JP2018115385A - 排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法、ならびに排気部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車排気部品の中でターボチャージャーの部品用として適合する耐熱性と、穴拡げ性を含む加工性と、高温摺動性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板を提供する。【解決手段】質量%で、Ｃ:0.005〜0.2%、Si:1.5〜5.0%、Mn:0.1〜5.0%、Ｐ:0.01〜0.05%、Ｓ:0.0001〜0.01%、Ni:5.0〜15.0%、Cr:15.0〜25.0%、Ｎ:0.02〜0.4%、Al:0.003〜1.0%、Cu:0.05〜3.0%、Mo:0.01〜2.0%、Ｖ:0.05〜1.0%、Ti:0〜0.3%、Nb:0〜0.3%、Ｂ:0〜0.0050%、Ca:0〜0.01%、W:0〜3.0%、Zr:0〜0.3%、Sn:0〜0.5%、Co:0〜0.3%、Mg:0〜0.01%、Sb:0〜0.5%、REM:0〜0.2%、Ga:0〜0.3%、およびTa:0〜1.0%、を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、表層の（Si+Al）の最大濃度が質量%で8.0%以上である、排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板。【選択図】なし

Description

本発明は、排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法、ならびに排気部品およびその製造方法に関するものである。

自動車の排気マニホールド、フロントパイプ、センターパイプ、マフラー、および排気ガス浄化のための環境対応部品は、高温の排気ガスを安定的に通気させる必要がある。このため、耐酸化性、高温強度、熱疲労特性等の耐熱性に優れた材料が使用されるが、凝縮水腐食環境でもあることから、耐食性に優れることも要求される。

排気ガス規制の強化、エンジン性能の向上、車体軽量化等の観点からも、これらの部品にはステンレス鋼が多く使用されている。また、近年では、排気ガス規制の強化が、さらに強まる他、燃費性能の向上、ダウンサイジング等の動きから、特にエンジン直下のエキゾーストマニホールドを通気する排気ガス温度は上昇傾向にある。

加えて、ターボチャージャーの様な過給機を搭載するケースも多くなっており、エキゾーストマニホールド、又はターボチャージャーに使用されるステンレス鋼には耐熱性の一層の向上が求められている。そして、排気ガス温度の上昇に関しては、従来９００℃程度であった排気ガス温度が１０００℃程度まで上昇することも見込まれている。

一方、ターボチャージャーの内部構造は複雑で、過給効率を高めるとともに、耐熱信頼性の確保が重要であり、主として耐熱オーステナイト系ステンレス鋼の使用が開示されている。

代表的な耐熱オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１０Ｓ（２５％Ｃｒ−２０％Ｎｉ）、Ｎｉ基合金等の他、特許文献１には高Ｃｒ高Ｎｉ鋼が開示されている。特許文献２、３には、１１００℃における耐力に優れるオーステナイト系ステンレス鋼として、（Ｃ＋Ｎ）＝０．２５〜０．３５質量％を含むＳｉ含有の高Ｃｒ-高Ｎｉ-Ｍｏ鋼が開示されている。

また、特許文献４にはＳｉを２〜４質量％、含有させたオーステナイト系ステンレス鋼を用いたノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイド部品が開示されている。

特開２００２−３３２８６２号公報 国際公開２０１４／１５７６５５号 特開２０１６−８９２００号公報 特許第４９３７２７７号公報

ターボチャージャーの中でノズルベーン式ターボチャージャーの内部には各種の精密部品が用いられる。具体的には、内部の精密部品の中で、バックプレート、オイルディフレクターと呼ばれる部品は、タービン部分およびコンプレッサー部分とセンターコアの間に位置する。これら部品は、各部のシール性を保ちつつ、タービンおよびコンプレッサーホイールを安定的に回転させる部品である。このため、耐熱性（耐酸化性、及び高温強度）の他に、表面平滑性、つまり表面粗さが小さいことが求められる。

また、排気ガスの流速、および流量を調整するために、ノズルマウント、ノズルプレート、ノズルリング、ノズルベーン、ドライブリング、ドライブレバーといった精密部品から構成されるノズル部品がある。これら部品は、高温の排気ガスに接するため、高温強度、クリープ特性、耐酸化性といった耐熱特性が求められる。この他、排気ガス流速、および流量をベーンの開閉で調整するため、高温摺動性についても求められる。

なお、高温摺動性とは、高温での摩擦・摩耗特性であり、高温での繰り返しの摩耗後の表面平滑性を指す。高温摺動性が優れている場合、高温での繰り返しの摩耗後も、表面平滑性が良く、表面粗さが小さい。

さらに、上記精密部品の製造過程では、穴開け、または穴拡げ加工が施される場合が多く、極めて高い寸法精度、板厚精度が要求されるため、加工性も大切となる。従来、耐熱性に優れる材料は硬質であるため、鋳物が用いられる場合があった。また、鋼板を用いる場合でも、加工においては、部品加工時に亀裂、割れの発生、および加工精度の問題から、加工後に切削、および研削処理を施した上で使用されていた。しかしながら、上記の製造プロセスを経ることで、素材および部品加工のコストが高くなる欠点がある。

特許文献１では、精密鋳造法、及び金属射出成形法で、ターボチャージャーにおける排気ガイドアッセンブリを作製しており、加工成形の必要がない。このため、特許文献１では、熱間加工性について検討していない。また、上記のような製造方法を選択すると、部品の製造コストが増加する。

特許文献２では、高温強度、耐酸化性、加工性について、検討されている。しかしながら、ターボチャージャー内部の精密部品に必要となる、より詳細な穴拡げ性といった、加工性、高温摺動性といった高温での摩擦・摩耗特性までは、十分に検討されていない。

