JP3195116B2 - 耐食性および加工性の優れた鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐食性および加工性の
優れた鋼に関するものであり、さらに詳しくは、例えば
自動車や船舶等の内燃機関の排気系統や乾湿を繰り返す
環境のように厳しい腐食環境において、優れた耐食性を
有するとともに、加工性にも優れた鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車を中心とする内燃機関の排
気系統には、内面あるいは外面からの腐食を抑制するた
めに、普通鋼にアルミメッキや亜鉛メッキを施した鋼が
使用されてきた。環境汚染を抑制するために排気ガス浄
化の目的で触媒等が排気系統に具備されたために、こう
したメッキ鋼材では耐食性が充分ではなくなり、鋼素地
の耐食性向上を目的として５〜１０％のＣｒを含有させ
た鋼が、特開昭６３−１４３２４０号公報や特開昭６３
−１４３２４１号公報で提案されている。

【０００３】近年、車両の使用期間および保証期間の延
長に伴なって、さらにＣｒを１８％程度まで含有させ、
あるいはさらにＭｏを添加した高級ステンレス鋼が排気
系統に多く使用されている。しかし、このような高級ス
テンレス鋼であっても孔食状の局部腐食が発生する場合
があるなど、耐食性は必ずしも充分ではない。また、こ
うした高級ステンレス鋼は、ＣｒやＭｏを多量に含有す
るために加工性が悪く、排気系部材のような複雑な形状
を形成するためには、製造に非常な困難を伴う。また、
製造工程が著しく複雑になるため加工コストも高くな
り、かつ、素材コストも高い。

【０００４】このような排気系統を代表として、一般に
Ｃｒをある程度含有する鋼では環境が厳しくなると局部
腐食が発生し易く、これに対する手段として腐食に対す
る抵抗を向上させるためには、さらにＣｒあるいはＭｏ
の含有量を増加させるのが極めて一般的な技術的手段で
あった。また、ＣｒおよびＭｏを用いて耐食性を保有さ
せる場合、排気ガス環境に対しては充分な耐食性を有す
る場合でも、米国やカナダの寒冷地のように、冬季に道
路路面の凍結を防止する目的で多量の塩を散布する場合
には、塩分によって外面から排気系部材が侵食されるこ
とも問題となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、こうした現
状に鑑みて、内燃機関の排気系統などの腐食環境に対す
る抵抗が大きく、また外面からの塩害腐食や乾湿繰り返
し環境での腐食に対する抵抗が強く、かつ部品等を製作
する際の加工性にも優れ、低コストの鋼を提供すること
を目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記の目
的を達成すべく、排気系統をはじめとする腐食環境にお
いて優れた耐食性を有する鋼を開発するべく、種々の観
点から検討してきた。まず、本発明者等は、排気系統の
腐食環境について検討し、内燃機関排気系統の腐食は排
気ガス中に含まれる塩化物、硫酸イオン等が８０〜１５
０℃に加熱された環境において起こることを見出した。

【０００７】さらに、該腐食環境において耐食性を向上
させる手段を種々検討した結果、従来のステンレス鋼と
は全く逆に、Ｃｒを５．５〜９．９％に低減し、Ａｌを
０．３〜３．０％添加した鋼が排気系統をはじめとする
腐食環境で非常に優れた耐食性を示すことを見出した。
さらに本発明者等は、より優れた鋼を得るために検討を
続けた結果、Ｃｒを５．５〜９．９％、Ａｌを０．３〜
３．０％含有する鋼のＣおよびＮを低減した上でＮｂ，
Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｈｆを特定の条件を満足するよ
うに添加すると、耐食性の改善と加工性の向上に効果が
あること、脱酸および強化元素としてはＳｉおよびＭｎ
が適切であること、上記の鋼にＭｏ、Ｓｂ、Ｎｉを単独
あるいは組み合わせて添加するとより優れた耐食性が得
られることを見出した。

【０００８】一方、本発明者等は、塩害腐食や塩水の乾
湿繰り返しに対する抵抗を一段と高めた鋼材を得る手段
についても検討した結果、Ｃｒを５．５〜９．９％含有
し、Ａｌを０．３％以上含有する鋼を基材として、その
表面に、水溶液環境における電位が基材よりも卑である
金属の層を形成すると、特に優れた耐塩害腐食性が得ら
れることも見出した。さらに、本発明者等は検討を続
け、水溶液環境における電位が基材よりも卑である金属
として、アルミニウム、アルミニウムを主体とする合
金、亜鉛、亜鉛を主体とする合金、クロム、クロムを主
体とする合金、マンガンおよびマンガンを主体とする合
金、が本発明の目的に適する金属であることをも見出し
た。

