(57)【要約】【課題】  近年、火力発電プラント等の高温で使用されるプラントは、操作条件に一層の熱効率の向上による省資源化が求められ、そのため操業温度はより高く、また使用寿命についても一層長期化が求められている。本発明は、この要請に応えるオーステナイトステンレス系耐熱綱を提供しようというものである。【解決手段】  オーステナイトステンレス系耐熱鋼の材料設計において、ボロン偏析に対して妨害元素として作用する硫黄を０．００３ｍａｓｓ％以下、硫化物形成元素であるセリウムを０．００２〜０．０１０ｍａｓｓ％含有せしめ、さらにボロン含有量を０．００５〜０．１０ｍａｓｓ％含有せしめることによって、クリープボイド表面にボロンのみを偏析させ、クリープボイドの成長を抑制し、クリープボイド成長による破断に対して自己修復性を発現させるようにすることによって解決する。【選択図】  図１
2005220427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温下で使用されることによって、結晶粒界に生成するクリープボイド表面に硫黄を偏析することなく、ボロンを偏析するオーステナイトステンレス耐熱鋼であって、ボロン偏析に対して妨害成分として作用する硫黄含有量を０．００３ｍａｓｓ％以下とし、硫化物形成元素であるセリウムを０．００２〜０．０１０ｍａｓｓ％含有せしめ、さらにボロンを０．００５〜０．１０ｍａｓｓ％含有せしめたことを特徴とする、ＣｕおよびＮｂで強化されたオーステナイトステンレス鋼。
【請求項２】
Ｃ（炭素）：０．０４〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ（珪素）：０．７５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ（マンガン）：２．００ｍａｓｓ％以下、Ｐ（リン）：０．０４ｍａｓｓ％以下、Ｓ（硫黄）：０．００３ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ（ニッケル）：７．５〜１０．５ｍａｓｓ％、Ｃｒ（クロム）：１７．０〜１９．０ｍａｓｓ％、Ｎｂ＋Ｔａ（ニオブ＋タンタル）：０．３〜０．６ｍａｓｓ％、Ｃｕ（銅）：２．５〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃｅ（セリウム）：０．００２〜０．０１０ｍａｓｓ％、Ｂ（ボロン）：０．００５〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｎ（窒素）：０．０４〜０．１５ｍａｓｓ％、残部が鉄と不可避的な元素からなる組成を有し、クリープボイド表面には硫黄が偏析されることなく、ボロンが偏析されるようにしたことを特徴とする、ＣｕとＮｂで析出強化されたオーステナイトステンレス耐熱鋼。
【請求項３】
室温で２０〜４０％加工処理を行い、その後１１５０〜１１８０℃に加熱後水冷の固溶化処理を行って、結晶粒の大きさを５０μｍ以下の細粒としたことを特徴とする、前記請求項２に記載するＣｕとＮｂで析出強化されたオーステナイトステンレス耐熱鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度強析出型オーステナイトステンレス系耐熱鋼に関する。さらに詳しくは、ＣｕとＮｂを含むオーステナイトステンレス系耐熱鋼にクリープ損傷の自己修復機能をもたせ、高温強度を一層高めるとともに、破断延性を格段に向上させた、信頼性の高い高強度強析出型オーステナイトステンレス系耐熱鋼に関する。さらに述べると火力発電機器、化学プラント等高温プラント設計において広く使用される、性能と信頼性を高めた高強度強析出型オーステナイトステンレス系耐熱鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、火力発電プラント等の高温で使用されるプラントは、操作条件に一層の熱効率の向上による省資源化が求められ、そのため操業温度はより高く、また使用寿命についても一層長期化が求められている。このような事情を背景として、これらプラント設計に際しては、より高い高温強度と、長期に亘る使用条件に耐えられる高い信頼性を持った耐熱鋼が求められている。このようなニーズに応える耐熱鋼として、高温強度が高く、また耐高温腐食性に優れた、Ｃｕを配合してなるＳＵＰＥＲ３０４Ｈ鋼などが提案（例えば非特許文献１、２参照）され、知られている。
【０００３】
