(57)【要約】      （修正有）【課題】熱負荷時のフェライト相の析出を低減させることにより、オーステナイト組織を安定させ、耐熱性に優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼の提供。【解決手段】オーステナイト系耐熱鋳鋼は、Ｃ：０．１〜０．６質量％、Ｓｉ：１．０〜２．５質量％、Ｍｎ：１．０〜３．５質量％、Ｓ：０．０５〜０．２質量％、Ｃｒ：１４〜２４質量％、Ｎｉ：５〜２０質量％、Ｎ：０．１〜０．３質量％、Ｚｒ：０．０１〜１．２質量％、Ｃｕ：０．０１〜１．５質量％、Ｎｂ：０．０１〜１．５質量％、残部：鉄および不可避不純物からなり、Ｍｎ−Ｓ≧１．０及びＣ−（１／１２Ｃｒ−３２Ｚｒ）＞０を満たすオーステナイト系耐熱鋳鋼。ここでこれらの式においては、元素記号は、該元素記号に相当する元素の含有量を原子％で表した値である。更にＺｒを０．２５〜０．５質量％で含有する、オーステナイト耐熱鋳鋼。【選択図】図１
2015151573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．１〜０．６質量％、
Ｓｉ：１．０〜２．５質量％、
Ｍｎ：１．０〜３．５質量％、
Ｓ：０．０５〜０．２質量％、
Ｃｒ：１４〜２４質量％、
Ｎｉ：５〜２０質量％、
Ｎ：０．１〜０．３質量％、
Ｚｒ：０．０１〜１．２質量％、
Ｃｕ：０．０１〜１．５質量％、
Ｎｂ：０．０１〜１．５質量％、
残部：鉄および不可避不純物からなり、
下記（１）式および式（２）を満たすことを特徴とするオーステナイト系耐熱鋳鋼。
Ｍｎ−Ｓ≧１．０…（１）
Ｃ−（１／１２Ｃｒ−３２Ｚｒ）＞０…（２）
ここで、（１）式および（２）式に示す元素記号は、該元素記号に相当する元素の含有量を原子％で表した値である。
【請求項２】
下記（３）式をさらに満たす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鋳鋼。
−２．３５Ｎｉ−３．３６Ｍｎ−１．４６Ｃｒ＋２．０３Ｓｉ−０．４８Ｎｂ−０．５１Ｚｒ−０．４７Ｃｕ＋４９．８６≦３…（３）
ここで、（３）式に示す元素記号は、該元素記号に相当する元素の含有量を質量％で表した値である。
【請求項３】
Ｚｒを０．２５〜０．５質量％の範囲で含有していることを特徴とする請求項１または２に記載のオーステナイト系耐熱鋳鋼。
【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鋳鋼に関し、特に、熱疲労特性に優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、オーステナイト系耐熱鋳鋼は、自動車のエキゾーストマニホールドやタービンハウジング等の排気系部品等に使用されている。このような部品は、使用環境が高温で過酷であることから、優れた熱疲労特性を備えるには、高温強度特性に優れることと、常温から高温までの靱性に優れることが必要である。
【０００３】
このような点から、たとえば、特許文献１には、Ｃ：０．２〜１．０質量％、Ｃ−Ｎｂ／８：０．０５〜０．６質量％、Ｓｉ：２質量％以下、Ｍｎ：２質量％以下、Ｎｉ：８〜２０質量％、Ｃｒ：１５〜３０質量％、Ｎｂ：０．５〜６質量％、Ｗ：１〜６質量％、Ｎ：０．０１〜０．３質量％、Ｓ：０．０１〜０．５質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるオーステナイト系耐熱鋳鋼が提案されている。
【０００４】
また、特許文献２には、Ｃ：０．０５〜０．６５質量％、Ｓｉ：０．１０〜３．０質量％、Ｍｎ：０．１０〜１１．０質量％、Ｎｉ：３〜４０質量％、Ｃｒ：１２〜２３質量％、Ｎ：≦０．５質量％であり、且つ［Ｃａ質量％］−０．９［Ｏ質量％］で表される有効Ｃａ量が−０．００２０以上であるオーステナイト系耐熱鋳鋼が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２２８９４８号公報
【特許文献２】特開平９−２８７０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、Ｎｉ（ニッケル）の含有量を８〜２０質量％とすることによりオーステナイト組織の安定化を図っており、特許文献２では、これまでのオーステナイト系耐熱鋳鋼に比べてＭｎ（マンガン）を過多に含有させることによりさらにオーステナイト組織の安定化を図っている。
