(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材の表面に酸化層Ａとを備え、
前記基材は、
質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．３％、
Ｓｉ：０．０１〜２．０％、
Ｍｎ：０．０１〜２．０％、
Ｐ：０．１０％以下、
Ｓ：０．０３％以下、
Ｃｒ：１５．０〜２４．０％、
Ｎｉ：６．０〜２７．０％、
Ｎ：０．００５〜０．３％、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜０．３％、
Ｃｏ：０〜５．０％、
Ｔｉ：０〜１．０％、
Ｖ：０〜１．０％、
Ｎｂ：０〜１．０％、
Ｈｆ：０〜１．０％、
Ｃａ：０〜０．１％、
Ｍｇ：０〜０．１％、
Ｚｒ：０〜０．１％、
Ｂ：０〜０．１％、
希土類元素：０〜０．１％、及び、
Ｃｕ：０〜５．０％、Ｍｏ：０〜５．０％、Ｔａ：０〜５．０％、Ｗ：０〜５．０％及びＲｅ：０〜５．０％からなる群から選択される１種又は２種以上：合計で０．５〜１０．０％、
を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
前記酸化層Ａは、
質量％で、
Ｃｒ及びＭｎ：合計で２０〜４５％、及び、
Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、及びＲｅからなる群から選択される１種又は２種以上：合計で０．５〜１０％、
を含有する化学組成と、
１μｍ以上２０μｍ以下の厚さとを含む、オーステナイト系耐熱鋼。
【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、
前記基材の化学組成は、
Ｃｏ：０．００５〜５．０％を含有する、オーステナイト系耐熱鋼。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のオーステナイト系耐熱鋼であって、
前記基材の化学組成は、
Ｔｉ：０．０１〜１．０％、
Ｖ：０．０１〜１．０％、
Ｎｂ：０．０１〜１．０％、及び、
Ｈｆ：０．０１〜１．０％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する、オーステナイト系耐熱鋼。
【請求項４】
請求項１〜請求項３に記載のオーステナイト系耐熱鋼であって、
前記基材の化学組成は、
Ｃａ：０．００１５〜０．１％、
Ｍｇ：０．００１５〜０．１％、
Ｚｒ：０．００１５〜０．１％、
Ｂ：０．００１５〜０．１％、及び、
希土類元素：０．００１５〜０．１％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する、オーステナイト系耐熱鋼。
【請求項５】
請求項１〜請求項４に記載の化学組成を有する基材と、
前記基材の表面に酸化皮膜とを備え、
前記酸化皮膜は、
体積％で８０％以上のＦｅ３Ｏ４を含有する酸化層Ｂと、
前記酸化層Ｂと前記基材との間に形成される酸化層Ｃとを含み、
前記酸化層Ｃの化学組成は、
質量％で、
Ｃｒ及びＭｎ：合計で５超〜３０％、及び、
Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ及びＲｅからなる群から選択される１種又は２種以上：合計で１〜１５％を含有する、オーステナイト系伝熱部材。
【請求項６】
請求項５に記載のオーステナイト系伝熱部材であって、
前記酸化層Ｂの化学組成は、
質量％で、
Ｃｒ及びＭｎ：合計で５％以下を含有する、伝熱部材。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載のオーステナイト系伝熱部材であって、
前記酸化層Ｃは、
体積％でＣｒ２Ｏ３を５％以下含有する、伝熱部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐熱鋼及び伝熱部材に関し、さらに詳しくは、高温の水蒸気酸化環境下等で用いられるオーステナイト系耐熱鋼及びオーステナイト系伝熱部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラントでは、ＣＯ2ガスの排出抑制及び経済性の観点から、発電効率の向上が求められており、タービン蒸気圧力の高温化及び高圧化が進められている。火力発電プラントで使用される伝熱部材は、高温高圧の水蒸気に長時間晒される。伝熱部材はたとえば、ボイラ用の配管である。高温の水蒸気に長時間晒されると、伝熱部材の表面に酸化スケールが生成する。伝熱部材の耐水蒸気酸化性が十分でない場合、伝熱部材の表面に多量の酸化スケールが生成する。ボイラの起動及び停止によって、伝熱部材は熱膨張及び収縮する。そのため、多量の酸化スケールが生成すれば、酸化スケールは剥離して配管の詰まりの原因となる。酸化スケールが多量に生成した場合はさらに、酸化スケールによって配管外部から配管内部への熱伝導が阻害される。そのため、配管内の温度を高く維持するために、外部からより多くの熱を与える必要がある。配管の温度上昇は、クリープ強度の低下を引き起こす。そのため、火力発電用ボイラ、タービン及び蒸気管等の機器に用いられる伝熱部材には、高い耐水蒸気酸化性が求められている。
【０００３】
このような特性を満たす材料としてたとえば、オーステナイト系耐熱鋼及びフェライト系耐熱鋼が開発されてきた。オーステナイト系耐熱鋼はたとえば、Ｃｒ含有量が１８〜２５質量％のオーステナイト系耐熱鋼である。フェライト系耐熱鋼はたとえば、Ｃｒ含有量が８〜１３質量％のフェライト系耐熱鋼である。オーステナイト系耐熱鋼は、フェライト系耐熱鋼と比較して、高温強度が高い。オーステナイト系耐熱鋼はさらに、フェライト系耐熱鋼と比較して基地組織の安定性が高く、高温耐食性に優れる。そのため、オーステナイト系耐熱鋼は、フェライト系耐熱鋼と比較して伝熱部材により適している。しかしながら、オーステナイト系耐熱鋼は、フェライト系耐熱鋼と比較して伝熱特性に劣る。したがって、オーステナイト系耐熱鋼の耐水蒸気酸化性のみならず、伝熱特性を高めることができれば、火力発電プラントにおいて、さらなる発電効率の向上が可能である。
【０００４】
酸化スケールの脱落を抑制したフェライト系耐熱鋼がたとえば、特開平１１−９２８８０号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１に記載されたフェライト系耐熱鋼は、使用中に表面に酸化被膜が生成する高Ｃｒ含有のフェライト系耐熱鋼であって、酸化被膜との界面若しくはその近傍に１ミクロン以下の径の極微細な酸化物が形成される。このため、酸化被膜と母材との密着性が向上する、と特許文献１には記載されている。
【０００５】
フェライト系耐熱鋼の表面のＣｒ濃度を上げることで耐水蒸気酸化性を改善させる方法がたとえば、特開２００７−３９７４５号公報（特許文献２）に開示されている。特許文献２に記載されたフェライト系耐熱鋼の耐水蒸気酸化性改善方法は、Ｃｒを含有するフェライト系耐熱鋼の表面にＣｒを含む粉末粒子を担持させて、高温下でフェライト鋼表面にＣｒ濃度の高いＣｒ酸化物層を生成させる。この方法により、Ｃｒを含有したフェライト鋼の耐酸化性を容易にかつ経済的に改善できる、と特許文献２には記載されている。
【０００６】
