JP2005171338A

JP2005171338A - 加工性及び耐食性に優れたディーゼル微粒子除去装置構成部品用フェライト系ステンレス鋼板

Info

Publication number: JP2005171338A
Application number: JP2003414400A
Authority: JP
Inventors: Wakahiro Harada; 和加大原田; Hiroki Tomimura; 宏紀冨村; Akihiro Nonomura; 明廣野々村
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】ディーゼル微粒子除去装置を構成する部品やカバー等への加工に必要な成形性を備え、厳しい腐食環境にあっても長期にわたって耐食性を維持できるフェライト系ステンレス鋼板を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．０１５質量％以下，Ｓｉ：０．５質量％以下，Ｃｒ：１１．０〜２５．０質量％，Ｎ：０．０２０質量％以下，Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％，Ｎｂ：０．１０〜０．５０質量％，Ｂ：０．０１００質量％以下を含み、必要に応じてさらに、Ｍｏ：３．０％以下，Ｎｉ：２．０％以下，Ｃｕ：２．０％以下，Ａｌ：４．０％以下の１種以上を含むフェライト系ステンレス鋼であって、一軸引張りで加工したときの破断伸びが３０％以上，ランクフォード値（ｒ値）のｒ_min値が１．３以上であるフェライト系ステンレス鋼板を用いると、成形過程での加工に起因した割れが発生することなく、長期にわたって優れた耐食性を維持されるディーゼル微粒子除去装置を得ることができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の燃焼装置から排出される排ガス中の大量のＮＯ_Xや粒子状物質を除去するために設置されるディーゼル微粒子除去装置（以下、「ＤＰＦ」と称することもある。）を構成するカバーや部品に適したステンレス鋼板に関する。

トラックやバス等の多くの商用車に搭載されているディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比べて熱効率が高く、低燃費であることに大きな特徴がある。さらに、ガソリンに対してはＣＯ₂の排出量が少なく、この点では地球環境への負荷が少ないというメリットもある。
しかしその反面、ディーゼルエンジンからのＮＯ_Xや粒子状物質（以下、「ＰＭ」と称す。）等の排出が環境問題としてクローズアップされている。交通量の集中する都心部では大気汚染が年々深刻化してきている。中でもＰＭは呼吸器系の疾患及び花粉症との関連が指摘され、２００１年にはいわゆる「自動車ＮＯ_X，ＰＭ法」が成立し、排気ガス規制が強化されている。こうした規制に適合させるために排気ガスの後処理装置が実用化され始めている。

ディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）は、排気ガス中に含まれるＰＭをフィルターで捕集し、燃焼させることによりフィルターを再生し、ＰＭの大気放出を抑制しようとするものである。例えば特許文献１，２には、抵抗発熱性を有する高温耐熱性ステンレス鋼の薄板を巻回したコイル材を端面切断して製造した繊維を集積してウエブにし、それを焼結および熱処理して焼結繊維表面にアルミナ皮膜を形成した高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体からなるフィルターを、ステンレス製の容器内に配置した炭素系微粒子処理装置が提案されている。
特開平９−８５０２７号公報特開平９−８５０２８号公報

ところで、自動車の軽量化のために各種の装置そのものがコンパクト化されようとしており、上記ＤＰＦを構成する材料にも、厳しい加工が施されている。また、その取り付け部はマフラーの手前になるため、自動車の下回りに位置することになる。したがって、ＤＰＦを構成する部材には、加工性の他に耐食性も要求されている。
加工性及び耐食性に優れる金属材料としては、ステンレス鋼が挙げられる。ステンレス鋼はフェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼に大別される。フェライト系ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼に比較すると加工性に劣り、円筒状に絞り加工された後にさらに二次加工が加わると、割れが生じる。一方、オーステナイト系ステンレス鋼は加工性を有するものの、応力腐食割れを生じる可能性がある。

ＤＰＦでは、捕集した炭素系のＰＭを燃焼させているので、６００℃を超える温度にまで上昇し、応力腐食割れを起こしやすい環境になっている。そして、ＰＭの燃焼により排気ガスは腐食性が高くなるので、これに対しても耐えられる素材が要求される。また排気ガスには、重油に含まれている微量のＶやＮａによって生じるＶ₂Ｏ₅含有燃焼灰が含まれているので、この燃焼灰に対する耐高温腐食性も要求される。さらに多量のＳＯ_X成分をも含有しているので、耐硫酸性も要求される。さらにまた、このようなＤＰＦは自動車の下回りに設置されているので、特に寒冷地帯等の融雪塩が散布される地域では融雪塩が付着し、厳しい腐食環境に曝されることになる。自動車の下回りに設置されているので、使用中外部からの衝撃で変形や破損を起こすこともある。自動車部品においては自動車同士の衝突あるいは対物への衝突が起こった際に部品が破損し難いことが重要である。また、路肩への乗り上げ等、障害物の上の通行時にも耐衝撃性が要求される。これらの部品が破損すると、致命的な事故を誘発する恐れもある。

