JP5920047B2

JP5920047B2 - オーステナイト系耐熱部材

Info

Publication number: JP5920047B2
Application number: JP2012138847A
Authority: JP
Inventors: 平田　弘征; 弘征平田; 佳奈浄徳; 友彰浜口; 吉澤　満; 満吉澤; 英範小川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: JP2014001437A

Description

本発明は、オーステナイト系耐熱部材に関する。詳しくは、本発明は、溶接時の耐割れ性、なかでも厚肉部材として多層溶接される場合の溶接部近傍における表面の耐割れ性に優れ、発電用ボイラの主蒸気管や再熱蒸気管など、厚肉の高温部材として好適に用いることができる、オーステナイト系耐熱部材に関する。

近年、環境負荷軽減の観点から発電用ボイラなどでは運転条件の高温・高圧化が世界的規模で進められており、過熱器管や再熱器管の材料として使用されるオーステナイト系耐熱合金には、より優れた高温強度および耐食性を有することが求められている。

さらに、従来フェライト系耐熱鋼が使用されていた、主蒸気管や再熱蒸気管など厚肉の部材においても、オーステナイト系耐熱合金の適用が検討されている。

このような技術的背景のもと、種々のオーステナイト系耐熱合金が提案されている。具体的には、例えば、特許文献１に、Ｎｉ基合金が提案されている。このＮｉ基合金は、Ｗを活用して高温強度を高めるとともに、有効Ｂ量を管理することにより、熱間加工性を改善するとともに溶接割れを防止した、オーステナイト系耐熱合金である。

また、特許文献２に、Ｃｒ、ＴｉとＺｒの活用によりα−Ｃｒ相を強化相としてクリープ強度を高めた、オーステナイト系耐熱合金が提案されている。

特許文献３に、多量のＷを含有させるとともにＡｌとＴｉを活用して、固溶強化とγ’相の析出強化によって強度を高めた、Ｎｉ基耐熱合金が提案されている。

特許文献４に、Ｗ、Ｍｏ、ＴｉおよびＡｌを活用して、クリープ強度を高めるとともに、Ｐ、Ｓ、Ｓｎ、Ｐｂなどの不純物元素ならびにＴｉおよびＡｌの含有量を管理して、溶接時の耐液化割れ性（ＨＡＺ（溶接熱影響部）の液化割れに対する抵抗性）と使用時の耐応力緩和割れ性（ＨＡＺの脆化割れに対する抵抗性）を改善した、オーステナイト系耐熱合金が提案されている。

さらに、特許文献５に、Ｃｒ、ＢおよびＰの含有量ならびにＡｌ、ＴｉおよびＮｂの含有量をそれぞれ、所定の範囲に管理するとともに、Ｎｄを含有させて、クリープ強度および溶接時の耐液化割れ性を改善した、オーステナイト系耐熱合金が提案されている。

特開２０１１−６３８３８号公報国際公開第２００９／１５４１６１号国際公開第２０１０／０３８８２６号特開２０１０−１５０５９３号公報国際公開第２０１１／０７１０５４号

オーステナイト系耐熱合金を構造物として使用する場合、一般には、溶接により組み立てられる。その際、溶接部には、主に冶金的要因に起因した様々な割れが発生しやすいことが知られているが、前記特許文献１〜５で開示されているオーステナイト系耐熱合金はいずれも、溶接割れ感受性が十分に低いため、発電用ボイラ、化学工業用プラントなどの高温機器の素材として好適に用いることができる。

そして、本発明者らが、上記のオーステナイト系耐熱合金のうちでも特許文献４および特許文献５で開示されているオーステナイト系耐熱合金を、主蒸気管や再熱蒸気管などの厚肉の部材、特に、肉厚が２０ｍｍを超える部材に適用するために、溶接により組み立てて調査した結果、溶接時の液化割れや使用時の応力緩和割れを安定して防止可能なことが確認できた。

