オーステナイト系薄ステンレス鋼
比較的低レベルのＮｉおよびＭｏを含み、かつ高レベルのＮｉおよびＭｏを含む特定の合金と同程度の耐食性、高温変形耐性、および成形性の特性を示すオーステナイト系ステンレス鋼組成物。オーステナイト系ステンレス鋼の実施形態は、重量パーセンテージで、最高０．２０までのＣ、２．０〜９．０のＭｎ、最高２．０までのＳｉ、１５．０〜２３．０のＣｒ、１．０〜９．５のＮｉ、最高３．０までのＭｏ、最高３．０までのＣｕ、０．０５〜０．３５のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｚｒ）≦１．５、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国合衆国法典第３５編第１２０条に基づき、２００８年２月２０日提出の米国特許出願第１２／０３４，１８３号の一部継続出願として優先権を主張する。
【０００２】
技術分野
本開示は、オーステナイト系ステンレス鋼に関する。特に、本開示は、とりわけ、付随的なレベルを超えないＭｏ、低レベルのＮｉ、高降伏力、および例えばＴ−３２１合金（ＵＮＳ Ｓ３２１００）などの特定の高レベルＮｉのオーステナイト系合金と比べて、少なくとも同程度の耐食性および高温度特性を含む、対費用効果の高い、安定したオーステナイト系ステンレス鋼組成物に関する。
【背景技術】
【０００３】
オーステナイト系ステンレス鋼は非常に望ましい特性の組み合わせを示し、そのために、多岐にわたる産業用途で有用となる。これらの鋼は、Ｎｉ、Ｍｎ、およびＮなどの、オーステナイトを促進かつ安定化する元素を添加することによって均衡が保たれている鉄の基本組成を有し、耐食性を向上させる、ＣｒおよびＭｏなどの、フェライトを促進する元素の添加によって、室温でオーステナイト構造を維持しつつ、作られることを可能にする。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、延性、および成形性を鋼にもたらす。
【０００４】
オーステナイト系ステンレス鋼の具体的な一例としては、ＡＩＳＩ型３１６ステンレス鋼（ＵＮＳ Ｓ３１６００）があり、１６〜１８％のＣｒ、１０〜１４％のＮｉ、および２〜３％のＭｏを含む合金である。この合金の合金化成分の範囲は、安定なオーステナイト構造を維持するために指定された範囲内に維持されている。当業者には理解されように、例えば、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、およびＮの含有量は、オーステナイト構造の安定性に寄与する。しかしながら、ＮｉおよびＭｏの価格上昇のために、高い耐食性および良好な成形性を依然として示し、対費用効果の良い、Ｓ３１６００の代替物の必要性が生じている。
【０００５】
別の代替合金は、グレード２１６（ＵＮＳ Ｓ２１６００）であり、これは米国特許第３，１７１，７３８号に記述されている。Ｓ２１６００は１７．５〜２２％のＣｒ、５〜７％のＮｉ、７．５〜９％のＭｎ、および２〜３％のＭｏを含む。Ｓ２１６００は、Ｓ３１６００を低Ｎｉ、高Ｍｎにした変化形態であるのだが、Ｓ２１６００の強度および耐食性の特性はＳ１６００のそれよりもかなり高い。しかしながら、２相合金と同様に、Ｓ２１６００の成形性は、Ｓ３１６００のそれほど良好ではない。また、Ｓ２１６００は、Ｓ３１６００と同量のＭｏを含んでいるので、Ｍｏの費用節減はない。
【０００６】
高温での使用を主に目的とするＳ３１６００の変形も存在する。この合金は、３１６Ｔｉ型（ＵＮＳ Ｓ３１６３５）と命名されている。Ｓ３１６００とＳ３１６３５との明らかな違いは、鋼中に存在するＣおよびＮの量の均衡を保つよう添加された少量のチタンの存在である。結果として生じる鋼、すなわちＳ３１６３５は、高温での炭化クロムの有害な形成と、溶接の間の鋭敏化として知られている現象とが低い傾向にある。そのような添加によって、一次および二次の炭化物の形成の効果を強化するために、高温特性を向上させることができる。Ｓ３１６３５においてＴｉの指定された範囲は、以下の式によって与えられる：
［５×（％Ｃ＋％Ｎ）］≦Ｔｉ≦０．７０％。
しかしながら、Ｓ３１６３５は高価な原料を使用する。
【０００７】
オーステナイト系ステンレス鋼の別の例は、３２１型ステンレス鋼（ＵＮＳ Ｓ３２１００）であり、この型は、重量パーセントで、１７．００〜１９．００％のＣｒ、９．００〜１２．００％のＮｉ、最高２．００％までのＭｎ、最高０．０８％までのＣ、最高０．７５％までのＳｉ、［５×（％Ｃ＋％Ｎ）］≦Ｔｉ≦０．７０％、最高０．０４５％までのＰ、最高０．０３０％までのＳ、最高０．１０％までのＮ、および残部のＦｅを含む。３２１型合金は、該鋼中に存在するＣおよびＮの量に対して均衡を保つチタンを添加することによって炭化クロムに対して安定化されている。３２１型合金は、意図的な添加されるＭｏを含まないが、高価な合金化元素をかなりのレベルで含む。
【０００８】
合金の別の例としては、２０１型鋼（ＵＮＳ Ｓ２０１００）および同様のグレードで実施されているような、ＮｉをＭｎと置換して、オーステナイト構造を維持している多数のステンレス鋼が挙げられる。しかしながら、３２１型合金などの比較的高合金のオーステナイト系ステンレス鋼に対して、耐食性があり低価格で、かつ３２１型合金と少なくとも同程度の強度および硬度をもたらす代替物の必要性が依然として残っている。
【発明の概要】
【０００９】
したがって、本開示による合金は、現在市場で入手できない解決策を提供する。該合金は、安定化されたオーステナイト系ステンレス鋼合金組成物であり、３２１型オーステナイト系ステンレス鋼と比べて少なくとも同程度の耐食性、強度、および硬度の特性を示しつつ、３２１型合金と比べてかなり原材料費節減をもたらす。したがって、本合金は、耐食性および高温の特性を改善するために炭化物形成元素を制御されたレベルで含む、安定化されたオーステナイト系ステンレス鋼である。本合金はまた、高Ｎｉ合金の特性と少なくとも同じような特定の特性を示すが、かなり低原材料費で提供するのに十分なＭｎ、Ｃｕ、およびＮのレベルを組み合わせて含む。
【００１０】
本開示による合金は、より高価なＮｉ元素の代わりにＭｎ、Ｃｕ、およびＮの組み合わせを用いるオーステナイト系ステンレス鋼である。その結果は、例えば、３２１型と比べて、低費用で、かつ少なくとも同程度の成形性、耐食性、および高温強度の特性を有する合金である。本開示による合金の実施形態は、軽量に製造され、かつ成形性を向上させるために比較的微粒子によるクリーンな微細構造を含み得る。
【００１１】
本開示による合金の一実施形態は、重量パーセントで、最高０．２０までの炭素（Ｃ）、２．０〜９．０のマンガン（Ｍｎ）、最高２．０までのケイ素（Ｓ）、１５．０〜２３．０のクロム（Ｃｒ）、１．０〜９．５ニッケル（Ｎｉ）、最高３．０までのモリブデン（Ｍｏ）、最高３．０までの銅（Ｃｕ）、０．０５〜０．３５の窒素（Ｎ）、（７．５（％Ｃ））≦（％ニオブ＋％チタン＋％バナジウム＋％タンタル＋％ジルコニウム）≦１．５、鉄（Ｆｅ）、および不可避的な不純物を含むオーステナイト系ステンレス鋼に関する。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、最高０．０１％までのホウ素（Ｂ）を含み得る。特定の実施形態は、少なくとも０．１％のニオブを含み得る、または少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含み得る。
【００１２】
本開示による別の実施形態は、重量パーセントで、最高０．１０までのＣ、２．０〜８．０のＭｎ、最高１．００までのＳｉ、１６．０〜２２．０のＣｒ、１．０〜７．０のＮｉ、０．１０〜２．０のＭｏ、最高１．００までのＣｕ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％ニオブ＋％チタン＋％バナジウム＋％タンタル＋％ジルコニウム）≦１．５、最高０．０４０までのリン酸（Ｐ）、最高０．０３０までの硫黄（Ｓ）、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含むオーステナイト系ステンレス鋼に関する。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、最高０．０１％までのＢを含み得る。特定の実施形態は、少なくとも０．１％のニオブを含み得る、または少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含み得る。
【００１３】
本開示による代替実施形態は、重量パーセントで、最高０．０８までのＣ、３．５〜６．５のＭｎ、最高１．００までのＳｉ、１７．０〜２１．０のＣｒ、３．０〜６．０のＮｉ、０．１〜１．０のＭｏ、最高１．０までのＣｕ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％ニオブ＋％チタン＋％バナジウム＋％タンタル＋％ジルコニウム）≦１．０、最高０．０３５までのＰ、最高０．００５までのＳ、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含むオーステナイト系ステンレス鋼に関する。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、最高０．０１％までのＢを含み得る。特定の実施形態は、少なくとも０．１％のニオブを含み得る、または少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含み得る。
【００１４】
特定の実施例では、本開示によるオーステナイト系ステンレス鋼は、１８を超えるＰＲＥＮ値、１２未満のフェライト値、および３４℃未満のＭＤ３０値のうちの１つまたは複数を有する。
【００１５】
本開示によるオーステナイト系ステンレス鋼を製造する１つの方法は、電気アーク炉中で投入量を溶解し、ＡＯＤ中で精製し、インゴットまたは連続鋳造スラブに鋳造し、該インゴットまたはスラブを再加熱し、熱間圧延してプレートまたはコイルを製造し、コイルを冷間圧延して特定の厚みにして、該材料を焼きなまして酸洗いすることによる。本発明の材料を製造する別の方法は、減圧中または特有の雰囲気下での溶解および／または再溶解すること、形状に鋳造すること、またはスラブもしくは形状に固定される粉体の製造を含み、用いられてもよい。
【００１６】
本開示によるオーステナイト系ステンレス鋼は、多数の用途で用いられ得る。一例によると、本開示の合金は、低温また極低温の環境での使用に適合した製造物品に含まれ得る。本合金から製造され得るまたは本合金を含み得る製造物品のさらなる非限定例としては、自動車および他の用途用のフレキシブルコネクタ、ベローズ、フレキシブルパイプ、煙突内管類、および送管内管類がある。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本記載では、動作例におけるものを除き、または別段の指示がない限り、成分および生成物の数量または特性、処理条件などを表すすべての数は、すべての場合において用語「約」によって修飾されていると理解されるべきである。したがって、特にそれとは反対の指示がない限り、以下の説明に記述するいかなる数値パラメータも、本開示による生成物および方法において得ようとする所望の特性に依存して変化し得る近似値である。最低限で、および特許請求の範囲の同等物の原則の適用を限定する試みとしてではなく、各数値パラメータは、報告された有効数字の数を考慮して、通常の丸め技法を適用することによって少なくとも解釈されなければならない。本明細書に記述されるすべての数の範囲は、その中で包含されるすべての部分的な範囲を含む。例えば、「１〜１０」の範囲は、１の列挙された最小値と、１０の列挙された最大値との間、およびこれらを含むすべての部分的な範囲を含むように意図される。
【００１８】