特許文献３では、特許文献２と同様、高温強度、耐酸化性、加工性について、検討されている。しかしながら、ターボチャージャー内部の精密部品に必要となる、より詳細な穴拡げ性といった加工性、高温摺動性といった高温での摩擦・摩耗特性までは十分に検討されていない。また、希土類元素（ＲＥＭ）を必須元素として含むため、製造コストが増加するという問題点がある。

特許文献４に示されるような、高Ｓｉ成分の組成では、高温でのスケール生成量が少ないとともに、スケール密着性に優れる。このため、高温環境下で各部品が摺動した際に、スケール剥離や摩耗が少なく、優れた高温摺動性を得ることが出来る。しかしながら、Ｓｉ含有量が多い場合、板材加工の際に割れ等の不具合が生じやすい。

このため特許文献４では、熱間加工性をも考慮して組成を規定している。しかしながら、実施例で高温強度を評価するために行われた高温引張試験は、適応温度を８００℃としており、より高い温度域での高温特性は不明である。また、特許文献４では、さらに高い温度域で使用する際、より多くのひずみが入った状態である、部品形状での穴拡げ性について十分に検討しているとは言えない。

従って、上記加工性と、高Ｓｉ成分にて得られるような高温摺動性の両立はこれまでの技術では十分得られていない。このため、ＳＵＳ３１０Ｓの様な低Ｓｉ鋼に対してクロマイジング処理等の表面処理を施して、高温摺動性を確保する等の対策が成されている。しかしながら、上記の処置は、製造コストが増加するという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決し、特に自動車排気部品の中でターボチャージャーの部品用として適合する耐熱性、加工性、および高温摺動性に優れた排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板、ならびに排気部品を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者らは排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法、ならびに排気部品およびその製造方法に関して、鋼成分、加工特性、表面性状、高温特性の見地から詳細な研究を行った。その結果、以下、（Ａ）〜（Ｄ）の知見を得た。

（Ａ）耐熱性が求められる環境で使用されるオーステナイト系ステンレス鋼板の特性として重要なのは、高温強度といった耐熱性である。そして、高温強度以外にもターボチャージャー内部の精密部品に加工した際の、加工精度、つまり加工性が悪いと、部品同士の接触、焼きつきの他、ガスの気密性、又はガス流れ不良等が生じてしまう。その結果、ターボチャージャーの破損、または熱効率低下を招き、部品性能の信頼性低下に繋がる。

ターボチャージャーの内部部品において、具体的には、ノズルベーン、ウエストゲートバルブを構成する部品は、高温無潤滑環境下で作動する。このため、高温摺動性が悪いと焼きつき、凝着、摩耗といった現象が起こり、その結果、ターボチャージャー全体が動かなくなる不具合が生じる。

したがって、特に上記の様なターボチャージャー部品に使用されるオーステナイト系ステンレス鋼板には、高温強度といった耐熱性に加えて、加工性、表面平滑性、および高温摺動性、も極めて重要な特性となる。

（Ｂ）鋼成分を適正に制御することにより高温強度といった耐熱性、穴広げ性を含む加工性に優れた部品が得られる。

（Ｃ）優れた表面平滑性は、表面処理（溶融アルカリ塩処理と酸洗処理）によって確保できることを知見した。また、優れた表面平滑性を得るためには、鋳造品の切削処理、または研削処理、あるいは冷延焼鈍後に研磨処理を行うことが通常である。しかしながら、本発明では冷延焼鈍後に、表面処理を行うことで、優れた表面平滑性を得ることが可能になる。このため本発明では切削、および研削工程の省略、あるいは負荷を低減することが可能である。

（Ｄ）良好な高温摺動性を得るためには、表面処理により、表層に（Ｓｉ＋Ａｌ）の濃化層を作ることが、有効である。具体的には、（Ｓｉ＋Ａｌ）濃化層と高温摺動性について、以下のような知見が得られた。図１に１９％Ｃｒ−１３％Ｎｉ−３．５％Ｓｉ鋼の表面皮膜プロファイルを示す。

ここで、表面皮膜プロファイルは、オージェ電子分光装置を用いて表面からの各元素濃度を測定し、カチオン分率で示したものである。高温摺動性の試験は、１０×２０×４．３ｍｍ厚さのベースサンプルと、摺動サンプルを９００℃に加熱し、摺動板に対して垂直方向に０．４ＭＰａの荷重を加えながら、３．３ｍｍ／ｓの速度で摺動させた。

その後、摺動部の表面粗さ（最大粗さ）を高温摺動性の指針とした。最大粗さが大きい程、高温摺動性が悪く、例えば、最大粗さが１００μｍを超えると排気部品に要求される高温摺動性が得られない。

図１の（ａ）は表層の最大（Ｓｉ＋Ａｌ）濃度が質量％で３３．９％と高く、高温摺動試験後の粗さが小さく、高温摺動性に優れている。また、（ｂ）は表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度が質量％で９．８％と（ａ）よりも低いものの、高温摺動性は満足する。一方、（ｃ）は表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度が質量％で７．９％と低く、高温摺動性は不良である。

この違いは、後述する冷延板の、溶融アルカリ塩処理を含めた酸洗方法の違いに加え、Ｓｉ、Ａｌ濃化の熱処理の有無により生じるものである。ＳｉとＡｌは本発明で想定される熱処理において、形成される酸化スケール中で濃化し、耐摩耗性、またはスケール剥離性を抑制する。このため、（Ｓｉ＋Ａｌ）が表層で濃化しない場合、高温摺動性を得ることができない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記のオーステナイト系ステンレス鋼板およびそれを用いた部品を要旨とする。

