KR20080053437A - Austentic stainless steel - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 오스테나이트 스테인리스 스틸에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 고온 환경에 노출되었을 때 개선된 크리프 저항성(creep resistance) 및/또는 개선된 부식 저항성(corrosion resistance)을 가지는 오스테나이트 스테인리스 스틸에 관한 것이다. The present invention relates to austenitic stainless steels. In particular, the present invention relates to austenitic stainless steels having improved creep resistance and / or improved corrosion resistance when exposed to high temperature environments.
고온의 공기는 특정의 부식 환경을 야기시킨다. 심지어 보다 공격적인 부식 환경은 상당한 양의 수증기가 존재할 때 발생될 수 있다. 고온의 공기와 상당량의 수증기의 조합물은 화학제품 또는 무기물을 고온에서 처리하고, 가공하거나 또는 추출하기 위한 설비뿐만 아니라 에너지 발생 장치에 의해 발생되거나 또는 사용되는 가스 스트림을 처리하는 열교환기와 복열장치 그리고 예를 들어 가스 터빈, 스팀 터빈 및 연료 전지과 같은 에너지 발생 장치 내에서 흔히 형성될 수 있다. 따라서, 이러한 상태에 노출된 상기 장치들의 부품들은 다양한 오스테나이트 스테인리스 스틸로부터 제조된다. Hot air causes certain corrosive environments. Even more aggressive corrosive environments can occur when there is a significant amount of water vapor. The combination of hot air and a significant amount of water vapor is used in heat treatment and recuperators to treat gas streams generated or used by energy generators as well as facilities for treating, processing or extracting chemicals or minerals at high temperatures; It can often be formed in energy generating devices such as, for example, gas turbines, steam turbines and fuel cells. Thus, parts of the devices exposed to this condition are made from various austenitic stainless steels.
부식 저항성을 개선시키기 위하여, 오스테나이트 스테인리스 스틸은 크롬, 니켈, 망간 및 그 외의 다른 합금 첨가물의 다양한 조합물을 포함한다. 그럼에도 불구하고, 스테인리스 스틸과 그 외의 다른 특정 크롬-베어링 열-저항성 합금은 수증기를 함유한 고온의 공기 내에서 그리고 고온에서 공격받기 쉽다. 이러한 공격은 2가지의 상이한 형태를 가진다. 예를 들어 AISI Type 304(공칭적으로 18 중량%의 크롬과 8 중량%의 니켈, 밸런스 철)와 같은 저-합금 스테인리스 스틸은 수증기가 존재할 때 산화가 가속화된다. 느리게 성장하는 크롬 산화물 필름은 신속하게 성장하는 혼합된 철 및 크롬 산화물로 구성된 두꺼운 스케일(thick scale)에 의해 치환된다. 이에 따라 산화물로 변환됨으로써 금속이 신속하게 손모된다(wastage). 예를 들어 수퍼페라이트계 철-크롬 스테인리스 스틸과 니켈-크롬 초합금과 같은 고-합금 성분 물질은 공격의 형태에 대해 저항성을 가진 것으로 보여지지만 수증기로 노출되는 동안 중량 손실이 야기되는 것으로 관찰된다. 고-합금 성분 물질에 형성되는 산화물은 순수한 크롬 산화물이며, 휘발성의 크롬 옥시하이드록사이드의 형성을 통해 증발되기 쉽다. 대기로의 크롬의 증발성 손실로 인해, 금속 기질 내에서 비정상적으로 높은 수준의 크롬이 감모되고(depletion), 이에 따라 고온 산화 저항성이 저하될 수 있다. 상술한 부식 상태들 사이의 변환은 상대적으로 복잡하며, 이러한 상태들의 특징은 몇몇의 합금에서 관찰된다. In order to improve corrosion resistance, austenitic stainless steels include various combinations of chromium, nickel, manganese and other alloying additives. Nevertheless, stainless steel and other specific chromium-bearing heat-resistant alloys are susceptible to attack in hot air containing steam and at high temperatures. This attack has two different forms. For example, low-alloy stainless steel, such as AISI Type 304 (nominally 18 wt% chromium and 8 wt% nickel, balance iron), accelerates oxidation when water vapor is present. Slowly growing chromium oxide films are replaced by a thick scale consisting of rapidly growing mixed iron and chromium oxide. The metal is thus quickly wasted by conversion to oxide. High-alloy component materials such as, for example, superferritic iron-chromium stainless steel and nickel-chromium superalloys are shown to be resistant to the form of attack but are observed to cause weight loss during exposure to water vapor. The oxides formed in the high-alloy component material are pure chromium oxides and are likely to evaporate through the formation of volatile chromium oxyhydroxides. Due to the evaporative loss of chromium to the atmosphere, an abnormally high level of chromium may depletion in the metal substrate, thereby lowering the high temperature oxidation resistance. The conversion between the corrosion states described above is relatively complex, and the characteristics of these conditions are observed in some alloys.
부식에 추가하여, 고온 환경 내의 물품과 부품들은 크립되기 용이할 수 있다(creep). 크립은 합금이 공칭 항복 강도보다 낮은 응력으로 오랜 기간 동안 유지될 때 바람직하지 못한 탄성 변형이 발생되는 것이다. 따라서, 크립은 합금을 고온 처리하거나 또는 가공하고 또는 화학제품 또는 무기물을 고온 가공, 처리 또는 추 출하기 위한 설비와 부품들 그리고 예를 들어 에너지 발생 장치와 이와 연관된 장치 내에서 높은 응력과 높은 온도에 노출되는 특정의 구조적 부품들과 그 외의 부품들에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 분야에서, 종종 부품들은 실질적인 크립 저항성을 가지며 고온 환경 내에서 부식에 대한 실질적인 저항성을 가진 재료로 제조되는 것이 선호된다. In addition to corrosion, articles and components in high temperature environments may creep. Creep is where undesirable elastic deformation occurs when the alloy is held for a long time with a stress lower than its nominal yield strength. Thus, creep may be exposed to high stresses and high temperatures in equipment and components for high temperature processing or processing of alloys or for high temperature processing, processing or extraction of chemicals or minerals, for example in energy generating devices and related devices. Specific structural components and other components that may be affected. In this field, it is often preferred that the parts be made of a material having substantial creep resistance and having substantial resistance to corrosion in high temperature environments.
합금 요소 망간은 크롬 산화 증발의 효과를 완화시키는 역할을 하는 것으로 보여진다. 다양한 스테인리스 스틸 비교표(specification)는 2 중량% 또는 이의 미만으로 제한된 수준의 망간을 포함하며, 최소 수준은 요구되지 않는다. 이러한 스틸 내에서 망간은 의도적인 합금 첨가물이 아니지만 대신에 스크랩 개시 물질로부터 야기된 부수적인 성분으로써 스틸 내에 포함된다. 부수적인 망간에 대한 적절한 여유(allowance)를 포함하는 고온과 고온의 증기 성분 환경에서 이용하기에 적합한 오스테나이트 스테인리스 스틸은 NF709 합금이다. NF709 합금은 보일러 설비를 위한 이음매가 없는 관을 포함하는 형태로 Nippon Steel Corporation으로부터 입수 가능하다. Nippon Steel의 공고문"보일러 관 설비를 위한 NF709 오스테나이트 스테인리스 스틸의 품질과 특성"에 제공된 NF709 합금의 조성물은 테이블 1에 도시된다. 공지된 조성물은 특정의 최소값이 없이 1.5 중량%의 망간 한계점을 특징으로 한다. 이러한 합금에 대한 공지된 다양한 연구 보고서에 따라서, 일반적인 상용 망간 함유량은 대략 1 중량%이다. 그 외의 다른 특정 오스테나이트 스테인리스 스틸은 테이블 1에 도시된다. 본 명세서의 전체에 대한 기본적인 농도는 달리 지시되지 않는 한 전체 합금 중량에 기초한 중량 %이다. 테이블 1에서의 "NS"는 특정의 UNS 세부 사항이 성분에 대한 농도를 나타내지 않는다. Alloy element manganese has been shown to play a role in mitigating the effects of chromium oxide evaporation. Various stainless steel specifications include levels of manganese limited to 2% by weight or less, with no minimum level required. Manganese in such steels is not an intentional alloying additive but instead is included in the steel as ancillary components resulting from the scrap starting material. Austenitic stainless steels suitable for use in hot and hot steam-based environments that include adequate allowance for incidental manganese are NF709 alloys. NF709 alloy is available from Nippon Steel Corporation in the form of seamless pipes for boiler installations. The composition of the NF709 alloy provided in the Nippon Steel publication "Quality and properties of NF709 austenitic stainless steel for boiler pipe fittings" is shown in Table 1. Known compositions are characterized by a 1.5% by weight manganese threshold with no specific minimum. According to various known research reports for these alloys, the typical commercial manganese content is approximately 1% by weight. Other specific austenitic stainless steels are shown in Table 1. Basic concentrations throughout the present specification are% by weight based on total alloy weight unless otherwise indicated. "NS" in Table 1 indicates that certain UNS details do not represent concentrations for components.
