JP2024521893A - Alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel alloys - Google Patents

Alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel alloys Download PDF

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Abstract

本開示は、アルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼合金に関する。また、本開示は、アルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼物体を製造する方法に関する。さらに、本開示は、500~900°Cの温度範囲における製品及び使用に関する。【選択図】図1aThe present disclosure relates to an alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel alloy. The present disclosure also relates to a method for producing an alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel body. The present disclosure further relates to products and uses in the temperature range of 500-900°C.

Description

本開示は、オーステナイト-フェライトステンレス鋼合金に関する。より具体的には、本開示は、アルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼合金に関する。本開示はまた、アルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼物体を製造する方法、前記アルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼を含む製品、及び特定の環境における物体の使用に関する。 The present disclosure relates to austenitic-ferritic stainless steel alloys. More specifically, the present disclosure relates to alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel alloys. The present disclosure also relates to methods of making alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel objects, products that include the alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel, and uses of the objects in certain environments.

先行技術は、高温で酸素含有雰囲気に曝されたときにその表面上に保護アルミナ層を形成することができるオーステナイト相及びフェライト相を含む二重ステンレス鋼の例を開示している。ニッケル、クロム及びアルミニウムの高含有量は、このような二重ステンレス鋼に典型的である。 The prior art discloses examples of duplex stainless steels containing austenite and ferrite phases that can form a protective alumina layer on their surface when exposed to oxygen-containing atmospheres at high temperatures. High contents of nickel, chromium and aluminum are typical for such duplex stainless steels.

Wang et al:「Effects of carbon and chromium on the solidification structure and properties of ferrite-austenite duplex heat-resistant alloy」、Science and Technology of advanced materials,Elsevier Science,vol.2,no.l,30 July 2001、297~302頁は、1250°Cの空気中で試験したフェライト-オーステナイト二重合金を開示している。しかしながら、これらの合金の欠点は、それらの耐酸化性が500°C~900°Cの温度で十分ではないことである。さらに、これらの合金のいくつかは非常に脆いことが示されており、したがって延性は従来の製造経路には低すぎる。 Wang et al., "Effects of carbon and chromium on the solidification structure and properties of ferrite-austenitic duplex heat-resistant alloys", Science and Technology of advanced materials, Elsevier Science, vol. 2, no. 1, 30 July 2001, pp. 297-302, disclose ferrite-austenitic duplex alloys tested in air at 1250°C. However, a drawback of these alloys is that their oxidation resistance is not sufficient at temperatures between 500°C and 900°C. Furthermore, some of these alloys have been shown to be very brittle and therefore have too low ductility for conventional manufacturing routes.

Hyunmyung et al:「Development of alumina-forming duplex stainless steels as accident tolerant fuel cladding materials for light water reactors」、Journal of Nuclear Materials,Elsevier Science,vol 507,21 April 2018、1~14頁は、1200°Cの蒸気及び模擬加圧水型原子炉(PWR)の運転条件で耐食性を試験した高アルミニウム含有量(>5wt.%)二重ステンレス鋼を開示している。しかしながら、開示された組成物の耐酸化性は、500~900°Cの温度では十分ではない。 Hyunmyung et al: "Development of alumina-forming duplex stainless steels as accident tolerant fuel cladding materials for light water reactors", Journal of Nuclear Materials, Elsevier Science, vol 507, 21 April 2018, pp. 1-14 discloses high aluminium content (>5 wt.%) duplex stainless steels that were tested for corrosion resistance at 1200°C steam and simulated pressurised water reactor (PWR) operating conditions. However, the oxidation resistance of the disclosed composition is not sufficient at temperatures between 500 and 900°C.

したがって、この技術分野では、ステンレス鋼を含む物体を従来の製造経路を使用して製造することを可能にし、500~900°Cの温度範囲で使用した場合に優れた耐酸化性を有する物体を提供する最適化されたオーステナイト-フェライトステンレス鋼合金が依然として必要とされている。 Therefore, there remains a need in the art for optimized austenitic-ferritic stainless steel alloys that enable objects comprising stainless steel to be manufactured using conventional manufacturing routes and that provide objects with excellent oxidation resistance when used in the temperature range of 500-900°C.

したがって、本開示は、500~900°Cの温度範囲で使用される、オーステナイト及びフェライトを含む最適化された微細構造を有する改良されたアルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼合金組成物を提供する。 The present disclosure therefore provides an improved alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel alloy composition having an optimized microstructure containing austenite and ferrite for use in the temperature range of 500-900°C.

本開示によるオーステナイト-フェライトステンレス鋼は、ステンレス鋼が以下の組成を重量%で含み;
Cr 11.0~16.0;
Ni 11.5~15.0;
A1 3.5~5.0;
C 0.01~0.15;
Nb 0.01~2.0;
Mn 0.01~3.5;
Si 0.01~0.8;
Cu 0~5.5;
Zr 0~0.3;
Mo+W 0~3.0;
残部がFe及び不可避不純物であり;
オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼が、15体積%超かつ45体積%未満のフェライトを含み、残りがオーステナイトである微細構造を有することを特徴とする。
An austenitic-ferritic stainless steel according to the present disclosure comprises a stainless steel having the following composition in weight percent:
Cr 11.0-16.0;
Ni 11.5-15.0;
A1 3.5-5.0;
C 0.01-0.15;
Nb 0.01-2.0;
Mn 0.01-3.5;
Si 0.01-0.8;
Cu 0-5.5;
Zr 0-0.3;
Mo+W 0-3.0;
The balance is Fe and inevitable impurities;
Austenitic ferritic stainless steels are characterized as having a microstructure containing greater than 15 volume percent and less than 45 volume percent ferrite, with the remainder being austenite.

