JP3032267B2

JP3032267B2 - 耐高温酸化性に優れた高Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP3032267B2
Application number: JP2270520A
Authority: JP
Inventors: 直人平松; 美博植松
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1990-10-11
Filing date: 1990-10-11
Publication date: 2000-04-10
Anticipated expiration: 2015-04-10
Also published as: JPH04147944A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は自動車排ガス装置、暖房器具、その他耐熱用
途に使用されるAl含有フェライト系ステンレス鋼に関す
る。

〔従来の技術とその問題点〕

Al含有フェライト系ステンレス鋼は優れた耐高温酸化
特性を有し、ストーブのチムニー材などの暖房器具また
は電熱用材料として広く使用されてきた。

最近では自動車の排ガス浄化装置の触媒コンバーター
用基材として使用する動きがある。従来、触媒コンバー
ターにはセラミックを基材としたものが使用されてきた
が、熱衝撃に弱く、また、熱容量が大きいため、触媒反
応温度まで昇温するのに時間がかかるなどの問題点があ
る。これに対して、セラミック基材の欠点を改善した金
属を基材としたメタリックコンバーターが注目されてい
る。この基材には板厚50μｍ程度の箔材が用いられる
が、箔材は異常酸化を発生しやすく、また、過酷な酸化
条件である排ガス雰囲気中で使用されるため、非常に優
れた耐高温酸化特性が要求されている。この点から、高
Cr高Al含有フェライト系ステンレス鋼が注目され、例え
ば200Cr−5Alをベースとして希土類、Ｙなどを添加した
フェライト系ステンレス鋼が使用されている。しかし、
これらの鋼でも十分な耐高温酸化特性が得られていると
はいえず、長時間使用すると、異常酸化が発生する。ま
た、エンジンの高出力化にともなって、排ガス温度が上
昇する傾向にあり、さらに、最近では、従来のコンバー
ターよりもエンジンにより近い場所に設置されるマニホ
ールドコンバーターが検討されており、これらは必然的
に排ガス温度が高く、ますます酸化条件が厳しくなる。
したがって、従来のメタリックコンバーター用鋼の耐高
温酸化特性では十分でなく、従来よりもさらに耐高温酸
化特性に優れた高Al含有フェライト系ステンレス鋼が必
要となってきた。

この種の鋼としては既に特開昭63−76850、同63−453
51が知られている。然しながら、これらは1150℃で200
時間以内の酸化条件であり、この条件における耐酸化性
ではもはや十分とはいえなくなっている。

高Al含有フェライト系ステンレス鋼の耐高温酸化特性
を改善するためには、Cr、Al、希土類元素、Ｙなどの添
加量を増加することが有効である。しかし希土類元素、
Ｙ等は非常に高価であり、また、高Al含有フェライト系
ステンレス鋼はスラブおよび熱延板の靭性が低く、製造
性に劣るという問題点がある。したがって、耐高温酸化
特性の観点から、Cr、Al、希土類元素およびＹ量等を多
くすると、原料費の増加のみならず、靭性劣化によって
製造性を悪化させ、製造不可もしくは歩留りの低下によ
る著しいコストの上昇をまねく。そのため、あまり添加
量を多くすることができず、耐高温酸化性を改善するこ
とが困難であるのが現状である。

以上の実情に鑑み、従来のメタリックコンバーター用
ステンレス鋼よりAlまたは希土類元素、Ｙの添加量を増
加させることなく、箔材料でも十分な耐高温酸化特性を
有し、異常酸化を起こさないフェライト系ステンレス鋼
が望まれている。

〔問題解決に関する知見〕

本発明は、メタリックコンバーター用フェライト系ス
テンレス鋼Fe−Cr−Al−REM、Ｙ系鋼において、箔材料
でも表面に形成される。Al₂O₃が異常酸化を起すことな
く十分な耐高温酸化性と良好な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ことを目的とし、課題解
決に関し、異常酸化が発生する直前にMn系の酸化物が表
層酸化物Al₂O₃中に混入していることを認め、Mnが耐高
温酸化性に悪影響を及ぼすことを想到し、Mn量を0.25％
未満にすることによって耐高温酸化性が著しく改善さ
れ、さらに、Ｖ、TiおよびNbを添加することにより高温
強度の良好なフェライト系ステンレス鋼が得られること
を知見した。

〔発明の構成〕

上記目的は、C:0.03％以下、Si:0.25〜0.5％、Mn:0.2
5％未満、P:0.03％以下、S:0.001％未満、Cr:15〜25
％、N:0.03％以下、Al:3〜６％、REM、Ｙもしくはアル
カリ土類元素を１種または２種以上:0.01〜0.15％、N
b、ＶもしくはTiを１種または２種以上:0.05〜１％を含
有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるフェライト
系ステンレス鋼によって達成される。