테이블 1Table 1
테이블 1에 따라서, 기본적인 AISI Type 201 스테인리스 스틸은 표준 18 크롬-8 니켈 스테인리스 스틸과 유사하지만 니켈의 부분이 상대적으로 비용이 저렴한 합금인 망간으로 대체된다. 일반적으로 Type 201 합금은 상승된 온도에서 이용하기에 충분한 크립 및 산화 저항성을 갖지 못한다. 합금들의 NITRONIC® 족, Esshete 1250 합금 및 21-6-9 합금(UNS S21900)과 같은 상대적으로 높은 함유량의 합금 재료는 낮은 니켈 수준(대략 최대 11 중량%)과 상당한 망간 수준(5 내지 10 중량%)을 포함하며, 일반적으로 고 크립 강도와 적당한 환경적 저항성을 위해 설계된다. 일반적으로 AISI Type 309S와 310S와 같은 상용으로 입수 가능한 내열성 스테인리스 스틸은 대략 2 중량% 이하의 수준으로 망간을 포함한다. 이러한 합금들은 이의 기본적인 조성에 따라 야금학적 안정성의 측면에서 다소 부족하며, 이는 상기 2가지의 등급에 대한 니켈-대-크롬의 비율이 일반적인 사용 온도에서 상당량의 취성 상을 형성하기 때문이다.According to Table 1, the basic AISI Type 201 stainless steel is replaced by manganese, which is similar to the standard 18 chromium-8 nickel stainless steel but with a relatively inexpensive alloy of nickel. In general, Type 201 alloys do not have sufficient creep and oxidation resistance for use at elevated temperatures. Of alloy NITRONIC ® group, Esshete 1250 alloy and Alloy 21-6-9 alloy material of relatively high content, such as (UNS S21900) it is low levels of nickel (up to approximately 11 wt%) and significant levels of manganese (5 to 10% by weight It is generally designed for high creep strength and moderate environmental resistance. Generally, commercially available heat resistant stainless steels such as AISI Type 309S and 310S contain manganese at levels of approximately 2% by weight or less. These alloys, depending on their basic composition, are somewhat lacking in terms of metallurgical stability, since the nickel-to-chromium ratio for the two grades forms a significant amount of brittle phase at normal use temperatures.
적절한 수준의 수증기를 함유한 고온의 공기 내에서 및/또는 고온의 공기 내 에서 개선된 고온 크리프 저항성 및/또는 부식 공격에 대한 저항성을 가진 오스테나이트 스테인리스 스틸을 제공하는 것이 선호된다. 예를 들어 수증기를 함유한 고온의 공기 내에서 실질적인 부식 저항성을 나타내는 스테인리스 스틸들은 예를 들어, 높은 부식성을 가지며 고온의 높은 수증기 함유 환경에 노출되는, 가스 터빈, 스팀 터빈 및 연료 전지를 포함하는 에너지 발생 장치의 부품에 이용되는 것이 선호될 수 있다. 이러한 부품들은 열 교환기, 복열 장치, 관, 파이프 및 특정 구조 부품을 포함한다. 또한 바람직하게 고온의 공기 내에서 실질적인 부식 저항성을 나타내는 합금은 합금을 고온 가공 또는 처리하거나 또는 화학 제품 또는 무기물을 고온 가공, 처리 또는 추출하기 위한 특정 장치 내에서 이용될 수 있다. 상당한 부식 저항성뿐만 아니라 실질적인 고온 크리프 저항성을 나타내는 스테인리스 스틸은 높은 응역에 노출된 상기 전술된 장치의 부품 내에서 이용되기에 적합할 수 있다. It is desirable to provide austenitic stainless steel with improved hot creep resistance and / or resistance to corrosion attack in hot air and / or in hot air containing appropriate levels of water vapor. Stainless steels that exhibit substantial corrosion resistance, for example in hot air containing steam, are for example energy containing gas turbines, steam turbines and fuel cells, which are highly corrosive and are exposed to high temperature, high steam containing environments. It may be preferred to be used in parts of the generating device. These parts include heat exchangers, recuperators, pipes, pipes and certain structural components. Also preferably alloys exhibiting substantial corrosion resistance in hot air can be used in certain devices for high temperature processing or processing of the alloy or for high temperature processing, processing or extraction of chemicals or inorganics. Stainless steel, which exhibits substantial corrosion resistance as well as substantial high temperature creep resistance, may be suitable for use in parts of the aforementioned devices exposed to high frequency.
본 발명에 따라서, 오스테나이트 스테인리스 스틸은 고온의 공기 환경에 노출되었을 때 개선된 고온 크리프 저항성 및/또는 부식에 대한 개선된 저항성을 가지도록 제공된다. 본 명세서에 사용된 "고온"은 대략 100 ℉(대략 37.8℃)를 초과하는 온도를 말한다. 본 발명의 한 특징에 따라서, 오스테나이트 스테인리스 스틸은 0.05 내지 0.2 중량%의 탄소, 0.08 내지 0.2 중량%의 질소, 20 내지 23 중량%의 크롬, 25 내지 27 중량%의 니켈, 1 내지 2 중량%의 몰리브덴, 1.5 중량% 초과 내지 4.0 중량%의 망간, 0.20 내지 0.75 중량%의 니오븀, 0.1 중량% 이하의 티타늄, 철 및 부수적인 불순물을 포함한다. 특정의 비-제한적인 실시예에서, 스틸의 망간 함유량은 적어도 1.6 내지 4.0 중량% 이하이다. 또한 특정의 비-제한적인 실시예에서, 오스테나이트 스테인리스 스틸은 0 중량% 초과 내지 0.50 중량%의 규소, 0 중량% 초과 내지 0.30 중량%의 알루미늄, 0 중량% 초과 내지 0.02 중량%의 황, 0 중량% 초과 내지 0.05 중량%의 인, 0 중량% 초과 내지 0.1 중량%의 지르코늄 및 0 중량% 초과 내지 0.1 중량%의 바나듐들 중 하나 이상을 추가적으로 포함한다. 특정의 비-제한적인 실시예에 따라서, 스틸의 티타늄 및/또는 알루미늄 함유량은 0.1 중량% 이하이다. In accordance with the present invention, austenitic stainless steel is provided to have improved high temperature creep resistance and / or improved resistance to corrosion when exposed to hot air environments. As used herein, “high temperature” refers to temperatures in excess of approximately 100 ° F. (approximately 37.8 ° C.). According to one aspect of the present invention, austenitic stainless steel has 0.05 to 0.2 wt% carbon, 0.08 to 0.2 wt% nitrogen, 20 to 23 wt% chromium, 25 to 27 wt% nickel, 1 to 2 wt% Molybdenum, greater than 1.5% to 4.0% by weight manganese, 0.20 to 0.75% by weight niobium, up to 0.1% by weight titanium, iron and incidental impurities. In certain non-limiting examples, the manganese content of the steel is at least 1.6 to 4.0 weight percent. Also in certain non-limiting examples, austenitic stainless steels may comprise greater than 0 wt% to 0.50 wt% silicon, greater than 0 wt% to 0.30 wt% aluminum, greater than 0 wt% to 0.02 wt% sulfur, 0 And at least one of greater than 0 wt% to 0.05 wt% phosphorus, greater than 0 wt% to 0.1 wt% zirconium and greater than 0 wt% to 0.1 wt% vanadium. According to certain non-limiting embodiments, the titanium and / or aluminum content of the steel is 0.1% by weight or less.
하한에 관해 언급되지 않은 본 명세서에 사용된 용어 "이하"는 언급된 성분이 없음을 포함한다. 또한 티타늄과 알루미늄 함유량에 관해 언급된 본 명세서에 사용된 "크지 않은"은 이러한 성분들이 없음을 포함한다.The term "less than" as used herein, not mentioned with respect to the lower limit, includes no component mentioned. As used herein, "small" as also referred to in terms of titanium and aluminum content includes the absence of these components.