このような観点から、ＤＰＦを構成する部材やカバー等には、優れた加工性や耐衝撃性の他に、各種の耐腐食性に優れたステンレス鋼が要求されるが、このような要求を満たす素材に関する提案はなされていない。
そこで、本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、ＤＰＦを構成する部材及びカバー等への加工が容易で、耐衝撃特性に優れ、かつ厳しい腐食環境にあっても長期にわたって耐食性を維持できるＤＰＦ構成部品用フェライト系ステンレス鋼板を提供することを目的とする。

本発明の加工性及び耐食性に優れたディーゼル微粒子除去装置構成部品用フェライト系ステンレス鋼板は、その目的を達成するため、Ｃ：０．０１５質量％以下，Ｓｉ：０．５質量％以下，Ｃｒ：１１．０〜２５．０質量％，Ｎ：０．０２０質量％以下，Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％，Ｎｂ：０．１０〜０．５０質量％，Ｂ：０．０１００質量％以下を含むフェライト系ステンレス鋼であって、一軸引張りで加工したときの破断伸びが３０％以上，ランクフォード値（ｒ値）のｒ_min値が１．３以上であることを特徴とする。
フェライト系ステンレス鋼板としては、必要に応じてさらに、Ｍｏ：３．０％以下，Ｎｉ：２．０％以下，Ｃｕ：２．０％以下，Ａｌ：４．０％以下の１種以上を含むものが好ましい。

本発明において、成分組成を細かく調整し、かつ引張り特性を限定しているので、厳しい条件の成形加工が可能で、長期にわたって耐食性を保持でき、しかも耐衝撃性にも優れたフェライト系ステンレス鋼板が得られる。オーステナイト系ステンレス鋼と比較してもコスト的に有利な素材が提供される。
したがって、このステンレス鋼板をＤＰＦ構成部品に適用すると、ＤＰＦのコンパクト化が可能になるばかりでなく、腐食による穴あきや衝撃による変形が抑制され、性能の優れたＤＰＦを低コストで製造することが可能となる。

ＤＰＦを構成する部材やカバーは、鋼板を複雑形状にプレス加工することにより製造されている。ステンレス鋼板を成形するときのプレス加工は、伸び，圧縮等が複合された複雑な塑性変形を伴う加工である。そのため、素材として使用するステンレス鋼の加工性が不足すると、絞り成形途中や絞り後の衝撃加工や二次加工時にクラックが発生しやすい。

フェライト系ステンレス鋼では、普通鋼に比較してＣｒ含有量が高いため硬質化しており、伸びも低い。そのため、素材の延性に基づく、張出し要素による加工性の向上が期待できないので、板厚収縮または幅方向に沿った材料流入の指標としてランクフォード値（ｒ値）に着目し、ＤＰＦを構成する部材やカバーへの成形に耐えるステンレス鋼板を調査した。ランクフォード値（ｒ値）の中でも、特に重要な因子は圧延方向（Ｌ方向）、圧延方向に対して４５度方向（Ｄ方向）ならびに圧延方向に対して垂直方向（Ｔ方向）での、最小のｒ値、ｒ_min値である。種々検討した結果、一軸引張りで加工したときの破断伸びが３０％以上，ｒ_min値が１．３以上のフェライト系ステンレス鋼板を使用すると、絞り成形時や二次的な加工時に割れ等の欠陥が発生することなく、所定形状のＤＰＦを構成する部材やカバーに成形できることを見出した。

破断伸びの測定に当たっては，圧延方向に平行になる方向を長手方向にするサンプルを各鋼板から切り出し、ＪＩＳＺ２２０１に規定される１３Ｂ号定型試験片に加工し、データを採取した。破断伸びは、速度１０ｍｍ／分で試験片を引張り、破断後の試験片を突き合わせて標点間距離の伸び率を測定し、この測定値を使用した。
ランクフォード値（ｒ値）の測定に際しては、同じくＪＩＳ１３Ｂ号試験片を使用し、１５％の引張り歪を与えた後、圧延方向（Ｌ方向）、圧延方向に対して４５度方向（Ｄ方向）ならびに圧延方向に対して垂直方向（Ｔ方向）でのｒ値を求めた。上記３方向で求めたｒ値の中で最も低い値をｒ_minとした。ｒ値は板厚及び板幅を測定し、幅収縮率の自然対数値を板厚減少率の自然対数値で除した値として算出した。

