JP2011508077A - 安定化元素を含有するニッケルの少ないオーステナイト系のステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、米国特許法第119条(e)に基づき、2007年12月20日出願の同時係属中の米国特許仮出願第61/015,264号の優先権を請求する。
本開示は、オーステナイト系のステンレス鋼に関する。特に、本開示は、ニッケルのより多い合金と比較して、ニッケル及びモリブデンのレベルが低く、高温特性が改善され、そして少なくとも同程度の耐腐食性及び成形特性を有する、コスト効果のある安定化されたオーステナイト系のステンレス鋼組成物に関する。
[5x(%C+%N)]≦Ti≦0.70%
によって与えられる。しかしながら、S31635は、コストのかかる原材料を用いる。
該ステンレス鋼を製造する一つの方法は、電気アーク炉中で溶融し、AOD中で精製し、インゴット又は連続鋳造スラブに鋳造し、インゴット又はスラブを再加熱し、熱間延伸してプレート又はコイルを製造し、冷間延伸して特定の厚みにし、そしてその材料を焼き鈍し、酸洗いすることである。真空中又は特別の雰囲気下で溶融及び/又は再溶融すること、形態物に鋳造すること、あるいはスラブ又は形態物などに固められる粉末の製造を含む、本発明の材料を製造するその他の方法を用いても良い。
Cは、オーステナイト相を安定化させ、変形により誘起されるマルテンサイト変換を防止するように働く。しかしながら、Cはまた、特に溶接の間にクロム炭化物が形成される確率を増加させ、クロム炭化物は、耐腐食性及び靭性を減少させる。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、0.20%までのCを有する。本発明のある実施態様においては、Cの含有量は、0.10%以下であっても良い。あるいは、Cの含有量は0.08%以下であっても良く、0.03%以下であっても良い。
2%より多くSiを有すると、シグマなどの脆い相の形成が促進され、合金中の窒素の可溶性が減少する。Siはまた、フェライト相を安定化させるので、2%より多くのSiは、オーステナイト相を維持するために追加のオーステナイト安定化剤の添加を必要とする。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、2.0%までのSiを有する。本発明のある実施態様においては、Si含有量は1.0%以下であっても良い。Siは、ニオブを含む一定の合金化元素の反応性を最小化することを助け、合金中の相平衡を促進する。とある実施態様においては、Si添加の効果は、Si含有量を0.5〜1.0%に調節することにより均衡を保たれる。
Mnはオーステナイト相を安定化させ、一般的に、有益な合金化元素である窒素の可溶性を増加させる。これらの効果を十分に生み出すために、2.0%より少なくないMn含有量が必要とされる。マンガン及び窒素は両方とも、より高価な元素であるニッケルの効果的な代用物である。しかしながら、9.0%より多くのMnは、材料の加工性および一定の環境における耐腐食性を悪化させる。また、9.0%より多いような、高いレベルのMnを有するステンレス鋼を脱炭することは難しいため、Mnのレベルが高いと、材料を製造する処理コストが有意に増加する。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼において、耐腐食性、相平衡、展性、及びその他の機械的特性を適当に均衡させるために、Mnのレベルは2.0〜9.0%に設定する。ある実施態様においては、Mn含有量は2.0〜8.0%であっても良く、あるいは3.5〜6.5%であっても良い。
少なくとも1%のNiは、フェライト及びマルテンサイト形成の両方に関して、オーステナイト相を安定化させるために必要とされる。Niはまた、靭性及び成形性を高めるように働く。しかしながら、ニッケルの比較的高いコストのために、ニッケル含有量を出来るだけ低く保つことが望ましい。Mn及びNは、部分的なNiの代用物となり得るが、Mn及びNのレベルが高いと、許容不可能なレベルの加工硬化、成形性の減少を生ずる。それ故に、該合金は、許容可能な成形性を提供するために、最低限の濃度のNiを含まねばならない。本発明者らは、その他の定義された範囲の元素に加えて1.0〜7.0%の範囲のNiを用いて、よりニッケルの多い合金と同様か、又はそれよりも良い耐腐食性及び成形性を有する合金を達成することが出来ることを見出した。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、1.0〜7.0%のニッケルを有する。ある実施態様においては、Ni含有量は4.0〜6.5%であっても良い。
Crは、合金の表面上に不動態膜を形成することにより耐腐食性をステンレス鋼に与えるために添加する。また、Crはマルテンサイト変換に関してオーステナイト相を安定化させるように働く。少なくとも16%のCrが、適切な耐腐食性を提供するために必要とされる。一方、Crは強力なフェライト安定化剤であるため、Cr含有量が23%を超えると、フェライト含有量を許容可能に低く保つために、ニッケル又はコバルトなどのよりコストのかかる合金化元素の添加が必要とされる。23%より多くのCrはまた、シグマなどの望ましくない相をより形成しがちである。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、16.0〜23.0%のCrを有する。ある実施態様においては、Cr含有量は16.0〜22.0%であっても良く、あるいは17.0〜21.0%であっても良い。
