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特表2024-521893アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼合金
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-06-04
(54)【発明の名称】アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼合金
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20240528BHJP
C21D 8/00 20060101ALI20240528BHJP
C21D 9/00 20060101ALI20240528BHJP
C22C 38/58 20060101ALI20240528BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 302H
C21D8/00 E
C21D9/00 A
C22C38/58
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023574327
(86)(22)【出願日】2022-05-31
(85)【翻訳文提出日】2024-01-24
(86)【国際出願番号】 SE2022050524
(87)【国際公開番号】W WO2022255927
(87)【国際公開日】2022-12-08
(31)【優先権主張番号】2130152-8
(32)【優先日】2021-06-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】SE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523451082
【氏名又は名称】アレイマ イーエムイーエー アクティエボラーグ
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】ルンドバリ， マッツ
(72)【発明者】
【氏名】ヘランデル， トーマス
【テーマコード（参考）】
4K032
4K042
【Ｆターム（参考）】
4K032AA01
4K032AA04
4K032AA05
4K032AA13
4K032AA14
4K032AA15
4K032AA16
4K032AA17
4K032AA19
4K032AA20
4K032AA21
4K032AA22
4K032AA25
4K032AA27
4K032AA29
4K032AA31
4K032AA33
4K032AA35
4K032AA37
4K032AA39
4K032AA40
4K032BA01
4K032BA02
4K032BA03
4K032CA02
4K032CA03
4K032CF03
4K042AA06
4K042AA25
4K042BA01
4K042BA06
4K042BA11
4K042CA05
4K042CA07
4K042CA08
4K042CA09
4K042CA11
4K042CA12
4K042CA14
4K042CA16
4K042DA03
4K042DC02
4K042DC03
4K042DD02
4K042DD05
4K042DE02
(57)【要約】
本開示は、アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼合金に関する。また、本開示は、アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼物体を製造する方法に関する。さらに、本開示は、５００～９００°Ｃの温度範囲における製品及び使用に関する。
【選択図】図１ａ
【選択図】図１ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼であって、以下の組成を重量％で含み；Ｃｒ １１．０～１６．０；
Ｎｉ １１．５～１５．０；
Ａ１ ３．５～５．０；
Ｃ ０．０１～０．１５；
Ｎｂ ０．０１～２．０；
Ｍｎ ０．０１～３．５；
Ｓｉ ０．０１～０．８；
Ｃｕ ０～５．５；
Ｚｒ ０～０．３；
Ｍｏ＋Ｗ ０～３．０；
場合により、最大レベル０．１重量％までの希土類金属（ＲＥＭ）からなる群から選択される１又は複数の元素を含み；
残部がＦｅ及び通常存在する不純物であり；
オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼が、１５体積％超かつ４５体積％未満のフェライトを含み、残りがオーステナイトである微細構造を有する、
オーステナイト－フェライトステンレス鋼。
【請求項2】
組成が、Ｃｕ ０．５～５．５を重量％で含む、請求項１に記載のオーステナイト－フェライトステンレス鋼合金。
【請求項3】
組成が、Ｚｒ ０．０５～０．３を重量％で含む、請求項１又は２に記載のオーステナイト－フェライトステンレス鋼合金。
【請求項4】
組成が、Ｎｂ ０．０５～１．６重量％を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のオーステナイト－フェライトステンレス鋼合金。
【請求項5】
