(57)【要約】　　　（修正有）【課題】　酸化物粒子が微細化され均一かつ高密度に分散されている組織が確実に得られ、その結果、優れた高温強度が発現するマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼、およびその製造方法を提供する。【解決手段】　質量％で、Ｃが０．０５〜０．２５％、Ｃｒが８．０〜１２．０％、Ｗが０．１〜４．０％、Ｔｉが０．１〜１．０％、Ｙ2 Ｏ3 が０．１〜０．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＹ2 Ｏ3 粒子を分散させたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼で、鋼中の過剰酸素量ＥｘＯが、０．２２×Ｔｉ（質量％）＜ＥｘＯ（質量％）＜０．４６×Ｔｉ（質量％）となるように調整することにより分散酸化物粒子を微細高密度化し、高温強度に優れたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼が得られる。原料粉末を機械的合金化処理する過程で、９９．９９９９％以上の超高純度Ａｒ雰囲気で行うこと等の処理により、過剰酸素量を調整できる。【選択図】　図９
2004084071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃが０．０５〜０．２５％、Ｃｒが８．０〜１２．０％、Ｗが０．１〜４．０％、Ｔｉが０．１〜１．０％、Ｙ2 Ｏ3 が０．１〜０．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＹ2 Ｏ3 粒子を分散させたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼において、鋼中の過剰酸素量ＥｘＯ（鋼中の酸素量からＹ2 Ｏ3 中の酸素量を差し引いた値）が
　０．２２×Ｔｉ（質量％）＜ＥｘＯ（質量％）＜０．４６×Ｔｉ（質量％）
となるようにＴｉの含有量を前記０．１〜１．０質量％の範囲内で調整することにより分散酸化物粒子を微細高密度化したことを特徴とする高温強度に優れたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼。
【請求項２】
元素粉末または合金粉末とＹ2 Ｏ3 粉末をＡｒ雰囲気中で機械的合金化処理することにより、質量％で、Ｃが０．０５〜０．２５％、Ｃｒが８．０〜１２．０％、Ｗが０．１〜４．０％、Ｔｉが０．１〜１．０％、Ｙ2 Ｏ3 が０．１〜０．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＹ2 Ｏ3 粒子を分散させたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼を製造する方法において、前記Ａｒ雰囲気として純度９９．９９９９質量％以上のＡｒガスを用いることにより、鋼中の過剰酸素量ＥｘＯ（鋼中の酸素量からＹ2 Ｏ3 中の酸素量を差し引いた値）を
　０．２２×Ｔｉ（質量％）＜ＥｘＯ（質量％）＜０．４６×Ｔｉ（質量％）
となるようにしたことを特徴とする高温強度に優れたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼の製造方法。
【請求項３】
元素粉末または合金粉末とＹ2 Ｏ3 粉末をＡｒ雰囲気中で機械的合金化処理することにより、質量％で、Ｃが０．０５〜０．２５％、Ｃｒが８．０〜１２．０％、Ｗが０．１〜４．０％、Ｔｉが０．１〜１．０％、Ｙ2 Ｏ3 が０．１〜０．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＹ2 Ｏ3 粒子を分散させたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼を製造する方法において、機械的合金化処理時の撹拌エネルギーを小さくして撹拌時の酸素巻き込みを抑制することにより、鋼中の過剰酸素量ＥｘＯ（鋼中の酸素量からＹ2 Ｏ3 中の酸素量を差し引いた値）を
　０．２２×Ｔｉ（質量％）＜ＥｘＯ（質量％）＜０．４６×Ｔｉ（質量％）
