JP2642056B2

JP2642056B2 - 熱交換器用フェライト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP2642056B2
Application number: JP6084811A
Authority: JP
Inventors: 最仁藤原; 裕小林; 光生木村; 雅俊飯尾; 東作高村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1994-04-22
Publication date: 1997-08-20
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JPH07292446A; US5512239A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、各種の熱交換器に用
いられる, 熱交換器用フェライト系ステンレス鋼に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、熱交換器, とくに伝熱プレート
などの構成部品は、大きな伝熱容量を確保するという要
請から、できるだけ薄板にすることが求められている。
しかしながら、こうした熱交換器用伝熱プレートなど
は、板厚が薄くなればなるほど、繰り返し酸化に伴なう
スケール剥離を起因とする特性の低下と耐用期間の低下
を招くので、耐酸化性に優れることが重要である。この
ような背景の下に採用されている従来の熱交換器用材料
としては、SUS304およびSUS430等のステンレス鋼が一般
的である。

【０００３】現在使われている熱交換器用材料としての
上記SUS304（オーステナイト系ステンレス鋼）は、スケ
ール剥離に伴う板厚の減少が大きく、高温での使用に難
点があった。また、一般に熱交換器の場合、単位時間当
たりの伝熱量が大きいほど、即ち熱伝導率が大きいほど
好ましいと言えるが、一方においてこのことは、運転時
に装置各部で発生する温度差による熱膨張の差を助長し
て熱応力を発生しやすくするという問題があった。とく
に、この熱応力が材料の引張り強度を越えるようになる
と割れが発生し、熱交換器の性能として重要な機密性を
損ねることになる。従って、この面から考えると、熱交
換器用材料というのは、熱膨張率がむしろ小さいほうが
良いと言えるのである。このように、熱交換器用材料と
しては、本質的に相反する両方の特性にすぐれているこ
とが望まれているが、この点、SUS304はこの要求に十分
に応えられるものとは言えないのが実情である。

【０００４】これに対し、熱交換器用材料としては、他
に、SUS430（フェライト系ステンレス鋼）が考えられ
る。しかし、このSUS430鋼も、繰り返し酸化に伴うスケ
ール剥離は生じにくいが、高温強度が低いため、熱交換
器に高温度の流体が存在する時の熱応力によって変形が
生じやすく、熱交換効率が低下するという問題を抱えて
いた。しかも、熱交換器の製作作業の多くは、ろう付け
（例えば、銅ろう付け）作業を伴うが、この時に1100℃
以上に加熱したのち徐冷することになるため、材料が鋭
敏化して耐食性の低下を招くという問題もあった。これ
に対し、上記の鋭敏化よる耐食性低下を防止するため、
従来、安定化元素を添加したSUS430LX等のフェライト系
ステンレス鋼というものも提案されている。しかしなが
ら、このSUS430LXは、ろう付け性を阻害する傾向があっ
た。とくに、このろう付け性の良し悪しは、熱交換効率
にも極めて大きな影響を及ぼすことから、何らかの改善
が必要であった。

【０００５】また、熱交換する流体として硫黄分を含む
流体、例えば軽油の燃焼ガスをしようするような場合、
硫黄含有ガスに対する耐食性が当然必要になるが、SUS4
30、SUS430LXのようなフェライト系ステンレス鋼は、こ
うした耐食性に対する特性が不十分であった。さらに、
熱交換器用材料にとってもう１つ重要な特性として成形
性があげられる。というのは、一般的な熱交換器はプレ
ス成形によって製作されている。従って、熱交換器用材
料としては、伸びの大きさ、エリクセン値等で表わされ
るプレス成形性に優れた材料でなければならないが、こ
の点においても該SUS430等のフェライト系ステンレス鋼
では不十分であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
のフェライト系ステンレス鋼が抱えている上述した欠点
を解決し、熱交換器用材料として十分な耐酸化性、耐食
性、ろう付け性、成形性ならびに高い高温強度を有する
フェライト系ステンレス鋼を提供するところにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明者らは、従来技術の
上記問題点を解決するために鋭意研究を重ねた。その結
果、熱交換器用材料としては、フェライト系ステンレス
鋼に安定化元素であるNbあるいはTiを添加すると共に、
Moを添加した場合には、鋭敏化による耐食性の低下と硫
黄分による腐食とを抑制する効果があることおよび、高
温強度の向上が図れることが判った。また、ろう付け性
の低下防止には、SiおよびAlの低減が有効であると同時
に、これはまた成形性の向上にも効果があることを知見
した。

