KR20050044624A

KR20050044624A - 고온 내크리프성을 갖는 페라이트계 스테인리스강

Info

Publication number: KR20050044624A
Application number: KR1020047008324A
Authority: KR
Inventors: 존에프. 그루부
Original assignee: 에이티아이 프로퍼티즈, 인코퍼레이티드
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2005-05-12
Also published as: EP1448803A1; FI20045186A; ES2362223T3; CA2465604A1; FI124893B; JP2005511892A; EP1448803B1; WO2003048402A1; CA2465604C; US6641780B2; ZA200403628B; NO20042641L; US20030124019A1; ES2487530T3; US20040050462A1; ATE483038T1; BR0214588A; EP2767607A1; EP1448803A4; HK1198182A1

Abstract

25 중량 퍼센트 초과의 크롬, 0.75 내지 1.5 중량 퍼센트 미만의 몰리브덴,0.05 중량 퍼센트까지의 탄소, 그리고 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈 중에서 하나 이상을 포함하며, 여기서 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 방정식 0.4 < (%Nb ± %Ti ± Y2(%Ta)) < 1을 만족하는 개선된 고온 기계적 속성을 갖는 페라이트계 스테인리스강. 이 페라이트계 스테인리스강의 열팽창 계수는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 안정화된 지르코니아의 열팽창 계수의 25% 이내이며, 그리고 이 강은 900℃(1652℉)에서 1000 psi이상의 크리프-파단 강도, 1000 psi의 부하 하에서 900℃(1652℉)에서 100 시간 이상의 1% 크리프 변형률에 대한 시간, 그리고 1000 psi의 부하 하에서 900℃(1652℉)에서 200 시간 이상의 2% 크리프 변형률에 대한 시간으로부터 선택된 하나 이상의 크리프 특성을 나타낸다. 이 강은 특히 고체 산화물 연료 전지에서의 전류 수집 연결자(current collecting interconnects), 화로 설비, 화학 공정, 석유 화학, 전력 생성, 그리고 오염 제어 산업을 위한 장치, 그리고 취급 용융 구리 그리고 다른 용융 금속의 취급 장치에 적합하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

Description

고온 내크리프성을 갖는 페라이트계 스테인리스강{FERRITIC STAINLESS STEEL HAVING HIGH TEMPERATURE CREEP RESISTANCE}

본원 발명은 페라이트계 스테인리스강 합금에 관련된 것이다. 특히, 본원 발명은 특히 고온 용도에 특히 적합하도록 제조된 기계적 특성 및 마이크로 구조적 안정성을 갖는 페라이트계 스테인리스강 합금에 관련된 것이다. 그러한 용도에는 고체 산화물 연료 전지에서의 전류 수집 연결자(current collecting interconnects), 화로 설비, 화학 공정, 석유 화학, 전력 생성, 그리고 오염 제어 산업을 위한 장치, 그리고 취급 용융 구리 그리고 다른 용융 금속의 취급 장치가 포함되나, 이에 한정되는 것은 아니다.

연료 전지는 전력을 발생하기 위한 고도로 효율적이며, 환경 친화적인 수단이다. 연료 전지 작동의 배경의 기본적 원리는 연료의 연소에 의한 전기의 생성이다. 연료는 전해질로 알려진 투과성 장벽에 의하여 산화기로부터 분리된다. 전해질의 연료 측면의 수소는 이온화된다. 생성되는 양성자는 전해질을 통과하며, 유리된 전자는 내부 회로를 통하여 여행한다. 연료 측면의 반대편인, 전해질의 공기 측면에서는, 두 양성자가 산소 원자 및 두 전자와 결합하여 물 분자를 생성하고, 열을 방출하며 전기적 회로를 완결한다. 작업을 하기 위하여 내부 회로 내의 전자를 사용함으로써 에너지가 방출된다. 보다 고온에서 작동하는 연료 전지를 위하여, 공기 측면의 반응으로부터 유리된 열은 또한 전지의 전체 작동의 효율을 증가시키는, 가열 용도 또는 연료 변형에 사용될 수 있다.

현재 주목받는 연료 전지의 한 가지 타입은 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)이다. SOFC는 고온[1450-1800℉ (788-982℃)]에서 작동하며, 이것은 이들이 내부적으로 중성 가스, 디젤 연료, 가솔린, 알코올, 그리고 석탄 가스와 같은 통상의 탄화수소 연료를 수소 및 일산화탄소로 변형할 수 있다는 것을 의미한다. 내부 변형은 열에너지를 재활용하며 비싼 백금 그룹의 금속 촉매의 필요성을 제거시킨다. 수소 그리고 일산화탄소는 모두 SOFC에서 연료로 사용된다. 수소는 전술한 포괄적인 연료 전지 반응의 변형 내에서 산소와 결합한다.

전해질은 산화물 세라믹이며, 이것은 양성자보다는 산소 이온 (0₂ ^-)에 투과성이다. 그러므로 SOFC는 일부 다른 연료 전지 타입에 비하여 역방향으로 작동한다. 수소를 연소하는 이외에도, 일산화탄소는 음극에서 열을 방출하면서 이산화탄소로 산화된다. 일산화탄소는 정제되지 않은 연료 내에 존재하며, 작동 효율을 감소시키는 저온 연료 전지를 저해할 수 있기 때문에 이것은 유익하다. 소형 SOFC는 약 50% 효율까지 작동한다. 보다 더 우수한 효율을 얻기 위하여 중간 크기 그리고 큰 SOFC가 가스 터빈과 결합될 수 있다. 결합된 SOFC-가스 터빈 세트의 효율은 70%에 달할 수 있다.

기본 SOFC 설계에 대한 몇몇 변형이 존재한다. 전해질은 대체로, 고온으로 가열되는 경우 높은 이온 전도성을 제공하고 격자의 변화를 억제하기 위하여, 산화물의 첨가에 의하여 안정화 되는 지르코니아의 형태로 제공된다. 그러한 산화물-안정화 물질은 일반적으로 공지되어 있으며, 여기서는 "안정화된 지르코니아"로 지칭된다. SOFC's는 통상적으로 안정화된 지르코니아 전해질로서 산화이트륨(yttria)-안정화된 지르코니아 (YSZ)를 포함한다. 보고된 YSZ의 열팽창 계수(CTE) 는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℃)에서, 약 11 X 10^-6 / ℃이다.

극히 고온(1800℉ (982℃))에서 작동하며 크기가 큰, 상대적으로 단순 구조의 튜브형의 SOFC가 개발되었다. 튜브형의 SOFC는 장치 내의 개별적인 SOFC 튜브의 수 그리고 크기를 증가시킴으로써 규모가 증가될 것이다. 보다 최근에는, "평면의"SOFC (PSOFC)"가 개발되었다. PSOFC는 상대적으로 작고 납작한 전지의 스택(stacks)으로 구성된다. 음극(anode) 그리고 양극(cathode) 플레이트는 대체로 세라믹 물질이다. 투과성 니켈-지르코니아 서멧 또한 음극으로 사용된다.

연결자(interconnects)는 연료전지에 의하여 생성되는 전자를 수집하기 위하여 요구된다. 연결자는 또한 산화 및 환원 가스 유동을 위하여 물리적 연결자로서 작용한다. 그러므로 연료 전지 연결자의 형성을 위하여 사용되는 물질은 전기 전도성이고, 산화 저항성이며, 그리고 기계적으로 안정해야 한다. 그리고 연결자에 인접하게 물리적으로 배치된 전지의 세라믹 성분의 그것과 실질적으로 매치되는 열팽창 속성을 가져야 한다. 현재 까지, SOFC 연결자는 통상적으로 고온에서 전기 전도성인 세라믹 물질, 통상적으로 CaO 또는 SrO로 도프된 LaCrO₃로부터 제조되었다. 비록 세라믹이 고온에 장기간 동안 도입되는 경우 대체로 안정하지만, 세라믹 또한 부서지기 쉬우며 상대적으로 비싸다. 그리고 금속에 비하여 불량한 전기의 도체이다. 특정 금속성 연결자가 이 목적을 위하여 개발된 크롬-기초 합금으로부터 제조되었다. 이 합금은 적합한 산화 저항성을 제공하며, 안정화된 지르코니아와 함께 우수한 열팽창을 제공한다. 그러나 합금의 제조에 사용된 분말 야금 경로는 이것을 비싸게 만들고, 이것은 합금으로부터 제조된 SOFC에 실질적인 비용을 추가한다.

스테인리스강으로부터 SOFC 연결자를 제조하는 것은 강이 세라믹보다 우수한 전기 전도성을 가지며 그리고 덜 부서지기 쉬우므로 세라믹에 비하여 장점을 제공할 것이다. 그러나 스테인리스강을 SOFC 연결자의 용도에 사용하는 것과 관련된 문제들에는 산화, 열팽창, 그리고 크리프 문제들이 포함된다. 산화는 전류를 전도하기 위한 스테인리스강의 용량을 감소시킬 수 있으며, 이로써 시간에 대한 전지 출력(output)을 감소시킨다. 표준 오오스테나이트계 스테인리스강은 전통적인 SOFC 전해질 세라믹과 매치하는 우수한 열팽창을 제공하지 않는다. 세라믹 전해질과 매치하는 우수한 열팽창을 제공하는 페라이트계 스테인리스강은 대체로 낮은 내크리프성을 나타낸다. 예를 들면, E-BRITE^?? (UNS S44627), AL-29-4-2^?? (UNS S44800) 그리고 ALFA-IV^?? (Alloy Digest SS-6771 ASM International) 합금을 포함하는 몇몇 상업적으로 이용 가능한 스테인리스강에 대한 본 발명자에 의하여 수행된 실험은 E-BRITE^?? 합금이 SOFC 용도를 위한 수용 가능한 열팽창, 우수한 열 안정성을 가지며 바람직한 Cr₂O₃ 산화물을 형성한다는 것을 입증하였다. 그러나 E-BRITE^?? 합금의 내크리프성은 SOFC 용도에 덜 바람직하다.