Nは、オーステナイトを安定化させる元素であるNiと、耐腐食性を高める元素であるMoの部分的な置換として本合金中に含まれる。Nはまた,合金の強度を改善する。少なくとも0.05%のNは、強度及び耐腐食性、ならびにオーステナイト相を安定化させるために必要である。0.35%より多くのNの添加は、溶融及び溶接の間のNの可溶性を上回り、窒素の気泡を原因とする空隙を生ずる可能性がある。たとえ可溶性限界を上回らなくとも、0.35%より多くのN含有量は、窒化物粒子の沈殿の傾向を増加させ、耐腐食性及び靭性を悪化させる。本発明者らは、0.35%までのN含有量が、問題となるレベルのニオブ炭窒化物の沈殿を形成することなく合金中のNbレベルと適応可能であると決定した。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、0.05〜0.35%のNを有する。ある実施態様においては、N含有量は0.08〜0.30%であっても良い。
本発明者らは、許容可能な特性を維持しながら、合金のMo含有量を制限しようとしてきた。Moは、ステンレス鋼の表面上に形成し、塩化物の作用による孔食から保護する不動態酸化膜を安定化させるのに効果的である。これらの効果を得るために、Moは、この発明において、3.0%のレベルまで添加しても良い。そのコストのために、Mo含有量は0.5〜2.0%であっても良く、この含有量が、適当な量のクロム及び窒素と組み合わせて必要とされる耐腐食性を提供するために適切である。3.0%を超えるMo含有量は、固化(デルタ)フェライトの割合を潜在的に問題のあるレベルに増加させることにより、熱間加工性を劣化させる。高いMo含有量はまた、シグマ相などの有害な金属間相の形成の見込みを増加させる。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼組成物は、3.0%までのMoを有する。ある実施態様においては、Mo含有量は0.40〜2.0%であっても良く、あるいは0.50〜2.0%であっても良い。
Coは、オーステナイト相を安定化させるように、ニッケルの代わりとして働く。コバルトの添加はまた、材料の強度を増加させるように働く。コバルトの上限は、好ましくは1.0%である。
0.0005%程度に低いBの添加物を添加してステンレス鋼の熱間加工性及び表面品質を改善しても良い。しかしながら、0.01%より多くの添加は、本合金の耐腐食性及び加工性を悪化させる。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼組成物は、0.01%までのBを有する。ある実施態様においては、B含有量は0.008%までであっても良く、又は0.005%までであっても良い。
Cuは、オーステナイト安定化剤であり、Cuを用いてこの合金中のニッケルの一部分を置換しても良い。Cuはまた、還元環境における耐腐食性を改善し、積層欠陥エネルギーを減少させることによって成形性を改善する。しかしながら、3%より多くのCuの添加は、オーステナイト系のステンレス鋼の熱間加工性の減少を示した。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼組成物は、3.0%までのCuを有する。ある実施態様においては、Cu含有量は1.0%までであっても良い。
Wは、塩化物の孔食及び隙間腐食に対する耐性の改善において、モリブデンと同様の効果を提供する。Wはまた、モリブデンの代わりに用いた場合に、シグマ相を形成する傾向を減少させる可能性がある。しかしながら、4%より多くの添加は、本合金の熱間加工性を減少させる可能性がある。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼組成物は、4.0%までのWを有する。ある実施態様においては、W含有量は0.05〜0.60%であっても良い。
Mo及びWは両方とも、ステンレス鋼の表面上に形成し、塩化物の作用による孔食から保護する不動態酸化膜を安定化させるのに効果的である。Wは、耐腐食性の増加においてMoのおよそ半分(重量で)の効果であるため、必要な耐腐食性を提供するために、(Mo+W/2)>0.5%が必要とされる。しかしながら、多すぎるMoの保有は金属間相の形成の見込みを増加させ、多すぎるWは材料の熱間加工性を減少させる。それ故に、(Mo+W/2)の組み合わせは、好ましくは5.0%未満である。ある実施態様においては、モリブデン及びタングステンは、0.5≦(Mo+W/2)≦2.3となるように存在しても良く、あるいは0.5≦(Mo+W/2)≦4.0となるように存在しても良い。
ニッケル及びコバルトは両方とも、フェライト形成に対してオーステナイト相を安定化させるように働く。適当な耐腐食性を保証するために添加しなければならないCr及びMoなどのフェライトを安定化させる元素の存在下でオーステナイト相を安定化させるために、少なくとも1%の(Ni+Co)が必要とされる。しかしながら、Ni及びCoは両方ともコストのかかる元素であるので、(Ni+Co)含有量を8%より低く保つことが望ましい。ある実施態様においては、(Ni+Co)含有量は4.0%より多くても良いが、7.5%より少ない。
