WO2014069467A1 - オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

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WO2014069467A1
WO2014069467A1 PCT/JP2013/079292 JP2013079292W WO2014069467A1 WO 2014069467 A1 WO2014069467 A1 WO 2014069467A1 JP 2013079292 W JP2013079292 W JP 2013079292W WO 2014069467 A1 WO2014069467 A1 WO 2014069467A1
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austenitic stainless
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剛夫 宮村
難波　茂信
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株式会社神戸製鋼所
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    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/004—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr and Ni

Definitions

  • the present invention relates to austenitic stainless steel, and more particularly to austenitic stainless steel used in high temperature and oxidizing environments such as boiler tubes for thermal power generation.
  • Austenitic stainless steel with excellent high-temperature strength and oxidation resistance is used for boiler tubes for thermal power generation.
  • a 25Cr stainless steel represented by SUS310 is used in a portion where the temperature environment is high and the corrosiveness is severe.
  • These boiler tubes are not only exposed to a high temperature environment of 500 to 700 ° C., but also require excellent creep characteristics because high-pressure steam passes through the inside of the steel pipe. According to conventional knowledge, the creep strength is improved by various methods.
  • Patent Document 1 discloses a technique for adjusting the Ti amount, Nb amount, Zr amount, Ta amount and C amount to an appropriate ratio.
  • Patent Document 2 discloses a technique for suppressing the mixing of crystal grains by containing a small amount of oxygen and Ti.
  • Patent Document 3 discloses a technique for controlling the P amount, Al amount, V amount, and the like in a steel material to which Cu, Nb, and N are added.
  • Patent Document 4 discloses a technique for adjusting the Mo amount, the W amount, and the N amount.
  • the boiler tube has a problem of improving toughness. This is because if the toughness is low, cracks and cracks are likely to occur in the boiler tube due to the impact applied during operation and inspection, and the possibility that the boiler will blow out increases.
  • Ta is an element that can be added to heat-resistant stainless steel such as 25Cr-20Ni.
  • Patent Documents 7 to 11 by selectively adding from Ti, Nb, V, Mo, W, Re, etc. containing Ta, the corrosion resistance is improved by fixing carbon and the hot workability is improved. It is stated that the high temperature strength can be improved.
  • Patent Documents 1 and 2 do not provide sufficient creep strength.
  • Patent Documents 3 and 4 expensive metals such as W, Mo, and Cu are added in several mass%, and an increase in cost is inevitable. There is a problem.
  • JIS standard steel such as fire SUS310J1HTB which is an existing boiler material, since N is contained at a high concentration, it is not possible to apply the creep strength improvement due to the synergistic effect of N and other elements as in Patent Document 4. .
  • Patent Documents 5 to 11 even when exposed to a high temperature environment (eg, 500 to 700 ° C.) for a long time, it is possible to maintain toughness to a certain degree. However, as described above, the situation is becoming insufficient to meet the increasingly demanding heat resistance requirements.
  • a high temperature environment eg, 500 to 700 ° C.
  • the present invention has been made in view of such a situation, and one of the problems thereof is excellent over a long period of time in a high temperature environment without adding a large amount of expensive metals such as W, Mo, and Cu.
  • Another object of the present invention is to provide an austenitic stainless steel that can exhibit high creep strength.
  • Another object is to provide an austenitic stainless steel that can maintain excellent toughness even after being exposed to a high temperature environment for a long period of time.
  • the present inventors have included an austenitic stainless steel with Ta within a specific numerical range, thereby simulating an environment used in a boiler or the like, that is, an environment exposed to a high temperature environment for a long time. It was found that the later toughness can be made excellent. In addition to containing Ta in a specific concentration range, it has also been found that the creep strength is improved by containing Nb and Ta in a specific ratio.
  • the austenitic stainless steel according to the present invention completed based on the above knowledge is C: 0.01 to 0.15 mass%, Si: 0.10 to 1.00 mass%, Mn: 0.10 to 2 50 mass%, Ni: 15.0 to 25.0 mass%, Cr: 20.0 to 30.0 mass%, Nb: 0.10 to 0.80 mass%, Ta: 0.20 to 1.00 %
  • B 0.0005 to 0.0050 mass%
  • N 0.10 to 0.35 mass%
  • S 0.0050 mass% or less (excluding 0 mass%)
  • P 0.050 mass % Or less (not including 0% by mass), with the balance being iron and inevitable impurities.
  • the Ta content is 0.25 to 0.8% by mass, particularly excellent post-aging toughness is exhibited.
  • the austenitic stainless steel according to the present invention particularly excellent creep when the Nb content is 0.10 to 0.60 mass% and the Ta / Nb ratio is 0.8 to 4.0. Strength is demonstrated.
  • the high temperature strength and oxidation resistance can be improved according to the element to be contained, which is more preferable.
  • W 4 mass% or less, Mo: 4 mass% or less, Cu: 4 mass% or less, rare earth element: 0.15 mass% or less, Ca: 0.005 mass% or less, and Mg: 0.005 mass %
  • V 0.2 mass% or less, Ti: 0.2 mass% or less, Zr: 0.2 mass% or less, Hf: any one or more of the group consisting of 0.2 mass% or less, And the sum total of these content is 0.4 mass% or less.
  • the austenitic stainless steel according to the present invention can maintain excellent toughness even after being exposed to a high temperature environment for a long time. Alternatively, excellent creep strength can be expressed over a long period of time in a high temperature environment without adding a large amount of expensive metals such as Mo and Cu.
  • the austenitic stainless steel according to one embodiment of the present invention includes C: 0.01 to 0.15 mass%, Si: 0.10 to 1.00 mass%, Mn: 0.10 to 2.50 mass%, Ni: 15.0 to 25.0 mass%, Cr: 20.0 to 30.0 mass%, Nb: 0.10 to 0.80 mass%, Ta: 0.20 to 1.00 mass%, B: 0.0005 to 0.0050 mass%, N: 0.10 to 0.35 mass%, S: 0.0050 mass% or less (excluding 0 mass%) and P: 0.050 mass% or less (0 mass) %) And the balance consists of iron and inevitable impurities.
  • the austenitic stainless steel according to the present invention has a chemical composition equivalent to that of the 25Cr-20Ni austenitic stainless steel in which the contents of Ni and Cr are the same, but the specific chemical composition (C , Si, Mn, Ni, Cr, Nb, Ta, B, N, S, P).
  • C chemical composition equivalent to that of the 25Cr-20Ni austenitic stainless steel in which the contents of Ni and Cr are the same, but the specific chemical composition (C , Si, Mn, Ni, Cr, Nb, Ta, B, N, S, P).
  • C 0.01 to 0.15% by mass
  • C is an element that forms carbides in a high temperature use environment and has an action of improving high temperature strength and creep strength necessary for a heat transfer tube.
  • the C content is preferably 0.03% by mass or more, and more preferably 0.05% by mass or more.
  • the C content is preferably 0.10% by mass or less, and more preferably 0.07% by mass or less.