그러므로 고온 내크리프성, 우수한 열 안정성, 그리고 SOFC에서의 전류 수집(current collecting) 연결자로서의 용도를 위하여 그리고 화로 설비 그리고 용융 금속의 취급을 위한 장치는 물론 화학적 공정, 석유화학, 전력 생성, 그리고 오염 제어 산업을 위한 장치와 같은 다른 고온에서의 용도를 위하여 적합하도록 하는 특징들을 갖는 개선된 스테인리스강 합금이 요구되고 있다.

도 1은 몇몇 페라이트계 스테인리스강의 어닐링 온도에 대한 ASTM 입경의 그래프이다.;

도 2(a)~(c)는 다양한 온도에서 시험된 몇몇 페라이트계 스테인리스강의 몇몇 기계적 특성을 도시하는 그래프이다. ;

도 3은 (a) 800℃(1472℉), (b) 85O℃(1562℉), 그리고 (c) 900℃(1652℉)의 시험온도에서 시험된 몇몇 페라이트계 스테인리스강의 적용된 응력에 대한 1 % 크리프 변형률에 대한 시간의 그래프이다. ;

도 4는 (a) 800℃(1472℉), (b) 85O℃(1569℉), 그리고 (c) 900℃(1652℉)의 시험온도에서 시험된 몇몇 페라이트계 스테인리스강의 적용된 응력에 대한 2% 크리프 변형률에 대한 시간의 그래프이다. ;

도 5는 (a) 800℃(1472℉), (b) 85O℃(1562℉), 그리고 (c) 900℃(1 652℉)의 시험온도에서 시험된 몇몇 페라이트계 스테인리스강의 적용된 응력에 대한 파단에 대한 시간의 그래프이다. ;

도 6은 800℃(1472℉)에서 대기환경(ambient air)에 노출된 시간에 대한 중량 변화의 그래프 이며 몇몇 페라이트계 스테인리스강의 등온 산화 데이터를 도시한다. ;

도 7은 800℃(1472℉)에서 대기 환경에 몇몇 페라이트계 스테인리스강을 노출하여 얻은 등온 산화 데이터를 도시한다. ;

도 8은 900℃(1652℉)에서 대기 환경에 몇몇 페라이트계 스테인리스강을 노출하여 얻은 등온 산화 데이터를 도시한다.; 그리고

도 9는 몇몇 페라이트계 스테인리스강의 0.002" 두께 샘플의 순환 온도에 대한 CTF(cycles-to-failure) 값을 도시한다.

본원 발명은, 25 중량 퍼센트 초과의 크롬, 0.75 내지 1.5 중량 퍼센트까지의 몰리브덴, 0.05 중량 퍼센트까지의 탄소, 그리고 하나 이상의 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈을 포함하는 페라이트계 스테인리스강을 제공함으로써 전술한 요구에 부응한다. 여기서 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 방정식 0.4 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 1을 만족한다. 본원 발명의 강은 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 안정화된 지르코니아의 CTE의 약 25% 이내의 CTE를 갖는다. 본원 발명의 강은 또한 900℃(1652℉)에서 1000 psi 이상의 크리프-파단 강도, 1000 psi의 부하로 900℃(1652℉)에서 100시간 이상의 1% 크리프 변형률(creep strain)에 대한 시간, 그리고 1000 psi의 부하로 900℃(1652℉)에서 200시간 이상의 2% 크리프 변형률에 대한 시간으로부터 선택된 하나 이상의 크리프 특성을 나타낸다.

본원 발명은 또한 페라이트계 스테인리스강 합금을 제조하는 방법을 제공한다. 여기서 이 방법은 25 중량 퍼센트 초과의 크롬, 0.75 내지 1.5 중량 퍼센트까지의 몰리브덴, 0.05 중량 퍼센트까지의 탄소, 그리고 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈 중 하나 이상을 포함하는 강을 형성하는 단계를 포함한다. 여기서 오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 방정식 0.4 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 1 을 만족한다. 이 강은 안정화된 지르코니아의 CTE의 약 25% 이내의 CTE를 갖는다. 그리고 바람직하게는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 안정화된 지르코니아의 CTE보다 큰 그리고 25% 이내의 CTE를 갖는다. 이 강은 또한 900℃(1652℉)에서 1000 psi 이상의 크리프-파단 강도, 1000 psi의 부하로 900℃(1652℉)에서 100시간 이상의 1% 크리프 변형률(creep strain)에 대한 시간, 그리고 1000 psi의 부하로 900℃(1652℉)에서 200시간 이상의 2% 크리프 변형률에 대한 시간으로부터 선택된 하나 이상의 크리프 특성을 나타낸다. 수반되는 단계에서, 이 강은 용체화풀림(solution annealed)되며 그 후 어닐링 온도로부터 냉각된다. 용체화풀림은 바람직하게는 합금의 의도된 사용 온도 이상의 온도 그리고 1600℉ (871℃)에서 수행된다. 필요하다면, 용체화풀림 된 스테인리스강은 강을 단단하게 하기 위하여 침전 열처리(precipitation heat treated)된다.

본원 발명은 또한 본원 발명의 스테인리스강으로부터 제조된 물품(articles)의 제조를 제공한다. 이 물품은 전통적인 기술을 사용하여 제조될 것이다.

본원 발명의 스테인리스강은 다른 페라이트계 스테인리스강에 비하여 개선된 고온 내크리프성을 포함하는 개선된 고온 기계적 특성을 나타낸다. 이 강은 또한 통상적으로 SOFC에서 전해질로서 사용되는 안정화된 지르코니아인 YSZ와 매치되는 우수한 열팽창을 나타내야 한다. 그러므로 이 강은 SOFC에서 전류 운반 연결자 및 유동 분리기(flow separators)로서의 용도에 적합하며 세라믹 대신 사용될 것이다. 이 강은 또한 예를 들면, 산소 센서 장치, 특정 화학적 공정, 석유화학, 전력 생성, 그리고 오염 제어 장치, 고온 화로 설비, 그리고 용융 금속 취급 장치를 포함하는 높은 응력, 고온에서의 용도에 적합할 것이다.

다음의 본원 발명의 실시예의 상세한 설명으로부터, 본원발명의 전술한 사항들, 그리고 본원 발명의 장점은 물론 다른 사항들이 이해될 것이다. 또한 본원 발명의 스테인리스강을 제조하거나 그리고/또는 이용함에 의한 본 발명의 장점 및 부가적 사항이 이해될 것이다.

세라믹 SOFC 연결자를 스테인리스강 연결자로 대신하는 것은 유익할 것이라고 주장되어왔다. 이 영역의 초기 연구는 그러나 고려된 다양한 존재하는 스테인리스강의 결점을 드러내었다. 예를 들면, 오오스테나이트계 니켈-기초 물질은 불량한 열팽창률 계수(coefficient of thermal expansion ratio)를 나타내는 것으로 밝혀졌다. 알루미나-형성 페라이트계 합금은 그들이 산화 후 전기 전도성이 아니므로 결점이 있는 것으로 밝혀졌다.

본 발명자는 또한 Allegheny Ludlurn Corporation(피츠버그, 펜실바니아)사(社)에 의하여 AL 29-4-2^??, ALFA-IV^??, 그리고 E-BRITE^??의 상품명으로 제공되는 특정한 상업적으로 이용 가능한 페라이트계 스테인리스강을 승온에서 그들의 SOFC에서의 연결자로서의 적합성을 평가하였다. AL 29-4-2^?? 합금은 UNS 지정(Designation) S44800로 설명되어 있으며 A240을 포함하는 몇몇 ASTM 지정에 열거되어 있다. AL 29-4-2^?? 합금의 전형적 조성은 (중량 퍼센트로) 28.0-30.0 크롬, 3.5-4.2 몰리브덴, 2.0-2.5 니켈, 나머지의 철 그리고 잔여 불순물로 제한된다. ALFA-IV^?? 합금은 일반적으로 미국 특허 제4.414,023호에서 개시된 고유의(proprietary) 합금이며 20 중량 퍼센트의 크롬, 5 중량 퍼센트의 알루미늄, 그리고 0.3 중량 퍼센트의 희토류 금속의 공칭 조성을 갖는다. E-BRITE^?? 합금은 공칭 26 중량 퍼센트의 크롬, 1 중량 퍼센트의 몰리브덴 스테인리스강이며 일반적으로 미국 특허 제 3,807,991호에 개시되어 있다.

AL 29-4-2^?? 합금은 시그마 상(sigma phase)의 연장된 침전에 의하여 고온에서 심각한 취약성(embrittlement)을 갖는 것으로 밝혀졌다. ALFA-IV^?? 합금은 적합한 수준 이상의 열팽창을 나타내며 바람직하지 않은 비-전도성 A1₂0₃ 박막을 형성하는 것으로 밝혀졌다. E-BRITE^?? 합금은 SOFC 연결자 용도를 위하여 AL 29-4-2^?? 그리고 ALFA-IV^?? 합금에 비하여 보다 수용 가능한 것으로 밝혀졌으나 여전히 일차적으로 고온에서의 수용 불가능하게 낮은 내크리프성으로 인하여 부적합하였다.