본 발명의 다른 특징에 따라서, 오스테나이트 스테인리스 스틸은 0.05 내지 0.2 중량%의 탄소, 0.08 내지 0.2 중량%의 질소, 20 내지 23 중량%의 크롬, 25 내지 27 중량%의 니켈, 1 내지 2 중량%의 몰리브덴, 1.5 중량% 초과 내지 4.0 중량%의 망간, 0.20 내지 0.75 중량%의 니오븀, 0.1 중량% 이하의 티타늄, 0.50 중량% 이하의 규소, 0.30 중량% 이하의 알루미늄, 0.02 중량% 이하의 황, 0.05 중량% 이하의 인, 0.1 중량% 이하의 지르코늄, 0.1 중량% 이하의 바나듐, 철 및 부수적인 불순물을 포함하도록 제공된다. 특정의 비-제한적인 실시예에서, 스틸의 망간 함유량은 적어도 1.6 중량% 내지 4.0 중량% 이하이다. 또한 특정의 비-제한적인 실시예에서, 스틸의 티타늄 및/또는 알루미늄의 함유량은 0.1 중량% 이하이다. According to another feature of the invention, the austenitic stainless steel has 0.05 to 0.2 wt% carbon, 0.08 to 0.2 wt% nitrogen, 20 to 23 wt% chromium, 25 to 27 wt% nickel, 1 to 2 wt% Molybdenum, greater than 1.5% to 4.0% by weight manganese, 0.20 to 0.75% by weight niobium, up to 0.1% by weight titanium, 0.50% by weight silicon, 0.30% by weight aluminum, 0.02% by weight sulfur, It is provided to contain up to 0.05% by weight of phosphorus, up to 0.1% by weight of zirconium, up to 0.1% by weight of vanadium, iron and incidental impurities. In certain non-limiting examples, the manganese content of the steel is at least 1.6 wt% and up to 4.0 wt%. Also in certain non-limiting embodiments, the content of titanium and / or aluminum in the steel is 0.1% by weight or less.
본 발명의 그 외의 다른 실시예에 따라서, 오스테나이트 스테인리스 스틸은 필수적으로 0.05 내지 0.2 중량%의 탄소, 0.08 내지 0.2 중량%의 질소, 20 내지 23 중량%의 크롬, 25 내지 27 중량%의 니켈, 1 내지 2 중량%의 몰리브덴, 1.5 중량% 초과 내지 4.0 중량%의 망간, 0.20 내지 0.75 중량%의 니오븀, 0.1 중량% 이하의 티타늄, 0.50 중량% 이하의 규소, 0.30 중량% 이하의 알루미늄, 0.02 중량% 이하의 황, 0.05 중량% 이하의 인, 0.1 중량% 이하의 지르코늄, 0.1 중량% 이하의 바나듐, 철 및 부수적인 불순물로 구성된다. 특정의 비-제한적인 실시예에 따라서, 스틸의 망간 함유량은 적어도 1.6 중량% 내지 4.0 중량% 이하이다. According to another embodiment of the present invention, austenitic stainless steel consists essentially of 0.05 to 0.2 wt% carbon, 0.08 to 0.2 wt% nitrogen, 20 to 23 wt% chromium, 25 to 27 wt% nickel, 1-2 weight percent molybdenum, more than 1.5 weight percent to 4.0 weight percent manganese, 0.20 weight percent to 0.75 weight percent niobium, 0.1 weight percent or less titanium, 0.50 weight percent silicon, 0.30 weight percent aluminum, 0.02 weight Up to% sulfur, up to 0.05 weight percent phosphorus, up to 0.1 weight percent zirconium, up to 0.1 weight percent vanadium, iron and incidental impurities. According to certain non-limiting embodiments, the manganese content of the steel is at least 1.6 wt% and up to 4.0 wt%.
본 발명의 그 외의 다른 실시예에 따라서, 오스테나이트 스테인리스 스틸은 0.05 내지 0.2 중량%의 탄소, 0.08 내지 0.2 중량%의 질소, 20 내지 23 중량%의 크롬, 25 내지 27 중량%의 니켈, 1 내지 2 중량%의 몰리브덴, 1.5 중량% 초과 내지 4.0 중량%의 망간, 0.20 내지 0.75 중량%의 니오븀, 0.1 중량% 이하의 티타늄, 0.50 중량% 이하의 규소, 0.30 중량% 이하의 알루미늄, 0.02 중량% 이하의 황, 0.05 중량% 이하의 인, 0.1 중량% 이하의 지르코늄, 0.1 중량% 이하의 바나듐, 철 및 부수적인 불순물로 구성된다. 특정의 비-제한적인 실시예에 따라서, 스틸의 망간 함유량은 적어도 1.6 중량% 내지 4.0 중량% 이하이다. According to another embodiment of the present invention, austenitic stainless steel is 0.05 to 0.2 wt% carbon, 0.08 to 0.2 wt% nitrogen, 20 to 23 wt% chromium, 25 to 27 wt% nickel, 1 to 2 wt% molybdenum, greater than 1.5 wt% to 4.0 wt% manganese, 0.20 to 0.75 wt% niobium, up to 0.1 wt% titanium, up to 0.50 wt% silicon, up to 0.30 wt% aluminum, up to 0.02 wt% Of sulfur, up to 0.05% by weight of phosphorus, up to 0.1% by weight of zirconium, up to 0.1% by weight of vanadium, iron and incidental impurities. According to certain non-limiting embodiments, the manganese content of the steel is at least 1.6 wt% and up to 4.0 wt%.
본 발명의 다른 특징에 따라서, 오스테나이트 스테인리스 스틸은 스틸의 전체 중량에 기초하여, 0.05 내지 0.2 중량%의 탄소, 0.08 내지 0.2 중량%의 질소, 20 내지 23 중량%의 크롬, 25 내지 27 중량%의 니켈, 1 내지 2 중량%의 몰리브덴, 4.0 중량% 이하의 망간, 0.20 내지 0.75 중량%의 니오븀, 0.1 중량% 이하의 티타늄과 0.1 중량%의 알루미늄 중 적어도 하나, 철 및 부수적인 불순물로 구성된다.According to another feature of the invention, austenitic stainless steel is based on the total weight of the steel, 0.05 to 0.2% by weight of carbon, 0.08 to 0.2% by weight of nitrogen, 20 to 23% by weight of chromium, 25 to 27% by weight Nickel, 1 to 2% molybdenum, up to 4.0% manganese, 0.20 to 0.75% niobium, at least one of 0.1% titanium and 0.1% aluminum, iron and incidental impurities .
본 발명의 추가적인 특징에 따라서, 오스테나이트 스테인리스 스틸은 스틸의 전체 중량에 기초하여, 필수적으로 0.05 내지 0.2 중량%의 탄소, 0.08 내지 0.2 중량%의 질소, 20 내지 23 중량%의 크롬, 25 내지 27 중량%의 니켈, 1 내지 2 중량%의 몰리브덴, 4.0 중량% 이하의 망간, 0.20 내지 0.75 중량%의 니오븀, 0.1 중량% 이하의 티타늄과 0.1 중량%의 알루미늄 중 적어도 하나, 0.50 중량% 이하의 규소, 0.02 중량% 이하의 황, 0.05 중량% 이하의 인, 0.1 중량% 이하의 지르코늄, 0.1 중량% 이하의 바나듐, 철 및 부수적인 불순물로 구성된다. 특정의 비-제한적인 실시예에 따라서, 스틸은 적어도 1.5 중량% 내지 4.0 중량% 이하의 망간 함유량을 포함하지만 그 외의 다른 실시예에서 1.6 중량% 내지 4.0 중량% 이하의 망간 함유량을 포함한다. According to a further feature of the invention, austenitic stainless steel is essentially 0.05 to 0.2 wt% carbon, 0.08 to 0.2 wt% nitrogen, 20 to 23 wt% chromium, 25 to 27 based on the total weight of the steel Wt% nickel, 1-2 wt% molybdenum, up to 4.0 wt% manganese, 0.20-0.75 wt% niobium, at least one of up to 0.1 wt% titanium and 0.1 wt% aluminum, up to 0.50 wt% silicon , Up to 0.02 wt% sulfur, up to 0.05 wt% phosphorus, up to 0.1 wt% zirconium, up to 0.1 wt% vanadium, iron and incidental impurities. According to certain non-limiting embodiments, the steel comprises a manganese content of at least 1.5 wt% to 4.0 wt% but in other embodiments includes a manganese content of 1.6 wt% to 4.0 wt%.
