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(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】
(24)【登録日】2023-04-18
(45)【発行日】2023-04-26
(54)【発明の名称】オーステナイト系耐熱鋼
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20230419BHJP
C22C 38/54 20060101ALI20230419BHJP
C22C 30/04 20060101ALI20230419BHJP
C21D 9/00 20060101ALN20230419BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 302Z
C22C38/54
C22C30/04
C21D9/00 L
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2021542661
(86)(22)【出願日】2020-07-30
(86)【国際出願番号】 JP2020029240
(87)【国際公開番号】W WO2021039266
(87)【国際公開日】2021-03-04
【審査請求日】2022-02-01
(31)【優先権主張番号】P 2019156592
(32)【優先日】2019-08-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(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】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(74)【代理人】
【識別番号】100134359
【弁理士】
【氏名又は名称】勝俣 智夫
(74)【代理人】
【識別番号】100188592
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 洋
(74)【代理人】
【識別番号】100217249
【弁理士】
【氏名又は名称】堀田 耕一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100221279
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 健吾
(74)【代理人】
【識別番号】100207686
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 恭宏
(74)【代理人】
【識別番号】100224812
【弁理士】
【氏名又は名称】井口 翔太
(72)【発明者】
【氏名】平田 弘征
(72)【発明者】
【氏名】吉澤 満
(72)【発明者】
【氏名】樋口 淳一
(72)【発明者】
【氏名】田中 克樹
【審査官】岡田 眞理
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－０８４６０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／１１９４１５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－０１４５７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／００２５２３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－２０２４９４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２２Ｃ ３８／００－３８／６０
Ｃ２２Ｃ ３０／００－３０／０６
Ｃ２１Ｄ ９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０４％～０．１２％、
Ｓｉ：０．１０％～０．３０％、
Ｍｎ：０．２０％～０．８０％、
Ｐ：０％～０．０３０％、
Ｓ：０．０００１％～０．００２０％、
Ｓｎ：０．０００５％～０．０２３０％、
Ｃｕ：２．３％～３．８％、
Ｃｏ：０．９０％～２．４０％、
Ｎｉ：２２．０％～２８．０％、
Ｃｒ：２０．０％～２５．０％、
Ｍｏ：０．０１％～０．４０％、
Ｗ：２．８％～４．２％、
Ｎｂ：０．２０％～０．８０％、
Ｂ：０．００１０％～０．００５０％、
Ｎ：０．１６％～０．３０％、
Ａｌ：０％～０．０３０％、
Ｏ：０％～０．０３０％、
Ｖ：０％～０．０８％、
Ｔｉ：０％～０．０８％、
Ｔａ：０％～０．０８％、
Ｃａ：０％～０．０１０％、
Ｍｇ：０％～０．０１０％、
ＲＥＭ：０％～０．０８０％、
を含み、残部がＦｅ及び不純物からなり、
かつ（１）式を満足する、
ことを特徴とする、オーステナイト系耐熱鋼。
０．００１２％≦［％Ｓ］＋［％Ｓｎ］≦２．５×［％Ｂ］＋０．０１２５％ （１）
ただし、前記式（１）中の［％Ｓ］、［％Ｓｎ］、［％Ｂ］はそれぞれ、Ｓ、Ｓｎ、Ｂの質量％での含有量を示す。
【請求項2】
前記化学組成が、Ｖ：０．０１％～０．０８％、
Ｔｉ：０．０１％～０．０８％、
Ｔａ：０．０１％～０．０８％、
Ｃａ：０．００１％～０．０１０％、
Ｍｇ：０．００１％～０．０１０％、
ＲＥＭ：０．０００５％～０．０８０％、
から選択される１種以上を含有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系耐熱鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、オーステナイト系耐熱鋼に関する。
本願は、２０１９年０８月２９日に、日本に出願された特願２０１９－１５６５９２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０１９年０８月２９日に、日本に出願された特願２０１９－１５６５９２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【0002】
近年、環境負荷軽減の観点から、発電用ボイラでは運転条件の高温化および高圧化が世界的規模で進められており、その過熱器管や再熱器管に使用される材料には、より優れた高温強度や耐食性を有することが求められている。
このような要求を満たす材料として、高温強度を高めるために多量のＮならびにＮｉを含有させるとともに、高温での耐食性および耐水蒸気酸化特性を高めるために、２０％を超えてＣｒを含有させた、種々のオーステナイト系耐熱鋼が開示されている。
このような要求を満たす材料として、高温強度を高めるために多量のＮならびにＮｉを含有させるとともに、高温での耐食性および耐水蒸気酸化特性を高めるために、２０％を超えてＣｒを含有させた、種々のオーステナイト系耐熱鋼が開示されている。
【0003】
例えば、特許文献１にはＣｒを２０％～２７％、Ｎｉを２２．５％～３２％、Ｎを０．１％～０．３％含有させることにより、高温強度、耐蒸気酸化性、耐炉辺腐食性および組織安定性を高めた耐熱オーステナイトステンレス鋼が提案されている。
特許文献２にはＣｒを２２％超～３０％未満、Ｎｉを１８％超～２５％未満、Ｎを０．１％～０．３５％含有させた高温強度とクリープ延性とに優れるオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。
特許文献３にはＣｒを２２％超～３０％未満、Ｎｉを１８％超～２５％未満、Ｎを０．１％～０．３５％含有させるとともに、Ｓｎ、Ｓｂなどの不純物元素の量を低減することで、高温強度と長期使用後の加工性とに優れるオーステナイト系耐熱鋼が提案されている。
特許文献４にはＣｒを１５％～３０％、Ｎｉを６％～３０％、Ｎを０．０３％～０．３５％含有させるとともに、Ｐ、ＳやＳｎなどの不純物元素を低減することで、高温強度と長時間使用中の溶接部の耐脆化割れ性とに優れるオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。
