JP6384610B2

JP6384610B2 - オーステナイト系耐熱合金及び溶接構造物

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Publication number: JP6384610B2
Application number: JP2017526238A
Authority: JP
Inventors: 平田　弘征; 弘征平田; 仙波　潤之; 潤之仙波; 佳奈浄徳; 伊勢田　敦朗; 敦朗伊勢田; 敏秀小野; 克樹田中
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2018-09-05
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Also published as: ES2759543T3; KR20180012813A; CN107709595A; WO2017002523A1; EP3318650B1; CN107709595B; JPWO2017002523A1; EP3318650A4; US20180216215A1; CA2988556A1; KR102048479B1; EP3318650A1; CA2988556C

Description

本発明は、オーステナイト系耐熱合金、及び同合金を備える溶接構造物に関する。

近年、環境負荷低減の観点から、発電用ボイラ等の運転条件の高温・高圧化が世界的規模で進められている。過熱器管や再熱器管に使用される材料には、より優れた高温強度や耐食性が求められている。

このような要求を満たす材料として、多量の窒素を含有させた種々のオーステナイト系耐熱合金が開示されている。

例えば、特開２００４−２５０７８３号公報には、Ｎを０．１〜０．３５％、Ｃｒを２２％超３０％未満とするとともに金属組織を規定した、高温強度と耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。

特開２００９−０８４６０６号公報には、Ｎを０．１〜０．３５％、Ｃｒを２２％超３０％未満とするとともに不純物元素を規定した、高温強度耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。

特開２０１２−１７４９号公報には、Ｎを０．０９〜０．３０％含み、ＭｏとＷを多量に複合添加した高温強度及び熱間加工性に優れるオーステナイト系耐熱鋼が開示されている。

国際公開第２００９／０４４７９６号には、Ｎを０．０３〜０．３５％、並びにＮｂ、Ｖ、及びＴｉのうちの１種又は２種以上を含む、高強度のオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。

これらのオーステナイト系耐熱合金は、一般には溶接により組み立てられた後、高温での使用に供される。しかしながら、高Ｎを含有するオーステナイト系耐熱合金を用いた溶接構造物を高温で長時間使用すると、ＳＩＰＨ（ＳｔｒａｉｎＩｎｄｕｃｅｄＰｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎＨａｒｄｅｎｉｎｇ：歪誘起析出硬化）割れと呼ばれる割れが溶接熱影響部で発生する場合がある。

前掲の国際公開第２００９／０４４７９６号には、粒界を脆化する元素と粒内を強化する元素とを所定の範囲に規定することで、長時間使用時に発生する割れを防止できると記載されている。確かに特定の条件では、これらの材料によって割れを防止することができる。しかしながら、近年、多量のＷ、Ｍｏ等を添加して、高温強度等の性能のさらなる向上を測ったオーステナイト系耐熱合金が用いられている。これらのオーステナイト系耐熱合金では、溶接の条件、構造物の形状、寸法等によって、安定して割れを防止することができない場合がある。具体的には、溶接入熱を大きくしたり、板厚を厚くしたり、６５０℃を超えるような高温で使用したりすると、安定して割れを防止できない場合がある。

本発明の目的は、優れた耐割れ性及び高温強度が安定して得られるオーステナイト系耐熱合金を提供することである。

本発明の一実施形態によるオーステナイト系耐熱合金は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１４％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００１％未満、Ｎｉ：２３〜３２％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：１〜５％、Ｎｂ：０．１〜０．６％、Ｖ：０．１〜０．６％、Ｎ：０．１〜０．３％、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、Ｓｎ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０３％以下、Ｏ：０．０２％以下、Ｔｉ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜２％、Ｃｕ：０〜４％、Ｍｏ：０〜４％、Ｃａ：０〜０．０２％、Ｍｇ：０〜０．０２％、ＲＥＭ：０〜０．２％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、結晶粒径がＡＳＴＭＥ１１２に規定される結晶粒度番号で２．０番以上７．０番未満である組織を有する。