  • Si 0.1 to 1.0% by mass
  • Si is an element having a deoxidizing action in molten steel. Moreover, even if it contains a trace amount, it acts effectively on the improvement of oxidation resistance. In order to exert these effects, the Si content needs to be 0.1% by mass or more. However, when the Si content is excessive and exceeds 1.0 mass%, the formation of the ⁇ phase is caused and the toughness is reduced.
  • the Si content is preferably 0.2% by mass or more, and more preferably 0.3% by mass or more. Moreover, it is preferable that Si content shall be 0.7 mass% or less, and it is more preferable to set it as 0.5 mass% or less.
  • Mn 0.1 to 2.5% by mass
  • Mn is an element having a deoxidizing action in molten steel, and also has an action of stabilizing austenite.
  • the Mn content needs to be 0.1% by mass or more.
  • the Mn content is preferably 0.5% by mass or more, and more preferably 1.0% by mass or more.
  • Mn content shall be 2.0 mass% or less, and it is more preferable to set it as 1.5 mass% or less.
  • P 0.05% by mass or less (excluding 0% by mass)
  • P is an inevitable impurity. If the P content increases, weldability is impaired, so 0.05 mass% or less is necessary.
  • the P content is preferably 0.04% by mass or less, and more preferably 0.03% by mass or less.
  • S 0.005 mass% or less (excluding 0 mass%)] S is an inevitable impurity.
  • the S content is preferably 0.003% by mass or less, and more preferably 0.001% by mass or less.
  • Ni 15 to 25% by mass
  • Ni has an effect of stabilizing austenite, and in order to maintain the austenite phase, it is necessary to contain 15% by mass or more. However, if the Ni content becomes excessive and exceeds 25% by mass, the cost will increase.
  • the Ni content is preferably 17% by mass or more, and more preferably 19% by mass or more. Moreover, it is preferable that Ni content shall be 23 mass% or less, and it is more preferable to set it as 21 mass% or less.
  • Cr 20 to 30% by mass
  • Cr is an essential element in order to develop corrosion resistance as stainless steel. In order to exhibit excellent corrosion resistance, it is necessary to contain 20% by mass or more of Cr. However, when the Cr content becomes excessive and exceeds 30% by mass, the ferrite phase that causes a decrease in high-temperature strength increases.
  • the Cr content is preferably 22% by mass or more, and more preferably 24% by mass or more. Moreover, it is preferable that Cr content shall be 28 mass% or less, and it is more preferable to set it as 26 mass% or less.
  • Nb is an element that improves high temperature strength and creep strength by precipitating carbide, nitride, or carbonitride. Further, these precipitates suppress the coarsening of crystal grains and promote the diffusion of Cr, thereby exhibiting an effect of improving corrosion resistance. In order to ensure the amount of precipitation necessary for effectively exhibiting these effects, it is necessary to contain Nb in an amount of 0.1% by mass or more. However, if the Nb content exceeds 0.8% by mass, the precipitates become coarse, leading to a decrease in toughness.
  • the Nb content is preferably 0.15% by mass or more, more preferably 0.2% by mass or more, and further preferably 0.25% by mass or more. Moreover, it is preferable that Nb content shall be 0.6 mass% or less.
  • Ta 0.20 to 1.00% by mass
  • the formation of precipitates includes precipitation at crystal grain boundaries and precipitation within crystal grains.
  • the toughness decreases when the precipitates formed at the crystal grain boundaries cover the grain boundaries.
  • carbides and carbonitrides are contained in the crystal grains. Precipitates and improves the creep strength by precipitation strengthening, and Ta further dissolves in the Z phase (CrNbN) precipitated in the steel to further improve the creep strength.
  • the Ta content needs to be 0.20% by mass or more.
  • the preferable lower limit of the Ta content is 0.25 mass% or more (more preferably 0.30 mass% or more), and the preferable upper limit is 0.80 mass% or less (more preferably 0.60 mass% or less).
  • B has the effect of promoting the formation of M 23 C 6 type carbide (M is a carbide forming element), which is one of the main strengthening mechanisms, by forming a solid solution in steel.
  • M is a carbide forming element
  • the B content needs to be 0.0005% by mass or more.
  • the B content is preferably 0.001% by mass or more, and more preferably 0.0015% by mass or more. Further, the B content is preferably 0.003% by mass or less, and more preferably 0.0025% by mass or less.
  • N has the effect of improving the high temperature strength by solid solution strengthening by forming a solid solution in the steel, and is one of the important elements responsible for the high temperature strength of the austenitic stainless steel according to the present embodiment.
  • the N content needs to be 0.10% by mass or more. However, if the N content becomes excessive and exceeds 0.35% by mass, hot workability is impaired.
  • the N content is preferably 0.20% by mass or more, and more preferably 0.23% by mass or more. Further, the N content is preferably 0.30% by mass or less, and more preferably 0.27% by mass or less.
  • the elements contained in the austenitic stainless steel according to the present embodiment are as described above, and the balance is iron and inevitable impurities, but low melting points such as Sn, Pb, Sb, As, Zn derived from scrap raw materials. Impurity metals reduce the strength of grain boundaries during hot working or when used in high temperature environments, so it is desirable to keep the concentration low to improve hot workability and resistance to brittle cracking after long-term use. .
  • the austenitic stainless steel according to an embodiment of the present invention has been described.
  • the Ta content is 0.25 to 0.8% by mass
  • Excellent post-aging toughness is demonstrated. The reason will be described below.
  • the formation of precipitates includes precipitation at crystal grain boundaries and precipitation within crystal grains, and when the precipitates formed at the crystal grain boundaries cover the grain boundaries, the toughness decreases. It is known from the past. However, it has been found that when 0.25 to 0.8% by mass of Ta is contained, the amount of precipitates precipitated at the grain boundaries can be particularly effectively suppressed. As a result, excellent post-aging toughness can be exhibited. From this viewpoint, it is particularly preferable that Ta is contained in an amount of 0.3% by mass or more. On the other hand, in view of good toughness and an increase in cost associated with addition of Ta, which is an expensive metal, the content is preferably 0.6% by mass or less, and more preferably 0.5% by mass or less.
  • the austenitic stainless steel according to the present embodiment can be suitably used as a heat transfer tube (boiler tube) material such as a boiler. That is, the austenitic stainless steel according to the present embodiment maintains excellent toughness even after being exposed to a high temperature environment for a long time with a boiler or the like, and therefore can withstand impacts generated during operation and / or inspection. Therefore, the boiler tube material can maintain the reliability over a long period of time.
  • Nb is an element that precipitates Nb (C, N) or Z phase (CrNbN) in steel and improves the creep strength by precipitation strengthening. It has been found that such effects are particularly suitably exhibited when the Nb content is 0.10 to 0.60 mass%.
  • Ta / Nb content ratio Ta / Nb within a predetermined range, the amount of Ta solid solution in the Z phase is optimized, and the creep strength can be improved.
  • the Ta / Nb ratio is less than 0.8, the amount of Ta solid solution is small, and improvement in creep strength cannot be expected.
  • the ratio of Ta / Nb exceeds 4.0, the amount of Ta solid solution is large, the ductility is lowered, and the economic efficiency is impaired. Therefore, the Ta / Nb ratio is set to 0.8 to 4.0.
