JP6477252B2 - オーステナイト系耐熱合金および耐熱耐圧部材 - Google Patents
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Description
本発明は、オーステナイト系耐熱合金および耐熱耐圧部材に係り、特に、クリープ破断強度に優れる高強度オーステナイト系耐熱合金およびそれからなる耐熱耐圧部材に関する。
従来、高温環境下で使用されるボイラおよび化学プラント等においては、装置用材料としてＳＵＳ３０４Ｈ、ＳＵＳ３１６Ｈ、ＳＵＳ３２１Ｈ、ＳＵＳ３４７Ｈ等の１８−８系オーステナイトステンレス鋼が使用されてきた。
しかし、近年、高効率化のために蒸気の温度と圧力とを高めた超々臨界圧ボイラの新設が世界中で進められている。このような高温環境下における装置の使用条件が著しく過酷化し、それに伴って使用材料に対する要求性能が厳しくなってきた。そして、従来用いられてきた１８−８系オーステナイトステンレス鋼では高温強度、特にクリープ破断強度が著しく不足する状況となっている。
そこで、各種合金元素を最適量含有させることにより、クリープ破断強度を改善したオーステナイト系ステンレス鋼が発明されてきた。しかしながら、最近、例えば火力発電用ボイラの分野では、蒸気温度を７００℃以上に高める計画が推進されるようになってきた。この場合、使用される部材の温度は７００℃を遙かに超えることとなる。そのため、新たに改良されたオーステナイト系ステンレス鋼でもクリープ破断強度および耐食性が不十分となってきた。
上記の厳しい要求に対して、特許文献１には優れたクリープ破断強度と熱間加工性とを有するオーステナイト系耐熱合金が開示されている。
特許文献１では、Ｃｒを２８〜３８％、Ｎｉを４０％を超えて６０％以下で含有させることによって、最適量のα−Ｃｒを析出させて、さらにＷ、ＴｉおよびＺｒを含有させ、ＡｌおよびＰの含有量を適切に制御することにより、クリープ破断強度と熱間加工性とに優れたオーステナイト系耐熱合金を得ることが可能となる。
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、７００℃でのクリープ破断強度に優れる合金部材を得ることは可能であるが、例えば、７５０℃でのクリープ破断強度に優れる合金部材が得られるか明らかでない。そのため、近年益々高まる７００℃を超える温度での高強度化の要請に対して十分に応えられているとはいえない。
本発明は上記の問題を解決し、７５０℃での高いクリープ破断強度を安定的に発現するオーステナイト系耐熱合金およびそれからなる耐熱耐圧部材を提供することを目的とする。
本発明者らが７００℃を超える温度での高強度化を達成するために鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得るに至った。
（ａ）前述のように、Ｃｒを２８〜３８％、Ｎｉを４０％を超えて６０％以下で含有させることによって、最適量のα−Ｃｒを析出させて、さらにＷ、ＴｉおよびＺｒを含有させ、ＡｌおよびＰの含有量を適切に制御することにより、クリープ破断強度と熱間加工性とに優れたオーステナイト系耐熱合金を得ることができる。
（ｂ）ここで、Ｎは合金を溶製する際に不可避的に混入する元素であるが、Ｎは強化元素であるＴｉおよびＺｒを消費するため、極力低減することが望まれる。しかしながら、実機溶製では、Ｎの過度の低減は経済性を著しく損なわせる。
（ｃ）Ｎ含有量を極端に低減させなくても、Ｎ含有量に応じてＴｉおよびＺｒの含有量を調整するとともに、適正量のＢを含有させることによって、７００℃を超える環境でのクリープ破断強度を向上させることができる。
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、下記のオーステナイト系耐熱合および耐熱耐圧部材を要旨とする。
（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０２％を超えて０．１５％以下、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：３．０％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｃｒ：２８．０〜３８．０％、
Ｎｉ：４０．０％を超えて６０．０％以下、
Ｗ：３．０％を超えて１５．０％以下、
Ｔｉ：０．０５〜１．０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．２％、
Ａｌ：０．０１〜０．３％、
Ｎ：０．０２％以下、
Ｍｏ：０．５％未満、
Ｂ：０．００５％以下、
Ｃｏ：０〜２０．０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記の（ｉ）式および（ii）式を満足する、オーステナイト系耐熱合金。
（１．９Ｔｉ＋１５Ｚｒ）／６．５Ｎ≧２５．０ ・・・（ｉ）
０．０１５Ｃ≦Ｂ ・・・（ii）
但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
Ｃ：０．０２％を超えて０．１５％以下、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：３．０％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｃｒ：２８．０〜３８．０％、
Ｎｉ：４０．０％を超えて６０．０％以下、
Ｗ：３．０％を超えて１５．０％以下、
Ｔｉ：０．０５〜１．０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．２％、
Ａｌ：０．０１〜０．３％、
Ｎ：０．０２％以下、
Ｍｏ：０．５％未満、
Ｂ：０．００５％以下、
Ｃｏ：０〜２０．０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記の（ｉ）式および（ii）式を満足する、オーステナイト系耐熱合金。
（１．９Ｔｉ＋１５Ｚｒ）／６．５Ｎ≧２５．０ ・・・（ｉ）
０．０１５Ｃ≦Ｂ ・・・（ii）
但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
（２）前記化学組成が、質量％で、さらに下記の＜１＞〜＜３＞のグループから選択される１以上のグループに属する１種以上の元素を含有する、上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱合金。
＜１＞Ｎｂ：１．０％以下、Ｖ：１．５％以下およびＨｆ：１．０％以下
＜２＞Ｍｇ：０．０５％以下、Ｃａ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．５％以下
＜３＞Ｔａ：８．０％以下、Ｒｅ：８．０％以下、Ｉｒ：５．０％以下、Ｐｄ：５．０％以下、Ｐｔ：５．０％以下およびＡｇ：５．０％以下
＜１＞Ｎｂ：１．０％以下、Ｖ：１．５％以下およびＨｆ：１．０％以下
＜２＞Ｍｇ：０．０５％以下、Ｃａ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．５％以下
＜３＞Ｔａ：８．０％以下、Ｒｅ：８．０％以下、Ｉｒ：５．０％以下、Ｐｄ：５．０％以下、Ｐｔ：５．０％以下およびＡｇ：５．０％以下
上記（１）または（２）に記載のオーステナイト系耐熱合金からなる、耐熱耐圧部材。
本発明のオーステナイト系耐熱合金は、クリープ破断強度に優れ、それを素材とすることによって、７５０℃での高いクリープ破断強度を安定的に発現する耐熱耐圧部材を得ることができる。そのため、本発明の耐熱耐圧部材は、高温環境下で使用されるボイラおよび化学プラント等の装置用材料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。
