JP2000297355A

JP2000297355A - 自動車排気系部品用フェライト系ステンレス鋼

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Publication number: JP2000297355A
Application number: JP11105872A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Nishiyama; 佳孝西山; Yoshio Taruya; 芳男樽谷
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2000-10-24
Anticipated expiration: 2019-04-13
Also published as: JP3468156B2

Abstract

(57)【要約】【課題】８００℃以上の高温自動車排気ガス環境で使用
される排気系部品として必要な強度、耐熱疲労特性およ
び耐酸化性を備えたフェライト系ステンレス鋼の提供。【解決手段】重量％にて、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１
％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：
０．００８％以下、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｃｕ：１〜３
％、Ｎ：０．１％以下、Ｍｏ：０〜３％、Ｎｉ：０〜１
％、Ｔｉ：０〜１％、Ｎｂ：０〜１％、Ｚｒ：０〜１
％、Ａｌ：０〜０．１５％、Ｍｏ：０〜３％およびＣ
ａ、Ｍｇ、Ｙ、希土類元素のうちの１種または２種以上
を合計で０〜０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可
避的不純物からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐熱性に優れた自
動車排気系部品用フェライト系ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車のエキゾーストマニホールドやフ
ロントパイプ等の排気系部品は、エンジンから排出され
る高温の燃焼ガスと接触する部位にあり、これを構成す
る材料には耐熱性、すなわち耐酸化性、高温強度および
耐熱疲労性等の特性が要求される。

【０００３】自動車排気マニホールド用材料として、従
来は鋳鉄が一般に用いられていた。しかし、近年の排ガ
ス規制の強化、さらにはエンジン性能の向上および車体
計量化による燃費向上等の要請に応えるため、ステンレ
ス鋼の溶接管が排気マニホールド用材料として使用され
るようになってきた。排ガス温度も９００℃を超えるよ
うになり、９００℃以上で優れた耐酸化性、高温強度お
よび耐熱疲労性を有する材料が必要となってきた。

【０００４】オーステナイト系ステンレス鋼は、優れた
耐熱性および加工性を有しており、その代表的な鋼種
は、ＳＵＳ３０４(18Cr-8Ni)、ＳＵＳ３１０Ｓ(25Cr-20
Ni)などである。しかし、オーステナイト系ステンレス
鋼は熱膨張係数が大きく、排気マニホールドのような加
熱と冷却の繰り返しを受ける用途においては、熱歪みに
起因する熱疲労によって破壊が生じやすい。

【０００５】一方、フェライト系ステンレス鋼は一般に
オーステナイト系ステンレス鋼より熱膨張係数が小さい
ため、耐熱疲労特性に優れている。従って、耐熱疲労性
および材料コストの面からは、フェライト系ステンレス
鋼が排気マニホールド用材料として適しているといえ
る。

【０００６】従来、排気マニホールド材料として、フェ
ライト系ステンレス鋼であるＳＵＨ４０９Ｌ、ＳＵＳ４
１０Ｌが用いられてきたが、排ガス温度の上昇と共に、
高温強度および耐酸化性が不足してくるという問題があ
った。この問題に対応するため、これまでに種々検討さ
れてきた。

【０００７】特開昭６４−８２５４号公報には、Ｎｂお
よびＭｏを含有させることにより高温での強度を改善し
た排ガス温度９００℃以上に対応できる１７％以上のＣ
ｒを含有するフェライト系ステンレス鋼が開示されてい
る。

【０００８】特開平４−２８０９４７号公報には、Ｎｂ
含有量の範囲をさらに広げて高温での強度を改善した排
気温度１０００℃に対応できる排気マニホールド用のフ
ェライト系ステンレス鋼が開示されている。

【０００９】しかしながら、上記フェライト系ステンレ
ス鋼は９００℃以上の高温域での強度改善度は小さく、
また６００〜７５０℃の中温度域では粗大なラーベス
（Ｍ₂Ｘ型）相が析出し固溶強化による強度確保が困難
となるため、高温強度特性および耐熱疲労特性とも十分
とは言えない。さらに、これらのフェライト系ステンレ
ス鋼は常温での加工性にも問題がある。

【００１０】特開平４−２２８５４７号公報には、Ｎｂ
含有量を高めることにより高温での高強が改善され、か
つ加工性も改善されたフェライト系ステンレス鋼が開示
されている。しかしながら、Ｃｒ量が１１．０〜１５．
０％であるため、９００℃以上では耐酸化性が不十分と
なる。