  • the austenitic stainless steel according to the present embodiment further includes at least one group of the following groups (a) and (b), and improves high-temperature strength and oxidation resistance depending on the elements to be contained. Can be more preferable.
  • each element constituting this embodiment and its content will be described.
  • W and Mo have the effect of improving the high temperature strength by solid solution strengthening, and the high temperature strength can be increased by inclusion if necessary.
  • the W content exceeds 4% by mass and becomes excessive, a coarse intermetallic compound is formed, resulting in a decrease in hot ductility. Therefore, the W content is preferably 4% by mass or less (excluding 0% by mass), more preferably 3% by mass or less, and even more preferably 2% by mass or less.
  • the Mo content when the Mo content exceeds 4% by mass, hot workability is hindered. Therefore, the Mo content is preferably 4% by mass or less (excluding 0% by mass), more preferably 3% by mass or less, and even more preferably 2% by mass or less.
  • the W content is preferably 0.1% by mass or more, and more preferably 0.5% by mass or more.
  • the Mo content is preferably 0.1% by mass or more, and more preferably 0.5% by mass or more.
  • Cu 4% by mass or less
  • Cu is an element that forms consistent precipitates in the steel (precipitates whose atomic arrangement is continuous with the base metal) and significantly improves the high-temperature creep strength, and is one of the main strengthening mechanisms in stainless steel. It is. However, even if the Cu content is excessive and exceeds 4% by mass, the effect is saturated. Therefore, the Cu content is preferably 4% by mass or less (excluding 0% by mass), more preferably 3.7% by mass or less, and even more preferably 3.5% by mass or less. In order to exert the above-described effects, the Cu content is preferably 0.2% by mass or more, more preferably 2% by mass or more, and further preferably 2.5% by mass or more. preferable.
  • rare earth element 0.15 mass% or less
  • Examples of rare earth elements that can be used in the present invention include 17 lanthanoid elements represented by Sc, Y, La, Ce, and Nd.
  • the rare earth element content is preferably 0.15 mass% or less, more preferably 0.1 mass% or less, and even more preferably 0.05 mass% or less.
  • the rare earth element content is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.015% by mass or more, and 0.02% by mass. More preferably, it is as described above.
  • Ca and Mg work as desulfurization / deoxidation elements.
  • the content of Ca and Mg is preferably 0.005% by mass or less (excluding 0% by mass), and more preferably 0.002% by mass or less.
  • the Ca and Mg contents are both preferably 0.0002% by mass or more, and more preferably 0.0005% by mass or more.
  • V 0.2 mass% or less
  • Ti 0.2 mass% or less
  • Zr 0.2 mass% or less
  • Hf 0.2 mass% or less
  • the total of these contents is 0.4 mass %Less than
  • V, Ti, Zr, and Hf exhibit the same action as Nb, but when added in combination, precipitates are further stabilized and effective in maintaining high-temperature strength for a long period of time.
  • the content of each of V, Ti, Zr and Hf is preferably 0.2% by mass or less (excluding 0% by mass), more preferably 0.15% by mass or less.
  • the content of each of V, Ti, Zr, and Hf is preferably 0.02% by mass or more, and more preferably 0.04% by mass or more. Preferably, it is more preferable to set it as 0.06 mass% or more. However, in the case where a plurality of these elements are contained, if the total content exceeds 0.4% by mass, the undissolved inclusions increase as described above. Therefore, when a plurality of these elements are included, the total content of these elements is preferably 0.4% by mass or less.
  • Example 1 Example of post-aging toughness
  • Test No. in Table 1 below Various steel materials having the chemical composition shown in 1A to 19A are melted, and a 20 kg ingot melted in a vacuum melting furnace (VIF) is hot forged into a size of 120 mm wide ⁇ 20 mm thick, and heat treated at 1250 ° C. After the application, it was processed to a thickness of 13 mm by cold rolling. Thereafter, heat treatment was again performed at 1220 ° C. for 5 minutes, and this was used as a base material.
  • VIP vacuum melting furnace
  • Test No. 1A to 12A are steel materials (invention steels) satisfying the chemical composition of austenitic stainless steels having excellent post-aging toughness specified in the present invention.
  • Test No. 13A to 19A are steel materials (comparative steels) that deviate from the chemical composition of the austenitic stainless steel particularly excellent in toughness after aging specified in the present invention.
  • Test No. 19A is an existing steel equivalent to “Take SUS310J1HTB”. This “fire SUS310J1HTB” equivalent steel (test No.
  • 19A belongs to 25Cr-20Ni austenitic stainless steel and is a steel type that has been used as a boiler heat transfer tube (boiler tube). It should be noted that the numerical values shown in italics and underlined in Table 1 indicate that they are outside the chemical composition defined in the present invention. In addition, “-” in Table 1 indicates that the corresponding element is not added. A misch metal containing Ce, La, and Nd was used as an additive material for the rare earth element.
  • a 40 ⁇ 60 mm sample was prepared from these base materials by machining, and aging heat treatment was performed at 700 ° C. for 300 hours using an atmospheric furnace. After the aging heat treatment, the sample was taken out after cooling with water, and two Charpy impact test pieces were prepared for each steel type so that the N number of 2 V-notch test pieces of JIS Z 2242 with a notch depth of 2 mm. The Charpy impact test was performed at 0 ° C. in accordance with JIS Z 2242. The measurement results of the Charpy impact test (toughness value (Charpy impact value [J / cm 2 ])) are shown in Table 2 below.
  • Steels satisfying the chemical composition defined in the present invention are existing steels (Test No. 19A) and austenitic stainless steels according to the present invention that are particularly excellent in toughness after aging.
  • the toughness value was excellent, and it was confirmed that a decrease in toughness after aging treatment was suppressed. Therefore, it was strongly suggested that the steel of the present invention can be suitably used as a heat transfer tube (boiler tube) material such as a boiler.
  • the steel according to the present invention maintains excellent toughness even after being exposed to a high temperature environment for a long time with a boiler or the like, and therefore can withstand impacts that occur during operation and / or inspection, and therefore for a long time. It was strongly suggested that a boiler tube material capable of maintaining reliability could be obtained.
  • Test No. 17A and test no. 18A is a case where Si and S (sulfur) deviate from the chemical composition defined in the present invention (exceeding the upper limit value).
  • Si and S sulfur
  • the toughness value of the steel material having extremely high Si and S is low. That is, it was confirmed that such a steel material cannot obtain a sufficiently high toughness value even if a specific amount of Ta is contained. That is, test no.
  • Si and S are controlled so as to satisfy the chemical composition defined in the present invention, and by adding a specific amount of Ta defined in the present invention, toughness is improved. It was confirmed that
  • Example 2 Example regarding creep characteristics
  • Various steels having chemical composition shown in Table 3 below were melted in a vacuum melting furnace (VIF) to prepare ingots.
  • the melted 20 kg ingot was hot forged into a size of 130 mm wide ⁇ 20 mm thick, heat treated at 1250 ° C., and then cold rolled to a thickness of 13 mm. Thereafter, heat treatment was again performed at 1220 ° C. for 5 minutes, and this was used as a base material (test Nos. 1B to 17B).