본 발명의 추가적인 특징에 따라서, 오스테나이트 스테인리스 스틸은 스틸의 전체 중량에 기초하여, 0.05 내지 0.2 중량%의 탄소, 0.08 내지 0.2 중량%의 질소, 20 내지 23 중량%의 크롬, 25 내지 27 중량%의 니켈, 1 내지 2 중량%의 몰리브덴, 4.0 중량% 이하의 망간, 0.20 내지 0.75 중량%의 니오븀, 0.1 중량% 이하의 티타늄과 0.1 중량%의 알루미늄 중 적어도 하나, 0.50 중량% 이하의 규소, 0.02 중량% 이하의 황, 0.05 중량% 이하의 인, 0.1 중량% 이하의 지르코늄, 0.1 중량% 이하의 바나듐, 철 및 부수적인 불순물로 구성된다. 특정의 비-제한적인 실시예에 따라서, 스틸은 적어도 1.5 중량% 내지 4.0 중량% 이하의 망간 함유량을 포함하지만 그 외의 다른 실시예에서 1.6 중량% 내지 4.0 중량% 이하의 망간 함유량을 포함한다. According to a further feature of the invention, austenitic stainless steel is based on the total weight of the steel, 0.05 to 0.2 wt% carbon, 0.08 to 0.2 wt% nitrogen, 20 to 23 wt% chromium, 25 to 27 wt% Nickel, 1-2 wt% molybdenum, 4.0 wt% or less manganese, 0.20-0.75 wt% niobium, at least one of 0.1 wt% titanium and 0.1 wt% aluminum, 0.50 wt% or less silicon, 0.02 Up to 20 wt% sulfur, up to 0.05 wt% phosphorus, up to 0.1 wt% zirconium, up to 0.1 wt% vanadium, iron and incidental impurities. According to certain non-limiting embodiments, the steel comprises a manganese content of at least 1.5 wt% to 4.0 wt% but in other embodiments includes a manganese content of 1.6 wt% to 4.0 wt%.
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 제조품이 본 명세서에 따르는 조성을 가진 오스테나이트 스테인리스 스틸을 포함하도록 제공된다. 제조품의 비-제한적인 실시예는 예를 들어 에너지 발생 장치와 이러한 장치의 부품들을 포함한다. 예를 들어 제조품은 가스 터빈, 스팀 터빈, 연료 전지(fuel cell), 열교환기, 복열 장치(recuperator), 관, 파이프, 구조적 부품 및 상기 임의의 장치들을 위한 그 외의 다른 부품들로부터 선택될 수 있다. 제조품의 그 외의 다른 실례는 합금을 고온 가공 또는 처리하거나 또는 화학 제품과 무기물을 고온 가공, 처리 또는 추출하기 위한 설비 또는 이러한 설비를 위한 파이프, 관 및 그 외의 다른 부품들을 포함한다. According to another embodiment of the present invention, an article of manufacture is provided comprising austenitic stainless steel having a composition according to the present disclosure. Non-limiting embodiments of articles of manufacture include, for example, energy generating devices and components of such devices. For example, the article of manufacture can be selected from gas turbines, steam turbines, fuel cells, heat exchangers, recuperators, tubes, pipes, structural components and other components for any of the above devices. . Other examples of articles of manufacture include facilities for high temperature processing or processing of alloys or for high temperature processing, processing or extraction of chemicals and minerals, or pipes, tubes and other components for such facilities.
본 명세서를 읽는 사람은 전술한 세부사항뿐만 아니라 본 발명의 범위 내의 특정의 비-제한적인 실시예의 하기 상세한 설명을 고려하여 그 외의 다른 세부사항도 이해할 수 있을 것이다. 본 명세서를 읽는 사람은 본 명세서 내에서 제조물과 합금을 이용하거나 평가할 때 추가적인 장점 및 세부 사항을 이해할 수 있을 것이다. The reader of the present specification may understand other details in light of the above-described details as well as the following detailed description of specific non-limiting examples within the scope of the present invention. Those who read this specification will understand additional advantages and details when using or evaluating articles of manufacture and alloys within this specification.
본 명세서에 기술된 제조품과 합금의 특징과 장점은 첨부된 도면에 따라 보다 잘 이해될 수 있다.The features and advantages of the articles of manufacture and alloys described herein can be better understood according to the accompanying drawings.
도 1은 10% 수증기를 함유한 공기 내에서 1300 ℉(704 ℃)로 노출된 합금 샘플에 대해 시간이 지남에 따른 중량 변화를 도시한 도면.1 shows weight change over time for alloy samples exposed to 1300 ° F. (704 ° C.) in air containing 10% water vapor.
도 2는 7% 수증기를 함유한 공기 내에서 1400 ℉(760 ℃)로 노출된 합금 샘 플에 대해 시간이 지남에 따른 중량 변화를 도시한 도면.FIG. 2 shows the weight change over time for an alloy sample exposed at 1400 ° F. (760 ° C.) in air containing 7% water vapor.
도 3은 7% 수증기를 함유한 공기 내에서 1500 ℉(815 ℃)로 노출된 합금 샘플에 대해 시간이 지남에 따른 중량 변화를 도시한 도면.FIG. 3 shows weight change over time for alloy samples exposed to 1500 ° F. (815 ° C.) in air containing 7% water vapor.
도 4(a)와 도 4(b)는 수증기를 포함한 고온의 환경에 노출된 합금 샘플에 형성된 산화물 스케일의 현미경 사진. 4 (a) and 4 (b) are micrographs of oxide scales formed on alloy samples exposed to high temperature environments including water vapor;
도 5는 수증기를 함유한 고온의 환경에 노출된 몇몇에 합금에 대한, Cr2O3에 대한 MnO의 몰비율로 측정된, 산화물 조성의 그래프.FIG. 5 is a graph of the oxide composition, measured as the molar ratio of MnO to Cr 2 O 3 , relative to the alloy to some exposed to hot environments containing water vapor.
도 6은 샘플 내의 깊이에 대한 함수로써, 2가지의 합금 샘플의 크롬 함유량을 도시하는 도면.6 shows the chromium content of two alloy samples as a function of depth in the sample.
도 7은 샘플 내의 깊이에 대한 함수로써, 2가지의 합금 샘플의 크롬 함유량을 도시하는 도면.7 shows the chromium content of two alloy samples as a function of depth in the sample.
도 8은 7%의 수증기를 함유한 고온의 환경에 노출된 높은 함유량의 망간 및 낮은 함유량의 망간 샘플에 대한, Cr2O3에 대한 MnO의 몰비율로 측정된, 산화물 조성의 그래프.FIG. 8 is a graph of the oxide composition, measured as the molar ratio of MnO to Cr 2 O 3 , for high content of manganese and low content of manganese exposed to high temperature environment containing 7% water vapor.
도 9는 10%의 수증기를 함유한 공기 내에서 1400 ℉(760 ℃)로 노출된 합금 샘플에 대한 시간이 지남에 따른 중량 변화를 도시하는 도면.FIG. 9 shows weight change over time for alloy samples exposed to 1400 ° F. (760 ° C.) in air containing 10% water vapor.
상기 공정 실시예 이외에 또는 달리 지시된, 성분들의 모든 양, 공정 상태 및 본 명세서와 청구항에 사용된 이와 유사한 것들은 용어"대략"에 의해 실례로써 변형될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서 달리 지시되지 않는 한, 하기 명세서와 첨부된 청구항에 기술된 임의의 수치 변수들은 본 발명에 따르는 물품과 합금 내에서 구현되어 질 선호되는 특성에 의존하여 가변될 수 있는 근삿값이다. 각각의 수치 변수들은 적어도 기재된 유효숫자의 자릿수에 비추어 그리고 통상적인 근사법을 적용하여 해석되어야 하며, 이는 청구범위의 균등론 적용을 제한하고자 하는 것은 아니다. It is to be understood that all amounts of ingredients, process conditions, and the like as used in the specification and claims, in addition to or otherwise indicated above, may be illustratively modified by the term “approximately”. Thus, unless indicated to the contrary, any of the numerical variables set forth in the following specification and the appended claims are approximations that may vary depending on the properties desired to be implemented in articles and alloys in accordance with the present invention. Each numerical variable should at least be construed in light of the number of significant figures described and by applying ordinary approximation, which is not intended to limit the application of the doctrine of equivalents in the claims.
본 명세서의 광범위한 범위를 형성하는 숫자 범위와 변수가 근삿값임에도 불구하고, 본 명세서에서 특정 실시예로 형성된 숫자 값들은 가능한 정확하게 기술된다. 임의의 숫자 값들은 개별적인 테스트 측정값의 표준 편차로부터 필수적으로 기인되는 예를 들어 설비 및/또는 작동자 오차와 같은 특정 오차를 본질적으로 포함한다. 또한 본 명세서에 기술된 임의의 숫자 범위는 범위의 경계와 본 명세서에 포함된 모든 하위 범위를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어 "1 내지 10"의 범위는 최소 1에서 최대 10 사이의 모든 하위 범위, 즉 1보다 크거나 같은 최소값과 10 미만이거나 또는 이와 동일한 최대값을 포함한다. Notwithstanding that the numerical ranges and variables forming the broad ranges herein are approximations, the numerical values formed in certain embodiments herein are described as precisely as possible. Any numerical values essentially include certain errors such as, for example, plant and / or operator errors which are essentially a result of the standard deviation of the individual test measurements. It is also to be understood that any numeric range described herein includes the boundaries of the ranges and all subranges contained herein. For example, the range "1 to 10" includes all subranges between at least 1 and at most 10, i.e., a minimum value greater than or equal to 1 and a maximum value less than or equal to 10.