（１）質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．２％、
Ｓｉ：１．５〜５．０％、
Ｍｎ：０．１〜５．０％、
Ｐ：０．０１〜０．０５％、
Ｓ：０．０００１〜０．０１％、
Ｎｉ：５．０〜１５．０％、
Ｃｒ：１５．０〜２５．０％、
Ｎ：０．０２〜０．４％、
Ａｌ：０．００３〜１．０％、
Ｃｕ：０．０５〜３．０％
Ｍｏ：０．０１〜２．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｔｉ：０〜０．３％、
Ｎｂ：０〜０．３％、
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｗ：０〜３．０％、
Ｚｒ：０〜０．３％、
Ｓｎ：０〜０．５％、
Ｃｏ：０〜０．３％、
Ｍｇ：０〜０．０１％、
Ｓｂ：０〜０．５％、
ＲＥＭ：０〜０．２％、
Ｇａ：０〜０．３％、および
Ｔａ：０〜１．０％、
を含有し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度が質量％で８．０％以上である、排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板。

（２）質量％で、さらに、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｂ：０．０００２〜０．００５０％、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｗ：０．１〜３．０％、
Ｚｒ：０．０５〜０．３％、
Ｓｎ：０．０１〜０．５％、
Ｃｏ：０．０３〜０．３％、
Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％、
Ｓｂ：０．００５〜０．５％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．２％、
Ｇａ：０．０００２〜０．３％、および
Ｔａ：０．００１〜１．０％、
から選択される１種以上を含有する、（１）に記載の排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板。

（３）前記ＣおよびＮの含有量が、
Ｃ／Ｎ＜１．０の関係を満足する、（１）または（２）に記載の排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板。

（４）（１）から（３）までのいずれかに記載の化学組成を有する冷延鋼板を焼鈍する工程、４５０℃以下の溶融アルカリ塩に３０秒以下浸漬する工程、１０℃／秒以上の速度で冷却する工程、および酸洗処理する工程を備える、（１）から（３）までのいずれかに記載の排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。

（５）（１）から（３）までのいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼板を用いた、排気部品。

（６）ターボチャージャー用部品である、（５）に記載の排気部品。

（７）前記排気部品の表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度が、質量％で２０．０％以上である、（５）または（６）に記載の排気部品。

（８）（１）から（３）までに記載のオーステナイト系ステンレス鋼板を排気部品形状に成形する成形工程、および９００℃以上で、５秒以上の熱処理工程を備える、排気部品の製造方法であって、
前記成形工程後または成形工程の途中で、前記熱処理工程を施す、
（５）から（７）までのいずれかに記載の排気部品の製造方法。

本発明によれば、耐熱性、加工性、および高温摺動性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板、および排気部品を提供することができる。この鋼板は、加工性、特に、穴拡げ性が良好であるため、研削処理、および研磨処理を削減できる。また、高温摺動性が優れているため、ガス流れが良好であり、その結果、熱効率に優れた自動車排気部品を提供できる。

図１は、表面の元素濃化と高温摺動試験後の最大粗さを示す図である。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。

１．化学組成
各元素の限定理由は下記の通りである。なお、以下の説明において各元素の含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。

Ｃ：０．００５〜０．２％
Ｃは、オーステナイト組織の形成と高温強度の確保のために、必要である。このため、Ｃ含有量は０．００５％以上とする。さらに、製造コストと熱間加工性を考慮すると、Ｃ含有量は０．００８％以上であるのが好ましい。一方、過度な含有は、加工硬化が過大に大きくなる他、Ｃｒ炭化物形成により、耐食性、特に溶接部の粒界腐食性の劣化が生じる。又、炭化物に起因した高温摺動性の劣化、冷延焼鈍板酸洗時の粒界浸食溝形成により表面粗さが粗くなる。このため、Ｃ含有量は０．２％以下とし、０．１％以下であるのが好ましい。

Ｓｉ：１．５〜５．０％
Ｓｉは、脱酸元素として含有される場合がある他、Ｓｉの内部酸化によりスケール剥離性、高温摺動性、および高温強度を向上させる。このためＳｉ含有量は１．５％以上とする。さらに、高温摺動性を考慮すると、Ｓｉ含有量は２．２％以上であるのが好ましい。一方、Ｓｉは５．０％超の含有により硬質化するとともに、粗大なＳｉ系酸化物が生成し、部品の加工精度を著しく低下させる。このため、Ｓｉ含有量は５．０％以下とする。なお、製造コスト、鋼板製造時の酸洗性、溶接時の凝固割れ性を考慮すると、Ｓｉ含有量は４．０％以下であるのが好ましい。

Ｍｎ：０．１〜５．０％
Ｍｎは、脱酸元素として利用する他、オーステナイト組織形成、およびスケール密着性を確保する元素である。このため、Ｍｎ含有量は０．１％以上とする。さらに、製造コスト、鋼板製造時の酸洗性を考慮すると、Ｍｎ含有量は０．２％以上であるのが好ましい。一方、５．０％超の含有により、加工硬化の変化が大きくなるとともに、介在物清浄度が著しく劣化し、穴拡げ性が低下する。加えて、酸洗性が著しく劣化し、製品表面が粗くなる。このため、Ｍｎ含有量は５．０％以下とする。又、軟質化の観点から、Ｍｎ含有量は１．５％以下であるのが好ましく、０．８％未満であるのがより好ましい。

Ｐ：０．０１〜０．０５％
Ｐは、製造時の熱間加工性、および凝固割れを助長する元素である他、鋼板を硬質化させる元素である。このため、Ｐ含有量は０．０５％以下とし、０．０４％以下であるのが好ましい。Ｐはその含有量が少ないほど良いが、一方で、精錬コストを考慮して、Ｐ含有量は０．０１％以上とし、０．０２％以上であるのが好ましい。

Ｓ：０．０００１〜０．０１％
Ｓは、製造時の熱間加工性を低下させる他、耐食性を劣化させる元素である。また、粗大な硫化物（ＭｎＳ）が形成されると清浄度が著しく悪くなり、穴拡げ性を劣化させる。このため、Ｓ含有量は、０．０１％以下とし、０．００５０％以下であるのが好ましい。
一方、過度な低減は、精錬コストの増加に繋がることから、Ｓ含有量は０．０００１％以上とする。さらに、製造コスト、および耐酸化性を考慮すると、Ｓ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましい。