特許文献２にはＣｒを２２％超～３０％未満、Ｎｉを１８％超～２５％未満、Ｎを０．１％～０．３５％含有させた高温強度とクリープ延性とに優れるオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。
特許文献３にはＣｒを２２％超～３０％未満、Ｎｉを１８％超～２５％未満、Ｎを０．１％～０．３５％含有させるとともに、Ｓｎ、Ｓｂなどの不純物元素の量を低減することで、高温強度と長期使用後の加工性とに優れるオーステナイト系耐熱鋼が提案されている。
特許文献４にはＣｒを１５％～３０％、Ｎｉを６％～３０％、Ｎを０．０３％～０．３５％含有させるとともに、Ｐ、ＳやＳｎなどの不純物元素を低減することで、高温強度と長時間使用中の溶接部の耐脆化割れ性とに優れるオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。
【0004】
ところで、発電用ボイラは、定期的に停機して健全性を確認する必要があり、その際、使用されている配管などの部材の温度が下がることになる。前記のオーステナイト系ステンレス鋼ならびに耐熱鋼は、優れた高温強度を有し、それぞれが解決しようとする課題に対しては、優れた性能を有するものの、溶接施工性が十分でない場合、及び／または、高温で長時間使用した後に温度が下がると、十分な靭性が安定して得られない場合があることがわかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】日本国特表２００２－５３７４８６号公報
【文献】日本国特開２００４－２５０７８３号公報
【文献】日本国特開２００９－８４６０６号公報
【文献】国際公開第２００９／０４４７９６号
【非特許文献】
【0006】
本発明は、上記現状に鑑みてなされた。本発明は、溶接施工性に優れ、かつ、優れたクリープ強度と、高温で長時間保持された後の安定した靭性と、が両立できる、オーステナイト系耐熱鋼を提供することを目的とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明者らは、前記した課題を解決するために、クリープ強度の点からＣｒを２０．０％～２５．０％、Ｎｉを２２．０％～２８．０％、Ｃｏを０．９０％～２．４０％、Ｎを０．１６％～０．３０％、を含むとともに、溶接施工性（初層溶接時の裏ビードの形成能）の観点から、Ｓ：０．０００１％～０．００２０％、Ｓｎ：０．０００５％～０．０２３０％を必須で含有するオーステナイト系耐熱鋼について、高温かつ長時間保持（加熱）後の靱性について詳細な調査を行った。その結果、以下に述べる知見が明らかになった。
（ａ）高温で長時間保持した鋼の靱性は、ＳおよびＳｎの含有量の増加に伴い、顕著に低下する。衝撃試験後の破面観察の結果、ＳおよびＳｎの含有量が多くなると、オーステナイト粒界で破壊した領域の割合が大きくなるとともに、破面上からＳおよびＳｎが検出された。この結果より、ＳおよびＳｎを含有する鋼において、高温で長時間保持後の靭性が低下する理由は、高温で長時間保持時に鋼中に含まれるＳおよびＳｎがオーステナイト粒界に偏析し、これらの元素が粒界の結合力を低下させるためであると推察される。
（ｂ）一方で、本発明者らの検討の結果、高温長時間保持後の靭性を確保するには、ＳおよびＳｎを溶接施工性が阻害されない範囲で極力低減するとともに、その合計含有量に応じてＢを適正な範囲で含有させることが有効であることが分かった。この理由としては、鋼中に含まれるＢは拡散速度が速く、高温で長時間保持時にＳおよびＳｎより早くオーステナイト粒界に偏析し、その結果、ＢがＳおよびＳｎによる粒界結合力の低下を抑制し、靭性の低下を軽減するためと考えられる。
（ａ）高温で長時間保持した鋼の靱性は、ＳおよびＳｎの含有量の増加に伴い、顕著に低下する。衝撃試験後の破面観察の結果、ＳおよびＳｎの含有量が多くなると、オーステナイト粒界で破壊した領域の割合が大きくなるとともに、破面上からＳおよびＳｎが検出された。この結果より、ＳおよびＳｎを含有する鋼において、高温で長時間保持後の靭性が低下する理由は、高温で長時間保持時に鋼中に含まれるＳおよびＳｎがオーステナイト粒界に偏析し、これらの元素が粒界の結合力を低下させるためであると推察される。
（ｂ）一方で、本発明者らの検討の結果、高温長時間保持後の靭性を確保するには、ＳおよびＳｎを溶接施工性が阻害されない範囲で極力低減するとともに、その合計含有量に応じてＢを適正な範囲で含有させることが有効であることが分かった。この理由としては、鋼中に含まれるＢは拡散速度が速く、高温で長時間保持時にＳおよびＳｎより早くオーステナイト粒界に偏析し、その結果、ＢがＳおよびＳｎによる粒界結合力の低下を抑制し、靭性の低下を軽減するためと考えられる。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記に示すオーステナイト系耐熱鋼にある。
（１）本発明の一態様に係るオーステナイト系耐熱鋼は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０４％～０．１２％、Ｓｉ：０．１０％～０．３０％、Ｍｎ：０．２０％～０．８０％、Ｐ：０％～０．０３０％、Ｓ：０．０００１％～０．００２０％、Ｓｎ：０．０００５％～０．０２３０％、Ｃｕ：２．３％～３．８％、Ｃｏ：０．９０％～２．４０％、Ｎｉ：２２．０％～２８．０％、Ｃｒ：２０．０％～２５．０％、Ｍｏ：０．０１％～０．４０％、Ｗ：２．８％～４．２％、Ｎｂ：０．２０％～０．８０％、Ｂ：０．００１０％～０．００５０％、Ｎ：０．１６％～０．３０％、Ａｌ：０％～０．０３０％、Ｏ：０％～０．０３０％、Ｖ：０％～０．０８％、Ｔｉ：０％～０．０８％、Ｔａ：０％～０．０８％、Ｃａ：０％～０．０１０％、Ｍｇ：０％～０．０１０％、ＲＥＭ：０％～０．０８０％、を含み、残部がＦｅ及び不純物からなり、かつ（ｉ）式を満足する、オーステナイト系耐熱鋼。
０．００１２％≦［％Ｓ］＋［％Ｓｎ］≦２．５×［％Ｂ］＋０．０１２５％ （ｉ）
ただし、前記式（ｉ）中の［％Ｓ］、［％Ｓｎ］、［％Ｂ］はそれぞれ、Ｓ、Ｓｎ、Ｂの質量％での含有量を示す。
（２）上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱鋼は、前記化学組成が、Ｖ：０．０１％～０．０８％、Ｔｉ：０．０１％～０．０８％、Ｔａ：０．０１％～０．０８％、Ｃａ：０．００１％～０．０１０％、Ｍｇ：０．００１％～０．０１０％、ＲＥＭ：０．０００５％～０．０８０％、から選択される１種以上を含有してもよい。
（１）本発明の一態様に係るオーステナイト系耐熱鋼は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０４％～０．１２％、Ｓｉ：０．１０％～０．３０％、Ｍｎ：０．２０％～０．８０％、Ｐ：０％～０．０３０％、Ｓ：０．０００１％～０．００２０％、Ｓｎ：０．０００５％～０．０２３０％、Ｃｕ：２．３％～３．８％、Ｃｏ：０．９０％～２．４０％、Ｎｉ：２２．０％～２８．０％、Ｃｒ：２０．０％～２５．０％、Ｍｏ：０．０１％～０．４０％、Ｗ：２．８％～４．２％、Ｎｂ：０．２０％～０．８０％、Ｂ：０．００１０％～０．００５０％、Ｎ：０．１６％～０．３０％、Ａｌ：０％～０．０３０％、Ｏ：０％～０．０３０％、Ｖ：０％～０．０８％、Ｔｉ：０％～０．０８％、Ｔａ：０％～０．０８％、Ｃａ：０％～０．０１０％、Ｍｇ：０％～０．０１０％、ＲＥＭ：０％～０．０８０％、を含み、残部がＦｅ及び不純物からなり、かつ（ｉ）式を満足する、オーステナイト系耐熱鋼。
０．００１２％≦［％Ｓ］＋［％Ｓｎ］≦２．５×［％Ｂ］＋０．０１２５％ （ｉ）
ただし、前記式（ｉ）中の［％Ｓ］、［％Ｓｎ］、［％Ｂ］はそれぞれ、Ｓ、Ｓｎ、Ｂの質量％での含有量を示す。
（２）上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱鋼は、前記化学組成が、Ｖ：０．０１％～０．０８％、Ｔｉ：０．０１％～０．０８％、Ｔａ：０．０１％～０．０８％、Ｃａ：０．００１％～０．０１０％、Ｍｇ：０．００１％～０．０１０％、ＲＥＭ：０．０００５％～０．０８０％、から選択される１種以上を含有してもよい。
【発明の効果】
【0009】
