JP5383700B2

JP5383700B2 - 安定化元素を含有するニッケルの少ないオーステナイト系のステンレス鋼

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Publication number: JP5383700B2
Application number: JP2010539525A
Authority: JP
Inventors: ラコウスキ，ジェームズ・エム; バーグストロム，デヴィッド・エス; 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: 2008-02-20
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: CN103060718A; AU2008341063B2; RU2461641C2; RU2010130163A; EP2245202B1; US9873932B2; IL205868A; AU2008341063A1; WO2009082498A1; US9133538B2; KR20100099726A; BRPI0820586A2; JP2011508077A; BRPI0820586A8; CA2706473A1; AU2008341063C1; EP2245202A1; CN101903551A; BRPI0820586B1; US20090162237A1

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６１／０１５，２６４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、ニッケルのより多い合金と比較して、ニッケル及びモリブデンのレベルが低く、高温特性が改善され、そして少なくとも同程度の耐腐食性及び成形特性を有する、コスト効果のある安定化された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特定の例としては、１６〜１８％のクロム、１０〜１４％のニッケル、及び２〜３％のモリブデンを含有する合金である、ＡＩＳＩタイプ３１６ステンレス鋼（ＵＮＳＳ３１６００）が挙げられる。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Ｓ３１６００の代替物の必要性を作り出している。

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、及び２〜３％のモリブデンを含有する。Ｓ２１６００は、Ｓ３１６００の、ニッケルが少なくマンガンが多い変化形態であるけれども、Ｓ２１６００の強度及び耐腐食特性は、Ｓ３１６００の強度及び耐腐食特性よりとても高い。しかしながら、デュプレックス合金と同様に、Ｓ２１６００の成形性は、Ｓ３１６００の成形性ほど良好でない。また、Ｓ２１６００はＳ３１６００と同量のモリブデンを含有するために、モリブデンに関するコストの削減が存在しない。

高温で用いることを主に意図している、Ｓ３１６００の変化形態もまた存在する。この合金は、タイプ３１６Ｔｉ（ＵＮＳＳ３１６３５）として示される。Ｓ３１６００とＳ３１６３５との有意な違いは、鋼中に存在する炭素及び窒素の量と均衡した少量のチタンの添加の存在である。結果として、Ｓ３１６３５鋼は、上昇した温度にて、また溶接の間に有害な炭化クロムが形成しにくく、鋭敏化として知られる現象を起こしにくい。かかる添加はまた、一次炭化物及び二次炭化物の形成による強化効果のために、上昇温度特性を高めることができる。Ｓ３１６３５中のチタンに関する特定された範囲は、以下の式：
［５ｘ（％Ｃ＋％Ｎ）］≦Ｔｉ≦０．７０％
によって与えられる。しかしながら、Ｓ３１６３５は、コストのかかる原材料を用いる。

合金のその他の例としては、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ステンレス鋼が挙げられる。しかしながら、Ｓ３１６３５と同様の改善された上昇温度特性と、Ｓ３１６００と同様の耐腐食性及び成形特性の両方との組み合わせを有しつつも、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できる必要がある。特に、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〜１３００°Ｆ（７００℃）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、Ｓ３１６００及びＳ３１６３５と同程度の耐腐食性及び改善された上昇温度特性を有し、原材料コストの削減を提供する、成形性のある安定化された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、制御されたレベルの炭化物形成元素を用いて上昇温度特性を改善する、安定化されたオーステナイト系の合金である。このオーステナイト系の合金はまた、ニッケル及びモリブデンの多い合金と同様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利用してＮｉ及びＭｏを置換する。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、炭化物を形成する元素であって、かつ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、Ｓ３１６００及びＳ３１６３５などのよりコストのかかる合金と少なくとも同程度の、改善された上昇温度特性、ならびに耐腐食性及び成形特性を有する、より低コストの合金である。この合金は、軽量であり、成形性のために比較的微細な粒子を含んだ混じりけのない微細構造を有する。

本発明のある実施態様は、重量％で、０．２０までのＣ、２．０〜９．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１６．０〜２３．０のＣｒ、１．０〜７．０のＮｉ、３．０までのＭｏ、３．０までのＣｕ、０．０５〜０．３５のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｔａ＋Ｚｒ）≦１．５、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る。該オーステナイト系のステンレス鋼のとある非限定的な実施態様は、０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦５．０となるようにタングステンを含む。該オーステナイト系のステンレス鋼のとある実施態様は、１．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０となるようにコバルトを含んでいても良い。該オーステナイト系のステンレス鋼のとある実施態様は、少なくとも０．１％のニオブを含んでいても良く、又は少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含んでいても良い。

