(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学組成が、質量％で、
Ｃ  ：０．０２〜０．１２％、
Ｓｉ：０．１〜２％、
Ｍｎ：０．１〜３％、
Ｐ  ：０．０４％以下、
Ｓ  ：０．０２％以下、
Ｃｒ：２０〜２６％、
Ｎｉ：２６％を超え３５％以下、
Ｗ  ：１〜５．５％、
Ｖ  ：０．０１〜１％、
Ｎｂ：０．０１〜１％、
Ｂ  ：０．０００５〜０．００８％、
Ｍｏ：０．３％以下、
Ａｌ：０．００１〜０．３％、
Ｃｕ：０．３％以下、
Ｔｉ：０．０１％以下、
Ｎ  ：０．１３％を超え０．３５％以下、
ＲＥＭ：０．００３〜０．１０％、
Ｍｇ：０〜０．０５％、
Ｃａ：０〜０．０５％、
Ｚｒ：０〜０．１％、
Ｈｆ：０〜０．５％、
Ｔａ：０〜１％、
Ｒｅ：０〜５％、
Ｃｏ：０〜１０％、
残部：Ｆｅ及び不純物であり、
前記化学組成が、下記の式（１）及び（２）を満たす、オーステナイト系耐熱鋼。
０．１５［Ｎ残渣］≦［ＲＥＭ］≦０．７［Ｎ残渣］…（１）
６．２［Ｎ］≦［Ｗ］≦１７．１［Ｎ］…（２）
ここで、［ＲＥＭ］、［Ｎ］、及び［Ｗ］には、ＲＥＭ、Ｎ、及びＷの含有量が質量％で代入され、［Ｎ残渣］には、７５０℃で３０００時間加熱時に窒化物として析出する窒素量が質量％で代入される。
【請求項２】
請求項１に記載のオーステナイト系耐熱鋼であって、
前記化学組成が、質量％で、下記の第１グループから第４グループまでのうちの少なくとも１つのグループから選択される少なくとも１種を含有する、オーステナイト系耐熱鋼。
第１グループ  Ｍｇ：０．０００５〜０．０５％、Ｃａ：０．０００５〜０．０５％
第２グループ  Ｚｒ：０．００５〜０．１％、Ｈｆ：０．００５〜１％
第３グループ  Ｔａ：０．０１〜１％、Ｒｅ：０．０１〜５％
第４グループ  Ｃｏ：０．０５〜１０％
【請求項３】
請求項１又は２に記載のオーステナイト系耐熱鋼であって、
７００℃、１００００時間のクリープ破断強度が１２５ＭＰａ以上であり、７００℃、１３０ＭＰａにおけるクリープ破断伸びが１５％以上である、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ボイラや化学プラント等の装置用材料として、ＳＵＳ３０４Ｈ、ＳＵＳ３１６Ｈ、ＳＵＳ３２１Ｈ、ＳＵＳ３４７Ｈ等の１８−８系オーステナイト系耐熱鋼が使用されてきた。しかし近年、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いる。そのため、１８−８系オーステナイト系耐熱鋼では、高温強度、特にクリープ破断強度、耐水蒸気酸化性、及び耐高温腐食性が著しく不足する状況になっている。
【０００３】
そこで、Ｃｒを２０％程度以上含有するオーステナイト系耐熱鋼の各種元素の含有量を最適化して、クリープ破断強度を改善したオーステナイト系耐熱鋼が開発されている。
【０００４】
特許第３８３８２１６号公報には、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。
【０００５】
特許第４２５８６７８号公報には、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。
【０００６】
特許第４９４６７５８号公報には、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】
特許第５０００８０５号公報には、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。
【０００８】
特許第５６７０１０３号公報には、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。
【０００９】
特許第５６６１００１号公報には、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。
【００１０】
特開２０１３−６７８４３号公報には、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】
【００１１】
【特許文献１】特許第３８３８２１６号公報
【特許文献２】特許第４２５８６７８号公報
【特許文献３】特許第４９４６７５８号公報
【特許文献４】特許第５０００８０５号公報
【特許文献５】特許第５６７０１０３号公報
【特許文献６】特許第５６６１００１号公報
【特許文献７】特開２０１３−６７８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