本発明の上記態様によれば、溶接施工性に優れ、かつ、高温で長時間（例えば、４５０～８００℃で５００時間以上）保持後の安定した靭性と優れたクリープ強度とが両立できるオーステナイト系耐熱鋼を提供することができる。本発明の上記態様に係るオーステナイト系耐熱鋼は、例えば石炭火力発電プラント、石油火力発電プラント、ごみ焼却発電プラントおよびバイオマス発電プラント等のボイラ用配管、石油化学プラントにおける分解管等、高温で長時間使用される機器に好適である。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】溶接試験時の開先形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の一実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼（本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼）について説明する。本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼は、例えば、ＪＩＳＧ０２０３：２００９に記載された、オーステナイト系ステンレス鋼やオーステナイト系耐熱鋼に適合する鋼である。
【0012】
＜化学組成＞
本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼は所定の化学組成を有している。その化学組成を限定する理由は次の通りである。
以下の説明において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。また、本明細書中において、「～」を用いて表される数値範囲は、特に断りの無い限り、「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼は所定の化学組成を有している。その化学組成を限定する理由は次の通りである。
以下の説明において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。また、本明細書中において、「～」を用いて表される数値範囲は、特に断りの無い限り、「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
【0013】
Ｃ：０．０４％～０．１２％
Ｃはオーステナイト組織を安定にするとともにＣｒと結合して炭化物を形成し、高温でのクリープ強度を向上させる元素である。この効果を十分に得るためにはＣ含有量を０．０４％以上とする必要がある。Ｃ含有量は、好ましくは０．０５％以上、さらに好ましくは０．０６％以上である。
一方で、Ｃが過剰に含有された場合、炭化物が多量に析出し、靭性が低下する。そのため、Ｃ含有量は０．１２％以下とする。Ｃ含有量は、好ましくは０．１１％以下、さらに好ましくは０．１０％以下である。
Ｃはオーステナイト組織を安定にするとともにＣｒと結合して炭化物を形成し、高温でのクリープ強度を向上させる元素である。この効果を十分に得るためにはＣ含有量を０．０４％以上とする必要がある。Ｃ含有量は、好ましくは０．０５％以上、さらに好ましくは０．０６％以上である。
一方で、Ｃが過剰に含有された場合、炭化物が多量に析出し、靭性が低下する。そのため、Ｃ含有量は０．１２％以下とする。Ｃ含有量は、好ましくは０．１１％以下、さらに好ましくは０．１０％以下である。
【0014】
Ｓｉ：０．１０％～０．３０％
Ｓｉは脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の確保に必要な元素である。その効果を得るためには、Ｓｉ含有量を０．１０％以上とする必要がある。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．１２％以上、さらに好ましくは０．１５％以上である。
一方で、Ｓｉが過剰に含有された場合には、オーステナイト組織の安定性が低下し、クリープ強度が低下する。そのためＳｉ含有量は０．３０％以下とする。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．２８％以下、さらに好ましくは０．２５％以下である。
Ｓｉは脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の確保に必要な元素である。その効果を得るためには、Ｓｉ含有量を０．１０％以上とする必要がある。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．１２％以上、さらに好ましくは０．１５％以上である。
一方で、Ｓｉが過剰に含有された場合には、オーステナイト組織の安定性が低下し、クリープ強度が低下する。そのためＳｉ含有量は０．３０％以下とする。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．２８％以下、さらに好ましくは０．２５％以下である。
【0015】
Ｍｎ：０．２０％～０．８０％
ＭｎはＳｉと同様、脱酸作用を有する元素である。また、オーステナイト組織を安定にして、クリープ強度の向上に寄与する元素である。これらの効果を得るためには、Ｍｎ含有量を０．２０％以上とする必要がある。Ｍｎ含有量は、好ましくは０．２５％以上、さらに好ましくは０．３０％以上である。
一方で、Ｍｎ含有量が過剰になると、クリープ延性が低下する。そのためＭｎ含有量は０．８０％以下とする。Ｍｎ含有量は、好ましくは０．７５％以下、さらに好ましくは０．７０％以下である。
ＭｎはＳｉと同様、脱酸作用を有する元素である。また、オーステナイト組織を安定にして、クリープ強度の向上に寄与する元素である。これらの効果を得るためには、Ｍｎ含有量を０．２０％以上とする必要がある。Ｍｎ含有量は、好ましくは０．２５％以上、さらに好ましくは０．３０％以上である。
一方で、Ｍｎ含有量が過剰になると、クリープ延性が低下する。そのためＭｎ含有量は０．８０％以下とする。Ｍｎ含有量は、好ましくは０．７５％以下、さらに好ましくは０．７０％以下である。
【0016】
Ｐ：０％～０．０３０％
Ｐは不純物として含まれ、溶接中の液化割れ感受性を高める元素である。さらに、Ｐが多量に含有されるとクリープ延性も低下する。そのため、Ｐ含有量に上限を設けて、Ｐ含有量を０．０３０％以下とする。Ｐ含有量は、好ましくは０．０２８％以下、さらに好ましくは０．０２５％以下である。Ｐ含有量は可能な限り低減することが好ましく、つまり、含有量が０％であってもよい。しかしながら、Ｐ含有量の極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００１％、さらに好ましい下限は０．００２％である。
Ｐは不純物として含まれ、溶接中の液化割れ感受性を高める元素である。さらに、Ｐが多量に含有されるとクリープ延性も低下する。そのため、Ｐ含有量に上限を設けて、Ｐ含有量を０．０３０％以下とする。Ｐ含有量は、好ましくは０．０２８％以下、さらに好ましくは０．０２５％以下である。Ｐ含有量は可能な限り低減することが好ましく、つまり、含有量が０％であってもよい。しかしながら、Ｐ含有量の極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００１％、さらに好ましい下限は０．００２％である。
【0017】
Ｓ：０．０００１％～０．００２０％
Ｓは高温での保持中にオーステナイト粒界に偏析して、その結合力を弱める元素である。そのため、Ｓ含有量が多いと、高温で長時間保持された後の耐熱鋼の靭性が低下する。本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼における他の元素の含有範囲において、靭性の低下を防止するためには、Ｓ含有量は０．００２０％以下とする必要があるとともに、Ｓｎ含有量およびＢ含有量と、後述の関係を満足する必要がある。Ｓ含有量は、好ましくは０．００１８％以下、さらに好ましくは０．００１５％以下である。Ｓ含有量は靭性の観点からは可能な限り低減することが好ましい。しかしながら、Ｓは、溶接中の溶融池の湯流れに影響し、溶け込み深さを大きくし、溶接施工性、特に初層溶接時の裏波形成能を高める元素でもある。そのため、Ｓ含有量は、０．０００１％以上とするとともに、後述のＳｎとの関係を満足する必要がある。Ｓ含有量は、好ましくは０．０００２％以上、さらに好ましくは０．０００３％以上である。
