JP2017538862A - フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

本発明によるフェライト系ステンレス鋼は、重量％で、Ｃ：０．００３〜０．０１２％、Ｎ：０．００３〜０．０１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．１５％、Ｍｎ：０．３〜０．８％、Ｃｒ：２０〜２４％、Ｍｏ；０．１〜０．４％、Ｎｂ：０．１〜０．７％、Ｔｉ：０．０３〜０．１％、残部Ｆｅ及び不可避な不純物を含み、下記式を満たすことを特徴とする。式：Ｎｂ＋Ｍｎ≧８Ｓｉ（Ｎｂ、Ｍｎ、Ｓｉは、それぞれ該当成分の重量％含量）【選択図】図１

Description

本発明は、フェライト系ステンレス鋼に係り、より詳しくは、高温の酸化環境で高い伝導度を維持できるフェライト系ステンレス鋼に関する。

ステンレス鋼は優れた耐食性と耐酸化性を持つため、常温から高温まで多様な分野に適用されている。この中で、高温の環境で作動する燃料電池の分離板などの部品をステンレス鋼で製作するために多くの研究が進められている。
高温燃料電池にステンレス鋼を適用するためには、高温の酸化環境でステンレス鋼の表面に形成されるスケールの厚さが厚くなりすぎたり、電気伝導度が低下されてはいけない。スケールが一定の厚さ以上に厚くなる場合、スケールが剥離して素材を損傷することがあり、電気伝導度が低い場合、燃料電池の効率を下げることもある。
したがって、ステンレス鋼を燃料電池の部品として適用するためには、このような特性を揃えなければならない。

ステンレス鋼が酸化されれば、クロム酸化物（Ｃｒ_２Ｏ）が表面に形成され、このようなクロム酸化物で構成された酸化スケールによって耐食性を有するようになる。しかし、このとき形成されるスケールは耐食性に優れる一方、電気伝導度が低い特性を有している。また、一般的なステンレス鋼にはシリコーンが一定量含まれているが、これによりステンレス鋼とスケールの界面にシリコーン酸化物が形成されて絶縁効果を示す問題がある。このようにクロム酸化物で構成されたスケールの様子を図３に、シリコーン酸化物が形成された様子を図４に、シリコーン酸化物が集まっている層の成分分析結果を図５にそれぞれ示した。
このような問題を解決するために、希土類を加えたり、ステンレス鋼の中のシリコーンの濃度を非常に低く制御する技術が開発されているが、このような技術は通常の大量生産型金属製造工程には適用し難いので、製造費用が過度に増加することになる。
したがって、シリコーン酸化物の形成を防ぎ、高温でも高い電気伝導度を有するステンレス鋼の開発が要求される実情がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、高温の酸化環境でも高い電気伝導度を維持できるフェライト系ステンレス鋼を提供することにある。

上記目的を果たすためになされた、本発明の一実施例によるフェライト系ステンレス鋼は、重量％で、Ｃ：０．００３〜０．０１２％、Ｎ：０．００３〜０．０１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．１５％、Ｍｎ：０．３〜０．８％、Ｃｒ：２０〜２４％、Ｍｏ：０．１〜０．４％、Ｎｂ：０．１〜０．７％、Ｔｉ：０．０３〜０．１％、残部Ｆｅ及び不可避な不純物を含む母材を含み、下記式を満たすことを特徴とする。
式：Ｎｂ＋Ｍｎ≧８Ｓｉ（Ｎｂ、Ｍｎ、Ｓｉは、それぞれ該当成分の重量％含量）

フェライト系ステンレス鋼が３００〜９００℃の酸化環境に露出されるとき、フェライト系ステンレス鋼の表面にクロム酸化物を含む第１スケール層が形成され、第１スケール層の表面にクロム酸化物とマンガン酸化物を含む第２スケール層が形成され、第２スケール層の厚さは、全スケール層の厚さの２／３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と第１スケール層の間には、ニオビウム酸化物を含む第３スケール層が形成されることを特徴とする。

本発明によれば、本発明のフェライト系ステンレス鋼は、高温の酸化環境の燃料電池の分離板などに適用されるとき、長時間にわたって高い電気伝導度が維持できる部品を製作することができる。

本発明の一実施例によるフェライト系ステンレス鋼の断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真。 各スケール層の成分分析をしたエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）による成分分析チャートであり、（ａ）はクロム／マンガン酸化物で構成された第２スケール層、（ｂ）はクロム酸化物で構成された第１スケール層を示す。 クロム酸化物層のみが形成された比較例断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真。 母材とスケールの間にシリコーン酸化物層が形成された比較例断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真。 母材とスケールの間に形成されたシリコーン酸化物層のエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）による成分分析チャート。 本発明の実施例と比較例の深さによるシリコーンの分率を比較したグラフ。 本発明の実施例における、深さによるニオビウムの分率を表すグラフ。