最近、例えば火力発電用ボイラの分野では、蒸気温度を６５０〜７００℃以上に高める計画が国内外で推進されている。蒸気温度を６５０〜７００℃以上に高めれば、使用される部材の温度は、７００℃を遙かに超える。このような環境では、上記文献に記載されたオーステナイト系耐熱鋼であっても、クリープ破断強度や耐食性が不十分になる場合がある。
【００１３】
また、クリープ破断強度の向上を重視したオーステナイト系耐熱鋼では、高温で長時間保持したときのクリープ破断延性が低くなる傾向があることが、本発明者らの調査によって明らかになった。
【００１４】
本発明の目的は、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するオーステナイト系耐熱鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜２％、Ｍｎ：０．１〜３％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｒ：２０〜２６％、Ｎｉ：２６％を超え３５％以下、Ｗ：１〜５．５％、Ｖ：０．０１〜１％、Ｎｂ：０．０１〜１％、Ｂ：０．０００５〜０．００８％、Ｍｏ：０．３％以下、Ａｌ：０．００１〜０．３％、Ｃｕ：０．３％以下、Ｔｉ：０．０１％以下、Ｎ：０．１３％を超え０．３５％以下、ＲＥＭ：０．００３〜０．１０％、Ｍｇ：０〜０．０５％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｚｒ：０〜０．１％、Ｈｆ：０〜０．５％、Ｔａ：０〜１％、Ｒｅ：０〜５％、Ｃｏ：０〜１０％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、前記化学組成が、下記の式（１）及び（２）を満たす。
０．１５［Ｎ残渣］≦［ＲＥＭ］≦０．７［Ｎ残渣］…（１）
６．２［Ｎ］≦［Ｗ］≦１７．１［Ｎ］…（２）
ここで、［ＲＥＭ］、［Ｎ］、及び［Ｗ］には、ＲＥＭ、Ｎ、及びＷの含有量が質量％で代入され、［Ｎ残渣］には、７５０℃で３０００時間加熱時に窒化物として析出する窒素量が質量％で代入される。
【発明の効果】
【００１６】
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す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】
【００１７】
本発明者らは、高いクリープ破断強度及びクリープ破断延性を発現させるためには、下記ａ）〜ｅ）を満たす必要があることを明らかにした。
ａ）Ｃｒ：２０〜２６％、Ｎｉ：２６％を超え３５％以下
ｂ）Ｗ：１〜５．５％、Ｍｏ：０．３％以下
ｃ）Ｖ：０．０１〜１％、Ｎｂ：０．０１〜１％、Ｎ：０．１３％を超え０．３５％以下
ｄ）６．２［Ｎ］≦［Ｗ］≦１７．１［Ｎ］
ｅ）０．１５［Ｎ残渣］≦［ＲＥＭ］≦０．７［Ｎ残渣］
ここで、［ＲＥＭ］、［Ｎ］、及び［Ｗ］には、ＲＥＭ、Ｎ、及びＷの含有量が質量％で代入され、［Ｎ残渣］には、７５０℃で３０００時間加熱時に窒化物として析出する窒素量が質量％で代入される。
【００１８】
耐食性と高温長時間の組織安定性とを両立するためには、Ｃｒ及びＮｉの各含有量を上記（ａ）の範囲にする必要がある。
【００１９】
このようなＣｒ及びＮｉを含有するオーステナイト系耐熱鋼において、高いクリープ破断強度を実現するためには、Ｗ及びＭｏの各含有量を上記（ｂ）の範囲にし、Ｖ、Ｎｂ、及びＮの各含有量を上記（ｃ）の範囲にすることが有効である。
【００２０】
Ｗを含有させることで、固溶強化に加えて、Ｌａｖｅｓ相等による析出強化により、クリープ破断強度が向上する。一方、Ｗと同様の強化作用を有すると考えられているＭｏは、２０％以上のＣｒを含有するオーステナイト系耐熱鋼においては、高温で長時間保持したときにσ相を析出させる。そのため、Ｍｏ含有量は、０．３％以下に厳密に低減する必要がある。
【００２１】
さらに、Ｖ、Ｎｂ、及びＮを適量含有させることで、（Ｖ，Ｎｂ）ＮやＺ相等の窒化物が析出し、クリープ破断強度が大幅に向上する。
【００２２】
ただし、Ｗは比較的粗大な窒化物π相の析出も促進する。固溶ＷやＬａｖｅｓ相の析出と微細な（Ｖ，Ｎｂ）ＮやＺ相を確保し、高いクリープ破断強度を得るとともに、過剰なπ相の析出を抑制し、高いクリープ破断延性を得るためには、Ｗ含有量とＮ含有量とが、上記（ｄ）で示される関係を満たす必要がある。すなわち、固溶ＷやＬａｖｅｓ相の析出量を確保するためには、Ｗ含有量を６．２［Ｎ］以上にする必要がある。一方、微細な窒化物の確保によるクリープ破断強度向上、過剰なπ相の析出によるクリープ破断延性や高温長時間加熱後の靱性低下防止の観点からは、Ｗ含有量を１７．１［Ｎ］以下にする必要がある。
【００２３】