Ｓは高温での保持中にオーステナイト粒界に偏析して、その結合力を弱める元素である。そのため、Ｓ含有量が多いと、高温で長時間保持された後の耐熱鋼の靭性が低下する。本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼における他の元素の含有範囲において、靭性の低下を防止するためには、Ｓ含有量は０．００２０％以下とする必要があるとともに、Ｓｎ含有量およびＢ含有量と、後述の関係を満足する必要がある。Ｓ含有量は、好ましくは０．００１８％以下、さらに好ましくは０．００１５％以下である。Ｓ含有量は靭性の観点からは可能な限り低減することが好ましい。しかしながら、Ｓは、溶接中の溶融池の湯流れに影響し、溶け込み深さを大きくし、溶接施工性、特に初層溶接時の裏波形成能を高める元素でもある。そのため、Ｓ含有量は、０．０００１％以上とするとともに、後述のＳｎとの関係を満足する必要がある。Ｓ含有量は、好ましくは０．０００２％以上、さらに好ましくは０．０００３％以上である。
【0018】
Ｓｎ：０．０００５％～０．０２３０％
Ｓｎは溶接時に溶融池から蒸発してアークの通電経路の形成に寄与するとともに、溶け込み深さを増大させることで、溶接施工性を高める効果を有する元素である。この効果を得るためには、本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼における他の元素の含有範囲において、Ｓｎ含有量が、０．０００５％以上であるとともに、後述のＳ含有量との関係を満足する必要がある。Ｓｎ含有量は、好ましくは０．００１０％以上、さらに好ましくは０．００１５％以上である。
一方で、Ｓｎが過剰に含有された場合、Ｓｎは、高温での保持中にオーステナイト粒界に偏析して、粒界の結合力を弱める。その結果、高温で長時間保持後の鋼の靭性が低下する。そのため、本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼における他の元素の含有範囲において、Ｓｎ含有量は、０．０２３０％以下とするとともに、Ｓ含有量およびＢ含有量と後述の関係を満足する必要がある。Ｓｎ含有量は、好ましくは０．０２２０％以下、さらに好ましくは０．０２００％以下である。
Ｓｎは溶接時に溶融池から蒸発してアークの通電経路の形成に寄与するとともに、溶け込み深さを増大させることで、溶接施工性を高める効果を有する元素である。この効果を得るためには、本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼における他の元素の含有範囲において、Ｓｎ含有量が、０．０００５％以上であるとともに、後述のＳ含有量との関係を満足する必要がある。Ｓｎ含有量は、好ましくは０．００１０％以上、さらに好ましくは０．００１５％以上である。
一方で、Ｓｎが過剰に含有された場合、Ｓｎは、高温での保持中にオーステナイト粒界に偏析して、粒界の結合力を弱める。その結果、高温で長時間保持後の鋼の靭性が低下する。そのため、本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼における他の元素の含有範囲において、Ｓｎ含有量は、０．０２３０％以下とするとともに、Ｓ含有量およびＢ含有量と後述の関係を満足する必要がある。Ｓｎ含有量は、好ましくは０．０２２０％以下、さらに好ましくは０．０２００％以下である。
【0019】
Ｃｕ：２．３％～３．８％
Ｃｕはオーステナイト組織の安定性を高めるとともに、高温での保持中に微細に析出して、クリープ強度の向上に寄与する元素である。この効果を十分に得るためには、Ｃｕ含有量を２．３％以上とする必要がある。Ｃｕ含有量は、好ましくは２．５％以上、さらに好ましくは２．７％以上である。
一方で、Ｃｕが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下する。そのためＣｕ含有量は３．８％以下とする。Ｃｕ含有量は、好ましくは３．５％以下、さらに好ましくは３．３％以下である。
Ｃｕはオーステナイト組織の安定性を高めるとともに、高温での保持中に微細に析出して、クリープ強度の向上に寄与する元素である。この効果を十分に得るためには、Ｃｕ含有量を２．３％以上とする必要がある。Ｃｕ含有量は、好ましくは２．５％以上、さらに好ましくは２．７％以上である。
一方で、Ｃｕが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下する。そのためＣｕ含有量は３．８％以下とする。Ｃｕ含有量は、好ましくは３．５％以下、さらに好ましくは３．３％以下である。
【0020】
Ｃｏ：０．９０％～２．４０％
Ｃｏもオーステナイト組織の安定性を高めて、クリープ強度の向上に寄与する元素である。その効果を十分に得るには、Ｃｏ含有量を０．９０％以上とする必要がある。Ｃｏ含有量は、好ましくは１．００％以上、さらに好ましくは１．２０％以上、より一層好ましくは１．４０％以上である。
一方で、Ｃｏが過剰に含有された場合、その効果が飽和するだけでなく、Ｃｏは非常に高価な元素であるため、コスト増を招く。そのためＣｏ含有量は２．４０％以下とする。Ｃｏ含有量は、好ましくは２．２０％以下、さらに好ましくは２．００％以下である。
Ｃｏもオーステナイト組織の安定性を高めて、クリープ強度の向上に寄与する元素である。その効果を十分に得るには、Ｃｏ含有量を０．９０％以上とする必要がある。Ｃｏ含有量は、好ましくは１．００％以上、さらに好ましくは１．２０％以上、より一層好ましくは１．４０％以上である。
一方で、Ｃｏが過剰に含有された場合、その効果が飽和するだけでなく、Ｃｏは非常に高価な元素であるため、コスト増を招く。そのためＣｏ含有量は２．４０％以下とする。Ｃｏ含有量は、好ましくは２．２０％以下、さらに好ましくは２．００％以下である。
【0021】
Ｎｉ：２２．０％～２８．０％
Ｎｉはオーステナイト組織の安定性を高めて、クリープ強度の向上に寄与する元素である。その効果を十分に得るには、Ｎｉ含有量を２２．０％以上とする必要がある。Ｎｉ含有量は、好ましく２２．２％以上、さらに好ましくは２２．５％以上である。
一方で、Ｎｉは非常に高価な元素であるので、Ｎｉが過剰に含有された場合、効果が飽和するだけでなく、コスト増を招く。そのためＮｉは２８．０％以下とする。Ｎｉ含有量は好ましくは２７．８％以下、さらに好ましくは２７．５％以下である。
Ｎｉはオーステナイト組織の安定性を高めて、クリープ強度の向上に寄与する元素である。その効果を十分に得るには、Ｎｉ含有量を２２．０％以上とする必要がある。Ｎｉ含有量は、好ましく２２．２％以上、さらに好ましくは２２．５％以上である。
一方で、Ｎｉは非常に高価な元素であるので、Ｎｉが過剰に含有された場合、効果が飽和するだけでなく、コスト増を招く。そのためＮｉは２８．０％以下とする。Ｎｉ含有量は好ましくは２７．８％以下、さらに好ましくは２７．５％以下である。
【0022】
Ｃｒ：２０．０％～２５．０％
Ｃｒは高温での耐酸化性および耐食性の確保に有効な元素である。また、Ｃｒは微細な炭化物を形成してクリープ強度の向上にも寄与する元素である。それらの効果を十分に得るためには、Ｃｒ含有量を２０．０％以上とする必要がある。Ｃｒ含有量は、好ましくは２０．５％以上、さらに好ましくは２１．０％以上である。
一方で、Ｃｒが過剰に含有された場合、オーステナイト組織の安定性が低下し、クリープ強度が低下する。そのためＣｒ含有量は２５．０％以下とする。Ｃｒ含有量は、好ましくは２４．５％以下、さらに好ましくは２４．０％以下である。
Ｃｒは高温での耐酸化性および耐食性の確保に有効な元素である。また、Ｃｒは微細な炭化物を形成してクリープ強度の向上にも寄与する元素である。それらの効果を十分に得るためには、Ｃｒ含有量を２０．０％以上とする必要がある。Ｃｒ含有量は、好ましくは２０．５％以上、さらに好ましくは２１．０％以上である。
一方で、Ｃｒが過剰に含有された場合、オーステナイト組織の安定性が低下し、クリープ強度が低下する。そのためＣｒ含有量は２５．０％以下とする。Ｃｒ含有量は、好ましくは２４．５％以下、さらに好ましくは２４．０％以下である。
