JP4510458B2 - 高温クリープ抵抗性を有するフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
0.4≦(%Nb+%Ti+1/2(%Ta))≦1
好ましくは、本発明の鋼は0.50重量%以下のチタンを含有する。
0.5≦(%Nb+%Ti+1/2(%Ta))≦0.75
ここで、チタンの最大含量および好ましい含量は前述の式のものと同じである。
各ヒートからの0.040インチ(1.02mm)厚さのストリップの試料であって、予め焼鈍され、酸洗いされ、そして冷間圧延された試料を微細組織安定性に関して評価した。製品に連続焼鈍を施すことをシミュレートするために、各ヒートからの切取り試片をマッフル炉内で1750〜2000oF(954〜1093℃)の温度範囲で30秒の時間焼鈍した。次いで、長尺の断片を顕微鏡標本にするためにマウントし、そして金属組織検査のために研磨した。試料の中心線および試料表面の近傍においてASTM標準規格E112に基づいて結晶粒度を評価した。表2(中心線での測定)および表3(試料表面の近傍での測定)は、ASTM結晶粒度の結果を示す。同じ試料上の2つの異なる点における異なる結晶粒度の測定は、例えば、“7.0/7.5”のように示される。結晶粒度の数値が大きいほど、結晶粒度は小さい。
0.040インチ(1.02mm)厚の焼鈍されたストリップから引張り試験片を機械加工し、そして試験した。高温試験をASTME21で実施した。一つの合金につき最少で二つの試料の平均として計算された長手方向の引張特性を表4および図2に示す。
クリープは応力の存在下で生じる時間に依存したひずみである。減少する速度で生じるクリープひずみは一次クリープと呼ばれ、最低の一定速度で生じるクリープひずみは二次クリープと呼ばれ、そして加速速度で生じるクリープひずみは三次クリープと呼ばれる。高温でのSOFCの相互接続部のクリープは電池の一体性を喪失させ、その結果、ガス漏洩が生じる。クリープ強さは、特定の定環境下での所定時間のクリープ試験において所定のクリープひずみを生じさせる応力である。ヒートWC70およびWC72として具体化されているような標準的なE−BRITE合金のクリープ強さは、SOFCの用途で遭遇する温度と応力において不十分であることが判明した。これに対し、標準の合金に対して実施された本発明に係る変更はクリープ抵抗性を著しく改善することが証明された。
種々の合金(ヒートWC70〜WC75)の等温酸化の挙動を研究した。同じ二つの合金試料を800℃(1472oF)および900℃(1652oF)の温度に500時間曝した。試料をまず脱脂して金属表面からグリースと油を除去した。次に、試料を秤量し、アルミナるつぼ内に入れ、そして固体炉床を伴って作製された箱形炉内で実験室の周囲空気に高温で所定時間曝した。これらの試料を定期的に取り出し、秤量し、そして試験炉に戻した。測定した重量変化を試料の面積で割ることによって、時間の関数としての特定の重量変化(mg/cm2)の曲線が得られた。
前述したように、CTE(熱膨張係数)は燃料電池の相互接続材料の重要な特性である。燃料電池の相互接続部のCTEとセラミック部品のCTEとの間の不一致が大き過ぎる場合には、電池の機械的一体性、特に電池層間のシールが損なわれるであろう。従って、本発明のステンレス鋼におけるCTEは、20℃(68oF)〜1000℃(1832oF)において、SOFCにおける慣用の電解質である安定化ジルコニアのCTEの約25%の範囲内にある。上述した理由から、この鋼のCTEは20℃(68oF)〜1000℃(1832oF)において安定化ジルコニアのCTEと少なくとも同じ大きさであることが好ましく、また、それよりも約25%まで大きくてもよい。
0.4≦(%Nb+%Ti+1/2(%Ta))≦1
表18における全てのCTEの値は、20℃(68oF)〜1000℃(1832oF)におけるYSZ(イットリア‐安定化ジルコニア)のおおよそのCTEである11×10−6/℃の約25%の範囲内にある。
Claims (30)
- フェライト系ステンレス鋼であって、
0.05重量%以下(0は含まず)の炭素、0.5重量%未満のケイ素、0.5重量%未満のマンガン、25重量%より多く35重量%以下のクロム、0.75重量%以上で1.5重量%未満のモリブデン、0.68〜0.71重量%のニオブ、0.05重量%以下のアルミニウム、および残部の鉄と不可避不純物からなり、