ここで使われる専門用語は、単に特定実施例を言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使われる単数型は文句がこれと明白に反対の意味を示さない限り複数型も含む。明細書で使われる「含む」の意味は、特定特性、領域、整数、段階、動作、要素及び／または成分を具体化し、他の特定特性、領域、整数、段階、動作、要素、成分及び／または群の存在や付加を除くものではない。
別に定義はしていないが、ここで使われる技術用語及び科学用語を含む全ての用語は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が一般的に理解する意味と同じ意味を持つ。普段使われる辞書に定義されている用語は、関連技術文献と現在開示されている内容に符合する意味を有するものとして追加解釈されるし、定義されない限り、理想的又は非常に公式的意味として解釈されない。
以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施例によるフェライト系ステンレス鋼について説明する。

本発明は、鉄を基地組織にして、Ｃ：０．００３〜０．０１２％、Ｎ：０．００３〜０．０１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．１５％、Ｍｎ：０．３〜０．８％、Ｃｒ：２０〜２４％、Ｍｏ：０．１〜０．４％ Ｎｂ：０．１〜０．７％、Ｔｉ：０．０３〜０．１％（以上、重量％）を含むフェライト系ステンレス鋼であって、下記の式を満たす組成の鋼である。
式：Ｎｂ＋Ｍｎ≧８Ｓｉ
ここで、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｓｉは、それぞれ該当成分の重量％含量を意味する。

上記式は、マンガンとニオビウムの含量がシリコーンに比べて一定量以上多くなるように制限するもので、シリコーン酸化物の形成を防止するために必要な組成を示すものである。マンガンとニオビウムは酸化速度と拡散速度が速いので、スケールの外部表面層や、母材とスケールの間の界面に酸化物として形成され、これによってシリコーンが酸化されて酸化物を生成することを防止することができる。マンガンとニオビウムがシリコーンに比べて一定以下の含量を有する場合、このような効果を期待することができないため、上述した式の範囲を満たすことが重要である。

以下、各成分の範囲を限定する理由に関して説明する。以下で説明する％は、いずれも重量％を意味する。
炭素（Ｃ）はステンレスの製造過程で必須に含有される元素である。炭素の含量が過度に増加する場合、クロム炭化物などの析出物が形成されて母材の造成及び酸化特性に悪影響を与えることがあるため、上限を０．０１２％に制限する。ただし、炭素の含量を極く低値に制御することは過度な費用上昇をもたらすので、下限を０．００３％に制限することが望ましい。
窒素（Ｎ）は、含量が過度に増加する場合、各種窒化物が析出されたり、気孔の発生によって品質に悪影響を及ぼすため、上限を０．０１５％に制限する。ただし、窒素の含量を極く低値に制御することは過度な費用上昇をもたらすので、下限を０．００３％以上に制限することが望ましい。

シリコーン（Ｓｉ）は、素材が高温に露出されると、スケールと母材の間の界面でフィルム状の析出物を形成して絶縁膜を形成するため、厳格に制限されなければならない成分であり、その上限を０．１５％に制限する。しかし、シリコーン含量を０．０５％以下に減少させるためには真空溶解などの高費用の工程を経由しなければならないので、本発明では下限を０．０５％に制限した。
マンガン（Ｍｎ）は、ステンレス鋼が高温で酸化されるとき、速く拡散してスケールの外層で緻密なマンガン／クロム酸化物を形成するので、０．３％以上を添加しなければならない。しかし、マンガンの過度な添加はスケールの成長を過度に促進し、スケールの剥離が発生するおそれがあるので、上限を０．８％に制限する。
クロム（Ｃｒ）は、ステンレス鋼の耐食性を確保するための必須的元素である。高温の酸化環境で長時間にわたる酸化によるクロム枯渇を防止するために、最低限２０％以上を添加しなければならない。ただし、製造費用の上昇とクロム炭化物、金属間化合物などの析出を防止するために、上限を２４％に制限することが望ましい。

モリブデン（Ｍｏ）は、高温の環境で素材の強度を増加させられる元素である。したがって、最低０．１％以上を添加する必要があるが、高価な元素なので、製造費用の上昇を抑制するために上限を０．４％に制限することが望ましい。
ニオビウム（Ｎｂ）は優れた酸化特性によってスケール／母材の界面で酸化されて酸化物を形成し、これによって絶縁性のシリコーン酸化物の形成を抑制するので、０．１％以上を添加する。一方、過度に添加すれば熱間加工性を阻害させて製造費用の上昇をもたらすので、上限を０．７％に制限することが望ましい。
チタン（Ｔｉ）は、高温で母材とスケールの間の界面の直下、つまり、母材の表面の近くで内部酸化物を形成して素材の強度を増加させるので、０．０３％以上の含量が必要である。ただし、過度に添加するときは、製造費用の上昇をもたらし、スケールの外部にチタン酸化物を形成するので、上限を０．１％に制限することが望ましい。