となるようにしたことを特徴とする高温強度に優れたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼の製造方法。
【請求項４】
元素粉末または合金粉末とＹ2 Ｏ3 粉末をＡｒ雰囲気中で機械的合金化処理することにより、質量％で、Ｃが０．０５〜０．２５％、Ｃｒが８．０〜１２．０％、Ｗが０．１〜４．０％、Ｔｉが０．１〜１．０％、Ｙ2 Ｏ3 が０．１〜０．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＹ2 Ｏ3 粒子を分散させたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼を製造する方法において、前記Ｙ2 Ｏ3 粉末に代えて金属Ｙ粉末またはＦｅ2 Ｙ粉末を使用することにより、鋼中の過剰酸素量ＥｘＯ（鋼中の酸素量からＹ2 Ｏ3 中の酸素量を差し引いた値）を
　０．２２×Ｔｉ（質量％）＜ＥｘＯ（質量％）＜０．４６×Ｔｉ（質量％）
となるようにしたことを特徴とする高温強度に優れたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、高温強度に優れたマルテンサイト系酸化物分散強化型（ＯＤＳ）鋼およびこれを製造する方法に関するものである。
【０００２】
　本発明のマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼は、優れた高温強度やクリープ強度が求められる高速増殖炉燃料被覆管用材料、核融合炉第一壁材料、火力発電用材料等に好ましく利用できる。
【背景技術】
【０００３】
　優れた高温強度と耐中性子照射特性が要求される原子炉、特に高速炉の構成部材には、従来よりオーステナイト系ステンレス鋼が用いられてきたが、耐スエリング特性などの耐照射特性に限界がある。一方、マルテンサイト系ステンレス鋼は耐照射特性に優れるものの、高温強度が低い欠点がある。
【０００４】
　そこで、耐照射特性と高温強度特性の両方を具備した材料として、マルテンサイト系酸化物分散強化型鋼が開発され、この鋼中にＴｉを添加して酸化物分散粒子を微細分散化させることによって、高温強度を向上させる技術が提案されている。
【０００５】
　例えば特許文献１には、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．２５％、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以下、Ｃｒ：８〜１２％（但し１２％は含まず）、Ｍｏ＋Ｗ：０．１〜４．０％、Ｏ（Ｙ2 Ｏ3 およびＴｉＯ2 分は除く）：０．０１％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ平均粒径１０００Å以下のＹ2 Ｏ3 とＴｉＯ2 による複合酸化物粒子がＹ2 Ｏ3 ＋ＴｉＯ2 ＝０．１〜１．０％、分子比でＴｉＯ2 ／Ｙ2 Ｏ3 と＝０．５〜２．０の範囲で基地に均一に分散されている焼戻しマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１８８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
　しかしながら、Ｙ2 Ｏ3 とＴｉＯ2 の合計量とそれらの比率、さらにはＭｏとＷの合計量を特開平５−１８９９７号公報の教示のように調整してマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼を製造しても、酸化物粒子が均一に微細分散化されない場合もあり、この場合には目的とする高温強度の向上効果が達成できないことになる。
【０００８】
　そのため本発明は、酸化物粒子が微細化され均一かつ高密度に分散されている組織が確実に得られ、その結果、優れた高温強度が発現するマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼、およびその製造方法を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