本開示によるオーステナイト系ステンレス鋼の実施形態をここで詳細に説明する。以下の説明において、「%」または「パーセント」は、特に明記しない限り、重量パーセンテージを指す。本開示は、３２１型合金と比べて、かつ原料のより低い全費用で、少なくとも同程度の耐食性、高温強度特性、および成形性を示すオーステナイト系ステンレス鋼に関する。オーステナイト系ステンレス鋼組成物は、重量パーセントで、最高０．２０までのＣ、２．０〜９．０のＭｎ、最高２．０までのＳｉ、１５．０〜２３．０のＣｒ、１．０〜９．５のＮｉ、最高３．０までのＭｏ、最高３．０までのＣｕ、０．０５〜０．３５のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％ニオブ＋％チタン＋％バナジウム＋％タンタル＋％ジルコニウム）≦１．５、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含み得る。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、最高０．０１までのＢを含み得る。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、少なくとも０．１％のニオブを含み得る、または少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含み得る。
【００１９】
本発明の別の実施形態は、重量パーセントで、最高０．１０までのＣ、２．０〜８．０のＭｎ、最高１．００までのＳｉ、１６．０〜２２．０のＣｒ、１．０〜７．０のＮｉ、０．１０〜２．０のＭｏ、最高１．００までのＣｕ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％ニオブ＋％チタン＋％バナジウム＋％タンタル＋％ジルコニウム）≦１．５、最高０．０４０までのＰ、最高０．０３０までのＳ、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含むオーステナイト系ステンレス鋼である。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、最高０．０１までのＢを含み得る。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、少なくとも０．１％のニオブを含み得る、または少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含み得る。
【００２０】
一代替実施形態によれば、本開示は、重量パーセントで、最高０．０８までのＣ、３．５〜６．５のＭｎ、最高１．００までのＳｉ、１７．０〜２１．０のＣｒ、３．０〜６．０のＮｉ、０．５〜１．０のＭｏ、最高１．０までのＣｕ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％ニオブ＋％チタン＋％バナジウム＋％タンタル＋％ジルコニウム）≦１．０、最高０．０３５までのＰ、最高０．００５までのＳ、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含み得る。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、最高０．０１までのＢを含み得る。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、少なくとも０．１％のニオブを含み得る、または少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含み得る。
【００２１】
Ｃ：最高０．２０％まで
Ｃはオーステナイト相を安定化するように作用し、変形により誘起されるマルテンサイト変態を阻止する。しかしながら、Ｃはまた、特に溶接の間、炭化クロムを形成する確率を高め、これによって耐食性および靭性を低下させる。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は最高０．２０％までのＣを有する。本発明の一実施形態では、Ｃの含有量は、０．１０％以下であり得る。あるいは、Ｃの含有量は、０．０８％以下、０．０３％以下、または０．０２％以下であり得る。
【００２２】
Ｓｉ：最高２．０％まで
２％を超えるＳｉを有すると、シグマなどの脆化相の形成を促進して、合金中のＮの溶解度を低下させる。Ｓｉもフェライト相を安定化させる。２％を超えるＳｉは、オーステナイト相を維持するために、さらなるオーステナイト安定剤を必要とする。したがって、特定の実施形態では、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、最高２．０％までのＳｉを有する。本発明の一実施形態では、Ｓｉ含有量は１．０％以下であり得る。Ｓｉはニオブとともに特定の合金化元素の反応性を最小化するのに役立ち、かつ合金中の相均衡を補助する。本開示による特定の実施形態では、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って均衡を保たれる。別の実施形態では、Ｓｉ添加の効果は、Ｓｉ含有量を０．１〜０．４％に調節することによって均衡を保たれる。あるいは、本開示による特定の実施形態では、Ｓｉ含有量は、０．５％以下、０．４％以下、または０．３％以下であり得る。
【００２３】
Ｍｎ：２．０〜９．０％
Ｍｎはオーステナイ相を安定化させ、一般的に、有益な合金化元素であるＮの溶解度を増加させる。これらの効果を十分に生み出すために、少なくとも２．０％のＭｎ含有量が必要とされる。ＭｎおよびＮは両方とも、より高価な元素であるＮｉの効果的な代替物である。しかしながら、９．０％を超えるＭｎを有すると、材料の加工性および特定の環境でその耐食性を低下させる。また、９．０％を超えるなどの高レベルのＭｎステンレス鋼を脱炭することが困難なため、Ｍｎレベルは、該材料を製造する処理加工コストを著しく増加させる。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼において耐食性、相均衡、延性および他の機械的特性の均衡を保つために、Ｍｎレベルは、２．０〜９．０％に設定される。本開示による特定の実施形態では、Ｍｎ含有量は、２．０〜８．０％、３．５〜７．０％、または７％であり得る。
【００２４】
Ｎｉ：１．０〜９．５％
本発明者らは、許容される特性を維持しつつ、該合金のＮｉ含有量を限定しようと努力した。少なくとも１％のＮｉは、フェライトおよびマルテンサイトの両方の形成に関してオーステナイト相を安定化させるために必要とされる。Ｎｉはまた、靭性および成形性を向上させるために作用する。しかしながら、Ｎｉの比較的高いコストのため、Ｎｉ含有量をできるだけ低く保つことが望ましい。ＭｎおよびＮは、Ｎｉの部分的代替物になり得るが、高レベルのＭｎおよびＮは、許容できないレベルの加工硬化、成形性の減少をもたらすことになる。したがって、合金は許容できる成形性を提供するために最低濃度のＮｉを含まなければならない。本発明者らは、１．０〜９．５％の範囲のＮｉを他の規定された範囲の元素に添加して用いて、高Ｎｉ合金のそれと同様の、または良好な耐食性および成形性を有する合金を達成できることを見出した。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、１．０〜９．５％のＮｉを有する。一実施形態では、Ｎｉ含有量は２．０〜６．５％であり得、または３．０〜６．０％であり得る。
【００２５】
Ｃｒ：１５．０〜２３．０％
Ｃｒを添加して、不動態被膜を合金表面に形成することによってステンレス鋼に耐食性を与える。Ｃｒはまた、マルテンサイト変態に関してオーステナイト相を安定化させるよう作用する。少なくとも１５％のＣｒが、適切な耐食性をもたらすために必要とされる。一方では、Ｃｒは強力なフェライト安定剤であるので、Ｃｒ含有量が２３％を上回ると、フェライト含有量を許容できる程度に低く保つために、Ｎｉまたはコバルトなどのより高価な合金化元素を添加する必要がある。２３％を超えるＣｒを有すると、シグマなどの望ましくない相を形成する可能性が高くなる。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、１５．０〜２３．０％のＣｒを有する。一実施形態では、Ｃｒ含有量は１６．０〜２２．０％であり得、または１７．０〜２１．０％であり得る。
【００２６】
Ｎ：０．０５〜０．３５％
Ｎは、オーステナイト安定化元素Ｎｉおよび耐食性向上元素Ｍｏの部分代替物として本合金に含まれる。Ｎはまた、合金の強度を改善する。少なくとも０．０５％のＮは、強度および耐食性に必要であり、かつオーステナイト相を安定化させるために必要である。０．３５％を超えるＮを添加すると、溶解および溶接の間にＮの溶解度を上回ることもあり得、Ｎの気泡に起因する気孔をもたらす。たとえその溶解度限界を上回らない場合でも、０．３５％を超えるＮ含有量は、窒化物粒子の沈殿の傾向を増加させ、それによって耐食性および靭性が低下する。最高０．３５％までのＮ含有量は、問題のあるレベルの炭窒化ニオブ沈殿物を形成することなく、合金中のＮｂの可能なレベルと適合することを本発明者らは、決定した。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、０．０５〜０．３５％のＮを有する。一実施形態では、Ｎ含有量は、０．０８〜０．３０％であり得、またはあるいは０．０５〜０．２％であり得る。
【００２７】
Ｍｏ：最高３．０％まで
本発明者らは、許容される特性を維持しつつ、合金のＭｏ含有量を限定しようと努力した。Ｍｏは、ステンレス鋼の表面に形成され、塩化物の作用による孔食から保護する不動態酸化被膜を安定化させるのに効果的である。特定の実施例では、Ｍｏ含有量は０．１〜３．０％であり得る。これは適当量のＣｒおよびＮと組み合わせて、必要とされる耐食性をもたらすのに十分な量である。３．０％を上回るＭｏの含有量は、フェライトの割合を潜在的に有害なレベルまで増加させることによって、熱間加工性の劣化を引き起こす。Ｍｏ高含有量も、シグマ相などの有害な金属間相を形成する可能性を増加させる。加えて、Ｍｏは高価な合金化元素である。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼組成物は、最高３．０％までのＭｏを有する。本開示による特定の実施形態では、合金は意図的に添加されたＭｏを含まない。別の実施形態では、Ｍｏ含有量は、０．１〜１．０％であり得、または０．５〜１．０％であり得る。
【００２８】
Ｂ：最高０．０１％まで
０．０００５％まで少ないＢの添加を随意に本開示の合金に加えて、ステンレス鋼の熱間加工性および表面品質を改善し得る。しかしながら、０．０１％を超えるＢを添加すると、合金耐食性および加工性を低下させる。したがって、本開示によるオーステナイト系ステンレス鋼組成物の特定の実施形態は、最高０．０１％までのＢを含み得る。一実施形態では、Ｂ含有量は最高０．００８％までであり得、または最高０．００５％までであり得る。別の実施形態では、Ｂ含有量は、０．００１〜０．００３％であり得る。
【００２９】
Ｃｕ：最高３．０％まで
Ｃｕは、オーステナイト安定剤であり、本合金中でＮｉの一部を置換するために用いられ得る。また、Ｃｕは、還元環境下で耐食性を改善し、かつ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％を超えるＣｕを添加すると、オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を低下させることが示されている。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼組成物は、最高３．０％までのＣｕを有する。一実施形態では、Ｃｕ含有量は、最高１．０％までであり得る。別の実施形態では、Ｃｕ含有量は、０．４〜０．８％であり得る。
【００３０】
Ｗ：最高４．０％まで
Ｗは、塩化物の孔食および隙間腐食に対する耐性を改善する際に、モリブデンと同様の効果をもたらす。Ｗはまた、モリブデントの代わりに用いると、シグマ相の形成の傾向を減少させることもある。しかしながら、４％を超える添加は、合金の熱間加工性を低下させることもある。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼組成物は、最高４．０％までのＷを有する。一実施形態では、Ｗ含有量は０．０５〜０．６０％であり得る。
【００３１】
１．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦９．５
ニッケルおよびコバルトは、両方とも、フェライト形成に関してオーステナイト相を安定化させるために作用する。ＣｒおよびＭｏなどのフェライト安定化元素の存在下で、オーステナイト相を安定化させるために、少なくとも1%の（Ｎｉ＋Ｃｏ）が必要とされる。適当な耐食性を確実にするには、これを添付する必要がある。しかしながら、ＮｉおよびＣｏは、両方とも高価な元素であるので、（Ｎｉ＋Ｃｏ）含有量を９．５％未満に保つことが望ましい。一実施形態では、（Ｎｉ＋Ｃｏ）含有量は、４．０％を超えるが、７．５％未満であり得る。