E-BRITE^?? 합금의 상업적 형태에 비하여 개선된 고온 내크리프성을 포함하는 개선된 고온 기계적 특성을 갖는 페라이트계 스테인리스강은 SOFC 연결자 그리고 다른 고온 용도와 같은 용도에 유익할 것이다. 실험을 통하여 본원 발명자는 25 중량 퍼센트 초과의 크롬, 0.75 내지 1.5 중량 퍼센트까지의 몰리브덴, 0.05 중량 퍼센트까지의 탄소, 0.4 내지 1 중량 퍼센트까지의 니오브를 포함하는 그러한 페라이트계 스테인리스강을 발명하였다. 바람직하게는, 이 합금의 탄소 함량은 0.005 중량 퍼센트까지로 제한된다. 그러나 이하에서 설명되는 바와 같이, 합금 내의 니오브 또는 티타늄과 같은 다른 카바이드 포머(carbide former)는 보다 넓은 0.05 중량 퍼센트 한계까지의 카바이드 안정화를 제공해야 한다.

본원 발명의 페라이트계 스테인리스강은 또한

900℃(1652℉)에서 1000 psi 이상의 크리프-파단 강도, 1000 psi의 부하로 900℃(1652℉)에서 100시간 이상의 1% 크리프 변형률(creep strain)에 대한 시간, 그리고 1000 psi의 부하로 900℃(1652℉)에서 200시간 이상의 2% 크리프 변형률에 대한 시간으로부터 선택된 하나 이상의 크리프 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.

YSZ는 SOFC에서 통상 안정화된 지르코니아 전해질이므로, 본원 발명의 강은 바람직하게는 20℃(68℉) 내지 1000℃(832℉)에서 YSZ의 CTE의 약 25%의 이내의 CTE를 갖는다. 전술한 바와 같이, 이 온도범위 내에서 YSZ의 CTE는 약 11 x 10^-6/℃이다. 그러므로 그 CTE 값의 약 25% 이내의 범위는 약 8.25 내지 약 13.75 x 10^-6 /℃이다.

SOFC의 금속성 원소의 작동온도에서의 마이너 크리프(minor creep) 그리고/또는 응력 완화(stress relaxation)는 온도에서 얼마동안의 시간 후 장치를 본질적으로 응력이 존재하지 않도록(stress free) 한다. SOFC가 그 후 냉각되는 경우, 만일 금속의 CTE가 안정화된 지르코니아 전해질의 그것보다 낮다면, 세라믹은 팽창(tension) 상태에 있는 반면 그 금속은 압축 상태에 있다. 부서지기 쉬운 물질이 바람직하게는 압축에 부하(load)되며 그리고 팽창(tension)에 부하되는 경우 갑자기 부서질 것이라는 것은 잘 알려져 있다. 그러므로 금속이 적어도 산화물-안정화된 세라믹 정도의 CTE를 갖는 것이 바람직하다. 그러므로 본원 발명의 페라이트계 스테인리스강의 CTE는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 바람직하게는 YSZ와 같은 안정화된 지르코니아 정도의 그리고 그보다 25 퍼센트 초과까지 이다. 본 발명자는 SOFC 연결자 용도를 위한 본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 속성을 최적화하기 위하여, 이 강은 바람직하게는 용체화풀림 되고 그 후 공정 동안 어닐링 온도로부터 냉각된다는 것을 밝혀냈다. 용체화풀림은 의도된 합금의 사용 온도 이상의 그리고 1600℉ (871℃)의 온도에서 바람직하게는 수행된다. 본 발명자는 합금을 과도한 온도(예를 들면, 2200℉(1204℃)을 초과하는)에서 장시간 동안 어닐링 하는 것은 과도한 입자 성장에 이르게 하며, 이것은 합금의 인성(toughness) 그리고 성형성(formability)을 손상시킬 수 있다는 것을 밝혀내었다. 물 급냉(quenching)에 의하여 생성되는 것과 같은 어닐링 온도로 부터의 급속 냉각은 요구되지 않으나, 해롭지는 않은 것으로 밝혀졌다. 노(furnace) 냉각에 의하는 것과 같은 매우 느린 냉각 또한 필요하지 않은 것으로 밝혀졌다. 공기 냉각 또는 동일한 속도로의 다른 대체적인 수단에 의한 냉각이 일반적으로 바람직하다. 증가된 경도(hardness)가 요구되는 용로를 위한 합금의 특정 기계적 특성을 변형시키기 위하여, 용체화풀림 된 스테인리스강은 전통적인 수단에 의하여 침전 열처리(precipitation heat treat) 될 것이다.

크롬은 스테인리스강의 산화 저항성 및 고온에서 전기 전도성인 Cr₂0₃ 산화피막(scale)의 형성에 공헌한다. 이것은 또한 강의 열팽창 감소에 대부분 책임이 있으므로 일반적으로 지르코니아의 그것과 매치된다. 약25 중량 퍼센트 미만의 크롬을 포함하는 강은 이들 요구되는 속성을 나타내지 않는 것으로 생각된다. 그러나 크롬 함량이 약35 중량 퍼센트 이상으로 증가할수록, 강은 고온 작업을 하기에 보다 어려워지며, 그러므로, 제조하기에 보다 비싸진다. 더욱이, 그러한 높은 크롬 함량을 포함하는 강은 보다 바람직하지 않은 금속 간 시그마(FeCr) 상(intermetallic sigma phase)을 형성하는 경향이 있다. 그러므로 크롬 함량은 바람직하게는 약35 중량 퍼센트 이하이며, 보다 바람직하게는 초과 약30 중량 퍼센트 이하, 그리고 보다 더 바람직하게는 약27.5 중량 퍼센트 이하이다.

몰리브덴은 열팽창을 감소시킨다. 이것은 또한 니오브가 강화 Laves 상 Fe₂(Nb, Mo) 침전을 형성함과 함께 고체 용액 강화 (solid solution strengthening)를 제공한다. 몰리브덴은, 그러나, 실질적으로 스테인리스강의 바람직하지 않은 시그마 상(sigma phase) 그리고 동일하게 바람직하지 않은 chi (Fe, Cr, Mo) 상을 침전시키는 스테인리스강의 경향을 증가시킨다. 몰리브덴은 또한 강의 산화 저항성을 손상시키며 특정 환경 하에서 산화의 파국적 형태(catastrophic form)를 증진시킬 수 있다. 이러한 이유들로 인하여, 스테인리스강의 몰리브덴 함량은 바람직하게는 주의 깊게 제어된다. 약 0.75 내지 약1.5 중량 퍼센트까지, 그리고 보다 바람직하게는 약1.2 중량 퍼센트까지의 몰리브덴 함량은 합금의 속성에 대한 이 원소의 바람직한 그리고 바람직하지 않은 영향 사이에서 특히 적합한 균형을 제공한다. 특히, 본 발명자에 의한 0.9 내지 1.1 중량 퍼센트의 몰리브덴을 함유하는 합금의 실시예는 특히 바람직한 속성의 균형을 나타내었다.

페라이트계 스테인리스강 네의 탄소의 역할은 잘 알려져 있다. 약 0.010 중량 퍼센트 미만의 탄소 함량이 안정화되지 않은 합금에서 연성(ductility)을 얻기 위하여 요구된다. 속성을 최적화하기 위하여, 0.005 중량 퍼센트 미만의 탄소 함량이 요구된다. 본원 발명의 스테인리스강의 니오브 함량은, 그러나, 탄소의 많은 효과를 환화시킬 것이다. 이로 인하여, 만약 충분한 카바이드 형성 원소가 탄소 함량을 안정화하기 위하여 존재한다면, 약0.05 중량 퍼센트까지의 탄소 함량은 수용 가능하다. 이 기술분야의 당업자는 본원 발명의 주어진 합금 내에서 주어진 탄소 함량을 안정화하기 위하여 존재하여야 하는 카바이드 형성 원소의 함량을 쉽게 결정할 수 있을 것이다. 만약 용접된 물품이 본원 발명의 강으로부터 형성되는 경우, 용접점의 고온 균열을 방지하기 위하여 바람직한 0.005 중량 퍼센트의 상한을 지키는 것이 바람직할 것이다.

니오브의 소량 부가는 페라이트계 스테인리스강에서 크리프 또는 "처침(sag)"을 증진시키는 것으로 밝혀졌다. 이들 니오브 부가는, 올바른 환경 하에서, Laves 상 [Fe₂(Ta, Nb, Mo)] 침전의 미분산(fine dispersion)을 형성한다. 본 발명의 스테인리스강 내의 니오브의 적합한 함량은 이하에 설명된 바와 같이 실험을 통하여 결정되었다. 합금 내의 니오브의 일부는 티타늄으로 치환될 수 있는 것으로 생각된다. 또한, 합금의 속성에 대한 영향에 있어서 탄탈은 니오브와 유사하나, 니오브 보다 무겁고 실질적으로 더 비싸다. 탄탈은 니오브 대신 치환될 수 있으며, 2 중량 퍼센트의 탄탈에 기초한 전체 또는 부분의 티타늄은 1 중량 퍼센트의 니오브 그리고 티타늄과 등가인 것으로 생각된다. 그러므로 본 발명자에 의하여 관찰된 본 발명의 스테인리스강의 개선된 속성은 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈 중 하나 이상을 강에 포함시킴에 의하여 얻어지는 것으로 생각된다. 여기서 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 다음의 방정식을 만족한다.

0.4 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 1

바람직하게는, 본 발명의 강은 0.50 중량 퍼센트 이하의 티타늄을 포함한다.

본원 발명의 스테인리스강에 티타늄을 부가하는 한 장점은 용액으로부터 질소를 TiN로서 제거할 것이라는 점이다. 이것은 NbN 그리고 CrNbN 침전의 형성을 보다 잘 방지할 것이며, 그러므로 바람직한 Laves (Fe2Nb) 상 강화 침전의 형성을 위한 니오브 (티타늄보다 비싼 합금 첨가물)를 보존할 것이다. 또한 티타늄의 첨가는 유사하게 용액으로부터 탄소를 제거할 것이며 이로써 NbC 그리고 NbCN의 형성을 보다 예방할 것이다. 또한 약 0.07 중량 퍼센트 이상의 티타늄의 용량은 니오브-유도 용접점 균열(weld cracking)의 문제를 완화하는 것으로 관찰되었다.