  • test No. in Table 3 below.
  • base materials shown in FIGS. 2B, 3B, 5B, 6B, 7B, 10B, 11B, 13B, 15B, and 17B are base materials that satisfy the chemical composition of the austenitic stainless steel that is particularly excellent in the creep strength defined in the present invention (Example). It is.
  • Test No. 1B, 4B, 8B, 9B, 12B, 14B, and 16B are base materials (comparative examples) that deviate from the chemical composition of the austenitic stainless steel that is excellent in the particularly excellent creep strength defined in the present invention.
  • Test No. 8B is a base material made of steel equivalent to “Tai SUS310J1HTB”, which is an existing steel.
  • a creep test piece having a diameter of 6 mm was produced from these base materials by machining, and a creep rupture test was performed at 700 ° C. and 189 MPa using a multi-type creep tester. The obtained creep rupture time is shown in Table 3 below.
  • the base material (Example) that satisfies the chemical composition of the austenitic stainless steel excellent in particularly excellent creep strength specified in the present invention is the existing steel (Test No. 8B), It was confirmed that the creep rupture time was long and the creep strength was excellent as compared with a base material made of stainless steel deviating from the chemical composition (comparative example).
  • test no. 8B (comparative example) is a conventional boiler tube material. As can be seen from comparison with 5B to 7B (Examples), it can be seen that a creep strength superior to that of the conventional material can be obtained by replacing part of Nb with Ta.
  • the austenitic stainless steel of the present invention has been specifically described by the embodiments and examples for carrying out the invention.
  • the gist of the present invention is not limited to these descriptions, and the scope of the claims is as follows. It must be interpreted widely based on the description. Needless to say, various changes and modifications based on these descriptions are also included in the spirit of the present invention.
  • the austenitic stainless steel of the present invention is suitable as a material for parts and devices used in high temperature and oxidizing environments such as boiler tubes for thermal power generation.

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Abstract

　本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｃ：０．０１～０．１５質量％、Ｓｉ：０．１０～１．００質量％、Ｍｎ：０．１０～２．５０質量％、Ｎｉ：１５．０～２５．０質量％、Ｃｒ：２０．０～３０．０質量％、Ｎｂ：０．１０～０．８０質量％、Ｔａ：０．２０～１．００質量％、Ｂ：０．０００５～０．００５０質量％、Ｎ：０．１０～０．３５質量％、Ｓ：０．００５０質量％以下（０質量％を含まない）およびＰ：０．０５０質量％以下（０質量％を含まない）を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。

Description

オーステナイト系ステンレス鋼
　本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼に関し、特には火力発電用のボイラーチューブ等、高温・酸化性環境にて使用されるオーステナイト系ステンレス鋼に関する。
　安定した電力供給の維持を目的に太陽光など再生可能エネルギーが注目されているが、世界的に見れば火力発電が主要な発電方法であることに変りはない。特に、石炭火力発電は豊富な資源・安価な原料コストを背景に新興国を中心に拡大すると考えられている。しかしながら、石炭火力発電は発電電力量当りのＣＯ２排出量が大きいため、発電ボイラーの蒸気を高温・高圧化することによって発電効率の改善が行われている。このような状況の下、ボイラーの熱交換部に使用されるボイラーチューブ材料に要求される耐熱性は年々、益々厳しくなっている。
　火力発電用ボイラーチューブには高温強度、耐酸化性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。特に、温度環境が高く、腐食性が厳しい部分にはＳＵＳ３１０に代表される２５Ｃｒ系のステンレス鋼が使用されている。これらのボイラーチューブは５００～７００℃の高温環境に晒されるだけでなく、鋼管内部を高圧の水蒸気が通るため優れたクリープ特性が必要となる。従来知見では、様々な方法によってクリープ強度の向上が図られている。
　例えば、特許文献１には、Ｔｉ量、Ｎｂ量、Ｚｒ量、Ｔａ量とＣ量を適切な比率にする技術が示されている。特許文献２には、微量の酸素とＴｉを含むことで結晶粒の混粒を抑制する技術が示されている。特許文献３には、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｎを添加した鋼材においてＰ量、Ａｌ量、Ｖ量などを制御する技術が示されている。特許文献４には、Ｍｏ量、Ｗ量とＮ量を調節する技術が示されている。
　一方、ボイラーチューブにおいては、靭性を向上させたいという課題もある。靭性が低い場合には運転時・点検時に負荷される衝撃によってボイラーチューブに亀裂や割れが発生し易くなり、ボイラーが噴破する可能性が高まるためである。