本開示では、オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼のフェライト含有量は、15体積%超~45体積%未満の範囲内であり、残りはオーステナイトであり、この微細構造は、500~900°Cまでの温度範囲における耐酸化特性にとって極めて重要であることが分かっている。フェライト量が15体積%未満であると、耐酸化性及び機械的強度が低下することが示されている。フェライトの量が45体積%を超える場合、本ステンレス鋼は、約650°Cを超える温度で保護酸化物層を形成する問題を有することが示されている。 In this disclosure, the ferrite content of austenitic ferritic stainless steels is in the range of more than 15% to less than 45% by volume, with the remainder being austenite, and this microstructure has been found to be critical for oxidation resistance properties in the temperature range of 500-900°C. Ferrite amounts less than 15% by volume have been shown to result in reduced oxidation resistance and mechanical strength. If the amount of ferrite is greater than 45% by volume, the stainless steels have been shown to have problems forming a protective oxide layer at temperatures above about 650°C.

本開示はさらに、上記又は以下に定義される微細構造を有するオーステナイト-フェライトステンレス鋼組成を含む物体を製造する方法を提供する。合金を製造する方法は、従来の溶製冶金製造ルートであり、なぜならば、本ステンレス鋼がこれを可能にするのに十分高い熱間延性を有することが驚くべきことに見出されたからである。 The present disclosure further provides a method of producing an object comprising an austenitic-ferritic stainless steel composition having a microstructure as defined above or below. The method of producing the alloy is a conventional melt metallurgical production route, since it has surprisingly been found that the present stainless steels have sufficiently high hot ductility to make this possible.

本開示はさらに、上記又は以下に定義される微細構造を有するオーステナイト-フェライトステンレス鋼組成を含む物体を提供する。本発明のステンレス鋼は、物体上に酸化アルミニウム層を形成することを可能にし、これにより、物体を500~900°Cの温度範囲の広範囲の酸素濃度を有する雰囲気中で使用することが可能になる。 The present disclosure further provides an object comprising an austenitic-ferritic stainless steel composition having a microstructure as defined above or below. The stainless steel of the present invention allows for the formation of an aluminum oxide layer on the object, thereby allowing the object to be used in atmospheres having a wide range of oxygen concentrations at temperatures ranging from 500 to 900°C.

800°Cでの酸化試験の結果を開示している。The results of an oxidation test at 800° C. are disclosed. 900°Cでの酸化試験の結果を開示している。The results of an oxidation test at 900° C. are disclosed. 異なる熱処理の関数としての降伏強度を示すグラフを開示している。A graph showing yield strength as a function of different heat treatments is disclosed.

本開示は、合金が以下の組成を重量%で有し;
Cr 11.0~16.0;
Ni 11.5~15.0;
A1 3.5~5.0;
C 0.01~0.15;
Nb 0.01~2.0;
Mn 0.01~3.5;
Si 0.01~0.8;
Cu 0~5.5;
Zr 0~0.3;
Mo+W 0~3.0;
残部がFe及び通常存在する不純物であり;
オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼が、15体積%超かつ45体積%未満のフェライトを含み、残りがオーステナイトである微細構造を有することを特徴とする、アルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼に関する。
The present disclosure relates to an alloy having the following composition in weight percent:
Cr 11.0-16.0;
Ni 11.5-15.0;
A1 3.5-5.0;
C 0.01-0.15;
Nb 0.01-2.0;
Mn 0.01-3.5;
Si 0.01-0.8;
Cu 0-5.5;
Zr 0-0.3;
Mo+W 0-3.0;
The balance is Fe and normally present impurities;
The austenitic ferritic stainless steel relates to an alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel characterized by having a microstructure containing greater than 15 volume percent and less than 45 volume percent ferrite, with the remainder being austenite.

次に、本開示による鋼の合金元素についてより詳細に説明する。「重量%」及び「wt%」という用語は互換的に使用される。また、特定の要素について言及された特性又は寄与のリストは、網羅的であるとみなされるべきではない。 The alloying elements of the steel according to the present disclosure will now be described in more detail. The terms "weight percent" and "wt%" are used interchangeably. Also, the list of properties or contributions mentioned for specific elements should not be considered exhaustive.

鉄(Fe)残部
オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼中のFeの主な機能は、物体の鋼組成又は合金元素の組成のバランスをとることである。残部には、後述する不可避的不純物も含まれる。
The main function of Fe in austenitic and ferritic stainless steels is to balance the steel composition or alloying element composition of the object. The balance also includes unavoidable impurities, which will be described later.

クロム(Cr)11.0~16.0wt%
Crはフェライト安定剤であるため重要な元素であり、したがって、15体積%超かつ45体積%未満であり残りがオーステナイトであるフェライトを含む適切な微細構造を維持するのを助ける。
Chromium (Cr) 11.0 to 16.0 wt%
Cr is an important element as it is a ferrite stabilizer, thus helping to maintain a proper microstructure with more than 15% by volume and less than 45% by volume ferrite, with the remainder being austenite.

Crはまた、一過性の酸化段階における酸化クロムの形成によるいわゆる第3の元素効果を介して、製造された物体上のアルミナ、すなわち酸化アルミニウム層の形成を促進する。特に、500~600°Cの領域の温度では、クロムの量が不十分である場合、物体上のアルミナ層の形成が損なわれ得る。また、クロムは耐食性を向上させるため重要な元素である。したがって、本鋼中のクロムの最小含有量は11.0wt%である。 Cr also promotes the formation of an alumina, i.e. an aluminum oxide, layer on the manufactured object through the so-called third element effect by the formation of chromium oxide in a transient oxidation phase. In particular, at temperatures in the range of 500-600°C, if the amount of chromium is insufficient, the formation of the alumina layer on the object can be impaired. Chromium is also an important element for improving corrosion resistance. Therefore, the minimum content of chromium in the present steel is 11.0 wt%.