합금 첨가와 관련된 비용은 제한하는 반면, 고온 속성의 현저한 개선을 확보하기 위하여, 본원 발명의 강 내의 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 다음의 방정식을 만족하도록 보다 좁은 범위로 제어된다. :

0.5 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 0.75

여기서 티타늄의 최대 함량 및 바람직한 함량은 전술한 방정식의 경우와 동일하다.

또한, 전술한 원소 이외에, 본원 발명의 페라이트계 스테인리스강은 하나 이상의 희토류 원소(rare earth element)의 부가를 포함할 수 있다. 이들 선택적인 희토류 부가는 약 0.1 중량 퍼센트까지의 세륨 그리고 0.05 중량 퍼센트까지의 란탄을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 합금 첨가(alloy addition)로서 희토류 원소의 부가는 철-기초 합금의 산화 저항성을 증가시키기 위하여 고도로 유익한 것으로 밝혀졌다. 그러한 효과는 이트륨, 란탄, 그리고 세륨에 대하여 입증된 바 있다. 다른 희토류 원소는 점진적으로 보다 고가이며 덜 효과적인 경향이 있으나, 그러한 목적을 위하여 사용될 수 있다. 본원 발명의 스테인리스강에 그러한 원소들을 추가하는 경우 단일 희토류 금속 (REM)만을 첨가할 필요는 없다. 미시메탈(mischmetal)로 알려진 상업적으로 제조된 REM 원소의 혼합물이 경제적인 REM 도핑(doping)을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 이 분야에 공지된 바와 같이, 미시메탈은 약 50 중량 퍼센트의 세륨, 나머지는 대개 란탄 그리고 네오디뮴을 함유하는 금속성 희토류 원소의 혼합물로부터 본래 유도된 혼합물이다.

금속 합금의 산화 저항성에 대한 희토류 원소의 효과에 대한 다양한 메커니즘이 제안되었다. 현재, 가장 광범위하게 수용되는 메커니즘은 산화물/산화물 입자 경계(boundaries) 그리고 산화물/금속 계면(interface)과 같은 내부 표면의 변형에 기초한다. 이 메커니즘에 대한 변형이 "유해 계면(poisoned interface)" 모델이다. 여기서 REM 원자는 황을 산화물/금속 계면에 정박시킨다. 이 메커니즘의 수용은 REM-프리(free) 합금 내에 황을 극히-낮은 수준 (1 ppm 미만)으로 감소시키는 것은 고유의 황 함량 (3-100 ppm)을 갖는 합금에 REM을 첨가하는 것과 동일한 효과를 갖는다는 것을 발견함에 의하여 지지된다. 제안된 다른 이론들에는 증가된 산화피막 가소성, 보호 산화물 형성의 증진, 그리고 희토류 산화물 페그(pegs)의 형성에 의한 금속에의 산화 피막의 기계적 변조(keying)가 포함된다. 실제의 메커니즘에 개의치 않고, 본원 발명의 현저한 점은 REM 첨가에 의하여 제공된 증가된 부식 저항성이다. 너무 많은 양의 REM을 첨가하지 않는 것은, 이들 원소가 철-기초 합금에서 제한된 가용성을 가지며, 그리고 과도한 용질은 고온 작업능의 현저한 손상과 함께 바람직하지 않은 금속 간 상, 디프 공융 혼합물(deep eutectics), 또는 이들 모두를 형성하기 때문에 중요하다. 높은 수준의 REM은 또한 REM 산화물의 섬(islands) 형성 및 증가된 산화 속도로 특징되는 "오버도핑(overdoping)"에 이르게 할 것이다.

다른 비-REM 원소의 첨가는 또한 증진된 산화 저항성을 제공한다. 특히 하프늄은 REM 첨가에 의하여 제공되는 것과 유사한 장점을 제공한다. 하프늄은, 그러나, 매우 비싸다. 지르코늄은 훨씬 저가이며, 비록 지르코늄이 덜 효과적이기는 하지만 하프늄과 유사한 양으로 치환될 수 있다. REM 원소로의 경우와 같이, 합금 내에 포함된 지르코늄 및/또는 하프늄의 용량은 지나치게 많아서는 안 되며, 그렇지 않으면 과도한 양의 바람직하지 않은 금속 간 상이 형성될 것이다. 그러므로 하프늄 및/또는 지르코늄은 약0.05 중량 퍼센트까지의 조합으로 합금 내에 포함될 것이다.

합금을 개선하거나 또는 부가적 특징을 제공하기 위하여 공지된 다른 합금 원소 그리고 첨가물의 부가 또한 이루어질 것이다. 그러한 부가는, 예를 들면, 실리콘, 알루미늄, 텅스텐, 그리고 망간을 포함한다. 실리콘은 탈산화제(deoxidizer)로서 강 제조(steelmaking)에 사용된다. 이것은 Laves 상의 침전을 증진시키나 또한 바람직하지 않은 시그마 상도 증진시킨다. 고체 용액에서, 실리콘은 페라이트를 경화시키며 부서지기 쉽게 만든다. 그러므로 만약 존재한다면, 본원 합금의 실리콘 함량은 바람직하게는 약1 중량 퍼센트 미만으로, 보다 바람직하게는 약 0.5 중량 퍼센트 미만으로 제한된다.

알루미늄은 탈산화제 그리고 동시에 경화제(hardener)이다. 알루미늄은 실리콘 보다 효과적인 탈산화제이므로, 완전한 산화를 형성하기 위하여 보다 낮은 잔여 함량을 알루미늄 함량이 요구된다. 알루미늄 함량은, 만약 존재한다면, 바람직하게는 약 0.25 중량 퍼센트 미만, 그리고 보다 바람직하게는 약 0.002 내지 약0.05 중량 퍼센트의 범위 내에 있을 것이다.

텅스텐은 일반적으로 효과 면에서 몰리브덴과 유사하나, 보다 무겁고 보다 고가이며 보다 합금으로 용해하기 어렵다. 이것은 몰리브덴과 함께 도입될 것이나, 만약 존재한다면 바람직하게는 약0.25 중량 퍼센트 미만의 수준으로 유지될 것이다.

망간은 황-유도 고온취성(hot shortness)의 완화를 위하여 탄소강에 의도적으로 첨가된다. 이것은 대체로 스테인리스강 내에 존재한다. 그러나 본원 합금에서 바람직하게는 약 1 중량 퍼센트 미만, 보다 바람직하게는 약 0.5 중량 퍼센트 미만으로 제한된다.

피할 수 없는 불순물이 본 발명의 스테인리스강 내에 존재할 수 있다. 이들 중 의미 있는 것은 질소, 구리, 황, 그리고 인이다. 용융 Fe-Cr 합금은 공기와 접촉하는 경우 즉시 질소를 흡수한다. 그러한 합금의 크롬 함량이 약 18 중량 퍼센트 이상으로 증가할수록, 질소의 제거는 점점 어려워진다. 페라이트계 스테인리스강 내의 질소는 크롬 또는 알루미늄 질화물 침전을 통하여 종종 취약성(embrittlement)을 생성한다. 본원 발명의 강의 질소 함량은 바람직하게는 약 0.04 중량 퍼센트 미만, 보다 바람직하게는 약 0.010 중량 퍼센트 미만으로 제한된다. 황은 강 제조에 있어서 피할 수 없는 불순물이며, 일반적으로 바람직하지 않은 것이다. 이것은 아르곤 산소 탈탄 (AOD) 정련(refining) 동안에 쉽게 제거되나 진공 유도 용해 (VIM) 정련 동안은 그러하지 않다. 이 분야의 당업자에게 공지된 바와 같이, AOD는 침수된, 측면-고정풍구(side-mounted tuyeres)를 통하여 산소, 아르곤, 그리고 질소가 용융 금속 배스(bath)로 주입되는, 강 용해에서 탄소의 제어된 산화를 위한 이차 정련 공정이다. VIM은 유도 가열에 의하여 진공 챔버 내에서 금속이 용해되는 정련 및 재용해 공정이다.

황은 바람직하게는 가장 낮은 쉽게 도달할 수 있는 수준으로 감소되며, 그리고 어느 경우에도 바람직하게는 약0.010 중량 퍼센트 이하 이어야 한다. 인은 강의 고체 용액 강화제(solid solution strengthener)이며, 취약성(brittleness)을 발생시킬 수 있다. 인은 스테인리스강으로부터 쉽게 제거되지 않으며, 그러므로 극히 낮은 수준으로 쉽게 감소시킬 수 없다. 그러나 바람직하게는 약 0.050 중량 퍼센트 미만으로 제한된다. 구리는 강 제조 동안에 쉽게 제거되지 않으나, 대부분 해롭지 않다. 높은 수준의 구리(약 2 중량 퍼센트 초과의)는 페라이트계 스테인리스강의 고온 연성 그리고 고온 작업능을 손상시킨다. E-BRITE^?? 합금에서, 구리는 비등하는 염화마그네슘 용액에서 응력 부식 균열 (SCC)에 대한 저항성을 보다 더 제공하기 위하여 약 0.025 중량 퍼센트 이하로 제한된다. SCC에 대한 높은 저항성은 본원 발명의 특수한 목적은 아니다. 그리고 구리는 바람직하게는 약 0.25 중량 퍼센트 미만으로 제한된다.