ここで、前記鋼はハフニウムを含まず、前記鋼の熱膨張係数は20℃〜1000℃における安定化ジルコニアの熱膨張係数の25%の範囲内にあり、また前記鋼は、900℃で少なくとも6.895MPa(1000psi)のクリープ破断強さ、6.895MPaの荷重の下で900℃において1%クリープひずみまでの時間が少なくとも100時間、および、6.895MPaの荷重の下で900℃において2%クリープひずみまでの時間が少なくとも200時間から選択される少なくとも1つのクリープ特性を示す、フェライト系ステンレス鋼。 - 前記鋼の熱膨張係数は20℃〜1000℃における安定化ジルコニアの熱膨張係数と少なくとも同じ大きさである、請求項1記載のフェライト系ステンレス鋼。
- 前記鋼の熱膨張係数は20℃〜1000℃におけるイットリア安定化ジルコニアの熱膨張係数の25%の範囲内である、請求項1記載のフェライト系ステンレス鋼。
- 前記鋼は0.005重量%以下の炭素を含む、請求項1記載のフェライト系ステンレス鋼。
- 0.1重量%以下のセリウム、0.05重量%以下のランタンおよび0.05重量%以下のジルコニウムから成る群から選択される少なくとも1種の元素を更に含む、請求項1記載のフェライト系ステンレス鋼。
- フェライト系ステンレス鋼であって、
0.05重量%以下(0は含まず)の炭素、0.5重量%未満のケイ素、0.5重量%未満のマンガン、25重量%より多く35重量%以下のクロム、0.75重量%以上で1.5重量%未満のモリブデン、0.68〜0.71重量%のニオブ、0.05重量%以下のアルミニウム、および残部の鉄と不可避不純物からなり、
ここで、前記鋼はハフニウムを含まず、前記鋼の熱膨張係数は20℃〜1000℃における安定化ジルコニアの熱膨張係数の25%の範囲内にあり、また前記鋼は、900℃で少なくとも6.895MPa(1000psi)のクリープ破断強さ、6.895MPaの荷重の下で900℃において1%クリープひずみまでの時間が少なくとも100時間、および、6.895MPaの荷重の下で900℃において2%クリープひずみまでの時間が少なくとも200時間から選択される少なくとも1つのクリープ特性を示す、フェライト系ステンレス鋼。 - 前記鋼の熱膨張係数は20℃〜1000℃における安定化ジルコニアの熱膨張係数と少なくとも同じ大きさである、請求項6記載のフェライト系ステンレス鋼。
- 前記鋼の熱膨張係数は20℃〜1000℃におけるイットリア安定化ジルコニアの熱膨張係数と少なくとも同じ大きさである、請求項6記載のフェライト系ステンレス鋼。
- フェライト系ステンレス鋼を製造する方法であって、前記鋼は20℃〜1000℃における安定化ジルコニアの熱膨張係数の25%の範囲内の熱膨張係数を有し、また前記鋼は、900℃で少なくとも6.895MPa(1000psi)のクリープ破断強さ、6.895MPaの荷重の下で900℃において1%クリープひずみまでの時間が少なくとも100時間、および、6.895MPaの荷重の下で900℃において2%クリープひずみまでの時間が少なくとも200時間から選択される少なくとも1つのクリープ特性を有し、
前記方法は、0.05重量%以下(0は含まず)の炭素、0.5重量%未満のケイ素、0.5重量%未満のマンガン、25重量%より多く35重量%以下のクロム、0.75重量%以上で1.5重量%未満のモリブデン、0.68〜0.71重量%のニオブ、0.05重量%以下のアルミニウム、および残部の鉄と不可避不純物からなるフェライト系ステンレス鋼を用意し、ここで、前記鋼はハフニウムを含まず、そして、
前記鋼を溶体化焼鈍する、
以上の工程を含む方法。 - 前記鋼を析出熱処理することによって鋼を任意に硬化する工程を更に含む、請求項9記載の方法。
- 前記鋼を溶体化焼鈍する工程は、鋼の意図される使用温度および871℃のうちの少なくとも高い方の温度で前記鋼を加熱する工程を含む、請求項9記載の方法。
- 前記鋼の熱膨張係数は20℃〜1000℃における安定化ジルコニアの熱膨張係数と少なくとも同じ大きさである、請求項9記載の方法。
- 前記鋼の熱膨張係数は20℃〜1000℃におけるイットリア安定化ジルコニアの熱膨張係数の25%の範囲内である、請求項9記載の方法。
- 前記鋼は0.005重量%以下の炭素を含む、請求項9記載の方法。
- 前記鋼は0.1重量%以下のセリウム、0.05重量%以下のランタンおよび0.05重量%以下のジルコニウムから成る群から選択される少なくとも1種の元素を更に含む、請求項9記載の方法。
- 前記鋼は25重量%より多く35重量%以下のクロム、0.75重量%以上で1.5重量%未満のモリブデン、0.005重量%以下の炭素、および0.68〜0.71重量%のニオブを含む、請求項9記載の方法。
- 安定化ジルコニアを含む電解質を有する固体酸化物燃料電池用の部品および安定化ジルコニアを有する酸素センサー装置の部品から成る群から選択される部品に前記鋼を加工する工程を更に含む、請求項9記載の方法。
