JP2004218013A - 自動車排気系機器用フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.02%以下、N:0.02%以下、Si:0.3%以下、Mn:0.5%以下、S:0.002%以下、Cu:0.2〜0.8%、Cr:15〜18%、Nb:0.2〜0.5%、Ti:0.03〜0.3%、Al:0.003〜0.2%、Ni:0〜1%およびB:0〜0.005%を含有し、CおよびNの合計含有量が0.03%以下であり、MoおよびWの1種以上を下記の(1)式を満足する範囲で含み、残部がFeおよび不純物からなることを特徴とする自動車排気系機器用フェライト系ステンレス鋼。この鋼は、Feの一部に代えて、Ca:0.0002〜0.005%、REM:0.0001〜0.01%およびY:0.0001〜0.01%のうちの一種以上を含有するのが望ましい。
2.0≦1.4Mo+W≦4.5 …(1)
【選択図】なし
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車排気系機器用フェライト系ステンレス鋼に係り、特に、900℃以下の温度で使用されるエキゾーストマニホールド、フロントパイプ、センターパイプ等の自動車排気系機器に好適なフェライト系ステンレス鋼に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車の排ガス規制の強化や軽量化の観点から自動車排気系機器にSUH409L、SUS430J1L、SUS436L等のフェライト系ステンレス鋼の薄板または鋼管が使用されるようになってきており、その量は年々増加している。これらのフェライト系ステンレス鋼は下記の(1)〜(3)の特徴を有する。
(1)熱膨張係数が小さく、熱疲労特性に優れること。
(2)繰り返し酸化をうける環境での耐スケール剥離性が良好であること。
(3)オーステナイト系ステンレスに比べ安価であること。
【0003】
自動車排気系機器のうち、エキゾーストマニホールド用鋼材としては、従来、球状黒鉛鋳鉄に代表される鋳物製が主流であったが、フェライト系ステンレス製の薄板あるいは鋼管への切り替えが進んでいる。エキゾーストマニホールドには、優れた高温強度、熱疲労特性、耐酸化性、加工性等が要求される。最近、軽量化や車内の快適性の観点からエンジンルームがますます狭くなる傾向にあり、複雑な形状に加工されるエキゾーストマニホールドには、さらなる加工性の向上が求められている。また、加工性を向上させることは、部品メーカでの工数削減、部品コストの低減につながる。
【0004】
排ガス規制の強化に伴い触媒を早期に活性化させることが必要となるため、排ガス温度は上昇する傾向にあり、エキゾーストマニホールドの材料温度は900〜950℃程度まで上昇するといわれている。
【0005】
特許文献1〜4等では、こうした材料温度に対応可能なステンレス鋼が提案されている。これらは、SUS444系に分類される鋼種で、17%以上のCrおよび多量のNb、Moが含まれており、優れた高温強度、熱疲労特性および耐酸化性を有するものの、加工性に劣るため、加工コストが高くなる。
【0006】
特許文献5〜7等には、Crが13〜15%で、Nbを含む、SUS429系に分類されるフェライト系ステンレス鋼が提案されているが、加工性、コスト面では適用性があるものの、高温強度、熱疲労特性が不足する。
【0007】
特許文献8には、Siを0.10%以下、SiとMoの積が0.15以下であることを特徴とする1000℃での耐酸化スケール剥離性に優れたMo含有フェライト系ステンレス鋼が開示されている。しかし、この発明の目的は1000℃という高温での耐スケール剥離性の改善であり、高温強度および加工性については考慮されていない。
【0008】
【特許文献1】
特許第2696584号公報
【特許文献2】
特許第2801779号公報
【特許文献3】
特許第2880839号公報
