JP2942073B2

JP2942073B2 - 高温強度に優れたエキゾースト・マニホールド用フェライト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP2942073B2
Application number: JP25085092A
Authority: JP
Inventors: 正夫小池; 光雄宮原; 勝彦丸山; 智幸杉野; 新次柴田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1999-08-30
Anticipated expiration: 2014-08-30
Also published as: JPH06100990A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高温強度と成形性に
優れる自動車排気系のエキゾースト・マニホールド用の
フェライト系ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車排気系部品であるエキゾースト・
マニホールドは、エンジンから排出される高温の燃焼ガ
スと接触する部位にあり、耐酸化性に優れ、高温強度の
高いことが要求される。従来、エキゾースト・マニホー
ルドは鋳鉄製が一般的であったが、最近、エンジン性能
の向上、車体軽量化による燃費向上の目的から、ステン
レス鋼の溶接管がエキゾースト・マニホールド用材料と
して使用されつつある。

【０００３】ステンレス鋼を素材とした場合には鋳鉄製
のエキゾースト・マニホールドと比べて30％から40％の
軽量化が期待できる。

【０００４】ステンレス鋼は、オーステナイト系とフェ
ライト系とに大別される。その中、オーステナイト系ス
テンレス鋼は、優れた耐熱性と加工性を有しているが、
Ni含有量が高いため高価であるので自動車部品などの大
量生産品に適用するには問題がある。また、オーステナ
イト系ステンレス鋼は、フェライト系ステンレス鋼に比
べて熱膨張係数が大きく、加熱−冷却の繰り返しを受け
た場合、熱歪みに起因する熱疲労によって破壊が生じや
すい。

【０００５】したがって、耐熱疲労性および材料コスト
の面からは、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がエキゾースト・マニホールド用
材料として適している。しかし、従来の 430系 (16〜18
％Cr) のフェライト系ステンレス鋼では、耐酸化性も高
温強度も十分ではなく、900 ℃を超える環境での高温エ
キゾースト・マニホールド用としては性能が不十分であ
った。

【０００６】エキゾースト・マニホールド用材料として
は、例えば、特開昭64−8254号公報に、Cr：17〜20％、
Mo：1.0 ％以下を含有する耐高温酸化性、高温強度等に
優れたフェライト系ステンレス鋼が示されている。この
ステンレス鋼は、実施例のデータが 900℃までの試験結
果であるところから明らかなように、900 ℃を超える高
温での耐酸化性および高温強度は必ずしも十分ではな
い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、排気温度が
950℃以上となる条件下でも使用でき、特に自動車エキ
ゾースト・マニホールド等に用いるのに適した材料の開
発を課題としてなされたものであり、具体的には下記の
ような耐高温酸化性、高温強度および成形性を同時に兼
ね備えるエキゾースト・マニホールド用材料の提供を目
的とする。

【０００８】(1) 950 ℃の耐酸化性として、100 時間の
大気中加熱で異常酸化の発生がない。

【０００９】(2) 950 ℃の高温強度が引張り強さで2.2k
gf/mm²以上である。 (3) 溶接管にする前の素材鋼板の成形性として、伸びが
30 ％以上である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
化学組成を有し、特に高温強度と成形性に優れたエキゾ
ースト・マニホールド用フェライト系ステンレス鋼にあ
る。( 以下、成分含有量の％は重量％を意味する。) Ｃ: 0.02％以下、 Si: 1.0 ％以下、 Mn: 0.6 ％未満、Ｐ: 0.04％以下、Ｓ: 0.005 ％以下、 Cu: 0.1 〜1.0 ％、 Cr: 18〜22％、 Mo: 1.0 ％を超えて 2.0％まで、 Nb:0.1〜1.0 ％、Ｎ: 0.02％以下、 Al：0.20％以下Ｂ:0.001％を超えて0.01％まで、残部はFe及び不可避的不純物で、かつＣ＋Ｎ≦0.03％を
満足する。