　本発明者等は、マルテンサイト系酸化物分散強化型鋼中の過剰酸素量ＥｘＯ（鋼中の酸素量からＹ2 Ｏ3 中の酸素量を差し引いた値）が高温強度と密接な関係を有することに着目し、鋼中の過剰酸素量を一定の範囲に調整することによって、高温強度を確実に改善できることを見出し、本発明を完成させたものである。
【００１０】
　すなわち本発明の高温強度に優れたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼は、質量％で、Ｃが０．０５〜０．２５％、Ｃｒが８．０〜１２．０％、Ｗが０．１〜４．０％、Ｔｉが０．１〜１．０％、Ｙ2 Ｏ3 が０．１〜０．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＹ2 Ｏ3 粒子を分散させたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼において、鋼中の過剰酸素量ＥｘＯが
　０．２２×Ｔｉ（質量％）＜ＥｘＯ（質量％）＜０．４６×Ｔｉ（質量％）
となるようにＴｉ含有量を前記０．１〜１．０％の範囲内で調整することにより分散酸化物粒子を微細高密度化したことを特徴とするものである。（なお、以下の本明細書中の記載において「％」は、特に断りのない限り「質量％」を表すものとする。）
【００１１】
　かような本発明によれば、鋼中の過剰酸素量ＥｘＯが所定範囲となるように鋼中のＴｉ量を０．１〜１．０％の範囲内で調整することにより、鋼中に分散したＹ2 Ｏ3 粒子を微細高密度化することができ、その結果、鋼の高温短時間強度および高温長時間強度を向上させることが可能となる。
【００１２】
　上記したごとき本発明の鋼を製造するに際しては、元素粉末または合金粉末とＹ2 Ｏ3 粉末をＡｒ雰囲気中で機械的合金化処理することにより得られるが、この製造過程において、鋼中に混入する酸素量を抑制することによって、得られた鋼中の過剰酸素量を所定の範囲になるようにすることもできる。
【００１３】
　すなわち本発明は、元素粉末または合金粉末とＹ2 Ｏ3 粉末をＡｒ雰囲気中で機械的合金化処理することにより、Ｃが０．０５〜０．２５％、Ｃｒが８．０〜１２．０％、Ｗが０．１〜４．０％、Ｔｉが０．１〜１．０％、Ｙ2 Ｏ3 が０．１〜０．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＹ2 Ｏ3 粒子を分散させたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼を製造する方法において、前記Ａｒ雰囲気として純度９９．９９９９％以上のＡｒガスを用いることにより、鋼中の過剰酸素量ＥｘＯを
　０．２２×Ｔｉ（質量％）＜ＥｘＯ（質量％）＜０．４６×Ｔｉ（質量％）
となるようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
　さらに本発明は、元素粉末または合金粉末とＹ2 Ｏ3 粉末をＡｒ雰囲気中で機械的合金化処理することにより、Ｃが０．０５〜０．２５％、Ｃｒが８．０〜１２．０％、Ｗが０．１〜４．０％、Ｔｉが０．１〜１．０％、Ｙ2 Ｏ3 が０．１〜０．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＹ2 Ｏ3 粒子を分散させたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼を製造する方法において、機械的合金化処理時の撹拌エネルギーを小さくして撹拌時の酸素巻き込みを抑制することにより、鋼中の過剰酸素量ＥｘＯを
　０．２２×Ｔｉ（質量％）＜ＥｘＯ（質量％）＜０．４６×Ｔｉ（質量％）
となるようにしたことを特徴とするものである。
【００１５】
　さらにまた本発明は、元素粉末または合金粉末とＹ2 Ｏ3 粉末をＡｒ雰囲気中で機械的合金化処理することにより、Ｃが０．０５〜０．２５％、Ｃｒが８．０〜１２．０％、Ｗが０．１〜４．０％、Ｔｉが０．１〜１．０％、Ｙ2 Ｏ3 が０．１〜０．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＹ2 Ｏ3 粒子を分散させたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼を製造する方法において、前記Ｙ2 Ｏ3 粉末に代えて金属Ｙ粉末またはＦｅ2 Ｙ粉末を使用することにより、鋼中の過剰酸素量ＥｘＯを
