(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼の重量％で、
レニウム、オスミウム、イリジウム、
ルテニウム、ロジウム、白金、パラジ
ウムの少なくとも１種                      ０．０１−２．００
希土類元素                                ０．１−０．５０
硼素                                      ０．００１−０．０４
炭素                                      ０．０８−０．１５
珪素                                      ０．０１−０．１０
クロム                                    ８．００−１３．００
タングステン及びモリブデンの少なく
とも１種                                  ０．５０−４．００
ニッケル、コバルト、マンガン及び銅
からなる群から選ばれる少なくとも１
種のオーステナイト安定剤                  ０．００１−６．００
バナジウム                                ０．２５−０．４０
燐（不可避不純物）                            ０．０１０以下
硫黄（不可避不純物）                          ０．００４以下
窒素（不可避不純物）                          ０．０６０以下
水素（不可避不純物）                          ２ｐｐｍ以下
酸素（不可避不純物）                          ５０ｐｐｍ以下
アルミニウム                              ０．００１−０．０２５
砒素（不可避不純物）                          ０．００６０以下
アンチモン（不可避不純物）                    ０．００３０以下
スズ（不可避不純物）                          ０．００５０以下
ニオブ（任意成分）                        ０．５０以下
鉄                                        残部
を含む硼素及び希土類元素鋼。
【請求項２】
マンガン含有量０．０５重量％未満、珪素含有量０．０１重量％未満、燐含有量０．０１重量％未満、スズ含有量０．００５重量％未満、アンチモン含有量０．００３重量％未満、砒素含有量０．００３０重量％未満である、請求項１記載の鋼。
【請求項３】
マンガン含有量０．０５重量％以下、珪素含有量０．０１重量％以下、燐含有量０．０１重量％以下、硫黄含有量０．００４重量％以下、スズ含有量０．００５重量％以下、アンチモン含有量０．００３重量％以下、砒素含有量０．００６重量％以下である、請求項１記載の鋼。
【請求項４】
希土類元素がイットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、エルビウム及びこれらの組合せからなる群から選ばれる請求項１記載の鋼。
【請求項５】
クロムの量が８．０−１２．０重量％の範囲である請求項１記載の鋼。
【請求項６】
希土類元素の量が０．１−０．２重量％の範囲である請求項１記載の鋼。
【請求項７】
希土類元素の量が０．１−０．１５重量％の範囲である請求項１記載の鋼。
【請求項８】
希土類元素の量が０．１重量％である請求項１記載の鋼。
【請求項９】
窒素の量が０．０６０重量％未満の量である請求項１記載の鋼。
【請求項１０】
窒素の量が０．０４重量％未満の量である請求項１記載の鋼。
【請求項１１】
更にタングステン及びモリブデンを含んでおり、タングステンの量がモリブデンの量に関連づけられており、モリブデンの量の重量％とタングステンの量の重量％の１／２の和が１．５に等しい請求項１記載の鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は鋼に係わる。特に、本発明は鋼の特性および性質を改善する合金成分を含む鋼に係わる。
【０００２】
【発明の背景】
タービン部品は有用な用途のために物理的および熱的性質を維持しなければならない。タービン部品は高温を受け、従って容易に酸化される。タービン部品はまた運転中に高い応力を受け、しばしばタービン材料のクリープ（特に高温における定常負荷の下での変形）を起こす。それ故に、タービン部品は例えば限定はされないが向上したクリープ抵抗および脆化の欠如のような機械的性質を維持しそして高温において容易に酸化しない材料から形成されなければならない。
【０００３】
タービン部品はしばしば鋼材料から形成される。鋼は優れた強度、脆性から延性への低い転移温度および良好な硬化特性を示す。しかし、鋼は高温度に晒されると酸化、脆化およびクリープを受ける。脆化は少なくとも部分的には高温における合金結晶粒内の有害な相の生成によるか（不可逆的脆化）あるいは結晶粒界への或る有害な元素の偏析による（可逆的脆化）。タービン部品用途向けの鋼は鋼の脆化、酸化およびクリープを減少する成分によって形成されなければならない。
【０００４】
