CN103154294B - 耐热性和加工性优异的铁素体系不锈钢 - Google Patents

耐热性和加工性优异的铁素体系不锈钢 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种防止由Cu导致的抗氧化性的降低，并且在不添加Mo、W等高价的元素的情况下就能使耐热性（抗氧化性、热疲劳特性和高温疲劳特性）和加工性均变优异的铁素体系不锈钢。具体而言，所述铁素体系不锈钢以质量%计含有C：0.015%以下、Si：0.4～1.0%、Mn：1.0%以下、P：0.040%以下、S：0.010%以下、Cr：12%以上且小于16%、N：0.015%以下、Nb：0.3～0.65%、Ti：0.15%以下、Mo：0.1%以下、W：0.1%以下、Cu：1.0～2.5%、Al：0.2～1.0%，并且满足Si≥Al，余量由Fe和不可避免的杂质构成。

Description

耐热性和加工性优异的铁素体系不锈钢
技术领域
本发明涉及一种铁素体系不锈钢，其适用于汽车（automobile）和摩托车（motorcycle）的排气管（exhaust pipe），催化剂外筒材料（也称为催化转化器壳（converter case））或火力发电设备（thermal electric power plant）的排气管道（exhaust air duct）等在高温环境下使用的排气系统部件，并且兼备高的耐热性（热疲劳特性、抗氧化性、高温疲劳特性）和加工性。
背景技术
对于汽车的在排气系统环境下使用的排气歧管（exhaust manifold）、排气管、催化转化壳、消声器（muffler）等排气系统部件要求热疲劳特性（thermal fatigueproperty）、高温疲劳特性（high-temperature fatigue property）、抗氧化性（oxidationresistance）（以下，将它们统称为“耐热性（heat resistance property）”）优异。排气歧管等由于反复进行发动机的启动和停止（initiation and stop of engine operation）而受到加热和冷却，且因与周边部件的关系而呈被约束的状态，因此原材料自身的热膨胀、热收缩被限制，产生热应变（thermal strain）。由该热应变引起的疲劳现象即为热疲劳（thermal fatigue）。另一方面，在发动机启动中在加热的状态下连续受到振动。由该振动导致的应变的积蓄所引起的疲劳现象（fatigue phenomena）即为高温疲劳（high-temperature fatigue）。前者为低循环疲劳（low-cycle fatigue），后者为高循环疲劳（high-cycle fatigue），是完全不同的疲劳现象。
对于要求这样的耐热性的用途，现在大多使用添加有Nb和Si的例如像Type429（14Cr-0.9Si-0.4Nb系）这样的含Cr钢。但是，伴随发动机性能的提高，如果排气温度（exhaust gas temperature）上升至超过900℃的温度，则Type429的热疲劳特性将变得不充分。
针对该问题，开发有添加Nb和Mo而提高高温耐力的含Cr的钢、JIS G4305规定的SUS444（19Cr-0.5Nb-2Mo）、降低Cr的含量且添加有Nb、Mo、W的铁素体系不锈钢等（例如，专利文献1参照）。然而，最近Mo、W等稀有金属（rare metal）原料的价格异常高涨，因已开始需要使用廉价的原料来开发出具有同等的耐热性的材料。
作为不使用高价元素Mo、W的耐热性优异材料，例如，已知专利文献2～4中公开的材料。专利文献2中公开了在10～20质量%Cr钢中添加有Nb：0.50质量%以下、Cu：0.8～2.0质量%、V：0.03～0.20质量%的汽车排气管部件用铁素体系不锈钢。专利文献3中公开了在10～20质量%Cr钢中添加有Ti：0.05～0.30质量%、Nb：0.10～0.60质量%、Cu：0.8～2.0质量%、B：0.0005～0.02质量%的热疲劳特性优异的铁素体系不锈钢。专利文献4中公开了在15～25质量%Cr钢中添加有Cu：1～3质量%的汽车排气系统部件用铁素体系不锈钢。这些专利文献中公开的钢的特征是均通过添加Cu来提高热疲劳特性。
