JP2019516015A - フェライト合金 - Google Patents
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Abstract
以下の元素を以下の重量％（ｗｔ％）で含有するフェライト合金：Ｃ：０．０１〜０．１、Ｎ：０．００１〜０．１、Ｏ：≦０．２、Ｃｒ：４〜１５、Ａｌ：２〜６、Ｓｉ：０．５〜３、Ｍｎ：≦０．４、Ｍｏ＋Ｗ：≦４、Ｙ：≦１．０、Ｓｃ、Ｃｅ及び／又はＬａ：≦０．２、Ｚｒ：≦０．４０、ＲＥ：≦１．０、残分はＦｅ及び通常存在する不純物であり、また以下の等式が満たされなければならない：０．０１４≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０２２。【選択図】なし
Description
本開示は、請求項１の前提部に記載のフェライト合金に関する。本開示はさらに、前記フェライト合金の使用に関し、またこの合金から作製される物体又はコーティングに関する。
フェライト合金、例えばクロム（Ｃｒ）を１５〜２５重量％の水準で、かつアルミニウム（Ａｌ）を３〜６重量％の水準で含有するＦｅＣｒＡｌ合金は、９００〜１３００℃の温度にさらされると、保護性のα−アルミナ（Ａｌ２Ｏ３：酸化アルミニウム）スケールを形成可能なことでよく知られている。アルミナスケールを形成及び維持するためのＡｌ含有量の下限は、さらされる条件によって変わる。しかしながら、高温でＡｌの水準が低すぎると、Ａｌの選択的な酸化が失敗し、より安定性が低く保護力の低い、クロム及び鉄に基づくスケールが形成されるだろう。
ＦｅＣｒＡｌ合金が、約９００℃未満の温度にさらされても、通常は保護性のα−アルミナ層を形成しないことについては、共通の理解がある。約９００℃未満の温度で保護性のα−アルミナが形成されるように、ＦｅＣｒＡｌ合金の組成を最適化する試みが行われてきた。しかしながら一般的には、これらの試みはうまくいっていない。なぜならば、酸化物／金属界面への酸素及びアルミニウムへの拡散が、低温では比較的遅く、このためアルミナスケールの形成速度が遅くなるからであり、これは、激しい腐食攻撃を受ける危険性、及びより安定性の低い酸化物が形成される危険性があることを意味する。
低温、すなわち９００℃未満の温度で生じる別の問題は、ＦｅＣｒＡｌ合金系におけるＣｒについての低温混和性ギャップから生じる、長期間での脆化現象である。この混和性ギャップは、５５０℃で約１２重量％を超えるＣｒ水準について、存在する。近年ではこの現象を避けるために、Ｃｒ約１０〜１２重量％という、Ｃｒ水準が比較的低い合金が開発されている。この群の合金は、制御された低圧Ｏ２における溶融鉛では、非常にうまくいくことが判明している。
欧州特許出願第０４７５４２０号は、約１．５〜３重量％のＣｒ、Ａｌ、Ｓｉ、並びにＲＥＭ（Ｙ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、残部はＦｅ及び不純物）から実質的に成る、急冷凝固された（ｒａｐｉｄｌｙ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ）フェライト合金に関する。このシートはさらに、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、及びＶから成る群から選択される少なくとも１種の元素を約０．００１〜０．５重量％、含むことができる。このシートは、約１０μｍ以下の粒径を有する。欧州特許出願第０７５４２０号は、溶融合金の流動性を改善するためにＳｉの添加を論じているが、延性が減少しているため、その成功は限定的である。
欧州特許出願第００９１５２６号は、熱による周期的な酸化に耐性があり、かつ熱間加工可能な合金に関し、より具体的には、希土類添加物を有する鉄・クロム・アルミニウム合金に関する。酸化に際して合金は、触媒コンバータ表面において望ましいウィスカー状組織を有する酸化物を形成する。しかしながら、こうして得られた合金には、高温耐性がない。
従って、フェライト合金の耐腐食性をさらに改善させる必要がなおも存在し、これによってこのようなフェライト合金は、高温条件の間における腐食環境で使用可能になる。本開示の態様は、上述の問題を解決するか、又は少なくとも低減させるべきである。