【０００７】
しかしながら、いずれのオーステナイト系耐熱鋳鋼も、Ｃｒ（特許文献１では、Ｃｒ：１５〜３０質量％、特許文献２では、Ｃｒ：１２〜２３質量％）を含有しているため、熱負荷を受けた際に結晶粒界にクロム炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）が析出しやすい。このクロム炭化物の析出により、オーステナイト組織を安定化させる元素であるＣ（炭素）が、オーステナイト組織内において減少してしまう。この結果、特許文献１および２に示すように、オーステナイト安定元素であるＮｉおよびＭｎを添加したとしても、Ｃの減少により相殺されて、抜本的にオーステナイト組織を安定化することができない。これにより、熱負荷時にオーステナイト組織中にフェライト相が析出してしまうことがある。
【０００８】
また、特許文献２に示すように、Ｍｎ（マンガン）を添加したとしても、Ｓ（硫黄）が添加されている場合には、ＭｎＳが生成されてしまい、被削性が向上するものの、オーステナイト組織の安定化に寄与するＭｎが減少してしまうことがあった。
【０００９】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱負荷時のフェライト相の析出を低減させることにより、オーステナイト組織を安定させ、耐熱性に優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは多くの実験と研究を鋭意行うことにより、オーステナイト系耐熱鋳鋼にＺｒ（ジルコニウム）を添加することにより、オーステナイト結晶粒が微細化され、結晶粒界に偏析するＣｒ（クロム）を分散させることができるとの新たな知見を得た。これにより、結晶粒界におけるＣｒ濃度を低下させ、結晶粒界の周囲でＣｒと結びつくＣ（炭素）量を低減し、その結果オーステナイト組織を安定化することができるとの知見を得た。これは、従来の、オーステナイト安定化元素であるＮｉやＭｎの多量添加によりオーステナイト組織を安定化させるという技術的思想とは全く異なる。また、オーステナイト系耐熱鋳鋼においてＳと結合しないＭｎを確保し、これをオーステナイト結晶粒に固溶させることも重要であると考えた。
【００１１】
本発明は発明者らの前記新たな知見に基づくものであり、本発明に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼は、Ｃ：０．１〜０．６質量％、Ｓｉ：１．０〜２．５質量％、Ｍｎ：１．０〜３．５質量％、Ｓ：０．０５〜０．２質量％、Ｃｒ：１４〜２４質量％、Ｎｉ：５〜２０質量％、Ｎ：０．１〜０．３質量％、Ｚｒ：０．０１〜１．２質量％、Ｃｕ：０．０１〜１．５質量％、Ｎｂ：０．０１〜１．５質量％、残部：鉄および不可避不純物からなり、下記（１）式および式（２）を満たすことを特徴とするオーステナイト系耐熱鋳鋼。
Ｍｎ−Ｓ≧１．０…（１）
Ｃ−（１／１２Ｃｒ−３２Ｚｒ）＞０…（２）
ここで、（１）式および（２）式に示す元素記号は、該元素記号に相当する元素の含有量を原子％で表した値である。
【００１２】
本発明に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の基本成分は、鉄（Ｆｅ）をベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼であって、全体を１００質量％としたときに、上述した成分の炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、硫黄（Ｓ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、窒素（Ｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、およびニオブ（Ｎｂ）を上述した範囲で含有している。
【００１３】
ここで、第１の発明は、理論上、ＭｎＳおよびＣｒ２３Ｃ６が生成されることを考慮して、検討されたものである。具体的には、第１の発明では、（１）式に示すＭｎ（原子％）−Ｓ（原子％）≧１．０を満たすことにより、ＭｎＳが生成されたとしても、オーステナイト組織の安定化に寄与するＭｎをオーステナイト結晶粒内に固溶させて、これをオーステナイト結晶粒内に確保することができる。
