JP5805163B2 - オーステナイト系のリーンステンレス鋼 - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第119条(e)に基づき、2007年11月29日出願の同時係属中の米国特許仮出願第60/991,016号の優先権を請求する。
本開示は、オーステナイト系のステンレス鋼に関する。特に、本開示は、よりニッケルの多い合金と比較して少なくとも同程度の耐腐食性と成形特性とを有する、ニッケル及びモリブデンの少ないコスト効果のあるオーステナイト系のステンレス鋼組成物に関する。
C:0.20%まで
Cは、オーステナイト相を安定化させ、変形により誘起されるマルテンサイト変換を防止するように働く。しかしながら、Cはまた、特に溶接の間にクロム炭化物が形成される確率を増加させ、クロム炭化物は、耐腐食性及び靭性を減少させる。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、0.20%までのCを有する。本発明のある実施態様においては、Cの含有量は、0.10%以下であっても良く、あるいは0.08%以下であっても良い。
Si:2.0%まで
2%より多くSiを有すると、シグマなどの脆い相の形成が促進され、合金中の窒素の可溶性が減少する。Siはまた、フェライト相を安定化させるので、2%より多くのSiは、オーステナイト相を維持するために追加のオーステナイト安定化剤の添加を必要とする。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、2.0%までのSiを有する。本開示に従ったある実施態様においては、Si含有量は1.0%以下であっても良い、本発明の別の実施態様においては、Si含有量は0.50%以下であっても良い。
Mn:2.0〜9.0%
Mnはオーステナイト相を安定化させ、一般的に、有益な合金化元素である窒素の可溶性を増加させる。これらの効果を十分に生み出すために、2.0%より少なくないMn含有量が必要とされる。マンガン及び窒素は両方とも、より高価な元素であるニッケルの効果的な代用物である。しかしながら、9.0%より多くのMnは、材料の加工性および一定の環境における耐腐食性を悪化させる。また、9.0%より多いような、高いレベルのMnを有するステンレス鋼を脱炭することは難しいため、多すぎるMnの保有は材料を製造する処理コストを有意に増加させる。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、2.0〜9.0%のMnを有する。ある実施態様においては、Mn含有量は2.0〜8.0%であっても良く、あるいは3.0〜6.0%であっても良い。
Ni:1.0〜5.0%
少なくとも1%のNiは、フェライト及びマルテンサイト形成の両方に対して、オーステナイト相を安定化させるために必要とされる。Niはまた、靭性及び成形性を高めるように働く。しかしながら、ニッケルの比較的高いコストのために、ニッケル含有量を出来るだけ低く保つことが望ましい。本発明者らは、その他の定義された範囲の元素に加えて1.0〜5.0%の範囲のNiを用いて、よりニッケルの多い合金と同様か、又はそれよりも良い耐腐食性及び成形性を有する合金を達成することが出来ることを見出した。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、1.0〜5.0%のニッケルを有する。ある実施態様においては、Ni含有量は3.0〜5.0%であっても良い。別の実施態様においては、Ni含有量は1.0〜3.0%であっても良い。
Cr:16.0〜23.0%
Crは、耐腐食性をステンレス鋼に与えるために添加し、また、マルテンサイト変換に対してオーステナイト相を安定化させるように働く。少なくとも16%のCrが、適切な耐腐食性を提供するために必要とされる。一方、Crは強力なフェライト安定化剤であるため、Cr含有量が23%を超えると、フェライト含有量を許容可能に低く保つために、ニッケル又はコバルトなどのよりコストのかかる合金化元素の添加が必要とされる。23%より多くのCrはまた、シグマなどの望ましくない相をより形成しがちである。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、16.0〜23.0%のCrを有する。ある実施態様においては、Cr含有量は16.0〜22.0%であっても良く、あるいは17.0〜21.0%であっても良い。
N:0.1〜0.35%
Nは、オーステナイトを安定化させる元素であるNi、及び腐食を高める元素であるMoの部分的な置換として合金中に含まれる。少なくとも0.10%のNが、強度及び耐腐食性、ならびにオーステナイト相を安定化させるために必要とされる。0.35%より多くのNの添加は、溶融及び溶接の間のNの可溶性を上回り、窒素の気泡を原因とする空隙を生ずる可能性がある。たとえ可溶性限界を上回らなくとも、0.35%より多くのN含有量は、窒化物粒子の沈殿の傾向を増加させ、耐腐食性及び靭性を悪化させる。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、0.1〜0.35%のNを有する。ある実施態様においては、N含有量は0.14〜0.30%であっても良く、あるいは、0.12〜0.30%であっても良い。