【非特許文献１】丸山公一編：「高温強度の材料科学」（内田老鶴圃、１９９７）
【非特許文献２】Ｋ．Ｏｇａｗａ  ｅｔ．ａｌ．：ＩＳＩＪ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｖｏｌ．３５（１９９５）、ｐｐ．１２５８−１２６４
【０００４】
しかしながら、ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ鋼を始めとする高温強度を高めた耐熱鋼は、強度が高い反面、破断延性や破断靭性が著しく低意という問題があった。使用中に突然破壊するなどの懸念があるため、実使用には至っていなかったものである。このように耐熱綱において破断延性が低く、予期しない破壊が懸念されるのは、高温での使用中に、結晶粒界にクリープボイドと呼ばれる空洞が発生し、これが使用中に成長してやがてクラックとなり、このクラックが原因でついには破断を引き起こすにいたることが分かっている。
【０００５】
このような高温での使用によって結晶粒界にクリープボイドと呼ばれる空洞に端を発するクラックによる破断問題について、本発明者らにおいてこれまでにも問題にし、鋭意研究した結果これを特定の綱種で解決するのに成功し、その成果を先に特許出願をした。すなわち、クリープボイドの成長を制御、さらには凍結させる方法として、クリープボイド表面にＢＮを析出、あるいはＢを偏析させることによって対処することが有効であることを知見し、これに基づいて先に特許出願（特願２００１−３１０６７３、特願２００３−４２４４１５）をした。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高温使用によるクリープボイドに由来するクラック破断問題を本質的に抱え、そのため信頼性に欠け、高温強度が高いにもかかわらず実使用に至っていなかった、ＣｕおよびＮｂを添加してなる１８−８系のオーステナイトステンレス鋼の設計において、該ステンレス鋼の高温強度は一層高めることはあってもこれを損なうことなく、破断延性を格段に向上させようというものであり、これによって前記したように高温プラント設計において求められている要請に応えようというものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのため、本発明者らにおいては鋭意研究した結果、次のことが明らかにされた。すな
わち、オーステナイトステンレス系耐熱鋼、特にＣｕおよびＮｂを添加してなる１８−８系のオーステナイトステンレス系耐熱鋼の材料設計おいて、該ステンレス鋼の破断延性を向上させには、クリープボイド成長を制御、凍結することが極めて重要であり、（１）ステンレス鋼に固溶するＳの含有量を０．０３ｍａｓｓｌ％以下となるように制御すること、そのためには（２）Ｃｅを０．００２〜０．０１０ｍａｓｓ％添加することが有効であることを知見した。さらに、前記材料設計において、（３）Ｂを０．００５〜０．１０ｍａｓｓ％添加することによってクリープボイドの成長が凍結され、自己修復され、結晶粒界が強化され、有効であることを知見した。さらにまた、（４）破断延性を更に向上させるため、室温で２０〜４０％の加工を行い、１１５０〜１１８０℃で加熱後水冷の固溶化処理を行い、細粒化することが極めて有効であることを知見した。すなわち、これらの措置を講ずることによって前記目的を達成することができることを知見したものである。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。その解決手段として講じた技術的構成は以下（１）ないし（３）に記載の通りである。
【０００８】
（１）  高温下で使用されることによって、結晶粒界に生成するクリープボイド表面に硫黄を偏析することなく、ボロンを偏析するオーステナイトステンレス耐熱鋼であって、ボロン偏析に対して妨害成分として作用する硫黄含有量を０．００３ｍａｓｓ％以下、硫化物形成元素であるセリウムを０．００２〜０．０１０ｍａｓｓ％含有せしめ、さらにボロン含有量を０．００５〜０．１０ｍａｓｓ％含有せしめたことを特徴とする、ＣｕおよびＮｂで強化されたオーステナイトステンレス鋼。
【０００９】
