JP2016204709A - 耐浸炭性及び耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼板及びその製造方法 - 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:0.05〜3.0%、Mn:0.05〜2.0%、Cr:12.0〜25.0%、Ni:0.01〜2.0%、Al:0.25%超5.0%以下、V:0.01〜0.20%、B:0.0002〜0.0050%を含有し、更にNb:1.0%以下、Ti:0.40%以下の1種または2種を含有し、(i)式、(ii)式及び(iii)式を満足するフェライト系ステンレス鋼板。
Cr+5Si+6Nb+2Ti+4Al−22.5≧0 ・・・式(i)
Nb+Ti≧0.05 ・・・式(ii)
t+0.42logAl−0.54≧0 ・・・式(iii)(t:板厚(mm))
【選択図】図1
Description
Cr+5Si+6Nb+2Ti+4Al−22.5≧0 ・・・式(i)
Nb+Ti≧0.05 ・・・式(ii)
t+0.42logAl―0.54≧0 ・・・式(iii)
但し、式中の元素記号は、当該元素の含有量(質量%)を意味する。
(1) 質量%で、
C:0.02%以下、
N:0.02%以下、
Si:0.05%以上、3.0%以下、
Mn:0.05%以上、2.0%以下、
P:0.04%以下、
S:0.01%以下、
Cr:12.0%以上、25.0%以下、
Ni:0.01%以上、2.0%以下、
Al:0.25%超、6.0%以下
V:0.01%以上、0.20%以下、
B:0.0002%以上、0.0050%以下、
を含有し、質量%にて更に、
Nb:1.0%以下、
Ti:0.40%以下、
の1種または2種を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、下記(i)式、(ii)式及び(iii)式を満たす組成及び板厚を有するステンレス鋼板の表面に、スケール中、又は、スケールと母材の界面におけるAl濃度が15%以上を満足するスケールを形成することを特徴とする耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
Cr+5Si+6Nb+2Ti+4Al−22.5≧0 ・・・式(i)
Nb+Ti≧0.05 ・・・式(ii)
t+0.42logAl―0.54≧0 ・・・式(iii)
但し、式中の元素記号は、当該元素の含有量(質量%)を意味し、tは板厚(mm)を意味する。
(2) 質量%にて、更に
Cu:0.01%以上、2.0%以下、
Mo:0.01%以上、2.0%以下、
の1種または2種を含有することを特徴とする(1)に記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
(3) 質量%にて、更に
Cr:14.5%未満、
Nb:0.35%未満、
Mo:0.50%未満、
C+N:0.020%超、
Cu+2Ni:0.30%超、
Ti:0.20%超、
の1種または2種以上を満足する(1)または(2)に記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
(4) 質量%にて、更に
Ca:0.0002%以上、0.0030%以下、
Zr:0.01%以上、0.30%以下、
Y:0.001%以上、0.20%以下、
Hf:0.001%以上、1.0%以下、
REM:0.001%以上、0.20%以下、
の1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
(5)質量%にて、更に
W:0.01%以上、5.0%以下、
Sn:0.002%以上、1.0%以下、
Mg:0.0002%以上、0.0030%以下、
Co:0.01%以上、0.30%以下、
Sb:0.005%以上、0.50%以下、
Bi:0.001%以上、1.0%以下、
Ta:0.001%以上、1.0%以下、
Ga:0.0002%以上、0.30%以下、
の1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
(6)(1)〜(5)のいずれかに記載の組成を有するステンレス鋼板を、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素系ガスのいずれか1種または2種以上と水蒸気を含む雰囲気中において、600〜1000℃の範囲で熱処理することにより、前記ステンレス鋼板の表面に、スケール中、又は、スケールと母材の界面におけるAl濃度が15%以上を満足するスケールを形成することを特徴とする耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板の製造方法。
C:0.02%以下、
N:0.02%以下、
Si:0.05%以上、3.0%以下、
Mn:0.05%以上、2.0%以下、
P:0.04%以下、
S:0.01%以下、
Cr:12.0%以上、25.0%以下、