【０００９】本発明は、これらの知見に基づいてなされ
たものであり、下記の事項を要旨とするものである。
重量％で、Ｓｉ ０．０１％以上、１．２％未満、Ｍ
ｎ ０．０２〜２．０％、Ｃｒ ５．５〜９．９％、Ａ
ｌ ０．３％〜３．０％、を含有し、Ｃを０．０２％以
下、Ｐを０．０３％以下、Ｓを０．０１％以下、Ｎを
０．０２％以下、Ｃ＋Ｎを０．０３％以下、に低減し、
Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆの中から選ばれる１
種あるいは２種以上の元素の含有量の合計で０．０１〜
１．０％を含有し、かつ次式を満足し、

【数２】 残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を基材として、
少なくとも外面に曝される側の上面に、水溶液環境にお
ける電位が基材よりも卑なる金属の層を０．５〜５０μ
ｍ厚さに形成せしめたことを特徴とする耐食性および加
工性の優れた鋼。

【００１０】 上記の鋼において、基材が付加成分
としてさらに、重量％で、 Ｍｏ ０．０５〜３．０％、Ｗ ０．０５〜３．０％、 Ｓｂ ０．０１〜０．５％および Ｎｉ ０．０１〜２．０％ の１種または２種以上を含有する鋼。 上記および
の鋼において、基材が付加成分としてさらに、重量％
で、希土類元素 ０．００１〜０．１％およびＣａ
０．０００５〜０．０３％の１種または２種を含有する
鋼。 上記〜の鋼において、Ａｌメッキ層が鋼板
の両面に被覆されている鋼。

【００１１】 上記〜の鋼において、水溶液環境
における電位が基材よりも卑である金属がアルミニウム
あるいはアルミニウムを主体とする合金のいずれかであ
る鋼。 上記〜の鋼において、水溶液環境におけ
る電位が基材よりも卑である金属が亜鉛あるいは亜鉛を
主体とする合金のいずれかである鋼。 上記〜の
鋼において、水溶液環境における電位が基材よりも卑で
ある金属がクロムあるいはクロムを主体とする合金のい
ずれかである鋼。 上記〜の鋼において、水溶液
環境における電位が基材よりも卑である金属がマンガン
あるいはマンガンを主体とする合金のいずれかである
鋼。

【００１２】以下に、本発明を詳しく説明する。まず、
基材の各成分の範囲を限定した理由について述べる。Ｓ
ｉは、Ｃｒを５．５％以上含有する鋼に脱酸剤および強
化元素として添加すると有効である。含有量が０．０１
％未満ではその脱酸効果が充分ではなく、１．２％以上
を含有するとその効果は飽和している上に加工性を低下
させるので、含有量範囲を０．０１％以上１．２％未満
に限定する。

【００１３】Ｍｎは、鋼の脱酸剤として、０．０２％以
上を含有させる必要があるが、２．０％を超えて含有さ
せてもその効果はもはや飽和しているばかりか、過剰に
Ｍｎを含有させると加工性が低下するので、上限含有量
は２．０％とする。Ｃｒは、排気ガス環境等に対する耐
食性を確保するために５．５％以上を含有させることが
必要である。しかし、９．９％を超えて含有させてもい
たずらにコストを増すばかりか、加工性が低下するの
で、上限含有量を９．９％とする。Ａｌは、耐食性を確
保するためにＣｒと並んで重要な元素である。前述の通
りＡｌの含有量が０．３％未満では、孔食の発生を抑制
する効果が充分ではなく、一方、３．０％を超えて添加
すると、その効果は飽和するのに対して加工性を低下さ
せるものであるから、含有量は０．３％以上３．０％以
下に限定する。