【００３２】
（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋％Ｚｒ）≦１．５
ニオブ（Ｎｂ）は、Ｃと反応し、Ｎとはより少ない程度で反応して、小粒子の形成において炭化物および炭窒化物を形成する。これらの粒子は、高温使用の間に、および溶接の間に有害な炭化クロムの形成を効果的に阻止し、これによって耐食性が改善される。効果的な熱処理を用いて生成される場合、これらの粒子は、高温強度および耐クリープ性を改善することもできる。最小限の添加（７．５×％Ｃ）は、金属中に溶解して存在するすべてのＣ原子に対して１つのＮｂ原子を提供する。Ｎｂのレベルがより高いと、有益なＮを消費するので、Ｎｂ含有量を１．５％未満に保つことが望ましい。チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）を含むがこれらに限定されることはないが、安定な炭化物を形成する他の元素は、ニオブの代わりに添加されてもよい。しかしながら、そのような代替物は、Ｎｂよりもより強くＮと反応するので、溶接性の改善などの有用な効果をもたらすように制御される。本発明者らは、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、およびＺｒの重量パーセンテージの合計が、（７．５（％Ｃ））の範囲で、最高１．５％まで維持されなければならないことを決定した。つまり、（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋%Ｚｒ)≦１．５％である。特定の実施形態では、（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋%Ｚｒ）≦１．０％である。特定の好ましい実施形態では、合金は、少なくとも０．１％のＮｂを含み、かつＮｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、およびＺｒの重量パーセンテージの合計が、最高１．５％または１．０％までの（７．５（％Ｃ））の範囲にある。特定の実施形態では、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、およびＺｒは不可避的な不純物としてのみ存在する、またはできる限り低いレベルで維持される。特定の実施例では、耐食性、高温強度、耐クリープ性、および溶接性の合金の特性を最適化するために、合金のいくつかの実施形態は、少なくとも（７．５（％Ｃ））のＮｂ含有量を含み、かつＴｉ、Ｖ、Ｔａ、およびＺｒが不可避的な不純物としてのみ存在する。特定の実施形態では、Ｔｉ含有量は、０．０１％未満であり得る。また、特定の実施形態では、Ｔｉ含有量は、０．００１〜０．００５％であり得る。本発明者らは、その組み合わせが、許容できない耐クリープ性を低下させる炭窒化ニオブ沈殿物をもたらさないという点で、最高１．５％までのＮｂ含有物が、０．０５〜０．３５％の合金のＮ含有物に適合すると決定した。
【００３３】
本開示による特定の実施形態では、本発明の安定化オーステナイト系ステンレス鋼の均衡は、Ｆｅと、ＰおよびＳなどの不可避的な不純物とを含む。当業者によって理解されるように、この不可避的な不純物は、好ましくは、実際的かつ経済的に正当化できる最低レベルに保持される。
【００３４】
Ａｌなどの非常に安定な窒化物を形成する元素は、低レベルに保持されなければならない。
【００３５】
本発明の安定化されたオーステナイト系ステンレス鋼は、例えば耐孔食性指数、フェライト価、およびＭＤ３０温度を含む、それが示す特性を定量化する式で規定することもでる。
【００３６】
この耐孔食性指数（ＰＲＥＮ）は、塩化物を含む環境下で、孔食に対する合金の予想される耐性の相対的な順位付けを提供する。ＰＲＥＮが高いほど、合金の予想される耐食性は良好である。ＰＲＥＮは、以下の式で算出されることができる：
ＰＲＥＮ＝％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ）＋１６（％Ｎ）。
【００３７】
あるいは、１．６５（％Ｗ）の因数を上記の式に加えて、合金中のタングステンの存在を考慮に入れることができる。タングステンは、ステンレス鋼の耐孔食性を改善し、モリブデンの約半分の重量で効果的である。タングステンを計算に含む場合、その耐孔食性指数をＰＲＥＷとして表す。これは以下の式によって算出される：
ＰＲＥＷ＝％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ）＋１．６５（％Ｗ）＋１６（％Ｎ）。
【００３８】
本発明の合金は、１８を超えるＰＲＥＮ値を有する。特定の実施形態では、ＰＲＥＮ値は、１８〜２４であり得る。特定の実施形態では、ＰＲＥＮ値は、１８〜２２であり得る。特定の実施形態では、ＰＲＥＮ値は、２０〜２２であり得る。
【００３９】
本発明の合金はまた、そのフェライト値によって規定され得る。正のフェライト値は、通常、フェライトの存在に相関し、合金の固化特性を改善して、熱間加工および溶接作業の間に合金の高温割れを抑制するのに役立つ。このように、少量のフェライトは、良好な鋳造性のため、および溶接の間の高温割れの防止のために最初の固化微細構造で所望される。一方、フェライトが多すぎると、これらに限定されるものではないが、微細構造の不安定性、限定される延性、および高温機械特性の低下を含む使用中の問題が生じ得る。フェライト値は、以下の式を用いて算出されることができる：
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、最高１２までのフェライト値を有し、好ましくは正の値である。本開示による特定の実施形態では、フェライト値は０〜１０を超え得る、または１〜４であり得る。
【００４０】
合金のＭＤ３０温度は、冷間変形の３０％が、５０％のオーステナイトのマルテンサイトへの変態をもたらす温度として規定される。ＭＤ３０温度が低いほど、材料はマルテンサイト形成に対して耐性がある。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もたらし、特に絞り用途において良好な成形性をもたらす。ＭＤ３０は、以下の式によって算出される：
ＭＤ３０（Ｃ）＝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、３４℃未満、好ましくは１０℃未満のＭＤ３０温度を有する。特定の実施形態では、ＭＤ３０温度は−１０℃未満であり得る。特定の実施形態では、ＭＤ３０温度は、−２０℃未満であり得る。
実施例
【実施例１】
【００４１】
表１は、実験合金１〜５および比較合金Ｓ３１６００、Ｓ３１６３５、Ｓ２１６００、およびＳ２０１００の組成物および算出したパラメータ値を含む。
【００４２】
実験合金１〜５を、実験室サイズの真空炉で溶融して、５０−ｌｂ（２２．６８ｋｇ）イゴットに流し込んだ。これらのインゴットを再加熱し、次いで熱間圧延して、厚さ約０．２５０”の材料を作製した。この材料を焼きなまし、ブラストし、次いで酸洗いした。その材料の一部を０．１００”の厚さに冷間圧延し、次いで残りを厚さ０．０５０”または０．０４０”に冷間圧延した。冷却した圧延材料を焼きなまして酸洗いした。試験の実施時には、比較合金Ｓ３１６００、Ｓ３１６３５、Ｓ２１６００、およびＳ２０１００は市販されており、これらの合金のために示したデータは、公開された文献から取得し、または商業販売用に製造された材料を試験して測定した。
【００４３】
各合金のための算出したＰＲＥＷ値を表１に示す。本明細書の上で考察した式を用いると、２４．０を超えるＰＲＥＷを有する合金は、塩化物孔に対して、比較合金Ｓ３１６３５材料よりも良好な耐性を有すると予想されるが、より低いＰＲＥＷを有する合金は、より容易に孔が開くだろう。
【００４４】
表１の各合金のためのフェライト値も算出した。実験合金１〜５のそれぞれのフェライト値は、１０未満の範囲にある。
【００４５】
ＭＤ３０値も、表１の合金のために算出した。計算によると、実験合金１〜５、特に実験合金４および５は、マルテンサイト形成に対して、比較合金Ｓ３１６００およびＳ３１６３５と同様の耐性を示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１はまた、原材料費指数（ＲＭＣＩ）を示し、各合金の原材料費を比較合金Ｓ３１６３5のそれと比較する。ＲＭＣＩは、原材料であるＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、およびＣｏの２００７年１０月の平均価格に、その合金に含まれる各元素のパーセントを掛けて、比較合金Ｓ３１６３５中の各原材料費で割ることで算出した。算出した値が示すように、実験合金１〜５のそれぞれのＲＭＣＩは、０．６５未満である。これは、それに含まれる原材料のコストが、２００７年１０月の原価価格に基づく比較合金Ｓ３１６３５の原材料費の６５％未満であることを意味する。比較合金Ｓ３１６３５と同様の特性を有する材料をかなり低い原材料費で作ることができることは、驚くべきことであり、先行技術からは予想されなかった。
【００４８】
実験合金１〜５の機械的特性を測定して、比較合金Ｓ３１６００、Ｓ３１６３５、Ｓ２１６００，およびＳ２０１００の機械的特性と比較した。測定した降伏力、引張り強度、２インチゲージ長に対する伸び率、およびオルゼンカップ高を表１に示す。引張り試験を０．１００”ゲージ材料で行い、シャルピー試験を０．１９７”の厚さの試料で行った。オルゼンカップ試験を厚さが０．０４０と０．０５０インチの間の材料で行った。すべての試験を室温で行った。表１のデータの単位は次のとおりである：降伏力および引張り強度、ｋｓｉ；伸び率、パーセント；オルゼンカップ高、インチ。これらのデータに見られるように、実験合金１〜５、特に実験合金４および５は、Ｓ３１６３５材料のそれと同程度の特性を示した。しかしながら、実験合金１〜５は、比較合金Ｓ３１６３５でのニッケル濃度の半分以下と、かなり少ないモリブデンとを含んでいた。高価な合金化元素であるニッケルおよびモリブデンの濃度がかなり低いために、実験合金４および５のＲＭＣＩは、比較合金Ｓ３１６３５の場合より少なくとも４０％少ない。しかしながら、ニッケルおよびモリブデンのレベルは大幅に減少したにもかかわらず、実験合金４および５は、オーステナイト微細構造を有し、かつ比較合金Ｓ３１６３５のそれよりも著しく良好な降伏力および引張り強度を示した。
【実施例２】
【００４９】
表２は、実験合金６〜１０および比較合金Ｓ３２１００と２１６Ｃｂ型の組成物ならびに算出したパラメータ値を含む。表２に示すように、実験合金６〜１０は、比較合金Ｓ３２１００と比較すると、レベルがおおむね増加したＭｎ、Ｎ、およびＮｂ、ならびにレベルが減少したＮｉを含む。また、実験合金６〜１０は、比較合金Ｔ２１６Ｃｂおよび実験合金１〜５と比較すると、レベルが低下したＭｏを含む。
【００５０】
実験合金６〜１０を、実験室サイズの真空炉で溶融して、５０−ｌｂイゴットに流し込んだ。これらのインゴットを再加熱し、次いで熱間圧延して、厚さ約０．２５０”の材料を作製した。この材料を焼きなまし、ブラストし、次いで酸洗いした。その材料の一部を０．１００”の厚さに冷間圧延し、次いで残りを厚さ０．０５０”または０．０４０”に冷間圧延した。冷却した圧延材料を焼きなまして酸洗いした。比較合金Ｓ３２１００は市販されており、この合金のために示したデータは、公開された文献から取得し、または商業販売用に最近製造された材料を試験して測定した。比較合金Ｔ２１６Ｃｂは、米国特許公開第２００９−０１６２２３７ Ａ１号（米国特許出願第１２／０３４，１８３号）に記述されており、この合金のために示したデータは、その記載に従って作製された材料を試験して測定したか、または公開された文献から取得した。
【００５１】
各合金のための算出したＰＲＥＮ値を表２に示す。本明細書の上で考察した式を用いて、１８を超えるＰＲＥＮを有する合金は、塩化物孔に対して、比較合金Ｓ３２１００材料よりも良好な耐性を有すると予想されるが、２４よりも低いＰＲＥＮを有する合金は、比較合金Ｔ２１６Ｃｂの材料よりも容易に孔が開くと予想される。実験合金６〜１０のそれぞれのＰＲＥＮ値は、１８〜２４の好ましい範囲にある。
【００５２】
表２の各合金のためのフェライト値も算出した。実験合金６〜１０のそれぞれのフェライト値は、１２未満の好ましい範囲にある。計算によれば、実験合金８〜１０は、比較合金Ｓ３２１００と比較すると、成形性が改善されている。
