特許 6772735 Ｎｉ基耐熱合金部材およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6772735

(24)【登録日】2020年10月5日

(45)【発行日】2020年10月21日

(54)【発明の名称】Ｎｉ基耐熱合金部材およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 19/05 20060101AFI20201012BHJP

   C22F 1/10 20060101ALI20201012BHJP

   C22F 1/00 20060101ALN20201012BHJP

【ＦＩ】

   C22C19/05 F

   C22F1/10 H

   !C22F1/00 630A

   !C22F1/00 650A

   !C22F1/00 683

   !C22F1/00 684C

   !C22F1/00 691B

   !C22F1/00 691C

   !C22F1/00 692A

   !C22F1/00 694Z

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-195682(P2016-195682)

(22)【出願日】2016年10月3日

(65)【公開番号】特開2018-59135(P2018-59135A)

(43)【公開日】2018年4月12日

【審査請求日】2019年6月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002044

【氏名又は名称】特許業務法人ブライタス

(72)【発明者】

【氏名】仙波 潤之

(72)【発明者】

【氏名】浜口 友彰

(72)【発明者】

【氏名】栗原 伸之佑

【審査官】 相澤 啓祐

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１１７４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５１６７３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００４−５００４８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０６３８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０３２７６２５１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ １９／００−１９／０７

Ｃ２２Ｃ ３０／００−３０／０６

Ｃ２２Ｆ １／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

合金部材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．１２％、
Ｓｉ：０．５％未満、
Ｍｎ：１．０％未満、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｎ：０．０３０％以下、
Ｆｅ：３．０％未満、
Ｍｏ：１．０％未満、
Ｗ：１．０％未満、
Ｃｒ：２３．５〜２５．５％、
Ｃｏ：１５．０〜２２．０％、
Ａｌ：０．５〜２．０％、
Ｔｉ：０．５〜２．０％、
Ｎｂ：０．５〜２．２％、
Ｂ：０．０００５〜０．００６％、
ＲＥＭ：０〜０．０５％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
残部：Ｎｉおよび不純物であり、
前記合金部材の長手方向と垂直な断面において、中心部から外面部までの長さが４０ｍｍ以上であり、
前記外面部におけるオーステナイト結晶粒度番号が−２．０〜４．０であり、
抽出残渣分析によって得られる析出物中のＡｌ、ＴｉおよびＮｂの合計含有量が下記（ｉ）式を満足し、
常温での機械的特性が下記（ii）式および（iii）式を満足し、
前記中心部における前記長手方向の７００℃における１０，０００時間クリープ破断強度が２５０ＭＰａ以上である、
Ｎｉ基耐熱合金部材。
（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＢ／（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＳ≦１０．０ ・・・（ｉ）
ＹＳ_Ｓ／ＹＳ_Ｂ≦１．５ ・・・（ii）
ＴＳ_Ｓ／ＴＳ_Ｂ≦１．２ ・・・（iii）
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＢ：中心部において抽出残渣分析によって得られる析出物中のＡｌ、ＴｉおよびＮｂの合計含有量
（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＳ：外面部において抽出残渣分析によって得られる析出物中のＡｌ、ＴｉおよびＮｂの合計含有量
ＹＳ_Ｂ：中心部における０．２％耐力
ＹＳ_Ｓ：外面部における０．２％耐力
ＴＳ_Ｂ：中心部における引張強さ
ＴＳ_Ｓ：外面部における引張強さ

【請求項2】

前記化学組成が、質量％で、
Ｍｇ：０．０００５％〜０．０２０％、および、
Ｃａ：０．０００５％〜０．０２０％、
から選択される１種以上を含有する、
請求項１に記載のＮｉ基耐熱合金部材。

【請求項3】

請求項１または２に記載のＮｉ基耐熱合金部材を製造する方法であって、
請求項１または２に記載の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施す工程と、
その後、１０７０〜１２２０℃の範囲の熱処理温度Ｔ（℃）まで加熱し、１１５０Ｄ／Ｔ〜１５００Ｄ／Ｔ（ｍｉｎ）保持した後、水冷する熱処理を施す工程とを備える、
Ｎｉ基耐熱合金部材の製造方法。
但し、Ｄは、合金部材の長手方向と垂直な断面における、当該断面の外縁上の任意の点と該外縁上の他の任意の点との直線距離の最大値（ｍｍ）である。

