JP3397167B2

JP3397167B2 - 自動車排気系部品用フェライト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP3397167B2
Application number: JP10886799A
Authority: JP
Inventors: 佳孝西山; 芳男樽谷
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2003-04-14
Anticipated expiration: 2019-04-16
Also published as: JP2000303149A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐熱性に優れた自
動車排気系部品用フェライト系ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車のエキゾーストマニホールドやフ
ロントパイプ等の排気系部品は、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、これを構成す
る材料には耐熱性、すなわち耐酸化性、高温強度および
耐熱疲労性等の特性が要求される。

【０００３】自動車排気マニホールド用材料として、従
来は鋳鉄が一般に用いられていた。しかし、近年の排ガ
ス規制の強化、さらにはエンジン性能の向上および車体
計量化による燃費向上等の要請に応えるため、ステンレ
ス鋼の溶接管が排気マニホールド用材料として使用され
るようになってきた。排ガス温度も９００℃を超えるよ
うになり、９００℃以上で優れた耐酸化性、高温強度お
よび耐熱疲労性を有する材料が必要となってきた。

【０００４】オーステナイト系ステンレス鋼は、優れた
耐熱性および加工性を有しており、その代表的な鋼種
は、ＳＵＳ３０４(18Cr-8Ni)、ＳＵＳ３１０Ｓ(25Cr-20
Ni)などである。しかし、オーステナイト系ステンレス
鋼は熱膨張係数が大きく、排気マニホールドのような加
熱と冷却の繰り返しを受ける用途においては、熱歪みに
起因する熱疲労によって破壊が生じやすい。

【０００５】一方、フェライト系ステンレス鋼は一般に
オーステナイト系ステンレス鋼より熱膨張係数が小さい
ため、耐熱疲労特性に優れている。従って、耐熱疲労性
および材料コストの面からは、フェライト系ステンレス
鋼が排気マニホールド用材料として適しているといえ
る。

【０００６】従来、排気マニホールド材料として、フェ
ライト系ステンレス鋼であるＳＵＨ４０９Ｌ、ＳＵＳ４
１０Ｌが用いられてきたが、排ガス温度の上昇と共に、
高温強度および耐酸化性が不足してくるという問題があ
った。この問題に対応するため、これまでに種々検討さ
れてきた。

【０００７】特開昭６４−８２５４号公報には、Ｎｂお
よびＭｏを含有させることにより高温での強度を改善し
た排ガス温度９００℃以上に対応できる１７％以上のＣ
ｒを含有するフェライト系ステンレス鋼が開示されてい
る。

【０００８】特開平４−２８０９４７号公報には、Ｎｂ
含有量の範囲をさらに広げて高温での強度を改善した排
気温度１０００℃に対応できる排気マニホールド用のフ
ェライト系ステンレス鋼が開示されている。

【０００９】しかしながら、上記フェライト系ステンレ
ス鋼は９００℃以上の高温域での強度改善度は小さく、
また６００〜７５０℃の中温度域では粗大なラーベス
（Ｍ₂Ｘ型）相が析出し固溶強化による強度確保が困難
となるため、高温強度特性および耐熱疲労特性とも十分
とは言えない。さらに、これらのフェライト系ステンレ
ス鋼は常温での加工性にも問題がある。

【００１０】特開昭６０−１４５３５９号公報には、Ｓ
ｉを高めて耐酸化性を改善したフェライト系ステンレス
鋼が開示されている。同公報には、高温強度を高めるに
は、Ｎｂ含有量を０．３％以下とし、しかも０．１％以
上の不結合（固溶）Ｎｂが存在すること、ならびにＳｉ
に富むラーベス相の形成が重要であると記載されてい
る。しかしながら、０．３％以下のＮｂ含有量のみでは
本質的に高温高強度化を図ることは困難であり、ラーベ
ス相による析出強化は加熱初期にのみ有効な場合もある
が、耐熱疲労特性の向上は期待できない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、７０
０℃以上の高温自動車排気ガス環境で使用される排気系
部品として必要な強度、耐熱疲労特性および耐酸化性を
備えた安価なフェライト系ステンレス鋼を提供すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、以下の
通りである。