Ni:0.01%以上、2.0%以下、
Al:0.25%超、6.0%以下
V:0.01%以上、0.20%以下、
B:0.0002%以上、0.0050%以下、
を含有し、質量%にて更に、
Nb:1.0%以下、
Ti:0.40%以下、
の1種または2種を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、下記(i)式、(ii)式及び(iii)式を満たす組成及び板厚を有し、水蒸気が10体積%、二酸化炭素が10体積%、一酸化炭素が10体積%、残りが窒素である雰囲気中で800℃に加熱し100時間継続した後で室温まで冷却したとき、ステンレス鋼板の表面に、スケールの厚みが2μm以下、スケール中、又は、スケールと母材の界面におけるAl濃度が15%以上を満足するスケールを形成することを特徴とする耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
Cr+5Si+6Nb+2Ti+4Al−22.5≧0 ・・・式(i)
Nb+Ti≧0.05 ・・・式(ii)
t+0.42logAl−0.54≧0 ・・・式(iii)
但し、式中の元素記号は、当該元素の含有量(質量%)を意味し、tは板厚(mm)を意味する。
(8) 質量%にて、更に
Cu:0.01%以上、2.0%以下、
Mo:0.01%以上、2.0%以下、
の1種または2種を含有することを特徴とする(7)に記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
(9) 質量%にて、更に
Cr:14.5%未満、
Nb:0.35%未満、
Mo:0.50%未満、
C+N:0.020%超、
Cu+2Ni:0.30%超、
Ti:0.20%超、
の1種または2種以上を満足する(7)または(8)に記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
(10) 質量%にて、更に
Ca:0.0002%以上、0.0030%以下、
Zr:0.01%以上、0.30%以下、
Y:0.001%以上、0.20%以下、
Hf:0.001%以上、1.0%以下、
REM:0.001%以上、0.20%以下、
の1種または2種以上を含有することを特徴とする(7)〜(9)のいずれかに記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
(11)質量%にて、更に
W:0.01%以上、5.0%以下、
Sn:0.002%以上、1.0%以下、
Mg:0.0002%以上、0.0030%以下、
Co:0.01%以上、0.30%以下、
Sb:0.005%以上、0.50%以下、
Bi:0.001%以上、1.0%以下、
Ta:0.001%以上、1.0%以下、
Ga:0.0002%以上、0.30%以下、
の1種または2種以上を含有することを特徴とする(7)〜(10)のいずれかに記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
(13) 雰囲気中に含まれる一酸化炭素もしくは炭化水素系ガスが、雰囲気中に含まれる酸素と全て反応しても、1体積%以上の一酸化炭素もしくは炭化水素系ガスが残存する組成の浸炭性雰囲気または、雰囲気中の酸素が1体積%以下であり、かつ、酸素の10倍以上の体積の二酸化炭素を含む浸炭性雰囲気に曝される可能性のある自動車排気系部材または燃料電池高温部材として用いることを特徴とする(1)〜(5)、(7)〜(12)のいずれかに記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
先ず、表1の本発明例1〜12及び比較例13〜22が浸炭性を有する雰囲気中において形成するスケールを調査するために、板厚1.5mmの試験片を用いて、水蒸気が10体積%、二酸化炭素が10体積%、一酸化炭素が10体積%、残りが窒素である浸炭性を有する雰囲気中における800℃、100時間の連続酸化試験を実施した。この酸化条件ではいずれも異常酸化せず、正常酸化時のスケールを評価できる。
更に、上記試験1で評価したスケールを形成することができる表1の本発明例1〜12及び比較例13〜22の浸炭性を有する雰囲気中における耐酸化性を評価するために、表1の本発明例1〜12及び比較例13〜22について、板厚1.5mmの試験片を用いて、水蒸気が10体積%、二酸化炭素が10体積%、一酸化炭素が10体積%、残りが窒素である浸炭性を有する雰囲気中における850℃、200時間の連続酸化試験を実施した。酸化試験に用いる試験片は全面#600研磨仕上げを施したものを使用した。なお、剥離したスケールも含む酸化試験片の重量増加の値を酸化試験片の表面積の値で除した値を酸化増量として評価した。
