間加熱した後におけるフェライト結晶の平均粒径が１０００μｍ以上である請求項１に記載のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系鋼管。
【請求項３】
前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系粉末合金が、更に
Ｙ，Ｈｆ，Ｓｃ，希土類元素のいずれか１種以上を合計で１％以下（０％を含まない）含むものである請求項１または２に記載のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系鋼管。
【請求項４】
前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系粉末合金が、更に
Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔｉのいずれか１種以上を合計で１％以下（０％を含まない）含むものである請求項１〜３のいずれかに記載のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系鋼管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温下での形状安定性に優れたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系鋼管に関するものであり、本発明の鋼管は、特に、耐熱部材、ラジアントチューブ、熱電対保護管などの高温用耐熱材料として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系鋼管は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金を粉末から製造することによって高温強度化を図っている。具体的には、例えば特開昭６２−２８０３４８号公報に記載されている如く、水アトマイズ法やガスアトマイズ法等により合金粉末を製造するのであるが、鍛造時や圧延時における割れの発生防止を目的として、合金中のＯ量を０．０２％以下、Ｎ量を０．０３％以下に制御した焼結体としている。しかしながら、この様な焼結体からなる耐熱鋼管を１０００〜１５００℃の高温度で使用すると、クリープ変形によりダレ現象が発生し、比較的短時間で寿命になるという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に着目してなされたものであり、その目的は、１０００〜１５００℃付近の高温下での形状安定性（以下、耐ダレ性と呼ぶ場合がある）に優れたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系鋼管を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明鋼管とは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系粉末合金を焼結して得られる鋼管において、フェライト結晶の平均粒径が４０μｍ以下（０μｍを含まない）であるところに要旨を有するものである。
上記鋼管を、１２００〜１５００℃で１時間加熱した後におけるフェライト結晶の平均粒径が１０００μｍ以上となるものは、高温下での形状安定性に優れている。
【０００５】
上記鋼管の合金組成は、Ｃｒ：２０〜３５％（質量％の意味、以下同じ），Ａｌ：４〜１５％，Ｏ：０．１％以下（０％を含まない），Ｎ：０．０５〜０．２０％を必須成分として含有すると共に、残部：不可避不純物およびＦｅよりなるものであることが好ましい。尚、その他に添加し得る選択的許容成分としては、
（ａ）Ｙ，Ｈｆ，Ｓｃ，希土類元素のいずれか１種以上を合計で１％以下（０％を含まない）、及び／又は
（ｂ）Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔｉのいずれか１種以上を合計で１％以下（０％を含まない）
が挙げられる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、高温度で長時間使用してもクリープ変形によるダレ発生が生じないＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系粉末合金を提供することを目的として鋭意検討を重ねてきた。なかでも、前記特開昭６２−２８０３４８号に記載の焼結体中の合金成分に着目して検討を加えた結果、合金中のＮ量をやや多目（０．０５〜０．２０％）に設定することによって所期の目的を達成すると共に、更に、Ｙ，Ｈｆ，Ｓｃ，希土類元素やＺｒ，Ｎｂ，Ｔｉ等を添加することにより、Ａｌの酸化皮膜の生成速度を抑制して該皮膜の耐剥離性を向上させ、高温での長時間使用を可能ならしめている（特開平５−９８４０１号）。
【０００７】
即ち、上記合金の場合、１１００〜１２００℃の温度範囲では、ＡｌＮが微細均一に多数分布して結晶粒の成長を阻止し、更にＺｒ，Ｎｂ，Ｔｉ等を添加すると、ＺｒＮ，ＮｂＮ，ＴｉＮが、前記ＡｌＮ粒子よりも更に微細均一に分布する様になる。そのため、これら粒子による相乗的な結晶粒成長阻止効果によって、１２００℃近辺における結晶粒の成長は阻止された状態になっている。次いで、同温度近辺で、ＡｌＮ，ＺｒＮ，ＮｂＮ，ＴｉＮ等の合体または基地への固溶等により二次再結晶が起こるが、非常に高温であるため結晶の成長力が大きく、巨大結晶粒の生成が促進される結果、クリープ特性が向上し、高温使用時におけるダレの発生が少なくなるのである。
【０００８】