本発明の別の実施態様は、重量％で、０．１０までのＣ、２．０〜８．０のＭｎ、１．００までのＳｉ、１６．０〜２２．０のＣｒ、１．０〜７．０のＮｉ、０．４０〜２．０のＭｏ、１．００までのＣｕ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｔａ＋Ｚｒ）≦１．５、０．０５〜０．６０のＷ、１．０までのＣｏ、０．０４０までのＰ、０．０３０までのＳ、０．００８までのＢ、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る。該オーステナイト系のステンレス鋼のとある実施態様は、０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦２．３となるようにタングステンを含んでいても良い。該オーステナイト系のステンレス鋼のとある実施態様は、１．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０となるようにコバルトを含んでいても良い。該オーステナイト系のステンレス鋼のとある実施態様は、少なくとも０．１％のニオブを含んでいても良く、又は少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含んでいても良い。

本発明の代替的な実施態様においては、オーステナイト系のステンレス鋼は、重量％で、０．０８までのＣ、３．５〜６．５のＭｎ、１．００までのＳｉ、１７．０〜２１．０のＣｒ、０．５〜２．０のＭｏ、４．０〜６．５のＮｉ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｔａ＋Ｚｒ）≦１．０、１．０までのＣｕ、０．０５０までのＰ、０．０３０までのＳ、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のとある実施態様は、０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦４．０となるようにタングステンを含んでいても良い。該オーステナイト系のステンレス鋼のとある実施態様は、４．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦７．５となるようにコバルトを含んでいても良い。該オーステナイト系のステンレス鋼のとある実施態様は、少なくとも０．１％のニオブを含んでいても良く、又は少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含んでいても良い。

本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、約２２より大きいＰＲＥ_Ｗ値、約１０より低いフェライト価、及び約２０℃より低いＭＤ_３０値を有する。
該ステンレス鋼を製造する一つの方法は、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、酸洗いすることである。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を含む、本発明の材料を製造するその他の方法を用いても良い。

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、自動車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、煙突のライナー、及び送気管のライナーである。

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、Ｓ３１６３５などと比較して少なくとも同程度の耐腐食性及び成形特性、ならびに改善された上昇温度特性を有する、安定化された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組成物は、重量％で、０．２０までのＣ、２．０〜９．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１６．０〜２３．０のＣｒ、１．０〜７．０のＮｉ、３．０までのＭｏ、３．０までのＣｕ、０．０５〜０．３５のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｔａ＋Ｚｒ）≦１．５、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のとある実施態様は、少なくとも０．１％のニオブを含んでいても良く、又は少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含んでいても良い。

ある代替的な実施態様においては、オーステナイト系のステンレス鋼組成物は、重量％で、０．２０までのＣ、２．０〜９．０のＭｎ、２．０までのＳｉ、１６．０〜２３．０のＣｒ、１．０〜７．０のＮｉ、３．０までのＭｏ、３．０までのＣｕ、０．０５〜０．３５のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｔａ＋Ｚｒ）≦１．５、０．０１までのＢ、タングステン、鉄、及び不純物を、０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦５．０及び１．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦８．０となるように含んでいても良い。該オーステナイト系のステンレス鋼のとある実施態様は、少なくとも０．１％のニオブを含んでいても良く、又は少なくとも（７．５（％Ｃ））の濃度でニオブを含んでいても良い。