更に、試験2で形成されたスケールの長期使用を考慮した上での保護性を評価するために、表1の本発明例1〜12について、0.30〜1.25mmの板厚の試験片を用いて、試験2のスケールが付いた状態で、大気における950℃、200時間の連続酸化試験を実施した。つまり、水蒸気が10体積%、二酸化炭素が10体積%、一酸化炭素が10体積%、残りが窒素である浸炭性を有する雰囲気中における850℃、200時間の連続酸化試験の後に、続けて大気における950℃、200時間の連続酸化試験を実施した。なお、950℃、200時間といった条件は、850℃に換算すると約1600時間の酸化処理相当になる。
Cr+5Si+6Nb+2Ti+4Al−22.5≧0 ・・・式(i)
Nb+Ti≧0.05 ・・・式(ii)
但し、式中の元素記号は、当該元素の含有量(質量%)を意味する。また、式(i)の各元素に付された係数は、多数の実験結果について重回帰分析を行った結果として導かれた数値である。
t+0.42logAl―0.54≧0 ・・・式(iii)
但し、式中の元素記号は、当該元素の含有量(質量%)を意味する。
Cは、成形性と耐食性を劣化させ、高温強度の低下をもたらす。したがって、0.02%以下、好ましくは0.015%以下とする。但し、過度の低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は0.001%とするのが望ましい。また、Cは過度でなくとも低減に従い加速度的に精錬コストが増大する。また、一定以上のCの低減には特殊な設備が必要となることや、生産性を著しく損なうこともある。そのため、低コスト化を図るためにCの低減の緩和が望まれる場合がある。しかし、Cはオーステナイト形成元素であり、酸化の進行に伴い、表層部のCr又はAlが低下した場合、表層部のみフェライト相からオーステナイト相へ相変態することを助長する。浸炭性を有する雰囲気中においては、鋼中のCに加えて、浸炭により更にCが増加するため、表層部のフェライト相からオーステナイト相へ相変態することが助長される。同様にNもオーステナイト形成元素であり同様の効果がある。そのため従来は、浸炭性を有する雰囲気中における耐酸化性を考慮すると、C+Nを0.020%超とすることは難しかった。それに対して、本発明の規定の範囲内であれば、C+Nを0.020%超とすることも可能である。
NはCと同様、成形性と耐食性を劣化させ、高温強度の低下をもたらす。したがって、0.02%以下とする。但し、過度の低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は0.003%とするのが望ましい。また、Nは過度でなくとも低減に従い加速度的に精錬コストが増大する。また、一定以上のNの低減には特殊な設備が必要となることや、生産性を著しく損なうこともある。そのため、低コスト化を図るためにNの低減の緩和が望まれる場合がある。しかし、Nはオーステナイト形成元素であり、酸化の進行に伴う表層部のCrやAlの低下により、表層部のみフェライト相からオーステナイト相へ相変態することを助長する。浸炭性を有する雰囲気中においては、浸炭により表層部のフェライト相からオーステナイト相へ相変態することが助長されているので、N低減の緩和による耐酸化性の劣化は大きい。同様にCもオーステナイト形成元素であり同様の効果がある。そのため従来は、浸炭性を有する雰囲気中における耐酸化性を考慮すると、C+Nを0.020%超とすることは難しかった。それに対して、本発明の規定の範囲内であれば、C+Nを0.020%超とすることも可能である。
Siは、脱酸剤として添加される元素であるとともに、耐浸炭性及び耐酸化性に優れた多量にAlを含む薄いスケールを形成するのに重要な元素であり、耐酸化性を維持するためには0.05%以上の添加を必要とする。しかし、過度の添加は加工性を低下させる。したがって、3.0%以下とする。更に、過度の低減は耐酸化性の低下に加え、脱酸不良やコスト増加を招き、過度の添加による加工性の低下を更に考慮すると、下限は0.10%とすることが望ましく、上限は1.8%が望ましい。より望ましくは、0.20%超〜1.2%未満の範囲である。
Mnは、脱酸剤として添加される元素であるとともに、固溶強化による高温強度向上に対しても効果がある元素である。しかし、過度の添加は常温の均一伸びを低下させる。したがって、0.05〜2.0%とする。更に、過度の低減はコスト増加を招き、また、過度の添加はMnSを形成して耐食性が低下することを考慮すると、下限は0.10%とすることが望ましく、上限は1.50%が望ましい。より望ましくは、0.20%超〜1.20%未満の範囲である。
Pは、製鋼精錬時に主として原料から混入してくる不純物であり、含有量が高くなると、靭性や溶接性が低下するため、その含有量は少ないほど良い。したがって、0.04%以下とする。但し、過度の低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は0.01%とするのが望ましい。
Sは、製鋼精錬時に主として原料から混入してくる不純物であり、耐食性を劣化させるため、その含有量は少ないほど良い。したがって、0.01%以下とする。但し、過度の低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は0.0003%とするのが望ましい。
