JP2022046521A - Ferritic alloy - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ferritic alloy further improved in the corrosion resistance.
SOLUTION: The ferritic alloy comprises the following elements in following weight percentage (wt.%): C of 0.01 to 0.1; N of 0.001 to 0.1; O of 0.2 or less; Cr of 4 to 15; Al of 2 to 6; Si of 0.5 to 3; Mn of 0.4 or less; Mo+W of 4 or less; Y of 1.0 or less; Sc, Ce and/or La of 0.2 or less; Zr of 0.40 or less; RE of 1.0 or less; and the balance consisting of Fe and normally occurring impurities, where the following inequality has to be fulfilled: 0.014≤(Al+0.5Si)(Cr+10Si+0.1)≤0.022.
SELECTED DRAWING: None
COPYRIGHT: (C)2022,JPO&INPIT

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。 The present disclosure relates to the ferrite alloy according to the premise of claim 1. The present disclosure further relates to the use of said ferrite alloys and to objects or coatings made from the alloys.

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(Al: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 alloys containing ferrite alloys, such as chromium (Cr) at a level of 15-25% by weight and aluminum (Al) at a level of 3-6% by weight, are protected when exposed to temperatures of 900-1300 ° C. It is well known that it can form a sex α-alumina (Al 2 O 3 : aluminum oxide) scale. The lower limit of the Al content for forming and maintaining the alumina scale depends on the conditions exposed. However, if the level of Al is too low at high temperatures, selective oxidation of Al will fail, forming less stable and less protective scales based on chromium and iron.

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。 There is a common understanding that FeCrAl alloys do not normally form a protective α-alumina layer when exposed to temperatures below about 900 ° C. Attempts have been made to optimize the composition of the FeCrAl alloy so that protective α-alumina is formed at temperatures below about 900 ° C. However, in general, these attempts have not been successful. This is because the diffusion of oxygen and aluminum into the oxide / metal interface is relatively slow at low temperatures, which slows the rate of formation of the alumina scale, which is at risk of severe corrosion attack and. This means that there is a risk of forming less stable oxides.

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O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。 Another problem that arises at low temperatures, i.e. below 900 ° C., is the long-term embrittlement phenomenon that results from the low temperature miscibility gap for Cr in FeCrAl alloy systems. This miscibility gap is present for Cr levels above about 12% by weight at 550 ° C. In recent years, in order to avoid this phenomenon, alloys having a relatively low Cr level of about 10 to 12% by weight have been developed. This group of alloys has been found to work very well with molten lead at controlled low pressure O2 .

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。 European Patent Application No. 0475420 is a quench solidification consisting substantially of about 1.5-3 wt% Cr, Al, Si, and REM (Y, Ce, La, Pr, Nd, the balance is Fe and impurities). With respect to a patently solidified ferrite alloy. The sheet can further contain from about 0.001 to 0.5% by weight of at least one element selected from the group consisting of Ti, Nb, Zr, and V. This sheet has a particle size of about 10 μm or less. European Patent Application No. 0754420 discusses the addition of Si to improve the fluidity of molten alloys, but its success is limited due to the reduced ductility.

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。 European Patent Application No. 0091526 relates to alloys that are resistant to periodic oxidation by heat and can be hot-worked, and more specifically to iron-chromium-aluminum alloys with rare earth additives. Upon oxidation, the alloy forms an oxide with a desirable whisker-like structure on the surface of the catalytic converter. However, the alloy thus obtained does not have high temperature resistance.

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。 Therefore, there is still a need to further improve the corrosion resistance of ferrite alloys, which allows such ferrite alloys to be used in corrosive environments during high temperature conditions. Aspects of the present disclosure should solve, or at least reduce, the above-mentioned problems.

