(57)【要約】      （修正有）【課題】溶接熱影響部においてTypeIV型損傷の発生を抑制し、溶接熱影響部からの耐熱溶接構造体の破壊を防止したフェライト系耐熱鋼材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．０２〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：０．４〜１２．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、Ｃｒeq（Ｃｒ当量）が０．４〜２０のフェライト系耐熱鋼であって、（ｚ）Ａc1変態点〜Ａc1変態点＋３００℃に加熱される鋼材の溶接熱影響部位に、旧オーステナイト粒の平均粒径が１０μｍ以上の低温変態組織が生成することを特徴とする溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼。【選択図】図３
2008214753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．０２〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：０．４〜１２．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、下記式（１）のＣｒeq（Ｃｒ当量）が０．４〜２０のフェライト系耐熱鋼材であって、
（ｚ）Ａc1変態点〜Ａc1変態点＋３００℃に加熱される鋼材の溶接熱影響部位に、旧オーステナイト粒の平均粒径が１０μｍ以上の低温変態組織が生成する
ことを特徴とする溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
Ｃｒeq＝［％Ｃｒ］＋６［％Ｓｉ］＋１１［％Ｖ］＋４［％Ｍｏ］＋１．５［％Ｗ］＋
５［％Ｎｂ］＋１２［％Ａｌ］＋［％Ｒｅ］＋２［％Ｚｒ］＋５［％Ｔｉ］＋
１５［％Ｂ］−１８［％Ｃ］−１２［％Ｎ］−４［％Ｎｉ］−２［％Ｍｎ］−
［％Ｃｕ］−２［％Ｃｏ］                                  ・・・（１）
【請求項２】
前記低温変態組織が、ベイナイト及び／又はマルテンサイトであることを特徴とする請求項１に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．０２〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：０．４〜１２．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、下記式（１）のＣｒeq（Ｃｒ当量）が０．４〜２０のフェライト系耐熱鋼材であって、
（ｘ）Ａc1変態点〜Ａc1変態点＋３００℃に加熱される鋼材の溶接熱影響部位の前組織が、（x1）ベイナイト及び／又はマルテンサイトの低温変態組織、及び、（x2）低温変態前のオーステナイトと同じ結晶方位を有し、マルテンサイトのラス境界、又は、ベイナイト及び／又はマルテンサイトのブロック粒境界に存在する球相当平均粒径１０ｎｍ以上の残留オーステナイトを含み、
（ｚ）Ａc1変態点〜Ａc1変態点＋３００℃に加熱される鋼材の溶接熱影響部位に、旧オーステナイト粒の平均粒径が１０μｍ以上のベイナイト及び／又はマルテンサイトの低温変態組織が形成される
ことを特徴とする溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
Ｃｒeq＝［％Ｃｒ］＋６［％Ｓｉ］＋１１［％Ｖ］＋４［％Ｍｏ］＋１．５［％Ｗ］＋
５［％Ｎｂ］＋１２［％Ａｌ］＋［％Ｒｅ］＋２［％Ｚｒ］＋５［％Ｔｉ］＋
１５［％Ｂ］−１８［％Ｃ］−１２［％Ｎ］−４［％Ｎｉ］−２［％Ｍｎ］−
［％Ｃｕ］−２［％Ｃｏ］                                  ・・・（１）
【請求項４】
前記残留オーステナイトを、体積率で０．５％以上、５％以下含むことを特徴とする請求項３に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【請求項５】
前記残留オーステナイトを、体積率で０．５％以上、３％以下含むことを特徴とする請求項３に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【請求項６】
前記残留オーステナイトの３０％以上が、同じ結晶方位を有することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【請求項７】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．０２〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：０．４〜１２．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、下記式（１）のＣｒeq（Ｃｒ当量）が０．４〜２０のフェライト系耐熱鋼材であって、
（ｙ）Ａc1変態点〜Ａc1変態点＋３００℃に加熱される鋼材の溶接熱影響部位の前組織が、（y1）ベイナイト及び／又はマルテンサイトの低温変態組織、及び、（y2）低温変態前のオーステナイトの結晶方位と低温変態組織の結晶方位を整合させる特定の結晶方位を有し、マルテンサイトのラス境界、又は、マルテンサイト及び／又はベイナイトのブロック粒境界に存在する球相当平均粒径１０ｎｍ以上の整合セメンタイトを含み、
（ｚ）Ａc1変態点〜Ａc1変態点＋３００℃に加熱される鋼材の溶接熱影響部位に、旧オーステナイト粒の平均粒径が１０μｍ以上のベイナイト及び／又はマルテンサイトの低温変態組織が形成される
ことを特徴とする溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
Ｃｒeq＝［％Ｃｒ］＋６［％Ｓｉ］＋１１［％Ｖ］＋４［％Ｍｏ］＋１．５［％Ｗ］＋
５［％Ｎｂ］＋１２［％Ａｌ］＋［％Ｒｅ］＋２［％Ｚｒ］＋５［％Ｔｉ］＋
１５［％Ｂ］−１８［％Ｃ］−１２［％Ｎ］−４［％Ｎｉ］−２［％Ｍｎ］−
［％Ｃｕ］−２［％Ｃｏ］                                  ・・・（１）
【請求項８】
前記整合セメンタイトを、体積率で０．５％以上、５％以下含むことを特徴とする請求項７に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【請求項９】
前記整合セメンタイトを、体積率で０．５％以上、３％以下含むことを特徴とする請求項７に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【請求項１０】
前記整合セメンタイトの３０％以上が、同じ結晶方位を有することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【請求項１１】
前記フェライト系耐熱鋼材が、さらに、質量％で、Ｍｏ：０．０５〜２．０％を含有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【請求項１２】
