JP3822493B2 - ２相ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、比較的低い含有量のＮｉとＭｏとを組み合わせた高い含有量のＣｒ、Ｎ、Ｃｕ及びＷを含むフェライト−オーステナイトステンレス鋼に関する。この材料は、高耐食性が要求される特に酸または塩基性の環境、同時に高塩化物を含有される環境への適用に対して安定である。
【０００２】
背景
２相鋼は、フェライト−オーステナイト組織を特徴とし、双方の相は異なる組成を有する。最近の２相鋼は、主としてＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉ及びＮで合金化される。ＳＡＦ２５０７等級（ＵＮＳ Ｓ３２７５０）の２相鋼は、高い耐孔食性のために、主としてＣｒ、Ｍｏ及びＮの元素で合金化されている。この耐孔食性は、ほとんどがＰＲＥ数（ＰＲＥ＝孔食等量＝％Ｃｒ＋３．３％Ｍｏ＋１６Ｎ）として記載される。この合金は、この特性に対して必然的に最適化され、確実に種々の酸及び塩に対して良好な耐性を備えるが、中でもこの合金は塩化物環境における耐性が改良される。最近、Ｃｕ及びＷの元素でさえ合金化添加物として使用されている。すなわち、例えば、ＤＰ３Ｗ等級（ＵＮＳ Ｓ３９２７４）の鋼は、ＳＡＦ２５０７と類似する化学組成を有するが、合金中のＭｏ含有物の占有率の代わりとして２．０％のＷを合金化する。同様に、Uranus ５２Ｎ等級＋（ＮＳ Ｓ３２５２９）の鋼は、ＳＡＦ２５０７と類似する化学組成を有するが、酸性環境における耐性を改良する目的で１．５％のＣｕで合金化される。さらに、Zeron１００等級の鋼は、ＳＡＦ２５０７と類似する等級の鋼であるが、約０．７％のＣｕと０、７％のＷの双方で合金化される。ＤＴＳ２５．７ＮＷＣｕ等級（ＵＮＳ Ｓ３９２７７）の鋼は、この化学組成が、約１．７％のＣｕと１．０％のＷで合金化されるのを除き、ＳＡＦ２５０７と非常に類似する。Ｗで合金化することに関連して、ＰＲＥ式が導き出され、この式はＭｏに対してこの式の半分に相当する重量のＷ元素を含む。
【０００３】
ＰＲＥＮＷ＝％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ＋０．５％Ｗ）＋１６Ｎ
全ての記載された等級の鋼は、この計算方法と関係のないＰＲＥ数で示されていて、それは４０を超える。
塩化物に対して高耐性を備える他の形式のフェライト−オーステナイト合金は、スウェーデン特許第９３０２１３９−２号または米国特許第５，５８２，６５６号に記載される等級の鋼である。この形式の合金は、０．３０〜４％のＭｎと、２８〜３５％のＣｒと、３〜１０％のＮｉと、１〜３％のＭｏと、最大１．０％のＣｕ及び最大２．０％のＷを特徴とし、且つ通常４０を超える高ＰＲＥ数さえ有する。確立された超２相鋼ＳＡＦ２５０７及びその他と比較した主な相違点は、ＣｒとＮとの含有量がこの鋼等級より高いことである。この鋼等級は、粒内腐食と、カルバメートアンモニウム内の腐食と、に対する耐性が重要となる環境において使用されていているが、この合金は塩化物環境に対しても非常に高い耐性も備える。
【０００４】
発明の説明
本発明の目的は、塩化物環境に対して高い耐性を備えた材料を提供すると同時に、この材料が、機械的性質と高い組織安定性とを組み合わせて持ち、酸性及び塩基性の環境において並外れた性質を有することを目的とする。この組み合わせは、例えば、酸に起因する腐食問題、と同時に腐食をさらに拡大させる塩化物とともに酸が付着するところの化学工業の適用に非常に有益になる。高い強度と組み合わされたこの合金の特性が、経済的観点から設計解決を有利にする。酸性環境に非常に良好な特性を備えた材料が確かに存在するが、これらのほとんどが、価格を上昇させる非常に高含有量のＮｉを含む材料である。２相合金と比較したオーステナイト鋼のその他の欠点は、オーステナイト鋼の強度が通常はかなり低いことである。
【０００５】
現在の状況では、この性質の組み合わせを最適化し、そして此処に於いて説明されるこれらの良好な性質が達成されることを説明した２相ステンレス鋼は存在しない。
Ｃｕ及びＷ元素と組み合わせた高含有量のＣｒ及びＮｉを合金元素として使用する合金を開発することによって、驚くべき良好な腐食特性及び機械的性質を見つけることができた。
【０００６】
この合金は、ｗｔ％で、
Ｃ 最大で０．０５
Ｓｉ 最大で０．８
Ｍｎ ０．３〜４
Ｃｒ ２７〜３５
Ｎｉ ３〜１０
Ｍｏ ０〜３
Ｎ ０．３０〜０．５５
Ｃｕ ０．５〜３．０
Ｗ ２．０〜５．０
Ｓ 最大で０．０１０
残部Ｆｅ及び通常生じる不純物と添加物とを含む。Ｆｅの含有量は３０〜７０ｖｏｌ％である。
【０００７】
炭素は、本発明において不純物元素と見なされ、フェライトとオーステナイトの双方において規定された溶解度を有する。この規定された溶解度は、炭窒化物の析出の危険を含むので、この含有量を最大０．０５％、好ましくは最大で０．０３％、最も好ましくは最大で０．０２％に規定する必要がある。