本発明によれば、優れた耐割れ性及び高温強度が安定して得られるオーステナイト系耐熱合金が得られる。

図１は、実施例で作製した板の開先の形状を示す断面図である。

本発明者らは、上記の課題を解決するために詳細な調査を行った。その結果、以下に述べる知見が明らかになった。

高Ｎを含有するオーステナイト系耐熱合金を使用した溶接継手において、使用中に発生したＳＩＰＨ割れを詳細に調査した。その結果、（１）割れは溶融線近傍の粗粒な溶接熱影響部の結晶粒界に発生し、（２）その割れ破面上からは、Ｓの明瞭な濃化が検出された。さらに、（３）割れ近傍の粒内には、窒化物や炭窒化物が多量に析出していた。特に、Ｎｂを多量に含有する場合に顕著であった。加えて、（４）使用したオーステナイト系耐熱合金の初期の結晶粒径が大きいほど、溶接熱影響部の結晶粒径も大きくなり、割れが発生しやすくなることが分かった。

これらより、ＳＩＰＨ割れは、高温での使用中に粒内に多量の窒化物や炭窒化物が析出することに起因して、粒内が変形しにくくなることで、クリープ変形が粒界に集中する結果として開口に至ったものと考えられた。Ｓは、溶接中又は使用中に粒界に偏析し、粒界の結合力を低下させる。また、結晶粒径が大きいほど、単位体積当たりの結晶粒界の面積が減少する。結晶粒界は、窒化物や炭窒化物の核生成サイトとして機能する。そのため、結晶粒界が減少すると、窒化物や炭窒化物がより多量に粒内に析出しやすくなる。加えて、使用中に受ける外力、例えば溶接残留応力等に起因して生じるクリープ変形が、特定の粒界面により集中しやすくなる。そのため、母材の初期の結晶粒径が大きいほど、割れが生じやすくなると考えられた。特に６５０℃を超える高温では、析出物が短時間で析出することに加え、粒界偏析も早期に生じるため、問題が顕在化しやすくなると考えられた。

この割れを防止するためには、析出強化や固溶強化によって粒内の変形抵抗を高める元素を減らすことが有効である。しかしながら、これらの元素は、高温でのクリープ強度確保の観点からは必須の元素である。そのため、割れの防止と高温でのクリープ強度確保とはトレードオフの関係にあり、これらを両立することは困難である。

検討を重ねた結果、Ｃ：０．０４〜０．１４％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｎｉ：２３〜３２％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：１〜５％、Ｎ：０．１〜０．３％、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、Ａｌ：０．０３％以下、及びＯ：０．０２％以下を含むオーステナイト系耐熱合金において、ＳＩＰＨ割れを防止するためには、Ｎｂ及びＳ含有量をそれぞれ、０．１〜０．６％及び０．００１％未満に厳密に管理するとともに、母材の初期粒径をＡＳＴＭ（ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＭａｔｅｒｉａｌ：アメリカ材料試験協会）に規定される結晶粒度番号を２．０番以上とすることが有効であることを明らかにした。しかしながら、結晶粒径を必要以上に細かくするとともに、Ｎｂ含有量を制限すると、母材のクリープ強度が所定の値を満足しなくなる。そのため、結晶粒径は結晶粒度番号で７．０番未満とする必要があることが分かった。加えて、Ｎｂよりも析出強化能が低いＶを０．１〜０．６％含有させることが、耐ＳＩＰＨ割れ性を損なうことなく、所定のクリープ強度を満足させるために必要であることが判明した。

ところで、これらの対策でＳＩＰＨ割れは確かに防止できることが確認できたものの、検討を継続する中で別の問題が生じる可能性があることが判明した。

前述のように、オーステナイト系耐熱合金は、溶接によって組み立てられることが多い。これらを溶接する場合、通常は溶加材料を使用する。しかし、小型の薄肉部品や、肉厚部品でも初層溶接や仮付け溶接においては、溶加材料を使用せずガスシールドアーク溶接する場合がある。この際、溶け込み深さが不十分であると、未溶融の突き合わせ面が欠陥として残存し、溶接継手において必要な強度が得られない。Ｓは、耐ＳＩＰＨ割れ性を低下させる一方で、溶け込み深さを増大させる効果を有する。そのため、耐ＳＩＰＨ割れ性の観点からＳ量を０．００１％未満に厳密に管理すると、溶け込み不足の問題が顕在化しやすいことが分かった。

溶け込み不足を防止するためには、単純には溶接入熱を大きくすれば良い。しかし、溶接入熱を大きくすると、溶接熱影響部の粗大化が助長され、母材の初期粒径を結晶粒度番号で２．０番以上にしてもＳＩＰＨ割れを防止することができなくなった。