一実施形態によれば、クロムの最小含有量は12.0wt%である。 According to one embodiment, the minimum chromium content is 12.0 wt%.

しかしながら、Crの量が多すぎると、フェライト含有量が高くなりすぎ、特に800~900°Cなどの高温での耐酸化性の低下につながる。Cr含有量が高すぎると、脆化を引き起こすシグマ相などの二次相の形成も生じる。したがって、クロムの最大含有量は16.0wt%、例えば最大15.5wt%である。 However, too much Cr leads to too high a ferrite content, which leads to reduced oxidation resistance, especially at high temperatures such as 800-900°C. Too high a Cr content also leads to the formation of secondary phases such as sigma phases, which cause embrittlement. Therefore, the maximum chromium content is 16.0 wt%, e.g. up to 15.5 wt%.

実施形態によれば、Crの含有量は、11.0~16.0wt%、例えば12.0~16.0wt%、例えば12.0~15.5wt%である。 According to an embodiment, the Cr content is 11.0 to 16.0 wt%, for example 12.0 to 16.0 wt%, for example 12.0 to 15.5 wt%.

ニッケル(Ni)11.5~15.0wt%
Niは、オーステナイト安定剤であり、したがって適切な微細構造を維持するのを助けるので、重要な元素である。ニッケルの量が少なすぎると、フェライト相含有量が多すぎるリスクがあり、特に800°Cを超える温度では、耐酸化性の損失をもたらす。さらに、Niが少なすぎると、室温でオーステナイトからマルテンサイトへの変態も生じる。したがって、ニッケルの最小含有量は11.5wt%である。
Nickel (Ni) 11.5 to 15.0 wt%
Ni is an important element because it is an austenite stabilizer and therefore helps to maintain the proper microstructure. Too little Ni runs the risk of too much ferrite phase content, which leads to a loss of oxidation resistance, especially at temperatures above 800°C. In addition, too little Ni also leads to a transformation from austenite to martensite at room temperature. Therefore, the minimum content of nickel is 11.5 wt%.

一方、Niの量が多すぎると、フェライトの量が少なすぎ、引張強度が低いなどの機械的特性が悪くなる。 On the other hand, if the amount of Ni is too high, the amount of ferrite will be too low, resulting in poor mechanical properties such as low tensile strength.

Niはまた、ニッケルアルミナイドとしてアルミニウムを結合し、それによってアルミナ層の形成をある程度抑制するので、添加されたアルミニウムの量と釣り合うべきである。しかしながら、ニッケルアルミナイドは、製造された物体における改善された機械的特性、例えば硬度の増加及び改善された降伏強度を提供し得る。ニッケルは、ある程度コバルト(Co)で置換されていてもよい。しかしながら、環境上の観点からCoはあまり好ましくないため、Niが好ましい。したがって、Niの最大含有量は15.0wt%である。実施形態によれば、Niの含有量は、11.5~15.0wt%、例えば12.0~14.5wt%である。 Ni should be balanced with the amount of aluminum added, as it also binds aluminum as nickel aluminide, thereby inhibiting to some extent the formation of the alumina layer. However, nickel aluminide may provide improved mechanical properties in the manufactured object, such as increased hardness and improved yield strength. Nickel may be substituted to some extent with cobalt (Co). However, Ni is preferred, as Co is less preferred from an environmental point of view. Thus, the maximum Ni content is 15.0 wt%. According to an embodiment, the Ni content is 11.5-15.0 wt%, for example 12.0-14.5 wt%.

アルミニウム(Al)3.5~5.0wt%
Alは、高温で酸素に曝されると、製造された物体上に緻密で薄い酸化アルミニウム層を形成し、下にある表面をさらなる酸化から保護するので、A1も本鋼における重要な元素である。Alの含有量が低すぎると、鋼が500~900°Cなどの高温で酸素含有雰囲気に曝される場合、十分に厚い保護アルミナ層の形成が制限されるか、又は形成されない。さらに、AlはNiと共にニッケルアルミナイドを形成し、それによってその硬度の増加に寄与する。したがって、アルミニウムの最小含有量は3.5wt%である。
Aluminum (Al) 3.5 to 5.0 wt%
Al is also an important element in the steel since, when exposed to oxygen at high temperatures, Al forms a dense and thin aluminum oxide layer on the manufactured object, protecting the underlying surface from further oxidation. If the Al content is too low, the formation of a sufficiently thick protective alumina layer is limited or not formed when the steel is exposed to oxygen-containing atmospheres at high temperatures, such as 500-900°C. Furthermore, Al forms nickel aluminides together with Ni, thereby contributing to an increase in its hardness. The minimum content of aluminum is therefore 3.5 wt%.

さらに、A1はフェライト安定剤であるため、適切な微細構造を維持するのに役立つ。A1の量が多すぎると、フェライト含有量が高くなりすぎ、特に800~900°Cなどの温度で耐酸化性が低下する。したがって、アルミナの最大含有量は5.0wt%である。実施形態によれば、A1の含有量は、3.5~5.0wt%、例えば3.7~4.9wt%である。 Furthermore, A1 is a ferrite stabilizer and therefore helps maintain a proper microstructure. Too much A1 leads to too high a ferrite content, which reduces oxidation resistance, especially at temperatures such as 800-900°C. Therefore, the maximum content of alumina is 5.0 wt%. According to an embodiment, the content of A1 is 3.5-5.0 wt%, for example 3.7-4.9 wt%.

