JPWO2011089998A1

JPWO2011089998A1 - 高温用フェライト系ステンレス鋼

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Publication number: JPWO2011089998A1
Application number: JP2011550898A
Authority: JP
Inventors: 小林　覚; 覚小林; 隆幸高杉
Original assignee: Tohoku University NUC; Osaka Prefecture University
Current assignee: Tohoku University NUC; Osaka Prefecture University
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2011-01-17
Publication date: 2013-05-23
Also published as: WO2011089998A1

Abstract

４７５℃付近で長時間にわたり使用できるフェライト系ステンレス鋼を提供する。本発明によれば、１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜２０．０原子％のＡｌとを含有し、残部がＦｅ成分からなり、前記Ｃｒ及びＡｌの含有量が図８に示す点Ａ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：５原子％）、点Ｂ（Ｃｒ：１５原子％，Ａｌ：１０．５原子％）、点Ｃ（Ｃｒ：１７原子％，Ａｌ：１２原子％）、点Ｄ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：１３原子％）、点Ｆ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：２０原子％）、点Ｇ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：２０原子％）で囲まれる範囲内にある高温用フェライト系ステンレス鋼が提供される。

Description

この発明は、高温用フェライト系ステンレス鋼に関し、特に、４７５℃脆性が抑制されたフェライト系ステンレス鋼に関する。

フェライト系ステンレス鋼は、ステンレス鋼のなかでも、加工性（例えば、冷間加工性）や耐食性に優れる鋼として知られ、また、Ｎｉ等の高価な元素をほとんど含まない安価な鋼としても知られている。このため、化学プラントや原子力プラントをはじめ、自動車（特に排気系）、家庭電気製品、建築内装、厨房などの幅広い分野で使用されている。例えば、石油精製や石油化学工業では、高温における構造部材の耐食性及び強度への要求が高まり、水素化脱硫装置などの装置へのフェライト系ステンレス鋼の適用が増えている。また、軽水炉プラントでは、高温での水中における腐食性が求められ、蒸気発生器などの部材にフェライト系ステンレス鋼が適用されている。

しかし、このフェライト系ステンレス鋼は、上記のような優れた特性をもち幅広い用途がある一方、４７５℃脆性をもつことが知られている。この４７５℃脆性は、１２％以上のＣｒ鋼を２８０〜５４０℃に長時間熱処理した場合に現れる脆化現象であり、上記温度領域内の温度でフェライト系ステンレス鋼を熱処理すると、常温での硬度、強度が上昇し、延性、靭性が低下する（例えば、非特許文献１参照）。

このため、上記温度領域内の温度で使用されるとともに靭性が求められる機械構造物の分野（例えば、上記の石油精製や石油化学工業、軽水炉プラント）では、フェライト系ステンレス鋼の４７５℃脆性が改善されることが望まれている。このような背景から、様々な改良が試みられている。例えば、この４７５℃脆性を抑制するための添加合金元素が探索されている。また、超高純度Ｃｒ、超高純度Ｆｅを原材料として高Ｃｒフェライト系鉄合金を溶解、製造するに当たり、耐火性るつぼ下部に高融点の超高純度Ｃｒ、その超高純度Ｃｒの上部に低融点の超高純度Ｆｅの順で装入し、その後の溶解を、まず上部の低融点金属、次いで下部の高融点金属の順で行うことにより、Ｃｒを１３〜３ｍａｓｓ％かつ製品板厚との関係で所定式を満たして含有する高Ｃｒフェライト系鉄合金の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１）。この製造方法で製造された高Ｃｒフェライト系鉄合金は、極厚でもσ脆化や４７５℃脆性を示すことがなく、靭性にも優れると報告されている。

特開２００９−１１４５４３

ステンレス鋼便覧Ｐ１０４

しかし、従来のフェライト系ステンレス鋼は、その４７５℃脆性の抑制が十分でない。このため、フェライト系ステンレス鋼の４７５℃脆性をさらに抑制することが望まれている。例えば、上記の機械構造物の分野では、そのほとんどの場合で、フェライト系ステンレス鋼を使用するにあたり、上記温度領域内の温度で長時間にわたる使用を制限している。このような状況から、４７５℃付近の温度で長時間にわたり使用できるフェライト系ステンレス鋼について、さらなる開発が望まれている。

この発明は、係る事情を鑑みてなされたものであり、従来脆性が生じるとされる高温域で長時間にわたり使用できるフェライト系ステンレス鋼を提供するものである。

この発明によれば、１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜２０．０原子％のＡｌとを含有し、残部がＦｅ成分からなり、前記Ｃｒ及びＡｌの含有量が図８に示す点Ａ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：５原子％）、点Ｂ（Ｃｒ：１５原子％，Ａｌ：１０．５原子％）、点Ｃ（Ｃｒ：１７原子％，Ａｌ：１２原子％）、点Ｄ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：１３原子％）、点Ｆ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：２０原子％）、点Ｇ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：２０原子％）で囲まれる範囲内にあることを特徴とする高温用フェライト系ステンレス鋼が提供される。