しかしながら、その後、本発明者らが実施したさらなる詳細な調査から、単にオーステナイト系耐熱合金の化学組成を管理するだけでは、多層溶接した最終層溶接部の溶融線から離れた部材の表面に、これまでに確認されていた割れ、例えば、特許文献４や特許文献５が対象とする割れ、とは明らかに異なる極めて微細な割れが発生する場合のあることが明らかとなった。

すなわち、オーステナイト系耐熱合金を、特に、肉厚が２０ｍｍを超える部材に適用するために多層溶接した場合に、最終層溶接部の溶融線から離れた部材の表面に生ずる極めて微細な割れを防止することが新たな課題となることが判明した。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、溶接時の耐割れ性、なかでも厚肉部材として多層溶接される場合の溶接部近傍における表面の耐割れ性に優れ、発電用ボイラの主蒸気管や再熱蒸気管など、厚肉の高温部材として好適に用いることができる、オーステナイト系耐熱部材を提供することを目的とする。

本発明者らは前記した課題を解決するために、多層溶接した溶接部近傍の部材の表面に生じた微細な割れについて詳細な調査を行った。その結果、下記（i）〜（iv）の事項が明らかになった。

（i）上記の割れは溶融境界から５００〜１０００μｍ程度離れたＨＡＺの結晶粒界に発生していた。

（ii）割れ破面には溶融痕が認められず、しかも延性に乏しい破面を呈していた。

（iii）割れは部材表面の加工に起因した凹凸の底部を起点として発生、進展していた。

（iv）割れが発生した場合、部材表面の近傍で明瞭な硬さの増加が認められた。

上記（i）〜（iv）から、本発明者らは、溶接部近傍の部材表面における微細な割れは、下記（ａ）〜（ｃ）の機構により発生するものと推定した。

（ａ）溶接部近傍では溶接による熱応力が発生し、特に、厚肉部材を多層溶接した場合の最終層側の表面（以下、「外表面」ということがある。）では拘束が大きくなる。このため、初層溶接側に比べ、最終層側の表面である「外表面」に大きな引張りの熱応力が発生する。

（ｂ）部材表面の加工に起因した凹凸の谷部は切り欠きとして作用する。このため、谷底部では熱応力が集中する。そして、凹凸が深くなればなるほど、谷底部での応力集中の度合いが大きくなる。

（ｃ）部材表面は加工により歪が導入され硬さが増大しているため、粒内の変形抵抗が大きくなる。その結果、熱応力は谷底部に存在する結晶粒界に集中する。そして、熱応力が粒界の強さを上回った場合、粒界が開口して微細な割れとなる。

なお、上記多層溶接した溶接部近傍の部材の外表面に生じる微細な割れは、これまでに確認されている割れ、例えば、前述の特許文献４または特許文献５に述べられている割れ、とは発生の位置も機構も全く異なることはいうまでもない。

上記の推定の下、本発明者らは多層溶接した溶接部近傍の部材の外表面に生じる微細な割れを防止するために詳細な検討を実施した。

その結果、上記の割れを防止するためには、部材を製造する際の表面の加工に起因する部材表面の粗さを特定の範囲に管理して、凹凸の谷底部の応力集中を軽減すること、および上記の表面粗さに応じて部材の表面近傍の硬さを特定の値以下に管理し、粒界への応力集中を軽減すること、具体的には、次の（ｄ）および（ｅ）の対策を講じればよいことが明らかになった。

（ｄ）部材表面の最大粗さＲｚを５０μｍ以下に管理する。

（ｅ）部材の表面から深さ１００μｍまでの領域における最高硬さＨＶ0.025（max）と上記のＲｚとが、下記の式を満足するように管理する。
ＨＶ0.025（max）≦−１．２×Ｒｚ＋３８０
なお、上記の「ＨＶ0.025」は、試験力を０．２４５２Ｎ（２５ｇｆ）としてマイクロビッカース硬さ試験を実施した場合の「硬さ記号」を意味する（ＪＩＳＺ２２４４（２００９）参照）。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）〜（３）に示すオーステナイト系耐熱部材および（４）に示す構造部材にある。