【0023】
Ｍｏ：０．０１％～０．４０％
Ｍｏは鋼に固溶して高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する元素である。その効果を十分に得るためには、Ｍｏ含有量を０．０１％以上とする必要がある。Ｍｏ含有量は、好ましくは０．０２％以上、さらに好ましくは０．０３％以上である。
一方で、Ｍｏが過剰に含有された場合、オーステナイト組織の安定性が顕著に低下し、クリープ強度が低下する。さらに、Ｍｏは高価な元素であるので、過剰の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｍｏ含有量は０．４０％以下とする。Ｍｏ含有量は、好ましくは０．３８％以下、さらに好ましくは０．３５％以下である。
Ｍｏは鋼に固溶して高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する元素である。その効果を十分に得るためには、Ｍｏ含有量を０．０１％以上とする必要がある。Ｍｏ含有量は、好ましくは０．０２％以上、さらに好ましくは０．０３％以上である。
一方で、Ｍｏが過剰に含有された場合、オーステナイト組織の安定性が顕著に低下し、クリープ強度が低下する。さらに、Ｍｏは高価な元素であるので、過剰の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｍｏ含有量は０．４０％以下とする。Ｍｏ含有量は、好ましくは０．３８％以下、さらに好ましくは０．３５％以下である。
【0024】
Ｗ：２．８％～４．２％
Ｗは鋼に固溶して高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する元素である。その効果を十分に得るためには、Ｗ含有量を２．８％以上とする必要がある。Ｗ含有量は、好ましくは３．０％以上、さらに好ましくは３．２％以上である。
一方で、Ｗが過剰に含有された場合、オーステナイト組織の安定性が低下し、かえってクリープ強度が低下する。そのため、Ｗ含有量は４．２％以下とする。Ｗ含有量は、好ましくは４．０％以下、さらに好ましくは３．８％以下である。
Ｗは鋼に固溶して高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する元素である。その効果を十分に得るためには、Ｗ含有量を２．８％以上とする必要がある。Ｗ含有量は、好ましくは３．０％以上、さらに好ましくは３．２％以上である。
一方で、Ｗが過剰に含有された場合、オーステナイト組織の安定性が低下し、かえってクリープ強度が低下する。そのため、Ｗ含有量は４．２％以下とする。Ｗ含有量は、好ましくは４．０％以下、さらに好ましくは３．８％以下である。
【0025】
Ｎｂ：０．２０％～０．８０％
Ｎｂは微細な炭化物や窒化物としてオーステナイトの粒内に析出し、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する元素である。その効果を十分に得るためには、Ｎｂ含有量を０．２０％以上とする必要がある。Ｎｂ含有量は、好ましくは０．２５％以上、さらに好ましくは０．３０％以上である。
一方、Ｎｂが過剰に含有された場合、炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性が低下する。そのため、Ｎｂ含有量は０．８０％以下とする。Ｎｂ含有量は、好ましくは０．７５％以下、さらに好ましくは０．７０％以下である。
Ｎｂは微細な炭化物や窒化物としてオーステナイトの粒内に析出し、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する元素である。その効果を十分に得るためには、Ｎｂ含有量を０．２０％以上とする必要がある。Ｎｂ含有量は、好ましくは０．２５％以上、さらに好ましくは０．３０％以上である。
一方、Ｎｂが過剰に含有された場合、炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性が低下する。そのため、Ｎｂ含有量は０．８０％以下とする。Ｎｂ含有量は、好ましくは０．７５％以下、さらに好ましくは０．７０％以下である。
【0026】
Ｂ：０．００１０％～０．００５０％
Ｂは粒界炭化物を微細に分散させることによりクリープ強度を向上させるとともに、高温での保持中に粒界に偏析してＳおよびＳｎの粒界偏析を抑制することで、高温での保持後の鋼の靭性向上に寄与する元素である。これらの効果を十分に得るためには、Ｂ含有量は、０．００１０％以上とするとともに、後述のＳ含有量およびＳｎ含有量との関係を満足する必要がある。Ｂ含有量は、好ましくは０．００１２％以上、さらに好ましくは０．００１５％以上である。
一方で、Ｂが過剰に含有された場合、溶接時の熱影響部の割れ感受性が高まる。そのため、Ｂ含有量を０．００５０％以下とする。Ｂ含有量は、好ましくは０．００４８％以下、さらに好ましくは０．００４５％以下である。
Ｂは粒界炭化物を微細に分散させることによりクリープ強度を向上させるとともに、高温での保持中に粒界に偏析してＳおよびＳｎの粒界偏析を抑制することで、高温での保持後の鋼の靭性向上に寄与する元素である。これらの効果を十分に得るためには、Ｂ含有量は、０．００１０％以上とするとともに、後述のＳ含有量およびＳｎ含有量との関係を満足する必要がある。Ｂ含有量は、好ましくは０．００１２％以上、さらに好ましくは０．００１５％以上である。
一方で、Ｂが過剰に含有された場合、溶接時の熱影響部の割れ感受性が高まる。そのため、Ｂ含有量を０．００５０％以下とする。Ｂ含有量は、好ましくは０．００４８％以下、さらに好ましくは０．００４５％以下である。
【0027】
Ｎ：０．１６％～０．３０％
Ｎはオーステナイト組織を安定にするとともに、鋼に固溶して、または窒化物として析出して、高温強度の向上に寄与する元素である。その効果を十分に得るためには、Ｎ含有量を０．１６％以上とする必要がある。Ｎ含有量は、好ましくは０．１８％以上、さらに好ましくは０．２０％以上である。
一方で、Ｎが過剰に含有された場合、延性が低下する。そのため、Ｎ含有量は０．３０％以下とする。Ｎ含有量は、好ましくは０．２８％以下であり、さらに好ましくは０．２６％以下である。
Ｎはオーステナイト組織を安定にするとともに、鋼に固溶して、または窒化物として析出して、高温強度の向上に寄与する元素である。その効果を十分に得るためには、Ｎ含有量を０．１６％以上とする必要がある。Ｎ含有量は、好ましくは０．１８％以上、さらに好ましくは０．２０％以上である。
一方で、Ｎが過剰に含有された場合、延性が低下する。そのため、Ｎ含有量は０．３０％以下とする。Ｎ含有量は、好ましくは０．２８％以下であり、さらに好ましくは０．２６％以下である。
【0028】
Ａｌ：０％～０．０３０％
Ａｌは、脱酸剤として添加される元素である。しかしながら、Ａｌが過剰に含有された場合、鋼の清浄性が劣化し、熱間加工性が低下する。そのため、Ａｌ含有量を０．０３０％以下とする必要がある。Ａｌ含有量は、好ましくは０．０２５％以下、さらに好ましくは０．０２０％以下である。下限は特に設ける必要はなく、つまり、Ａｌ含有量が０％であってもよい。しかしながら、Ａｌ含有量の極端な低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ａｌ含有量は、好ましくは０．００１％以上、さらに好ましくは０．００２％以上である。
Ａｌは、脱酸剤として添加される元素である。しかしながら、Ａｌが過剰に含有された場合、鋼の清浄性が劣化し、熱間加工性が低下する。そのため、Ａｌ含有量を０．０３０％以下とする必要がある。Ａｌ含有量は、好ましくは０．０２５％以下、さらに好ましくは０．０２０％以下である。下限は特に設ける必要はなく、つまり、Ａｌ含有量が０％であってもよい。しかしながら、Ａｌ含有量の極端な低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ａｌ含有量は、好ましくは０．００１％以上、さらに好ましくは０．００２％以上である。
【0029】
