JP2009235569A - 耐熱性に優れるフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C:0.015mass%以下、Si:1.0mass%以下、Mn:1.0mass%以下、P:0.04mass%以下、S:0.010mass%以下、Cr:16〜23mass%以下、N:0.015mass%以下、Nb:0.3〜0.65mass%、Ti:0.15mass%以下、Mo:0.1mass%以下、W:0.1mass%以下、Cu:1.0〜2.5mass%、Al:0.2〜1.5mass%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼。
【選択図】図3
Description
さらに、実際に、エキゾーストマニホールド等に使用した場合に想定されるような、水蒸気を含む環境下での耐酸化性を改善する手段について検討した結果、Siを適正量(0.4〜1.0mass%)添加することによって、水蒸気雰囲気中での耐酸化性(以降、「耐水蒸気酸化性」ともいう)もSUS444と同等以上とすることができることを見出した。
C:0.005〜0.007mass%、N:0.004〜0.006mass%、Si:0.3mass%、Mn:0.4mass%、Cr:17mass%、Nb:0.45mass%、Al:0.35mass%の成分組成をベースとし、これにCuを0〜3mass%の範囲内で変化させて鋼を実験室的に溶製して50kg鋼塊とし、この鋼塊を1170℃に加熱後、熱間圧延して厚さ:30mm×幅:150mmのシートバーとした。その後、このシートバーを鍛造し、35mm×35mmのバーとし、1030℃の温度で焼鈍後、機械加工し、図1に示した寸法の熱疲労試験片に加工した。そして、図2に示したような、拘束率:0.35で100℃−850℃間を加熱・冷却する熱処理を繰り返して付与し、熱疲労寿命を測定した。なお、上記熱疲労寿命は、100℃において検出された荷重を、図1に示した試験片均熱平行部の断面積で割って応力を算出し、前のサイクルの応力に対して連続的に応力が低下し始めたときの最小のサイクル数とした。これは、試験片に亀裂が発生したサイクル数に相当する。なお、比較として、SUS444(Cr:19mass%−Nb:0.5mass%−Mo:2mass%鋼)についても、同様の試験を行った。
<大気中での連続酸化試験>
上記試験片を、950℃に加熱された大気雰囲気の炉中に300時間保持し、加熱試験前後における試験片の質量の差を測定し、単位面積当たりの酸化増量(g/m2)を求めた。
<水蒸気雰囲気中での連続酸化試験>
上記試験片を、60℃に保持した蒸留水中にバブリングした7vol%CO2−1vol%O2−残部N2からなるガスを0.5L/minで流して水蒸気雰囲気とした950℃に加熱された炉中に300時間保持し、加熱試験前後における試験片の質量の差を測定し、単位面積当たりの酸化増量(g/m2)を求めた。
本発明は、上記知見に基づき、さらに検討を加えて完成したものである。
C:0.015mass%以下
Cは、鋼の強度を高めるのに有効な元素であるが、0.015mass%を超えて含有すると、靭性および成形性の低下が顕著となる。よって、本発明では、Cは0.015mass%以下とする。なお、成形性を確保する観点からは、Cは低いほど好ましく、0.008mass%以下とするのが望ましい。一方、排気系部材としての強度を確保するには、Cは0.001mass%以上であることが好ましく、より好ましくは、0.002〜0.008mass%の範囲である。
Siは、脱酸材として添加される元素であり、この効果を得るためには0.05mass%以上添加するのが好ましい。また、Siは、大気中での耐酸化性を向上する効果も有するが、Alほどの効果は得られない。一方、1.0mass%を超える過剰の添加は、加工性を低下させる。よって、Siの上限は1.0mass%とする。
Mnは、鋼の強度を高める元素であり、また、脱酸剤としての作用も有するため、0.05mass%以上添加するのが好ましい。しかし、過剰な添加は、高温でγ相が生成しやすくなり、耐熱性を低下させる。よって、本発明では、Mnは1.0mass%以下とする。好ましくは、0.7mass%以下である。
Pは、靭性を低下させる有害元素であり、可能な限り低減するのが望ましい。そこで、本発明では、Pは0.04mass%以下とする。好ましくは、0.030mass%以下である。
Sは、伸びやr値を低下し、成形性に悪影響を及ぼすとともに、ステンレス鋼の基本特性である耐食性を低下させる有害元素でもあるため、できるだけ低減するのが望ましい。よって、本発明では、Sは0.010mass%以下とする。好ましくは、0.005mass%以下である。