（２）  Ｃ（炭素）：０．０４〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ（珪素）：０．７５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ（マンガン）：２．００ｍａｓｓ％以下、Ｐ（リン）：０．０４ｍａｓｓ％以下、Ｓ（硫黄）：０．００３ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ（ニッケル）：７．５〜１０．５ｍａｓｓ％、Ｃｒ（クロム）：１７．０〜１９．０ｍａｓｓ％、Ｎｂ＋Ｔａ（ニオブ＋タンタル）：０．３〜０．６ｍａｓｓ％、Ｃｕ（銅）：２．５〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃｅ（セリウム）：０．００２〜０．０１０ｍａｓｓ％、Ｂ（ボロン）：０．００５〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｎ（窒素）：０．０４〜０．１５ｍａｓｓ％、残部が鉄と不可避的な元素からなる組成を有し、クリープボイド表面には硫黄が偏析されることなく、ボロンが偏析されるようにしたことを特徴とする、ＣｕとＮｂで析出強化されたオーステナイトステンレス耐熱鋼。
【００１０】
（３）  室温で２０〜４０％加工処理を行い、その後１１５０〜１１８０℃に加熱後水冷の固溶化処理を行って、結晶粒の大きさを５０μｍ以下の細粒としたことを特徴とする、前記（２）に記載するＣｕとＮｂで析出強化されたオーステナイトステンレス耐熱鋼。
【００１１】
ここに、本発明の技術的構成中Ｓの含有量を０．００３ｍａｓｓ％以下とした点は、Ｓがクリープボイドの成長を加速させ、結晶粒界を脆化させる原因となることから、これを低減せしめることによってクリープボイドの成長を抑制し、結晶粒界を強化しようというものである。
また、Ｃｅは、Ｓを固定化するのに必要な成分であり、その添加量を０．００２〜０．０１０ｍａｓｓ％に設定した理由は、Ｓ含有量を上記規定値以下に低減するのに必要な範囲を規定したものである。さらにＢは、クリープボイド表面に偏析し、クリープボイドの成長を凍結してクリープボイドの自己修復を行いかつ結晶粒界を強化するものであり、その添加量を０．００５〜０．１０ｍａｓｓ％とした理由はこの範囲が好ましい範囲であることから規定したものである。さらにまた、室温で２０〜４０％の加工を行い、１１５０〜１１８０℃で加熱後水冷の固溶化処理を行なうのは、これにより組織を細粒化し、破断延性を更に向上させるためである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、Ｃｕおよびニオブで強化された耐熱性ステンレス鋼に対して微量のＣｅを添加したことによって、高温使用により破断の原因となるクリープボイドの成長を加速させ、結晶粒界を脆化させるＳを除くものであり、また、微量のＢ添加によりクリープボイド表面に偏析し、クリープボイドの成長を凍結してクリープボイドを自己修復させ、結晶粒界を強化するものであり、これらによって格別の効果が奏せられるものである。本発明は、従来プロセスにより高性能の耐熱鋼を安価で製造、提供することが可能となり、これによって稼働中のプラントに対して適用することによってコスト上昇を招かずに高性能化と耐用寿命の延長化が可能となる格別の効果が奏せられ、極めて実用性に富んだ耐熱鋼を提供したものであり、その意義は極めて大である。
【００１３】
特に、高温強度が高い反面、破断延性や破断靭性が著しく低く、使用中に突然破壊するなどの懸念があるため、これまで実使用には至っていなかったＣｕとＮｂ添加オーステナイトステンレス耐熱鋼に対して、前記構成を講ずることによって、高温強度と破断延性を格段に向上させてなる新鋼種を開発することに成功した意義は大きく、火力発電プラント等の高温機器、高温プラント設計に大いに利用され、寄与するものと期待される。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明を実施例と図面に基づいて説明する。但しこれらの実施例等は本発明を容易に理解するための一助として開示するものであって、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
【００１５】
実施例１；
（ＣｕとＮｂ添加オーステナイトステンレス耐熱鋼のクリープボイド自己修復効果による高温強度・破断延性の向上）
高温用１８−８系オーステナイトステンレス鋼の基本組成をベースとして、それにＣｕを３ｍａｓｓ％とＮｂを０．４ｍａｓｓ％添加した鋼を比較用標準鋼種として調製した。但し、クリープボイド生成加速元素のＳを０．００３ｍａｓｓ％以下に抑えた。この基本組成に固溶Ｓを更に除くため、Ｃｅを０．０１５ｍａｓｓ％添加し、またクリープボイド自己修復効果をもたせるため、Ｂを０．０６０ｍａｓｓ％添加した自己修復機能をもつＡ鋼を溶製した。化学成分を図８中の表１に示す。溶製後、２０ｍｍφの棒鋼に圧延し、その後１２００℃で２０分間加熱し、水冷した。結晶粒の大きさは両鋼とも約７０μｍであった。