４７５℃脆性の原因は、ＦｅとＣｒの相分離とされているが、この発明の発明者らは、これを抑制する可能性のある元素としてフェライト系ステンレス鋼に多量に固溶するＡｌに着目し、このＡｌ及びＣｒの含有量と４７５℃脆性との関係について鋭意研究を行った。その結果、１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜２０．０原子％のＡｌとを含有し、残部はＦｅ成分からなるフェライト系ステンレス鋼が４７５℃付近で長時間にわたり使用できることを見出し、この発明の完成に至った。
この発明のフェライト系ステンレス鋼は、４７５℃付近の高温で長時間にわたり４７５℃脆性を抑制できる。このため、この発明のフェライト系ステンレス鋼は、４７５℃付近の高温で長時間にわたり使用され、かつ靭性が求められる機械構造物に適する。また、この発明のフェライト系ステンレス鋼はＣｒを多く含むので耐食性に優れる。したがって、４７５℃付近で長時間にわたり使用される化学プラント設備や原子力発電設備に適する。
従来のフェライト系ステンレス鋼は４７５℃脆性を示し、このため、４７５℃付近の高温で使用される機械構造物には、価格面等で劣るオーステナイト系ステンレス鋼が用いられていた。しかし、この発明によれば、価格面のみならず、靭性、加工性（例えば、冷間加工性、成形性、溶接性）に優れるフェライト系ステンレス鋼を４７５℃付近の高温で使用される機械構造物に適用できる。

試料の断面写真と元素マッピングを示す図であり、断面写真に元素マッピングを重ねて表示した図である。図１の断面写真において、「Ｆｅ−２７Ａｌ」は、１２００℃、２０時間の熱処理で接合された３種類の材料のうち、Ｆｅ−Ａｌ合金の領域を示し、「Ｆｅ−３０Ｃｒ」は、同材料のうち、Ｆｅ−Ｃｒ合金の領域を示している。また、「Ｆｅ」は、同材料のうち、純鉄の領域を示している。また、図１の元素マッピングにおいて、「１Ｃｒ」「５」「１０」「１５」「２０」「２５」は、これらの数字で表されたＣｒ濃度（原子％）の等高線を示し、「２０Ａｌ」「１５Ａｌ」「１０Ａｌ」「５Ａｌ」「１Ａｌ」は、これらの数字で表されたＡｌ濃度（原子％）の等高線を示している。４７５℃で１０００時間の熱処理を行う前における各組成に対するビッカース硬さの分布を示す三角図表である。図２において、「１２００／２０ｈ」との記載は、試料に１２００℃、２０時間の熱処理（接合処理）が行われたことを示している。４７５℃で１０００時間の熱処理を行った後における各組成に対するビッカース硬さの分布を示す三角図表である。図３において、「＋４７５／１０００ｈ」との記載は、試料に１２００℃、２０時間の熱処理（接合処理）の後に４７５℃、１０００時間の熱処理が行われたことを示している。Ａｌを含有しない組成について、Ｃｒ含有量と４７５℃−１０００時間の熱処理前後におけるビッカース硬さとの関係を示す図である。図４において、「○（１）熱処理前」は、４７５℃、１０００時間の熱処理前（Ｂｅｆｏｒｅａｎｎｅａｌｉｎｇ）のビッカース硬さの各測定値を示し、「■（２）熱処理後」は、４７５℃、１０００時間の熱処理後（Ａｆｔｅｒａｎｎｅａｌｉｎｇａｔ４７５℃／１０００ｈ）の同測定値を示している。図中の「ΔＨｖ」はビッカース硬さの変動を表している。Ｃｒを含有する組成について、Ａｌ含有量と４７５℃−１０００時間の熱処理によるビッカース硬さの変動との関係を示す図である。図５において、「□（１）Ｆｅ−２５Ｃｒ」は、Ｃｒ含有量が２５ａｔ％、「■（２）Ｆｅ−２０Ｃｒ」はＣｒ含有量が２０ａｔ％、「○（３）Ｆｅ−１７．５Ｃｒ」はＣｒ含有量が１７．５ａｔ％、「●（４）Ｆｅ−１５Ｃｒ」はＣｒ含有量が１５ａｔ％、「△（５）Ｆｅ−１２．５Ｃｒ」はＣｒ含有量が１２．５ａｔ％、の各位置について、それぞれビッカース硬さの変動値を示している。Ｃｒ含有量が１７ａｔ％の組成について、Ａｌ含有量と４７５℃−１０００時間の熱処理によるビッカース硬さの変動との関係を示す図である。図６において、「○（１）熱処理前」は、４７５℃、１０００時間の熱処理前（Ｂｅｆｏｒｅａｎｎｅａｌｉｎｇ）のビッカース硬さの各測定値を示し、「■（２）熱処理後」は、４７５℃、１０００時間の熱処理後（Ａｆｔｅｒａｎｎｅａｌｉｎｇａｔ４７５℃／１０００ｈ）の同測定値を示している。各組成に対する、４７５℃−１０００時間の熱処理によるビッカース硬さの変動を示す三角図表である。図７において、「●Ｃｒ＝１７ａｔ．％」は、●が実証実験２（図６）の各試料、すなわちＣｒ含有量＝１７ａｔ％の各組成を示すことを表している。４７５℃脆性を抑制できる、好ましい組成領域を示す図である。なお、図８における「●Ｃｒ＝１７ａｔ．％」も図７のそれと同様である。