炭素(C)0.01~0.15wt%
Cは、オーステナイト-フェライトステンレス鋼中に存在するいくつかの元素を有する炭化物を形成し、それによって鋼の硬度及び強度の上昇に寄与する(例えば、クリープ特性)。さらに、Cはオーステナイト安定剤でもある。したがって、炭素の最小含有量は0.01wt%、例えば0.03wt%である。炭素含有量oが高すぎると、多すぎる炭化物、例えばM23C6及び/又はM7C3炭化物の形成のリスクが高まり、耐酸化性が低下する。したがって、炭素の最大含有量は0.15wt%、例えば0.13wt%である。実施形態によれば、Cの含有量は、0.01~0.15wt%、例えば0.03~0.13wt%である。
Carbon (C) 0.01 to 0.15 wt%
C forms carbides with some elements present in austenitic-ferritic stainless steels, thereby contributing to an increase in the hardness and strength of the steel (e.g. creep properties). In addition, C is also an austenite stabilizer. The minimum content of carbon is therefore 0.01 wt%, for example 0.03 wt%. Too high a carbon content o increases the risk of forming too many carbides, for example M23C6 and/or M7C3 carbides, which reduces the oxidation resistance. The maximum content of carbon is therefore 0.15 wt%, for example 0.13 wt%. According to an embodiment, the content of C is between 0.01 and 0.15 wt%, for example 0.03 and 0.13 wt%.

ニオブ(Nb)0.01~2.0wt%
Nbはフェライト安定剤であるため、適切な微細構造を維持するのに役立つ。
Niobium (Nb) 0.01 to 2.0 wt%
Nb is a ferrite stabilizer and therefore helps maintain the proper microstructure.

さらに、NbはCと共に炭化ニオブを形成し、それによって炭化クロムの過剰な形成を抑制し、これはアルミナ層の形成に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、Nbの最小含有量は0.01wt%である。一実施形態によれば、Nbの最小含有量は0.05wt%である。 Furthermore, Nb forms niobium carbide together with C, thereby suppressing the excessive formation of chromium carbide, which may have a negative effect on the formation of the alumina layer. Therefore, the minimum content of Nb is 0.01 wt%. According to one embodiment, the minimum content of Nb is 0.05 wt%.

しかしながら、Nbが多すぎると、過剰量の炭化ニオブが形成され、鋼が脆くなる。したがって、ニオブの最大含有量は2.0wt%、例えば最大1.50wt%である。したがって、実施形態によれば、Nbの含有量は、0.01~2.0wt%、例えば0.05~1.60wt%、例えば0.05~1.60wt%である。 However, too much Nb will result in the formation of excessive amounts of niobium carbide, which will embrittle the steel. Therefore, the maximum content of niobium is 2.0 wt%, for example up to 1.50 wt%. Thus, according to an embodiment, the content of Nb is 0.01-2.0 wt%, for example 0.05-1.60 wt%, for example 0.05-1.60 wt%.

マンガン(Mn)0.01~3.5wt%
マンガン(Mn)はオーステナイト安定剤であり、耐酸化性を損なうことなくニッケルをある程度置換することができる。したがって、Mnの最大含有量は3.5wt%、例えば最大3.2wt%である。実施形態によれば、Mnの含有量は、0.01~3.5wt%、例えば0.01~3.2wt%、例えば0.05~3.1wt%である。
Manganese (Mn) 0.01 to 3.5 wt%
Manganese (Mn) is an austenite stabilizer and can replace nickel to some extent without compromising oxidation resistance. Therefore, the maximum content of Mn is 3.5 wt%, for example, up to 3.2 wt%. According to an embodiment, the content of Mn is 0.01-3.5 wt%, for example, 0.01-3.2 wt%, for example, 0.05-3.1 wt%.

ケイ素(Si)0.01~0.8wt%
Siは、耐酸化性を向上させるために添加される。したがって、Siの最小含有量は0.01wt%である。しかし、Siが多すぎると、シグマ相が形成されるリスクが高くなる可能性がある。したがって、ケイ素の最大含有量は0.8wt%である。一実施形態によれば、Siの最大含有量は、0.7wt%、例えば0.6wt%である。実施形態によれば、Siの含有量は、0.01~0.8wt%、例えば0.01~0.7wt%、例えば0.01~0.6wt%である。
Silicon (Si) 0.01 to 0.8 wt%
Si is added to improve oxidation resistance. Therefore, the minimum content of Si is 0.01 wt%. However, too much Si may increase the risk of sigma phase formation. Therefore, the maximum content of silicon is 0.8 wt%. According to an embodiment, the maximum content of Si is 0.7 wt%, for example 0.6 wt%. According to an embodiment, the content of Si is 0.01-0.8 wt%, for example 0.01-0.7 wt%, for example 0.01-0.6 wt%.

銅(Cu)0~5.5wt%
Cuは、場合により添加されてもよく、又は不純物とみなされてもよい。意図的に添加される場合、及び所望の効果を得るために、最小含有量は0.5wt%である。Cuは、改善された硬度及び降伏強度などの改善された機械的特性を提供し得るニッケルアルミナイドの形成にプラスの効果を有し得る。しかしながら、Cuが多すぎると、過剰量のニッケルアルミナイドが生じ、物体の製造中の熱間延性特性が低下する。これらの理由から、Cuの最大含有量は5.5wt%、例えば5.3wt%、例えば5.2wt%である。実施形態によれば、Cuの含有量は0~5.5wt%である。実施形態によれば、Cuの含有量は、0~0.5wt%未満又は0.5~5.5wt%である。
Copper (Cu) 0 to 5.5 wt%
Cu may be optionally added or may be considered as an impurity. If intentionally added and to obtain the desired effect, the minimum content is 0.5 wt%. Cu may have a positive effect on the formation of nickel aluminides, which may provide improved mechanical properties such as improved hardness and yield strength. However, too much Cu will result in an excessive amount of nickel aluminides, which will reduce the hot ductility properties during the manufacture of the object. For these reasons, the maximum content of Cu is 5.5 wt%, such as 5.3 wt%, for example 5.2 wt%. According to an embodiment, the content of Cu is 0-5.5 wt%. According to an embodiment, the content of Cu is 0-<0.5 wt% or 0.5-5.5 wt%.