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。
Thus, the present disclosure relates to a ferrite alloy that provides a combination of good oxidation resistance and excellent ductility, which comprises the following composition by weight% (wt%):
C: 0.01-0.1
N: 0.001 to 0.1
O: ≤0.2
Cr: 4 to 15
Al: 2-6
Si: 0.5-3
Mn: ≤0.4
Mo + W ≦ 4
Y: ≤1.0
Sc, Ce, and / or La ≦ 0.2
Zr: ≤0.40
RE: ≤1.0
The balance is Fe, and normally present impurities, and the following equation must be satisfied:
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。 Therefore, there is a certain relationship between the contents of Cr, Si and Al in the alloy according to the present disclosure, and when this is satisfied, it has excellent oxidation resistance and ductility, and in combination with increased high temperature corrosion resistance. An alloy with reduced brittleness can be obtained.

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。 The present disclosure also relates to articles and / or coatings containing ferrite alloys according to the present disclosure. The present disclosure further relates to the use of ferrite alloys as previously or as defined below for making articles and / or coatings.

aは、Fe-10%Cr-5%Alにおける相について、Si水準を横軸に取ったものであり、bは、Fe-20%Cr-5%Alにおける相について、Si水準を横軸に取ったものを開示している。これらのグラフは、データベースTCFE7、及びThermocalc softwareを用いて作成したものである。a shows the Si level on the horizontal axis for the phase at Fe-10% Cr-5% Al, and b shows the Si level on the horizontal axis for the phase at Fe-20% Cr-5% Al. I am disclosing what I took. These graphs were created using the database TCFE7 and Thermocalc software. a~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、本開示による2種の合金研磨部分を、3種の参照用合金と比較して開示している。a to e are exposed to a large amount of potassium-containing biomass (wood pellet) ash, exposed 50 times in a 1-hour cycle at 850 ° C., and then the two alloy-polished portions according to the present disclosure are referred to as three types. It is disclosed in comparison with the alloy for use.

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。
As mentioned above, the present disclosure yields ferrite alloys containing the following elements by weight% (wt%):
C: 0.01-0.1
N: 0.001 to 0.1
O: ≤0.2
Cr: 4 to 15
Al: 2-6
Si: 0.5-3
Mn: ≤0.4
Mo + W ≦ 4
Y: ≤1.0
Sc, Ce, and / or La ≦ 0.2
Zr: ≤0.40
RE: ≤1.0
The balance is Fe, and normally present impurities, and the following equation must be satisfied:
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。
Surprisingly, as specified above or below, alloys containing alloying elements in the range described herein are surprisingly aluminum-rich oxidations, even at as low as 4% by weight of chromium. It was found to form a protective surface layer containing the material. This is very important for both the processability of the alloy and the long-term phase stability. This is because the undesired brittle sigma phase is reduced or even avoided after prolonged exposure in the temperature range described herein. Thus, the interaction of Si with Al and Cr enhances the formation of a stable and continuous protective surface layer containing aluminum-rich oxides, and Si can be added by using the above equation. It is possible to obtain a ferrite alloy that can be manufactured and formed into various articles. Surprisingly, the inventors have adjusted the amounts of Si and Al and Cr to meet the following conditions (all numbers for elements are fractions by weight):
0.014 ≤ (Al + 0.5Si) x (Cr + 10Si + 0.1) ≤ 0.022
It has been found that the obtained alloy has a combination of excellent oxidation resistance, processability and shape stability within the Cr range of the present disclosure. According to one embodiment, 0.015 ≦ (Al + 0.5Si) × (Cr + 10Si + 0.1) ≦ 0.021, for example 0.016 ≦ (Al + 0.5Si) × (Cr + 10Si + 0.1) ≦ 0.020, for example. 0.017 ≦ (Al + 0.5Si) × (Cr + 10Si + 0.1) ≦ 0.019.

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。 The ferrite alloys of the present disclosure are particularly useful at low temperatures below about 900 ° C. That is, a protective surface layer containing an aluminum-rich oxide is formed on an article and / or coating made of a ferrite alloy according to the present disclosure, and this protective surface layer is corroded on the article and / or coating. This is because it prevents oxidation and embrittlement. In addition, the ferrite alloys according to the present disclosure can provide protection against corrosion, oxidation and embrittlement at temperatures as low as 400 ° C. This is because the protective surface layer containing aluminum-rich oxides is formed on the surface of the ferrite alloy articles and / or coatings according to the present disclosure. Moreover, the alloys according to the present disclosure are also excellent at temperatures up to about 1100 ° C, reducing the long-term embrittlement tendency over the temperature range of 400-600 ° C.