この発明の高温用フェライト系ステンレス鋼は、１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜２０．０原子％のＡｌとを含有し、残部がＦｅ成分からなり、前記Ｃｒ及びＡｌの含有量が図８に示す点Ａ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：５原子％）、点Ｂ（Ｃｒ：１５原子％，Ａｌ：１０．５原子％）、点Ｃ（Ｃｒ：１７原子％，Ａｌ：１２原子％）、点Ｄ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：１３原子％）、点Ｆ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：２０原子％）、点Ｇ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：２０原子％）で囲まれる範囲内にあることを特徴とする。
まず、この発明の種々の実施形態を例示する。なお、この明細書において、「〜」は、端の点を含む。

この発明の高温用フェライト系ステンレス鋼は、その実施形態において、１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜１８．０原子％のＡｌとを含有し、残部がＦｅ成分からなることが好ましい。つまり、前記Ｃｒ及びＡｌの含有量が図８に示す点Ａ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：５原子％）、点Ｂ（Ｃｒ：１５原子％，Ａｌ：１０．５原子％）、点Ｃ（Ｃｒ：１７原子％，Ａｌ：１２原子％）、点Ｄ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：１３原子％）、点Ｅ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：１８原子％）、点Ｈ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：１８原子％）で囲まれる範囲内にあることが好ましい。
ここで、この明細書において、Ｆｅ成分とは、Ｆｅ及び不可避的不純物を意味する。

この発明の高温用フェライト系ステンレス鋼は、その実施形態において、４７５℃，１０００時間の熱処理前後でのビッカース硬さの変動が５０Ｈｖ以内であることがより好ましい。例えば、前記Ｃｒ及びＡｌの含有量が図８に示す点Ａ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：５原子％）、点Ｂ（Ｃｒ：１５原子％，Ａｌ：１０．５原子％）、点Ｃ（Ｃｒ：１７原子％，Ａｌ：１３原子％）、点Ｄ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：１４原子％）以下の組成領域（すなわち、図８における、線ＡＢＣＤよりも下方又は右方の組成領域）にある組成のフェライト系ステンレス鋼がこれに含まれる。
ここで、上記「ビッカース硬さ」の変動は、前記熱処理前のビッカース硬さと前記熱処理後のビッカース硬さを常温で測定するとよい。

この発明の高温用フェライト系ステンレス鋼は、その実施形態において、より好ましくは２８０℃〜５４０℃の高温で用いることができる。一般にフェライト系ステンレス鋼は４７５℃付近の温度で加熱されると（但し加熱後徐冷）、４７５℃脆性を示す。このとき、常温での硬度の上昇（加熱前後における硬度（常温値）の変動）は、約４７５℃で極大値をとる。このため、４７５℃の熱処理に対する、フェライト系ステンレス鋼の４７５℃脆性を抑制できれば、この周辺温度でフェライト系ステンレス鋼の４７５℃脆性を抑制できる。高温ガス設備分野では、フェライト系ステンレス鋼の４７５℃脆性が２８０℃〜５４０℃の加熱で生じるとされているので、この発明の高温用フェライト系ステンレス鋼は、２８０℃〜５４０℃において特にその長所を発揮する。
また、この発明の高温用フェライト系ステンレス鋼は、その実施形態において、その他の温度（例えば、２８０℃以下や５４０℃以上）で用いることができるが、耐食性等を考慮すると、４７５℃脆性が問題となる１００℃〜３００℃で用いてもよい。このため、この発明の高温用フェライト系ステンレス鋼は、その実施形態において、好ましくは１００℃〜５４０℃（より好ましくは２８０℃〜５４０℃）の高温で用いることができる。

この発明の実施形態に係る高温用フェライト系ステンレス鋼は、その実施形態において、化学プラント設備用のフェライト系ステンレス鋼であってもよいし、また、原子力発電設備用のフェライト系ステンレス鋼であってもよい。これらの設備に使用される金属材料は、耐食性が求められるとともに長時間にわたり４７５℃付近の高温にさらされる。このため、この発明の高温用フェライト系ステンレス鋼がこれらの設備の材料に適している。例えば、石油精製や石油化学工業の設備（常圧原油蒸留装置や水素化脱硫装置などの装置、機械構造物（ボルトやナット等の連結要素、管や弁等の流体要素など。部品を含む））や軽水炉プラントの設備（蒸気発生器などの機器、機械構造物（連結要素、流体要素等）。具体的には、伝熱管の防振金具等）に用いるとよい。また、化学分野の設備（例えば、３２０℃〜５４０℃の流体（液体又は気体等）を流す配管）の材料、インターナル材に用いてもよい。

