JP2011508078A

JP2011508078A - 耐腐食性のオーステナイト系のリーンステンレス鋼

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Publication number: JP2011508078A
Application number: JP2010539526A
Authority: JP
Inventors: バーグストロム，デヴィッド・エス; ラコウスキ，ジェームズ・エム; スティナー，チャールズ・ピー; ダン，ジョン・ジェイ; グラッブ，ジョン・エフ
Original assignee: エイティーアイ・プロパティーズ・インコーポレーテッド
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: IL205867A0; US20090162238A1; WO2009082501A1; RU2450080C2; KR20100101661A; BRPI0820024A2; EP2229463B1; US20170167006A1; CN101903549B; PL2229463T3; US9624564B2; CN101903549A; BRPI0820024B1; NO2229463T3; DK2229463T3; US8877121B2; AU2008341066B2; US20150010424A1; SG186625A1; ES2644452T8

Abstract

ニッケル及びモリブデンが少なく、かつ高い耐腐食性及び良好な成形性を示す、オーステナイト系のステンレス鋼組成物。該オーステナイト系のステンレス鋼は、重量％で、０．２０までのＣ、２．０〜６．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１６．０〜２３．０のＣｒ、５．０〜７．０のＮｉ、３．０までのＭｏ、３．０までのＣｕ、０．１〜０．３５のＮ、４．０までのＷ、０．０１までのＢ、１．０までのＣｏ、鉄、及び不純物を含む。該オーステナイト系のステンレス鋼は、１１より低いフェライト価及び−１０℃より低いＭＤ_３０値を有する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２００７年１２月２０日出願の同時係属中の米国特許仮出願第６１／０１５，３３８号の優先権を請求する。

技術分野
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、より多くのニッケル及びモリブデンを含有する一定の合金と比較して改善した耐腐食性及び同程度の成形特性をなお有する、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。

オーステナイト系のステンレス鋼は、該ステンレス鋼を幅広い様々な工業用途のために有用とする非常に望ましい特性の組み合わせを示す。これらの鋼は、ニッケル、マンガン、及び窒素などの、オーステナイトを促進しかつ安定化する元素の添加により均衡を保たれた鉄の基本組成を保有して、クロム、及びモリブデンなどの、耐腐食性を高めるフェライト促進元素の添加により室温でオーステナイト構造を維持しながら作られる。オーステナイト構造は、非常に望ましい機械的特性、特に靭性、展性、及び成形性を鋼に提供する。

オーステナイト系のステンレス鋼の一例は、１６．５〜１８．５％のクロム、１０．５〜１３％のニッケル、及び２．５〜３．０％のモリブデンを含有する合金である、ＥＮ１．４４３２ステンレス鋼である。この合金における合金化の構成要素の範囲は、安定なオーステナイト構造を維持するために特定された範囲内に維持されている。当業者には理解されるように、ニッケル、マンガン、銅、及び窒素の含有量は、例えばオーステナイト構造の安定性に寄与する。しかしながら、ニッケル及びモリブデンによるコストの増加は、なお高い耐腐食性及び良好な成形性を示すコスト効果のあるＥＮ１．４４３２の代替物の必要性を作り出している。近年、ＵＮＳＳ３２００３（ＡＬ２００３（登録商標）合金）などのリーンデュプレックス合金が、よりコストの低いＥＮ１．４４３２の代替物として用いられているが、これらの合金は良好な耐腐食性を有する一方で、およそ５０％のフェライトを含有し、そのためこれらの合金はＥＮ１．４４３２よりも高い強度及び低い展性を有し、結果として、これらの合金は成形性が悪い。デュプレックスステンレス鋼はまた、ＥＮ１．４４３２と比較して、高温及び低温の両方に関して使用がより限定される。

別のオーステナイト系の合金は、グレード３１７（ＵＮＳＳ３１７００）である。Ｓ３１７００は、１８．０〜２０．０％のクロム、１１．０〜１５．０％のニッケル、及び３．０〜４．０％のモリブデンを含有する。Ｎｉ及びＭｏの含有量がより多いために、Ｓ３１７００は、ＥＮ１．４４３２、ならびに１６．０〜１８．０のクロム、１０．０〜１４．０％のニッケル、及び２．０〜３．０％のモリブデンを含有するタイプ３１６（ＵＮＳＳ３１６００）という別の一般的に用いられるオーステナイト系のグレードの、よりコストのかかる代替物である。Ｓ３１７００の耐腐食性は、ＥＮ１．４４３２及びＳ３１６００の耐腐食性よりも優れているが、そのより高い原材料のために、多くの用途に関してＳ３１７００の使用が非常に高価なものとなる。