【００１１】特開昭６０−１４５３５９号公報には、Ｓ
ｉを高めて耐酸化性を改善したフェライト系ステンレス
鋼が開示されている。同公報には、高温強度を高めるに
は、Ｎｂ含有量を０．３％以下とし、しかも０．１％以
上の不結合（固溶）Ｎｂが存在すること、ならびにＳｉ
に富むラーベス相の形成が重要であると記載されてい
る。

【００１２】しかしながら、０．３％以下のＮｂ含有量
のみでは本質的に高温高強度化を図ることは困難であ
り、ラーベス相による析出強化は加熱初期にのみ有効な
場合もあるが、耐熱疲労特性の向上は期待できない。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、８０
０℃以上の高温自動車排気ガス環境で使用される排気系
部品として必要な強度、耐熱疲労性および耐酸化性を備
えたフェライト系ステンレス鋼を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、以下の
通りである。

【００１５】（１）重量％にて、Ｃ：０．１％以下、Ｓ
ｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．００８％以下、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｃｕ：１
〜３％、Ｎ：０．１％以下、Ｎｉ：０〜１％、Ｔｉ：０
〜１％、Ｎｂ：０〜１％、Ｚｒ：０〜１％、Ａｌ：０〜
０．１５％およびＣａ、Ｍｇ、Ｙ、希土類元素のうちの
１種または２種以上を合計で０〜０．１％を含有し、残
部がＦｅおよび不可避的不純物からなる自動車排気系部
品用フェライト系ステンレス鋼。

【００１６】（２）重量％にて、Ｃ：０．１％以下、Ｓ
ｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．００８％以下、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｃｕ：１
〜３％、Ｎ：０．１％以下、Ｍｏ：０．１〜３％、Ｎ
ｉ：０〜１％、Ｔｉ：０〜１％、Ｎｂ：０〜１％、Ｚ
ｒ：０〜１％、Ａｌ：０〜０．１５％およびＣａ、Ｍ
ｇ、Ｙ、希土類元素のうちの１種または２種以上を合計
で０〜０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不
純物からなる自動車排気系部品用フェライト系ステンレ
ス鋼。

【００１７】本発明者らは、８００℃以上の高温の自動
車排気ガス環境にも対応できる高温強度、耐熱疲労特性
および耐酸化性を備えたフェライト系ステンレス鋼を開
発するため、種々の実験および検討を重ねた結果、下記
の知見を得て本発明を完成するに至った。

【００１８】ａ）フェライト系ステンレス鋼は、一般に
６００〜７５０℃温度域（以下、中温度域と記す）で高
温強度が急激に低下するが、耐熱疲労寿命を確保するに
は、最高加熱温度域での強度が重要であり、そのために
は中温度域での強度の低下を防止することが重要であ
る。

【００１９】ｂ）中温度域での強度の低下を防止する方
法には、固溶強化および析出強化等の強化法があるが、
フェライト系ステンレス鋼ではＭｏ，Ｎｂ等を積極添加
して焼鈍時に完全固溶させて固溶強化を図っても、中温
度域での固溶度は小さく、使用中に強化効果が経時的に
減少する。また、これら固溶元素はラーベス相として析
出するがその強化能は期待できない。

【００２０】ｃ）フェライト系ステンレス鋼は、中温度
域では第３元素の固溶度を高めることは容易ではないの
で、析出強化を図るのがよいが、粗大化しない析出物と
する必要がある。

【００２１】ｄ）析出物としてＣｕの析出物がよく、フ
ェライト系ステンレス鋼にＣｕを含有させると、中温度
域でＣｕの析出物が粒内に微細に析出し、しかもこの微
細析出物は時間経過による凝集粗大化が起こりにくいた
め、中温度域での強度低下抑制に効果がある。

【００２２】ｄ）さらに、Ｃｕは高温度域では固溶度が
大きくなり、微細Ｃｕ析出相は鋼中に再固溶する。その
ため、高温域での固溶強化の効果が大きい。

【００２３】ｅ）これらの挙動は、可逆的に起こるた
め、加熱、冷却を繰り返す自動車排気環境における全温
度域で、恒久的に強度を維持することが可能となる。

【００２４】ｆ）Ｃｕ含有フェライト系ステンレス鋼で
は耐酸化性の点からＭｎを１％以下に低減することが重
要であ。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明のフェライト系ステンレス
鋼の化学組成について説明する。なお、以下の％表示は
重量％を示す。