Ｎｉ：５．０〜１５．０％
Ｎｉはオーステナイト組織の形成元素であるとともに、耐食性、および耐酸化性を確保する元素である。また、５．０％未満では結晶粒の粗大化が顕著に生じてしまうため、Ｎｉ含有量は５．０％以上とする。さらに、製造性、高温強度、および耐食性を考慮すると、Ｎｉ含有量は１０．０％以上であるのが好ましい。一方、過度な含有は、コストの上昇と硬質化を招くことから、Ｎｉ含有量は１５．０％以下とする。

Ｃｒ：１５．０〜２５．０％
Ｃｒは、耐食性、耐酸化性、および高温摺動性を向上させる元素である。さらに排気部品環境における異常酸化を抑制する。このため、Ｃｒ含有量は１５．０％以上とする。加えて、製造コスト、鋼板製造性、及び加工性を考慮すると、Ｃｒ含有量は１７．０％以上であるのが好ましい。一方、過度な含有は、硬質となり成形性を劣化させる他、コストアップに繋がる。このため、Ｃｒ含有量は２５．０％以下とし、２４．５％以下であるのが好ましい。

Ｎ：０．０２〜０．４％
Ｎは、Ｃと同様にオーステナイト組織形成と高温強度、高温摺動性の確保に有効な元素であり、高温強度に関しては固溶強化元素として知られている。加えて、本発明においてはＮ単独の効果以外に、Ｃｒとのクラスター形成による高温強度向上も考慮し、Ｎ含有量は０．０２％以上とする。さらに、高温強度、摺動性の観点から、Ｎ含有量は０．０４％以上であるのが好ましい。一方で、０．４％超の含有により、常温材質が著しく硬質化し、鋼板製造段階の冷間加工性を劣化させる。このため、部品加工時の成形性、および部品精度が悪くなる。従って、Ｎ含有量は０．４％以下とする。なお、軟質化、溶接時のピンホール抑制、溶接部の粒界腐食抑制の観点から、０．３％以下であるのが好ましい。

Ａｌ：０．００３〜１．０％
Ａｌは、脱酸元素として使用し、介在物清浄度を向上させることで穴拡げ性を向上させる。この他、酸化スケールの剥離抑制、微量内部酸化により高温摺動性の向上に寄与する効果があり、その作用は０．００３％以上から発現する。このため、Ａｌ含有量は０．００３％以上とする。また、フェライト生成元素であるため、１．０％超の含有はオーステナイト組織の安定性を低下させる他、酸洗性を低下させ、表面粗さの増加を招く。このため、Ａｌ含有量は１．０％以下とする。尚、精錬コスト、および表面疵を考慮すると、Ａｌ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．５％以下であるのが好ましい。さらに、熱間加工性を考慮すると、Ａｌ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．１％以下であるのがより好ましい。

Ｃｕ：０．０５〜３．０％
Ｃｕは、オーステナイト相の安定化、および軟質化のために有効な元素である。このため、Ｃｕ含有量は０．０５％以上とする。一方、過度な含有は耐酸化性の劣化、および製造性の劣化に繋がるため、Ｃｕ含有量は３．０％以下とする。さらに、耐食性、および製造性を考慮すると、Ｃｕ含有量は０．１％以上であるのが好ましく、１．０％以下であるのが好ましい。

Ｍｏ：０．０１〜２．０％
Ｍｏは、耐食性を向上させる元素であるとともに、高温強度の向上に寄与する。本発明においては、固溶強化の他、Ｍｏ炭化物による析出強化、および耐摩耗性向上に寄与する。このため、Ｍｏ含有量は０．０１％以上とする。また、Ｍｏ含有量は２．０％以下とする。さらに、Ｍｏは高価な元素であること、上記析出物による強化安定性および介在物清浄度を考慮すると、Ｍｏ含有量は０．２％以上であるのが好ましく、１．７％以下であるのが好ましい。

Ｖ：０．０５〜１．０％
Ｖは、耐食性を向上させる元素であるとともに、Ｖ炭化物を形成し高温強度、および高温での耐摩耗性を向上させる。このため、Ｖ含有量は０．０５％以上とする。一方、過度な含有は合金コストの増加、または異常酸化限界温度の低下を招く。このため、Ｖ含有量は１．０％以下とする。さらに、製造性、および介在物清浄度を考慮すると、Ｖ含有量は０．１％以上であるのが好ましく、０．５％以下であるのが好ましい。

以上が、必須元素であるが、その他Ｆｅの一部の代替として、以下の元素の１種以上を含有させてもよい。

Ｔｉ：０〜０．３％
Ｔｉは、Ｃ、Ｎと結合して耐食性、耐粒界腐食性を向上させるため、必要に応じて含有させる。しかしながら、０．３％超の含有は、鋳造段階でのノズル詰まりを生じ易くさせ、製造性を著しく劣化させる。加えて、粗大なＴｉ炭窒化物の生成により、穴拡げ加工性が劣化する。このため、Ｔｉ含有量は０．３％以下とする。さらに、高温強度、溶接部の粒界腐食性、および合金コストを考慮すると、Ｔｉ含有量は０．２％以下にすることが好ましい。尚、上記効果を得るためには、Ｔｉ含有量は０．００５％以上とするのが好ましく、０．０１％以上とするのがより好ましい。

