JP2006037176A - エキゾーストマニホールド用フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】１０００〜１０５０℃での長期繰り返し使用において優れた耐スケール剥離性を呈するエキゾーストマニホールド内管に適したステンレス鋼を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０.０３％以下，Ｓi：１％以下，Ｍn：２％以下，Ｐ：０.０４％以下，Ｓ：０.０１％以下，Ｎi：１.５％以下，Ｃr：１７〜２３％，Ｎ：０.０３％以下，Ｎb：０.０５〜０.５％，Ｍo：１〜２.５％であり、必要に応じてＴi：０.０１〜０.５％，Ｃu：０.０１〜０.５％，Ａl：０.０１〜０.５％，Ｂ：０.０００５〜０.０１％の１または２以上を満たし、ＲＥＭ，Ｙ，Ｃaの合計：０.００５〜０.１％、あるいはＶ：０.０５〜０.５％，Ｗ：０.０５〜０.５％，Ｚr：０.０５〜０.５％の１種以上を含み、残部Ｆeおよび不可避的不純物であり、下記(1)式を満たすエキゾーストマニホールド用フェライト系ステンレス鋼。１≦(２４−Ｃr)／Ｍo≦４ ……(1)
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車エンジンの排気ガス経路部材であるエキゾーストマニホールド用の鋼であって、特に１０００〜１０５０℃の高温排ガスに曝されるタイプの二重構造エキゾーストマニホールド内管に好適なフェライト系ステンレス鋼に関する。

近年、自動車エンジンおよび排気ガス処理システムには、厳しい排ガス規制をクリアする浄化性能が求められている。排ガス浄化手段としては排ガス経路に触媒コンバーターを設けるのが一般的であるが、エンジン始動直後は浄化装置の温度が低く通常運転時よりも浄化効率が低下するため、このときにできるだけ高効率で作動させることが重要となる。その対策として浄化装置をエキゾーストマニホールド直下に追加設置すること、あるいは燃焼ガス温度そのものを上昇させることなどが有効であり、種々検討されてきたが、これらにも限界がある。

その後、エキゾーストマニホールドを二重構造にする方法が提案され、既に一部で実用化されている。これによると従来の単構造パイプよりも部品単価は高くなるものの、燃焼ガスの保温効果が非常に高いので浄化効率が高まり、断熱材，加熱装置，更なる浄化装置等を付加する必要がなく、部品点数削減によるコスト低減メリットが生じる。

単構造のエキゾーストマニホールドでは加熱・冷却の繰り返しによる熱疲労破壊を避けるために、オーステナイト系よりも熱膨張係数の小さいフェライト系鋼種が使用される。一方、二重構造では、外側の管（外管）はやはり拘束された状態で加熱冷却の繰り返しを受けるため単管と同様にフェライト系鋼種を使用することが望ましい。しかし内側の管（内管）は、材料が拘束されないように設計することが可能であることから、加工性を考慮するとオーステナイト系鋼種を使用する方が有利な場合が多くなる。

エキゾーストマニホールドの内管は排ガスに直接曝されるため、材料温度は排ガスと同程度（従来一般的には８００〜１０００℃）に達する。下記特許文献１には、この温度域で使用可能な二重構造エキゾーストマニホールド内管用オーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。この鋼は１０００℃で１００サイクルの断続加熱において優れた耐酸化特性を呈するものであり、成形性や溶接性にも配慮した成分設計となっている。

しかし、自動車の最高排ガス温度は車種によって多様化しており、最近では１０００〜１０５０℃といった高温の燃焼ガスを排出するタイプのエンジンも生産されている。特許文献１の鋼ではこのような高温排ガスに対応できない。

一方、特許文献２〜４に示されるように、耐熱用のフェライト系ステンレス鋼も種々開発されている。

特開２００１−９８３４４号公報 特開平７−１１３９４号公報 特開平５−１２５４９１号公報 特開平４−２２８４５７号公報

最高排ガス温度が１０００〜１０５０℃になる自動車エンジンに十分対応可能なエキゾーストマニホールド内管材料を提供するには、従来材より一層優れた高温酸化特性、特に耐スケール剥離性を有する材料を開発しなければならない。このような高温域になると、オーステナイト系鋼ではかなりの高Ｎi材を使用しないと十分な耐スケール剥離性を確保することが難しく、材料コストの高騰を免れない。