高温で長時間保持したときにも十分なクリープ破断延性を確保するためには、ＲＥＭ含有量と、７５０℃で３０００時間加熱時に窒化物として析出する窒素量とが、上記（ｅ）で示される関係を満たす必要がある。すなわち、ＲＥＭ含有量が窒化物の量に対して低すぎると、粒内強度に対して粒界強度が不足し、クリープ破断延性が低下する。そのため、ＲＥＭ含有量を０．１５［Ｎ残渣］以上にする必要がある。一方、ＲＥＭ含有量が窒化物の量に対して高すぎると、介在物が過剰になったり粒界の局所的な融点が低下したりすることで、やはりクリープ破断延性が低下する。そのため、ＲＥＭ含有量を０．７［Ｎ残渣］以上にする必要がある。
【００２４】
以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、本発明の一実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼について詳述する。
【００２５】
［化学組成］
本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。
【００２６】
Ｃ：０．０２〜０．１２％
炭素（Ｃ）は、オーステナイト系耐熱鋼として必要な高温引張強さ、クリープ破断強度を得るために必須の元素である。この効果を得るためには、Ｃ含有量を０．０２％以上にする必要がある。一方、Ｃ含有量が０．１２％を超えると、未固溶炭化物が生じたり、Ｃｒの炭化物が増えたりすることによって、延性、靱性等の機械的性質や溶接性が劣化する。したがって、Ｃ含有量は０．０２〜０．１２％である。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．０５％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．１０％である。
【００２７】
Ｓｉ：０．１〜２％
シリコン（Ｓｉ）は、脱酸元素として含有される。Ｓｉはまた、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。この効果を得るためには、Ｓｉ含有量を０．１％以上にする必要がある。一方、Ｓｉ含有量が２％を超えると、σ相等の金属間化合物相の析出が促進され、高温における組織安定性の劣化に起因して靱性や延性が低下する。また、溶接性も低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．１〜２％である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．２％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは１％である。
【００２８】
Ｍｎ：０．１〜３％
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと同様、溶鋼の脱酸作用を有する。Ｍｎはまた、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。これらの効果を得るためには、Ｍｎ含有量を０．１％以上にする必要がある。一方、Ｍｎ含有量が３％を超えると、σ相等の金属間化合物相の析出が促進され、組織安定性、高温強度、及び機械的性質が劣化する。したがって、Ｍｎ含有量は０．１〜３％である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは０．２％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは２％であり、さらに好ましくは１．５％である。
【００２９】
Ｐ：０．０４％以下
リン（Ｐ）は、不純物として鋼中に含まれ、溶接性や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０．０４％以下である。Ｐ含有量は、極力低くすることが好ましく、好ましくは０．０３％以下、さらに好ましくは０．０２％以下である。
【００３０】
Ｓ：０．０２％以下
硫黄（Ｓ）は、Ｐと同様、不純物として鋼中に含まれ、溶接性や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０．０２％以下である。Ｓ含有量は、熱間加工性を重視する場合、好ましくは０．０１％以下、さらに好ましくは０．００３％以下である。
【００３１】
Ｃｒ：２０〜２６％