【０００８】上記の知見に基づいて完成した本発明は、
Ｃ：0.025 wt％以下、 Si：0.10wt％以下、Mn：1.0 wt
％以下、 Cr：17.0〜25.0wt％、Ni：0.50wt％以下、
Mo：0.50〜2.00wt％、Al：0.025 wt％以下、Ｎ：
0.025 wt％以下を含み、かつNb：10 (Ｃwt％＋Ｎwt％)
〜1.0 wt％およびTi：10 (Ｃwt％＋Ｎwt％) 〜1.0 wt％
のいずれか１種または２種を含有し、残部が実質的にFe
および不可避的不純物からなる熱交換器用フェライト系
ステンレス鋼である。

【０００９】また、本発明は、Ｃ：0.015 wt％以下、
Si：0.05wt％以下、Mn：1.0 wt％以下、 Cr：18.0〜
20.0wt％、Ni：0.50wt％以下、 Mo：0.70〜1.00wt
％、Al：0.020 wt％以下、Ｎ：0.015 wt％以下を含
み、かつNb：15 (Ｃwt％＋Ｎwt％) 〜0.7 wt％およびT
i：15 (Ｃwt％＋Ｎwt％) 〜0.7 wt％のいずれか１種ま
たは２種を含有し、残部が実質的にFeおよび不可避的不
純物からなる熱交換器用フェライト系ステンレス鋼であ
ることがより好ましい。

【００１０】

【作用】発明者らは、熱交換器用ステンレス鋼の高温環
境下における耐酸化性、耐食性、高温強度、および熱交
換器作製時のろう付け性とプレス成形性に及ぼす構成元
素の影響を詳細に検討した。その結果、上述したよう
に、フェライト系ステンレス鋼中にNb, TiおよびMoをそ
れぞれ所定量添加し、さらにSiおよびAlを極力低減する
という合金設計を行うと、上記各特性のいずれをも満足
するものが得られることが判った。以下に、本発明の考
え方の基本について説明する。

【００１１】さて、本発明にかかる熱交換器用材料とし
ては、この材料に要求される高熱伝導率、低熱膨張率に
ついて考慮した場合、オーステナイト系ステンレス鋼よ
りもフェライト系ステンレス鋼の適用が有利であると言
える。また、このフェライト系ステンレス鋼に対し、Nb
ならびにTiを添加すると、ろう付け時の高温熱処理で生
じる鋭敏化による粒界腐食の抑制に効果があり、とくに
Ｃ, Ｎの固定分以外の過剰の添加を条件とした場合、固
溶強化による高温下での強度向上にも有効に作用する。
さらに、このフェライト系ステンレス鋼に対しMoを添加
すると、高温強度向上に対して極めて有効に作用する。
これは、Nb, Tiの添加と同様の理由によるものであ
る。さらに、このMoの添加は、Crと複合的に作用して、
熱交換器の使用中に強固な酸化皮膜を形成し耐食性を向
上させる。

【００１２】また、このフェライト系ステンレス鋼に添
加するSiおよびAlについては、これらの添加量を低減す
ると、ろう付け性の向上に有効に作用する。このろう付
け性の改善について発明者らは以下のように考えてい
る。一般に、ろう付けは、真空下での高温熱処理によっ
てなされるが、このときのろう付け性, 即ち、ろうの流
れ性を阻害する要因として、表面に生成する強固な酸化
皮膜が挙げられる。この点、Nb, Ti, Si, AlはCrよりも
酸素との親和力が強く、Crが酸化しない真空下でもNb等
の元素は酸化して強固な酸化皮膜を形成する。しかしな
がら、鋭敏化の防止のために、Nb, Tiを添加しなければ
ならないとした場合、そのための対策としては、Si, Al
の低減が必要となり、そしてこのSi,Alを低減すれば酸
化皮膜形成要因が減り、ろう付け性が向上すると考えら
れる。その上、このSi, Alの低減は、成形性の向上にも
有効に作用するのである。その理由は、固溶強化を促進
するSi, Alが減少することで軟質化するためであると考
えられる。