Ｃ：０．２０％まで
Ｃは、オーステナイト相を安定化させ、変形により誘起されるマルテンサイト変換を防止するように働く。しかしながら、Ｃはまた、特に溶接の間にクロム炭化物が形成される確率を増加させ、クロム炭化物は、耐腐食性及び靭性を減少させる。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、０．２０％までのＣを有する。本発明のある実施態様においては、Ｃの含有量は、０．１０％以下であっても良い。あるいは、Ｃの含有量は０．０８％以下であっても良く、０．０３％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。本発明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。Ｓｉは、ニオブを含む一定の合金化元素の反応性を最小化することを助け、合金中の相平衡を促進する。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：２．０〜９．０％
Ｍｎはオーステナイト相を安定化させ、一般的に、有益な合金化元素である窒素の可溶性を増加させる。これらの効果を十分に生み出すために、２．０％より少なくないＭｎ含有量が必要とされる。マンガン及び窒素は両方とも、より高価な元素であるニッケルの効果的な代用物である。しかしながら、９．０％より多くのＭｎは、材料の加工性および一定の環境における耐腐食性を悪化させる。また、９．０％より多いような、高いレベルのＭｎを有するステンレス鋼を脱炭することは難しいため、Ｍｎのレベルが高いと、材料を製造する処理コストが有意に増加する。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼において、耐腐食性、相平衡、展性、及びその他の機械的特性を適当に均衡させるために、Ｍｎのレベルは２．０〜９．０％に設定する。ある実施態様においては、Ｍｎ含有量は２．０〜８．０％であっても良く、あるいは３．５〜６．５％であっても良い。

Ｎｉ：１．０〜７．０％
少なくとも１％のＮｉは、フェライト及びマルテンサイト形成の両方に関して、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、靭性及び成形性を高めるように働く。しかしながら、ニッケルの比較的高いコストのために、ニッケル含有量を出来るだけ低く保つことが望ましい。Ｍｎ及びＮは、部分的なＮｉの代用物となり得るが、Ｍｎ及びＮのレベルが高いと、許容不可能なレベルの加工硬化、成形性の減少を生ずる。それ故に、該合金は、許容可能な成形性を提供するために、最低限の濃度のＮｉを含まねばならない。本発明者らは、その他の定義された範囲の元素に加えて１．０〜７．０％の範囲のＮｉを用いて、よりニッケルの多い合金と同様か、又はそれよりも良い耐腐食性及び成形性を有する合金を達成することが出来ることを見出した。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、１．０〜７．０％のニッケルを有する。ある実施態様においては、Ｎｉ含有量は４．０〜６．５％であっても良い。

Ｃｒ：１６．０〜２３．０％
Ｃｒは、合金の表面上に不動態膜を形成することにより耐腐食性をステンレス鋼に与えるために添加する。また、Ｃｒはマルテンサイト変換に関してオーステナイト相を安定化させるように働く。少なくとも１６％のＣｒが、適切な耐腐食性を提供するために必要とされる。一方、Ｃｒは強力なフェライト安定化剤であるため、Ｃｒ含有量が２３％を超えると、フェライト含有量を許容可能に低く保つために、ニッケル又はコバルトなどのよりコストのかかる合金化元素の添加が必要とされる。２３％より多くのＣｒはまた、シグマなどの望ましくない相をより形成しがちである。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、１６．０〜２３．０％のＣｒを有する。ある実施態様においては、Ｃｒ含有量は１６．０〜２２．０％であっても良く、あるいは１７．０〜２１．０％であっても良い。

Ｎ：０．０５〜０．３５％
Ｎは、オーステナイトを安定化させる元素であるＮｉと、耐腐食性を高める元素であるＭｏの部分的な置換として本合金中に含まれる。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である。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。本発明者らは、０．３５％までのＮ含有量が、問題となるレベルのニオブ炭窒化物の沈殿を形成することなく合金中のＮｂレベルと適応可能であると決定した。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼は、０．０５〜０．３５％のＮを有する。ある実施態様においては、Ｎ含有量は０．０８〜０．３０％であっても良い。

Ｍｏ：３．０％まで
本発明者らは、許容可能な特性を維持しながら、合金のＭｏ含有量を制限しようとしてきた。Ｍｏは、ステンレス鋼の表面上に形成し、塩化物の作用による孔食から保護する不動態酸化膜を安定化させるのに効果的である。これらの効果を得るために、Ｍｏは、この発明において、３．０％のレベルまで添加しても良い。そのコストのために、Ｍｏ含有量は０．５〜２．０％であっても良く、この含有量が、適当な量のクロム及び窒素と組み合わせて必要とされる耐腐食性を提供するために適切である。３．０％を超えるＭｏ含有量は、固化（デルタ）フェライトの割合を潜在的に問題のあるレベルに増加させることにより、熱間加工性を劣化させる。高いＭｏ含有量はまた、シグマ相などの有害な金属間相の形成の見込みを増加させる。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼組成物は、３．０％までのＭｏを有する。ある実施態様においては、Ｍｏ含有量は０．４０〜２．０％であっても良く、あるいは０．５０〜２．０％であっても良い。