（１）質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：４０〜５５％、Ｃｒ：２０〜３５％、Ｗ：３〜１０％、Ｔｉ：０．０１〜１．２％、Ａｌ：０．３％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、Ｎ：０．０２％以下およびＯ：０．０１％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成であって、部材表面の最大粗さＲｚが５０μｍ以下であり、かつ部材の表面から深さ１００μｍまでの領域における最高硬さＨＶ0.025（max）とＲｚとが、下記の［１］式を満足することを特徴とするオーステナイト系耐熱部材。
ＨＶ0.025（max）≦−１．２×Ｒｚ＋３８０・・・［１］。

（２）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、下記の第１群または第２群に属する１種以上の元素を含有することを特徴とする上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱部材。
第１群：Ｃａ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．１％以下
第２群：Ｃｏ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｍｏ：１％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下およびＺｒ：０．５％以下
（３）肉厚が２０ｍｍ以上であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のオーステナイト系耐熱部材。

（４）上記（１）から（３）までのいずれかに記載のオーステナイト系耐熱部材が溶接されたことにより組み立てられた構造部材。

本発明のオーステナイト系耐熱部材は、溶接時の耐割れ性、なかでも厚肉部材として多層溶接される場合の溶接部近傍における外表面の耐割れ性に優れる。このため、本発明のオーステナイト系耐熱部材は、発電用ボイラの主蒸気管や再熱蒸気管など、厚肉の高温部材として好適に用いることができる。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、以下の説明における各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。

（Ａ）化学組成
Ｃ：０．０３〜０．１５％
Ｃは、オーステナイトを安定にするとともに粒界に微細な炭化物を形成し、高温でのクリープ強度を向上させる。この効果を十分に得るためには、０．０３％以上のＣ含有量が必要である。しかしながら、Ｃが過剰に含有された場合には、炭化物が粗大となり、かつ多量に析出するので、粒界の延性が低下し、さらに、靱性およびクリープ強度の低下も生じる。したがって、上限を設け、Ｃの含有量を０．０３〜０．１５％とする。Ｃ含有量の望ましい下限は０．０４％、さらに望ましい下限は０．０５％である。また、Ｃ含有量の望ましい上限は０．１２％、さらに望ましい上限は０．１０％である。

Ｓｉ：１％以下
Ｓｉは、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合にはオーステナイトの安定性が低下して、靱性およびクリープ強度の低下を招く。そのため、Ｓｉの含有量に上限を設けて１％以下とする。Ｓｉの含有量は望ましくは０．８％以下、さらに望ましくは０．６％以下である。

なお、Ｓｉの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は脱酸効果が十分に得られず合金の清浄度が大きくなって清浄性が劣化するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上効果も得難くなるし、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｓｉ含有量の望ましい下限は０．０２％、さらに望ましい下限は０．０５％である。

Ｍｎ：２％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。Ｍｎは、オーステナイトの安定化にも寄与する。しかしながら、Ｍｎの含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、靱性およびクリープ延性の低下も生じる。そのため、Ｍｎの含有量に上限を設けて２％以下とする。Ｍｎの含有量は望ましくは１．８％以下、さらに望ましくは１．５％以下である。

なお、Ｍｎの含有量についても特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性を劣化させるとともに、オーステナイト安定化効果が得難くなるし、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｍｎ含有量の望ましい下限は０．０２％、さらに望ましい下限は０．０５％である。

Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、不純物として合金中に含まれ、溶接中にＨＡＺの結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める元素である。さらに、Ｐは、長時間使用後のクリープ延性も低下させる。そのため、Ｐの含有量に上限を設けて０．０３％以下とする。Ｐの含有量は、望ましくは０．０２５％以下、さらに望ましくは０．０２％以下である。