专利文献1:日本特开2004-018921号公报
专利文献2:国际公开2003/004714号册子
专利文献3:日本特开2006-117985号公报
专利文献4:日本特开2000-297355号公报
发明内容
然而，根据发明人等的研究，发现如上述专利文献2～4中公开的技术那样添加Cu时，虽然热疲劳特性提高，但钢自身的抗氧化性反而降低，从总体来看，耐热性变差。
另外，伴随汽车车体的轻型化，排气歧管可在发动机空间（engine space）中占有的空间变小，所以对于排气歧管还要求能够加工成复杂的形状。
本发明是鉴于上述情况而进行的，其目的在于，提供一种防止由Cu导致的抗氧化性的降低，并且在不添加Mo、W等高价元素的情况下，耐热性（抗氧化性、热疲劳特性和高温疲劳特性）和加工性也均优异的铁素体系不锈钢。
应予说明，本发明的“耐热性优异”是指抗氧化性、热疲劳特性和高温疲劳特性为与SUS444同等以上。具体而言，对于抗氧化性，是指950℃的抗氧化性为与SUS444同等以上，对于热疲劳特性，是指在100-850℃之间重复时的热疲劳特性为与SUS444同等以上，关于高温疲劳特性，是指850℃的高温疲劳特性为与SUS444同等以上。另外，本发明的“加工性优异”是指室温下的三方向平均伸长率为36%以上。
发明者人等为了开发防止现有技术所具有的由Cu导致的抗氧化性的降低，并且在不添加Mo、W等高价的元素的情况下也兼备抗氧化性和热疲劳特性的铁素体系不锈钢，进行了反复深入的研究。其结果发现，通过Nb以0.3～0.65质量%、Cu以1.0～2.5质量%的范围，将它们复合含有，则在广范围的温度区域可得到高的高温强度，改善热疲劳特性，另外还发现通过含有适量的Al（0.2～1.0质量%）而可防止因含Cu而导致的抗氧化性的降低，进而，通过将Nb、Cu和Al控制在上述适当范围，从而首次发现即使不添加Mo、W也能得到与SUS444同等以上的耐热性（热疲劳特性、抗氧化性）。另外，对在如作为实际的排气歧管等使用的情况那样的含有水蒸气的环境下的抗氧化性进行改善的手段进行了深入研究，其结果发现通过使Si量优化（0.4～1.0质量%），从而能使水蒸气气氛中的抗氧化性（以下，称为耐水蒸气氧化特性（water vapor oxidation resistance））也成为与SUS444同等以上。
另外，对于排气歧管这样的汽车排气系统部件等而言，因使用时的振动而导致的疲劳的特性也很重要。因此，发明人等对高温疲劳特性的改善手段进行了深入研究，发现通过使Si量和Al量的平衡优化（Si≥Al），能使高温疲劳特性也成为与SUS444同等以上。
并且，发明者人等对影响加工性和抗氧化性的Cr量的影响进行了深入研究，其结果发现通过使Cr量降低而可提高加工性，并且对此时的抗氧化性不产生大的影响。
以往以来已知通过减少Cr量来提高加工性，但仅减少Cr量则抗氧化性会降低，所以在以往如专利文献1那样通过添加Mo、W来代替Cr，从而弥补抗氧化性的降低。与此相对，在本发明中，发现通过适量添加Al，从而即使在不添加高价的元素Mo、W的情况下，减少Cr量也能够兼得优异的抗氧化性和加工性。
本发明是基于本发明人的如上见解而完成的。
即，本发明提供一种耐热性和加工性优异的铁素体系不锈钢，其特征在于，以质量%计，含有C：0.015%以下、Si：0.4～1.0%、Mn：1.0%以下、P：0.040%以下、S：0.010%以下、Cr：12%以上且小于16%、N：0.015%以下、Nb：0.3～0.65%、Ti：0.15%以下、Mo：0.1%以下、W：0.1%以下、Cu：1.0～2.5%、Al：0.2～1.0%，并且满足Si≥Al，余量由Fe和不可避免的杂质构成。
另外，本发明提供一种耐热性和加工性优异的铁素体系不锈钢，其特征在于，以质量%计，进一步含有选自B：0.003%以下、REM：0.08%以下、Zr：0.5%以下、V：0.5%以下、Co：0.5%以下以及Ni：0.5%以下中的1种或2种以上。
根据本发明，能够在不添加高价的Mo、W的情况下，廉价地得到具有与SUS444（JISG4305）同等以上的耐热性（热疲劳特性、抗氧化性、高温疲劳特性）和优异的加工性的铁素体系不锈钢。因此，本发明的钢适于汽车排气系统部件。
附图说明
图1是说明热疲劳试验片的图。
图2是说明热疲劳试验的温度、约束条件的图。
图3是说明高温疲劳试验片的图。