この発明の高温用フェライト系ステンレス鋼は、その実施形態において、実質的にＦｅ成分，Ｃｒ，Ａｌのみから構成されてもよく、これ以外の不純物を含んでもよい。例えば、０．０〜１．０原子％のＣ、０．０〜２．０原子％のＭｎ、０．０〜４．０原子％のＳｉ、の少なくとも１つ以上の元素をさらに含有してもよい。これらＣ，Ｍｎ及びＳｉが合計で０．０〜７．０原子％含有されてもよい。
また、１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜２０．０原子％のＡｌとを含有し、残部がＦｅ成分からなる合計１００原子％の組成の合計重量に対して、不純物として０．０〜０．１重量％のＰ、０．０〜０．１重量％のＳ、の少なくとも１つ以上の元素をさらに含有してもよい。
また、この発明の高温用フェライト系ステンレス鋼は、０．０〜１．０原子％のＣが含まれる場合、０．０〜１．０原子％のＴｉをさらに含有してもよい。例えば、０．０５原子％のＴｉをさらに含有してもよい。これにより、微量な炭素を安定化させることができる。

また、この発明は、１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜２０．０原子％のＡｌとを含有し、残部がＦｅ成分からなり、前記Ｃｒ及びＡｌの含有量が図８に示す点Ａ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：５原子％）、点Ｂ（Ｃｒ：１５原子％，Ａｌ：１０．５原子％）、点Ｃ（Ｃｒ：１７原子％，Ａｌ：１２原子％）、点Ｄ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：１３原子％）、点Ｆ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：２０原子％）、点Ｇ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：２０原子％）で囲まれる範囲内にあることを特徴とする４７５℃脆性が抑制されたフェライト系ステンレス鋼も提供する。
なお、この発明の高温用フェライト系ステンレス鋼は、上記で説明した実施形態であってもよい。

また、他の観点によれば、この発明は、上記高温用フェライト系ステンレス鋼で形成された化学プラント設備用機械構造物であってもよいし、上記高温用フェライト系ステンレス鋼で形成された原子力発電設備用機械構造物であってもよい。また、上記高温用フェライト系ステンレス鋼で形成された高温用機械構造物（好ましくは１００℃〜５４０℃の温度で使用され、より好ましくは２８０℃〜５４０℃で使用される機械構造物）であってもよい。

また、他の観点によれば、この発明は、１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜２０．０原子％のＡｌとを含有し、残部がＦｅ成分からなり、前記Ｃｒ及びＡｌの含有量が図８に示す点Ａ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：５原子％）、点Ｂ（Ｃｒ：１５原子％，Ａｌ：１０．５原子％）、点Ｃ（Ｃｒ：１７原子％，Ａｌ：１２原子％）、点Ｄ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：１３原子％）、点Ｆ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：２０原子％）、点Ｇ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：２０原子％）で囲まれる範囲内にあるフェライト系ステンレス鋼を高温で使用される機械構造物に用いる、４７５℃脆性を抑制するための方法を提供する。
この発明によれば、４７５℃脆性によらず、高温で機械構造物を長時間使用できる方法が提供される。
従来、このような温度で使用される機械構造物には、価格面等で劣るオーステナイト系ステンレス鋼が用いられていたが、この発明によれば、上記範囲内にあるフェライト系ステンレス鋼を用いることにより、価格面のみならず、靭性、成形性、溶接性に優れる材料を用いた方法が提供される。

この発明の耐熱方法は、その実施形態において、上記範囲内にあるフェライト系ステンレス鋼を好ましくは１００℃〜５４０℃の高温、より好ましくは２８０℃〜５４０℃の高温で使用される機械構造物に用いる。
また、その実施形態において、上記範囲内にあるフェライト系ステンレス鋼が、１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜１８．０原子％のＡｌとを含有し、残部がＦｅ成分からなることが好ましい。
また、その実施形態において、上記範囲内にあるフェライト系ステンレス鋼が、４７５℃，１０００時間の熱処理前後でのビッカース硬さの変動が５０Ｈｖ以内であることがより好ましい。
また、上記で説明した内容から明らかなように、この発明の実施形態において、上記範囲内にあるフェライト系ステンレス鋼を化学プラント設備用機械構造物に用いる４７５℃脆性が抑制するための方法や上記範囲内にあるフェライト系ステンレス鋼を原子力発電設備用の設備用機械構造物に用いる４７５℃脆性が抑制するための方法であってもよい。

なお、他の観点によれば、この発明は、１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜２０．０原子％のＡｌとを含有し、残部がＦｅ成分からなり、前記Ｃｒ及びＡｌの含有量が図８に示す点Ａ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：５原子％）、点Ｂ（Ｃｒ：１５原子％，Ａｌ：１０．５原子％）、点Ｃ（Ｃｒ：１７原子％，Ａｌ：１２原子％）、点Ｄ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：１３原子％）、点Ｆ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：２０原子％）、点Ｇ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：２０原子％）で囲まれる範囲内にあるフェライト系ステンレス鋼の高温用（例えば、１００℃〜５４０℃）機械構造物への使用を提供する。