前記フェライト系耐熱鋼材が、さらに、質量％で、Ｒｅ：０．０１〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ｚｒ：０．００１〜０．０２％、Ｔａ：０．０１〜０．０５％、Ｈｆ：０．０１〜０．０５％、Ｙ：０．００５〜０．０５％、Ｃｅ：０．００５〜０．５％、Ｍｇ：０．０００３〜０．００５％、Ｂａ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００３〜０．００５％、及び、Ｌａ：０．００５〜０．０５％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材を溶接して製造したことを特徴とする溶接熱影響部のクリープ特性に優れた耐熱構造体。
【請求項１４】
前記耐熱構造体の全体に、Ａc1変態点以下で、１分以上の熱処理を施し、残留オーステナイト又は整合セメンタイトを体積率で０．５％未満に低減したことを特徴とする請求項１３に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れた耐熱構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、４５０℃以上でかつ高圧で使用する耐熱溶接構造体、特に、エネルギー変換を目的とする火力発電プラントや、エネルギー精製を目的とする石油化学プラントを構成するフェライト系耐熱鋼材、詳しくは、溶接熱影響部（Heat Affected Zone of weld、以下、「ＨＡＺ」ということがある。）のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のエネルギー資源の枯渇及び大量消費の見直しを背景とし、地球環境保護のため、高温高圧で使用する鋼構造体、特に、圧力機器の稼動においては、効率よくエネルギーを変換する技術が求められている。将来的には、原子力発電や、高速増殖炉、軽水炉、核融合炉等の低排出大型発電を実現する技術の開発が期待されている。
【０００３】
また、従来から稼働している石油、石炭又は天然ガス火力発電においても、地球温暖化防止の観点から、効率よく電気エネルギーを獲得する技術を開発することが重要視されている。
【０００４】
また、交通手段の車両から排出される排出ガス中に、地球環境に悪影響を与える物質が含まれていることから、燃料自体を清浄化し、該物質の排出量を低減するため、原油の脱硫をより高温高圧で行う、いわゆる、浸深度脱硫技術が注目されている。
【０００５】
このような、電力プラント及び化学プラントでの稼動率の向上、又は、精製率の向上のために、プラントを構成する機器の使用環境は、高温高圧化する傾向にあり、また、同時に、エネルギー需要の増大から、電力プラント及び化学プラントの建設需要が、世界規模で進行する現状において、電力プラント及び化学プラントを高温高圧化においても安定的に稼働し得る技術の開発が求められている。
【０００６】
現在、火力発電が電気エネルギーの大部分を賄い、また、化学プラントが４５０〜５００℃の高温域で稼動している状況において、これらのシステムを構成する機器の事故は、エネルギーの供給の観点から致命的なものであって、上記システムの数日間の停止でさえ、社会に与える影響及び経済的損失は計り知れない。
【０００７】
このような操業不能を招く大規模な事故は、機器を構成する鋼板の損傷による場合が多いが、該損傷は、一般に、鋼材の溶接部で発生する。
【０００８】
溶接部の金属組織を採取し光学顕微鏡で観察すると、鋼材の変態点以上に加熱されて組織が変化し損傷の起点となり得る部位を特定することができるが、特に、溶接熱影響部の外縁（母材に最も近い部位）で生じる局部的なクリープ強度の低下に起因する破壊が、プラント機器の安全性の点から大きな問題となっている。
【０００９】
上記破壊（損傷）は、その発生位置による分類により、一般に、Type IV型損傷（又は、Type IV型破壊）として知られている現象（図１、参照）であるが、その発生機構に係る報告は少なく（非特許文献１及び２、参照）、発生機構解明のための共通認識は、未だ確立されていない。しがって、現在、工業的に実用化されたType IV型損傷防止技術は開発されていない。
【００１０】
プラント機器の設計においては、基準や規制で、溶接部がある場合の高温許容応力を決定する際の目安が定められているに過ぎず、機器・プラントメーカーの自主的な安全裕度追加により、大規模な事故の未然防止を図っているのが現状である。
【００１１】
このため、設計は、過剰に安全性を確保する設計となり、その結果、プラント機器の重量が増し、製造コストが増加する。さらに、プラント工程が増えて、操業コストが増大して、供給するエネルギーのコスト上昇が懸念される。エネルギーコストの上昇は、安定供給の支障となる。
【００１２】
また、過剰に安全性を確保する設計を行っても、溶接部の強度に依然として不安が残り、プラントの事故発生率を低減することは期待できないから、溶接部の強度低下は、エネルギーの安定供給を妨げる大きな要因となる。なお、鋼材の強度を高める組成設計をしても、プラントの設計強度は、溶接部の強度で決定するので、鋼材の機能の向上自体、意味がないことになる。
【００１３】
このように、溶接熱影響部におけるType IV型損傷を解消することは、エネルギー変換を高温高圧で行うプラントの建造にとって極めて重要である。即ち、溶接熱影響部におけるType IV型損傷の発生を防止することができれば、高温高圧プラント機器は、その機能を安定的に充分に発揮し、低コストエネルギーの安定供給に大きく貢献する。
【００１４】
ところで、溶接部（溶接継手）の強度低下は、一般に、１０万時間で３０〜５０％といわれている。この強度の低下をなくすことは、低下率から推定して、高温プラント機器の強度を、逆に、３０〜５０％上昇することに等しい。この強度の上昇は、プラント操業条件の点でみると、操業温度が５０〜８０℃上昇することに匹敵する。
【００１５】
この操業温度の上昇は、例えば、火力発電プラントの場合、エネルギー変換効率を５％改善することになる。その結果、火力発電プラントは、原子力発電に匹敵する高効率エネルギー変換プラントになる。
【００１６】
以上の背景の下、高温高圧プラント用耐熱鋼材の溶接部における強度低下を抑制する技術の開発が精力的に行われ、その結果が、これまで数多く報告されている。その代表的な技術の一つとして、溶接熱影響部のクリープ特性を支える析出強化因子、例えば、炭化物、炭窒化物、酸化物を安定化する技術を挙げることができる（特許文献１〜５、参照）。
【００１７】
溶接熱影響部に存在する析出物は、マルテンサイト組織やベイナイト組織に内包される転位の移動を妨げる移動障害物であるから、変態点以上の温度に再熱されて分解固溶する可能性がある炭化物や炭窒化物を安定化することは、溶接部における強度低下を抑制する点で効果がある（特許文献１〜５、参照）。
【００１８】
また、酸化物は、再熱温度域でも分解固溶しないので、炭窒化物の替わりに酸化物を分散させて析出強化を図ると、溶接部における強度低下を抑制することができる（特許文献１〜５、参照）。