Ｏ：０％～０．０３０％
Ｏ（酸素）は不純物として含まれる元素である。Ｏが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下するとともに、延性が劣化する。そのため、Ｏ含有量を０．０３０％以下とする必要がある。Ｏ含有量は、好ましくは０．０２５％以下、さらに好ましくは０．０２０％以下である。下限は特に設ける必要はなく、つまり、Ｏ含有量が０％であってもよい。しかしながら、Ｏ含有量の極端な低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｏ含有量は、好ましくは０．００１％以上、さらに好ましくは０．００２％以上である。
Ｏ（酸素）は不純物として含まれる元素である。Ｏが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下するとともに、延性が劣化する。そのため、Ｏ含有量を０．０３０％以下とする必要がある。Ｏ含有量は、好ましくは０．０２５％以下、さらに好ましくは０．０２０％以下である。下限は特に設ける必要はなく、つまり、Ｏ含有量が０％であってもよい。しかしながら、Ｏ含有量の極端な低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｏ含有量は、好ましくは０．００１％以上、さらに好ましくは０．００２％以上である。
【0030】
０．００１２％≦［％Ｓ］＋［％Ｓｎ］≦２．５×［％Ｂ］＋０．０１２５％ （１）
本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼は、上述の通り各元素の含有量を制御した上で、さらに、Ｓ含有量、Ｓｎ含有量、Ｂ含有量が上記の式（１）を満足する必要がある。
ここで、前記式（１）中の［％Ｓ］、［％Ｓｎ］、［％Ｂ］はそれぞれ、Ｓ、Ｓｎ、Ｂの質量％での含有量を示す。
ＳおよびＳｎは高温での保持中にオーステナイト粒界に偏析して、その結合力を弱める元素である。そのため、一般に、ＳおよびＳｎを含有する鋼は、高温で長時間保持後の靭性が低下する。しかしながら、本発明者らが知見したように、Ｂは、拡散速度が速く、ＳおよびＳｎより早くオーステナイト粒界に偏析して、Ｓ及びＳｎが粒界に偏析することによる靭性の低下を抑制する。その効果を十分に得るためには、Ｂの含有量に対して、ＳとＳｎとの合計含有量を、２．５×［％Ｂ］＋０．０１２５％以下にする必要がある。
一方で、ＳとＳｎとは、それぞれ含有量が低ければ低いほど、高温での保持後の靱性の向上には有利であるものの、それぞれ、溶接中の溶融池の対流、およびアーク現象に影響して溶け込み深さを増大させ、溶接施工性（特に、初層溶接時の裏波形成能）を向上させる効果を有する。本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼では、その効果を得るために、ＳとＳｎとの合計量を０．００１２％以上とする必要がある。好ましいＳとＳｎとの合計含有量は０．００１５％以上、さらに好ましい合計含有量は０．００１８％以上である。
本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼は、上述の通り各元素の含有量を制御した上で、さらに、Ｓ含有量、Ｓｎ含有量、Ｂ含有量が上記の式（１）を満足する必要がある。
ここで、前記式（１）中の［％Ｓ］、［％Ｓｎ］、［％Ｂ］はそれぞれ、Ｓ、Ｓｎ、Ｂの質量％での含有量を示す。
ＳおよびＳｎは高温での保持中にオーステナイト粒界に偏析して、その結合力を弱める元素である。そのため、一般に、ＳおよびＳｎを含有する鋼は、高温で長時間保持後の靭性が低下する。しかしながら、本発明者らが知見したように、Ｂは、拡散速度が速く、ＳおよびＳｎより早くオーステナイト粒界に偏析して、Ｓ及びＳｎが粒界に偏析することによる靭性の低下を抑制する。その効果を十分に得るためには、Ｂの含有量に対して、ＳとＳｎとの合計含有量を、２．５×［％Ｂ］＋０．０１２５％以下にする必要がある。
一方で、ＳとＳｎとは、それぞれ含有量が低ければ低いほど、高温での保持後の靱性の向上には有利であるものの、それぞれ、溶接中の溶融池の対流、およびアーク現象に影響して溶け込み深さを増大させ、溶接施工性（特に、初層溶接時の裏波形成能）を向上させる効果を有する。本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼では、その効果を得るために、ＳとＳｎとの合計量を０．００１２％以上とする必要がある。好ましいＳとＳｎとの合計含有量は０．００１５％以上、さらに好ましい合計含有量は０．００１８％以上である。
【0031】
本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼は、上記の元素を含み、残部がＦｅ及び不純物であることを基本とするが、上記に加え、合金成分としてのＦｅの一部に代えて、下記の群の中の少なくとも１種の元素を含有してもよい。ただし、これらの元素は必ずしも含有する必要がないので、下限はいずれも０％である。以下に限定理由を述べる。
【0032】
Ｖ：０～０．０８％
Ｖは炭素（Ｃ）もしくは窒素（Ｎ）と結合して微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度の向上に寄与する元素である。そのため必要に応じて含有させてもよい。この効果を得る場合、Ｖ含有量は、好ましくは０．０１％以上、さらに好ましくは０．０２％以上である。
しかしながら、Ｖが過剰に含有された場合、炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性が低下する。そのため、含有させる場合でも、Ｖ含有量は０．０８％以下とする必要がある。Ｖ含有量は、好ましくは０．０７％以下、さらに好ましくは０．０６％以下である。より一層好ましくは０．０４％以下である。
Ｖは炭素（Ｃ）もしくは窒素（Ｎ）と結合して微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度の向上に寄与する元素である。そのため必要に応じて含有させてもよい。この効果を得る場合、Ｖ含有量は、好ましくは０．０１％以上、さらに好ましくは０．０２％以上である。
しかしながら、Ｖが過剰に含有された場合、炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性が低下する。そのため、含有させる場合でも、Ｖ含有量は０．０８％以下とする必要がある。Ｖ含有量は、好ましくは０．０７％以下、さらに好ましくは０．０６％以下である。より一層好ましくは０．０４％以下である。
【0033】
Ｔｉ：０～０．０８％
ＴｉはＶと同様、炭素もしくは窒素と結合して微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度の向上に寄与する元素である。そのため必要に応じて含有させてもよい。この効果を得る場合、Ｔｉ含有量は、好ましくは０．０１％以上、さらに好ましくは０．０２％以上である。
しかしながら、Ｔｉが過剰に含有された場合、炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性が低下する。そのため、含有させる場合でも、Ｔｉ含有量は０．０８％以下とする必要がある。Ｔｉ含有量は、好ましくは０．０７％以下、さらに好ましくは０．０６％以下である。
ＴｉはＶと同様、炭素もしくは窒素と結合して微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度の向上に寄与する元素である。そのため必要に応じて含有させてもよい。この効果を得る場合、Ｔｉ含有量は、好ましくは０．０１％以上、さらに好ましくは０．０２％以上である。
しかしながら、Ｔｉが過剰に含有された場合、炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性が低下する。そのため、含有させる場合でも、Ｔｉ含有量は０．０８％以下とする必要がある。Ｔｉ含有量は、好ましくは０．０７％以下、さらに好ましくは０．０６％以下である。
【0034】
Ｔａ：０～０．０８％