图4是表示Cu含量对热疲劳特性的影响的坐标图。
图5是表示Al含量对抗氧化性（氧化增量）的影响的坐标图。
图6是表示Si含量对耐水蒸气氧化特性（氧化增量）的影响的坐标图。
图7是表示Si含量-Al含量（Si-Al）对高温疲劳特性的影响的坐标图。
图8是表示Cr含量对耐水蒸气氧化特性（氧化增量）的影响的坐标图。
图9是表示Cr含量对室温下的三方向平均伸长率的影响的坐标图。
具体实施方式
首先，对完成本发明的基础实验进行说明。应予说明，在以下说明中，成分中的%全部表示质量%。
将以C：0.005～0.007%、N：0.004～0.006%、P：0.02～0.03%、S：0.002～0.004%、Si：0.85%、Mn：0.4%、Cr：14%、Nb：0.45%、Al：0.35%、Ti：0.007%、Mo：0.01～0.03%、W：0.01～0.03%的成分组成为基础且使Cu的含量在0～3%的范围内改变的钢，进行实验室熔炼制成50kg钢锭，锻造该钢锭，进行热处理形成截面积为35mm×35mm的钢材，由该钢材制作如图1所示的尺寸的热疲劳试验片（thermal fatigue test specimen）。然后，以如图2所示的约束率（restraint ratio）：0.30在100℃-850℃之间反复赋予加热·冷却的热处理，测定热疲劳寿命（thermal fatigue life）。应予说明，用图1所示的试验片均热平行部的截面积（crosssection）除在100℃中检测出的负荷而算出应力（stress），将相对于上一循环（cycle）的应力，应力开始连续降低时的最小的循环数作为上述热疲劳寿命。其相当于试验片产生裂纹（crack）的循环数。应予说明，作为比较，也对SUS444（Cr：19%-Mo：2%-Nb：0.5%钢）进行相同的试验。
图4表示Cu含量对上述热疲劳试验中的热疲劳寿命的影响。从该图可知，通过使Cu含量为1.0%以上，从而可得到与SUS444的热疲劳寿命（约1350循环）同等以上的热疲劳寿命，因此，为了改善热疲劳特性，使Cu含量为1.0%以上是有效的。
接着，将以C：0.006%、N：0.007%、P：0.02～0.03%、S：0.002～0.004%、Mn：0.2%、Si：0.85%、Cr：14%、Nb：0.49%、Cu：1.5%、Ti：0.007%、Mo：0.01～0.03%、W：0.01～0.03%的成分组成为基础且使Al含量在0～2%的范围内改变的钢，进行实验室熔炼制成50kg钢锭，对该钢锭进行热轧（hot rolling）、热轧板退火、冷轧（cold rolling）、最终退火（finishingannealing），制成板厚2mm的冷轧退火板（cold rolled and annealed steel sheet）。从如上所述得到的冷轧钢板中切出30mm×20mm的试验片，在该试验片上部开口4mmφ的孔，用＃320的砂纸（emery paper）研磨表面和端面，脱脂（degreased）后供于下述的大气中连续氧化试验。
＜大气中连续氧化试验（continuous oxidation test in air）＞
将上述试验片在加热至950℃的大气气氛的炉中保持200小时，测定加热试验前后的试验片的质量之差，求出每单位面积的氧化增量（g/m2）。
图5表示Al含量对上述大气中连续氧化试验中的氧化增量的影响。由该图可知，通过使Al含量为0.2%以上，从而可得到与SUS444同等以上的抗氧化性（氧化增量：19g/m2以下）。
接着，将以C：0.006%、N：0.007%、P：0.02～0.03%、S：0.002～0.004%、Mn：0.2%、Al：0.45%、Cr：14%、Nb：0.49%、Cu：1.5%、Ti：0.007%、Mo：0.01～0.03%、W：0.01～0.03%的成分组成为基础且使Si含量进行各种改变的钢，进行实验室熔炼制成50kg钢锭，对该钢锭进行热轧、热轧板退火、冷轧、最终退火，制成板厚2mm的冷轧退火板。从如上述所得到的冷轧钢板中切出30mm×20mm的试验片，在该试验片上部开口4mmφ的孔，用＃320的砂纸研磨表面和端面，脱脂后供于下述的水蒸气气氛连续氧化试验。
＜水蒸气气氛中连续氧化试验（continuance oxidation test in water vapouratmosphere）＞