【００１４】
さらに、第１の発明では、（２）式に示すＣ（原子％）−｛１／１２Ｃｒ（原子％）−３２Ｚｒ（原子％）｝＞０とすることにより、（１）式による効果を前提にＺｒによりオーステナイト結晶粒が微細化されるため、結晶粒界に偏析するＣｒ（クロム）を分散させることができる。これにより、結晶粒界におけるＣｒ濃度を低下させ、結晶粒界の周囲におけるクロム炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）を抑制することができ、オーステナイト組織を安定化させる元素であるＣの減少を防ぐことができる。
【００１５】
このような結果、加熱時にフェライト相の析出を低減させることにより、オーステナイト組織を安定させ、熱疲労特性、高温強度、高温耐酸化性等の耐熱性を高めることができる。
【００１６】
さらに、オーステナイト系耐熱鋳鋼は、上述した成分元素の含有量を前提に、オーステナイト組織の安定化に寄与するＭｎをオーステナイト結晶粒内に固溶させ、かつ、Ｚｒによりオーステナイト結晶粒が微細化されるため、結晶粒界に偏析するＣｒ（クロム）を分散させることができる。これにより、結晶粒界におけるＣｒ濃度を低下させ、結晶粒界の周囲におけるクロム炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）を抑制することができる。
【００１７】
さらに上述した（１）式および（２）式を満たすことを前提に、下記（３）式をさらに満たすことが好ましい。
−２．３５Ｎｉ−３．３６Ｍｎ−１．４６Ｃｒ＋２．０３Ｓｉ−０．４８Ｎｂ−０．５１Ｚｒ−０．４７Ｃｕ＋４９．８６≦３…（３）
ここで、（３）式に示す元素記号は、該元素記号に相当する元素の含有量を質量％で表した値である。
【００１８】
この態様では、各元素が上述した範囲の含有量を有したオーステナイト系耐熱鋳鋼に対して、熱負荷を作用させたときに、実際に生成されるオーステナイト系耐熱鋳鋼のフェライト量から検討されたものである。具体的には、フェライト相の生成に寄与率の高い元素を特定し、統計学を利用して、寄与率の高い元素の含有量と、フェライト相が生成される量（フェライト量）との関係を上述した（３）式の如く定式化した。
【００１９】
なお、固溶する炭素にはオーステナイト安定化の効果があるが、添加した炭素のうちいくらかは炭化物を形成しており、オーステナイトに固溶する正確な炭素量がわからないため、（３）式には炭素に関する項はなく、その代りに、（２）式で炭素量を特定している。
【００２０】
（３）式における右辺の値は、後述する発明者らの実験により、重回帰分析により回帰式から求めたフェライト量（質量％）であり、左辺で示された元素は、熱負荷時にフェライト相の生成に寄与率が高い元素である。この式からも明らかなように、Ｍｎの係数は、負の値で他の元素に比べて絶対値がもっとも大きいため、Ｍｎのフェライト相生成抑制に対する寄与率が高い。（３）式における左辺の値が３（質量％）以下であれば、フェライト量（質量％）が、３質量％以下になり、オーステナイト組織が安定する。
【００２１】
より好ましい態様として、オーステナイト系耐熱鋳鋼は、Ｚｒを０．２５〜０．５質量％の範囲で含有していることが好ましい。これにより、ＮｉおよびＭｎの含有量を制限した場合であっても、熱負荷時のフェライト相生成量を低減させることができる。ここで、Ｚｒの含有量が０．２５質量％未満である場合、Ｚｒによるオーステナイト結晶粒の微細化が十分でないことがあり、結晶粒界にクロム炭化物が偏析し、フェライト量が増加することがある。また、Ｚｒの含有量が０．５質量％を超えた場合、ＺｒとＣが結晶粒界に析出することにより、オーステナイト組織を安定化させる元素であるＣ（炭素）が、オーステナイト組織内において減少してしまうことがある。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、熱負荷時のフェライト相の析出を低減させることにより、オーステナイト組織を安定させ、耐熱性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例１〜２１および比較例１〜１０のうち、Ｚｒの添加範囲別に選択した実施例および比較例に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼に含有するＮｉ＋Ｍｎ量と、フェライト量との関係を示した図。