Ｃｏ：１．０％まで
Ｃｏは、オーステナイト相を安定化させるように、ニッケルの代わりとして働く。コバルトの添加はまた、材料の強度を増加させるように働く。コバルトの上限は、好ましくは１．０％である。

Ｂ：０．０１％まで
０．０００５％程度に低いＢの添加物を添加してステンレス鋼の熱間加工性及び表面品質を改善しても良い。しかしながら、０．０１％より多くの添加は、本合金の耐腐食性及び加工性を悪化させる。従って、本発明のオーステナイト系のステンレス鋼組成物は、０．０１％までのＢを有する。ある実施態様においては、Ｂ含有量は０．００８％までであっても良く、又は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。ある実施態様においては、Ｗ含有量は０．０５〜０．６０％であっても良い。

０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦５．０
Ｍｏ及びＷは両方とも、ステンレス鋼の表面上に形成し、塩化物の作用による孔食から保護する不動態酸化膜を安定化させるのに効果的である。Ｗは、耐腐食性の増加においてＭｏのおよそ半分（重量で）の効果であるため、必要な耐腐食性を提供するために、（Ｍｏ＋Ｗ／２）＞０．５％が必要とされる。しかしながら、多すぎるＭｏの保有は金属間相の形成の見込みを増加させ、多すぎるＷは材料の熱間加工性を減少させる。それ故に、（Ｍｏ＋Ｗ／２）の組み合わせは、好ましくは５．０％未満である。ある実施態様においては、モリブデン及びタングステンは、０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦２．３となるように存在しても良く、あるいは０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦４．０となるように存在しても良い。

１．０≦（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。適当な耐腐食性を保証するために添加しなければならないＣｒ及びＭｏなどのフェライトを安定化させる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。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。ある実施態様においては、（Ｎｉ＋Ｃｏ）含有量は４．０％より多くても良いが、７．５％より少ない。

（７．５（％Ｃ））≦（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｔａ＋Ｚｒ）≦１．５
Ｎｂは炭素、及びそれほどでは無いが窒素とも反応して、小さな粒子の形態で炭化物及び炭窒化物を形成する。これらの粒子は、上昇した温度における使用、及び溶接の間の、有害なクロム炭化物の形成を効果的に抑制し、室温での耐腐食性を改善する。これらの粒子は、効果的な加熱処理を用いて製造した場合には、上昇した温度における強度及びクリープ抵抗もまた改善することが出来る。最低限の（７．５ｘ％Ｃ）の添加は、金属中に溶解して存在するＣ１原子ごとにＮｂ１原子を提供する。よりＮｂのレベルが高いと、有益なＮが消費されるので、Ｎｂ含有量を１．５％より低く保つことが望ましい。Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、及びＺｒなどの、これらに限定されない安定な炭化物を形成するその他の元素は、ニオブの代わりに添加しても良い。しかしながら、かかる代用物は、Ｎｂより強くＮと反応し、それ故に、改善された溶接性などの有益な効果を提供するために制御される。本発明者らは、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、及びＺｒの重量パーセンテージの合計が、（７．５（％Ｃ））〜１．５％までの範囲に維持されるべきであることを決定した。すなわち、（７．５（％Ｃ））≦（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｔａ＋Ｚｒ）≦１．５％である。とある実施態様においては、（７．５（％Ｃ））≦（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｔａ＋Ｚｒ）≦１．０％である。とある好ましい実施態様においては、合金は、少なくとも０．１％のＮｂを含み、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、及びＺｒの重量パーセンテージの合計は、（７．５（％Ｃ））〜１．５％又は１．０％の範囲である。とある実施態様においては、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、及びＺｒは、付随する不純物としてのみ存在するか、又は出来うる限り低いレベルで維持される。とある実施態様においては、合金の室温での耐腐食性、上昇した温度での強度、クリープ抵抗、及び溶接特性を最適化するために、合金のとある実施態様は少なくとも（７．５（％Ｃ））のＮｂ含有量を含み、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、及びＺｒは、付随する不純物としてのみ存在する。本発明者らは、１．５％までのＮｂ含有量は、ＮｂとＮとの組み合わせがクリープ抵抗を許容不可能に悪化させるレベルのニオブ炭窒化物の沈殿を生じないという点において、本合金の０．０５〜０．３５％のＮ含有量と適応可能であることを決定した。