Crは、耐浸炭性及び耐酸化性に優れた多量にAlを含む薄いスケールを形成するのに重要な元素であり、耐酸化性を維持するためには12.0%以上の添加を必要とする。しかし、25.0%超では加工性が低下するとともに靭性の劣化をもたらすため、12.0〜25.0%とする。更に、耐酸化性に加え、高温強度、高温疲労特性や製造コストを考慮すると、下限は12.5%とすることが望ましく、上限は20%が望ましい。更に望ましくは、13.0%超〜18.0%未満である。また、Crは高価な元素であるため、低コスト化を図るために極力低減することが望まれる場合がある。しかし従来は、浸炭性を有する雰囲気中における耐酸化性に特に重要な元素であり、14.5%未満とすることは難しかった。それに対して、本発明の規定の範囲内であれば、Crを14.5%未満とすることも可能である。さらに、低コスト化に加え、加工性の向上も考慮して、Crを14.0%未満とすることも可能である。
Niは耐食性を向上させる元素であるとともに、高温強度及び靭性を向上させる効果もある。しかし、過度な添加は成型性を低下させる。したがって、0.01〜2.0%とする。更に、Niは高価であることを考慮すると、上限は1.0%が望ましい。更に望ましくは、0.50%未満である。また、Niの耐食性向上効果は大きく、耐食性という付加価値を追加する上では有効的な活用が望まれる場合がある。しかし、Niはオーステナイト形成元素であり、酸化の進行に伴う表層部のCr低下により、表層部のみフェライト相からオーステナイト相へ相変態することを助長する。浸炭性を有する雰囲気中においては、浸炭により表層部のフェライト相からオーステナイト相へ相変態することが助長されているので、Ni添加による耐酸化性の劣化は大きい。同様にCuもオーステナイト形成元素であり、Niのオーステナイト形成能はCuの約2倍である。そのため従来鋼では、浸炭性を有する雰囲気中における耐酸化性を考慮すると、Cu+2Niを0.30%超とすることは難しかった。それに対して、本発明の規定の範囲内であれば、Cu+2Niを0.30%超とすることも可能である。さらに、これら元素の効果を積極的に活用するために、Cu+2Niを1.00%超とすることも可能である。
Alは、脱酸元素として添加される元素であるとともに、耐浸炭性及び耐酸化性に優れた多量にAlを含む薄いスケールを形成するのに重要な元素であり、耐酸化性を維持するためには0.25%超の添加を必要とする。しかし、過度の添加は硬質化して均一伸びを著しく低下させる他、靭性が著しく低下する。したがって、6.0%以下とする。また、固溶強化元素として高温強度向上に有用であるので、下限は0.35%が望ましい。更に望ましくは1.0%超である。また、過度の添加は溶接性を低下させるため、上限は4.8%が望ましい。更に望ましくは3.5%未満である。
Vは、微細な炭窒化物を形成し、析出強化作用が生じて高温強度向上に寄与する。しかし、過度の添加は析出物を粗大化して高温強度が低下し、熱疲労寿命は低下してしまう。したがって、0.01〜0.20%とする。
Bは、高温強度や熱疲労特性を向上させる元素である。しかし、過度の添加は熱間加工性や鋼表面の表面性状を低下させる。したがって、0.0002〜0.0050%とする。
Nbは、固溶強化及び析出物微細化強化により高温強度を向上させるとともに、CやNを炭窒化物として固定し、耐食性、耐粒界腐食性を向上させる。しかし、過度な添加は均一伸びを低下させ、穴拡げ性が劣化する。したがって、1.00%以下とする。更に、製造性を考慮すると、上限は0.60%未満が望ましい。また、NbとTiは、スケール形成初期やスケール修復時といった耐浸炭性が低下している時期において、浸炭を遅延する効果を有する重要な元素である。この浸炭遅延効果を得るためには、NbとTiの合計の下限を0.05%とする必要がある。望ましくは、0.07%超である。また、Nbは高価な元素であり、また、生産の9割がブラジルであり、供給偏在性が高いため、資源リスクが高く、低コスト化を図るために低減もしくは無添加とすることが望まれる場合がある。しかし、浸炭遅延効果だけであれば、Tiのみでも担保できるが、Nbは、フェライト形成元素として、酸化の進行に伴う母材表層部のCr又はAlの低下及び僅かな浸炭による母材表層部のフェライト相からオーステナイト相への相変態を抑制する効果も有し、耐酸化性を向上する役割は大きい。そのため従来は、浸炭性を有する雰囲気中における耐酸化性を考慮すると、Nbを0.35%未満もしくは無添加とすることは難しかった。それに対して、本発明の規定の範囲内であれば、Nbを0.35%未満もしくは無添加とすることも可能である。