【００１９】
しかし、溶接熱影響部における析出物の安定化による効果は、析出物が極めて微細にかつ高密度に析出した場合にこそ大きいが、通常、転位密度が高いベイナイト組織やマルテンサイト組織においては不動転位密度が高いので、析出物の安定化は、主たる強化因子にならない場合がある。
【００２０】
また、炭化物や炭窒化物が大量に析出したまま分解固溶しない場合、再度冷却される際に、基材中の炭素濃度や窒素濃度が低下し、溶接熱影響部の組織形成に悪影響を及ぼす場合があり、溶接方法によっては、溶接熱影響部の強度低下を大幅に改善することができない場合もある。
【００２１】
特許文献６には、溶接部を、溶接後に、再度、母材とともに熱処理する技術、例えば、焼入れ焼戻し、又は、焼準焼戻しすることで、溶接熱影響部における強度低下を解決する技術が開示されている。
【００２２】
この技術は、溶接熱影響部の組織を、母材組織と同じ組織に戻す技術であり、Type IV型損傷の発生を防止する技術ではない。また、部品機器や構成ユニットがある程度以上の大きさになると、溶接構造体全体を同時に熱処理することは困難である。
【００２３】
さらに、上記方法では、溶接金属強度を、溶接まま、すなわち鋳造まま＋焼戻しによって設計していることから、全体の焼入れ＋焼戻しでは溶接金属の高温強度を確保することが困難となり、Type IV型損傷発生以前に、溶接継手としては、強度の設計が困難となってしまう。
【００２４】
溶接構造体全体を熱処理するためには、大型炉を使用する必要があるが、大型炉の場合には、設備費が高くつき、また、使用するエネルギーコストも増大するので、特許文献６に開示の技術を工業的な大量生産に適用するためには、さらなる技術開発が必要となる。
【００２５】
しかし、溶接構造体全体を熱処理することは、実際には不可能であり、この熱処理で、溶接熱影響部におけるType IV型損傷を完全に抑制することはできない。
【００２６】
一方、非特許文献３には、溶接熱影響部組織の細粒化を抑制し、クリープ特性の改善を図る手法が報告されている。この手法は、溶接前にＡc3変態点以上に加熱し、残留γを３％導入し、その成長合体によって細粒化を防止するものであるが、セメンタイトを生成して残留γを生成しない合金系には適用できないものである。
【００２７】
さらに、上記手法によれば、溶接後に、母材中に残留オーステナイトが生じて、クリープ中に徐々に変形が進行して、配管類や熱交換器系において大きな熱応力が発生するという、耐熱鋼としては致命的な事態を避けることができない。
【００２８】
即ち、非特許文献３は、工業的な特殊解しか提案しておらず、安定してType IV型損傷を抑制する技術を開示するものではない。非特許文献３は、むしろ、Ｂを９０ｐｐｍ添加すると、Type IV型損傷を安定的に抑制することができることを示唆するものである。
【００２９】
【特許文献１】特開２００２−３３２５４７号公報
【特許文献２】特開２００１−１９２７６１号公報
【特許文献３】特開平１１−２５６２６９号公報
【特許文献４】特開平０７−２４２９３５号公報
【特許文献５】特開平０６−０６５６８９号公報
【特許文献６】特開２００１−００３１２０号公報
【非特許文献１】「高Ｃｒフェライト系先端耐熱鋼の熱影響部に見られるType IV型クリープ損傷を発生する組織の特定と生成機構」，鉄と鋼，Ｖｏｌ．90（2006）Ｎｏ.10，pp31−39
【非特許文献２】「高Ｃｒフェライト系先端耐熱鋼のType IV型クリープ損傷の組織支配因子の考察」，鉄と鋼，Ｖｏｌ．90（2006）Ｎｏ．10，pp40−48
【非特許文献３】「細粒化を抑制したＰ９２ＨＡＺ再現材のクリープ特性」，CAMP−ISIJ，Ｖｏｌ．19（2006），1180
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
本発明は、フェライト系耐熱鋼材を用いて、火力発電プラント又は石油化学プラントを構成する耐熱溶接構造体を建造する時、溶接部に必然的に発生する溶接熱影響部における局部的な強度低下現象に起因するType IV型損傷の発生を抑制して、溶接熱影響部からの耐熱溶接構造体の破壊を防止することを課題とする。
【００３１】
そして、本発明は、上記課題を解決して、発電ブラント又は石油化学プラントを構成する耐熱溶接構造体の設計において、設計裕度を小さく取っても、耐熱溶接構造体の安全性を損なわないか、又は、従来の設計基準を活用して設計裕度を高く取り、操業条件、特に、圧力条件を高めてエネルギー変換効率を高め、低排出型プラントの建造を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明者は、９％Ｃｒ鋼において、Type IV型損傷が、非特許文献１及び２に記載の発生機構に従い発生することを実験的に確認した。
【００３３】
その結果、本発明者は、（ｉ）９％Ｃｒ鋼の溶接部における強度低下の主たる原因は、溶接熱影響部において、溶接熱影響部の外縁（母鋼材に近接した部位）に形成された細粒域における転位密度の低下であり、（ii）溶接部におけるType IV型損傷の発生を抑制するためには、溶接熱の影響を受けた後の冷却時に、母鋼材中の炭素濃度の変化と低温変態組織の細粒化を極力抑制し、溶接熱影響部の組織と母鋼材組織の均一性及び整合性を確保することが重要であるとの知見を得るに至った。
【００３４】
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
【００３５】
（１）  質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．０２〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：０．４〜１２．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、下記式（１）のＣｒeq（Ｃｒ当量）が０．４〜２０のフェライト系耐熱鋼材であって、
（ｚ）Ａc1変態点〜Ａc1変態点＋３００℃に加熱される鋼材の溶接熱影響部位に、旧オーステナイト粒の平均粒径が１０μｍ以上の低温変態組織が生成する
ことを特徴とする溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
Ｃｒeq＝［％Ｃｒ］＋６［％Ｓｉ］＋１１［％Ｖ］＋４［％Ｍｏ］＋１．５［％Ｗ］＋
５［％Ｎｂ］＋１２［％Ａｌ］＋［％Ｒｅ］＋２［％Ｚｒ］＋５［％Ｔｉ］＋
１５［％Ｂ］−１８［％Ｃ］−１２［％Ｎ］−４［％Ｎｉ］−２［％Ｍｎ］−
［％Ｃｕ］−２［％Ｃｏ］                                  ・・・（１）
【００３６】
（２）  前記低温変態組織が、ベイナイト及び／又はマルテンサイトであることを特徴とする前記（１）に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【００３７】