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/CO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。 The alloys according to the present disclosure can be used in the form of coatings. In addition, the article may also include alloys according to the present disclosure. According to the present disclosure, the term "coating" refers to an embodiment in which the ferrite alloy according to the present disclosure exists in the form of a layer exposed to a corrosive environment (ie, in contact with a base material), wherein the means for achieving corrosion. And the method does not matter, and the relative thickness relationship between the layer and the base material does not matter. Thus, examples are, but are not limited to, PVD coatings, claddings, or compounds or composites. The purpose of this alloy is that the underlying material should be protected from both corrosion and oxidation. Examples of suitable articles are, but are not limited to, compound tubes, tubes, boilers, gas turbine members, and steam turbine members. Other examples include superheaters, water walls in power plants, containers or components in heat exchangers (eg, for modifying hydrocarbons or gases containing CO / CO 2 or for other treatments). Stuff), components used in connection with industrial heat treatment of steel and aluminum, powder metallurgy, gas and electric heating elements.

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O分圧及び/又は高N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。 In addition, the alloys according to the present disclosure are suitable for use in environments with corrosive conditions. Examples of such environments include exposure to salts, liquid lead, and other metals, exposure to ash or high carbon content deposits, low O2 partial pressure and / or high in the combustion atmosphere. Environments such as N 2 and / or an atmosphere with high carbon activity are included, but not limited to these.

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。 In addition, the ferrite alloys according to the present disclosure can be made using commonly performed solidification rates from conventional metallurgy to quench solidification. Alloys according to the present disclosure are also suitable for making all kinds of articles (eg, wires, strips, bars and plates) that have been stamped and extruded. As will be appreciated by those skilled in the art, the degree of hot and cold plastic deformation, as well as the grain structure and grain size, will vary depending on the shape of the article and the manufacturing route.

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。 The functions and actions of the alloying elements essential for the alloys specified above and below are shown in the following paragraphs. The enumeration of the functions and actions of each alloying element should not be considered complete and additional functions and actions may exist for these alloying elements.

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。
Carbon (C)
Carbon can exist as an unavoidable impurity resulting from the manufacturing process. Carbon may be included earlier or in the ferrite alloy as specified below in order to increase the strength by precipitation hardening. Carbon is preferably present in an amount of at least 0.01% by weight in order to have a significant effect on strength in the alloy. If that level is too high, carbon can make the formation of the material difficult and can have a negative effect on corrosion resistance. Therefore, the maximum amount of carbon is 0.1% by weight. The carbon content is, for example, 0.02 to 0.09% by weight, for example 0.02 to 0.08% by weight, for example 0.02 to 0.07% by weight, for example 0.02 to 0.06% by weight, for example. It is 0.02 to 0.05% by weight, for example, 0.01 to 0.04% by weight.

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。
Nitrogen (N)
Nitrogen can be present as an unavoidable impurity resulting from the manufacturing process. Nitrogen may be included earlier or in the ferrite alloy as specified below, especially when the powder metallurgy route is applied, in order to increase the strength by precipitation hardening. If that level is too high, nitrogen can make alloy formation difficult and can have a negative effect on corrosion resistance. Therefore, the maximum amount of nitrogen is 0.1% by weight. Suitable ranges for nitrogen are, for example, 0.001 to 0.08% by weight, for example 0.001 to 0.05% by weight, for example 0.001 to 0.04% by weight, for example 0.001 to 0.03% by weight. %, For example 0.001 to 0.02% by weight.

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。
Oxygen (O)
Oxygen can be present as an impurity resulting from the manufacturing process, either earlier or in the alloy as specified below. In this case, the amount of oxygen is up to 0.02% by weight, for example up to 0.005% by weight. If oxygen is intentionally added to provide strength through dispersion strengthening, the alloy will be oxygenated at maximum, as when making the alloy through the powder metallurgy pathway, either earlier or as specified below. Contains 0.2% by weight or 0.2% by weight.