使用上述试验片，在将10vol%CO2-20vol%H2O-5vol%O2-bal.N2气体以0.5L/min流通而设为水蒸气气氛并加热至950℃的炉中保持200小时，测定加热试验前后的试验片的质量之差，求出每单位面积的氧化增量（g/m2）。
图6表示Si含量对上述水蒸气氧化试验中的氧化增量的影响。由该图可知，如果不使Si含量为0.4%以上，则得不到与SUS444同等的耐水蒸气氧化性（氧化增量：37g/m2以下）。
接着，将以C：0.006%、N：0.007%、P：0.02～0.03%、S：0.002～0.004%、Mn：0.2%、Cr：14%、Nb：0.49%、Cu：1.5%、Ti：0.007%、Mo：0.01～0.03%、W：0.01～0.03%的成分组成为基础且使Si、Al的含量进行各种改变的钢，进行实验室熔炼制成50kg钢锭，对该钢锭进行热轧、热轧板退火、冷轧、最终退火，制成板厚2mm的冷轧退火板。从如上所述得到的冷轧钢板制成如图3所示的形状的高温疲劳试验片，供于下述的高温疲劳试验。
＜高温疲劳试验＞
使用上述试验片，利用申克式疲劳试验机（Schenck type fatigue testingmachine）在850℃下以22Hz（1300rpm）对钢板施加交变，由此进行评价。应予说明，试验时对钢板表面负载70MPa的弯曲应力，用直到断裂的疲劳次数（循环）来评价。
图7表示Si-Al对上述高温疲劳试验中的疲劳次数（循环）的影响。由该图可知，为了得到与SUS444同等的高温疲劳寿命（24×105循环），需要满足Si≥Al。
接着，将以C：0.006%、N：0.007%、P：0.02～0.03%、S：0.002～0.004%、Mn：0.2%、Si：0.85%、Al：0.45%、Nb：0.49%、Cu：1.5%、Ti：0.007%、Mo：0.01～0.03%、W：0.01～0.03%的成分组成为基础且使Cr含量进行各种改变的钢，进行实验室熔炼制成50kg钢锭，对该钢锭进行热轧、热轧板退火、冷轧、最终退火，制成板厚2mm的冷轧退火板。从如上所述得到的冷轧钢板切出30mm×20mm的试验片，在该试验片上部开口4mmφ的孔，用＃320的砂纸研磨表面和端面，脱脂后供于上述水蒸气氧化试验。
图8表示Cr含量对上述水蒸气氧化试验中的氧化增量的影响。由该图可知，只要Cr含量为12%以上就可得到与SUS444同等的耐水蒸气氧化性（氧化增量：37g/m2以下）。
另外，由这些冷轧退火板制作分别以轧制方向（L方向）、与轧制方向成直角的方向（C方向）以及与轧制方向成45°的方向（D方向）为拉伸方向的JIS13B号拉伸试验片，在室温下进行拉伸试验。在室温下进行各方向的拉伸试验而测定断裂伸长率，由下述式求出平均伸长率El。
平均伸长率El（%）=（EL+2ED+EC）/4
此处，EL：L方向的El（%）、ED：D方向的El（%）、EC：C方向的El（%）
图9表示Cr含量对此时的三方向（L、C、D方向）平均伸长率的值的影响，如该图所示，可知Cr含量小于16%时，可得到三方向（L、C、D方向）的平均伸长率为36%以上的良好的加工性。
本发明是根据如上的基础实验的结果加上进一步的研究而完成的。
以下，对本发明所涉及的铁素体系不锈钢进行详细说明。
首先，对本发明的成分组成进行说明。
C：0.015%以下
C是对提高钢的强度有效的元素，但如果超过0.015%地含有则韧性和成型性的降低变得显著。因此，在本发明中，使C含量为0.015%以下。应予说明，从确保成型性的观点出发，C含量越低越优选，优选为0.008%以下。另一方面，为了确保作为排气系统部件的强度，C含量优选为含有0.001%以上，更优选为0.002～0.008%的范围。
Si：0.4～1.0%
Si是用于提高水蒸气气氛中的抗氧化性的重要元素。如图6所示，为了得到与SUS444同等的耐水蒸气氧化性（water vapor oxidation resistance），需要含有0.4%以上。另一方面，如果Si含量超过1.0%则加工性显著降低。因此，使Si含量为0.4～1.0%的范围。更优选为0.5～0.9%的范围。通过使Si含量为0.4%以上而可提高耐水蒸气氧化特性的详细机理（mechanism）并不明确，但认为通过使Si为0.4%以上，从而在钢板表面连续地生成致密的Si氧化物层，抑制来自外部的气体成分的侵入，所以提高了耐水蒸气氧化特性。需要更苛刻的环境下的抗氧化性的情况下，优选使Si含量为0.5%以上。