Nbは炭素、及びそれほどでは無いが窒素とも反応して、小さな粒子の形態で炭化物及び炭窒化物を形成する。これらの粒子は、上昇した温度における使用、及び溶接の間の、有害なクロム炭化物の形成を効果的に抑制し、室温での耐腐食性を改善する。これらの粒子は、効果的な加熱処理を用いて製造した場合には、上昇した温度における強度及びクリープ抵抗もまた改善することが出来る。最低限の(7.5x%C)の添加は、金属中に溶解して存在するC1原子ごとにNb1原子を提供する。よりNbのレベルが高いと、有益なNが消費されるので、Nb含有量を1.5%より低く保つことが望ましい。Ti、V、Ta、及びZrなどの、これらに限定されない安定な炭化物を形成するその他の元素は、ニオブの代わりに添加しても良い。しかしながら、かかる代用物は、Nbより強くNと反応し、それ故に、改善された溶接性などの有益な効果を提供するために制御される。本発明者らは、Nb、Ti、V、Ta、及びZrの重量パーセンテージの合計が、(7.5(%C))〜1.5%までの範囲に維持されるべきであることを決定した。すなわち、(7.5(%C))≦(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≦1.5%である。とある実施態様においては、(7.5(%C))≦(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≦1.0%である。とある好ましい実施態様においては、合金は、少なくとも0.1%のNbを含み、Nb、Ti、V、Ta、及びZrの重量パーセンテージの合計は、(7.5(%C))〜1.5%又は1.0%の範囲である。とある実施態様においては、Ti、V、Ta、及びZrは、付随する不純物としてのみ存在するか、又は出来うる限り低いレベルで維持される。とある実施態様においては、合金の室温での耐腐食性、上昇した温度での強度、クリープ抵抗、及び溶接特性を最適化するために、合金のとある実施態様は少なくとも(7.5(%C))のNb含有量を含み、Ti、V、Ta、及びZrは、付随する不純物としてのみ存在する。本発明者らは、1.5%までのNb含有量は、NbとNとの組み合わせがクリープ抵抗を許容不可能に悪化させるレベルのニオブ炭窒化物の沈殿を生じないという点において、本合金の0.05〜0.35%のN含有量と適応可能であることを決定した。
本発明の安定化されたオーステナイト系のステンレス鋼はまた、例えば耐孔食性指数(pitting resistance equivalence number)、フェライト価、及びMD30温度などを含む、鋼の示す特性を定量化する式によって定義しても良い。
あるいは、1.65(%W)の因数を上述の式に追加して、合金中のタングステンの存在を考慮することが出来る。タングステンはステンレス鋼の耐孔食性を改善し、その効果は重量でモリブデンの約半分である。タングステンを計算に含んだ場合には、耐孔食性指数をPREWとして示し、これは以下の式により計算される。
タングステンは、本発明の合金中においてモリブデンと同様の目的に役立つ。そのため、タングステンをモリブデンの代わりとして添加して、耐孔食性の増加を提供しても良い。この式に従うと、同一の耐腐食性を維持するためには、取り除かれたモリブデンのパーセント毎にその二倍の重量パーセントのタングステンを追加すべきである。本発明の合金は、22より大きいPREw値を有し、好ましくは、30程度にまで高い。
本発明の合金は、10までのフェライト価を有し、好ましくは正の価数、より好ましくは約3〜5のフェライト価を有する。
本発明の合金は、20℃より低いMD30温度を有し、好ましくは約−10℃より低い。
MD30の値もまた、表1中の合金に関して計算した。計算に従うと、本発明の合金1〜5、特に本発明の合金4及び5は、比較例の合金であるS31600及びS31635と同様のマルテンサイト形成に対する耐性を示す。
Claims (38)
- 重量%で、0.20までのC、2.0〜9.0のMn、2.0までのSi、16.0〜23.0のCr、1.0〜7.0のNi、3.0までのMo、3.0までのCu、0.05〜0.35のN、4.0までのW、(7.5(%C))≦(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≦1.5、0.01までのB、1.0までのCo、鉄、及び不純物を含む、オーステナイト系のステンレス鋼。
- 0.5≦(Mo+W/2)≦5.0である、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 0.5≦(Mo+W/2)≦4.0である、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 1.0≦(Ni+Co)≦8.0である、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 4.0≦(Ni+Co)≦7.5である、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 22より大きいPREw値を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- (7.5(%C))≦(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≦1.0である、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 少なくとも0.1のNbを含む、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- (7.5(%C))≦Nb≦1.5である、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 22より大きく30までのPREw値を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 10より小さいフェライト価を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 