JP2005146345A - 耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】 自動車用のエキゾーストマニホールドなどの排気系部品などの高温に曝されて使用されるステンレス鋼に関し、特に高温強度や、成形性、耐食性などの排気系部材としての機能を確保しつつ、さらに耐酸化性を可及的低コストで満足させたフェライト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｃ：≦０．０１５０％、Ｓｉ：≦１．００％、Ｍｎ：≦１．００％、Ｐ：≦０．０５０％、Ｓ：≦０．００３０％、Ｃｒ：１２．０〜２３．０％、Ａｌ：≦０．１００％、Ｎ：≦０．０１５０％、Ｓｂ：０．０２〜０．２０％、更にＴｉ：０．０５〜０．５０％またはＮｂ：０．０５〜０．５％の１種または２種、必要に応じて更にＳｎ：≦０．００５％、また更にＢ：０．０００２〜０．００３０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車用のエキゾーストマニホールドなどの排気系部品などの高温に曝されて使用されるステンレス鋼に関し、特に耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼に関する。

自動車の排気系材料としてのフェライト系ステンレス鋼には、高温に長時間曝されるための高温強度や耐酸化性、複雑形状に加工するための成形性、排ガス凝結水に対する耐食性、塩害環境に対する耐食性、さらには廉価であること等、種々の特性が要求されてきており、これら個々の特性あるいは複数の特性を満たすべく、多くの提案がなされてきている。

例えば特許文献１では、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．０１〜０．５０％、Ｃｒ：１１．０〜１４．０％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．００５０％を含み、Ｃ，Ｎ，Ｎｂ，Ｔｉの含有量が、０．０１％≦Ｃ＋Ｎ≦０．０２０％、０．４％≦Ｔｉ＋Ｎｂ≦０．６％、（Ｔｉ＋Ｎｂ）／（Ｃ＋Ｎ）≧３０を満足させる組成とすることによって、溶接部の耐粒界腐食食性を向上させ、機械的特性にも優れる自動車排気系機器用のフェライト系ステンレス鋼が開示されている。

また特許文献２では、Ｃ：０．００１〜０．０１５％、Ｎ：０．００１〜０．０１５％、Ｓｉ：０．５０〜２．０％、Ｍｎ：０．０１〜１．００％、Ｐ：０．０１０〜０．０３０％、Ｓ：≦０．００３％、Ｃｒ：１０．０〜１４．０％、Ｎｂ，Ｔｉの１種または２種：２０×（Ｃ＋Ｎ）≦Ｎｂ＋Ｔｉ≦０．６％を含有し、さらに必要に応じてＮｉ，Ｍｏの１種以上を総量で０．３〜２．０％含有させる耐高温塩害腐食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開示されている。

また特許文献３では、Ｃ：≦０．０１５％、Ｎ：≦０．０１５％、Ｓｉ：０．８０〜１．５０％、Ｍｎ：≦０．８０％、Ｃｒ：１１．０〜２１．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０％、Ｎｂ：０．１０〜０．４０％、Ｃｕ：０〜０．８０％、Ｎｉ：０〜０．８０％、Ｗ：０〜２．００％、Ｓ：≦０．０２０％を含有し、さらにＴｉ／Ｓ＞１５、Ｃ／Ｓ＞０．５を満たし、鋼中にＴｉ−Ｃ−Ｓ系介在物が析出したことを特徴とする耐酸化性と高温強度に優れたフェライト系ステンレス鋼が開示されている。

また特許文献４では、Ｃ：０．０２％未満、Ｓｉ：０．５〜１．５％未満、Ｍｎ：０．２％未満、Ｃｒ：１０〜１４％未満、Ｎｉ：０．０５〜１．０％未満、Ｎｉ：０．０５〜１．０％未満、Ｔｉ：０．０５〜０．３％未満、Ｎｂ：０．３〜０．６％未満、Ｐ：０．０６％未満、Ｓ：０．０１％未満を含有させた、耐熱性および溶接部耐食性に優れたエンジン排気部材用フェライト系ステンレス鋼が開示されている。
特開平６−１８４７０５号公報 特開平６−２４８３９４号公報 特開平８−２６０１０７号公報 特開平１０−２０４５９０号公報

一方、最近では、自動車排気温度は上昇する傾向にあることから、高温強度と共により高度な耐酸化性が求められてきており、この要求に応え得る技術が必要となっている。
しかしながら前記の従来技術では、耐酸化性に関して言えば、他の特性との兼ね合いで有効元素を積極的に活用するには限度があり、必ずしも十分とは言えない現状にある。

本発明は、上述の問題を克服する技術を提供することを目的とするものであり、高温強度、成形性、排ガス凝結水に対する耐食性、塩害環境に対する耐食性などの排気系部材としての本来機能を損なうことなく、さらに耐酸化性を可及的低コストで改善させた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。