オーステナイト－フェライトステンレス鋼物体を製造する方法であって、ａ）請求項１～４のいずれか一項に記載の組成を有するアルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼溶融物を用意する工程と、
ｂ）アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼溶融物を固体に冷却する工程と、
ｃ）前記固体を１０００°Ｃ超～１３００°Ｃの温度で所定の形状の加工片に熱間加工する工程と、
ｄ）前記加工片を１０５０°Ｃ～１２００°Ｃの範囲の温度で約２～１２０分間熱処理する工程と、
ｅ）熱処理された加工片をほぼ室温まで急冷する工程と、を含む方法。
【請求項6】
熱間加工工程ｃ）の後に冷間加工工程をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
急冷工程ｅ）の後に熟成工程をさらに含む、請求項５及び６に記載の方法。
【請求項8】
請求項１～４のいずれか一項に記載の、又は請求項１～７のいずれか一項に従って製造された、アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼を含む物体。
【請求項9】
前記製品が５００～９００°Ｃの範囲の温度に曝される用途における、請求項８に記載の物体の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、オーステナイト－フェライトステンレス鋼合金に関する。より具体的には、本開示は、アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼合金に関する。本開示はまた、アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼物体を製造する方法、前記アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼を含む製品、及び特定の環境における物体の使用に関する。
【背景技術】
【0002】
先行技術は、高温で酸素含有雰囲気に曝されたときにその表面上に保護アルミナ層を形成することができるオーステナイト相及びフェライト相を含む二重ステンレス鋼の例を開示している。ニッケル、クロム及びアルミニウムの高含有量は、このような二重ステンレス鋼に典型的である。
【0003】
Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ：「Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｃｈｒｏｍｉｕｍ ｏｎ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｆｅｒｒｉｔｅ－ａｕｓｔｅｎｉｔｅ ｄｕｐｌｅｘ ｈｅａｔ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ａｌｌｏｙ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．２，ｎｏ．ｌ，３０ Ｊｕｌｙ ２００１、２９７～３０２頁は、１２５０°Ｃの空気中で試験したフェライト－オーステナイト二重合金を開示している。しかしながら、これらの合金の欠点は、それらの耐酸化性が５００°Ｃ～９００°Ｃの温度で十分ではないことである。さらに、これらの合金のいくつかは非常に脆いことが示されており、したがって延性は従来の製造経路には低すぎる。
【0004】
Ｈｙｕｎｍｙｕｎｇ ｅｔ ａｌ：「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｌｕｍｉｎａ－ｆｏｒｍｉｎｇ ｄｕｐｌｅｘ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌｓ ａｓ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｔｏｌｅｒａｎｔ ｆｕｅｌ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｌｉｇｈｔ ｗａｔｅｒ ｒｅａｃｔｏｒｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ ５０７，２１ Ａｐｒｉｌ ２０１８、１～１４頁は、１２００°Ｃの蒸気及び模擬加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の運転条件で耐食性を試験した高アルミニウム含有量（＞５ｗｔ．％）二重ステンレス鋼を開示している。しかしながら、開示された組成物の耐酸化性は、５００～９００°Ｃの温度では十分ではない。
【0005】
したがって、この技術分野では、ステンレス鋼を含む物体を従来の製造経路を使用して製造することを可能にし、５００～９００°Ｃの温度範囲で使用した場合に優れた耐酸化性を有する物体を提供する最適化されたオーステナイト－フェライトステンレス鋼合金が依然として必要とされている。
【発明の概要】
【0006】
したがって、本開示は、５００～９００°Ｃの温度範囲で使用される、オーステナイト及びフェライトを含む最適化された微細構造を有する改良されたアルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼合金組成物を提供する。