珪素は、製鋼のもとで脱酸素材として用いられ、また製造及び溶接の際に流動性を改良する。しかしながら、高含有量のＳｉは金属間相の析出を促進する理由で、この含有量は最大で０．８％までに規定する必要がある。
【０００８】
マンガンは、材料中のＮの溶解度を改善するために添加される。しかしながら、Ｍｎは、この形式の合金においてはＮ溶解度にのみ規定された効果を有する。さらに、この溶解度に対してはより高い効果を及ぼす別の元素がある。さらに、高硫黄含有量と組み合わせたＭｎは、マンガン硫化物となり、それが孔食の出発点となる。そのために、Ｍｎの含有量は、０．３〜４％に規定する必要がある。
【０００９】
クロムは、ほとんどの腐食形式に対する耐性を改良するために、非常に活性である。その上に、クロムは合金の強度を改良する。さらにその上に、高含有量のクロムは、材料中に非常に良好なＮ溶解性を達成できることを含んでいる。すなわち、耐食性を改良するために可能な限り多くのＣｒ含有量を保持することが望ましい。非常に良好な耐食性を得るために、Ｃｒ含有量は少なくとも２７％にする必要がある。しかしながら、高含有量のＣｒは、金属間析出物の危険を増加するので、そのためクロム含有量は最大で３５％に規定する必要がある。
【００１０】
ニッケルは、オーステナイト安定化元素として使用され、望ましいフェライト含有量を達成するために、適切な水準で添加される。３０〜７０％の間のフェライト量を得るために、３〜１０％のニッケル添加物が必要である。
モリブデンは、塩化物環境及び還元酸における耐食性を改良するために、非常に活性な元素である。高含有量のＣｒとＷと組み合わせたあまりにも高含有量のＭｏは、金属間析出物の危険を増加することを意味する。本発明におけるＭｏ含有量は最大で３．０％に規定する必要がる。
【００１１】
窒素は、非常に活性な元素であり、一方においては材料の耐食性を向上させもう一方においては組織安定性と強度とを向上させる。さらにその上、高Ｎ含有量は、溶接後のオーステナイトの再構築を改良し、この含有量が溶接接合時に良好な性質を与える。良好なＮの効果を得るために、少なくとも０．３０％のＮを添加する必要がある。高Ｎ含有量では、特に、同時に高クロム含有量であるならば、クロム窒化物の析出の危険が増加する。さらに、高Ｎ含有量では、溶湯中でＮの溶解度が過剰となるために、気孔の危険を増加させることを意味する。このために、Ｎの含有量は最大でも０．５５％に規定する必要がある。
【００１２】
銅は、硫酸のような酸性環境における通常の耐性を増加する。比較的高含有量のＭｏ及び／またはＷを有する材料中のＣｕは、徐冷時に金属間相の急激な析出をさらに遅延させるという驚くべきことが示された。材料の組織安定性を増加する目的で、Ｃｕの含有量は１％を超える必要があり、好ましくは１．５％を超える必要がる。それにもかかわらず、高含有量のＣｕは、固体の安定性を達成できることを意味する。このために、Ｃｕの含有量は最大で３．０％の規定される。
【００１３】
タングステンは、孔食性及びすきま腐食性の危険を増加する。Ｍｏの代わりとしてのＷの添加は、低温衝撃強度を増加させるという驚くべきことがわかった。衝撃強度及び腐食特性について十分な効果を得るために、少なくとも２％を添加する必要がある。孔食特性を改良する目的のために合金中でＷがＭｏと置換する場合、ＷとＣｕとの同時の添加が、粒内腐食の耐性を増加する目的を達成する。しかしながら、高含有量のＣｒとＭｏと組み合わせた高含有量のＷは、粒内析出の危険を増加させる。したがって、Ｗの含有量は、最大で５％に規定する必要がある。
【００１４】
硫黄は、溶解性硫黄を容易に形成することによって、耐食性にマイナスに影響する。さらに、熱間加工性を悪化させるので、Ｓの含有量は最大で０．０１０％に規定する必要がある。
フェライト量は、良好な機械的性質と腐食性質とさらに良好な加工性を得るために重要である。腐食と加工性の観点から、良好な性質を達成するために、３０〜７０％のフェライト量が望ましい。大量のフェライトは、低温衝撃強度及び水素脆性にたいする耐性を悪化させる危険を伴うことを意味する。したがって、フェライト量は３０〜７０％、好ましくは３５〜５５％にする。
【００１５】
実施例
以下の実施例においていくつかの実験ヒートの化学組成を示す。これらの化学組成は特許請求の範囲に結びつける必要はないが、これらの特性に及ぼす種々の合金化元素の影響を説明することを意図する。したがって、本発明にしたがう等級の鋼の最適化学組成が、実施例の中で存在しなくてもよい。
【００１６】
多くの実験ヒートは１７０ｋｇのインゴットを鋳造することによって製造され、丸棒に鍛造された。これらの丸棒は棒材に押し出し整形され、この棒材から試験材料が作られた。表１に、式ＰＲＥＮＷ＝％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ＋０．５％Ｗ）＋１６％Ｎから計算されたＰＲＥＮＷ数とともに、実験ヒートの化学組成をしめす。