Mo:3.0%まで
本発明者らは、許容可能な特性を維持しながら、合金のMo含有量を制限しようとしてきた。Moは、ステンレス鋼の表面上に形成し、塩化物の作用による孔食から保護する不動態酸化膜を安定化させるのに効果的である。これらの効果を得るために、Moは、この発明において、3.0%のレベルまで添加しても良い。そのコストのために、Mo含有量は0.5〜2.0%であっても良く、この含有量が、適当な量のクロム及び窒素と組み合わせて必要とされる耐腐食性を提供するために適切である。3.0%を超えるMo含有量は、固化(デルタ)フェライトの割合を潜在的に問題のあるレベルに増加させることにより、熱間加工性を劣化させる。高いMo含有量はまた、シグマ相などの有害な金属間相の形成の見込みを増加させる。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼組成物は、3.0%までのMoを有する。ある実施態様においては、Mo含有量は0.40〜2.0%であっても良く、あるいは0.50〜2.0%であっても良い。
Co:1.0%まで
Coは、オーステナイト相を安定化させるように、ニッケルの代わりとして働く。コバルトの添加はまた、材料の強度を増加させるように働く。コバルトの上限は、好ましくは1.0%である。
B:0.01%まで
0.0005%程度に低いBの添加物を添加してステンレス鋼の熱間加工性及び表面品質を改善しても良い。しかしながら、0.01%より多くの添加は、本合金の耐腐食性及び加工性を悪化させる。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼組成物は、0.01%までのBを有する。ある実施態様においては、B含有量は0.008%までであっても良い。
Cu:3.0%まで
Cuは、オーステナイト安定化剤であり、Cuを用いてこの合金中のニッケルの一部分を置換しても良い。Cuはまた、還元環境における耐腐食性を改善し、積層欠陥エネルギーを減少させることによって成形性を改善する。しかしながら、3%より多くのCuの添加は、オーステナイト系のステンレス鋼の熱間加工性の減少を示した。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼組成物は、3.0%までのCuを有する。ある実施態様においては、Cu含有量は1.0%までであっても良い。
W:4.0%まで
Wは、塩化物の孔食及び隙間腐食に対する耐性の改善において、モリブデンと同様の効果を提供する。Wはまた、モリブデンの代わりに用いた場合に、シグマ相を形成する傾向を減少させる可能性がある。しかしながら、4%より多くの添加は、本合金の熱間加工性を減少させる可能性がある。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼組成物は、4.0%までのWを有する。ある実施態様においては、W含有量は0.05〜0.60%であっても良い。
0.5≦(Mo+W/2)≦5.0
Mo及びWは両方とも、ステンレス鋼の表面上に形成し、塩化物の作用による孔食から保護する不動態酸化膜を安定化させるのに効果的である。Wは、耐腐食性の増加においてMoのおよそ半分(重量で)の効果であるため、必要な耐腐食性を提供するために、(Mo+W/2)>0.5%が必要とされる。しかしながら、多すぎるMoの保有は金属間相の形成の見込みを増加させ、多すぎるWは材料の熱間加工性を減少させる。それ故に、(Mo+W/2)の組み合わせは5.0%より少なくするべきである。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼組成物は、0.5≦(Mo+W/2)≦5.0を有する。
1.0≦(Ni+Co)≦6.0
ニッケル及びコバルトは両方とも、フェライト形成に対してオーステナイト相を安定化させるように働く。少なくとも1.0%の(Ni+Co)が、適当な耐腐食性を保証するために添加しなければならないクロム及びモリブデンなどのフェライトを安定化させる元素の存在下において、オーステナイト相を安定化させるために必要とされる。しかしながら、Ni及びCoは両方ともコストのかかる元素であるので、(Ni+Co)含有量を6.0%より少なく保つことが望ましい。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼組成物は、1.0≦(Ni+Co)≦6.0を有する。
あるいは、1.65(%W)の因数を上述の式に追加して、合金中のタングステンの存在を考慮することが出来る。タングステンはステンレス鋼の耐孔食性を改善し、その効果は重量でモリブデンの約半分である。タングステンを計算に含んだ場合には、耐孔食性指数をPREWとして示し、これは以下の式により計算される。
タングステンは、本発明の合金中においてモリブデンと同様の目的に役立つ。そのため、タングステンをモリブデンの代わりとして添加して、耐孔食性の増加を提供しても良い。この式に従うと、同一の耐腐食性を維持するためには、取り除かれたモリブデンのパーセント毎にその二倍の重量パーセントのタングステンを追加すべきである。本発明の合金のとある実施態様は、22より大きいPREw値を有し、とある好ましい実施態様においては、30程度にまで高い。