【００１３】（１）重量％にて、Ｃ：０．１５％以下、
Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０５％以
下、Ｓ：０．００８％以下、Ｃｒ：８〜１５％未満、Ｃ
ｕ：１〜３％、Ｎ：０．１％以下、Ｎｉ：０〜１％、Ｔ
ｉ：０〜１％、Ｎｂ：０〜１％、Ｚｒ：０〜１％、Ａ
ｌ：０〜０．１５％およびＣａ、Ｍｇ、Ｙ、希土類元素
のうちの１種または２種以上を合計で０〜０．１％を含
有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる自動車
排気系部品用フェライト系ステンレス鋼。

【００１４】（２）重量％にて、Ｃ：０．１５％以下、
Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０５％以
下、Ｓ：０．００８％以下、Ｃｒ：８〜１５％未満、Ｃ
ｕ：１〜３％、Ｎ：０．１％以下、Ｍｏ：０．１〜３
％、Ｎｉ：０〜１％、Ｔｉ：０〜１％、Ｎｂ：０〜１
％、Ｚｒ：０〜１％、Ａｌ：０〜０．１５％およびＣ
ａ、Ｍｇ、Ｙ、希土類元素のうちの１種または２種以上
を合計で０〜０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可
避的不純物からなる自動車排気系部品用フェライト系ス
テンレス鋼。

【００１５】本発明者らは、７００℃以上の高温の自動
車排気ガス環境にも対応できる高温強度、耐熱疲労特性
および耐酸化性を備えた安価なフェライト系ステンレス
鋼を開発するため、種々の実験および検討を重ねた結
果、下記の知見を得て本発明を完成するに至った。

【００１６】ａ）フェライト系ステンレス鋼は、一般に
６００〜７５０℃温度域（以下、中温度域と記す）で高
温強度が急激に低下するが、熱疲労寿命を確保するに
は、最高加熱温度域での強度が重要であり、そのために
は中温度域での強度の低下を防止することが重要であ
る。

【００１７】ｂ）中温度域での強度の低下を防止する方
法には、固溶強化および析出強化等の強化法があるが、
フェライト系ステンレス鋼ではＭｏ，Ｎｂ等を積極添加
して焼鈍時に完全固溶させて固溶強化を図っても、中温
度域での固溶度は小さく、使用中に強化効果が経時的に
減少する。また、これら固溶元素はラーベス相として析
出するがその強化能は期待できない。

【００１８】ｃ）フェライト系ステンレス鋼は、中温度
域では第３元素の固溶度を高めることは容易ではないの
で、析出強化を図るのがよいが、粗大化しない析出物と
する必要がある。

【００１９】ｄ）そのような析出物としてＣｕの析出物
がよく、フェライト系ステンレス鋼にＣｕを含有させる
と、中温度域でＣｕの析出物が粒内に微細に析出し、し
かもこの微細析出物は時間経過による凝集粗大化が起こ
りにくいため、中温度域での強度低下抑制に効果があ
る。

【００２０】ｄ）さらに、Ｃｕは高温度域では固溶度が
大きくなり、微細Ｃｕ析出相は鋼中に再固溶する。その
ため、高温域での固溶強化の効果が大きい。

【００２１】ｅ）これらの挙動は、可逆的に起こるた
め、加熱、冷却を繰り返す自動車排気環境における全温
度域で、恒久的に強度を維持することが可能となる。

【００２２】ｆ）高温で生成するスケールは、鋼中にオ
ーステナイト形成元素が多いほどスケールの母材保護性
を損なう。ＣｕおよびＭｎはオーステナイト形成元素で
あり、ＣｕとＭｎが共存すると著しくスケールの母材保
護性が失われることになるので、Ｃｕ含有フェライト系
ステンレス鋼では、高温での耐酸化性の低下を防止する
ためにＭｎ含有量を１％以下に低減することが重要で
あ。