１．化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０２％を超えて０．１５％以下
Ｃは、炭化物を形成して高温環境下で使用される際に必要となる引張強さおよびクリープ破断強度を確保する作用を有する。この効果を発揮させるためには、０．０２％を超える量のＣを含有させる必要がある。しかしながら、Ｃ含有量が０．１５％を超えると、固溶化熱処理後の未固溶炭化物の量が増加するだけで、高温強度の向上に寄与しなくなり、さらに、靱性など他の機械的性質および溶接性も劣化させる。したがって、Ｃ含有量は０．０２％を超えて０．１５％以下とする。Ｃは、０．０３％を超えて含有させるのが好ましく、０．０５％を超えて含有させるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．１３％以下であるのが好ましく、０．１２％以下であるのがより好ましい。
Ｃは、炭化物を形成して高温環境下で使用される際に必要となる引張強さおよびクリープ破断強度を確保する作用を有する。この効果を発揮させるためには、０．０２％を超える量のＣを含有させる必要がある。しかしながら、Ｃ含有量が０．１５％を超えると、固溶化熱処理後の未固溶炭化物の量が増加するだけで、高温強度の向上に寄与しなくなり、さらに、靱性など他の機械的性質および溶接性も劣化させる。したがって、Ｃ含有量は０．０２％を超えて０．１５％以下とする。Ｃは、０．０３％を超えて含有させるのが好ましく、０．０５％を超えて含有させるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．１３％以下であるのが好ましく、０．１２％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは、脱酸元素として含有される。また、Ｓｉは、耐酸化性、耐水蒸気酸化性等を高めるためにも有効な元素である。しかしながら、Ｓｉ含有量が多くなって、特に、２．０％を超えると、σ相等の金属間化合物の生成を促進するので、高温における組織の安定性が劣化して靱性および延性の低下を招く。さらに、溶接性および熱間加工性も低下する。したがって、Ｓｉ含有量は２．０％以下とする。靱性および延性が重視される場合には、Ｓｉ含有量は１．０％以下にすることが好ましい。なお、他の元素で脱酸作用が十分確保されている場合、特にＳｉ含有量について下限を設ける必要はない。しかし、脱酸作用、耐酸化性、耐水蒸気酸化性等を重視する場合は、Ｓｉ含有量は０．０５％以上とするのが好ましく、０．１％以上とするのがより好ましい。
Ｓｉは、脱酸元素として含有される。また、Ｓｉは、耐酸化性、耐水蒸気酸化性等を高めるためにも有効な元素である。しかしながら、Ｓｉ含有量が多くなって、特に、２．０％を超えると、σ相等の金属間化合物の生成を促進するので、高温における組織の安定性が劣化して靱性および延性の低下を招く。さらに、溶接性および熱間加工性も低下する。したがって、Ｓｉ含有量は２．０％以下とする。靱性および延性が重視される場合には、Ｓｉ含有量は１．０％以下にすることが好ましい。なお、他の元素で脱酸作用が十分確保されている場合、特にＳｉ含有量について下限を設ける必要はない。しかし、脱酸作用、耐酸化性、耐水蒸気酸化性等を重視する場合は、Ｓｉ含有量は０．０５％以上とするのが好ましく、０．１％以上とするのがより好ましい。
Ｍｎ：３．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用を有するとともに、合金中に不可避的に含有されるＳを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有する。しかしながら、Ｍｎ含有量が３．０％を超えると、σ相等の金属間化合物の析出を助長するので、組織安定性および高温強度などの機械的性質が劣化する。したがって、Ｍｎ含有量は３．０％以下とする。Ｍｎ含有量は２．０％以下であるのが好ましく、１．５％以下であるのがより好ましい。なお、Ｍｎ含有量について下限を設ける必要はないが、熱間加工性改善作用を重視する場合、Ｍｎ含有量は０．１％以上とするのが好ましく、０．２％以上とするのがより好ましい。
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用を有するとともに、合金中に不可避的に含有されるＳを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有する。しかしながら、Ｍｎ含有量が３．０％を超えると、σ相等の金属間化合物の析出を助長するので、組織安定性および高温強度などの機械的性質が劣化する。したがって、Ｍｎ含有量は３．０％以下とする。Ｍｎ含有量は２．０％以下であるのが好ましく、１．５％以下であるのがより好ましい。なお、Ｍｎ含有量について下限を設ける必要はないが、熱間加工性改善作用を重視する場合、Ｍｎ含有量は０．１％以上とするのが好ましく、０．２％以上とするのがより好ましい。
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、不純物として合金中に不可避的に混入し、熱間加工性を低下させる。特に、Ｐ含有量が０．０３％を超えると、熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｐ含有量を０．０３％以下とする。
Ｐは、不純物として合金中に不可避的に混入し、熱間加工性を低下させる。特に、Ｐ含有量が０．０３％を超えると、熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｐ含有量を０．０３％以下とする。
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物として合金中に不可避的に混入し、熱間加工性を低下させる。特に、Ｓ含有量が０．０１％を超えると、熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｓ含有量を０．０１％以下とする。なお、良好な熱間加工性を確保したい場合には、Ｓ含有量は０．００５％以下とするのが好ましく、０．００３％以下とするのがより好ましい。
Ｓは、Ｐと同様に不純物として合金中に不可避的に混入し、熱間加工性を低下させる。特に、Ｓ含有量が０．０１％を超えると、熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｓ含有量を０．０１％以下とする。なお、良好な熱間加工性を確保したい場合には、Ｓ含有量は０．００５％以下とするのが好ましく、０．００３％以下とするのがより好ましい。
Ｃｒ：２８．０〜３８．０％
Ｃｒは、耐酸化性、耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性などの耐食性改善作用を有する。さらに、Ｃｒは、α−Ｃｒ相として析出してクリープ破断強度を高めるため、本発明においては必須の元素である。しかしながら、その含有量が２８．０％未満では、これらの効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が多くなって、特に、３８．０％を超えると、熱間加工性が劣化し、さらに、σ相の析出などによる組織の不安定化を招く。したがって、Ｃｒ含有量は２８．０〜３８．０％とする。なお、３０．０％を超える量のＣｒを含有させることが好ましい。