本発明者らは、種々の組成の鋼を試作して耐酸化性を評価してきた。その結果、耐酸化性には有用であるがコストアップ要因となったり、成形性などの特性を劣化させたりする合金元素を用いることなく、耐酸化性を改善する手法を見出した。
すなわち、従来技術では利用されていなかったＳｂを微量だけ活用することによって、耐酸化性を大幅に改善できることを知見した。

本発明は前記知見に基づいて構成したものであり、その要旨は以下の通りである。
（１） 質量％で、
Ｃ ：≦０．０１５０％、 Ｓｉ：≦１．００％、
Ｍｎ：≦１．００％、 Ｐ ：≦０．０５０％、
Ｓ ：≦０．００３０％、 Ｃｒ：１２．０〜２３．０％、
Ａｌ：≦０．１００％、 Ｎ ：≦０．０１５０％、
Ｓｂ：０．０２〜０．２０％
を含有し、さらに
Ｔｉ：０．０５〜０．５０％、 Ｎｂ：０．０５〜０．５０％
の１種または２種を含有し、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耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。

（２） 質量％で、
Ｃ ：≦０．０１５０％、 Ｓｉ：≦１．００％、
Ｍｎ：≦１．００％、 Ｐ ：≦０．０５０％、
Ｓ ：≦０．００３０％、 Ｃｒ：１２．０〜２３．０％、
Ａｌ：≦０．１００％、 Ｎ ：≦０．０１５０％、
Ｓｂ：０．０２〜０．２０％、 Ｓｎ：≦０．００５％
を含有し、さらに
Ｔｉ：０．０５〜０．５０％、 Ｎｂ：０．０５〜０．５０％
の１種または２種を含有し、加えて
Ｍｏ：≦１．５０％、 Ｗ ：≦１．５０％、
Ｖ ：≦０．５０％、 Ｃｕ：≦０．８０％
の１種または２種以上を含有し、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耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。

（３） 質量％でさらに、
Ｂ ：０．０００２〜０．００３０％
を含有させたことを特徴とする前記（１）または（２）記載の耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。

本発明によって、高温強度や、成形性、耐食性などの排気系部材としての機能を確保しつつ、さらに耐酸化性を可及的低コストで満足させたフェライト系ステンレス鋼が得られるので、産業上の効果は大きい。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明において最重要の要件は、適量のＳｂを含有させる点である。
Ｓｂの含有量と耐酸化性の関係を図１に例示する。０．０２％以上の微量Ｓｂを含有させることによって、酸化増量が約３０％減少する。これは、Ｓｂ含有によってスケールと地鉄の境界に生じるボイドが減少し、スケール剥離が抑制されるためである。

この耐酸化性改善効果は、温度に換算すると約５０℃の違いに相当する。これと同等の効果を、耐酸化性改善に有効とされる他の元素で得ようとすれば、例えばＳｉの場合０．３％程度を増量しなければならず、成形性が劣化する等の問題が生じて実用的でなくなる。これに対してＳｂの場合は、含有量が微量で済むため機械的特性は影響を受けず、高温塩害腐食、凝縮水腐食、初期錆び問題などに対する耐食性についても影響を与えない。またコストも殆ど影響を受けない。むしろ、Ｓｂによる耐酸化性改善効果の一部を他元素の規制緩和に還元すれば、低コスト化もあり得る。

耐酸化性と同様に重要な高温特性として高温強度が求められるが、微量Ｓｂによって高温強度が劣化することはないので、周知の技術を組み合わせて発現させれば良い。
本発明は、このような微量Ｓｂの利点を積極活用することによって構成される。

以下、本発明における合金元素の限定理由を述べる。
ＣおよびＮ：ＣおよびＮは耐酸化性、加工性、耐食性を劣化させる元素であるため、精錬コストが許容する範囲で可及的に低レベルに制限することとし、上限をＣ：０．０１５０％、Ｎ：０．０１５０％に設定する。

Ｓｉ：耐酸化性を改善し、耐食性の観点からも有用であるが、多量に含有させると加工性が劣化するため、上限を１．００％に設定する。

Ｍｎ：耐酸化性を向上させる元素であるが、多量に含有させると加工性、耐食性が劣化するため、上限を１．００％に制限する。

Ｐ，Ｓ：Ｐ，Ｓは不純物元素であり耐酸化性に有害であるほか、Ｐは加工性を害し、Ｓは耐食性を劣化させるため、Ｐ，Ｓともに可及的に低レベルが望ましいが、精錬コストの制約からＰは０．０５０％まで、Ｓは０．００３０％までの含有を許容する。

Ｃｒ：Ｃｒは耐食性を維持するのに不可欠な元素であると共に、耐酸化性を確保するための基本的な元素である。１２．０％未満では十分な耐酸化性、耐食性が得られず、２３．０％を超えて含有させても効果は飽和する。このため１２．０〜２３．０％の範囲で含有させる。