クロム（Ｃｒ）は、耐酸化性、耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性等の耐食性改善に優れた作用を発揮するとともに、Ｃｒ炭窒化物を形成してクリープ破断強度の向上にも寄与する重要な元素である。本実施形態では、厳しい高温環境下での耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性を重視するため、Ｃｒ含有量を２０％以上にする必要がある。一方、Ｃｒ含有量が２６％を超えると、σ相の析出等による組織の不安定化を招き、溶接性も劣化する。したがって、Ｃｒ含有量は２０〜２６％である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは２１％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは２５％である。
【００３２】
Ｎｉ：２６％を超え３５％以下
ニッケル（Ｎｉ）は、オーステナイト組織を安定にする元素であり、耐食性の確保にも重要な元素である。特に本実施形態のように、Ｃｒを２０％以上含有するオーステナイト系耐熱鋼においては、Ｎｉ含有量が不足すると、高温で長時間保持したときにσ相が析出し、クリープ破断強度やクリープ破断延性、靱性が著しく低下する。上記のＣｒ含有量とのバランスから、Ｎｉ含有量は２６％よりも高くする必要がある。一方、過剰なＮｉは溶接性や経済性を損なうため、Ｎｉ含有量の上限を３５％とする。したがって、Ｎｉ含有量は２６％を超え３５％以下である。Ｎｉ含有量の下限は、好ましくは２６．５％である。Ｎｉ含有量の上限は、好ましくは３３％である。なお、Ｎｉ含有量は、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べきである。
【００３３】
Ｗ：１〜５．５％
タングステン（Ｗ）は、固溶強化元素としてクリープ破断強度の向上に寄与するとともに、Ｆｅ２Ｗ型のＬａｖｅｓ相やＦｅ７Ｗ６型のμ相を析出させ、析出強化によりクリープ破断強度を大幅に向上させる重要な元素である。これらの効果は、Ｗ含有量が１％未満では得られない。一方、Ｗ含有量が５．５％を超えると、強度の向上効果が飽和するのに対して組織安定性が低下し、また過剰な析出物によってクリープ破断延性や靱性が劣化する。したがって、Ｗ含有量は１〜５．５％である。Ｗ含有量の下限は、好ましくは１．２％である。Ｗ含有量の上限は、好ましくは５％であり、さらに好ましくは４％である。さらにＷは比較的粗大な窒化物π相の析出も促進するため、（ｄ）式の通りＮ含有量に応じて適切に制御する必要がある。
【００３４】
Ｖ：０．０１〜１％
バナジウム（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大きく寄与する重要な元素である。Ｖ含有量が０．０１％未満では、この効果が得られない。一方、Ｖ含有量が１％を超えると、クリープ破断強度や靱性が低下し、さらに耐高温腐食性も劣化する。したがって、Ｖ含有量は０．０１〜１％である。Ｖ含有量の下限は、好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．０８％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．８％であり、さらに好ましくは０．７％である。
【００３５】
Ｎｂ：０．０１〜１％
ニオブ（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重要な元素である。Ｎｂはさらに、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。Ｎｂ含有量が０．０１％未満では、この効果が得られない。一方、Ｎｂ含有量が１％を超えると、クリープ破断延性や靱性が低下し、熱間加工性も劣化する。したがって、Ｎｂ含有量は０．０１〜１％である。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．０８％である。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．８％であり、さらに好ましくは０．７％である。
【００３６】
Ｂ：０．０００５〜０．００８％
ボロン（Ｂ）は、炭化物中又は母相に存在し、析出する炭化物やＬａｖｅｓ相等を微細化させたり、粒界を強化することでクリープ破断強度を向上させたりする重要な元素である。この効果を発揮するためには、Ｂ含有量を０．０００５％以上にする必要がある。一方、Ｂ含有量が０．００８％を超えると、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０．０００５〜０．００８％である。Ｂ含有量の下限は、好ましくは０．００１％である。Ｂ含有量の上限は、好ましくは０．００７％であり、さらに好ましくは０．００５％である。
【００３７】
Ｍｏ：０．３％以下