なお、Ｐの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量の望ましい下限は０．０００５％、さらに望ましい下限は０．０００８％である。

Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物として合金中に含まれ、溶接中にＨＡＺの結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める元素である。さらに、Ｓは、長時間使用後のクリープ延性および靱性にも悪影響を及ぼす元素である。そのため、Ｓの含有量に上限を設けて０．０１％以下とする。Ｓの含有量は、望ましくは０．００８％以下、さらに望ましくは０．００５％以下である。

なお、Ｓの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量の望ましい下限は０．０００１％、さらに望ましい下限は０．０００２％である。

Ｎｉ：４０〜５５％
Ｎｉは、オーステナイトを得るために有効な元素であり、長時間使用時の組織安定性を確保するために必須の元素である。後述の２０〜３５％という本発明のＣｒ含有量の範囲で、上記したＮｉの効果を十分に得るためには、４０％以上のＮｉ含有量が必要である。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限を設けて、Ｎｉの含有量を４０〜５５％とする。Ｎｉ含有量の望ましい下限は４１％、さらに望ましい下限は４２％である。また、Ｎｉ含有量の望ましい上限は５４％、さらに望ましい上限は５３％である。

Ｃｒ：２０〜３５％
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。上記４０〜５５％という本発明のＮｉ含有量の範囲で、上記したＣｒの効果を得るためには、２０％％以上のＣｒ含有量が必要である。しかしながら、Ｃｒの含有量が３５％を超えると、高温でのオーステナイトの安定性が劣化してクリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃｒの含有量を２０〜３５％とする。Ｃｒ含有量の望ましい下限は２０．５％、さらに望ましい下限は２１％である。また、Ｃｒ含有量の望ましい上限は３４．５％、さらに望ましい上限は３４％である。

Ｗ：３〜１０％
Ｗは、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度の向上に大きく寄与する元素である。その効果を十分に発揮させるためには少なくとも３％以上のＷ含有量が必要である。しかしながら、Ｗを過剰に含有させても効果は飽和し、かえってクリープ強度を低下させる場合もある。さらに、Ｗは高価な元素であるため、過剰のＷ含有はコストの増大を招く。そのため、上限を設けて、Ｗの含有量を３〜１０％とする。Ｗ含有量の望ましい下限は３．５％、さらに望ましい下限は４％である。また、Ｗ含有量の望ましい上限は９．５％、さらに望ましい上限は９％である。

Ｔｉ：０．０１〜１．２％
Ｔｉは、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度に寄与する。その効果を得るためには０．０１％以上のＴｉ含有量が必要である。しかしながら、Ｔｉの含有量が過剰になると炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。このため、上限を設けて、Ｔｉの含有量を０．０１〜１．２％とする。Ｔｉ含有量の望ましい下限は０．０３％、さらに望ましい下限は０．０５％である。また、Ｔｉ含有量の望ましい上限は１．０％、さらに望ましい上限は０．８％である。

Ａｌ：０．３％以下
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。しかしながら、Ａｌの含有量が過剰になると合金の清浄性が著しく劣化して、熱間加工性および延性が低下する。そのため、Ａｌの含有量に上限を設けて０．３％以下とする。Ａｌの含有量は望ましくは０．２％以下、さらに望ましくは０．１％以下である。

なお、Ａｌの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性を逆に劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ａｌ含有量の望ましい下限は０．０００５％である。Ａｌの脱酸効果を安定して得、合金に良好な清浄性を確保させるためには、Ａｌ含有量の下限は０．００１％とすることがより望ましい。