検討した結果、溶け込み不良を安定して防止したい場合、Ｓｎを０．００１〜０．０２％の範囲で含有させることが有効であることを見いだした。これは、Ｓｎが溶接中の溶融池表面から蒸発しやすく、アーク中でイオン化することで、通電経路の形成に寄与してアークの電流密度を高めることによるものと考えられた。

以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、本発明の一実施形態によるオーステナイト系耐熱合金を詳述する。

［化学組成］
本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。

Ｃ：０．０４〜０．１４％
炭素（Ｃ）は、オーステナイト組織を安定にするとともに、微細な炭化物を形成して高温使用中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、０．０４％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｃを過剰に含有すると、炭化物が多量に析出し、耐ＳＩＰＨ割れ性が低下する。そのため、上限は０．１４％とする。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．０６％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．１３％であり、さらに好ましくは０．１２％である。

Ｓｉ：０．０５〜１％
シリコン（Ｓｉ）は、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性及び耐酸化性の向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには、０．０５％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｓｉを過剰に含有すると、組織の安定性が低下して、靱性及びクリープ強度の低下を招く。そのため、上限は１％とする。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは０．６％であり、さらに好ましくは０．５％である。

Ｍｎ：０．５〜２．５％
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。Ｍｎはまた、オーステナイト組織の安定化に寄与する。この効果を十分に得るためには、０．５％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｍｎを過剰に含有すると、合金の脆化を招き、さらに、クリープ延性が低下する。そのため、上限は２．５％とする。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは０．６％であり、さらに好ましくは０．７％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは２％であり、さらに好ましくは１．５％である。

Ｐ：０．０３％以下
リン（Ｐ）は、不純物として合金中に含まれ、溶接中に溶接熱影響部の結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める。Ｐはさらに、長時間使用後のクリープ延性を低下させる。そのため、Ｐ含有量には上限を設けて０．０３％以下とする。Ｐ含有量の上限は、好ましくは０．０２８％、さらに好ましくは０．０２５％である。Ｐ含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．０００８％である。

Ｓ：０．００１％未満
硫黄（Ｓ）は、Ｐと同様に不純物として合金中に含まれ、溶接中に溶接熱影響部の結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める。Ｓはさらに、長時間使用中に結晶粒界に偏析して脆化を招き、耐ＳＩＰＨ割れ性を大きく低下させる元素である。本実施形態の化学組成の範囲においてこれらを防止するためには、Ｓ含有量を０．００１％未満にする必要がある。Ｓ含有量の上限は、好ましくは０．０００８％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。Ｓ含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量の下限は、好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００２％である。

Ｎｉ：２３〜３２％
ニッケル（Ｎｉ）は、長時間使用時のオーステナイト相の安定性を確保するために必須の元素である。本実施形態のＣｒ、Ｗ含有量の範囲でこの効果を十分に得るためには、Ｎｉを２３％以上含有する必要がある。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、上限は３２％とする。Ｎｉ含有量の下限は、好ましくは２５％であり、さらに好ましくは２５．５％である。Ｎｉ含有量の上限は、好ましくは３１．５％であり、さらに好ましくは３１％である。

Ｃｒ：２０〜２５％
クロム（Ｃｒ）は、高温での耐酸化性及び耐食性の確保のために必須の元素である。Ｃｒはまた、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。本実施形態のＮｉ含有量の範囲でこの効果を十分に得るためには、Ｃｒを２０％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｃｒを過剰に含有すると、高温でのオーステナイト相の組織安定性が劣化してクリープ強度が低下する。そのため、上限は２５％とする。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは２０．５％であり、さらに好ましくは２１％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは２４．５％であり、さらに好ましくは２４％である。

Ｗ：１〜５％
タングステン（Ｗ）は、マトリックスに固溶して、又は微細な金属間化合物を形成して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に大きく寄与する。この効果を十分に得るためには、１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｗを過剰に含有すると、粒内の変形抵抗が高くなって耐ＳＩＰＨ割れ性が低下するとともに、クリープ強度が低下する場合がある。さらに、Ｗ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、上限は５％とする。Ｗ含有量の下限は、好ましくは１．２％であり、さらに好ましくは１．５％である。Ｗ含有量の上限は、好ましくは４．５％であり、さらに好ましくは４％である。

