JP2022543573A - 耐食性に優れた排気系用フェライト系鋼板 - Google Patents
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Abstract
【課題】高価な元素であるＣｒを低減しながらも、排気系用に優れた耐食性を備えたフェライト系鋼板を提供する。【解決手段】本発明の耐食性に優れた排気系用フェライト系鋼板は、重量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｃｒ：３．０～５．５％、Ｔｉ：０．００１～０．３％、Ａｌ：１．０～４．０％を含み、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり、表面スケール層を具備し、表面から深さ０．２μｍの範囲でＡｌ含有量の最大値が１５．０％以上およびＳｉ含有量の最大値が３．０％以下を満たすことを特徴とする。【選択図】図２
Description
本発明は、排気系用フェライト系鋼板に係り、より詳しくは、排気系システムに適合した耐食性に優れた排気系用フェライト系鋼板に関する。
自動車、二輪車の排気系システムは、外部に露出していて、冬季に除雪用塩による汚染から容易に腐食される環境に曝されており、また、化石燃料の排気から発生する酸性凝縮水から容易に腐食される環境に曝されている。
排気ガス温度がますます高まる環境下で、腐食を防止するために、排気系システムに使用される素材は、熱容量の大きい鋳物から熱容量の小さいステンレス鋼が主として使用されてきた。特に、オーステナイト系ステンレス鋼材に比べて高価な合金元素の添加が少ないフェライト系ステンレス鋼材は、耐食性も優れていて、価格競争力が高いため、常温～８００℃の排気ガスの温度範囲に対応する排気系部品など（Ｍｕｆｆｌｅｒ、Ｅｘ－ｍａｎｉｆｏｌｄ、Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｃｏｎｅなど）に主に使用されてきた。
耐腐食性および耐酸化性を確保するための最も一般的な方法は、Ｃｒ含有量の高いステンレス鋼を使用することであるが、Ｃｒを最小１１重量％以上含むフェライト系ステンレス鋼は高価である。また、ステンレス鋼は、Ｃｒ含有量が高くて、難酸洗性および酸洗費用が大きく、Ｎｂなどを多量で含むので、冷延焼鈍温度も高くする必要がある。このため、価格上昇を招くＣｒを低減しながらも、優れた耐食性を確保する排気系用鋼板の必要性が生じている。
本発明の目的は、高価な元素であるＣｒの含量を低減しながら、排気系用に優れた耐食性を備えたフェライト系鋼板を提供することである。
本発明の耐食性に優れた排気系用フェライト系鋼板は、重量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｃｒ：３．０～５．５％、Ｔｉ：０．００１～０．３％、Ａｌ：１．０～４．０％を含み、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり、表面スケール層を具備し、下記のように定義されるＡｌ被膜指数１５．０以上およびＳｉ被膜指数３．０以下を満たすことを特徴とする。
［Ａｌ被膜指数］：表面から深さ０．２μｍの範囲でＡｌ含有量の最大値（重量％）
［Ｓｉ被膜指数］：表面から深さ０．２μｍの範囲でＳｉ含有量の最大値（重量％）
［Ａｌ被膜指数］：表面から深さ０．２μｍの範囲でＡｌ含有量の最大値（重量％）
［Ｓｉ被膜指数］：表面から深さ０．２μｍの範囲でＳｉ含有量の最大値（重量％）
また、本発明のＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ各元素の含有量は、式（１）を満たし、
（１）５＊Ａｌ－（Ｃｒ＋Ｓｉ）＞０
式（２）で表される腐食減耗率が２０％未満であることを特徴とする。
（２）腐食減耗率（％）＝［（腐食試験前の重さ）－（腐食試験後の重さ）］／（腐食試験前の重さ）×１００
ここで、腐食試験後の重さは、腐食試験後に生成された腐食生成物を除去した後の重さ（ｇ）である。
（１）５＊Ａｌ－（Ｃｒ＋Ｓｉ）＞０
式（２）で表される腐食減耗率が２０％未満であることを特徴とする。