Tiは、C,N,Sと結合して耐食性、耐粒界腐食性、深絞り性の指標となるr値を向上させる元素である。しかし、多量のTiは固溶Ti量が増加して均一伸びを低下させる。したがって、0.40%以下とする。更に、粗大なTi系析出物を形成し、穴拡げ加工時の割れの起点になり、穴拡げ性を劣化させることを考慮すると、上限は0.30%が望ましい。また、上記で説明した通り、Tiは浸炭遅延効果を有する重要な元素であり、NbとTiの合計の下限を0.05%とする必要がある。望ましくは、NbとTiの合計の下限は0.07%超である。但し、浸炭遅延効果はNbのみでも担保できるため、Tiを無添加とすることは可能である。更に、表面疵の発生を考慮すると、上限は0.25%未満が更に望ましい。但し、過度の低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は0.001%とするのが望ましい。また、Tiの耐食性向上効果は大きく、耐食性という付加価値を追加する上では有効的な活用が望まれる場合がある。しかし、過度に添加すると、酸化速度を上昇させ、CrやAlの消費を増やす、もしくは、スケール中のボイドや空孔などを増加することにより一酸化炭素もしくは炭化水素系ガスがスケールを透過し易くすることで、浸炭性を有する雰囲気中における耐酸化性が低下する。そのため従来は、浸炭性を有する雰囲気中における耐酸化性を考慮すると、Tiを0.20%超とすることは難しかった。それに対して、本発明の規定の範囲内であれば、Tiを0.20%超とすることも可能である。
前述のように、前記式(i)を満たすとともに、Nb、Tiの一方又は両方を含有して上記(ii)を満たすことにより、酸化処理後のステンレス鋼の表面に、スケールの厚みが2μm以下、スケール中、又は、スケールと母材の界面におけるAl濃度が15%以上を満足するスケールを形成し、耐浸炭性を改善し、更に耐酸化性を改善することができる。
Cuは、耐食性向上に有効な元素であり、必要に応じて0.01%以上添加する。また、Cuは高温強度を向上する元素であり、Cr、Nb、Moの代替もしくは、Cr、Nb、Moを利用した上で更なる高温強度向上を図るために有効的な活用が望まれる場合がある。高温強度はε−Cuが析出することによる析出硬化作用により向上される。しかし、過度な添加は熱間加工性を低下させる。したがって、2.0%以下とする。また、過度な添加はプレス成型性を低下させることを考慮すると、上限は1.50%が望ましい。更に望ましくは、1.30%未満である。また、Cuはオーステナイト形成元素であり、酸化の進行に伴う表層部のCr低下により、表層部のみフェライト相からオーステナイト相へ相変態することを助長する。浸炭性を有する雰囲気中においては、浸炭により表層部のフェライト相からオーステナイト相へ相変態することが助長されているので、Cu添加による耐酸化性の劣化は大きい。同様にNiもオーステナイト形成元素であり、Niのオーステナイト形成能はCuの約2倍である。そのため従来は、浸炭性を有する雰囲気中における耐酸化性を考慮すると、Cu+2Niを0.30%超とすることは難しかった。それに対して、本発明の規定の範囲内であれば、Cu+2Niを0.30%超とすることも可能である。さらに、これら元素の効果を積極的に活用するために、Cu+2Niを1.00%超とすることも可能である。Cu含有量を0.01%以上とすると好ましい。
Moは、耐食性を向上させるとともに、固溶強化による高温強度向上に対して有効であり、必要に応じて0.01%以上添加する。しかし、過度な添加は成型性を低下させる。したがって、2.00%以下とする。更に、製造性を考慮すると、上限は1.50%未満が望ましい。また、Moは高価な元素であるため、低コスト化を図るために低減もしくは無添加とすることが望まれる場合がある。しかし、Moはフェライト形成元素であり、酸化の進行に伴う表層部のCr低下により、表層部のみフェライト相からオーステナイト相へ相変態することを抑制する。浸炭性を有する雰囲気中においては、浸炭により表層部のフェライト相からオーステナイト相へ相変態することが助長されているので、Mo添加による耐酸化性の改善は大きい。そのため従来は、浸炭性を有する雰囲気中における耐酸化性を考慮すると、Moを0.50%未満もしくは無添加とすることは難しかった。それに対して、本発明の規定の範囲内であれば、Moを0.50%未満もしくは無添加とすることも可能である。Mo含有量を0.01%以上とすると好ましい。
Caは、脱硫のために必要に応じて添加される。この作用は0.0002%未満では発現しないため、下限を0.0002%とする。しかし、過度の添加は水溶性の介在物であるCaSの生成により耐食性を低下させるため、上限を0.0030%とする。また、Caは耐酸化性を向上する元素でもある。
Zrは、耐食性、耐粒界腐食性、高温強度を向上するため、必要に応じて0.01%以上添加する。しかし、過度の添加は加工性、製造性を低下させるため、上限を0.30%とする。また、Zrは耐酸化性を向上する元素でもある。
Yは、鋼の清浄度を向上し、耐銹性、熱間加工性を向上するため、必要に応じて0.001%以上添加する。しかし、過度の添加は合金コストの上昇と製造性をの低下に繋がるため、上限を0.20%とする。また、Yは耐酸化性を向上する元素でもある。
Hfは耐食性、耐粒界腐食性、高温強度を向上するため、必要に応じて0.001%以上添加する。しかし、過度の添加は加工性、製造性を低下させるため、上限を1.0%とする。また、Hfは耐酸化性を向上する元素でもある。