Ｎｂ：０〜０．３％
Ｎｂは、Ｔｉと同様にＣ、Ｎと結合して耐食性、耐粒界腐食性を向上させる。加えて、高温強度を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させる。しかしながら、０．３％超の含有は、鋼板製造段階での熱間加工性を著しく劣化させ、また粗大なＮｂ炭窒化物により、穴拡げ性を劣化させる。このため、Ｎｂ含有量は０．３％以下とする。一方で、Ｃ、Ｎと結合する固定作用は、Ｎｂが０．００５％以上の含有から発現する。このため、Ｎｂ含有量は０．００５％以上であるのが好ましい。さらに、高温強度、溶接部の粒界腐食性、および合金コストを考慮すると、Ｎｂ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．１５％未満であるのが好ましい。

Ｂ：０〜０．００５０％
Ｂは、鋼板製造段階での熱間加工性を向上させる元素であるとともに、常温での加工硬化を抑制する効果がある。このため、必要に応じて含有させる。しかしながら、過度な含有はホウ炭化物の形成により、清浄度、穴拡げ性の低下、及び粒界腐食性の劣化をもたらす。このため、Ｂ含有量は０．００５０％以下とする。一方で、上記効果を得るためには、Ｂ含有量は０．０００２％以上とするのが好ましい。さらに、精錬コスト、および延性低下を考慮すると、Ｂ含有量は０．０００３％以上であるのがより好ましく、０．００２％以下であるのが好ましい。

Ｃａ：０〜０．０１％
Ｃａは、脱硫のために必要に応じて含有させる。しかしながら、０．０１％超を含有させると、水溶性の介在物ＣａＳが生成する。その結果、清浄度、及び耐食性の低下を招く。このため、Ｃａ含有量は０．０１％以下とする。一方で、上記効果を得るためには、Ｃａ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましい。さらに、製造性、および表面品質の観点から、Ｃａ含有量は０．００１０％以上であるのが好ましく、０．００３０％以下であるのが好ましい。

Ｗ：０〜３．０％
Ｗは、耐食性と高温強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有させる。しかしながら、３．０％超の含有により、硬質化、鋼板製造時の靭性劣化、およびコスト増加につながる。このため、Ｗ含有量は３．０％以下とする。一方で、上記効果を得るためには、Ｗ含有量は０．１％以上であるのが好ましい。さらに、精錬コスト、および製造性を考慮すると、Ｗ含有量は０．１％以上であるのが好ましく、２．０％以下であるのが好ましい。

Ｚｒ：０〜０．３％
Ｚｒは、ＣおよびＮと結合して、溶接部の粒界腐食性および耐酸化性を向上させるため、必要に応じて含有させる。しかしながら、０．３％超の含有により、製造コストが増加する他、製造性、および穴拡げ性を著しく劣化させる。このため、Ｚｒ含有量は０．３％以下とする。さらに、精錬コスト、および製造性を考慮すると、Ｚｒ含有量は０．１％以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｚｒ含有量は０．０５％以上であるのが好ましい。

Ｓｎ：０〜０．５％
Ｓｎは、耐食性と高温強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有させる。しかしながら、０．５％超の含有により鋼板製造時のスラブ割れが生じる場合があるため、Ｓｎ含有量は０．５％以下とする。さらに、精錬コスト、および製造性を考慮すると、０．３％以下であるのが好ましい。一方で、上記効果を得るためには、Ｓｎ含有量は、０．０１％以上であるのが好ましく、０．０３％以上であるのがより好ましく、０．０５％以上であるのがさらに好ましい。

Ｃｏ：０〜０．３％
Ｃｏは、高温強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有させる。しかしながら、０．３％超の含有により、硬質化、鋼板製造時の靭性劣化、および製造コストの増加につながる。このため、Ｃｏ含有量は０．３％以下とする。さらに、精錬コストおよび製造性を考慮すると、Ｃｏ含有量は０．１％以下であるのが好ましい。一方で、上記効果を得るためには、Ｃｏ含有量は０．０３％以上であるのが好ましい。

Ｍｇ：０〜０．０１％
Ｍｇは、脱酸元素として使用する場合がある他、スラブ組織の酸化物を微細分散化させ、介在物清浄度の向上、および金属組織微細化に寄与する元素である。このため、必要に応じて含有させる。しかしながら、過度な含有は、溶接性および耐食性の劣化、粗大介在物による穴拡げ性の低下につながる。このため、Ｍｇ含有量は０．０１％以下とする。一方で、上記効果を得るためには、Ｍｇ含有量は０．０００２％以上であるのが好ましい。また、精錬コストを考慮すると、Ｍｇ含有量は０．０００３％以上であるのが好ましく、０．００５％以下であるのが好ましい。

Ｓｂ：０〜０．５％
Ｓｂは、粒界に偏析して高温強度を上げる元素であるため、必要に応じて含有させる。しかしながら、含有量が０．５％を超えると、Ｓｂが偏析して、溶接時に割れが生じる。このため、Ｓｂ含有量は０．５％以下とする。一方で、上記効果を得るためには、Ｓｂ含有量は０．００５％以上であるのが好ましい。高温特性と製造コスト、および靭性を考慮すると、Ｓｂ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．３％以下であるのが好ましい。さらに、Ｓｂ含有量は０．０５％以上であるのがより好ましく、０．２％以下であるのがより好ましい。

ＲＥＭ：０〜０．２％
ＲＥＭ（希土類元素）は、耐酸化性、または高温摺動性の向上に有効であり、必要に応じて含有させる。また、０．２％を超えて含有させても、その効果は飽和し、ＲＥＭの硫化物による耐食性低下を生じる。このため、ＲＥＭ含有量は０．２％以下とする。一方で、上記効果を得るためには、ＲＥＭ含有量は０．００１％以上であるのが好ましい。また製品の加工性、および製造コストを考慮すると、ＲＥＭ含有量は０．００２％以上であるのが好ましく、０．１０％以下であるのが好ましい。

ＲＥＭ（希土類元素）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。単独で含有させても良いし、混合物であっても良い。