別の合金代替物は、グレード２１６（ＵＮＳＳ２１６００）であり、米国特許第３，１７１，７３８号明細書に記載されている。Ｓ２１６００は１７．５〜２２％のクロム、５〜７％のニッケル、７．５〜９％のマンガン、２〜３％のモリブデン、及び０．２５〜０．５０の窒素を含有する。Ｓ２１６００は、窒素を非常に多く含有するＳ３１６００の、ニッケルが少なくマンガンが多い変化形態であり、これはＳ２１６００に強い強度を与え、耐腐食性を改善する。しかしながら、Ｓ２１６００の成形性は、Ｓ３１６００又はＥＮ１．４４３２の成形性ほど良好でなく、Ｓ２１６００の非常に低いフェライト価（−６．２）は、鋳造及び溶接をより困難にさせる。また、Ｓ２１６００はＥＮ１．４４３２と同様の量のモリブデンを含有するために、Ｓ２１６００への切り替えは、モリブデンに関するコストの削減を提供しない。

その他のオーステナイト系のステンレス鋼の例としては、タイプ２０１鋼（ＵＮＳＳ２０１００）及び同様のグレードとして実施されるような、ニッケルをマンガンで置換してオーステナイト構造を維持する数多くの合金が挙げられる。しかしながら、タイプ２０１鋼は、良好な耐腐食性を有するニッケルの少ない合金であるが、成形特性が悪い。ＥＮ１．４４３２と同様か、又はそれよりも良い耐腐食性及び成形性を有し、一方でコスト効果があるようにより少ない量のニッケル及びモリブデンを含有する合金を製造出来る必要がある。更に、かかる合金は、デュプレックス合金とは異なり、例えば極低温〜１０００°Ｆ（５００℃）の、標準的なオーステナイト系のステンレス鋼と同程度の温度用途範囲を有する必要がある。

従って、本発明は、現在市場で手に入れることの出来ない解決策であって、ＥＮ１．４４３２と同様か、又はそれよりも優れた耐腐食特性を有し、原材料コストの削減を提供する、成形性のあるオーステナイト系のステンレス鋼合金組成物という解決策を提供する。従って、本発明は、ニッケル及びモリブデンの多い一定の合金と比べて、同程度又はそれよりも優れた耐腐食性、成形性、及びその他の特性を有する合金を有意に低い原材料コストで作り出すやり方で、Ｍｎ、Ｃｕ、及びＮの元素の組み合わせを用いてＮｉ及びＭｏを置換するオーステナイト系の合金である。場合により、Ｗ及びＣｏ元素を、別個に、又は組み合わせて用いてＭｏ及びＮｉ元素のそれぞれと置換しても良い。

米国特許第３，１７１，７３８号明細書

本発明は、よりコストのかかるニッケル及びモリブデンの元素の代わりに、マンガン、銅、及び窒素などの高価でない元素を用いるオーステナイト系のステンレス鋼である。その結果物は、ＥＮ１．４４３２と同様又はそれよりも良い耐腐食性及び成形性を有し、潜在的にはＵＮＳＳ３１７００と同様の耐腐食性及び成形性を有する、より低コストの合金である。

本開示に従ったオーステナイト系のステンレス鋼のある実施態様は、重量％で、０．２０までのＣ、２．０〜６．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１６．０〜２３．０のＣｒ、５．０〜７．０のＮｉ、３．０までのＭｏ、３．０までのＣｕ、０．１〜０．３５のＮ、４．０までのＷ、０．０１までのＢ、１．０までのＣｏ、鉄、及び不純物を含み、約１１より低いフェライト価及び約−１０℃より低いＭＤ_３０値を有する。