REM(希土類元素)は、鋼の清浄度を向上し、耐銹性、熱間加工性を向上するため、必要に応じて0.001%以上添加する。しかし、過度の添加は合金コストの上昇と製造性の低下に繋がるため、上限を0.20%とする。また、REMは耐酸化性を向上する元素でもある。REMは、一般的な定義に従う。スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)の2元素と、ランタン(La)からルテチウム(Lu)までの15元素(ランタノイド)の総称を指す。単独で添加しても良いし、混合物であっても良い。
Wは、耐食性と高温強度を向上するため、必要に応じて0.01%以上添加する。しかし、過度の添加は靭性、製造性を低下させるため、上限を5.0%とする。
Snは、耐食性と高温強度を向上するため、必要に応じて0.002%以上添加する。しかし、過度の添加は靭性、製造性を低下させるため、上限を1.0%とする。
Mgは、脱酸元素として添加させる場合がある他、スラブの組織を微細化させ、成型性向上に利用できるため、必要に応じて0.0002%以上添加する。しかし、過度の添加は耐食性、溶接性、表面品質を低下させるため、上限を0.0030%とする。
Coは、高温強度を向上するため、必要に応じて0.01%以上添加する。しかし、過度の添加は靭性、製造性を低下させるため、上限を0.30%とする。
Sbは、高温強度を向上するため、必要に応じて0.005%以上添加する。しかし、過度の添加は溶接性、靭性を低下させるため、上限を0.50%とする。
Biは、冷間圧延時に発生するローピングを抑制し、製造性を向上するため、必要に応じて0.001%以上添加する。しかし、過度の添加は熱間加工性を低下させるため、上限を1.0%とする。
Taは、高温強度を向上するため、必要に応じて0.001%以上添加する。しかし、過度の添加は靭性、製造性を低下させるため、上限を1.0%とする。
Gaは、耐食性と耐水素脆化特性を向上するため、必要に応じて0.0002%以上添加する。しかし、過度の添加は加工性を低下させるため、上限を0.30%とする。
また、仕上酸洗前の処理は一般的な処理を行って良く、例えば、ショットブラストや研削ブラシなどの機械的処理や、溶融ソルト処理や中性塩電解処理などの化学的処理を行うことができる。また、冷延・焼鈍後に調質圧延やテンションレベラーを付与しても構わない。更に、製品板厚についても、要求部材厚に応じて選択すれば良い。また、この鋼板を素材として電気抵抗溶接、TIG溶接、レーザー溶接などの通常の排気系部材用ステンレス鋼管の製造方法によって溶接管として製造しても良い。
Cr+5Si+6Nb+2Ti+4Al−22.5≧0 ・・・式(i)
Nb+Ti≧0.05 ・・・式(ii)
t+0.42logAl―0.54≧0 ・・・式(iii)
但し、式中の元素記号は、当該元素の含有量(質量%)を意味する。
先ず、表1の本発明例1〜12及び比較例13〜22に浸炭性を有する雰囲気中において形成されるスケールを調査した。浸炭性を有する雰囲気中でスケールを形成するための酸化試験には、雰囲気制御可能である管状炉を使用した。試験片を炉内に設置した後、窒素雰囲気で800℃まで昇温した。その後、雰囲気を、水蒸気が10体積%、二酸化炭素が10体積%、一酸化炭素が10体積%、残りが窒素の混合雰囲気に切り替え、800℃で100時間保持した。その後、窒素雰囲気に切り替え室温まで冷却した。
次に、上記試験1で評価した表2に示されるスケールを形成することができる表1の本発明例1〜12及び比較例13〜22の耐浸炭性及び耐酸化性を評価した。本評価のための酸化試験には、試験1と同じ雰囲気制御可能である管状炉を使用した。試験片を炉内に設置した後、窒素雰囲気で850℃まで昇温した。その後、雰囲気を、水蒸気が10体積%、二酸化炭素が10体積%、一酸化炭素が10体積%、残りが窒素である浸炭性を有する雰囲気に切り替え、850℃で200時間保持した。その後、窒素雰囲気に切り替え室温まで冷却した。この酸化試験では酸化後試験片のスケールが剥離することはほぼないが、スケールが剥離した場合は、剥離したスケールも回収し、剥離したスケールも含む酸化後試験片の重量増加の値を試験片の表面積の値で除した値を酸化増量とした。このような、浸炭性を有する雰囲気中、850℃、200時間の連続酸化試験における酸化増量を用いて、耐浸炭性及び耐酸化性を評価した。酸化増量が0.50mg/cm2以下であれば、耐酸化性は良好とし、浸炭による酸化の促進もなかったと考えられるので、耐浸炭性も良好とした。