ジルコニウム(Zr)0~0.3wt%
Zrは、場合により添加されてもよく、又は不純物とみなされてもよい。意図的に添加される場合、最小含有量は0.05wt%である。Zrは、炭素及び窒素の炭窒化ジルコニウムと共に形成され、それによって窒化アルミニウム及び炭化クロムの形成を抑制し、アルミナ層の形成を抑制し得る。しかしながら、Zrが多すぎると、熱間延性が低下し、鋼の熱間加工が困難になる。このため、Zrの最大含有量は0.3wt%である。実施形態によれば、Zrの含有量は、0~0.05wt%未満又は0.05~0.3wt%である。
Zirconium (Zr) 0 to 0.3 wt%
Zr may be added optionally or may be considered as an impurity. If intentionally added, the minimum content is 0.05 wt%. Zr forms zirconium carbonitrides with carbon and nitrogen, thereby inhibiting the formation of aluminum nitride and chromium carbide, and may inhibit the formation of the alumina layer. However, too much Zr reduces the hot ductility and makes the hot working of the steel difficult. For this reason, the maximum content of Zr is 0.3 wt%. According to an embodiment, the content of Zr is 0 to less than 0.05 wt% or 0.05 to 0.3 wt%.

モリブデン(Mo)及び/又はタングステン(W)0~3.0wt%
Mo及びWは同等の元素とみなされ、場合により添加されてもよい。Mo及び/又はWは、対応する炭化物の形成によって炭素に結合し、それによって形成される炭化クロムの量を減少させる。しかしながら、Mo及びWが多すぎると、ラーベス相及びシグマ相などの金属間相が導入されるリスクが高まる可能性がある。したがって、これらの理由から、W及びMoの合計含有量は、最大3.0重量%に制限されるべきである。
Molybdenum (Mo) and/or tungsten (W) 0 to 3.0 wt%
Mo and W are considered as equivalent elements and may be added in some cases. Mo and/or W bind to carbon by forming corresponding carbides, thereby reducing the amount of chromium carbide formed. However, too much Mo and W may increase the risk of introducing intermetallic phases such as Laves and sigma phases. Therefore, for these reasons, the total content of W and Mo should be limited to a maximum of 3.0 wt.%.

希土類金属(REM)0~0.1重量%
REM、例えば、La、Ce、Y、Pr及びSmを場合により添加してもよい。これらの元素は強力な硫化物形成剤であり、それによって鋼を硫黄(S)から洗浄し、したがって熱間延性を改善し、最大0.1重量%の量で存在し得る。このレベルを超えると、本開示で定義されるCu及びNiの含有量と組み合わせて、REMは熱間延性に悪影響を及ぼす傾向がある。
Rare earth metals (REM) 0 to 0.1% by weight
REMs, such as La, Ce, Y, Pr and Sm, may be optionally added. These elements are strong sulfide formers, thereby cleaning the steel from sulfur (S) and thus improving hot ductility, and may be present in amounts up to 0.1 wt.%. Above this level, in combination with the Cu and Ni contents defined in this disclosure, REMs tend to have a negative effect on hot ductility.

さらに、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)は、元素Zr及びNbと機能的に等価であると考えられ、したがって、それらの元素について指定されるのと同じ量で存在することができ、これらの元素を部分的又は全体的に置換することができる。 In addition, hafnium (Hf), tantalum (Ta), and titanium (Ti) are considered to be functionally equivalent to the elements Zr and Nb and therefore may be present in the same amounts as specified for those elements and may partially or totally substitute for these elements.

リン(P)及び硫黄(S)は、この文脈では通常存在する不純物と見なされ得る。リンPは、合金中に低レベルで許容され得る。一実施形態によれば、Pは<60ppmである。硫黄Sは、合金中に低レベルで許容され得る。一実施形態によれば、Sは<60ppmである。一実施形態により、P+Sは<60ppmである。 Phosphorus (P) and sulfur (S) may be considered as normally present impurities in this context. Phosphorus P may be tolerated at low levels in the alloy. According to one embodiment, P is <60 ppm. Sulfur S may be tolerated at low levels in the alloy. According to one embodiment, S is <60 ppm. According to one embodiment, P+S is <60 ppm.

窒素(N)は、通常存在する不純物とみなされるべきである。一実施形態によれば、N<0.02wt%の含有量。 Nitrogen (N) should be considered a normally present impurity. According to one embodiment, the content of N<0.02 wt%.

他の不純物もまた、上記又は以下に定義されるようなオーステナイト-フェライトステンレス鋼中に存在し得る。典型的には、このような不純物は、製造プロセスに起因して、例えば、本鋼の組成を有する溶融物を生成するために溶融されるスクラップ金属中に存在するという事実に起因して不可避である。 Other impurities may also be present in the austenitic-ferritic stainless steels as defined above or below. Typically, such impurities are unavoidable due to the manufacturing process, for example due to the fact that they are present in the scrap metal that is melted to produce a melt having the composition of the steel.