다양한 페라이트계 스테인리스강의 속성을 결정하기 위한 시험을 수행하기 전에, 아래의 표 1에 설정된 조성을 갖는 WC70 내지 WC75로 지정된 6개의 50-파운드 히트(heats)가 VIM에 의하여 준비되었다. 도시된 모든 숫자는 전체 히트 중량의 중량 퍼센트 이다.

표 1

히트 WC70 그리고 WC72는 0.37 중량 퍼센트 이하의 니오브 그리고 0.001 중량 퍼센트 이하의 각각의 세륨, 란탄, 그리고 지르코늄을 갖는 표준 페라이트계 스테인리스강을 나타낸다. 히트 WC70 그리고 WC72의 조성은 E-BRITE^?? 페라이트계 스테인리스강의 고유의 것이다. 히트 WC71, WC73, WC74, 그리고 WC75는 본원 발명자에 의하여 만들어진 다음의 변형과 함께 표준 합금의 일반적 조성을 갖는다.: WC71 히트는 증가된 니오브 함량을 포함한다.; WC73 히트는 열은 니오브 그리고 세륨을 포함한다.; WC74 히트는 열은 니오브, 세륨, 그리고 란탄을 포함한다.; 그리고 WC75 히트는 니오브, 세륨, 란탄, 그리고 지르코늄을 포함한다. 표 1에서, 세륨, 란탄, 그리고 지르코늄과 관련하여 "<0.001"은 이들 원도의 의도적인 첨가가 이루어지지 않았다는 것을 의미하며 그리고 화학적 분석의 결과 이 합금은 그 원소들의 현저한 용량이 부족하다는 것을 의미한다. 이하에서 논의되는 바와 같이, 본원 발명의 발명자의 표준 E-BRITE^?? 합금 조성에 대한 변형은 마이크로구조적안정성, 기계적 특성, 그리고 고온 내크리프성의 현저한 개선을 제공한다.

표 1의 히트들은 시험 전에 잉곳(ingots)으로 주조되었으며 가공되었다. 각각의 잉곳은 2200℉ (1204℃)에서 전조 압연되고, 잉곳을 5 인치 (127 mm) 넓이의 막대로 펼쳤다. 이 기술분야에서 공지된 바와 같이, 전조압연은 금속 물품을 선행 압연 방향의 약 90도의 압연 방향으로 압연하는 것이다. 전조 압연된 막대는 그 후2100℉ (1149℃) 이상의 온도에서 0.125 인치 (3.18 mm) 두께의 밴드(band)를 제공하기 위하여 일련의 압연 스탠드를 통하여 충분한 통과 횟수로 고온 압연된다. 고온 압연된 밴드는 그 후 물로 급냉 되고, 쇼트 블라스트(shot blast)되며, 표백 세정(pickled clean)되고, 그 후 냉간 압연되어 to a 0.040 인치(1.02 mm) 두께의 스트립(strip)으로 된다.

냉간 압연 후, 표 1의 각각의 히트로부터 형성된 스트립의 샘플은 재결정 연구를 위하여 보유된다. 각각의 스트립의 나머지는 1980℉ (1082℃) (WC71-WC75 합금) 또는 1725℉ (941℃) (WC70 합금)에서 30초 동안의 시간-및-온도에서 라인 어닐링 된다. 어닐링 후, 각각의 스트립은 용융 소듐 염에 잠깐 담가 산화피막이 제거되며, 그 후 황산, 질산 그리고 플루오르화수소산의 혼합물에서 표백 세정(pickled clean)된다. 어닐링 된 0.040 (1.02 mm) 두께 물질의 일부는 스트립 라이프 사이클 산화 시험을 위하여 박(foil)(0.002 인치/0.051 mm 두께)으로 더 냉간 압연된다.

이하에서 설명되는 다양한 시험은 각각의 히트로부터 형성된 완전히 가공된 스트립으로 마이크로구조적안정성, 기계적 특성, 크리프/파단 강도, 그리고 SOFC 작업을 대표하는 온도에서의 6 가지 합금 조성의 산화 저항성을 결정하기 위하여 수행되었다.

Ⅰ. 재결정 연구

미리 어닐링, 표백 그리고 냉간 압연된, 각각의 히트로부터의 0.040 (1.02 mm) 두께 스트립의 샘플에서 마이크로구조적안정성이 평가되었다. 각각의 히트로 부터의 절취 시편(Coupon)이 연속적 어닐링 노출 생성을 촉진하기 위하여 1750-2000℉ (954-1093℃)범위의 온도에서 30초 동안의 시간-및-온도로 muffle식 로(muffle furnace)에서 어닐링 되었다. 그 후, 금속 조직 검사를 위하여 종단 절편이 고정되고 연마되었다. 입경은 샘플 중앙선 그리고 샘플 표면 근처 모두에서 ASTM 표준 E112 당 평가되었다. 표 2 (중앙선 측정) 그리고 표 3 (샘플 표면 근처 측정) 은 ASTM 입경 결과를 제공한다. 동일한 샘플에 대한 다른 두 지점에서의 다른 입경 측정은 예를 들면, "7.0/7.5"로 지시된다. 입경 넘버가 클수록, 입경은 더 작다.

표 2 - 중앙선 측정 결과

어닐링 후 샘플 중앙선에서 측정된 측정 결과를 포함하는 표 2의 결과에서 나타난 바와 같이, 니오브 그리고 희토류 원소의 미량 수준만을 갖는 히트 WC70 그리고 WC72의 합금은 1750℉ (954℃)에서 쉽게 재결정되며, 약 1950℉ (1066℃) 이상의 온도에서 현저한 입자 성장을 나타내었다.

미량을 초과하는 니오브 (히트 WC71), 니오브 및 세륨 (히트 WC73), 그리고 니오브, 세륨, 란탄, 그리고 지르코늄 (히트 WC75)을 갖는 합금은 약 2000℉. (1093℃)까지 재결정의 흔적을 나타내지 않았다. 미량을 초과하는 니오브, 세륨, 그리고 란탄 (히트 WC74)을 함유하는 합금은 약 2050℉ (1121℃)까지 재결정을 나타내지 않았다. 이러한 결과는 니오브를 단독으로, 또는 희토류 원소 및 지르코늄과 함께 첨가하는 것이 페라이트계 합금의 변형되지 않은 형태에 비하여 최소한 200℉ (93℃)로 재결정을 지연한다는 것을 나타낸다.

표 3 샘플 표면에서의 측정 결과

어닐링 후 샘플 표면에서 측정된 입경 결과를 포함하는 표 3의 결과는 표 2와 상당히 유사하다. 1750℉ (954℃)에서 시험된 히트 WC71의 샘플이 represents a 비-등축상 마이크로구조(non-equiaxed microstructure)를 나타낸다는 것에 주의하여야 한다. 표준 페라이트계 스테인리스강 조성을 갖는 샘플, 히트 WC70 그리고 WC72는 약 1750℉ (954℃)에서 재결정을 시작하여, 1950℉ (1 066℃) 이상에서 현저한 재결정이 관찰되었다. 다시, 본 발명자의 변형된 페라이트계 합금은 1950℉ (1066℃) 이상까지 재결정을 나타내지 않았으며, 니오브, 세륨, 그리고 란탄-함유 합금 (히트 WC74)과 함께 2000℉ (1093℃)까지 재결정의 흔적을 나타내지 않으며 . 그러므로 니오브를 단독으로 또는 지르코늄 그리고 세륨 그리고 란탄을 포함하는(그러나 이에 제한되지 않는)희토류 원소와 함께 첨가하는 것은 적어도 200℉ (93℃)로 재결정을 지연시켰다.

도 1은 니오브를 단독으로 또는 희토류 원소와 함께 첨가하는 것의 다양한 합금의 재결정에 대한 효과를 도해로서 입증한다. 표 2 그리고 3에서 전술한 바와 같이, 니오브가 단독으로 또는 세륨, 란탄, 그리고 지르코늄을 포함하는 하나 이상의 희토류 원소와 함께 증가된 합금에서 적어도 200℉ (93℃)로 재결정이 지연된다.

어떠한 특정 이론에 얽매이려는 의도 없이, 변형된 합금(WC73-WC75를 포함하는)의 재결정에 대한 저항성은 샘플 내의 Laves 상 침전의 존재의 결과인 것으로 보인다. Laves 상은 내마모성에 공헌하는 금속간 상이다, 그러나 이것은 합금의 물질 연성 그리고 충격 저항성을 심각하게 제한한다. 어닐링된 0.040 인치(1.02mm) 두께 물질의 금속 조직 분석(metallographic analysis)은, 표준 합금 (히트 WC70)은 몇몇 Laves 상 침전을 함유하는 반면, 시험된 변형 합금은 입자 그리고 입자 경계 내에 분산된 Laves 상의 현저한 분급을 함유하였다는 것을 나타낸다. 이들 침전은 입자 경계 운동을 방해하여 입자 성장을 저해한다. 그러므로 변형된 합금은 표준 합금보다 큰 입경 안정성을 갖는다.

Ⅱ. 기계적 시험

인장(Tensile) 표본은 0.040 인치(1.02 mm) 두께 어닐링된 스트립으로부터 규격화 되었으며 그리고 시험되었다. 승온 시험(Elevated temperature testing)이 ASTM E21에서 수행되었다.

합금 당 최소 두 샘플의 평균 속성으로 계산된 종방향(Longitudinal) 인장 속성이 표 4 그리고 도 2에 나타나 있다.

표 4

표 4 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 변형된 히트 (히트 WC71, WC73, 그리고 WC75)는 일반적으로 약간 감소된 연신(elongation) [0.2% 잔류 편차(offset)]를 희생시켜 보다 높은 수율(yield) 및 승온에서 궁극의 인장 강도 값을 나타내었다. 계량 마크(gauge marks)를 깨거나 그 밖에 있는 샘플은 평균 연신 계산으로부터 제외되었다.