タービン部品向けの従来の鋼合金は高合金鋼を含む。高合金鋼にはクロム（Ｃｒ）含有量が１０重量％を超える、例えば約１２重量％の鋼が含まれる。高合金鋼は限定はされないが当業界に知られているＦｅ−１２Ｃｒステンレス鋼（以後Ｆｅ−１２Ｃｒ鋼）を含む。このような鋼の一つがここに参考までに掲げるKipphut 等の米国特許５，３２０，６８７に開示されている。
【０００５】
通常の鋼合金化成分は限定はされないがタングステン（Ｗ）およびコバルト（Ｃｏ）を含む。例えば、鋼へタングステンを添加するには（１）鋼中のフェライト安定剤のバランスを維持するためにクロム（Ｃｒ）含有量の減少かあるいは（２）鋼の酸化抵抗を十分に維持するために限定はされないがニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）およびコバルトのような追加のオーステナイト安定剤を必要とする。殆どのオーステナイト安定剤は高価であるか（コバルト）あるいはクリープ性質に有害なので（ニッケル）、オーステナイト安定剤の添加は鋼の酸化およびクリープ抵抗を維持しない。そのため、鋼の製造業者はタービン部品向けには鋼のクロム含有量を減少することを試みている。低いクロム含有量は鋼の製造のコストをさほど増すことはなく、クリープ性質に悪い影響も与えない。しかし、鋼中のクロム含有量が低いと酸化抵抗に有害であり、望ましくない。
【０００６】
鋼の酸化抵抗の問題を解決する別の試みはクロムおよび珪素（Ｓｉ）の一つままたは両方を添加することを含む。クロムおよび珪素は鋼の酸化抵抗を向上するために加えられ、これは勿論望ましいことである。しかし、これらの解決策は比較的高いクロム含有量として有効あるいは望ましいとは証明されておらず、酸化抵抗は高めるが、アルファプライム（α′）相の形成により鋼の脆化を増して望ましくない。また、珪素の添加は望ましくない脆化をもたらすラーベス相の鋼中での生成を促進する。
【０００７】
従って、機械的性質および酸化性質がバランスのとれた、高温用途に適当な性能を与える鋼組成物を提供することが望ましい。例えば、高温タービン部品用途向けの鋼は減少された酸化を示しながら、例えば高温での向上されたクリープ抵抗および減少された脆化のような望ましい機械的性質をバランス良く発揮すべきである。
【０００８】
【発明の要約】
従って、本発明は既知の鋼組成物の欠陥を克服する鋼合金組成物を提供する。本発明による鋼は、レニウム、オスミウム、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、白金、パラジウムの少なくとも１種を含み、硼素及び希土類元素（一種以上）を含有する鋼である。この鋼は重量％で、
レニウム、オスミウム、イリジウム、
ルテニウム、ロジウム、白金、パラジ
ウムの少なくとも１種                      ０．０１−２．００
希土類元素                                ０．５０  ｍａｘ
硼素                                      ０．００１−０．０４
炭素                                      ０．０８−０．１５
珪素                                      ０．０１−０．１０
クロム                                    ８．００−１３．００
タングステンおよびモリブデンの少な
くとも１種                                ０．５０−４．００
ニッケル、コバルト、マンガンおよび
銅のような少なくとも１種のオーステ
ナイト安定剤                              ０．００１−６．００
バナジウム                                ０．２５−０．４０
燐                                        ０．０１０  ｍａｘ
硫黄                                      ０．００４  ｍａｘ
窒素                                      ０．０６０  ｍａｘ
水素                                      ２ｐｐｍ  ｍａｘ
酸素                                      ５０ｐｐｍ  ｍａｘ
アルミニウム                              ０．００１−０．０２５
砒素                                      ０．００６０  ｍａｘ
アンチモン                                ０．００３０  ｍａｘ
スズ                                      ０．００５０  ｍａｘ
鉄                                        残部
を含む。
【０００９】
【好適な実施の態様の詳細な記述】
本発明の一実施の態様による鋼は貴金属、希土類元素（一種以上）、レニウムおよび硼素を含んだ、合金化成分を添加することにより機械的性質と酸化性質のバランスをとっている。この鋼は長期経時脆化（ここでは経時脆化とする）を減少し、そして降伏およびクリープ強度を維持し好ましくは増大する。貴金属は限定はされないがルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）およびイリジウム（Ｉｒ）並びにこれらの混合物のような白金族金属を含んだ群から選ばれる。