また、他の観点によれば、この発明は、化学プラント設備用機械構造物を上記高温用フェライト系ステンレス鋼で形成する化学プラント設備用機械構造物の製造方法を提供する。また、原子力発電設備用機械構造物を上記高温用フェライト系ステンレス鋼で形成する原子力発電設備用の製造方法を提供する。これら機械構造物は、好ましくは、１００℃〜５４０℃の温度で使用され、より好ましくは、２８０℃〜５４０℃で使用される。

ここで、これらフェライト系ステンレス鋼は、上記範囲内の組成となるように、Ｃｒ、Ａｌ、Ｆｅ成分を溶解し、凝固させることにより製造できる。
なお、ここで示した種々の実施形態は、互いに組み合わせることができる。

次に、一実施形態に係る各元素について説明する。
Ｆｅの含有量は、例えば、５８〜７８原子％であり、好ましくは、６２〜７８原子％である。Ｆｅの具体的な含有量は、例えば、５８，６０，６２，６５，７０，７５，７８原子％である。Ｆｅの含有量の範囲は、ここで例示した数値の何れか２つの間であってもよい。

Ｃｒは耐食性を確保するために必要な元素である。Ｃｒの含有量は４７５℃脆性を抑えるため、１２．０〜２０．０原子％である。Ｃｒの具体的な含有量は、例えば、１２．０，１２．５，１３．０，１３．５，１４．０，１４．５，１５．０，１５．５，１６．０，１６．５，１７．０，１７．５，１８．０，１８．５，１９．５又は２０．０原子％である。Ｃｒの含有量の範囲は、ここで例示した数値の何れか２つの間であってもよい。

Ａｌは、Ｃｒと同様に耐食性を確保するために必要な元素である。Ａｌの含有量は、４７５℃脆性を抑えるため、５．０〜２０．０原子％であり、好ましくは、５．０〜１８．０原子％である。Ａｌの具体的な含有量は、例えば、５．０，５．５，６．０，６．５，７．０，７．５，８．０，８．５，９．０，９．５，１０．０，１０．５，１１．０，１１．５，１２．０，１２．５，１３．０，１３．５，１４．０，１４．５，１５．０，１５．５，１６．０，１６．５，１７．０，１７．５，１８．０，１８．５，１９．５又は２０．０原子％である。Ａｌの含有量の範囲は、ここで例示した数値の何れか２つの間であってもよい。

上記各元素の含有量は、Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ及び不可避的不純物の含有量の合計が１００原子％になるように適宜調整される。

この発明の実施形態に係る高温用フェライト系ステンレス鋼は、例えば、表１〜２に示す組成である。

次に、効果実証実験について説明する。
（実証実験１）
表３に示した３種類の材料を用意し、これらの材料を固相拡散対法にて接合すると共にフェライト母相中にＣｒとＡｌの連続的な濃度勾配を導入し、約８ｍｍの直径の試料を作成した。接合（熱処理）条件は１２００℃で２０時間とした。
なお、Ｔｉは、これらの材料に含まれる微量な炭素を安定化させるため添加した。
（表３において、Ｔｉは、Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌの合計に対する添加量を示している。材料の純鉄には微量の炭素が含まれることは周知であり、これを安定化させるためにＴｉを添加している。）

まず、上記の炉冷後の試料を表１の材料の接合面に対してほぼ垂直に切断し、エネルギー分散型Ｘ線検出器（ＥＤＳ）を用いて、その切断面の元素分析を行った。このとき、接合の境界部分を含むようにして、切断面の線分析を行った。各元素濃度の定量化においては、予め組成が既知の試料を用いて標準分析を行い、Ｘ線のカウント数と各元素の濃度を関係づける検量線を作成した。

図１にその結果を示す。図１は試料の断面写真に元素マッピングで測定したＣｒ濃度とＡｌ濃度（原子％）の等高線を重ねて表示した図である。
図１を参照すると、接合されたＦｅ−Ａｌ合金から他の材料（Ｆｅ−Ｃｒ，Ｆｅ）との接合の境界部分に向かって、Ａｌ含有量が連続的に変化していることがわかる。また、Ｆｅ−Ｃｒ合金についても同様にＣｒ含有量が連続的に変化していることがわかる。この試料は、その内部（接合の境界部分付近）で組成が連続して変化していることが図１から理解できる。