【請求項4】

前記熱間加工を施す工程において、前記鋼塊または鋳片の長手方向と略垂直な方向に熱間加工を１回以上施す、
請求項３に記載のＮｉ基耐熱合金部材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、Ｎｉ基耐熱合金部材およびその製造方法に関する。

【0002】

近年、高効率化のために、蒸気の温度および圧力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。これらの超々臨界圧ボイラは、従来６００℃前後であった蒸気温度を６５０℃以上、さらには７００℃以上にまで高めることも計画されており、国内外で技術開発が進められている。

【0003】

これは、省エネルギーと資源の有効活用、および環境保全のためのＣＯ_２ガス排出量削減がエネルギー問題の解決課題の一つとなっており、重要な産業政策となっていることに基づいている。そして、化石燃料を燃焼させる発電用ボイラおよび化学工業用の反応炉等の場合には、効率の高い、超々臨界圧ボイラおよび反応炉が有利なためである。

【0004】

蒸気の高温高圧化は、実稼動時における、ボイラの過熱器管および化学工業用の反応炉管、ならびに耐熱耐圧部材としての厚板および鍛造品などの温度を７００℃以上に上昇させる。そのため、このような過酷な環境において長期間使用される合金には、高温強度および高温耐食性のみならず、長期にわたる金属組織の安定性、クリープ破断延性および耐クリープ疲労特性が良好なことが要求される。

【0005】

上記の厳しい要求に対しては、オーステナイトステンレス鋼などのＦｅ基合金では、クリープ破断強度が不足する。このため、γ´相などの析出を活用したＮｉ基合金の使用が必須となる。さらにボイラ・化学工業用プラント鋼管としては溶接が不可避であるため優れた溶接性を有することも求められる。

【0006】

上記の厳しい要求に対して、特許文献１には良好なクリープ破断強度と溶接性とを有するＮｉ−Ｃｏ−Ｃｒ合金が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特表２０１１−５１６７３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところで、ボイラおよび化学プラント等の装置用材料のような大型の構造部材は、熱間圧延または熱間鍛造後、冷間加工を施さずに最終熱処理を実施して使用されるため、結晶粒径が比較的大きい。そのため、通常、材料の仕様として規定される常温における０．２％耐力および引張強さが、冷間加工後に最終熱処理を施したものより低くなるという問題がある。

【0009】

加えて、大型の構造部材では、熱処理時の冷却速度が部位により大きく異なるため、高温での使用時に析出物として強化に寄与する固溶元素の量が部位により異なる。そのことに起因して、クリープ破断強度のばらつきが生じるといった問題もある。そのため、特許文献１に記載の合金を、大型の構造部材に適用するのは困難である。

【0010】

本発明は上記の問題を解決し、大型の構造部材として十分な常温での０．２％耐力および引張強さ、ならびに、高温でのクリープ破断強度を発現するＮｉ基耐熱合金部材およびその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記のＮｉ基耐熱合金部材およびその製造方法を要旨とする。