【００２６】Ｃ、Ｎ：ＣおよびＮは、強度を向上させる
ために有効な元素である。しかし、含有量が０．１％を
超えると耐食性、耐酸化性および靭性が低下する。その
ため、それぞれ上限を０．１％とした。好ましくは０．
０５％以下、さらに好ましくは０．０３％以下である。

【００２７】Ｓｉ：Ｓｉは、高温使用時における耐酸化
性向上のために有効な元素である。しかし、含有量が１
％を超えると靭性が著しく低下する。特にＣｕを含有さ
せている場合はその影響が大きい。そのため、上限を１
％とした。好ましくは０．８％以下である。

【００２８】Ｍｎ：Ｍｎは、高温強度を高める働きがあ
り、また鋼中Ｓを固定し熱間加工性を改善する効果があ
る。しかし、Ｃｕを含有させたフェライト系ステンレス
鋼の場合は、Ｍｎ含有量が１％を超ええると耐酸化性、
とりわけスケール密着性を阻害する。そのため、上限を
１％とした。好ましくは０．７％以下、さらに好ましく
は０．４％以下である。

【００２９】Ｐ：Ｐは、熱間加工性、耐酸化性を低下さ
せるため、可能な限り低くすることが好ましい。しか
し、過度の低減は製造コスト増につながるため、上限を
０．０５％とした。好ましくは０．０４％以下である。
さらに好ましくは０．０３５％以下である。

【００３０】Ｓ：Ｓは、Ｐと同様熱間加工性を著しく阻
害する。さらに耐酸化性に対しても悪影響を及ぼす。そ
のため、可能な限り低くすることが好ましい。しかし、
過度の低減は製造コスト増につながるため、上限を０．
００８％とした。好ましくは０．００６％以下である。
さらに好ましくは０．００４％以下である。

【００３１】Ｃｒ：Ｃｒは、重要な元素のひとつで、高
温での耐酸化性確保のために１５％以上が必要である。
一方、２５％を超えると、耐酸化性向上の効果は小さく
なり、かつ熱間加工性および靭性を著しく損なうので上
限を２５％とした。好ましいＣｒ含有量は１５〜２２％
である。

【００３２】Ｃｕ：Ｃｕは、重要な元素のひとつで、中
温度域で鋼中に微細に析出して析出強化作用があり、か
つ、高温度域で固溶強化作用を発揮する。これらの効果
を得るためには１％以上含有させることが必要である。
一方、３％を超えると熱間加工性等の製造性や耐酸化性
が低下するので、含有量の上限を３％とした。好ましく
は１〜２．５％、さらに好ましくは１〜２％である。中
温度域でのＣｕ析出物は主としてε−Ｃｕ相であり、Ｆ
ＣＣ構造を持つものやＨＣＰ構造を持つものがあるが、
強度向上はこれら構造に因るものではない。

【００３３】Ｎｉ：Ｎｉは、必要に応じて含有させるオ
ーステナイト形成元素である。また、Ｃｕ含有フェライ
ト系ステンレス鋼では、高温での耐酸化性の低下を抑制
する働きがある。含有させる場合、１％を超えると、組
織安定性が問題となることにより耐酸化性がむしろ低下
することになるので上限を１％とした。好ましくは０．
０２〜０．８％、さらに好ましくは０．０５〜０．８％
である。

【００３４】Ｔｉ：Ｔｉは、必要に応じて含有させる元
素であり、Ｎｂと同様にＣ、Ｎの固定元素として有効で
あり、一部Ｎｂと置換することができる。しかし、過剰
に含有させると圧延時の表面疵の原因となるため、上限
は１％とした。

【００３５】さらに、Ｔｉは鋼中のＳを安定化する作用
がある。すなわち、ＴｉはＭｎに比べてＳとの結合力が
強いため、鋼中でＴｉＳ、Ｔｉ(Ｃ、Ｓ)を形成する。Ｔ
ｉ系の硫化物は、鋼中Ｔｉ量にもよるが１１００〜１２
００℃付近まで安定であり、硫化物安定化元素のひとつ
として有効で、耐酸化性を改善する。