（２）腐食減耗率（％）＝［（腐食試験前の重さ）－（腐食試験後の重さ）］／（腐食試験前の重さ）×１００
ここで、腐食試験後の重さは、腐食試験後に生成された腐食生成物を除去した後の重さ（ｇ）である。
また、本発明の耐食性に優れた排気系用フェライト系鋼板表面のＬ＊ａ＊ｂ＊表色系のＬ＊値が５０以上であり、
表面のＬ＊ａ＊ｂ＊表色系のａ＊値が－１０～＋１０およびｂ＊値が－１０～＋１０の範囲であることを特徴とする。
表面のＬ＊ａ＊ｂ＊表色系のａ＊値が－１０～＋１０およびｂ＊値が－１０～＋１０の範囲であることを特徴とする。
本発明のフェライト系鋼板によれば、排気系用途に使用される既存のステンレス鋼に比べて原料価格および工程費用を大きく節減できると共に、優れた耐食性を示すことができる。
また、最終酸洗工程を経ないで、Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系のＬ＊値が５０以上、ａ＊およびｂ＊値が－１０～＋１０の範囲の明るい無彩色の金属性を示し、表面性状に優れている。
また、最終酸洗工程を経ないで、Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系のＬ＊値が５０以上、ａ＊およびｂ＊値が－１０～＋１０の範囲の明るい無彩色の金属性を示し、表面性状に優れている。
本発明の耐食性に優れた排気系用フェライト系鋼板は、重量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｃｒ：３．０～５．５％、Ｔｉ：０．００１～０．３％、Ａｌ：１．０～４．０％を含み、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり、表面スケール層を具備し、下記のように定義されるＡｌ被膜指数１５．０以上およびＳｉ被膜指数３．０以下を満たす。
［Ａｌ被膜指数］：表面から深さ０．２μｍの範囲でＡｌ含有量の最大値（重量％）
［Ｓｉ被膜指数］：表面から深さ０．２μｍの範囲でＳｉ含有量の最大値（重量％）
［Ａｌ被膜指数］：表面から深さ０．２μｍの範囲でＡｌ含有量の最大値（重量％）
［Ｓｉ被膜指数］：表面から深さ０．２μｍの範囲でＳｉ含有量の最大値（重量％）
以下では、本発明の実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。以下の実施例は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明の思想を十分に伝達するために提示するものである。本発明は、ここで提示した実施例のみに限定されず、他の形態に具体化されることもできる。図面は、本発明を明確にするために説明と関係ない部分の図示を省略し、理解を助けるために構成要素のサイズを多少誇張して表現することができる。
また、任意の部分が或る構成要素を「含む」というとき、これは、特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
単数の表現は、文脈上、明白に例外がない限り、複数の表現を含む。
また、任意の部分が或る構成要素を「含む」というとき、これは、特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
単数の表現は、文脈上、明白に例外がない限り、複数の表現を含む。
排気系用ステンレス鋼、特にフェライト系ステンレス鋼には、高温強度の向上のためにＮｂを添加したり、これの代わりにＳｎなどを添加し、耐酸化性の向上のためにＣｒ含有量を高めることが一般的である。しかしながら、Ｎｂ、Ｓｎなどの固溶強化元素の添加とＣｒ含有量の増加は、製造コストを上昇させる原因となって、好ましい開発方向ではない。
排気系用フェライト系ステンレス鋼の原料価格を節減するためには、相対的に含有量の高い高価な元素であるＣｒ含有量の低減が必須である。しかしながら、Ｃｒは、排気系用フェライト系ステンレス鋼において耐食性を確保する核心元素であるから、Ｃｒ低減のためには、耐食性を確保できる他の方案が必要である。本発明では、ステンレス鋼としてＣｒの最小含有量である１１重量％より低いＣｒ含有量を有する鋼板でありながらも、従来ステンレス鋼と同等以上の耐食性を確保して原料価格を節減できるフェライト系鋼板を提供する。