　０．２２×Ｔｉ（質量％）＜ＥｘＯ（質量％）＜０．４６×Ｔｉ（質量％）
となるようにしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
　本発明によれば、鋼中の過剰酸素量に着目して、この過剰酸素量を所定の範囲となるようにＴｉ含有量を調整し、あるいは製造過程での酸素の混入を低減することによって、酸化物分散粒子が微細高密度化された組織を確実に得ることができ、その結果、優れた高温強度を有するマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
　以下に本発明のマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼の化学成分およびその限定理由について説明する。
【００１８】
　Ｃｒは、耐食性の確保に重要な元素であり、８．０％未満となると耐食性の悪化が著しくなる。また１２．０％を超えると、靱性および延性の低下が懸念される。この理由から、Ｃｒ含有量は８．０〜１２．０％とする。
【００１９】
　Ｃは、Ｃｒ含有量が８．０〜１２．０％の場合に、組織を安定なマルテンサイト組織とするためには０．０５％以上含有させる必要がある。このマルテンサイト組織は１０００〜１１５０℃の焼ならし＋７００〜８００℃の焼戻し熱処理により得られる。Ｃ含有量が多くなるほど炭化物（Ｍ23Ｃ6 、Ｍ6 Ｃ等）の析出量が多くなり高温強度が高くなるが、０．２５％より多量に含有すると加工性が悪くなる。この理由から、Ｃ含有量は０．０５〜０．２５％とする。
【００２０】
　Ｗは、合金中に固溶し高温強度を向上させる重要な元素であり、０．１％以上添加する。Ｗ含有量を多くすれば、固溶強化作用、炭化物（Ｍ23Ｃ6 、Ｍ6 Ｃ等）析出強化作用、金属間化合物析出強化作用により、クリープ破断強度が向上するが、４．０％を超えるとδフェライト量が多くなり、かえって強度も低下する。この理由から、Ｗ含有量は０．１〜４．０％とする。
【００２１】
　Ｔｉは、Ｙ2 Ｏ3 の分散強化に重要な役割を果たし、Ｙ2 Ｏ3 と反応してＹ2 Ｔｉ2 Ｏ7 またはＹ2 ＴｉＯ5 という複合酸化物を形成して、酸化物粒子を微細化させる働きがある。この作用はＴｉ含有量が１．０％を超えると飽和する傾向があり、０．１％未満では微細化作用が小さい。この理由から、Ｔｉ含有量は０．１〜１．０％とする。
【００２２】
　Ｙ2 Ｏ3 は、分散強化により高温強度を向上させる重要な添加物である。この含有量が０．１％未満の場合には、分散強化の効果が小さく強度が低い。一方、０．５％を超えて含有すると、硬化が著しく加工性に問題が生じる。この理由から、Ｙ2 Ｏ3 の含有量は０．１〜０．５％とする。
【００２３】
　本発明のマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼の一般的製造方法としては、上記した各成分を元素粉末または合金粉末およびＹ2 Ｏ3 粉末として目標組成となるように混合し、粉末混合物を高エネルギーアトライターに装入してＡｒ雰囲気中で撹拌する機械的合金化処理（メカニカルアロイング）を行った後、得られた合金化粉末を軟鉄製カプセルに充填して脱気、密封し、１１５０℃に加熱して熱間押出し行うことにより合金化粉末を固化させる方法が採用できる。
【００２４】
　この製造過程において、機械的合金化処理時のＡｒ雰囲気におけるＡｒガス純度は通常９９．９９％のものを使用しているが、かような高純度Ａｒガスを用いた場合でも鋼中への酸素の混入は僅かではあるが避けられない。本発明においては、Ａｒガスとして９９．９９９９％以上の超高純度のものを使用することによって、鋼中への酸素の混入を低減でき、その結果、得られた鋼中の過剰酸素量を所定の範囲になるように調整することができる。
【００２５】
　また、原料粉末の混合物を高エネルギーアトライターに装入して撹拌することにより機械的合金化処理を行うに際して、アトライター内での撹拌エネルギーを小さくして、撹拌時の酸素巻き込みを抑制することによっても、鋼中の過剰酸素量を低減させることができ、所定の範囲となるように調整することができる。撹拌エネルギーを小さくするための具体的な手段としては、アトライター内部に配設されている撹拌装置（アジテータ）の回転速度を低くすること、あるいは撹拌装置に取り付けられているピンの長さを短くすること等が考えられる。