つぎに本発明における鋼組成の限定理由を以下に説明
する。

C:耐酸化性に対する影響としてＣ量が増すと異常酸化を
発生しやすくなる。また、高Al含有フェライト系ステン
レス鋼においてＣ量が高くなるとスラブまたはホットコ
イルの靭性が悪化するので上限を0.03％以下とする。

Si:Siは本系鋼を著しく硬質にし、靭性を劣化させるの
で、少ない方が良く、したがって0.5％以下とする。下
限を0.25％とする理由は、Si量が低すぎると高温強度が
低下するため、下限を0.25％とする。

Mn:本発明鋼においてはMnの含有量が非常に重要な意味
を持つ。Mnは熱間加工性を改善する効果があるが、本発
明鋼の耐高温酸化特性に対して悪影響を及ぼし、低減さ
せることによって著しく耐高酸化特性が改善され、Cr、
Al、希土類元素およびＹなどの添加量を従来より多くす
ることなく、耐高温酸化特性を改善することが可能であ
り、その効果は0.25％未満であると顕著である。したが
って、その範囲を0.25％未満とする。

P:耐高温酸化特性に悪影響を及ぼすために低いほうが好
ましく、また、熱延板の靭性に悪影響を及ぼすため0.03
％以下とする。

S:希土類元素およびＹ、Caなどと結合し、介在物となっ
て鋼の表面性状を悪くする原因となるほか、耐高温酸化
特性に有効な希土類元素およびＹ、Caなどの有効量を低
減させる。この弊害は0.001％以上であると顕著であ
り、0.001％未満とすることによって著しく耐高温酸化
性が良好になる。したがって、本発明鋼においては0.00
1％未満とする。

Cr:耐高温酸化特性を改善するために必要な基本元素で
あるが、その効果を発揮するためには15％以上の添加が
必要である。しかし、25％を超えて添加するとスラブお
よびホットコイルの靭性を劣化させ、製造性を劣化させ
るので上限を25％とする。

N:本系鋼の靭性を低下させ、また、AlNを形成し、異常
酸化の起点になるので、0.003％以下とする。

Al:Crと同様に本発明鋼の耐高温酸化特性を維持させる
ために不可欠な元素である。表層にAl₂O₃を形成し、本
発明鋼の優れた耐高温酸化特性を付与する。本用途のよ
うな箔材料では異常酸化を発生しやすいため、十分なAl
₂O₃層を形成させるためには３％以上の添加を必要とす
る。しかし、６％を超えると、鋼のスラブおよびホット
コイルの靭性を劣化させるので上限を６％までとする。

REM、Ｙ、アルカリ土類元素:Fe−Cr−Al合金の耐高温酸
化特性を改善するために重要な元素である。本発明で形
成される酸化皮膜の保護性を著しく改善し、箔材料で発
生しやすい異常酸化を抑制し、また、酸化皮膜の密着性
を良好にする。0.01％未満ではその効果はなく、逆に、
0.15％を超えて添加すると、熱間加工性および靭性を悪
くし、製造が困難になるほか、介在物となり、表面性状
を悪くする原因になりやすいので0.01％〜0.15％の範囲
とする。

Nb、Ｖ、Ti:本発明鋼において、Ｖ、Ti、Nbを適量添加
すると鋼中のＣまたはＮと結合して、鋼の靭性を著しく
改善する効果がある。また、本発明の用途では冷熱サイ
クルを受けるため、材料が変形しやすく、したがって、
高温強度に優れていることが必要である。高温強度を改
善するためにはこれらの元素を添加することが非常に有
効であり、その効果を得るためには0.05％以上添加する
ことが必要である。逆に、必要以上に添加すると、鋼を
硬質にするため、最高１％までとする。

〔発明の具体的開示〕

以下に本発明を具体的に説明する。

高Al含有フェライト系ステンレス鋼の耐高温酸化性は
表面に形成される。Al₂O₃によって付与されることが知
られている。このAl₂O₃層を安定にするためには、Cr含
有量を多くすることが有効であることも知られている。
しかし、単なるFe−Cr−Al合金では、形成された酸化皮
膜の密着性が良くなく、冷却中に酸化皮膜が剥離しやす
いという欠点があり、本用途のような、厳しい酸化条件
下で使用される場合、異常酸化を発生しやすい。そこ
で、第１表に示す成分の板厚50μｍの鋼を用いて、1150
℃で酸化試験を行い、異常酸化発生時間に及ぼす微量添
加元素の影響について検討した。その結果をあわせて第
１表に示す。この結果より、REM、CaまたはＹを添加す
ることによって、異常酸化が発生するまでの時間が延長
されており、これらの元素が耐高温酸化特性の改善に有
効であることがわかる。