【図２】実施例１８および比較例２に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の熱処理前後の組織写真を示した図。
【図３】実施例１〜２１および比較例２〜１０に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼のＡ値と、フェライト量との関係を示した図。
【図４】実施例３、１８、比較例１１、１２に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の酸化減量の値を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下の本発明の実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼を説明する。
本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼は、Ｃ：０．１〜０．６質量％、Ｓｉ：１．０〜２．５質量％、Ｍｎ：１．０〜３．５質量％、Ｓ：０．０５〜０．２質量％、Ｃｒ：１４〜２４質量％、Ｎｉ：５〜２０質量％、Ｎ：０．１〜０．３質量％、Ｚｒ：０．０１〜１．２質量％、Ｃｕ：０．０１〜１．５質量％、Ｎｂ：０．０１〜１．５質量％、残部：鉄および不可避不純物からなる。ここで、以下に各元素とその含有量に関して詳述する。
【００２５】
＜Ｃ（炭素）：０．１〜０．６質量％＞
Ｃは、上述した範囲で、オーステナイト組織の安定化元素として作用すると共に、高温強度の向上と鋳造性の改善に有効である。ここで、その含有量が０．１質量％未満では鋳造性の改善効果が少ない。一方、その含有量が０．６質量％を超えるとＣｒＣの析出により組織硬さが増加するとともに靱性が低下する。これにより、オーステナイト系耐熱鋳鋼の被削性が低下することがある。
【００２６】
＜Ｓｉ（シリコン）：１．０〜２．５質量％＞
Ｓｉは、上述した範囲で、耐酸化性と鋳造性の改善に有効である。ここで、その含有量が１．０質量％未満では、鋳造性が損なわれるおそれがあり、一方、その含有量が２．５質量％を超えるとオーステナイト系耐熱鋳鋼の被削性が低下する。
【００２７】
＜Ｍｎ（マンガン）：１．０〜３．５質量％＞
Ｍｎは、上述した範囲で、脱酸反応を促すとともに、オーステナイト組織を安定化させる。ここで、その含有量が１．０質量％未満では、脱酸効果がなく鋳造欠陥が生じてしまうばかりでなく、オーステナイト組織の安定化が低下することで、熱疲労寿命が低下する。一方、その含有量が３．５質量％を超えると、鋳造時に酸化ケイ素（ＳｉＯ２）鋳型との反応により、鋳造品に凹凸が形成されて、肌荒れを起こすことがある。また、加工時に、加工誘起マルテンサイトが生じるため、オーステナイト系耐熱鋳鋼の被削性が低下する。
【００２８】
＜Ｓ（硫黄）：０．０５〜０．２質量％＞
Ｓは、上述した範囲で、被削性を確保するができる。ここで、その含有量が０．０５質量％未満では、被削性が低下してしまう。一方、その含有量が０．２質量％を超えると多量の硫化物が生成されるため、熱疲労寿命を低下させてしまう。
【００２９】
＜Ｃｒ（クロム）：１４〜２４質量％＞
Ｃｒは、上述した範囲で、耐酸化性を高め、高温強度の改善に有効である。ここで、その含有量が１４質量％未満では耐酸化性の効果が低下する。一方、その含有量が２４質量％を超えると、熱負荷時にフェライト化が促進されてしまう。
【００３０】
＜Ｎｉ（ニッケル）：５〜２０質量％＞
Ｎｉは、上述した範囲で、オーステナイト組織を安定化させることができる。ここで、その含有量が５質量％未満では、耐酸化性の低下およびオーステナイト組織の安定化が低下することで、熱疲労寿命が低下を引き起こす。その含有量が２０質量％を超えると、鋳造性は、阻害される。また、本実施形態では、含有量が１０質量％を超えたとしても、オーステナイト組織の安定化の効果が飽和するため、Ｎｉの含有量は、５〜１０質量％であることがより好ましい。
【００３１】
＜Ｎ（窒素）：０．１〜０．３質量％＞