【００１７】
製造
すべてのヒート材料は、インゴット鋳造、熱間鍛造及び押し出し加工によって製造された。いくつかの種類は、多量の金属間相のために製造中にわれが発生した。表２からどのようにして製造されたかが分かる。
【００１８】
合金含有量と鍛造中の割れ傾向との間には関係が存在する。結果として、４５．５またはそれ以上のＰＲＥＮＷ数を有するヒートは割れ無しに鍛造をすることができなかった。Ｍｏ含有量が２％を超える場合、大量の金属間相を回避するために、Ｗ含有量は最大で約１％にする必要がある。もう一方で、Ｗ含有量が多い場合、金属間相とそれによる割れを回避するために、Ｍｏの含有量は少なくする必要がある。その関係を図１に図解して示す。
【００１９】
組織の安定性
各試料は、８００〜１２００℃で５０℃のステップで焼鈍された。金属間相の量を無視できるときの温度は、光学顕微鏡によって決定された。材料はこの温度に３分間保持されその後で焼鈍され、その後試料は１４０℃／分さらに１７．５℃／分の速度で室温まで冷却した。この材料中のシグマ相の量は、光学顕微鏡でその点を数えることによって決定した。その結果を表３に示す。
【００２０】
高含有量のＷを有する材料は、特にＭｏの含有量が少ない場合（ヒート６０５０８９）に、非常に良好な組織安定性を有することが分かった。まったくで予期しなかったことには、徐冷（１７．５℃／分）での高含有量のＣｕと低含有量のＮとを有する材料（ヒート６０５０８９）であっても、低含有量のＣｕとさらに高含有量のＮを有する材料（ヒート６０５０８４）より優れた組織安定性を備えることが示された。Ｎ元素の添加は２相合金において組織安定性を増加させ、一方で、Ｃｕの効果がさらに不確実であることが知られている。しかしながら、低含有量のＭｏと低含有量のＣｕとの双方を有するヒート６５４７９６は、ヒート６０５０８５が３％近くのＭｏ含有量であるにもかかわらず、２％のＣｕを有するヒート６０５０８５より、徐冷（１７．５℃／分）での組織安定性を悪化させる。この関係を図２に図解して示す。Ｍｏ、ＷとＣｕ及び好ましいＣｕ添加の効果との関係を図３に示し、熱間加工のもとで割れに及ぼすＭｏ、ＷとＣｕの影響を示す。熱間加工のもとでの割れは、この場合においては、金属間相の出現に主に依存する。
【００２１】
機械的性質
強度と衝撃強度とをいくつかのヒートで測定した。その結果を表４に示す。
すべてに材料に対して高降伏点が得られ、また２０℃の衝撃強度は大きい。−５０℃の衝撃強度に対しては、ヒート６０５０８５がヒート６０５０８４より低い衝撃強度を有するという驚くべきことが示された。この理由は、ヒート６０５０８４が低い含有量のＣｕかまたは高い含有量のＷかのいずれである。ヒート６０５０８９は高い含有量のＣｕ及び高い含有量のＷの双方を有するので、−５０℃での良好な衝撃強度を示し、低い温度で高い衝撃強度を必要とする場合は、高い含有量のＷが高含有量のＭｏを可能にする。
【００２２】
腐食性
孔食性とすきま腐食性との性質を、ＡＳＴＭ Ｇ４８Ｃ及びＭＴＩ−２にしたがうＦｅＣｌ3中で試験することによって試験をした。典型的な孔食温度（ＣＰＴ）及びすきま腐食孔食温度（ＣＣＴ）は、それによって決定された。すべての結果を表５に示す。
【００２３】
【００２４】
非常に驚くべきことには、低含有量のＭｏ（ヒート６０５０８４）と組み合わせた、非常に高含有量でのＷは、非常に良好な孔食特性を示した。ヒート６０５０８５はヒート６０５０８４のＰＲＥＮＷ数より大きなＰＲＥＮＷ数を有するが、代わりにこのヒート６０５０８４はＡＳＴＭ Ｇ４８Ｃにしたがう試験でかなり高いＣＰＴ値が達成された。同じことが、材料が低いＰＲＥＮＷ数を有するヒート６０５０８９に対して言えるが、ヒート６０５０８５は高いＣＰＴ数が得られる。ＣＣＴ値として測定された耐孔食性は、ヒート６０５０８４とヒート６０５０８５とに対して予期せぬ高い値を示した。例えば、４０を超えるＰＲＥを備える２５０７形式の材料は、約４０℃のＣＣＴを有する。しかしながら、ヒート６０５０８９のすきま腐食性の性質は、ヒート６０５０８５に対して劣っている。これらのヒートの相違は、６０５０８９が高いＷ含有量であるが、同時に低いＮ含有量である。孔食性とすきま腐食性との双方に関して良好な耐食性を得るために、結果として部分的に高いＷ含有量と部分的に高いＮ含有量とを有することが必要である。また、ＰＲＥＮＷの値が高いかまたは低い場合は好ましくない性質が得られるので、最適ＰＲＥＮＷがあることを明確にすることであると考えられる。この関係を図４と５に図解して示す。
【００２５】
フェライト相とオーステナイト相との混合は、ミクロ細孔分析法で決定した。結果を表６に示す。