Mn：1.0%以下
Mn是提高钢的强度的元素，也具有作为脱氧剂的作用，如果过量含有则在高温下容易生出γ相，使耐热性降低。因此，使Mn含量为1.0%以下。优选为0.7%以下。另外，为了得到提高强度的效果和脱氧效果，优选为0.05%以上。
P：0.040%以下
P是降低韧性的有害元素，优选尽可能减少。因此，使P含量为0.040%以下。优选为0.030%以下。
S：0.010%以下
S是使伸长率、r值降低，对成型性产生不良影响，并且使作为不锈钢的基本特性的耐腐蚀性降低的有害元素，所以优选尽可能减少。因此，使S含量为0.010%以下。优选为0.005%以下。
Cr：12%以上且小于16%
Cr是对提高作为不锈钢的特征的耐腐蚀性、抗氧化性有效的重要元素，但如果其含量小于12%，则得不到充分的抗氧化性。另一方面，Cr是在室温下使钢固溶强化、硬质化、低延性化的元素，特别是如果其含量成为16%以上，则上述弊端变得显著。因此，使Cr含量为12%以上且小于16%的范围。优选为12～15%的范围。
N：0.015%以下
N是降低钢的韧性和成型性的元素，如果超过0.015%地含有则上述降低变得显著。因此，使N含量为0.015%以下。应予说明，从确保韧性、成型性的观点出发，N优选尽可能减少，优选为小于0.010%。
Nb：0.3～0.65%
Nb是具有与C、N形成碳化物（carbide）、氮化物（nitride）或碳氮化合物（carbonitride）而进行固定，提高耐腐蚀性、成型性、焊接部的耐晶间腐蚀性（intergranular corrosion resistance）的作用，以及具有使高温强度（high-temperature strength）上升而提高热疲劳特性的效果的元素。在含有0.3%以上时可确认这样的效果。另一方面，如果其含量超过0.65%，则作为Fe与Nb的金属间化合物的Laves相（Fe2Nb）变得容易析出而促进脆化。因此，使Nb含量为0.3～0.65%的范围。优选为0.4～0.55%的范围。
Mo：0.1%以下
Mo是高价的元素，根据本发明的主旨也不进行积极的添加。但是，有时会从作为原料的碎屑（scrap）等以0.1%以下的范围被混入。因此，使Mo含量为0.1%以下。
W：0.1%以下
W是与Mo同样的高价元素，根据本发明的主旨也不进行积极的添加。但是，有时会从作为原料的碎屑等以0.1%以下的范围被混入。因此，使W含量为0.1%以下。
Cu：1.0～2.5%
Cu是对热疲劳特性的提高非常有效的元素。如图3所示，为了得到与SUS444同等以上的热疲劳特性，需要使Cu含量为1.0%以上。但是，如果其含量超过2.5%，则在热处理后的冷却时ε-Cu析出，钢显著硬质化，并且热加工时变得容易引起脆化。更重要的是虽然通过含有Cu而热疲劳特性提高，但是钢自身的抗氧化性反而降低，从总体来看，耐热性降低。其原因并不十分明确，但可认为在生成的氧化皮正下方的脱Cr层中Cu稠化，抑制作为提高不锈钢本来的抗氧化性的元素的Cr的再扩散。因此，使Cu含量为1.0～2.5%的范围。更优选为1.1～1.8%的范围。
Ti：0.15%以下
Ti与Nb相同，具有固定C、N，提高耐腐蚀性或成型性、焊接部的晶间腐蚀性的作用。但是，对于这样的效果，在含有Nb的本发明的成分体系中，如果其含量超过0.15%则饱和，并且由于固溶硬化而钢发生硬质化。因此，使Ti含量为0.15%以下。Ti与Nb相比容易与N结合，容易生成粗大的TiN。粗大的TiN容易成为裂纹的起点，使韧性降低，所以需要热轧板的韧性时优选为0.01%以下。应予说明，在本发明中不需要积极地含有Ti，因此，下限为含有0%。
Al：0.2～1.0%
如图5所示，Al是用于提高添加有Cu的钢的抗氧化性所必不可少的元素。另外，Al通过在钢中固溶而也可作为固溶强化元素发挥作用，特别是具有使在超过800℃的温度下的高温强度上升的效果，所以在本发明中是用于提高高温疲劳特性的重要的元素。为了得到作为本发明的目标的与SUS444同等以上的抗氧化性，Al需要含有0.2%以上。另一方面，如果超过1.0%地含有则钢发生硬质化而加工性降低。因此，使Al含量为0.2～1.0%的范围。更优选为0.3～1.0%的范围。进一步优选为0.3～0.5%的范围。