ＤＰＦは、ＰＭを含む排気ガスに曝され、また排ガス中に含まれるＰＭを燃焼させたガスに曝されるものである。ＰＭの存在および燃焼によってスス状の腐食性物質が生成されている可能性がある。ススは主にＣよりなり、Ｃは腐食反応におけるカソード反応サイトとして機能する。したがって、そのような腐食環境においても耐食性を有することが重要である。
本発明鋼は、１１．０〜２５．０質量％のＣｒを含有し、また場合によってＭｏ，Ｎｉ等も含有しているので優れた耐食性を有している。さらに、Ｔｉ，Ｎｂ等の固定元素を含有させている。このため、燃焼ガスの発生により温度が上昇し、鋭敏化現象が起こり得る環境になっても、固定化元素の作用により粒界腐食が抑制される。

次に、本発明を特定する事項について具体的に説明する。なお、以下の説明中、各元素の含有量を示す「％」は特に断りがない限り「質量％」を示す。
Ｃ：０．０１５％以下
Ｃは、炭化物を形成し、それが最終焼鈍での再結晶フェライトのランダム化の再結晶核として働く。しかし、Ｃは冷延焼鈍後の強度を上昇させる元素であり、あまり高いと靭性の低下を招くため、０．０１５％以下とした。

Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉは通常脱酸のために使用するが、固溶強化能が高く、あまりその含有量が多いと材質が硬化し延性の低下を招くので、０．５％以下とした。
Ｃｒ：１１．０〜２５．０％
Ｃｒは、ステンレス鋼としての耐食性を発揮するために、１１．０％の含有が必要である。しかし、Ｃｒ量が多くなると、靭性や加工性の低下を招くため、その上限を２５．０％とした。

Ｎ：０．０２０％以下
Ｎは、窒化物を形成し、Ｃと同様にそれが最終焼鈍での再結晶フェライトの結晶方位ランダム化の再結晶核として働く。しかしＮは冷延焼鈍材の強度を上昇させる元素であり、あまり高いと靭性の低下を招くため、０．０２０％以下とした。
Ｔｉ：０．０５〜０．５０％
ＴｉはＣ，Ｎを固定し、加工性および耐食性を向上させる元素である。その効果がでる最低量は０．０５％である。しかし、Ｔｉを添加すると、鋼材コストの増大を招き、Ｔｉ系介在物が原因の表面欠陥が問題となることから、Ｔｉ含有量の上限を０．５０％に設定した。

Ｎｂ：０．１０〜０．５０％
ＮｂはＣ，Ｎを固定し、耐衝撃特性や二次加工性、耐食性を向上させる元素である。これらの効果がでる最低量は０．１０％である。しかし、Ｎｂを添加しすぎると材料が硬化し加工性に悪影響をもたらす。また再結晶温度を上げることにもなる。したがって上限を０．５０％とする。
Ｂ：０．０１００％以下
Ｂは、Ｎを固定し、耐食性や加工性を改善する作用をもつ合金成分である。この作用を発揮させるためには、０．０００５％以上添加することが好ましい。しかし、過剰に添加すると熱間加工性の低下や溶接性の低下を招くので、上限を０．０１００％に設定した。

本発明のＤＰＦを構成する部材やカバー用のステンレス鋼は、以上のＣ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｎ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｂの含有量を調整することが必須であるが、ＤＰＦを構成する部材やカバーとしての耐食性，加工性等をさらに高めるために、必要に応じて他の合金成分を含有させることもできる。
Ｍｏ：３．０％以下
Ｍｏは、耐食性を改善するのに有効な元素であるが、過剰な添加は高温での固溶強化や動的再結晶の遅滞により、熱間加工性の低下をもたらすので、添加する場合は、３．０％以下とする。
Ｎｉ：２．０％以下
Ｎｉは、オーステナイト形成元素であり、２．０％を超える添加は硬質化やコスト上昇を招くので２．０％を上限とすることが好ましい。

Ｃｕ：２．０％以下
Ｃｕは、溶製時のスクラップからの混入等、不可避的に含有されるが、過度の含有は熱間加工性や耐食性を低下させるので、２．０％以下とすることが好ましい。
Ａｌ：４．０％以下
Ａｌは、脱酸や耐酸化性のために有効な元素であるが、過剰な添加は表面欠陥の原因となる。したがって上限は４．０％とすることが好ましい。

さらに、以下の成分を含有していても良い。
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、オーステナイト形成元素であり、固溶強化能が小さく材質への悪影響が少ない。しかし、含有量が多いと溶製時にＭｎヒュームが生成する等、製造性が低下するので、望ましくは２．０％以下とする。
Ｐ：０．０５０％以下
Ｐは、熱間加工性に有害な元素である。特に０．０５０％を超えるとその影響は顕著になるので、望ましくは０．０５０％以下とする。