本発明の耐食性に優れた排気系用フェライト系鋼板は、重量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｃｒ：３．０～５．５％、Ｔｉ：０．００１～０．３％、Ａｌ：１．０～４．０％を含み、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる。
以下、本発明の実施例における合金成分の元素含有量の数値限定理由について説明する。以下では、特別な言及がない限り、単位は、重量％である。
Ｃの含有量は、０超過０．０２％以下である。
Ｃ含有量が０．０２％を超過する場合、溶接部の靭性が低下することがあり、Ｃｒと結合してＣｒ２３Ｃ６析出物が生成されて素地内局部Ｃｒ枯渇により耐食性および耐酸化性が低下する。なお、Ｃは、不可避な不純物として０超過で含まれ、極低含有量の制御のためには、製鋼ＶＯＤ工程費用が増加するところ、好ましくは、０．００５％以上含まれ得る。
Ｃ含有量が０．０２％を超過する場合、溶接部の靭性が低下することがあり、Ｃｒと結合してＣｒ２３Ｃ６析出物が生成されて素地内局部Ｃｒ枯渇により耐食性および耐酸化性が低下する。なお、Ｃは、不可避な不純物として０超過で含まれ、極低含有量の制御のためには、製鋼ＶＯＤ工程費用が増加するところ、好ましくは、０．００５％以上含まれ得る。
Ｎの含有量は、０超過０．０２％以下である。
鋼中Ｎが０．０２％を超過する場合、固溶Ｎの濃度は限界に至り、Ｃｒと結合してＣｒ２Ｎ析出物が生成されて素地内局部Ｃｒ枯渇により耐食性および耐酸化性が低下する。なお、Ｎは、不可避な不純物として０超過で含まれ、極低含有量の制御のためには、製鋼ＶＯＤ工程費用が増加するところ、好ましくは、０．００５％以上含まれ得る。
鋼中Ｎが０．０２％を超過する場合、固溶Ｎの濃度は限界に至り、Ｃｒと結合してＣｒ２Ｎ析出物が生成されて素地内局部Ｃｒ枯渇により耐食性および耐酸化性が低下する。なお、Ｎは、不可避な不純物として０超過で含まれ、極低含有量の制御のためには、製鋼ＶＯＤ工程費用が増加するところ、好ましくは、０．００５％以上含まれ得る。
Ｓｉの含有量は、２．０％以下である。
Ｓｉは、固溶強化元素であると同時に、表層部にＳｉ濃化酸化膜を形成して耐酸化性を増加させる。しかしながら、本発明では、後述する「酸洗の省略」を具現するために、焼鈍熱処理後にＳｉ被膜指数を３．０以下に制限する必要があり、このために、総含有量を２．０％以下に制限する。しかしながら、変色の防止をより容易に制御するための観点から、１．５％以下含んでもよく、１．０％以下含んでもよい。
Ｓｉは、固溶強化元素であると同時に、表層部にＳｉ濃化酸化膜を形成して耐酸化性を増加させる。しかしながら、本発明では、後述する「酸洗の省略」を具現するために、焼鈍熱処理後にＳｉ被膜指数を３．０以下に制限する必要があり、このために、総含有量を２．０％以下に制限する。しかしながら、変色の防止をより容易に制御するための観点から、１．５％以下含んでもよく、１．０％以下含んでもよい。
Ｍｎの含有量は、０．５％以下である。
Ｍｎは、鋼中に不可避に含まれる不純物であり、オーステナイトを安定化させる役割をする。Ｍｎ含有量が０．５％を超過する場合、熱延または冷延後の焼鈍熱処理時にオーステナイト逆変態が発生することになって、伸び率に悪影響を及ぼすことになる。したがって、Ｍｎの含有量を上記のように制限する。
Ｍｎは、鋼中に不可避に含まれる不純物であり、オーステナイトを安定化させる役割をする。Ｍｎ含有量が０．５％を超過する場合、熱延または冷延後の焼鈍熱処理時にオーステナイト逆変態が発生することになって、伸び率に悪影響を及ぼすことになる。したがって、Ｍｎの含有量を上記のように制限する。
Ｃｒの含有量は、３．０～５．５％である。
Ｃｒは、耐食性を向上させる元素であるが、原料価格の節減のための本発明の趣旨によって５．５％以下に制限する。ただし、最小限の耐食性を確保するために、３．０％以上添加する。
Ｃｒは、耐食性を向上させる元素であるが、原料価格の節減のための本発明の趣旨によって５．５％以下に制限する。ただし、最小限の耐食性を確保するために、３．０％以上添加する。
Ｔｉの含有量は、０．００１～０．３％である。