よって本開示は、良好な耐酸化性と、優れた延性との組み合わせをもたらすフェライト合金に関し、この合金は、以下の組成を重量％（ｗｔ％）で含む：
Ｃ：０．０１〜０．１
Ｎ：０．００１〜０．１
Ｏ：≦０．２
Ｃｒ：４〜１５
Ａｌ：２〜６
Ｓｉ：０．５〜３
Ｍｎ：≦０．４
Ｍｏ＋Ｗ≦４
Ｙ：≦１．０
Ｓｃ、Ｃｅ、及び／又はＬａ≦０．２
Ｚｒ：≦０．４０
ＲＥ：≦１．０
残部はＦｅ、及び通常存在する不純物であり、また以下の等式が満たされなければならない：
０．０１４≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０２２。
Ｃ：０．０１〜０．１
Ｎ：０．００１〜０．１
Ｏ：≦０．２
Ｃｒ：４〜１５
Ａｌ：２〜６
Ｓｉ：０．５〜３
Ｍｎ：≦０．４
Ｍｏ＋Ｗ≦４
Ｙ：≦１．０
Ｓｃ、Ｃｅ、及び／又はＬａ≦０．２
Ｚｒ：≦０．４０
ＲＥ：≦１．０
残部はＦｅ、及び通常存在する不純物であり、また以下の等式が満たされなければならない：
０．０１４≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０２２。
よって、本開示による合金中においてＣｒ及びＳｉ及びＡｌの含有量間についてある関係性が存在し、これが満たされると、優れた耐酸化性及び延性を有するとともに、上昇した耐高温腐食性との組み合わせで脆性が低下した合金が得られる。
本開示はまた、本開示によるフェライト合金を含有する物品及び／又はコーティングに関する。本開示はさらにまた、物品及び／又はコーティングを作製するための、先に、又は以下に規定するようなフェライト合金の使用に関する。
前述のように本開示は、以下の元素を重量％（ｗｔ％）で含むフェライト合金をもたらす：
Ｃ：０．０１〜０．１
Ｎ：０．００１〜０．１
Ｏ：≦０．２
Ｃｒ：４〜１５
Ａｌ：２〜６
Ｓｉ：０．５〜３
Ｍｎ：≦０．４
Ｍｏ＋Ｗ≦４
Ｙ：≦１．０
Ｓｃ、Ｃｅ、及び／又はＬａ≦０．２
Ｚｒ：≦０．４０
ＲＥ：≦１．０
残部はＦｅ、及び通常存在する不純物であり、また以下の等式が満たされなければならない：
０．０１４≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０２２。
Ｃ：０．０１〜０．１
Ｎ：０．００１〜０．１
Ｏ：≦０．２
Ｃｒ：４〜１５
Ａｌ：２〜６
Ｓｉ：０．５〜３
Ｍｎ：≦０．４
Ｍｏ＋Ｗ≦４
Ｙ：≦１．０
Ｓｃ、Ｃｅ、及び／又はＬａ≦０．２
Ｚｒ：≦０．４０
ＲＥ：≦１．０
残部はＦｅ、及び通常存在する不純物であり、また以下の等式が満たされなければならない：
０．０１４≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０２２。
驚くべきことに、先に又は以下で規定するように、すなわち合金元素をここに述べる範囲で含有する合金は、意外にも、クロムの水準が４重量％と低くても、アルミニウムが豊富な酸化物を含有する保護表面層を形成することが判明した。このことは、合金の加工性と、長期間にわたる相安定性の双方にとって、非常に重要である。それと言うのも、ここで述べる温度範囲で長時間にわたりさらされた後に、不所望の脆いσ相が減少するか、又はさらには回避されるからである。こうしてＳｉとＡｌとＣｒとの相互作用は、アルミニウムが豊富な酸化物を含有する、安定で連続的な保護表面層の形成を強化し、上記等式を用いることによって、Ｓｉを添加することが可能になり、さらに様々な物品へと製造及び形成することがともに可能であるフェライト合金を得ることができる。発明者らは驚くべきことに、Ｓｉ及びＡｌ及びＣｒの量が、以下の条件を満たすように調整されると（元素について全ての数字は、重量分数である）：
０．０１４≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０２２
得られた合金が、本開示のＣｒ範囲内において優れた耐酸化性と、加工性と、形状安定性との組み合わせを有することを見出した。１つの実施態様によれば、０．０１５≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０２１、例えば０．０１６≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０２０、例えば０．０１７≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０１９である。