ヒート６０５０８８を除き、すべての場合においてオーステナイト相及びフェライト相のＰＲＥＮＷは、40より優れている。その上、ヒート６０５０８８に対しては、満足できない低いＣＣＴ値が得られ、それはオーステナイト相のＰＲＥＮＷが比較的低い値であることに依存している。ヒート６０５０８４と６０５０８５に対しては、ＰＲＥＮＷは最も高くなった。ヒート６０５０８５に対するオーステナイト層とフェライト層との双方においてＰＲＥＮＷが６０５０８４に対するよりも高いのにもかかわらず、ヒート６０５０８５は６０５０８４に比較してＡＳＴＭ Ｇ４８Ｃの試験にしたがう低いＣＰＴを有する。高含有量のＮと組み合わされたより高い含有量のＷは、それはヒート６０５０８４において回復され、その効果が説明できる。おそらく、ヒート６０５０８５が６０５０８４より組織安定性が劣るのは、ヒート６０５０８５においてより高いＭｏ含有量であることが理由であり、それはこの材料が析出物を含む危険性を増加し、耐孔食性を減少させる。最適ＰＲＥＮＷの値は、４１〜４４の範囲にある。
【００２６】
粒内腐食に対する耐性は、ＡＳＴＭ Ａ２６２規則Ｂにしたがうストレッチャーテストを行うことによって決定した。この試験は、材料が酸化酸環境に如何に耐えるか及び粒内腐食に対する材料の耐性を規定する。この結果を表７に記載する。
【００２７】
これらの試験において、材料が非常に遅い腐食速度を備えることが分かる。これらの相違は相対的に少ないが、同時に高Ｍｏ含有量と高Ｃｕ含有量とを有する材料では、もっとも速い腐食速度（ヒート６０５０８５）を示した。Ｃｕ含有量が多いがＭｏ含有量が少ない場合は、遅い腐食速度が得られる（ヒート６０５７９３，６０５０８８，６０５０８９）。高含有量のＣｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＮの組み合わせは良好な耐孔食性のために必要である。高Ｃｕ含有量に関係して、耐孔食性を増加する目的で、同時に良好な耐粒内腐食性を備えることを望むならば、第一にＣｒ、Ｗ及びＮを使用することが必然的に最適である。結果として、２．０％のＣｕ、０．９８％のＭｏ及び３．８％のＷを有するヒート６０５０８９は、ストレチャーテストで非常に遅い腐食速度が達成された。
【００２８】
苛性溶液環境に対する耐性は、いくつかのヒートに対して加熱６０％ＮａＯＨ（１６０℃）中で試験された。
試験は、１＋３日の間行われた。その結果を表８に示す。
オーステナイト相中に高含有量のＣｒを有する材料はＮａＯＨ中に晒されたときに遅い腐食速度が得られるために、ＮａＯＨ中で良好な腐食特性とオーステナイト相中のＣｒ含有量との間には相関関係がある。その関係を図６に図解して示す。
【００２９】
本発明にしたがう合金の最適組成
２７％を超えるクロム含有量を有する２相合金において、同時に材料に高含有量のＣｕとＷさらに高含有量のＷが添加されたときに、非常に良好な特性が達成されるという驚くべきことが示された。したがって、高含有量のＷ元素の添加が低温度で良好な衝撃強度もたらすことが以外にも示された。高含有量のＮと組み合わされた高含有量のＷが、塩化物環境におけるすきま腐食性に対してさらに顕著な耐性をもたらした。すなわち、孔食およびすきま腐食との性質に及ぼすＷの効果は、驚くほど大きい。十分な効果を得るために、少なくとも２％のＷの添加を必要とする。同時に高含有量のＭｏ及びＷは回避すべきであるが、Ｍｏが２％以下好ましくは１％以下に規定された場合には、４％までのＷを添加することができる。良好な腐食特性と衝撃強度特性とを得るために、同時に金属間相の析出を回避するために、％Ｍｏ＋０．５％Ｗ＜３．５２の関係を満足する必要があり、好ましくは％Ｍｏ＋０．５％Ｗ＜３とする必要がある。また、この材料へのＣｕ元素の添加が、遅い冷却で金属間相中への析出を遅延させるという驚くべきことに示した。これは、鍛造のような必要な熱間加工が、材料中に金属間相の高含有量によって生じる割れの危険をなく容易に実施できることを意味する。この効果を得るために、少なくとも０．５％のＣｕの添加が必要であり、好ましくは少なくとも１．５％である。％Ｍｏ＋０．５％Ｗ＞である場合、材料の最良の熱間加工性を達成するために、％Ｃｕ＞１．５にする必要がある。良好な腐食特性を達成するために、％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ＋０．５％Ｗ）＋１６％Ｎの関係は最も弱い相において４０を超える必要がある。同時に良好な耐孔食性とすきま耐食性のために、Ｗ元素は２％を超える必要があり、Ｎは０．３０％を超える必要がある。孔食に対する最適耐性は、ＰＲＥＮＷ数が４１〜４４の範囲の場合に達成される。さらに、すきま耐食性のためには、ＰＲＥＮＷは好ましくは４３〜４４にする必要がある。同時に良好な組織安定性を得る目的で、同を材料に添加してもよい。しかしながら、銅は、高含有量のＭｏと組み合わされて粒内腐食に好ましくない影響を及ぼす。粒内腐食に関して材料を最適化するために、したがって、高含有量のＣｕが、低含有量のＭｏと組合す必要がある。良好な孔食性質を確実にするためには、この理由で高含有量のＷを添加する必要がある。塩基性環境における良好な耐性を得るためには、オーステナイト相中のＣｒ含有量を少なくとも２８％にする必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、ＷとＭｏとの含有量と割れとの関係を示す。