Ｎｂ：０．１〜０．６％
ニオブ（Ｎｂ）は、微細なＭＸ型炭窒化物として析出することに加え、Ｚ相（ＣｒＮｂＮ）として粒内に析出して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に大きく寄与する。この効果を十分に得るためには、０．１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｎｂを過剰に含有すると、これら析出物による強化能が大きすぎ、耐ＳＩＰＨ割れ性が低下するとともに、クリープ延性及び靱性の低下を招く。そのため、上限は０．６％とする。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．５５％であり、さらに好ましくは０．５％である。

Ｖ：０．１〜０．６％
バナジウム（Ｖ）は、微細なＭＸ型炭窒化物として粒内に析出して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、０．１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｖを過剰に含有すると、炭窒化物が多量に析出して耐ＳＩＰＨ割れ性が低下するとともに、クリープ延性及び靱性の低下を招く。そのため、上限は０．６％とする。Ｖ含有量の下限は、好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．５５％であり、さらに好ましくは０．５％である。

Ｎ：０．１〜０．３％
窒素（Ｎ）は、オーステナイト組織を安定にするとともに、マトリックスに固溶して、又は窒化物として析出して、高温強度の向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、０．１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｎを過剰に含有すると、短時間使用時には固溶によって、長時間使用中には多量の微細窒化物が粒内に析出することによって、粒内変形抵抗が高くなり、耐ＳＩＰＨ割れ性が低下する。さらに、クリープ延性及び靱性が低下する。そのため、上限は０．３％とする。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１４％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．２８％であり、さらに好ましくは０．２６％である。

Ｂ：０．０００５〜０．０１％
ボロン（Ｂ）は、粒界炭化物を微細に分散させることによってクリープ強度を向上させるとともに、粒界に偏析して粒界を強化する。この効果を十分に得るためには、０．０００５％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｂを過剰に含有すると、溶接中の溶接熱サイクルによって溶融境界近傍の溶接熱影響部にＢが多量に偏析して粒界の融点が低下し、液化割れ感受性が高くなる。そのため、上限は０．０１％とする。Ｂ含有量の下限は、好ましくは０．０００８であり、さらに好ましくは０．００１％である。Ｂ含有量の上限は、好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．００６％である。

Ｓｎ：０．００１〜０．０２％
スズ（Ｓｎ）は、溶融池から蒸発してアークの電流密度を増大させることによって、溶接時の溶け込み深さを増大させる効果を有する。この効果を十分に得るためには、０．００１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｓｎを過剰に含有すると、溶接中の溶接熱影響部の液化割れ感受性及び使用中のＳＩＰＨ割れ感受性が高くなる。そのため、上限は０．０２％とする。Ｓｎ含有量の下限は、好ましくは０．００１５％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｓｎ含有量の上限は、好ましくは０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。

Ａｌ：０．０３％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、脱酸作用を有する。しかしながら、Ａｌを過剰に含有すると、合金の清浄性が劣化して熱間加工性が低下する。そのため、上限は０．０３％とする。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２％である。下限は特に設ける必要はないが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。なお、本発明においては、Ａｌは酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）を意味する。

Ｏ：０．０２％以下
酸素（Ｏ）は、不純物として合金中に含まれ、溶接中の溶け込み深さを増大する効果を有する。しかしながら、Ｏを過剰に含有すると、熱間加工性が低下するとともに、靱性や延性が劣化する。そのため、上限は０．０２％とする。Ｏ含有量の上限は、好ましくは０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。下限は特に設ける必要はないが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｏ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％、さらに好ましくは０．０００８％である。

本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物とは、耐熱合金を工業的に製造する際に、原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、又は製造過程の環境等から混入する元素を意味する。

本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金の化学組成は、上記のＦｅの一部に代えて、下記の第１群から第３群のいずれかの群から選択される１種以上の元素を含有しても良い。下記の元素は、すべて選択元素である。すなわち、下記の元素は、いずれも本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金に含有されていなくても良い。また、一部だけが含有されていても良い。

より具体的には、例えば、第１群から第３群までの群の中から１つの群だけを選択し、その群から１種以上の元素を選択しても良い。この場合、選択した群に属するすべての元素を選択する必要はない。また、第１群から第３群の中から複数の群を選択し、それぞれの群から１種以上の元素を選択しても良い。この場合も、選択した群に属するすべての元素を選択する必要はない。