【００１０】
本発明によって具体化された例示的な鋼組成物が表１に示されている。この鋼組成物は鉄、希土類元素、硼素、レニウムと白金族金属のうちの少なくとも１種、炭素、珪素、クロム、タングステンとモリブデンのうちの少なくとも１種、少なくとも１種のオーステナイト安定剤、バナジウムおよびアルミニウムを含んでいる。百分率は概略の重量％であり、範囲は約第一の値から約第二の値までにわたる。成分の重量値が最大値（”ｍａｘ”）で与えられている場合には、その物質は約零から約”ｍａｘ”までの範囲の量で与えられており、”ｍａｘ”を超えない。”残部”と定義されている材料の量はその材料の量が他の成分が添加された後の組成物の残部であることを意味する。更に、パーセントまたは割合が述べられている際は、別段明確に注意されていない限りは、基準は重量％基準である。
【００１１】
表  １
レニウム、オスミウム、イリジウム、
ルテニウム、ロジウム、白金およびパ
ラジウムの少なくとも１種                  ０．０１−２．００
希土類元素                                ０．５０  ｍａｘ
硼素                                      ０．００１−０．０４
炭素                                      ０．０８−０．１５
珪素                                      ０．０１−０．１０
クロム                                    ８．００−１３．００
タングステンおよびモリブデンの少な
くとも１種                                ０．５０−４．００
ニッケル、コバルト、マンガンおよび
銅のような少なくとも１種のオーステ
ナイト安定剤                              ０．００１−６．００
バナジウム                                ０．２５−０．４０
燐                                        ０．０１０  ｍａｘ
硫黄                                      ０．００４  ｍａｘ
窒素                                      ０．０６０  ｍａｘ
水素                                      ２ｐｐｍ  ｍａｘ
酸素                                      ５０ｐｐｍ  ｍａｘ
アルミニウム                              ０．００１−０．０２５
砒素                                      ０．００６０  ｍａｘ
アンチモン                                ０．００３０  ｍａｘ
スズ                                      ０．００５０  ｍａｘ
鉄                                        残部
白金族金属およびレニウム（Ｒｅ）は鋼の固溶体強化を高め、白金族金属は酸化抵抗を与える。これらの金属は元素の周期律表でタングステン（Ｗ）に近接して位置づけられており、タングステンと同様に鋼に対して有益な固溶体強化の効果を有している。これらの白金族金属はルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）およびイリジウム（Ｉｒ）を含む。イリジウムは非常に効果的な腐食および酸化抵抗性を有しており、従ってその鋼への添加は鋼の腐食および酸化抵抗性を高めることになろう。レニウムは白金族金属のように鋼の固溶体強化を高める。白金族金属は鋼の酸化抵抗性を高め、そして白金族金属は約５乃至約１０重量％の範囲の量で与えられたときにはおそらく第二相および析出物の生成からの利益を与える。
【００１２】
不純物含有量が比較的低いので希土類元素は鋼の時効脆化抵抗を改善する。鋼中の正確な希土類元素量は鋼の不純物含有量次第である。鋼の不純物レベルが増すにつれてより多くの希土類元素が必要とされる。例えば、不純物レベル次第で、希土類元素の量は鋼の約０．５重量％までの量、例えば約０．１乃至約０．２重量％の範囲のような量で与えられる。更には、希土類元素の量は約０．１乃至約０．１５重量％の範囲、例えば約０．１重量％である。
【００１３】
鋼の時効脆化を減少するには幾つかの希土類元素が効果的である。これらの希土類元素は限定はされないがイットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウムおよびエルビウム並びにこれらの金属の合金およびそれらの組合せが含まれる。本発明の一実施の態様ではランタンおよびイットリウムの少なくとも１種を約０．０１乃至約０．３重量％の範囲、例えば約０．１乃至０．１５重量％の範囲のような量で与える。例えば、ランタンおよびイットリウムの少なくとも１種の量は約０．１重量％である。
【００１４】
希土類元素はまた鋼中の偏析物の生成を制御する。例えば、ランタンは鋼中の偏析物の生成を減少することが分かった。