【００１４】ＣおよびＮは、鋼板の加工性を低下させる
上に、ＣはＣｒと炭化物を生成して耐食性を低下させ、
またＮは靭性を低下させるので、ＣおよびＮ量は少ない
方が望ましい。上限含有量はいずれも０．０２％とし、
いずれも少ないほど好ましい。さらに、優れた加工性を
確保するためには、Ｃ＋Ｎの合計量を低減する必要があ
り、本発明の対象とする鋼としては、Ｃ＋Ｎを０．０３
％以下とする。Ｐは、多量に存在すると靭性を低下させ
るので少ない方が望ましく、上限含有量は０．０３％と
する。Ｓは、多量に存在すると耐孔食性を低下させるの
で少ない方が望ましく、上限含有量は０．０１％とす
る。

【００１５】Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＴａおよびＨｆ
は、高Ｃｒ鋼中のＣおよびＮを炭化物として固定するこ
とによって耐食性の向上や加工性の改善に顕著な効果が
ある。各元素単独の添加あるいは２種以上の元素を複合
して添加することができるが、単独での添加量あるいは
複合添加での添加量の合計が０．０１％未満では効果が
ない。また、１．０％を超えて添加するといたずらにコ
ストを上昇させるとともに圧延疵等の原因ともなるので
上限含有量は、１．０％とする。また、加工性を有効に
改善するためには、添加量の合計が次式を満足すること
が必要である。

【数３】

【００１６】以上が本発明が対象とする耐食性に優れた
鋼の基材の基本的成分であるが、必要に応じてさらに以
下の元素を添加して特性を一段と向上させた鋼を基材と
した鋼材も対象としている。

【００１７】Ｍｏは、Ｃｒ ５．５％以上、Ａｌ ０．
３％以上含有する鋼に０．０５％以上添加すると、孔食
の発生と成長を抑制する効果があるが、３．０％を超え
て添加しても効果が飽和するばかりか加工性を低下させ
るので、上限含有量は３．０％とする。Ｗは、Ｃｒ
５．５％以上、Ａｌ ０．３％以上含有する鋼に０．０
５％以上添加すると、孔食の発生と成長を抑制する効果
があるが、３．０％を超えて添加しても効果が飽和する
ばかりか加工性を低下させるので、上限含有量は３．０
％とする。

【００１８】Ｓｂは、Ｃｒ ５．５％以上、Ａｌ ０．
３％以上含有する鋼に０．０１％以上添加すると、孔食
および全面腐食に対する抵抗を向上させる効果がある
が、０．５％を超えて添加すると熱間加工性を低下させ
るので、上限含有量は０．５％とする。Ｎｉは、Ｃｒ
５．５％以上、Ａｌ ０．３％以上含有する鋼に０．０
１％以上添加すると、孔食を抑制する効果があるが、
２．０％を超えて添加しても効果が飽和するばかりか熱
間加工性を低下させるので、上限含有量は２．０％とす
る。

【００１９】希土類元素（ＲＥＭ）およびＣａは、熱間
加工性の向上と耐孔食性の改善に効果のある元素である
が、添加量が希土類元素では０．００１％未満、Ｃａで
は０．０００５％未満ではその効果が充分ではない。ま
た、希土類元素では０．１％を超えて、Ｃａでは０．０
３％を超えて添加すると、それぞれ粗大な非金属介在物
を生成して逆に熱間加工性や耐孔食性を劣化させるの
で、上限含有量は希土類元素では０．１％、Ｃａでは
０．０３％とした。なお、本発明において希土類元素と
は、原子番号が５７〜７１番および８９〜１０３番の元
素およびＹを指す。

【００２０】本発明に係る鋼が排気系統用部材等として
使用される場合において、少なくとも外面に曝される面
を、基材よりも電位が卑である金属で被覆するものであ
る。これは内面が、例えば内燃機関の排気ガス環境であ
る場合には被覆は必ずしも必要はないが、外面からの塩
害や乾湿繰り返しによる腐食に対しては基材よりも電位
が卑である金属を被覆せしめることが有効だからであ
る。基材よりも電位が卑である金属を形成しておけば、
該金属層に欠陥があったり、使用中に該金属層が一部消
失したとしても、基材は有効に保護されるとともに基材
の耐食性との相乗作用によって、高い耐食性が発揮され
るのである。従って、最終的に使用される状態において
外面に相当する少なくとも一方の面がＡｌで被覆されて
いれば、その面を外面として使用すれば耐食性の目的か
らは充分であるから、もう一方の面、即ち内面として使
用される側は、被覆されている必要はない。しかし、電
位が卑である金属の層を形成する過程において、内面側
も同時に被覆されていても、本発明の趣旨には全く反し
ない。