Ｃｒは、耐酸化性、耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性などの耐食性改善作用を有する。さらに、Ｃｒは、α−Ｃｒ相として析出してクリープ破断強度を高めるため、本発明においては必須の元素である。しかしながら、その含有量が２８．０％未満では、これらの効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が多くなって、特に、３８．０％を超えると、熱間加工性が劣化し、さらに、σ相の析出などによる組織の不安定化を招く。したがって、Ｃｒ含有量は２８．０〜３８．０％とする。なお、３０．０％を超える量のＣｒを含有させることが好ましい。
Ｎｉ：４０．０％を超えて６０．０％以下
Ｎｉは、安定なオーステナイト組織を確保するために必須の元素である。２８．０〜３８．０％のＣｒを含有する本発明において、σ相の析出を抑制するとともにα−Ｃｒ相を安定に析出させるためには、４０．０％を超える量のＮｉを含有させる必要がある。しかしながら、Ｎｉ含有量が過剰になって、特に、６０．０％を超えると、Ｃｒの含有量によってはα−Ｃｒ相が十分に析出せず、さらに、経済性も損なわれる。したがって、Ｎｉ含有量は４０．０％を超えて６０．０％以下とする。
Ｎｉは、安定なオーステナイト組織を確保するために必須の元素である。２８．０〜３８．０％のＣｒを含有する本発明において、σ相の析出を抑制するとともにα−Ｃｒ相を安定に析出させるためには、４０．０％を超える量のＮｉを含有させる必要がある。しかしながら、Ｎｉ含有量が過剰になって、特に、６０．０％を超えると、Ｃｒの含有量によってはα−Ｃｒ相が十分に析出せず、さらに、経済性も損なわれる。したがって、Ｎｉ含有量は４０．０％を超えて６０．０％以下とする。
Ｗ：３．０％を超えて１５．０％以下
Ｗは、マトリックスに固溶して固溶強化元素としてクリープ破断強度の向上に寄与するばかりでなく、Ｆｅ２Ｗ型のＬａｖｅｓ相またはＦｅ７Ｗ６型のμ相として析出し、クリープ破断強度を大幅に向上させる極めて重要な元素である。さらに、Ｗは、２８．０〜３８．０％のＣｒを含有する本発明において析出するα−Ｃｒ相中に固溶して、高温での長時間使用中のα−Ｃｒ相の成長粗大化を抑制し、長時間側でのクリープ破断強度の急激な低下を抑止する作用を有する。しかしながら、Ｗ含有量が３．０％以下では、前記した効果が得られない。一方、１５．０％を超える量のＷを含有させても、前記の効果が飽和してコストが嵩むだけであり、しかも、組織安定性および熱間加工性が劣化する。したがって、Ｗ含有量は３．０％を超えて１５．０％以下とする。Ｗ含有量は１３．０％以下とするのが好ましい。なお、クリープ破断強度の向上効果をさらに重視する場合、６．０％を超える量のＷを含有させるのが好ましい。
Ｗは、マトリックスに固溶して固溶強化元素としてクリープ破断強度の向上に寄与するばかりでなく、Ｆｅ２Ｗ型のＬａｖｅｓ相またはＦｅ７Ｗ６型のμ相として析出し、クリープ破断強度を大幅に向上させる極めて重要な元素である。さらに、Ｗは、２８．０〜３８．０％のＣｒを含有する本発明において析出するα−Ｃｒ相中に固溶して、高温での長時間使用中のα−Ｃｒ相の成長粗大化を抑制し、長時間側でのクリープ破断強度の急激な低下を抑止する作用を有する。しかしながら、Ｗ含有量が３．０％以下では、前記した効果が得られない。一方、１５．０％を超える量のＷを含有させても、前記の効果が飽和してコストが嵩むだけであり、しかも、組織安定性および熱間加工性が劣化する。したがって、Ｗ含有量は３．０％を超えて１５．０％以下とする。Ｗ含有量は１３．０％以下とするのが好ましい。なお、クリープ破断強度の向上効果をさらに重視する場合、６．０％を超える量のＷを含有させるのが好ましい。
Ｔｉ：０．０５〜１．０％
Ｔｉは、α−Ｃｒ相の析出を促進させてクリープ破断強度を高める重要な元素である。特に、Ｔｉを後述のＺｒと複合して含有させることで、α−Ｃｒ相の析出が一層促進されて、クリープ破断強度をより高めることが可能になる。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．０５％未満では十分な効果が得られず、一方、１．０％を超えると熱間加工性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０．０５〜１．０％とする。Ｔｉ含有量は０．１％以上とするのが好ましく、０．２％以上とするのがより好ましい。また、Ｔｉ含有量は０．９％以下とするのが好ましく、０．５％以下とするのがより好ましい。
Ｔｉは、α−Ｃｒ相の析出を促進させてクリープ破断強度を高める重要な元素である。特に、Ｔｉを後述のＺｒと複合して含有させることで、α−Ｃｒ相の析出が一層促進されて、クリープ破断強度をより高めることが可能になる。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．０５％未満では十分な効果が得られず、一方、１．０％を超えると熱間加工性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０．０５〜１．０％とする。Ｔｉ含有量は０．１％以上とするのが好ましく、０．２％以上とするのがより好ましい。また、Ｔｉ含有量は０．９％以下とするのが好ましく、０．５％以下とするのがより好ましい。
Ｚｒ：０．００５〜０．２％
Ｚｒは、Ｔｉと同様に、α−Ｃｒ相の析出を促進させてクリープ破断強度を高める重要な元素である。特に、Ｚｒを上述のＴｉと複合して含有することで、α−Ｃｒ相の析出が一層促進されて、クリープ破断強度をより高めることが可能になる。しかしながら、Ｚｒ含有量が０．００５％未満では十分な効果が得られず、一方、０．２％を超えると熱間加工性が低下する。したがって、Ｚｒ含有量は０．００５〜０．２％とする。Ｚｒ含有量は０．０１％以上であるのが好ましい。また、Ｚｒ含有量は０．１％以下であるのが好ましく、０．０５％以下であるのがより好ましい。
Ｚｒは、Ｔｉと同様に、α−Ｃｒ相の析出を促進させてクリープ破断強度を高める重要な元素である。特に、Ｚｒを上述のＴｉと複合して含有することで、α−Ｃｒ相の析出が一層促進されて、クリープ破断強度をより高めることが可能になる。しかしながら、Ｚｒ含有量が０．００５％未満では十分な効果が得られず、一方、０．２％を超えると熱間加工性が低下する。したがって、Ｚｒ含有量は０．００５〜０．２％とする。Ｚｒ含有量は０．０１％以上であるのが好ましい。また、Ｚｒ含有量は０．１％以下であるのが好ましく、０．０５％以下であるのがより好ましい。
Ａｌ：０．０１〜０．３％
Ａｌは、脱酸作用を有する元素であり、その効果を発揮するには０．０１％以上の含有量が必要である。なお、Ａｌを多量に含有させることによって、γ’相が析出してクリープ破断強度を高めることができるが、本発明においては、適正量のＷ、ＴｉおよびＺｒを含有させ、α−Ｃｒ相とＬａｖｅｓ相等による複合析出強化でクリープ破断強度を飛躍的に高めることができるため、γ’相による強化は不要である。しかも、Ａｌ含有量が０．３％を超えると、熱間加工性、延性および靱性が劣化することがある。そのため、Ａｌ含有量を０．０１〜０．３％とする。
Ａｌは、脱酸作用を有する元素であり、その効果を発揮するには０．０１％以上の含有量が必要である。なお、Ａｌを多量に含有させることによって、γ’相が析出してクリープ破断強度を高めることができるが、本発明においては、適正量のＷ、ＴｉおよびＺｒを含有させ、α−Ｃｒ相とＬａｖｅｓ相等による複合析出強化でクリープ破断強度を飛躍的に高めることができるため、γ’相による強化は不要である。しかも、Ａｌ含有量が０．３％を超えると、熱間加工性、延性および靱性が劣化することがある。そのため、Ａｌ含有量を０．０１〜０．３％とする。
Ｎ：０．０２％以下