【図２】 図２は、Ｃｕと（Ｍｏ＋Ｗ）との含有量とシグマ層との関係を示す。
【図３】 図３は、Ｍｏ、ＷとＣｕ及び好ましいＣｕとの含有量と割れとの関係を示す。
【図４】 図４は、ＰＲＥＮＷとＣＰＴとの関係における最適ＰＲＥＮＷを示す図である。
【図５】 図５は、ＰＲＥＮＷとＣＣＴとの関係における最適すきま耐食性を示す図である。
【図６】 図６は、ＮａＯＨ中での腐食速度とオーステナイト相中のＣｒ含有量との関係を示す図である。
本発明は、比較的低い含有量のＮｉとＭｏとを組み合わせた高い含有量のＣｒ、Ｎ、Ｃｕ及びＷを含むフェライト−オーステナイトステンレス鋼に関する。この材料は、高耐食性が要求される特に酸または塩基性の環境、同時に高塩化物を含有される環境への適用に対して安定である。
【０００２】
背景
２相鋼は、フェライト−オーステナイト組織を特徴とし、双方の相は異なる組成を有する。最近の２相鋼は、主としてＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉ及びＮで合金化される。ＳＡＦ２５０７等級（ＵＮＳ Ｓ３２７５０）の２相鋼は、高い耐孔食性のために、主としてＣｒ、Ｍｏ及びＮの元素で合金化されている。この耐孔食性は、ほとんどがＰＲＥ数（ＰＲＥ＝孔食等量＝％Ｃｒ＋３．３％Ｍｏ＋１６Ｎ）として記載される。この合金は、この特性に対して必然的に最適化され、確実に種々の酸及び塩に対して良好な耐性を備えるが、中でもこの合金は塩化物環境における耐性が改良される。最近、Ｃｕ及びＷの元素でさえ合金化添加物として使用されている。すなわち、例えば、ＤＰ３Ｗ等級（ＵＮＳ Ｓ３９２７４）の鋼は、ＳＡＦ２５０７と類似する化学組成を有するが、合金中のＭｏ含有物の占有率の代わりとして２．０％のＷを合金化する。同様に、Uranus ５２Ｎ等級＋（ＮＳ Ｓ３２５２９）の鋼は、ＳＡＦ２５０７と類似する化学組成を有するが、酸性環境における耐性を改良する目的で１．５％のＣｕで合金化される。さらに、Zeron１００等級の鋼は、ＳＡＦ２５０７と類似する等級の鋼であるが、約０．７％のＣｕと０、７％のＷの双方で合金化される。ＤＴＳ２５．７ＮＷＣｕ等級（ＵＮＳ Ｓ３９２７７）の鋼は、この化学組成が、約１．７％のＣｕと１．０％のＷで合金化されるのを除き、ＳＡＦ２５０７と非常に類似する。Ｗで合金化することに関連して、ＰＲＥ式が導き出され、この式はＭｏに対してこの式の半分に相当する重量のＷ元素を含む。
【０００３】
ＰＲＥＮＷ＝％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ＋０．５％Ｗ）＋１６Ｎ
全ての記載された等級の鋼は、この計算方法と関係のないＰＲＥ数で示されていて、それは４０を超える。
塩化物に対して高耐性を備える他の形式のフェライト−オーステナイト合金は、スウェーデン特許第９３０２１３９−２号または米国特許第５，５８２，６５６号に記載される等級の鋼である。この形式の合金は、０．３０〜４％のＭｎと、２８〜３５％のＣｒと、３〜１０％のＮｉと、１〜３％のＭｏと、最大１．０％のＣｕ及び最大２．０％のＷを特徴とし、且つ通常４０を超える高ＰＲＥ数さえ有する。確立された超２相鋼ＳＡＦ２５０７及びその他と比較した主な相違点は、ＣｒとＮとの含有量がこの鋼等級より高いことである。この鋼等級は、粒内腐食と、カルバメートアンモニウム内の腐食と、に対する耐性が重要となる環境において使用されていているが、この合金は塩化物環境に対しても非常に高い耐性も備える。
【０００４】
発明の説明
本発明の目的は、塩化物環境に対して高い耐性を備えた材料を提供すると同時に、この材料が、機械的性質と高い組織安定性とを組み合わせて持ち、酸性及び塩基性の環境において並外れた性質を有することを目的とする。この組み合わせは、例えば、酸に起因する腐食問題、と同時に腐食をさらに拡大させる塩化物とともに酸が付着するところの化学工業の適用に非常に有益になる。高い強度と組み合わされたこの合金の特性が、経済的観点から設計解決を有利にする。酸性環境に非常に良好な特性を備えた材料が確かに存在するが、これらのほとんどが、価格を上昇させる非常に高含有量のＮｉを含む材料である。２相合金と比較したオーステナイト鋼のその他の欠点は、オーステナイト鋼の強度が通常はかなり低いことである。
【０００５】
現在の状況では、この性質の組み合わせを最適化し、そして此処に於いて説明されるこれらの良好な性質が達成されることを説明した２相ステンレス鋼は存在しない。
Ｃｕ及びＷ元素と組み合わせた高含有量のＣｒ及びＮｉを合金元素として使用する合金を開発することによって、驚くべき良好な腐食特性及び機械的性質を見つけることができた。