（３）  質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．０２〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：０．４〜１２．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、下記式（１）のＣｒeq（Ｃｒ当量）が０．４〜２０のフェライト系耐熱鋼材であって、
（ｘ）Ａc1変態点〜Ａc1変態点＋３００℃に加熱される鋼材の溶接熱影響部位の前組織が、（x1）ベイナイト及び／又はマルテンサイトの低温変態組織、及び、（x2）低温変態前のオーステナイトと同じ結晶方位を有し、マルテンサイトのラス境界、又は、ベイナイト及び／又はマルテンサイトのブロック粒境界に存在する球相当平均粒径１０ｎｍ以上の残留オーステナイトを含み、
（ｚ）Ａc1変態点〜Ａc1変態点＋３００℃に加熱される鋼材の溶接熱影響部位に、旧オーステナイト粒の平均粒径が１０μｍ以上のベイナイト及び／又はマルテンサイトの低温変態組織が形成される
ことを特徴とする溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
Ｃｒeq＝［％Ｃｒ］＋６［％Ｓｉ］＋１１［％Ｖ］＋４［％Ｍｏ］＋１．５［％Ｗ］＋
５［％Ｎｂ］＋１２［％Ａｌ］＋［％Ｒｅ］＋２［％Ｚｒ］＋５［％Ｔｉ］＋
１５［％Ｂ］−１８［％Ｃ］−１２［％Ｎ］−４［％Ｎｉ］−２［％Ｍｎ］−
［％Ｃｕ］−２［％Ｃｏ］                                  ・・・（１）
【００３８】
（４）  前記残留オーステナイトを、体積率で０．５％以上、５％以下含むことを特徴とする前記（３）に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【００３９】
（５）  前記残留オーステナイトを、体積率で０．５％以上、３％以下含むことを特徴とする前記（３）に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【００４０】
（６）  前記残留オーステナイトの３０％以上が、同じ結晶方位を有することを特徴とする前記（３）〜（５）のいずれかに記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【００４１】
（７）  質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．０２〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：０．４〜１２．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、下記式（１）のＣｒeq（Ｃｒ当量）が０．４〜２０のフェライト系耐熱鋼材であって、
（ｙ）Ａc1変態点〜Ａc1変態点＋３００℃に加熱される鋼材の溶接熱影響部位の前組織が、（y1）ベイナイト及び／又はマルテンサイトの低温変態組織、及び、（y2）低温変態前のオーステナイトの結晶方位と低温変態組織の結晶方位を整合させる特定の結晶方位を有し、マルテンサイトのラス境界、又は、マルテンサイト及び／又はベイナイトのブロック粒境界に存在する球相当平均粒径１０ｎｍ以上の整合セメンタイトを含み、
（ｚ）Ａc1変態点〜Ａc1変態点＋３００℃に加熱される鋼材の溶接熱影響部位に、旧オーステナイト粒の平均粒径が１０μｍ以上のベイナイト及び／又はマルテンサイトの低温変態組織が形成される
ことを特徴とする溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
Ｃｒeq＝［％Ｃｒ］＋６［％Ｓｉ］＋１１［％Ｖ］＋４［％Ｍｏ］＋１．５［％Ｗ］＋
５［％Ｎｂ］＋１２［％Ａｌ］＋［％Ｒｅ］＋２［％Ｚｒ］＋５［％Ｔｉ］＋
１５［％Ｂ］−１８［％Ｃ］−１２［％Ｎ］−４［％Ｎｉ］−２［％Ｍｎ］−
［％Ｃｕ］−２［％Ｃｏ］                                  ・・・（１）
【００４２】
（８）  前記整合セメンタイトを、体積率で０．５％以上、５％以下含むことを特徴とする前記（７）に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【００４３】
（９）  前記整合セメンタイトを、体積率で０．５％以上、３％以下含むことを特徴とする前記（７）に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【００４４】
（１０）  前記整合セメンタイトの３０％以上が、同じ結晶方位を有することを特徴とする前記（７）〜（９）のいずれかに記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【００４５】
（１１）  前記フェライト系耐熱鋼材が、さらに、質量％で、Ｍｏ：０．０５〜２．０％を含有することを特徴とする前記（１）〜（１０）のいずれかに記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【００４６】
（１２）  前記フェライト系耐熱鋼材が、さらに、質量％で、Ｒｅ：０．０１〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ｚｒ：０．００１〜０．０２％、Ｔａ：０．０１〜０．０５％、Ｈｆ：０．０１〜０．０５％、Ｙ：０．００５〜０．０５％、Ｃｅ：０．００５〜０．５％、Ｍｇ：０．０００３〜０．００５％、Ｂａ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００３〜０．００５％、及び、Ｌａ：０．００５〜０．０５％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（１１）のいずれかに記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材。
【００４７】
（１３）  前記（１）〜（１２）のいずれかに記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材を溶接して製造したことを特徴とする溶接熱影響部のクリープ特性に優れた耐熱構造体。
【００４８】
（１４）  前記耐熱構造体の全体に、Ａc1変態点以下で、１分以上の熱処理を施し、残留オーステナイト又は整合セメンタイトを体積率で０．５％未満に低減したことを特徴とする前記（１３）に記載の溶接熱影響部のクリープ特性に優れた耐熱構造体。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、フェライト系耐熱鋼材の溶接部の熱影響部において、Type IV型損傷が発生しないから、高温高圧プラント機器を構成する耐熱溶接構造体（耐熱構造体）の設計において、その高温強度を、クリープ破断強度の０．６７倍（通常の安全率）として設計することができる。その結果、従来発生していた溶接熱影響部起点の事故を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
図１に、フェライト系耐熱鋼材の溶接熱影響部に発生したType IV型損傷の断面を示すが、本発明のフェライト系耐熱鋼材（本発明鋼材）は、溶接熱影響部において、図１に示すType IV型損傷が発生しないから、溶接熱影響部のクリープ特性が著しく優れたものである。