また、上記の炉冷後の試料の切断面について、接合の境界部分を含むように、複数の位置（約６０箇所）でビッカース硬さを測定した。その後、この試料について４７５℃で１０００時間の熱処理を行い、熱処理された試料の断面について、上記と同様に、元素分析とビッカース硬度測定を行った。そして、ビッカース硬さを測定した各位置が元素マッピングでどの位置に対応するのかを特定し、合金の組成とビッカース硬さとの関係を解析した。熱処理前後におけるビッカース硬さの変動を測定、解析することにより、４７５℃脆性を評価した。なお、ビッカース硬さの測定は、荷重（試験力）５０ｇ（４９０ｍＮ）、保持時間は２０ｓとした（室温約２５℃で測定した）。

図２及び図３にその結果を示す。図２は、上記熱処理前における各組成に対するビッカース硬さの分布を示す状態図（三角図表）である。また、図３は、上記熱処理後における各組成に対するビッカース硬さの分布を示す状態図（三角図表）である。これらの図において、状態図（三角図表）の底辺の軸が合金のＡｌの含有量（ａｔ％）を示し、状態図（三角図表）の左辺の軸が合金のＣｒの含有量（ａｔ％）を示している。図２及び図３における点と数値は、その点の組成のビッカース硬さを示している。
図２及び図３を参照すると、４７５℃の上記熱処理により、ビッカース硬さが変動し４７５℃脆性を示す領域が多いことがわかる。一方、Ｃｒを比較的多く含有しているにもかかわらず、ビッカース硬さがほとんど変動せず４７５℃脆性を示さない領域が図１及び２の中央付近にあることもわかる。

図４及び図５に、上記ビッカース硬さの変動を解析した結果を示す。図４は、横軸に合金のＣｒ含有量（ａｔ％）、縦軸にビッカース硬さ（Ｈｖ）をとり、Ａｌを含有しない組成について、Ｃｒ含有量と上記熱処理前後のビッカース硬さとの関係を示したものである。図５は、横軸に合金のＡｌ含有量（ａｔ％）、縦軸にビッカース硬さの変動量（ΔＨｖ）をとり、Ｃｒを含有する組成について、Ａｌ含有量と上記熱処理によるビッカース硬さの変動との関係を示したものである。
なお、図４は、上記熱処理前及び上記熱処理後のデータをプロットしている。また、図５は、Ｆｅ−２５Ｃｒ，Ｆｅ−２０Ｃｒ，Ｆｅ−１７．５Ｃｒ，Ｆｅ−１５Ｃｒ，Ｆｅ−１２．５Ｃｒの各組成について、プロットしている。

図４を参照すると、Ａｌを含有しないＦｅ−Ｃｒ合金は、Ｃｒ含有量が１２．０ａｔ％より少ない場合、４７５℃の上記熱処理によってビッカース硬さがほとんど変動しないことがわかる。つまり、この場合におけるＦｅ−Ｃｒ合金は４７５℃脆性を示さないことがわかる。４７５℃脆性はＦｅ濃度が高いフェライト相（α相）とＣｒ濃度が高いフェライト相（α'相）との２相に分離することに起因すると従来から考えられているので、この結果はこの考えと一致する。しかし、耐食性が求められるとともに靭性が求められる機械構造物の分野でこの材料を使用することを前提とすると、Ｃｒ含有量が少ないので耐食性が十分でなく適切でないと推察される。
一方、Ｃｒ含有量が１２．０ａｔ％より多くなると、ビッカース硬さが変動し、この場合のＦｅ−Ｃｒ合金は４７５℃脆性を示すことがわかる。
これらの結果から、Ａｌを含有しないＦｅ−Ｃｒ合金は、ステンレス鋼の特性である耐食性を十分に示しかつ４７５℃脆性を示さない組成がないことが理解できる。

次に、図５を参照すると、Ａｌを含有するＦｅ−Ｃｒ合金は、Ｃｒ含有量が１２．５ａｔ％の場合でＡｌ含有量が１０ａｔ％以上のとき、ビッカース硬さの変動量（ΔＨｖ）が急に小さくなっていることがわかる。また、Ｃｒ含有量が１５．０ａｔ％の場合でＡｌ含有量が１１ａｔ％以上のときも、ビッカース硬さの変動量が急に小さくなっていることがわかる。
一方、Ｃｒ含有量が１７．５ａｔ％以上（図５に示すＦｅ−２５Ｃｒ，Ｆｅ−２０Ｃｒ，Ｆｅ−１７．５Ｃｒ）の場合、Ａｌ含有量を１２ａｔ％まで添加しても、ビッカース硬さの変動量はあまり変化せず大きい値のままであることがわかる。つまり、４７５℃脆性が抑えられていないことがわかる。
また、Ｃｒ含有量が１２．５ａｔ％の場合でＡｌ含有量が５ａｔ％以上、及びＣｒ含有量が１５．０ａｔ％の場合でＡｌ含有量１１ａｔ％以上のとき、ビッカース硬さの変動量（ΔＨｖ）が５０以下となることがわかる。