【特許文献4】
特許第2923825号公報
【特許文献5】
特許第2562740号公報
【特許文献6】
特許第3004784号公報
【特許文献7】
特許第2803538号公報
【特許文献8】
特許第3242007号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、SUS429系鋼と同等の加工性を有し、材料温度900℃においてSUS444系鋼と同等の高温強度および熱疲労特性を有するとともに、耐スケール剥離性にも優れた自動車排気系機器に好適なフェライト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の自動車排気系機器用フェライト系ステンレス鋼を要旨とする。
【0011】
質量%で、C:0.02%以下、N:0.02%以下、Si:0.3%以下、Mn:0.5%以下、S:0.002%以下、Cu:0.2〜0.8%、Cr:15〜18%、Nb:0.2〜0.5%、Ti:0.03〜0.3%、Al:0.003〜0.2%、Ni:0〜1%およびB:0〜0.005%を含有し、CおよびNの合計含有量が0.03%以下であり、MoおよびWの1種以上を下記の(1)式を満足する範囲で含み、残部がFeおよび不純物からなることを特徴とする自動車排気系機器用フェライト系ステンレス鋼。
【0012】
2.0≦1.4Mo+W≦4.5 …(1)
但し、(1)式中のMoおよびWは、それぞれの含有量(質量%)である。
【0013】
本発明の自動車排気系機器用フェライト系ステンレス鋼は、Feの一部に代えて、Ca:0.0002〜0.005%、REM:0.0001〜0.01%およびY:0.0001〜0.01%のうちの一種以上を含有するのが望ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】
MoおよびNbは高温強度の向上に有効な元素であり、CrおよびSiは、耐酸化性を向上させるのに有効な元素であるが、いずれの元素も加工性を劣化させ易い元素である。従って、必要となる高温強度、耐酸化性を維持しつつ、加工性を向上させるには、これら元素の含有量を最適化する必要があるとともに、他の元素と組み合わせて使用することが重要となる。そこで、本発明者らは、高温強度、加工性および耐酸化性に対する各種元素の効果を検討した結果、下記の知見を得た。なお、以下の説明において「質量%」を単に「%」と表記する。
【0015】
図1は、Cu含有量と鋼の機械的性能との関係を示す図であり、(a)はCu含有量と常温伸びおよびランクフォード値(以下、「r値」という)との関係を示し、(b)はCu含有量と900℃でのYS(降伏強さ)およびTS(引張強さ)との関係を示す。なお、供試材は16Cr−1.5Mo−0.35NbをベースとしてCu含有量を変化させた鋼である。図1に示すように、高温強度を保持または向上させつつ、加工性の重要な指標である常温伸びおよびr値を向上させるのに有効なCu含有量の範囲が存在する。
【0016】
図2は、Ti含有量と鋼の機械的性能との関係を示す図であり、(a)はTi含有量と常温伸びおよびr値との関係を示し、(b)はTi含有量と900℃でのYSおよびTSとの関係を示す。なお、供試材は16Cr−1.5Mo−0.35NbをベースとしてTi含有量を変化させた鋼である。Tiの添加は、固溶Nbの確保に有効であり、図2に示すように高温強度を向上させるとともに、常温での伸びおよびr値を改善させる効果を有する。
【0017】
図3は、Si含有量と酸化増量およびスケール剥離量との関係を示す図である。なお、供試材は16Cr−2Mo−0.35Nb−0.18Ti−0.05AlをベースとしてSi含有量を変化させた鋼である。図3に示すように、耐スケール剥離性を改善しつつ、常温伸びおよびr値を確保することができる適正なSi含有量が存在する。
【0018】