Ｔｉは、Ｃ、Ｎと結合してＴｉ（Ｃ、Ｎ）析出物を形成して固溶Ｃ、Ｎの量を低減し、Ｃｒ枯渇層の形成を抑制する役割をし、Ｔｉは、溶接部の耐食性および靭性の向上のために、必須的に０．００１％以上添加しなければならない。しかしながら、Ｔｉ含有量が多すぎる場合、鋳造に悪影響を与えるので、０．３％以下に制限する。
Ｔｉは、Ｃ、Ｎと結合してＴｉ（Ｃ、Ｎ）析出物を形成して固溶Ｃ、Ｎの量を低減し、Ｃｒ枯渇層の形成を抑制する役割をし、Ｔｉは、溶接部の耐食性および靭性の向上のために、必須的に０．００１％以上添加しなければならない。しかしながら、Ｔｉ含有量が多すぎる場合、鋳造に悪影響を与えるので、０．３％以下に制限する。
Ａｌの含有量は、１．０～４．０％である。
本発明では、Ａｌが焼鈍熱処理時に酸化被膜を形成させることができるように、１．０％以上十分に添加する。しかしながら、過量添加する場合、鋳造と圧延が難しくなり得るので、上限を４．０％以下に制限する。
本発明では、Ａｌが焼鈍熱処理時に酸化被膜を形成させることができるように、１．０％以上十分に添加する。しかしながら、過量添加する場合、鋳造と圧延が難しくなり得るので、上限を４．０％以下に制限する。
本発明の残部の成分は、鉄（Ｆｅ）である。ただし、通常の製造過程では、原料または周囲環境から意図しない不純物が不可避に混入することがあるので、これを排除することはできない。前記不純物は、通常の製造過程の技術者であれば、誰でも知ることができるから、すべての内容について特に本明細書では言及してはいない。
ただし、上述した合金成分系だけでは耐食性の確保に不十分である。本発明者らが検討したところによれば、原料価格の節減のために、Ｃｒ含有量を低減する場合、外部に露出したとき、腐食が発生するなど腐食抵抗性がきわめて弱くなる問題があった。これより、本発明では、耐食性を確保するために特別な方法を導入した。
排気系用ステンレス鋼の冷延鋼鈑は、冷間圧延後に軟化のために焼鈍熱処理を実施した後、表面のスケール除去のために酸洗処理して製品を出荷することが一般的である。本発明では、上述した合金成分系組成の冷延鋼鈑を焼鈍熱処理するに際して、下記のように定義されるＡｌ被膜指数およびＳｉ被膜指数の範囲を満たす表面を有するように焼鈍熱処理した後、酸洗処理することなく、最終製品を製造する。すなわち、本発明によるフェライト系鋼板は、冷延焼鈍鋼板であって、表面にスケール層を有する。
従来、スケール層が耐食性に不利なＦｅを多量を含有している点から回避の対象であったが、本発明では、耐食性に有利なＡｌ濃化酸化被膜を形成して意図的に含む意味を有する。焼鈍熱処理を通じて表層に濃化して酸化するＡｌとＳｉの含有量を制御することによって、３．０～５．５％Ｃｒのフェライト系鋼板においても、ステンレス鋼と同等水準以上の耐食性および耐酸化性を確保できる。
本発明の排気系用フェライト系鋼板は、表面から深さ方向にスケール層を含む深さ０．２μｍの範囲でのＡｌ被膜指数が１５．０以上、そしてＳｉ被膜指数が３．０以下を満たす。Ａｌ被膜指数とＳｉ被膜指数は、下記のように定義される。
［Ａｌ被膜指数］：表面から深さ０．２μｍの範囲でＡｌ含有量の最大値（重量％）
［Ｓｉ被膜指数］：表面から深さ０．２μｍの範囲でＳｉ含有量の最大値（重量％）
［Ａｌ被膜指数］：表面から深さ０．２μｍの範囲でＡｌ含有量の最大値（重量％）
［Ｓｉ被膜指数］：表面から深さ０．２μｍの範囲でＳｉ含有量の最大値（重量％）
一般的に、Ｓｉは、表層部にＳｉ濃化酸化膜を形成して高温耐酸化性を増加させることが知られている。ところで、酸洗を実施しない本発明では、Ｓｉ被膜指数が３．０を超過する場合に、表面に暗茶色のスケール層が形成されて、表面状態が不良になり、これによって、Ｓｉ被膜指数は、３．０以下に制限しなければならない。
Ａｌも、表層部の酸素と反応して不均一な酸化層を形成するが、本発明によるＡｌ含有量である１．０～４．０％を添加した後、焼鈍熱処理を実施する場合、Ｓｉの表層への移動および反応を妨害して、優先的にＡｌ濃化酸化膜が形成される。Ａｌ酸化膜が緻密に形成されて、Ａｌ被膜指数が１５．０以上である場合、明るい金属性色相を示すことができる。