第１群Ｔｉ：０〜０．５％
第１群に属する元素は、Ｔｉである。Ｔｉは、析出強化によって合金のクリープ強度を向上する。

Ｔｉ：０〜０．５％
チタン（Ｔｉ）は、ＮｂやＶと同様、炭素又は窒素と結合して微細な炭化物又は炭窒化物を形成して、クリープ強度の向上に寄与する。Ｔｉを少しでも含有すればこの効果が得られる。しかしながら、Ｔｉを過剰に含有すると、析出物が多量になって耐ＳＩＰＨ性及びクリープ延性が低下する。そのため、上限は０．５％とする。Ｔｉ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｔｉ含有量の上限は、好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．４％である。

第２群Ｃｏ：０〜２％、Ｃｕ：０〜４％、Ｍｏ：０〜４％
第２群に属する元素は、Ｃｏ、Ｃｕ、及びＭｏである。これらの元素は、合金のクリープ強度を向上する。

Ｃｏ：０〜２％
コバルト（Ｃｏ）は、Ｎｉと同様にオーステナイト生成元素であり、オーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。Ｃｏを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｃｏは極めて高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は２％とする。Ｃｏ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｃｏ含有量の上限は、好ましくは１．８％であり、さらに好ましくは１．５％である。

Ｃｕ：０〜４％
銅（Ｃｕ）は、ＮｉやＣｏと同様、オーステナイト組織の安定にするとともに、使用中に微細に析出してクリープ強度の向上に寄与する。Ｃｕを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有すると、熱間加工性の低下を招く。そのため、上限は４％とする。Ｃｕ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｃｕ含有量の上限は、好ましくは３．８％であり、さらに好ましくは３．５％である。

Ｍｏ：０〜４％
モリブデン（Ｍｏ）は、Ｗと同様、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。Ｍｏを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｍｏを過剰に含有すると、粒内の変形抵抗が高くなって耐ＳＩＰＨ割れ性が低下するとともに、クリープ強度が低下する場合がある。さらに、Ｍｏ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、上限は４％とする。Ｍｏ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｍｏ含有量の上限は、好ましくは３．８％であり、さらに好ましくは３．５％である。

第３群Ｃａ：０〜０．０２％、Ｍｇ：０〜０．０２％、ＲＥＭ：０〜０．２％
第３群に属する元素はＣａ、Ｍｇ、及びＲＥＭである。これらの元素は、合金の熱間加工性を改善する。

Ｃａ：０〜０．０２％
カルシウム（Ｃａ）は、製造時の熱間加工性を改善する。Ｃａを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｃａを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は０．０２％とする。Ｃａ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。Ｃａ含有量の上限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．００５％である。

Ｍｇ：０〜０．０２％
マグネシウム（Ｍｇ）は、Ｃａと同様、製造時の熱間加工性を改善する。Ｍｇを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｍｇを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は０．０２％とする。Ｍｇ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。Ｍｇ含有量の上限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．００５％である。

ＲＥＭ：０〜０．２％
希土類元素（ＲＥＭ）は、ＣａやＭｇと同様、製造時の熱間加工性を改善する。ＲＥＭを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、ＲＥＭを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は０．２％とする。ＲＥＭ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。ＲＥＭ含有量の上限は、好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．１％である。

「ＲＥＭ」とはＳｃ、Ｙ及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種又は２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭ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、合金にミッシュメタルを添加して、ＲＥＭの含有量が上記の範囲となるようにしても良い。

なお、「ＲＥＭ」の中でも、ＮｄはＳやＰとの親和力が強く、硫化物や燐化物を形成し、溶接液化割れ感受性を低下する効果を特に有するため、これを活用することがより好ましい。

［組織］
結晶粒度番号：２．０番以上７．０番未満
本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金は、結晶粒径がＡＳＴＭＥ１１２に規定される結晶粒度番号で２．０番以上７．０番未満である組織を有する。

本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金を用いた溶接構造物において、その溶接熱影響部に十分な耐ＳＩＰＨ割れ性を付与するためには、溶接による熱サイクルを受けても溶接熱影響部の結晶粒径が過度に粗大にならないように、溶接前の組織の結晶粒径を、ＡＳＴＭＥ１１２に規定される結晶粒度番号で２．０番以上の細粒とする必要がある。しかしながら、結晶粒径が７．０番以上の細粒となると、必要なクリープ強度が得られない。そのため、結晶粒径を２．０番以上７．０番未満とする。