본 명세서에 참조 문헌으로 구성된 임의의 특허, 공고문 또는 그 외의 다른 공개문은 본 명세서에 구성된 정의, 언급 또는 그 외의 다른 공개문과 상반되지 않을 정도로 전체적으로 또는 일부가 본 명세서에 구성된다. 이와 같이, 그리고 필수적으로, 본 명세서에 구성된 공개문은 참조문헌에 의하여 본 명세서에 구성된 임의의 상반된 자료에 우선시된다. 본 명세서에 구성된 정의, 언급 또는 그 외의 공개 자료와 상반되지만, 본 명세서에 참조문헌으로 구성된 자료 또는 이의 일부분은 본 발명의 자료와 구성된 자료 사이에 불일치를 발생시키지 않을 정도로 본 명세서에 구성된다. Any patent, notice or other publication made herein by reference is incorporated herein in whole or in part so as not to be contrary to the definitions, references, or other publications made herein. As such and essentially, the disclosure constituted of this specification supersedes any conflicting material constructed herein by reference. Contrary to the definitions, references, or other publications made herein, the materials incorporated herein by reference or portions thereof are so constructed that they do not cause inconsistencies between the materials of this invention and the materials constructed.
상기 언급된 바와 같이, 특정의 오스테나이트 스테인리스 스틸은 고온의 공기 또는 상당한 수증기를 함유한 고온의 공기로 노출된 물품과 부품에 이용되어 진다. 이러한 상태에 놓여 진 부품들은 예를 들어 합금의 고온 가공 또는 처리 또는 무기물 또는 화학 제품의 고온 가공, 처리 또는 추출을 하기 위한 부분과 설비 내에서 그리고 열교환기, 복열 장치 그리고 가스 터빈, 스팀 터빈 및 연료 전지과 같은 에너지 발생 장치에 영향을 받은 부품을 포함한다. 그러나 이러한 스틸은 상기 상태 하에서 너무 오랫동안 있을 때 부식의 위험성이 야기된다. 따라서 본 발명의 발명자는 특정의 변형된 오스테나이트 스테인리스 스틸의 화학적 성질이 고온 환경에서 부식 저항을 추가적으로 개선시키는지의 여부에 대해 결정해왔다. 추가적으로 하기 기술된 바와 같이, 발명자는 1.5 중량 % 또는 그 미만의 망간을 함유한 합금이 산화 스케일 증발(oxide scale evaporation)되고 후속하여 수증기를 함유한 공기 내에서 열화되는(degradation) 것을 결정해왔다. 발명자의 연구는 적정 수준의 크롬과 니켈과 함께 1.5 중량%를 초과하는 망간을 포함하는 특정의 신규한 오스테나이트 스테인리스 스틸의 화학적 성질에 초점이 맞춰진다. 이러한 연구의 결과, 본 발명의 발명자는 광범위한 조성, 보다 바람직하게 테이블 2에 도시된 공칭 조성을 가진 오스테나이트 스테인리스 스틸이 수증기를 포함하는 고온의 공기 환경에서 그리고 고온의 공기 환경에서 크롬 산화 스케일 증발에 대해 실질적으로 저항성을 가진다는 것으로 결론을 내렸다. 제안된 합금의 망간 함유량은, 고온의 부식 공격에 대한 저항성을 상당히 개선시키는 것에 기초하여, 최소 수준으로 조절된다. As mentioned above, certain austenitic stainless steels are used in articles and components exposed to hot air or hot air containing significant water vapor. Parts placed in this state are, for example, in parts and facilities for high temperature processing or processing of alloys or for high temperature processing, processing or extraction of inorganic or chemical products, and heat exchangers, recuperators and gas turbines, steam turbines and fuels. Includes components affected by energy generating devices such as batteries. However, such steels pose a risk of corrosion when they are too long under these conditions. The inventors of the present invention have therefore determined whether the chemistry of certain modified austenitic stainless steels further improves the corrosion resistance in high temperature environments. In addition, as described below, the inventors have determined that alloys containing 1.5 weight percent or less of manganese are subjected to oxide scale evaporation and subsequently degradation in air containing water vapor. The inventor's study focuses on the chemical properties of certain new austenitic stainless steels, including more than 1.5% by weight manganese, with appropriate levels of chromium and nickel. As a result of this study, the inventors have found that austenitic stainless steels having a wide range of compositions, more preferably the nominal compositions shown in Table 2, can be used for evaporation of chromium oxide scale in hot air environments and in hot air environments. It was concluded that they were substantially resistant. The manganese content of the proposed alloy is adjusted to the minimum level, based on significantly improving the resistance to high temperature corrosion attack.
테이블 2Table 2
테이블 3은 테스트하는 동안 값이 구해진 몇몇 합금의 정보를 나타낸다. 히트(heat, 1, 3)들은 용융되어 후속하여 포일 게이지(foil gauge)로 압연된다. 히트(1, 3)는 실험용 히트이며, 히트(2)는 파일럿 코일로서 제조되며, 히트(4)는 생산 코일(production coil)로서 제조된 플랜트 히트(plant heat)이다. 히트(1, 3, 4)는 1.0 중량%의 망간을 목표로 제조되며, 히트(2)는 1.6 중량%의 망간을 목표로 제조된다. Table 3 shows information for some alloys whose values were obtained during the test.
테이블 3Table 3
히트(2)와 히트(4)로서 테이블 3에 기술된 1.6 중량%의 망간과 1.0 중량%의 망간(공칭) 변화량의 비교는 상대적으로 낮은 함유량의 망간 형태가 특히 상대적으로 높은 온도에서 더욱 산화 스케일 증발되기 쉽다는 것을 보여준다. 이는 시간이 지남에 따라 상당한 환경적 공격(environmental attack)이 야기될 수 있다. 테스트는 다음에 따른다. The comparison of 1.6% by weight of manganese and 1.0% by weight of manganese (nominal) variation described in Table 3 as heat (2) and heat (4) shows that the relatively low content of manganese forms are more oxidative scale, especially at relatively high temperatures. It is easy to evaporate. This can cause a significant environmental attack over time. The test follows.
샘플들이 습식 공기 내에서 1300 내지 1500 ℉(704-815 ℃)의 온도 범위에 노출된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 높은 함유량의 망간 샘플(대략 1.6 중량%의 망간, 히트 2)과 낮은 함유량의 망간 샘플(대략 1.0 중량%의 망간, 히트 3)은 10%의 수증기를 함유한 공기 내에서 1300 ℉(704 ℃)로 노출 시 시간에 따른 중량 변화(mg/cm2)에 있어서 유사한 산화 반응속도(oxidation kinetics)를 나타낸다. 일반적으로 낮은 함유량의 망간 샘플은 다소 작은 중량 증가(weight grain)를 나타내며, 다소 불규칙적으로 거동한다.The samples are exposed to a temperature range of 1300-1500 ° F. (704-815 ° C.) in wet air. As shown in FIG. 1, a high content of manganese sample (approximately 1.6% by weight manganese, heat 2) and a low content of manganese sample (approximately 1.0% by weight manganese, heat 3) contain 10% water vapor. Similar oxidation kinetics is shown in weight change over time (mg / cm 2) upon exposure to 1300 ° F. (704 ° C.). In general, low content manganese samples exhibit rather small weight grains and behave somewhat irregularly.
도 2는 샘플이 7%의 수증기를 함유한 공기 내에서 1400 ℉(760 ℃)로 노출되었을 때 높은 함유량의 망간(히트 2)과 낮은 함유량의 망간(히트 4) 합금의 샘플에 대한 시간에 지남에 따른 중량 변화를 도시한다. 샘플들은 이러한 상태 하에서 상당히 상이한 산화 반응속도를 나타낸다. 높은 함유량의 망간 샘플은 테스트의 초기 부분에서 중량이 신속하게 증가하지만 그 뒤 중량 증가는 상당히 느려진다. 5000 시간의 테스트가 완료된 후, 2개의 샘플은 실질적으로 동일한 중량 증가를 나타낸다. FIG. 2 shows time over samples of high content of manganese (heat 2) and low content of manganese (heat 4) alloys when the sample is exposed to 1400 ° F. (760 ° C.) in air containing 7% water vapor. The change in weight is shown. The samples show significantly different oxidation kinetics under these conditions. Higher manganese samples quickly gain weight in the initial part of the test but then slow down significantly. After 5000 hours of testing were completed, the two samples showed substantially the same weight gain.