素材表面の金属性色相は、国際照明委員会が制定したＬ＊ａ＊ｂ＊表色系で示すことができる。Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系は、物体の色を表現するにあたって、現在あらゆる分野において最も大衆的に使用される表色系であって、図１では、Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系を示す色空間（ＣＯＬＯＲ ＳＰＡＣＥ）を示している。この際、Ｌ＊は、０のとき、黒色、１００のとき、白色を強く示し、ａ＊は、正数のとき、赤色（Ｒｅｄ）方向、負数のとき、緑色（Ｇｒｅｅｎ）方向を示し、ｂ＊は、正数のとき、黄色（Ｙｅｌｌｏｗ）方向、負数のとき、青色（Ｂｌｕｅ）方向を示す。ａ＊、ｂ＊が両方と０である場合、無彩色となる。
本発明の一実施例によれば、Ａｌ濃化酸化被膜を形成して、Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系のＬ＊値が５０以上である明るい金属性表面を得ることができる。また、５０以上のＬ＊値と共に、ａ＊値とｂ＊値が同時に－１０～＋１０の範囲の明るい無彩色の金属性表面を得ることができる。
図２～図４は、本発明による実施例を表面から深さ方向に０．２μｍまでグロー放電発光分析法で分析した合金成分の分布である。
図２は、本発明の実施例による冷延鋼鈑を焼鈍熱処理後に酸洗を実施しない試験片の合金成分の分布を示す。深さ方向への測定値中、Ａｌ含有量の最大値であるＡｌ被膜指数が１５．０以上である。
図３は、ＳｉとＡｌの含有量の範囲が一般排気系用フェライト系ステンレス鋼と同一であり、原料価格の節減のために、Ｃｒ含有量だけを低減した冷延鋼鈑を、同一に焼鈍熱処理後、酸洗を実施しない試験片の合金成分の分布を示す。すなわち、ＣｒとＡｌの含有量の範囲が本発明の組成範囲から外れる冷延焼鈍鋼板に該当する。図３に示すとおり、Ａｌ被膜指数が低く、最表層でＳｉ被膜指数が５．０に近く現れる。このような場合、耐食性および耐酸化性が不十分であり、Ｓｉ酸化膜に起因して表面変色も発生することになる。
図４は、図２と同じ合金成分系試験片を本発明の実施例によって冷延鋼鈑を焼鈍熱処理し、以後、酸洗まで実施した後の合金成分の分布を示す。同じ含有量のＣｒ、Ａｌ、Ｓｉを含んでいても、本発明において提示する焼鈍熱処理後に酸洗の省略を行わない場合、Ａｌ被膜指数が低く現れる。
また、Ａｌ被膜指数およびＳｉ被膜指数を同時に満たすために、フェライト系鋼板は、下記の式（１）を満たすことができる。
（１）５＊Ａｌ－（Ｃｒ＋Ｓｉ）＞０
Ａｌを式（１）のように十分に含有する場合、焼鈍中に十分なＡｌ濃化酸化被膜を形成できる。一方、そうでない場合、ＣｒとＳｉの酸化によってＡｌ濃化酸化被膜を形成する酸素が不十分になるか、ＣｒまたはＳｉ酸化被膜の形成によって一部のＡｌ濃化酸化被膜の形成に必要な酸素の移動が制限され得るので、避けなければならない。
（１）５＊Ａｌ－（Ｃｒ＋Ｓｉ）＞０
Ａｌを式（１）のように十分に含有する場合、焼鈍中に十分なＡｌ濃化酸化被膜を形成できる。一方、そうでない場合、ＣｒとＳｉの酸化によってＡｌ濃化酸化被膜を形成する酸素が不十分になるか、ＣｒまたはＳｉ酸化被膜の形成によって一部のＡｌ濃化酸化被膜の形成に必要な酸素の移動が制限され得るので、避けなければならない。
なお、スケール層の厚さは、焼鈍熱処理温度および時間によって異なるが、本発明では、Ａｌ被膜指数が半分となる地点での厚さと定義できる。例えば、図１でのスケール層の厚さは、Ａｌ含有量の最大値であるＡｌ被膜指数の中間値に該当する約０．１μｍである。
本発明によるＡｌ被膜指数およびＳｉ被膜指数を満足するための焼鈍熱処理は、雰囲気ガスのうち高純度水素を７５％以上使用する高価な光輝焼鈍（ＢＡＬ）工程を利用しなくてもよく、低価のガスを使用する連続焼鈍工程を経ることで可能である。例えば、燃料ガスを熱源として使用し、排ガスの過剰酸素を０．１～１０％範囲に制限することで、本発明の目的を達成可能である。
過剰酸素を０．１％以上にして酸素を付与することによって、焼鈍熱処理中に本発明の含有量の範囲によるＡｌが酸素と反応して高耐食性を付与する被膜を形成する。過剰酸素が不足すると、十分なＡｌ濃化酸化被膜が形成されないことがある。一方、過剰酸素が１０％を超過すると、素材のＦｅ、ＣｒまたはＳｉと酸素が反応してＡｌ濃化酸化被膜の他にＦｅ、Ｃｒ、Ｓｉ酸化被膜が形成されることがあり、この場合、変色が発生するので、不適切である。
