JP5605996B2 - 耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

本発明は、高温環境下での長期繰り返しにおける耐高温酸化性および高温強度の長期安定性に優れ、例えば、燃料電池、マイクロガスタービン、焼却炉複合発電システム等に用いられる熱交換器等の高温の水蒸気中にて使用される機器、または、自動車エンジンの排ガス経路部材として使用される耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼に関する。

近年、石油を代表とする化石燃料の枯渇化、ＣＯ_２排出による地球温暖化減少等の問題から、発電システムや駆動システム等のおいて熱エネルギの利用の高効率化が重要視されている。そして、火力発電や原子力発電に代わる新しい発電システムとして、例えば、マイクロガスタービン、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＯＦＣ）および廃棄物発電等のシステムが注目されている。これらマイクロガスタービンや燃料電池等の発電システムや高温の熱源を使用するシステムでは、通常、発電効率やエネルギ効率を向上させるために、熱源から発生する余剰熱や排ガスの廃熱を熱交換器によって有効に利用している。例えば、マイクロガスタービンでは、タービンから出てきた燃焼ガスを熱交換器に送って燃焼器に送り込む圧縮空気を予熱し、タービンの効率を向上させている。

ここで、自動車分野においては、自動車の排ガス規制の強化に伴った排ガス温度の上昇により耐熱性に優れた鋼が必要とされつつある。特にエンジンに隣接したエキゾーストマニホールドやターボチャージャのハウジングは、非常に高温に曝されるため優れた耐高温酸化性および高温強度が要求される。また、エキゾーストマニホールドやターボチャージャのハウジングは、浄化性能の向上を目的として高温で排ガスを排出させるべく、材料の薄肉化が図られている。その結果、使用される材料の温度が上昇するので、高温での強度とともに高温での強度の長時間安定性が必要とされている。

なお、このような熱交換器用や自動車排ガス経路等の耐熱部材用の材料としては、通常、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳＸＭ１５Ｊ１等のオーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。

ここで、高温特性が要求される構成材料としては、フェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼等の耐熱ステンレス鋼が知られている。フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼よりも膨張係数が小さく、酸化スケールの密着性に優れている。しかしながら、熱膨張係数の小さなフェライト系ステンレス鋼は、加熱と冷却との繰り返しに曝される環境下で優れた熱疲労特性を示すものの、オーステナイト系ステンレス鋼よりも高温強度が低いため、高温保持中の耐変形性に劣っている。また、フェライト系ステンレス鋼の中でも多量のＡｌを含有する鋼種は、酸化スケールの密着性および耐浸炭性に優れているが、加工性、溶接製および靭性に劣るため、熱交換器や排ガス経路部材のような溶接構造体に適用することは困難である。

一方、オーステナイト系ステンレス鋼は、フェライト系ステンレス鋼よりも加工性や溶接性に優れており、溶接構造体への適用は比較的容易である。しかしながら、熱膨張係数が大きいため、フェライト系ステンレス鋼と比較して、酸化スケールの密着性が本質的に劣り、耐高温酸化性に劣っている。

そして、従来から、耐熱部材用の材料として用いるために、耐高温酸化性や耐スケール剥離性を向上させたオーステナイト系ステンレス鋼が知られている。

具体的には、例えば、Ｓｉを添加したＳＵＳＸＭ１５Ｊ１（１９Ｃｒ−１３Ｎｉ−３．３Ｓｉ）およびＡＩＳＩ３１４（２５Ｃｒ−２０Ｎｉ−２Ｓｉ）や、４．５〜６質量％のＡｌを含有させたオーステナイト系ステンレス鋼（例えば、特許文献１参照。）や、ＡｌおよびＳｉを複合添加したオーステナイト系ステンレス鋼（例えば、特許文献２参照。）や、ＲＥＭ（希土類金属）を複合添加したオーステナイト系ステンレス鋼（例えば、特許文献３参照。）等が知られている。また、ＳｉとＮとを複合添加して耐高温酸化性および高温強度の両方を向上させたオーステナイト系ステンレス鋼（例えば、特許文献４および特許文献５参照。）等が知られている。