Ｂ：０．０００１〜０．０１％
Ｂは、高温での使用中に粒界に偏析して粒界を強化するとともに粒界炭化物を微細分散させることにより、クリープ強度を向上させるのに必要な元素である。この効果を得るためには０．０００１％以上のＢ含有量が必要である。しかしながら、Ｂの含有量が過剰になると、溶接中の溶接熱サイクルにより溶融境界近傍の高温ＨＡＺにＢが多量に偏析して粒界の融点を低下させ、ＨＡＺの液化割れ感受性を高める。そのため、上限を設けて、Ｂの含有量を０．０００１〜０．０１％とする。Ｂ含有量の望ましい下限は０．０００５％、さらに望ましい下限は０．００１％である。また、Ｂ含有量の望ましい上限は０．００８％、さらに望ましい上限は０．００６％である。

Ｎ：０．０２％以下
Ｎは、オーステナイトを安定にするのに有効な元素であるものの、過剰に含有されると、高温での使用中に多量の微細窒化物が粒内に析出してクリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、Ｎの含有量に上限を設けて０．０２％以下とする。Ｎの含有量は望ましくは０．０１８％以下、さらに望ましくは０．０１５％以下である。

なお、Ｎの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減はオーステナイトを安定にする効果が得難くなるし、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｎ含有量の望ましい下限は０．０００５％、さらに望ましい下限は０．０００８％である。

Ｏ：０．０１％以下
Ｏ（酸素）は、不純物として合金中に含まれ、その含有量が過剰になると熱間加工性が低下し、さらに靱性および延性の劣化を招く。このため、Ｏの含有量に上限を設けて０．０１％以下とする。Ｏの含有量は望ましくは０．００８％以下、さらに望ましくは０．００５％以下である。

なお、Ｏの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、Ｏ含有量の望ましい下限は０．０００５％、さらに望ましい下限は０．０００８％である。

本発明のオーステナイト系耐熱部材は、上述の各元素を含み、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成のものである。

なお、「不純物」とは、オーステナイト系耐熱部材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップまたは製造環境などから混入するものを指す。

本発明のオーステナイト系耐熱部材には、上述のＦｅの一部に代えて、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖ、ＮｂおよびＺｒから選択される１種以上の元素を含有させてもよい。

Ｃａ：０．０５％以下
Ｃａは、熱間加工性を改善する作用を有する。このため、Ｃａを含有させてもよい。しかしながら、Ｃａの含有量が過剰になるとＯと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。このため、Ｃａを含有させる場合には、その含有量を０．０５％以下とする。Ｃａ含有量の上限は、望ましくは０．０４％である。

一方、前記したＣａの効果は、Ｃａの含有量が０．０００１％以上の場合に安定して得られる。

Ｍｇ：０．０５％以下
Ｍｇは、Ｃａと同様、熱間加工性を改善する作用を有する。このため、Ｍｇを含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇの含有量が過剰になるとＯと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。このため、Ｍｇを含有させる場合には、その含有量を０．０５％以下とする。Ｍｇ含有量の上限は、望ましくは０．０４％である。

一方、前記したＭｇの効果は、Ｍｇの含有量が０．０００１％以上の場合に安定して得られる。

ＲＥＭ：０．１％以下
ＲＥＭは、熱間加工性を改善する作用を有する。すなわち、ＲＥＭは、Ｓとの親和力が強く、熱間加工性の向上に寄与する。このため、ＲＥＭを含有させてもよい。しかしながら、ＲＥＭの含有量が過剰になると、Ｏと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。このため、ＲＥＭを含有させる場合には、その含有量を０．１％以下とする。ＲＥＭ含有量の上限は、望ましくは０．０８％である。

一方、前記したＲＥＭの効果は、ＲＥＭの含有量が０．００１％以上の場合に安定して得られる。

なお、「ＲＥＭ」とは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量はＲＥＭのうちの１種または２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭについては一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、ミッシュメタルの形で添加して、ＲＥＭの量が上記の範囲となるように含有させてもよい。

上記のＣａ、ＭｇおよびＲＥＭは、そのうちのいずれか１種のみ、または２種以上の複合で含有させることができる。これらの元素を複合して含有させる場合の合計量は０．２％であってもよい。