なお、容易な製造のために、酸素を０．１％以下に制限したい場合、雰囲気ガス中の水素を０．１％～１０％の範囲で混合すると、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｉとの酸化が抑制されて、０．１％以下の少ない量の酸素でもＡｌ濃化酸化被膜の形成が可能である。１０％以上で混合することは、上述したように、費用の上昇を招くので、不要であり、０．１％未満の水素では、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｉの酸化を抑制する能力が不十分で、Ａｌ濃化酸化被膜の形成が不十分になる。
焼鈍熱処理後に酸洗は省略しなければならない。酸洗を未実施することによって、ＡｌおよびＳｉ被膜指数を満足し、スケール層が除去されない最表層を得ることができ、硝酸および／またはフッ酸の混酸溶液を使用する酸洗工程の省略を通じて製造費用をも節減できる。
焼鈍熱処理および酸洗省略前の冷延鋼鈑は、通常の製造工程を経て製造でき、例えば、上述した合金成分の組成を含むスラブを熱間圧延し、熱間圧延した熱延鋼板を焼鈍熱処理し、酸洗後に冷間圧延して、冷延鋼鈑に製造できる。
本発明の耐食性に優れた排気系用フェライト系鋼板は、式（２）で表される腐食減耗率が２０％未満である。
（２）腐食減耗率（％）＝［（腐食試験前の重さ）－（腐食試験後重さ）］／（腐食試験前の重さ）×１００
ここで、腐食試験後の重さは、腐食試験後に生成された腐食生成物を除去した後の重さ（ｇ）である。
（２）腐食減耗率（％）＝［（腐食試験前の重さ）－（腐食試験後重さ）］／（腐食試験前の重さ）×１００
ここで、腐食試験後の重さは、腐食試験後に生成された腐食生成物を除去した後の重さ（ｇ）である。
耐食性、すなわち腐食に対する抵抗性は、任意に組成した腐食環境に露出させることで知ることができる。例えば、水中に５％の体積比になるように、ＮａＣｌを含有する溶液を素材に噴霧した後、４時間維持し、６０℃程度で４時間の間加熱して乾燥させる過程を計３０回繰り返して、後述する方法で腐食程度を評価できる。評価環境は、多様に構成できるので、本発明に限定するものではない。
本発明では、［（腐食試験前の重さ）－（腐食試験後重さ）］／（腐食試験前の重さ）を減耗率と定義し、１００を掛けて％単位で表示した。このように腐食試験後に生成された腐食生成物を除去した後の重さ、すなわち「腐食試験後の重さ」を測定し、「腐食試験前の重さ」と比較することによって、減耗率を測定できる。減耗率が腐食生成物の除去が必要であるという点から容易でない場合、重さの代わりに厚さに変えることができる。この場合、腐食生成物の除去は不要であり、断面を光学顕微鏡で観察して、腐食生成物を除いた母材金属の部分の厚さを比較すればよい。
本発明において代替しようとする１１％Ｃｒが含有された鋼において同時にＡｌを１．０％以上添加すると、加工性が悪くなる。Ｓｉも同様であり、このような現象は、Ａｌ、Ｓｉだけでなく、ＣｒがＦｅと原子位置を置換して加工性の代表的な指標である伸び率を阻害するためである。一方、本発明が提示する式（１）を満たす場合、Ａｌを１．０％以上含有していても、伸び率を２８％以上確保できる。この点は、Ａｌ濃化酸化被膜のための効果とともに、本発明を通じて付随的に得ることができる効果である。
以下、本発明の好ましい実施例に基づいてより詳細に説明することとする。
実施例
表１に記載した合金成分系で鋳造後に３ｍｍまで熱間圧延した。熱間圧延開始温度は、過度な組織成長を防止し、十分な熱間加工性を得るために好ましい１，２００℃前後に調節した。表面酸洗後に１ｍｍまで冷間圧延した後、過剰酸素が５％の雰囲気ガスで９００℃以上の温度で１０秒以上焼鈍した。以後、発明鋼と比較鋼に対して酸洗を実施および未実施した試験片をそれぞれ用意し、外部露出と同一環境での腐食発生の有無を評価し、表２に示した。外部露出に関するシミュレーションは、水中体積比で５％ＮａＣｌを含有する溶液を噴霧した後、７２時間放置した後、表面に点錆の発生の有無によって判断した。腐食の発生は○で表示し、腐食の未発生は×で表示した。
実施例