Si≥Al
如上所述，Al通过在钢中固溶，从而也作为固溶强化元素（solid solutionstrengthening element）发挥作用，特别是具有使在超过800℃的温度下的高温强度上升的效果，所以在本发明中是用于提高高温疲劳特性的重要的元素，Si是用于有效地活用这样的Al的固溶强化作用的重要元素。Si量少于Al量时，在高温下Al优先形成氧化物（oxide）、氮化物（nitride），固溶Al量减少，所以Al不再有助于强化。另一方面，如果Si量比Al量多，则Si优先氧化，在钢板表面连续地形成致密的氧化物层。该氧化物层成为氧气、氮气的扩散（diffusion）的障碍（barrier），抑制来自外部的氧气、氮气的扩散，所以Al能够不发生氧化、氮化地保持固溶状态，通过固溶强化而使钢强化并提高高温疲劳特性。因此，为了得到与SUS444同等以上的高温疲劳特性，需要满足Si≥Al。
本发明的铁素体系不锈钢除上述必需的成分之外，可进一步以下述范围含有选自B、REM、Zr、V、Co以及Ni中的1种或2种以上。
B：0.003%以下
B是对提高加工性，特别是2次加工性有效的元素。但是，如果其含量超过0.0030%，则生成BN而使加工性降低。因此，含有B时使其含量为0.0030%以下。0.0004%以上时可有效地发挥上述效果，所以更优选为0.0004～0.0030%的范围。
REM：0.08%以下，Zr：0.5%以下
REM（稀土类元素）和Zr均为改善抗氧化性的元素，在本发明中，可根据需要含有。但是，如果REM含量超过0.080%，则钢脆化，另外，如果Zr含量超过0.50%，则Zr金属间化合物析出，钢仍会脆化。因此，含有REM时使其含量为0.080%以下，含有Zr时使其含量为0.50%以下。REM为0.01%以上、Zr为0.0050%以上时可有效地发挥上述效果，因此，REM含量优选为0.01～0.080%，Zr含量优选为0.0050%～0.50%的范围。
REM：0.08%以下，Zr：0.5%以下
V：0.5%以下
V是对加工性的提高和抗氧化性有效的元素。但是，如果其含量超过0.50%，则粗大的V（C、N）析出，使表面性状变差。因此，含有V时，使其含量为0.50%以下。0.15%以上时可有效地发挥提高加工性和抗氧化性的效果，所以优选为0.15～0.50%。更优选为0.15～0.4%的范围。
Co：0.5%以下
Co是对韧性的提高有效的元素。但是，Co是高价的元素，另外，即使其含量超过0.5%，上述效果也饱和。因此，含有Co时，使其含量为0.5%以下。0.02%以上时可有效地发挥上述效果，所以优选为0.02～0.5%的范围。更优选为0.02～0.2%的范围。
Ni：0.5%以下
Ni是提高韧性的元素。但是，Ni高价，并且是高强度的γ相形成元素，所以在高温下生成γ相，其含量超过0.5%时，使抗氧化性降低。因此，含有Ni时，使其含量为0.5%以下。0.05%以上时可有效地发挥上述效果，所以优选为0.05～0.5的范围。更优选为0.05～0.4%的范围。
余量为Fe和不可避免的杂质。优选不可避免的杂质中的O为0.010%以下、Sn为0.005%以下、Mg为0.005%以下、Ca为0.005%以下。更优选O为0.005%以下、Sn为0.003%以下、Mg为0.003%以下、Ca为0.003%以下。
接着，对本发明的铁素体系不锈钢的制造方法进行说明。
本发明的不锈钢可以利用铁素体系不锈钢的通常的制造方法制造，其制造条件没有特别限定。例如，可以将如下方法作为优选的制造方法举出，即，利用转炉（steelconverter）、电炉（electric furnace）等公知的熔炉（melting furnace）将钢熔炼，或者进一步通过钢包精炼（ladle refining）、真空精炼（vacuum refining）等二次精炼（secondary refining）而制成具有上述本发明的成分组成的钢，接着，利用连续铸造法（continuous casting）或铸锭（ingot casting）-初轧法（blooming rolling））制成钢片（板坯）（slab），其后，经由热轧（hot rolling）、热轧板退火（hot rolled annealing）、酸洗（pickling）、冷轧（cold rolling）、最终退火（finishing annealing）、酸洗等各工序制成冷轧退火板（cold rolled and annealed sheet）。应予说明，上述冷轧可以进行1次，或者进行2次以上夹带中间退火（process annealing）的冷轧，另外，冷轧、最终退火、酸洗各工序可以反复进行。并且，也可以根据情况省略热轧板退火，要求钢板表面的光泽性时，可以在冷轧后或最终退火后实施平整轧制（skin pass rolling）。