モリブデン（Ｍｏ）は、溶解原料等から混入する不純物である。Ｍｏは、従来、母相に固溶してクリープ破断強度の向上に寄与する元素として、Ｗと同等の作用を有すると考えられている。しかし、本実施形態の化学組成においてＭｏを含有すると、高温で長時間保持したときにσ相が析出し、クリープ破断強度、延性、及び靱性が低下する。特に、本実施形態ではＣｒを２０％以上含有するため、Ｍｏ含有量は極力低くする必要がある。したがって、Ｍｏ含有量は０．３％以下である。Ｍｏ含有量は、好ましくは０．２％以下である。
【００３８】
Ａｌ：０．００１〜０．３％
アルミニウム（Ａｌ）は、溶鋼の脱酸剤として含有させる元素である。この効果を発揮するためには、Ａｌ含有量を０．００１％以上にする必要がある。しかし、Ａｌ含有量が０．３％を超えると、非金属介在物が多量に析出し、延性、靱性、加工性等が劣化する。したがって、Ａｌ含有量は０．００１〜０．３％である。Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．２５％であり、さらに好ましくは０．２％である。
【００３９】
Ｃｕ：０．３％以下
銅（Ｃｕ）は、溶解原料等から混入する不純物である。Ｃｕは、通常のオーステナイト系耐熱鋼では、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。しかし、Ｃｕは、ＲＥＭによる延性向上効果を阻害する。Ｖ及びＮｂの窒化物並びにＬａｖｅｓ相等で７００℃以上の高温まで十分高いクリープ破断強度を確保した上で、クリープ破断延性や靱性を重視する本実施形態では、Ｃｕ含有量は極力低くする必要がある。したがって、Ｃｕ含有量は０．３％以下である。Ｃｕ含有量は、好ましくは０．２％以下である。
【００４０】
Ｔｉ：０．０１％以下
チタン（Ｔｉ）は、溶解原料等から混入する不純物である。Ｔｉは、クリープ破断強度の向上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の向上効果を低減させる。したがって、Ｔｉ含有量は０．０１％以下である。Ｔｉ含有量は、好ましくは０．００８％以下である。
【００４１】
Ｎ：０．１３％を超え０．３５％以下
窒素（Ｎ）は、ＶやＮｂ等とともに窒化物を形成してクリープ破断強度を向上させる重要な元素である。Ｎはまた、固溶強化によって引張強度を向上させる。Ｎはさらに、オーステナイトを安定化する作用を有する。これらの効果を十分に得るためには、Ｎ含有量を０．１３％よりも高くする必要がある。一方、Ｎ含有量が０．３５％を超えると、過剰な窒化物の析出によって延性や靱性が低下するとともに、鋼中にブローホール欠陥が形成される。したがって、Ｎ含有量は０．１３％を超え０．３５％以下である。Ｎ含有量の好ましい下限は、０．１５％である。Ｎ含有量の好ましい上限は、０．３０％である。
【００４２】
ＲＥＭ：０．００３〜０．１０％
希土類元素（ＲＥＭ）は、粒界のＳを硫化物として固定し、特に高温で長時間保持したときのクリープ破断延性を向上させる。ＲＥＭはさらに、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。これらの効果は、ＲＥＭ含有量が０．００３％未満では得られない。一方、ＲＥＭ含有量が０．１０％を超えると、酸化物等の介在物が多くなり加工性及び溶接性が損なわれる。したがって、ＲＥＭ含有量は０．００３〜０．１０％である。ＲＥＭ含有量の下限は、好ましくは０．００５％である。ＲＥＭ含有量の上限は、好ましくは０．０７％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
【００４３】
なお、ＲＥＭとはＳｃ、Ｙ及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種又は２種以上の元素の合計含有量を指す。
【００４４】
本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物とは、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、あるいは製造過程の環境等から混入する元素をいう。
【００４５】
本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼の化学組成は、上記のＦｅの一部に代えて、下記の第１グループから第４グループまでのうちの１以上のグループから選択される１種以上の元素を含有してもよい。下記の元素は、すべて選択元素である。すなわち、下記の元素は、いずれも本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼に含有されていなくてもよい。また、一部だけが含有されていてもよい。
【００４６】