０．０１４≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０２２
得られた合金が、本開示のＣｒ範囲内において優れた耐酸化性と、加工性と、形状安定性との組み合わせを有することを見出した。１つの実施態様によれば、０．０１５≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０２１、例えば０．０１６≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０２０、例えば０．０１７≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０１９である。
本開示のフェライト合金は、約９００℃未満の低温で特に有用である。それと言うのも、アルミニウムが豊富な酸化物を含有する保護表面層は、本開示によるフェライト合金製の物品及び／又はコーティング上に形成され、この保護表面層は、物品及び／又はコーティングの腐食、酸化及び脆化を防止するからである。さらに、本開示によるフェライト合金は、４００℃という低温での腐食、酸化及び脆化に対する保護をもたらすことができる。それと言うのも、アルミニウムが豊富な酸化物を含有する保護表面層は、本開示によるフェライト合金製の物品及び／又はコーティングの表面上に形成されるからである。さらに、本開示による合金はまた、約１１００℃までの温度で優れており、４００〜６００℃の温度範囲において長期間にわたる脆化傾向が、減少している。
本開示による合金は、コーティングの形態で使用できる。さらに、物品は本開示による合金を含むこともできる。本開示によれば、「コーティング」という用語は、本開示によるフェライト合金が、腐食環境にさらされる（すなわちベース材料と接触する）層の形態で存在する実施態様を言い、ここで腐食を成し遂げる手段と方法は問わず、また層とベース材料との相対的な厚さ関係は問わない。従ってその例は、ＰＶＤコーティング、クラッディング、又はコンパウンド若しくは複合材料であるが、これらに限られない。この合金の目的は、腐食及び酸化の双方から、その下にある材料を保護すべきであるということである。適切な物品の例は、コンパウンドチューブ、チューブ、ボイラ、ガスタービン部材、及び水蒸気タービン部材であるが、これらに限られない。その他の例には、過熱器、発電所における水壁、容器又は熱交換器における部材（例えば、炭化水素又はＣＯ／ＣＯ２を含有する気体を改質するため、又はその他の処理をするためのもの）、鋼及びアルミニウムの工業的な熱処理と関連して用いられる部材、粉末冶金法、ガス式及び電気式の加熱要素が含まれる。
さらに、本開示による合金は、腐食条件を有する環境で使用するために適している。このような環境の例には、塩、液体鉛、及びその他の金属にさらされること、灰若しくは炭素含有量が高い堆積物にさらされること、燃焼雰囲気に、低Ｏ２分圧及び／又は高Ｎ２及び／又は高い炭素活性を有する雰囲気といった環境が含まれるが、これらに限られない。
さらに、本開示によるフェライト合金は、慣用の冶金学から急冷凝固までの一般的に行われる凝固速度を用いて作製することができる。本開示による合金は、プレス加工され、押出成形されたあらゆる種類の物品（例えばワイヤ、ストリップ、バー及びプレート）を作製するためにも適している。当業者であれば分かるように、熱間及び冷間塑性変形の程度、また結晶粒組織及び結晶粒度は、物品の形状と製造経路により様々である。
先に、また以下で規定する合金について必須の合金元素の機能と作用は、以下の段落で示す。各合金元素の機能及び作用についての列挙は、完全なものとみなされるべきではなく、これらの合金元素についてさらなる機能及び作用が存在し得る。
炭素（Ｃ）