フェライト系耐熱鋼の表面にＣｒ酸化被膜を形成することで、耐酸化性を改善させる方法がたとえば、特開２０１３−１２７１０３号公報（特許文献３）に開示されている。特許文献３に記載されたフェライト系耐熱鋼の耐酸化処理方法は、炭酸ガスと不活性ガスの混合ガスからなる低酸素分圧のガス雰囲気中で、クロムを含有するフェライト系耐熱鋼を熱処理して、その耐熱鋼の表面にクロムを含有する酸化被膜を形成することを特徴とする。この方法により、スケール中のＣｒ濃度を増加させ、フェライト系耐熱鋼の耐酸化特性を容易にかつ経済的に改善できる、と特許文献３には記載されている。
【０００７】
フェライト系耐熱鋼の表面にＣｒを付着させることにより耐水蒸気酸化性を改善したフェライト系耐熱鋼がたとえば、特開２００９−１７９８８４号公報（特許文献４）に開示されている。特許文献４に記載されたフェライト系耐熱鋼は、高温高圧水蒸気環境下で使用されるフェライト系耐熱鋼であって、粉末Ｃｒショット材のショットピーニング処理により付着されたＣｒが予備酸化処理されてなるＣｒ酸化物皮膜を基材表面に有することを特徴とする。このフェライト系耐熱鋼は、酸化環境中で使用する前に、耐熱鋼に耐酸化性の酸化物の保護皮膜が形成されているため、耐水蒸気酸化性が向上している、と特許文献４には記載されている。
【０００８】
全体を均質な整粒の細粒組織とすることで耐水蒸気酸化性を高めたオーステナイト系ステンレス鋼管がたとえば、特開２００３−２６８５０３号公報（特許文献５）に開示されている。特許文献５に記載されたオーステナイト系ステンレス鋼管は、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．９％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｎｉ：８〜１５％、Ｔｉ：０．００２〜０．０５％、Ｎｂ：０．３〜１．５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５〜０．０３％、Ｎ：０．００５〜０．２％、およびＯ（酸素）：０．００１〜０．００８％を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、オーステナイト結晶粒度番号が７以上の細粒組織であることを特徴とする。全体を細粒組織とすることで、結晶粒界がＣｒの拡散経路となり、母材内部のＣｒが表層部に容易に供給される。その結果、表面に保護性の高いＣｒ2Ｏ3からなる皮膜が生成し、耐水蒸気酸化性が向上する、と特許文献５には記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−９２８８０号公報
【特許文献２】特開２００７−３９７４５号公報
【特許文献３】特開２０１３−１２７１０３号公報
【特許文献４】特開２００９−１７９８８４号公報
【特許文献５】特開２００３−２６８５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述の技術を用いても、伝熱部材の伝熱特性及び耐水蒸気酸化性を十分に高めることができない場合がある。
【００１１】
本発明の目的は、伝熱特性及び耐水蒸気酸化性に優れたオーステナイト系耐熱鋼及びオーステナイト系伝熱部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼は、基材と、基材の表面に酸化層Ａとを備える。基材は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．３％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１５．０〜２４．０％、Ｎｉ：６．０〜２７．０％、Ｎ：０．００５〜０．３％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜０．３％、Ｃｏ：０〜５．０％、Ｔｉ：０〜１．０％、Ｖ：０〜１．０％、Ｎｂ：０〜１．０％、Ｈｆ：０〜１．０％、Ｃａ：０〜０．１％、Ｍｇ：０〜０．１％、Ｚｒ：０〜０．１％、Ｂ：０〜０．１％、希土類元素：０〜０．１％、及び、Ｃｕ：０〜５．０％、Ｍｏ：０〜５．０％、Ｔａ：０〜５．０％、Ｗ：０〜５．０％、及びＲｅ：０〜５．０％からなる群から選択される１種又は２種以上を合計で０．５〜１０．０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する。酸化層Ａは、質量％で、Ｃｒ及びＭｎを合計で２０〜４５％を含有する化学組成を含む。酸化層Ａは、質量％で、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、及びＲｅからなる群から選択される１種又は２種以上を合計で０．５〜１０％を含有する化学組成を含む。酸化層Ａは１μｍ以上の厚さを含む。
【発明の効果】
【００１３】
本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼及びオーステナイト系伝熱部材は、伝熱特性及び耐水蒸気酸化性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼の断面図である。
【図２】図２は、本実施形態によるオーステナイト系伝熱部材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本実施形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１６】
本発明者らは、オーステナイト系耐熱鋼及びオーステナイト系伝熱部材について種々検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
【００１７】
（１）本実施形態のオーステナイト系耐熱鋼は、ボイラ配管等の伝熱部材として利用できる。ボイラ配管等の伝熱部材は、高温の水蒸気と接する。高温の水蒸気に長時間晒されると、伝熱部材の表面には酸化スケールが生成する。酸化スケールは種々の酸化物及び不純物からなる。酸化物はたとえば、Ｆｅ3Ｏ4、Ｃｒ2Ｏ3等である。酸化スケールは、伝熱部材の表面に酸化皮膜を形成する。
【００１８】
（２）酸化皮膜の熱伝導率が低ければ、伝熱部材の外部から伝熱部材の内部への伝熱特性が低下する。そのため、伝熱部材の内部を高温に維持するために、伝熱部材の外部から多量の熱を与える必要が生じ、ボイラの伝熱特性が低下する。伝熱部材の外部から多量の熱を与えた場合さらに、伝熱部材のクリープ強度が低下する場合がある。したがって、酸化皮膜の熱伝導率は高い方が好ましい。しかしながら、酸化皮膜の熱伝導率が高すぎる場合、伝熱部材の内表面に、高温水蒸気の熱が伝わる。伝わった熱は、伝熱部材の内表面の酸化反応を促進するため、伝熱部材の内表面に多量の酸化スケールが生じる。多量の酸化スケールは、伝熱部材の内表面から剥離する。伝熱部材が配管の場合、剥離した酸化スケールは配管の詰まりの原因となる。したがって、酸化皮膜の熱伝導率は、ある一定の範囲に制御される必要がある。
【００１９】
（３）酸化スケールの厚みが厚すぎる場合、伝熱部材の外部から伝熱部材の内部への熱伝導が阻害される。そのため、ボイラの伝熱特性が低下する。したがって、酸化皮膜の厚みは、なるべく薄い方が好ましい。
【００２０】
（４）上述の酸化物のうち、Ｆｅ3Ｏ4は、高温の水蒸気酸化環境下（以下、高温蒸気環境ともいう）で、熱力学的に安定して形成される。Ｆｅ3Ｏ4はさらに、その熱伝導率が高い。したがって、Ｆｅ3Ｏ4を多量に含有する酸化皮膜を、高温の水蒸気と接する伝熱部材の表面に形成すれば、ボイラの熱効率が向上する。しかしながら、Ｆｅ3Ｏ4を多量に含有する酸化皮膜の熱伝導率は高すぎる。そのため、この酸化皮膜のみでは、上述のとおり、伝熱部材の内表面に多量の酸化スケールが生じる。