前述のように、本発明においては、α−Ｃｒ相の析出促進のためにＺｒおよびＴｉを必須の元素として含有させている。通常の溶解法では不可避的に含まれる元素であるＮは、ＺｒＮおよびＴｉＮを形成し、ＺｒおよびＴｉを消費してしまう。このことを避けるためには、Ｎ含有量は極力低減する必要がある。しかしながら、Ｎ含有量の極端な低減は、特殊溶解法の適用または高純度原料の使用を必要とし経済性を損なう。したがって、Ｎ含有量は０．０２％以下とする。なお、Ｎ含有量は０．０１５％以下であるのが好ましい。
前述のように、本発明においては、α−Ｃｒ相の析出促進のためにＺｒおよびＴｉを必須の元素として含有させている。通常の溶解法では不可避的に含まれる元素であるＮは、ＺｒＮおよびＴｉＮを形成し、ＺｒおよびＴｉを消費してしまう。このことを避けるためには、Ｎ含有量は極力低減する必要がある。しかしながら、Ｎ含有量の極端な低減は、特殊溶解法の適用または高純度原料の使用を必要とし経済性を損なう。したがって、Ｎ含有量は０．０２％以下とする。なお、Ｎ含有量は０．０１５％以下であるのが好ましい。
本発明においては、Ｔｉ、ＺｒおよびＮの含有量がそれぞれ、上記で規定した化学組成の範囲内にあって、かつ、下記（ｉ）式を満たす必要がある。上述のように、α−Ｃｒ相の析出を促進するＴｉおよびＺｒはＮと結びつきやすく、それぞれＴｉＮおよびＺｒＮとなって消費されるため、有効なＴｉおよびＺｒの量を確保する必要があるためである。
（１．９Ｔｉ＋１５Ｚｒ）／６．５Ｎ≧２５．０ ・・・（ｉ）
但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
（１．９Ｔｉ＋１５Ｚｒ）／６．５Ｎ≧２５．０ ・・・（ｉ）
但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
Ｍｏ：０．５％未満
従来、Ｍｏは、マトリックスに固溶して、固溶強化元素としてクリープ破断強度の向上に寄与する元素として、Ｗと同等の作用を有する元素と考えられてきた。しかしながら、本発明者らの検討によって、前述した量のＷとＣｒとを含む合金にＭｏが複合して含まれている場合には、長時間使用した際にσ相が析出することがあり、このため、クリープ破断強度、延性および靱性の低下をきたすことがあることが判明した。よって、Ｍｏ含有量は極力低くすることが望ましく、０．５％未満とする。なお、Ｍｏ含有量は０．２％未満に制限することが好ましい。
従来、Ｍｏは、マトリックスに固溶して、固溶強化元素としてクリープ破断強度の向上に寄与する元素として、Ｗと同等の作用を有する元素と考えられてきた。しかしながら、本発明者らの検討によって、前述した量のＷとＣｒとを含む合金にＭｏが複合して含まれている場合には、長時間使用した際にσ相が析出することがあり、このため、クリープ破断強度、延性および靱性の低下をきたすことがあることが判明した。よって、Ｍｏ含有量は極力低くすることが望ましく、０．５％未満とする。なお、Ｍｏ含有量は０．２％未満に制限することが好ましい。
Ｂ：０．００５％以下
Ｂは、Ｂ単体で粒界に、または炭窒化物中に存在し、高温での使用中における粒界強化による粒界すべり抑制および炭窒化物の微細分散析出促進によって、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。しかしながら、Ｂ含有量が０．００５％を超えると、溶接性が劣化する。したがって、Ｂ含有量は０．００５％以下とする。
Ｂは、Ｂ単体で粒界に、または炭窒化物中に存在し、高温での使用中における粒界強化による粒界すべり抑制および炭窒化物の微細分散析出促進によって、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。しかしながら、Ｂ含有量が０．００５％を超えると、溶接性が劣化する。したがって、Ｂ含有量は０．００５％以下とする。
また、本発明においては、高温強度およびクリープ破断強度を向上させるため、Ｃ含有量との関係において、下記（ii）式を満たす必要がある。
０．０１５Ｃ≦Ｂ ・・・（ii）
但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
０．０１５Ｃ≦Ｂ ・・・（ii）
但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
Ｃｏ：０〜２０．０％
Ｃｏは、Ｎｉと同様にオーステナイト組織を安定にする作用を有するとともに、クリープ破断強度の向上にも寄与する元素であるので、前記の効果を得るためにＣｏを含有させてもよい。しかしながら、２０．０％を超えてＣｏを含有させても上記の効果が飽和してコストが嵩むばかりであり、しかも、熱間加工性も低下する。したがって、Ｃｏ含有量は２０．０％以下とする。なお、Ｃｏ含有量は１５．０％以下とすることが好ましい。一方、前記したＣｏのオーステナイト組織を安定にする効果およびクリープ破断強度の向上効果を確実に得るためには、Ｃｏ含有量を０．０５％以上とすることが好ましく、０．５％以上とすることがより好ましい。
Ｃｏは、Ｎｉと同様にオーステナイト組織を安定にする作用を有するとともに、クリープ破断強度の向上にも寄与する元素であるので、前記の効果を得るためにＣｏを含有させてもよい。しかしながら、２０．０％を超えてＣｏを含有させても上記の効果が飽和してコストが嵩むばかりであり、しかも、熱間加工性も低下する。したがって、Ｃｏ含有量は２０．０％以下とする。なお、Ｃｏ含有量は１５．０％以下とすることが好ましい。一方、前記したＣｏのオーステナイト組織を安定にする効果およびクリープ破断強度の向上効果を確実に得るためには、Ｃｏ含有量を０．０５％以上とすることが好ましく、０．５％以上とすることがより好ましい。
本発明のオーステナイト系耐熱合金の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで「不純物」とは、合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
本発明のオーステナイト系耐熱合金には、さらに、下記の＜１＞〜＜３＞のグループから選択される１以上のグループに属する１種以上の元素を含有させてもよい。
＜１＞Ｎｂ：１．０％以下、Ｖ：１．５％以下およびＨｆ：１．０％以下
＜２＞Ｍｇ：０．０５％以下、Ｃａ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．５％以下
＜３＞Ｔａ：８．０％以下、Ｒｅ：８．０％以下、Ｉｒ：５．０％以下、Ｐｄ：５．０％以下、Ｐｔ：５．０％以下およびＡｇ：５．０％以下
＜１＞Ｎｂ：１．０％以下、Ｖ：１．５％以下およびＨｆ：１．０％以下
＜２＞Ｍｇ：０．０５％以下、Ｃａ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．５％以下
＜３＞Ｔａ：８．０％以下、Ｒｅ：８．０％以下、Ｉｒ：５．０％以下、Ｐｄ：５．０％以下、Ｐｔ：５．０％以下およびＡｇ：５．０％以下
＜１＞のグループの元素であるＮｂ、ＶおよびＨｆは、いずれも高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、より大きな高温強度およびクリープ破断強度を得たい場合には、これらの元素の１種以上を以下の範囲で積極的に含有させてもよい。
Ｎｂ：１．０％以下
Ｎｂは、炭窒化物を形成して高温強度およびクリープ破断強度を向上させるとともに結晶粒を微細化して延性を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＮｂを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂ含有量が１．０％を超えると、熱間加工性および靱性が低下する。したがって、含有させる場合のＮｂの量は１．０％以下とする。Ｎｂ含有量は０．９％以下とするのがより好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｎｂ含有量は０．０５％以上とするのが好ましく、０．１％以上とするのがより好ましい。