표 4에 도시된 바와 같이, 하나의 예외를 제외하고, 각각의 온도에서 변형된 합금 (히트 WC71, WC73, 그리고 WC75)의 항복강도(yield strength)가 표준 합금 (히트 WC70)보다 컸다. 오직 하나의 이례적인 결과는 1562℉ (850℃)에서 히트 WC71 합금에서 나타났다.

인장 강도는 변형된 합금에서 표준 합금보다 모든 승온에서 예외 없이 컸다. 대체로, 합금 경도는 합금 인장 강도와 유사하다. 본원의 경우에서도 그러하였다. 표 4에서, 변형된 합금은 표준 합금보다 큰 경도 값을 가질 뿐 아니라 또한 보다 큰 인장 강도를 갖는다는 것을 관찰할 수 있다. 그러므로 변형된 합금은 표준 합금보다 우월한 기계적 특성을 갖는다.

Ⅲ. 크리프 그리고 응력 파단 시험

크리프는 응력 하에서 나타나는 시간-의존성 변형이다. 감소 속도(diminishing rate)에서 발생하는 크리프 변형률을 일차 크리프 ; 최소 그리고 거의 일정 속도에서 발생하는 것을 제 2 크리프; 그리고 증가하는 속도에서 발생하는 것은 제 3 크리프라고 부른다. 승온에서의 SOFC 연결자의 크리프는 전지 완전성의 손실을 야기하여 가스 누출을 초래할 수 있다. 크리프 강도는 특정된 일정 환경에서 주어진 시간에서의 크리프 시험에서 주어진 크리프 변형률을 야기하는 응력이다. 히트 WC70 그리고 WC72에서 실시된 것과 같은 표준 EBRITE^?? 합금의 크리프 강도는 SOFC 용도에서 부딪히는 온도 및 응력에 부적합한 것으로 결정되었다. 표준 합금에 이루어진 발명적 변형은, 그러나, 내크리프성을 현저히 증진시키는 것으로 나타났다.

크리프-파단 강도는 특정화된 일정 조건에서 주어지 시간에서의 크리프 시험에서 파열을 일으키는 응력이다. 크리프-파단 시험은 점진적인 표본 변형 그리고 파단을 위한 시간이 모두 측정되는 것이다. 크리프-파단 시험은 표준 합금 (히트 WC70) 그리고 변형된 합금 (히트 WC71, WC73, 그리고 WC75)으로 부터의 0.040 인치(1.02 mm) 두께의 물질을 사용하여 수행되었다. 표준 합금 샘플은 1715-1735℉ (935-946℃)에서 60 초 동안의 시간-및-온도로 어닐링 되어 8-9의 ASTM 입경을 생성한다. 세 변형된 합금의 샘플은 1970-1990℉ (1077-1088℃)에서 30 초 동안의 시간-및-온도로 어닐링 되었으며 대략 ASTM 8-9의 입경을 갖는다. 시험의 목적은 변형된 합금에서 합금 추가의 크리프 강도에 대한 효과를 평가하기 위한 것이었다. 크리프 그리고 크리프-파단 강도의 측면에서 입경은 커다란 중요성이 있는 것으로 나타났으므로, 변형된 그리고 변형되지 않은 합금 모두는 유사한 입경 (1-2 ASTM 입경 넘버 이내)을 갖는다는 사실은 관찰된 내크리프성의 변이는 조성 및 침전 상태에 의한 것이라는 것을 입증한다.

크리프-파단 블랭크(blanks)는 종방향으로 0.040 인치(1.02 mm) 두께 어닐링 된 스트립으로 부터 규격화되었다. 크리프-파단 시험은 1000 시간까지의 시간동안 그리고 3500 psi까지의 적용된 응력에서 800℃(l472℉), 85O℃(1562℉), 그리고 900℃(1652℉)에서의 1 % 크리프 변형률(도 3(a)~(c)), 2% 크리프 변형률(도 4(a)~(c)), 그리고 파단 (도 5(a)~(c)) 에 대한 시간을 결정하기 위하여 ASTM E139에 따라 수행되었다. 결과들은 도 3-5에 제공된다. 도 3-5에 포함된 데이터는 아래의 표 5-16에 제공된다.

도 3-5에서, 조성의 변형은 가장 낮은 시험 온도, 800℃(1472℉)에서 내크리프성에 실질적 차이점을 만들지 않는 것으로 보인다. 온도를 85O℃(1562℉)로 증가시키는 것은 표준 그리고 변형된 합금의 내크리프성 사이에 어떠한 차이점을 초래한다. 900℃(1652℉)에서의 시험은 다양한 합금 사이에서 크리프 강도 성능의 분명한 분리를 나타낸다. 변형된 합금(히트 WC71, WC73, 그리고 WC75)은 일반적으로 보다 높은 시험 온도에서 크리프 표준 합금(히트 WC70)에 비하여 증가된 저항성을 입증하였다. 1 % 크리프, 2% 크리프, 그리고 파단에 대한 시간을 결정하기 위하여 높은 시험 온도에서 수행된 시험의 결과는 일관되게 나타났다. 즉, 변형된 합금은 표준 합금에 비하여 우월한 내크리프성을 입증하였다. 예를 들면, 시험 데이터에 기초하여, 변형된 합금은 900℃(1652℃)에서 400 시간 동안 1000 psi 이상의 크리프-파단 강도, 1000 psi의 부하 하에서 900℃(I 652℃)에서 100시간 이상의 1 % 크리프 변형률에 대한 시간, 그리고 1000 psi의 부하 하에서 9O0℃(1652℉)에서 200시간 이상의 2% 크리프 변형률을 나타낸다. 반면, 시험 데이터에 기초하여, 표준 합금 (WC70)은 900 psi의 보다 낮은 응력에서 900℃(1652℉)에서 오직 156 시간의 크리프 파단 라이프를 나타낸다. 히트 WC70의 표준 합금은 또한 900 psi의 부하 하에서 900℃(1652℉)에서 2.5시간에 1 % 크리프 변형률, 그리고 900 psi의 부하 하에서 900℃(1652℉)에서 오직 5.0 시간의 2% 크리프 변형률에 대한 시간을 나타낸다.

이들 차이점은 합금 변형으로부터의 크리프 그리고 파단 저항성에 실질적인 개선을 나타낸다.

변형된 합금의 고온 환경에서의 크리프에 대한 개선된 저항성은 합금을 SOFC에서의 사용 및 다른 고온 용도에 적합하게 만든다.

IV. 산화 시험

다양한 합금(히트 WC70-WC75)의 등온 산화 양상이 조사되었다. 이중 합금 샘플이 800℃(1472℉) 그리고 900℃(1652℉)에서 500 시간동안 노출되었다. 샘플은 금속의 표면으로부터 유지 및 오일을 제거하기 위하여 우선 탈지되었다. 다음, 샘플 중량을 측정하였으며, 알루미나 도가니에 배치하고, 고체로(hearth)로 구성된 상자로(box furnace) 내에 실험실의 대기에서 고온으로 정해진 시간 동안 노출시켰다. 주기적으로, 샘플을 꺼내어 중량을 측정하였으며 다시 시험 노에 넣었다. 측정된 중량 변화는 샘플의 면적으로 나누어 시간에 대한 특정 중량 변화(mg/cm²)의 곡선을 구하였다.

도 6에 도시된 바와 같이, 800℃(1472℉)에서의 등온 산화 시험의 결과는 모든 샘플에서 유사한 중량 변화를 나타냈다. 표준 합금 히트 (히트 WC70)는 336시간 후에 약간 높은 중량 이득을 나타내었다. 그러나 500 시간 후 중량 이득은 모든 샘플에서 유사하였다. 산화피막 파쇄(spallation)(박편 형태의 표면으로 부터의 입자들의 분리)의 흔적이 없으므로, 도 5의 히트 WC70 샘플의 336 시간에서의 왜곡된 데이터는 부정확한 측정에 의한 것일 것이다. 모든 표본은 탈색 또는 편재화된 공격의 흔적 없이 균일한 석탄 빛 회색을 나타내었다.

도 7에 도시된 바와 같이, 85O℃(1562℉)에서의 등온 산화 시험은 3 샘플, 히트 WC70, WC71, 그리고 WC74에 제한되었다. 표준 합금에 비하여 단지 니오브 함량만이 변형된, 히트 WC71로 부터의 샘플은 표준 합금 (히트 WC70) 또는 니오브, 세륨, 그리고 란탄의 부가로 변형된 합금 (히트 WC74)보다 높은 중량 이득을 나타내었다. 이러한 차이점은 168 시간 후에 인식 가능하였으며 500 시간 후에 보다 명백하게 되었다.

도 8에 도시된 바와 같이, 900℃(1652℉)에의 노출은 보다 낮은 온도에서 보이는 것과 유사한 결과를 나타내었다. 다시 한 번, 니오브의 첨가만으로 변형된 합금(히트 WC71)은 표준 합금 (히트 WC70) 또는 증가된 니오브, 세륨, 그리고 란탄을 함유하는 변형된 합금 (히트 WC74) 보다 약간 높은 중량 이득을 나타내었다. 이 표본은 상대적으로 균일한 녹색 기조의 석탄 빛 회색 산화물 산화피막을 형성하였다. 편재화된 탈색의 일부 흔적은 상당한 정도였다.

포물선 속도 상수(parabolic rate constant) 산화의 속도의 척도이다. 이 상수는 주어진 온도에서의 전체 중량 변화를 개괄한다. 포물선 속도 방정식은 다음의 형태이다. : ΔM/A= k_ρ√t, 여기서 AM/A = 특정 중량 변화 mg/cm², t = 시간, 그리고 k_ρ = 포물선 속도 상수이다. 합금의 각각에 대한 500 시간 산화 노출 시험으로부터의 포물선 속도 상수는 아래 표 17에 제공된다.