Ｃｏ：１％以下
Ｃｏは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｃｏは、Ｎｉと同様オ−ステナイト生成元素であり、相安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。したがって、Ｃｏを含有させてもよい。しかしながら、Ｃｏは極めて高価な元素であるため、Ｃｏの過剰の含有は大幅なコスト増を招く。このため、Ｃｏを含有させる場合には、その含有量を１％以下とする。Ｃｏ含有量の上限は、望ましくは０．８％である。

一方、前記したＣｏの効果は、Ｃｏの含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。

Ｃｕ：１％以下
Ｃｕは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｃｕは、ＮｉおよびＣｏと同様オ−ステナイト生成元素であり、相安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。したがって、Ｃｕを含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕが過剰に含有された場合には熱間加工性の低下を招く。このため、Ｃｕを含有させる場合には、その含有量を１％以下とする。Ｃｕ含有量の上限は、望ましくは０．８％である。

一方、前記したＣｕの効果は、Ｃｕの含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。

Ｍｏ：１％以下
Ｍｏは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｍｏは、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度を向上させる作用を有する。したがって、Ｍｏを含有させてもよい。しかしながら、Ｍｏが過剰に含有された場合にはオーステナイトの安定性が低下して、却ってクリープ強度の低下を招く。そのため、Ｍｏを含有させる場合には、その含有量を１％以下とする。Ｍｏ含有量の上限は、望ましくは０．８％である。

一方、前記したＭｏの効果は、Ｍｏの含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。

Ｖ：０．５％以下
Ｖは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｖは、ＣまたはＮと結合して微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度を向上させる作用を有する。したがって、Ｖを含有させてもよい。しかしながら、Ｖが過剰に含有された場合、炭化物または炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｖを含有させる場合には、その含有量を０．５％以下とする。Ｖ含有量の上限は、望ましくは０．４％である。

一方、前記したＶの効果は、Ｖの含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。

Ｎｂ：０．５％以下
Ｎｂは、Ｖと同様にＣやＮと結合して微細な炭化物や炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度に寄与する。したがって、Ｎｂを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると炭化物や炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、Ｎｂを含有させる場合には、その含有量を０．５％以下とする。Ｎｂ含有量の上限は、望ましくは０．４％である。

一方、前記したＮｂの効果は、Ｎｂの含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。

Ｚｒ：０．５％以下
Ｚｒは、マトリックスに固溶してクリープ強度を向上させる作用を有する。したがって、Ｚｒを含有させてもよい。しかしながら、Ｚｒが過剰に含有された場合、クリープ延性を低下させることに加えＨＡＺでの液化割れ感受性を高める。そのため、Ｚｒを含有させる場合には、その含有量を０．５％以下とする。Ｚｒ含有量の上限は、望ましくは０．４％である。

一方、前記したＺｒの効果は、Ｚｒの含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。

上記のＣｏ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖ、ＮｂおよびＺｒは、そのうちのいずれか１種のみ、または、２種以上の複合で含有させることができる。これらの元素を複合して含有させる場合の合計量は、４．５％であってもよい。

（Ｂ）部材表面の粗さと硬さ：
前述の（Ａ）項に記載の化学組成を有する本発明のオーステナイト系耐熱部材は、製造時の表面疵や酸化皮膜を除去するために、表面を工具により切削加工されたり、グラインダーやベルターなどにより研磨加工される。そのため、部材表面には、これらの加工による凹凸が形成され、しかも、加工による歪が導入されるため硬さが増大する。

本発明のオーステナイト系耐熱部材は、部材表面に形成される凹凸に起因する最大粗さＲｚが５０μｍ以下を満足するものでなければならない。なお、「最大粗さＲｚ」は、ＪＩＳＢ０６０１（２００１）に規定される最大高さであり、接触式または非接触式の、表面粗さ測定装置により測定した値である。