しかし、前述のように、高Alが含有フェライト系ステ
ンレス鋼の使用環境はますます厳しくなっており、第１
表のような鋼では十分な耐高温酸化特性を有していると
はいえない。

そこで、第２表に示した成分のように、耐高温酸化特
性を改善するために有効であるAl、Ｙまたは希土類元素
等の含有量を多くした鋼について30kg真空溶解を行っ
た。しかし、鋼塊を熱間鍛造するときに割れが生じ、以
後の工程を進めることが不可能であった。したがって、
耐高温酸化特性を改善することを目的として、Al、Ｙま
たは希土類元素等の添加量を多くすることは、製造性の
観点から困難であることがわかった。

そこで、本発明者らはAl、Ｙまたは希土類元素等の添
加量を従来より、多くせずとも、十分に製造可能である
成分範囲内で、従来鋼よりも耐高温酸化特性に優れた鋼
を開発すべく、種々の検討を行った。その結果、異常酸
化が発生する直前に、Mn系の酸化物が表層酸化物のAl₂O
₃中に混入していることが認められることから、Mnが耐
高温酸化性に悪影響を及ぼしていると考えられた。そこ
で、第３表に示す成分の板厚50μｍの供試材を用いて11
50℃で酸化試験を行い、異常酸化発生時間に及ぼすMn含
有量の影響を調べた。その結果を図に示す。この図よ
り、Mn量を低減することによって、異常酸化が発生する
時間が長時間側に移行しており、著しく耐高温酸化特性
が改善され、とくに、0.25％未満にすることによってそ
の効果は著しくなることがわかる。したがって、Fe−Cr
−Al−希土類、Ｙ系鋼の表面に形成されるAl₂O₃の皮膜
はMnを低減させることによって、酸化に対する保護性が
さらに良好になり、これによって、従来よりも、耐高温
酸化性が著しく改善された鋼が得られる。

また、第３表に示す板厚50μｍの鋼についてメタリッ
クコンバーターの形状に加工し、900℃と200℃にそれぞ
れ30分間保持する試験を100サイクル繰返す試験を行
い、変形の有無について調べた結果をあわせて第３表に
示す。この結果より、Ti、ＶおよびNbを添加することに
よって、冷熱サイクルによる変形がなくなり、高温強度
が良好な鋼が得られることがわかった。

以上のように、箔材料の耐高温酸化特性の点から、種
々の検討を行った結果、Mn量を低減した高Al含有フェラ
イト系ステンレス鋼によって、Al、Ｙまたは希土類元素
等を従来よりも、多量に添加せずとも、従来鋼よりも非
常に優れた耐高温酸化特性を有し、また、さらにTi、
Ｖ、Nbを添加することにより、十分な高温強度を有する
鋼の提供が可能になった。

〔実施例〕

第４表に示す鋼を30kg真空溶解し、鍛造、切削、熱延
を行った後、焼鈍および冷間圧延を繰り返して、50μｍ
厚の板材を製造した。この供試材について1150℃で酸化
試験を行い、異常酸化が発生した時間を第４表にあわせ
て示す。この結果より、本発明鋼は比較鋼に対して、異
常酸化が発生する時間が著しく長時間側に移行してお
り、耐高温酸化特性が改善されていることがわかる。

〔発明の効果〕以上の実験結果が示すように、Mn量を低減した本発明
鋼によって、Cr、Alおよび希土類元素Ｙ等を従来より多
量に添加せずとも従来鋼よりも非常に優れた耐高温酸化
特性を有し、さらに、Ti、Ｖ、Nbを添加することによっ
て十分な高温強度を有する鋼を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

図は第３表に示す板厚50μｍの各供試材について1150℃
の大気中で酸化試験を行い、異常酸化が発生する時間と
Mn量の関係を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】C:0.03％以下 Si:0.25〜0.5％ Mn:0.25％未満 P:0.03％以下 S:0.001％未満 Cr:15〜25％ N:0.03％以下 Al:3〜６％ REM、Ｙもしくはアルカリ土類元素を１種または２種以
上:0.01〜0.15％ Nb、ＶもしくはTiを１種または２種以上:0.05〜１％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるフェラ
イト系ステンレス鋼。