より具体的には、例えば、第１グループから第４グループまでの群の中から１つのグループだけを選択し、そのグループから１種以上の元素を選択してもよい。この場合、選択したグループに属するすべての元素を選択する必要はない。また、第１グループから第４グループの中から複数のグループを選択し、それぞれのグループから１種以上の元素を選択してもよい。この場合も、選択したグループに属するすべての元素を選択する必要はない。
【００４７】
第１グループ  Ｍｇ：０〜０．０５％、Ｃａ：０〜０．０５％
第１グループに属する元素は、Ｍｇ及びＣａである。これらの元素は、オーステナイト系耐熱鋼の高温延性を改善する。
【００４８】
Ｍｇ：０〜０．０５％
Ｍｇは、高温での延性を劣化させるＳを硫化物として固着し、高温延性を改善する。Ｍｇが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Ｍｇ含有量が０．０５％を超えると、鋼質を害し、かえって高温延性を害する。したがって、Ｍｇ含有量は０〜０．０５％である。Ｍｇ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。Ｍｇ含有量の上限は、好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０１％である。
【００４９】
Ｃａ：０〜０．０５％
Ｃａは、高温での延性を劣化させるＳを硫化物として固着し、高温延性を改善する。Ｃａが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Ｃａ含有量が０．０５％を超えると、鋼質を害し、かえって高温延性を害する。したがって、Ｃａ含有量は０〜０．０５％である。Ｃａ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。Ｃａ含有量の上限は、好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０１％である。
【００５０】
第２グループ  Ｚｒ：０〜０．１％、Ｈｆ：０〜０．５％
第２グループに属する元素は、Ｚｒ及びＨｆである。これらの元素は、鋼のクリープ破断強度を向上させる。
【００５１】
Ｚｒ：０〜０．１％
ジルコニウム（Ｚｒ）は、炭窒化物の微細化や粒界強化によってクリープ破断強度を向上させる。Ｚｒが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Ｚｒ含有量が０．１％を超えると、高温での延性が低下する。したがって、Ｚｒ含有量は０〜０．１％である。Ｚｒ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１％である。Ｚｒ含有量の上限は、好ましくは０．０６％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
【００５２】
Ｈｆ：０〜０．５％
ハフニウム（Ｈｆ）は、炭窒化物による析出強化によってクリープ破断強度を向上させる。Ｈｆが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Ｈｆ含有量が０．５％を超えると、鋼の加工性及び溶接性が損なわれる。したがって、Ｈｆ含有量は０〜０．５％である。Ｈｆ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。Ｈｆ含有量の上限は、好ましくは０．４％であり、さらに好ましくは０．３％である。
【００５３】
第３グループ  Ｔａ：０〜１％、Ｒｅ：０〜５％
第３グループに属する元素は、Ｔａ及びＲｅである。これらの元素は、鋼の高温強度及びクリープ破断強度を向上させる。
【００５４】
Ｔａ：０〜１％
タンタル（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及びクリープ破断強度を向上させる。Ｔａが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Ｔａ含有量が１％を超えると、鋼の加工性や機械的性質が損なわれる。したがって、Ｔａ含有量は０〜１％である。Ｔａ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｔａ含有量の上限は、好ましくは０．７％であり、さらに好ましくは０．６％である。
【００５５】
Ｒｅ：０〜５％
レニウム（Ｒｅ）は、主に固溶強化元素として高温強度、クリープ破断強度を向上させる。Ｒｅが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Ｒｅ含有量が５％を超えると、鋼の加工性や機械的性質が損なわれる。したがって、Ｒｅ含有量は０〜５％である。Ｒｅ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．５％である。Ｒｅ含有量の上限は、好ましくは４％であり、さらに好ましくは３％である。