【0007】
本開示によるオーステナイト－フェライトステンレス鋼は、ステンレス鋼が以下の組成を重量％で含み；
Ｃｒ １１．０～１６．０；
Ｎｉ １１．５～１５．０；
Ａ１ ３．５～５．０；
Ｃ ０．０１～０．１５；
Ｎｂ ０．０１～２．０；
Ｍｎ ０．０１～３．５；
Ｓｉ ０．０１～０．８；
Ｃｕ ０～５．５；
Ｚｒ ０～０．３；
Ｍｏ＋Ｗ ０～３．０；
残部がＦｅ及び不可避不純物であり；
オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼が、１５体積％超かつ４５体積％未満のフェライトを含み、残りがオーステナイトである微細構造を有することを特徴とする。
Ｃｒ １１．０～１６．０；
Ｎｉ １１．５～１５．０；
Ａ１ ３．５～５．０；
Ｃ ０．０１～０．１５；
Ｎｂ ０．０１～２．０；
Ｍｎ ０．０１～３．５；
Ｓｉ ０．０１～０．８；
Ｃｕ ０～５．５；
Ｚｒ ０～０．３；
Ｍｏ＋Ｗ ０～３．０；
残部がＦｅ及び不可避不純物であり；
オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼が、１５体積％超かつ４５体積％未満のフェライトを含み、残りがオーステナイトである微細構造を有することを特徴とする。
【0008】
本開示では、オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼のフェライト含有量は、１５体積％超～４５体積％未満の範囲内であり、残りはオーステナイトであり、この微細構造は、５００～９００°Ｃまでの温度範囲における耐酸化特性にとって極めて重要であることが分かっている。フェライト量が１５体積％未満であると、耐酸化性及び機械的強度が低下することが示されている。フェライトの量が４５体積％を超える場合、本ステンレス鋼は、約６５０°Ｃを超える温度で保護酸化物層を形成する問題を有することが示されている。
【0009】
本開示はさらに、上記又は以下に定義される微細構造を有するオーステナイト－フェライトステンレス鋼組成を含む物体を製造する方法を提供する。合金を製造する方法は、従来の溶製冶金製造ルートであり、なぜならば、本ステンレス鋼がこれを可能にするのに十分高い熱間延性を有することが驚くべきことに見出されたからである。
【0010】
本開示はさらに、上記又は以下に定義される微細構造を有するオーステナイト－フェライトステンレス鋼組成を含む物体を提供する。本発明のステンレス鋼は、物体上に酸化アルミニウム層を形成することを可能にし、これにより、物体を５００～９００°Ｃの温度範囲の広範囲の酸素濃度を有する雰囲気中で使用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
本開示は、合金が以下の組成を重量％で有し；
Ｃｒ １１．０～１６．０；
Ｎｉ １１．５～１５．０；
Ａ１ ３．５～５．０；
Ｃ ０．０１～０．１５；
Ｎｂ ０．０１～２．０；
Ｍｎ ０．０１～３．５；
Ｓｉ ０．０１～０．８；
Ｃｕ ０～５．５；
Ｚｒ ０～０．３；
Ｍｏ＋Ｗ ０～３．０；
残部がＦｅ及び通常存在する不純物であり；
オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼が、１５体積％超かつ４５体積％未満のフェライトを含み、残りがオーステナイトである微細構造を有することを特徴とする、アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼に関する。
Ｃｒ １１．０～１６．０；
Ｎｉ １１．５～１５．０；
Ａ１ ３．５～５．０；
Ｃ ０．０１～０．１５；
Ｎｂ ０．０１～２．０；
Ｍｎ ０．０１～３．５；
Ｓｉ ０．０１～０．８；
Ｃｕ ０～５．５；
Ｚｒ ０～０．３；
Ｍｏ＋Ｗ ０～３．０；
残部がＦｅ及び通常存在する不純物であり；
オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼が、１５体積％超かつ４５体積％未満のフェライトを含み、残りがオーステナイトである微細構造を有することを特徴とする、アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼に関する。
【0013】
次に、本開示による鋼の合金元素についてより詳細に説明する。「重量％」及び「ｗｔ％」という用語は互換的に使用される。また、特定の要素について言及された特性又は寄与のリストは、網羅的であるとみなされるべきではない。
【0014】
鉄（Ｆｅ）残部
オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼中のＦｅの主な機能は、物体の鋼組成又は合金元素の組成のバランスをとることである。残部には、後述する不可避的不純物も含まれる。
オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼中のＦｅの主な機能は、物体の鋼組成又は合金元素の組成のバランスをとることである。残部には、後述する不可避的不純物も含まれる。
【0015】
クロム（Ｃｒ）１１．０～１６．０ｗｔ％
Ｃｒはフェライト安定剤であるため重要な元素であり、したがって、１５体積％超かつ４５体積％未満であり残りがオーステナイトであるフェライトを含む適切な微細構造を維持するのを助ける。