本開示に従ったオーステナイト系のステンレス鋼の別の実施態様は、重量％で、０．２０までのＣ、２．０〜６．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１６．０〜２３．０のＣｒ、５．０〜７．０のＮｉ、３．０までのＭｏ、３．０までのＣｕ、０．１〜０．３５のＮ、４．０までのＷ、０．０１までのＢ、１．０までのＣｏ、鉄、及び不純物を含み、ここで０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦５．０及び／又は５．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０である。該鋼は、約１１より低いフェライト価及び約−１０℃より低いＭＤ_３０値を有する。

本開示に従ったオーステナイト系のステンレス鋼のまた別の実施態様は、重量％で、０．０８までのＣ、３．０〜６．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１７．０〜２３．０のＣｒ、５．０〜７．０のＮｉ、０．５〜３．０のＭｏ、１．０までのＣｕ、０．１４〜０．３５のＮ、４．０までのＷ、０．００８までのＢ、１．０までのＣｏ、鉄、及び不純物を含み、約１１より低いフェライト価及び約−１０℃より低いＭＤ_３０値を有する。該鋼のとある実施態様においては、０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦５．０及び／又は５．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０である。

本開示に従ったオーステナイト系のステンレス鋼の更なる実施態様は、０．２０までのＣ、２．０〜６．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１６．０〜２３．０のＣｒ、５．０〜７．０のＮｉ、３．０までのＭｏ、３．０までのＣｕ、０．１〜０．３５のＮ、４．０までのＷ、０．０１までのＢ、１．０までのＣｏ、残分の鉄及び不純物からなり、１１より低いフェライト価及び−１０℃より低いＭＤ_３０値を有する。

本開示において記載されたオーステナイト系のステンレス鋼は、約２６より大きいＰＲＥ_Ｗ値を有していても良い。
ある実施態様においては、本開示に従ったオーステナイト系のステンレス鋼を製造する方法は、電気アーク炉中で溶融し、ＡＯＤ中で精製し、インゴット又は連続鋳造スラブに鋳造し、インゴット又はスラブを再加熱し、熱間延伸してプレート又はコイルを製造し、冷間延伸して特定の厚みにし、そしてその材料を焼き鈍し、酸洗いすることを含む。本発明に従ったその他の方法は、例えば、真空中又は特別の雰囲気下で溶融及び／又は再溶融すること、形態物に鋳造すること、あるいはスラブ又は形態物などに固められる粉末の製造などを含んでいても良い。

本開示に従った合金は、数多くの用途において用いても良い。一例に従うと、本開示の合金は、低温又は極低温環境において用いるために適合した製造物品中に含まれていても良い。本合金から作製されるか、又は本合金を含んでいても良い製造物品の追加の非限定的な例は、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、衛生用途において用いられる部品、及びエタノール製造又は処理設備のための部品である。

本記載及び特許請求の範囲においては、操作の実施例におけるものを除き、又は他の指示のない限り、構成要素及び製品、処理条件などの量又は性質を表現する全ての数は、全ての場合において用語「約」によって修飾されるものとして理解されるべきである。従って、反対の指示がない限りは、以下の記載及び添付の特許請求の範囲において説明する全ての数値パラメータは、本開示に従った製品及び方法において得ようと試みる望ましい特性に応じて変化しうる近似値である。最低でも、そして特許請求の範囲の均等物の教示の適用を制限しようとするものでは無いが、各々の数値パラメータは、少なくとも、報告された有効数字の桁を考慮し、普通の丸め手法を適用することにより解釈されるべきである。本発明のオーステナイト系のステンレス鋼を、ここで詳細に記載する。以下の記載において、他に特定のない限り、「％」は「重量％」を表す。

本発明は、オーステナイト系のステンレス鋼に向けられている。特に、本発明は、ＥＮ１．４４３２と同様か、又はそれよりも良い耐腐食性及び成形性を有し、そして潜在的にはＳ３１７００と同様の耐腐食性及び成形性を有するオーステナイト系のステンレス鋼組成物に向けられている。該オーステナイト系のステンレス鋼は、重量％で、０．２０までのＣ、２．０〜６．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１６．０〜２３．０のＣｒ、５．０〜７．０のＮｉ、３．０までのＭｏ、３．０までのＣｕ、０．１〜０．３５のＮ、４．０までのＷ、０．０１までのＢ、１．０までのＣｏ、鉄、及び不純物を含み、約１１より低いフェライト価及び約−１０℃より低いＭＤ_３０値を有する。