両鋼のクリープ破断試験結果を図１、２に示す。クリープ破断強度はＢとＣｅを添加することにより、上昇し、特に長時間側で強度上昇効果が顕著で、比較鋼種のＣｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼とは格段の違いを示した（図１）。破断絞りも同様に、ＢとＣｅ添加のＡ鋼はＣｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼より大きく、特に長時間側での破断延性が改善されていることが明らかとなった。クリープ破断試験片の走査電子顕微鏡観察では、Ｃｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼には多数の成長したクリープボイドが観察されたが、本発明のＡ鋼には、クリープボイドの生成数も少なく、大きさも成長の抑制された微小なものだけであった。以上の結果、Ｓの含有量を０．００３ｍａｓｓ％とし、ＢとＣｅを添加したことにより、主としてクリープボイドの自己修復効果により、長時間側のクリープ破断強度と破断延性が著しく向上した。
【００１６】
上記実施例１で使用したＣｕ、Ｎｂ入り１８−８系オーステナイトステンレス綱と自己修復性をもたせた本発明に係るＡ綱の化学成分組成を図８中の表１に纏めて示した。
【００１７】
実施例２；（最適なＢ添加量の検討）
Ｓを０．００３ｍａｓｓ％以下とし、ＢとＣｅの添加がＣｕとＮｂ添加オーステナイトステンレス鋼の長時間クリープ破断特性を著しく向上させることが実施例１で分かった。そこで、Ｃｅを適正量である０．０１０ｍａｓｓ％とし、Ｂ量を０．０１〜０．０７ｍａ
ｓｓ％とした。化学成分を図８中の表２に示す。溶製後、２０ｍｍφの棒に加工し、１２００℃で２０分の固溶化処理後水冷した。クリープ破断試験片を採取し、クリープ破断試験を行った。応力一破断時間曲線を図３に、破断絞りを図４に示す。クリープ破断強度はＢ添加により著しく上昇することが明らかになった。Ｂ添加効果はＢ添加量が多い程、またその効果は長時間側で、より顕著である（図３）。破断絞りも同様にＢ添加により長時間側で顕著に大きくなることが明らかとなった（図４）。破断絞りに関しては、Ｂ添加量０．０３ｍａｓｓ％近くで最も大きくなり、０．０３ｍａｓｓ％程度が適正添加量である。図５はＢ添加量と破断寿命との関係を示す。この図よりＢ添加量０．１０ｍａｓｓ％まで破断強度が急増するが、それ以上では漸増に留まった。図３〜５の知見に加え、Ｂを０．１０ｍａｓｓ％以上添加すると脆いＣｒ2Ｂ等のボライドの析出が顕著になるとの知見
を総合した結果、適正なＢ添加量の範囲は０．００５〜０．１０ｍａｓｓ％とした。
【００１８】
上記実施例２で溶製し、実験した綱（Ａ綱、Ｂ綱、Ｃ綱）の化学成分をＣｕ・Ｎｂ入り１８−８オーステナイトステンレス綱の化学成分と共に図８中表２に纏めて示した。
【００１９】
実施例３；（細粒化処理の検討）
実施例１、２で用いたＡ鋼の細粒化処理を行い、破断延性の一層の増大を図った。細粒化処理は、棒鋼に加工後、３６％の圧延加工を行い、その後１１６０℃で３０分の加熱、水冷の固溶化処理を行った。再結晶化により平均の結晶粒の大きさは４５μｍと細粒化した。Ｃｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼およびＡ鋼の通常処理材と比較した応力一破断時間曲線を図６に、破断絞り一破断曲線を図７に示す。細粒化処理材のクリープ破断強度はＡ鋼の通常処理材と同じレベルを呈してした。破断絞りはＣｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼より格段に高く、またＡ鋼通常処理材に比べて短時間側では格段に高かった。しかし長時間側では、Ａ鋼通常処理材と同じレベルになった。従って、この細粒化処理法は比較的短時間側の破断延性を向上させる方法として有効であることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、高温で長時間使用され、クリープボイドの成長による破断が問題となっていた火力発電所における高温高圧機器類や化学プラント等に使用される全く新しい材料設計に基づくＣｕおよびＮｂで強化されたオーステナイトステンレス系耐熱鋼を提供するものであり、安全基準と経済性とを両立することができる優れた材料であり、今後各種高温プラント設計に大きな影響を与え、ひいては前記プラント以外の設計にも影響を与え、各種技術分野に大いに使用され、その発展に寄与するものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】Ｃｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼とＡ鋼（自己修復鋼）の応力−破断時間曲線の比較を示した図