도 3은 샘플이 7%의 수증기를 함유한 공기 내에서 1500 ℉(815 ℃)로 노출되었을 때 높은 함유량의 망간(히트 2)과 낮은 함유량의 망간(히트 4) 합금의 샘플에 대한 시간에 지남에 따른 중량 변화를 도시한다. 곡선은 낮은 함유량의 망간 샘플이 테스트 동안 상당한 산화 스케일 증발을 나타낸다. 높은 함유량의 망간 합금은 한정된 테스트 노출에 대해 동일한 중량 변화를 나타내지 못한다. FIG. 3 shows over time for samples of high content of manganese (heat 2) and low content of manganese (heat 4) alloys when the sample is exposed to 1500 ° F. (815 ° C.) in air containing 7% water vapor. The change in weight is shown. The curve shows significant oxidative scale evaporation of the low content manganese samples during the test. Higher manganese alloys do not exhibit the same weight change for a limited test exposure.
상기 1300 ℉(704 ℃)와 1400 ℉(760 ℃) 하에서 전체 5000시간 노출된 샘플들이 장착되고, 폴리싱되며 그리고 검사된다. 높은 함유량의 망간 샘플에 형성된 산화물 스케일(oxide scale)은 얇으며, 콤팩트하고, 단조롭게 형성된다. 낮은 함유량의 망간 이형물(variant)은 습식 공기 내에서 1300 ℉(704 ℃)로 노출된 후 서브스케일 공극 형성(subscale void formation)을 나타낸다. 도 4a이러한 공극 위의 산화물 스케일은 어떠한 위치의 스케일보다 다소 두껍다. 산재한 산화물 단괴(scattered oxide nodule)는 1400 ℉(760 ℃)의 습식 공기 내에서 노출된 낮은 함유량의 망간 샘플에 형성된다. 단괴의 실례는 도 4b에 도시된다. 다수의 작은 "창발적인(emergent)" 단괴는 산화물 스케일을 파괴시키는 공정에서 형성된다.Samples that were exposed a full 5000 hours under the 1300 ° F. (704 ° C.) and 1400 ° F. (760 ° C.) were loaded, polished and inspected. The oxide scale formed on the high content of manganese samples is thin, compact and monotonous. Low content manganese variants exhibit subscale void formation after exposure to 1300 ° F. (704 ° C.) in wet air. The oxide scale above these pores is somewhat thicker than the scale at any location. Scattered oxide nodule is formed on low content manganese samples exposed in wet air at 1400 ° F (760 ° C). An example of a nod is shown in FIG. 4B. Many small "emergent" nodules are formed in a process that destroys the oxide scale.
또한 샘플들은 수증기를 함유한 1500 ℉(815 ℃)의 공기 내에서 노출된 뒤 확대된 상태로 관찰된다. 대략 3000 시간이 지난 뒤 낮은 함유량의 망간(대략 1.0 중량%의 망간, 히트 4) 샘플에는 산화물 스케일 내에 형성된 혼합된 산화물들의 작은 단괴가 관찰된다. 낮은 함량의 망간 샘플들은 대략 8000 시간 노출된 후 확대된 상태로 관찰되며, 산화물 단괴들은 크기가 상당히 성장한 것으로 보여진다. 높은 함유량의 망간(대략 1.6 중량%의 망간, 히트 2) 샘플은 3500 시간에서 관찰되며, 산화물 스케일 내에는 단괴가 관찰되지 않는다. Samples are also observed in an expanded state after exposure in 1500 ° F. (815 ° C.) air containing water vapor. After approximately 3000 hours, a small nod of mixed oxides formed within the oxide scale was observed in a low content manganese (approximately 1.0 wt.% Manganese, heat 4) sample. Low content manganese samples were observed to be enlarged after approximately 8000 hours of exposure, and oxide nodules appeared to have grown significantly in size. A high content of manganese (approximately 1.6 wt.% Manganese, heat 2) sample was observed at 3500 hours and no nodules were observed within the oxide scale.
주사전자현미경(SEM)에서의 미량분석방법(microanalysis)이 산화물 스케일의 일반적인 조성의 구성(makeup)을 연구하기 위해 이용된다. 상기 스케일은 상대적으로 얇게 형성되며(2-3 미크론), 이에 따라 상세 조성적 프로파일(detailed compositional profile)을 추출하기가 어렵다. 일반적으로 측정(measurement)은 스케일/가스 인터페이스 근처에 그리고 스케일/합금 인터페이스 근처의 위치로 제한되었다. 높은 함유량의 망간 합금(히트 2)은 합금으로부터 스케일까지 상당히 큰 망간 격리를 나타내는 것으로 관찰되었다. 도 5는 스케일/합금 인터페이스와 스케일/가스 인터페이스에서의 몇몇 샘플에 대해 SEM의 X-레이 에너지-분산형 분광법(XEDS)을 이용하여 측정되며, Cr2O3에 대한 MnO의 몰비율로써 측정된 산화물 조성을 도표로 도시한다. 낮은 함유량의 망간 물질은 1300 ℉(704 ℃)에서 스케일/가스 인터페이스에 망간의 포화(즉 1.0의 MnO/Cr2O3 비율)가 나타나지 않으며, 1400 ℉(760 ℃) 근처에서 포화된다. 스피넬(spinel)에서 망간을 포화시키기 위하여 증발에 대한 저항성을 제공하는 것이 중요하다. Microanalysis in a scanning electron microscope (SEM) is used to study the makeup of the general composition of the oxide scale. The scale is relatively thin (2-3 microns), and thus it is difficult to extract a detailed compositional profile. In general, measurements were limited to locations near the scale / gas interface and near the scale / alloy interface. High content of manganese alloys (Heat 2) has been observed to show significantly greater manganese sequestration from alloy to scale. FIG. 5 is measured using X-ray energy-dispersive spectroscopy (XEDS) of SEM for several samples at scale / alloy interface and scale / gas interface, measured as molar ratio of MnO to Cr 2 O 3 . The oxide composition is shown graphically. The low content of manganese material saturates manganese on the scale / gas interface at 1300 ° F (704 ° C) (ie, MnO / Cr 2 O 3 of 1.0). Ratio), and is saturated near 1400 ° F (760 ° C). It is important to provide resistance to evaporation in order to saturate manganese in the spinel.
동일한 기술(표준이 없고 표준에 기초한 방법을 이용하여 측정되는 SEM에서의 XEDS)은 수증기를 함유한 고온의 공기로 노출된 후 배치된 금속에서의 크롬 감손의 정도와 수준을 정하기 위해 이용되었다. 도 6은, 10%의 수증기를 함유한 1300 ℉(704 ℃)의 공기에 5000 시간 동안 각각 노출된, 히트(2)와 히트(4)로부터, 높은 함유량의 망간 샘플과 낮은 함유량의 망간 샘플에 대한 샘플 표면 내의 깊이의 함수로써 크롬의 농도가 점으로 좌표에 도시된다. 낮은 함유량의 망간 샘플에 대해 관찰된 감손(depletion)은 스케일/금속 인터페이스에 직접적으로 인접한 위치에서 크롬 농도에 대해 상당히 크다. 샘플들 사이의 감손의 깊이는 현저하게 상이한 것으로 보여지지 않는다. 각각의 샘플로부터 야기된 크롬 프로파일은 상당히 날카로운 것으로 보여지며, 이는 크롬이 샘플의 내부로부터 스케일/합금 인터페이스로 신속히 확산될 수 없음을 의미한다. The same technique (XEDS in SEM without standard and measured using standard-based methods) was used to determine the degree and level of chromium depletion in metals that were placed after exposure to hot air containing water vapor. 6 shows a high content of manganese samples and low content of manganese samples from heat (2) and heat (4), each exposed for 5000 hours to 1300 ° F. (704 ° C.) air containing 10% water vapor. The concentration of chromium as a function of depth in the sample surface for is plotted in points. The observed depletion for low content manganese samples is significant for chromium concentration at locations directly adjacent to the scale / metal interface. The depth of depletion between samples does not appear to be significantly different. The chromium profile resulting from each sample appears to be quite sharp, which means that chromium cannot diffuse quickly from the inside of the sample to the scale / alloy interface.