- 前記部品は安定化ジルコニアを含む電解質を有する固体酸化物燃料電池用の隔離板と安定化ジルコニアを含む電解質を有する固体酸化物燃料電池用の相互接続部のうちの一つである請求項17記載の方法。
- フェライト系ステンレス鋼を含む部品に隣接した安定化ジルコニアを含む部品を有する製造品であって、前記鋼は、0.05重量%以下(0は含まず)の炭素、0.5重量%未満のケイ素、0.5重量%未満のマンガン、25重量%より多く35重量%以下のクロム、0.75重量%以上で1.5重量%未満のモリブデン、0.68〜0.71重量%のニオブ、0.05重量%以下のアルミニウム、および残部の鉄と不可避不純物からなり、
ここで、前記鋼はハフニウムを含まず、前記鋼は20℃〜1000℃における安定化ジルコニアの熱膨張係数の25%の範囲内にある熱膨張係数を有し、また前記鋼は、900℃で少なくとも6.895MPa(1000psi)のクリープ破断強さ、6.895MPaの荷重の下で900℃において1%クリープひずみまでの時間が少なくとも100時間、および、6.895MPaの荷重の下で900℃において2%クリープひずみまでの時間が少なくとも200時間から選択される少なくとも1つのクリープ特性を有する、製造品。 - 前記鋼の熱膨張係数は20℃〜1000℃における安定化ジルコニアの熱膨張係数と少なくとも同じ大きさである、請求項19記載の製造品。
- 前記安定化ジルコニアはイットリア安定化ジルコニアである、請求項19記載の製造品。
- 前記鋼は0.005重量%以下の炭素を含む、請求項19記載の製造品。
- 前記鋼は0.1重量%以下のセリウム、0.05重量%以下のランタン、および0.05重量%以下のジルコニウムから成る群から選択される少なくとも1種の元素を更に含む、請求項19記載の製造品。
- 前記鋼は25重量%より多く35重量%以下のクロム、0.75重量%以上で1.5重量%未満のモリブデン、0.005重量%以下の炭素、および0.68〜0.71重量%のニオブを含む、請求項19記載の製造品。
- 前記製造品は安定化ジルコニアを含む電解質を有する固体酸化物燃料電池用の部品および安定化ジルコニアを有する酸素センサー装置の部品から選択される部品である、請求項19記載の製造品。
- 前記部品は安定化ジルコニアを含む電解質を有する固体酸化物燃料電池用の隔離板と安定化ジルコニアを含む電解質を有する固体酸化物燃料電池用の相互接続部から成る群から選択される、請求項25記載の製造品。
- 固体酸化物燃料電池であって、
アノードと、カソードと、安定化ジルコニアを含んでいて前記アノードとカソードの中間にある電解質、および前記アノードからの電流の通路を与える相互接続部を含み、この相互接続部はフェライト系ステンレス鋼を含み、
このフェライト系ステンレス鋼は、0.05重量%以下(0は含まず)の炭素、0.5重量%未満のケイ素、0.5重量%未満のマンガン、25重量%より多く35重量%以下のクロム、0.75重量%以上で1.5重量%未満のモリブデン、0.68〜0.71重量%のニオブ、0.05重量%以下のアルミニウム、および残部の鉄と不可避不純物からなり、
ここで、前記鋼はハフニウムを含まず、前記鋼は20℃〜1000℃における安定化ジルコニアの熱膨張係数の25%の範囲内にある熱膨張係数を有し、また前記鋼は、900℃で少なくとも6.895MPa(1000psi)のクリープ破断強さ、6.895MPaの荷重の下で900℃において1%クリープひずみまでの時間が少なくとも100時間、および、6.895MPaの荷重の下で900℃において2%クリープひずみまでの時間が少なくとも200時間から選択される少なくとも1つのクリープ特性を示す、固体酸化物燃料電池。 - 前記鋼の熱膨張係数は20℃〜1000℃における安定化ジルコニアの熱膨張係数と少なくとも同じ大きさである、請求項27記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記鋼の熱膨張係数は20℃〜1000℃におけるイットリア安定化ジルコニアの熱膨張係数と少なくとも同じ大きさである、請求項27記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記鋼は25重量%より多く35重量%以下のクロム、0.75重量%以上で1.5重量%未満のモリブデン、0.005重量%以下の炭素、および0.68〜0.71重量%のニオブを含む、請求項27記載の固体酸化物燃料電池。
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