Ｇａ：０〜０．３％
Ｇａは、耐食性向上、または水素脆化抑制のため、必要に応じて含有させる。０．３％超の含有により粗大硫化物が生成し、ｒ値が劣化する。このため、Ｇａ含有量は０．３％以下とする。一方で、硫化物、または水素化物形成の観点から、Ｇａ含有量は０．０００２％以上であるのが好ましい。さらに、製造性、および製造コストの観点から、Ｇａ含有量は、０．００２％以上であるのがより好ましい。

Ｔａ：０〜１．０％
Ｔａは高温強度向上のために必要に応じて含有させる。Ｔａ含有量は１．０％以下とする。一方で、上記効果を得るためには、Ｔａ含有量は、０．００１％以上であるのが好ましい。さらに、高強度を得るためには、Ｔａ含有量は０．０１％以上であるのが、より好ましい。また、ＨｆはＴａと同様の理由で、必要に応じて０．００１〜１．０％含有させる。Ｂｉも必要に応じて０．００１〜０．０２％含有させる。なお、Ａｓ、Ｐｂ等の一般的に有害な元素および不純物元素はできるだけ低減することが望ましい。

本発明において不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入されるものであって、本発明の窒化用鋼材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

２．表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度
本発明では高温での耐摩耗性、摺動性を満足するために表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度を規定する。具体的には、ステンレス鋼板における表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）濃度を質量％で最大８．０％以上とする。尚、ここで示す表層とは、表面から深さ１．０μｍまでを指す。

ＳｉとＡｌは本発明で想定される熱処理において、形成される酸化スケール中で濃化し、耐摩耗性、またはスケール剥離性を抑制する。このため、（Ｓｉ＋Ａｌ）が表層で濃化しない場合、高温摺動性を得ることができない。本発明では高温摺動性を満足するために、表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度を８．０％以上と規定するが、９．０％以上がより好ましい。加えて、部品形状加工後に高温環境下での信頼性を高めるためには、表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度が２０．０％以上であるのが、さらに好ましい。

３．Ｃ／Ｎ含有量
本発明では、ターボ内部のノズルプレート、およびノズルマウントにおける穴開け性、穴拡げ性、および高温強度特性について、高Ｓｉ含有オーステナイト系ステンレス鋼板のＣとＮのバランスを精緻に検討した。その結果、Ｃの含有量（質量％）とＮの含有量（質量％）の比であるＣ／Ｎが、Ｃ／Ｎ＜１．０を満たすことで、高温強度を担保しつつ、加工性をも兼ね備えることが可能となることを知見した。よって、Ｃ／Ｎ＜１．０を満たすことが好ましい。また、高温強度の観点からＣ／Ｎ＜０．５を満たすことがより好ましい。

具体的には、Ｃ、Ｎ、両元素とも、常温での加工硬化特性を大きくし、穴開け、または穴拡げ性を劣化させる。また、両元素とも高温強度を向上させる元素であるが、高温強化にはＮの方が有効である。

表１にＳｉ含有オーステナイト系ステンレス鋼の常温および高温強度に及ぼすＣ／Ｎの影響を示す。

Ｃ／Ｎが小さいほど、常温および高温における０．２％耐力が大きくなり、Ｃ／Ｎ＜０．５のとき高い高温強度を有する。

４．製造方法
次に製造方法について説明する。本発明の鋼板の製造方法は、制約はないが、例えば、製鋼−熱間圧延−焼鈍・酸洗、あるいは製鋼−熱間圧延−焼鈍・酸洗−冷間圧延−焼鈍・酸洗よりなることが好ましい。

製鋼においては、前記必須元素および、または必要に応じて含有される任意元素を含有する鋼を、電気炉溶製あるいは転炉溶製し、続いて２次精錬を行う方法が好適である。溶製した溶鋼は、公知の鋳造方法（連続鋳造など）に従ってスラブとする。

スラブは、所定の温度に加熱され、所定の板厚に連続圧延で熱間圧延される。上記の様に本発明が対象となる部品には熱間圧延以降の工程において所定の結晶粒度、断面硬度、表面粗さを確保した製造条件が設定される。熱間圧延後の鋼板は、一般的には熱延板焼鈍および酸洗処理が施されるが、熱延板焼鈍を省略してもよい。熱間圧延後の鋼板の焼鈍、および酸洗処理については、その条件は特に制約は無く、一般的な条件で構わない。その後、所定の板厚に冷間圧延し、冷延板焼鈍と酸洗処理が施される。

通常、焼鈍は、１０００〜１１００℃未満の温度に保持することにより再結晶組織を得るものであるが、本発明では焼鈍温度を１１００℃以上とする。これは、通常より高い温度で、焼鈍することで、結晶粒度番号が８．５以下（規格名ＪＩＳ Ｇ ０５５１）を確保し、軟質で穴開け性、穴拡げ性および各種加工精度を確保することが好ましい。

４−１．表面処理条件
本発明では、排気部品の高温摺動性を確保するために、冷延焼鈍板の、酸洗処理の前処理として溶融アルカリ塩に浸漬させる。この溶融アルカリ塩処理では、焼鈍で生成したスケール中のＣｒを改質して、溶融アルカリ塩中に溶かし出し、Ｆｅ主体のスケールとする。なお、溶融アルカリ塩の組成はＮａＮＯ_３（１０〜３０％）＋ＮａＯＨ溶液とする。その後、酸洗処理として、硝弗酸洗あるいは硝酸電解等の化学的なデスケール処理を行う。

一方、Ｓｉが１．５％以上、Ａｌが０．００３％以上のオーステナイト系ステンレス鋼板の場合、Ｆｅ、Ｃｒ主体のスケールの内層に、ＳｉおよびＡｌの内部酸化物が、母材に針状に生成する。この内部酸化物は、酸洗処理時に溶解し難いものの、溶融アルカリ塩での反応が進むと溶解してしまう。ここで、ＳｉおよびＡｌの内部酸化物は、高温摺動性を向上させることを本発明では知見した。さらに溶融アルカリ塩処理条件を最適化することで、表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度が８．０％以上とすることが可能となることを明らかにした。