【００１１】

【作用】本発明の鋼は、上記の各合金成分の相互作用に
よって、前記の目的を達成する優れた特性を発揮するの
であるが、その主な特徴は以下の点にある。

【００１２】(1) 950 ℃での耐酸化性向上のためのCrの
含有量。

【００１３】図１は、Ｃ：0.01％、Si:0.4％、Mn:0.4
％、Cu:0.5％、Mo:1％、Nb:0.5％、Ｎ：0.01％をベース
組成としてCr含有量だけを12〜24％の範囲で変化させ、
後述する実施例で用いた試験方法で異常酸化防止に必要
なCr含有量を求めた結果を図示したものである。異常酸
化の定義は、大気中で 100時間加熱したときの酸化増量
で５mg/cm²以上とした。図示のとおり、Cr含有量が増す
につれて異常酸化がおきる温度は高くなる。言い換えれ
ば、使用温度が高くなるほど、異常酸化を防止するため
のCrの必要量が増す。そして、950 ℃での異常酸化を防
止するにはCrが18％以上必要である。

【００１４】(2) 950 ℃での高温強度向上のためのMoと
Ｂの含有量。

【００１５】図２は、Ｃ：0.01％、Si:0.4％、Mn:0.4
％、Cu:0.5％、Cr：19％、Nb:0.5％、Ｎ：0.01％をベー
ス組成としてMo含有量を 0〜４％、Ｂの含有量を 0〜0.
005 ％の範囲で変化させた鋼の 950℃での引張り強さの
調査結果である。前述の 950℃で 2.2 kgf/mm²以上の引
張強さという目的を達成するには、1.0 ％を超えるMoお
よび 0.001％を超えるＢを含有させればよいことがわか
る。

【００１６】(3) 鋼板の成形性向上のためのＣとＮ (窒
素) の合計含有量。

【００１７】鋼板の成形性改善には、軟質化、高延性化
が必要である。図３は、Si：0.4 ％、Cu：0.5 ％、Cr：
19％、Mo：１％、Nb：0.5 ％、Ｂ：0.003 ％をベース組
成としてＣとＮの含有量と伸びとの関係を調べた結果で
ある。Ｃ、Ｎのそれぞれが低いほど、伸びが大きくなる
が、ＣとＮの含有量の合計 (Ｃ＋Ｎ) で0.03％以下であ
れば、目的とする30％以上の延びが確保できる。

【００１８】以下、本発明鋼の合金成分および不純物に
関して個々に作用と含有量の限定理由を説明する。

【００１９】ＣおよびＮ：ＣとＮは、ともに鋼を硬質化
させ成形性を低下させる不純物であり、できるだけ少な
い方がよい。前記のように、鋼板における30％以上の伸
びを確保するにはＣは0.02％以下、Ｎも0.02％以下と
し、かつＣ＋Ｎで0.03％以下とする必要がある。

【００２０】SiおよびMn：これらも含有量が増えると鋼が硬質化するので、Siは
1.0％以下、Mnは 0.6％未満としなければならない。

【００２１】ＰおよびＳ：これらは鋼に不可避的に随伴
する不純物で、鋼の機械的性質をはじめ種々の特性に悪
影響を及ぼすからできるだけ低い方がよい。本発明で
は、特に溶接部の高温割れ（凝固割れ）を防止するため
Ｐは0.04％以下、Ｓは 0.005％以下に規制する。

【００２２】Cu：Cuは 0.1％以上の含有量で鋼板の深絞
り性を改善する作用を持つ。しかしながら、1.0 ％を超
えると降伏強度が高くなり過ぎて成形性が損なわれるか
ら、0.1〜1.0 ％の範囲で含有させるのがよい。

【００２３】Cr:前に詳しく述べたとおり、Crは鋼の耐
酸化性の向上に有効であり、特に18％以上含有させると
950℃でも異常酸化が発生しないようになる。ただし、
Crが22％を超えると、鋼板の成形性が低下するので22％
を上限とする。