本発明の安定化されたオーステナイト系のステンレス鋼の残分は、鉄、ならびにリン及び硫黄などの不可避の不純物を含む。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、実際上、及び経済的に正当な最も低いレベルに維持される。

非常に安定な窒化物を形成するＡｌなどの元素は、低いレベルに保つべきである。
本発明の安定化された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。本発明の合金は、２２より大きいＰＲＥ_ｗ値を有し、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、１０までのフェライト価を有し、好ましくは正の価数、より好ましくは約３〜５のフェライト価を有する。

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、２０℃より低いＭＤ_３０温度を有し、好ましくは約−１０℃より低い。

表１には、本発明の合金１〜５及び比較例の合金であるＳ３１６００、Ｓ３１６３５、Ｓ２１６００、及びＳ２０１００に関して、その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１〜５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Ｓ３１６００、Ｓ３１６３５、Ｓ２１６００、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、２４．０より大きいＰＲＥ_Ｗを有する合金は比較例の合金であるＳ３１６３５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、一方でより低いＰＲＥ_Ｗを有する合金はより容易に孔が開くだろう。

表１中の各々の合金に関するフェライト数もまた、計算した。本発明の合金１〜５の各々に関するフェライト数は、１０より低い好ましい範囲内であった。
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、本発明の合金１〜５、特に本発明の合金４及び５は、比較例の合金であるＳ３１６００及びＳ３１６３５と同様のマルテンサイト形成に対する耐性を示す。

表１はまた、各々の合金に関する材料コストを比較例のＳ３１６３５合金の材料コストと比較する、原材料コスト指数（ＲＭＣＩ）を含む。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、比較例のＳ３１６３５合金における原材料のコストで除して計算した。計算した値が示すように、本発明の合金１〜５は、０．６５より低いＲＭＣＩを有し、これは、本合金中に含有される原材料のコストが、比較例のＳ３１６３５合金のコストの６５％よりも低いことを意味する。比較例のＳ３１６３５合金と同様の特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１〜５の機械的特性を測定し、商業的に利用可能な比較例の合金であるＳ３１６００、Ｓ３１６３５、Ｓ２１６００、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、及びオルセンカップ高さ（Olsen cup height、表１ではOCHと略記する）が、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。；このデータに見られるように、本発明の合金、特に本発明の合金４及び５は、商業的に利用可能なＳ３１６３５材料と同程度の特性を示した。本発明の合金は、しかしながら、比較例のＳ３１６３５合金の半分より低い濃度のニッケル、及び有意に少ないモリブデンを含んでいた。コストのかかる合金化元素であるニッケル及びモリブデンがこのように有意に低い濃度であるので、比較例の合金４及び５のＲＭＣＩが比較例のＳ３１６３５合金に対して少なくとも４０％より低い。しかしながら、ニッケル及びモリブデンのレベルが実質的に減少しているにもかかわらず、本発明の合金４及び５は、オーステナイト系の微細構造を有しており、比較例のＳ３１６３５合金に対して有意に良い降伏力及び引張強度を示した。