上記の結晶粒径を有する組織は、上記の化学組成の合金を適切な条件で熱処理することで得られる。この組織は例えば、上記の化学組成の合金を熱間加工や冷間加工で所定の形状に成形した後、９００〜１２５０℃の温度で３〜６０分間保持した後水冷する固溶化熱処理を実施することによって達成される。固溶化熱処理の保持温度が高いほど、また、保持時間が長いほど、結晶粒径が大きくなる（結晶粒度番号が小さくなる）。固溶化熱処理は、１１２０〜１２２０℃の温度で３〜４５分間保持した後水冷することがより好ましく、１１４０〜１２１０℃の温度で３〜３０分間保持した後水冷することがさらに好ましい。

以上、本発明の一実施形態によるオーステナイト系耐熱合金を説明した。本実施形態によれば、優れた耐割れ性及び高温強度が安定して得られるオーステナイト系耐熱合金が得られる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明は、これらの実施例に限定されない。

表１に示す化学組成を有するＡ〜Ｊの材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットを、１０００〜１１５０℃の温度範囲で熱間鍛造及び熱間圧延し、厚さ２０ｍｍの板とした。この板をさらに冷間圧延して厚さ１６ｍｍにした。この板を１２００℃で所定時間保持した後水冷する固溶化熱処理を実施した。固溶化熱処理の後、機械加工によって厚さ１４ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの板に成形した。また、この板とは別に、固溶化熱処理した板から組織観察用の試料を採取して、ＡＳＴＭＥ１１２に準拠して組織の結晶粒径を測定した。なお、材料Ａについては、固溶化熱処理の保持時間を３〜３０分の範囲で変化させ、結晶粒径の異なる材料を作製した。

［溶接施工性］
上記で作製した板の長手方向に沿って、図１に示す開先加工を施した。開先加工を施した板同士を突き合わせ、ガスタングステンアーク溶接法によって、各代符につき２継手ずつ、突き合わせ溶接を行って溶接継手を作製した。溶接は、溶加材料を用いず、入熱量は５ｋＪ／ｃｍとした。

得られた溶接継手のうち、２継手とも溶接線の全長にわたって、幅が２ｍｍ以上の裏ビードが形成されたものを、溶接施工性が良好であるとして「合格」とした。２継手のうち一部でも裏ビードが形成されない部分があったものを溶接施工性が不芳であるとし「不可」と判定した。

［耐溶接割れ性］
初層のみ溶接した上記の溶接継手を、ＪＩＳＧ３１０６（２００８）に規定のＳＭ４００Ｂ相当の市販の鋼板（厚さ３０ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍ）の上に、ＪＩＳＺ３２２４（２０１０）に規定の被覆アーク溶接棒ＥＮｉ６６２５を用いて四周を拘束溶接した。その後、ＪＩＳＺ３３３４（２０１１）に規定のＳＮｉ６６２５該当のティグワイヤを用いて、入熱１０〜１５ｋＪ／ｃｍでＴＩＧ溶接により開先内に積層溶接を行って、各代符につき２継手ずつ溶接継手を作製した。

各代符の溶接継手の一方に、７００℃×５００時間の時効熱処理を行った。溶接ままの溶接継手及び時効熱処理を施した溶接継手の各５カ所から、観察面が継手の横断面（溶接ビードと垂直な断面）になるように試料を採取した。採取した試料を鏡面研磨、腐食した後、光学顕微鏡によって検鏡し、溶接熱影響部における割れの有無を調査した。５個の試料のすべてで割れが観察されなかった溶接継手を「良」、１個の試料で割れが観察された溶接継手を「可」として、合格と判断した。２個以上の試料で割れが観察された溶接継手を「不可」と判断した。

［クリープ破断強さ］
耐溶接割れ性試験で合格した溶接ままの溶接継手から、溶接金属が平行部の中央となるように丸棒クリープ破断試験片を採取した。母材の目標破断時間が約１０００時間となる７００℃、１６７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行った。母材破断し、かつ、その破断時間が母材の破断時間の９０％以上（すなわち、９００時間以上）となるものを「合格」とした。