표 17

계산된 값들은 수행된 노출에 대하여 본질적으로 근사(scatter) 범위 내에 있다. (±0.25 대수 계산자로)

열 사이클 조건 하의 산화는 일정 온도에서의 산화보다 일반적으로 보다 심각하다. 산화물 그리고 금속의 열팽창 계수에 보통 현저한 차이가 존재한다. 이것은 열 사이클 동안 파쇄(spallation)로 알려진 보호 산화물 층의 조급한 탈락을 초래하는 고도의 응력의 생성에 이르게 할 수 있다. 산화물 파쇄는 맨(bare) 금속을 노출시키고, 이것은 그 후 빨리 재-산화한다. 변형된 합금 히트의 샘플은 0.002 인치(0.051 mm) 두께의 박으로 압연되고 사이클 산화 시험 표본으로 스탬프(stamp)되었다. 이들 샘플은 그 후 시험되었다. 전기 전류가 샘플을 2분간 가열하는데 사용되었고 샘플은 그 후 급속히 실온으로 냉각되었다. 대기에서 2분 후, 샘플은 시험 온도로 다시 순환되었다. 관통-두께(through-thickness) 산화에 의하여 야기되는 필라멘트 분쇄전의 사이클의 총 수는 사이클 조건 하에서의 산화에 대한 저항성의 척도로서 사용된다. 샘플들은 2100℉ (1149℃), 2200℉ (1204℃), 그리고 2300℉ (1260℃)에서 이중으로 시험되었다. 도 9에 도시된 시험 결과는, 니오브의 첨가로 변형된 히트 (히트 WC71)가 등온의 산화 시험에서 주목된 일반적 경향에 연속하여 불량한 사이클 산화 저항성을 나타내었다는 것을 지시한다. [도 9의 CTF는 "실패(failure)에 대한 사이클"이다.]

Ⅴ. 열팽창 계수

전술한 바와 같이, CTE는 연료 전지 연결자 물질의 임계 속성이다. 만약 연결자의 CTE와 연료 전지의 세라믹 성분 사이의 미스매치(mismatch)가 너무 큰 경우, 전기의 기계적 완전성(integrity), 특히 전지 층 사이의 밀봉은 위험할 수 있다.

그러므로 본원 발명의 스테인리스강에서, CTE는 200ㅀ (68℉) 내지 1000℃(1832℉)사이의 SOFC의 전통적인 전해질인 안정화된 지르코니아의 CTE의 약25% 이내의 범위 내에 있다. 전술한 이유로 인하여, 강의 CTE는 바람직하게는 200°(68℉) 내지 1000℃(1832℉)의 안정화된 지르코니아의 CTE 정도의 그리고 그보다 25 퍼센트 초과까지 이다.

전통적인 E-BRITE^?? 합금의 샘플은 평균 CTE를 결정하기 위하여 시험되었다. E-BRITE^?? 합금 (UNS S44627)은 중량 퍼센트로 최대 0.010 탄소, 최대 0.40 망간, 최대 0.020 인, 최대 0.020 황, 최대 0.40 실리콘, 25.0-27.5 크롬, 최대 0.5 니켈, 0.75-1.50 몰리브덴, 최대 0.015 질소, 최대 0.20 구리, 0.5-0.20 니오브, 그리고 최대 0.50 (니켈 ± 구리)를 포함한다. CTE 시험 결과는 아래의 표 18에 제공된다.

표 18

E-BRITE^?? 합금의 낮은 탄소 한계 그리고 니켈 및 구리 (개별적으로 그리고 조합된)에 대한 제한은 여기서 광범위하게 설명되는 바와 같이 본원 발명의 합금에서 완화된다. 그러한 변이는 합금의 열팽창 속성에 감지할 수 있는 영향을 주지 않는 것으로 보인다. 또한 본원 발명의 합금에 0.4 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 1 방정식을 만족하도록 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈 중 하나 이상을 포함하는 것은 실질적으로 합금의 CTE에 영향을 미치지 않는 것으로 보인다. 표 18의 모든 CTE 값들은 2O℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)의 YSZ의 대략적인 CTE인 11 X 10^-6/℃의 약 25% 이내에 있다.

그러므로 전술한 시험결과들은 본원 발명의 페라이트계 스테인리스강이 표준 페라이트계 스테인리스강에 비하여 개선된 고온 기계적 특성을 갖는 다는 것을 입증한다. 예를 들면, E-BRITE^?? 페라이트계 스테인리스강에 비하여, 본원 발명의 스테인리스강은 개선된 마이크로구조적안정성, 증진된 기계적 특성, 그리고 고온에서 크리프에 대한 보다 큰 저항성을 나타낸다.

적합한 전통적인 용해 및 정련 기술이 본원 발명의 강의 슬랩(slabs) 또는 잉곳을 제조하는 데 사용될 것이다. 이 슬랩 또는 잉곳은 용체화풀림 된 그리고 선택적으로 침전 열처리된 스트립(strip), 시트(sheet), 또는 플레이트(plate)와 같은 제품을 위하여 전통적인 방식으로 더 가공될 수 있다.

예정된 연료 전지 용도를 위하여, 강은 사용 온도 ]약 1600 내지 183O℉ (871 내지 999℃)]로 침전 열처리 될 것이다. 보다 낮은 사용 온도가 관련되는 경우, 강을 물질을 적절하게 강화하기에 충분한 시간 동안 약 1600℉ (871℃)의 온도에 노출시킴으로써 침전 경화하는 것이 바람직하다.

강은 안정화된 지르코니아-전해질을 함유하는 SOFC를 위한 구성요소로서 제조될 것이다. 그러한 구성 요소에는 안정화된 지르코니아를 함유하는 SOFC를 위한 분리기(separators) 및 연결자(interconnects)가 포함된다. 이 강은 또한 안정화된 지르코니아를 포함하는 산소 센서 장치, 또는 고온 화로 설비 그리고 용융 구리 및 다른 용융 금속 취급 장치에서의 사용을 위한 것과 같은 다른 고온 용도를 위한 물품을 위한 구성 요소로 가공된다. 예로서, 본원 발명의 페라이트계 스테인리스강을 포함하는 SOFC는 세라믹 음극, 세라믹 양극, 그리고 음극 그리고 양극을 중재하는 안정화된 지르코니아 전해질을 포함한다. 이 SOFC는 또한 하나 이상의 연결자 그리고 본원 페라이트계 스테인리스를 포함하며 세라믹 전해질에 인접하여 배치된 분리기를 포함할 것이다 .

전술한 설명은 발명의 명확한 이해와 관련하여 본 발명의 측면을 설명하기 위한 것으로 이해될 것이다. 본 발명의 일부 측면은 이 기술분야의 당업자에게 명백할 것이며, 그러므로 발명을 보다 잘 설명하는 데에 도움이 되지 않는 부분은 본원 발명을 간략하게 설명하기 위하여 제공하지 않았다. 비록 본원 발명은 특정 실시예와 관련하여 설명되었으나, 당업자들은 전술한 설명을 고려할 때, 본 발명에 적용 가능한 많은 변형 및 변이를 인식할 것이다. 그러한 모든 본 발명의 변형 및 변이는 전술한 설명 및 이하의 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도되었다.

Claims

25 중량 퍼센트 초과의 크롬;

0.75 내지 1.5 중량 퍼센트 미만의 몰리브덴;

0.05 중량 퍼센트까지의 탄소; 그리고

니오브, 티타늄, 그리고 탄탈 중에서 하나 이상을 포함하며,

여기서 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 방정식

0.4 < (%Nb ± %Ti ± Y2(%Ta)) < 1을 만족하며,

강의 열팽창 계수는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 안정화된 지르코니아의 열팽창 계수의 25% 이내이며, 그리고

강은 900℃(1652℉)에서 1000 psi이상의 크리프-파단 강도, 1000 psi의 부하 하에서 900℃(1652℉)에서 100 시간 이상의 1% 크리프 변형률에 대한 시간, 그리고 1000 psi의 부하 하에서 900℃(1652℉)에서 200 시간 이상의 2% 크리프 변형률에 대한 시간으로부터 선택된 하나 이상의 크리프 특성을 나타내는,

페라이트계 스테인리스강.
제 1항에 있어서, 강의 열팽창 계수는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 안정화된 지르코니아의 열팽창 계수 이상인 페라이트계 스테인리스강.
제 1항에 있어서, 강의 열팽창 계수는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 산화이트륨-안정화된 지르코니아의 열팽창 계수의 25 퍼센트 내의 범위인 페라이트계 스테인리스강.
제 1항에 있어서, 강은 0.50 중량 퍼센트 이하의 티타늄을 포함하는 페라이트계 스테인리스강.
제 1항에 있어서, 강은 0.005 중량 퍼센트 이하의 탄소를 포함하는 페라이트계 스테인리스강.
제 1항에 있어서, 0.1 중량 퍼센트까지의 세륨, 0.05 중량 퍼센트까지의 란탄, 그리고 0.05 중량 퍼센트까지의 지르코늄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 더 포함하는 페라이트계 스테인리스강.
제 1항에 있어서, 강은 35 중량 퍼센트 이하의 크롬을 포함하는 페라이트계 스테인리스강.
제 1항에 있어서, 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합이 방정식 0.5 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 0.75를 만족하는 페라이트계 스테인리스강.
25 내지 35 중량 퍼센트까지의 크롬;

0.75 내지 1.5 중량 퍼센트 미만의 몰리브덴;

0.005 중량 퍼센트까지의 탄소;

하나 이상의 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈 중에서 하나 이상의 원소를 포함하며,