本開示に従ったオーステナイト系のステンレス鋼のある実施態様は、重量％で、０．２０までのＣ、２．０〜６．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１６．０〜２３．０のＣｒ、５．０〜７．０のＮｉ、３．０までのＭｏ、３．０までのＣｕ、０．１〜０．３５のＮ、４．０までのＷ、０．０１までのＢ、１．０までのＣｏ、鉄、及び不純物を含み、ここで０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦５．０及び／又は５．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０である。該鋼は、約１１より低いフェライト価及び約−１０℃より低いＭＤ_３０値を有する。

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、０．０８％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。本合金の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。とある実施態様においては、Ｓｉ添加の効果は、Ｓｉ含有量を０．５〜１．０％に調節することにより均衡を保たれる。

Ｍｎ：２．０〜６．０％
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％より多くのＭｎ含有量が必要とされる。Ｍｎ及びＮは両方とも、より高価な元素であるＮｉの効果的な代用物である。しかしながら、６．０％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だろう。また、本発明の合金は少なくとも５％のＮｉを含有するので、オーステナイト相を十分に安定化させるために６％より多くのＭｎは必要とされない。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、２．０〜６．０％のＭｎを有する。ある実施態様においては、Ｍｎ含有量は３．０〜６．０％であっても良い。

Ｎｉ：５．０〜７．０％
Ｎｉは、オーステナイト相を安定化させるとともに、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、Ｎｉ含有量を低く保つことが望ましい。本発明者らは、５．０〜７．０％の範囲のニッケルが、オーステナイト相を維持しつつも、Ｃｒ及びＭｏなどのフェライトを安定化させる元素を十分な量添加して、ＥＮ１．４４３２と同様か、又はそれよりも優れた耐腐食性を有し、一方でより低いコストで同様の靭性及び成形性を維持する材料を提供し得ることを見出した。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、５．０〜７．０％のＮｉを含む。

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１７．０〜２３．０％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を含む。ある実施態様においては、Ｎ含有量は０．１４〜０．３５％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。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を含む。ある実施態様においては、Ｍｏ含有量は０．５〜３．０％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％までであっても良く、０．００５％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。

０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦５．０
モリブデン及びタングステンは両方とも、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％未満であるべきである。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。

５．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０
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。優れた耐腐食性を保証するために添加しなければならないＣｒ及びＭｏなどのフェライトを安定化させる元素のレベルが上昇している中でオーステナイト相を安定化させるために、少なくとも５％の（Ｎｉ＋Ｃｏ）が必要とされる。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８％より低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、５．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０を有する。

本発明のオーステナイト系のステンレス鋼の残分は、鉄と、リン及び硫黄などの不可避の不純物とを含む。当業者に理解されるように、不可避の不純物は、好ましくは最も低い実施レベルに保持される。

本発明のオーステナイト系のステンレス鋼はまた、例えば耐孔食性指数（ｐｉｔｔｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｎｕｍｂｅｒ）、フェライト価、及びＭＤ_３０温度などを含む、鋼の示す特性を定量化する式によって定義しても良い。

耐孔食性指数（ＰＲＥ_Ｎ）は、塩化物を含有する環境において、孔食に対して期待される合金の耐性の相対的な順位を提供する。ＰＲＥ_Ｎが高いほど、良好な合金の耐腐食性が期待される。ＰＲＥ_Ｎは、以下の式によって計算することができる。

ＰＲＥ_Ｎ＝％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ）＋１６（％Ｎ）
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ＰＲＥ_Ｗとして示し、これは以下の式により計算される。

ＰＲＥ_Ｗ＝％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ）＋１．６５（％Ｗ）＋１６（％Ｎ）
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。本発明の合金の各実施態様は、２６より大きいＰＲＥ_ｗ値を有していても良く、好ましくは３０程度にまで高い。