【００５１】
本発明鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．０２〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：０．４〜１２．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、下記式（１）のＣｒeq（Ｃｒ当量）が０．４〜２０のフェライト系耐熱鋼材である。
【００５２】
Ｃｒeq＝［％Ｃｒ］＋６［％Ｓｉ］＋１１［％Ｖ］＋４［％Ｍｏ］＋１．５［％Ｗ］＋
５［％Ｎｂ］＋１２［％Ａｌ］＋［％Ｒｅ］＋２［％Ｚｒ］＋５［％Ｔｉ］＋
１５［％Ｂ］−１８［％Ｃ］−１２［％Ｎ］−４［％Ｎｉ］−２［％Ｍｎ］−
［％Ｃｕ］−２［％Ｃｏ］                                  ・・・（１）
【００５３】
なお、式（１）では、それぞれの元素の化学分析値の質量％の値を代入してＣｒeqを求めるが、不可避的不純物であって、化学分析値が求められていない元素については、便宜的に０を代入してもよい。
【００５４】
まず、成分組成及びＣｒeqを上記のように限定する理由について説明する。なお、％は、質量％を意味する。
【００５５】
Ｃ：Ｃは、フェライト系耐熱鋼材の焼入性の向上に寄与し、同時に、炭化物を形成してクリープ破断強度の向上に寄与する。この向上効果は、０．０１％以上の添加で明瞭となるが、０．２０％を超えて添加すると、炭化物の粗大化が著しく、かえってクリープ破断強度を損なう場合があるので、上限を０．２０％とする。加工性及び組織安定性を考慮すれば、０．０５〜０．１２％が好ましい。
【００５６】
Ｓｉ：Ｓｉは、製鋼工程で脱酸剤として添加するが、鋼の強度向上、及び、高温での耐水蒸気酸化性の向上に寄与する元素である。０．０２％以上の添加で、その効果が顕著となるが、０．５０％を超えて添加すると、酸化物クラスターを生成して靭性が低下するので、上限を０．５０％とする。安定して、水蒸気酸化性と靱性を両立させるためには、０．１〜０．３５％が好ましい。
【００５７】
Ｍｎ：Ｍｎは、鋼の強度及び靭性の向上に寄与する元素であるので、０．０５％以上添加する。一方、１．０％を超えて添加すると、クリープ破断強度が低下するので、上限を１．０％とする。長時間のクリープ破断強度を向上させる目的からすると、０．１〜０．５％が好ましい。
【００５８】
Ｃｒ：Ｃｒは、焼入れ性を著しく高める元素であり、耐熱鋼では、さらに、高温水蒸気酸化性も同時に向上させる元素であるので、０．４％以上添加する。一方、１２．０％を超えて添加すると、δフェライトの析出量が増加して、クリープ破断強度や靭性が著しく低下するので、上限を１２．０％とする。
【００５９】
工業的に、均一な焼入れ組織を得て、同時に、所要レベルの耐水蒸気酸化性を得るためには、１．０〜９．０％が好ましいが、さらに、クリープ強度を高めるためには、３．０〜７．０％が、より好ましい。
【００６０】
Ｐ、Ｓ：Ｐ及びＳは、不可避的な不純物元素であるので、少ないほうが好ましく、Ｐは０．０２％以下、Ｓは０．０１％以下とする。
【００６１】
本発明鋼材は、上記元素の他、本発明鋼材の特性、及び、溶接部の特性を阻害しない通常の範囲で、不可避的に、他の元素、Ａｌ、Ｏを含有してもよい。なお、Ａｌ：０．０２％未満、Ｏ：０．０１％未満が好ましい。
【００６２】
Ｍｏ：Ｍｏは、母鋼材を固溶強化すると同時に、Ｍ23Ｃ6型炭化物や、Ｍ2Ｃ型炭化物を安定化し、母鋼材の高温強度を高める元素である。０．０５％未満では、その向上効果が小さいので、０．０５％以上を添加する。一方、２．０％を超えて添加すると、δフェライトの生成を促進すると同時に、Ｍ6Ｃ型炭化物とＬａｖｅｓ相の析出と、凝集・粗大化を促進するので、上限を２．０％とする。なお、Ｍｏの添加量は、その効果と経済性の兼ね合いから、０．１０〜１．４％が、より好ましい。
【００６３】
さらに、本発明鋼材は、本発明鋼材の特性、及び、溶接部の特性を阻害しない範囲で、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙ、Ｃｅ、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、及び、Ｌａの１種又は２種以上を含有してもよい。
【００６４】
好ましくは、質量％で、Ｒｅ：０．０１〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ｚｒ：０．００１〜０．０２％、Ｔａ：０．０１〜０．０５％、Ｈｆ：０．０１〜０．０５％、Ｙ：０．００５〜０．０５％、Ｃｅ：０．００５〜０．５％、Ｍｇ：０．０００３〜０．００５％、Ｂａ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００３〜０．００５％、及び、Ｌａ：０．００５〜０．０５％である。
【００６５】
これらの元素は、硫化物形態制御元素として作用し、粗大なＭｎＳの形成を防止して、靱性を高めるだけでなく、炭化物としても粒内に析出し、鋼のクリープ破断強度を高める役割を担う。
【００６６】
本発明鋼材においては、個々の元素の組成に加え、上記式（１）で定義するＣｒeq（Ｃｒ当量）を、０．４〜２０に限定する。この限定は、以下に説明するように、高強度のフェライト系耐熱鋼材を得るために重要な条件であり、かつ、溶接熱影響部の組織で発生するType IV型損傷を回避する技術を有効に適用する上で重要な条件である。
【００６７】
Ｃｒeq（Ｃｒ当量）は、Ｃｒ以外の元素のフェライト生成能を、Ｃｒのフェライト生成能に換算して総合し、鋼材全体のフェライト生成能を示す指標である。意図的に添加していない化学成分であっても、不純物として混入している元素を含めて、Ｃｒeqを算出する。例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒは、不純物として混入する傾向のある元素であるが、不純物として混入していても、混入量が明確である限り、該混入量も含めてＣｒeqを算出する。
【００６８】
Ｃｒeq（Ｃｒ当量）の基本式が、シェフラーの状態図に示されているが、本発明者は、溶接熱影響部における低温変態組織を所要の組織に制御するため、個々の元素のフェライト生成能を、種々の耐熱鋼材における相安定性に基づいて実験的に確認し、Ｃｒのフェライト生成能に換算して総合し、耐熱鋼材のフェライト生成能をより正確に評価する指標として、上記基本式を前提に、上記式（１）を定義した。
【００６９】
そして、本発明鋼材において、上記式（１）を用いてＣｒeqを定義し、その値を０．４〜２０に限定するが、その理由は、次の通りである。
【００７０】
本発明鋼材にて、Ｃｒeqが低いと、通常の使用形態、即ち、高温圧力機器に使用する鋼管又は鋼板の形態において、その組織を、高強度のベイナイト又はマルテンサイトとすることが困難となるので、Ｃｒeqの下限を０．４とする。一方、Ｃreqが２０を超えると、Ｃｒ含有鋼の特徴である、フェライトを生成してベイナイト又はマルテンサイトを得ることができなくなる場合があるので、Ｃｒeqの上限を２０とする。