【０００６】
この合金は、ｗｔ％で、
Ｃ 最大で０．０５
Ｓｉ 最大で０．８
Ｍｎ ０．３〜４
Ｃｒ ２７〜３５
Ｎｉ ３〜１０
Ｍｏ ０〜３
Ｎ ０．３０〜０．５５
Ｃｕ ０．５〜３．０
Ｗ ２．０〜５．０
Ｓ 最大で０．０１０
残部Ｆｅ及び通常生じる不純物と添加物とを含む。Ｆｅの含有量は３０〜７０ｖｏｌ％である。
【０００７】
炭素は、本発明において不純物元素と見なされ、フェライトとオーステナイトの双方において規定された溶解度を有する。この規定された溶解度は、炭窒化物の析出の危険を含むので、この含有量を最大０．０５％、好ましくは最大で０．０３％、最も好ましくは最大で０．０２％に規定する必要がある。
珪素は、製鋼のもとで脱酸素材として用いられ、また製造及び溶接の際に流動性を改良する。しかしながら、高含有量のＳｉは金属間相の析出を促進する理由で、この含有量は最大で０．８％までに規定する必要がある。
【０００８】
マンガンは、材料中のＮの溶解度を改善するために添加される。しかしながら、Ｍｎは、この形式の合金においてはＮ溶解度にのみ規定された効果を有する。さらに、この溶解度に対してはより高い効果を及ぼす別の元素がある。さらに、高硫黄含有量と組み合わせたＭｎは、マンガン硫化物となり、それが孔食の出発点となる。そのために、Ｍｎの含有量は、０．３〜４％に規定する必要がある。
【０００９】
クロムは、ほとんどの腐食形式に対する耐性を改良するために、非常に活性である。その上に、クロムは合金の強度を改良する。さらにその上に、高含有量のクロムは、材料中に非常に良好なＮ溶解性を達成できることを含んでいる。すなわち、耐食性を改良するために可能な限り多くのＣｒ含有量を保持することが望ましい。非常に良好な耐食性を得るために、Ｃｒ含有量は少なくとも２７％にする必要がある。しかしながら、高含有量のＣｒは、金属間析出物の危険を増加するので、そのためクロム含有量は最大で３５％に規定する必要がある。
【００１０】
ニッケルは、オーステナイト安定化元素として使用され、望ましいフェライト含有量を達成するために、適切な水準で添加される。３０〜７０％の間のフェライト量を得るために、３〜１０％のニッケル添加物が必要である。
モリブデンは、塩化物環境及び還元酸における耐食性を改良するために、非常に活性な元素である。高含有量のＣｒとＷと組み合わせたあまりにも高含有量のＭｏは、金属間析出物の危険を増加することを意味する。本発明におけるＭｏ含有量は最大で３．０％に規定する必要がる。
【００１１】
窒素は、非常に活性な元素であり、一方においては材料の耐食性を向上させもう一方においては組織安定性と強度とを向上させる。さらにその上、高Ｎ含有量は、溶接後のオーステナイトの再構築を改良し、この含有量が溶接接合時に良好な性質を与える。良好なＮの効果を得るために、少なくとも０．３０％のＮを添加する必要がある。高Ｎ含有量では、特に、同時に高クロム含有量であるならば、クロム窒化物の析出の危険が増加する。さらに、高Ｎ含有量では、溶湯中でＮの溶解度が過剰となるために、気孔の危険を増加させることを意味する。このために、Ｎの含有量は最大でも０．５５％に規定する必要がある。
【００１２】
銅は、硫酸のような酸性環境における通常の耐性を増加する。比較的高含有量のＭｏ及び／またはＷを有する材料中のＣｕは、徐冷時に金属間相の急激な析出をさらに遅延させるという驚くべきことが示された。材料の組織安定性を増加する目的で、Ｃｕの含有量は１％を超える必要があり、好ましくは１．５％を超える必要がる。それにもかかわらず、高含有量のＣｕは、固体の安定性を達成できることを意味する。このために、Ｃｕの含有量は最大で３．０％の規定される。
【００１３】
タングステンは、孔食性及びすきま腐食性の危険を増加する。Ｍｏの代わりとしてのＷの添加は、低温衝撃強度を増加させるという驚くべきことがわかった。衝撃強度及び腐食特性について十分な効果を得るために、少なくとも２％を添加する必要がある。孔食特性を改良する目的のために合金中でＷがＭｏと置換する場合、ＷとＣｕとの同時の添加が、粒内腐食の耐性を増加する目的を達成する。しかしながら、高含有量のＣｒとＭｏと組み合わせた高含有量のＷは、粒内析出の危険を増加させる。したがって、Ｗの含有量は、最大で５％に規定する必要がある。
【００１４】
硫黄は、溶解性硫黄を容易に形成することによって、耐食性にマイナスに影響する。さらに、熱間加工性を悪化させるので、Ｓの含有量は最大で０．０１０％に規定する必要がある。
フェライト量は、良好な機械的性質と腐食性質とさらに良好な加工性を得るために重要である。腐食と加工性の観点から、良好な性質を達成するために、３０〜７０％のフェライト量が望ましい。大量のフェライトは、低温衝撃強度及び水素脆性にたいする耐性を悪化させる危険を伴うことを意味する。したがって、フェライト量は３０〜７０％、好ましくは３５〜５５％にする。