更に、上記試験2で耐浸炭性及び耐酸化性が良好であると評価された、表1の本発明例1〜12について、浸炭性を有する雰囲気中において形成されるスケールの長期使用を考慮した上での保護性を評価した。本評価には、表1の本発明鋼1〜12の0.30〜1.25mm×幅20mm×長さ25mmの試験片を用いた。試験片厚みについては、厚さ2.0mmの試験片を研削することで調整した。本評価は、浸炭性を有する雰囲気中の酸化試験と大気中の酸化試験を連続で実施する試験とした。浸炭性を有する雰囲気中の酸化試験には、試験1及び試験2と同じ雰囲気制御可能である管状炉を使用した。試験片を炉内に設置した後、窒素雰囲気で850℃まで昇温した。その後、雰囲気を、水蒸気が10体積%、二酸化炭素が10体積%、一酸化炭素が10体積%、残りが窒素である浸炭性を有する雰囲気に切り替え、850℃で200時間保持した。その後、窒素雰囲気に切り替え室温まで冷却した。この浸炭性を有する雰囲気中の酸化後試験片を用いて、続けて大気中の酸化試験を実施した。大気中の酸化試験には静止大気中での熱処理を行うマッフル炉を使用した。浸炭性を有する雰囲気中の酸化後試験片を炉内に設置した後、950℃まで昇温した。その後、950℃で200時間保持した後、室温まで冷却した。酸化後冷却過程においてスケールが剥離した場合は、剥離したスケールも回収し、剥離したスケールも含む酸化後試験片の重量増加の値を試験片の表面積の値で除した値を酸化増量とした。このような、浸炭性を有する雰囲気中、850℃、200時間の連続酸化試験と、大気中、950℃、200時間の連続酸化試験を連続で行う試験における酸化増量を用いて、浸炭性を有する雰囲気中において形成されるスケールの長期使用を考慮した上での保護性を評価した。酸化増量を1.00mg/cm2以下を良好とした。
Claims (13)
- 質量%で、
C:0.02%以下、
N:0.02%以下、
Si:0.05%以上、3.0%以下、
Mn:0.05%以上、2.0%以下、
P:0.04%以下、
S:0.01%以下、
Cr:12.0%以上、25.0%以下、
Ni:0.01%以上、2.0%以下、
Al:0.25%超、6.0%以下
V:0.01%以上、0.20%以下、
B:0.0002%以上、0.0050%以下、
を含有し、質量%にて更に、
Nb:1.0%以下、
Ti:0.40%以下、
の1種または2種を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、下記(i)式、(ii)式及び(iii)式を満たす組成及び板厚を有するステンレス鋼板の表面に、スケール中、又は、スケールと母材の界面におけるAl濃度が15%以上を満足するスケールを有することを特徴とする耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
Cr+5Si+6Nb+2Ti+4Al−22.5≧0 ・・・式(i)
Nb+Ti≧0.05 ・・・式(ii)
t+0.42logAl―0.54≧0 ・・・式(iii)
但し、式中の元素記号は、当該元素の含有量(質量%)を意味し、tは板厚(mm)を意味する。 - 質量%にて、更に
Cu:0.01%以上、2.0%以下、
Mo:0.01%以上、2.0%以下、
の1種または2種を含有することを特徴とする請求項1に記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。 - 質量%にて、更に
Cr:14.5%未満、
Nb:0.35%未満、
Mo:0.50%未満、
C+N:0.020%超、
Cu+2Ni:0.30%超、
Ti:0.20%超、
の1種または2種以上を満足する請求項1または請求項2に記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。 - 質量%にて、更に
Ca:0.0002%以上、0.0030%以下、
Zr:0.01%以上、0.30%以下、
Y:0.001%以上、0.20%以下、
Hf:0.001%以上、1.0%以下、
REM:0.001%以上、0.20%以下、
の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〜請求項3のいずれかに記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。 - 質量%にて、更に
W:0.01%以上、5.0%以下、
Sn:0.002%以上、1.0%以下、
Mg:0.0002%以上、0.0030%以下、
Co:0.01%以上、0.30%以下、
Sb:0.005%以上、0.50%以下、
Bi:0.001%以上、1.0%以下、
Ta:0.001%以上、1.0%以下、
Ga:0.0002%以上、0.30%以下、
の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〜請求項4のいずれかに記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。 - 請求項1〜請求項5のいずれかに記載の組成を有するステンレス鋼板を、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素系ガスのいずれか1種または2種以上と水蒸気を含む雰囲気中において、600〜1000℃の範囲で熱処理することにより、前記ステンレス鋼板の表面に、スケール中、又は、スケールと母材の界面におけるAl濃度が15%以上を満足するスケールを形成することを特徴とする耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板の製造方法。