【００７１】
Ｃｒeqは、好ましくは、１．０〜１５．０であり、クリープ強度の観点からは、５．０〜１２．０が、より好ましい。
【００７２】
通常、フェライト系耐熱鋼材の溶接は、１ｋＪ／ｍｍ以上の溶接入熱で行うが、１ｋＪ／ｍｍ以上の溶接入熱の影響で、溶接熱影響部に細粒の低温変態組織が生成する。
【００７３】
上記成分組成及び上記Ｃｒeqの本発明鋼材においては、１ｋＪ／ｍｍ以上の溶接入熱の影響を受けても、冷却後、旧オーステナイト粒（以下「旧γ粒」ということがある。）の平均粒径が１０μｍ以上の低温変態組織が生成する。この点が、本発明鋼材の特徴である。
【００７４】
低温変態組織は、ベイナイト及び／又はマルテンサイトであり、その旧γ粒の痕跡は、溶接熱影響部を、腐食液（ナイタール、ピクリン酸、硝酸、王水等）でエッチングし、光学顕微鏡で観察することにより確認することができる。
【００７５】
本発明者は、５０個以上の旧γ粒の粒径を光学顕微鏡で測定し、その平均値を、本発明鋼で定義する“旧γ粒の平均粒径”とした。ただし、一部のα→γ変態で生成する新生オーステナイト粒（以下「新生γ粒」ということがある。）は、以下の理由で、“旧γ粒の平均粒径”に含めない。
【００７６】
平均結晶粒径は、低温変態組織における旧γ粒径を意味するが、旧γ粒を、断面観察の際、２面の結合する稜線近傍で切断すると、実際の結晶粒径を、必ずしも正確に測定することができない。
【００７７】
α→γ変態は内部から生じるので、同じ結晶方位を有し、残留オーステナイト（以下「残留γ相」ということがある。）、又は、整合セメンタイト（以下「整合θ相」ということがあるが、説明は後述する。）から再生したγ粒が、成長、合体する際、旧γ粒界から、旧γ粒の痕跡のない新生γ粒が、わずかに生成する場合があり、なかには、粒径が、最大で１０μｍになるものもある。
【００７８】
新生γ粒は、旧γ粒に隣接して生成し、かつ、旧γ粒を消失させることなく、γ粒の内部に向かって、粒界の片側に成長するので、旧γ粒界の片側又は両側に連続して生成するが、専有体積（面積）が小さく、溶接熱影響部の特性には、特に、影響を及ぼさない。
【００７９】
専有面積が小さく、溶接熱影響部の特性に影響を及ぼさない新生γ粒を、作用効果の点で、溶接熱影響部の特性に影響を及ぼす旧γ粒と同列に扱うことはできないので、本発明鋼材においては、新生γ粒を除いて、旧γ粒に隣接しないγ粒の直径を、光学顕微鏡上の視直径にて代表して旧γ粒径とし、“旧γ粒の平均粒径”を算出した。
【００８０】
なお、上記の隣接する微小な新生γ粒が生成しない場合も、現象としてあり得るが、希であるので、本発明鋼材においては、このことを勘案しない。
【００８１】
本発明鋼材においては、溶接熱影響部の外縁に生成する低温変態組織の細粒化を抑制するため、低温変態する前のオーステナイトの結晶粒の平均粒径は、１０μｍ以上でなければならない。粒径１０μｍ以下の結晶粒が存在していても、平均粒径が１０μｍであれば、低温変態組織の細粒化を抑制することができる。
【００８２】
しかし、平均粒径が１０μｍ未満であると、必然的に、粒径１０μｍ以下のオーステナイト結晶粒が多く存在することになるので、低温変態組織が細粒化し、Type IV型損傷が発生する原因となる。
【００８３】
低温変態する前のオーステナイトの結晶粒の平均粒径を１０μｍ以上とし、低温変態組織の細粒化を確実に抑制するため、少なくとも、溶接前の開先を含む部位（１ｋＪ／ｍｍ以上の溶接入熱の影響を受ける部位）に、最高加熱温度：１０００〜１４００℃、保持時間：１〜６００００秒、及び、冷却速度：０．１〜５０℃／ｓの熱処理（以下「Type IV型損傷回避熱処理」ということがある。）を施し、その後の溶接において、溶接熱影響部の全領域が１０℃／ｓ以上の速度で昇温される溶接条件を選択することが好ましい。
【００８４】
少なくとも溶接前の開先を含む部位（１ｋＪ／ｍｍ以上の溶接入熱の影響を受ける部位）に、Type IV型損傷回避熱処理を施すと、該部位の組織は、組織の均一性の点から、溶接後は少ないほど好ましい残留γ相に着目すれば、（x1）ベイナイト及び／又はマルテンサイトの低温変態組織を含み、かつ、（x2）低温変態前のオーステナイトと同じ結晶方位を有し、マルテンサイトのラス境界、又は、ベイナイト及び／又はマルテンサイトのブロック粒境界に存在する球相当平均粒径１０ｎｍ以上の残留オーステナイトを含む組織となる。
【００８５】
なお、低温変態前のオーステナイト組織は、転位下部構造の電子顕微鏡の電子線回折像で観察することができるので、該組織を構成する結晶の方位を、菊池線等を解析することで知ることができる。
【００８６】
近年、解析技術は向上し、この解析は、ＥＢＳＰ(Electron Back Scattering Pattern analysis)と称する結晶方位Mapping技術によって、その断面における面積率を簡便に測定することが可能となっている。そして、この測定面積率から、容易に、体積率も求めることができる。
【００８７】
このように、予め、溶接前に上記組織を形成しておくと、溶接後の溶接熱影響部において、旧オーステナイト粒の平均粒径が１０μｍ以上のベイナイト及び／又はマルテンサイトの低温変態組織の形成が促進される。
【００８８】
この場合、Type IV型損傷を回避する点で少ないほど好ましい残留オーステナイトは、体積率で、０．５％以上５％以下が好ましく、さらに、０．５％以上３％以下が、より好ましい。また、残留オーステナイトの３０％以上が、同じ結晶方位を有することが、Type IV型損傷を確実に回避する点で、好ましい。なお、残留オーステナイトの結晶方位分布は、上記ＥＢＳＰ法又は透過電子顕微鏡による電子線回折法で測定することができる。
【００８９】
また、少なくとも溶接前の開先を含む部位（１ｋＪ／ｍｍ以上の溶接入熱の影響を受ける部位）に、Type IV型損傷回避熱処理を施すと、該部位の組織は、組織の整合性の点から、セメンタイトの存在態様に着目すれば、（y1）ベイナイト及び／又はマルテンサイトの低温変態組織を含み、かつ、（y2）低温変態前のオーステナイトの結晶方位と低温変態組織の結晶方位を整合させる“特定の結晶方位”、即ち、未変態の残留オーステナイトの主方位＜１１１＞と斜方晶Ｆｅ3Ｃの主方位＜１００＞の法線ベクトルが、並進対称性を勘案して、１５°以内にある方位関係（焼入組織であるベイナイトやマルテンサイトとも一定の方位関係を有し、Pitsch-Schraderの関係、又は、Pitschの関係）を有し、かつ、マルテンサイトのラス境界、又は、マルテンサイト及び／又はベイナイトのブロック粒境界に存在する“球相当平均粒径１０ｎｍ以上の整合セメンタイト”を含む組織となる。
【００９０】
本発明者は、上記方位関係を有するセメンタイトが、溶接熱影響部組織の細粒化を抑制する点で、重要な役割を担うことを見いだした。本発明においては、このようなセメンタイトを、「整合セメンタイト」（整合θ相）と称する。なお、セメンタイトの結晶方位は、電子顕微鏡で測定することができる。
【００９１】