Ｎは、上述した範囲で、高温強度の向上とオーステナイト相の安定化、組織の微細化に有効である。ここで、その含有量が０．１質量％未満ではその効果は十分でなく、その含有量が０．３質量％を超えると、歩留まりが極端に低下して、ガス欠陥の原因となる。
【００３２】
＜Ｚｒ（ジルコニウム）：０．０１〜１．２質量％＞
Ｚｒは、上述した範囲で、オーステナイト結晶粒が微細化され、結晶粒界に偏析するＣｒ（クロム）を分散させ、オーステナイト組織の安定化を図ることができる。また、オーステナイト系耐熱鋳鋼の耐酸化性を向上させることができる。それだけでなく、結晶粒の微細化によってＭｎＳがオーステナイト組織中に細かく分散され、被削性が向上する。ここで、その含有量が０．０１質量％未満では、オーステナイト組織の安定化および耐酸化性向上の効果は期待できず、その含有量が１．２質量％を超えると、ＺｒＣ，ＺｒＮが生成されてしまうため、オーステナイト結晶粒内のＣおよびＮの固溶量が低下してしまい、オーステナイト組織が不安定となる。さらに、上述したＺｒＣ，ＺｒＮが結晶粒界に介在物として存在するため、オーステナイト系耐熱鋳鋼の被削性が低下する。
【００３３】
また、このような効果をより一層発現させるためには、Ｚｒを０．２５〜０．５質量％の範囲で含有することが好ましい。具体的には、Ｚｒの含有量が０．２５質量％未満となると、Ｚｒによるオーステナイト結晶粒の微細化が十分でないことがある。さらに、ＮｉおよびＭｎの含有量を制限した場合、Ｚｒの含有量が０．５質量％を超えると、ＺｒＣの析出により、オーステナイト組織が不安定となることがある。
【００３４】
＜Ｃｕ（銅）：０．０１〜１．５質量％＞
Ｃｕは、上述した範囲で、オーステナイト組織の安定化を図ることができる。なお、上述した如く、ＭｎとＳとの結合、ＣとＣｒとの結合によりオーステナイト組織が不安定になることがあるが、Ｃｕは、このような結合が殆どないため、オーステナイト組織の安定化に直結する。ここで、その含有量が０．０１質量％未満ではその効果を期待することが難しく、その含有量が１．５質量％を超えると、オーステナイト系耐熱鋳鋼の耐酸化性が低下する。
【００３５】
＜Ｎｂ（ニオブ）：０．０１〜１．０質量％＞
Ｎｂは、オーステナイト組織中に微細な炭化物を形成し、高温強度ならびにクリープ破断強度を高めることができる。ここで、その含有量が０．０１質量％未満ではその効果が現れず、その含有量が１．５質量％を超えると、耐酸化性および被削性が低下する。さらに好ましくは０．１〜１．０質量％である。
【００３６】
＜その他の元素＞
不可避不純物として含有されるＰは、０．０５質量％以下であることが好ましい。含有量がこれを超えると、加熱冷却の繰り返しによる熱劣化が発生しやすくなり、靱性も低下する。また、含有量がこれを超えると、鋳造割れの原因となる。
【００３７】
本実施形態では、上述した成分のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｎｂが上述した範囲でオーステナイト系耐熱鋳鋼に添加されていることを前提として、下記（１）式および式（２）を満たす（第１の発明）。
Ｍｎ−Ｓ≧１．０…（１）
Ｃ−（１／１２Ｃｒ−３２Ｚｒ）＞０…（２）
ここで、（１）式および（２）式に示す元素記号は、該元素記号に相当する元素の含有量を原子％（ａｔ％）で表した値である。
【００３８】
すなわち、（１）式に示すＭｎ（原子％）−Ｓ（原子％）≧１．０を満たすことにより、ＭｎＳが生成されたとしても、少なくとも、Ｓと結合しないＭｎが１．０原子％以上確保されることになる。これにより、オーステナイト組織の安定化に寄与するＭｎをオーステナイト結晶粒内に固溶させて、これをオーステナイト結晶粒内に確保することができる。ここで、Ｓと結合しないＭｎが１．０原子％未満となった場合、Ｍｎによるオーステナイト組織の安定化の効果を十分得られないことがある。
【００３９】
さらに、（２）式に示すＣ（原子％）−｛１／１２Ｃｒ（原子％）−３２Ｚｒ（原子％）｝＞０とすることにより、Ｚｒによりオーステナイト結晶粒が微細化されるため、結晶粒界に偏析するＣｒ（クロム）を分散させることができる。これにより、結晶粒界におけるＣｒ濃度を低下させ、結晶粒界の周囲におけるクロム炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）を抑制することができる。このような結果、加熱時にフェライト相の析出を低減させることにより、オーステナイト組織を安定させ、熱疲労特性、高温強度、高温耐酸化性等の耐熱性を高めることができる。