【００２４】Mo:Moは鋼の高温強度を高める元素として
重要である。前述の図２に示すように、目標とする 950
℃で2.2kgf/cm²以上の引張強さを得るには後述のＢの添
加とともに１％を超えるMoが必要である。一方、Mo含有
量が 2.0％を超えると鋼の成形性が低下するとともに熱
延板の靱性も低下して製造が困難となる。従って、Moの
適正含有量は、1.0 ％を超えて 2.0％までの範囲であ
る。

【００２５】Nb:Nbには結晶粒界での炭化物、窒化物の
析出を抑制して耐酸化性を向上させる作用がある。ま
た、Nbは固溶状態で高温強度を改善する効果も大きい。
これらの効果が明らかになるのは 0.1％からであるが、
1.0 ％を超えると鋼が硬質化するので上限は 1.0％とす
る。

【００２６】Ｂ：ＢはMoと同様に鋼の高温強度を高める
元素である。Ｂはオーステナイト系ステンレス鋼に添加
した場合に、 600〜800 ℃におけるクリープ強度を高め
るという現象は知られている。しかし、フェライト系ス
テンレス鋼に添加して高温強度を改善したという例は見
られない。

【００２７】本発明者は、図２に示したように、Ｂがフ
ェライト系ステンレス鋼においても高温強度の向上に顕
著な効果があることを確認した。その理由は未だ明確で
はないが、Ｂは一般的には粒界に偏析しやすいと考えら
れているので、結晶粒界に偏析してＰ、Ｓなどの不純物
元素を排出し、粒界すべりを阻止することにより高温強
度を上昇させるものと推定される。

【００２８】Ｂは単独の添加でも効果があるが、前述の
図２に示すように、Moと共に添加することにより、950
℃での引張り強さを上昇させる。目的とする 950℃で2.
2kgf/mm²以上の引張り強さを得るには 0.001％を超える
Ｂが必要である。一方、Ｂ含有量が0.01％を超えると鋼
の成形性が低下するとともに熱延板の靱性も低下して製
造が困難となる。従って、Ｂの上限は0.01％とする。

【００２９】Al：Alには固溶Ｎを低減し、降伏点を下げ
て成形性を改善する効果がある。このような効果のある
上限は 0.2％であり、それを超えると固溶Alが靱性を低
下させるという弊害が現れる。

【００３０】本発明鋼の製造方法は、通常のフェライト
ステンレス鋼の製造方法と本質的に変わらない。電気炉
または転炉で溶製し、AOD 炉、VOD 炉等で精錬して連続
鋳造法または造塊−分塊法でスラブとし、以下、熱間圧
延、冷間圧延の工程を経て板とし、これを素材として溶
接管を製造する。エキゾースト・マニホールド用素材と
なるのは、この溶接管である。熱処理としては 950〜10
50℃で 0.5〜30分均熱したのち空冷する処理が望まし
い。

【００３１】

【実施例】表１の(1) および(2) に示す15種類の鋼を 1
00kg真空溶解炉で溶解し、鍛伸と熱間圧延を行った後、
950 ℃で焼鈍し酸洗した後、さらに 6.0mm厚から 2.5mm
厚まで冷間圧延し、950 ℃で仕上げ焼鈍を施した。

【００３２】なお、熱間圧延後はコイルに巻取り、冷却
して常温でコイルを展開し、その時コイルに割れが発生
したものは、熱延板の靱性が劣るものと評価した。

【００３３】エキゾースト・マニホールドの形状への加
工の際には、管に展伸、曲げ、拡管など厳しい加工が加
わる。かかる加工に耐えるには素材の板での加工性を向
上させることが必要である。加工性は板の伸びとの相関
性が強く、板の延びが30％以上必要なことが多数の試験
結果から明らかとなっている。そこで、前記の仕上焼鈍
板からJIS 13B 号の引張り試験片を採取し、板伸びを測
定した。

【００３４】つぎに、エキゾースト・マニホールドに必
要とされる高温強度を満たすか否かを判断するため、JI
S 標準の高温引張り試験片に加工し、950 ℃で高温引張
り試験を行った。