Ｎｂは、炭窒化物を形成して高温強度およびクリープ破断強度を向上させるとともに結晶粒を微細化して延性を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＮｂを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂ含有量が１．０％を超えると、熱間加工性および靱性が低下する。したがって、含有させる場合のＮｂの量は１．０％以下とする。Ｎｂ含有量は０．９％以下とするのがより好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｎｂ含有量は０．０５％以上とするのが好ましく、０．１％以上とするのがより好ましい。
Ｖ：１．５％以下
Ｖは、炭窒化物を形成して高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＶを含有させてもよい。しかしながら、Ｖ含有量が１．５％を超えると、耐高温腐食性が低下し、さらに脆化相の析出に起因した延性および靱性の劣化をきたす。したがって、含有させる場合のＶの量は１．５％以下とする。Ｖ含有量は１．２％以下とするのがより好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｖ含有量は０．０２％以上とするのが好ましく、０．０４％以上とするのがより好ましい。
Ｖは、炭窒化物を形成して高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＶを含有させてもよい。しかしながら、Ｖ含有量が１．５％を超えると、耐高温腐食性が低下し、さらに脆化相の析出に起因した延性および靱性の劣化をきたす。したがって、含有させる場合のＶの量は１．５％以下とする。Ｖ含有量は１．２％以下とするのがより好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｖ含有量は０．０２％以上とするのが好ましく、０．０４％以上とするのがより好ましい。
Ｈｆ：１．０％以下
Ｈｆは、炭窒化物として析出強化に寄与し高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するので、これらの効果を得るためにＨｆを含有させてもよい。しかしながら、Ｈｆ含有量が１．０％を超えると、加工性および溶接性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＨｆの量は１．０％以下とする。Ｈｆ含有量は０．８％以下とするのがより好ましく、０．５％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｈｆ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．０２％以上とするのがより好ましい。
Ｈｆは、炭窒化物として析出強化に寄与し高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するので、これらの効果を得るためにＨｆを含有させてもよい。しかしながら、Ｈｆ含有量が１．０％を超えると、加工性および溶接性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＨｆの量は１．０％以下とする。Ｈｆ含有量は０．８％以下とするのがより好ましく、０．５％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｈｆ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．０２％以上とするのがより好ましい。
上記のＮｂ、ＶおよびＨｆの合計含有量は３．５％以下であってもよいが、２．７％以下であることがより好ましい。
＜２＞のグループの元素であるＭｇ、ＣａおよびＲＥＭは、いずれもＳを硫化物として固定して熱間加工性を向上させる作用を有する。このため、より良好な熱間加工性を得たい場合には、これらの元素の１種以上を以下の範囲で積極的に含有させてもよい。
Ｍｇ：０．０５％以下
Ｍｇは、合金中に不可避的に含有されるＳを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有するので、この効果を得るためにＭｇを含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇ含有量が０．０５％を超えると、清浄性が低下し、かえって熱間加工性および延性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＭｇの量は０．０５％以下とする。Ｍｇ含有量は０．０２％以下とするのがより好ましく、０．０１％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｍｇ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．００１％以上とするのがより好ましい。
Ｍｇは、合金中に不可避的に含有されるＳを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有するので、この効果を得るためにＭｇを含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇ含有量が０．０５％を超えると、清浄性が低下し、かえって熱間加工性および延性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＭｇの量は０．０５％以下とする。Ｍｇ含有量は０．０２％以下とするのがより好ましく、０．０１％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｍｇ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．００１％以上とするのがより好ましい。
Ｃａ：０．０５％以下
Ｃａは、熱間加工性を阻害するＳを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有するので、この効果を得るためにＣａを含有させてもよい。しかしながら、Ｃａ含有量が０．０５％を超えると、清浄性が低下し、かえって熱間加工性および延性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＣａの量は０．０５％以下とする。Ｃａ含有量は０．０２％以下とするのがより好ましく、０．０１％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｃａ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．００１％以上とするのがより好ましい。
Ｃａは、熱間加工性を阻害するＳを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有するので、この効果を得るためにＣａを含有させてもよい。しかしながら、Ｃａ含有量が０．０５％を超えると、清浄性が低下し、かえって熱間加工性および延性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＣａの量は０．０５％以下とする。Ｃａ含有量は０．０２％以下とするのがより好ましく、０．０１％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｃａ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．００１％以上とするのがより好ましい。