　従来から、靭性を高めるためにはステンレス鋼に含まれるＳｉやＡｌ、Ｓ（硫黄）、Ｏ（酸素）を低減することが有効とされている。既存の火力発電用のボイラーチューブ材料では脱酸効果を得られる範囲でＳｉ、Ａｌを低減することによってσ相などの脆化相の形成を抑制し、ＭｎやＣａ、Ｍｇを添加することでＳの影響を低減している（例えば、特許文献５、６参照）。
　また、２５Ｃｒ－２０Ｎｉ系などの耐熱ステンレス鋼に添加可能な元素としてＴａ（タンタル）がある。特許文献７～１１には、Ｔａを含む、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅなどから選択的にこれを添加することで、炭素の固定化による耐食性の向上や熱間加工性の向上、高温強度の向上が図られる旨記載されている。
日本国特開昭５９－２３８５５号公報 日本国特開２００４－２５０７８３号公報 日本国特開２００４－３２３９３７号公報 日本国特開２０１２－１７４９号公報 日本国特開平７－２７８７５７号公報 日本国特開平４－３５８０４３号公報 日本国特開２００４－１５６１２６号公報 日本国特開２００２－６９５９１号公報 日本国特開２００６－２９１２９０号公報 国際公開第２００９／０４４８０２号 国際公開第２００９／０４４７９６号
　しかしながら、特許文献１、２の方法では十分なクリープ強度が得られず、特許文献３、４ではＷ、Ｍｏ、Ｃｕ等の高価な金属を数質量％で添加しておりコスト増加が避けられないという問題がある。また、既存ボイラー材料である火ＳＵＳ３１０Ｊ１ＨＴＢのようなＪＩＳ規格鋼においては、Ｎを高濃度で含むため、特許文献４のようなＮと他元素との相乗効果によるクリープ強度向上を適用することができない。
　また、特許文献５～１１に記載の技術によれば、高温環境（例えば、５００～７００℃）に長期間晒された場合であっても、靭性をある程度高く維持することは可能である。しかしながら、前述したように、年々、益々厳しくなる耐熱性の要求を満たすには十分とは言えない状況になりつつある。
　本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その課題の一つは、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ等の高価な金属を多量に添加せずに、高温環境において長期間に渡って優れたクリープ強度を発現し得るオーステナイト系ステンレス鋼を提供することにある。また、もう一つの課題は、高温環境に長期間晒された後でも優れた靭性を維持し得るオーステナイト系ステンレス鋼を提供することにある。
　本発明者らは鋭意研究開発した結果、オーステナイト系ステンレス鋼に特定の数値範囲でＴａを含有させることによって、ボイラー等での使用環境、すなわち、高温環境に長期間晒される環境を模擬した時効熱処理後の靭性を優れたものとできることを見出した。また、Ｔａを特定の濃度範囲で含有させることに加えて、ＮｂとＴａの含有量を特定比率で含有させることによって、クリープ強度が向上することも見出した。
　以上の知見をもとに完成した本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｃ：０．０１～０．１５質量％、Ｓｉ：０．１０～１．００質量％、Ｍｎ：０．１０～２．５０質量％、Ｎｉ：１５．０～２５．０質量％、Ｃｒ：２０．０～３０．０質量％、Ｎｂ：０．１０～０．８０質量％、Ｔａ：０．２０～１．００質量％、Ｂ：０．０００５～０．００５０質量％、Ｎ：０．１０～０．３５質量％、Ｓ：０．００５０質量％以下（０質量％を含まない）およびＰ：０．０５０質量％以下（０質量％を含まない）を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなることを特徴とするものである。
　ここで、上記本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼において、Ｔａ含有量を０．２５～０．８質量％とすると特に優れた時効後靭性が発揮される。
　また、上記本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼において、Ｎｂ含有量を０．１０～０．６０質量％とし、かつ、Ｔａ／Ｎｂの比率を０．８～４．０とすると、特に優れたクリープ強度が発揮される。
　本発明は、さらに、下記（ａ）、（ｂ）群の少なくとも１群を含むと、含有させる元素に応じて、高温強度や耐酸化性を向上させることができて、より好ましいものとなる。
　（ａ）Ｗ：４質量％以下、Ｍｏ：４質量％以下、Ｃｕ：４質量％以下、希土類元素：０．１５質量％以下、Ｃａ：０．００５質量％以下、およびＭｇ：０．００５質量％以下からなる群のうちのいずれか一種以上、
　（ｂ）Ｖ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｚｒ：０．２質量％以下、Ｈｆ：０．２質量％以下からなる群のうちのいずれか一種以上で、且つ、これらの含有量の合計が０．４質量％以下。
　本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、高温環境に長期間晒された後でも優れた靭性を維持することができる。または、Ｍｏ、Ｃｕ等の高価な金属を多量に添加せずに、高温環境において長期間に渡って優れたクリープ強度を発現することができる。
　次に、本発明を実施するための形態（実施形態）について詳細に説明する。
　本発明の一実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｃ：０．０１～０．１５質量％、Ｓｉ：０．１０～１．００質量％、Ｍｎ：０．１０～２．５０質量％、Ｎｉ：１５．０～２５．０質量％、Ｃｒ：２０．０～３０．０質量％、Ｎｂ：０．１０～０．８０質量％、Ｔａ：０．２０～１．００質量％、Ｂ：０．０００５～０．００５０質量％、Ｎ：０．１０～０．３５質量％、Ｓ：０．００５０質量％以下（０質量％を含まない）およびＰ：０．０５０質量％以下（０質量％を含まない）を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
　本発明に係る上記オーステナイト系ステンレス鋼は、ＮｉとＣｒの含有量が２５Ｃｒ－２０Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼と同等の化学成分組成を有するものであるが、以下に示すような特定の化学成分組成（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｂ、Ｎ、Ｓ、Ｐ）を有することに特徴がある。これらの成分による作用および範囲設定理由は下記の通りである。
［Ｃ：０．０１～０．１５質量％］
　Ｃは、高温の使用環境において炭化物を形成し、伝熱管として必要な高温強度とクリープ強度を向上させる作用を有する元素である。強化機構となる炭化物の析出量を確保するためにはＣを０．０１質量％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になって０．１５質量％を超えると粗大な炭化物となり、更なる強化が得られない。Ｃ含有量は０．０３質量％以上とするのが好ましく、０．０５質量％以上とするのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．１０質量％以下とするのが好ましく、０．０７質量％以下とするのがより好ましい。
［Ｓｉ：０．１～１．０質量％］
　Ｓｉは、溶鋼中で脱酸作用を有する元素である。また、微量の含有であっても、耐酸化性の向上に有効に作用する。これらの効果を発揮させるためには、Ｓｉ含有量は０．１質量％以上とする必要がある。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰になって１．０質量％を超えると、σ相の形成を招き、靭性の低下をもたらすことになる。Ｓｉ含有量は０．２質量％以上とするのが好ましく、０．３質量％以上とするのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は０．７質量％以下とするのが好ましく、０．５質量％以下とするのがより好ましい。
［Ｍｎ：０．１～２．５質量％］