【００５６】
第４グループ  Ｃｏ：０〜１０％
第４グループに属する元素は、Ｃｏである。Ｃｏは、鋼のオーステナイト組織を安定にする。
【００５７】
Ｃｏ：０〜１０％
コバルト（Ｃｏ）は、Ｎｉと同様、オーステナイト組織を安定にし、クリープ破断強度の向上にも寄与する。Ｃｏが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Ｃｏ含有量が１０％を超えると、効果が飽和し経済性が低下する。したがって、Ｃｏ含有量は０〜１０％である。Ｃｏ含有量は、下限の観点では、好ましくは０．５％以上であり、さらに好ましくは１％よりも高い。Ｃｏ含有量は、上限の観点では、好ましくは８％以下であり、さらに好ましくは７％以下である。
【００５８】
［式（１）について］
本実施形態によ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、下記の式（１）を満たす。
０．１５［Ｎ残渣］≦［ＲＥＭ］≦０．７［Ｎ残渣］…（１）
ここで、［ＲＥＭ］には、ＲＥＭ含有量が質量％で代入され、［Ｎ残渣］には、７５０℃で３０００時間加熱時に窒化物として析出する窒素量が質量％で代入される。
【００５９】
本実施形態では、高温で長時間保持したときのクリープ破断延性を向上させるため、析出する窒化物の量に応じて、ＲＥＭの含有量を制御する。ＲＥＭ含有量が析出する窒化物の量に対して低すぎると、粒内強度に対して粒界強度が不足し、高温で長時間保持したときのクリープ破断延性が低下する。そのため、ＲＥＭ含有量を０．１５［Ｎ残渣］以上にする必要がある。一方、ＲＥＭ含有量が析出する窒化物の量に対して高すぎると、介在物が過剰になったり粒界の局所的な融点が低下したりすることで、高温で長時間保持したときのクリープ破断延性が低下する。そのため、ＲＥＭ含有量を０．７［Ｎ残渣］以下にする必要がある。
【００６０】
［Ｎ残渣］は、次のように測定する。オーステナイト系耐熱鋼から、残渣定量用の試験片を採取する。この試験片を、７５０℃で３０００時間加熱する時効熱処理を実施する。時効熱処理をした試験片から、切粉を採取する。採取した切粉をＢｒエステル（１０％臭素−酢酸メチル）抽出し、ろ過後得られた残渣を酸分解した後、ＪＩＳ  Ｇ１２２８に規定されるアンモニア蒸溜分離アミド硫酸滴定法により、窒化物として析出している窒素の質量を求める。求めた窒素の質量を、切粉の質量で除して、［Ｎ残渣］（単位は質量％）とする。なお、残渣の酸分解には硫酸、硫酸銅、硫酸カリウムの混合液を用いる。
【００６１】
［Ｎ残渣］は、Ｎ含有量、並びに窒化物を形成するＶ、Ｎｂ、及びＷ等の各含有量によって調整することができる。具体的には、これらの元素の含有量を高くすれば、［Ｎ残渣］が高くなる。
【００６２】
［式（２）について］
本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼の化学組成はさらに、下記の式（２）を満たす。
６．２［Ｎ］≦［Ｗ］≦１７．１［Ｎ］…（２）
ここで、［Ｎ］及び［Ｗ］には、Ｎ及びＷの含有量が質量％で代入される。
【００６３】
本実施形態では、Ｎ及びＷの各々の含有量を所定の範囲にすることに加えて、Ｎ含有量に応じてＷ含有量を適切に制御する必要がある。具体的には、固溶ＷやＬａｖｅｓ相の析出量を確保するためには、Ｗ含有量を６．２［Ｎ］以上にする必要がある。一方、微細な窒化物の確保によるクリープ破断強度向上、過剰なπ相の析出によるクリープ破断延性や高温長時間加熱後の靱性低下防止の観点からは、Ｗ含有量を１７．１［Ｎ］以下にする必要がある。
【００６４】
［製造方法］
本発明の一実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼の製造方法の一例を説明する。本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼の製造方法は、この例に限定されない。
【００６５】
上述した化学組成の素材を準備する。具体的には例えば、上述した化学組成の鋼を溶製し、精錬する。
【００６６】
素材を熱間加工する。熱間加工は例えば、熱間圧延や熱間鍛造である。熱間加工の後、必要に応じて冷間加工を実施してもよい。
【００６７】
熱間加工された素材、又は熱間加工後に冷間加工された素材を固溶化熱処理する。具体的には、素材を所定の温度で保持した後、水令する。固溶化熱処理の保持温度は、特に限定されないが、例えば９００〜１３００℃である。