表１に記載した合金成分系で鋳造後に３ｍｍまで熱間圧延した。熱間圧延開始温度は、過度な組織成長を防止し、十分な熱間加工性を得るために好ましい１，２００℃前後に調節した。表面酸洗後に１ｍｍまで冷間圧延した後、過剰酸素が５％の雰囲気ガスで９００℃以上の温度で１０秒以上焼鈍した。以後、発明鋼と比較鋼に対して酸洗を実施および未実施した試験片をそれぞれ用意し、外部露出と同一環境での腐食発生の有無を評価し、表２に示した。外部露出に関するシミュレーションは、水中体積比で５％ＮａＣｌを含有する溶液を噴霧した後、７２時間放置した後、表面に点錆の発生の有無によって判断した。腐食の発生は○で表示し、腐食の未発生は×で表示した。
表２は、本発明による合金成分系の組成範囲を満たしても、焼鈍熱処理後に酸洗を実施した素材は、外部に露出したとき、腐食が発生することを示している。ただし、比較鋼１と比較鋼２は、本発明において低減しようとする高価な元素であるＣｒを多量含有するフェライト系ステンレス鋼であり、外部露出環境においても腐食が発生しなかった。本発明による発明鋼は、同じ合金成分系の試験片であるにもかかわらず、焼鈍熱処理後に酸洗を未実施の結果、腐食が発生しないことを確認できた。
表３には、Ａｌ被膜指数およびＳｉ被膜指数と、酸洗を実施しない試験片の腐食減耗率と、腐食減耗率２０％を基準として判断した腐食適合性を示した。腐食適合性に適合した場合を○で表示し、適合しない場合を×で表示した。
Ａｌ被膜指数およびＳｉ被膜指数は、グロー放電発光分析法で分析でき、この方法は、本技術分野において広く知られた方法で学界で通用するグロー放電発光分析法に準ずる方法で分析できる。ただし、データを十分に確保するために、表面から深さ方向に距離による成分を分析するとき、その解像度は、１０ｎｍ以下であることが要求される。
比較鋼１～５は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎの含有量が類似し、単にＣｒの含有量を次第に低減した試験片である。表３に示すとおり、比較鋼１および２は、Ｃｒ含有量が１１％以上のフェライト系ステンレス鋼に該当し、十分な耐食性を有するので、腐食減耗率が低く、腐食適合性も適合した。ただし、本発明によって酸洗を未実施した結果、Ｓｉ被膜指数が１０．６と高く現れ、これによる表面変色が発生した。
比較鋼３、４、５は、Ａｌ含有量が低くて、酸洗の未実施時にもＡｌ被膜指数が低くなり、減耗率が高くて、腐食適合性が不適合であった。また、Ｓｉ含有量は適正量であるが、スケール層を含む酸化被膜内Ｓｉ最大値であるＳｉ被膜指数が高くて、変色が発生したことが分かった。特に、比較鋼５は、Ａｌ含有量を除いた残りの合金元素の含有量が本発明の範囲を満たすが、発明鋼１～３を参照すると、酸洗の未実施時にＡｌ被膜指数を確保するためのＡｌ含有量が不足していることを確認できた。Ａｌ含有量が式（１）を満たすように含まれる場合、発明鋼１～３のように、Ｓｉ被膜指数を低減し、Ａｌ被膜指数を高めることができることが分かった。
比較鋼６、７、８は、Ｓｉ含有量を高めた試験片に該当する。一般的に、耐食性および耐酸化性に効果的であると知られているＳｉ含有量が高いとしても、酸洗の未実施の場合には、Ａｌ含有量が十分でなくて、腐食評価が不適合であり、表面変色も発生したことが分かった。
比較鋼９は、Ａｌを０．９％含有するが、Ａｌ含有量の範囲および式（１）を満たさないので、Ａｌ被膜指数が目標範囲に達しておらず、これによって、腐食評価が不適合であった。これは、Ａｌ含有量が不十分で、Ｓｉの酸化膜の形成を妨害しなかったと判断でき、これによって、Ｓｉ酸化膜が優勢に形成されて、変色が発生した。
比較鋼１０は、Ａｌ含有量が十分に含まれていて、Ａｌ被膜指数が１５以上と現れ、腐食評価も適合したが、式（１）を満たさないので、Ｓｉ被膜指数が高まる結果をもたらした。比較鋼１０は、表面変色が発生したが、Ａｌ被膜指数を満足して腐食評価が適合であるとしても、Ｓｉ被膜指数が３．０を超過する場合には、表面の変色を抑制できないことが分かった。
発明鋼１、２、３は、本発明の合金成分系の組成範囲を満たし、酸洗の未実施後に、Ａｌ被膜指数１５．０以上およびＳｉ被膜指数３．０以下を全部満たし、腐食評価が優れており、変色も発生しなかった。