本発明の合金はまた、そのフェライト価によって定義しても良い。正のフェライト価は、一般的に、フェライトの存在と相互に関連し、フェライトは合金の固化特性を改善し、熱間加工及び溶接作業の間の合金の高温割れを抑制することを助ける。それ故に、少量のフェライトは、良好な鋳造性、及び高温割れの防止のために、最初の固化した微細構造中に望まれる。一方で、多すぎるフェライトは、使用中に、限定されるものでは無いが、微細構造の不安定性、制限された展性、及び低下した高温機械特性を含む問題を生じる可能性がある。フェライト価は、以下の式を用いて計算することが出来る。

ＦＮ＝３．３４（Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋Ｍｏ＋２Ｔｉ＋０．５Ｃｂ）−２．４６（Ｎｉ＋３０Ｎ＋３０Ｃ＋０．５Ｍｎ＋０．５Ｃｕ）−２８．６
本発明の合金は、１１までの計算されたフェライト価を有し、好ましくは正の価数、そしてより好ましくは約３〜７のフェライト価を有する。比較的ニッケル及びモリブデンの含有量の少ない一定の既知のステンレス鋼合金が、本開示に従った合金より有意に低いフェライト価を有することは、以下の説明から明らかである。

合金のＭＤ_３０温度は、３０％の冷間変形が５０％のオーステナイトのマルテンサイトへの変換を生ずる温度として定義される。ＭＤ_３０温度が低いほど、材料はマルテンサイト変換に対してより耐性を有する。マルテンサイト形成に対する耐性は、より低い加工硬化速度を生じ、その結果として特に延伸用途において良好な成形性を生ずる。ＭＤ_３０は、以下の式に従って計算される。

ＭＤ_３０（℃）＝４１３−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２（Ｓｉ）−８．１（Ｍｎ）−１３．７（Ｃｒ）−９．５（Ｎｉ）−１７．１（Ｃｕ）−１８．５（Ｍｏ）
本発明の合金は−１０℃より低いＭＤ_３０温度を有し、好ましくは約−３０℃より低いＭＤ_３０温度を有する。既知のニッケルの少ないステンレス鋼合金の多くは、本開示に従った合金よりも有意に高いＭＤ_３０値を有する。

表１には、本発明の合金１〜３、及び比較例の合金であるＣＡ１、ＥＮ１．４４３２、Ｓ３１６００、Ｓ２１６００、Ｓ３１７００、及びＳ２０１００に関する組成、及び計算されたパラメータ値が挙げられている。

本発明の合金１〜３及び比較例の合金ＣＡ１を、実験室サイズの真空炉内で溶融し、５０−ｌｂ（２３ｋｇ）のインゴットに流し込んだ。これらのインゴットを再加熱し、熱間圧延して約０．２５０インチ（０．６３５ｃｍ）厚の材料を製造した。この材料を焼き鈍し、ブラストし、そして酸洗いした。その材料のいくつかを、０．１００インチ（０．２５４ｃｍ）厚に冷間圧延し、残りを０．０５０インチ（０．１２７ｃｍ）又は０．０４０インチ（０．１０２ｃｍ）厚に冷間圧延した。冷間圧延された材料を、焼き鈍し、そして酸洗いした。比較例の合金であるＣＡ１、ＥＮ１．４４３２、Ｓ３１６００、Ｓ２１６００、Ｓ３１７００、及びＳ２０１００は、商業的に利用可能であり、これらの合金に関して示したデータは、刊行された文書から取り込んだか、又は商業販売のために近年製造されている材料のテストから測定された。

各々の合金に関して計算したＰＲＥ_Ｗの値を、表１に示す。本明細書中で上に説明した式を用いると、２６．０より大きいＰＲＥ_Ｗを有する合金はＥＮ１．４４３２材料よりも塩化物の孔食により耐性を有することが期待される。ＰＲＥ_Ｗが２９．０より高いと、少なくともＳ３１７００と等しい塩化物の孔食に対する耐性を有することが期待されるだろう。

表１中の各々の合金に関するフェライト価もまた計算した。本発明の合金１〜３のフェライト価は、５．０〜７．５の間である、これらの値は、良好な溶接性及び鋳造性を促進するために望ましい範囲内である。