- 質量%で、
C:0.02%以下、
N:0.02%以下、
Si:0.05%以上、3.0%以下、
Mn:0.05%以上、2.0%以下、
P:0.04%以下、
S:0.01%以下、
Cr:12.0%以上、25.0%以下、
Ni:0.01%以上、2.0%以下、
Al:0.25%超、6.0%以下
V:0.01%以上、0.20%以下、
B:0.0002%以上、0.0050%以下、
を含有し、質量%にて更に、
Nb:1.0%以下、
Ti:0.40%以下、
の1種または2種を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、下記(i)式、(ii)式及び(iii)式を満たす組成及び板厚を有し、水蒸気が10体積%、二酸化炭素が10体積%、一酸化炭素が10体積%、残りが窒素である雰囲気中で800℃に加熱し100時間継続した後で室温まで冷却したとき、ステンレス鋼板の表面に、スケールの厚みが2μm以下、スケール中、又は、スケールと母材の界面におけるAl濃度が15%以上を満足するスケールを形成することを特徴とする耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
Cr+5Si+6Nb+2Ti+4Al−22.5≧0 ・・・式(i)
Nb+Ti≧0.05 ・・・式(ii)
t+0.42logAl―0.54≧0 ・・・式(iii)
但し、式中の元素記号は、当該元素の含有量(質量%)を意味し、tは板厚(mm)を意味する。 - 質量%にて、更に
Cu:0.01%以上、2.0%以下、
Mo:0.01%以上、2.0%以下、
の1種または2種を含有することを特徴とする請求項7に記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。 - 質量%にて、更に
Cr:14.5%未満、
Nb:0.35%未満、
Mo:0.50%未満、
C+N:0.020%超、
Cu+2Ni:0.30%超、
Ti:0.20%超、
の1種または2種以上を満足する請求項7または請求項8に記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。 - 質量%にて、更に
Ca:0.0002%以上、0.0030%以下、
Zr:0.01%以上、0.30%以下、
Y:0.001%以上、0.20%以下、
Hf:0.001%以上、1.0%以下、
REM:0.001%以上、0.20%以下、
の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7〜請求項9のいずれかに記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。 - 質量%にて、更に
W:0.01%以上、5.0%以下、
Sn:0.002%以上、1.0%以下、
Mg:0.0002%以上、0.0030%以下、
Co:0.01%以上、0.30%以下、
Sb:0.005%以上、0.50%以下、
Bi:0.001%以上、1.0%以下、
Ta:0.001%以上、1.0%以下、
Ga:0.0002%以上、0.30%以下、
の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7〜請求項10のいずれかに記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。 - 水蒸気が10体積%、二酸化炭素が10体積%、一酸化炭素が10体積%、残りが窒素である雰囲気中で850℃に加熱し200時間継続した後で室温まで冷却したときの酸化増量が0.50mg/cm2以下であり、かつ、水蒸気が10体積%、二酸化炭素が10体積%、一酸化炭素が10体積%、残りが窒素である雰囲気中で850℃に加熱し200時間継続した後のスケール付きのフェライト系ステンレス鋼板を大気950℃に加熱し200時間継続した後で室温まで冷却したときの酸化増量が1.00mg/cm2以下であることを特徴とする請求項1〜5、7〜11のいずれかに記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
- 雰囲気中に含まれる一酸化炭素もしくは炭化水素系ガスが、雰囲気中に含まれる酸素と全て反応しても、1体積%以上の一酸化炭素もしくは炭化水素系ガスが残存する組成の浸炭性雰囲気または、雰囲気中の酸素が1体積%以下であり、かつ、酸素の10倍以上の体積の二酸化炭素を含む浸炭性雰囲気に曝される可能性のある自動車排気系部材または燃料電池高温部材として用いることを特徴とする請求項1〜5、7〜12のいずれかに記載の耐浸炭性及び耐酸化性に優れた浸炭性を有する雰囲気となる自動車排気系又は燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼板。
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