この様に、高温使用時におけるダレの発生を防止するには、巨大結晶粒を生成させることが必要であるが、本発明者らが更に検討を加えた結果、巨大結晶粒の生成には、焼鈍時におけるフェライト結晶の平均粒径を制御することが最も有効であることを見出し、本発明を完成したのである。
【０００９】
即ち、本発明のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系鋼管は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系粉末合金を焼結して得られる鋼管において、フェライト結晶の平均粒径が４０μｍ以下（０μｍを含まない）である点に特徴を有するものである。
【００１０】
この様に、フェライト結晶の平均粒径を４０μｍ以下にすることによって、高温使用時（１２００〜１５００℃）におけるフェライト結晶の平均粒径が１０００μｍ以上の巨大な結晶粒が鋼管全面に得られる。この粒径が４０μｍを超えると、上述した二次再結晶による結晶粒の成長が起こらず、巨大結晶粒が得られないため、高温での形状安定性が不十分になる。好ましいフェライト結晶の平均粒径は４０μｍ以下であり、より好ましくは３０μｍ以下である。尚、本発明では１２００〜１５００℃におけるフェライト結晶の平均粒径が１０００μｍ以上の巨大結晶粒であれば良く、その後の使用態様にまで限定するものではない。従って、例えば１２００〜１５００℃の温度にて予め加熱して巨大結晶粒を得たものを、１０００〜１２００℃の温度で使用することも可能である。
【００１１】
本発明は、この様に焼鈍時におけるフェライトの粒径を特定したところに特徴を有するものであり、その他の要件については、特に規定されないが、上述した二次再結晶による巨大結晶粒組織を有効に発揮させることのできる好ましい要件について、以下に説明する。
【００１２】
まず、本発明に用いられる合金については、高温時における高強度化のためにも粉末合金を用いることが推奨され、その合金組成は以下の要件を満足することが好ましい。
【００１３】
Ｃｒ：２０〜３５％
Ｃｒは耐酸化性を有する元素であり、その様な作用を有効に発揮させるには、２０％以上の添加が好ましい。しかしながら、３５％を超えるとσ相を形成して脆化するので、３５％以下にすることが好ましい。
【００１４】
Ａｌ：４〜１５％
ＡｌはＣｒと同様、耐酸化性を有する元素であるが、４％未満では耐酸化性が不十分である。一方、過剰に添加すると脆化するので、その上限を１５％以下にすることが好ましい。
【００１５】
Ｏ：０．１％以下（０％を含まない）
Ｏ量が０．１％を超えると加工性が低下するので、その上限を０．１％以下にすることが好ましい。
【００１６】
Ｎ：０．０５〜０．２０％
Ｎ量が０．０５％未満では耐ダレ性が低下してしまい、一方、０．２０％を超えると加工性が劣化する。
【００１７】
本発明における必須的含有元素は上記の通りであり、残部はＦｅ及び不可避的不純物であるが、更に高温部材に必要な耐酸化性を得ることを目的として、以下の▲１▼群及び／又は▲２▼群に示す元素を１種または２種以上、積極的に添加することもできる。
【００１８】
▲１▼Ｙ，Ｈｆ，Ｓｃ，希土類元素のいずれか１種以上を合計で１％以下
上記希土類元素としては、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ等が挙げられる。
これらの元素は、上述した様に、Ａｌの酸化皮膜の耐剥離性を向上させ、該皮膜の生成速度を抑制する作用を有するので、高温での長時間使用に非常に有効である。しかしながら、これら元素の合計量が１％を超えると、逆に耐酸化性に悪影響を及ぼす他、靭性が低下し、ダレが大きくなるので、その上限を１％以下にすることが好ましい。
【００１９】
▲２▼Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔｉのいずれか１種以上を合計で１％以下
これらの元素は、耐酸化性に悪影響を与えるＣやＮを固定して耐酸化性を向上させる他、上記▲１▼群に示す元素と同様、酸化皮膜の耐剥離性を向上させ、高温使用に有効な元素である。しかしながら、過剰に添加すると逆に耐酸化性に悪影響を及ぼす他、靭性が低下し、ダレが大きくなるので、その上限を、合計で１％以下にすることが好ましい。
【００２０】
本発明では、この様な合金組成とすることにより、上述した１２００℃付近まで結晶粒成長阻止効果を有効に発揮させることができ、次いで、ＡｌＮ，ＺｒＮ等の合体または固溶等により、結晶粒成長阻止効果が少なくなり、二次再結晶現象が進行する結果、巨大な結晶粒が得られる。特に、１２００〜１５００℃での平均粒径が１０００μｍ以上の巨大なフェライト結晶粒を有する鋼管は、高温での変形が生じる主要因である粒界すべりが減少する結果、高温強度が高くなり、高温での耐ダレ性が向上するのである。
【００２１】
次に、本発明鋼管を製造する方法について説明する。
本発明では、高温時における高強度化のためにも粉末合金を用いることが推奨される。具体的には、水アトマイズ法やガスアトマイズ法等によって、上述した組成を有する合金粉末を製造する。次に、熱間押出し、冷間加工、焼鈍を順次施すことにより鋼管を製造するのであるが、これらの処理については、特に限定されず、所望のフェライト結晶粒径が得られる様、適宜設計変更することが好ましい。尚、冷間加工率（減面率）が大きくなる程、焼鈍後のフェライト結晶粒が微細化することから、冷間減面率を２０％以上に制御することが好ましい。ここで、減面率（α）とは、加工前の断面積をＡ０  ，加工後の断面積をＡ１  とすると、下式で示されるものである。