このようなフェライト系ステンレス鋼が３００〜９００℃の酸化環境に露出されれば、フェライト系ステンレス鋼の表面にクロム酸化物を含む第１スケール層が形成され、第１スケール層の表面にクロム酸化物とマンガン酸化物を含む第２スケール層が形成され、第２スケール層の厚さは、全スケール層の厚さの２／３以上であることを特徴とする。
図１に示したように、クロム酸化物を含む第１スケール層と、クロム酸化物とマンガン酸化物を含む第２スケール層には厚さの差が存在する。クロム酸化物は電気伝導度が低いため燃料電池の部品として使うには適していないが、マンガン酸化物は比較的に電気伝導度が高いので、燃料電池の部品として使用できるようになる。必要な電気伝導度を有するためには、第１スケール層の厚さより第２スケール層の厚さがさらに厚くなければならず、少なくとも第１スケール層より第２スケール層の厚さが２倍以上厚くなければならない。したがって、第２スケール層は全スケール層の中で２／３以上の厚さを持つことが望ましい。また、図２に示したように、第２スケール層にはマンガンとクロムなどが含まれることが明確であり、第１スケール層にはクロムなどが含まれることが明確である。
フェライト系ステンレス鋼と第１スケール層の間には、ニオビウム酸化物を含む第３スケール層が形成されることが望ましい。

通常、母材、つまりステンレス鋼とその表面に形成されるスケール層の間には、酸化されやすいシリコーンが酸化物層が形成される。シリコーン酸化物層が形成された様子を図４に示した。シリコーン酸化物は電気伝導度が極めて低いため、燃料電池用部品として使うことができない。このため、シリコーンの代わりに、シリコーンより速く酸化して電気伝導度が高い酸化物を形成させ、シリコーン酸化物の生成を抑制することが必要である。この目的のため、本発明ではニオビウムを添加して母材とスケール層の間にニオビウム酸化物を形成させ、シリコーン酸化物の形成を抑制することができる。より好ましくは、シリコーン酸化物の生成を完全に防止しなければならないが、シリコーン酸化物の生成を完全に抑制することはとても難しい。しかし、ニオビウム酸化物を生成させれば、その分シリコーンが酸化される機会を減少させるので、シリコーン酸化物の総生成量を減少させることができ、これによって電気伝導度の低下を防止することができる。

図６に本発明の実施例と、シリコーン酸化物層が形成される比較例の深さによるシリコーン分率を比較したグラフを示した。図６によれば、比較例の場合に１〜５マイクロメートルの深さでシリコーンの分率が高くなるが、本発明の実施例は同じ範囲でシリコーンの分率が高くならないことが分かる。
一方、図７に示したとおり、本発明の実施例ではニオビウムの含量が２〜５マイクロメートルの深さで高くなることが分かる。

以下、本発明の実施例と比較例について、その組成、式を満すか否か、及びシリコーン酸化物の生成の有無を表１に示した。

表１に示したとおり、本発明の組成や式を満たさないと、シリコーン酸化物が形成されて電気伝導度が大きく低下することが分かる。

以上、添付の図面に基づいて本発明の実施例を説明したが、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明がその技術的思想や必須的特徴を変更しなくても他の具体的な形態で実施できるということを理解することができる。
したがって、以上で記述した実施例はすべての面において例示的なものであって限定的ではないものとして理解しなければならない。本発明の範囲は、上記詳細な説明よりは後述する特許請求範囲によって示され、特許請求範囲の意味及び範囲、そしてその均等概念から導き出されるすべての変更、又は変更された形態が本発明の範囲に含まれるものとして解釈されなければならない。

Claims (3)

1. 重量％で、Ｃ：０．００３〜０．０１２％、Ｎ：０．００３〜０．０１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．１５％、Ｍｎ：０．３〜０．８％、Ｃｒ：２０〜２４％、Ｍｏ：０．１〜０．４％、Ｎｂ：０．１〜０．７％、Ｔｉ：０．０３〜０．１％、残部Ｆｅ及び不可避な不純物を含み、
   下記式を満たすことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。
   式：Ｎｂ＋Ｍｎ≧８Ｓｉ
   上記式中、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｓｉは、それぞれ該当成分の重量％含量を示す。
2. 前記フェライト系ステンレス鋼の表面にクロム酸化物を含む第１スケール層が形成され、前記第１スケール層の表面にクロム酸化物とマンガン酸化物を含む第２スケール層が形成され、
   前記第２スケール層の厚さは、全スケール層の厚さの２／３以上であ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 。
3. 前記フェライト系ステンレス鋼と前記第１スケール層の間には、ニオビウム酸化物を含む第３スケール層が形成されることを特徴とする請求項２に記載のフェライト系ステンレス鋼。

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