特公昭５５−４３４９８号公報（第２−４頁、第１図） 特公昭５４−１２８８７号公報（第１−３頁、第１図） 特公昭５４−１２８９０号公報（第１−３頁、第１−２図） 特開２００６−２８５４６号公報（第３−６頁、図１） 特開平８−３１９５４１号公報（第２−４頁、図２）

しかしながら、上述の各オーステナイト系ステンレス鋼では、耐高温酸化性は向上しているものの、高温環境下で使用される材料において重要な高温強度の長期安定性については検討されていない。

したがって、例えば、材料温度が８５０〜１０５０℃となる高温環境下で使用される燃料電池、マイクロガスタービン、焼却炉複合発電システム等の熱交換器、高温の水蒸気酸化雰囲気中で使用される機器および自動車エンジンの排ガス経路部材等の耐熱部材として上記の各オーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合、高温環境下における長期繰り返しの使用により耐スケール剥離性が低下して耐高温酸化性が悪化するおそれや、高温環境下における長期の使用により高温強度が悪化するおそれが考えられる。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性および高温強度の長期安定性に優れた耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。

請求項１に記載された耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｍｎ：２．５％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：８．０〜１５％、Ｃｒ：２２超え〜２６％、Ｎ：０．１５超え〜０．３％、Ｎｂ：０．０５〜０．３％以下、ＲＥＭ（無添加を含まず）とＹ（無添加を含む）とＣａ（無添加を含む）との合計０．１％以下（無添加を含まず）を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、Ａ値＝Ｃｒ％＋３（Ｓｉ％）＋１００（ＲＥＭ％＋Ｃａ％）とする（１）式で示されるＡ値が２８以上になりかつＢ値＝１００（Ｎ％）＋５（Ｎｂ％）とする（２）式で示されるＢ値が２０以上になるように組成が調製されたものである。

請求項２に記載された耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼は、請求項１に記載された耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼において、質量％で、Ｔｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、Ｃｕ：０．０５〜０．５％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｗ：０．０５〜０．５％、Ｚｒ：０．０５〜０．５％のうちの少なくともいずれか１つを含有するものである。

請求項３に記載された耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼は、請求項１または２に記載された耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼において、質量％で、Ｍｎ：０．８％〜２．５％を含有するものである。

請求項４に記載された耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼は、請求項１ないし３のいずれかに記載の耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼において、質量％で、ＲＥＭとＹとＣａとの合計：０．００５〜０．１％を含有するものである。

請求項１に記載された発明によれば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎ、Ｎｂ、ＲＥＭ、Ｙ、Ｃａを規定した範囲で含有し、Ａ値＝Ｃｒ％＋３（Ｓｉ％）＋１００（ＲＥＭ％＋Ｃａ％）とする（１）式で示されるＡ値が２８以上になるように組成を調整することにより、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性を向上でき、かつ、Ｂ値＝１００（Ｎ％）＋５（Ｎｂ％）とする（２）式で示されるＢ値が２０以上になるように組成を調整することにより、高温強度の長期安定性を向上できるので、高温環境下での長期使用における耐高温酸化性および高温強度の長期安定性に優れている。

請求項２に記載された発明によれば、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒのうちの少なくともいずれか１つを規定した範囲で含有することにより、高温強度を向上できる。

請求項３に記載された発明によれば、Ｍｎの含有量を０．８〜２．５％にすることにより、Ｎによる高強度化が容易になるとともに、耐高温酸化性の低下を防止できる。

請求項４に記載された発明によれば、ＲＥＭ、ＹおよびＣａの含有量の合計を０．００５〜０．１％にすることにより、耐高温酸化性を向上させて耐スケール剥離性を向上できるとともに、硬質化を防止できる。

本発明の高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性の基準となる減肉率を示すグラフである 同上高温強度の長期安定性の基準である１０００℃にて１００ｈ時効後の１０００℃での０．２％耐力を示すグラフである。