【0012】

（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．１２％、
Ｓｉ：０．５％未満、
Ｍｎ：１．０％未満、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｎ：０．０３０％以下、
Ｆｅ：３．０％未満、
Ｍｏ：１．０％未満、
Ｗ：１．０％未満、
Ｃｒ：２３．５〜２５．５％、
Ｃｏ：１５．０〜２２．０％、
Ａｌ：０．５〜２．０％、
Ｔｉ：０．５〜２．０％、
Ｎｂ：０．５〜２．２％、
Ｂ：０．０００５〜０．００６％、
ＲＥＭ：０〜０．０５％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
残部：Ｎｉおよび不純物であり、
前記合金部材の長手方向と垂直な断面において、中心部から外面部までの長さが４０ｍｍ以上であり、
前記外面部におけるオーステナイト結晶粒度番号が−２．０〜４．０であり、
抽出残渣分析によって得られる析出物中のＡｌ、ＴｉおよびＮｂの合計含有量が下記（ｉ）式を満足し、
常温での機械的特性が下記（ii）式および（iii）式を満足し、
前記中心部における前記長手方向の７００℃における１０，０００時間クリープ破断強度が２５０ＭＰａ以上である、
Ｎｉ基耐熱合金部材。
（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＢ／（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＳ≦１０．０ ・・・（ｉ）
ＹＳ_Ｓ／ＹＳ_Ｂ≦１．５ ・・・（ii）
ＴＳ_Ｓ／ＴＳ_Ｂ≦１．２ ・・・（iii）
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＢ：中心部において抽出残渣分析によって得られる析出物中のＡｌ、ＴｉおよびＮｂの合計含有量
（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＳ：外面部において抽出残渣分析によって得られる析出物中のＡｌ、ＴｉおよびＮｂの合計含有量
ＹＳ_Ｂ：中心部における０．２％耐力
ＹＳ_Ｓ：外面部における０．２％耐力
ＴＳ_Ｂ：中心部における引張強さ
ＴＳ_Ｓ：外面部における引張強さ

【0013】

（２）前記化学組成が、質量％で、
Ｍｇ：０．０００５％〜０．０２０％、および、
Ｃａ：０．０００５％〜０．０２０％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）に記載のＮｉ基耐熱合金部材。

【0014】

（３）上記（１）または（２）に記載の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施す工程と、
その後、１０７０〜１２２０℃の範囲の熱処理温度Ｔ（℃）まで加熱し、１１５０Ｄ／Ｔ〜１５００Ｄ／Ｔ（ｍｉｎ）保持した後、水冷する熱処理を施す工程とを備える、
Ｎｉ基耐熱合金部材の製造方法。
但し、Ｄは、合金部材の長手方向と垂直な断面における、当該断面の外縁上の任意の点と該外縁上の他の任意の点との直線距離の最大値（ｍｍ）である。

【0015】

（４）前記熱間加工を施す工程において、熱間加工の長手方向と略垂直な方向に熱間加工を１回以上施す、
上記（３）に記載のＮｉ基耐熱合金部材の製造方法。

【発明の効果】

【0016】

本発明のＮｉ基耐熱合金部材は、部位による機械的性質のばらつきが少なく、また、高温でのクリープ破断強度に優れる。そのため、本発明のＮｉ基耐熱合金部材は、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大型構造部材として好適に用いることができる。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。

【0018】

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。

【0019】

Ｃ：０．００５〜０．１２％
Ｃは、オーステナイト組織を安定にするとともに粒界に微細な炭化物を形成し、高温でのクリープ強度を向上させる。そのため、Ｃ含有量は０．００５％以上とする必要がある。しかしながら、その含有量が過剰になった場合には、炭化物が粗大となり、かつ多量に析出し、粒界の延性を低下させ、靱性およびクリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃ含有量は０．１２０％以下とする。Ｃ含有量は０．１００％以下であるのが好ましく、０．０８０％以下であるのがより好ましい。

【0020】

Ｓｉ：０．５％未満
Ｓｉは、脱酸剤として使用され、また、高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。しかしながら、含有量が過剰になった場合には、溶接性が大幅に低下することに加えてオーステナイト相の安定性が低下して、靱性およびクリープ強度の低下を招く。したがって、Ｓｉ含有量を０．５％未満とする。さらに後述のとおり溶接性確保の観点からＳｉ含有量はＮｂ含有量との関係で厳密に管理する必要がある。上記効果を得るためには、Ｓｉ含有量は０．０３％以上であるのが好ましい。

【0021】

Ｍｎ：１．０％未満
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として使用され、また、オーステナイトの安定化にも寄与する元素である。しかしながら、含有量が過剰になると、脆化を招き、靱性およびクリープ延性の低下をきたす。そのため、Ｍｎ含有量を１．０％未満とする。Ｍｎ含有量は、０．８％未満であるのが好ましく、０．６％未満であるのがより好ましい。なお、Ｍｎ含有量については特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は、脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ｍｎ含有量は０．０２％以上であるのが好ましい。