【００４０】
また、本実施形態では、上述した成分のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｎｂが上述した範囲でオーステナイト系耐熱鋳鋼に添加されていることを前提として、上述した（１）式または（２）式を前提に、下記（３）式を満たすことがより好ましい。
−２．３５Ｎｉ−３．３６Ｍｎ−１．４６Ｃｒ＋２．０３Ｓｉ−０．４８Ｎｂ−０．５１Ｚｒ−０．４７Ｃｕ＋４９．８６≦３…（３）
ここで、（３）式に示す元素記号は、該元素記号に相当する元素の含有量を質量％で表した値である。
【００４１】
（３）式における左辺の値は、後述する発明者らの実験により、重回帰分析により回帰式から求めたオーステナイト系耐熱鋳鋼のフェライト量（質量％）であり、実際にオーステナイト系耐熱鋳鋼に熱負荷を作用させたときのオーステナイト系耐熱鋳鋼に析出するフェライト相の総量（フェライト量）に略一致する。左辺で示された元素の係数は、熱負荷時にフェライト相の生成または抑制に寄与する程度を示したものである。たとえば、Ｎｉ，Ｍｎは、フェライト相の生成を抑制する効果が大きいため、その係数は負の値でかつ絶対値が大きい。（３）式に示す各元素の含有量を（３）式に示す如く満たせば、フェライト量α（質量％）が、３質量％以下になり、オーステナイト組織が安定する。
【実施例】
【００４２】
以下、実施例と比較例により、本発明をより具体的に説明する。
［実施例１］
表１に示す組成を持つ、Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼の出発材料となる試料３５ｋｇを準備し、高周波誘導炉を用いて大気溶解を行った。得られた溶湯を、１６００℃で出湯し、１５５０℃で２５ｍｍ×２５ｍｍ×３００ｍｍの砂型鋳型（余熱なし）に注湯し凝固させて、Ｙ型Ｂ号ブロック（ＪＩＳ規格）のオーステナイト系耐熱鋳鋼のブロック片を得た。このブロック片から５ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍの試験片を切り出して、大気炉で、７００℃で、２００時間保持し、その炉から試験片を取り出し、放冷した。なお、表１には、実施例１に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の各成分元素の含有量を、質量％（ｍａｓｓ％）および原子％（ａｔ％）で示した。
【００４３】
さらに、表１では、以下に示すＭ値およびＰ値を算出し、以下の関係式である（１）式および（２）式を満たしていることを確認した。
Ｍ＝Ｍｎ（ａｔ％）−Ｓ（ａｔ％）≧１．０…（１）
Ｐ＝Ｃ（ａｔ％）−｛１／１２Ｃｒ（ａｔ％）−３２Ｚｒ（ａｔ％）｝＞０…（２）
【００４４】
［実施例２〜２１］
実施例１と同じように、オーステナイト系耐熱鋳鋼からなる試験片を作製した。具体的には、表１に示す成分の試料を用いて試験片を鋳造し、実施例１と同じ加熱条件で、試験片に対して熱処理を行った。
【００４５】
なお、表１には、実施例１とともに実施例２〜２１に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の各成分元素の含有量を、質量％（ｍａｓｓ％）および原子％（ａｔ％）で示した。さらに、表１では、上述したＭ値およびＰ値を算出し、上述した（１）式および（２）式を満たしていることを確認した。
【００４６】
［比較例１〜１０］
実施例１と同じように、オーステナイト系耐熱鋳鋼からなる試験片を作製した。具体的には、表１に示す成分の試料を用いて試験片を鋳造し、実施例１と同じ加熱条件で、試験片に対して熱処理を行った。
【００４７】
なお、表２には、比較例１〜１０に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の各成分元素の含有量を、質量％（ｍａｓｓ％）および原子％（ａｔ％）で示した。さらに、表２では、上述したに示すＭ値およびＰ値を算出し、上述した（１）式および（２）式のいずれか一方または双方を満たしていないことを確認した。