部材表面の最大粗さＲｚ、特に、厚肉部材として多層溶接される場合の最終層側、すなわち外表面側の部材表面の最大粗さＲｚが５０μｍを超えると、溶接時にその凹凸の谷部が切り欠きとして作用し、その谷底部に存在する結晶粒界への熱応力の集中の度合いを大きくする。このため、たとえ、部材が前述の化学組成の条件を満足したとしても、多層溶接した溶接部近傍の部材の外表面に生じる微細な割れを防止できない。

そのため、本発明のオーステナイト系耐熱部材は、先ず、部材表面の最大粗さＲｚ、特に、多層溶接する場合の最終層側の部材表面の最大粗さＲｚを５０μｍ以下とする必要がある。

上記部材表面の最大粗さＲｚは望ましくは４０μｍ以下、さらに望ましくは３０μｍ以下であって、小さければ小さいほど望ましい。

次に、本発明のオーステナイト系耐熱部材は、部材の表面から深さ１００μｍまでの領域における最高硬さＨＶ0.025（max）と上記の部材表面の最大粗さＲｚとが、下記の、
ＨＶ0.025（max）≦−１．２×Ｒｚ＋３８０・・・［１］
式を満足するものでなければならない。

なお、既に述べたように、上記の「ＨＶ0.025」は、試験力を０．２４５２Ｎ（２５ｇｆ）としてマイクロビッカース硬さ試験を実施した場合の「硬さ記号」を意味する。

たとえ、部材が前述の化学組成の条件を満足し、さらに、前記部材表面の最大粗さＲｚが５０μｍ以下の条件を満足しても、上記の［１］式を満たさない場合には、溶接による熱応力が作用した際、粒内の変形抵抗が大きいため、熱応力が部材表面の凹凸の谷底部に存在する結晶粒界に集中する。そして、熱応力が粒界の強さを上回った場合、粒界が開口し、微細な割れとなる。

部材表面の最大粗さＲｚが大きくなればなるほど、凹凸の谷底部での応力集中の度合い大きくなるため、上述した最高硬さＨＶ0.025（max）をより低く管理しなければならない。

なお、上述した部材表面の粗さと硬さの条件、すなわち、
・部材表面の最大粗さＲｚが５０μｍ以下で、かつ
・部材の表面から深さ１００μｍまでの領域における最高硬さＨＶ0.025（max）と上記Ｒｚとが、前記の［１］式を満足する、
という条件は、例えば、切削バイトにより部材表面を切削加工した後、さらに粒度が６０番より細かい番手の砥石にて１回以上表面を研磨加工することにより、安定して達成することができる。

上記の条件は、切削バイトにより部材表面を切削加工した後、９００〜１２００℃の温度域で０．１〜５ｈ保持する熱処理を行うことによっても、安定して達成することができる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１に示す化学組成を有するオーステナイト系耐熱合金を実験室溶解してインゴットを作製した。

次いで、上記インゴットを用いて、熱間鍛造による成形、固溶化熱処理および切削バイトによる表面切削加工を行い、各オーステナイト系耐熱合金について、厚さ３０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍの合金板を複数枚作製した。

その後、合金板の一部については、粒度４０番または６０番の砥石にて１〜５回研磨加工した。さらに、上記合金板の一部に対して、９５０℃で３ｈ加熱してから水冷する熱処理、または１２００℃で０．５ｈ加熱してから水冷する熱処理を施した。

上記のようにして得た各合金板について、多層溶接において最終層側となる表面の最大粗さＲｚを接触式粗さ計により測定するとともに、横断面が被検面となるように試験片を切り出して鏡面研磨し、表面から深さ１００μｍまでの領域におけるマイクロビッカース硬さを測定した。具体的には、表面から深さ１００μｍ位置の間までのマイクロビッカース硬さを、試験力０．２５４２Ｎ（２５ｇｆ）にてランダムに４０点測定し，最も大きい値を最高硬さとした。