【図２】Ｃｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼とＡ鋼（自己修復鋼）の破断絞り−破断時間曲線の比較を示した図
【図３】Ｃｕ・Ｎｂ添加オーステナイトステンレス鋼のクリープ破断強度に及ぼすＢ添加量の影響を示す図
【図４】Ｃｕ・Ｎｂ添加オーステナイトステンレス鋼のクリープ破断延性に及ぼすＢ添加量の影響を示す図
【図５】クリープ破断寿命とＢ添加量との関係を示す図
【図６】クリープ破断強度に及ぼす細粒化処理の影響を示す図
【図７】クリープ破断強度に及ぼす細粒化処理の影響を示す図
【図８】各実施例で使用したＣｕ・Ｎｂ添加オーステナイトステンレス鋼と本発明に係る自己修復をもたせた耐熱綱の化学成分組成を示す図
【図１】
2005220427.tif 000003
【図２】
2005220427.tif 000004
【図３】
2005220427.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005220427.tif 000009
【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年2月26日(2004.2.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度強析出型オーステナイトステンレス系耐熱鋼に関する。さらに詳しくは、ＣｕとＮｂを含むオーステナイトステンレス系耐熱鋼にクリープ損傷の自己修復機能をもたせ、高温強度を一層高めるとともに、破断延性を格段に向上させた、信頼性の高い高強度強析出型オーステナイトステンレス系耐熱鋼に関する。さらに述べると火力発電機器、化学プラント等高温プラントの高温部に広く使用される、性能と信頼性を高めた高強度強析出型オーステナイトステンレス系耐熱鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、火力発電プラント等の高温で使用されるプラントは、一層の熱効率の向上による省資源化が求められ、そのため操業温度はより高く、また使用寿命についても一層長期化が求められている。このような事情を背景として、これらプラント設計に際しては、より高い高温強度と、長期に亘る使用条件に耐えられる高い信頼性を持った耐熱鋼が求められている。このようなニーズに応える耐熱鋼として、高温強度が高く、また耐高温腐食性に優れた、Ｃｕを配合してなるＳＵＰＥＲ３０４Ｈ鋼などが提案（例えば非特許文献１、２参照）され、知られている。
【０００３】
【非特許文献１】丸山公一編：「高温強度の材料科学」（内田老鶴圃、１９９７）
【非特許文献２】Ｋ．Ｏｇａｗａ  ｅｔ．ａｌ．：ＩＳＩＪ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｖｏｌ．３５（１９９５）、ｐｐ．１２５８−１２６４
【０００４】
しかしながら、ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ鋼を始めとする高温強度を高めた耐熱鋼は、強度が高い反面、破断延性や破断靭性が著しく低いという問題があった。使用中に突然破壊するなどの懸念があるため、実使用には至っていなかったものである。このように耐熱綱において破断延性が低く、予期しない破壊が懸念されるのは、高温での使用中に、結晶粒界にクリープボイドと呼ばれる空洞が発生し、これが使用中に成長してやがてクラックとなり、このクラックが原因でついには破断を引き起こすにいたることが分かっている。
【０００５】
このような高温での使用によって結晶粒界にクリープボイドと呼ばれる空洞に端を発するクラックにより引き起こされる破断現象について、本発明者らにおいてこれまでにも問題にし、鋭意研究した結果これを特定の綱種で解決するのに成功し、その成果を先に特許出願をした。すなわち、クリープボイドの成長を制御、さらには凍結させる方法として、