一方、フェライト系鋼の場合は、耐スケール剥離性の面で本質的にオーステナイト系鋼より有利である。しかし、厳しい加工を施すと「脆性割れ」を起こす場合があり、特に耐熱性向上のために高Ｃr化した合金では問題となりやすい。
特許文献２，３のフェライト系鋼は基本的に１０００〜１０５０℃という高温域で使用できる耐熱性を有していない。特許文献４のフェライト系鋼はＣrを最大２０％まで含有するものであるが、これも１０００〜１０５０℃域での使用は意図されておらず、また、脆性割れについても配慮されていない。

ところで、昨今では自動車の長期信頼性を向上させる取り組みが各自動車メーカーで行われ、断続加熱に対する耐久性に関しては特許文献１２で行っている１００サイクル程度の試験では足りず、１０００サイクル以上、好ましくは２０００サイクルの耐久試験において優れた耐スケール剥離性を示す性能が望まれるようになってきた。１０００〜１０５０℃の高温排ガスに曝される用途のエキゾーストマニホールド材料についても例外ではない。

本発明は、このような現状に鑑み、材料温度が１０００〜１０５０℃となるような環境で使用されるエキゾーストマニホールド、特に二重構造の内側材料に好適な高温強度，長期繰り返しにおける耐スケール剥離性を有し、かつ耐脆性割れ性にも配慮したフェライト系鋼を開発し提供しようというものである。

本発明で提供する鋼は、質量％で、Ｃ：０.０３％以下，Ｓi：１％以下，Ｍn：２％以下，Ｐ：０.０４％以下，Ｓ：０.０１％以下，Ｎi：１.５％以下，Ｃr：１７〜２３％，Ｎ：０.０３％以下，Ｎb：０.０５〜０.５％，Ｍo：１〜２.５％，Ｔi：０〜０.５％，Ｃu：０〜０.５％，Ａl：０〜０.５％，Ｂ：０〜０.０１％，ＲＥＭ（希土類元素），Ｙ，Ｃaの合計：０〜０.１％，Ｖ：０〜０.５％，Ｗ：０〜０.５％，Ｚr：０〜０.５％，残部Ｆeおよび不可避的不純物であり、かつ下記(1)式を満たすエキゾーストマニホールド用フェライト系ステンレス鋼である。
１≦(２４−Ｃr)／Ｍo≦４ ……(1)

元素含有量の下限「０％」は、製鋼段階で行われる通常の分析方法において測定限界以下となる場合である。
(1)式の元素記号の箇所には質量％で表された当該元素の含有量が代入される。

また上記鋼において特に、質量％で、Ｔi：０.０１〜０.５％，Ｃu：０.０１〜０.５％，Ａl：０.０１〜０.５％，Ｂ：０.０００５〜０.０１％の１または２以上を満たすものが提供される。
また、質量％で、Ｖ：０.０５〜０.５，Ｗ：０.０５〜０.５％，Ｚr：０.０５〜０.５％の１または２以上を満たすものが提供される。
あるいはまた、質量％で、ＲＥＭ，Ｙ，Ｃaの合計：０.００５〜０.１％であるものが提供される。

本発明によれば、１０００〜１０５０℃の温度域で長期間繰り返し使用したときに優れた耐久性、特に優れた耐スケール剥離性を呈する鋼が実現された。この鋼は高温強度にも優れ、エキゾーストマニホールドの特に二重構造の内側材に好適な特性を有する。また、同等の耐熱性能を有するオーステナイト系鋼と比べ安価であり、フェライト系鋼で問題となりやすい成形時の脆性割れも改善されている。したがって本発明は、最高排ガス温度が１０００〜１０５０℃と高いタイプの自動車において、エキゾーストマニホールドの信頼性向上およびコスト低減に寄与するものである。

本発明の鋼は、フェライト系鋼において１０００〜１０５０℃の温度に曝される二重構造エキゾーストマニホールドの内管に好適な高温強度，長期繰り返しにおける耐スケール剥離性を付与し、かつ耐脆性割れ性を改善すべく、以下のような成分設計を行ったものである。