［性能評価結果］
性能評価結果を表２に示す。表２には、各代符のオーステナイト系耐熱合金の結晶粒度番号を併せて示す。

代符Ａ−１〜Ａ−４、Ｂ〜Ｄ、及びＩのオーステナイト系耐熱合金を母材とする溶接継手は、化学組成が適切であり、母材の初期粒径が結晶粒度番号で２．０番以上７．０番未満であった。これらの溶接継手は、初層溶接において裏ビードが全長にわたり形成され、良好な溶接施工性を有していた。また、母材の厚さが１４ｍｍと比較的厚かったにもかかわらず、時効熱処理を施した場合でも溶接熱影響部に割れが生じず、優れた耐割れ性を有していた。さらに、高温のクリープ破断強度も十分であった。

代符Ａ−５のオーステナイト系耐熱合金を母材とする溶接継手は、時効熱処理後にＳＩＰＨ割れと考えられる割れが発生した。これは、代符Ａ−５のオーステナイト系耐熱合金の結晶粒径が、粗粒すぎたためと考えられる。

代符Ａ−６のオーステナイト系耐熱合金を母材とする溶接継手は、優れた耐割れ性を有していたものの、クリープ破断時間が目標を下回った。これは、代符Ａ−６のオーステナイト系耐熱合金の結晶粒径が、細粒すぎたためと考えられる。

代符Ｅのオーステナイト系耐熱合金を母材とする溶接継手は、初層溶接において、一部裏ビードが形成されなかった。これは、代符Ｅのオーステナイト系耐熱合金のＳｎ含有量が少なすぎたためと考えられる。

代符Ｆのオーステナイト系耐熱合金を母材とする溶接継手は、Ｓｎを含有しないもののＳを多量に含有したため、裏ビードは十分に形成されていた。しかし、時効熱処理後にＳＩＰＨ割れと考えられる割れが発生した。

代符Ｇのオーステナイト系耐熱合金を母材とする溶接継手は、溶接まま及び時効熱処理後に、それぞれ液化割れ及びＳＩＰＨ割れと考えられる割れが発生した。これは、代符Ｇのオーステナイト系耐熱合金のＳｎ含有量が多すぎたためと考えられる。

代符Ｈのオーステナイト系耐熱合金を母材とする溶接継手は、溶接施工性及び耐溶接割れ性は良好であったものの、必要とされるクリープ強度を満足しなかった。これは、代符Ｈのオーステナイト系耐熱合金のＮｉ含有量が少なすぎたため、相安定性が不安定になったためと考えられる。

代符Ｊのオーステナイト系耐熱合金を母材とする溶接継手も必要とされるクリープ強度を満足しなかった。これは、代符Ｊのオーステナイト系耐熱合金に含有されるＶ量が下限を下回ったためと考えられる。

本発明は、発電用ボイラの主蒸気管や高温再熱蒸気管等の高温部材として用いられるオーステナイト系耐熱合金として、好適に用いることができる。

Claims

化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４〜０．１４％、
Ｓｉ：０．０５〜１％、
Ｍｎ：０．５〜２．５％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．００１％未満、
Ｎｉ：２３〜３２％、
Ｃｒ：２０〜２５％、
Ｗ：１〜５％、
Ｎｂ：０．１〜０．６％、
Ｖ：０．１〜０．６％、
Ｎ：０．１〜０．３％、
Ｂ：０．０００５〜０．０１％、
Ｓｎ：０．００１〜０．０２％、
Ａｌ：０．０３％以下、
Ｏ：０．０２％以下、
Ｔｉ：０〜０．５％、
Ｃｏ：０〜２％、
Ｃｕ：０〜４％、
Ｍｏ：０〜４％、
Ｃａ：０〜０．０２％、
Ｍｇ：０〜０．０２％、
ＲＥＭ：０〜０．２％、
残部：Ｆｅ及び不純物であり、
結晶粒径がＡＳＴＭＥ１１２に規定される結晶粒度番号で２．０番以上７．０番未満である組織を有する、オーステナイト系耐熱合金。
請求項１に記載のオーステナイト系耐熱合金であって、
前記化学組成が、質量％で、下記の第１群から第３群までのいずれかの群から選択される１種以上の元素を含有する、オーステナイト系耐熱合金。
第１群Ｔｉ：０．０１〜０．５％
第２群Ｃｏ：０．０１〜２％、Ｃｕ：０．０１〜４％、Ｍｏ：０．０１〜４％
第３群Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．２％
請求項１又は２に記載のオーステナイト系耐熱合金を備える、溶接構造物。