【0022】

Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、不純物として合金中に含まれるが、溶接中にＨＡＺの結晶粒界に偏析し、液化割れ感受性を高めるとともに長時間使用後の靱性にも悪影響を及ぼす元素である。そのため、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含有量は０．０３０％以下とし、０．０２０％以下であるのが好ましい。

【0023】

Ｓ：０．０１０％以下
Ｓは、不純物として合金中に含まれるが、溶接中にＨＡＺの結晶粒界に偏析し、液化割れ感受性を高めるとともに長時間使用後の靱性にも悪影響を及ぼす元素である。そのため、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含有量は０．０１０％以下とし、０．００５％以下であるのが好ましい。

【0024】

Ｎ：０．０３０％以下
Ｎは、オーステナイト相を安定にするのに有効な元素であるが、本発明の２３．５〜２５．５％というＣｒ含有量の範囲では、過剰に含まれると高温での使用中に多量の微細窒化物を粒内に析出させ、クリープ延性または靱性の低下を招く。そのため、Ｎ含有量０．０３０％以下とし、０．０２０％以下であるのが好ましい。なお、Ｎ含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は、製造コストの上昇を招く。そのため、Ｎ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましい。

【0025】

Ｆｅ：３．０％未満
本発明においてＦｅは耐食性を低下させ、またシグマ相などの有害相の形成を助長するため極力低くすることが望ましい。ただし、極端に上限を制限することはコスト面から不利になるため、Ｆｅ含有量は３．０％未満とし、２．０％未満であるのが好ましく、１．０％未満であるのがより好ましい。

【0026】

Ｍｏ：１．０％未満
Ｗ：１．０％未満
ＭｏおよびＷはいずれもマトリックスであるオーステナイト組織に固溶して高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であるが、本発明においてはＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂを含有させて十分な量の金属間化合物で強化するため敢えて含有させる必要はなく、むしろ組織安定性の観点からは極力下げることが望ましい。ただし、極端に上限を制限することはコスト面から不利になるため、Ｍｏ含有量は１．０％未満、Ｗ含有量は１．０％未満とする。Ｍｏ含有量は０．７％未満、Ｗ含有量は０．７％未満であるのが好ましい。

【0027】

Ｃｒ：２３．５〜２５．５％
Ｃｒは、保護性皮膜を生成し高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。上記効果を得るためには、Ｃｒ含有量は、２３．５％以上とする。しかしながら、Ｃｒ含有量が２５．５％を超えると、高温でのオーステナイト相の安定性が低下して、クリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃｒ含有量は２５．５％以下とする。

【0028】

Ｃｏ：１５．０〜２２．０％
Ｃｏは、Ｎｉと同様オ−ステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与するとともに高温耐食性にも寄与する必須元素である。上記効果を得るためには、Ｃｏ含有量は１５．０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｃｏは極めて高価な元素であるため、２２．０％を超える多量の含有は大幅なコスト増を招く。そのため、Ｃｏ含有量は２２．０％以下とする。Ｃｏ含有量は１７．０％以上であるのが好ましく、１９．０％以上であるのがより好ましい。また、Ｃｏ含有量は２１．０％以下であるのが好ましい。

【0029】

Ａｌ：０．５〜２．０％
Ｔｉ：０．５〜２．０％
Ｎｂ：０．５〜２．２％
Ａｌ、ＴｉおよびＮｂは、いずれもＮｉと結合し金属間化合物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度を確保するのに必須の元素であり、本発明において最も重要な元素である。上記効果を十分に得るためにはＡｌ：０．５％以上、Ｔｉ：０．５％以上、Ｎｂ：０．５％以上を含有させる。しかしながら、その含有量が過剰になると、前記の効果が飽和するとともに、熱間加工性、クリープ延性および長時間加熱後の靱性を低下させる。そのため、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ含有量はＡｌ：２．０％以下、Ｔｉ：２．０％以下、Ｎｂ：２．２％以下とする。Ａｌ、ＴｉおよびＮｂの合計含有量は５．０％以下とするのが好ましい。