ＣおよびＮは、一般的には高温強度を高める元素である。しかし、含有量が多くなると延性が低下し、成形時の脆性割れも生じやすくなる。また、高温強度向上に重要な固溶Ｎbを減少させることになる。このため、Ｃ，Ｎはいずれも０.０３質量％以下に制限される。

Ｓiは、高温酸化特性の改善に有効な元素である。しかし、含有量が多くなると硬さが上昇し、延性，靱性を損なう。このためＳi含有量は１質量％以下に制限される。特に好ましいＳi含有量は０.１〜０.６質量％である。

Ｍnは、スケール密着性の向上に有効である。しかし、多量に含有させるとオーステナイト相の析出などによって異常酸化を誘発することがある。また、熱疲労特性の低下を招くこともある。このためＭn含有量は２質量％以下に制限される。特に好ましいＭn含有量は０.５〜１.５質量％である。

Ｐは、フェライト系ステンレス鋼の靱性および耐食性を劣化させる元素であり、可能な限り低減することが望ましい。このためＰ含有量は０.０４質量％以下に制限される。

Ｓは、フェライト系ステンレス鋼の加工性，熱間加工性，耐溶接高温割れ性，耐酸化性および耐食性を劣化させる元素である。このためＳ含有量は０.０１質量％以下に制限される。

Ｎiは、フェライト系ステンレス鋼の靱性改善に有効な場合があり、成形時の脆性割れ防止に寄与しうる。しかし、多量に含有させるとオーステナイト相の析出によって異常酸化の誘発や熱疲労特性低下を招く。このためＮi含有量は１.５質量％以下に制限される。特に好ましいＮi含有量は０.０５〜０.５質量％である。

Ｃrは、高温でのスケール生成を抑制し、かつ耐スケール剥離性を付与するための基本元素である。これらの効果は後述のＭo添加によって極めて有効となるが、そのＣrとＭoの相乗効果を引き出すためには１７質量％のＣr含有が必要となる。ただし過剰のＣr含有は延性低下を招き、また成形時の脆性割れを誘発する。このためＣr含有量は１７〜２２質量％とする。特に好ましいＣr含有量は１８〜２１質量％である。

Ｎbは、フェライトマトリックスに固溶した状態で高温強度を向上させる作用を有し、本発明では非常に重要な元素である。また熱疲労特性の改善にも有効である。これらの作用を有効に引き出すために０.０５質量％以上のＮb含有量を確保する必要である。しかし、多量のＮb含有は溶接高温割れ感受性を高め、また延性や靱性を阻害する要因にもなる。このためＮb含有量の上限は０.５質量％に制限される。特に好ましいＮb含有量は０.２〜０.４５質量％である。

Ｍoは、Ｎbとともに高温強度を向上させるための重要な元素である。また、１０００〜１０５０℃に断続加熱した際の耐スケール剥離性を付与するためにＣrとの複合添加が重要となる。これらの効果を十分発揮させるためには１質量％以上のＭo含有が必要である。ただし多量のＭo含有は靱性を低下させ、成形時の脆性割れを招く。このためＭo含有量の上限は２.５質量に制限される。

Ｔi，Ｃu，Ａl，Ｂは、低温靱性の向上に有効であり、本発明では成形時の脆性割れを防止する上でこれらのいずれかの元素を含有させることが望ましい。上記効果はＴi，Ｃu，Ａlは０.０１質量％以上の含有量で、Ｂは０.０００５質量％以上の含有量で発揮される。これらの元素はいずれか１種を単独で含有させてもよいし２種以上を複合で含有させてもよい。ただしＴi，Ａlの過剰添加は溶接性を低下させ、Ｃu，Ｂの過剰添加は熱間加工性を低下させる。このためこれらの元素の含有量の上限はＴi，Ｃu，Ａlについては０.５質量％に、Ｂについては０.１質量％に制限される。

ＲＥＭ，Ｙ，Ｃaは、１０００〜１０５０℃での耐スケール剥離性をより高いレベルで確保するために有効な元素である。その効果を十分に発揮させるためにはこれらの元素の１種または２種以上を添加することによりその合計含有量を０.００５質量％以上とすることが望ましい。ただし多量に含有させると鋼が硬質化し、原料コストも高くなる。このため、これらの元素の合計含有量は０.１質量％以下に制限される。