　ＭｎはＳｉと同様に、溶鋼中で脱酸作用を有する元素であり、またオーステナイトを安定化させる作用がある。これらの効果を発揮させるためには、Ｍｎ含有量は０．１質量％以上とする必要がある。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になって２．５質量％を超えると、熱間加工性を阻害することになる。Ｍｎ含有量は０．５質量％以上とするのが好ましく、１．０質量％以上とするのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は２．０質量％以下とするのが好ましく、１．５質量％以下とするのがより好ましい。
［Ｐ：０．０５質量％以下（０質量％を含まない）］
　Ｐは不可避不純物である。Ｐ含有量が増加すると溶接性を損なうため、０．０５質量％以下とする必要がある。Ｐ含有量は０．０４質量％以下とするのが好ましく、０．０３質量％以下に抑制するのがより好ましい。
［Ｓ：０．００５質量％以下（０質量％を含まない）］
　Ｓは不可避不純物である。Ｓ含有量が増加すると熱間加工性を劣化させるため、０．００５質量％以下とする必要がある。Ｓ含有量は０．００３質量％以下とすることが好ましく、０．００１質量％以下にすることがより好ましい。
［Ｎｉ：１５～２５質量％］
　Ｎｉは、オーステナイトを安定化させる作用があり、オーステナイト相を維持するためには１５質量％以上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２５質量％を超えると、コストの増加をもたらすことになる。Ｎｉ含有量は１７質量％以上とするのが好ましく、１９質量％以上とするのがより好ましい。また、Ｎｉ含有量は２３質量％以下とするのが好ましく、２１質量％以下とするのがより好ましい。
［Ｃｒ：２０～３０質量％］
　Ｃｒは、ステンレス鋼としての耐食性を発現するために必須の元素である。優れた耐食性を発揮させるためには、Ｃｒは２０質量％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰になって３０質量％を超えると、高温強度の低下を招くフェライト相が増加する。Ｃｒ含有量は２２質量％以上とするのが好ましく、２４質量％以上とするのがより好ましい。また、Ｃｒ含有量は２８質量％以下とするのが好ましく、２６質量％以下とするのがより好ましい。
 ［Ｎｂ：０．１～０．８質量％］
　Ｎｂは、炭化物、窒化物または炭窒化物を析出させることで、高温強度、クリープ強度を向上させる元素である。また、これらの析出物が結晶粒の粗大化を抑制し、Ｃｒの拡散を促進することで、副次的に耐食性向上の作用を発揮する。これらの効果を有効に発揮させるのに必要な析出量を確保するためには、Ｎｂは０．１質量％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．８質量％を超えて過剰になると、析出物が粗大化し、靭性の低下を招くことになる。Ｎｂ含有量は０．１５質量％以上とするのが好ましく、０．２質量％以上とするのがより好ましく、０．２５質量％以上とするのがさらに好ましい。また、Ｎｂ含有量は０．６質量％以下とするのが好ましい。
［Ｔａ：０．２０～１．００質量％］
　析出物の形成には、結晶粒界への析出と、結晶粒内への析出とがあるが、結晶粒界に形成される析出物が粒界を覆う状態になると靭性が低下することが従来から知られている。Ｔａを含有させると、結晶粒界に析出する析出物の析出量を抑制することができて、優れた時効後靭性を発揮させることが可能となる一方、結晶粒内には炭化物、炭窒化物が析出し、析出強化によってクリープ強度を向上させると共に、鋼中に析出したＺ相（ＣｒＮｂＮ）へＴａが固溶してクリープ強度をさらに向上させる。これらの効果を得るためには、Ｔａ含有量を０．２０質量％以上とする必要がある。しかしながら、Ｔａ含有量が過剰になって１．００質量％を超えると、析出物が過剰になり延性が低下し、また経済性が損なわれる。Ｔａ含有量の好ましい下限は０．２５質量％以上（より好ましくは０．３０質量％以上）であり、好ましい上限は０．８０質量％以下（より好ましくは０．６０質量％以下）である。
［Ｂ：０．０００５～０．００５質量％］
　Ｂは、鋼中に固溶することで、主要な強化機構の一つであるＭ２３Ｃ６型炭化物（Ｍは炭化物形成元素）の形成を促進させる作用がある。こうした効果を有効に発揮させるためには、Ｂ含有量は０．０００５質量％以上とする必要がある。しかしながら、Ｂ含有量が過剰になると熱間加工性や溶接性の低下を招くため、０．００５質量％以下とする必要がある。Ｂ含有量は０．００１質量％以上とするのが好ましく、０．００１５質量％以上とするのがより好ましい。また、Ｂ含有量は０．００３質量％以下とするのが好ましく、０．００２５質量％以下とするのがより好ましい。
［Ｎ：０．１０～０．３５質量％］
　Ｎは、鋼中に固溶することで固溶強化によって高温強度を向上させる作用があり、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼の高温強度を担う重要な元素の一つである。この効果を有効に発揮させるためには、Ｎ含有量は０．１０質量％以上とする必要がある。しかしながら、Ｎ含有量が過剰になって０．３５質量％を超えると、熱間加工性を阻害してしまう。Ｎ含有量は０．２０質量％以上とするのが好ましく、０．２３質量％以上とするのがより好ましい。また、Ｎ含有量は０．３０質量％以下とするのが好ましく、０．２７質量％以下とするのがより好ましい。
［残部：鉄および不可避不純物］
　本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼に含有される元素は上記の通りであって、残部は鉄および不可避不純物となるが、スクラップ原料に由来するＳｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｚｎなどの低融点不純物金属は、熱間加工時や高温環境での使用時に粒界の強度を低下させるため、熱間加工性や長期使用後の耐脆化割れを改善するためには低濃度に抑えることが望ましい。
　以上、本発明の一実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼について説明したが、前記した通り、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Ｔａ含有量を０．２５～０．８質量％とすると特に優れた時効後靭性が発揮される。以下その理由について説明する。
　前記の通り、析出物の形成には、結晶粒界への析出と、結晶粒内への析出とがあり、結晶粒界に形成される析出物が粒界を覆う状態になると靭性が低下することが従来から知られている。しかし、Ｔａを０．２５～０．８質量％含有させると、結晶粒界に析出する析出物の析出量を特に効果的に抑制することができることが分かった。その結果、優れた時効後靭性を発揮させることが可能となるのである。この観点からは、Ｔａは０．３質量％以上含有させることが特に好ましい。一方で、良好な靭性および高価な金属であるＴａの添加に伴うコストの上昇を鑑みると０．６質量％以下が好ましく、０．５質量％以下がより好ましい。
　このようにＴａを特定の数値範囲で含有し、また、前記したＴａ以外の各元素も適切に調整しているため、後記する実施例の項目で具体的に説明するように、ボイラー等での使用環境、すなわち、高温環境に長期間晒される環境を模擬した時効熱処理後の靭性（靭性値）を優れたものとすることができる。従って、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、ボイラー等の伝熱管（ボイラーチューブ）材料として好適に用いることができる。すなわち、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、ボイラー等で長期間、高温環境に晒された後でも優れた靭性を維持するため、運転中および／または点検中に生じる衝撃にも耐えられることから、長期間に渡って信頼を維持することができるボイラーチューブ材料とすることができる。
　一方で前記した通り、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Ｎｂ含有量を０．１０～０．６０質量％とし、かつ、Ｔａ／Ｎｂの比率を０．８～４．０とすると、特に優れたクリープ強度が発揮される。以下その理由について説明する。