【００４８】
＜各元素の元素量の確認＞
表１および表２に示すオーステナイト系耐熱鋳鋼の炭素および硫黄の含有量を、高周波燃焼-赤外線式炭素・硫黄分析装置（堀場製作所製  ＥＭＩＡ−３２００）を用いて測定した。具体的には、タングステン助燃剤（チップ状：炭素含有率０．０１％以下）、過塩素酸マグネシウム（無水：粒径０．７〜１．２ｍｍ）、およびアスカライトからなる試料を準備した。この試料と各オーステナイト系耐熱鋳鋼を、酸素（純度が９９．９９９％以上の乾燥酸素）の雰囲気下において、高周波るつぼ（セラミックるつぼ）内で溶融し測定を行った。なお、ダストフィルタには、ガラスウールを用いた。
【００４９】
表１および表２に示すオーステナイト系耐熱鋳鋼の窒素の含有量を、酸素・窒素分析装置（ＬＥＣＯ製  ＴＣ−４３６型）を用いて測定した。具体的には、アンヒドロン（過塩素酸マグネシウム）、およびアスカライト（炭酸ガス吸収剤）、酸化銅（粒状）、金属銅（リボン状）からなる試料を準備した。この試料と各オーステナイト系耐熱鋳鋼を、ヘリウム（９９．９９質量％未満）、アルゴン（９９．９９質量％未満）を混合した混合ガス雰囲気下において、黒鉛るつぼ内で溶融し、窒素の測定を行った。なお、ダストフィルタには、ガラスウールを用いた。
【００５０】
表１および表２に示すオーステナイト系耐熱鋳鋼の珪素の含有量を二酸化珪素重量法により測定した。具体的には、各オーステナイト系耐熱鋳鋼からなる試料を王水で分解し、過塩素酸を加え加熱蒸発して珪素を不溶性二酸化珪素とし、濾過後過強熱して恒量とし、次にフッ化水素酸を加えて二酸化珪素を蒸発揮散させ、その減量から珪素を定量した。また、表１および２に示すオーステナイト系耐熱鋳鋼のその他の元素の含有量は、一般的なＩＰＣ発光分析法により分析した。
【００５１】
＜フェライト量の測定＞
実施例１〜２１および比較例１〜１０のオーステナイト系耐熱鋳鋼に対して、５ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍの試験片を用い、試料振動型磁力計（ＶＳＭ）を用いて、飽和磁化の値を測定し、フェライト量（質量％）を算出した。この結果を表１に示す。
【００５２】
なお、図１は、実施例１〜２１および比較例１〜１０のうち、代表的な実施例および比較例に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼に含有するＮｉ＋Ｍｎ量と、フェライト量との関係を示した図である。
【００５３】
＜組織観察＞
実施例１８および比較例２に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の熱処理前後の試験片の表面を研磨後、マーブルエッチング後、光学顕微鏡で観察した。この結果を図２に示す。図２は、実施例１８および比較例２に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の熱処理前後の組織写真を示した図である。
【００５４】
【表１】
2015151573.tif 000003
【００５５】
【表２】
2015151573.tif 000004
【００５６】
＜結果１＞
表１、２からも明らかなように、（１）式の関係を満たすＭ値とすることにより、オーステナイト組織の安定化に寄与するＭｎをオーステナイト結晶粒内に固溶させて、これをオーステナイト結晶粒内に確保することができると考えられる。さらに、（２）式の関係を満たすＰ値とすることにより、Ｚｒによりオーステナイト結晶粒が微細化されるため、結晶粒界に偏析するＣｒ（クロム）を分散させることができる。このような結果、表１、２及び図１に、示すように、熱処理後のフェライト量を３質量％以下にすることができる。
【００５７】
このようにして、図２に示すように、その一例である実施例１８のオーステナイト系耐熱鋳鋼の熱処理後の組織は、比較例２に比べて、オーステナイト結晶粒が微細化し、クロム炭化物も分散したと考えられる。
【００５８】