【００２１】
（５）ボイラ配管等の伝熱部材では、配管内表面のＣｒ濃度を向上し、Ｃｒ2Ｏ3を多量に含有する酸化皮膜を伝熱部材の内表面に形成することが多い。これにより、多量の酸化スケールの生成が抑制され、伝熱部材の耐水蒸気酸化性が向上する。しかしながら、Ｃｒ2Ｏ3を多量に含有する酸化皮膜は熱伝導率が低い。そのため、伝熱部材の伝熱特性が低下する。そのため、この酸化皮膜のみでは、ボイラの伝熱特性を向上することはできない。
【００２２】
（６）そこで、高温蒸気環境下で、伝熱特性が優れた酸化層、及び、耐水蒸気酸化性と伝熱特性との両立を図った酸化層の２層からなる酸化皮膜を伝熱部材の内表面に形成する。これにより、優れた伝熱特性及び優れた耐水蒸気酸化性を両立できる。
【００２３】
（７）体積率で８０％以上のＦｅ3Ｏ4を含有する場合、酸化層の熱伝導率は高い。そのため、ボイラの伝熱特性を向上できる。そこで、高温の水蒸気と接する伝熱部材の表面に、体積率で８０％以上のＦｅ3Ｏ4を含有する酸化層Ｂを形成する。
【００２４】
（８）一方、耐水蒸気酸化性と伝熱特性との両立を図った酸化層として、酸化層Ｃを、酸化層Ｂと基材との間に形成させる。酸化層Ｃは、Ｃｒ及びＭｎを合計で５超〜３０質量％、及び、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ及びＲｅからなる群から選択される１種又は２種以上を合計で１〜１５質量％含有する。
【００２５】
Ｃｒ酸化物及びＭｎ酸化物は基材の耐水蒸気酸化性を高める。しかしながら、Ｃｒ含有量が高すぎる場合、酸化皮膜の伝熱特性が低下する。Ｍｎ含有量が高すぎる場合、基材の高温強度が低下する。したがって、酸化層Ｃは、Ｃｒ及びＭｎを合計で５超〜３０質量％含有する。
【００２６】
Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ及びＲｅが酸化層Ｃに含有される場合、酸化層Ｃの熱伝導率が高まる。しかしながら、これらの元素の含有量が高すぎる場合、酸化層Ｃの耐水蒸気酸化性が低下することがある。したがって、酸化層Ｃは、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ及びＲｅからなる群から選択される１種又は２種以上を合計で１〜１５質量％含有する。
【００２７】
以上により、酸化層Ｃは、優れた伝熱特性及び優れた耐水蒸気酸化性を有する。
【００２８】
（９）高温蒸気環境下で、上記の酸化層Ｂ及び酸化層Ｃを形成させるには、事前に基材上に、酸化層Ａを形成させておくことが必要である。酸化層Ａの厚さは１μｍ以上である。酸化層Ａの化学組成は、質量％で、Ｃｒ及びＭｎを合計で２０〜４５％を含有する。酸化層Ａの化学組成は、質量％で、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、及びＲｅからなる群から選択される１種又は２種以上を合計で０．５〜１０％を含有する。高温蒸気環境において使用されると、酸化層Ａは、後述の伝熱特性に優れた酸化皮膜に変化する。高温とはたとえば、５００〜６５０℃である。
【００２９】
以上の知見に基づいて完成した本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼は、基材と、基材の表面に酸化層Ａとを備える。基材は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．３％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１５．０〜２４．０％、Ｎｉ：６．０〜２７．０％、Ｎ：０．００５〜０．３％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜０．３％、Ｃｏ：０〜５．０％、Ｔｉ：０〜１．０％、Ｖ：０〜１．０％、Ｎｂ：０〜１．０％、Ｈｆ：０〜１．０％、Ｃａ：０〜０．１％、Ｍｇ：０〜０．１％、Ｚｒ：０〜０．１％、Ｂ：０〜０．１％、希土類元素：０〜０．１％、及び、Ｃｕ：０〜５．０％、Ｍｏ：０〜５．０％、Ｔａ：０〜５．０％、Ｗ：０〜５．０％及びＲｅ：０〜５．０％からなる群から選択される１種又は２種以上を合計で０．５〜１０．０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する。酸化層Ａは、質量％で、Ｃｒ及びＭｎを合計で２０〜４５％含有する化学組成を含む。酸化層Ａは、質量％で、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、及びＲｅからなる群から選択される１種又は２種以上を合計で０．５〜１０％を含有する化学組成を含む。酸化層Ａは１μｍ以上の厚さを含む。
【００３０】
本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼は、伝熱特性及び耐水蒸気酸化性に優れる。
【００３１】
上記オーステナイト系耐熱鋼の基材の化学組成は、Ｃｏ：０．００５〜５．０％を含有してもよい。上記基材の化学組成は、Ｔｉ：０．０１〜１．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、Ｎｂ：０．０１〜１．０％、及びＨｆ：０．０１〜１．０％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。上記基材の化学組成は、Ｃａ：０．００１５〜０．１％、Ｍｇ：０．００１５〜０．１％、Ｚｒ：０．００１５〜０．１％、Ｂ：０．００１５〜０．１％、及び、希土類元素：０．００１５〜０．１％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。
【００３２】
本実施形態による伝熱部材は、基材と、基材の表面に酸化皮膜とを備える。酸化皮膜は、酸化層Ｂと酸化層Ｃとを含む。酸化層Ｂは、８０体積％以上のＦｅ3Ｏ4を含有する。酸化層Ｃは、酸化層Ｂと基材との間に形成される。酸化層Ｃの化学組成は、Ｃｒ及びＭｎを合計で５超〜３０質量％、及び、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ及びＲｅからなる群から選択される１種又は２種以上を合計で１〜１５質量％含有する。
【００３３】
本実施形態による伝熱部材は、伝熱特性及び耐水蒸気酸化性に優れる。
【００３４】
好ましくは、酸化層Ｂは、Ｃｒ及びＭｎを合計で５質量％以下含有する。
【００３５】
好ましくは、酸化層Ｃは、Ｃｒ2Ｏ3を５体積％以下含有する。
【００３６】
この場合、熱伝導率が低いＣｒ2Ｏ3の析出量を抑制することによって、酸化皮膜の熱伝導率が高まる。このため、ボイラの伝熱特性を向上できる。
【００３７】
好ましくは、酸化層Ｃの熱伝導率は１．０〜３．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1である。
【００３８】
以下に、本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼及びオーステナイト系伝熱部材について詳述する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。
【００３９】
［オーステナイト系耐熱鋼］