Ｔａは、ＶおよびＴｉと同様、炭素もしくは窒素と結合して微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度の向上に寄与する元素である。そのため必要に応じて含有させてもよい。この効果を得る場合、Ｔａ含有量は、好ましくは０．０１％以上、さらに好ましくは０．０２％以上である。
しかしながら、Ｔａが過剰に含有された場合、炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性が低下する。そのため、含有させる場合でも、Ｔａ含有量は０．０８％以下とする必要がある。Ｔａ含有量は、好ましくは０．０７％以下、さらに好ましくは０．０６％以下である。
Ｔａは、ＶおよびＴｉと同様、炭素もしくは窒素と結合して微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度の向上に寄与する元素である。そのため必要に応じて含有させてもよい。この効果を得る場合、Ｔａ含有量は、好ましくは０．０１％以上、さらに好ましくは０．０２％以上である。
しかしながら、Ｔａが過剰に含有された場合、炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性が低下する。そのため、含有させる場合でも、Ｔａ含有量は０．０８％以下とする必要がある。Ｔａ含有量は、好ましくは０．０７％以下、さらに好ましくは０．０６％以下である。
【0035】
Ｃａ：０～０．０１０％
Ｃａは製造時の熱間加工性を改善する効果を有する元素である。そのため、必要に応じて含有させてもよい。この効果を得る場合、Ｃａ含有量は、好ましくは０．００１％以上、さらに好ましくは０．００２％以上である。
しかしながら、Ｃａが過剰に含有された場合、酸素（Ｏ）と結合し、清浄性が著しく低下することで、却って熱間加工性が劣化する。そのため、含有させる場合でも、Ｃａ含有量は０．０１０％以下とする。Ｃａ含有量は、好ましくは０．００８％以下、さらに好ましくは０．００６％以下である。
Ｃａは製造時の熱間加工性を改善する効果を有する元素である。そのため、必要に応じて含有させてもよい。この効果を得る場合、Ｃａ含有量は、好ましくは０．００１％以上、さらに好ましくは０．００２％以上である。
しかしながら、Ｃａが過剰に含有された場合、酸素（Ｏ）と結合し、清浄性が著しく低下することで、却って熱間加工性が劣化する。そのため、含有させる場合でも、Ｃａ含有量は０．０１０％以下とする。Ｃａ含有量は、好ましくは０．００８％以下、さらに好ましくは０．００６％以下である。
【0036】
Ｍｇ：０～０．０１０％
ＭｇはＣａと同様、製造時の熱間加工性を改善する効果を有する元素である。そのため、必要に応じて含有させてもよい。この効果を得る場合、Ｍｇ含有量は、好ましくは０．００１％以上、さらに好ましくは０．００２％以上である。
しかしながら、Ｍｇが過剰に含有された場合、酸素（Ｏ）と結合し、清浄性が著しく低下して、却って熱間加工性が劣化する。そのため、含有させる場合でも、Ｍｇ含有量は０．０１０％以下とする。Ｍｇ含有量は、好ましくは０．００８％以下、さらに好ましくは０．００６％以下である。
ＭｇはＣａと同様、製造時の熱間加工性を改善する効果を有する元素である。そのため、必要に応じて含有させてもよい。この効果を得る場合、Ｍｇ含有量は、好ましくは０．００１％以上、さらに好ましくは０．００２％以上である。
しかしながら、Ｍｇが過剰に含有された場合、酸素（Ｏ）と結合し、清浄性が著しく低下して、却って熱間加工性が劣化する。そのため、含有させる場合でも、Ｍｇ含有量は０．０１０％以下とする。Ｍｇ含有量は、好ましくは０．００８％以下、さらに好ましくは０．００６％以下である。
【0037】
ＲＥＭ：０～０．０８０％
ＲＥＭは、ＣａやＭｇと同様、製造時の熱間加工性を改善する効果を有する元素である。そのため、必要に応じて含有させてもよい。この効果を得る場合、ＲＥＭ含有量は、好ましくは０．０００５％以上、さらに好ましくは０．００１％以上である。
しかしながら、ＲＥＭが過剰に含有された場合、酸素と結合し、清浄性が著しく低下して、却って熱間加工性が劣化する。そのため、含有させる場合でも、ＲＥＭ含有量は０．０８０％以下とする。ＲＥＭ含有量は、好ましくは０．０６０％以下、更に好ましくは０．０５０％以下である。
「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。また、ＲＥＭについては一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、ミッシュメタルの形で添加して、ＲＥＭ含有量が上記の範囲となるようにしてもよい。
ＲＥＭは、ＣａやＭｇと同様、製造時の熱間加工性を改善する効果を有する元素である。そのため、必要に応じて含有させてもよい。この効果を得る場合、ＲＥＭ含有量は、好ましくは０．０００５％以上、さらに好ましくは０．００１％以上である。
しかしながら、ＲＥＭが過剰に含有された場合、酸素と結合し、清浄性が著しく低下して、却って熱間加工性が劣化する。そのため、含有させる場合でも、ＲＥＭ含有量は０．０８０％以下とする。ＲＥＭ含有量は、好ましくは０．０６０％以下、更に好ましくは０．０５０％以下である。
「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。また、ＲＥＭについては一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、ミッシュメタルの形で添加して、ＲＥＭ含有量が上記の範囲となるようにしてもよい。
【0038】
［製造方法］
本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼は、例えば上述した所定の化学組成を有する溶鋼を鋳込んで鋳片とし、この鋳片に対して、熱間鍛造の後、熱間加工および必要に応じて冷間加工を行って、所定の形状に成形し、その後、１０５０～１２８０℃で２～６０分保持後に水冷する溶体化処理（溶体化熱処理）を行うことで得られる。熱間鍛造、熱間加工、冷間加工等の加工条件は、特に限定されず、形状に応じて適宜決定すればよい。
本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼は、例えば上述した所定の化学組成を有する溶鋼を鋳込んで鋳片とし、この鋳片に対して、熱間鍛造の後、熱間加工および必要に応じて冷間加工を行って、所定の形状に成形し、その後、１０５０～１２８０℃で２～６０分保持後に水冷する溶体化処理（溶体化熱処理）を行うことで得られる。熱間鍛造、熱間加工、冷間加工等の加工条件は、特に限定されず、形状に応じて適宜決定すればよい。
【0039】
本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼は、例えば発電用ボイラ等、高温で使用される機器に用いられる。高温で使用される機器の例としては、例えば石炭火力発電プラント、石油火力発電プラント、ごみ焼却発電プラントおよびバイオマス発電プラント等のボイラ用配管、石油化学プラントにおける分解管等が挙げられる。
ここで、「高温で使用」とは、例えば４５０℃以上８００℃以下（さらには５００℃以上７５０℃以下）の環境で使用される態様が挙げられる。
ここで、「高温で使用」とは、例えば４５０℃以上８００℃以下（さらには５００℃以上７５０℃以下）の環境で使用される態様が挙げられる。
【実施例】
【0040】
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。
【0041】
表１Ａ、表１Ｂに示す化学組成（残部はＦｅ及び不純物：単位は質量％）を有する符号Ａ～Ｎの材料を溶解して鋳込んだインゴットに対し、熱間鍛造および熱間圧延を行い、厚さ１８ｍｍの板形状に成形した。
この板形状の素材を１１８０℃に加熱し、その温度で３０分保持後に水冷する溶体化処理を行ってオーステナイト系耐熱鋼（Ｎｏ．１～１４）を得た。
この板形状の素材を１１８０℃に加熱し、その温度で３０分保持後に水冷する溶体化処理を行ってオーステナイト系耐熱鋼（Ｎｏ．１～１４）を得た。
【0042】
【表1A】
【0043】
【表1B】
【0044】