炭素は、製造方法から生じる不可避的不純物として、存在し得る。炭素は、析出硬化により強度を増加させるために、先に、又は以下で規定するようにフェライト合金中に含まれていてもよい。合金における強度について顕著な効果を奏するために、炭素は少なくとも０．０１重量％の量で存在するのが望ましい。その水準が高すぎると、炭素は材料の形成を困難にする恐れがあり、耐腐食性について否定的な作用をもたらすこともある。よって炭素の最大量は、０．１重量％である。炭素含有量は例えば、０．０２〜０．０９重量％、例えば０．０２〜０．０８重量％、例えば０．０２〜０．０７重量％、例えば０．０２〜０．０６重量％、例えば０．０２〜０．０５重量％、例えば０．０１〜０．０４重量％である。
炭素は、製造方法から生じる不可避的不純物として、存在し得る。炭素は、析出硬化により強度を増加させるために、先に、又は以下で規定するようにフェライト合金中に含まれていてもよい。合金における強度について顕著な効果を奏するために、炭素は少なくとも０．０１重量％の量で存在するのが望ましい。その水準が高すぎると、炭素は材料の形成を困難にする恐れがあり、耐腐食性について否定的な作用をもたらすこともある。よって炭素の最大量は、０．１重量％である。炭素含有量は例えば、０．０２〜０．０９重量％、例えば０．０２〜０．０８重量％、例えば０．０２〜０．０７重量％、例えば０．０２〜０．０６重量％、例えば０．０２〜０．０５重量％、例えば０．０１〜０．０４重量％である。
窒素（Ｎ）
窒素は、製造方法から生じる不可避的不純物として、存在し得る。窒素は、析出硬化により強度を増加させるために、特に粉末冶金法の経路を適用する場合に、先に、又は以下で規定するようにフェライト合金中に含まれていてもよい。その水準が高すぎると、窒素は合金の形成を困難にする恐れがあり、耐腐食性について否定的な作用をもたらすこともある。よって窒素の最大量は、０．１重量％である。窒素についての適切な範囲は例えば、０．００１〜０．０８重量％、例えば０．００１〜０．０５重量％、例えば０．００１〜０．０４重量％、例えば０．００１〜０．０３重量％、例えば０．００１〜０．０２重量％である。
窒素は、製造方法から生じる不可避的不純物として、存在し得る。窒素は、析出硬化により強度を増加させるために、特に粉末冶金法の経路を適用する場合に、先に、又は以下で規定するようにフェライト合金中に含まれていてもよい。その水準が高すぎると、窒素は合金の形成を困難にする恐れがあり、耐腐食性について否定的な作用をもたらすこともある。よって窒素の最大量は、０．１重量％である。窒素についての適切な範囲は例えば、０．００１〜０．０８重量％、例えば０．００１〜０．０５重量％、例えば０．００１〜０．０４重量％、例えば０．００１〜０．０３重量％、例えば０．００１〜０．０２重量％である。
酸素（Ｏ）
酸素は、製造方法から生じる不純物として、先に、又は以下で規定するように合金中に存在し得る。この場合、酸素の量は最大０．０２重量％、例えば最大０．００５重量％である。酸素を意図的に添加して、分散強化により強度をもたらす場合、粉末冶金法の経路を通じて合金を作製する時と同じように、先に、又は以下で規定するように合金は、酸素を最大で０．２重量％、又は０．２重量％含有する。
酸素は、製造方法から生じる不純物として、先に、又は以下で規定するように合金中に存在し得る。この場合、酸素の量は最大０．０２重量％、例えば最大０．００５重量％である。酸素を意図的に添加して、分散強化により強度をもたらす場合、粉末冶金法の経路を通じて合金を作製する時と同じように、先に、又は以下で規定するように合金は、酸素を最大で０．２重量％、又は０．２重量％含有する。
クロム（Ｃｒ）
クロムは主に、マトリックスの固溶体元素として、本開示による合金中に存在する。クロムは、いわゆる「第三元素効果」により、すなわち、移行的な酸化状態で酸化クロムを形成することによって、合金における酸化アルミニウム層の形成を促進する。この目的を達するためにクロムは、少なくとも４重量％の量で、先に、又は以下で規定するように合金中に存在するのが望ましい。本開示による独創的な合金においてＣｒは、脆いσ相及びＣｒ３Ｓｉの形成されやすさも強化してしまう。この作用は約１２重量％で現れ、１５重量％を超える水準で強化されるため、Ｃｒの上限は、１５重量％である。酸化という観点からも、１５重量％より高い水準では、保護性の酸化物スケールに対してＣｒが不所望の貢献をすることになる。１つの実施態様によれば、Ｃｒの含有量は、５〜１３重量％、例えば５〜１２重量％、例えば６〜１２重量％、例えば７〜１１重量％、例えば８〜１０重量％である。