クリープボイド表面にＢＮを析出、あるいはＢを偏析させることによって対処することが有効であることを知見し、これに基づいて先に特許出願（特願２００１−３１０６７３、特願２００３−４２４４１５）をした。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高温使用によるクリープボイドに由来するクラック破断の問題を本質的に抱え、そのため信頼性に欠け、高温強度が高いにもかかわらず実使用に至っていなかった、ＣｕおよびＮｂを添加してなる１８−８系のオーステナイトステンレス鋼の材料設計において、該ステンレス鋼の高温強度は一層高めることはあってもこれを損なうことなく、破断延性を格段に向上させようというものであり、これによって前記したように高温プラント設計において求められている要請に応えようというものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのため、本発明者らにおいては鋭意研究した結果、次のことが明らかにされた。すなわち、オーステナイトステンレス系耐熱鋼、特にＣｕおよびＮｂを添加してなる１８−８系のオーステナイトステンレス系耐熱鋼の材料設計おいて、該ステンレス鋼の破断延性を向上させるには、クリープボイド成長を制御、凍結することが極めて重要であり、（１）ステンレス鋼に固溶するＳの含有量を０．００３ｍａｓｓ％以下となるように制御すること、そのためには（２）Ｃｅを０．００２〜０．０１０ｍａｓｓ％添加することが有効であることを知見した。さらに、前記材料設計において、（３）Ｂを０．００５〜０．１０ｍａｓｓ％添加することによってクリープボイドの成長が凍結され、自己修復され、結晶粒界が強化され、有効であることを知見した。さらにまた、（４）破断延性を更に向上させるため、室温で２０〜４０％の加工を行い、１１５０〜１１８０℃で加熱後水冷の固溶化処理を行い、細粒化することが極めて有効であることを知見した。すなわち、これらの措置を講ずることによって前記目的を達成することができることを知見したものである。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。その解決手段として講じた技術的構成は以下（１）ないし（３）に記載の通りである。
【０００８】
（１）  高温下で使用されることによって、結晶粒界に生成するクリープボイド表面に硫黄を偏析することなく、ボロンを偏析するオーステナイトステンレス耐熱鋼であって、ボロン偏析に対して妨害成分として作用する硫黄含有量を０．００３ｍａｓｓ％以下、硫化物形成元素であるセリウムを０．００２〜０．０１０ｍａｓｓ％含有せしめ、さらにボロン含有量を０．００５〜０．１０ｍａｓｓ％含有せしめたことを特徴とする、ＣｕおよびＮｂで強化されたオーステナイトステンレス鋼。
【０００９】
（２）  Ｃ（炭素）：０．０４〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ（珪素）：０．７５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ（マンガン）：２．００ｍａｓｓ％以下、Ｐ（リン）：０．０４ｍａｓｓ％以下、Ｓ（硫黄）：０．００３ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ（ニッケル）：７．５〜１０．５ｍａｓｓ％、Ｃｒ（クロム）：１７．０〜１９．０ｍａｓｓ％、Ｎｂ＋Ｔａ（ニオブ＋タンタル）：０．３〜０．６ｍａｓｓ％、Ｃｕ（銅）：２．５〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃｅ（セリウム）：０．００２〜０．０１０ｍａｓｓ％、Ｂ（ボロン）：０．００５〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｎ（窒素）：０．０４〜０．１５ｍａｓｓ％、残部が鉄と不可避的な元素からなる組成を有し、クリープボイド表面には硫黄が偏析されることなく、ボロンが偏析されるようにしたことを特徴とする、ＣｕとＮｂで析出強化されたオーステナイトステンレス耐熱鋼。
【００１０】
（３）  室温で２０〜４０％加工処理を行い、その後１１５０〜１１８０℃に加熱後水冷の固溶化処理を行って、結晶粒の大きさを５０μｍ以下の細粒としたことを特徴とする、前記（２）に記載するＣｕとＮｂで析出強化されたオーステナイトステンレス耐熱鋼。
【００１１】