［シャルピー衝撃試験／靭性の評価］
溶体化処理後のオーステナイト系耐熱鋼から、機械加工により表裏面を研削し、板厚１５ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの板材（衝撃試験用母材）を複数採取した。また、その衝撃試験用母材の一部に対し、７００℃で１０００時間の時効熱処理を施した。
その後、時効熱処理を行わなかった衝撃試験用母材および時効熱処理を行った衝撃試験用母材について、それぞれの板厚方向中央部から、ノッチを加工した２ｍｍＶノッチフルサイズシャルピー衝撃試験片を３本ずつ採取し、シャルピー衝撃試験に供した。
シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳＺ２２４２：２００５に準拠して行った。試験は、２０℃にて実施し、３本の試験片の吸収エネルギーの平均値が２７Ｊ以上となるものを「合格」とし、中でも３本の試験片の吸収エネルギーの個値が全て２７Ｊ以上となるものを「優」、それ以外を「可」とした。一方、３本の試験片の吸収エネルギーの平均値が２７Ｊを下回るものを「不合格」とした。
溶体化処理後のオーステナイト系耐熱鋼から、機械加工により表裏面を研削し、板厚１５ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの板材（衝撃試験用母材）を複数採取した。また、その衝撃試験用母材の一部に対し、７００℃で１０００時間の時効熱処理を施した。
その後、時効熱処理を行わなかった衝撃試験用母材および時効熱処理を行った衝撃試験用母材について、それぞれの板厚方向中央部から、ノッチを加工した２ｍｍＶノッチフルサイズシャルピー衝撃試験片を３本ずつ採取し、シャルピー衝撃試験に供した。
シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳＺ２２４２：２００５に準拠して行った。試験は、２０℃にて実施し、３本の試験片の吸収エネルギーの平均値が２７Ｊ以上となるものを「合格」とし、中でも３本の試験片の吸収エネルギーの個値が全て２７Ｊ以上となるものを「優」、それ以外を「可」とした。一方、３本の試験片の吸収エネルギーの平均値が２７Ｊを下回るものを「不合格」とした。
【0045】
［溶接試験／溶接施工性の評価］
また、溶体化処理後のオーステナイト系耐熱鋼から、機械加工により表裏面を研削し、板厚１５ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの板材（溶接試験用母材）を採取した。この溶接試験用母材の長手方向に、図１に示す開先加工を施した後、突き合わせ、シールドガスをＡｒとした自動ガスタングステンアーク溶接により、「溶加材なし」、および「溶加材あり」の条件で初層溶接した。
溶接に際しては、溶加材なしの場合、入熱を６ｋＪ／ｃｍ、溶加材ありの場合、溶加材として外径１．２ｍｍのＪＩＳ－Ｚ３３３４（２０１１）ＳＮｉ６６１７を用い、入熱を９ｋＪ／ｃｍとして、突き合わせ溶接を行った。
得られた溶接継手の溶接線全長にわたり、裏ビードが形成されたものを溶接施工性が「合格」とし、中でも、溶接線全長にわたり裏ビードの幅が２ｍｍ以上となるものを「優」、幅は２ｍｍを下回るが、１ｍｍ以上の幅の裏ビードが形成されたものを「可」とし、２継手のうち一部でも裏ビードが形成されない、もしくは一部でもビード幅が１ｍｍを下回る部分があったものを溶接施工性が「不合格」と判定した。
また、溶体化処理後のオーステナイト系耐熱鋼から、機械加工により表裏面を研削し、板厚１５ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの板材（溶接試験用母材）を採取した。この溶接試験用母材の長手方向に、図１に示す開先加工を施した後、突き合わせ、シールドガスをＡｒとした自動ガスタングステンアーク溶接により、「溶加材なし」、および「溶加材あり」の条件で初層溶接した。
溶接に際しては、溶加材なしの場合、入熱を６ｋＪ／ｃｍ、溶加材ありの場合、溶加材として外径１．２ｍｍのＪＩＳ－Ｚ３３３４（２０１１）ＳＮｉ６６１７を用い、入熱を９ｋＪ／ｃｍとして、突き合わせ溶接を行った。
得られた溶接継手の溶接線全長にわたり、裏ビードが形成されたものを溶接施工性が「合格」とし、中でも、溶接線全長にわたり裏ビードの幅が２ｍｍ以上となるものを「優」、幅は２ｍｍを下回るが、１ｍｍ以上の幅の裏ビードが形成されたものを「可」とし、２継手のうち一部でも裏ビードが形成されない、もしくは一部でもビード幅が１ｍｍを下回る部分があったものを溶接施工性が「不合格」と判定した。
【0046】
［クリープ破断試験／クリープ強度の評価］
加えて、前記の衝撃試験および溶接試験に合格したオーステナイト系耐熱鋼について、時効熱処理を施さなかった衝撃試験用母材から、丸棒クリープ試験片を採取し、クリープ破断試験をおこなった。その際、母材の目標破断時間が、１０００時間となる７００℃×１６７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行った。クリープ破断試験は、ＪＩＳＺ２２７１：２０１０に準拠して行った。
破断時間が目標破断時間（１０００時間）を超えるものを「合格」とし、それを下回るものを「不合格」とした。
加えて、前記の衝撃試験および溶接試験に合格したオーステナイト系耐熱鋼について、時効熱処理を施さなかった衝撃試験用母材から、丸棒クリープ試験片を採取し、クリープ破断試験をおこなった。その際、母材の目標破断時間が、１０００時間となる７００℃×１６７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行った。クリープ破断試験は、ＪＩＳＺ２２７１：２０１０に準拠して行った。
破断時間が目標破断時間（１０００時間）を超えるものを「合格」とし、それを下回るものを「不合格」とした。
【0047】
【表2】
【0048】
表２から、本発明で規定する条件を満足する符号Ａ～Ｅ、Ｍ、Ｎを用いて製造されたＮｏ．１～５、１３、１４は、高温で長時間保持後に安定して優れた靭性が得られるとともに、溶接施工性及びクリープ強度も併せて具備することがわかる。
【0049】
一方、符号Ｆ～Ｈを用いたＮｏ．６～８は、ＳとＳｎとの合計含有量が本発明で規定するＢ含有量との関係式の範囲を超えた。そのため、ＢによるＳとＳｎの粒界偏析に伴う、粒界結合力低下の抑制効果が十分得られなかった。その結果、時効熱処理（高温長時間保持）後の靭性が目標を満足しなかった。
符号ＩおよびＪを用いたＮｏ．９および１０は、それぞれＳおよびＳｎの含有量が上限を超えたため、これら元素の粒界偏析に伴う、粒界結合力低下が著しくなった。その結果、時効熱処理（高温長時間保持）後の靱性が目標を満足しなかった。
また、符号Ｋを用いたＮｏ．１１は、ＳとＳｎとの合計含有量が本発明で規定する範囲を下回ったことで、これらの元素による裏波形成能向上の効果が得られず、溶接施工性に劣っていた。
符号Ｌを用いたＮｏ．１２は、Ｃｏ含有量が本発明で規定する範囲を下回った。その結果、十分なクリープ強度向上効果が得られなかった。
符号ＩおよびＪを用いたＮｏ．９および１０は、それぞれＳおよびＳｎの含有量が上限を超えたため、これら元素の粒界偏析に伴う、粒界結合力低下が著しくなった。その結果、時効熱処理（高温長時間保持）後の靱性が目標を満足しなかった。
また、符号Ｋを用いたＮｏ．１１は、ＳとＳｎとの合計含有量が本発明で規定する範囲を下回ったことで、これらの元素による裏波形成能向上の効果が得られず、溶接施工性に劣っていた。
符号Ｌを用いたＮｏ．１２は、Ｃｏ含有量が本発明で規定する範囲を下回った。その結果、十分なクリープ強度向上効果が得られなかった。
【0050】
以上のように本発明の要件を満足する場合のみ、溶接施工性を阻害することなく、長時間保持後に安定して優れた靭性が得られるとともに、十分なクリープ強度も得られることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【0051】
本発明によれば、溶接施工性に優れ、かつ、高温で長時間保持後の安定した靭性、優れたクリープ強度が両立できるオーステナイト系耐熱鋼を提供することができる。
【図1】