あるいは、そのような元素は、たとえ溶融物から技術的に除去することができたとしても、それらを除去するために必要な作業が技術的又は経済的な観点から動機付けられる程度までは完成鋼の機能性を損なわない。本開示で言及される他の全ての実施形態と組み合わせることができる一実施形態によれば、前記通常存在する不純物の最大含有量は、0.5wt%以下である。 Alternatively, even if such elements could be technically removed from the melt, they would not impair the functionality of the finished steel to the extent that the work required to remove them would be motivated from a technical or economic point of view. According to one embodiment, which can be combined with all other embodiments mentioned in this disclosure, the maximum content of said normally present impurities is not more than 0.5 wt.%.

さらに、上記又は以下に定義されるオーステナイト系フェライト系ステンレス鋼は、本明細書で言及される範囲のいずれかで本明細書で言及される元素を含んでもよい。一実施形態によれば、本発明のオーステナイト系フェライト系ステンレス鋼は、本明細書で言及される範囲のいずれかの本明細書で言及される全ての元素からなる。 Furthermore, the austenitic ferritic stainless steels defined above or below may contain the elements referred to herein in any of the ranges referred to herein. According to one embodiment, the austenitic ferritic stainless steels of the present invention consist of all of the elements referred to herein in any of the ranges referred to herein.

本開示はまた、上記又は以下に定義されるようなオーステナイト系-フェライト系ステンレス鋼組成を使用してオーステナイト-フェライトステンレス鋼物体を製造する方法に関し、その方法は、以下の工程を含む。 The present disclosure also relates to a method for producing an austenitic-ferritic stainless steel body using an austenitic-ferritic stainless steel composition as defined above or below, the method comprising the steps of:

a)上記又は以下に定義される合金元素組成を有するアルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼溶融物を提供する工程。 a) Providing an alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel melt having an alloying element composition as defined above or below.

b)アルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼溶融物を固体に冷却する工程。 b) Cooling the alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel melt to a solid.

c)前記固体を1000°C超~1300°Cの温度で所定の形状の加工片に熱間加工する工程。 c) hot working the solid into a workpiece of a desired shape at a temperature of greater than 1000°C to 1300°C.

熱間加工工程は、そうでなければ金属間の形成が延性を低下させるので、1000°Cを超えて実施しなければならない。実施形態によれば、熱間加工温度は1100°Cを超える。1300°Cを超えると、初期溶融のリスクが本体に亀裂を引き起こす可能性がある。 The hot working process must be carried out above 1000 ° C, as otherwise intermetallic formations would reduce ductility. According to an embodiment, the hot working temperature is above 1100 ° C. Above 1300 ° C, there is a risk of incipient melting which could cause cracks in the body.

一実施形態によれば、所望の形状の加工片を得るために、熱間加工工程を数回繰り返してもよい。 According to one embodiment, the hot working process may be repeated several times to obtain a workpiece of the desired shape.

一実施形態によれば、熱間加工工程は、鍛造又は熱間圧延を含んでもよい。 According to one embodiment, the hot working step may include forging or hot rolling.

d)前記加工片を1050°C~1200°Cの範囲の温度で約2~120分間、熱処理する工程。 d) heat treating the workpiece at a temperature in the range of 1050°C to 1200°C for approximately 2 to 120 minutes.

熱処理工程の時間及び温度は、加工片のサイズ及び体積に依存する。しかし、金属間相を分解するためには、温度は少なくとも1050°C、例えば少なくとも1100°Cでなければならない。また、フェライト含有量は増加し、その量は熱処理温度に依存するため、オーステナイト及びフェライトを含む正しい微細構造を得るために、最高温度は1200°C、例えば1170°C、例えば1150°Cである。 The time and temperature of the heat treatment step depend on the size and volume of the workpiece. However, to decompose the intermetallic phases, the temperature must be at least 1050°C, e.g. at least 1100°C. Also, the ferrite content increases, the amount of which depends on the heat treatment temperature, so to obtain the correct microstructure containing austenite and ferrite, the maximum temperature is 1200°C, e.g. 1170°C, e.g. 1150°C.

e)熱処理された加工片をほぼ室温まで急冷する工程。 e) Rapidly cooling the heat treated workpiece to approximately room temperature.

急冷は、空気、水、又は油浴を使用して加工片をほぼ室温に冷却することによって行われ得る。 Quenching can be accomplished by cooling the workpiece to about room temperature using an air, water, or oil bath.

一実施形態によれば、所定の形状の加工物をより細かい公差で得るために、少なくとも1つの熱間加工工程c)の後にオプショナルの冷間加工工程を実施してもよい。 According to one embodiment, an optional cold working step may be performed after at least one hot working step c) in order to obtain a workpiece of a predetermined shape with closer tolerances.

一実施形態によれば、急冷工程e)の後にオプショナルの熟成工程を実施してもよい。熟成工程は、最終物体の降伏強度の増加などの熟成硬化効果を得るために、500°Cを超える温度、例えば650~850°Cで最大240時間、例えば最大100時間で行われる。熟成工程中、シグマ相又はラーベス相などの有害な二次相は形成されない。しかしながら、熟成工程後に室温(RT)延性のわずかな低下があり得る。 According to one embodiment, the quenching step e) may be followed by an optional ageing step, which is carried out at a temperature above 500°C, e.g. 650-850°C, for up to 240 hours, e.g. up to 100 hours, in order to obtain age hardening effects such as an increase in the yield strength of the final object. During the ageing step, no deleterious secondary phases such as sigma or Laves phases are formed. However, there may be a slight decrease in room temperature (RT) ductility after the ageing step.

さらに、上記又は以下に定義されるオーステナイト-フェライトステンレス鋼の製造された物体は、本明細書で言及される範囲のいずれかで本明細書で言及されるオーステナイト-フェライトステンレス鋼合金元素を含んでもよい。一実施形態によれば、オーステナイト-フェライトステンレス鋼のこの物体は、本明細書で言及される範囲のいずれかの本明細書で言及される全ての合金元素からなる。 Furthermore, a manufactured object of austenitic-ferritic stainless steel as defined above or below may comprise the austenitic-ferritic stainless steel alloying elements referred to herein in any of the ranges referred to herein. According to one embodiment, this object of austenitic-ferritic stainless steel consists of all alloying elements referred to herein in any of the ranges referred to herein.