ここに、本発明の技術的構成中Ｓの含有量を０．００３ｍａｓｓ％以下とした点は、Ｓがクリープボイドの成長を加速させ、結晶粒界を脆化させる原因となることから、これを低減せしめることによってクリープボイドの成長を抑制し、結晶粒界を強化しようというものである。
また、Ｃｅは、Ｓを固定化するのに必要な成分であり、その添加量を０．００２〜０．０１０ｍａｓｓ％に設定した理由は、Ｓ含有量を上記規定値以下に低減するのに必要な範囲を規定したものである。さらにＢは、クリープボイド表面に偏析し、クリープボイドの成長を凍結してクリープボイドの自己修復を行いかつ結晶粒界を強化するものであり、その添加量を０．００５〜０．１０ｍａｓｓ％とした理由はこの範囲が好ましい範囲であることから規定したものである。さらにまた、室温で２０〜４０％の加工を行い、１１５０〜１１８０℃で加熱後水冷の固溶化処理を行なうのは、これにより組織を細粒化し、破断延性を更に向上させるためである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、ＣｕおよびＮｂで強化された耐熱性ステンレス鋼に対して微量のＣｅを添加したことによって、高温使用により破断の原因となるクリープボイドの成長を加速させ、結晶粒界を脆化させるＳを除くものであり、また、微量のＢ添加によりクリープボイド表面に偏析し、クリープボイドの成長を凍結してクリープボイドを自己修復させ、クリープボイドによる破壊を防ぐものであり、これらによって格別の効果が奏せられるものである。本発明は、従来プロセスにより高性能の耐熱鋼を安価で製造、提供することが可能となり、これを高温プラントに対して適用することによってコスト上昇を招かずにプラントの高性能化と耐用寿命の延長化が可能となる格別の効果が奏せられ、極めて実用性に富んだ耐熱鋼を提供したものであり、その意義は極めて大である。
【００１３】
特に、高温強度が高い反面、破断延性や破断靭性が著しく低く、使用中に突然破壊するなどの懸念があるため、これまで実使用には至っていなかったＣｕとＮｂ添加オーステナイトステンレス耐熱鋼に対して、前記構成を講ずることによって、高温強度と破断延性を格段に向上させてなる新鋼種を開発することに成功した意義は大きく、火力発電プラント等の高温機器、高温プラント設計に大いに利用され、寄与するものと期待される。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明を実施例と表及び図面に基づいて説明する。但しこれらの実施例等は本発明を容易に理解するための一助として開示するものであって、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
【００１５】
実施例１；
（ＣｕとＮｂ添加オーステナイトステンレス耐熱鋼のクリープボイド自己修復効果による高温強度・破断延性の向上）
高温用１８−８系オーステナイトステンレス鋼の基本組成をベースとして、それにＣｕを３ｍａｓｓ％とＮｂを０．４ｍａｓｓ％添加した鋼を比較用標準鋼種として調製した。但し、クリープボイド生成加速元素のＳを０．００３ｍａｓｓ％以下に抑えた。この基本組成に固溶Ｓを更に除くため、Ｃｅを０．０１５ｍａｓｓ％添加し、またクリープボイド自己修復効果をもたせるため、Ｂを０．０６０ｍａｓｓ％添加した自己修復機能をもつＡ鋼を溶製した。化学成分を表１に示す。溶製後、２０ｍｍφの棒鋼に圧延し、その後１２００℃で２０分間加熱し、水冷した。結晶粒の大きさは両鋼とも約７０μｍであった。
両鋼のクリープ破断試験結果を図１、２に示す。クリープ破断強度はＢとＣｅを添加することにより、上昇し、特に長時間側で強度上昇効果が顕著で、比較鋼種のＣｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼とは格段の違いを示した（図１）。破断絞りも同様に、ＢとＣｅ添加のＡ鋼はＣｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼より大きく、特に長時間側での破断延性が改善されているこ
とが明らかとなった。クリープ破断試験片の走査電子顕微鏡観察では、Ｃｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼には多数の成長したクリープボイドが観察されたが、本発明のＡ鋼には、クリープボイドの生成数も少なく、大きさも成長の抑制された微小なものだけであった。以上の結果、Ｓの含有量を０．００３ｍａｓｓ％とし、ＢとＣｅを添加したことにより、主としてクリープボイドの自己修復効果により、長時間側のクリープ破断強度と破断延性が著しく向上した。