本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼の形状は、特に限定されない。オーステナイト系耐熱鋼はたとえば、鋼管、棒鋼、及び鋼板である。本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼に対して酸化処理を行う。酸化処理によりオーステナイト系耐熱鋼の表面に酸化層Ａが形成される。
【００４０】
図１は、本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼の断面図である。図１を参照して、オーステナイト系耐熱鋼１は、基材２と、酸化層Ａとを備える。基材２と、酸化層Ａとを備えるオーステナイト系耐熱鋼１は、オーステナイト系伝熱部材として、高温蒸気環境下に用いられる。これにより、酸化層Ａは、後述の、伝熱特性に優れる酸化皮膜３に変化する。
【００４１】
［オーステナイト系伝熱部材］
本実施形態によるオーステナイト系伝熱部材の基材はオーステナイト系耐熱鋼である。本実施形態によるオーステナイト系伝熱部材の形状は、特に限定されない。オーステナイト系伝熱部材はたとえば、管、棒又は板材である。管状の形状を有する場合、伝熱部材はたとえば、ボイラ用配管等として使用される。
【００４２】
図２は、本実施形態によるオーステナイト系伝熱部材の断面図である。図２を参照して、伝熱部材４は、基材２と、酸化皮膜３とを備える。酸化皮膜３は、酸化層Ｂと酸化層Ｃとを含む。
【００４３】
［基材２の化学組成］
基材２は、以下の化学組成を有する。
【００４４】
Ｃ：０．０１〜０．３％
炭素（Ｃ）は、オーステナイトを安定化させる。Ｃはさらに、固溶強化により基材２の高温強度を高める。しかしながら、基材２のＣ含有量が高すぎる場合、炭化物が過剰に析出し、基材の加工性及び溶接性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０１〜０．３％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．０３％であり、Ｃ含有量の好ましい上限は０．１５％である。
【００４５】
Ｓｉ：０．０１〜２．０％
シリコン（Ｓｉ）は鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、基材２の耐水蒸気酸化性を向上する。しかしながら、Ｓｉ含有量が高すぎる場合、基材２の靱性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０１〜２．０％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は１．０％であり、さらに好ましくは０．５％である。
【００４６】
Ｍｎ：０．０１〜２．０％
マンガン（Ｍｎ）は鋼を脱酸する。Ｍｎはさらに、基材２中のＳと結合してＭｎＳを形成し、Ｓの粒界偏析を抑制する。これにより、基材２の熱間加工性が向上する。しかしながら、Ｍｎ含有量が高すぎる場合、基材２が脆くなりさらに、基材２の高温強度が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．０１〜２．０％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．０％であり、さらに好ましくは０．８％である。
【００４７】
Ｐ：０．１０％以下
Ｓ：０．０３％以下
燐（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）は不純物である。Ｐ及びＳは、基材２の結晶粒界に偏析して、基材２の熱間加工性を低下させる。Ｐ及びＳはさらに、酸化皮膜３と基材２との界面に濃化して、酸化皮膜３の基材２に対する密着性を低下させる。したがって、Ｐ含有量及びＳ含有量はなるべく低い方が好ましい。Ｐ含有量は０．１０％以下であり、好ましくは０．０３％以下である。Ｓ含有量は０．０３％以下であり、好ましくは０．０１５％以下である。
【００４８】
Ｃｒ：１５．０〜２４．０％
クロム（Ｃｒ）は、基材２の耐酸化性を高める。Ｃｒはさらに、Ｃｒ2Ｏ3及び（Ｆｅ、Ｃｒ）3Ｏ4で定義される酸化物として酸化皮膜３中に含有される。Ｃｒ酸化物は基材２の耐水蒸気酸化性を高める。Ｃｒ酸化物はさらに、酸化皮膜３の基材２に対する密着性を高める。しかしながら、Ｃｒ含有量が高すぎる場合、酸化皮膜３中のＣｒ2Ｏ3の濃度が高くなり、酸化皮膜３の伝熱特性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１５．０〜２４．０％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１６．０％であり、さらに好ましくは１７．０％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は２３．５％であり、さらに好ましくは２３．０％である。
【００４９】
Ｎｉ：６．０〜２７．０％
ニッケル（Ｎｉ）は、オーステナイトを安定化する。Ｎｉはさらに、オーステナイト系耐熱鋼の高温における強度を高める。しかしながら、Ｎｉ含有量が高すぎる場合、伝熱部材の熱伝導率が低下する。Ｎｉが高すぎる場合さらに、コストが高くなる。したがって、Ｎｉ含有量は６．０〜２７．０％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は６．５％であり、さらに好ましくは７．０％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は２６．５％であり、さらに好ましくは２６．０％である。
【００５０】
Ｎ：０．００５〜０．３％
窒素（Ｎ）は、基材２中に固溶し、基材２の強度を高める。Ｎはさらに、基材２中の合金成分と窒化物を形成して基材２中に析出し、基材２の強度を高める。しかしながら、Ｎ含有量が高すぎる場合、窒化物が粗大化し、基材２の靱性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００５〜０．３％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、Ｎ含有量の好ましい上限は０．２７％である。
【００５１】
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜０．３％
アルミニウム（Ａｌ）は鋼を脱酸する。しかしながら、Ａｌ含有量が高すぎる場合、基材２の熱間加工性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００１〜０．３％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、Ａｌ含有量の好ましい上限は０．１％である。本実施形態において、Ａｌ含有量とは、酸可溶性Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）を意味する。
【００５２】
Ｃｕ：０〜５．０％、
Ｍｏ：０〜５．０％、
Ｔａ：０〜５．０％、
Ｗ：０〜５．０％、及び
Ｒｅ：０〜５．０％からなる群から選択される１種又は２種以上：合計で０．５〜１０．０％
銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）及びレニウム（Ｒｅ）からなる群から選択される１種又は２種以上が含有される。これらの元素を以降、特定酸化層形成元素ともいう。特定酸化層形成元素は、基材２の表面に酸化層Ａを形成する。特定酸化層形成元素はさらに、５００〜６５０℃の高温蒸気環境下で、伝熱特性に優れる酸化層Ｃを形成する。これらの元素のうち１種類でも含有されれば、この効果が得られる。しかしながら、特定酸化層形成元素の含有量が高すぎる場合、基材２の靱性、延性及び加工性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０〜５．０％であり、Ｍｏ含有量は０〜５．０％であり、Ｔａ含有量は０〜５．０％であり、Ｗ含有量は０〜５．０％であり、Ｒｅ含有量は０〜５．０％である。各特定酸化層形成元素の含有量の好ましい下限は、それぞれ０．０１％であり、さらに好ましくは、それぞれ０．１％である。各特定酸化層形成元素の含有量の好ましい上限は、それぞれ４．０％であり、さらに好ましくは、それぞれ３．０％である。特定酸化層形成元素の合計含有量は、０．５〜１０．０％である。特定酸化層形成元素の合計含有量の好ましい下限は０．６％であり、さらに好ましくは１．０％である。特定酸化層形成元素の合計含有量の好ましい上限は９．０％であり、さらに好ましくは８．０％である。
【００５３】
本実施形態による基材２の残部は、Ｆｅ及び不純物である。本実施形態において、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、又は、製造過程の環境等から混入する元素をいい、本実施形態による伝熱部材４に悪影響を及ぼさない範囲で含有されるものをいう。不純物はたとえば、酸素（Ｏ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、タリウム（Ｔｌ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等である。
【００５４】
本実施形態による伝熱部材４の基材２はさらに、Ｆｅの一部に代えて、以下の元素を含有してもよい。
【００５５】
Ｃｏ：０〜５．０％
コバルト（Ｃｏ）は必要に応じて任意で含有される。Ｃｏはオーステナイトを安定化させる。これにより、基材２の耐衝撃性を低下させるデルタフェライトの残留が抑制される。これらの元素のうち１種類でも含有されれば、この効果が得られる。しかしながら、これらの元素の含有量が高すぎる場合、基材２の熱間加工性が低下する。したがって、Ｃｏ含有量は０〜５．０％である。Ｃｏ含有量の好ましい上限は３．０％であり、さらに好ましくは２．０％である。Ｃｏ含有量の好ましい下限は０．００５％である。
【００５６】
Ｔｉ：０〜１．０％
Ｖ：０〜１．０％
Ｎｂ：０〜１．０％
Ｈｆ：０〜１．０％
チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）及びハフニウム（Ｈｆ）は必要に応じて任意で含有される。これらの元素は、炭素及び窒素と結合して炭化物、窒化物又は炭窒化物を形成する。これらの炭化物、窒化物及び炭窒化物は、基材２を析出強化する。これらの元素のうち１種類でも含有されれば、この効果が得られる。しかしながら、これらの元素の含有量が高すぎる場合、基材２の加工性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０〜１．０％であり、Ｖ含有量は０〜１．０％であり、Ｎｂ含有量は０〜１．０％であり、Ｈｆ含有量は０〜１．０％である。これらの元素の含有量の好ましい上限は、それぞれ０．８％であり、さらに好ましくは、それぞれ０．４％である。これらの元素の含有量の好ましい下限は、それぞれ０．０１％である。
【００５７】
Ｃａ：０〜０．１％
Ｍｇ：０〜０．１％
Ｚｒ：０〜０．１％
Ｂ：０〜０．１％
希土類元素：０〜０．１％
カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ボロン（Ｂ）及び希土類元素（ＲＥＭ）は必要に応じて任意で含有される。これらの元素は基材２の強度、加工性及び耐酸化性を高める。これらの元素のうち１種類でも含有されれば、この効果が得られる。しかしながら、これらの元素の含有量が高すぎる場合、基材２の靱性及び溶接性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０〜０．１％であり、Ｍｇ含有量は０〜０．１％であり、Ｚｒ含有量は０〜０．１％であり、Ｂ含有量は０〜０．１％であり、ＲＥＭの含有量は０〜０．１％である。これらの元素の含有量の好ましい上限は、それぞれ０．０５％である。これらの元素の含有量の好ましい下限は、それぞれ０．００１５％である。ここで、ＲＥＭとは、原子番号３９番のイットリウム（Ｙ）、ランタノイドである原子番号５７番のランタン（Ｌａ）〜原子番号７１番のルテチウム（Ｌｕ）及び、アクチノイドである原子番号８９番のアクチニウム（Ａｃ）〜１０３番のローレンシウム（Ｌｒ）からなる群から選択される１種以上の元素である。
【００５８】
［酸化層Ａ］
上述の化学組成を有する基材２に対して、酸化処理を行う。酸化処理により、基材２の表面に酸化層Ａが形成される。基材２と酸化層Ａとからなるオーステナイト系耐熱鋼は、高温蒸気環境下に用いられる。高温蒸気環境下において、酸化層Ａは、耐水蒸気酸化特性を保持したまま、伝熱特性に優れる酸化皮膜３に変化する。すなわち、酸化層Ａは、後述の、電熱特性に優れた酸化皮膜を形成するための素材となる。酸化層Ａが酸化皮膜３に変化する仕組みは定かではないが、酸化層Ａは、主に酸化層Ｃの形成に寄与する。
【００５９】
酸化層Ａは、基材２の表面に厚さ１μｍ以上で形成する。酸化層Ａの厚さが１μｍ未満であれば、高温蒸気環境下で酸化皮膜３が安定に形成されない。この場合、伝熱特性が低下する。そのため、酸化層Ａの厚さは１μｍ以上とする。酸化層Ａの厚さの上限は特に限定しないが、量産性を考慮すると、好ましくは２０μｍ以下である。
【００６０】
酸化層Ａの厚さは、たとえば次の方法で求めることができる。後述の酸化処理を施したオーステナイト系耐熱鋼から試験片を作成する。得られた試験片を樹脂に埋め込み、断面に対して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて２０００倍の倍率で観察を行う。酸化層に相当する部分の厚さを測定することで、酸化層Ａの厚さを求めることができる。
【００６１】
酸化層Ａの化学組成は、Ｃｒ及びＭｎを合計で２０〜４５％含有する。酸化層Ａの化学組成はさらに、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、及びＲｅからなる群から選択される１種又は２種以上を合計で０．５〜１０％を含有する。この場合、高温蒸気環境下において、優れた伝熱特性を有する酸化皮膜３を形成する。Ｃｒ及びＭｎの好ましい合計含有量は２２〜４０％である。特定酸化層形成元素の好ましい合計含有量は１〜８％である。
【００６２】
酸化層ＡにおけるＣｒ及びＭｎの含有量は、たとえば次の方法で測定できる。酸化層Ａの断面に対して、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）法を用いて、元素組成を分析する。得られた各元素の組成のうち、Ｃｒ及びＭｎの合計量を算出する。さらに、酸素（Ｏ）及び炭素（Ｃ）の量を除外した組成を１００％として、Ｃｒ及びＭｎの合計量の割合（質量％）を算出する。特定酸化層形成元素の合計の含有量についても、同様の方法で測定できる。