最終物体は、限定はしないが、チューブ、ストリップ、シート、又はワイヤなどの任意の形状とすることができる。この物体は、優れた耐酸化性、良好な溶接性を有し、また、限定されないが、マッフル管、復熱管及び高温熱交換器などの非加圧用途に使用することを可能にする機械的特性も有する。 The final object can be any shape, including but not limited to, tube, strip, sheet, or wire. The object has excellent oxidation resistance, good weldability, and also mechanical properties that allow it to be used in non-pressurized applications, including but not limited to, muffle tubes, recuperator tubes, and high temperature heat exchangers.

したがって、さらに、本開示は、物体が500~900°の範囲の温度及び低酸素雰囲気に曝される用途における、上記又は以下に定義されるようなアルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼を含む物体の使用に関する。そのような用途の例は、マッフル管、復熱管及び高温熱交換器である。 Thus, the present disclosure further relates to the use of an object comprising an alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel as defined above or below in applications in which the object is exposed to temperatures in the range of 500-900° and low-oxygen atmospheres. Examples of such applications are muffle tubes, recuperator tubes and high-temperature heat exchangers.

本開示は、以下の非限定的な実験によってさらに説明される。 This disclosure is further illustrated by the following non-limiting experiments.

試料調製
表1に開示される組成を有する14個のアルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼溶融物熱を調製した。「*」が付された熱は、比較例であり、したがって、本発明の範囲外である。
Sample Preparation Fourteen alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel melt heats were prepared having the compositions disclosed in Table 1. Heats marked with an "*" are comparative examples and therefore outside the scope of the present invention.

068を除く全ての溶融物は、開放雰囲気の誘導炉中での溶融によって調製され、068は、真空(VIM)中での誘導溶融によって調製され、溶融物を固体に冷却した。 All melts except 068 were prepared by melting in an open atmosphere induction furnace, which was prepared by induction melting in a vacuum (VIM) and cooling the melt to a solid.

固体を9インチのインゴットに鋳造し、次いで1180~1280°Cの温度で鍛造した。試料の寸法は50*120mmであった。 The solid was cast into a 9-inch ingot and then forged at a temperature of 1180-1280°C. The dimensions of the specimen were 50*120mm.

次いで、鍛造インゴットを1100°Cで20分間熱処理し、水中でほぼ室温まで急冷した。 The forged ingot was then heat treated at 1100°C for 20 minutes and quenched in water to approximately room temperature.

50mmから15mmまで熱間圧延することによる試料の機械調製。 Mechanical preparation of specimens by hot rolling from 50mm to 15mm.

熱間圧延後、試料を約1130°Cで20分間焼鈍した。 After hot rolling, the samples were annealed at approximately 1130°C for 20 minutes.

焼鈍した試料のフェライト及びオーステナイト含有量は、30視野及び100点の格子を有するASTM E562に従って測定した。測定には光学顕微鏡を用い、結果は表1に見ることができる。 The ferrite and austenite content of the annealed samples was measured according to ASTM E562 with 30 fields and a 100 point grid. An optical microscope was used for the measurements and the results can be seen in Table 1.

高温酸化
腐食クーポン(KO-5、15mm×10mm×3mm)の形態の試料を、異なる熱から機械加工した。クーポンを600メッシュに研磨し、エタノール/アセトン及び蒸留水で洗浄し、水平管炉に入れ、体積で2.5%水蒸気を含む空気を模擬して十分に制御された雰囲気下で、500°C~900°Cの範囲の温度に最大500時間曝露した。
High Temperature Oxidation Specimens in the form of corrosion coupons (KO-5, 15 mm x 10 mm x 3 mm) were machined from different heat treated specimens, polished to 600 mesh, cleaned with ethanol/acetone and distilled water, and placed in a horizontal tube furnace and exposed to temperatures ranging from 500°C to 900°C for up to 500 hours under a well-controlled atmosphere simulating air containing 2.5% water vapor by volume.

24時間後、48時間後、96時間後、192時間後及び500時間後に、重量測定のために試料を炉から取り出した。重量測定データのサンプリングは、5桁の精度でザルトリウススケールで行った。 Samples were removed from the furnace for weight measurements after 24 hours, 48 hours, 96 hours, 192 hours, and 500 hours. Gravimetric data sampling was performed on a Sartorius scale with 5-digit accuracy.

図1a及び図1bは、異なる温度での質量変化(g/m)を時間の関数として示す。図1bから分かるように、高フェライト含有量及び低アルミナ含有量を有する比較試料(840、841、843)は、質量変化が増加することから分かるように、保護アルミナ層を形成する能力を失っている。高いフェライト含有量及び高いA1含有量を有する比較例(961)並びに本発明の試料は、800°Cで良好に機能する。 Figures 1a and 1b show the mass change (g/ m2 ) as a function of time at different temperatures. As can be seen from Figure 1b, the comparative samples (840, 841, 843) with high ferrite and low alumina content lose the ability to form a protective alumina layer as shown by the increasing mass change. The comparative sample (961) with high ferrite and high A1 content as well as the inventive sample perform well at 800°C.

図1bは、本発明の試料のみが900°Cで良好な酸化特性を有することを示す。したがって、フェライト含有量とアルミナ含有量との組み合わせは、これらの温度範囲で優れた酸化特性を得るために非常に重要である。 Figure 1b shows that only the samples of the present invention have good oxidation properties at 900°C. Therefore, the combination of ferrite content and alumina content is very important to obtain excellent oxidation properties in these temperature ranges.