以下、本発明における一実施の形態について詳細に説明する。なお、各元素の含有量は、特に記載しない限り質量％とする。

本実施の形態におけるオーステナイト系ステンレス鋼を構成する各元素について説明する。

Ｃ（炭素）は、オーステナイト系ステンレス鋼の高温強度の向上に有効である。しかし、Ｃを過剰に含有させると、使用中に粒界にてＣｒ炭化物を形成するので、靭性および時効後の高温強度が低下するとともに、耐高温酸化性の向上に有効な固溶Ｃｒ量が減少する。そこで、Ｃの含有量を０．０４％以下とする。

Ｓｉ（ケイ素）は、高温酸化特性の改善に非常に有効である。すなわち、Ｓｉの１．０％以上の含有により、８５０〜１０５０℃の温度域にてＳｉ濃化皮膜をＣｒ酸化物の内層に形成させ、耐スケール剥離性を向上できる。しかし、Ｓｉを過剰に含有すると、σ脆化感受性を高め、使用中にσ脆化を誘発してしまう。そこで、Ｓｉの含有量の上限を３％とし、含有量を１〜３％とする。また、好ましい含有量は１．２超え〜２．５％である。

Ｍｎ（マンガン）は、オーステナイト安定化元素であり、主として相バランス調整のために含有させる。また、Ｍｎ含有量を増大させることで鋼中のＮの固溶限が増大し、Ｎによる高強度化が容易になる。しかし、Ｍｎを過剰に含有させると、耐高温酸化性の低下を招いてしまう。そこで、Ｍｎの含有量の上限を２．５％とする。また、好ましい含有量は０．８超え〜２．５％であり、さらに好ましい含有量は１〜２％である。

Ｐ（リン）は、オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を損なう元素であり、可能な限り含有量を低減することが好ましい。そこで、Ｐの含有量を０．０４％以下とする。

Ｓ（硫黄）は、Ｐと同様にオーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を損なう元素である。そして、鋼の製造歩留りを低下させないように、可能な限り含有量を低減することが好ましい。そこで、Ｓの含有量を０．０１％以下とする。

Ｎｉ（ニッケル）は、オーステナイト安定化元素であり、主として相バランス調整のために含有させる。しかし、Ｎｉを過剰に含有させると、Ｎｉは比較的高価なため原料コストが高騰してしまう。そこで、Ｎｉの含有量を８〜１５％とする。

Ｃｒは、高温でのスケール生成を抑制する基本元素であり、２２％を超える含有量が必要である。しかし、Ｃｒを過剰に含有させると、σ脆化を誘発してしまう。そこで、Ｃｒの含有量の上限を２６％とし、含有量を２２超え〜２６％とする。

Ｎ（窒素）は、固溶強化により高温強度の向上に有効であり、０．１５％を超えるＮを含有させることにより、１０５０℃の高温に曝される場合でも強度が良好である。しかし、Ｎを過剰に含有させると、Ｃｒ窒化物の形成により鋼の靭性を低下させてしまう。そこで、Ｎの含有量の上限を０．３％とする。

Ｎｂ（ニオブ）は、Ｌａｖｅｓ、Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）、Ｍ_６（Ｃ，Ｎ）型炭窒化物を微細分散析出させる作用があり、これによりＭ_２３Ｃ_６型炭化物の粒界析出を抑制できるため、０．０５％以上のＮｂの含有させることにより、時効後の高温強度の低下を抑制できる。しかし、Ｎｂを過剰に含有させると鋼製造のいずれかの工程または材料昇温時にＮｂ炭窒化物を生成してしまうので、高温強度向上作用の希釈化および靭性の低下を招いてしまう。そこで、Ｎｂの含有量の上限を０．３％とし、含有量を０．０５〜０．３％とする。このようにＮｂの含有量を規制することにより、Ｎｂ炭窒化物の焼鈍時点での残存を抑制し、長時間加熱における微細析出による強化を図ることができ、高温強度の長期安定性を向上できる。

Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）およびＷ（タングステン）は、高温強度の向上に有効である。しかし、過剰に含有させると、鋼が硬質化し、また、原料コストも高騰してしまう。そこで、Ｔｉ、ＶおよびＷは選択的に含有させることができ、含有させる場合はその各含有量の上限を０．５％とする。また、好ましい含有量は、０．０５〜０．５％である。なお、これらＴｉ、ＶおよびＷは、単独で添加しても複合で添加してもよい。

