JP2024079699A - Ferrite Alloy - Google Patents

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Abstract

【課題】耐腐食性をさらに改善させたフェライト合金を提供する。【解決手段】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[Problem] To provide a ferritic alloy with improved corrosion resistance. [Solution] A ferritic alloy containing the following elements in the following weight percent (wt%): 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 and/or La: ≦0.2, Zr: ≦0.40, RE: ≦1.0, with the balance being Fe and normally occurring impurities, and the following equation must be satisfied: 0.014≦(Al+0.5Si)(Cr+10Si+0.1)≦0.022. [Selected Figure] None

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 a ferritic alloy according to the preamble of claim 1. The present disclosure further relates to the use of said ferritic alloy and to an object or coating made from said alloy.

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。 Ferritic alloys, such as FeCrAl alloys containing chromium (Cr) at levels of 15-25 wt. % and aluminum (Al) at levels of 3-6 wt. %, are well known to be capable of forming protective alpha-alumina (Al 2 O 3 : aluminum oxide) scales when exposed to temperatures of 900-1300° C. The lower limit of the Al content for forming and maintaining the alumina scale varies depending on the conditions of exposure. However, if the Al level is too low at high temperatures, the selective oxidation of Al will fail and less stable and protective chromium and iron based scales will form.

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。 It is commonly understood 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 FeCrAl alloys so that protective α-alumina forms at temperatures below about 900°C. In general, however, these attempts have been unsuccessful because the diffusion of oxygen to the oxide/metal interface and into aluminum is relatively slow at low temperatures, slowing the rate of alumina scale formation, which means there is a risk of severe corrosive attack and the formation of 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 resulting from a low-temperature miscibility gap for Cr in the FeCrAl alloy system. This miscibility gap exists for Cr levels above about 12 wt% at 550°C. In recent years, alloys with relatively low Cr levels, about 10-12 wt% Cr, have been developed to avoid this phenomenon. This family of alloys has been found to work very well in molten lead in 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。 EP 0475420 relates to a rapidly solidified ferritic alloy consisting essentially of about 1.5-3 wt. % Cr, Al, Si, and REM (Y, Ce, La, Pr, Nd, balance Fe and impurities). The sheet may further include about 0.001-0.5 wt. % of at least one element selected from the group consisting of Ti, Nb, Zr, and V. The sheet has a grain size of about 10 μm or less. EP 075420 discusses the addition of Si to improve the fluidity of the molten alloy, but with limited success due to 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 thermal cyclic oxidation and are hot workable, more specifically to iron-chromium-aluminum alloys with rare earth additives. Upon oxidation, the alloys form oxides with a whisker-like structure that is desirable on the catalytic converter surface. However, the alloys thus obtained do 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 remains a need to further improve the corrosion resistance of ferritic alloys, so that such ferritic alloys can 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。
The present disclosure thus relates to a ferritic alloy that provides a combination of good oxidation resistance and excellent ductility, the alloy comprising the following composition in weight percent (wt %):
C: 0.01 to 0.1
N: 0.001 to 0.1
O:≦0.2
Cr: 4 to 15
Al: 2 to 6
Si: 0.5 to 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 any impurities normally present, 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, a relationship exists between the Cr, Si and Al contents in the alloys of the present disclosure which, when satisfied, results in an alloy with excellent oxidation resistance and ductility, as well as reduced brittleness in combination with increased hot corrosion resistance.

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 ferritic alloys according to the present disclosure. The present disclosure further relates to the use of ferritic alloys as defined above or below to make 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。Graph a shows the Si level on the horizontal axis for the phase in Fe-10%Cr-5%Al, and graph b shows the Si level on the horizontal axis for the phase in Fe-20%Cr-5%Al. 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-e disclose polished parts of two alloys according to the present disclosure compared to three reference alloys after 50 cycles of 1 hour at 850° C. exposed to biomass (wood pellet) ash containing large amounts of potassium.