【００６３】
［酸化皮膜３］
上述の化学組成を有する基材２に対して、後述する酸化処理及び水蒸気酸化処理を行うことによって、基材２の表面に酸化皮膜３が形成される。図２を参照して、酸化皮膜３は、酸化層Ｂ及び酸化層Ｃからなる２層の酸化皮膜である。酸化層Ｂは、伝熱部材４の最上層に形成される。酸化層Ｃは、酸化層Ｂと基材２との間に形成される。伝熱部材４がボイラ用配管の場合、酸化層Ｂが、ボイラ用配管の内表面側に相当し、基材２が、ボイラ用配管の外表面側に相当する。この場合、酸化層Ｂは、高温の水蒸気と接する。
【００６４】
［酸化層Ｂ］
酸化層Ｂは、８０体積％以上のＦｅ3Ｏ4を含有する。Ｆｅ3Ｏ4の熱伝導率は高い。したがって、酸化層Ｂの熱伝導率は高く、伝熱部材の外部から与えられた熱を大きく減少させることなく伝熱部材の内部へと伝える。このため、ボイラの伝熱特性を向上できる。好ましくは、酸化層ＢにおけるＦｅ3Ｏ4の含有量は９０体積％以上である。酸化層Ｂは、Ｆｅ3Ｏ4からなるが、その一部がＦｅ2Ｏ3であってもよい。酸化層Ｂは、Ｆｅ2Ｏ3を２０体積％未満含有することができる。
【００６５】
酸化層Ｂには、基材２中に含まれるＣｒ及びＭｎの一部が酸化物となって含有される場合がある。Ｃｒ2Ｏ3は特に、熱伝導率が小さい。そのため、酸化層Ｂに含まれるＣｒ及びＭｎは合計で５％以下にする。酸化層Ｂに含まれるＣｒ及びＭｎは合計で３％以下であることが好ましい。
【００６６】
酸化層Ｂの好ましい厚さは、１０〜４００μｍである。
【００６７】
［酸化層Ｃ］
酸化層Ｃは、酸化層Ｂと基材２との間に形成され、基材２と接する。
【００６８】
酸化層Ｃの化学組成は、Ｃｒ及びＭｎを合計で５超〜３０％含有する。酸化層Ｃ中において、Ｃｒ及びＭｎは、（Ｆｅ、Ｍ）3Ｏ4の化学式で示される酸化物として存在する。式中、Ｍには、Ｃｒ及びＭｎが代入される。（Ｆｅ、Ｍ）3Ｏ4の化学式で示される酸化物とは、Ｆｅ3Ｏ4と同じいわゆるスピネル型結晶構造を持ち、Ｆｅの一部がＣｒ及びＭｎに置換された酸化物である。酸化層Ｃに含有されるＣｒ及びＭｎの合計量が５％を超える場合、酸化層ＣにおけるＦｅ3Ｏ4の割合を抑制できる。そのため、耐水蒸気酸化特性を保持したまま、酸化層Ｃの熱伝導率を適切な範囲に制御できる。一方で、酸化層Ｃに含有されるＣｒ及びＭｎの合計量が３０％より多い場合、酸化層Ｃの熱伝導率が低くなり過ぎる。この場合、ボイラの伝熱特性が低下する。したがって、酸化層ＣにおけるＣｒ及びＭｎの含有量は、合計で５超〜３０％である。酸化層Ｃにおける、Ｃｒ及びＭｎ含有量の好ましい下限は１０％であり、さらに好ましくは１３％である。酸化層Ｃにおける、Ｃｒ及びＭｎ含有量の好ましい上限は２８％であり、さらに好ましくは２５％である。
【００６９】
酸化層Ｃは、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ及びＲｅからなる群から選択される１種又は２種以上を合計で１〜１５％含有してもよい。特定酸化層形成元素が酸化層Ｃに含有される場合、酸化層Ｃの熱伝導率が高まる。これらの元素が１５％を超えて含有される場合、酸化層Ｃの耐水蒸気酸化性が低下することがある。したがって、含有量の上限は１５％とするのが好ましい。酸化層Ｃにおけるこれらの元素の合計の含有量の好ましい上限は、９％である。酸化層Ｂにおけるこれらの元素の合計の含有量の好ましい下限は、１．５％である。
【００７０】
酸化層Ｃはさらに、その大部分が上述のスピネル型結晶構造を持つ酸化物であり、Ｃｒ2Ｏ3は５体積％以下であることが好ましい。熱伝導率の低いＣｒ2Ｏ3の生成を５体積％以下に抑制し、スピネル型結晶構造を持つ酸化物を生成させることで、酸化層Ｂの熱伝導率を１．０〜３．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1の範囲に制御できる。酸化層ＣにおけるＣｒ2Ｏ3の含有量は、好ましくは３体積％以下である。
【００７１】
酸化層Ｃの熱伝導率は、１．０〜３．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1の範囲に制御されるのが好ましい。この場合、基材２の表面へ伝わる高温水蒸気の熱を制御できる。これにより、基材２の表面の多量の酸化スケールの生成を抑制することができ、伝熱特性を損なうことなく伝熱部材４の耐水蒸気酸化性を向上できる。酸化層Ｃの熱伝導率が１．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1よりも小さければ、伝熱部材の外部から伝熱部材４の内部への熱伝導が阻害され、ボイラの伝熱特性が低下する。酸化層Ｂの熱伝導率が３．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1よりも大きければ、基材２の表面が過剰に加熱され、基材２の表面の酸化反応が促進される。そのため、基材２の表面で多量の酸化スケールが生成され、伝熱部材４の耐水蒸気酸化性が低下する。酸化層Ｃにおける、好ましい熱伝導率の下限は１．２５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1であり、さらに好ましくは１．３Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1である。酸化層Ｂにおける、好ましい熱伝導率の上限は２．８Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1であり、さらに好ましくは２．５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1である。
【００７２】
各酸化層の酸化物の体積率は、たとえば次の方法で測定できる。始めに、酸化層Ｂの表面に対してＸ線回折（ＸＲＤ）法を用いて、酸化物を同定する。次に、試験片を樹脂に埋め込み、試験片の断面に対して電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて、後方散乱電子（ＢＳＥ）像を撮影する。得られた画像の濃淡から、各酸化物の面積率を求め、体積率に換算する。酸化層Ａを除去した後、酸化層Ｂに対しても同様に測定することにより、各酸化層の酸化物の体積率を求めることができる。
【００７３】
各酸化層におけるＣｒ及びＭｎの含有量は、たとえば次の方法で測定できる。酸化層Ｂの表面に対して、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）法を用いて、元素組成を分析する。得られた各元素の組成のうち、Ｃｒ及びＭｎの合計量を算出する。さらに、酸素（Ｏ）及び炭素（Ｃ）の量を除外した組成を１００％として、Ｃｒ及びＭｎの合計量の割合（質量％）を算出する。酸化層Ｂを除去した後、酸化層Ｂに対しても同様に測定することにより、各酸化層に含まれる元素の含有量を求めることができる。Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ及びＲｅの合計の含有量についても、同様の方法で測定できる。
【００７４】
酸化層Ｃの熱伝導率は、たとえば次の方法で求めることができる。伝熱部材４の酸化層Ｂを除去した後、基材２を含む酸化層Ｃのかさ密度、比熱及び熱拡散率を測定する。次に、酸化層Ｃを除去した後、基材２に対しても同様に、かさ密度、比熱及び熱拡散率を測定する。それぞれの測定値の差を酸化層Ｃの測定値に換算し、次式に代入することによって、熱伝導率κを求めることができる。