【００２１】また、外面として使用される側は、Ａｌメ
ッキの厚さが０．５μｍ以下では２年あるいは３年以上
にわたる長期間の耐食性が充分ではなく、５０μｍを超
える厚さまで被覆しても、もはやその効果は飽和してい
るのに対して、生産性を低下させて徒にコストを上昇さ
せるだけであるから、少なくとも一方の面は被覆の厚さ
を０．５〜５０μｍとする。前述と同じ理由から、もう
一方の面は卑である金属で被覆されてもされなくてもい
ずれでも良いので、その厚さに制約はない。コスト、製
造等の面で最適と考えられる厚さになると良い。また、
使用上の目的からは一方の面だけに被覆されていれば良
い場合において、卑である金属を被覆するプロセスから
両面が被覆される鋼を使用しても、本発明の目的と効果
を何等逸脱するものではない。このような場合において
片面だけの被覆を使用するか、あるいは両面に被覆され
た鋼を使用するかは、コストや溶接性等の他の特性を考
慮して選択すれば良い。

【００２２】被覆に供される、水溶液環境における電位
が基材よりも卑である金属の実施態様としては、アルミ
ニウム、亜鉛、クロム、マンガン、およびこれらを主体
とする合金を使用することができる。また、被覆のプロ
セスは、これらの金属が基材に充分に固着されていれば
そのプロセスを限定するものではなく、用途、コスト、
等を考慮した上で選択すれば良く、溶融メッキ、電着メ
ッキ、溶融塩電解メッキ、真空蒸着、スパッタリング、
イオンプレーティング、等を使用することができる。

【００２３】本発明の鋼は、内燃機関の排気系統に使用
するに際して、まず鋼板として製造した後、それをプレ
ス等で所定の形状に成形し、さらに加工・溶接して製品
として製造しても良いし、鋼板を、例えば電縫鋼管等と
してまず鋼管の形状にした後に、２次加工および溶接等
によって製品に使用しても良く、その他のプロセスも含
めて本発明で限定する組成および元素の組み合わせを有
する鋼は、いずれも本発明の対象とするところである。
また、コストや既存製造設備の制約等によって最適な製
品製造工程を選択することができ、どの製造工程を選択
したとしてもそれをもって本発明の範囲を逸脱するもの
ではない。また、本発明において提案する鋼は、内燃機
関の排気系統の他、塩化物や硫酸イオン等を含有する水
溶液が高温に曝されたり、加熱・冷却が繰り返される環
境等、種々の腐食環境に適用することができる。

【００２４】

【実施例】以下に、本発明を実施例に基づいてさらに説
明する。表１に成分を示す鋼を溶製し、熱延、冷延等の
通常の鋼板製造工程によって肉厚１ｍｍの鋼板とし、８
４０℃にて焼鈍を施した後、両面それぞれに、片面あた
り１５±２μｍの、表２に示す条件の被覆を施した。な
お、表１中のＸ値は、以下の式による計算値を示す。

【数４】

【００２５】また、表２中の被覆１〜４は、被覆１：ア
ルミニウム被覆、被覆２：亜鉛被覆、被覆３：クロム被
覆および被覆４：マンガン被覆をそれぞれ表すものであ
る。次に、これらの鋼板から、幅５０ｍｍ、長さ７０ｍ
ｍの試験片を採取して、腐食試験に供した。なお、比較
鋼のうち試料番号４７は、従来材の代表であるＳＵＳ４
１０Ｌに相当する鋼である。

【００２６】自動車排気系の内面環境に相当する腐食試
験としては、硫酸イオン１００ｐｐｍ、塩化物イオン１
００ｐｐｍ、重炭酸イオン５００ｐｐｍをアンモニウム
塩の形で添加した水溶液５０ｃｍ³ 中に、試験片を半分
まで浸漬し、試験容器ごと１３０℃の雰囲気に保持し
て、試験溶液が完全に蒸発・揮散することを２０回繰り
返す試験とした。試験後の試験片について最大孔食深さ
を測定し、試験結果とした。最大孔食深さが０．２ｍｍ
以下のものは◎、最大孔食深さが０．２ｍｍを超え０．
４ｍｍのものは○、最大孔食深さが０．４ｍｍを超え
０．８ｍｍ以下のものは×、最大孔食深さが０．８ｍｍ
を超えるものは××で表示した。