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 previously mentioned, the present disclosure provides a ferritic alloy comprising the following elements in weight percent (wt%):
C: 0.01 to 0.1
N: 0.001 to 0.1
O:≦0.2
Cr: 4 to 15
Al: 2 to 6
Si: 0.5 to 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 any impurities normally present, 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, it has been found that alloys containing alloying elements as defined above or below, i.e. in the ranges described herein, unexpectedly form a protective surface layer containing aluminum-rich oxides, even at chromium levels as low as 4% by weight. This is very important for both the workability and the long-term phase stability of the alloy, since the undesirable brittle σ-phase is reduced or even avoided after long exposure to the temperature ranges described herein. Thus, the interaction of Si, Al and Cr enhances the formation of a stable and continuous protective surface layer containing aluminum-rich oxides, and by using the above equation, it is possible to add Si and obtain ferritic alloys that can both be manufactured and formed into various articles. The inventors have been surprised to find that when the amounts of Si, Al and Cr are adjusted to satisfy the following conditions (all numbers for the elements are weight fractions):
0.014≦(Al+0.5Si)×(Cr+10Si+0.1)≦0.022
The resulting alloy has been found to have a combination of excellent oxidation resistance, workability, and form stability within the Cr ranges disclosed herein. According to one embodiment, 0.015≦(Al+0.5Si)×(Cr+10Si+0.1)≦0.021, such as 0.016≦(Al+0.5Si)×(Cr+10Si+0.1)≦0.020, such as 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 ferritic alloys of the present disclosure are particularly useful at low temperatures below about 900°C because a protective surface layer containing aluminum-rich oxides is formed on the ferritic alloy articles and/or coatings according to the present disclosure, which protects the articles and/or coatings from corrosion, oxidation, and embrittlement. Furthermore, the ferritic alloys of the present disclosure can provide protection against corrosion, oxidation, and embrittlement at temperatures as low as 400°C because a protective surface layer containing aluminum-rich oxides is formed on the surfaces of the ferritic alloy articles and/or coatings according to the present disclosure. Furthermore, the alloys of the present disclosure also excel at temperatures up to about 1100°C, and have a reduced tendency to embrittle over long periods of time in 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 alloy according to the present disclosure can be used in the form of a coating. Furthermore, an article can also include the alloy according to the present disclosure. According to the present disclosure, the term "coating" refers to an embodiment in which the ferritic alloy according to the present disclosure is present in the form of a layer exposed to a corrosive environment (i.e. in contact with a base material), regardless of the means and method by which the corrosion is accomplished and regardless of the relative thickness relationship between the layer and the base material. Examples are therefore, but are not limited to, PVD coatings, claddings, or compound or composite materials. The purpose of the alloy is that it should protect the underlying material from both corrosion and oxidation. Examples of suitable articles are, but are not limited to, compound tubes, tubes, boilers, gas turbine components, and steam turbine components. Other examples include superheaters, water walls in power plants, components in vessels or heat exchangers (e.g. for reforming or other processing of gases containing hydrocarbons or CO/ CO2 ), 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。 Additionally, alloys according to the present disclosure are suitable for use in environments having corrosive conditions, examples of which include, but are not limited to, exposure to salt, liquid lead, and other metals, exposure to deposits with high ash or carbon content, combustion atmospheres with low O2 partial pressure and/or high N2 and/or high carbon activity.

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。 Furthermore, the ferritic alloys according to the present disclosure can be produced using any of the commonly occurring solidification rates from conventional metallurgy to rapid solidification. The alloys according to the present disclosure are also suitable for producing all kinds of pressed and extruded articles (e.g., wire, strip, bar and plate). 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 and manufacturing route of the article.