도 7은, 7%의 수증기를 함유한 1400 ℉(760 ℃)의 공기에 5000 시간 동안 각각 노출된, 히트(2)와 히트(4)로부터, 높은 함유량의 망간 샘플과 낮은 함유량의 망간 샘플에 대한 샘플 표면 내의 깊이의 함수로써 크롬의 농도가 점으로 좌표에 도시된다. 도 6에서와 같이, 낮은 함유량의 망간 샘플에 대한 크롬 감손은 스케일/금속 인터페이스에서 높은 함유량의 망간 샘플에 비해 상당히 크다. 1400 ℉(760 ℃)에서 크롬 감손의 효과는 도 6에 도시된 스케일/합금 인터페이스에 대한 스케일/합금 인터페이스에서 터미널 크롬 함유량의 관점에서 상대적으로 크지 않지만 도 7에 도시된 기울기는 기질(substrate) 내에서 상당히 가파르다. 이는 산화로 인한 크롬 감손의 효과를 제거하기 위하여 금속 내의 크롬이 1400 ℉(760 ℃)에서 충분히 신속하게 확산되기 때문이다. FIG. 7 shows a high content of manganese samples and low content of manganese samples from heat 2 and
도 8은 7%의 수증기를 함유한 고온의 공기로 각각 노출된, 히트(2)와 히트(4)로부터, 높은 함유량의 망간 샘플과 낮은 함유량의 망간 샘플에 대해 SEM(반 정량적) 내의 XEDS를 이용하여 Cr2O3에 대한 MnO의 몰비율로 측정되는 산화물 조성을 도시하는 그래프이다. 측정값은 스케일/합금 인터페이스와 스케일/가스 인터페이스에서 얻어졌다. 1300 ℉(704 ℃)와 1400 ℉(760 ℃)의 공기에 노출된 후 실시 된 평가는 대략 5000 시간의 노출 시간 후 실시되었다. 1500 ℉(815 ℃)에서 노출된 후 실시된 평가는 대략 3000 시간의 노출 시간 후 실시되었다. 낮은 함유량의 망간 재료는 1300 ℉(704 ℃)와 1500 ℉(815 ℃)의 스케일/가스 인터페이스에서 망간 포화(즉 1.0의 MnO/Cr2O3 비율)가 나타나지 않으며, 1400 ℉(760 ℃) 근처에서 포화되었다. FIG. 8 shows XEDS in SEM (semi-quantitative) for high content of manganese samples and low content of manganese samples from heat 2 and
상대적으로 높은 함유량의 망간 합금의 일련의 히트는 어떻게 산화 저항이 추가적으로 증가된 망간 수준에 응답하는지를 평가하기 위하여 준비된다. 테이블 4는 히트(5)와 히트(6)에 따른 추가적인 히트의 화학적 조성을 도시한다. A series of hits of a relatively high content of manganese alloy is prepared to assess how oxidation resistance responds to additionally increased manganese levels. Table 4 shows the chemical composition of the heat 5 and the additional heat according to the heat 6.
테이블 4Table 4
도 9는 7%의 수증기를 함유한 1400 ℉(760 ℃)의 공기에 노출된, 히트(2)(1.61 중량 %의 망간), 히트(5)(2.04 중량%의 망간) 및 히트(6)(3.82 중량%의 망간)의 합금들의 샘플에 대한 시간이 지남에 따른 샘플의 중량 변화를 점으로 도시한다. 이러한 결과는 상대적으로 높은 망간 수준이 산화 스케일 형성을 통해 상대적으로 큰 초기 중량 증가(initial weight gain)를 야기하는 것을 의미한다. 반 면 도 9에 도시된 중량 증가는 불명확한 것으로 보여지며, 대략 4 중량% 이상의 상대적으로 높은 망간 수준으로 인해 추가 스케일이 형성되고, 중량이 증가되며, 물질의 핵파쇄(spallation)에 따른 바람직하지 못한 결과가 야기된다. 9 shows heat 2 (1.61 wt% manganese), heat 5 (2.04 wt% manganese) and heat 6 exposed to 1400 ° F. (760 ° C.) air containing 7% water vapor. (3.82 wt.% Manganese) of alloys is plotted as the weight change of the sample over time. This result means that relatively high manganese levels cause a relatively large initial weight gain through the formation of an oxidative scale. On the other hand, the weight gain shown in FIG. 9 appears to be indeterminate, and due to the relatively high manganese level of about 4% by weight or more, additional scales are formed, weight is increased and undesirable due to spallation of the material. The result is bad.
테이블 5에는 추가 히트(7 내지 11)이 도시된다. 히트들은 0.1 중량% 미만의 티타늄을 함유한다. 또한 히트(7, 8, 11)들은 0.1 중량% 미만의 알루미늄을 함유한다. Table 5 shows additional hits 7-11. The hits contain less than 0.1 weight percent titanium. The heats 7, 8, 11 also contain less than 0.1% by weight of aluminum.
테이블 5Table 5
상기 언급된 바와 같이, 연장된 기간 동안 고온의 응력이 가해진 오스테나이트 스테인리스 스틸은 크리프(creep)될 수 있다. 대부분의 오스테나이트 스테인리스 스틸은 용융 및 캐스팅 동안 용융된 금속의 탄산(deoxidation)을 돕기 위하여 상대적으로 작은 수준의 티타늄과 알루미늄을 포함한다. 또한 이러한 요소들은 질화물, 가능한 고상의 금속간 상(intermetallic phase)으로 석출된다. 이러한 석출된 상들은 가공 동안 분해되기가 매우 어렵거나 실질적으로 불가능하다. 과도한 질화물의 형성에 따라 합금의 크리프 강도가 감소되도록 고용체 내에 질소의 수준이 감소된다. 또한 질화물과 금속간 상들은 특히 스틸이 부품의 형태로 스탬프되거나 감싸짐으로써 성형될 때 가공을 보다 어렵게 할 수 있다. As mentioned above, hot stressed austenitic stainless steel can be creeped for extended periods of time. Most austenitic stainless steels contain relatively small levels of titanium and aluminum to assist in the deoxidation of the molten metal during melting and casting. These elements also precipitate in the nitride, possibly in the solid intermetallic phase. These precipitated phases are very difficult or substantially impossible to decompose during processing. As the excess nitride forms, the level of nitrogen in the solid solution is reduced so that the creep strength of the alloy is reduced. In addition, nitride and intermetallic phases can make machining more difficult, especially when steel is molded by being stamped or wrapped in the form of parts.
따라서, 폴딩(folding), 스탬핑(stamping) 및 이와 유사한 기계적 가공 단계 동안 합금의 크리프 강도와 성형성을 개선시키기 위하여, 본 명세서의 오스테나이트 스테인리스 스틸에 대한 선호되는 화학적 성질은 0.1 중량%를 초과하지 않는 알루미늄과 0.1 중량%를 초과하지 않는 티타늄들 중 적어도 하나를 포함한다. 보다 바람직하게, 성형성과 크리프 저항을 보다 더욱 증가시키기 위하여, 본 발명의 오스테나이트 스테인리스 스틸은 0.1 중량%를 초과하지 않는 티타늄과 0.1 중량%를 초과하지 않는 알루미늄을 포함한다. Thus, in order to improve the creep strength and formability of the alloy during folding, stamping and similar mechanical processing steps, the preferred chemical properties for the austenitic stainless steels herein do not exceed 0.1% by weight. At least one of aluminum and titanium not exceeding 0.1 weight percent. More preferably, to further increase formability and creep resistance, the austenitic stainless steels of the present invention comprise titanium not exceeding 0.1 wt% and aluminum not exceeding 0.1 wt%.
상기 기술내용에 기초하여, 1.5 중량% 초과 내지 대략 4 중량%이하의 망간을 포함하고 상세히 조사된 화학적 성질을 가지는 오스테나이트 스테인리스는 과도한 스케일 형성과 핵파쇄 없이 상당량의 수증기를 포함할 수 있는 공기 중에서 고온의 공격에 대해 우수한 저항성을 나타내어야 한다. 특히, 테이블 2에 도시된 광범위한 그리고 공칭 합금 조성들은 수증기를 함유한 고온의 공기와 고온의 공기 내에서 부식 공격에 대한 실질적인 저항성을 가지는 오스테나이트 스테인리스 스틸용으로 제안되었다. 선호되는 망간 수준은 적어도 1.6 중량% 내지 대략 4 중량% 이하이며, 보다 선호되는 망간 수준은 적어도 1.6 중량% 내지 대략 2.0 중량% 이하이다. Based on the above description, austenitic stainless steels containing more than 1.5% by weight to about 4% by weight of manganese and having chemistry investigated in detail are in air which can contain significant amounts of water vapor without excessive scale formation and nucleation. It must exhibit good resistance to high temperature attack. In particular, the broad and nominal alloy compositions shown in Table 2 have been proposed for austenitic stainless steels having substantial resistance to corrosion attack in hot and hot air containing steam. Preferred manganese levels are at least 1.6 wt% to about 4 wt% or less, and more preferred manganese levels are at least 1.6 wt% to about 2.0 wt% or less.