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、多くの用途においてＳ３１６００及びとりわけＳ３１６３５に取って代わることが出来る。更に、ニッケル及びモリブデンの高いコストのために、Ｓ３１６００及びＳ３１６３５から本発明の合金組成物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、
２．０〜９．０のＭｎ、
２．０までのＳｉ、
１６．０〜２３．０のＣｒ、
１．０〜７．０のＮｉ、
０．５〜２．０のＭｏ、
０．０５〜０．３５のＮ、
４．０までのＷ、
（７．５（％Ｃ））≦（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｔａ＋Ｚｒ）≦１．５、
０．０１までのＢ、
１．０までのＣｏ、
残分の鉄、及び付随する不純物からなり、
２２より大きく３０までのＰＲＥ_ｗ値を有し、ＰＲＥ_Ｗ＝％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ）＋１．６５（％Ｗ）＋１６（％Ｎ）である、オーステナイト系のステンレス鋼。
０．５≦（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。
０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦４．０である、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
１．０≦（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。
４．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦７．５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。
（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のステンレス鋼。
Ｎｂは少なくとも０．１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。
（７．５（％Ｃ））≦Ｎｂ≦１．５である、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
１０より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。
０より大きく１０までのフェライト価を有する、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
３〜５のフェライト価を有する、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
２０℃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。
−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。
Ｃが０．１０までに限られる、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
Ｓｉが０．５〜１．０に限られる、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
Ｍｎが２．０〜８．０に限られる、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
Ｍｎが３．５〜６．５に限られる、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
Ｎｉが４．０〜６．５に限られる、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
Ｃｒが１７．０〜２１．０に限られる、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
重量％で、０．１０までのＣ、２．０〜８．０のＭｎ、１．００までのＳｉ、１６．０〜２２．０のＣｒ、１．０〜７．０のＮｉ、０．５〜２．０のＭｏ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｔａ＋Ｚｒ）≦１．５、０．０５〜０．６０のＷ、１．０までのＣｏ、０．０４０までのＰ、０．０３０までのＳ、０．００８までのＢ、残分の鉄、及び付随する不純物からなり、２２より大きく３０までの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。
０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦２．３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。
１．０≦（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。
Ｎｂは少なくとも０．１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。
（７．５（％Ｃ））≦Ｎｂ≦１．５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。
重量％で、０．０８までのＣ、３．５〜６．５のＭｎ、１．００までのＳｉ、１７．０〜２１．０のＣｒ、０．５〜２．０のＭｏ、４．０〜６．５のＮｉ、０．０８〜０．３０のＮ、（７．５（％Ｃ））≦（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｔａ＋Ｚｒ）≦１．０、０．０５０までのＰ、０．０３０までのＳ、残分の鉄、及び付随する不純物からなり、２２より大きく３０までの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。
０．５≦（Ｍｏ＋Ｗ／２）≦４．０である、請求項２５に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
４．０≦（Ｎｉ＋Ｃｏ）≦７．５である、請求項２５に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
Ｎｂは少なくとも０．１である、請求項２５に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
（７．５（％Ｃ））≦Ｎｂ≦１．５である、請求項２５に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
重量％で、
０．２０までのＣ、
２．０〜９．０のＭｎ、
２．０までのＳｉ、
１６．０〜２３．０のＣｒ、
１．０〜７．０のＮｉ、
０．５〜２．０のＭｏ、
０．０５〜０．３５のＮ、
４．０までのＷ、
（７．５（％Ｃ））≦（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｔａ＋Ｚｒ）≦１．５、
０．０１までのＢ、
１．０までのＣｏ、
残分の鉄、及び付随する不純物からなり、
２２より大きく３０までのＰＲＥ_ｗ値を有し、ＰＲＥ_Ｗ＝％Ｃｒ＋３．３（％Ｍｏ）＋１．６５（％Ｗ）＋１６（％Ｎ）である、オーステナイト系のステンレス鋼を含む、製造物品。
該オーステナイト系のステンレス鋼は、Ｎｂは少なくとも０．１である、請求項３０に記載の製造物品。
該オーステナイト系のステンレス中に、Ｎｂは（７．５（％Ｃ））≦Ｎｂ≦１．５の範囲で存在する、請求項３０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３０に記載の製造物品。
該物品は、フレキシブルコネクタ、ベローズ、フレキシブルパイプ、煙突のライナー、及び送気管のライナーからなる群から選択される、請求項３０に記載の製造物品。
３．１８×１０ ^８〜３．７０×１０ ^８Ｐａ（４６．１〜５３．７ｋｓｉ）の降伏力を有する、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
Ｗが０．０５〜０．６０に限られる、請求項１に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
３．１８×１０ ^８〜３．７０×１０ ^８Ｐａ（４６．１〜５３．７ｋｓｉ）の降伏力を有する、請求項２０に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
３．１８×１０ ^８〜３．７０×１０ ^８Ｐａ（４６．１〜５３．７ｋｓｉ）の降伏力を有する、請求項２５に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
該オーステナイト系のステンレス鋼が３．１８×１０ ^８〜３．７０×１０ ^８Ｐａ（４６．１〜５３．７ｋｓｉ）の降伏力を有する、請求項３０に記載の製造物品。
降伏力が３．２４×１０ ^８Ｐａ（４７ｋｓｉ）である、請求項３５に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
降伏力が３．２４×１０ ^８Ｐａ（４７ｋｓｉ）である、請求項３９に記載の製造物品。
該物品がフレキシブルパイプである、請求項３０に記載の製造物品。
降伏力がＵＮＳＳ３１６３５の降伏力よりも大きい、請求項３５に記載のオーステナイト系のステンレス鋼。
降伏力がＵＮＳＳ３１６３５の降伏力よりも大きい、請求項３９に記載の製造物品。