Ｍｏ（モリブデン）は、フェライト生成元素であり、高温強度の改善に有効である。しかし、Ｍｏを過剰に含有させると、σ脆化を招き、鋼の靭性を損なう。そこで、Ｍｏは選択的に含有させることができ、含有させる場合はその含有量の上限を０．５％とする。また、好ましい含有量は０．０５〜０．５％である。

Ｃｕ（銅）は、オーステナイト生成元素であり、高温強度の向上に有効である。このためオーステナイト相のバランスの調整を兼ねて積極的に含有させることができる。しかし、Ｃｕを過剰に含有させると、耐高温酸化性の低下を招いてしまう。そこで、Ｃｕは選択的に含有させることができ、含有させる場合はその含有量の上限を０．５％とする。また、好ましい含有量は０．０３〜０．５％であり、さらに好ましい含有量は０．０５〜０．５％である。

Ｚｒは、高温強度の向上に有効であるとともに、微量の添加で耐高温酸化性も改善される。しかし、Ｚｒを過剰に添加すると、σ脆化を招き、鋼の靭性を損なってしまう。そこで、Ｚｒは選択的に含有させることができ、含有させる場合はその含有量の上限を０．５％とする。また、好ましい含有量は０．０５〜０．５％である。

ＲＥＭ（希土類金属）、Ｙ（イットリウム）およびＣａ（カルシウム）は、耐高温酸化性の向上に有効である。しかし、過剰に含有させると、鋼が硬質化し、また、原料コストが高騰してしまう。そこで、ＲＥＭ（無添加を含まず。）、Ｙ（無添加を含む。）およびＣａ（無添加を含む。）はそれぞれ選択的に含有させることができ、含有させた各元素の含有量の合計を０．１％以下（無添加を含まず。）とする。また、ＲＥＭ、ＹおよびＣａのうち含有させた元素の合計が０．００５％以上とすると、耐高温酸化性の向上効果を十分に発揮できるので、好ましい含有量の合計は、０．００５〜０．１％である。

なお、他の元素は、故意に含有させないものとする。例えば、０．５％未満のＡｌの含有や１０ｐｐｍ以下のＢ（ホウ素）の含有等は許容される。

次に、上述した各元素にて構成されるオーステナイト系ステンレス鋼の耐高温酸化性および高温強度の長期安定性について説明する。

まず、ステンレス鋼では、Ｃｒ含有量を多くして耐高温酸化性を向上させる。また、Ｃｒ系の保護酸化物皮膜を複合酸化物化させて安定化してステンレス鋼の耐高温酸化性をさらに向上するためにＳｉ、ＲＥＭおよびＣａを添加する。さらに、十分な高温強度を確保するためにＮおよびＮｂを含有させる。

ここで、Ｎによる高温強度の長期安定性能を有効に作用させるには、Ｃの含有量を低減させることが有効である。Ｃの含有量を低減することにより、Ｍ_２３Ｃ_６型炭化物の生成を抑制し、Ｎによる固溶強化を確保できる。

また、Ｎｂの含有量の上限を上述のように規定することにより、ＣｒＮｂＮ系析出物の焼鈍時点での残存を抑制し、長時間の加熱における微細析出により、Ｎｂによる高温強度の長期安定性能を有効に作用させる。

そして、Ａ値＝Ｃｒ％＋３（Ｓｉ％）＋１００（ＲＥＭ％＋Ｃａ％）とする（１）式で示されるＡ値が２８以上となるように組成を調整して、耐高温酸化性の向上に有効な元素であるＣｒ、Ｓｉ、ＲＥＭおよびＣａの含有量を管理することにより、オーステナイト系ステンレス鋼の耐高温酸化性が向上する。なお、（１）式では、各元素の含有量を代入し、無添加の元素は、０（ゼロ）を代入する。