【0030】

Ｂ：０．０００５〜０．００６％
Ｂは、使用中の粒界に偏析して粒界を強化するとともに粒界炭化物を微細分散させることにより、クリープ強度を向上させるのに必要な元素である。加えて、粒界に偏析して固着力を向上させ、靱性改善にも寄与する効果を有する。上記の効果を得るためには、Ｂ含有量は０．０００５％以上とする。しかしながら、Ｂ含有量が増加し、特に０．００６％を超えると、溶接中の溶接熱サイクルにより、溶融境界近傍の高温ＨＡＺにおいて多量に偏析し、ＨＡＺの液化割れ感受性を高める。したがって、Ｂ含有量は０．００６％以下とする。

【0031】

ＲＥＭ：０〜０．０５％
ＲＥＭは、ＳまたはＰを固着し、高温延性を向上させる効果を有する。また、表面のＣｒ_２Ｏ_３保護皮膜およびＡｌ_２Ｏ_３保護皮膜の密着性を改善し、繰り返し酸化時の耐酸化性を改善する作用も有する。そのため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、ＲＥＭ含有量が過剰になり、特に０．０５％を超えると、かえって延性または靱性の低下を招く。したがって、ＲＥＭ含有量０．０５％以下とし、０．０４％以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、ＲＥＭ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００５％以上であるのがより好ましい。

【0032】

なお、ＲＥＭとはＳｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量はＲＥＭのうちの１種または、２種以上の元素の合計含有量を指す。

【0033】

Ｚｒ：０〜０．１０％
Ｚｒは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ため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｚｒを過剰に含有させると、熱間加工性および溶接性が劣化する。そのため、Ｚｒは０．１０％以下とする。上記効果を得るためには、Ｚｒ含有量は０．００３％以上であるのが好ましく、０．００５％以上であるのがより好ましい。

【0034】

上記本発明のＮｉ基合金は必要に応じてさらに、Ｍｇおよび／またはＣａを含有させてもよい。Ｍｇ、Ｃａとも熱間加工性を高める作用を有する。さらに、これらの元素は、Ｓに起因した、ＨＡＺの液化割れを抑制するとともに、靱性の低下を軽減する作用を有する。

【0035】

Ｍｇ：０〜０．０２０％
Ｍｇは、Ｓとの親和力が強く、熱間加工性を高める作用を有し、また、Ｓに起因した、ＨＡＺの液化割れの発生および靱性低下の双方を軽減する作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇの過剰な含有は、酸素との結合による清浄性の低下を招き、特に、Ｍｇ含有量が０．０２０％を超えると清浄性の低下が著しくなり、かえって熱間加工性を劣化させてしまう。したがって、Ｍｇ含有量は、０．０２０％以下とし、０．０１０％以下であるのが好ましく、０．００４５％以下であるのがより好ましい。一方、上記効果を安定して得るためには、Ｍｇ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１０％以上であるのがより好ましい。

【0036】

Ｃａ：０〜０．０２０％
ＣａもＳとの親和力が強く、熱間加工性を高める作用を有し、また、Ｓに起因した、ＨＡＺの液化割れの発生および靱性低下の双方を軽減する作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃａの過剰な含有は、酸素との結合による清浄性の低下を招き、特に、含有量で０．０２０％を超えると清浄性の低下が著しくなり、かえって熱間加工性を劣化させてしまう。したがって、Ｃａ含有量は、０．０２０％以下とし、０．０１０％以下であるのが好ましく、０．００４５％以下であるのがより好ましい。一方、上記効果を安定して得るためには、Ｃａ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１０％以上であるのがより好ましい。

【0037】

本発明のＮｉ基耐熱合金部材の化学組成において、残部はＮｉおよび不純物である。Ｎｉは、オーステナイト組織を得るために有効な元素であり、長時間使用後の組織安定性を確保するために必須の元素である。さらに、Ｎｉは、Ａｌ、ＴｉおよびＮｂと結合して、微細な金属間化合物相を形成し、クリープ強度を高める作用も有する。そのため本発明においては４５．０％を超えて含有させることが好ましい。