【００３６】また、Ｆｅ-Ｔｉ-Ｐ系析出物が析出し、耐
熱疲労特性が改善され、中温度域より９００℃以上での
高温強度を高める効果がある。

【００３７】Ｎｂ：Ｎｂは必要に応じて含有させる元素
で、固溶して高温強度を向上させる働きがある。また、
Ｎｂは炭窒化物としてＣ、Ｎを固定する作用があるた
め、耐食性および耐酸化性改善に効果を発揮する。しか
し、過剰に含有させると靭性に悪影響を及ぼすため上限
を１％とした。

【００３８】Ｚｒ：Ｚｒは、必要に応じて含有させる元
素で、適量含有させるとＳを固定し、耐酸化性を向上さ
せる。しかし、１％を超えて含有させるとＳ固定の意味
からは過剰であり、靭性にも悪影響を及ぼすので、上限
を１％とした。

【００３９】Ａｌ：Ａｌは、必要に応じて脱酸剤として
含有させる元素である。また、少量のＡｌは、耐酸化性
改善効果があり、また高温強度改善および靭性改善効果
も有する。しかし、過剰に含有させると加工性の低下を
招くため、上限を０．１５％とした。

【００４０】Ｍｏ：Ｍｏは、Ｎｂと同様、置換型固溶元
素として高温強度を向上させるのに有効で、必要に応じ
て含有させる。固溶強化によるＭｏの効果は０．１％以
上で有効となる。一方、過剰に含有させると加工性を低
下させ、また製造コスト高となるため、上限を３％とし
た。好ましくは０．２〜２．５％、さらに好ましくは
０．２〜２％である。

【００４１】Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ、希土類元素：Ｃａ、Ｍ
ｇ、Ｙおよび希土類元素は、耐酸化性を向上させ、酸化
スケールの密着性を向上させ脱Ｓ作用を有するので、必
要に応じて含有させる。１種のみの元素はもとより複数
元素を含有させても、それらの効果は変わらない。これ
らの元素の含有量の合計が０．００１％未満では効果が
十分でなく、合計で０．１％を超えて含有させると靭性
を劣化させるので上限を合計で０．１％とした。好まし
くは、０．００３〜０．０８％である。さらに好ましく
は、０．００５〜０．０５％である。

【００４２】本発明にかかるフェライト系ステンレス鋼
の製造方法は、通常のフェライト系ステンレス鋼の製造
方法と本質的に変わらない。電気炉または転炉で溶製
し、ＡＯＤ，ＶＯＤ炉等で精錬して連続鋳造または造塊
−分塊法でスラブとし、熱間圧延、冷間圧延の工程によ
り鋼板にするのがよい。

【００４３】自動車排気系部品としては、主として排気
マニホールド、フロントパイプ、センターパイプ等で上
記鋼板を溶接して溶接管として用いる。製品形状によっ
ては、板を所望の形状に加工した後、２枚以上溶接等に
より重ねあわせて用いる場合もある。冷間圧延後の焼鈍
は特に規定はしないが、９００〜１０５０℃で０．５〜
３０分均熱したのち空冷する処理が望ましい。

【００４４】

【実施例】表１に示す化学組成を有するフェライト系ス
テンレス鋼を、溶解、鍛造した後、１２００℃にて熱間
圧延をおこなって熱延板とした。

【００４５】

【表１】

【００４６】この熱延板を焼鈍した後、冷間圧延を施し
厚さ１ｍｍの冷延板とし、９８０℃にて仕上げ焼鈍を施
した。この冷延板から、１ｍｍ厚の常温引張試験片（Ｊ
ＩＳＺ２２０１１３号Ｂ）および高温引張試験片およ
び厚さ１ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ２５ｍの酸化試験片を
切りだした。

【００４７】さらに、冷延板を電縫溶接により製管し、
熱疲労試験片（ゲージ長さ：１２ｍｍ）を製作した。

【００４８】図１は、熱疲労試験片を示す図である。同
図において、１が試験材の電縫溶接管で、２箇所に径8m
mの穴を開け、冷却用エアーの供給口２及び排出口３と
した。４は管の内面からの保持具（芯金）、５は試験機
のホルダーへの取付部である。溶接管１と保持具４は図
示しない固定用ピンと端部の溶接部７によって固定され
ている。