機械的試験
焼鈍及び熟成条件での本発明の試料(953、954958)の降伏強度を標準IS06892-1によって測定し、結果を図2に示す。650°C~850°Cの温度範囲で試料を熟成すると、降伏強度が増加することが明確に分かる。この強化機構は、熟成中のニッケルアルミナイドの形成に起因する可能性が最も高い。
Mechanical Testing The yield strength of the inventive samples (953, 954958) in annealed and aged conditions was measured according to standard IS06892-1 and the results are shown in Figure 2. It can be clearly seen that the yield strength increases upon aging of the samples in the temperature range 650°C to 850°C. This strengthening mechanism is most likely due to the formation of nickel aluminides during aging.

したがって、本発明のアルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼合金は、500~900°Cの温度範囲で優れた耐酸化性を示し、良好な機械的特性も有することは明らかである。 It is therefore clear that the alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel alloy of the present invention exhibits excellent oxidation resistance in the temperature range of 500-900°C and also has good mechanical properties.

表1は、調製された14のアルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼溶融物熱を示す。値はwt%であり、残部はFe及びフェライトを除く不可避不純物であり、その値はvol%である。“*”でマークされた熱は同等の熱である。

Figure 2024521893000002
Table 1 shows the heats of 14 alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel melts that were prepared. Values are in wt%, the balance being inevitable impurities excluding Fe and ferrite, and values are in vol%. Heats marked with "*" are equivalent heats.
Figure 2024521893000002

Claims (9)

アルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼であって、以下の組成を重量%で含み;
Cr 11.0~16.0;
Ni 11.5~15.0;
A1 3.5~5.0;
C 0.01~0.15;
Nb 0.01~2.0;
Mn 0.01~3.5;
Si 0.01~0.8;
Cu 0~5.5;
Zr 0~0.3;
Mo+W 0~3.0;
場合により、最大レベル0.1重量%までの希土類金属(REM)からなる群から選択される1又は複数の元素を含み;
残部がFe及び通常存在する不純物であり;
オーステナイト系フェライト系ステンレス鋼が、15体積%超かつ45体積%未満のフェライトを含み、残りがオーステナイトである微細構造を有する、
オーステナイト-フェライトステンレス鋼。
1. An alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel having the following composition in weight percent:
Cr 11.0-16.0;
Ni 11.5-15.0;
A1 3.5-5.0;
C 0.01-0.15;
Nb 0.01-2.0;
Mn 0.01-3.5;
Si 0.01-0.8;
Cu 0-5.5;
Zr 0-0.3;
Mo+W 0-3.0;
Optionally, one or more elements selected from the group consisting of rare earth metals (REM), up to a maximum level of 0.1 wt.%;
The balance is Fe and normally present impurities;
The austenitic ferritic stainless steel has a microstructure containing more than 15 volume percent and less than 45 volume percent ferrite, the remainder being austenite.
Austenitic-ferritic stainless steel.
組成が、Cu 0.5~5.5を重量%で含む、請求項1に記載のオーステナイト-フェライトステンレス鋼合金。 The austenitic-ferritic stainless steel alloy of claim 1, the composition of which includes 0.5-5.5 wt.% Cu. 組成が、Zr 0.05~0.3を重量%で含む、請求項1又は2に記載のオーステナイト-フェライトステンレス鋼合金。 The austenitic-ferritic stainless steel alloy according to claim 1 or 2, the composition of which includes 0.05 to 0.3 wt.% Zr. 組成が、Nb 0.05~1.6重量%を含む、請求項1~3のいずれか一項に記載のオーステナイト-フェライトステンレス鋼合金。 The austenitic-ferritic stainless steel alloy according to any one of claims 1 to 3, the composition of which includes 0.05 to 1.6 wt% Nb. オーステナイト-フェライトステンレス鋼物体を製造する方法であって、
a)請求項1~4のいずれか一項に記載の組成を有するアルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼溶融物を用意する工程と、
b)アルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼溶融物を固体に冷却する工程と、
c)前記固体を1000°C超~1300°Cの温度で所定の形状の加工片に熱間加工する工程と、
d)前記加工片を1050°C~1200°Cの範囲の温度で約2~120分間熱処理する工程と、
e)熱処理された加工片をほぼ室温まで急冷する工程と、を含む方法。
1. A method for producing an austenitic-ferritic stainless steel article, comprising the steps of:
a) providing an alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel melt having a composition according to any one of claims 1 to 4;
b) cooling the alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel melt to a solid;
c) hot working the solid at a temperature above 1000°C to 1300°C into a workpiece of predetermined shape;
d) heat treating the workpiece at a temperature in the range of 1050° C. to 1200° C. for about 2 to 120 minutes;
e) quenching the heat treated workpiece to about room temperature.
熱間加工工程c)の後に冷間加工工程をさらに含む、請求項5に記載の方法。 The method of claim 5, further comprising a cold working step after the hot working step c). 急冷工程e)の後に熟成工程をさらに含む、請求項5及び6に記載の方法。 The method according to claims 5 and 6, further comprising an aging step after the quenching step e). 請求項1~4のいずれか一項に記載の、又は請求項1~7のいずれか一項に従って製造された、アルミナ形成オーステナイト-フェライトステンレス鋼を含む物体。 An object comprising an alumina-forming austenitic-ferritic stainless steel according to any one of claims 1 to 4 or produced according to any one of claims 1 to 7. 前記製品が500~900°Cの範囲の温度に曝される用途における、請求項8に記載の物体の使用。 The use of the article according to claim 8 in an application in which the product is exposed to temperatures in the range of 500-900°C.
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