【００２６】
　さらにまた、元素粉末または合金粉末およびＹ2 Ｏ3 粉末を混合して目標組成に調合する際に、Ｙ2 Ｏ3 粉末を使用する代わりに金属Ｙ粉末またはＦｅ2 Ｙを原料粉末として使用することにより、機械的合金化時等の製造プロセスで混入する酸素、あるいは不安定酸化物（Ｆｅ2 Ｏ3 等）を添加した場合に増加する鋼中の過剰酸素と、Ｙ金属が反応して熱力学的に安定なＹ2 Ｏ3 分散粒子が形成される。その結果、鋼中の過剰酸素量を所定の範囲に効果的に調整することができる。なお、この場合の鋼中の過剰酸素量は、添加金属ＹがすべてＹ2 Ｏ3 となるものとして算出する。
【試験例】
【００２７】
　表１は、マルテンサイト系酸化物分散強化型鋼試作材の目標組成、成分の特徴、および製造条件をまとめて示している。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
　各試作材とも、元素粉末あるいは合金粉末とＹ2 Ｏ3 粉末を目標組成に調合し、高エネルギーアトライター中に装入後、Ａｒ雰囲気中で撹拌して機械的合金化処理を行った。アトライターの回転数は約２２０ｒｐｍ、撹拌時間は約４８ｈｒとした。得られた合金化粉末を軟鉄製カプセルに充填後、高温真空脱気して約１１５０〜１２００℃、７〜８：１の押出比で熱間押出しを行い、熱間押出棒材を得た。
【００３０】
　表１中の各試作材ともに、Ｙ2 Ｏ3 粉末だけでなくＴｉを添加して、ＴｉとＹの複合酸化物形成により、酸化物分散粒子の微細高密度化を図っている。ＭＭ１１、ＭＭ１３、Ｔ１４およびＥ５は、組成としては基本組成であり、Ｔ３はＭＭ１３、Ｔ１４の基本組成に不安定酸化物（Ｆｅ2 Ｏ3 ）を添加して意図的に過剰酸素量を増加させた試料、Ｔ４はＭＭ１３、Ｔ１４の基本組成に対してＴｉ添加量を増加させた試料、Ｔ５は不安定酸化物（Ｆｅ2 Ｏ3 ）を添加して過剰酸素量を増加させるとともにＴｉ添加量を増加させた試料である。
【００３１】
　また、表１の製造条件（機械的合金化処理条件）における“撹拌エネルギー”とは、機械的合金化処理に際して原料粉末を撹拌するためのアトライター内部に配設した撹拌装置のピンの長さの相違を表わし、“撹拌エネルギー：大”とは通常の長さのピンを使用し、“撹拌エネルギー：小”とは通常より短いピンを使用したことを示している。すなわち、撹拌装置の回転数を同じにしても、ピンが短い場合には通常の長さのピンよりも撹拌エネルギーが小さいため、撹拌時の酸素の巻き込み量が低減される。表１中のＭＭ１１のみは、ピンが短かく撹拌エネルギーの小さい撹拌装置を使用したが、その他はすべて通常の長さのピンを有する撹拌エネルギーの大きい撹拌装置を使用した。またＡｒ雰囲気については、表１中のＥ５のみを純度９９．９９９９％の超高純度Ａｒガスを使用し、その他はすべて純度９９．９９％の高純度Ａｒを使用した。
　上記で得られた各試作材の成分分析結果を表２にまとめて示す。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
　〈クリープ破断試験〉
　上記で得られた熱間押出棒材のうちＴ１４、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｅ５は、焼ならし（１０５０℃×１ｈｒ・空冷）＋焼戻し（８００℃×１ｈｒ・空冷）からなる最終熱処理を施して棒材として仕上げた。また、ＭＭ１１とＭＭ１３は、管状に加工した後、焼ならし（１０５０℃×１ｈｒ・空冷）＋焼戻し（８００℃×１ｈｒ・空冷）からなる最終熱処理を施した。製管工程は、１回目冷間圧延＋軟化熱処理→２回目冷間圧延＋軟化熱処理→３回目冷間圧延＋軟化熱処理→４回目冷間圧延＋最終熱処理により行った。