Ｔｉ，Ｎｂ：Ｔｉ，Ｎｂは、加工性や溶接部の粒界腐食に有害なＣ，Ｎを析出物として固定するのに有効であるため、１種または２種を各々０．０５％以上で含有させる。しかし、０．５０％を超えて含有させても得られる効果は一定であるため、０．０５〜０．５０％を適正範囲とする。

Ａｌ：Ａｌは製鋼工程の脱酸を目的として含有させる。また耐酸化性にも有効であるため、上限を０．１００％として規定し含有させる。

Ｓｂ：Ｓｂは、前述の通り耐酸化を改善するのに必須であり、０．０２％以上含有させるが、多量に含有させても効果は飽和すると共に、熱間加工性が劣化するため、０．２０％を上限とする。

Ｓｎ：Ｓｎの原子番号はＳｂの次でありＳｂと類似の効果が期待されるが、耐酸化性に関しては好影響を与えず、反面、Ｓｂと同様に熱間加工性を劣化させるので、必要に応じて添加する。熱間加工性劣化を回避しつつＳｂの耐酸化性改善効果を引き出すためにＳｎ含有量を規制し、上限を０．００５％とした。

前記合金元素のほかに、高温強度や耐食性の確保を目的として、Ｍｏ：≦１．５０％、Ｗ：≦１．５０％、Ｖ：≦０．５０％、Ｃｕ：≦０．８０％の１種または２種以上を含有させても良い。
また比較的廉価な元素であるＢを、２次加工脆性の改善を目的として０．０００２〜０．００３０％の範囲で含有させても良い。

これらの組成からなる鋼は、熱間圧延後に、酸洗、冷延、焼鈍が施される通常の排気系部材用鋼板の製造方法によって製造される。このため、製造プロセス上のコスト増加要因は含まれない。
なお、本発明の適用分野は自動車排気系部材に限定されるわけではなく、ＬＮＧを燃料とする複合発電プラントの排ガスダクトなど高温酸化環境で適用される全ての部材にも適用できる。

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
表１に示す組成の鋼を溶製し、熱間圧延、冷間圧延、熱処理、酸洗を施して板厚０．８ｍｍの鋼板を作製し、この鋼板から２０×５０ｍｍサイズの試験片を採取して酸化試験に供試した。試験の方法としては、８５０〜１０００℃の大気炉に５０時間暴露して室温まで冷却するサイクルを４回繰り返して、酸化増量とスケール剥離量を求めた。

試験結果を併せて表１に示す。微量Ｓｂを含有する No.１〜６の本発明は、Ｓｂを含有しない比較例 No.１０１〜１０４に比べて酸化増量、スケール剥離量共に低減されており、優れた耐酸化性が発現されている。
また、本発明 No.１〜６については、成形性、高温塩害耐食性、高温強度についての評価を併せて実施し、各々の特性値は、比較例 No.１０１〜１０４に比べて同等であることを確認した。

Ｓｂの含有量と酸化増量の関係を示す図。

Claims (3)

1. 質量％で、
   Ｃ ：≦０．０１５０％、
   Ｓｉ：≦１．００％、
   Ｍｎ：≦１．００％、
   Ｐ ：≦０．０５０％、
   Ｓ ：≦０．００３０％、
   Ｃｒ：１２．０〜２３．０％、
   Ａｌ：≦０．１００％、
   Ｎ ：≦０．０１５０％、
   Ｓｂ：０．０２〜０．２０％
   を含有し、さらに
   Ｔｉ：０．０５〜０．５０％、
   Ｎｂ：０．０５〜０．５０％
   の１種または２種を含有し、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耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
2. 質量％で、
   Ｃ ：≦０．０１５０％、
   Ｓｉ：≦１．００％、
   Ｍｎ：≦１．００％、
   Ｐ ：≦０．０５０％、
   Ｓ ：≦０．００３０％、
   Ｃｒ：１２．０〜２３．０％、
   Ａｌ：≦０．１００％、
   Ｎ ：≦０．０１５０％、
   Ｓｂ：０．０２〜０．２０％、
   Ｓｎ：≦０．００５％
   を含有し、さらに
   Ｔｉ：０．０５〜０．５０％、
   Ｎｂ：０．０５〜０．５０％
   の１種または２種を含有し、加えて
   Ｍｏ：≦１．５０％、
   Ｗ ：≦１．５０％、
   Ｖ ：≦０．５０％、
   Ｃｕ：≦０．８０％
   の１種または２種以上を含有し、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耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
3. 質量％でさらに、
   Ｂ ：０．０００２〜０．００３０％
   を含有させたことを特徴とする請求項１または２記載の耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。

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