MoおよびWは高温強度の向上に寄与し、MoはWの1.4倍の効果を有する。また、MoはNbに比べて常温伸びを劣化させる傾向よりも高温強度を向上させる傾向が大きい。更に、MoおよびWは高温環境下での高温強度の低下を抑制するのに有効である。
【0019】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。以下、本発明で規定される化学組成について更に詳しく説明する。
【0020】
C:0.02%以下、N:0.02%以下
CおよびNは、いずれも鋼の硬質にして加工性を低下させるので、これらの含有量はできるだけ少ない方がよい。従って、Cの含有量を0.02%以下とし、Nの含有量を0.02%以下とした。また、これらの元素の含有量がそれぞれ規定される範囲内であっても、その合計含有量が多い場合には、加工性を低下させる場合がある。従って、CおよびNの合計含有量を0.03%以下とした。
【0021】
Si:0.3%以下
Siは、酸化増量を抑え耐酸化性を向上させる効果を有する元素であるとともに、脱酸元素として有効な元素である。Siは積極的に添加しなくてもよく、含有量の下限は不純物レベルであってもよい。但し、上記の効果を確実に得るためには、0.1%以上含有させるのが望ましい。しかし、Siは鋼を硬質にするので常温伸びおよびr値を低下させる。酸化スケールが排ガス中に混入すると触媒性能等に悪影響を及ぼす可能性があり、酸化スケールの増量を抑制することは重要であるが、Siを過剰に添加すると、図3に示すように酸化スケールの剥離が多くなる。このため、Siの含有量を0.3%以下とした。
【0022】
Mn:0.5%以下
Mnは、Siとともに脱酸元素として有効な元素である。Mnも積極に添加しなくてもよい。従って、含有量の下限は不純物レベルでもよい。但し、上記の効果を確実に得るためには0.05%以上含有させるのが望ましい。しかし、Mnは、Sと結合してMnSを生成するので、過剰に添加すると耐酸化性を劣化させる。従って、Mnの含有量を0.5%以下とした。
【0023】
S:0.002%以下
Sは、製造上、不可避に鋼中に混入する不純物の一つであるが、MnSを形成し耐酸化性に悪影響をあたえるため、その含有量はできるだけ少ないことが望ましい。従って、Sの含有量を0.002%以下に制限した。
【0024】
Cu:0.2〜0.8%
Cuは、フェライト系ステンレス鋼の高温強度を損なうことなく、加工性を向上させる上で重要な元素である。図1に示すように、適量の添加は常温伸びおよびr値を向上させて加工性の向上に寄与するとともに、高温強度を維持または向上させる。その効果を発現させるにはCuを0.2%以上含有させることが必要である。しかし、過剰の添加はかえって常温伸びおよびr値を低下させるとともに、スケール剥離を助長する。従って、Cuの含有量を0.2〜0.8%とした。好ましいのは0.3〜0.6%である。
【0025】
Cr:15〜18%
Crは、耐食性および耐酸化性を維持するために有効な元素である。900℃での耐酸化性を向上させるにはその含有量を15%以上とする必要がある。しかし、過剰の添加は加工性を低下させるとともに、コストの上昇を招く。従って、Crの含有量を15〜18%とした。より好ましいのは16〜18%である。
【0026】
Nb:0.2〜0.5%
Nbは、高温強度を向上させる上で重要な元素であり、この効果は、特に固溶状態で発揮される。また、Nbは、CおよびNを固定し、加工性および耐食性を改善する効果も有する元素である。これら効果を得るためには、Nbを0.2%以上含有させることが必要である。しかし、過剰の添加は常温伸びおよびr値を低下させる。さらに、本発明で対象とする鋼材の主たる使用温度域である800〜900℃に加熱されると、短時間でラーベス相(Fe2Nb)を生成し、強化に有効な固溶Nbが減少して高温強度が低下する。
【0027】