溶融アルカリ塩処理の塩浴温度が４５０℃を超える場合、または浸漬時間が３０秒超の場合は、Ｓｉ酸化物が溶融する。このため、溶融アルカリ塩処理時に、Ｓｉ酸化物が溶融し難い温度として、塩浴温度を４５０℃以下、浸漬時間３０秒以下とする。塩浴温度は、４４０℃以下であるのが好ましく、浸漬時間は２８秒以下であるのが好ましい。

一方、塩浴温度が、４００℃以下ではＣｒ酸化物が残留して、スケール残りが発生する。このため、塩浴温度は４００℃超が好ましく、４２０℃以上がより好ましい。また、５秒未満の浸漬でも、スケール残りが発生するため、浸漬時間は５秒以上とするのが好ましく、１０秒以上とするのがより好ましい。

加えて、本発明では、溶融アルカリ塩処理の後の酸洗処理までの冷却速度を、１０℃／秒以上とする。なお、ここでいう冷却速度は、４５０〜２００℃の温度域における平均冷却速度である。また、冷却は、１００℃以下の温度まで行うのが良い。これは、１０℃／秒以下の冷却速度では、溶融アルカリ塩処理の後にスケールが再生成してしまい、スケール残り、または表面荒れが生じ易くなる。この結果、高温摺動性が劣化する。より好ましい冷却速度は、１５℃／秒以上である。したがって、溶融アルカリ塩温度は４２０〜４４０℃、溶融アルカリ塩浸漬時間は１０〜２８秒、冷却速度は１５℃／秒以上がより好ましい。

４−２．部品用熱処理
本発明では、ステンレス鋼板製品に（Ｓｉ＋Ａｌ）濃化層を形成させ、高温摺動性を得るものであるが、ターボチャージャー部品に加工した後、あるいは加工途中にＳｉ、Ａｌを表層に濃化させるための熱処理を施すと、さらに効果的である。具体的には、ノズルプレート、およびノズルマウントの様な部品では、製品板を円盤状に切断した後、穴開けと穴拡げ加工が施される。その後、精密ピンを差し込むための穴開け加工が施されるが、その途中、又は加工後に９００℃以上で、５秒以上の熱処理を施す。その結果、表層にＳｉとＡｌが合計して、２０.０％以上濃化する。つまり、表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度を２０.０％以上とすることで、摺動面の摺動性を確保する。

ＳｉおよびＡｌは、ともにステンレス鋼板のＦｅ、Ｃｒ主体のスケールの内層に内部酸化物として形成され、その内部酸化物は緻密である。このため、耐剥離性および耐摩耗性を向上させる。さらに熱処理を施すことで、（Ｓｉ＋Ａｌ）濃化層が増加し、高温摺動性が向上する。この熱処理は、部品加工後でも良く、加工途中に施して、摺動性が不要な部分は切削、又は研削しても良い。

また、熱処理の雰囲気は特に指定しないが、Ｎ_２、Ａｒ、Ｎ_２＋Ｈ_２雰囲気が望ましい。さらに、熱処理温度が過度に高いと、結晶粒が過度に粗大化してしまう。この結果、加工肌荒れ等が生じ、逆に高温摺動性が劣化したり、排気ガスの流れ性が劣化したりする。このため、熱処理温度は１１５０℃以下であるのが好ましい。

熱処理を長時間行うと、結晶粒が過度に粗大化するため、熱処理時間は１０分以下が好ましい。（Ｓｉ＋Ａｌ）濃化については、ターボチャージャー部品の全面である必要は無く、高温摺動が要求される面に行えば良い。それ以外の箇所は寸法、または面精度を考慮して適宜機械的な表面処理を行えば良い。また、（Ｓｉ＋Ａｌ）濃化の熱処理は、部品完成後に他部品と結合する前、あるいは他部品と結合した後に実施しても良い。

４−３．他の条件について
なお、製造工程における他の条件は適宜選択すれば良い。例えば、スラブ厚さ、熱間圧延板厚などは適宜設計すれば良い。冷間圧延においては、ロール粗度、ロール径、圧延油、圧延パス回数、圧延速度、圧延温度などは適宜選択すれば良い。冷間圧延の途中に中間焼鈍を入れても構わず、バッチ式焼鈍でも連続式焼鈍でも良い。

また、酸洗工程は、硝酸、硝酸電解酸洗の他、硫酸、または塩酸を用いた処理を行っても良い。冷延板の焼鈍・酸洗後に、調質圧延やテンションレベラー等により、形状および材質調整を行っても良い。さらに、本発明の表面皮膜が得られるならば、冷延および冷延板焼鈍を省略しても構わない。加えて、プレス成形を向上させる目的で、潤滑皮膜を製品板に付与することも可能である。また、部品加工後に窒化処理、または浸炭処理等の特殊な表面処理を施して耐熱性をさらに向上させても構わない。

表２と表３に示す成分組成の鋼を溶製した後、１２５０℃で８．０ｍｍ厚まで熱延し、１１５０℃で熱延板焼鈍、酸洗、冷延、１１５０℃で最終焼鈍、溶融アルカリ塩処理、酸洗を施して４．３ｍｍ厚の鋼板を得た。

各組成の鋼板は、表４、および表５に示す溶融アルカリ塩処理条件で製作され、表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度の測定、穴拡げ試験、およびＪＩＳＧ０５６７に準拠した９００℃での高温引張試験、およびガス流れ性試験を実施した。