ＭＤ_３０の値もまた、表１中の合金に関して計算した。計算に従うと、全ての本発明の合金は、マルテンサイト形成に対してＳ３１６００より高い耐性を示す。

表１は、各々の合金に関する材料コストをＳ３１６００の材料コストと比較する、原材料コスト指数（ＲＭＣＩ）を示している。ＲＭＣＩは、原材料であるＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＣｏに関する２００７年１０月の平均コストに、その合金に含有される各々の元素のパーセントを掛けて、Ｓ３１６００における原材料のコストで除して計算した。計算された値が示すように、本発明の合金は、０．６４〜０．７１の間のＲＭＣＩ値を有し、これは本発明の合金に含有される原材料のコストが、Ｓ３１６００のコストの６４〜７１％であることを意味する。対照的に、ＥＮ１．４４３２に関するＲＭＣＩは１．０９である。それにもかかわらず、本発明の合金の各々に関するフェライト価は、ＥＮ１．４４３２に関して列挙されたフェライト価と同程度であり、本発明の合金に関するＭＤ_３０値は、ＥＮ１．４４３２に関するＭＤ_３０値より実質的に低い。ＥＮ１．４４３２と少なくとも同程度の成形性及び耐腐食性を有する材料を有意に低い原材料コストで作ることが出来ることは、驚くべきことであり、先行技術からは予期し得なかった。

本発明の合金１〜３の機械的特性を測定し、比較例の合金であるＣＡ１、及び商業的に利用可能なＥＮ１．４４３２、Ｓ３１６００、Ｓ２１６００、Ｓ３１７００、及びＳ２０１００の特性と比較した。測定された降伏力、引張強度、２インチ（５ｃｍ）のゲージ長さに対する伸び率、１／２サイズのシャルピーＶ字溝衝撃エネルギー、及びオルセンカップ高さが、これらの合金に関して表１に示されている。引張テストは、０．１００インチ（０．２５４ｃｍ）のゲージ材料で実施され、シャルピーテストは、０．１９７インチ（０．５００ｃｍ）厚のサンプルで実施され、そしてオルセンカップテストは、０．０４０インチ（０．１０２ｃｍ）〜０．０５０インチ（０．１２７ｃｍ）の間の厚みの材料で行われた。全てのテストは、室温で実行された。表１におけるデータに関する単位は以下の通りである：降伏力及び引張強度、ｋｓｉ；伸び、パーセント；オルセンカップ高さ、インチ；シャルピー衝撃エネルギー、ｆｔ−ｌｂｓ。このデータに見られるように、本発明の合金は、ＥＮ１．４４３２に関して報告されたよりもわずかに高い強度及び低い伸び率を示し、これによりＥＮ１．４４３２と少なくとも同程度の成形特性を提供する。

電気化学的な臨界孔食温度テストを、本発明の合金１〜３、及び比較例の合金であるＣＡ１、ＥＮ１．４４３２、Ｓ３１６００、Ｓ３１７００、及びＳ２０１００のサンプルに関して、ＡＳＴＭ標準であるＧ１５０に従って実施した。表１における結果から分かるように、本発明の合金２は、ＥＮ１．４４３２と同様の臨界孔食温度を有する一方で、本発明の合金１及び３は、ＥＮ１．４４３２より有意に高く、Ｓ３１６００より２倍以上高い臨界孔食温度を有する。Ｓ３１６００より２９％〜３６％低い原材料コストを有する合金が、およそ１６℃高い臨界孔食温度を有しつつも、同程度の靭性及び成形性をなお有することは、発明者らにとって驚きであった。

これらの新規な合金の潜在的な用途は数多くある。上に記載し、証拠を示したように、本明細書中に記載されたオーステナイト系のステンレス鋼組成物は、Ｓ３１６００の成形性及び靭性が必要とされるが、高い耐腐食性も要求される数多くの用途において用いることが出来る。更に、ニッケル及びモリブデンの高いコストのために、Ｓ３１６００又はＥＮ１．４４３２から本発明の合金に切り替えることによって、有意なコストの削減が認められる。その他の利益は、これらの合金が完全にオーステナイトであり、氷点下の温度での鋭い延性−脆性遷移（ＤＢＴ）か、又は８８５°Ｆ（４７４℃）の脆化のいずれの影響も受けにくいことである。それ故に、デュプレックス合金と異なり、本合金は６５０°Ｆ（３４０℃）より高い温度で用いることができ、低温及び極低温用途に関して主要な候補材料である。本明細書中に記載された合金の耐腐食性、成形性、及び処理性は、標準的なオーステナイト系のステンレス鋼の特性に非常に近いことが予期される。例えば自動車の排気及びその他の用途のためのフレキシブルコネクタ、ベローズ、フレキシブルパイプ、及び煙突／送気管のライナーなどの、本開示に従った合金のための特定の製造物品は特に利点があるだろう。当業者は、伝統的な製造手法を用いて、本開示に従った合金からこれらの製造物品及びその他の製造物品を容易に製造することが出来よう。