本発明の合金は、10までのフェライト価を有し、好ましくは正の価数、より好ましくは約3〜5のフェライト価を有する。
本発明の合金は、20℃より低いMD30温度を有し、とある好ましい実施態様においては、−10℃より低い。
Claims (39)
- 重量%で、
0.20までのC、
2.0〜9.0のMn、
0.50までのSi、
16.0〜23.0のCr、
1.0〜3.0のNi、
3.0までのMo、
0.1〜0.35のN、
0.05〜4.0のW、
0.01までのB、
1.0までのCo、
残部の鉄、及び
不可避の不純物からなり、10より低いフェライト価(FN)及び20℃より低いMD30値を有する、オーステナイト系のステンレス鋼であって、
FN=3.34(Cr+1.5Si+Mo+2Ti+0.5Cb)−2.46(Ni+30N+30C+0.5Mn+0.5Cu)−28.6であり、
MD 30 (℃)=413−462(C+N)−9.2(Si)−8.1(Mn)−13.7(Cr)−9.5(Ni)−17.1(Cu)−18.5(Mo)である
オーステナイト系のステンレス鋼。 - 0.5≦(Mo+W/2)≦5.0である、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 22より大きいPREw値を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼であって、
PREW=%Cr+3.3(%Mo)+1.65(%W)+16(%N)であるオーステナイト系のステンレス鋼。 - 22より大きく、30までのPREw値を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼であって、
PRE W =%Cr+3.3(%Mo)+1.65(%W)+16(%N)であるオーステナイト系のステンレス鋼。 - 0より大きく、10までのフェライト価を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 3〜5のフェライト価を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- −10℃より低いMD30値を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Cが0.08までに制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Siが0.2〜0.50に制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Mnが2.0〜8.0に制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Mnが3.0〜6.0に制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Crが16.0〜22.0に制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Crが17.0〜21.0に制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Crが17.0〜20.0に制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Crが16.0〜18.0に制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Nが0.1〜0.30に制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Nが0.14〜0.30に制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Moが0.40〜3.0に制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Moが0.5〜2.0に制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Bが0.008までに制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Wが0.05〜0.60に制限される、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Moが0.40〜2.0に制限され、−10℃より低いMD30値を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Moが0.40〜2.0に制限され、0.5≦(Mo+W/2)≦4.0である、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- −10℃より低いMD30値を有する、請求項20に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 重量%で、
0.10までのC、
2.0〜8.0のMn、
0.50までのSi、
16.0〜22.0のCr、
1.0〜3.0のNi、
0.40〜2.0のMo、
0.12〜0.30のN、