Ｃｒはフェライト安定剤であるため重要な元素であり、したがって、１５体積％超かつ４５体積％未満であり残りがオーステナイトであるフェライトを含む適切な微細構造を維持するのを助ける。
【0016】
Ｃｒはまた、一過性の酸化段階における酸化クロムの形成によるいわゆる第３の元素効果を介して、製造された物体上のアルミナ、すなわち酸化アルミニウム層の形成を促進する。特に、５００～６００°Ｃの領域の温度では、クロムの量が不十分である場合、物体上のアルミナ層の形成が損なわれ得る。また、クロムは耐食性を向上させるため重要な元素である。したがって、本鋼中のクロムの最小含有量は１１．０ｗｔ％である。
【0017】
一実施形態によれば、クロムの最小含有量は１２．０ｗｔ％である。
【0018】
しかしながら、Ｃｒの量が多すぎると、フェライト含有量が高くなりすぎ、特に８００～９００°Ｃなどの高温での耐酸化性の低下につながる。Ｃｒ含有量が高すぎると、脆化を引き起こすシグマ相などの二次相の形成も生じる。したがって、クロムの最大含有量は１６．０ｗｔ％、例えば最大１５．５ｗｔ％である。
【0019】
実施形態によれば、Ｃｒの含有量は、１１．０～１６．０ｗｔ％、例えば１２．０～１６．０ｗｔ％、例えば１２．０～１５．５ｗｔ％である。
【0020】
ニッケル（Ｎｉ）１１．５～１５．０ｗｔ％
Ｎｉは、オーステナイト安定剤であり、したがって適切な微細構造を維持するのを助けるので、重要な元素である。ニッケルの量が少なすぎると、フェライト相含有量が多すぎるリスクがあり、特に８００°Ｃを超える温度では、耐酸化性の損失をもたらす。さらに、Ｎｉが少なすぎると、室温でオーステナイトからマルテンサイトへの変態も生じる。したがって、ニッケルの最小含有量は１１．５ｗｔ％である。
Ｎｉは、オーステナイト安定剤であり、したがって適切な微細構造を維持するのを助けるので、重要な元素である。ニッケルの量が少なすぎると、フェライト相含有量が多すぎるリスクがあり、特に８００°Ｃを超える温度では、耐酸化性の損失をもたらす。さらに、Ｎｉが少なすぎると、室温でオーステナイトからマルテンサイトへの変態も生じる。したがって、ニッケルの最小含有量は１１．５ｗｔ％である。
【0021】
一方、Ｎｉの量が多すぎると、フェライトの量が少なすぎ、引張強度が低いなどの機械的特性が悪くなる。
【0022】
Ｎｉはまた、ニッケルアルミナイドとしてアルミニウムを結合し、それによってアルミナ層の形成をある程度抑制するので、添加されたアルミニウムの量と釣り合うべきである。しかしながら、ニッケルアルミナイドは、製造された物体における改善された機械的特性、例えば硬度の増加及び改善された降伏強度を提供し得る。ニッケルは、ある程度コバルト（Ｃｏ）で置換されていてもよい。しかしながら、環境上の観点からＣｏはあまり好ましくないため、Ｎｉが好ましい。したがって、Ｎｉの最大含有量は１５．０ｗｔ％である。実施形態によれば、Ｎｉの含有量は、１１．５～１５．０ｗｔ％、例えば１２．０～１４．５ｗｔ％である。
【0023】
アルミニウム（Ａｌ）３．５～５．０ｗｔ％
Ａｌは、高温で酸素に曝されると、製造された物体上に緻密で薄い酸化アルミニウム層を形成し、下にある表面をさらなる酸化から保護するので、Ａ１も本鋼における重要な元素である。Ａｌの含有量が低すぎると、鋼が５００～９００°Ｃなどの高温で酸素含有雰囲気に曝される場合、十分に厚い保護アルミナ層の形成が制限されるか、又は形成されない。さらに、ＡｌはＮｉと共にニッケルアルミナイドを形成し、それによってその硬度の増加に寄与する。したがって、アルミニウムの最小含有量は３．５ｗｔ％である。
Ａｌは、高温で酸素に曝されると、製造された物体上に緻密で薄い酸化アルミニウム層を形成し、下にある表面をさらなる酸化から保護するので、Ａ１も本鋼における重要な元素である。Ａｌの含有量が低すぎると、鋼が５００～９００°Ｃなどの高温で酸素含有雰囲気に曝される場合、十分に厚い保護アルミナ層の形成が制限されるか、又は形成されない。さらに、ＡｌはＮｉと共にニッケルアルミナイドを形成し、それによってその硬度の増加に寄与する。したがって、アルミニウムの最小含有量は３．５ｗｔ％である。
【0024】
さらに、Ａ１はフェライト安定剤であるため、適切な微細構造を維持するのに役立つ。Ａ１の量が多すぎると、フェライト含有量が高くなりすぎ、特に８００～９００°Ｃなどの温度で耐酸化性が低下する。したがって、アルミナの最大含有量は５．０ｗｔ％である。実施形態によれば、Ａ１の含有量は、３．５～５．０ｗｔ％、例えば３．７～４．９ｗｔ％である。
【0025】
炭素（Ｃ）０．０１～０．１５ｗｔ％
Ｃは、オーステナイト－フェライトステンレス鋼中に存在するいくつかの元素を有する炭化物を形成し、それによって鋼の硬度及び強度の上昇に寄与する（例えば、クリープ特性）。さらに、Ｃはオーステナイト安定剤でもある。したがって、炭素の最小含有量は０．０１ｗｔ％、例えば０．０３ｗｔ％である。炭素含有量ｏが高すぎると、多すぎる炭化物、例えばＭ２３Ｃ６及び／又はＭ７Ｃ３炭化物の形成のリスクが高まり、耐酸化性が低下する。したがって、炭素の最大含有量は０．１５ｗｔ％、例えば０．１３ｗｔ％である。実施形態によれば、Ｃの含有量は、０．０１～０．１５ｗｔ％、例えば０．０３～０．１３ｗｔ％である。