【００５３】
表２の合金に対してＭＤ３０値も算出した。計算によれば、実験合金６〜１０、特に実験合金３および５は、比較合金Ｓ３２１００と比較すると、マルテンサイト形成に対して耐性が改善されている。
【００５４】
【表２】
【００５５】
表２はまた、原材料費指数（ＲＭＣＩ）を示し、各合金の原材料費を比較合金Ｓ３２１００のそれと比較する。ＲＭＣＩは、原材料であるＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、およびＴｉの２００９年１０月の平均価格に、その合金に含まれる各元素のパーセントを掛けて、比較合金Ｓ３２１００中の各原材料費で割ることで算出した。算出した値が示すように、実験合金６〜１０は０．７３未満またはそれと同等のＲＭＣＩを有する。これは、それに含まれる原材料のコストが、比較合金Ｓ３２１００の原材料費の７３％未満またはそれと同等であることを意味する。比較合金Ｓ３２１００の適切な代替物である材料をかなり低い原材料費で作ることができることは、驚くべきことであり、かつ予想外であった。
【００５６】
実験合金６〜１０の機械的特性を測定して、比較合金Ｓ３２１００およびＴ２１６Ｃｂと比較した。測定した降伏力、引張り強度、および２インチゲージ長に対する伸び率を表２に示す。引張り試験を０．１００”ゲージ材料で行った。すべての試験を室温で行った。
表２のデータの単位は次のとおりである：降伏力および引張り強度、ｋｓｉ；伸び率、パーセント。これらのデータに見られるように、ニッケルのレベルは大幅に減少したにもかかわらず、実験合金６〜１０は、比較合金Ｓ３２１００のそれよりも著しく良好な降伏力および引張り強度を示した。比較合金Ｓ３２１００と比較すると、降伏力の増加量は、驚くほどであり、先行技術からは予想されなかった。また実験合金含まれたＭｏは、比較合金T216Cbにおけるよりも著しく少なかった。高価な合金化元素であるＮｉおよびＭｏの濃度がかなり低いために、実験合金９および１０のＲＭＣＩは、比較合金Ｓ３２１００の場合よりも少なくとも３２％少ない。
【００５７】
これらの新しい合金の潜在的な用途は、非常に多い。上に記述しかつ証明したように、本明細書に記述するオーステナイト系ステンレス鋼組成物は、多くの用途でＳ３２１００を置換することができる。さらに、Ｎｉの高いコストのため、Ｓ３２１００から本発明の合金組成物に切り替えることによって、著しい費用節減が認識されることになる。別の利点は、これらの合金が完全にオーステナイトであり、氷点下の温度での急激な延性−脆性遷移（ＤＢＴ）、または高温での８８５ｏＦ（４７４℃）の脆化のいずれの影響も受けにくいことである。したがって、２相合金とは異なり、本発明の合金を６５０ｏＦ（３４３℃）を上回る温度で用いることが可能であり、低温度および極低温用途用の主要な候補材料になる。本開示による本合金が特に有利である製造の具体的な物品としては、例えば、自動車の排気および他の用途用のフレキシブルコネクタ、ベローズ、フレキシブルパイプ、ならびに煙突／送管の内管類が挙げられる。当業者は、従来の製造技術を用いて、本開示による合金からさまざまな製造物品を容易に製造し得る。
【００５８】
前述の記載は限定された数の実施態様のみを必然的に示したが、当業者は、本明細書に記載され、説明された装置および方法、ならびに実施例のその他の詳細における種々の変化が当業者によってなされ得ることを認識するであろう。また、かかる変更のすべては、本明細書、および添付の特許請求の範囲に表現された本開示の原理および範囲にある。したがって、本発明は本明細書に開示される、または組み入れられている特定の実施態様に限定されることなく、特許請求の範囲によって定義されている本発明の原理および範囲の変更を網羅することを意図すると理解される。また、当業者は、本発明の広範な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もたらし得ることを認識するであろう。
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国合衆国法典第３５編第１２０条に基づき、２００８年２月２０日提出の米国特許出願第１２／０３４，１８３号の一部継続出願として優先権を主張する。
【０００２】
技術分野
本開示は、オーステナイト系ステンレス鋼に関する。特に、本開示は、とりわけ、付随的なレベルを超えないＭｏ、低レベルのＮｉ、高降伏力、および例えばＴ−３２１合金（ＵＮＳ Ｓ３２１００）などの特定の高レベルＮｉのオーステナイト系合金と比べて、少なくとも同程度の耐食性および高温度特性を含む、対費用効果の高い、安定したオーステナイト系ステンレス鋼組成物に関する。
【背景技術】
【０００３】
オーステナイト系ステンレス鋼は非常に望ましい特性の組み合わせを示し、そのために、多岐にわたる産業用途で有用となる。これらの鋼は、Ｎｉ、Ｍｎ、およびＮなどの、オーステナイトを促進かつ安定化する元素を添加することによって均衡が保たれている鉄の基本組成を有し、耐食性を向上させる、ＣｒおよびＭｏなどの、フェライトを促進する元素の添加によって、室温でオーステナイト構造を維持しつつ、作られることを可能にする。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、延性、および成形性を鋼にもたらす。
【０００４】
オーステナイト系ステンレス鋼の具体的な一例としては、ＡＩＳＩ型３１６ステンレス鋼（ＵＮＳ Ｓ３１６００）があり、１６〜１８％のＣｒ、１０〜１４％のＮｉ、および２〜３％のＭｏを含む合金である。この合金の合金化成分の範囲は、安定なオーステナイト構造を維持するために指定された範囲内に維持されている。当業者には理解されように、例えば、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、およびＮの含有量は、オーステナイト構造の安定性に寄与する。しかしながら、ＮｉおよびＭｏの価格上昇のために、高い耐食性および良好な成形性を依然として示し、対費用効果の良い、Ｓ３１６００の代替物の必要性が生じている。
【０００５】
別の代替合金は、グレード２１６（ＵＮＳ Ｓ２１６００）であり、これは米国特許第３，１７１，７３８号に記述されている。Ｓ２１６００は１７．５〜２２％のＣｒ、５〜７％のＮｉ、７．５〜９％のＭｎ、および２〜３％のＭｏを含む。Ｓ２１６００は、Ｓ３１６００を低Ｎｉ、高Ｍｎにした変化形態であるのだが、Ｓ２１６００の強度および耐食性の特性はＳ１６００のそれよりもかなり高い。しかしながら、２相合金と同様に、Ｓ２１６００の成形性は、Ｓ３１６００のそれほど良好ではない。また、Ｓ２１６００は、Ｓ３１６００と同量のＭｏを含んでいるので、Ｍｏの費用節減はない。
【０００６】
高温での使用を主に目的とするＳ３１６００の変形も存在する。この合金は、３１６Ｔｉ型（ＵＮＳ Ｓ３１６３５）と命名されている。Ｓ３１６００とＳ３１６３５との明らかな違いは、鋼中に存在するＣおよびＮの量の均衡を保つよう添加された少量のチタンの存在である。結果として生じる鋼、すなわちＳ３１６３５は、高温での炭化クロムの有害な形成と、溶接の間の鋭敏化として知られている現象とが低い傾向にある。そのような添加によって、一次および二次の炭化物の形成の効果を強化するために、高温特性を向上させることができる。Ｓ３１６３５においてＴｉの指定された範囲は、以下の式によって与えられる：
［５×（％Ｃ＋％Ｎ）］≦Ｔｉ≦０．７０％。
しかしながら、Ｓ３１６３５は高価な原料を使用する。
【０００７】
オーステナイト系ステンレス鋼の別の例は、３２１型ステンレス鋼（ＵＮＳ Ｓ３２１００）であり、この型は、重量パーセントで、１７．００〜１９．００％のＣｒ、９．００〜１２．００％のＮｉ、最高２．００％までのＭｎ、最高０．０８％までのＣ、最高０．７５％までのＳｉ、［５×（％Ｃ＋％Ｎ）］≦Ｔｉ≦０．７０％、最高０．０４５％までのＰ、最高０．０３０％までのＳ、最高０．１０％までのＮ、および残部のＦｅを含む。３２１型合金は、該鋼中に存在するＣおよびＮの量に対して均衡を保つチタンを添加することによって炭化クロムに対して安定化されている。３２１型合金は、意図的な添加されるＭｏを含まないが、高価な合金化元素をかなりのレベルで含む。
【０００８】
合金の別の例としては、２０１型鋼（ＵＮＳ Ｓ２０１００）および同様のグレードで実施されているような、ＮｉをＭｎと置換して、オーステナイト構造を維持している多数のステンレス鋼が挙げられる。しかしながら、３２１型合金などの比較的高合金のオーステナイト系ステンレス鋼に対して、耐食性があり低価格で、かつ３２１型合金と少なくとも同程度の強度および硬度をもたらす代替物の必要性が依然として残っている。
【発明の概要】
【０００９】
したがって、本開示による合金は、現在市場で入手できない解決策を提供する。該合金は、安定化されたオーステナイト系ステンレス鋼合金組成物であり、３２１型オーステナイト系ステンレス鋼と比べて少なくとも同程度の耐食性、強度、および硬度の特性を示しつつ、３２１型合金と比べてかなり原材料費節減をもたらす。したがって、本合金は、耐食性および高温の特性を改善するために炭化物形成元素を制御されたレベルで含む、安定化されたオーステナイト系ステンレス鋼である。本合金はまた、高Ｎｉ合金の特性と少なくとも同じような特定の特性を示すが、かなり低原材料費で提供するのに十分なＭｎ、Ｃｕ、およびＮのレベルを組み合わせて含む。
【００１０】
本開示による合金は、より高価なＮｉ元素の代わりにＭｎ、Ｃｕ、およびＮの組み合わせを用いるオーステナイト系ステンレス鋼である。その結果は、例えば、３２１型と比べて、低費用で、かつ少なくとも同程度の成形性、耐食性、および高温強度の特性を有する合金である。本開示による合金の実施形態は、軽量に製造され、かつ成形性を向上させるために比較的微粒子によるクリーンな微細構造を含み得る。
【００１１】
本開示による合金の一実施形態は、重量パーセントで、最高０．２０までの炭素（Ｃ）、２．０〜９．０のマンガン（Ｍｎ）、最高２．０までのケイ素（Ｓ）、１５．０〜２３．０のクロム（Ｃｒ）、１．０〜９．５ニッケル（Ｎｉ）、最高３．０までのモリブデン（Ｍｏ）、最高３．０までの銅（Ｃｕ）、０．０５〜０．３５の窒素（Ｎ）、（７．５（％Ｃ））≦（％ニオブ＋％チタン＋％バナジウム＋％タンタル＋％ジルコニウム）≦１．５、鉄（Ｆｅ）、および不可避的な不純物を含むオーステナイト系ステンレス鋼に関する。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、最高０．０１％までのホウ素（Ｂ）を含み得る。特定の実施形態は、少なくとも０．１％のニオブを含み得る、または少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含み得る。
【００１２】
本開示による別の実施形態は、重量パーセントで、最高０．１０までのＣ、２．０〜８．０のＭｎ、最高１．００までのＳｉ、１６．０〜２２．０のＣｒ、１．０〜７．０のＮｉ、０．１０〜２．０のＭｏ、最高１．００までのＣｕ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％ニオブ＋％チタン＋％バナジウム＋％タンタル＋％ジルコニウム）≦１．５、最高０．０４０までのリン酸（Ｐ）、最高０．０３０までの硫黄（Ｓ）、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含むオーステナイト系ステンレス鋼に関する。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、最高０．０１％までのＢを含み得る。特定の実施形態は、少なくとも０．１％のニオブを含み得る、または少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含み得る。
【００１３】
本開示による代替実施形態は、重量パーセントで、最高０．０８までのＣ、３．５〜６．５のＭｎ、最高１．００までのＳｉ、１７．０〜２１．０のＣｒ、３．０〜６．０のＮｉ、０．１〜１．０のＭｏ、最高１．０までのＣｕ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％ニオブ＋％チタン＋％バナジウム＋％タンタル＋％ジルコニウム）≦１．０、最高０．０３５までのＰ、最高０．００５までのＳ、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含むオーステナイト系ステンレス鋼に関する。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、最高０．０１％までのＢを含み得る。特定の実施形態は、少なくとも０．１％のニオブを含み得る、または少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含み得る。