また、各合金板について、マイクロビッカース硬さ測定用の試験片を切り出した残りの部分を用いて、合金板の長手方向に、角度３０°、ルート厚さ１ｍｍのＶ開先を加工した後、ＪＩＳＧ３１０６（２００８）に記載されたＳＭ４００Ｃの厚さ５０ｍｍ、幅５００ｍｍで長さ５００ｍｍの鋼板上に、被覆アーク溶接棒としてＪＩＳＺ３２２４（２０１０）に規定の「ＥＮｉ６１８２」を用いて、四周を拘束溶接した。

次いで、溶接ワイヤ（ＡＷＳＡ５．１４ＥＲＮｉＣｒＣｏＭｏ−１）を用いて、ＴＩＧ溶接により開先内に多層溶接を行った。

上記のようにして得た試験体からそれぞれ、溶接部の横断面が被検面となるように５個の試験片を切り出して鏡面研磨し、光学顕微鏡により検鏡して、割れ発生の有無を調査した。なお、光学顕微鏡により検鏡した５断面の全てにおいて、最終層側の表面近傍に割れが観察されなかったものを「合格」とし、１断面でも最終層側の表面近傍に割れが観察されたものは「不合格」として、「耐割れ性」を評価した。

表２に、各合金板に施した研磨加工および熱処理の条件とともに、上記各試験の結果および［１］式の右辺、すなわち〔−１．２×Ｒｚ＋３８０〕を示す。

表２から、本発明で規定する条件を満足する合金板を使用して得られた試験体Ａ３〜Ａ１０、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ３〜Ｃ１０、Ｄ２およびＤ３の場合、最終層側の表面近傍に割れは観察されず、優れた耐割れ性を有していることが明らかである。

これに対して、本発明で規定する条件から外れた合金板を使用して得られた試験体Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｃ１、Ｃ２およびＤ１の場合、最終層側の表面近傍に割れが観察され、耐割れ性に劣っている。

具体的には、試験体Ａ１、Ｂ１、Ｃ１およびＤ１の場合、用いた合金板は、表面の最大粗さＲｚはいずれも５０μｍより小さいものの、［１］式を満たさない。このため、粒内の変形抵抗が大きく、溶接時の熱応力が外表面の凹凸の谷底部に存在する結晶粒界に集中し、微割れを招いた。

試験体Ａ２およびＣ２の場合、用いた合金板は、［１］式を満足するものの、表面の最大粗さＲｚがいずれも５０μｍより大きい。このため、外表面の凹凸の谷底部に存在する結晶粒界において、溶接時の熱応力の集中度合いが大きくなり、微割れを招いた。

上述のことから明らかなように、本発明で規定する条件を満たす合金板を用いた試験体のみが、良好な耐割れ性を備えていることがわかる。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：４０〜５５％、Ｃｒ：２０〜３５％、Ｗ：３〜１０％、Ｔｉ：０．０１〜１．２％、Ａｌ：０．３％以下、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、Ｎ：０．０２％以下およびＯ：０．０１％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成であって、部材表面の最大粗さＲｚが５０μｍ以下であり、かつ部材の表面から深さ１００μｍまでの領域における最高硬さＨＶ0.025（max）とＲｚとが、下記の［１］式を満足することを特徴とするオーステナイト系耐熱部材。
ＨＶ0.025（max）≦−１．２×Ｒｚ＋３８０・・・［１］。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、下記の第１群または第２群に属する１種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系耐熱部材。
第１群：Ｃａ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．１％以下
第２群：Ｃｏ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｍｏ：１％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下およびＺｒ：０．５％以下
肉厚が２０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のオーステナイト系耐熱部材。
請求項１から３までのいずれかに記載のオーステナイト系耐熱部材が溶接されたことにより組み立てられた構造部材。