【００１５】
実施例
以下の実施例においていくつかの実験ヒートの化学組成を示す。これらの化学組成は特許請求の範囲に結びつける必要はないが、これらの特性に及ぼす種々の合金化元素の影響を説明することを意図する。したがって、本発明にしたがう等級の鋼の最適化学組成が、実施例の中で存在しなくてもよい。
【００１６】
多くの実験ヒートは１７０ｋｇのインゴットを鋳造することによって製造され、丸棒に鍛造された。これらの丸棒は棒材に押し出し整形され、この棒材から試験材料が作られた。表１に、式ＰＲＥＮＷ＝％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ＋０．５％Ｗ）＋１６％Ｎから計算されたＰＲＥＮＷ数とともに、実験ヒートの化学組成をしめす。
【００１７】
すべてのヒート材料は、インゴット鋳造、熱間鍛造及び押し出し加工によって製造された。いくつかの種類は、多量の金属間相のために製造中にわれが発生した。表２からどのようにして製造されたかが分かる。
【００１８】
【００１９】
組織の安定性
各試料は、８００〜１２００℃で５０℃のステップで焼鈍された。金属間相の量を無視できるときの温度は、光学顕微鏡によって決定された。材料はこの温度に３分間保持されその後で焼鈍され、その後試料は１４０℃／分さらに１７．５℃／分の速度で室温まで冷却した。この材料中のシグマ相の量は、光学顕微鏡でその点を数えることによって決定した。その結果を表３に示す。
【００２０】
【００２１】
機械的性質
強度と衝撃強度とをいくつかのヒートで測定した。その結果を表４に示す。
【００２２】
腐食性
孔食性とすきま腐食性との性質を、ＡＳＴＭ Ｇ４８Ｃ及びＭＴＩ−２にしたがうＦｅＣｌ3中で試験することによって試験をした。典型的な孔食温度（ＣＰＴ）及びすきま腐食孔食温度（ＣＣＴ）は、それによって決定された。すべての結果を表５に示す。
【００２３】
非常に驚くべきことには、低含有量のＭｏ（ヒート６０５０８４）と組み合わせた、非常に高含有量でのＷは、非常に良好な孔食特性を示した。ヒート６０５０８５はヒート６０５０８４のＰＲＥＮＷ数より大きなＰＲＥＮＷ数を有するが、代わりにこのヒート６０５０８４はＡＳＴＭ Ｇ４８Ｃにしたがう試験でかなり高いＣＰＴ値が達成された。同じことが、材料が低いＰＲＥＮＷ数を有するヒート６０５０８９に対して言えるが、ヒート６０５０８５は高いＣＰＴ数が得られる。ＣＣＴ値として測定された耐孔食性は、ヒート６０５０８４とヒート６０５０８５とに対して予期せぬ高い値を示した。例えば、４０を超えるＰＲＥを備える２５０７形式の材料は、約４０℃のＣＣＴを有する。しかしながら、ヒート６０５０８９のすきま腐食性の性質は、ヒート６０５０８５に対して劣っている。これらのヒートの相違は、６０５０８９が高いＷ含有量であるが、同時に低いＮ含有量である。孔食性とすきま腐食性との双方に関して良好な耐食性を得るために、結果として部分的に高いＷ含有量と部分的に高いＮ含有量とを有することが必要である。また、ＰＲＥＮＷの値が高いかまたは低い場合は好ましくない性質が得られるので、最適ＰＲＥＮＷがあることを明確にすることであると考えられる。この関係を図４と５に図解して示す。
【００２５】
フェライト相とオーステナイト相との混合は、ミクロ細孔分析法で決定した。結果を表６に示す。
【００２６】
粒内腐食に対する耐性は、ＡＳＴＭ Ａ２６２規則Ｂにしたがうストレッチャーテストを行うことによって決定した。この試験は、材料が酸化酸環境に如何に耐えるか及び粒内腐食に対する材料の耐性を規定する。この結果を表７に記載する。
【００２８】
苛性溶液環境に対する耐性は、いくつかのヒートに対して加熱６０％ＮａＯＨ（１６０℃）中で試験された。
試験は、１＋３日の間行われた。その結果を表８に示す。
【００２９】
本発明にしたがう合金の最適組成
２７％を超えるクロム含有量を有する２相合金において、同時に材料に高含有量のＣｕとＷさらに高含有量のＷが添加されたときに、非常に良好な特性が達成されるという驚くべきことが示された。したがって、高含有量のＷ元素の添加が低温度で良好な衝撃強度もたらすことが以外にも示された。高含有量のＮと組み合わされた高含有量のＷが、塩化物環境におけるすきま腐食性に対してさらに顕著な耐性をもたらした。すなわち、孔食およびすきま腐食との性質に及ぼすＷの効果は、驚くほど大きい。十分な効果を得るために、少なくとも２％のＷの添加を必要とする。同時に高含有量のＭｏ及びＷは回避すべきであるが、Ｍｏが２％以下好ましくは１％以下に規定された場合には、４％までのＷを添加することができる。良好な腐食特性と衝撃強度特性とを得るために、同時に金属間相の析出を回避するために、％Ｍｏ＋０．５％Ｗ＜３．５２の関係を満足する必要があり、好ましくは％Ｍｏ＋０．５％Ｗ＜３とする必要がある。また、この材料へのＣｕ元素の添加が、遅い冷却で金属間相中への析出を遅延させるという驚くべきことに示した。