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CrSi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。
Chromium (Cr)
Chromium is mainly present in the alloys according to the present disclosure as a solid solution element of the matrix. Chromium promotes the formation of aluminum oxide layers in alloys by the so-called "third element effect", i.e., by forming chromium oxide in a transitional oxidation state. To this end, chromium is preferably present in an amount of at least 4% by weight, either earlier or in the alloy as specified below. In the original alloy according to the present disclosure, Cr also enhances the easiness of forming a brittle σ phase and Cr 3Si . This effect appears at about 12% by weight and is enhanced at levels above 15% by weight, so the upper limit for Cr is 15% by weight. From the point of view of oxidation, at a level higher than 15% by weight, Cr makes an undesired contribution to the protective oxide scale. According to one embodiment, the Cr content is 5-13% by weight, such as 5-12% by weight, such as 6-12% by weight, such as 7-11% by weight, such as 8-10% by weight.

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(Al)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。
Aluminum (Al)
Aluminum is an important element in alloys, as defined above or below. When exposed to oxygen at high temperatures, aluminum forms a dense, thin oxide (Al 2 O 3 ) by selective oxidation, which protects the underlying alloy surface from further oxidation. The amount of aluminum ensures that a protective surface layer containing an aluminum-rich oxide is formed, and that there is sufficient aluminum to repair the protective surface layer in case of damage. It is desirable that it is at least 2% by weight in order to guarantee. However, aluminum has a negative effect on formability, and high amounts of aluminum can cause cracks to form in the alloy during mechanical machining of the alloy. Therefore, it is desirable that the amount of aluminum does not exceed 6% by weight. Aluminum may be present, for example, in 3-5% by weight, for example 2.5-4.5% by weight, for example 3-4% by weight.

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CrSi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。
Silicon (Si)
In commercially available FeCrAl alloys, silicon is often present at levels up to 0.4% by weight. Si plays an important role in ferrite alloys, as specified above or below. This is because silicon has been found to have an excellent effect of improving oxidation resistance and corrosion resistance. The upper limit of Si is determined by the loss of workability in hot and cold conditions and by the increased likelihood of forming brittle Cr 3 Si and σ phases during long-term exposure. Therefore, the addition of Si must be performed in relation to the contents of Al and Cr. Therefore, the amount of Si is 0.5 to 3% by weight, for example, 1 to 3% by weight, for example, 1 to 2.5% by weight, for example, 1.5 to 2.5% by weight.

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。
Manganese (Mn)
Manganese can be present in up to 0.4% by weight, for example 0-0.3% by weight, as an impurity in the alloy, either earlier or as specified below.

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。
Yttrium (Y)
In dissolution metallurgy, yttrium can be added in an amount of up to 0.3% by weight to improve the adhesion of the protective surface layer. In addition, when yttrium is added to make a dispersion with oxygen and / or nitrogen in powder metallurgy, the yttrium content is to achieve the desired dispersion curing effect of the oxide and / or nitride. The amount is at least 0.04% by weight. The maximum amount of yttrium in the dispersion cured alloy can be up to 1.0% by weight in the form of the oxygen-containing yttrium compound.

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(Al)層の自己修復性、又は合金とAl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。
Scandium (Sc), cerium (Ce), and lanthanum (La)
Scandium, cerium, and lanthanum are interchangeable elements to improve oxidation properties, self-healing of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) layers, or adhesion between alloys and Al 2 O 3 layers. In total, up to 0.2% by weight, can be added individually or in combination.

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。
Molybdenum (Mo) and Tungsten (W)
Both molybdenum and tungsten have a positive effect on the hot strength of the alloy, as specified above or below. Mo also has a positive effect on wet corrosion properties. These elements can be added individually or in combination in an amount of up to 4.0% by weight, for example 0-2.0% by weight.

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。
Reactive element (RE)
Reactive elements are defined as those that are highly reactive with carbon, nitrogen, and oxygen. Titanium (Ti), niobium (Nb), vanadium (V), hafnium (Hf), tantalum (Ta), and thorium (Th) are reactive elements in that sense, and these elements have an affinity for carbon. It is a highly potent and therefore strong carbide-forming body. These elements are added to improve the oxidizing properties of the alloy. The total amount of elements is up to 1.0% by weight, for example 0.4% by weight, for example up to 0.15% by weight.