Ｃは、オーステナイト－フェライトステンレス鋼中に存在するいくつかの元素を有する炭化物を形成し、それによって鋼の硬度及び強度の上昇に寄与する（例えば、クリープ特性）。さらに、Ｃはオーステナイト安定剤でもある。したがって、炭素の最小含有量は０．０１ｗｔ％、例えば０．０３ｗｔ％である。炭素含有量ｏが高すぎると、多すぎる炭化物、例えばＭ２３Ｃ６及び／又はＭ７Ｃ３炭化物の形成のリスクが高まり、耐酸化性が低下する。したがって、炭素の最大含有量は０．１５ｗｔ％、例えば０．１３ｗｔ％である。実施形態によれば、Ｃの含有量は、０．０１～０．１５ｗｔ％、例えば０．０３～０．１３ｗｔ％である。
【0026】
ニオブ（Ｎｂ）０．０１～２．０ｗｔ％
Ｎｂはフェライト安定剤であるため、適切な微細構造を維持するのに役立つ。
Ｎｂはフェライト安定剤であるため、適切な微細構造を維持するのに役立つ。
【0027】
さらに、ＮｂはＣと共に炭化ニオブを形成し、それによって炭化クロムの過剰な形成を抑制し、これはアルミナ層の形成に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、Ｎｂの最小含有量は０．０１ｗｔ％である。一実施形態によれば、Ｎｂの最小含有量は０．０５ｗｔ％である。
【0028】
しかしながら、Ｎｂが多すぎると、過剰量の炭化ニオブが形成され、鋼が脆くなる。したがって、ニオブの最大含有量は２．０ｗｔ％、例えば最大１．５０ｗｔ％である。したがって、実施形態によれば、Ｎｂの含有量は、０．０１～２．０ｗｔ％、例えば０．０５～１．６０ｗｔ％、例えば０．０５～１．６０ｗｔ％である。
【0029】
マンガン（Ｍｎ）０．０１～３．５ｗｔ％
マンガン（Ｍｎ）はオーステナイト安定剤であり、耐酸化性を損なうことなくニッケルをある程度置換することができる。したがって、Ｍｎの最大含有量は３．５ｗｔ％、例えば最大３．２ｗｔ％である。実施形態によれば、Ｍｎの含有量は、０．０１～３．５ｗｔ％、例えば０．０１～３．２ｗｔ％、例えば０．０５～３．１ｗｔ％である。
マンガン（Ｍｎ）はオーステナイト安定剤であり、耐酸化性を損なうことなくニッケルをある程度置換することができる。したがって、Ｍｎの最大含有量は３．５ｗｔ％、例えば最大３．２ｗｔ％である。実施形態によれば、Ｍｎの含有量は、０．０１～３．５ｗｔ％、例えば０．０１～３．２ｗｔ％、例えば０．０５～３．１ｗｔ％である。
【0030】
ケイ素（Ｓｉ）０．０１～０．８ｗｔ％
Ｓｉは、耐酸化性を向上させるために添加される。したがって、Ｓｉの最小含有量は０．０１ｗｔ％である。しかし、Ｓｉが多すぎると、シグマ相が形成されるリスクが高くなる可能性がある。したがって、ケイ素の最大含有量は０．８ｗｔ％である。一実施形態によれば、Ｓｉの最大含有量は、０．７ｗｔ％、例えば０．６ｗｔ％である。実施形態によれば、Ｓｉの含有量は、０．０１～０．８ｗｔ％、例えば０．０１～０．７ｗｔ％、例えば０．０１～０．６ｗｔ％である。
Ｓｉは、耐酸化性を向上させるために添加される。したがって、Ｓｉの最小含有量は０．０１ｗｔ％である。しかし、Ｓｉが多すぎると、シグマ相が形成されるリスクが高くなる可能性がある。したがって、ケイ素の最大含有量は０．８ｗｔ％である。一実施形態によれば、Ｓｉの最大含有量は、０．７ｗｔ％、例えば０．６ｗｔ％である。実施形態によれば、Ｓｉの含有量は、０．０１～０．８ｗｔ％、例えば０．０１～０．７ｗｔ％、例えば０．０１～０．６ｗｔ％である。
【0031】
銅（Ｃｕ）０～５．５ｗｔ％
Ｃｕは、場合により添加されてもよく、又は不純物とみなされてもよい。意図的に添加される場合、及び所望の効果を得るために、最小含有量は０．５ｗｔ％である。Ｃｕは、改善された硬度及び降伏強度などの改善された機械的特性を提供し得るニッケルアルミナイドの形成にプラスの効果を有し得る。しかしながら、Ｃｕが多すぎると、過剰量のニッケルアルミナイドが生じ、物体の製造中の熱間延性特性が低下する。これらの理由から、Ｃｕの最大含有量は５．５ｗｔ％、例えば５．３ｗｔ％、例えば５．２ｗｔ％である。実施形態によれば、Ｃｕの含有量は０～５．５ｗｔ％である。実施形態によれば、Ｃｕの含有量は、０～０．５ｗｔ％未満又は０．５～５．５ｗｔ％である。
Ｃｕは、場合により添加されてもよく、又は不純物とみなされてもよい。意図的に添加される場合、及び所望の効果を得るために、最小含有量は０．５ｗｔ％である。Ｃｕは、改善された硬度及び降伏強度などの改善された機械的特性を提供し得るニッケルアルミナイドの形成にプラスの効果を有し得る。しかしながら、Ｃｕが多すぎると、過剰量のニッケルアルミナイドが生じ、物体の製造中の熱間延性特性が低下する。これらの理由から、Ｃｕの最大含有量は５．５ｗｔ％、例えば５．３ｗｔ％、例えば５．２ｗｔ％である。実施形態によれば、Ｃｕの含有量は０～５．５ｗｔ％である。実施形態によれば、Ｃｕの含有量は、０～０．５ｗｔ％未満又は０．５～５．５ｗｔ％である。
【0032】
ジルコニウム（Ｚｒ）０～０．３ｗｔ％
Ｚｒは、場合により添加されてもよく、又は不純物とみなされてもよい。意図的に添加される場合、最小含有量は０．０５ｗｔ％である。Ｚｒは、炭素及び窒素の炭窒化ジルコニウムと共に形成され、それによって窒化アルミニウム及び炭化クロムの形成を抑制し、アルミナ層の形成を抑制し得る。しかしながら、Ｚｒが多すぎると、熱間延性が低下し、鋼の熱間加工が困難になる。このため、Ｚｒの最大含有量は０．３ｗｔ％である。実施形態によれば、Ｚｒの含有量は、０～０．０５ｗｔ％未満又は０．０５～０．３ｗｔ％である。