Ｖ，Ｗ，Ｚrは、Ｎbと同様に高温強度の向上作用を有する。これらいずれの元素も０.０５質量％以上の含有により前記作用を効果的に発現する。ただし多量に添加すると鋼の硬質化や原料コスト増を招くので、Ｖ，Ｗ，Ｚrを添加する場合はいずれも０.５質量％以下の範囲で行う。

本発明では、１０５０℃レベルでの繰り返しの使用に長期間耐え得る優れた耐スケール剥離性を付与することを重要な課題としている。具体的には、後述の実施例で説明する１０５０℃，２０００サイクルの高温酸化試験において、板厚０.８ｍｍの材料で減肉率２０％未満となるような優れた特性を具備させる。その手法としてＣrおよびＮbを前記含有量範囲であって、かつ下記の関係式を満たすように含有させる。
(２４−Ｃr)／Ｍo≦４

一方、フェライト系鋼種においてはエキゾーストマニホールドへの成形時に脆性割れを抑止することにも十分な配慮が必要となる。発明者らの検討によれば、Ｃr，Ｍoの含有量が多くなるとエキゾーストマニホールド内側部材への成形時に脆性割れを起こしやすくなるが、その脆性割れ防止のためには、ＣrおよびＮbを前記含有量範囲であって、かつ下記の関係式を満たすように含有させればよいことがわかった。
(２４−Ｃr)／Ｍo≧１

これらの知見は発明者らの数多くに実験に基づき得られたものである。その実験結果の一部を図１に例示する。図１は板厚０.８ｍｍの高Ｃｒフェライト系ステンレス鋼板について、耐スケール剥離性と耐脆性割れ性に及ぼすＣr含有量，Ｍo含有量の影響を示してある。横軸がＣr含有量、縦軸がＭo含有量である。耐スケール剥離性は後述実施例に示す１０５０℃，２０００サイクルの試験において減肉率が２０％未満のものを良好（○または□）、それ以上のものを不良（●または■）とした。耐脆性割れ性は−２５℃でのシャルピー衝撃試験を実施し、衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ²以上のものを良好（○または●）、５０Ｊ／ｃｍ²未満のものを不良（□または■）とした。

図１からわかるように、上記の優れた耐スケール剥離性を付与するためには、Ｃr≧１７％，Ｍo≧１％，かつ(２４−Ｃr)／Ｍo≦４を満たす必要がある。また、耐脆性割れ性を確保するためにはＣr≦２３％，Ｍo≦２.５％，かつ(２４−Ｃr)／Ｍo≧１を満たす必要がある。
したがって本発明では、ＣrおよびＭoの含有量に関し、それぞれ前記の含有量範囲であって、前記(1)式を満足することを要件とする。

以上のように成分調整した鋼は、通常のステンレス鋼板製造設備を用いて例えば板厚０.８ｍｍ程度の鋼板とし、溶接造管によりエキゾーストマニホールド用の鋼管とすることができる。その鋼管は曲げ加工などによって所定の形状に成形される。また、目的とするエキゾーストマニホールド部材が複雑形状である場合には、鋼板をプレス成形した１対の部品を溶接で接合することにより、所望形状の管に仕上げることもできる。

表１に示す鋼を溶製し、通常のステンレス鋼板製造条件にしたがって、熱間圧延→焼鈍酸洗→冷間圧延→焼鈍酸洗の工程により鋼板を得た。

板厚０.８ｍｍの鋼板から圧延方向に平行方向の引張試験片（ＪＩＳ １３Ｂ号）を切り出し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して常温での引張試験を行い、延性を評価するために伸びを測定した。また、各鋼板から圧延方向に平行方向の高温引張試験片を切り出し、ＪＩＳ Ｇ ０５６７に準拠して高温引張試験を１０５０℃で行い、高温強度の指標として１０５０℃における０.２％耐力を求めた。

また、板厚０.８ｍｍの鋼板から２５×３５ｍｍの高温酸化試験片を切り出し、ＪＩＳ Ｚ ２２８２に準拠して「大気中１０５０℃×５分→５分間の空冷」を１サイクルとする２０００サイクル繰り返しの高温酸化試験に供した。高温酸化試験前後の重量変化、および試験後最も板厚が減少した箇所の減肉率を求めた。減肉率は次式により算出される。
減肉率＝（試験前板厚−試験後板厚）／試験前板厚×１００