クロムは主に、マトリックスの固溶体元素として、本開示による合金中に存在する。クロムは、いわゆる「第三元素効果」により、すなわち、移行的な酸化状態で酸化クロムを形成することによって、合金における酸化アルミニウム層の形成を促進する。この目的を達するためにクロムは、少なくとも４重量％の量で、先に、又は以下で規定するように合金中に存在するのが望ましい。本開示による独創的な合金においてＣｒは、脆いσ相及びＣｒ３Ｓｉの形成されやすさも強化してしまう。この作用は約１２重量％で現れ、１５重量％を超える水準で強化されるため、Ｃｒの上限は、１５重量％である。酸化という観点からも、１５重量％より高い水準では、保護性の酸化物スケールに対してＣｒが不所望の貢献をすることになる。１つの実施態様によれば、Ｃｒの含有量は、５〜１３重量％、例えば５〜１２重量％、例えば６〜１２重量％、例えば７〜１１重量％、例えば８〜１０重量％である。
アルミニウム（Ａｌ）
アルミニウムは、先に、又は以下で規定するように合金において重要な元素である。アルミニウムは、高温で酸素にさらされると、選択的酸化により稠密で薄い酸化物（Ａｌ２Ｏ３）を形成し、これによってその下にある合金表面が、さらなる酸化から保護される。アルミニウムの量は、アルミニウムが豊富な酸化物を含有する保護表面層が形成されることを保証するため、また損傷を受けた場合に、保護表面層を修復するために充分なアルミニウムが存在することを保証するためには、少なくとも２重量％であるのが望ましい。しかしながら、アルミニウムは成形性に対して否定的な影響を与え、アルミニウムの量が多いと、合金を機械的に加工する間に、合金において亀裂が形成されることがある。従ってアルミニウムの量は、６重量％を超えないのが望ましい。アルミニウムは例えば、３〜５重量％、例えば２．５〜４．５重量％、例えば３〜４重量％、存在し得る。
アルミニウムは、先に、又は以下で規定するように合金において重要な元素である。アルミニウムは、高温で酸素にさらされると、選択的酸化により稠密で薄い酸化物（Ａｌ２Ｏ３）を形成し、これによってその下にある合金表面が、さらなる酸化から保護される。アルミニウムの量は、アルミニウムが豊富な酸化物を含有する保護表面層が形成されることを保証するため、また損傷を受けた場合に、保護表面層を修復するために充分なアルミニウムが存在することを保証するためには、少なくとも２重量％であるのが望ましい。しかしながら、アルミニウムは成形性に対して否定的な影響を与え、アルミニウムの量が多いと、合金を機械的に加工する間に、合金において亀裂が形成されることがある。従ってアルミニウムの量は、６重量％を超えないのが望ましい。アルミニウムは例えば、３〜５重量％、例えば２．５〜４．５重量％、例えば３〜４重量％、存在し得る。
ケイ素（Ｓｉ）
市販のＦｅＣｒＡｌ合金において、ケイ素はしばしば、最大０．４重量％の水準で存在する。先に、又は以下で規定するようにフェライト合金においてＳｉは、重要な役割を果たす。それと言うのもケイ素は、耐酸化性及び耐腐食性を改善させるという優れた効果を有することが判明しているからである。Ｓｉの上限は、熱間条件及び冷間条件における加工性の喪失によって、また長期間さらされる間に脆いＣｒ３Ｓｉ及びσ相の形成されやすさが増大することによって、定まる。よってＳｉの添加は、Ａｌ及びＣｒの含有量との関係で、行わなければならない。よってＳｉの量は、０．５〜３重量％、例えば１〜３重量％、例えば１〜２．５重量％、例えば１．５〜２．５重量％である。
市販のＦｅＣｒＡｌ合金において、ケイ素はしばしば、最大０．４重量％の水準で存在する。先に、又は以下で規定するようにフェライト合金においてＳｉは、重要な役割を果たす。それと言うのもケイ素は、耐酸化性及び耐腐食性を改善させるという優れた効果を有することが判明しているからである。Ｓｉの上限は、熱間条件及び冷間条件における加工性の喪失によって、また長期間さらされる間に脆いＣｒ３Ｓｉ及びσ相の形成されやすさが増大することによって、定まる。よってＳｉの添加は、Ａｌ及びＣｒの含有量との関係で、行わなければならない。よってＳｉの量は、０．５〜３重量％、例えば１〜３重量％、例えば１〜２．５重量％、例えば１．５〜２．５重量％である。
マンガン（Ｍｎ）