Crは、ステンレス鋼の特徴である耐食性、耐酸化性を向上させるのに有効な重要元素であるが、16mass%未満では、十分な耐酸化性が得られない。一方、Crは、室温において鋼を固溶強化し、硬質化、低延性化する元素であり、特に23mass%を超えて添加すると、上記弊害が顕著となるので、上限は23mass%とする。よって、Crは、16〜23mass%の範囲で添加する。好ましくは、16〜20mass%の範囲である。
Nは、鋼の靭性および成形性を低下させる元素であり、0.015mass%を超えて含有すると、上記低下が顕著となる。よって、Nは0.015mass%以下とする。なお、Nは、靭性、成形性を確保する観点からは、できるだけ低減するのが好ましく、0.010mass%未満とするのが望ましい。
Nbは、C,Nと炭窒化物を形成して固定し、耐食性や成形性、溶接部の耐粒界腐食性を高める作用を有するとともに、高温強度を上昇させて熱疲労特性を向上する効果を有する元素である。このような効果は、0.3mass%以上の添加で認められる。一方、0.65mass%を超える添加は、Laves相が析出しやすくなり、脆化を促進する。よって、Nbは0.3〜0.65mass%の範囲とする。好ましくは、0.4〜0.55mass%の範囲である。
Tiは、Nbと同様、C,Nを固定して、耐食性や成形性、溶接部の粒界腐食性を向上する元素である。しかし、そのような効果は、Nbを添加している本発明の成分系では、0.15mass%を超えると飽和するとともに、固溶硬化によって鋼が硬質化する。よって、本発明では上限を0.15mass%とする。
なお、本発明においては、Tiは、特に積極的に添加する必要のない元素であるが、Tiは、Nbと比べて、Nと結合して粗大なTiNを形成しやすい。粗大なTiNは、亀裂発生の起点となりやすく、熱延板の靭性を低下させる。したがって、より高い靭性が求められる場合には、0.01mass%以下に制限するのが好ましい。
Moは、高価な元素であり、本発明の趣旨からも積極的な添加は行わない。しかし、原料であるスクラップ等から0.1mass%以下混入することがある。よって、Moは0.1mass%以下とする。
Wは、Moと同様に高価な元素であり、本発明の趣旨からも積極的な添加は行わない。しかし、原料であるスクラップ等から0.1mass%以下混入することがある。よって、Wは0.1mass%以下とする。
Cuは、熱疲労特性の向上には非常に有効な元素である。図3に示したように、SUS444と同等以上の耐熱疲労特性を得るには、Cuを1.0mass%以上添加することが必要である。しかし、2.5mass%を超える添加は、熱処理後の冷却時にε−Cuが析出し、鋼を硬質化するとともに、熱間加工時に脆化を起こしやすくなる。さらに重要なことは、Cuの添加は、耐熱疲労特性は向上するものの、鋼自身の耐酸化性が却って低下し、総体的に見ると、耐熱性が低下してしまうことである。この原因は、十分に明らかとはなっていないが、生成したスケール直下の脱Cr層にCuが濃化し、ステンレス鋼本来の耐酸化性を向上する元素であるCrの再拡散を抑制するためと考えられる。よって、Cuは、1.0〜2.5mass%の範囲とする。好ましくは、1.1〜1.8mass%の範囲である。
Alは、図4に示したように、Cu添加鋼の耐酸化性を向上するために必要不可欠な元素である。特に、本発明の目的であるSUS444と同等以上の耐酸化性を得るには0.2mass%以上の添加が必要である。一方、1.5mass%を超えて添加すると、鋼が硬質化して加工性が低下するので、上限は1.5mass%とする。よって、Alは0.2〜1.5mass%の範囲とする。より高温で使用される場合には、Alは0.3〜1.0mass%の範囲とするのが好ましい。
B:0.003mass%以下
Bは、加工性、とくに2次加工性を向上させるのに有効な元素である。この顕著な効果は、0.0005mass%以上の添加で得ることができるが、0.003mass%を超える多量の添加は、BNを生成して加工性を低下させる。よって、Bを添加する場合は、0.003mass%以下とする。より好ましくは、0.0005〜0.002mass%の範囲である。
REM(希土類元素)およびZrはいずれも、耐酸化性を改善する元素であり、上記効果を得るためには、それぞれ0.01mass%以上、0.05mass%以上添加するのが好ましい。しかし、REMの0.08mass%を超える添加は、鋼を脆化させ、また、Zrの0.5mass%を超える添加は、Zr金属間化合物が析出して、鋼を脆化させる。よって、REMを添加する場合は0.08mass%以下、Zrを添加する場合は0.5mass%以下とする。
Vは、加工性および耐酸化性の向上に有効な元素であり、特に耐酸化性の向上効果を得るためには0.15mass%以上の添加が好ましい。しかし、0.5mass%を超える過剰な添加は、粗大なV(C,N)を析出し、表面性状を劣化させる。よって、Vを添加する場合は、0.5mass%以下添加するのが好ましく、0.15〜0.4mass%の範囲で添加するのがより好ましい。