作为更优选的制造条件，可举出如下所示的条件。
优选使热轧工序和冷轧工序的一部分条件设为特定条件。另外，在炼钢中，将含有上述必需成分和根据需要而含有的成分的钢液用转炉或电炉等熔炼，并优选利用VOD法（Vacuum Oxygen Decarburization method）进行二次精炼。熔炼后的钢液可以根据公知的制造方法形成钢素材，从生产率和质量的观点出发，优选利用连续铸造法。例如，将通过连续铸造而得到的钢素材加热至1000～1250℃，通过热轧而制成所希望的板厚的热轧板。当然，也可以加工成板材以外。根据需要，对该热轧板实施600～800℃的间歇式退火（batchannealing）或900～1100℃的连续退火（continuous annealing）后，通过酸洗等进行除氧化皮，形成热轧板制品。另外，也可以根据需要，在酸洗之前进行喷丸（shot blasting）来除去氧化皮（descale）。
然后，为了得到冷轧退火板，将上述得到的热轧退火板经由冷轧工序制成冷轧板。在该冷轧工序中，根据生产上的情况，可根据需要进行2次以上包括中间退火的冷轧。使由1次或2次以上冷轧构成的冷轧工序的总压下率为60%以上，优选为70%以上。对冷轧板实施900～1150℃，进一步优选为950～1120℃的连续退火（最终退火），接着实施酸洗，制成冷轧退火板。另外，根据用途，也可以在冷轧退火后施加轻度的轧制（平整轧制等）来进行钢板的形状、品质的调整。
使用利用这样的制造方法而得到的热轧板制品或冷轧退火板制品，实施根据各种用途的弯曲加工（bending work）等而成型为汽车或摩托车的排气管、催化剂外筒材料以及火力发电设备的排气管道或燃料电池相关部件（例如隔板（separator）、内部连接器（interconnector）、变换器等）。用于焊接这些部件的焊接方法没有特别限定，可以使用MIG（MetalInert Gas）、MAG（Metal Active Gas）TIG（Tungsten Inert Gas）等通常的电弧焊接方法（arc welding），点焊（spot welding）、缝焊（seam welding）等电阻焊接方法（resistancewelding）以及电阻缝焊方法（electric resistance welding）等高频电阻焊接（high-frequency resistance welding）、高频感应焊接（high frequency induction welding）。
实施例
［实施例1］
将具有表1所示的成分组成的No.1～23的钢用真空熔炉熔炼、铸造，制成50kg钢锭，进行锻造而分为2个。其后，将分为2个的1个钢锭加热至1170℃后，进行热轧，制成板厚5mm的热轧板，以1020℃的温度进行热轧板退火、酸洗、压下率60%的冷轧，以1040℃进行最终退火，以平均冷却速度5℃/sec进行冷却并酸洗，制成板厚为2mm的冷轧退火板。No.1～11是本发明的范围内的本发明例，No.12～23是本发明的范围外的比较例。应予说明，比较例中，No.19相当于Type429的组成，No.20相当于SUS444的组成，No.21、22、23分别相当于专利文献2的发明例3、专利文献3的发明例3、专利文献4的发明例5的组成。
对于以上得到的No.1～23的冷轧退火板，供于以下所示的两种连续氧化试验、高温疲劳试验、室温拉伸试验。
＜大气中连续氧化试验（continuance oxidation test in air）＞
从如上所述得到的各种冷轧退火板切取30mm×20mm的样品，在样品上部开口4mmφ的孔，用＃320的砂纸研磨表面和端面，脱脂后，悬挂在加热保持为950℃的大气气氛的炉内，保持200小时。试验后，测定样品的质量，求出与预先测定的试验前的质量的差，算出氧化增量（g/m2）。应予说明，试验各实施2次，用其平均值评价大气中的抗氧化性。