このように、予め、上記組織を形成しておくと、溶接後の溶接熱影響部において、旧オーステナイト粒の平均粒径が１０μｍ以上のベイナイト及び／又はマルテンサイトの低温変態組織の形成が促進される。
【００９２】
この場合も、Type IV型損傷を回避する点で少ないほど好ましい残留オーステナイトは、体積率で、０．５％以上５％以下が好ましく、さらに、０．５％以上３％以下がより好ましい。また、残留オーステナイトの３０％以上が、同じ結晶方位を有することが、Type IV型損傷を確実に回避する点で、好ましい。また、残留オーステナイトの３０％以上が、同じ結晶方位を有することが、Type IV型損傷を確実に回避する点で、好ましい。
【００９３】
次に、本発明鋼材の製造と、本発明鋼材を用いる耐熱構造体の製造について説明する。
【００９４】
本発明鋼材で規定する成分組成の鋼を、通常の高炉−転炉−連続鋳造の銑鋼一貫プロセス、又は、電気炉製鋼法、直接還元製鉄法等を用いて溶製し、続いて、溶鋼を、インゴット鋳造法又は連続鋳造法で鋳込んで、所定の寸法・形状の鋳片とする。
【００９５】
上記鋳片に熱間圧延を施して鋼板とし、また、さらに、鋼板を加工・成型して鋼管とするか、又は、上記鋳片に鍛造を施して鍛造部材とし、所要の調質熱処理、即ち、焼入れ−焼戻し処理、又は、焼準−焼戻し処理を施して、焼戻しベイナイト及び／又は焼戻しマルテンサイトを実質的に８０％以上含む組織を形成する。
【００９６】
本発明鋼材においては、焼戻しベイナイト及び／又は焼戻しマルテンサイトを、ベイナイト及び／又はマルテンサイトと称するが、ベイナイト／マルテンサイトの体積率（体積％）は、光学顕微鏡による観察で得ることができる。
【００９７】
上記調質熱処理を施した鋼材は、本来、良好な高温クリープ特性及び靱性、さらに、加工性を有していて、プラント建設用に適するが、焼戻しにより、残留オーステナイト又は整合セメンタイトが分解又は変質して、溶接熱影響部の細粒化抑制が達成されない場合がある。
【００９８】
それ故、上記事態を避けるため、溶接に先立ち、鋼板又は鋼材全体、又は、開先を含む部位を、再度、加熱し、残留オーステナイト又は整合セメンタイトを、再度、生成させておく必要がある。これらの相（残留γ相又は整合θ相）は、溶接時、溶接熱の影響を受けて、旧γ粒を、再度、形成する。また、溶接熱の影響で、新結晶粒の核生成点である旧γ粒界から、α→γ変態が生じるが、上記相は、新結晶粒の成長を妨げる作用をなす。
【００９９】
このような組織の再現現象により、本発明鋼材の溶接熱影響部においては、変態点直上の温度付近に再加熱された部位において、旧γ粒の平均粒径が１０μｍ未満となることがない。その結果、溶接熱影響部の外縁部において、組織の細粒化が抑制されるとともに、焼入れ性が低下しないので、溶接熱影響部において、従来から問題となっているType IV型損傷が発生しない。
【０１００】
上記組織を有する溶接部に対し、通常、遅れ破壊や脆化を回避するため、さらに、溶接後熱処理（Post Weld Heat Treatment、以下「ＰＷＨＴ」と記載することがある。）を施すことがある。
【０１０１】
このＰＷＨＴにより、溶接部とその近傍の組織の強度、靱性が、ともに改善されるが、鋼材、又は、開先を含む溶接前の部位に意図的に導入した残留オーステナイト又は整合セメンタイトが、溶接後も鋼材中又は上記部位に残留したままであると、例えば、圧力機器を高温で使用して途中、温度及び負荷応力に起因して、マルテンサイトや、フェライトとＣｒ炭化物等に経時的に変態又は変質し、鋼材全体又は機器全体として、大きな体積変化が生じる可能性がある。
【０１０２】
この体積変化は、特に、高温蒸気を搬送する配管類に対して、熱応力の他、配管類の各所に応力を付与することとなり、圧力機器の信頼性を下げる要因となる。
【０１０３】
そこで、本発明鋼材においては、残留オーステナイト又は整合セメンタイトを、体積％で、０．５％以下に制限し、本発明鋼材を溶接して製造した圧力機器が、高温に曝されても、機器独自の熱膨張等により発生する熱応力に比較して小さな応力しか与えない組織にする必要がある。
【０１０４】
本発明鋼材を溶接して製造した、圧力機器、プラント等の溶接構造体は、溶接熱影響部でType IV型損傷が発生しないから、溶接熱影響部のクリープ特性に優れた耐熱構造体であるが、さらに、溶接構造体の全体に、Ａc1変態点以下で、１分以上保持する残留相低減熱処理を施し、溶接構造体の至る所で、残留オーステナイト又は整合セメンタイトを体積率で０．５％未満に低減し、上記変態又は変質による応力発生を抑制することが、より好ましい。
【０１０５】
なお、残留相低減熱処理は、４００℃以上Ａc1変態点以下で、１０分以上保持する熱処理が好ましい。
【実施例】
【０１０６】
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
【０１０７】
（実施例１）
表１に示す成分組成の本発明鋼材を、表１に示す成分組成の溶接材料で溶接して圧力機器を構成した。圧力機器に、４００℃以上Ａc1変態点以下、１０分以上の残留相低減熱処理を施した後、機器構成部材及び該部材溶接部から、平行部直径４〜６ｍｍ、平行部長さ３０ｍｍの試験片を採取した。
【０１０８】
そして、上記試験片を用いて、圧力機器の使用温度（５００〜６５０℃）にて想定される応力（２０〜１００ＭＰａ）を定荷重として付加するクリープ試験を実施し、機器構成部材及び該部材溶接部のクリープ破断寿命を調査した。
【０１０９】
また、比較のため、表１に示す成分組成の従来耐熱鋼材を、表１に示す成分組成の溶接材料で溶接して圧力機器を構成し、同様に、機器構成部材及び該部材溶接部のクリープ破断寿命を調査した。
【０１１０】
【表１】
2008214753.tif 000003
【０１１１】
図２に、本発明鋼材の溶接部（９％Ｃｒフェライト系耐熱鋼材Ａを、溶接材料Ｄを用いて、入熱２ｋＪ／ｍｍで、ＴＩＧ溶接した。）と従来耐熱鋼材の溶接部のクリープ破断寿命、即ち、６５０℃、１０万時間の推定クリープ破断強度（ＭＰａ）を示す。さらに、図２に、溶接実施前で、かつ、Type IV型損傷対策処理を施していない母鋼材の、６５０℃、１０万時間の推定クリープ破断強度（ＭＰａ）を併せて示す。
【０１１２】
従来耐熱鋼材の溶接部の６５０℃、１０万時間の推定クリープ破断強度は、母鋼材の６５０℃、１０万時間の推定クリープ破断強度の約半分しかないが、本発明鋼材の溶接部の６５０℃、１０万時間の推定クリープ破断強度は、母鋼材の６５０℃、１０万時間の推定クリープ破断強度と同等である。
【０１１３】
次に、図３に、９％Ｃｒフェライト系耐熱鋼Ｂを、共金系溶接材料Ｃを用いて溶接して製造した溶接部における溶接熱影響部（Ａc1変態点〜Ａc1変態点＋３００℃に再加熱された溶接部における母鋼材部分において、元来、細粒域となる部位。以下、「ＦＧ−ＨＡＺ」と記載することがある。）の平均結晶粒径と、Ｘ線回折ピーク法で測定した残留γ量との関係、及び、同じく、上記平均結晶粒径と、電子顕微鏡観察と母材の酸溶解定電位電解抽出残渣によって定量した整合セメンタイト量との関係を示す。
【０１１４】
なお、平均結晶粒径は、低温変態組織における旧γ粒径を意味し、前述したように、新生γ粒の粒径を含めない。