図4は、Nb含有量と常温伸びおよび900℃でのYSとの関係を示す図である。なお、供試材は16Cr−1.5MoをベースとしてNb含有量を変化させた鋼である。図4に示すように、Nb含有量が0.5%を超えても、高温強度が向上せず、常温伸びは急速に減少する。従って、Nb含有量を0.2〜0.5%とした。
【0028】
MoおよびWの1種以上:「2.0≦1.4Mo+W≦4.5」を満足する範囲
MoおよびWは、いずれも高温強度を向上させ、かつ高い温度域で加熱保持した後の高温強度の低下を抑制する元素であり、本発明において重要な元素である。MoおよびWは、いずれも固溶状態で強化に寄与し、概ねその含有量に比例して強度が向上する。しかし、MoとWとは、それぞれの含有量あたりの強度の増加量が異なり、Moと同等の高温強度の増加量を得るのに必要なWの含有量は、Moの1.4倍である。本発明で必要な強度を得るには、1.4Mo+Wで2.0%以上必要である。含有量を増加させればさせるほと高温強度が増加するが、過剰の添加は加工性に悪影響をあたえる。従って、MoおよびWの1種以上を「1.4Mo+W」が2.0〜4.5%の範囲となるように含有させることとした。好ましい「1.4Mo+W」の範囲は、2.5〜4%である。
【0029】
Ti:0.03〜0.3%
Tiは、本発明において重要な元素であり、加工性および高温強度の向上のために含有させる。TiはNbと同様、CおよびNと結合する作用を有するが、Nbに比べNと結びつきやすい。NbとTiを同時に含有させると、Tiは主としてNと結合して窒化物を形成し、残りのTiはNbとともにCと結合し、TiおよびNbの複合炭化物を形成する。この複合炭化物は、Nbの炭化物よりも高温で析出し、TiNを核として析出しやすい。
【0030】
このため、その周辺には、固溶したCおよびNの存在しない領域が存在し、加工性向上に寄与する。TiがNまたはCと結合することにより固溶Nbも確保されるため、高温強度の向上にも有効である。これらの効果を得るには、Tiは少なくとも0.03%含有させることが必要であるが、その含有量が過剰な場合、加工性および高温強度の向上効果が飽和するとともに、耐酸化性および靱性に悪影響を及ぼす。従って、Tiの含有量を0.03〜0.3%とした。好ましい含有量は0.05〜0.25%である。
【0031】
Al:0.003〜0.2%
Alは、脱酸元素であるとともに、Nと結合し加工性および靱性を改善する効果を有する元素である。また、Alは、密着性の良好な酸化スケールを生成させて耐スケール剥離性を改善する上でも有用な元素である。Siは耐酸化性に有用である反面、加工性を低下させる作用があるが、Alを含有させることで耐酸化性に必要なSi量を軽減でき、加工性を確保できる。これらの効果を得るには0.003%以上の含有が必要であるが、過剰の添加は、造管溶接性、靱性の低下を招くため0.2%以下とした。より望ましいのは0.005〜0.1%である。
【0032】
Ni:0〜1%
Niは、添加しなくてもよい元素であるが、添加すると靱性を向上させるため、必要に応じて含有させてもよい。この効果が顕著となるのは、Ni含有量が0.3%以上の場合である。しかし、Ni含有量が過剰な場合には、コストが上昇する。従って、Niの含有量を0〜1%とした。
【0033】
B:0〜0.005%
Bは、添加しなくてもよいが、添加すると2次加工性(鋼板から鋼管への成形等の一次的な加工の後、この鋼管から部品を得るための曲げ加工等の2次的な加工における性能)を改善するため、必要に応じて含有させてもよい。この効果を得るには、Bを0.0002%以上含有させるのが望ましい。しかし、Bの含有量が0.005%を超えると靱性を低下させる。従って、Bを0〜0.005%とした。
【0034】
本発明の自動車排気系機器用フェライト系ステンレス鋼は、上記の化学組成を有し、残部はFeおよび不純物からなるが、Feの一部に代えて、Ca:0.0002〜0.005%、REM:0.0001〜0.01%およびY:0.0001〜0.01%のうちの一種以上を含有するのが望ましい。
【0035】