Coは、靭性の向上に有効な元素であり、0.02mass%以上添加するのが好ましい。しかし、Coは、高価な元素であり、また、0.5mass%を超えて添加しても、上記効果は飽和する。よって、Coを添加する場合は0.5mass%以下とするのが好ましい。より好ましくは、0.02〜0.2mass%の範囲である。
Niは、靭性を向上させる元素である。しかし、Niは、高価であり、また、強力なγ相形成元素であるため、高温でγ相を生成し、耐酸化性を低下させる。よって、Niを添加する場合は、0.5mass%以下とするのが好ましい。より好ましくは、0.05〜0.4mass%の範囲である。
本発明のステンレス鋼の製造方法は、フェライト系ステンレス鋼の通常の製造方法であれば好適に用いることができ、特に限定されるものではない。例えば、転炉、電気炉等の溶製炉で鋼を溶製し、あるいはさらに取鍋精錬、真空精錬等の2次精錬を経て上述した本発明の成分組成を有する溶鋼とし、次いで、その溶鋼を連続鋳造法あるいは造塊−分塊圧延法で鋼片(スラブ)とし、熱間圧延して熱延板とし、必要に応じて熱延板焼鈍を施し、さらに、その熱延板を酸洗し、冷間圧延し、仕上焼鈍し、酸洗する等の工程を経て冷延焼鈍板とするのが好ましい。上記冷間圧延は、1回または中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延を行ってもよく、また、冷間圧延、仕上焼鈍、酸洗の各工程は、繰り返して行ってもよい。さらに、場合によっては、熱延板焼鈍は省略してもよく、鋼板表面の光沢性が要求される場合には、冷延後あるいは仕上焼鈍後、スキンパスを施してもよい。なお、上記熱間圧延前のスラブ加熱温度は1000〜1250℃、熱延板焼鈍温度は900〜1100℃、仕上焼鈍温度は900〜1120℃の範囲であるのが好ましい。
上記のようにして得た各種冷延焼鈍板から30mm×20mmのサンプルを切り出し、サンプル上部に4mmφの穴をあけ、表面および端面を#320のエメリー紙で研磨し、脱脂後、950℃に加熱保持された大気雰囲気の炉内に吊り下げて、300時間保持した。試験後、サンプルの質量を測定し、予め測定しておいた試験前の質量との差を求め、酸化増量(g/m2)を算出した。なお、試験は各2回実施し、その平均値で耐連続酸化性を評価した。
<水蒸気雰囲気中での連続酸化試験>
上記のようにして得た各種冷延焼鈍板から30mm×20mmのサンプルを切り出し、サンプル上部に4mmφの穴をあけ、表面および端面を#320のエメリー紙で研磨し、脱脂後、60℃に保定した蒸留水中にバブリングした7vol%CO2−1vol%O2−残部N2からなるガスを0.5L/minで流して水蒸気雰囲気とした950℃に加熱された炉中に300時間保持した。試験後、サンプルの質量を測定し、予め測定しておいた試験前の質量との差を求め、酸化増量(g/m2)を算出した。なお、試験は各2回実施し、その平均値で耐連続酸化性を評価した。
熱疲労試験は、拘束率:0.35で、100℃と850℃の温度間を繰り返して昇温・降温し、熱疲労寿命を測定した。この際、昇温・降温速度は、それぞれ10℃/secとし、100℃での保持時間は2min、850℃での保持時間は5minとした。また、熱疲労寿命は、100℃において検出された荷重を試験片均熱平行部の断面積で割って応力を算出し、前のサイクルの応力に対して連続的に応力が低下し始めたときの最小のサイクル数とした。
Claims (4)
- C:0.015mass%以下、
Si:1.0mass%以下、
Mn:1.0mass%以下、
P:0.04mass%以下、
S:0.010mass%以下、
Cr:16〜23mass%以下、
N:0.015mass%以下、
Nb:0.3〜0.65mass%、
Ti:0.15mass%以下、
Mo:0.1mass%以下、
W:0.1mass%以下、
Cu:1.0〜2.5mass%、
Al:0.2〜1.5mass%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼。 - 上記の成分組成に加えてさらに、B:0.003mass%以下、REM:0.08mass%以下、Zr:0.5mass%以下、V:0.5mass%以下、Co:0.5mass%以下およびNi:0.5mass%以下のうちから選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- Si:0.4〜1.0mass%含有することを特徴とする請求項1または2に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- Si:0.4〜1.0mass%、Ti:0.01mass%以下含有することを特徴とする請求項1または2に記載のフェライト系ステンレス鋼。
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