【００１５】
鋼中において硼素は結晶粒界に偏析してこれらの結晶粒界部位を占拠し、他の偏析物がこれらの部位を占拠するのを防ぐ。本発明による具体化では、鋼中において硼素は約０．０１乃至約０．０４重量％の範囲の量で与えられる。結晶粒界の部位にある硼素は鋼の弱化を防ぎ、その結果時効脆化を減少する。従って、硼素が結晶粒界の部位を占拠しているときは、鋼の破壊靭性の減少を緩和する。また、硼素は結晶粒界部位の強度に有害でなく、鋼の増大した凝集に対して有益である。更に、硼素は鋼のクリープ抵抗性を高めると思われる。
【００１６】
鋼中の不純物の減少はアルファプライム成分を減少し、その結果時効脆化を減少し時効および焼戻脆化抵抗を改善する。鋼中の不純物の削減は硼素の添加のように不純物が結晶粒界を占拠するのを防止するか、鋼中の珪素およびアルミニウムの少なくとも１種、好ましくは両者の量を減少するか、少なくともいずれか一つを行うことによって達成される。アルファプライムの減少および焼戻脆性抵抗の改善はクロム、モリブデンおよびタングステンのうちの二つの量を例えばバランスをとることにより変更して達成される。
【００１７】
本発明による具体化では、珪素は鋼中に約０．０１乃至約０．１重量％の量で与えられる。本発明による具体化では、アルミニウムは鋼中に約０．００１乃至約０．０２５重量％の量で与えられる。これら成分の両者とも上記量において結晶粒界における不純物の防止に寄与する。
【００１８】
本発明による鋼はクロムを含んでおり、クロムは時効脆化抵抗を高める（クロムはまた酸化抵抗も高める）。クロムの量は約８．０乃至約１３．０重量％の範囲、例えば約８．０乃至約１２．０重量％の範囲で与えられる。
【００１９】
オーステナイト安定剤は既知のオーステナイト安定剤を含み、そして限定はされないがニッケル、コバルト、銅、マンガンおよびこれらの元素の組合せを含んでおり、コバルトを或量含んでいる。鋼中におけるオーステナイト安定剤の量は約０．００１乃至約６．０重量％の範囲で与えられる。オーステナイト安定剤はできるだけ多くのコバルトを含む一方でニッケルの量を最小にし、オーステナイト安定剤を約０．００１乃至約６．０重量％の範囲に維持している。ニッケルは鋼中における成分としては好ましい焼戻時の靭性を提供するが、ニッケルは増大する脆化のような望ましくない時効特性を起こすので、（可能ならば）コバルトがオーステナイト安定剤として好ましい。従って、ニッケルとコバルトの量は時効脆化抵抗を焼戻時の靭性とともに高めるようにバランスをとることが好ましい。
【００２０】
本発明による具体化では、鋼は炭化物安定剤を含む。炭化物安定剤はタングステンおよびモリブデンの少なくとも１種を含む。炭化物安定剤は固溶体強化を高めるので鋼中には望ましい。炭化物安定剤の量は好ましくは鋼の約０．５０乃至約４．００重量％の範囲である。
【００２１】
更に、本発明の一実施の態様による鋼は鋼の靭性およびクリープ抵抗性を高めるために０．５０重量％までの量のニオブ（Ｎｂ）を含有する。ニオブは鋼の約０．０１乃至約０．５重量％、例えば約０．０５重量％の量で与えられると、介在物を制御し、微細な結晶粒構造例えば微細なマルテンサイト構造を高める。ニオブによって与えられるような、微細な結晶粒構造と制御された結晶粒度との組合せは鋼の靭性を高める。
【００２２】
鋼の靭性を高める比較的微細な結晶粒構造は、鋼中にニッケル、銅、マンガンおよびコバルトをこれらの成分の合計重量％が約６．０未満である低い重量％で存在することによっても与えられる。例えば、本発明の一実施の態様による鋼はニッケルを約０．１乃至約４．０重量％の範囲でコバルトを約０．５乃至約６．０重量％の範囲で含む。あるいは、鋼はニッケルを約０．１乃至約２．０重量％の範囲でコバルトを約１．０乃至約４．０重量％の範囲で含む。上記に論じたとおり、ニッケルの量は、望ましくない時効脆化効果を防ぐ一方でその望ましい鋼における靭性効果を維持するために、コバルトとバランスがとられる。
【００２３】
鋼の靭性はまた偏析物と第二相の生成を減少し制御することによっても高められる。偏析物と第二相の生成の減少は鋼中の珪素、アルミニウム、ニッケル、マンガン、硫黄、燐、砒素、スズおよびアンチモンの量を減少することによって達成される。あるいは、偏析物と第二相の生成を制御するために比較的少量のこれらの成分が与えられる。例えば、好ましくは鋼は全て重量％で表して概略でマンガン０．０５、珪素０．０１、燐０．０１、スズ０．００５、アンチモン０．００３、砒素０．００６、アルミニウム０．０２５および硫黄０．００４、より多く含有すべきでない。従って、偏析物形成添加物の低い添加量の鋼は”スーパークリーン”鋼と呼ばれ、向上された靭性を達成する。
【００２４】
第二相の生成の制御は鋼の靭性を増す。第二相の生成の制御は更にモリブデンおよびタングステンの少なくとも１種の析出物を安定化することにより鋼に与えられる。モリブデンおよびタングステンはクリープ抵抗性を制御し改善するので鋼中に制御されバランスのとられた量で存在するのが望ましい。本発明の一実施の態様によれば、モリブデンの重量％とタングステンの重量％の１／２の和は約１．５に等しい、即ち、１．５≧Ｍｏ＋ 1/2Ｗである。この関係は第二相の生成を減少し、鋼のクリープ抵抗性を改善する。
【００２５】
以上本発明の実施の態様を開示したが、諸元素の種々の組合せ、その変更又は改善が本発明の範囲内で当業者によってなし得ることがこの明細書から認識されよう。