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 essential alloying elements for the alloys defined above and below are given in the following paragraphs. The enumeration of the functions and actions of each alloying element should not be considered exhaustive, and there may be additional functions and actions 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 may be present as an unavoidable impurity resulting from the manufacturing process. Carbon may be included in the ferritic alloy as defined above or below to increase strength by precipitation hardening. To have a significant effect on strength in the alloy, carbon is desirably present in an amount of at least 0.01 wt.%. At levels that are too high, carbon may make the material difficult to form and may have a negative effect on corrosion resistance. Thus, the maximum amount of carbon is 0.1 wt.%. The carbon content may be, for example, 0.02-0.09 wt.%, such as 0.02-0.08 wt.%, for example 0.02-0.07 wt.%, such as 0.02-0.06 wt.%, for example 0.02-0.05 wt.%, for example 0.01-0.04 wt.%.

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 may be present as an unavoidable impurity resulting from the manufacturing process. Nitrogen may be included in the ferritic alloy as defined above or below, in order to increase the strength by precipitation hardening, especially when applying the powder metallurgical route. At too high a level, nitrogen may make the alloy more difficult to form and may also have a negative effect on corrosion resistance. The maximum amount of nitrogen is therefore 0.1 wt.%. Suitable ranges for nitrogen are, for example, 0.001-0.08 wt.%, such as 0.001-0.05 wt.%, such as 0.001-0.04 wt.%, such as 0.001-0.03 wt.%, such as 0.001-0.02 wt.%.

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 may be present in the alloy as defined above or below as an impurity resulting from the manufacturing process, in which case the amount of oxygen is at most 0.02 wt.%, such as at most 0.005 wt.%. When oxygen is intentionally added to provide strength through dispersion strengthening, as when the alloy is made via the powder metallurgical route, the alloy contains at most 0.2 wt.%, or 0.2 wt.%, of oxygen, as defined above or below.

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 present in the alloy according to the present disclosure primarily as a solid solution element of the matrix. Chromium promotes the formation of an aluminum oxide layer in the alloy by the so-called "third element effect", i.e. by forming chromium oxide in a transitional oxidation state. To this end, chromium is desirably present in the alloy as defined above or below in an amount of at least 4 wt. %. In the inventive alloy according to the present disclosure, Cr also enhances the susceptibility to the formation of brittle σ-phase and Cr 3 Si. This effect is present at about 12 wt. % and is enhanced at levels above 15 wt. %, so that the upper limit for Cr is 15 wt. %. From an oxidation standpoint, at levels higher than 15 wt. %, Cr also makes an undesirable contribution to the protective oxide scale. According to one embodiment, the Cr content is 5-13 wt. %, such as 5-12 wt. %, such as 6-12 wt. %, such as 7-11 wt. %, such as 8-10 wt. %.

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 the alloy as defined above and below. When exposed to oxygen at high temperatures, aluminum selectively oxidizes to form a dense, thin oxide (Al 2 O 3 ) which protects the underlying alloy surface from further oxidation. The amount of aluminum is desirably at least 2 wt. % to ensure that a protective surface layer containing an aluminum-rich oxide is formed and that sufficient aluminum is present to repair the protective surface layer if damaged. However, aluminum has a negative effect on formability and high amounts of aluminum can cause cracks to form in the alloy during mechanical working of the alloy. Therefore, the amount of aluminum is desirably not more than 6 wt. %. Aluminum may, for example, be present in an amount of 3-5 wt. %, such as 2.5-4.5 wt. %, for example 3-4 wt. %.

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 commercial FeCrAl alloys, silicon is often present at a level of up to 0.4 wt. %. As defined above and below, Si plays an important role in ferritic alloys, since it has been found to have a positive effect in improving oxidation and corrosion resistance. The upper limit of Si is determined by the loss of workability in hot and cold conditions, and by the increased susceptibility to the formation of brittle Cr 3 Si and σ phases during long-term exposure. The addition of Si must therefore be made in relation to the Al and Cr contents. The amount of Si is therefore 0.5-3 wt. %, such as 1-3 wt. %, such as 1-2.5 wt. %, such as 1.5-2.5 wt. %.