【０１１５】
図３から、Type IV型損傷の抑制のため、ＦＧ−ＨＡＺ（細粒域相当溶接熱影響部）における平均結晶粒径を１０μｍ以上にするには、残留オーステナイト又は整合セメンタイトが０．５％以上存在しなければならないことが解る。
【０１１６】
整合セメンタイト又は残留オーステナイトが、５％を超えて残留又は析出した場合、機器又はプラント全体をＡc1変態点以下の温度へ加熱する熱処理を施した時、完全に、分解、固溶しない場合があって、高温でのプラント操業時に、配管等が著しく変形したり、また、破損したりするので、整合セメンタイト又は残留オーステナイトの量は、体積率で、５％以下が好ましい。
【０１１７】
なお、圧力機器又はプラントにおいて、長い直線配管に続いて設けた曲線配管等では、配管の変形が厳しく制限され、特に、高温では３％までに制限される場合があるので、整合セメンタイト又は残留オーステナイトの量は、体積率で、３％以下がより好ましい。
【０１１８】
残留オーステナイト量と配管の変形率の関係は、欧州で、既に、経験的に知られている。本発明者は、小形の試験片を用いて仮想試験を行い、中途変態又は変質による変形への影響を調査した。その結果を図４に示す。
【０１１９】
図４から、６５０℃において、変形が、変形限度の０．５％（１００ｍの直線配管で、５０ｃｍにも達する大きな変形である。）を下回るためには、残留オーステナイトを、母鋼材中に残留させたままでは使用に耐えず、その量を、体積率で０．５％以下に低減する必要があることが解る。
【０１２０】
本発明者は、整合セメンタイトの場合も、同様に、体積率で０．５％以下に低減する必要があることを、実験的に確認した。
【０１２１】
上記配管の変形は、体積変化を伴う炭化物の析出又は変質が発生することによるものと推定されるが、本発明鋼材においては、フェライト系耐熱鋼材の溶接部に発生するTyp IV型損傷を回避するとともに、その回避技術によって不可避的に生じる圧力機器又はプラント構成部材の変形を防止することができる。
【０１２２】
（実施例２）
表２に示す成分組成の本発明鋼材と従来耐熱鋼材を、表３に示す条件で熱処理して溶接し、本発明鋼材の効果を確認した。その結果を、表３に、併せて示す。
【０１２３】
なお、本発明鋼材の効果は、１０万時間推定クリープ破断強度を用い、母鋼材の１０万時間推定クリープ破断強度との強度比で示した。
【０１２４】
【表２】
2008214753.tif 000004
【０１２５】
【表３】
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【０１２６】
溶接部のクリープ特性は、Type IV型損傷の発生の有無だけで評価できるものではなく、溶接金属や、その後の応力除去焼鈍条件でも変化することを考慮し、強度比０．８以上を、本発明鋼材の効果が発現したものとし、閾値とした。
【０１２７】
従来技術による溶接部においては、強度比が０．５前後であり（表３、比較例の強度比、参照）、このことを前提に考えれば、閾値０．８は、Type IV型損傷による強度低下がほとんどないことを意味している。
【０１２８】
なお、推定クリープ破断強度とは、フェライト系耐熱鋼の使用温度、例えば、４５０〜６００℃において、それよりも、最大で１００℃高い温度までの温度加速クリープ試験による強度を含み、３万時間を超えるクリープ破断データを、ＬＭＰ法を用いて、温度と時間を等価に扱い、破断強度を推定計算した値である。
【０１２９】
推定計算値は外挿値となるが、その次数が３以上の高次多項式関数であれば、精度高く計算ができるので、実際に必要な１０万時間のクリープ試験そのものは実施していない。
【０１３０】
表３には、対比のため比較例に係る結果を示した。比較例３１は、鋼材にType IV型損傷回避熱処理を施さなかったため、Ａc1変態点〜Ａc1変態点＋３００℃に加熱された時、溶接熱影響部の平均結晶粒径が小さくなり、焼入れ性が低下し、溶接部の推定クリープ破断強度が母材との比で０．８を超えず、低下した例である。比較例３２も同様である。
【０１３１】
比較例３３は、鋼材にType IV型損傷回避熱処理を溶接前に施したものの、溶接後、プラント機器又はプラント全体で、残留オーステナイト又は整合セメンタイトの消失処理を施さなかったため、プラント構成フェライト系耐熱鋼材、特に、この場合、配管系統で、多大な歪みが発生し、溶接部が破損し、強度比が著しく低下した例である。比較例３４も同様である。
【０１３２】
比較例３５は、鋼材にType IV型損傷回避熱処理を施したが、その条件において、最高加熱温度が低く、このため、残留オーステナイト又は整合セメンタイトを十分に溶接前の組織に存在させることができず、Type IV型損傷を回避することができなかった例である。
【０１３３】
比較例３６は、鋼材にType IV型損傷回避熱処理を施したが、その条件において、冷却速度が遅すぎたため、残留オーステナイトの分解又は整合セメンタイトの成長により、組織の整合性が消失して、残留オーステナイト又は整合セメンタイトを十分に溶接前の組織に存在させることができず、Type IV型損傷を回避することができなかった例である。
【０１３４】
比較例３７は、本発明鋼材に係る処理及び処理条件を全て満たすものであるが、溶接入熱と板厚の関係から、溶接時の昇温速度が遅すぎて、本発明鋼材の効果が得られず、結果として、溶接熱影響部に細粒域が生成してしまい、Type IV型損傷を回避することができなかった例である。
【０１３５】
比較例３８は、Ｃｒeqが高すぎてフェライト単相鋼となり、鋼材の強度そのものが著しく低下し、さらに、Type IV型損傷回避熱処理による効果が発現せず、結局、Type IV型損傷が発生して、溶接部強度が母材強度に対して著しく低下した例である。
【産業上の利用可能性】
【０１３６】
前述したように、本発明によれば、フェライト系耐熱鋼材の溶接部の熱影響部において、Type IV型損傷が発生しないから、高温高圧プラント機器を構成する耐熱溶接構造体（耐熱構造体）の設計において、その高温強度を、クリープ破断強度の０．６７倍（通常の安全率）として設計することができる。その結果、従来発生していた溶接部起点の事故を防止することができる。したがって、本発明は、プラント建設産業において利用可能性が大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【図１】フェライト系耐熱鋼材の溶接熱影響部に発生するType IV型損傷を示す図である。
【図２】本発明鋼材の溶接部の６５０℃、１０万時間の推定クリープ破断強度と、従来耐熱鋼材の溶接部の上記破断強度を対比して示す図である。
【図３】残留オーステナイト又は整合セメンタイトと、溶接熱影響部外縁部位（細粒域相当溶接熱影響部）の平均旧γ粒径との関係を示す図である。
【図４】９％Ｃｒフェライト系耐熱鋼材で製造した直線配管の長さ変化率と、残留オーステナイトの体積率との関係を示す図である。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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