【００２７】また、大気環境や自動車排気系外面の塩害
腐食を想定した試験としては、５０℃で１時間の塩水噴
霧後、６０℃で湿度９６％の環境に５時間保持した後、
さらに１時間の冷凍保持を行うことを１００回繰り返す
試験とした。試験後の試験片について最大孔食深さを測
定し、試験結果とした。最大孔食深さが０．２ｍｍ以下
のものは◎、最大孔食深さが０．２ｍｍを超え０．４ｍ
ｍ以下のものは○、最大孔食深さが０．４ｍｍを超え
０．８ｍｍ以下のものは×、最大孔食深さが０．８ｍｍ
を超えるものは××で表示した。

【００２８】また、加工性の試験としては、表１に示す
鋼から試験片を採取して、絞り比１．８の円筒絞り試験
を行なって、割れの有無で判定した。

【００２９】

【表１】

【００３０】耐食性および加工性の試験結果を、表２に
示す。表２の加工性について、○は円筒絞り試験結果が
良好であったことを示し、×は円筒絞り試験で割れを生
じたことを示している。

【００３１】

【表２】 表２から明らかなように、本発明鋼である試料番号１〜
１８は、排気環境や塩害腐食環境という非常に厳しい腐
食環境であっても良好な耐食性を示しており、また厳し
い円筒絞り試験でも優れた加工性を示しているのに対し
て、比較鋼である試料番号１９〜２３は、耐食性に劣っ
たり、加工性が不充分であることが分る。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は自動車等の
内燃機関の排気系統での耐食性に優れる鋼を低コストで
提供することを可能とした。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 30/00 C22C 38/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｓｉ ０．０１％以上、１．２
   ％未満、Ｍｎ ０．０２％〜２．０％、Ｃｒ ５．５％
   〜９．９％およびＡｌ ０．３％〜３．０％含有し、さ
   らにＣ ０．０２％以下、Ｐ ０．０３％以下、Ｓ
   ０．０１％以下、Ｎ ０．０２％以下およびＣ＋Ｎの合
   計量 ０．０３％以下含有し、 Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆの中から選ばれた１
   種または２種以上の元素の含有量の合計が０．０１〜
   １．０％であり、かつ次式を満足し、 【数１】 残部Ｆｅおよび不可避な不純物からなる鋼を基材とし
   て、少なくとも外面に曝される側の上面に、水溶液環境
   における電位が基材よりも卑である金属の層を０．５〜
   ５０μｍ厚さに形成せしめたことを特徴とする耐食性お
   よび加工性の優れた鋼。
2. 【請求項２】基材が付加成分としてさらに、重量％で、 Ｍｏ ０．０５％〜３．０％、Ｗ ０．０５％〜３．０
   ％、Ｓｂ ０．０１％〜０．５％およびＮｉ ０．０１
   ％〜２．０％の１種または２種以上を含有する請求項１
   に記載の耐食性および加工性の優れた鋼。
3. 【請求項３】基材が付加成分としてさらに、重量％で、 希土類元素 ０．００１％〜０．１％およびＣａ ０．
   ０００５％〜０．０３％の１種または２種を含有する請
   求項１または２に記載の耐食性および加工性の優れた
   鋼。
4. 【請求項４】水溶液環境における電位が基材よりも卑で
   ある金属の層が、鋼板の両面に形成されている請求項
   １、２あるいは３に記載の耐食性および加工性の優れた
   鋼。
5. 【請求項５】水溶液環境における電位が基材よりも卑で
   ある金属が、アルミニウムあるいはアルミニウムを主体
   とする合金のいずれかである請求項１，２，３または４
   に記載の耐食性および加工性の優れた鋼。
6. 【請求項６】水溶液環境における電位が基材よりも卑で
   ある金属が、亜鉛あるいは亜鉛を主体とする合金のいず
   れかである請求項１，２，３または４に記載の耐食性お
   よび加工性の優れた鋼。
7. 【請求項７】水溶液環境における電位が基材よりも卑で
   ある金属が、クロムあるいはクロムを主体とする合金の
   いずれかである請求項１，２，３または４に記載の耐食
   性および加工性の優れた鋼。
8. 【請求項８】水溶液環境における電位が基材よりも卑で
   ある金属が、マンガンあるいはマンガンを主体とする合
   金のいずれかである請求項１，２，３または４に記載の
   耐食性および加工性の優れた鋼。