マンガンは、先に、又は以下で規定するように合金中で不純物として、最大０．４重量％、例えば０〜０．３重量％、存在し得る。
マンガンは、先に、又は以下で規定するように合金中で不純物として、最大０．４重量％、例えば０〜０．３重量％、存在し得る。
イットリウム（Ｙ）
溶解冶金学においてイットリウムは、保護表面層の接着性を改善させるために、最大０．３重量％の量で添加することができる。さらに、粉末冶金学においてイットリウムが、酸素及び／又は窒素とともに分散液を作るために添加される場合、イットリウム含有量は、酸化物及び／又は窒化物による所望の分散硬化作用を達成するために、少なくとも０．０４重量％の量である。分散硬化された合金におけるイットリウムの最大量は、酸素含有イットリウム化合物の形態において、最大１．０重量％であり得る。
溶解冶金学においてイットリウムは、保護表面層の接着性を改善させるために、最大０．３重量％の量で添加することができる。さらに、粉末冶金学においてイットリウムが、酸素及び／又は窒素とともに分散液を作るために添加される場合、イットリウム含有量は、酸化物及び／又は窒化物による所望の分散硬化作用を達成するために、少なくとも０．０４重量％の量である。分散硬化された合金におけるイットリウムの最大量は、酸素含有イットリウム化合物の形態において、最大１．０重量％であり得る。
スカンジウム（Ｓｃ）、セリウム（Ｃｅ）、及びランタン（Ｌａ）
スカンジウム、セリウム、及びランタンは、相互に交換可能な元素であり、酸化特性、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層の自己修復性、又は合金とＡｌ２Ｏ３層との接着性を改善させるために、個々に又は組み合わせで、合計で最大０．２重量％、添加することができる。
スカンジウム、セリウム、及びランタンは、相互に交換可能な元素であり、酸化特性、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層の自己修復性、又は合金とＡｌ２Ｏ３層との接着性を改善させるために、個々に又は組み合わせで、合計で最大０．２重量％、添加することができる。
モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）
モリブデンもタングステンもともに、先に、又は以下で規定するように合金の熱間強度に対して肯定的な効果を有する。Ｍｏはまた、湿潤腐食特性に対して肯定的な効果も有する。これらの元素は、個々に又は組み合わせで、最大４．０重量％、例えば０〜２．０重量％の量で添加することができる。
モリブデンもタングステンもともに、先に、又は以下で規定するように合金の熱間強度に対して肯定的な効果を有する。Ｍｏはまた、湿潤腐食特性に対して肯定的な効果も有する。これらの元素は、個々に又は組み合わせで、最大４．０重量％、例えば０〜２．０重量％の量で添加することができる。
反応性元素（ＲＥ）
反応性元素とは、炭素、窒素、及び酸素と反応性が高いものと定義される。チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、及びトリウム（Ｔｈ）は、その意味で反応性元素であり、これらの元素は炭素に対して親和性が高く、そのため強力な炭化物形成体である。これらの元素は、合金の酸化特性を改善させるために添加される。元素の合計量は、最大１．０重量％、例えば０．４重量％、例えば最大０．１５重量％である。
反応性元素とは、炭素、窒素、及び酸素と反応性が高いものと定義される。チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、及びトリウム（Ｔｈ）は、その意味で反応性元素であり、これらの元素は炭素に対して親和性が高く、そのため強力な炭化物形成体である。これらの元素は、合金の酸化特性を改善させるために添加される。元素の合計量は、最大１．０重量％、例えば０．４重量％、例えば最大０．１５重量％である。
各反応性元素の最大量は主に、元素が不都合な金属間化合相を形成する傾向による。
ジルコニウム（Ｚｒ）