ＲＥＭ：０．５％以下
ＲＥＭは、Ｓを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有する。また、ＲＥＭには、鋼表面のＣｒ２Ｏ３保護皮膜の密着性を改善し、特に、繰り返し酸化時の耐酸化性を改善する作用、さらには、粒界強化に寄与して、クリープ破断強度およびクリープ破断延性を向上させる作用もある。しかしながら、ＲＥＭ含有量が０．５％を超えると、酸化物などの介在物が多くなり加工性および溶接性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＲＥＭの量は０．５％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．３％以下とするのがより好ましく、０．１５％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、ＲＥＭ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．００１％以上とするのがより好ましく、０．００２％以上とするのがさらに好ましい。
ＲＥＭは、Ｓを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有する。また、ＲＥＭには、鋼表面のＣｒ２Ｏ３保護皮膜の密着性を改善し、特に、繰り返し酸化時の耐酸化性を改善する作用、さらには、粒界強化に寄与して、クリープ破断強度およびクリープ破断延性を向上させる作用もある。しかしながら、ＲＥＭ含有量が０．５％を超えると、酸化物などの介在物が多くなり加工性および溶接性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＲＥＭの量は０．５％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．３％以下とするのがより好ましく、０．１５％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、ＲＥＭ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．００１％以上とするのがより好ましく、０．００２％以上とするのがさらに好ましい。
なお、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素を指し、前記ＲＥＭの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。
上記のＭｇ、ＣａおよびＲＥＭの合計含有量は０．６％以下であってもよい。
＜３＞のグループの元素であるＴａ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｒ、ＰｔおよびＡｇは、いずれもマトリックスであるオーステナイトに固溶して固溶強化作用を有する。このため、固溶強化作用よって、一層高い強度を得たい場合には、これらの元素の１種以上を以下の範囲で積極的に含有させてもよい。
Ｔａ：８．０％以下
Ｔａは、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、炭窒化物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＴａを含有させてもよい。しかしながら、Ｔａ含有量が８．０％を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＴａの量は８．０％以下とする。Ｔａ含有量は７．０％以下とするのがより好ましく、６．０％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｔａ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．１％以上とするのがより好ましく、０．５％以上とするのがさらに好ましい。
Ｔａは、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、炭窒化物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＴａを含有させてもよい。しかしながら、Ｔａ含有量が８．０％を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＴａの量は８．０％以下とする。Ｔａ含有量は７．０％以下とするのがより好ましく、６．０％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｔａ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．１％以上とするのがより好ましく、０．５％以上とするのがさらに好ましい。
Ｒｅ：８．０％以下
Ｒｅは、マトリックスであるオーステナイトに固溶して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するので、これらの効果を得るためにＲｅを含有させてもよい。しかしながら、Ｒｅ含有量が８．０％を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＲｅの量は８．０％以下とする。Ｒｅ含有量は７．０％以下とするのがより好ましく、６．０％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｒｅ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．１％以上とするのがより好ましく、０．５％以上とするのがさらに好ましい。
Ｒｅは、マトリックスであるオーステナイトに固溶して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するので、これらの効果を得るためにＲｅを含有させてもよい。しかしながら、Ｒｅ含有量が８．０％を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＲｅの量は８．０％以下とする。Ｒｅ含有量は７．０％以下とするのがより好ましく、６．０％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｒｅ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．１％以上とするのがより好ましく、０．５％以上とするのがさらに好ましい。
Ｉｒ：５．０％以下
Ｉｒは、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、含有量に応じて一部は微細な金属間化合物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＩｒを含有させてもよい。しかしながら、Ｉｒ含有量が５．０％を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＩｒの量は５．０％以下とする。Ｉｒ含有量は４．０％以下とするのがより好ましく、３．０％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｉｒ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましく、０．１％以上とするのがさらに好ましい。