Ｚｒは、場合により添加されてもよく、又は不純物とみなされてもよい。意図的に添加される場合、最小含有量は０．０５ｗｔ％である。Ｚｒは、炭素及び窒素の炭窒化ジルコニウムと共に形成され、それによって窒化アルミニウム及び炭化クロムの形成を抑制し、アルミナ層の形成を抑制し得る。しかしながら、Ｚｒが多すぎると、熱間延性が低下し、鋼の熱間加工が困難になる。このため、Ｚｒの最大含有量は０．３ｗｔ％である。実施形態によれば、Ｚｒの含有量は、０～０．０５ｗｔ％未満又は０．０５～０．３ｗｔ％である。
【0033】
モリブデン（Ｍｏ）及び／又はタングステン（Ｗ）０～３．０ｗｔ％
Ｍｏ及びＷは同等の元素とみなされ、場合により添加されてもよい。Ｍｏ及び／又はＷは、対応する炭化物の形成によって炭素に結合し、それによって形成される炭化クロムの量を減少させる。しかしながら、Ｍｏ及びＷが多すぎると、ラーベス相及びシグマ相などの金属間相が導入されるリスクが高まる可能性がある。したがって、これらの理由から、Ｗ及びＭｏの合計含有量は、最大３．０重量％に制限されるべきである。
Ｍｏ及びＷは同等の元素とみなされ、場合により添加されてもよい。Ｍｏ及び／又はＷは、対応する炭化物の形成によって炭素に結合し、それによって形成される炭化クロムの量を減少させる。しかしながら、Ｍｏ及びＷが多すぎると、ラーベス相及びシグマ相などの金属間相が導入されるリスクが高まる可能性がある。したがって、これらの理由から、Ｗ及びＭｏの合計含有量は、最大３．０重量％に制限されるべきである。
【0034】
希土類金属（ＲＥＭ）０～０．１重量％
ＲＥＭ、例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｐｒ及びＳｍを場合により添加してもよい。これらの元素は強力な硫化物形成剤であり、それによって鋼を硫黄（Ｓ）から洗浄し、したがって熱間延性を改善し、最大０．１重量％の量で存在し得る。このレベルを超えると、本開示で定義されるＣｕ及びＮｉの含有量と組み合わせて、ＲＥＭは熱間延性に悪影響を及ぼす傾向がある。
ＲＥＭ、例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｐｒ及びＳｍを場合により添加してもよい。これらの元素は強力な硫化物形成剤であり、それによって鋼を硫黄（Ｓ）から洗浄し、したがって熱間延性を改善し、最大０．１重量％の量で存在し得る。このレベルを超えると、本開示で定義されるＣｕ及びＮｉの含有量と組み合わせて、ＲＥＭは熱間延性に悪影響を及ぼす傾向がある。
【0035】
さらに、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）は、元素Ｚｒ及びＮｂと機能的に等価であると考えられ、したがって、それらの元素について指定されるのと同じ量で存在することができ、これらの元素を部分的又は全体的に置換することができる。
【0036】
リン（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）は、この文脈では通常存在する不純物と見なされ得る。リンＰは、合金中に低レベルで許容され得る。一実施形態によれば、Ｐは＜６０ｐｐｍである。硫黄Ｓは、合金中に低レベルで許容され得る。一実施形態によれば、Ｓは＜６０ｐｐｍである。一実施形態により、Ｐ＋Ｓは＜６０ｐｐｍである。
【0037】
窒素（Ｎ）は、通常存在する不純物とみなされるべきである。一実施形態によれば、Ｎ＜０．０２ｗｔ％の含有量。
【0038】
他の不純物もまた、上記又は以下に定義されるようなオーステナイト－フェライトステンレス鋼中に存在し得る。典型的には、このような不純物は、製造プロセスに起因して、例えば、本鋼の組成を有する溶融物を生成するために溶融されるスクラップ金属中に存在するという事実に起因して不可避である。
【0039】
あるいは、そのような元素は、たとえ溶融物から技術的に除去することができたとしても、それらを除去するために必要な作業が技術的又は経済的な観点から動機付けられる程度までは完成鋼の機能性を損なわない。本開示で言及される他の全ての実施形態と組み合わせることができる一実施形態によれば、前記通常存在する不純物の最大含有量は、０．５ｗｔ％以下である。
【0040】
さらに、上記又は以下に定義されるオーステナイト系フェライト系ステンレス鋼は、本明細書で言及される範囲のいずれかで本明細書で言及される元素を含んでもよい。一実施形態によれば、本発明のオーステナイト系フェライト系ステンレス鋼は、本明細書で言及される範囲のいずれかの本明細書で言及される全ての元素からなる。
【0041】
本開示はまた、上記又は以下に定義されるようなオーステナイト系－フェライト系ステンレス鋼組成を使用してオーステナイト－フェライトステンレス鋼物体を製造する方法に関し、その方法は、以下の工程を含む。
【0042】
ａ）上記又は以下に定義される合金元素組成を有するアルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼溶融物を提供する工程。
【0043】
ｂ）アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼溶融物を固体に冷却する工程。