＜水蒸气气氛中连续氧化试验（continuance oxidation test in water vapouratmosphere）＞
从如上所述得到的各种冷轧退火板切取30mm×20mm的样品，在样品上部开口4mmφ的孔，用＃320的砂纸研磨表面和端面，进行脱脂。其后在流通0.5L/min10vol%CO2-20vol%H2O-5vol%O2-bal.N2气体设成水蒸气气氛且加热至950℃的炉中保持200小时，试验后，测定样品的质量，求出与预先测定的试验前的质量的差，算出氧化增量（g/m2）。
＜高温疲劳试验（high-temperature fatigue test）＞
从如上所述得到的各种冷轧退火板切取如图3所示的形状的试验片，利用申克式疲劳试验机在850℃中以1300rpm（22Hz）对钢板施加交变。应予说明，试验时对钢板表面负载70MPa的弯曲应力，用直到断裂的疲劳次数来评价。
＜室温拉伸试验＞
由上述冷轧退火板制作分别以轧制方向（L方向）、与轧制方向成直角的方向（C方向）和与轧制方向成45°的方向（D方向）为拉伸方向的JIS13B号拉伸试验片，在室温下进行各方向的拉伸试验，测定断裂伸长率，由下述式求出平均伸长率El。
平均伸长率El（%）=（EL+2ED+EC）/4
此处，EL：L方向的El（%），ED：D方向的El（%），EC：C方向的El（%）。
［实施例2］
将实施例1中分为2个的50kg钢锭的另一个钢锭加热至1170℃后，进行热轧，制成厚度：30mm×宽度：150mm的薄板坯。其后，将该薄板坯锻造，形成35mm□的板坯，以1040℃进行退火后，进行机械加工，加工成图1所示的尺寸的热疲劳试验片，供于以下所示的热疲劳试验。
＜热疲劳试验（thermal fatigue test）＞
热疲劳试验是在约束率0.30下，在100℃与850℃的温度间反复升温·降温，测定热疲劳寿命。此时，升温速度（heating rate）和降温速度（cooling rate）分别为10℃/sec，100℃下的保持时间为2min，850℃下的保持时间（holding time）为5min。另外，用试验片均热平行部的截面积除在100℃下检测出的负荷来算出应力，将相对于上一循环的应力，应力开始连续降低时的最小的循环数作为热疲劳寿命（thermal fatigue life）。
将上述实施例1的大气中连续氧化试验、水蒸气气氛中连续氧化试验、高温疲劳试验以及室温拉伸试验的结果和实施例2的热疲劳试验的结果集中示于表2。由表2可知，本发明的范围内的本发明例的钢均具有与SUS444同等以上的耐热性（抗氧化性、热疲劳特性、高温疲劳特性）且具有室温下的三方向（L、C、D方向）平均伸长率为36%以上的优异加工性，确认到满足本发明的目标。与此相对，本发明的范围外的比较例的钢的抗氧化性、热疲劳特性、高温疲劳特性以及加工性均差，确认到没有达成本发明的目标。
工业上的可利用性
本发明的钢不仅适用于汽车等的排气系统部件，也可以适用于要求同样的特性的火力发电系统的排气系统部件、固体氧化物型的燃料电池用部件。
表2
下划线为本发明的范围外
*1:Type429 *2:SUS444 *3:专利文献2的发明例3
*4:专利文献3的发明例3 *5：专利文献4的发明例5

Claims (2)

1.一种铁素体系不锈钢，以质量％计含有C：0.015％以下、Si：大于0.5％且小于等于0.76％、Mn：1.0％以下、P：0.040％以下、S：0.010％以下、Cr：12％～14.3％、N：0.015％以下、Nb：0.3～0.65％、Ti：0.15％以下、Mo：0.1％以下、W：0.1％以下、Cu：1.0～2.5％、Al：0.2～1.0％，并且满足Si≥Al，余量由Fe和不可避免的杂质构成。
2.如权利要求1所述的铁素体系不锈钢，以质量％计进一步含有选自B：0.003％以下、REM：0.08％以下、Zr：0.5％以下、V：0.5％以下、Co：0.5％以下以及Ni：0.5％以下中的1种或2种以上。
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