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 may be present as an impurity in the alloy as defined above or below, up to 0.4% by weight, for example 0-0.3% by weight.

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 melt metallurgy, yttrium can be added in an amount of up to 0.3 wt.% to improve the adhesion of the protective surface layer. Furthermore, in powder metallurgy, when yttrium is added to create a dispersion with oxygen and/or nitrogen, the yttrium content is at least in an amount of 0.04 wt.% to achieve the desired dispersion hardening effect by oxides and/or nitrides. The maximum amount of yttrium in the dispersion hardened alloy can be up to 1.0 wt.% in the form of oxygen-containing yttrium compounds.

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 and may be added individually or in combination up to a total of 0.2 wt . % to improve the oxidation properties, the self-healing properties of the aluminum oxide ( Al2O3 ) layer, or the adhesion of the alloy to the Al2O3 layer.

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 defined above and below. Mo also has a positive effect on the wet corrosion properties. These elements can be added individually or in combination in amounts up to 4.0 wt.%, for example 0-2.0 wt.%.

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 Elements (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 this sense, as they have a high affinity for carbon and are therefore strong carbide formers. These elements are added to improve the oxidation properties of the alloy. The total amount of the elements is up to 1.0 wt%, such as up to 0.4 wt%, such as up to 0.15 wt%.

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 primarily determined by the element's tendency to form unfavorable intermetallic phases.

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 since it is highly reactive with oxygen, nitrogen, and carbon. Zr has been found to have a dual role in the alloy according to the present disclosure since it is present in the protective surface layer containing aluminum-rich oxides, which improves oxidation resistance, and zirconium also forms carbides and nitrides. Therefore, to achieve the best properties for the protective surface layer containing aluminum-rich oxides, it is advantageous to include Zr in the alloy.

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, Zr levels above 0.40 wt.% have an effect on oxidation due to the formation of Zr-rich intermetallic inclusions, and levels below 0.05 wt.% are too low to achieve both objectives, regardless of the C and N contents. Thus, when Zr is present, its range is 0.05-0.40 wt.%, e.g., 0.10-0.35 wt.%.

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 2024079699000001
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 may be important to achieve better oxidation resistance for the protective surface layer (i.e. alumina scale). Thus, the inventors have surprisingly found that when Zr is added to the alloy, the alloy contains N and C in the following conditions (element contents in weight %):
Figure 2024079699000001
If the above formula is satisfied,
The resulting alloy has been found to have 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 balance in ferritic alloys is Fe, as defined above and below, and unavoidable impurities. Examples of unavoidable impurities are elements or compounds that are not added for any purpose, but cannot be completely avoided, for example because they are normally present as impurities in the materials used to make the ferritic alloy.

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。 Figures 1a and 1b show that higher Cr in Si-containing ferritic alloys favors the formation of Si3Cr inclusions, and that 20% Cr promotes the undesirable brittle sigma phase after extended exposure in the temperature range of interest. Although these graphs are only for two Cr levels (10% and 20%), the trend for more brittle phases with more Cr is clearly shown. Note the absence of sigma phase at 10% Cr, and that higher Si contents increase the amount of Si3Cr phase at both Cr levels. Thus, these figures show that using Cr at levels around 20% will 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 wording "≦" or "less than" is used in the following context: "element≦number", a person skilled in the art would recognize that the lower limit of the range is 0% by weight, unless another number is specifically mentioned. Furthermore, the indefinite article "a" does not exclude a plurality.