【0038】

また、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。

【0039】

２．結晶粒度
外面部におけるオーステナイト結晶粒度番号：−２．０〜４．０
外面部におけるオーステナイト結晶粒度が粗すぎると、常温での０．２％耐力および引張強さが低くなり、一方、細かすぎると、高温における高いクリープ破断強度を保持することができなくなる。したがって、外面部におけるオーステナイト結晶粒度番号は−２．０〜４．０とする。

【0040】

本発明においては、結晶粒度番号はＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０１３）に規定される交差線分（粒径）により判定する。なお、Ｎｉ基合金の製造工程において、熱間加工後の熱処理温度および保持時間ならびに冷却方法を適切に調整することで、最終熱処理後の外面部の結晶粒度番号を上記の範囲とすることができる。

【0041】

３．寸法
中心部から外面部までの長さ：４０ｍｍ以上
上述のように、大型の構造部材では、常温における０．２％耐力および引張強さが低くなることに加えて、部位によってクリープ破断強度のばらつきが生じるという問題もある。しかしながら、本発明に係るＮｉ基耐熱合金部材は、大型の構造部材として十分な常温での０．２％耐力および引張強さ、ならびに、高温でのクリープ破断強度を発現する。すなわち、本発明の効果は、厚肉の合金部材に対して顕著に発揮される。したがって、本発明のＮｉ基耐熱合金部材においては、長手方向と垂直な断面において、中心部から外面部までの長さを４０ｍｍ以上とする。

【0042】

なお、本発明に係る合金部材は、鋼塊または連続鋳造等によって得られた鋳片に、熱間鍛造または熱間圧延等の熱間加工が施されたものである。そして、合金部材の長手方向とは、鋼塊を用いる場合は、鋼塊のトップ部とボトム部とを結ぶ方向を指し、鋳片を用いる場合は、長さ方向を指す。

【0043】

４．抽出残渣分析によって得られるγ´相の析出量
（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＢ／（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＳ≦１０．０ ・・・（ｉ）
但し、（ｉ）式中の各記号の意味は以下のとおりである。
（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＢ：中心部において抽出残渣分析によって得られる析出物中のＡｌ、ＴｉおよびＮｂの合計含有量
（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＳ：外面部において抽出残渣分析によって得られる析出物中のＡｌ、ＴｉおよびＮｂの合計含有量

【0044】

合金部材の製造工程において、熱間加工後の熱処理を施した後の主として粒内には未固溶のγ´相（Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ））が生じる。特に、合金部材の中心部では外面部と比べて冷却速度が遅くなるため、未固溶のγ´相の量が増す傾向にある。そのため、合金部材の外面部に対して中心部でのγ´として析出するＡｌ，Ｔｉ，Ｎｂ析出量が多くなり、（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＢ／（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＳの値が１０．０を超えると高温における高いクリープ破断強度を保持することができなくなる。一方、（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＢ／（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＳの下限値は定める必要は無いが、中心部が外面部よりも析出物の量が増す傾向にあることから１．０以上とすることが好ましい。

【0045】

なお、抽出残渣分析によって得られる析出物は、合金部材中に含まれる未固溶のγ´相である。γ´相中のＡｌ、ＴｉおよびＮｂの合計含有量は、上記合金部材を電解して抽出残渣を得て、この抽出残渣を定量分析することにより求めることができる。また、合金部材の中心部と外面部とのそれぞれにおいて、Ａｌ、ＴｉおよびＮｂの合計含有量を測定することによって、（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＢ／（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＳの値を求める。

【0046】

５．機械的性質
ＹＳ_Ｓ／ＹＳ_Ｂ≦１．５ ・・・（ii）
ＴＳ_Ｓ／ＴＳ_Ｂ≦１．２ ・・・（iii）
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
ＹＳ_Ｂ：中心部における０．２％耐力
ＹＳ_Ｓ：外面部における０．２％耐力
ＴＳ_Ｂ：中心部における引張強さ
ＴＳ_Ｓ：外面部における引張強さ