Ca、REMおよびYは、スケールの密着性を含めた耐酸化性を向上させる元素であり、必要に応じて含有させてもよい。この効果を得るには、Caでは0.0002%以上、REMおよびYはそれぞれ0.0001%以上含有させることが望ましい。しかし、過剰に添加しても耐酸化性の改善効果が飽和するとともに、熱間加工性等が劣化し、コストが上昇する。従って、Ca、REMおよびYのうちの一種以上を含有させる場合のそれぞれの元素の含有量は、Ca:0.0002〜0.005%、REM:0.0001〜0.01%およびY:0.0001〜0.01%とするのが望ましい。
【0036】
【実施例】
(実施例1)
表1に示す化学組成を有する鋼を溶製し、加熱温度1200℃で熱間圧延を施して厚さ4.5mmの熱延鋼板を製造した。この熱延鋼板を焼鈍し、厚さ1.5mmまで冷間圧延し、1000℃での仕上焼鈍を施して供試材を作製した。この供試材の常温延性、高温強度および耐酸化性を下記の試験方法により評価した。
【0037】
【表1】
【0038】
(常温延性)
常温延性は、上記の供試材から厚さ1.5mmのJIS13B号引張試験片を採取して常温引張試験を行い、常温伸びおよび平均r値を求めて評価した。常温伸びは、圧延方向の常温伸びで評価し、平均r値は、下記の(2)式から計算した。
【0039】
平均r値=(r0+r90+2r45)/4 …(2)
但し、(2)式中のr0は圧延方向のr値、r90は圧延直角方向のr値、r45は圧延45度方向のr値をそれぞれ意味する。
【0040】
(高温強度)
高温強度は、上記の供試材から厚さ1.5mmの板状の引張試験片を圧延方向と平行に採取した後、JISG0567に準拠して、900℃での引張試験を行い、0.2%耐力を求め、評価した。
【0041】
(耐酸化性)
耐酸化性は、上記の供試材から厚さ1.5mm、幅20mm、長さ25mmの試験片を採取した後、各試験片の表面をエメリー紙で#600まで研磨し、大気中で900℃×200hrの連続酸化試験を行い、酸化増量およびスケール剥離量を測定し、評価した。
【0042】
これらの試験結果を表2に示す。
【0043】
【表2】
【0044】
表2に示すように、本発明鋼であるNo.1〜11は、いずれも圧延方向の常温伸びが34%以上、平均r値が1.3以上、900℃の0.2%耐力が20MPa以上であり、SUS429系と同等の常温延性を示すとともに、SUS444系と同等の高温強度を示した。また、これらの試験片は、900℃×200hrの連続酸化試験においても異常酸化が発生せず、スケール剥離量1.0g/m2以下と耐酸化性も良好であった。なかでも、No.8〜10は、Ca、REMまたはYを含有する鋼であるが、これらの鋼では、酸化増量および耐スケール剥離性のいずれもが改善されていた。
【0045】
比較鋼であるNo.12および14は、「1.4Mo+W」が2%未満であるため、900℃の0.2%耐力が低くなった。No.13は、「1.4Mo+W」が4.5%を超えており、常温伸びが小さかった。No.15は、Cuが0.2%未満であり、No.16は、Cuが0.8%を超えており、常温伸びおよび平均r値が小さい値となった。No.17は、Siが0.3%を超えており、常温伸びおよび平均r値が小さいとともに、耐スケール剥離性にも劣っていた。No.18は、SUS429系の鋼であるが、Si、Cu、Cr、Ti、MoおよびWの含有量が本発明で規定される範囲を外れている。この鋼では、900℃における0.2%耐力が劣っていた。No.19は、SUS444系の鋼であるが、CrおよびTiの含有量が本発明で規定される範囲を外れている。この鋼では、常温伸びおよび平均r値が小さい値となった。
【0046】
(実施例2)
表1のNo.1、18および19に示す化学組成を有する鋼を溶解し、加熱温度1200℃で熱間圧延を施して厚さ6mmの熱延鋼板を製造した。この熱延鋼板に焼鈍、および厚さ2.0mmまでの冷間圧延を施した後、1000℃の仕上焼鈍を実施した。この冷延鋼板を電縫溶接にて外径38.1mmに製管した後、図5に示す試験片に加工した。