また、長手方向が圧延方向と垂直になるシャルピー衝撃試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠して試験温度−５０〜２５℃でシャルピー衝撃試験を実施し、シャルピー衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ²以上になる温度が−５０℃以下のものを◎、−５０℃より高く−２５℃以下のものを○、−２５℃より高く０℃以下のものを△、０℃より高いものを×として、成形時の耐脆性割れ性を評価した。
結果を表２に示す。

表２からわかるように、本発明で規定の化学組成を満たす材料は、２０００サイクルの高温酸化試験後の減肉率が２０％未満であり、１０５０℃での繰り返し加熱において優れた耐スケール剥離性を呈した。高温酸化試験前後の重量変化も１０ｍｇ／ｃｍ²以下と小さかった。この試験でスケールは剥離せずタイトに密着しており、異常酸化が見られなかったことから、その後更に長期間の繰り返し加熱によっても表面に形成された保護性スケールによって酸化の進行が抑止されると考えられる。つまり、本発明鋼は１０００〜１０５０℃域での繰り返し加熱に曝した場合に優れた耐久性を安定して呈することが確認された。耐脆性割れ性については−２５℃でのシャルピー衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ²以上であり、延性に関しても常温伸びが３２％以上であることから、エキゾーストマニホールドの内側材として十分な加工性を有している。高温強度（１０５０℃での０.２％耐力）も８Ｎ／ｍｍ²以上と十分であった。

これに対し、鋼Ｎｏ.１７，１８は(２４−Ｃr)／Ｍoが４を超え前記(1)式を満たさないため、また鋼Ｎｏ.１３，１６はＣr，Ｍoのいずれかの含有量が低すぎるため、これらは耐スケール剥離性（減肉率）に劣った。鋼Ｎｏ.１５，１９，２１は(２４−Ｃr)／Ｍoが１未満と低く前記(1)式を満たさないため、また鋼Ｎｏ.１２，１４はＣr，Ｍoのいずれかの含有量が高すぎるため、これらは耐脆性割れ性に劣った。鋼Ｎｏ.２０はＮbあるいはＭoの含有量が低すぎるため、高温強度が不十分であった。鋼Ｎｏ.２２，２３はＳi，Ｎbのいずれかの含有量が高すぎるため、延性が不足した。

耐スケール剥離性および耐脆性割れ性に及ぼすＣr含有量およびＭo含有量の影響を示すグラフ。

Claims (4)

1. 質量％で、Ｃ：０.０３％以下，Ｓi：１％以下，Ｍn：２％以下，Ｐ：０.０４％以下，Ｓ：０.０１％以下，Ｎi：１.５％以下，Ｃr：１７〜２３％，Ｎ：０.０３％以下，Ｎb：０.０５〜０.５％，Ｍo：１〜２.５％，Ｔi：０〜０.５％，Ｃu：０〜０.５％，Ａl：０〜０.５％，Ｂ：０〜０.０１％，ＲＥＭ，Ｙ，Ｃaの合計：０〜０.１％，Ｖ：０〜０.５％，Ｗ：０〜０.５％，Ｚr：０〜０.５％，残部Ｆeおよび不可避的不純物であり、かつ下記(1)式を満たすエキゾーストマニホールド用フェライト系ステンレス鋼。
   １≦(２４−Ｃr)／Ｍo≦４ ……(1)
2. 質量％で、Ｔi：０.０１〜０.５％，Ｃu：０.０１〜０.５％，Ａl：０.０１〜０.５％，Ｂ：０.０００５〜０.０１％の１または２以上を満たす請求項１に記載のエキゾーストマニホールド用フェライト系ステンレス鋼。
3. 質量％で、Ｖ：０.０５〜０.５，Ｗ：０.０５〜０.５％，Ｚr：０.０５〜０.５％の１または２以上を満たす請求項１に記載のエキゾーストマニホールド用フェライト系ステンレス鋼。
4. 質量％で、ＲＥＭ，Ｙ，Ｃaの合計：０.００５〜０.１％である請求項１に記載のエキゾーストマニホールド用フェライト系ステンレス鋼。

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