【0047】

大型の構造部材では、熱処理時の冷却速度が部位により異なることに起因して、部位ごとの機械的性質に大きなばらつきが生じる傾向にある。大型構造部材において、その中心部と外面部とで、常温での０．２％耐力および引張強さが大きく異なると、部位によって仕様を満たさないという問題が生じる。したがって、本発明に係るオーステナイト系耐熱合金部材は、常温での機械的特性が上記の（ii）式および（iii）式を満足するものとする。なお、それぞれ下限値は定める必要は無いが、中心部の機械特性の方が外面部の機械特性よりも劣る傾向にあることから、（ii）式および（iii）式ともに１．０以上とすることが好ましい。

【0048】

６．クリープ破断強度
本発明のＮｉ基耐熱合金部材は、高温環境下で使用するため、高い高温強度、特に、高いクリープ破断強度が求められる。そのため、本発明の合金部材は、その中心部において、長手方向の７００℃における１０，０００時間クリープ破断強度が２５０ＭＰａ以上である必要がある。

【0049】

７．製造方法
本発明のＮｉ基耐熱合金部材は、上述の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施すことによって製造される。なお、上記の熱間加工工程においては、合金部材の最終形状における長手方向が、素材となる鋼塊または鋳片の長手方向と一致するように処理が施される。熱間加工は、長手方向のみに行ってもよいが、より高い加工度を与えて、より均質な組織とするため、上記長手方向と略垂直な方向に対して、熱間加工を１回以上施してもよい。また、当該熱間加工の後に、必要に応じて熱間押出等の異なる方法の熱間加工をさらに施してもよい。

【0050】

本発明のＮｉ基耐熱合金部材を製造するに際しては、上記の工程の後、部位ごとの金属組織および機械的性質のばらつきを抑制し、高いクリープ破断強度を保持するために、以下に説明する最終熱処理を施す。

【0051】

まず、熱間加工後の合金部材を、１０７０〜１２２０℃の範囲の熱処理温度Ｔ（℃）まで加熱し、その範囲内において、１１５０Ｄ／Ｔ〜１５００Ｄ／Ｔ（ｍｉｎ）保持する。ここで、Ｄは、例えば、合金部材が円柱状である場合、合金部材の直径（ｍｍ）となり、四角柱状である場合、対角の距離（ｍｍ）となる。すなわちＤは、合金部材の長手方向と垂直な断面における、当該断面の外縁上の任意の点と該外縁上の他の任意の点との直線距離の最大値（ｍｍ）である。

【0052】

上記の熱処理温度が１０７０℃未満であると、未固溶のγ´相が増大しクリープ破断強度が低下する。一方、１２２０℃を超えると、粒界が溶融したり著しく結晶粒が粗大化したりすることによって延性が低下する。熱処理温度は１１００℃以上とするのがより望ましく、１２００℃以下とするのがより好ましい。また、上記保持時間が１１５０Ｄ／Ｔ（ｍｉｎ）未満では、中心部のγ´相が増大し、（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＢ／（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＳが本発明で規定する範囲外となる。一方、１５００Ｄ／Ｔ（ｍｉｎ）を超えると外面部の結晶粒が粗大化し、オーステナイト結晶粒度番号が本発明で規定する範囲外となる。

【0053】

加熱保持後は、合金部材を直ちに水冷する。冷却速度が遅くなると、特に合金部材の中心部において主として粒内に未固溶γ´相が多量に生じ、上記の（ｉ）式を満足しなくなるおそれがあるためである。

【0054】

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。

【実施例】

【0055】

表１に示す化学組成を有する合金を高周波真空溶解炉で溶製し、外径が５５０ｍｍ、重量が３ｔの鋼塊とした。

【0056】

【表1】

【0057】

得られた鋼塊を、熱間鍛造によって外径２００〜４８０ｍｍの円柱状に加工し、表２に示す条件で最終熱処理を施し、合金部材試料を得た。なお、合金２、ＡおよびＢについては長手方向の熱間鍛造の後、最終熱処理の前に、長手方向と略垂直な方向に鍛造を行い、その後さらに長手方向に最終の熱間鍛造を行った。