また、Ｂ値＝１００（Ｎ％）＋５（Ｎｂ％）とする（２）式で示されるＢ値が２０以上になるように組成を調整して、固溶強化により高温強度を向上させる元素であるＮおよび長時間加熱における微細析出により高温強度の長期安定性を向上させる元素であるＮｂの含有量を管理することにより、オーステナイト系ステンレス鋼の高温強度の長期安定性が向上する。なお、（２）式では、各元素の含有量を代入し、無添加の元素は、０（ゼロ）を代入する。

そして、上述したオーステナイト系ステンレス鋼は、規定した各元素の含有量にて、（１）式で示すＡ値が２８以上になるように組成を調整することにより、板厚０．８ｍｍのオーステナイトステンレス鋼において、１０５０℃、２０００サイクルの高温酸化試験での減肉率が２０％以下にできる。したがって、設計において加工による減肉と同等の安全率が確保できるので、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性が良好である。

また、規定した各元素の含有量にて、（２）式で示すＢ値が２０以上になるように組成を調整することにより、１０００℃にて１００ｈの時効後の１０００℃での０．２％耐力を、５０ＭＰａ以上にできる。したがって、１０００℃にて１００ｈの時効後の１０００℃での０．２％耐力が、耐熱部材用の材料として従来適用されることが多いＳＵＳ３１０ＳやＳＵＳＸＭ１５Ｊ１の９００℃での耐力より高いので、高温強度の長期安定性が良好である。

次に、本発明の実施例について説明する。

表１は、耐高温酸化性試験および高温強度の長期安定性試験に用いたオーステナイト系ステンレス鋼の組成、（１）式のＡ値および（２）式のＢ値を示す。

ここで、鋼種Ｎｏ．２、鋼種Ｎｏ．４および鋼種Ｎｏ．５のオーステナイト系ステンレス鋼は、各組成は異なるものの、各元素を規定した範囲内で含有させ、（１）式で示されるＡ値が２８以上であり、かつ、（２）式で示されるＢ値が２０以上となるように組成を調整した本実施例である。

一方、鋼種Ｎｏ．１３ないし２２のオーステナイトステンレス鋼は、上述した各条件を全て満たしていない比較例である。

表１の各組成のオーステナイト系ステンレス鋼を真空溶解炉にて３０ｋｇ溶製し、板厚が３５ｍｍのスラブに切り出した。これら各オーステナイト系ステンレス鋼のスラブを１２３０℃で２ｈ加熱した後、板厚４．５ｍｍまで熱延した。この熱延材に１２００℃にて焼鈍を施し、板厚０．８ｍｍおよび板厚２．０ｍｍの冷延焼鈍酸洗板を作成した。

そして、板厚０．８ｍｍの各冷圧焼鈍酸洗板にて高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性の評価を行い、板厚２．０ｍｍの冷延焼鈍酸洗板にて高温強度の長期安定性の評価を行った。

高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性の評価は、各オーステナイト系ステンレス鋼の板厚０．８ｍｍの冷延焼鈍板を２５×３５ｍｍの高温酸化性試験片として切り出し、ＪＩＳ−Ｚ−２２８２に準拠して、大気中にて１０５０℃×５分間加熱後、５分間の空冷を１サイクルとして、２０００サイクル繰り返す高温酸化試験を行った。この高温酸化試験の前後において、試験後に最も板厚が減少した箇所の減肉率を求めた。なお、減肉率は次の（３）式により算出する。

（３）式：減肉率＝（試験前の板厚−試験後の板厚）／試験前の板厚×１００

そして、減肉率が２０％以下ものは、設計における加工による減肉と同等の安全率が確保でき、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性が良好であると評価し、減肉率が２０％を超えるものは、高温環境下での長期繰り返しにて耐高温酸化性が悪化していると評価した。

高温強度の長期安定性の評価は、各オーステナイト系ステンレス鋼の板厚２．０ｍｍの冷延焼鈍板から圧延方向と平行方向に切り出したものを高温強度試験片とし、時効特性の把握のため、１０００℃×１００ｈの熱処理を施した後、ＪＩＳ−Ｇ−０５６７に準拠して高温引張試験を１０００℃にて行い、高温強度の指標として１０００℃における０．２％耐力を求めた。