【００１４】
特定の実施例では、本開示によるオーステナイト系ステンレス鋼は、１８を超えるＰＲＥＮ値、１２未満のフェライト値、および３４℃未満のＭＤ３０値のうちの１つまたは複数を有する。
【００１５】
本開示によるオーステナイト系ステンレス鋼を製造する１つの方法は、電気アーク炉中で投入量を溶解し、ＡＯＤ中で精製し、インゴットまたは連続鋳造スラブに鋳造し、該インゴットまたはスラブを再加熱し、熱間圧延してプレートまたはコイルを製造し、コイルを冷間圧延して特定の厚みにして、該材料を焼きなまして酸洗いすることによる。本発明の材料を製造する別の方法は、減圧中または特有の雰囲気下での溶解および／または再溶解すること、形状に鋳造すること、またはスラブもしくは形状に固定される粉体の製造を含み、用いられてもよい。
【００１６】
本開示によるオーステナイト系ステンレス鋼は、多数の用途で用いられ得る。一例によると、本開示の合金は、低温また極低温の環境での使用に適合した製造物品に含まれ得る。本合金から製造され得るまたは本合金を含み得る製造物品のさらなる非限定例としては、自動車および他の用途用のフレキシブルコネクタ、ベローズ、フレキシブルパイプ、煙突内管類、および送管内管類がある。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本記載では、動作例におけるものを除き、または別段の指示がない限り、成分および生成物の数量または特性、処理条件などを表すすべての数は、すべての場合において用語「約」によって修飾されていると理解されるべきである。したがって、特にそれとは反対の指示がない限り、以下の説明に記述するいかなる数値パラメータも、本開示による生成物および方法において得ようとする所望の特性に依存して変化し得る近似値である。最低限で、および特許請求の範囲の同等物の原則の適用を限定する試みとしてではなく、各数値パラメータは、報告された有効数字の数を考慮して、通常の丸め技法を適用することによって少なくとも解釈されなければならない。本明細書に記述されるすべての数の範囲は、その中で包含されるすべての部分的な範囲を含む。例えば、「１〜１０」の範囲は、１の列挙された最小値と、１０の列挙された最大値との間、およびこれらを含むすべての部分的な範囲を含むように意図される。
【００１８】
本開示によるオーステナイト系ステンレス鋼の実施形態をここで詳細に説明する。以下の説明において、「%」または「パーセント」は、特に明記しない限り、重量パーセンテージを指す。本開示は、３２１型合金と比べて、かつ原料のより低い全費用で、少なくとも同程度の耐食性、高温強度特性、および成形性を示すオーステナイト系ステンレス鋼に関する。オーステナイト系ステンレス鋼組成物は、重量パーセントで、最高０．２０までのＣ、２．０〜９．０のＭｎ、最高２．０までのＳｉ、１５．０〜２３．０のＣｒ、１．０〜９．５のＮｉ、最高３．０までのＭｏ、最高３．０までのＣｕ、０．０５〜０．３５のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％ニオブ＋％チタン＋％バナジウム＋％タンタル＋％ジルコニウム）≦１．５、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含み得る。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、最高０．０１までのＢを含み得る。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、少なくとも０．１％のニオブを含み得る、または少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含み得る。
【００１９】
本発明の別の実施形態は、重量パーセントで、最高０．１０までのＣ、２．０〜８．０のＭｎ、最高１．００までのＳｉ、１６．０〜２２．０のＣｒ、１．０〜７．０のＮｉ、０．１０〜２．０のＭｏ、最高１．００までのＣｕ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％ニオブ＋％チタン＋％バナジウム＋％タンタル＋％ジルコニウム）≦１．５、最高０．０４０までのＰ、最高０．０３０までのＳ、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含むオーステナイト系ステンレス鋼である。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、最高０．０１までのＢを含み得る。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、少なくとも０．１％のニオブを含み得る、または少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含み得る。
【００２０】
一代替実施形態によれば、本開示は、重量パーセントで、最高０．０８までのＣ、３．５〜６．５のＭｎ、最高１．００までのＳｉ、１７．０〜２１．０のＣｒ、３．０〜６．０のＮｉ、０．５〜１．０のＭｏ、最高１．０までのＣｕ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％ニオブ＋％チタン＋％バナジウム＋％タンタル＋％ジルコニウム）≦１．０、最高０．０３５までのＰ、最高０．００５までのＳ、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含み得る。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、最高０．０１までのＢを含み得る。オーステナイト系ステンレス鋼の特定の実施形態は、少なくとも０．１％のニオブを含み得る、または少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含み得る。
【００２１】
Ｃ：最高０．２０％まで
Ｃはオーステナイト相を安定化するように作用し、変形により誘起されるマルテンサイト変態を阻止する。しかしながら、Ｃはまた、特に溶接の間、炭化クロムを形成する確率を高め、これによって耐食性および靭性を低下させる。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は最高０．２０％までのＣを有する。本発明の一実施形態では、Ｃの含有量は、０．１０％以下であり得る。あるいは、Ｃの含有量は、０．０８％以下、０．０３％以下、または０．０２％以下であり得る。
【００２２】
Ｓｉ：最高２．０％まで
２％を超えるＳｉを有すると、シグマなどの脆化相の形成を促進して、合金中のＮの溶解度を低下させる。Ｓｉもフェライト相を安定化させる。２％を超えるＳｉは、オーステナイト相を維持するために、さらなるオーステナイト安定剤を必要とする。したがって、特定の実施形態では、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、最高２．０％までのＳｉを有する。本発明の一実施形態では、Ｓｉ含有量は１．０％以下であり得る。Ｓｉはニオブとともに特定の合金化元素の反応性を最小化するのに役立ち、かつ合金中の相均衡を補助する。本開示による特定の実施形態では、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って均衡を保たれる。別の実施形態では、Ｓｉ添加の効果は、Ｓｉ含有量を０．１〜０．４％に調節することによって均衡を保たれる。あるいは、本開示による特定の実施形態では、Ｓｉ含有量は、０．５％以下、０．４％以下、または０．３％以下であり得る。
【００２３】
Ｍｎ：２．０〜９．０％
Ｍｎはオーステナイ相を安定化させ、一般的に、有益な合金化元素であるＮの溶解度を増加させる。これらの効果を十分に生み出すために、少なくとも２．０％のＭｎ含有量が必要とされる。ＭｎおよびＮは両方とも、より高価な元素であるＮｉの効果的な代替物である。しかしながら、９．０％を超えるＭｎを有すると、材料の加工性および特定の環境でその耐食性を低下させる。また、９．０％を超えるなどの高レベルのＭｎステンレス鋼を脱炭することが困難なため、Ｍｎレベルは、該材料を製造する処理加工コストを著しく増加させる。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼において耐食性、相均衡、延性および他の機械的特性の均衡を保つために、Ｍｎレベルは、２．０〜９．０％に設定される。本開示による特定の実施形態では、Ｍｎ含有量は、２．０〜８．０％、３．５〜７．０％、または７％であり得る。
【００２４】
Ｎｉ：１．０〜９．５％
本発明者らは、許容される特性を維持しつつ、該合金のＮｉ含有量を限定しようと努力した。少なくとも１％のＮｉは、フェライトおよびマルテンサイトの両方の形成に関してオーステナイト相を安定化させるために必要とされる。Ｎｉはまた、靭性および成形性を向上させるために作用する。しかしながら、Ｎｉの比較的高いコストのため、Ｎｉ含有量をできるだけ低く保つことが望ましい。ＭｎおよびＮは、Ｎｉの部分的代替物になり得るが、高レベルのＭｎおよびＮは、許容できないレベルの加工硬化、成形性の減少をもたらすことになる。したがって、合金は許容できる成形性を提供するために最低濃度のＮｉを含まなければならない。本発明者らは、１．０〜９．５％の範囲のＮｉを他の規定された範囲の元素に添加して用いて、高Ｎｉ合金のそれと同様の、または良好な耐食性および成形性を有する合金を達成できることを見出した。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、１．０〜９．５％のＮｉを有する。一実施形態では、Ｎｉ含有量は２．０〜６．５％であり得、または３．０〜６．０％であり得る。
【００２５】
Ｃｒ：１５．０〜２３．０％
Ｃｒを添加して、不動態被膜を合金表面に形成することによってステンレス鋼に耐食性を与える。Ｃｒはまた、マルテンサイト変態に関してオーステナイト相を安定化させるよう作用する。少なくとも１５％のＣｒが、適切な耐食性をもたらすために必要とされる。一方では、Ｃｒは強力なフェライト安定剤であるので、Ｃｒ含有量が２３％を上回ると、フェライト含有量を許容できる程度に低く保つために、Ｎｉまたはコバルトなどのより高価な合金化元素を添加する必要がある。２３％を超えるＣｒを有すると、シグマなどの望ましくない相を形成する可能性が高くなる。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、１５．０〜２３．０％のＣｒを有する。一実施形態では、Ｃｒ含有量は１６．０〜２２．０％であり得、または１７．０〜２１．０％であり得る。
【００２６】
Ｎ：０．０５〜０．３５％
Ｎは、オーステナイト安定化元素Ｎｉおよび耐食性向上元素Ｍｏの部分代替物として本合金に含まれる。Ｎはまた、合金の強度を改善する。少なくとも０．０５％のＮは、強度および耐食性に必要であり、かつオーステナイト相を安定化させるために必要である。０．３５％を超えるＮを添加すると、溶解および溶接の間にＮの溶解度を上回ることもあり得、Ｎの気泡に起因する気孔をもたらす。たとえその溶解度限界を上回らない場合でも、０．３５％を超えるＮ含有量は、窒化物粒子の沈殿の傾向を増加させ、それによって耐食性および靭性が低下する。最高０．３５％までのＮ含有量は、問題のあるレベルの炭窒化ニオブ沈殿物を形成することなく、合金中のＮｂの可能なレベルと適合することを本発明者らは、決定した。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、０．０５〜０．３５％のＮを有する。一実施形態では、Ｎ含有量は、０．０８〜０．３０％であり得、またはあるいは０．０５〜０．２％であり得る。
【００２７】
Ｍｏ：最高３．０％まで