また、図１に示すように、Ｚｒの添加に伴い、オーステナイト系耐熱鋳鋼に生成されるフェライト量が低下していることがわかるが、特に、Ｚｒを０．２５〜０．５質量％の範囲で含有することにより、ＮｉおよびＭｎの含有量を制限した場合であっても、熱負荷時のフェライト相生成量を低減させることができる。ここで、Ｚｒの含有量が０．２５質量％未満である場合、Ｚｒによるオーステナイト結晶粒の微細化が十分でないことがあり、結晶粒界にクロム炭化物が偏析し、フェライト量が増加することがある（例えば比較例１、８、９参照）。また、Ｚｒの含有量が０．５質量％を超えた場合、ＺｒとＣが結晶粒界に析出することにより、オーステナイト組織を安定化させる元素であるＣ（炭素）が、オーステナイト組織内において減少してしまうことがある（例えば比較例２参照）。
【００５９】
さらに、表１および２に示す各元素（成分）の含有量と、測定したフェライト量（質量％）との関係を重回帰分析により分析した。具体的には、各元素が上述した範囲の含有量を有したオーステナイト系耐熱鋳鋼に対して、熱負荷を作用させたときに、生成されるオーステナイト系耐熱鋳鋼のフェライト量から検討されたものである。具体的には、フェライト相の生成または抑制に寄与する元素を特定し、それらの元素の含有量と、フェライト相が生成される量（フェライト量）との関係を以下の式の如く回帰式により定式化した。
Ａ＝−２．３５Ｎｉ−３．３６Ｍｎ−１．４６Ｃｒ＋２．０３Ｓｉ−０．４８Ｎｂ−０．５１Ｚｒ−０．４７Ｃｕ＋４９．８６…（３ａ）
【００６０】
ここで、（３ａ）式に示す元素記号は、該元素記号に相当する元素の含有量を質量％で表した値であり、Ａ値は、フェライト量の予測値である。各元素の正の係数はフェライト相を生成する効果があることを、負の係数は抑制する効果があることを示している。図３は、実施例１〜２１および比較例１〜１０に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼のＡ値と、フェライト量との関係を示した図である。図３に示すように、（３ａ）式を用いたＡ値と実際に生成されるフェライト量αの相関関数は、α＝１．０５７３Ａとなっており、（３ａ）式に示すＡ値は、実際のオーステナイト系耐熱鋳鋼に生成されるフェライト量に略一致しているといえる。
【００６１】
したがって、以下に示す、（３）式を満たすように、含有量を特定すれば、フェライト量（質量％）が、より確実に３質量％以下になり、オーステナイト組織の安定化が安定するといえる。
−２．３５Ｎｉ−３．３６Ｍｎ−１．４６Ｃｒ＋２．０３Ｓｉ−０．４８Ｎｂ−０．５１Ｚｒ−０．４７Ｃｕ＋４９．８６≦３…（３）
【００６２】
＜酸化試験＞
実施例３および１８のオーステナイト系耐熱鋳鋼を２０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍの試験片に切り出して、炉内に入れて９００℃等温で、２００時間保持し、炉から取り出した後、試験片の表面の酸化スケールを除去し、試験前後の重量変化を測定した。
【００６３】
なお、酸化減量はΔＷ＝（Ｗｓ−Ｗｏ）／Ａｏで算出した。Ｗｓは熱処理後の試験片の重量（ｍｇ）、Ｗｏはスケール除去後の試験片の重量（ｍｇ）、Ａｏは試験片の表面積（ｃｍ２）である。この結果を、図４に示す。図４は、実施例３、１８および後述する比較例１１、１２に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼（評価数ｎ＝２における）の酸化減量の値を示した図である。
【００６４】
さらに、実施例３と基本成分が同じで、Ｚｒを含有してない比較例１１に係る試験片、実施例１８と基本成分が同じで、Ｚｒを含有してない比較例１２に係る試験片を準備し、実施例３および１８と同じようにして、酸化試験を行い、これらの試験片に対して酸化減量を測定した。この結果を、図４に示す。
【００６５】
図４に示すように、実施例３および１８の如く、Ｚｒを含有させた場合（０．２８〜１．１６質量％）には、酸化減量が６５〜７５質量％低減し、耐酸化性が著しく向上したといえる。
【００６６】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【図１】
2015151573.tif 000005
【図２】
2015151573.tif 000006
【図３】
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【図４】
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