そして、１０００℃における０．２％耐力が５０ＭＰａ以上のものは、耐熱部材用の材料として従来適用されることが多いＳＵＳ３１０ＳやＳＵＳＸＭ１５Ｊ１の９００℃での耐力より強度が高く、高温強度の長期安定性が良好であると評価し、１０００℃における０．２％耐力が５０ＭＰａより低いものは、高温環境下における長期の使用により高温強度が悪化すると評価した。

表２には上記各試験の結果を示す。なお、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性の評価においては、減肉率が２０％以下のものに○を付し、減肉率が２０％を超えるものに×を付した。また、高温強度の長期安定性の評価においては、１０００℃での０．２％耐力が５０ＭＰａ以上のものに○を付し、１０００℃での０．２％耐力が５０ＭＰａより低いものに×を付した。

表２に示すように、本実施例である鋼種Ｎｏ．２、鋼種Ｎｏ．４および鋼種Ｎｏ．５のオーステナイト系ステンレス鋼は、いずれも高温酸化試験後の減肉率が２０％以下であり、１０５０℃での繰り返し加熱において耐スケール剥離性が優れていた。また、１０００℃にて１００ｈ時効後の０．２％耐力が５０ＭＰａ以上であり、高温環境下にて長時間曝されても高温強度が優れていた。

したがって、本実施例である鋼種Ｎｏ．２、鋼種Ｎｏ．４および鋼種Ｎｏ．５のオーステナイト系ステンレス鋼は、１０５０℃域の高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性が良好であり、かつ、高温強度の長期安定性が良好である。

一方、比較例である鋼種Ｎｏ．１３〜２２のオーステナイト系ステンレス鋼には、高温酸化試験後の減肉率が２０％以下であり、かつ、１０００℃にて１００ｈ時効後の０．２％耐力が５０ＭＰａ以上のものは無かった。

鋼種Ｎｏ．１３および鋼種Ｎｏ．１４のオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｓｉの含有量が低いことにより、（１）式で示されるＡ値が２８より小さく、高温酸化試験後の減肉率が２０％を超えた。また、Ｎの含有量が低いことにより（２）式で示されるＢ値が２０より小さく、１０００℃にて１００ｈ時効後の１０００℃での０．２％耐力が５０ＰＭａより低くなった。すなわち、Ｓｉによる８５０〜１０５０℃の温度域における耐スケール剥離性の向上効果が十分に発揮できないので、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性が不十分となる。また、Ｎによる固溶強化による高温強度の向上効果が十分に発揮できないので、高温強度の長期安定性が不十分となる。

鋼種Ｎｏ．１５のオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｃｒの含有量が低いことにより、（１）式で示すＡ値が２８より小さく、高温酸化試験後の減肉率が２０％を超えた。すなわち、Ｃｒの高温でのスケール生成抑制効果が十分に発揮できないので、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性が不十分となる。また、ＮおよびＮｂの含有量は規定した範囲内であるが（２）式で示されるＢ値が２０より小さい。したがって、１０００℃にて１００ｈ時効後の１０００℃での０．２％耐力が５０ＰＭａより低くなり、高温強度の長期安定性が不十分となる。

鋼種Ｎｏ．１６〜１８のオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｓｉの含有量が低いことにより、（１）式で示されるＡ値が２８より小さく、高温酸化試験後の減肉率が２０％を超えた。すなわち、Ｓｉによる８５０〜１０５０℃の温度域における耐スケール剥離性の向上効果が十分に発揮できないので、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性が不十分となる。なお、これらのオーステナイト系ステンレス鋼は（２）式で示されるＢ値が２０以上となるため、１０００℃にて１００ｈ時効後の１０００℃での０．２％耐力は５０ＭＰａ以上であり、高温強度の長期安定性は良好である。

鋼種Ｎｏ．１９のオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｓｉの含有量が低いため、（１）式で示されるＡ値が２８より小さく、高温酸化試験後の減肉率が２０％を超えた。すなわち、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性が不十分となる。また、Ｎの含有量が低いため、（２）式で示されるＢ値が２０より小さく、１０００℃にて１００ｈ時効後の１０００℃での０．２％耐力は５０ＭＰａより小さい。すなわち、Ｎによる固溶強化による高温強度の向上効果が十分に発揮できないので、高温強度の長期安定性が不十分となる。