　前記した通り、Ｎｂは、鋼中にＮｂ（Ｃ，Ｎ）やＺ相（ＣｒＮｂＮ）を析出し、析出強化によってクリープ強度を向上させる元素である。Ｎｂ含有量を０．１０～０．６０質量％とすると、このような効果が特に好適に発揮されることが分かった。これに加えて、ＴａとＮｂの含有量の比率：Ｔａ／Ｎｂを所定範囲に制御することによって、Ｚ相へのＴａ固溶量が最適となり、クリープ強度を向上させることができるのである。Ｔａ／Ｎｂの比率が０．８未満であると、Ｔａ固溶量が少なく、クリープ強度の向上が期待できなくなる。また、Ｔａ／Ｎｂの比率が４．０を超えると、Ｔａ固溶量が多く、延性が低下し、また経済性が損なわれる。したがって、Ｔａ／Ｎｂの比率は０．８～４．０とする。
　本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、必要に応じてさらに、下記（ａ）、（ｂ）群の少なくとも１群を含むと、含有させる元素に応じて、高温強度や耐酸化性を向上させることができて、より好ましいものとなる。
　（ａ）Ｗ：４質量％以下、Ｍｏ：４質量％以下、Ｃｕ：４質量％以下、希土類元素：０．１５質量％以下、Ｃａ：０．００５質量％以下、およびＭｇ：０．００５質量％以下からなる群のうちのいずれか一種以上、
　（ｂ）Ｖ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｚｒ：０．２質量％以下、Ｈｆ：０．２質量％以下からなる群のうちのいずれか一種以上で、且つ、これらの含有量の合計が０．４質量％以下。
　以下、本実施形態を構成する各元素とその含有量について説明する。
［Ｗ：４質量％以下、Ｍｏ：４質量％以下］
　ＷおよびＭｏは、固溶強化によって高温強度を向上させる効果があり、必要によって含有させることで高温強度を上昇させることができる。しかしながら、Ｗ含有量が４質量％を超えて過剰になると粗大な金属間化合物を形成して高温延性の低下を招く。そのため、Ｗ含有量は４質量％以下（０質量％を含まない）とすることが好ましく、３質量％以下とするのがより好ましく、２質量％以下とするのがさらに好ましい。
　また、Ｍｏ含有量が４質量％を超えて過剰になると熱間加工性を阻害する。そのため、Ｍｏ含有量は４質量％以下（０質量％を含まない）とすることが好ましく、３質量％以下とするのがより好ましく、２質量％以下とするのがさらに好ましい。
　なお、前記したような効果を有効に発揮させるには、Ｗ含有量は０．１質量％以上とするのが好ましく、０．５質量％以上とするのがより好ましい。同様に、Ｍｏ含有量は０．１質量％以上とするのが好ましく、０．５質量％以上とするのがより好ましい。但し、これらの元素は含有させることによって前記したような作用を発揮するが、それと同時にコスト増を招くため、必要な強化量と許容されるコストに応じて含有量を設定するのが好ましい。
［Ｃｕ：４質量％以下］
　Ｃｕは、鋼中に整合析出物（母材と原子配列が連続的であるような析出物）を形成し、高温クリープ強度を著しく向上させる元素であり、ステンレス鋼における主要な強化機構の一つである。しかしながら、Ｃｕ含有量が過剰になって４質量％を超えてもその効果は飽和してしまう。そのため、Ｃｕ含有量は４質量％以下（０質量％を含まない）とするのが好ましく、３．７質量％以下とするのがより好ましく、３．５質量％以下とするのがさらに好ましい。なお、前記した効果を発揮させるためには、Ｃｕ含有量を０．２質量％以上とするのが好ましく、２質量％以上とするのがより好ましく、２．５質量％以上とするのがさらに好ましい。
［希土類元素：０．１５質量％以下］
　本発明で用いることのできる希土類元素としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄに代表されるランタノイド元素１７種が挙げられる。
　希土類元素は、ステンレス鋼の耐酸化性を向上させる作用があるため、高温高圧蒸気が流れる伝熱管内面の酸化スケールの生成を抑制することができる。希土類元素が０．１５質量％を超えて含有されると高温環境で粒界の一部が溶融して熱間加工性を阻害する。そのため、希土類元素の含有量は０．１５質量％以下とすることが好ましく、０．１質量％以下とするのがより好ましく、０．０５質量％以下とするのがさらに好ましい。なお、前記したような効果を有効に発揮させるため、希土類元素の含有量は０．０１質量％以上とするのが好ましく、０．０１５質量％以上とするのがより好ましく、０．０２質量％以上とするのがさらに好ましい。かかるオーステナイト系ステンレス鋼とすることによって、靭性の優れたボイラー用伝熱管（ボイラーチューブ）を提供することができる。なお、希土類元素は前記した各元素を個々に添加して含有させることもできるが、これらの元素を含む所謂ミッシュメタルを添加することによって前記した各元素を含有させることもできる。なお、ミッシュメタルを用いると前記した各元素の分離コストが削減できるので、採算性を向上させることができる。
［Ｃａ：０．００５質量％以下、Ｍｇ：０．００５質量％以下］
　ＣａおよびＭｇは、脱硫・脱酸元素として働く。しかしながら、これらの元素の含有量が過剰になると、溶解作業中に溶鋼の突沸が生じるなどの作業上の制約を受ける。そのため、ＣａおよびＭｇの含有量はいずれも０．００５質量％以下（０質量％を含まない）とするのが好ましく、０．００２質量％以下とするのがより好ましい。なお、前記した効果を有効に発揮させるため、ＣａおよびＭｇの含有量はいずれも０．０００２質量％以上とするのが好ましく、０．０００５質量％以上とするのがより好ましい。
［Ｖ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｚｒ：０．２質量％以下、Ｈｆ：０．２質量％以下、且つ、これらの含有量の合計が０．４質量％以下］
　Ｖ、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆは、Ｎｂと同様な作用を発揮するものの、複合添加することで析出物が更に安定化して長期間の高温強度の維持にも有効である。しかしながら、これらの含有量が過剰になると鋼材中に固溶させることができず、介在物の増加による靭性の低下を招くことになる。そのため、Ｖ、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆのそれぞれの含有量は０．２質量％以下（０質量％を含まない）とするのが好ましく、０．１５質量％以下とするのがより好ましく、０．１質量％以下とするのがさらに好ましい。なお、前記した効果を有効に発揮させるためには、Ｖ、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆのそれぞれの含有量は０．０２質量％以上とするのが好ましく、０．０４質量％以上とするのがより好ましく、０．０６質量％以上とするのがさらに好ましい。但し、これらの元素を複数含む場合、含有量の合計が０．４質量％を超えて含有すると前述の通り未固溶の介在物が増加してしまう。そのため、これらの元素を複数含む場合は、これらの元素の含有量の合計が０．４質量％以下となるようにするのが好ましい。
［本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼の製造］
　前記した本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、例えば、一次精錬において、それぞれ前記した化学成分組成となるように各元素を添加して溶解し、その後は常法に従って二次精錬等の製造プロセスを順次行うことにより、製造することができる。
　次に、本発明の所望の効果を奏する実施例を示して本発明について具体的に説明する。
［実施例１：時効後靭性に関する実施例］
　下記表１の試験Ｎｏ．１Ａ～１９Ａに示す化学成分組成からなる各種鋼材を溶解し、真空溶解炉（ＶＩＦ）にて溶製した２０ｋｇインゴットを幅１２０ｍｍ×厚さ２０ｍｍの寸法に熱間鍛造加工し、１２５０℃で熱処理を施した後、冷間圧延によって厚さ１３ｍｍまで加工した。その後、１２２０℃で５分の熱処理を再度実施して、これを母材とした。