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。 The maximum amount of each reactive element is mainly due to the tendency of the elements to form an inconvenient intermetallic compound phase.

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。
Zirconium (Zr)
Zirconium is often referred to as a reactive element. That's because zirconium is highly reactive with oxygen, nitrogen, and carbon. Zr has been found to have two roles in the alloys according to the present disclosure. This is because zirconium is present in the protective surface layer containing aluminum-rich oxides, which improves oxidation resistance and also forms carbides and nitrides. Therefore, it is advantageous to include Zr in the alloy in order to achieve the best properties for the aluminum-rich oxide-containing protective surface layer.

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。 However, at Zr levels above 0.40% by weight, Zr-rich intermetallic compound inclusions are formed, which has an effect on oxidation, and at levels less than 0.05% by weight, the C content and Regardless of the N content, it is too low to achieve the two objectives. Therefore, when Zr is present, its range is 0.05 to 0.40% by weight, for example 0.10 to 0.35% by weight.

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):

Figure 2022046521000001
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。 Furthermore, it has been found that the relationship between Zr, N and C can be important for achieving even better oxidation resistance for the protective surface layer (ie, alumina scale). Thus, the inventors are surprisingly concerned that when Zr is added to an alloy, the alloy provides N and C under the following conditions (element content is expressed in% by weight):
Figure 2022046521000001
When it is contained so as to be satisfied,
It has been found that the resulting alloys acquire good oxidation resistance.

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。 The residue in the ferrite alloy, as specified earlier or below, is Fe and unavoidable impurities. Examples of unavoidable impurities are not elements or compounds added for any purpose, but are elements or compounds that cannot be completely avoided, for example because they are usually present as impurities in materials used to make ferrite alloys. be.

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、SiCr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SiCr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。 FIGS. 1a and 1b show that the more Cr in the Si-containing ferrite alloy, the more likely it is that Si 3 Cr inclusions are formed, and that 20% Cr is undesired after long exposure in the focal temperature region. It is shown that the brittle σ phase is promoted. Although these graphs only show for the two Cr levels (10% and 20%), the tendency for more Cr to increase the brittle phase is clearly shown. It should be noted that the absence of the σ phase at 10% Cr and the high Si content increase the amount of Si 3 Cr phase at both Cr levels. Therefore, these figures show that using Cr at a level of about 20% would cause problems.

「≦」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。 When the expression "≤" or "less than or equal to" is used in the following context: "elements ≤ number", those skilled in the art will have a lower limit of 0% by weight, unless otherwise noted. It turns out that there is. Furthermore, the indefinite article "a (one)" does not preclude being plural.

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。 The present disclosure is further described by the following non-limiting examples.

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。 The test melt was produced in a vacuum melting furnace. The composition of the test melt is shown in Table 1.

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。 The obtained sample was hot-rolled and machined into a flat rod with a cross section of 2 x 10 mm. These rods were then cut into 20 mm long pieces and polished to 800 mesh with SiC paper for exposure to air and combustion conditions. Several rods were cut into 200 mm × 3 × 12 mm length rods for tensile testing with the Zwick / Roell Z100 tensile tester at room temperature.

暴露試験及び引張試験の結果を表1に示す。 The results of the exposure test and the tensile test are shown in Table 1.

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。 Yield stress and breaking stress, as well as breaking point elongation in a standard tensile tester, were tested on these samples and the results showing> 3% elongation were listed as "x" in the "Workability" column in the table. It is shown. Therefore, "x" indicates that the alloy is easy to be hot-rolled, which indicates ductility at room temperature. In the column "oxidizing", "x" indicates that the alloy forms a protective alumina-rich oxide scale at 950 ° C in air and at 850 ° C for biomass ash deposits.

Figure 2022046521000002
Figure 2022046521000003
Figure 2022046521000002
Figure 2022046521000003

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。 Therefore, as can be seen from the above table, the alloy according to the present disclosure exhibits good processability and good oxidizing property.