여기서 강은 0.50 중량 퍼센트 이하의 티타늄을 포함하며, 그리고

니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 방정식 0.5 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 0.75를 만족하며,

강의 열팽창 계수는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 안정화된 지르코니아의 열팽창 계수의 25 퍼센트 범위 내이며, 그리고

강은 900℃(1652℉)에서 1000 psi이상의 크리프-파단 강도, 1000 psi의 부하 하에서 900℃(1652℉)에서 100 시간 이상의 1% 크리프 변형률에 대한 시간, 그리고 1000 psi의 부하 하에서 900℃(1652℉)에서 200 시간 이상의 2% 크리프 변형률에 대한 시간으로부터 선택된 하나 이상의 크리프 특성을 나타내는,

페라이트계 스테인리스강.
제 9항에 있어서, 강의 열팽창 계수는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서의 안정화된 지르코니아의 열팽창 계수 이상인 페라이트계 스테인리스강.
제 9항에 있어서, 강의 열팽창 계수는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 산화이트륨-안정화된 지르코니아의 열팽창 계수 이상인 페라이트계 스테인리스강.
아래의 단계를 포함하며,

강의 열팽창 계수는 2O℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)의 안정화된 지르코니아의 열팽창 계수의 25 퍼센트 범위 내이며, 그리고

900℃(1652℉)에서 1000 psi이상의 크리프-파단 강도, 1000 psi의 부하 하에서 900℃(1652℉)에서 100 시간 이상의 1% 크리프 변형률에 대한 시간, 그리고 1000 psi의 부하 하에서 900℃(1652℉)에서 200 시간 이상의 2% 크리프 변형률에 대한 시간으로부터 선택된 하나 이상의 크리프 특성을 나타내는 페라이트계 스테인리스강의 제조방법 :

25 중량 퍼센트 초과의 크롬, 0.75 내지 1.5 중량 퍼센트 미만의 몰리브덴, 0.05 중량 퍼센트까지의 탄소, 그리고 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈 중에서 하나 이상을 포함하며, 여기서 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 방정식 0.4 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 1을 만족하는 페라이트계 스테인리스강을 제공하는 단계; 그리고

강을 용체화풀림 하는 단계.
제 12항에 있어서, 선택적으로 강을 침전 열처리함으로써 강을 경화하는 단계를 더 포함하는 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
제 12항에 있어서, 강의 용체화풀림은 강을 의도된 사용 온도 이상의 그리고 1600℉ (871℃)의 온도에서 가열하는 것을 더 포함하는 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
제 12항에 있어서, 강의 열팽창 계수는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 안정화된 지르코니아의 열팽창 계수 이상인 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
제 12항에 있어서, 강의 열팽창 계수는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 산화이트륨-안정화된 지르코니아의 열팽창 계수의 25 퍼센트 내의 범위인 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
제 12항에 있어서, 강은 0.50 중량 퍼센트 이하의 티타늄을 포함하는 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
제 12항에 있어서, 강은 0.005 중량 퍼센트 이하의 탄소를 포함하는 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
제 12항에 있어서, 강은 O.1 중량 퍼센트까지의 세륨, 0.05 중량 퍼센트까지의 란탄, 그리고 0.05 중량 퍼센트까지의 지르코늄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 더 포함하는 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
제 12항에 있어서, 강은 35 중량 퍼센트 이하의 크롬을 포함하는 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
제 12항에 있어서, 강 내의 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 방정식 0.5 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 0.75를 만족하는 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
제 12항에 있어서, 강은 25 내지 35 중량 퍼센트까지의 크롬, 0.75 내지 1.5 중량 퍼센트 미만의 몰리브덴, 0.005 중량 퍼센트까지의 탄소, 그리고 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈 중에서 하나 이상의 원소를 포함하며, 여기서 강은 0.50 중량 퍼센트 이하의 티타늄을 포함하고, 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 방정식 0.5 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 0.75를 만족하는 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
제 12항에 있어서, 강을 안정화된 지르코니아-전해질을 함유하는 고체 산화물 연료 전지를 위한 구성요소 그리고 안정화된 지르코니아를 포함하는 산소 센서 장치의 구성요소로 구성된 그룹으로부터 선택된 구성요소로 가공하는 단계를 더 포함하는 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
제 23항에 있어서, 구성요소는 안정화된 지르코니아-전해질을 함유하는 고체 산화물 연료 전지를 위한 분리기 및 연결자로 구성된 그룹으로부터 선택되는 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
25 중량 퍼센트 초과의 크롬;

0.75 내지 1.5 중량 퍼센트 미만의 몰리브덴;

0.05 중량 퍼센트까지의 탄소; 그리고

니오브, 티타늄, 그리고 탄탈 중에서 하나 이상을 포함하며, 여기서 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 방정식

0.4 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 1을 만족하며,

여기서 강은 2O℃ 내지 1000℃ 의 안정화된 지르코니아의 열팽창 계수의 25 퍼센트 범위 내의 열팽창 계수를 가지며, 그리고

900℃에서 1000 psi이상의 크리프-파단 강도, 1000 psi의 부하 하에서 900℃ 에서 100 시간 이상의 1% 크리프 변형률에 대한 시간, 그리고 1000 psi의 부하 하에서 900℃에서 200 시간 이상의 2% 크리프 변형률에 대한 시간으로부터 선택된 하나 이상의 크리프 특성을 나타내는 페라이트계 스테인리스강을 포함하는, 인접한 안정화된 지르코니아에 인접한 구성요소를 포함하는 제조 물품.
제 25항에 있어서, 강의 열팽창 계수는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 안정화된 지르코니아의 열팽창 계수 이상인 제조 물품.
제 25항에 있어서, 안정화된 지르코니아는 산화이트륨 안정화된 지르코니아인 제조 물품.
제 25항에 있어서, 강은 0.50 중량 퍼센트 이하의 티타늄을 포함하는 제조 물품.
제 25항에 있어서, 강은 0.005 중량 퍼센트 이하의 탄소를 포함하는 제조 물품.
제 25항에 있어서, 강은 O.1 중량 퍼센트까지의 세륨, 0.05 중량 퍼센트까지의 란탄, 그리고 0.05 중량 퍼센트까지의 지르코늄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 더 포함하는 제조 물품.
제 25항에 있어서, 강 내의 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 방정식 0.5 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 0.75를 만족하는 제조 물품.
제 25항에 있어서, 강은 35 중량 퍼센트 이하의 크롬을 포함하는 제조 물품.
제 25항에 있어서, 강은

25 내지 35 중량 퍼센트까지의 크롬;

0.75 내지 1.5 중량 퍼센트 미만의 몰리브덴;

0.005 중량 퍼센트까지의 탄소, 그리고

니오브, 티타늄, 그리고 탄탈 중에서 하나 이상의 원소를 포함하며, 여기서 강은 0.50 중량 퍼센트 이하의 티타늄을 포함하고, 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 방정식 0.5 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 0.75를 만족하는 제조 물품.
제 25항에 있어서, 제조 물품은 안정화된 지르코니아-전해질을 함유하는 고체 산화물 연료 전지를 위한 구성요소 그리고 안정화된 지르코니아를 포함하는 산소 센서 장치로 구성된 그룹에서 선택된 구성요소인 제조 물품.
제 34항에 있어서, 구성요소는 안정화된 지르코니아-전해질을 함유하는 고체 산화물 연료 전지를 위한 분리기 및 연결자로 구성된 그룹으로부터 선택되는 제조 물품.
다음을 포함하는 고체 산화물 연료 전지:

음극;

양극;

안정화된 지르코니아를 포함하며 음극 및 양극을 중재하는 전해질 ; 그리고

25 중량 퍼센트 초과의 크롬,

0.75 내지 1.5 중량 퍼센트까지의 몰리브덴,

0.005 중량 퍼센트까지의 탄소, 그리고

니오브, 티타늄, 그리고 탄탈 중에서 하나 이상의 원소를 포함하며,

여기서 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 방정식 0.4 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 1을 만족하며,

여기서 강은 2O℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)의 안정화된 지르코니아의 열팽창 계수의 25 퍼센트 범위 내의 열팽창 계수를 가지며, 그리고 900℃(1652℉)에서 1000 psi이상의 크리프-파단 강도, 1000 psi의 부하 하에서 900℃(1652℉)에서 100 시간 이상의 1% 크리프 변형률에 대한 시간, 그리고 1000 psi의 부하 하에서 900℃(1652℉)에서 200 시간 이상의 2% 크리프 변형률에 대한 시간으로부터 선택된 하나 이상의 크리프 특성을 나타내는 페라이트계 스테인리스강을 포함하는, 음극으로부터 전류의 경로를 제공하는 연결자.
제 36항에 있어서, 강의 열팽창 계수는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 안정화된 지르코니아의 열팽창 계수 이상인 고체 산화물 연료 전지
제 36항에 있어서, 강의 열팽창 계수는 20℃(68℉) 내지 1000℃(1832℉)에서 산화이트륨-안정화된 지르코니아의 열팽창 계수 이상인 고체 산화물 연료 전지
제 36항에 있어서, 강은

25 내지 35 중량 퍼센트까지의 크롬;

0.75 내지 1.5 중량 퍼센트 미만의 몰리브덴;

0.005 중량 퍼센트까지의 탄소, 그리고

니오브, 티타늄, 그리고 탄탈 중에서 하나 이상의 원소를 포함하며, 여기서 강은 0.50 중량 퍼센트 이하의 티타늄을 포함하고, 니오브, 티타늄, 그리고 탄탈의 중량 퍼센트의 합은 방정식 0.5 ≤ (%Nb ± %Ti ± 1/2(%Ta)) ≤ 0.75를 만족하는 고체 산화물 연료 전지