これは、鍛造のような必要な熱間加工が、材料中に金属間相の高含有量によって生じる割れの危険をなく容易に実施できることを意味する。この効果を得るために、少なくとも０．５％のＣｕの添加が必要であり、好ましくは少なくとも１．５％である。％Ｍｏ＋０．５％Ｗ＞である場合、材料の最良の熱間加工性を達成するために、％Ｃｕ＞１．５にする必要がある。良好な腐食特性を達成するために、％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ＋０．５％Ｗ）＋１６％Ｎの関係は最も弱い相において４０を超える必要がある。同時に良好な耐孔食性とすきま耐食性のために、Ｗ元素は２％を超える必要があり、Ｎは０．３０％を超える必要がある。孔食に対する最適耐性は、ＰＲＥＮＷ数が４１〜４４の範囲の場合に達成される。さらに、すきま耐食性のためには、ＰＲＥＮＷは好ましくは４３〜４４にする必要がある。同時に良好な組織安定性を得る目的で、同を材料に添加してもよい。しかしながら、銅は、高含有量のＭｏと組み合わされて粒内腐食に好ましくない影響を及ぼす。粒内腐食に関して材料を最適化するために、したがって、高含有量のＣｕが、低含有量のＭｏと組合す必要がある。良好な孔食性質を確実にするためには、この理由で高含有量のＷを添加する必要がある。塩基性環境における良好な耐性を得るためには、オーステナイト相中のＣｒ含有量を少なくとも２８％にする必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、ＷとＭｏとの含有量と割れとの関係を示す。
【図２】 図２は、Ｃｕと（Ｍｏ＋Ｗ）との含有量とシグマ層との関係を示す。
【図３】 図３は、Ｍｏ、ＷとＣｕ及び好ましいＣｕとの含有量と割れとの関係を示す。
【図４】 図４は、ＰＲＥＮＷとＣＰＴとの関係における最適ＰＲＥＮＷを示す図である。
【図５】 図５は、ＰＲＥＮＷとＣＣＴとの関係における最適すきま耐食性を示す図である。
【図６】 図６は、ＮａＯＨ中での腐食速度とオーステナイト相中のＣｒ含有量との関係を示す図である。
Claims (11)
- ３０〜７０％のフェライトと残部オーステナイトとから成り、優れた温間加工性と高耐すきま腐食性と優れた組織安定性とを備える２相ステンレス鋼であって、
ｗｔ％で、最大０．０５％のＣと、最大０．８％のＳｉと、０．３０〜４．０％のＭｎと、２７．０〜３５．０％のＣｒと、３．０〜１０．０％のＮｉと、０〜２．０％のＭｏと、０．３０〜０．５５％のＮと、０．５〜３．０％のＣｕと、３．０〜５．０％のＷと、最大０．０１０％のＳと、残部Ｆｅ及び脱酸と熱間延性のための通常の製鋼添加物と、を含有し、且つ
％Ｍｏ＋０．５％Ｗ＜３．５２の関係と、４１＜％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ＋０．５％Ｗ）＋１６Ｎ＜４４の関係を満足し、且つ耐孔食性に優れる、
ことを特徴とする２相ステンレス鋼。 - フェライトの量が３５〜５５％の間にあり、残部がオーステナイトであることを特徴とする請求項１記載の鋼。
- Ｍｏの含有量が、０〜２．０％であることを特徴とする請求項１記載の鋼。
- Ｗの含有量が、３．０〜４．０％であることを特徴とする請求項１記載の鋼。
- ％Ｍｏ＋０．５％Ｗ＜３の関係を満足することを特徴とする請求項１記載の鋼。
- Ｃｕの含有量が、１．５〜３．０％であることを特徴とする請求項１記載の鋼。
- ％Ｍｏ＋０．５％Ｗ＜３．５２の関係を満足し、且つ同時にＣｕの含有量が１．５％を超えないことを特徴とする請求項１記載の鋼。
- ％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ＋０．５％Ｗ）＋１６Ｎの関係が、フェライト相及びオーステナイト相の双方において４０を超えないことを特徴とする請求項１記載の鋼。
- ｗｔ％で、最大０．０５％のＣと、最大０．８％のＳｉと、０．３０〜４．０％のＭｎと、２７．０〜３５．０％のＣｒと、３．０〜１０．０％のＮｉと、０〜２．０％のＭｏと、０．３０〜０．４０％のＮと、０．５〜３．０％のＣｕと、３．０〜４．０％のＷと、残部Ｆｅ、及び脱酸と熱間延性のための通常の製鋼添加物と、を含有し、且つ
％Ｍｏ＋０．５％Ｗ＜３．５２の関係と、４１＜％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ＋０．５％Ｗ）＋１６Ｎ＜４４の関係とを満足する、
ことを特徴とする請求項２記載の鋼。 - オーステナイト相中のＣｒの含有量が、少なくとも２８％であることを特徴とする請求項１記載の鋼。
- ４３＜％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ＋０．５％Ｗ）＋１６Ｎ＜４４の関係を満足することを特徴とする請求項４記載の鋼。
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