本発明者らは、許容される特性を維持しつつ、合金のＭｏ含有量を限定しようと努力した。Ｍｏは、ステンレス鋼の表面に形成され、塩化物の作用による孔食から保護する不動態酸化被膜を安定化させるのに効果的である。特定の実施例では、Ｍｏ含有量は０．１〜３．０％であり得る。これは適当量のＣｒおよびＮと組み合わせて、必要とされる耐食性をもたらすのに十分な量である。３．０％を上回るＭｏの含有量は、フェライトの割合を潜在的に有害なレベルまで増加させることによって、熱間加工性の劣化を引き起こす。Ｍｏ高含有量も、シグマ相などの有害な金属間相を形成する可能性を増加させる。加えて、Ｍｏは高価な合金化元素である。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼組成物は、最高３．０％までのＭｏを有する。本開示による特定の実施形態では、合金は意図的に添加されたＭｏを含まない。別の実施形態では、Ｍｏ含有量は、０．１〜１．０％であり得、または０．５〜１．０％であり得る。
【００２８】
Ｂ：最高０．０１％まで
０．０００５％まで少ないＢの添加を随意に本開示の合金に加えて、ステンレス鋼の熱間加工性および表面品質を改善し得る。しかしながら、０．０１％を超えるＢを添加すると、合金耐食性および加工性を低下させる。したがって、本開示によるオーステナイト系ステンレス鋼組成物の特定の実施形態は、最高０．０１％までのＢを含み得る。一実施形態では、Ｂ含有量は最高０．００８％までであり得、または最高０．００５％までであり得る。別の実施形態では、Ｂ含有量は、０．００１〜０．００３％であり得る。
【００２９】
Ｃｕ：最高３．０％まで
Ｃｕは、オーステナイト安定剤であり、本合金中でＮｉの一部を置換するために用いられ得る。また、Ｃｕは、還元環境下で耐食性を改善し、かつ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％を超えるＣｕを添加すると、オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を低下させることが示されている。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼組成物は、最高３．０％までのＣｕを有する。一実施形態では、Ｃｕ含有量は、最高１．０％までであり得る。別の実施形態では、Ｃｕ含有量は、０．４〜０．８％であり得る。
【００３０】
Ｗ：最高４．０％まで
Ｗは、塩化物の孔食および隙間腐食に対する耐性を改善する際に、モリブデンと同様の効果をもたらす。Ｗはまた、モリブデントの代わりに用いると、シグマ相の形成の傾向を減少させることもある。しかしながら、４％を超える添加は、合金の熱間加工性を低下させることもある。したがって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼組成物は、最高４．０％までのＷを有する。一実施形態では、Ｗ含有量は０．０５〜０．６０％であり得る。
【００３１】
１．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦９．５
ニッケルおよびコバルトは、両方とも、フェライト形成に関してオーステナイト相を安定化させるために作用する。ＣｒおよびＭｏなどのフェライト安定化元素の存在下で、オーステナイト相を安定化させるために、少なくとも1%の（Ｎｉ＋Ｃｏ）が必要とされる。適当な耐食性を確実にするには、これを添付する必要がある。しかしながら、ＮｉおよびＣｏは、両方とも高価な元素であるので、（Ｎｉ＋Ｃｏ）含有量を９．５％未満に保つことが望ましい。一実施形態では、（Ｎｉ＋Ｃｏ）含有量は、４．０％を超えるが、７．５％未満であり得る。
【００３２】
（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋％Ｚｒ）≦１．５
ニオブ（Ｎｂ）は、Ｃと反応し、Ｎとはより少ない程度で反応して、小粒子の形成において炭化物および炭窒化物を形成する。これらの粒子は、高温使用の間に、および溶接の間に有害な炭化クロムの形成を効果的に阻止し、これによって耐食性が改善される。効果的な熱処理を用いて生成される場合、これらの粒子は、高温強度および耐クリープ性を改善することもできる。最小限の添加（７．５×％Ｃ）は、金属中に溶解して存在するすべてのＣ原子に対して１つのＮｂ原子を提供する。Ｎｂのレベルがより高いと、有益なＮを消費するので、Ｎｂ含有量を１．５％未満に保つことが望ましい。チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）を含むがこれらに限定されることはないが、安定な炭化物を形成する他の元素は、ニオブの代わりに添加されてもよい。しかしながら、そのような代替物は、Ｎｂよりもより強くＮと反応するので、溶接性の改善などの有用な効果をもたらすように制御される。本発明者らは、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、およびＺｒの重量パーセンテージの合計が、（７．５（％Ｃ））の範囲で、最高１．５％まで維持されなければならないことを決定した。つまり、（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋%Ｚｒ)≦１．５％である。特定の実施形態では、（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋%Ｚｒ）≦１．０％である。特定の好ましい実施形態では、合金は、少なくとも０．１％のＮｂを含み、かつＮｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、およびＺｒの重量パーセンテージの合計が、最高１．５％または１．０％までの（７．５（％Ｃ））の範囲にある。特定の実施形態では、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、およびＺｒは不可避的な不純物としてのみ存在する、またはできる限り低いレベルで維持される。特定の実施例では、耐食性、高温強度、耐クリープ性、および溶接性の合金の特性を最適化するために、合金のいくつかの実施形態は、少なくとも（７．５（％Ｃ））のＮｂ含有量を含み、かつＴｉ、Ｖ、Ｔａ、およびＺｒが不可避的な不純物としてのみ存在する。特定の実施形態では、Ｔｉ含有量は、０．０１％未満であり得る。また、特定の実施形態では、Ｔｉ含有量は、０．００１〜０．００５％であり得る。本発明者らは、その組み合わせが、許容できない耐クリープ性を低下させる炭窒化ニオブ沈殿物をもたらさないという点で、最高１．５％までのＮｂ含有物が、０．０５〜０．３５％の合金のＮ含有物に適合すると決定した。
【００３３】
本開示による特定の実施形態では、本発明の安定化オーステナイト系ステンレス鋼の均衡は、Ｆｅと、ＰおよびＳなどの不可避的な不純物とを含む。当業者によって理解されるように、この不可避的な不純物は、好ましくは、実際的かつ経済的に正当化できる最低レベルに保持される。
【００３４】
Ａｌなどの非常に安定な窒化物を形成する元素は、低レベルに保持されなければならない。
【００３５】
本発明の安定化されたオーステナイト系ステンレス鋼は、例えば耐孔食性指数、フェライト価、およびＭＤ３０温度を含む、それが示す特性を定量化する式で規定することもでる。
【００３６】
この耐孔食性指数（ＰＲＥＮ）は、塩化物を含む環境下で、孔食に対する合金の予想される耐性の相対的な順位付けを提供する。ＰＲＥＮが高いほど、合金の予想される耐食性は良好である。ＰＲＥＮは、以下の式で算出されることができる：
ＰＲＥＮ＝％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ）＋１６（％Ｎ）。
【００３７】
あるいは、１．６５（％Ｗ）の因数を上記の式に加えて、合金中のタングステンの存在を考慮に入れることができる。タングステンは、ステンレス鋼の耐孔食性を改善し、モリブデンの約半分の重量で効果的である。タングステンを計算に含む場合、その耐孔食性指数をＰＲＥＷとして表す。これは以下の式によって算出される：
ＰＲＥＷ＝％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ）＋１．６５（％Ｗ）＋１６（％Ｎ）。
【００３８】
本発明の合金は、１８を超えるＰＲＥＮ値を有する。特定の実施形態では、ＰＲＥＮ値は、１８〜２４であり得る。特定の実施形態では、ＰＲＥＮ値は、１８〜２２であり得る。特定の実施形態では、ＰＲＥＮ値は、２０〜２２であり得る。
【００３９】
本発明の合金はまた、そのフェライト値によって規定され得る。正のフェライト値は、通常、フェライトの存在に相関し、合金の固化特性を改善して、熱間加工および溶接作業の間に合金の高温割れを抑制するのに役立つ。このように、少量のフェライトは、良好な鋳造性のため、および溶接の間の高温割れの防止のために最初の固化微細構造で所望される。一方、フェライトが多すぎると、これらに限定されるものではないが、微細構造の不安定性、限定される延性、および高温機械特性の低下を含む使用中の問題が生じ得る。フェライト値は、以下の式を用いて算出されることができる：
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、最高１２までのフェライト値を有し、好ましくは正の値である。本開示による特定の実施形態では、フェライト値は０〜１０を超え得る、または１〜４であり得る。
【００４０】
合金のＭＤ３０温度は、冷間変形の３０％が、５０％のオーステナイトのマルテンサイトへの変態をもたらす温度として規定される。ＭＤ３０温度が低いほど、材料はマルテンサイト形成に対して耐性がある。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もたらし、特に絞り用途において良好な成形性をもたらす。ＭＤ３０は、以下の式によって算出される：
ＭＤ３０（Ｃ）＝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、３４℃未満、好ましくは１０℃未満のＭＤ３０温度を有する。特定の実施形態では、ＭＤ３０温度は−１０℃未満であり得る。特定の実施形態では、ＭＤ３０温度は、−２０℃未満であり得る。
実施例
【実施例１】
【００４１】
表１は、実験合金１〜５および比較合金Ｓ３１６００、Ｓ３１６３５、Ｓ２１６００、およびＳ２０１００の組成物および算出したパラメータ値を含む。
【００４２】
実験合金１〜５を、実験室サイズの真空炉で溶融して、５０−ｌｂ（２２．６８ｋｇ）イゴットに流し込んだ。これらのインゴットを再加熱し、次いで熱間圧延して、厚さ約０．２５０”の材料を作製した。この材料を焼きなまし、ブラストし、次いで酸洗いした。その材料の一部を０．１００”の厚さに冷間圧延し、次いで残りを厚さ０．０５０”または０．０４０”に冷間圧延した。冷却した圧延材料を焼きなまして酸洗いした。試験の実施時には、比較合金Ｓ３１６００、Ｓ３１６３５、Ｓ２１６００、およびＳ２０１００は市販されており、これらの合金のために示したデータは、公開された文献から取得し、または商業販売用に製造された材料を試験して測定した。
【００４３】
各合金のための算出したＰＲＥＷ値を表１に示す。本明細書の上で考察した式を用いると、２４．０を超えるＰＲＥＷを有する合金は、塩化物孔に対して、比較合金Ｓ３１６３５材料よりも良好な耐性を有すると予想されるが、より低いＰＲＥＷを有する合金は、より容易に孔が開くだろう。
【００４４】
表１の各合金のためのフェライト値も算出した。実験合金１〜５のそれぞれのフェライト値は、１０未満の範囲にある。
【００４５】
ＭＤ３０値も、表１の合金のために算出した。計算によると、実験合金１〜５、特に実験合金４および５は、マルテンサイト形成に対して、比較合金Ｓ３１６００およびＳ３１６３５と同様の耐性を示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１はまた、原材料費指数（ＲＭＣＩ）を示し、各合金の原材料費を比較合金Ｓ３１６３5のそれと比較する。ＲＭＣＩは、原材料であるＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、およびＣｏの２００７年１０月の平均価格に、その合金に含まれる各元素のパーセントを掛けて、比較合金Ｓ３１６３５中の各原材料費で割ることで算出した。算出した値が示すように、実験合金１〜５のそれぞれのＲＭＣＩは、０．６５未満である。これは、それに含まれる原材料のコストが、２００７年１０月の原価価格に基づく比較合金Ｓ３１６３５の原材料費の６５％未満であることを意味する。比較合金Ｓ３１６３５と同様の特性を有する材料をかなり低い原材料費で作ることができることは、驚くべきことであり、先行技術からは予想されなかった。
【００４８】