【００１３】以下に、上述した本発明の基本的な合金設
計思想に基づいて構成した各成分元素限定の理由につい
て説明する。Ｃ：0.025 wt％以下Ｎ：0.025 wt％以下ＣおよびＮは、フェライト系ステンレス鋼において著し
く固溶強化を促進し、一方において鋼板の靱性を著しく
劣化させる。また、これらの元素は、鋼中のCrと結び付
き、炭・窒化物を形成して耐食性を劣化させるので、で
きるだけ低いほうがよい。しかしながら、これらの含有
量を必要以上に低下させることは、製造性あるいは経済
性の面から困難を伴う。そこで、ＣおよびＮは、それぞ
れ0.025wt％以下とした。より好ましい含有量は、Ｃ：
0.015 wt％以下、Ｎ：0.015 wt％以下である。

【００１４】Si：0.10wt％以下 Siは、本発明で重要な役割を担う元素である。本発明に
かかるフェライト系ステンレス鋼においては、Si％を低
減することにより、真空下で行われるろう付け熱処理に
おいて、表面酸化皮膜の生成を抑制し、Nb, Ti等の添加
で酸化皮膜が生じることによって損なわれるろう付け
性, 即ち、ろうの流れ性を、通常レベルのSi含有量の鋼
に比較して相対的に低下させる効果がある。それと同時
に、固溶強化を促進させるSiが低減することで軟質化
し、素材の伸びやエリクセン値を高めるなどにより成形
性を向上させる。

【００１５】図１は、19Cr−0.8 Mo−0.2 Ti鋼の真空熱
処理で行われるCuろう付け性に及ぼすSi含有量の影響を
示すものである。この図から明らかなように、Si量が0.
10wt％以下になると、ろう付け性が著しく良好になるこ
とがわかる。これは、Ti, Siともに活性な元素で酸素と
の親和力が強く、真空中でも酸化皮膜を形成し易いが、
Siを極力低減することで、ろう付けが十分可能な酸化皮
膜しか生成しないためであると考えられる。なお、この
図に示す実験は、試験片の表面にCu箔、リング状治具の
順に設置し、これらを1130℃での真空熱処理を施してCu
を溶かし、リングと試験片をろう付けした結果によるも
のである。そして、ろう付け性の評価は、リング周囲に
おけるろう付けの欠陥の有無にて判断した。

【００１６】一方、図２は、上記と同じ鋼種について、
引張試験による伸び、およびエリクセン値 (いずれも板
厚１mm）に及ぼすSi含有量の影響を示すものである。。
この実験の場合も、Si量が0.10wt％以下になると、伸び
およびエリクセン値が著しく増加し、したがって、プレ
ス成形性の点からもSiは極力低減したほうがよいことが
明らかである。以上の理由から、本発明においてSiは、
0.10wt％以下に限定する。好ましい範囲は、0.05wt％以
下である。

【００１７】Mn：1.0 wt％以下 Mnは、製造過程において原料から、あるいは脱酸時に混
入するものであるが、鋼中で硫化物を形成し耐食性を著
しく低下させ、さらに成形性も劣化させるので、低い方
が好ましい。しかしながら、製造性を考慮して、1.0 wt
％以下に限定する。

【００１８】Cr：17.0〜25.0wt％ Crは、耐食性とともに耐酸化性の向上に対して重要な作
用を担う元素である。発明者らの研究によれば、このCr
が17.0wt％未満では、熱交換器の使用環境下で耐食性、
耐酸化性のいずれもが不十分であることが確認された。
このCrの効果を十分発揮させるためには、17.0wt％以上
の添加が必要である。しかしながら、25.0wt％を超える
と、その効果が飽和すると同時に製造性を著しく害する
ため、このCrの範囲は17.0〜25.0wt％に限定した。好ま
しくは18.0〜20.0wt％がよい。