　かくして得られた棒状試験片（Ｔ１４、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｅ５）および管状試験片（ＭＭ１１、ＭＭ１３）について、７００℃クリープ破断試験を行った結果を図１のグラフに示す。ここで棒状試験片（Ｔ１４、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｅ５）は、直径６ｍｍ×長さ３０ｍｍのゲージ部加工を施して試験に供した。このグラフから、ＭＭ１１、Ｔ４、Ｔ５およびＥ５の各試作材のクリープ破断強度が他の試作材に比べて優れていることがわかる。なお、マルテンサイト系酸化物分散強化型鋼は等方的な組織を有しており強度に異方性がないことから、管状試験片と棒状試験片の比較が可能である。
　なお図１のグラフ中の矢印は、試験時間経過時において未だ破断しておらず、破断時間が延び得るものであることを表している。
【００３４】
　〈引張強度試験〉
　試作材ＭＭ１３、ＭＭ１１、Ｔ５について、試験温度７００℃および８００℃で引張強度試験を行った結果を図２のグラフに示す。ＭＭ１１とＭＭ１３についてはクリープ破断試験に供したものと同様な管状の試験片を用いた。試作材を管材として用いる場合には周方向の強度が重要となるため、直径６．９ｍｍ×肉厚０．４ｍｍ（ＭＭ１３）または直径８．５ｍｍ×肉厚０．５ｍｍ（ＭＭ１１）の管状試験片の周方向にゲージ部を設け、周方向の引張強度試験（リング引張強度試験）を行った。ゲージ部の長さは２ｍｍ、幅は１．５ｍｍとした。Ｔ５は丸棒材であるので、直径６ｍｍ×長さ３０ｍｍのゲージ部を設け、軸方向の引張強度試験を行った。マルテンサイト系酸化物分散強化型鋼は等方的な組織を有しており強度に異方性がないことから、ＭＭ１３、ＭＭ１１の引張強度試験結果とＴ５の引張強度試験結果を直接比較することができる。歪み速度はＪＩＳ Ｚ２２４１に従って、０．１％／ｍｉｎ〜０．７％／ｍｉｎの間で設定した。
　図２のグラフからわかるように、ＭＭ１３の基本組成の試作材に比べて、ＭＭ１１とＴ５の試作材が０．２％耐力および引張強度ともに優れている。
【００３５】
　〈顕微鏡観察〉
　上記で得られた熱間押出棒材に最終熱処理として焼ならし（１０５０℃×１ｈｒ）熱処理を施した各試作材について、透過型電子顕微鏡観察を行った結果を図３（Ｔｉ添加量０．２％の試作材）と図４（Ｔｉ添加量０．５％の試作材）に示す。
　図３においては、Ｔ１４、ＭＭ１３、Ｔ３に比べて、ＭＭ１１の試作材がＹ2 Ｏ3 粒子の微細高密度化が生じており、図４においては、Ｔ４、Ｔ５のいずれもＹ2 Ｏ3 粒子の微細高密度化が生じている。
【００３６】
　〈Ｔｉ含有量と過剰酸素量〉
　各試作材について、表２の成分分析結果におけるＴｉ含有量と過剰酸素量（Ｅｘ．Ｏ）との関係を図５のグラフに示す。このグラフの斜線部分に含まれるＭＭ１１、Ｔ４、Ｔ５、Ｅ５の各試作材が、クリープ破断強度や引張強度に優れ、Ｙ2 Ｏ3 粒子の微細高密度化が生じているものである。すなわち、Ｔｉ含有量が０．１％以上では過剰酸素量（ＥｘＯ）＜０．４６×Ｔｉの関係を満たす試作材が、分散Ｙ2 Ｏ3 粒子が微細高密度化し、高温強度に優れたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼をもたらすことがわかる。
　なお、図５のグラフでは０．２２×Ｔｉ（質量％）＜ＥｘＯ（質量％）という過剰酸素量ＥｘＯの下限値については検討していない。下限値については、後述する図８および図９を参照して説明する。
【００３７】
　〈Ｔｉ含有量の調整〉
　基本組成のＭＭ１３試作材（Ｔｉ含有量０．２１％；過剰酸素量０．１３７＞０．４６×Ｔｉ）と、Ｔｉ含有量を増加したＴ４試作材（Ｔｉ含有量０．４６％；過剰酸素量０．１０７＜０．４６×Ｔｉ）とを比較すると、Ｔ４の方が分散Ｙ2 Ｏ3 粒子の微細高密度化が生じており、クリープ破断強度も高いものとなっている。
　また、基本組成のＭＭ１３にＦｅ2 Ｏ3 を添加して意図的に過剰酸素量を増加させたＴ３試作材（Ｔｉ含有量０．２１％；過剰酸素量０．１４７＞０．４６×Ｔｉ）は、基本組成のＭＭ１３試作材より分散Ｙ2 Ｏ3 粒子が粗大化しており、クリープ破断強度も低下している。しかし、過剰酸素量が増加したＴ３試作材に対してＴｉをさらに増加して添加することにより、Ｔ５試作材（Ｔｉ含有量０．４６％；過剰酸素量０．１６７＜０．４６×Ｔｉ）に見られるように、過剰酸素量を０．４６×Ｔｉ％未満とすることができ、Ｔ３に比べて分散Ｙ2 Ｏ3 粒子を微細高密度化でき、クリープ破断強度も向上させることができる。