【0047】
図5は、熱疲労試験片の形状を示す図である。図5において、1が試験材の鋼管であり、この鋼管の2ヶ所に径8mmの穴をあけ、冷却用エアーの供給口2および出口3とした。また、鋼管内面からの保持具4と試験材1は、固定用ピン(φ12mmの孔に挿入される)および端部の溶接部5によって固定される。なお、図中に示す数値の単位はmmである。
【0048】
熱疲労試験は、コンピュータ制御の電気的油圧サーボ式高温熱疲労試験機により、図6に示す温度サイクル、機械的歪み波形履歴をとる条件で、最高温度900℃、最低温度200℃および拘束率50%での試験を行った。
【0049】
その結果、No.18(SUS429)の鋼、No.19(SUS444)の鋼の熱疲労寿命は、それぞれ879サイクル、866サイクルであったのに対し、本発明鋼であるNo.1の鋼の熱疲労寿命は984サイクルであった。前記のとおり、本発明鋼は、SUS429系に比べ高強度であり、SUS444系より常温延性が優れるため、長寿命となったと考えられる。
【0050】
【発明の効果】
本発明によれば、使用温度900℃でも優れた高温強度、熱疲労特性、耐酸化性を有し、かつ加工性に優れた自動車排気系機器用フェライト系ステンレス鋼が得られる。特に、本発明の鋼は、高温で用いられ高い加工性が要求されるエキゾーストマニホールド用材料として好適である。また、本発明の鋼は、優れた加工性を有することから、排気系機器製造時の歩留向上や作業効率向上にも有益であり、部品コスト低減が期待できる。さらに、溶接鋼管用の鋼板としても好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】Cu含有量と鋼の機械的性能との関係を示す図である。
【図2】Ti含有量と鋼の機械的性能との関係を示す図である。
【図3】Si含有量と酸化増量及びスケール剥離量との関係を示す図である。
【図4】Nb含有量と常温伸び及び900℃でのYSとの関係を示す図である。
【図5】熱疲労試験片の形状を示す図である。
【図6】温度サイクル、機械的歪み波形履歴を示す図である。
【符号の説明】
1.試験材、2エアー供給口、3.エアー出口、4.保持具、5.溶接部
Claims (2)
- 質量%で、C:0.02%以下、N:0.02%以下、Si:0.3%以下、Mn:0.5%以下、S:0.002%以下、Cu:0.2〜0.8%、Cr:15〜18%、Nb:0.2〜0.5%、Ti:0.03〜0.3%、Al:0.003〜0.2%、Ni:0〜1%およびB:0〜0.005%を含有し、CおよびNの合計含有量が0.03%以下であり、MoおよびWの1種以上を下記の(1)式を満足する範囲で含み、残部がFeおよび不純物からなることを特徴とする自動車排気系機器用フェライト系ステンレス鋼。
2.0≦1.4Mo+W≦4.5 …(1)
但し、(1)式中のMoおよびWは、それぞれの含有量(質量%)である。 - 質量%で、C:0.02%以下、N:0.02%以下、Si:0.3%以下、Mn:0.5%以下、S:0.002%以下、Cu:0.2〜0.8%、Cr:15〜18%、Nb:0.2〜0.5%、Ti:0.03〜0.3%、Al:0.003〜0.2%、Ni:0〜1%およびB:0〜0.005%、ならびにCa:0.0002〜0.005%、REM:0.0001〜0.01%およびY:0.0001〜0.01%のうちの一種以上を含有し、CおよびNの合計含有量が0.03%以下であり、MoおよびWの1種以上を下記の(1)式を満足する範囲で含み、残部がFeおよび不純物からなることを特徴とする自動車排気系機器用フェライト系ステンレス鋼。
2.0≦1.4Mo+W≦4.5 …(1)
但し、(1)式中のMoおよびWは、それぞれの含有量(質量%)である。
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