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。 2a)-e) show the sample of the polished portion of the present disclosure (FIG. 2a) after being exposed to a large amount of potassium-containing biomass (wood pellet) ash 50 times in a 1-hour cycle at 850 ° C. 4783 and 2b) disclose 4779) in comparison with the three reference alloys. These micrographs were taken with a JEOL FEG SEM at 100x magnification and show a clear advantage between the properties of the alloy according to the present disclosure and the reference material. As can be seen from this, in the alloy according to the present disclosure, a thin protective alumina scale (aluminum oxide layer) of 3 to 4 μm is formed, while stainless steel (2c: 11Ni, 21Cr, N, Ce, residue) is formed. Fe) and Ni-based alloys (2e: Inconel 625: 58Ni, 21Cr, 0.4Al, 0.5Si, Mo, Nb, Fe) have relatively thick and poorly protective chromia (chromium oxide). Abundant scale is formed, and a relatively porous and non-protective alumina scale is formed in the FeCrAl alloy (alloy 4776) of the comparative example (Fig. 2d: 20Cr, 5Al, 0.04Si, the balance is Fe). Will be done.

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。 As can be seen from FIGS. 2a-e, by adding Si, Al and Cr in the range according to the present disclosure, even if the Al level is as low as about 2% by weight and the chromium level is as low as 5% by weight. , Alumina scale formation is promoted.

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。
Ferrite alloy containing the following elements in the following weight% (wt%):
C: 0.01-0.1
N: 0.001 to 0.1
O: ≤0.2
Cr: 4 to 15
Al: 2-6
Si: 0.5-3
Mn: ≤0.4
Mo + W: ≦ 4
Y: ≤1.0
Sc, Ce, and / or La: ≦ 0.2
Zr: ≤0.40
RE: ≤1.0
The balance is Fe and impurities that are normally present, and the following equation must be satisfied (elements are weight fractions):
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。
(Elements are weight fractions)
0.015 ≤ (Al + 0.5Si) x (Cr + 10Si + 0.1) ≤ 0.021
The ferrite alloy according to claim 1.
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。 The ferrite alloy according to claim 1 or 2, wherein Zr is 0.05 to 0.40% by weight. 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。 The ferrite alloy according to any one of claims 1 to 3, wherein Cr is 5 to 13% by weight. 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。 The ferrite alloy according to any one of claims 1 to 4, wherein Cr is 6 to 12% by weight. 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。 The ferrite alloy according to any one of claims 1 to 5, wherein Al is 2.5 to 4.5% by weight or 3 to 5% by weight. 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。 The ferrite alloy according to any one of claims 1 to 6, wherein Al is 3 to 4% by weight. 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。 The ferrite alloy according to any one of claims 1 to 7, wherein Si is 1.0 to 3% by weight. 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。 The ferrite alloy according to any one of claims 1 to 8, wherein Si is 1.5 to 2.5% by weight. 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。 The ferrite alloy according to any one of claims 1 to 9, wherein Zr is 0.10 to 0.35% by weight. C、N及びZrが、以下の等式:
Figure 2022046521000004
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。
C, N and Zr have the following equations:
Figure 2022046521000004
The ferrite alloy according to any one of claims 1 to 10, which satisfies the above conditions.
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。 A coating comprising the ferrite alloy according to any one of claims 1 to 11. 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。 An article comprising the ferrite alloy according to any one of claims 1 to 11. 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。 Use of the ferrite alloy according to any one of claims 1 to 11 for making coatings and / or cladding and / or articles. 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。 Use of the ferrite alloy according to any one of claims 1 to 11 for making an article or coating to be used in a corrosive environment. 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。 Use of the ferrite alloy according to any one of claims 1 to 11 for making an article or coating to be used in a furnace or as a heating element. 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O分圧及び/又は高N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。 Ferrite alloys in salts, liquid lead and other metals, in ash or high carbon content deposits, in combustion atmospheres, in atmospheres with low O2 partial pressure and / or high N2 and / or high carbon activity. Use of the ferrite alloy according to any one of claims 1 to 11 in an exposed environment.
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