【００１９】Ni：0.50wt％以下 Niは、製造過程において原料から混入するものである
が、固溶強化により強度を上昇させる一方で成形性を劣
化させる。このことを考慮し、かつ製造性を考慮して、
0.50wt％以下に限定した。

【００２０】Mo：0.50〜2.00wt％ Moは、本発明において重要な役割を担う元素である。発
明者らの研究によれば、硫黄分を含む燃焼ガスが凝縮し
て硫酸が生成する熱交換器使用環境での湿食に対し、Mo
の添加が全面腐食の抑制に極めて効果があることが確認
できた。また、このMoの添加は、熱交換器製作時のろう
付け真空熱処理においても、Crとの複合効果によって耐
食性の劣化を抑制するのに効果がある。さらに、このMo
は、高温強度の向上にも有効であることが認められた。

【００２１】表１には、19Cr−0.4 Nb鋼を1130℃で真空
熱処理した試験片を硫酸中で浸漬試験したときの耐食性
に及ぼすMoの影響を示す。この試験結果から、Moが0.50
wt％未満では硫酸濃度の程度にかかわらず全面腐食が発
生するが、0.50wt％以上のMoを添加することにより全面
腐食の発生を完全に抑制できることが認められた。従っ
て、熱交換器使用環境下での耐食性、特に硫黄分による
耐全面腐食性を向上させるには、0.50wt％以上のMo添加
が必須である。一方、2.00wt％以上の添加では強度が上
昇し成形加工性が悪くなり、また、靱性の劣化等問題が
生じる場合がある。このような理由から、Moは0.50〜2.
00wt％の範囲に限定した。好ましくは0.70〜1.00wt％が
よい。

【表１】

【００２２】Al：0.025 wt％以下 Alは、本発明で重要な役割を担う元素である。即ち、こ
のAlは、脱酸剤として添加されて鋼中に残存するが、発
明者らの研究によれば、活性元素であり酸素との親和力
が強いことから、その残量を極力低減させると、真空下
で行われるろう付け熱処理において表面酸化皮膜の生成
を抑制し、ろう付け性即ち、ろうの流れ性を向上させる
ことが判った。図３は、19Cr−0.8 Mo−0.4 Nb鋼の真空
熱処理で行われるCuろう付け性に及ぼすAl含有量の影響
を示す。この図から明らかなように、Alが 0.025wt％を
越えると、ろう付け不良割合が増加し、ろう付け性が低
下するのが判る。これは、前述のSi低減による効果と同
様に、活性元素であり酸素との親和力が強く、真空中で
も酸化皮膜が成形し易いAlを極力低減することで、ろう
付けが可能な酸化皮膜しか生成しなくなるためであると
考えられる。このような理由から、本発明においてAl
は、0.025 wt％以下に限定した。好ましくは0.020 wt％
以下がよい。

【００２３】Nb：10（Ｃwt％＋Ｎwt％）〜1.0 wt％ Ti：10（Ｃwt％＋Ｎwt％）〜1.0 wt％ NbおよびTiは、本発明において極めて重要な役割を担う
元素である。一般に、ろう付けは1100℃以上の熱処理後
徐冷するため、Nb, Tiを添加しないとＣ, Ｎが鋼中のCr
と結び付いて鋭敏化し、粒界腐食を生じるようになる。
この点、Nb, Tiを添加すると、Ｃ, Ｎを安定化し無害化
させる効果がある。その効果を十分発揮させるにはＣ＋
Ｎ量の10倍以上のNbあるいはTiの添加が必要である。一
方、Nb,Tiを添加することで高温での素材の強度を向上
させる効果があることも、発明者らは確認した。しかし
ながら、NbあるいはTiの多量添加は素材の強度を著しく
上昇させ成形加工性を悪くし、また、ろう付け性を劣化
させる。このような作用は、いずれも、それぞれの添加
量が1.0 wt％を越える領域で顕著になる。このような理
由から、NbおよびTiの含有量は、いずれも10 (Ｃ＋Ｎ)
wt％〜1.0 wt％の範囲に限定する。より好ましいこれら
の含有量は、15 (Ｃ＋Ｎ) wt％〜0.7 wt％である。