実験合金１〜５の機械的特性を測定して、比較合金Ｓ３１６００、Ｓ３１６３５、Ｓ２１６００，およびＳ２０１００の機械的特性と比較した。測定した降伏力、引張り強度、２インチゲージ長に対する伸び率、およびオルゼンカップ高を表１に示す。引張り試験を０．１００”ゲージ材料で行い、シャルピー試験を０．１９７”の厚さの試料で行った。オルゼンカップ試験を厚さが０．０４０と０．０５０インチの間の材料で行った。すべての試験を室温で行った。表１のデータの単位は次のとおりである：降伏力および引張り強度、ｋｓｉ；伸び率、パーセント；オルゼンカップ高、インチ。これらのデータに見られるように、実験合金１〜５、特に実験合金４および５は、Ｓ３１６３５材料のそれと同程度の特性を示した。しかしながら、実験合金１〜５は、比較合金Ｓ３１６３５でのニッケル濃度の半分以下と、かなり少ないモリブデンとを含んでいた。高価な合金化元素であるニッケルおよびモリブデンの濃度がかなり低いために、実験合金４および５のＲＭＣＩは、比較合金Ｓ３１６３５の場合より少なくとも４０％少ない。しかしながら、ニッケルおよびモリブデンのレベルは大幅に減少したにもかかわらず、実験合金４および５は、オーステナイト微細構造を有し、かつ比較合金Ｓ３１６３５のそれよりも著しく良好な降伏力および引張り強度を示した。
【実施例２】
【００４９】
表２は、実験合金６〜１０および比較合金Ｓ３２１００と２１６Ｃｂ型の組成物ならびに算出したパラメータ値を含む。表２に示すように、実験合金６〜１０は、比較合金Ｓ３２１００と比較すると、レベルがおおむね増加したＭｎ、Ｎ、およびＮｂ、ならびにレベルが減少したＮｉを含む。また、実験合金６〜１０は、比較合金Ｔ２１６Ｃｂおよび実験合金１〜５と比較すると、レベルが低下したＭｏを含む。
【００５０】
実験合金６〜１０を、実験室サイズの真空炉で溶融して、５０−ｌｂイゴットに流し込んだ。これらのインゴットを再加熱し、次いで熱間圧延して、厚さ約０．２５０”の材料を作製した。この材料を焼きなまし、ブラストし、次いで酸洗いした。その材料の一部を０．１００”の厚さに冷間圧延し、次いで残りを厚さ０．０５０”または０．０４０”に冷間圧延した。冷却した圧延材料を焼きなまして酸洗いした。比較合金Ｓ３２１００は市販されており、この合金のために示したデータは、公開された文献から取得し、または商業販売用に最近製造された材料を試験して測定した。比較合金Ｔ２１６Ｃｂは、米国特許公開第２００９−０１６２２３７ Ａ１号（米国特許出願第１２／０３４，１８３号）に記述されており、この合金のために示したデータは、その記載に従って作製された材料を試験して測定したか、または公開された文献から取得した。
【００５１】
各合金のための算出したＰＲＥＮ値を表２に示す。本明細書の上で考察した式を用いて、１８を超えるＰＲＥＮを有する合金は、塩化物孔に対して、比較合金Ｓ３２１００材料よりも良好な耐性を有すると予想されるが、２４よりも低いＰＲＥＮを有する合金は、比較合金Ｔ２１６Ｃｂの材料よりも容易に孔が開くと予想される。実験合金６〜１０のそれぞれのＰＲＥＮ値は、１８〜２４の好ましい範囲にある。
【００５２】
表２の各合金のためのフェライト値も算出した。実験合金６〜１０のそれぞれのフェライト値は、１２未満の好ましい範囲にある。計算によれば、実験合金８〜１０は、比較合金Ｓ３２１００と比較すると、成形性が改善されている。
【００５３】
表２の合金に対してＭＤ３０値も算出した。計算によれば、実験合金６〜１０、特に実験合金３および５は、比較合金Ｓ３２１００と比較すると、マルテンサイト形成に対して耐性が改善されている。
【００５４】
【表２】
【００５５】
表２はまた、原材料費指数（ＲＭＣＩ）を示し、各合金の原材料費を比較合金Ｓ３２１００のそれと比較する。ＲＭＣＩは、原材料であるＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、およびＴｉの２００９年１０月の平均価格に、その合金に含まれる各元素のパーセントを掛けて、比較合金Ｓ３２１００中の各原材料費で割ることで算出した。算出した値が示すように、実験合金６〜１０は０．７３未満またはそれと同等のＲＭＣＩを有する。これは、それに含まれる原材料のコストが、比較合金Ｓ３２１００の原材料費の７３％未満またはそれと同等であることを意味する。比較合金Ｓ３２１００の適切な代替物である材料をかなり低い原材料費で作ることができることは、驚くべきことであり、かつ予想外であった。
【００５６】
実験合金６〜１０の機械的特性を測定して、比較合金Ｓ３２１００およびＴ２１６Ｃｂと比較した。測定した降伏力、引張り強度、および２インチゲージ長に対する伸び率を表２に示す。引張り試験を０．１００”ゲージ材料で行った。すべての試験を室温で行った。
表２のデータの単位は次のとおりである：降伏力および引張り強度、ｋｓｉ；伸び率、パーセント。これらのデータに見られるように、ニッケルのレベルは大幅に減少したにもかかわらず、実験合金６〜１０は、比較合金Ｓ３２１００のそれよりも著しく良好な降伏力および引張り強度を示した。比較合金Ｓ３２１００と比較すると、降伏力の増加量は、驚くほどであり、先行技術からは予想されなかった。また実験合金含まれたＭｏは、比較合金T216Cbにおけるよりも著しく少なかった。高価な合金化元素であるＮｉおよびＭｏの濃度がかなり低いために、実験合金９および１０のＲＭＣＩは、比較合金Ｓ３２１００の場合よりも少なくとも３２％少ない。
【００５７】
これらの新しい合金の潜在的な用途は、非常に多い。上に記述しかつ証明したように、本明細書に記述するオーステナイト系ステンレス鋼組成物は、多くの用途でＳ３２１００を置換することができる。さらに、Ｎｉの高いコストのため、Ｓ３２１００から本発明の合金組成物に切り替えることによって、著しい費用節減が認識されることになる。別の利点は、これらの合金が完全にオーステナイトであり、氷点下の温度での急激な延性−脆性遷移（ＤＢＴ）、または高温での８８５ｏＦ（４７４℃）の脆化のいずれの影響も受けにくいことである。したがって、２相合金とは異なり、本発明の合金を６５０ｏＦ（３４３℃）を上回る温度で用いることが可能であり、低温度および極低温用途用の主要な候補材料になる。本開示による本合金が特に有利である製造の具体的な物品としては、例えば、自動車の排気および他の用途用のフレキシブルコネクタ、ベローズ、フレキシブルパイプ、ならびに煙突／送管の内管類が挙げられる。当業者は、従来の製造技術を用いて、本開示による合金からさまざまな製造物品を容易に製造し得る。
【００５８】
前述の記載は限定された数の実施態様のみを必然的に示したが、当業者は、本明細書に記載され、説明された装置および方法、ならびに実施例のその他の詳細における種々の変化が当業者によってなされ得ることを認識するであろう。また、かかる変更のすべては、本明細書、および添付の特許請求の範囲に表現された本開示の原理および範囲にある。したがって、本発明は本明細書に開示される、または組み入れられている特定の実施態様に限定されることなく、特許請求の範囲によって定義されている本発明の原理および範囲の変更を網羅することを意図すると理解される。また、当業者は、本発明の広範な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もたらし得ることを認識するであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト系ステンレス鋼であって、重量パーセンテージで、最高０．２０までのＣ、２．０〜９．０のＭｎ、最高２．０までのＳｉ、１５．０〜２３．０のＣｒ、１．０〜９．５のＮｉ、最高３．０までのＭｏ、最高３．０までのＣｕ、０．０５〜０．３５のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋％Ｚｒ）≦１．５、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含む、オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２】
１８を超えるＰＲＥＮ値を有する、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３】
１８を超え、最高２４までのＰＲＥＮ値を有する、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項４】
１２未満のフェライト値を有する、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項５】
０を超え、最高１０までのフェライト値を有する、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項６】
１から最高４までの範囲でフェライト値を有する、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項７】
３４℃未満のＭＤ３０値を有する、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項８】
１０℃未満のＭＤ３０値を有する、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項９】
−１０℃未満のＭＤ３０値を有する、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１０】
最高０．１０までのＣを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１１】
２．０〜８．０のＭｎを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１２】
４．０〜７．０のＭｎを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１３】
０．５〜１．０のＳｉを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１４】
１６．０〜２２．０のＣｒを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１５】
３．０〜６．０のＮｉを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１６】
０．１〜１．０のＭｏを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１７】
０．１〜０．５のＭｏを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１８】
（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋％Ｚｒ）≦１．０である、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１９】
少なくとも０．１のニオブを含む、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２０】
（７．５（％Ｃ））≦％ニオブ≦１．５である、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２１】
最高０．０１までのＢを含む、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２２】
０．００１〜０．００３のＢを含む、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２３】
０．００１〜０．５のチタンを含む、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２４】
オーステナイト系ステンレス鋼であって、重量パーセンテージで、最高０．１０までのＣ、２．０〜８．０のＭｎ、最高１．００までのＳｉ、１６．０〜２２．０のＣｒ、１．０〜７．０のＮｉ、０．１０〜２．０のＭｏ、最高１．０までのＣｕ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋％Ｚｒ）≦１．５、最高０．００８までのＢ、最高０．０１までのチタン、最高０．０５０までのＰ、最高０．０３０までのＳ、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含む、オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２５】