0より大きく10までのフェライト価を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 3〜5のフェライト価を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 約20℃より低いMD30値を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- −10℃より低いMD30値を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 0.10までのCを含む、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 0.5〜1.0のSiを含む、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 2.0〜8.0のMnを含む、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 3.5〜6.5のMnを含む、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 4.0〜6.5のNiを含む、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 17.0〜21.0のCrを含む、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 0.4〜2.0のMoを含む、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 0.5〜2.0のMoを含む、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 重量%で、0.10までのC、2.0〜8.0のMn、1.00までのSi、16.0〜22.0のCr、1.0〜7.0のNi、0.40〜2.0のMo、1.00までのCu、0.08〜0.30のN、(7.5(%C))≦(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≦1.5、0.05〜0.60のW、1.0までのCo、0.040までのP、0.030までのS、0.008までのB、鉄、及び付随する不純物を含む、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 0.5≦(Mo+W/2)≦2.3である、請求項24に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 1.0≦(Ni+Co)≦8.0である、請求項24に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 少なくとも0.1のNbを含む、請求項24に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- (7.5(%C))≦Nb≦1.5である、請求項24に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 重量%で、0.08までのC、3.5〜6.5のMn、1.00までのSi、17.0〜21.0のCr、0.5〜2.0のMo、4.0〜6.5のS Ni、0.08〜0.30のN、(7.5(%C))≦(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≦1.0、1.0までのCu、0.050までのP、0.030までのS、鉄、及び付随する不純物を含む、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 0.5≦(Mo+W/2)≦4.0である、請求項29に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 4.0≦(Ni+Co)≦7.5である、請求項29に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 少なくとも0.1のNbを含む、請求項29に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- (7.5(%C))≦Nb≦1.5である、請求項29に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 重量%で、0.20までのC、2.0〜9.0のMn、2.0までのSi、16.0〜23.0のCr、1.0〜7.0のNi、3.0までのMo、3.0までのCu、0.05〜0.35のN、4.0までのW、(7.5(%C))≦(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≦1.5、0.01までのB、1.0までのCo、鉄、及び不純物を含むオーステナイト系のステンレス鋼を含む、製造物品。
- 該オーステナイト系のステンレス鋼は、少なくとも0.1のNbを含む、請求項34に記載の製造物品。
- 該オーステナイト系のステンレスは、(7.5(%C))≦Nb≦1.5の範囲でNbを含む、請求項34に記載の製造物品。
- 該物品は、低温環境及び極低温環境の少なくとも一つにおける使用のために適合している、請求項34に記載の製造物品。
- 該物品は、フレキシブルコネクタ、ベローズ、フレキシブルパイプ、煙突のライナー、及び送気管のライナーからなる群から選択される、請求項34に記載の製造物品。
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