ジルコニウムはしばしば、反応性元素と呼ばれる。それと言うのもジルコニウムは、酸素、窒素、及び炭素に対して非常に反応性だからである。本開示による合金においてＺｒは、２つの役割を有することが判明している。それと言うのもジルコニウムは、アルミニウムが豊富な酸化物を含有する保護表面層に存在し、これによって耐酸化性が改善されるとともに、ジルコニウムは炭化物及び窒化物も形成するからである。よって、アルミニウムが豊富な酸化物を含有する保護表面層について最良の特性を達成するためには、合金中にＺｒを含有させることが有利である。
ジルコニウムはしばしば、反応性元素と呼ばれる。それと言うのもジルコニウムは、酸素、窒素、及び炭素に対して非常に反応性だからである。本開示による合金においてＺｒは、２つの役割を有することが判明している。それと言うのもジルコニウムは、アルミニウムが豊富な酸化物を含有する保護表面層に存在し、これによって耐酸化性が改善されるとともに、ジルコニウムは炭化物及び窒化物も形成するからである。よって、アルミニウムが豊富な酸化物を含有する保護表面層について最良の特性を達成するためには、合金中にＺｒを含有させることが有利である。
しかしながら、０．４０重量％を超えるＺｒ水準では、Ｚｒが豊富な金属間化合物介在物が形成されるため、酸化に対して影響があり、０．０５重量％未満の水準では、Ｃ含有量及びＮ含有量に拘わらず、２つの目的を達成するためには少な過ぎる。よってＺｒが存在する場合、その範囲は０．０５〜０．４０重量％、例えば０．１０〜０．３５重量％である。
さらに、ＺｒとＮとＣとの関係性は、保護表面層（すなわちアルミナスケール）についてさらに良好な耐酸化性を達成するために、重要であり得ることが判明している。よって発明者らは驚くべきことに、Ｚｒを合金に添加する場合、この合金がＮ及びＣを以下の条件（元素含有量は重量％で示す）：
が満たされるように含有すると、
得られる合金は、良好な耐酸化性を獲得することを見出した。
が満たされるように含有すると、
得られる合金は、良好な耐酸化性を獲得することを見出した。
先に、又は以下で規定するようにフェライト合金における残分はＦｅ、及び不可避の不純物である。不可避の不純物の例は、何らかの目的で添加された元素又は化合物ではないが、例えばフェライト合金を作製するために使用される材料中に不純物として通常存在するため、完全には回避できない元素又は化合物である。
図１ａ及び１ｂは、Ｓｉ含有フェライト合金においてＣｒが多いほど、Ｓｉ３Ｃｒ介在物が形成されやすいこと、及び２０％のＣｒでは、焦点となる温度領域において長時間さらされた後、不所望の脆いσ相が促進されることを示している。これらのグラフは、２つのＣｒ水準（１０％及び２０％）について示したものに過ぎないものの、Ｃｒが多くなると脆い相が増加する傾向は、明らかに示されている。１０％のＣｒではσ相が存在しないこと、及びＳｉ含有量が多いと、双方のＣｒ水準でＳｉ３Ｃｒ相の量が増加することに留意されたい。従ってこれらの図は、Ｃｒを約２０％の水準で使用すると、問題が生じるであろうことを示している。
「≦」又は「以下」という表現を次の文脈：「元素≦数」で使用する場合、当業者であれば、その他の数字について特に言及されていない限り、その範囲の下限が０重量％であることが分かる。さらに、不定冠詞「ａ（１つの）」は、複数であることを排除するものではない。
以下の非限定的な実施例によって本開示をさらに説明する。
試験溶融物は、真空溶融炉で製造した。試験溶融物の組成を、表１に示す。
得られた試料を熱間ローラ加工し、機械加工して、２×１０ｍｍの断面を有する平らなロッドにした。それから、空気及び燃焼条件にさらすために、これらのロッドを切断して、２０ｍｍの長い断片にし、ＳｉＣペーパで８００メッシュに磨いた。室温で引張試験機のＺｗｉｃｋ／Ｒｏｅｌｌ Ｚ１００により引張試験をするため、数本のロッドは、長さ２００ｍｍ×３×１２ｍｍのロッドに切断した。
暴露試験及び引張試験の結果を表１に示す。
これらの試料について、降伏応力及び破断応力、並びに標準的な引張試験機における破断点伸びを試験し、＞３％の伸びを示す結果は、表中の「加工性」の列で「ｘ」と示されている。よって「ｘ」は、熱間ローラ加工が容易な合金であることを示し、これは室温における延性を表す。「酸化性」という列において「ｘ」は、合金が、保護性のアルミナが豊富な酸化物スケールを、空気中では９５０℃で、バイオマスの灰堆積物では８５０℃で、形成することを示す。
よって、上記表からも分かるように、本開示による合金は、良好な加工性及び良好な酸化性を示す。