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 illustrated 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 melts were produced in a vacuum melting furnace. The composition of the test melts 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 resulting samples were hot rolled and machined into flat rods with a cross section of 2 x 10 mm. These rods were then cut into 20 mm long sections and polished to 800 mesh with SiC paper for exposure to air and combustion conditions. Some rods were cut into rods 200 mm long x 3 x 12 mm long for tensile testing with a 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 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。 These samples were tested for yield and break stress, as well as elongation at break in a standard tensile tester, and results showing an elongation >3% are indicated in the table with an "x" in the "Workability" column. Thus, an "x" indicates an alloy that is easily hot rolled, which indicates ductility at room temperature. In the "Oxidability" column, an "x" indicates that the alloy forms a protective alumina-rich oxide scale at 950°C in air and at 850°C on biomass ash deposits.

Figure 2024079699000002
Figure 2024079699000003
Figure 2024079699000002
Figure 2024079699000003

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。 As can be seen from the table above, the alloy according to the present disclosure exhibits good workability and good oxidation resistance.

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。 Figures 2a)-e) show polished specimens of the present disclosure (Figures 2a) 4783 and 2b) 4779) compared to three reference alloys after 50 cycles of 1 hour at 850°C exposed to biomass (wood pellet) ash containing large amounts of potassium. These photomicrographs were taken on a JEOL FEG SEM at 100x magnification and show clear advantages between the properties of the alloys according to the present disclosure and the reference materials. As can be seen, the alloys according to the present disclosure form a thin, 3-4 μm protective alumina scale (aluminum oxide layer), whereas the stainless steels (2c: 11Ni, 21Cr, N, Ce, balance Fe) and Ni-based alloys (2e: Inconel 625: 58Ni, 21Cr, 0.4Al, 0.5Si, Mo, Nb, Fe) form a relatively thick, less protective, chromia-rich scale, and the comparative FeCrAl alloy (Alloy 4776) (Figure 2d: 20Cr, 5Al, 0.04Si, balance Fe) forms a relatively porous, non-protective alumina scale.

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 Figures 2a-e, the addition of Si, Al, and Cr in the ranges according to the present disclosure promotes alumina scale formation even at Al levels as low as about 2 wt.% and chromium levels as low as 5 wt.%.

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。
A ferritic alloy containing the following elements in the following weight percent (wt%):
C: 0.01 to 0.1
N: 0.001 to 0.1
O:≦0.2
Cr: 4 to 15
Al: 2 to 6
Si: 0.5 to 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 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 by weight percentage)
0.015≦(Al+0.5Si)×(Cr+10Si+0.1)≦0.021
2. The ferritic alloy of 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 ferritic alloy according to claim 1 or 2, in which Zr is 0.05 to 0.40 wt%. 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。 A ferritic alloy according to any one of claims 1 to 3, in which Cr is 5 to 13 wt%. 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。 A ferritic alloy according to any one of claims 1 to 4, in which Cr is 6 to 12 wt%. 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。 A ferritic alloy according to any one of claims 1 to 5, in which Al is 2.5 to 4.5 wt.% or 3 to 5 wt.%. 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。 A ferritic alloy according to any one of claims 1 to 6, in which Al is 3 to 4 wt%. 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。 A ferritic alloy according to any one of claims 1 to 7, in which the Si content is 1.0 to 3 wt%. 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。 A ferritic alloy according to any one of claims 1 to 8, in which the Si content is 1.5 to 2.5 wt%. 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。 A ferritic alloy according to any one of claims 1 to 9, in which Zr is 0.10 to 0.35 wt%. C、N及びZrが、以下の等式:
Figure 2024079699000004
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 are represented by the following equation:
Figure 2024079699000004
The ferritic alloy according to any one of claims 1 to 10, wherein
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 ferritic 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 ferritic 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 ferritic alloy according to any one of claims 1 to 11 for making coatings and/or claddings 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 ferritic 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 a ferritic 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。 12. Use of the ferritic alloy according to any one of claims 1 to 11 in environments where the ferritic alloy is exposed to salts, liquid lead and other metals, to deposits with high ash or carbon content, to combustion atmospheres, to atmospheres with low O2 partial pressure and/or high N2 and/or high carbon activity.
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