以上から、Ｃｒのほか、Ａｌを含有させることで、４７５℃熱処理によるフェライト系ステンレス鋼のビッカース硬さの変動を小さくできることが理解できる。ここで説明したＡｌを含有するＦｅ−Ｃｒ合金は、Ｃｒ含有量が１５ａｔ％を超え、かつＡｌ含有量が１２ａｔ％を超える組成について調査をしていない。このため、Ｃｒ含有量が１５ａｔ％を超える場合に、さらにＡｌ含有量が増加すると、ビッカース硬さの変動がどのように変化するのか、さらに実験を行った。

（実証実験２）
表４に示す４種類の合金組成となるように、Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ及びＴｉを秤量し、これらを溶解、鋳造して試料を作成した。そして、実証実験１と同様に、まず１２００℃で２０時間の熱処理を行い、次いで、４７５℃で１０００時間の熱処理を行った。この４７５℃の熱処理の前後でビッカース硬さを測定し、４７５℃の熱処理前後におけるビッカース硬さの変動を測定、解析することにより、４７５℃脆性を評価した。ビッカース硬さの測定の条件は、荷重（試験力）５０ｇ（４９０ｍＮ）、保持時間は２０ｓとした（室温約２５℃で測定した）。
なお、試料について、Ｔｉは、実証実験１と同様にこれらの材料に含まれる微量な炭素を安定化させるため添加した。（表４では、Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ及びＴｉの合計が１００％となるように記載している。）

図６に、上記ビッカース硬さの変動を解析した結果を示す。図６は、横軸に合金のＡｌ含有量（ａｔ％）、縦軸にビッカース硬さ（Ｈｖ）をとり、表２に示す組成の試料について、Ａｌ含有量と上記熱処理前後のビッカース硬さとの関係を示したものである。
図６を参照すると、Ｃｒ含有量が１７．０ａｔ％であるＦｅ−Ｃｒ合金は、Ａｌ含有量が８ａｔ％までの場合、上記熱処理前後でビッカース硬さが大きく変動するものの、Ａｌ含有量が１４ａｔ％以上になると、上記熱処理前後でビッカース硬さがあまり変動しないことがわかる。つまり、Ｃｒ含有量が１７．０ａｔ％の場合、Ａｌを１４ａｔ％以上含有させると、４７５℃脆性を抑制できることが理解できる。

以上の実証実験の結果を状態図にまとめ、ビッカース硬さの変動が小さく４７５℃脆性がほとんど現れない領域がないか、解析をした。
図７及び図８に、上記ビッカース硬さの変動を解析した結果を示す。図７は、各組成に対する上記熱処理によるビッカース硬さの変動を示す状態図（三角図表）である。図８は、４７５℃脆性を抑制できる、好ましい組成領域を示す図である。なお、図７及び図８は、図２及び図３と同様に、状態図（三角図表）の底辺の軸が合金のＡｌの含有量（ａｔ％）を示し、状態図（三角図表）の左辺の軸が合金のＣｒの含有量（ａｔ％）を示している。図７における点と数値は、その点の組成における、熱処理前のビッカース硬さと熱処理後のそれとの差分（ビッカース硬さの変動ΔＨｖ）を示している。

図７を参照すると、ビッカース硬さの変動が極めて小さい組成領域があることが理解できる。図７に示す曲線Ｘより下側（曲線状を含む）で、ビッカース硬さの変動が極めて小さいことがわかる。この曲線は、ビッカース硬さの変動がΔＨｖ＝５０となる組成の点を結んだ軌跡を状態図上に描画したものであり、実験値から求めたものである。

次に、図８を参照すると、図７のビッカース硬さの変動が極めて小さい領域は、曲線Ｘを線形的に近似した直線ＡＢ，ＢＣ及びＣＤを境界とする領域で表示できることがわかる。一方、Ｃｒの含有量が１２ａｔ％以下の場合、Ａｌの含有に関係なく４７５℃脆性がほとんど現れないものの、耐食性があまり好ましくない（ステンレス鋼として好ましくないため）。また、Ｃｒの含有量が２０ａｔ％より多い場合やＡｌの含有量が２０ａｔ％より多い場合、加工性（例えば、熱間加工性）があまり好ましくない。このため、化学プラント設備等の機械構造物に用いるフェライト系ステンレス鋼として好ましい領域を考えると、これらの好ましくない領域を除いた、Ｑ領域内のＣｒ及びＡｌの含有量を示す組成領域が、ビッカース硬さの変動が極めて小さく、かつ化学プラント設備等の機械構造物の材料として好ましい組成領域であるといえる。ここで、領域Ｑは、点Ａ（１２Ｃｒ−５Ａｌ）、点Ｂ（１５Ｃｒ−１０．５Ａｌ）、点Ｃ（１７Ｃｒ−１２Ａｌ）、点Ｄ（２０Ｃｒ−１３Ａｌ）、点Ｆ（２０Ｃｒ−２０Ａｌ）、点Ｇ（１２Ｃｒ−２０Ａｌ）で囲まれる範囲内の領域である。
また、Ａｌの含有量が１８ａｔ％以下の場合には、比較的好ましい加工性（例えば、熱間加工性）を示すため、Ｐ領域内の組成領域が化学プラント設備等の機械構造物に用いるフェライト系ステンレス鋼として、より好ましい組成領域といえる。ここで、Ｐ領域は、点Ａ（１２Ｃｒ−５Ａｌ）、点Ｂ（１５Ｃｒ−１０．５Ａｌ）、点Ｃ（１７Ｃｒ−１２Ａｌ）、点Ｄ（２０Ｃｒ−１３Ａｌ）、点Ｅ（２０Ｃｒ−１８Ａｌ）、点Ｈ（１２Ｃｒ−１８Ａｌ）で囲まれる範囲内の領域である。
なお、図５〜図８で示した組成のうち、ビッカース硬さの変動（ΔＨｖ）が５０以内である組成（実験値）を表５に示す。
（表５において、Ｔｉは、Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌの合計に対する添加量を示している。）