　なお、下記表１の試験Ｎｏ．１Ａ～１９Ａに示す鋼材のうち、試験Ｎｏ．１Ａ～１２Ａは本発明で規定する特に時効後靭性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の化学成分組成を満足する鋼材（本発明鋼）である。また、試験Ｎｏ．１３Ａ～１９Ａは本発明で規定する特に時効後靭性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の化学成分組成を外れる鋼材（比較鋼）である。そして、このうち試験Ｎｏ．１９Ａは既存鋼である「火ＳＵＳ３１０Ｊ１ＨＴＢ」相当鋼である。この「火ＳＵＳ３１０Ｊ１ＨＴＢ」相当鋼（試験Ｎｏ．１９Ａ）は、２５Ｃｒ－２０Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼に属し、ボイラー伝熱管（ボイラーチューブ）として使用実績のある鋼種である。なお、表１において斜字体および下線を付して示している数値は、本発明で規定する化学成分組成を外れていることを示している。また、表１中の「－」は、該当する元素を添加していないことを示す。希土類元素の添加原料として、Ｃｅ、Ｌａ、Ｎｄを含むミッシュメタルを用いた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　これらの母材から機械加工によって４０×６０ｍｍのサンプルを作製し、大気炉を用いて７００℃で３００ｈｒの時効熱処理を行った。時効熱処理後、水冷した後にサンプルを取り出し、ＪＩＳ　Ｚ　２２４２のノッチ深さ２ｍｍのＶノッチ試験片をＮ数が２となるよう１つの鋼種につき、２本のシャルピー衝撃試験片を作製した。シャルピー衝撃試験はＪＩＳ　Ｚ　２２４２に準拠し、０℃で試験を行った。 シャルピー衝撃試験の測定結果（靭性値（シャルピー衝撃値［Ｊ／ｃｍ２］））を下記表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示す測定結果から、次のように考察できる。
　本発明で規定する化学成分組成を満足する鋼（本発明鋼：試験Ｎｏ．１Ａ～１２Ａ）は、既存鋼（試験Ｎｏ．１９Ａ）や、特に時効後靭性に優れた本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼を規定する化学成分組成から外れた比較鋼（試験Ｎｏ．１３Ａ～１８Ａ）に比べて靭性値が優れており、時効処理後の靭性低下が抑制されていることが確認された。従って、本発明鋼は、ボイラー等の伝熱管（ボイラーチューブ）材料として好適に用い得ることが強く示唆された。すなわち、本発明鋼は、ボイラー等で長期間、高温環境に晒された後でも優れた靭性を維持するため、運転中および／または点検中に生じる衝撃にも耐えられることから、長期間に渡って信頼を維持することができるボイラーチューブ材料が得られることが強く示唆された。
　なお、試験Ｎｏ．１７Ａと試験Ｎｏ．１８Ａは、それぞれＳｉとＳ（硫黄）が本発明で規定する化学成分組成を外れた（上限値を超えた）場合である。従来知見にあるようにＳｉやＳが極めて高い鋼材については靭性値が低くなることが確認された。つまり、このような鋼材ではＴａを特定量含有させたとしても、十分に高い靭性値を得ることはできないことが確認された。つまり、試験Ｎｏ．１Ａ～１２Ａのように、ＳｉとＳは、本発明で規定している化学成分組成を満足するように制御しつつ、Ｔａを本発明で規定している特定量含有させることによって、靭性の改善が得られることが確認された。
［実施例２：クリープ特性に関する実施例］
　下記表３に示す化学成分組成からなる各種鋼を真空溶解炉（ＶＩＦ）にて溶解してインゴットを作製した。溶製した２０ｋｇインゴットを幅１３０ｍｍ×厚さ２０ｍｍの寸法に熱間鍛造加工し、１２５０℃で熱処理を施した後、冷間圧延によって厚さ１３ｍｍまで加工した。その後、１２２０℃で５分の熱処理を再度実施して、これを母材（試験Ｎｏ．１Ｂ～１７Ｂ）とした。
　尚、下記表３の試験Ｎｏ．１Ｂ～１７Ｂに示す母材のうち、試験Ｎｏ．２Ｂ、３Ｂ、５Ｂ、６Ｂ、７Ｂ、１０Ｂ、１１Ｂ、１３Ｂ、１５Ｂ、１７Ｂは本発明で規定する特に優れたクリープ強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の化学成分組成を満足する母材（実施例）である。また、試験Ｎｏ．１Ｂ、４Ｂ、８Ｂ、９Ｂ、１２Ｂ、１４Ｂ、１６Ｂは本発明で規定する特に優れたクリープ強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の化学成分組成を外れる母材（比較例）である。そして、このうち試験Ｎｏ．８Ｂは既存鋼である「火ＳＵＳ３１０Ｊ１ＨＴＢ」相当鋼からなる母材である。
　また、オーステナイト系ステンレス鋼ではＮｂ化合物（ＣｒＮｂＮ）の析出強化が働いており、Ｎｂ添加量（含有量）が多いほど析出強化が向上して、クリープ破断時間が長くなる傾向にある。Ｔａも同様に析出強化に寄与するため、実施例においては、ＮｂとＴａの総量の効果とＮｂの一部をＴａに置換した効果を区別して示すためにＮｏ．１Ｂ～３Ｂ、４Ｂ～８Ｂ、９Ｂ～１１Ｂ、１２Ｂ～１３Ｂ、１４Ｂ～１５Ｂ、１６Ｂ～１７ＢのＴａとＮｂの原子濃度（ａｔ％）の和はおよそ一定としている。
　これらの母材から機械加工によってφ６ｍｍのクリープ試験片を作製し、マルチ型クリープ試験機を用いて７００℃、１８９ＭＰａの条件でクリープ破断試験を実施した。得られたクリープ破断時間を下記表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３に示すように、本発明で規定する特に優れたクリープ強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の化学成分組成を満足する母材（実施例）は、既存鋼（試験Ｎｏ．８Ｂ）や、その化学成分組成から外れたステンレス鋼からなる母材（比較例）に比べてクリープ破断時間が長く、クリープ強度が優れていることが確認された。
　なお、クリープ強度の評価は、ＴａとＮｂの原子濃度の和がほぼ同じステンレス鋼同士を比較することによって行った。例えば、試験Ｎｏ．８Ｂ（比較例）はボイラーチューブの従来材料であるが、試験Ｎｏ．５Ｂ～７Ｂ（実施例）と比較してわかるように、Ｎｂの一部をＴａへ置き替えることで従来材料よりも優れたクリープ強度が得られることがわかる。
　以上、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼について、発明を実施するための形態および実施例により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。
　本出願は、２０１２年１０月３０日出願の日本特許出願（特願２０１２－２３８８７２）、２０１３年１月２３日出願の日本特許出願（特願２０１３－０１０１８８）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、火力発電用のボイラーチューブ等の高温・酸化性環境にて使用される部品や装置の材料として好適である。

Claims (4)

  1. 　Ｃ：０．０１～０．１５質量％、Ｓｉ：０．１０～１．００質量％、Ｍｎ：０．１０～２．５０質量％、Ｎｉ：１５．０～２５．０質量％、Ｃｒ：２０．０～３０．０質量％、Ｎｂ：０．１０～０．８０質量％、Ｔａ：０．２０～１．００質量％、Ｂ：０．０００５～０．００５０質量％、Ｎ：０．１０～０．３５質量％、Ｓ：０．００５０質量％以下（０質量％を含まない）およびＰ：０．０５０質量％以下（０質量％を含まない）を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
  2. 　Ｔａ含有量が、０．２５～０．８質量％である請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
  3. 　Ｎｂ含有量が０．１０～０．６０質量％であり、かつ、Ｔａ／Ｎｂの比率が０．８～４．０である請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
  4. 　さらに、下記（ａ）、（ｂ）群の少なくとも１群を含む請求項１～３のいずれか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
    　（ａ）Ｗ：４質量％以下、Ｍｏ：４質量％以下、Ｃｕ：４質量％以下、希土類元素：０．１５質量％以下、Ｃａ：０．００５質量％以下、およびＭｇ：０．００５質量％以下からなる群のうちのいずれか一種以上
    　（ｂ）Ｖ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｚｒ：０．２質量％以下、Ｈｆ：０．２質量％以下からなる群のうちのいずれか一種以上で、且つ、これらの含有量の合計が０．４質量％以下
     
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