κ＝ρ×Ｃp×Ｄ
ここで、ρにはかさ密度、Ｃpには比熱、Ｄには熱拡散率が代入される。
【００７５】
酸化層Ｃ厚さの好ましい下限は、１０μｍである。
【００７６】
［酸化皮膜３の厚さ］
酸化皮膜３の厚さは、特に限定されないが、薄い方が好ましい。酸化皮膜３が薄いと、伝熱部材４の伝熱特性が高まる。このため、ボイラの伝熱特性を向上できる。伝熱部材４が長時間使用されれば、酸化皮膜３は厚くなる。伝熱部材４の水蒸気酸化処理の温度が高い場合も、酸化皮膜３は厚くなる。後述の酸化処理及び水蒸気酸化処理を行えば、酸化層Ｂ及び酸化層Ｃは、ほとんど同じ厚さで形成される。したがって、酸化層Ｃが薄い場合、酸化皮膜３も薄くなる。
【００７７】
酸化層Ｂ及び酸化層Ｃの厚さは、たとえば次の方法で求めることができる。後述の酸化処理及び水蒸気酸化処理を施した伝熱部材４から試験片を作成する。得られた試験片を樹脂に埋め込み、断面に対して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて２０００倍の倍率で観察を行う。各酸化層に相当する部分の厚さを測定することで、酸化層Ｂ及び酸化層Ｃの厚さを求めることができる。
【００７８】
［製造工程］
本実施形態による伝熱部材の製造工程は、準備工程、酸化処理工程及び水蒸気酸化処理工程を含む。準備工程では、上述の化学組成を有する素材を準備する。素材は、連続鋳造法により製造されたスラブ、ブルーム及びビレットであってもよい。素材は、造塊法により製造されたビレットであってもよい。たとえば、鋼管を製造する場合、準備された素材を加熱炉又は均熱炉に装入して加熱する。加熱された素材を熱間加工して基材２を製造する。熱間加工はたとえば、マンネスマン法である。マンネスマン法は、素材を、穿孔機を用いて穿孔圧延し素管にする。続いて、マンドレルミル及びサイジングミルを用いて素材を延伸圧延及び定形圧延する方法である。これにより継目無鋼管として基材２を製造する。基材２の製造法は、マンネスマン法に限定されず、素材を熱間押出又は熱間鍛造により製造してもよい。さらに、熱間加工により製造された基材２に対し、熱処理を実施してもよいし、冷間加工を実施してもよい。基材２は鋼板であってもよい。基材２を鋼板とする場合、素材を熱間加工し鋼板として基材２を製造する。溶接により鋼板を鋼管に加工し、溶接鋼管として基材２を製造してもよい。
【００７９】
［酸化処理］
上述の基材２に対して酸化処理を行う。酸化処理は、燃焼ガス等のガス雰囲気中で基材２を加熱することにより行う。酸化処理に用いるガスのＣＯ／ＣＯ2比は、体積比で０．６以上とする。ＣＯ／ＣＯ2比を０．６以上とすることで基材２の表面に、酸化層Ａが形成される。酸化層Ａは、後述の水蒸気酸化処理後に、酸化皮膜３に変化する。酸化皮膜３は、基材２の表面に酸化層Ｂ及び酸化層Ｃからなる２層で形成される。ＣＯ／ＣＯ2比は特に上限を設けないが、操業上の実用性を考慮して、２．０が好ましい。酸化処理に用いるガスは、ＣＯ／ＣＯ2比が０．６以上であればよく、ガスの種類は特に限定されない。ＣＯ−ＣＯ2の混合ガスを用いてもよいし、燃焼ガスを用いてもよい。燃焼ガスを用いる場合は、空燃比を調節することによって、ＣＯ／ＣＯ2比を０．６以上に調節できる。
【００８０】
酸化処理ガス雰囲気では、たとえば燃焼ガスにおける空燃比が制御される。空燃比を制御すれば、酸化処理ガス雰囲気内のガス組成が変化する。燃料として、天然ガス、メタン、プロパン、ブタン等を用いてもよい。また、ＣＯ−ＣＯ2等の混合ガスを使用してもよい。さらには、これらを混合した酸化処理ガス雰囲気を使用してもよい。
【００８１】
酸化処理の温度は１０５０〜１２４０℃である。酸化処理温度が１０５０℃未満であれば、酸化層Ａの厚さが１μｍ未満になる。この場合、高温蒸気環境下において、酸化皮膜３を基材２の表面に均一に形成できない。これにより、基材２を酸化皮膜３で完全に被覆できない。その結果、オーステナイト系伝熱部材４の表面における熱伝導率が低下する。酸化処理温度が１２４０℃を超えれば、酸化層Ａが厚くなりすぎる。この場合、酸化層Ａと基材２との密着性が低下し、酸化処理後の冷却工程において酸化層Ａが剥離する。その結果、高温蒸気環境下において、酸化皮膜３の形成が不完全になり、伝熱特性が低下する。酸化処理後に形成される酸化皮膜３の厚さを抑制できる。このため、酸化皮膜の剥離を抑制でき、後述の水蒸気酸化処理後に酸化皮膜３を安定的に形成できる。したがって、酸化処理温度は１０５０〜１２４０℃である。酸化処理温度の好ましい下限は１０６０℃であり、さらに好ましくは１０８０℃である。酸化処理温度の好ましい上限は１２３０℃であり、さらに好ましくは１２１０℃である。
【００８２】
好ましい酸化処理時間は１分〜１時間である。酸化処理時間が短すぎると、酸化層Ａの厚さが１μｍ未満になる。この場合、高温蒸気環境下において、酸化皮膜３を基材２の表面に均一に形成できない。これにより、基材２を酸化皮膜３で完全に被覆できない。その結果、オーステナイト系伝熱部材４の表面における熱伝導率が低下する。酸化処理時間が長すぎると、生産性が低下する。生産性を考慮すると、酸化処理時間は短い方が好ましい。そのため、さらに好ましい酸化処理時間は３０分以下であり、さらに好ましくは２０分以下である。酸化処理時間のさらに好ましい下限は３分である。
【００８３】
酸化処理の後にテンパー処理（低温焼鈍）を実施してもよい。さらに、酸化処理は基材２の全体に行ってもよいが、基材２が高温の水蒸気と接する面（例えば、鋼管の内表面）のみに行ってもよい。
【００８４】
酸化処理は１回実施してもよいし、複数回実施してもよい。酸化処理後に、基材２の表面に付着した汚れや油分を除去するため、脱脂や洗浄等を実施してもよい。脱脂や洗浄等を実施しても、酸化層Ａには影響しない。脱脂や洗浄等を実施しても、その後の酸化皮膜３の形成には影響しない。
【００８５】
以上の製造方法により製造したオーステナイト系耐熱鋼は、高温蒸気環境下において、優れた伝熱特性を有する。
【００８６】
［水蒸気酸化処理］
上述の酸化処理を施したオーステナイト系耐熱鋼に対して水蒸気酸化処理を行う。水蒸気酸化処理は、オーステナイト系耐熱鋼を、５５０〜７００℃の水蒸気に晒すことによって行う。水蒸気酸化処理は１００時間以上であれば、処理時間の上限は特に限定されない。水蒸気酸化処理により、酸化層Ａが酸化層Ｂ及び酸化皮膜３に変化する。これにより、酸化層Ｂ及び酸化層Ｃからなる酸化皮膜３が、基材２上に形成される。
【００８７】
以上の工程により、本実施形態によるオーステナイト系伝熱部材を製造できる。
【実施例】
【００８８】
表１に示す化学組成を持つ各鋼片を製造し、表２に示す条件で酸化処理及び水蒸気酸化処理を行った。具体的には、表１に示す化学組成を持つインゴットを溶製した。得られた各インゴットに対して熱間圧延及び冷間圧延を実施して鋼板を製造し、基材とした。得られた各基材から試験片を作成し、各試験片に対して、表２に示す条件で酸化処理を行った。酸化層Ａの厚さ及び酸化層Ａの金属元素含有量を測定した。
【００８９】
【表１】
0006805574.tif 000002
【００９０】
【表２】
0006805574.tif 000003
【００９１】
［酸化層Ａの厚さ測定試験］
各試験片の酸化層Ａの厚さを、上述の方法で求めた。結果を表２に示す。
【００９２】
［酸化層Ａの金属元素の含有量測定試験］