【００４９】高温引張試験は、６００℃および９５０℃
にておこなった。

【００５０】高温強度の評価は、６００℃の引張り強度
は２８０Ｎ／ｍｍ²以上、９５０℃の引張り強度は２０
Ｎ/ｍｍ²以上を良好とした。

【００５１】酸化試験は、自動車模擬燃焼排ガス中９５
０℃の温度で連続２００時間加熱した。模擬燃焼排ガス
は、ボンベガスを用い、表２に示す組成を有するように
混合して加熱炉に導入した。

【００５２】

【表２】

【００５３】耐酸化性の評価は、９５０℃における酸化
増量が２０ｇ/ｍ²以下を良好とした。また、常温にて引
張り試験をおこない、伸びの値をもって加工性を評価
し、３０％以上の伸びを示した鋼板を加工性が良好とし
た。

【００５４】熱疲労試験は、図１の試験片を用い、コン
ピューター制御の電気油圧式高温熱疲労試験により、図
２に示す温度サイクル、機械的歪み波形履歴をとる条件
で、２００−９５０℃、５０％拘束（拘束度η＝０．５
０１）にて試験した。熱疲労寿命８００サイクル以上を
良好とした。

【００５５】これらの試験結果を表３にまとめて示す。

【００５６】

【表３】

【００５７】表３より明らかなように、本発明鋼１〜１
６は、高温強度、耐熱疲労特性ならびに耐酸化性の点か
ら自動車排気系高温部材として優れている。特に耐酸化
性については、本発明鋼のうちＭｎを０．４％以下とし
た場合には、酸化量が１５ｇ／ｍ²以下となることが分
かる。また、常温伸び３０％以上と製管時に要求される
加工性も満足することが分かる。

【００５８】比較鋼Ａは、ＳＵＨ４０９Ｌ相当材である
が、９５０℃での引張り強度、耐酸化性、耐熱疲労特性
共に劣る。

【００５９】比較鋼ＢはＣｕが１％以下であるために６
００℃および９５０℃での引張り強度ならびに耐熱疲労
特性共に劣る。

【００６０】比較鋼Ｃは、Ｃｒが１５％未満であるた
め、耐酸化性が十分でない。

【００６１】比較鋼Ｄは、Ｃｕが３％を、比較鋼ＥはＳ
ｉが１.０％を、比較鋼ＦはＣｒが２５％を超えて添加
されているため、常温伸び３０％未満と加工性に劣り、
製管ができなかった。

【００６２】さらに、比較鋼ＧはＭｎが１％を、比較鋼
ＨはＳが０．００８％を、さらに比較鋼ＩはＰが０．０
５％を超えており、耐酸化性が十分でない。

【００６３】比較鋼Ｊは、Ｃが０．１０％を超えており
耐酸化性を満足しない。また、加工性も劣る。同様に比
較鋼ＫはＮが０．１０％を超えて添加されているため、
耐酸化性、加工性ともに劣る。

【００６４】

【発明の効果】本発明により、８００℃以上の高温にお
いて、優れた耐酸化性、高温強度および耐熱疲労特性を
有し、しかも十分な加工性を有する自動車排気系部品用
フェライト系ステンレス鋼が得られる。排気管のなかで
最も温度の高くなるエキゾーストマニホールドはもとよ
り、フロントパイプやセンターパイプへ等へ適用して長
時間に使用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱疲労試験片形状を示す図である。

【図２】熱疲労試験時の温度及びひずみ波形を示す図で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％にて、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１
％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：
０．００８％以下、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｃｕ：１〜３
％、Ｎ：０．１％以下、Ｎｉ：０〜１％、Ｔｉ：０〜１
％、Ｎｂ：０〜１％、Ｚｒ：０〜１％、Ａｌ：０〜０．
１５％およびＣａ、Ｍｇ、Ｙ、希土類元素のうちの１種
または２種以上を合計で０〜０．１％を含有し、残部が
Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする自
動車排気系部品用フェライト系ステンレス鋼。
【請求項２】重量％にて、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１
％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：
０．００８％以下、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｃｕ：１〜３
％、Ｎ：０．１％以下、Ｍｏ：０．１〜３％、Ｎｉ：０
〜１％、Ｔｉ：０〜１％、Ｎｂ：０〜１％、Ｚｒ：０〜
１％、Ａｌ：０〜０．１５％およびＣａ、Ｍｇ、Ｙ、希
土類元素のうちの１種または２種以上を合計で０〜０．
１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からな
ることを特徴とする自動車排気系部品用フェライト系ス
テンレス鋼。