Ｓ：０．０２０％以下
Ｓは、結晶粒界に偏析しやすく、粒界脆化により熱間加工性の低下等を促進する元素である。０．０２０％を超えるとその影響は顕著になるので、望ましくは０．０２０％以下とする。
Ｖ，Ｚｒ：０．３０％以下
Ｖは固溶Ｃを炭化物として析出させる効果による加工性向上、Ｚｒは鋼中の酸素を酸化物として捕らえることによる加工性や靭性向上の面から有効な元素である。しかしながら、多量に添加すると製造性が低下するので、適正含有量は、それぞれ０．３０％以下である。
これら以外にも、Ｃａ，Ｍｇ，Ｃｏ，ＲＥＭなどは、溶製中に原料であるスクラップ中より含まれることがあるが、とりたてて多量に含まれる場合を除き、成形品の形状凍結性には影響ない。

表１の成分・組成をもつ板厚０．８ｍｍのステンレス鋼板を素材とし、カップ形状に成形加工した。なお、表１中、鋼種Ｎｏ．Ａ〜Ｅが、本発明で規定した化学成分値、破断伸び及びｒ_min値を満たす鋼であり、鋼種Ｎｏ．Ｆ〜Ｈが、それらの所定値を外れたものである。
加工は、初期ブランク径φ７６ｍｍ（ポンチ１段；φ４０，２段；φ３１．５，３段；φ２４．５）で円筒深絞りした。
各種ステンレス鋼板を素材と施した加工製品について、耐食性試験及び加工性評価試験を実施した。

耐食性試験は、塩乾湿複合サイクル試験により行った。試験の１サイクルは、塩水噴霧（５％ＮａＣｌ，１５分）→乾燥（温度６０℃，湿度３５％，１８０分）→湿潤（温度６０℃，湿度９５％，１８０分）であり、３００サイクル後の表面の腐食状態から耐食性を評価した。
加工性評価試験は、加工製品の温度を５℃に制御しつつ、φ２ｍｍのビーズを５ｋｇｆ／ｍｍ²圧力で１時間噴射して噴射面を目視観察する衝撃試験で行った。加工部にネッキング等が生じていると衝撃試験後に割れを生じることから、ビーズ噴射後の割れの有無で加工性の良否を判断した。
耐食性試験結果及び加工性評価試験結果を表２に示す。

耐食性について、本発明鋼では加工部においても顕著な腐食は認められなかった。一方、比較鋼であるＡｌめっき鋼板では、加工部からめっき割れに起因した赤錆が認められた。また、Ｈ鋼では、加工はできたもののＣｒ含有量が少ないために全体的に顕著な赤錆を生じていた。さらに、ＳＵＳ３０４では、加工部に応力腐食割れが認められた。
この結果から、本発明鋼は加工部においても良好な耐食性を有することがわかる。
衝撃試験において、本発明鋼では全て割れは生じていなかった。比較鋼Ｆでは、Ｃ含有量が請求項で規定された範囲よりも多いために、既に衝撃試験を行う前に加工割れが生じていた。比較鋼Ｇでは、Ｎｂ含有量が請求項で規定された範囲よりも少ないために、加工性が十分ではなく、衝撃試験で割れが発生していた。
この結果から、本発明鋼は優れた加工性を有することがわかる。

Claims

Ｃ：０．０１５質量％以下，Ｓｉ：０．５質量％以下，Ｃｒ：１１．０〜２５．０質量％，Ｎ：０．０２０質量％以下，Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％，Ｎｂ：０．１０〜０．５０質量％，Ｂ：０．０１００質量％以下を含むフェライト系ステンレス鋼であって、一軸引張りで加工したときの破断伸びが３０％以上，ランクフォード値（ｒ値）のｒ_min値が１．３以上であることを特徴とする加工性及び耐食性に優れたディーゼル微粒子除去装置構成部品用フェライト系ステンレス鋼板。
フェライト系ステンレス鋼板が、さらにＭｏ：３．０質量％以下を含むものである請求項１に記載の加工性及び耐食性に優れたディーゼル微粒子除去装置構成部品用フェライト系ステンレス鋼板。
フェライト系ステンレス鋼板が、さらに、Ｎｉ：２．０質量％以下，Ｃｕ：２．０質量％以下，Ａｌ：４．０質量％以下の１種以上を含むものである請求項１又は２に記載の加工性及び耐食性に優れたディーゼル微粒子除去装置構成部品用フェライト系ステンレス鋼板。