図２ａ）〜ｅ）は、大量のカリウムを含有するバイオマス（木質ペレット）灰にさらされる、８５０℃で１時間のサイクルに５０回さらした後に、本開示の研磨部分の試料（図２ａ）は４７８３、及び２ｂ）は４７７９）を、３種の参照用合金と比較して開示している。これらの顕微鏡写真は、ＪＥＯＬ ＦＥＧ ＳＥＭで倍率１００倍で撮影されたものであり、本開示による合金と、参照用材料との性質との間で明確な利点を示す。ここから見て取れるように、本開示による合金では、３〜４μｍと薄い保護性アルミナスケール（酸化アルミニウム層）が形成されており、一方でステンレス鋼（２ｃ：１１Ｎｉ、２１Ｃｒ、Ｎ、Ｃｅ、残分はＦｅ）、及びＮｉ基合金（２ｅ：インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）６２５：５８Ｎｉ、２１Ｃｒ、０．４Ａｌ、０．５Ｓｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｆｅ）には、比較的厚く保護性に乏しいクロミア（酸化クロム）が豊富なスケールが形成され、比較例のＦｅＣｒＡｌ合金（合金４７７６）（図２ｄ：２０Ｃｒ、５Ａｌ、０．０４Ｓｉ、残分はＦｅ）には、相対的に多孔質で非保護性のアルミナスケールが形成される。
図２ａ〜ｅから見て取れるように、Ｓｉ、Ａｌ及びＣｒを本開示に従った範囲で添加することによって、Ａｌ水準が約２重量％と低くても、またクロム水準が５重量％と低くても、アルミナスケール形成が促進される。
Claims (17)
- 以下の元素を以下の重量％（ｗｔ％）で含むフェライト合金：
Ｃ：０．０１〜０．１
Ｎ：０．００１〜０．１
Ｏ：≦０．２
Ｃｒ：４〜１５
Ａｌ：２〜６
Ｓｉ：０．５〜３
Ｍｎ：≦０．４
Ｍｏ＋Ｗ：≦４
Ｙ：≦１．０
Ｓｃ、Ｃｅ、及び／又はＬａ：≦０．２
Ｚｒ：≦０．４０
ＲＥ：≦１．０
残部はＦｅ、及び通常存在する不純物であり、以下の等式が満たされなければならない（元素は重量分率）：
０．０１４≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０２２。 - （元素は重量分率）
０．０１５≦（Ａｌ＋０．５Ｓｉ）（Ｃｒ＋１０Ｓｉ＋０．１）≦０．０２１
である、請求項１に記載のフェライト合金。 - Ｚｒが０．０５〜０．４０重量％である、請求項１又は２に記載のフェライト合金。
- Ｃｒが５〜１３重量％である、請求項１から３のいずれか１項に記載のフェライト合金。
- Ｃｒが６〜１２重量％である、請求項１から４のいずれか１項に記載のフェライト合金。
- Ａｌが、２．５〜４．５重量％であるか、又は３〜５重量％である、請求項１から５のいずれか１項に記載のフェライト合金。
- Ａｌが３〜４重量％である、請求項１から６のいずれか１項に記載のフェライト合金。
- Ｓｉが１．０〜３重量％である、請求項１から７のいずれか１項に記載のフェライト合金。
- Ｓｉが１．５〜２．５重量％である、請求項１から８のいずれか１項に記載のフェライト合金。
- Ｚｒが０．１０〜０．３５重量％である、請求項１から９のいずれか１項に記載のフェライト合金。
- Ｃ、Ｎ及びＺｒが、以下の等式：
を満たす、請求項１から１０のいずれか１項に記載のフェライト合金。 - 請求項１から１１のいずれか１項に記載のフェライト合金を含む、コーティング。
- 請求項１から１１のいずれか１項に記載のフェライト合金を含む、物品。
- コーティング及び／又はクラッディング及び／又は物品を作製するための、請求項１から１１のいずれか１項に記載のフェライト合金の使用。
- 腐食環境で使用すべき物品又はコーティングを作製するための、請求項１から１１のいずれか１項に記載のフェライト合金の使用。
- 炉内で、又は加熱要素として使用すべき物品又はコーティングを作製するための、請求項１から１１のいずれか１項に記載のフェライト合金の使用。
- フェライト合金が、塩、液体鉛及びその他の金属に、灰若しくは炭素含有量が高い堆積物に、燃焼雰囲気に、低Ｏ２分圧及び／又は高Ｎ２及び／又は高い炭素活性を有する雰囲気にさらされる環境における、請求項１から１１のいずれか１項に記載のフェライト合金の使用。
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