【0044】
ｃ）前記固体を１０００°Ｃ超～１３００°Ｃの温度で所定の形状の加工片に熱間加工する工程。
【0045】
熱間加工工程は、そうでなければ金属間の形成が延性を低下させるので、１０００°Ｃを超えて実施しなければならない。実施形態によれば、熱間加工温度は１１００°Ｃを超える。１３００°Ｃを超えると、初期溶融のリスクが本体に亀裂を引き起こす可能性がある。
【0046】
一実施形態によれば、所望の形状の加工片を得るために、熱間加工工程を数回繰り返してもよい。
【0047】
一実施形態によれば、熱間加工工程は、鍛造又は熱間圧延を含んでもよい。
【0048】
ｄ）前記加工片を１０５０°Ｃ～１２００°Ｃの範囲の温度で約２～１２０分間、熱処理する工程。
【0049】
熱処理工程の時間及び温度は、加工片のサイズ及び体積に依存する。しかし、金属間相を分解するためには、温度は少なくとも１０５０°Ｃ、例えば少なくとも１１００°Ｃでなければならない。また、フェライト含有量は増加し、その量は熱処理温度に依存するため、オーステナイト及びフェライトを含む正しい微細構造を得るために、最高温度は１２００°Ｃ、例えば１１７０°Ｃ、例えば１１５０°Ｃである。
【0050】
ｅ）熱処理された加工片をほぼ室温まで急冷する工程。
【0051】
急冷は、空気、水、又は油浴を使用して加工片をほぼ室温に冷却することによって行われ得る。
【0052】
一実施形態によれば、所定の形状の加工物をより細かい公差で得るために、少なくとも１つの熱間加工工程ｃ）の後にオプショナルの冷間加工工程を実施してもよい。
【0053】
一実施形態によれば、急冷工程ｅ）の後にオプショナルの熟成工程を実施してもよい。熟成工程は、最終物体の降伏強度の増加などの熟成硬化効果を得るために、５００°Ｃを超える温度、例えば６５０～８５０°Ｃで最大２４０時間、例えば最大１００時間で行われる。熟成工程中、シグマ相又はラーベス相などの有害な二次相は形成されない。しかしながら、熟成工程後に室温（ＲＴ）延性のわずかな低下があり得る。
【0054】
さらに、上記又は以下に定義されるオーステナイト－フェライトステンレス鋼の製造された物体は、本明細書で言及される範囲のいずれかで本明細書で言及されるオーステナイト－フェライトステンレス鋼合金元素を含んでもよい。一実施形態によれば、オーステナイト－フェライトステンレス鋼のこの物体は、本明細書で言及される範囲のいずれかの本明細書で言及される全ての合金元素からなる。
【0055】
最終物体は、限定はしないが、チューブ、ストリップ、シート、又はワイヤなどの任意の形状とすることができる。この物体は、優れた耐酸化性、良好な溶接性を有し、また、限定されないが、マッフル管、復熱管及び高温熱交換器などの非加圧用途に使用することを可能にする機械的特性も有する。
【0056】
したがって、さらに、本開示は、物体が５００～９００°の範囲の温度及び低酸素雰囲気に曝される用途における、上記又は以下に定義されるようなアルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼を含む物体の使用に関する。そのような用途の例は、マッフル管、復熱管及び高温熱交換器である。
【0057】
本開示は、以下の非限定的な実験によってさらに説明される。
【実施例】
【0058】
試料調製
表１に開示される組成を有する１４個のアルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼溶融物熱を調製した。「＊」が付された熱は、比較例であり、したがって、本発明の範囲外である。
表１に開示される組成を有する１４個のアルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼溶融物熱を調製した。「＊」が付された熱は、比較例であり、したがって、本発明の範囲外である。
【0059】
０６８を除く全ての溶融物は、開放雰囲気の誘導炉中での溶融によって調製され、０６８は、真空（ＶＩＭ）中での誘導溶融によって調製され、溶融物を固体に冷却した。
【0060】
固体を９インチのインゴットに鋳造し、次いで１１８０～１２８０°Ｃの温度で鍛造した。試料の寸法は５０＊１２０ｍｍであった。
【0061】
次いで、鍛造インゴットを１１００°Ｃで２０分間熱処理し、水中でほぼ室温まで急冷した。
【0062】
５０ｍｍから１５ｍｍまで熱間圧延することによる試料の機械調製。
【0063】
熱間圧延後、試料を約１１３０°Ｃで２０分間焼鈍した。
【0064】
焼鈍した試料のフェライト及びオーステナイト含有量は、３０視野及び１００点の格子を有するＡＳＴＭ Ｅ５６２に従って測定した。測定には光学顕微鏡を用い、結果は表１に見ることができる。
【0065】
高温酸化
腐食クーポン（ＫＯ－５、１５ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍ）の形態の試料を、異なる熱から機械加工した。クーポンを６００メッシュに研磨し、エタノール／アセトン及び蒸留水で洗浄し、水平管炉に入れ、体積で２．５％水蒸気を含む空気を模擬して十分に制御された雰囲気下で、５００°Ｃ～９００°Ｃの範囲の温度に最大５００時間曝露した。