α＝｛（Ａ０  −Ａ１  ）／Ａ０  ｝×１００
【００２２】
この様にして得られた本発明鋼管を、１２００〜１５００℃の高温で使用すると、上述した二次再結晶による巨大結晶の生成が急激にすすみ、鋼管全体に巨大結晶が生成される様になるので、高温での耐ダレ性を著しく改善することができる。また、１０００〜１２００℃で使用する場合には、本発明鋼管を予め二次再結晶温度以上に加熱して巨大粒化した後、使用に供することにより耐ダレ性の向上を図ることができる。
【００２３】
以下実施例に基づいて本発明を詳述する。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することは全て本発明の技術範囲に包含される。
【００２４】
【実施例】
表１に示す５種類のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系粉末をガスアトマイズ法により製造した。得られた粉末を、内径２５０ｍｍ，長さ５００ｍｍの軟鋼製容器に充填し、真空加熱後、脱気し密封した。次に、１１００℃にて１０００気圧×５時間のＨＩＰ処理を行い、真密度（１００％密度）のＨＩＰ鋼塊を得た。
【００２５】
得られたＨＩＰ鋼塊を機械加工して押出用素管（外径２０５ｍｍ，内径１００ｍｍ，長さ４００ｍｍ）を作製し、次いで熱間押出しにより外径１２０ｍｍ，内径１００ｍｍの鋼管を得た（表２のＮｏ．１，４，７，１０および１３に相当）。
【００２６】
更に冷間圧延を施し、外径１１５ｍｍ，内径１００ｍｍの鋼管（表２のＮｏ．２，５，８，１１および１４に相当）および外径１１０ｍｍ，内径１００ｍｍの鋼管（表２のＮｏ．３，６，９，１２および１５に相当）を得た。
【００２７】
この様にして製造された鋼管Ｎｏ．１〜１５について、組織観察用試験片（４ｍｍφ×１０ｍｍＬ）およびダレ測定用試験片（４ｍｍφ×３００ｍｍＬ）を作製した。
【００２８】
このうち組織観察用試験片を用い、７８０℃×１ｈｒおよび１３００℃×１ｈｒの加熱処理を行った後、光学顕微鏡にてフェライト結晶の平均粒径を測定した。
具体的には、検鏡面を６０％硝酸水溶液で電解腐食した後、１００〜４００倍の倍率下にて写真撮影を行い、ＪＩＳ（Ｇ０５２２）の切片法に準じてフェライト結晶の平均粒径を算出した。
【００２９】
また、図１に示す装置を用い、ダレ試験を行った。具体的には、上述の様にして作製したダレ測定用試験片２をアルミナ製支持台１（スパン間距離２００ｍｍ）にセットし、１３００℃の温度で２００時間加熱処理した場合における試験片中央部のたわみ量を測定した。
これらの結果を表２に併記する。
【００３０】
【表１】
0003563523.tif 000002
【００３１】
【表２】
0003563523.tif 000003
【００３２】
表の結果から明らかな様に、７８０℃焼鈍後のフェライト結晶粒径が４０μｍ以下の本発明鋼管（Ｎｏ．３，５，６，９，１２，１４および１５）を用いると、高温使用時に１０００μｍ以上の巨大な結晶粒が生成するので、ダレ量が少なく、高温での形状安定性に極めて優れていることが分かる。
【００３３】
これに対して本発明の要件を満足しない従来例の鋼管（Ｎｏ．１，２，４，７，８，１０，１１および１３）では、高温時に巨大結晶粒が成長せず、ダレ量が極めて大きい。
【００３４】
次に、上記鋼管のうちＮｏ．１およびＮｏ．３について、７８０〜１３００℃の各温度で１時間加熱した後、冷却した場合におけるフェライト結晶の平均粒径を測定した。その結果を図２に示す。尚、図３，図４はＮｏ．１を用い、７８０℃または１３００℃で１時間加熱した場合における顕微鏡写真（いずれも５０倍）を夫々示し、一方、図５，図６はＮｏ．３を用い、７８０℃または１３００℃で１時間加熱した場合における顕微鏡写真（５０倍）を夫々示す。
【００３５】
Ｎｏ．１は、７８０℃焼鈍後のフェライト結晶粒径が７０μｍと大きい従来例である（図３）が、加熱温度を１３００℃まで高めても、図４に示す様にほとんど粒成長しないことが分かる。
【００３６】
これに対して、焼鈍後のフェライト結晶粒径が２５μｍと、本発明の要件を満足するＮｏ．３（図５）では、１０００℃まではほとんど粒成長しないが、１１００〜１２００℃の範囲で、或る特定の少数の結晶粒が、他の一次再結晶粒を蚕食することにより急速に粒成長する結果、図６に示す様に巨大な結晶粒の得られる二次再結晶化現象が認められた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は上記の様に構成されているので、高温強度特性を備えることは勿論のこと、高温使用時における耐ダレ性に優れたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系鋼管を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダレ試験測定用装置の概略図である。
【図２】フェライト結晶粒径と温度との関係を示すグラフである。
【図３】従来例（Ｎｏ．１）を７８０℃で１時間加熱した後の顕微鏡写真である。
【図４】従来例（Ｎｏ．１）を１３００℃で１時間加熱した後の顕微鏡写真である。
【図５】本発明例（Ｎｏ．３）を７８０℃で１時間加熱した後の顕微鏡写真である。
【図６】本発明例（Ｎｏ．３）を１３００℃で１時間加熱した後の顕微鏡写真である。
【図１】
0003563523.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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