少なくとも０．１のニオブを含む、請求項２４に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２６】
（７．５（％Ｃ））≦ニオブ≦１．５である、 請求項２４に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２７】
０．０１０〜０．０５のＰを含む、請求項２４に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２８】
０．０００１〜０．００１のＳを含む、請求項２４に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２９】
オーステナイト系ステンレス鋼であって、重量パーセンテージで、最高０．０８までのＣ、３．５〜６．５のＭｎ、最高１．００までのＳｉ、１７．０〜２１．０のＣｒ、３．０〜６．０のＮｉ、０．１〜１．０のＭｏ、最高１．０までのＣｕ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋％Ｚｒ）≦１．０、最高０．００５までのＢ、最高０．００５までのチタン、最高０．０３５までのＰ、最高０．００５までのＳ、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含む、オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３０】
少なくとも０．１のニオブを含む、請求項２９に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３１】
（７．５（％Ｃ））≦Ｎｂ≦１．５である、 請求項２９に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３２】
オーステナイト系ステンレス鋼を含む製造物品であって、重量パーセンテージで、最高０．２０までのＣ、２．０〜９．０のＭｎ、最高２．０までのＳｉ、１５．０〜２３．０のＣｒ、１．０〜９．５のＮｉ、最高３．０までのＭｏ、最高３．０までのＣｕ、０．０５〜０．３５のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋％Ｚｒ）≦１．５、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含む、製造物品。
【請求項３３】
前記オーステナイト系ステンレス鋼が少なくとも０．１のニオブを含む、請求項３２に記載の製造物品。
【請求項３４】
（７．５（％Ｃ））≦ニオブ≦１．５である、 請求項３２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３５】
前記物品が低温環境および極低温環境の少なくとも１つにおける使用に適合している、請求項３２に記載の製造物品。
【請求項３６】
前記物品がフレキシブルコネクタ、ベローズ、フレキシブルパイプ、煙突内管類、および送管内管類からなる群から選択される、請求項３２に記載の製造物品。
【請求項１】
オーステナイト系ステンレス鋼であって、重量パーセンテージで、最高０．２０までのＣ、２．０〜９．０のＭｎ、最高２．０までのＳｉ、１５．０〜２３．０のＣｒ、１．０〜９．５のＮｉ、最高３．０までのＭｏ、最高３．０までのＣｕ、０．０５〜０．３５のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋％Ｚｒ）≦１．５、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含む、オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２】
１８を超えるＰＲＥＮ値を有する、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３】
１８を超え、最高２４までのＰＲＥＮ値を有する、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項４】
１２未満のフェライト値を有する、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項５】
０を超え、最高１０までのフェライト値を有する、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項６】
１から最高４までの範囲でフェライト値を有する、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項７】
３４℃未満のＭＤ３０値を有する、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項８】
１０℃未満のＭＤ３０値を有する、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項９】
−１０℃未満のＭＤ３０値を有する、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１０】
最高０．１０までのＣを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１１】
２．０〜８．０のＭｎを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１２】
４．０〜７．０のＭｎを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１３】
０．５〜１．０のＳｉを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１４】
１６．０〜２２．０のＣｒを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１５】
３．０〜６．０のＮｉを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１６】
０．１〜１．０のＭｏを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１７】
０．１〜０．５のＭｏを含む、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１８】
（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋％Ｚｒ）≦１．０である、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項１９】
少なくとも０．１のニオブを含む、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２０】
（７．５（％Ｃ））≦％ニオブ≦１．５である、 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２１】
最高０．０１までのＢを含む、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２２】
０．００１〜０．００３のＢを含む、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２３】
０．００１〜０．５のチタンを含む、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２４】
オーステナイト系ステンレス鋼であって、重量パーセンテージで、最高０．１０までのＣ、２．０〜８．０のＭｎ、最高１．００までのＳｉ、１６．０〜２２．０のＣｒ、１．０〜７．０のＮｉ、０．１０〜２．０のＭｏ、最高１．０までのＣｕ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋％Ｚｒ）≦１．５、最高０．００８までのＢ、最高０．０１までのチタン、最高０．０５０までのＰ、最高０．０３０までのＳ、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含む、オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２５】
少なくとも０．１のニオブを含む、請求項２４に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２６】
（７．５（％Ｃ））≦ニオブ≦１．５である、 請求項２４に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２７】
０．０１０〜０．０５のＰを含む、請求項２４に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２８】
０．０００１〜０．００１のＳを含む、請求項２４に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２９】
オーステナイト系ステンレス鋼であって、重量パーセンテージで、最高０．０８までのＣ、３．５〜６．５のＭｎ、最高１．００までのＳｉ、１７．０〜２１．０のＣｒ、３．０〜６．０のＮｉ、０．１〜１．０のＭｏ、最高１．０までのＣｕ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋％Ｚｒ）≦１．０、最高０．００５までのＢ、最高０．００５までのチタン、最高０．０３５までのＰ、最高０．００５までのＳ、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含む、オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３０】
少なくとも０．１のニオブを含む、請求項２９に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３１】
（７．５（％Ｃ））≦Ｎｂ≦１．５である、 請求項２９に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３２】
オーステナイト系ステンレス鋼を含む製造物品であって、重量パーセンテージで、最高０．２０までのＣ、２．０〜９．０のＭｎ、最高２．０までのＳｉ、１５．０〜２３．０のＣｒ、１．０〜９．５のＮｉ、最高３．０までのＭｏ、最高３．０までのＣｕ、０．０５〜０．３５のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖ＋％Ｔａ＋％Ｚｒ）≦１．５、Ｆｅ、および不可避的な不純物を含む、製造物品。
【請求項３３】
前記オーステナイト系ステンレス鋼が少なくとも０．１のニオブを含む、請求項３２に記載の製造物品。
【請求項３４】
（７．５（％Ｃ））≦ニオブ≦１．５である、 請求項３２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３５】
前記物品が低温環境および極低温環境の少なくとも１つにおける使用に適合している、請求項３２に記載の製造物品。
【請求項３６】
前記物品がフレキシブルコネクタ、ベローズ、フレキシブルパイプ、煙突内管類、および送管内管類からなる群から選択される、請求項３２に記載の製造物品。
【公表番号】特表２０１３−５０９４９８（Ｐ２０１３−５０９４９８Ａ）
【公表日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３６８５５（Ｐ２０１２−５３６８５５）
【出願日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５２５７８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５３４６０
【国際公開日】平成２３年５月５日（２０１１．５．５）
【出願人】（５０１１８７０３３）エイティーアイ・プロパティーズ・インコーポレーテッド (39)
【公表日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５２５７８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５３４６０
【国際公開日】平成２３年５月５日（２０１１．５．５）
【出願人】（５０１１８７０３３）エイティーアイ・プロパティーズ・インコーポレーテッド (39)
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