各試験片の断面に対して、上述の方法で各金属元素の含有量を求めた。酸化層Ａについて、Ｃｒ及びＭｎの合計量（質量％）、及び、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ及びＲｅの合計量（質量％）を求めた。結果を表２に示す。
【００９３】
各試験片に対して、表２に示す条件で水蒸気酸化処理を行った。得られた各試験片に対して、次の測定試験を行った。
【００９４】
［酸化物の体積率測定試験］
各試験片の断面に対して、上述の方法で酸化物の体積率を求めた。酸化層Ｂについて、Ｆｅ3Ｏ4の体積率及び、Ｆｅ2Ｏ3の体積率を求めた。結果を表２に示す。酸化層Ｃについて、Ｃｒ2Ｏ3の体積率を求めた。結果を表２に示す。
【００９５】
［金属元素の含有量測定試験］
各試験片の断面に対して、上述の方法で各金属元素の含有量を求めた。酸化層Ｂについて、Ｃｒ及びＭｎの合計量（質量％）を求めた。結果を表２に示す。酸化層Ｃについて、Ｃｒ及びＭｎの合計量（質量％）、及び、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ及びＲｅの合計量（質量％）を求めた。結果を表２に示す。
【００９６】
［酸化層Ｃの熱伝導率測定試験］
各試験片の酸化層Ｃの熱伝導率を、上述の方法で求めた。結果を表２に示す。
【００９７】
［酸化層Ｃ厚さ測定試験］
各試験片の酸化層Ｃの厚さを、上述の方法で求めた。結果を表２に示す。
【００９８】
［評価結果］
表１及び表２を参照して、試験番号１、２、４、８、１０〜１４の鋼の化学組成及び製造条件は適切であった。そのため、酸化層Ａの厚さは１μｍ以上となった。これにより、酸化層Ｂは８０体積％以上のＦｅ3Ｏ4を含有した。酸化層ＣのＣｒ＋Ｍｎ合計含有量が５超〜３０％であり、特定酸化層形成元素の含有量が１〜１５％であった。その結果、酸化層Ｃの熱伝導率は１．０〜３．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1の範囲内となり優れた熱伝導率を示した。酸化層Ｃはさらに、厚さが６０μｍ以下となり、優れた耐水蒸気酸化性を示した。
【００９９】
一方、試験番号３は、化学組成は適切であったものの、酸化処理を行わず酸化層Ａを形成しなかった。そのため、酸化層Ｃの熱伝導率が１．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1未満となった。酸化層Ｂ中のＣｒ及びＭｎの合計量が５％を超えたため、酸素の内方流速が抑制され、その結果、酸化層Ｃ中に熱伝導率の低いＣｒ2Ｏ3が５体積％を超えて生成したからと考えられる。さらに、特定酸化層形成元素の合計量が１％未満であったため、熱伝導率を一層低下させたと考えられる。
【０１００】
試験番号５は、化学組成は適切であったものの、酸化処理温度が高すぎたため、酸化層ＡのＣｒ及びＭｎの合計量が４５質量％を超えた。そのため、酸化層Ｃの熱伝導率が１．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1未満となった。熱伝導率の低いＣｒ2Ｏ3が５体積％を超え、さらに酸化層Ｃ中のＣｒ及びＭｎの合計量が３０％を超えて、酸化層Ｃに生成したためと考えられる。
【０１０１】
試験番号６は、化学組成は適切であったものの、酸化処理温度が低すぎたため、酸化層Ａの厚さが１μｍ未満となった。そのため、酸化層Ｃの熱伝導率が１．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1未満となった。酸化層Ｃ中の特定酸化層形成元素の合計量が1％未満であったためと考えられる。
【０１０２】
試験番号７は、化学組成は適切であったものの、酸化処理におけるＣＯ／ＣＯ2比が０．６未満であった。そのため、酸化層Ａ中のＣｒ及びＭｎの合計量が２０％未満であり、さらに特定酸化層形成元素の合計量が０．５％未満であった。そのため、酸化層Ｃの熱伝導率が３．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1を超えた。これは、酸化層Ｂ中のＦｅ3Ｏ4体積率が８０％を下回ったため酸素の内方流束が大きくなり、酸化層Ｃの成長も促進されたためである。試験番号７はさらに、酸化層Ｃの厚さが６０μｍを超えた。酸化層Ｃの熱伝導率が高すぎたためと考えられる。
【０１０３】
試験番号９は、化学組成は適切であったものの、酸化処理時間が短すぎたため、酸化層Ａの特定酸化層形成元素の合計量が１０％を超えた。そのため、酸化層Ｃの熱伝導率が３．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1を超えた。これは、酸化層Ｃ中の特定酸化層形成元素の合計量が１５％を超えたためと考えられる。試験番号９はさらに、酸化層Ｃの厚さが６０μｍを超えた。酸化層Ｃの熱伝導率が高すぎたためと考えられる。
【０１０４】
試験番号１５及び１６は、特定酸化層形成元素をいずれも含有しなかった。そのため、酸化層Ａ中の特定酸化層形成元素が合計量で０．５％未満であった。そのため、酸化層Ｃの熱伝導率が１．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1未満となった。酸化層Ｃ中の特定酸化層形成元素の合計量が１％未満であったため、熱伝導率が低くなったと考えられる。
【０１０５】
試験番号１７は、Ｃｒ含有量が低すぎた。そのため、製造方法は適切であったにも関わらず、酸化層Ｃの熱伝導率が３．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1を超えた。Ｃｒ含有量が低すぎたことで、酸化層Ｃにおいて、Ｃｒ及びＭｎの合計量が５％未満になったためと考えられる。試験番号１７はさらに、酸化層Ｃの厚さが６０μｍを超えた。酸化層Ｃの熱伝導率が高すぎたためと考えられる。
【０１０６】
試験番号１８は、Ｃｒ含有量が高すぎた。そのため、製造方法は適切であったにも関わらず、酸化層Ｃの熱伝導率が１．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1未満となった。熱伝導率の低いＣｒ2Ｏ3が５体積％を超えて酸化層Ｃに生成したためと考えられる。
【０１０７】
試験番号１９は、Ｎｉ含有量が高すぎた。そのため、製造方法は適切であったにも関わらず、酸化層Ｃの熱伝導率が１．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1未満となった。熱伝導率の低いＣｒ2Ｏ3が５体積％を超えて酸化層Ｃに生成したためと考えられる。
【０１０８】
試験番号２０は、特定酸化層形成元素の含有量が高すぎた。そのため、酸化層Ａの特定酸化層形成元素の合計量が１０％を超えた。そのため、酸化層Ｃの熱伝導率が３．０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1を超えた。これは、酸化層Ｃ中の特定酸化層形成元素の合計量が１５％を超えたためと考えられる。試験番号２０はさらに、酸化層Ｃの厚さが６０μｍを超えた。酸化層Ｃの熱伝導率が高すぎたためと考えられる。
【０１０９】
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１  オーステナイト系耐熱鋼
２  基材
３  酸化皮膜
４  オーステナイト系伝熱部材
Ａ  酸化層Ａ
Ｂ  酸化層Ｂ
Ｃ  酸化層Ｃ
【図１】
0006805574.tif 000004
【図２】
0006805574.tif 000005