　このことから、鋼中のＴｉ含有量を０．１〜０．５％の範囲内で過剰酸素量＜０．４６×Ｔｉとなるように調整したマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼は、分散Ｙ2 Ｏ3 粒子が微細高密度化され、高温強度に優れたものとなることがわかる。
【００３８】
　〈Ａｒガスの純度〉
　 基本組成のＭＭ１３試作材（過剰酸素量０．１３７＞０．４６×Ｔｉ）と同じ組成のＥ５試作材（過剰酸素量０．０８４＜０．４６×Ｔｉ）でも、機械的合金化処理時のＡｒ雰囲気に用いるＡｒガスを高純度の９９．９９％から超高純度の９９．９９９９％とすることにより、アトライター内での撹拌中に酸素の混入が低減でき、鋼中の過剰酸素量を０．４６×Ｔｉ％未満に抑えることができる。
　このことから、機械的合金化処理時のＡｒ雰囲気を９９．９９９９％以上の超高純度Ａｒガスとすることにより、分散Ｙ2 Ｏ3 粒子が微細高密度化され、高温強度に優れたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼が得られることがわかる。
【００３９】
　〈機械的合金化処理時の撹拌エネルギーの調整〉
　基本組成のＭＭ１３試作材（過剰酸素量０．１３７＞０．４６×Ｔｉ）と、同じ組成のＭＭ１１試作材（過剰酸素量０．０７＜０．４６×Ｔｉ）とを比較すると、機械的合金化処理時のアトライター内部撹拌装置のピンの長さを通常より短くして撹拌エネルギーを小さくして得られたＭＭ１１試作材が過剰酸素量を０．４６×Ｔｉ％未満に抑えることができる。
　また、ＭＭ１１試作材は、ＭＭ１３試作材に比べて分散Ｙ2 Ｏ3 粒子を微細高密度化でき、クリープ破断強度や引張強度を向上させることができる。
　このことから、機械的合金化処理時の撹拌エネルギーを小さくして撹拌時の酸素巻き込み量を抑制することにより、分散Ｙ2 Ｏ3 粒子が微細高密度化され、高温強度に優れたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼が得られることがわかる。
【００４０】
　〈Ｙ2 Ｏ3 粉末に代えて金属Ｙ粉末の使用〉
　表３は、試作材の目標組成と目標過剰酸素量をまとめて示している。なお、表３中のＥ５、Ｔ３については、表１中の試作材と同じである。
　Ｅ５、Ｅ７はＹ2 Ｏ3 粉末を添加した基本組成の標準材であり、目標過剰酸素量を０．０８％としている。Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３はＹ2 Ｏ3 粉末の代わりに金属Ｙ粉末を添加したものである。すなわち、Ｙ１は金属Ｙ粉末を添加し、不安定酸化物（Ｆｅ2 Ｏ3 ）を添加せずに目標過剰酸素量を０％としている。Ｙ２とＹ３は、金属Ｙ粉末とともにＦｅ2 Ｏ3 粉末をそれぞれ０．１５％および０．２９％添加し、目標過剰酸素量をそれぞれ０．０５％および０．０９％としている。Ｔ３は、Ｅ５、Ｅ７の基本組成にＦｅ2 Ｏ3 粉末を添加して過剰酸素量を増加させている。
【００４１】
【表３】
2004084071.tif 000005
【００４２】
　試作材Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｅ７はいずれも前述したＭＭ１３と同様な製造方法および製造条件により熱間押出棒材とし、最終熱処理としては、炉冷熱処理（１０５０℃×１ｈｒ→６００℃（３０℃／ｈｒ））または焼ならし（１０５０℃×１ｈｒ・空冷）＋焼戻し（７８０℃×１ｈｒ・空冷）熱処理を行った。
　各試作材の成分分析を行った結果を表４にまとめて示す。
【００４３】
【表４】
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【００４４】
　図６は、各試作材の目標過剰酸素量と実測値との関係を示すグラフである。ここで目標過剰酸素量は、Ｆｅ2 Ｏ3 粉末とＹ2 Ｏ3 粉末から持ち込まれる酸素の他に、原料粉末から約０．０４％、機械的合金化処理中に約０．０４％、合計０．０８％の酸素混入を考慮して設定したものである。なお、原料粉末（Ｆｅ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ）中の不純物酸素量と機械的合金化処理中の混入酸素量は、それぞれ原料粉末と機械的合金化処理後の化学成分を不活性溶融法により測定して求めた値である。