表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度の測定はオージェ電子分光装置を用いて表面から約８０μｍ深さまで元素濃度を測定した。深さ分析条件は、スパッタ速度：１００Å／ｍｉｎ、積算回数：１０回とした。尚、表４の本発明例２１、および表５の比較例２９についてのみ、部品形状に成形後、熱処理を行った段階での表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度を測定した。

穴拡げ試験では、φ２５ｍｍの打ち抜き穴を内径３２ｍｍまで穴拡げした後、６ｍｍ高さの立ち上げ部端部の割れ状況を確認した。割れ深さが０．４ｍｍ以下であれば端部の切削負荷がかからず、ターボ部品性能に支障をきたさないため、０．４ｍｍ以下の場合を合格（○）、０．４ｍｍ超の亀裂が生じた場合を不合格（×）とした。

高温引張試験については、９００℃において４０ＭＰａ以上の耐力を有する鋼について合格（◎）、２０ＭＰａ以上４０ＭＰａ未満の場合をおおむね合格（○）、２０ＭＰａ未満の場合を不合格（×）とした。ひずみ速度は２×１０^−３／ｓｅｃとした。

また、ガス流れ性を確認する試験では、表４および表５に示す条件で作製された鋼板を、ノズルマウント、ノズルプレートと呼ばれる部品に加工し、ノズルベーン式ターボチャージャーに搭載し、ノズルの開閉を繰り返しながら高温（９００℃）の排気ガスを流して、ガス流れ性（供試材の高温摺動性）を調べた。ノズルプレート、ノズルマウントの形状は板厚４．５ｍｍ、直径１００ｍｍ、中央穴径５０ｍｍである。試験中のガス流速または流量の変化率（ノズルを通る前と後）が９５%以上の鋼を合格（◎）、９０％以上９５％未満の鋼をおおむね合格（○）、９０％未満の鋼を不合格（×）とした。

表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度、Ｃ/Ｎ比の内１つ以上が本発明範囲外であると、高温強度、または高温摺動性などのターボチャージャー性能が不良となり不具合が生じる。よって、これらの特性を満たさないものは、ターボチャージャーの性能についての項目で、不合格（×）、１つ以上満たすものはおおむね合格（○）、全て満たすものは合格（◎）と記載した。

以下、結果をまとめて表４に示す。

以下、結果をまとめて表５に示す。

本発明例の鋼は、耐熱性、加工性、高温摺動性に優れ、ターボチャージャー部品としての性能を満足することが確認された。

本発明によれば、耐熱性、加工性、および高温摺動性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板を提供することが可能である。特に、自動車のターボチャージャーの部品として使用することによって、排ガス規制、軽量化、燃費向上につなげることが可能となる。また、部品の切削および研削加工の省略、表面加工処理省略も可能となり、低コスト化にも大きく寄与する。さらに、自動車、二輪の排気部品に限らず、各種ボイラー、燃料電池システム等の高温環境に使用される部品に適用することも可能であり、本発明は産業上極めて有益である。

Claims (8)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．００５〜０．２％、
   Ｓｉ：１．５〜５．０％、
   Ｍｎ：０．１〜５．０％、
   Ｐ：０．０１〜０．０５％、
   Ｓ：０．０００１〜０．０１％、
   Ｎｉ：５．０〜１５．０％、
   Ｃｒ：１５．０〜２５．０％、
   Ｎ：０．０２〜０．４％、
   Ａｌ：０．００３〜１．０％、
   Ｃｕ：０．０５〜３．０％、
   Ｍｏ：０．０１〜２．０％、
   Ｖ：０．０５〜１．０％、
   Ｔｉ：０〜０．３％、
   Ｎｂ：０〜０．３％、
   Ｂ：０〜０．００５０％、
   Ｃａ：０〜０．０１％、
   Ｗ：０〜３．０％、
   Ｚｒ：０〜０．３％、
   Ｓｎ：０〜０．５％、
   Ｃｏ：０〜０．３％、
   Ｍｇ：０〜０．０１％、
   Ｓｂ：０〜０．５％、
   ＲＥＭ：０〜０．２％、
   Ｇａ：０〜０．３％、および
   Ｔａ：０〜１．０％、
   を含有し、
   残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
   表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度が質量％で８．０％以上である、排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板。
2. 質量％で、さらに、
   Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
   Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
   Ｂ：０．０００２〜０．００５０％、
   Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
   Ｗ：０．１〜３．０％、
   Ｚｒ：０．０５〜０．３％、
   Ｓｎ：０．０１〜０．５％、
   Ｃｏ：０．０３〜０．３％、
   Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％、
   Ｓｂ：０．００５〜０．５％、
   ＲＥＭ：０．００１〜０．２％、
   Ｇａ：０．０００２〜０．３％、および
   Ｔａ：０．００１〜１．０％、
   から選択される１種以上を含有する、請求項１に記載の排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板。
3. 前記ＣおよびＮの含有量が、
   Ｃ／Ｎ＜１．０の関係を満足する、請求項１または請求項２に記載の排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板。
4. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載の化学組成を有する冷延鋼板を焼鈍する工程、４５０℃以下の溶融アルカリ塩に３０秒以下浸漬する工程、１０℃／秒以上の速度で冷却する工程、および酸洗処理する工程を備える、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。
5. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼板を用いた、排気部品。
6. ターボチャージャー用部品である、請求項５に記載の排気部品。
7. 前記排気部品の表層の（Ｓｉ＋Ａｌ）の最大濃度が、質量％で２０．０％以上である、請求項５または請求項６に記載の排気部品。
8. 請求項１から請求項３までに記載のオーステナイト系ステンレス鋼板を排気部品形状に成形する成形工程、および９００℃以上で、５秒以上の熱処理工程を備える、排気部品の製造方法であって、
   前記成形工程後または成形工程の途中で、前記熱処理工程を施す、
   請求項５から７までのいずれかに記載の排気部品の製造方法。