鋼種Ｎｏ．２０のオーステナイト系ステンレス鋼は、各元素を規定した範囲内で含有し、（２）式で示されるＢ値が２０以上であり、１０００℃にて１００ｈ時効後の１０００℃での０．２％耐力は５０ＭＰａ以上であるものの、（１）式で示されるＡ値が２８より小さく、減肉率が２０％を超えた。すなわち、高温強度の長期安定性は良好であるものの、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性が不十分となる。

鋼種Ｎｏ．２１のオーステナイト系ステンレス鋼は、各元素を規定した範囲内で含有し、（１）式で示されるＡ値が２８以上であり、高温酸化試験後の減肉率が２０％以下であるものの、（２）式で示されるＢ値が２０より小さく、１０００℃にて１００ｈ時効後の１０００℃での０．２％耐力は５０ＭＰａより低い。すなわち、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性が良好であるものの、高温強度の長期安定性が不十分となる。

鋼種Ｎｏ．２２のオーステナイト系ステンレス鋼は、各元素を規定した範囲内で含有しているものの、（１）式で示されるＡ値が２８より小さく、高温酸化試験後の減肉率が２０％を超え、（２）式で示されるＢ値が２０より小さく、１０００℃にて１００ｈ時効後の１０００℃での０．２％耐力は５０ＭＰａより低い。すなわち、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性および高温強度の長期安定性が不十分となる。

そして、図１に示すように、（１）式で示すＡ値が２８以上のものは、いずれも減肉率が２０％以下であり、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性が良好である。

また、図２に示すように、（２）式で示す値が２０以上のものは、いずれも１０００℃にて１００ｈ時効後の１０００℃での０．２％耐力が５０ＭＰａ以上であり、高温強度の長期安定性が良好である。

したがって、上記各実施例および比較例の結果より、各元素を規定した範囲ないで含有し、（１）式で示すＡ値が２８以上となり、かつ、（２）式で示されるＢ値が２０以上となるように組成を調整することにより、高温酸化性試験後の減肉率が２０％以下となり、高温環境下での長期繰り返し使用における耐高温酸化性を向上でき、かつ、１０００℃にて１００ｈ時効後の１０００℃での０．２％耐力は５０ＭＰａ以上となり、高温強度の長期安定性を向上できる。

本発明は、例えば、燃料電池、マイクロガスタービン、焼却炉複合発電システム等に用いられる熱交換器等の高温の水蒸気中にて使用される機器や自動車エンジンの排ガス経路部材等として使用される耐熱部材に利用することができる。

Claims (4)

1. 質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｍｎ：２．５％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：８．０〜１５％、Ｃｒ：２２超え〜２６％、Ｎ：０．１５超え〜０．３％、Ｎｂ：０．０５〜０．３％以下、ＲＥＭ（無添加を含まず）とＹ（無添加を含む）とＣａ（無添加を含む）との合計０．１％以下（無添加を含まず）を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
   下記（１）式で示されるＡ値が２８以上になりかつ下記（２）式で示されるＢ値が２０以上になるように組成が調製された
   ことを特徴とする耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼。
   （１）式：Ａ値＝Ｃｒ％＋３（Ｓｉ％）＋１００（ＲＥＭ％＋Ｃａ％）
   （２）式：Ｂ値＝１００（Ｎ％）＋５（Ｎｂ％）
2. 質量％で、Ｔｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、Ｃｕ：０．０５〜０．５％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｗ：０．０５〜０．５％、Ｚｒ：０．０５〜０．５％のうちの少なくともいずれか１つを含有する
   ことを特徴とする請求項１記載の耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼。
3. 質量％で、Ｍｎ：０．８〜２．５％を含有する
   ことを特徴とする請求項１または２記載の耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼。
4. 質量％で、ＲＥＭとＹとＣａとの合計：０．００５〜０．１％を含有する
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の耐熱部材用オーステナイト系ステンレス鋼。

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