Ｉｒは、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、含有量に応じて一部は微細な金属間化合物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＩｒを含有させてもよい。しかしながら、Ｉｒ含有量が５．０％を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＩｒの量は５．０％以下とする。Ｉｒ含有量は４．０％以下とするのがより好ましく、３．０％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｉｒ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましく、０．１％以上とするのがさらに好ましい。
Ｐｄ：５．０％以下
Ｐｄは、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、含有量に応じて一部は微細な金属間化合物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＰｄを含有させてもよい。しかしながら、Ｐｄ含有量が５．０％を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＰｄの量は５．０％以下とする。Ｐｄ含有量は４．０％以下とするのがより好ましく、３．０％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｐｄ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましく、０．１％以上とするのがさらに好ましい。
Ｐｄは、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、含有量に応じて一部は微細な金属間化合物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＰｄを含有させてもよい。しかしながら、Ｐｄ含有量が５．０％を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＰｄの量は５．０％以下とする。Ｐｄ含有量は４．０％以下とするのがより好ましく、３．０％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｐｄ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましく、０．１％以上とするのがさらに好ましい。
Ｐｔ：５．０％以下
Ｐｔも、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、含有量に応じて一部は微細な金属間化合物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するので、これらの効果を得るためにＰｔを含有させてもよい。しかしながら、Ｐｔ含有量が５．０％を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＰｔの量は５．０％以下とする。Ｐｔ含有量は４．０％以下とするのがより好ましく、３．０％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｐｔ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましく、０．１％以上とするのがさらに好ましい。
Ｐｔも、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、含有量に応じて一部は微細な金属間化合物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するので、これらの効果を得るためにＰｔを含有させてもよい。しかしながら、Ｐｔ含有量が５．０％を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＰｔの量は５．０％以下とする。Ｐｔ含有量は４．０％以下とするのがより好ましく、３．０％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ｐｔ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましく、０．１％以上とするのがさらに好ましい。
Ａｇ：５．０％以下
Ａｇは、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、含有量に応じて一部は微細な金属間化合物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＡｇを含有させてもよい。しかしながら、Ａｇの含有量が５．０％を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＡｇの量は５．０％以下とする。Ａｇ含有量は４．０％以下とするのがより好ましく、３．０％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ａｇ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましく、０．１％以上とするのがさらに好ましい。
Ａｇは、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、含有量に応じて一部は微細な金属間化合物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＡｇを含有させてもよい。しかしながら、Ａｇの含有量が５．０％を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＡｇの量は５．０％以下とする。Ａｇ含有量は４．０％以下とするのがより好ましく、３．０％以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ａｇ含有量は０．０１％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましく、０．１％以上とするのがさらに好ましい。
２．耐熱耐圧部材の製造方法
上述のように、本発明のオーステナイト系耐熱合金を素材とすることによって、７５０℃での高いクリープ破断強度を安定的に発現する耐熱耐圧部材を得ることができる。本発明の耐熱耐圧部材は、例えば以下に示す加熱工程、最終加工工程および最終熱処理工程を順に施すことによって製造することが可能であるが、これに制限されるものではない。
上述のように、本発明のオーステナイト系耐熱合金を素材とすることによって、７５０℃での高いクリープ破断強度を安定的に発現する耐熱耐圧部材を得ることができる。本発明の耐熱耐圧部材は、例えば以下に示す加熱工程、最終加工工程および最終熱処理工程を順に施すことによって製造することが可能であるが、これに制限されるものではない。
２−１．加熱工程
加熱工程において、熱間または冷間による後述の最終加工工程の前に、少なくとも１回、１０５０〜１２５０℃に加熱することによって、加工中に析出した合金中の析出物を十分に固溶させる。
加熱工程において、熱間または冷間による後述の最終加工工程の前に、少なくとも１回、１０５０〜１２５０℃に加熱することによって、加工中に析出した合金中の析出物を十分に固溶させる。