【００３５】また、耐酸化性を調査するため、 2.5×20
×30(mm)の試験片に加工し、600 番までのエメリー紙で
研磨し脱脂したうえ、950 ℃の大気中で 100時間の酸化
試験を行った。

【００３６】以上の試験結果をまとめて表２に示す。

【００３７】

【表１（１）】

【００３８】

【表１（２）】

【００３９】

【表２】

【００４０】表１(1) のNo.1〜11は本発明の鋼である。
No.1は本発明で定める範囲の標準的化学組成を有するも
のであり、いずれの特性も良好である。No.2は特にＣと
Ｎを低くした鋼で、板伸びが優れている。No.3はCrとMo
の含有量が下限値に近いのものであり、高温強度は 2.2
kgf/mm² とかろうじて目標値に達している。No.4はCr、M
o、Nbが上限値に近く、高温強度が優れているが、板伸
びが30％と目標値の下限いっぱいである。

【００４１】No.5はMoが 1.9％と高いため高温強度が高
く、No.6はＣ、SiおよびＮが低く、伸びが良好である。
No.7もＣ、Si、MnおよびＮが低く、板伸びがさらに優れ
る。

【００４２】No.8はMoおよびＢが下限値に近いものであ
り、板伸びは優れるが高温強度は目標値の下限いっぱい
である。No.9はＢが上限値に近く、高温強度が優れる。
No.10はCuが0.14％と下限値に近いために、伸びも30％
と目標の最低値である。 No.11はNbが0.92％と高いので
高温強度に優れている。

【００４３】表１(2) の No.12〜17は、＊を付した成分
含有量が本発明で定める範囲をはずれた比較鋼である。

【００４４】No.12 はMoが 3.1％と高いので、板伸びが
劣る。また、高Moのため、熱延板の靱性が劣り、コイル
展開時に割れが発生した。 No.13はＣ＋Ｎが 0.049％と
高いために板伸びが26％と極めて小さい。No.14 はCrと
Moが低すぎるため異常酸化が発生し、高温強度も目標値
を下回っている。No.15 はCrが高すぎるため、板伸びが
劣っている。No.16 はNbが1.23％と高すぎて、靱性も低
下し、コイル展開時に割れが発生した。

【００４５】以上の試験結果に見られるように、本発明
鋼は 950℃での耐酸化性および高温強度が高く、しかも
伸びが大きく加工性においても優れた鋼である。

【００４６】

【発明の効果】実施例で実証したとおり、本発明鋼は 9
50℃における高温強度、耐酸化性に優れ、しかも伸びが
大きく延性に富む。しかも、溶接管とした後の成形加工
も容易であるから、排ガス温度が 950℃に達する条件で
使用される高温エキゾースト・マニホールドの材料とし
て好適である。本発明鋼で作製されたエキゾースト・マ
ニホールドは、従来の鋳物製のものに較べてはるかに軽
いという大きな利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼のCr含有量と耐酸化性との関係を示す図であ
る。

【図２】鋼のMoおよびＢの含有量と高温強度との関係を
示す図である。

【図３】鋼のＣおよびＮの含有量と伸びとの関係を示す
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者丸山勝彦東京都新宿区本塩町８番地の２日本ステンレス株式会社技術研究所内 (72)発明者杉野智幸愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者柴田新次愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (56)参考文献特開平３−274245（ＪＰ，Ａ) 特開平２−175821（ＪＰ，Ａ) 特開昭48−38821（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−71356（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 302 C22C 38/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.02％以下、Si:1.0％以
下、Mn:0.6％未満、Ｐ：0.04％以下、Ｓ:0.005％以下、
Cu:0.1〜1.0 ％、Cr：18〜22％、Mo:1.0％を超えて 2.0
％まで、Nb:0.1〜1.0 ％、Ｎ: 0.02％以下、Al：0.20％
以下、Ｂ:0.001％を超えて0.01％まで、残部はFeおよび
不可避的不純物からなり、かつＣ＋Ｎ≦0.03％を満足す
る化学組成を持ち、高温強度と成形性に優れたエキゾー
スト・マニホールド用フェライト系ステンレス鋼。