　図６から、過剰酸素量の目標値と実測値は０．１％以下の低量でもほぼ一致しており、金属ＹとＦｅ2 Ｏ3 の複合添加によりＹ2 Ｏ3 が形成され、０．１％以下の低い範囲で過剰酸素量を制御可能であることがわかる。
【００４５】
　図７は、各試作材の７００℃高温クリープ試験結果を示し、(a)はクリープ破断試験結果を、（ｂ）は１０００時間破断応力の過剰酸素量依存性をそれぞれ示すグラフである。過剰酸素量が０．０８％近傍の試作材Ｅ５とＥ７で高温クリープ強度はピークとなっており、０．０８％の前後では強度は低下する傾向が見られる。このことから、高温強度の改善のためには、０．０８％近傍の低いレベルでの過剰酸素量の調整が有効であること、かような低レベルの過剰酸素量の制御手段として、Ｙ2 Ｏ3 粉末に代えて金属Ｙ粉末を添加することが有効であること、さらには、過剰酸素量の過度の低減は高温強度を低下させるため、鋼中の過剰酸素量は０．４６×Ｔｉ％未満という上限値だけでなく下限値も設定する必要があることがわかる。
【００４６】
　図８は、各試作材の７００℃高温クリープ試験結果のＴｉＯｘ（ＥｘＯ／Ｔｉ原子数比）依存性を示し、（ａ）は１０００時間推定破断応力のＴｉＯｘ依存性を、（ｂ）は引張強さのＴｉＯｘ依存性をそれぞれ示すグラフである。これらのグラフから、ＴｉＯｘが０．６５から１．４の範囲（斜線範囲）でクリープ強度および引張強度がピークとなることがわかる。
【００４７】
　図９は、各試作材のＴｉ添加量と過剰酸素量ＥｘＯとの関係をプロットしたグラフであり、図８においてクリープ強度がピークとなる［０．６５×Ｔｉ（原子％）＜ＥｘＯ（原子％）＜１．４×Ｔｉ（原子％）］の範囲を斜線で示してある。上記の原子％で表した関係を質量％に換算すると［０．２２×Ｔｉ（質量％）＜ＥｘＯ（質量％）＜０．４６４×Ｔｉ（質量％）］となる。
　前述したように、ＴｉはＹ2 Ｏ3 粉と複合酸化物を形成し、酸化物粒子を微細化させる働きがあるが、この作用はＴｉ添加量が１．０％を超えると飽和する傾向があり、０．１％未満では微細化作用が小さい。このことから、Ｔｉ添加量が０．１％から１．０％の範囲で、過剰酸素量を［０．２２×Ｔｉ（質量％）＜ＥｘＯ（質量％）＜０．４６４×Ｔｉ（質量％）］の範囲内、すなわち図９のグラフの斜線範囲内に制御することによって、高温強度に優れたマルテンサイト系酸化物分散強化型鋼を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】各試作材の７００℃クリープ破断試験結果を示すグラフ。
【図２】試作材ＭＭ１１、Ｔ５、ＭＭ１３についての７００℃および８００℃での引張試験結果を示すグラフ。（ａ）は０．２％耐力および（ｂ）は引張強度である。
【図３】Ｔｉ添加量０．２％の試作材ＭＭ１１、Ｔ１４、ＭＭ１３、Ｔ３の透過型電子顕微鏡写真。
【図４】Ｔｉ添加量０．５％の試作材Ｔ４、Ｔ５の透過型電子顕微鏡写真。
【図５】各試作材のＴｉ含有量と過剰酸素量ＥｘＯとの関係を示すグラフ。斜線部分が酸化物分散粒子微細化が達成されるＥｘＯ＜０．４６×Ｔｉを満たす領域である。
【図６】各試作材の目標過剰酸素量と実測値の関係を示すグラフ。
【図７】各試作材の７００℃高温クリープ破断試験結果を示すグラフ。（ａ）はクリープ破断試験結果を、（ｂ）は１０００時間破断応力の過剰酸素量依存性をそれぞれ示す。
【図８】各試作材の７００℃高温クリープ試験結果のＴｉＯｘ（ＥｘＯ／Ｔｉ原子数比）依存性を示すグラフ。（ａ）は１０００時間推定破断応力のＴｉＯｘ依存性を、（ｂ）は引張強さのＴｉＯｘ依存性をそれぞれ示す。
【図９】各試作材のＴｉ添加量と過剰酸素量ＥｘＯとの関係をプロットしたグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図３】
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【図４】
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