発明鋼４は、本発明の組成範囲内でＣｒ含有量が多少低い方に属するが、式（１）を満たすように、ＳｉおよびＡｌ含有量を調節することによって、Ａｌ被膜指数およびＳｉ被膜指数を目的範囲内に制御できた。
なお、発明鋼５は、本発明の組成範囲内でＳｉ含有量が多少高い方に属するが、式（１）を満たすように、ＳｉおよびＡｌ含有量を調節することによって、Ａｌ被膜指数およびＳｉ被膜指数を目的範囲内に制御できた。
表４は、比較鋼および発明鋼のＬ＊ａ＊ｂ＊表色系値を示し、表３の変色についてより詳しく示している。焼鈍後に酸洗を実施しない場合、比較鋼１～５は、Ｃｒの酸化による赤色を呈するスケール層を示した。また、比較鋼６～１０は、Ｓｉ被膜を制御しないため、紫色ないし青色を呈するスケール層を示した。一方、発明鋼１～５は、本発明が提示する製造方法を通じて明るい金属性色相を呈するスケール層を示した。
図５は、本発明による比較鋼１０の冷延焼鈍鋼板試験片の表面を示す写真である。図５を通じて、通常の鋼種と同様に、焼鈍熱処理により表面に暗茶色のスケールが形成されたことを確認できる。
図６は、本発明による発明鋼２の冷延焼鈍鋼板試験片の表面を示す写真である。図６を通じて、発明鋼２の試験片は、酸洗の未実施時にも、明るい金属性の光沢を示すことを確認でき、Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系の値は、Ｌ＊：７９、ａ＊：０、ｂ＊：＋１であった。
以上、本発明の例示的な実施例を説明したが、本発明は、これに限定されず、当該技術分野における通常の知識を有する者なら、下記に記載する請求範囲の概念と範囲を逸脱しない範囲内で多様な変更および変形が可能であることを理解できる。
本発明による排気系用フェライト系鋼板は、排気系部品など（Ｍｕｆｆｌｅｒ、Ｅｘ－ｍａｎｉｆｏｌｄ、Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｃｏｎｅなど）の素材に適用可能である。
Claims (5)
- 重量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｃｒ：３．０～５．５％、Ｔｉ：０．００１～０．３％、Ａｌ：１．０～４．０％を含み、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり、
表面スケール層を具備し、
下記のように定義されるＡｌ被膜指数１５．０以上およびＳｉ被膜指数３．０以下を満たすことを特徴とする耐食性に優れた排気系用フェライト系鋼板。
（ここで、Ａｌ被膜指数は、表面から深さ０．２μｍの範囲でＡｌ含有量の最大値（重量％）、
Ｓｉ被膜指数は表面から深さ０．２μｍの範囲でＳｉ含有量の最大値（重量％）である） - 前記排気系用フェライト系鋼板は、式（１）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の耐食性に優れた排気系用フェライト系鋼板。
（１）５＊Ａｌ－（Ｃｒ＋Ｓｉ）＞０
（ここで、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉは、各元素の含有量（重量％）を意味する） - 前記排気系用フェライト系鋼板は、式（２）で表される腐食減耗率が２０％未満であることを特徴とする請求項１に記載の耐食性に優れた排気系用フェライト系鋼板。
（２）腐食減耗率（％）＝［（腐食試験前の重さ）－（腐食試験後の重さ）］／（腐食試験前の重さ）×１００
（ここで、腐食試験後の重さは、腐食試験後に生成された腐食生成物を除去した後の重さ（ｇ）である） - 前記排気系用フェライト系鋼板の表面のＬ＊ａ＊ｂ＊表色系のＬ＊値は、５０以上であることを特徴とする請求項１に記載の耐食性に優れた排気系用フェライト系鋼板。
- 前記表面のＬ＊ａ＊ｂ＊表色系のａ＊値が－１０～＋１０およびｂ＊値が－１０～＋１０の範囲であることを特徴とする請求項４に記載の耐食性に優れた排気系用フェライト系鋼板。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2019-0093218 | 2019-07-31 | ||
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