腐食クーポン（ＫＯ－５、１５ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍ）の形態の試料を、異なる熱から機械加工した。クーポンを６００メッシュに研磨し、エタノール／アセトン及び蒸留水で洗浄し、水平管炉に入れ、体積で２．５％水蒸気を含む空気を模擬して十分に制御された雰囲気下で、５００°Ｃ～９００°Ｃの範囲の温度に最大５００時間曝露した。
【0066】
２４時間後、４８時間後、９６時間後、１９２時間後及び５００時間後に、重量測定のために試料を炉から取り出した。重量測定データのサンプリングは、５桁の精度でザルトリウススケールで行った。
【0067】
図１ａ及び図１ｂは、異なる温度での質量変化（ｇ／ｍ２）を時間の関数として示す。図１ｂから分かるように、高フェライト含有量及び低アルミナ含有量を有する比較試料（８４０、８４１、８４３）は、質量変化が増加することから分かるように、保護アルミナ層を形成する能力を失っている。高いフェライト含有量及び高いＡ１含有量を有する比較例（９６１）並びに本発明の試料は、８００°Ｃで良好に機能する。
【0068】
図１ｂは、本発明の試料のみが９００°Ｃで良好な酸化特性を有することを示す。したがって、フェライト含有量とアルミナ含有量との組み合わせは、これらの温度範囲で優れた酸化特性を得るために非常に重要である。
【0069】
機械的試験
焼鈍及び熟成条件での本発明の試料（９５３、９５４９５８）の降伏強度を標準ＩＳ０６８９２－１によって測定し、結果を図２に示す。６５０°Ｃ～８５０°Ｃの温度範囲で試料を熟成すると、降伏強度が増加することが明確に分かる。この強化機構は、熟成中のニッケルアルミナイドの形成に起因する可能性が最も高い。
焼鈍及び熟成条件での本発明の試料（９５３、９５４９５８）の降伏強度を標準ＩＳ０６８９２－１によって測定し、結果を図２に示す。６５０°Ｃ～８５０°Ｃの温度範囲で試料を熟成すると、降伏強度が増加することが明確に分かる。この強化機構は、熟成中のニッケルアルミナイドの形成に起因する可能性が最も高い。
【0070】
したがって、本発明のアルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼合金は、５００～９００°Ｃの温度範囲で優れた耐酸化性を示し、良好な機械的特性も有することは明らかである。
【0071】
表１は、調製された１４のアルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼溶融物熱を示す。値はｗｔ％であり、残部はＦｅ及びフェライトを除く不可避不純物であり、その値はｖｏｌ％である。“＊”でマークされた熱は同等の熱である。
【図1a】
【図1b】
【図2】
【手続補正書】
【提出日】2024-04-15
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼であって、以下の組成を重量％で含み；Ｃｒ １１．０～１６．０；
Ｎｉ １１．５～１５．０；
Ａ１ ３．５～５．０；
Ｃ ０．０１～０．１５；
Ｎｂ ０．０１～２．０；
Ｍｎ ０．０１～３．５；
Ｓｉ ０．０１～０．８；
Ｃｕ ０～５．５；
Ｚｒ ０～０．３；
Ｍｏ＋Ｗ ０～３．０；
場合により、最大レベル０．１重量％までの希土類金属（ＲＥＭ）からなる群から選択される１又は複数の元素を含み；
残部がＦｅ及び通常存在する不純物であり；
オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼が、１５体積％超かつ４５体積％未満のフェライトを含み、残りがオーステナイトである微細構造を有する、
オーステナイト－フェライトステンレス鋼。
【請求項2】
組成が、Ｃｕ ０．５～５．５を重量％で含む、請求項１に記載のオーステナイト－フェライトステンレス鋼合金。
【請求項3】
組成が、Ｚｒ ０．０５～０．３を重量％で含む、請求項１又は２に記載のオーステナイト－フェライトステンレス鋼合金。
【請求項4】
組成が、Ｎｂ ０．０５～１．６重量％を含む、請求項１又は２に記載のオーステナイト－フェライトステンレス鋼合金。
【請求項5】
オーステナイト－フェライトステンレス鋼物体を製造する方法であって、ａ）請求項１に記載の組成を有するアルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼溶融物を用意する工程と、
ｂ）アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼溶融物を固体に冷却する工程と、
ｃ）前記固体を１０００°Ｃ超～１３００°Ｃの温度で所定の形状の加工片に熱間加工する工程と、
ｄ）前記加工片を１０５０°Ｃ～１２００°Ｃの範囲の温度で約２～１２０分間熱処理する工程と、
ｅ）熱処理された加工片をほぼ室温まで急冷する工程と、を含む方法。
【請求項6】
熱間加工工程ｃ）の後に冷間加工工程をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
急冷工程ｅ）の後に熟成工程をさらに含む、請求項５又は６に記載の方法。
【請求項8】
請求項１に記載の、又は請求項５に従って製造された、アルミナ形成オーステナイト－フェライトステンレス鋼を含む物体。
【請求項9】
前記製品が５００～９００°Ｃの範囲の温度に曝される用途における、請求項８に記載の物体の使用。
【国際調査報告】