【0058】

【表2】

【0059】

各試料について、外面部から組織観察用の試験片を採取し、長手方向の断面をエメリーペーパーとバフで研磨後、混酸で腐食して光学顕微鏡観察を行った。観察面の結晶粒度番号はＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０１３）に規定される交差線分（粒径）による判定方法に従って求めた。

【0060】

次に、各試料の長手方向と垂直な断面における中心部および外面部から、γ´相を測定するための試験片を採取した。上記の試験片の表面積を求めた上で、それぞれ酒石酸溶液中で２０ｍＡ／ｃｍ^２の電解条件で合金部材の母材のみを完全に電解して析出物を残渣として抽出し、この抽出残渣を定量分析することによって未固溶のγ´相として含まれるＡｌ，Ｔｉ，Ｎｂの含有量（質量％）を測定し、その測定値に基づき（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＢ／（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＳの値を求めた。

【0061】

また、各試料の中心部および外面部から、長手方向に平行に、平行部の直径６ｍｍ、長さが４０ｍｍの丸棒引張試験片を機械加工により切り出し、室温において引張試験を実施し、０．２％耐力および引張強さを求めた。ひずみ速度は０．２％耐力までは０．３％／分、０．２％耐力を超えてからは７．５％／分で実施した。さらに、各試料の中心部から、長手方向に平行に、平行部の直径６ｍｍ、長さが３０ｍｍのクリープ破断試験片を機械加工により切り出した。そして、７００℃、７５０℃、８００℃の大気中においてＪＩＳ Ｚ２２７１に準拠してクリープ破断試験を実施し、Larson-Millerパラメータ法を用いて７００℃、１０，０００時間のクリープ破断強度を求めた。

【0062】

それらの結果を表３にまとめて示す。

【0063】

【表3】

【0064】

合金１〜４は、本発明例であり、合金組成、結晶粒度番号、（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＢ／（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＳ、ＹＳ_Ｓ／ＹＳ_Ｂ、ＴＳ_Ｓ／ＴＳ_Ｂ、およびクリープ破断強度が本発明で規定する範囲内となり、機械特性のばらつきも小さく、クリープ破断強度も良好であった。

【0065】

一方で、合金ＡおよびＢは、合金２と化学組成がほぼ同等であり、熱間鍛造によって同一の最終形状としたものである。しかしながら、熱処理時の保持時間が本発明で規定する製造条件の範囲外である。そのことに起因にして、合金Ａについては外面部の結晶粒度番号が本発明の規定範囲外となり、ＹＳ_Ｓ／ＹＳ_ＢおよびＴＳ_Ｓ／ＴＳ_Ｂの値が本発明の規定範囲外となっており、部位により機械特性のばらつきが大きくなる結果となった。また、合金Ｂについてはクリープ破断強度が本発明の規定範囲外となっており、合金２と比較して著しく低い結果となった。

【0066】

合金Ｃ、ＤおよびＥは、合金３と化学組成がほぼ同等であり、熱間鍛造によって同一の最終形状としたものである。合金Ｃは熱処理温度が本発明の規定範囲より低いために、外面部の結晶粒度番号とクリープ破断強度の値とが本発明で規定する範囲外となっており、合金３と比較してクリープ破断強度が著しく低い結果となった。合金Ｄは熱処理温度が本発明の規定範囲より高いために、外面部の結晶粒度番号と、ＹＳ_Ｓ／ＹＳ_ＢおよびＴＳ_Ｓ／ＴＳ_Ｂの値とが本発明の規定範囲外となっており、合金３と比較してクリープ破断強度が著しく低い結果となった。また、合金Ｅは最終熱処理時の冷却方法が水冷ではなく空冷であり、冷却速度が著しく遅かったことに起因して、（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＢ／Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）_ＰＳの値が本発明の規定範囲外となり、その結果、合金３と比較してクリープ破断強度が著しく低くなった。

【産業上の利用可能性】

【0067】

Ｎｉ基耐熱合金部材は、部位による機械的性質のばらつきが少なく、また、高温でのクリープ破断強度に優れる。そのため、本発明のＮｉ耐熱合金部材は、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大型構造部材として好適に用いることができる。