加熱温度が１０５０℃未満の場合には、加熱後の合金中に安定なＴｉまたはＢを含む未固溶炭窒化物または酸化物が存在するようになる。その結果、これが次の最終加工工程において不均一な歪みを蓄積させる原因となり、後述の最終熱処理工程において再結晶を不均一にする。また、未固溶炭窒化物または酸化物それ自体が均一な再結晶を阻害してしまう。一方、加熱温度が１２５０℃を超えると、高温粒界割れおよび延性低下を引き起こすことがある。加熱温度は１１５０℃以上とするのがより好ましく、１２３０℃以下とするのがより好ましい。
２−２．最終加工工程
加熱工程の後、熱間または冷間による断面減少率１０％以上の最終加工を施す。最終加工は、後述の最終熱処理工程において再結晶を促進させるために歪みを付与する目的で行う。この加工の断面減少率が１０％未満の場合は、再結晶に必要な歪みを付与することが難しくなる。断面減少率は２０％以上とすることがより好ましい。なお、断面減少率は大きいほどよいので上限は規定しないが、通常の加工での最大値は９０％程度である。また、この加工工程は製品の寸法を決定する工程でもある。
加熱工程の後、熱間または冷間による断面減少率１０％以上の最終加工を施す。最終加工は、後述の最終熱処理工程において再結晶を促進させるために歪みを付与する目的で行う。この加工の断面減少率が１０％未満の場合は、再結晶に必要な歪みを付与することが難しくなる。断面減少率は２０％以上とすることがより好ましい。なお、断面減少率は大きいほどよいので上限は規定しないが、通常の加工での最大値は９０％程度である。また、この加工工程は製品の寸法を決定する工程でもある。
上記の最終加工が熱間加工の場合、熱間加工の終了温度は、炭化物析出温度域での不均一な変形を避けるため、１０００℃以上とするのが好ましい。また、加工後の冷却条件には特別な制約はないが、熱間加工終了後は、粗大な炭窒化物の析出を抑えるために、５００℃までの温度域を０．２５℃／ｓ以上の極力速い冷却速度で冷却することが望ましい。
上記の最終加工が冷間加工の場合、冷間加工は最終として一度でもよいが複数回行ってもよい。複数回行う場合は、途中熱処理後冷間加工を行うが、上記の加熱工程での加熱温度および最終加工工程での冷間加工の断面減少率は、少なくとも最終の冷間加工およびその前の途中熱処理で満足すればよい。
２−３．最終熱処理工程
最終加工工程後に、１１００〜１２５０℃の範囲内の温度に加熱保持した後冷却する最終熱処理を行う。この熱処理の加熱温度が１１００℃よりも低いと、十分な再結晶が起こらない。また、結晶粒が扁平な加工組織となり、クリープ強度が低くなる。一方、加熱温度が１２５０℃を超えると、高温粒界割れおよび延性低下を引き起こすことがあるので、最終製品熱処理の温度は、１１００〜１２５０℃とする。最終熱処理工程における加熱温度は、加熱工程における加熱温度よりも１０℃以上高くすることが好ましい。
最終加工工程後に、１１００〜１２５０℃の範囲内の温度に加熱保持した後冷却する最終熱処理を行う。この熱処理の加熱温度が１１００℃よりも低いと、十分な再結晶が起こらない。また、結晶粒が扁平な加工組織となり、クリープ強度が低くなる。一方、加熱温度が１２５０℃を超えると、高温粒界割れおよび延性低下を引き起こすことがあるので、最終製品熱処理の温度は、１１００〜１２５０℃とする。最終熱処理工程における加熱温度は、加熱工程における加熱温度よりも１０℃以上高くすることが好ましい。
なお、本発明の耐熱耐圧部材は、耐食性の観点からはあえて細粒組織にする必要はないが、細粒組織にしたい場合は、熱間加工終了温度から１０℃以上低い温度、または上述の途中熱処理温度から１０℃以上低い温度で最終熱処理を行えばよい。この最終熱処理後は、粗大な炭窒化物の析出を抑制するために、１℃／ｓ以上の極力速い冷却速度で冷却することが好ましい。
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供試合金１〜９ならびにＡおよびＢを、高周波真空溶解炉を用いて溶製し、３０ｋｇのインゴットを得た。
表１中の合金１〜９は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の合金である。一方、合金ＡおよびＢは、それぞれ上記（ｉ）式および（ii）式を満たしておらず、本発明の規定から外れる比較例の合金である。
このようにして得たインゴットを、１１５０℃に加熱した後、仕上げ温度が１０００℃となるように熱間鍛造して、厚さ１５ｍｍの板材とした。この厚さ１５ｍｍの板材を用いて、１１６０℃で軟化熱処理を施した後、１０ｍｍまで冷間圧延し、さらに、１１９０℃で３０分保持してから水冷した。
上記の工程で得た厚さ１０ｍｍの各板材の一部を用いて、厚さ方向中心部から、長手方向に平行に、直径が６ｍｍで標点距離が３０ｍｍの丸棒引張試験片を機械加工により作製し、クリープ破断試験を実施した。クリープ破断試験は７００〜８００℃において種々の応力で試験を行い、Larson-Millerパラメータ法を用いて７５０℃、１０，０００時間のクリープ破断強度を求めた。
表１に、上記の試験結果をあわせて示す。表１から分かるように、本発明例の合金１〜９は、７５０℃におけるクリープ破断強度が１００ＭＰａ以上と良好である。それに対して、本発明で規定する範囲から外れた比較例の合金ＡおよびＢは、本発明例の合金１〜９と比べて、クリープ破断強度が劣る結果となった。
本発明のオーステナイト系耐熱合金は、クリープ破断強度に優れ、それを素材とすることによって、７５０℃での高いクリープ破断強度を安定的に発現する耐熱耐圧部材を得ることができる。そのため、本発明の耐熱耐圧部材は、高温環境下で使用されるボイラおよび化学プラント等の装置用材料として好適に用いることができる。
Claims (3)
- 化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０２％を超えて０．１５％以下、
Ｓｉ：０．３１〜２．０％、
Ｍｎ：３．０％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｃｒ：２８．０〜３８．０％、
Ｎｉ：４０．０％を超えて６０．０％以下、
Ｗ：３．０％を超えて１５．０％以下、
Ｔｉ：０．０５〜１．０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．２％、
Ａｌ：０．０１〜０．３％、
Ｎ：０．０２％以下、
Ｍｏ：０．５％未満、
Ｂ：０．００５％以下、
Ｃｏ：０〜２０．０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記の（ｉ）式および（ii）式を満足する、オーステナイト系耐熱合金。
（１．９Ｔｉ＋１５Ｚｒ）／６．５Ｎ≧２５．０ ・・・（ｉ）
０．０１５Ｃ≦Ｂ ・・・（ii）
但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。 - 前記化学組成が、質量％で、さらに下記の＜１＞〜＜３＞のグループから選択される１以上のグループに属する１種以上の元素を含有する、請求項１に記載のオーステナイト系耐熱合金。
＜１＞Ｎｂ：１．０％以下、Ｖ：１．５％以下およびＨｆ：１．０％以下
＜２＞Ｍｇ：０．０５％以下、Ｃａ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．５％以下
＜３＞Ｔａ：８．０％以下、Ｒｅ：８．０％以下、Ｉｒ：５．０％以下、Ｐｄ：５．０％以下、Ｐｔ：５．０％以下およびＡｇ：５．０％以下 - 請求項１または請求項２に記載のオーステナイト系耐熱合金からなる、耐熱耐圧部材。
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