【００６８】
以上、本発明の実施形態を説明した。本実施形態によれば、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するオーステナイト系耐熱鋼が得られる。本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼は、好ましくは、７００℃、１００００時間のクリープ破断強度が１２５ＭＰａ以上であり、７００℃、１３０ＭＰａにおけるクリープ破断伸びが１５％以上である。
【００６９】
上述した実施形態は、本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。
【実施例】
【００７０】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。
【００７１】
表１に示す化学組成を有する鋼１〜６及び鋼Ａ〜Ｈを、高周波真空溶解炉を用いて溶製し、各３０ｋｇのインゴットを得た。なお、表１において「−」は、該当する元素の含有量が不純物レベルであることを示す。
【００７２】
【表１】
0006547599.tif 000002
【００７３】
各インゴットを、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。板材を１１００℃で軟化熱処理した後、１０ｍｍまで冷間圧延し、さらに１１８０℃で３０分間保持してから水冷した。
【００７４】
水冷した各板材について、上述の実施形態で説明した方法によって、７５０℃で３０００時間加熱したときに窒化物として析出する窒素量［Ｎ残渣］を求めた。結果を表１に併せて示す。
【００７５】
各板材の厚さ方向中心部から、長手方向に平行に、直径が６ｍｍで標点距離が３０ｍｍの丸棒試験片を機械加工により作製し、ＪＩＳ  Ｚ２２７１に準拠してクリープ破断試験を実施した。クリープ破断試験は７００℃、７５０℃、及び８００℃の大気中において実施し、Ｌａｒｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅｒパラメータ法を用いて、７００℃、１００００時間のクリープ破断強度を推定した。また、７００℃、１３０ＭＰａのクリープ破断試験を実施し、破断伸びを測定した。結果を表２に示す。
【００７６】
【表２】
0006547599.tif 000003
【００７７】
鋼１〜８の各元素の含有量は、本発明の規定する範囲内であった。鋼１〜８の化学組成はさらに、式（１）及び式（２）を満たした。鋼１〜８は、７００℃、１００００時間のクリープ破断強度（以下、単に「クリープ破断強度」という。）が１２５ＭＰａ以上であり、７００℃、１３０ＭＰａにおけるクリープ破断伸び（以下、単に「クリープ破断伸び」という。）が１５％以上であった。
【００７８】
鋼Ａ及び鋼Ｂは、クリープ破断強度が低かった。これは、鋼ＡはＮｂを含有しなかったため、鋼ＢはＶを含有しなかったためと考えられる。
【００７９】
鋼Ｃは、クリープ破断強度は高かったものの、クリープ破断伸びが低かった。これは、鋼ＣのＮｂ含有量及びＶ含有量が高すぎたためと考えられる。
【００８０】
鋼Ｄは、クリープ破断強度及びクリープ破断伸びのいずれも低かった。これは、鋼ＤのＮｉ含有量が低すぎたためと考えられる。
【００８１】
鋼Ｅ及びＦは、クリープ破断強度は高かったものの、クリープ破断伸びが低かった。これは、Ｎ残渣の量に対してＲＥＭ含有量が低すぎたためと考えられる。
【００８２】
鋼Ｇ及びＨは、クリープ破断強度は高かったものの、クリープ破断伸びが低かった。これは、Ｎ残渣の量に対してＲＥＭ含有量が高すぎたためと考えられる。
【００８３】
鋼Ｉ及び鋼Ｊは、クリープ破断強度が低かった。これは、鋼Ｉ及び鋼ＪのＷ含有量が、窒素の量に対して低すぎたためと考えられる。
【００８４】
鋼Ｋは、クリープ破断強度は高かったものの、クリープ破断伸びが低かった。これは、鋼ＫのＷ含有量が、窒素の量に対して高すぎたためと考えられる。
【００８５】
鋼Ｌは、クリープ破断強度及びクリープ破断伸びのいずれも低かった。これは、鋼ＬのＭｏ含有量が高すぎたためと考えられる。
【００８６】
鋼Ｍは、クリープ破断強度が低かった。これは、鋼ＭのＴｉ含有量が高すぎたためと考えられる。
【００８７】
鋼Ｎは、クリープ破断強度は高かったものの、クリープ破断伸びが低かった。これは、鋼ＮのＣｕ含有量が高すぎたためと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明によれば、発電用ボイラや化学工業用プラント等において、鋼管、耐熱耐圧部材の鋼板、バルブ等として好適に用いられるオーステナイト系耐熱鋼が得られる。