前述の記載は限定された数の実施態様のみを必要的に示したが、当業者は、本明細書中に記載され、説明された装置及び方法、ならびに実施例のその他の詳細における様々な変化が当業者によってなされても良いことを理解するであろう。また、全てのかかる変更は、本明細書、及び添付の特許請求の範囲中に表現された本開示の原理内及び範囲内にとどまる。それ故に、本発明は本明細書中に開示されるか、又は包含されている特定の実施態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定義されている本発明の原理及び範囲内の変更を包含することを意図するものであることが理解される。また、当業者には、本発明の幅広い発明概念から逸脱することなく、上述の実施態様に変化をなし得ることが理解されよう。

Claims

重量％で、０．２０までのＣ、２．０〜６．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１６．０〜２３．０のＣｒ、５．０〜７．０のＮｉ、３．０までのＭｏ、３．０までのＣｕ、０．１〜０．３５のＮ、４．０までのＷ、０．０１までのＢ、１．０までのＣｏ、鉄、及び不純物を含み、１１より低いフェライト価及び−１０℃より低いＭＤ_３０値を有する、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。
５．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０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。
２６より大きいＰＲＥ_ｗ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。
０より大きく１１より小さい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。
−３０℃より低いＭＤ_３０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。
０．０８までのＣを含む、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
１．０までのＳｉを含む、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
３．０〜６．０のＭｎを含む、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
１７．０〜２３．０のＣｒを含む、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
０．１４〜０．３５のＮを含む、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
０．５〜３．０のＭｏを含む、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
０．００８までのＢを含む、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
１．０までのＣｕを含む、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
０．５〜３．０のＭｏを含み、５．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０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。
−３０℃より低いＭＤ_３０値を有する、請求項１６に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
０．５〜３．０のＭｏを含み、０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦５．０及び５．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０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。
０．５〜３．０のＭｏを含み、−３０℃より低いＭＤ_３０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。
重量％で、０．０８までのＣ、３．０〜６．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１７．０〜２３．０のＣｒ、５．０〜７．０のＮｉ、０．５〜３．０のＭｏ、１．０までのＣｕ、０．１４〜０．３５のＮ、４．０までのＷ、０．００８までのＢ、１．０までのＣｏ、鉄、及び不純物を含み、１１より低いフェライト価及び−１０℃より低いＭＤ_３０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。
５．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０である、請求項２０に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
０．２０までのＣ、２．０〜６．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１６．０〜２３．０のＣｒ、５．０〜７．０のＮｉ、３．０までのＭｏ、３．０までのＣｕ、０．１〜０．３５のＮ、４．０までのＷ、０．０１までのＢ、１．０までのＣｏ、残分の鉄及び不純物からなり、１１より低いフェライト価及び−１０℃より低いＭＤ_３０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。
−３０℃より低いＭＤ_３０値を有する、請求項２２に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
０．５〜３．０のＭｏを含む、請求項２３に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
５．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０である、請求項２４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、２．０〜６．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１６．０〜２３．０のＣｒ、５．０〜７．０のＮｉ、３．０までのＭｏ、３．０までのＣｕ、０．１〜０．３５のＮ、４．０までのＷ、０．０１までのＢ、１．０までのＣｏ、鉄、及び不純物を含むオーステナイト系のステンレス鋼であって、１１より低いフェライト価及び−１０℃より低いＭＤ_３０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。
該オーステナイト系のステンレス鋼は、−３０℃より低いＭＤ_３０値を有する、請求項２６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、０．５〜３．０のＭｏを含む、請求項２６に記載の製造物品。
該オーステナイト系のステンレス鋼において、５．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０である、請求項２６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２６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又は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２６に記載の製造物品。