0.05〜4.0のW、
1.0までのCo、
0.008までのB、
残部の鉄、及び
0.04までのPと0.03までのSとを含む不可避の不純物からなり、10より低いフェライト価及び20℃より低いMD30値を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。 - −10℃より低いMD30値を有する、請求項25に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 22より大きく、30までのPREw値を有する、請求項25に記載のオーステナイト系のステンレス鋼であって、PRE W =%Cr+3.3(%Mo)+1.65(%W)+16(%N)であるオーステナイト系のステンレス鋼。
- 重量%で、
0.08までのC、
3.0〜6.0のMn、
0.5までのSi、
17.0〜21.0のCr、
1.0〜3.0のNi、
0.50〜2.0のMo、
0.14〜0.30のN、
1.0までのCo、
0.05〜4.0のW、
残部の鉄、及び
0.05までのPと0.03までのSとを含む不可避の不純物からなり、10より低いフェライト価及び20℃より低いMD30値を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。 - −10℃より低いMD30値を有する、請求項28に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 22より大きく、30までのPREw値を有する、請求項28に記載のオーステナイト系のステンレス鋼であって、PRE W =%Cr+3.3(%Mo)+1.65(%W)+16(%N)であるオーステナイト系のステンレス鋼。
- 重量%で、
0.20までのC、
2.0〜9.0のMn、
0.50までのSi、
16.0〜23.0のCr、
1.0〜3.0のNi、
0.40〜3.0のMo、
0.1〜0.30のN、
0.05〜4.0のW、
0.01までのB、
1.0までのCo、
残部の鉄、及び 不可避の不純物からなり、10より低いフェライト価、22より大きく、30までのPREw値、及び20℃より低いMD30値を有する、請求項1に記載のオーステナイト系のステンレス鋼であって、
PREW=%Cr+3.3(%Mo)+1.65(%W)+16(%N)である、オーステナイト系のステンレス鋼。 - Moが0.40〜2.0に制限され、0.5≦(Mo+W/2)≦4.0である、請求項31に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- Siが0.2〜0.5に制限され、そしてMnが6.0〜9.0に制限される、請求項31に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
- 重量%で、
0.20までのC、
2.0〜9.0のMn、
0.50までのSi、
16.0〜23.0のCr、
1.0〜3.0のNi、
3.0までのMo、
0.1〜0.35のN、
0.05〜4.0のW、
0.01までのB、
1.0までのCo、
残部の鉄、及び 不可避の不純物からなるオーステナイト系のステンレス鋼であって、10より低いフェライト価(FN)及び20℃より低いMD30値を有するオーステナイト系のステンレス鋼を含む、製造物品であって、
FN=3.34(Cr+1.5Si+Mo+2Ti+0.5Cb)−2.46(Ni+30N+30C+0.5Mn+0.5Cu)−28.6であり、
MD30(℃)=413−462(C+N)−9.2(Si)−8.1(Mn)−13.7(Cr)−9.5(Ni)−17.1(Cu)−18.5(Mo)である
オーステナイト系のステンレス鋼を含む、製造物品。 - 該オーステナイト系のステンレス鋼は、−10℃より低いMD30値を有する、請求項34に記載の製造物品。
- 該オーステナイト系のステンレス鋼は、Moが0.40〜2.0に制限される、請求項34に記載の製造物品。
- 該物品は、低温環境及び極低温環境の少なくとも一つにおける使用のために適合している、請求項34に記載の製造物品。
- 該物品は、耐腐食性物品、耐腐食性建築用パネル、フレキシブルコネクタ、ベローズ、チューブ、パイプ、煙突のライナー、送気管のライナー、プレートフレーム式熱交換器の部品、コンデンサーの部品、薬品処理設備のための部品、衛生用部品、及びエタノール製造設備又はエタノール処理設備のための部品からなる群から選択される、請求項34に記載の製造物品。
- 重量%で、
0.20までのC、
2.0〜9.0のMn、
0.50までのSi、
16.0〜23.0のCr、
1.0〜3.0のNi、
0.40〜3.0のMo、
0.1〜0.30のN、
0.05〜4.0のW、
0.01までのB、
1.0までのCo、
残部の鉄、及び 不可避の不純物からなるオーステナイト系のステンレス鋼であって、10より低いフェライト価、22より大きく、30までのPREw値、及び20℃より低いMD30値を有するオーステナイト系のステンレス鋼を含む製造物品であって、PRE W =%Cr+3.3(%Mo)+1.65(%W)+16(%N)である、請求項34に記載の製造物品。
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