【００１６】
上記実施例１で使用したＣｕ、Ｎｂ入り１８−８系オーステナイトステンレス鋼と自己修復性をもたせた本発明に係るＡ鋼の化学成分組成を図８中の表１にまとめて示した。
【００１７】
実施例２；（最適なＢ添加量の検討）
Ｓを０．００３ｍａｓｓ％以下とし、ＢとＣｅの添加がＣｕとＮｂ添加オーステナイトステンレス鋼の長時間クリープ破断特性を著しく向上させることが実施例１で分かった。そこで、Ｃｅを適正量である０．０１０ｍａｓｓ％とし、Ｂ量を０．０１〜０．０７ｍａｓｓ％とした。化学成分を表２に示す。溶製後、２０ｍｍφの棒に加工し、１２００℃で２０分の固溶化処理後水冷した。クリープ破断試験片を採取し、クリープ破断試験を行った。応力一破断時間曲線を図３に、破断絞りを図４に示す。クリープ破断強度はＢ添加により著しく上昇することが明らかになった。Ｂ添加効果はＢ添加量が多い程、またその効果は長時間側で、より顕著である（図３）。破断絞りも同様にＢ添加により長時間側で顕著に大きくなることが明らかとなった（図４）。破断絞りに関しては、Ｂ添加量０．０３ｍａｓｓ％近くで最も大きくなり、０．０３ｍａｓｓ％程度が適正添加量である。図５はＢ添加量と破断寿命との関係を示す。この図よりＢ添加量０．１０ｍａｓｓ％まで破断強度が急増するが、それ以上では漸増に留まった。図３〜５の知見に加え、Ｂを０．１０ｍａｓｓ％以上添加すると脆いＣｒ2Ｂ等のボライドの析出が顕著になるとの知見を総合した結果、適正なＢ添加量の範囲は０．００５〜０．１０ｍａｓｓ％とした。
【００１８】
上記実施例２で溶製し、実験した鋼（Ａ鋼、Ｂ鋼、Ｃ鋼）の化学成分をＣｕ・Ｎｂ入り１８−８系オーステナイトステンレス鋼の化学成分と共に図８中表２に纏めて示した。
【００１９】
実施例３；（細粒化処理の検討）
実施例１、２で用いたＡ鋼の細粒化処理を行い、破断延性の一層の増大を図った。細粒化処理は、棒鋼に加工後、３６％の圧延加工を行い、その後１１６０℃で３０分の加熱、水冷の固溶化処理を行った。再結晶化により平均の結晶粒の大きさは４５μｍと細粒化した。Ｃｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼およびＡ鋼の通常処理材と比較した応力一破断時間曲線を図６に、破断絞り一破断時間曲線を図７に示す。細粒化処理材のクリープ破断強度はＡ鋼の通常処理材と同じレベルを呈していた。破断絞りはＣｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼より格段に高く、またＡ鋼通常処理材に比べて短時間側では格段に高かった。しかし長時間側では、Ａ鋼通常処理材と同じレベルになった。従って、この細粒化処理法は比較的短時間側の破断延性を向上させる方法として有効であることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、高温で長時間使用され、クリープボイドの成長による破断が問題となっていた火力発電所における高温高圧機器類や化学プラント等に使用される全く新しい材料設計に基づくＣｕおよびＮｂで強化されたオーステナイトステンレス系耐熱鋼を提供するものであり、安全性と経済性とを両立することができる優れた材料であり、今後各種高温プラント設計に大きな影響を与え、ひいては前記プラント以外の設計にも影響を与え、各種技術分野に大いに使用され、その発展に寄与するものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】Ｃｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼とＡ鋼（自己修復鋼）の応力−破断時間曲線の比較を示した図
【図２】Ｃｕ・Ｎｂ入り１８−８鋼とＡ鋼（自己修復鋼）の破断絞り−破断時間曲線の比較を示した図
【図３】Ｃｕ・Ｎｂ添加オーステナイトステンレス鋼のクリープ破断強度に及ぼすＢ添加量の影響を示す図
【図４】Ｃｕ・Ｎｂ添加オーステナイトステンレス鋼のクリープ破断延性に及ぼすＢ添加量の影響を示す図
【図５】クリープ破断寿命とＢ添加量との関係を示す図
【図６】クリープ破断強度に及ぼす細粒化処理の影響を示す図
【図７】クリープ破断強度に及ぼす細粒化処理の影響を示す図
【図８】各実施例で使用したＣｕ・Ｎｂ添加オーステナイトステンレス鋼と本発明に係る自己修復性を持たせた耐熱鋼の化学成分組成を示す図