개선된 크리프 저항성과 개선된 성형성을 가지는 추가 제안된 합금의 화학적 성질(alloy chemistry)은 테이블 2에 도시된 일반적인 화학적 성질을 갖지만 0.1 중량%를 초과하지 않는 티타늄 및/또는 0.1 중량%를 초과하지 않는 알루미늄을 포함한다. 티타늄 및/또는 알루미늄의 함유량을 제한함으로써 기인된 크리프 저항의 예상된 개선은 망간 함유량을 1.5 중량% 초과 내지 대략 4 중량%이하의 범위로 조절함으로써 제공되는 개선된 고온 부식 저항성을 시도하기 위해 요구되지 않는다. 대신에, 개선된 크리프 저항성과 성형성을 가진 본 명세서에 제안된 합금의 망간 함유량은 대략 4.0 중량%이하의 수준으로 형성될 수 있다. 따라서 하기 테이블 6에서의 합금은 우수한 크리프 저항성과 성형성을 나타내야 하며, 선호되는 화학적 성질은 0.1 중량%를 초과하지 않는 티타늄과 0.1 중량%를 초과하지 않는 알루미늄을 포함한다. The alloy chemistry of the further proposed alloys with improved creep resistance and improved formability does not exceed titanium and / or 0.1% by weight having the general chemical properties shown in Table 2 but not exceeding 0.1% by weight. Does not contain aluminum. The expected improvement in creep resistance caused by limiting the content of titanium and / or aluminum is not required to attempt the improved high temperature corrosion resistance provided by adjusting the manganese content in the range of more than 1.5% by weight to approximately 4% by weight or less. Do not. Instead, the manganese content of the alloys proposed herein with improved creep resistance and formability can be formed at levels up to approximately 4.0 weight percent. Thus the alloys in Table 6 below should exhibit good creep resistance and formability, with the preferred chemical properties including titanium not exceeding 0.1 wt% and aluminum not exceeding 0.1 wt%.
테이블 6Table 6
* 적어도 하나의 Ti와 Al이 0.1보다 크지 않음* At least one of Ti and Al is not greater than 0.1
우수한 고온 크리프 저항성, 개선된 성형성 및 수증기를 포함하는 고온의 공기 내에서 부식 공격에 대한 우수한 저항성을 나타내는 합금은 테이블 6에 도시된 조성을 가지며, 상기 조성은 망간 함유량이 1.5 초과 내지 대략 4.0 중량% 이하, 바람직하게 적어도 1.6 내지 대략 4.0 중량% 이하, 보다 바람직하게 적어도 1.6 내지 대략 2.0 중량% 이하로 형성되도록 추가적으로 조절된다. 바람직하게 상기 합금 은 수증기를 포함하는 고온의 공기에 노출되고 응력이 가해지는 가공, 처리 또는 추출 장치와 상기 언급된 에너지 발생 장치의 구조적 부품과 그 외의 다른 부품을 제조하는데 이용될 수 있다. Alloys exhibiting good high temperature creep resistance, improved formability and good resistance to corrosion attack in hot air, including water vapor, have the compositions shown in Table 6, which compositions have a manganese content of greater than 1.5 to about 4.0 weight percent. Or further preferably at least 1.6 to about 4.0 wt% or less, more preferably at least 1.6 to about 2.0 wt% or less. Preferably, the alloy can be used to produce structural and other components of the processing, processing or extraction device and the energy generating device mentioned above which are exposed to hot air and containing stress.
크리프에 대한 실질적인 저항성을 보다 우수하게 보장하기 위해 도입되고, 본 명세서에 제안된 오스테나이트 스테인리스 스틸의 화학적 성질에 대한 임의의 제한점은 합금 내에서 탄소에 대한 니오븀의 비율이 다음의 공식을 만족시키는 것이다. An arbitrary limitation on the chemical properties of the austenitic stainless steels introduced herein to better ensure substantial resistance to creep and that the ratio of niobium to carbon in the alloy satisfies the following formula: .
0.7 < 0.13(니오븀/탄소) ≤ 1.00.7 <0.13 (niobium / carbon) ≤ 1.0
여기서 공식 내의 니오븀과 탄소 함유량은 원자 백분율로 표현된다. Niobium and carbon content in the formula are expressed in atomic percentages.
본 명세서에 공개된 신규한 부식 저항성의 오스테나이트 스테인리스 스틸의 히트들은 진공 용융 스크랩(vaccum melting scrap) 및 그 외의 다른 공급 재료의 종래의 기술과 같은 종래의 수단에 의해 제조될 수 있다. 이에 따른 히트들은 종래의 기술에 의해 빌릿, 슬래브, 플레이트, 코일, 시트 및 그 외의 다른 중간 물품으로 가공될 수 있으며, 그 뒤 제조의 최종 물품으로 추가적으로 가공된다. 본 발명의 명세서 내에서, 0.1 중량%를 초과하지 않는 티타늄 및/또는 0.1 중량%를 초과하지 않는 알루미늄을 포함하는 합금들의 실시예의 개선된 성형성으로 인해, 합금으로부터 제조된 평평한 제강 제조품(flat mill product)이 상대적으로 복잡한 형태를 가진 물품으로 추가적으로 가공될 수 있다. 합금의 이러한 특성은 상대적으로 제한된 성형성을 가지며 오직 통상적으로 압출에 의해 이음매 없는 파이프로 가공되는 NF709 합금에 선호된다. The hits of the novel corrosion resistant austenitic stainless steel disclosed herein can be made by conventional means such as the prior art of vaccum melting scrap and other feed materials. The hits thus can be processed into billets, slabs, plates, coils, sheets and other intermediate articles by conventional techniques, which are then further processed into the final articles of manufacture. Within the context of the present invention, flat mill steel products made from alloys are due to the improved formability of embodiments of alloys comprising titanium not exceeding 0.1 wt% and / or aluminum not exceeding 0.1 wt%. product) can be further processed into articles with relatively complex shapes. This property of the alloy is preferred for NF709 alloys which have relatively limited formability and are usually processed into seamless pipes by extrusion.
본 발명에 따르는 신규한 오스테나이트 스테인리스 스틸은 임의의 적합한 설비와 환경에 이용될 수 있지만 합금들은 고온에 오랜 시간 동안 노출되는 설비와 부품 그리고 고온과 상당한 증기에 오랜 기간 동안 노출되는 설비와 부품에 이용되기에 특히 적합하다. 예를 들어 본 명세서에 공개된 합금들의 크리프 저항성 및/또는 고온 부식 저항성으로 인해, 합금들은 화학 제품(chemical) 또는 무기물(mineral)의 추출, 고온 가공 또는 처리를 하거나 또는 합금의 고온 가공 또는 처리를 하는데 적합한 관, 파이프, 구조적 부품 및 설비의 그 외의 다른 부품, 예를 들어 가스 터빈, 스팀 터빈 및 연료 전지과 같은 에너지 발생 장치의 그 외의 다른 부품, 관, 파이프 및 그 구조적 부품 및 열교환기, 복열 장치 및 에너지 발생 장치에 의해 발생되거나 또는 이용되는 가스 스트림을 처리하기 위한 그 외의 다른 설비의 부품들에 이용되기에 특히 적합하다. 본 명세서에 대한 합금의 그 외의 다른 적용 분야는 합금에 대한 본 명세서를 고려하여 종래 기술의 당업자에게 자명할 것이다. The novel austenitic stainless steels according to the invention can be used in any suitable installation and environment, but the alloys are used in installations and parts that are exposed to high temperatures for a long time and in installations and parts that are exposed to high temperatures and considerable steam for a long time. It is particularly suitable for becoming. For example, due to the creep resistance and / or high temperature corrosion resistance of the alloys disclosed herein, the alloys may be subjected to extraction, high temperature processing or treatment of chemical or minerals or to high temperature processing or treatment of the alloy. Other parts of pipes, pipes, structural parts and installations suitable for making, eg other parts of energy generating devices such as gas turbines, steam turbines and fuel cells, pipes, pipes and structural parts thereof and heat exchangers, recuperators And other installations for treating gas streams generated or used by energy generating devices. Other fields of application of the alloy to this specification will be apparent to those skilled in the art in view of the present specification for alloys.
상기 기술 내용이 본 발명의 한정된 개수의 실시예를 기술할지라도, 종래 기술의 당업자는 본 발명의 본질을 설명하기 위하여 본 명세서에 기술되고 도시된 실시예의 조성물과 그 외의 다른 세부 사항이 당업자에 의해 다양하게 가변될 수 있음을 이해할 수 있을 것이며, 모든 개조물은 첨부된 청구항 내에서 본 발명의 사상과 범위 내에 있다. 또한 종래 기술의 당업자들은 본 발명의 광범위한 사상으로부 터 벗어남이 없이 상기 실시예가 변경될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명은 공개된 특정 실시예에 제한되지 않고, 청구항에 의해 정의된 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 개조물을 포함해야 한다. Although the foregoing description describes a limited number of embodiments of the present invention, those skilled in the art will appreciate that compositions and other details of the embodiments described and illustrated herein are intended to illustrate the nature of the present invention by those skilled in the art. It will be appreciated that various modifications may be made and all modifications are within the spirit and scope of the invention in the appended claims. Those skilled in the art will also appreciate that the above embodiments may be modified without departing from the broader spirit of the invention. Thus, the present invention should not be limited to the specific embodiments disclosed, but should include modifications that fall within the spirit and scope of the invention as defined by the claims.
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