以上の試験結果からわかるように、１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜２０．０原子％のＡｌとを含有するフェライト系ステンレス鋼は、４７５℃で１０００時間の熱処理を行ってもビッカース硬さの変動が小さく、４７５℃脆性を抑制できる。このため、このフェライト系ステンレス鋼は、靭性が求められる分野であっても４７５℃付近の高温で長時間にわたり使用できる。また、Ｃｒの含有量が多いので、このフェライト系ステンレス鋼は耐食性にも優れる。したがって、４７５℃付近で長時間にわたり使用される化学プラント設備や原子力発電設備に適している。

この発明のフェライト系ステンレス鋼は、４７５℃付近の高温で長時間にわたり使用され、かつ靭性が求められる機械構造物に適用できる。また、耐食性が求められる機械構造物にも適用できる。例えば、石油精製や石油化学工業の設備（常圧原油蒸留装置や水素化脱硫装置などの装置、機械構造物（部材、配管等））、軽水炉プラントの設備（蒸気発生器などの機器、機械構造物（ボルトやナット等の連結要素、管や弁等の流体要素など。部品を含む）。具体的には、伝熱管の防振金具等）の材料として利用できる。また、化学分野の設備（例えば、３２０℃〜５４０℃の流体（液体又は気体等）を流す配管）の材料、又はインターナル材に適用できる。

Claims

１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜２０．０原子％のＡｌとを含有し、残部がＦｅ成分からなり、
前記Ｃｒ及びＡｌの含有量が図８に示す点Ａ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：５原子％）、点Ｂ（Ｃｒ：１５原子％，Ａｌ：１０．５原子％）、点Ｃ（Ｃｒ：１７原子％，Ａｌ：１２原子％）、点Ｄ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：１３原子％）、点Ｆ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：２０原子％）、点Ｇ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：２０原子％）で囲まれる範囲内にあることを特徴とする高温用フェライト系ステンレス鋼。
１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜１８．０原子％のＡｌとを含有し、残部がＦｅ成分からなる請求項１に記載の高温用フェライト系ステンレス鋼。
４７５℃，１０００時間の熱処理前後でのビッカース硬さの変動が５０Ｈｖ以内である請求項１又は２に記載の高温用フェライト系ステンレス鋼。
前記高温が１００℃〜５４０℃である請求項１〜３のいずれか１つに記載の高温用フェライト系ステンレス鋼。
前記高温が３２０℃〜５４０℃である請求項１〜４のいずれか１つに記載の高温用フェライト系ステンレス鋼。
前記フェライト系ステンレス鋼が化学プラント設備用である請求項１〜５のいずれか１つに記載の高温用フェライト系ステンレス鋼。
前記フェライト系ステンレス鋼が原子力発電設備用である請求項１〜６のいずれか１つに記載の高温用フェライト系ステンレス鋼。
１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜２０．０原子％のＡｌとを含有し、残部がＦｅ成分からなり、
前記Ｃｒ及びＡｌの含有量が図８に示す点Ａ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：５原子％）、点Ｂ（Ｃｒ：１５原子％，Ａｌ：１０．５原子％）、点Ｃ（Ｃｒ：１７原子％，Ａｌ：１２原子％）、点Ｄ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：１３原子％）、点Ｆ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：２０原子％）、点Ｇ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：２０原子％）で囲まれる範囲内にあることを特徴とする４７５℃脆性が抑制されたフェライト系ステンレス鋼。
１２．０〜２０．０原子％のＣｒと、５．０〜２０．０原子％のＡｌとを含有し、残部がＦｅ成分からなり、前記Ｃｒ及びＡｌの含有量が図８に示す点Ａ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：５原子％）、点Ｂ（Ｃｒ：１５原子％，Ａｌ：１０．５原子％）、点Ｃ（Ｃｒ：１７原子％，Ａｌ：１２原子％）、点Ｄ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：１３原子％）、点Ｆ（Ｃｒ：２０原子％，Ａｌ：２０原子％）、点Ｇ（Ｃｒ：１２原子％，Ａｌ：２０原子％）で囲まれる範囲内にあるフェライト系ステンレス鋼を高温で使用される機械構造物に用いる、４７５℃脆性を抑制するための方法。