【００２４】なお、上記の説明では特にはとりあげなか
ったが、ＰやＳは、耐食性を劣化させる不可避的不純物
元素であるから、その含有量は経済性を損なわない範囲
でできるだけ低い方が望ましい。

【００２５】

【実施例】以下に本発明を実施例によってさらに詳しく
検討する。表２に、本発明鋼および比較鋼の化学成分を
示す。それぞれの材料を試験的に10kg大気溶製し、鍛
造、冷間圧延、焼鈍酸洗を施し、1.0 mm厚の試験材を作
製した。これらの試験材を次の試験により評価した。 (1) 熱交換器を構成する際に行うろう付け性の評価に
は、前述のように試験片表面にCu箔、SUS304製リングの
順に設置し、これを真空中で1130℃まで加熱後徐冷して
Cuを溶かしリングと試験片をろう付けする手法により行
った。ろう付け性の優劣は、リングの周囲にろう付け不
良の欠陥の有無を観察することで行った。 (2) 高温環境下での耐酸化性評価は、使用条件を考慮し
900℃×３時間大気中での繰り返し酸化試験（33サイク
ル) を実施した。耐酸化性の優劣は重量増減の測定によ
り行った。 (3) 硫黄分を含む燃焼ガスを使用する熱交換器内で凝縮
する硫酸に対する耐食性の評価は、5 、10、20wt％、80
℃硫酸中への浸漬試験による全面腐食の有無を観察し
た。なお、試験片は予め真空炉中で1130℃まで加熱した
ものを供試した。 (4) 成形性の評価には、試験材の常温引張試験(JIS13B
号試験片使用) による伸び値およびエリクセン試験によ
る張出高さの測定により実施した。 (5) 高温での強度は、700 ℃における高温引張試験によ
る引張強さで評価した。

【００２６】

【表２】

【００２７】表３に上記試験結果を示す。この試験結果
から、熱交換器に使用されていた従来のSUS304、SUS430
に比べ、また、Mo量が少なくSi, Al量が高い材料に比べ
て、Moを適量添加し、NbまたはTiで安定化させ、Si, Al
を極力低減させた本発明鋼は、いずれも熱交換器使用環
境下での耐食性、耐酸化性に優れ、かつ高温強度が高
く、ろう付け性、成形性も良好である特性を有している
ことが明らかになった。とくに本発明鋼は、様々な苛酷
な環境が想定される熱交換器において、十分な耐食, 耐
酸化特性が発揮され、また、高温でも変形しにくく、熱
交換器の製造性においても良好なことがわかる。

【００２８】

【表３】

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、熱
交換器に使用されていた従来のSUS304、SUS430等の材料
に比べ、熱交換器環境下での耐食性、耐酸化性に優れ、
かつ高温強度が高く、また、ろう付け性、成形性も良好
であるので、比較的安価で優れた特性を有する熱交換器
用材料を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】19Cr−0.8 Mo−0.2 Ti鋼のSi含有量とろう付け
性の関係図。

【図２】19Cr−0.8 Mo−0.2 Ti鋼のSi含有量と破断およ
びエリクセン値との関係図。

【図３】19Cr−0.8 Mo−0.4 Nb鋼のAl含有量とろう付け
性の関係図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林裕神奈川県川崎市川崎区小島町４番２号日本冶金工業株式会社研究開発本部技術研究所内 (72)発明者木村光生神奈川県川崎市川崎区藤崎３丁目５番１号東京ラヂエーター製造株式会社内 (72)発明者飯尾雅俊神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者高村東作神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (56)参考文献特開昭60−138053（ＪＰ，Ａ) 特開平５−271880（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.025 wt％以下、 Si：0.10wt％以
下、 Mn：1.0 wt％以下、 Cr：17.0〜25.0wt％、 Ni：0.50wt％以下、 Mo：0.50〜2.00wt％、 Al：0.025 wt％以下、Ｎ：0.025 wt％以下を含み、か
つNb：10 (Ｃwt％＋Ｎwt％) 〜1.0 wt％およびTi：10
(Ｃwt％＋Ｎwt％) 〜1.0 wt％のいずれか１種または２
種を含有し、残部が実質的にFeおよび不可避的不純物か
らなる熱交換器用フェライト系ステンレス鋼。