【００２３】ｇ）ステンレス鋼を安価にするためＣｒを
１５％未満と低減すると、９００℃近傍までの温度の自
動車排気ガス環境での耐酸化性が低下する。しかし、Ｐ
とＳを低減すると共に、ＣおよびＮを低減することによ
り、耐酸化性の低下を防止することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明のフェライト系ステンレス
鋼の化学組成について説明する。なお、以下の％表示は
重量％を示す。

【００２５】Ｃ、Ｎ：Ｃ、Ｎは、強度を向上させるため
に有効な元素である。しかし、耐酸化性の低下を助長す
ることから、それぞれ０．０１５％以下に制限する。好
ましくは０．０１２％以下、さらに好ましくは０．０１
％以下である。

【００２６】図１は、ＣおよびＮ含有量を種々変化させ
た１．５％Ｃｕと１２％Ｃｒを含有するフェライト系ス
テンレス鋼の耐酸化性を調べた結果を示す図である。

【００２７】この試験は、８５０℃の自動車模擬燃焼排
ガス雰囲気にて２００時間連続加熱試験後の酸化増量を
測定し、縦軸Ｎ量、横軸Ｃ量で整理したものである。図
１から明らかなように、Ｃ量、Ｎ量がともに０．０１５
％以下になると酸化増量が１５ｇ／ｍ²以下となり、耐
酸化性が良好となる。ＣおよびＮ含有量の低減は、高温
での組織安定性と関係があり、オーステナイト生成元素
を含有している場合に顕著に発現する効果である。

【００２８】Ｓｉ：Ｓｉは、高温使用時における耐酸化
性向上のために有効な元素である。しかし、含有量が１
％を超えると靭性が著しく低下する。特にＣｕを含有さ
せている場合はその影響が大きい。そのため、上限を１
％とした。好ましくは０．８％以下である。

【００２９】Ｍｎ：Ｍｎは、高温強度を高める働きがあ
り、また鋼中Ｓを固定し熱間加工性を改善する効果があ
る。しかし、Ｃｕを含有させたフェライト系ステンレス
鋼の場合は、Ｍｎ含有量が１％を超えると耐酸化性、と
りわけスケール密着性を阻害する。そのため、上限を１
％とした。好ましくは０．７％以下、さらに好ましくは
０．４％以下である。

【００３０】Ｐ：Ｐは、熱間加工性、耐酸化性を低下さ
せるため、可能な限り低くすることが好ましい。しか
し、過度の低減は製造コスト増につながるため、上限を
０．０５％とした。好ましくは０．０４％以下である。
さらに好ましくは０．０３５％以下である。

【００３１】Ｓ：Ｓは、Ｐと同様熱間加工性を著しく阻
害する。さらに耐酸化性に対しても悪影響を及ぼす。そ
のため、可能な限り低くすることが好ましい。しかし、
過度の低減は製造コスト増につながるため、上限を０．
００８％とした。好ましくは０．００５％以下である。
さらに好ましくは０．００３％以下である。

【００３２】Ｃｒ：Ｃｒは、高温での耐酸化性確保のた
めに８％以上が必要である。Ｃｒは含有量が多くなるほ
ど耐酸化性が向上するが、１５％以上では、高価なステ
ンレス鋼になるため、１５％未満とした。好ましいＣｒ
含有量は８〜１４％である。

【００３３】Ｎｉ：Ｎｉは、必要に応じて含有させるオ
ーステナイト形成元素である。また、Ｃｕ含有フェライ
ト系ステンレス鋼では、高温での耐酸化性の低下を抑制
する働きがある。含有させる場合、１％を超えると、組
織安定性が問題となることにより耐酸化性がむしろ低下
することになるので上限を１％とした。好ましくは０．
０２〜０．８％、さらに好ましくは０．０５〜０．８％
である。

【００３４】Ｃｕ：Ｃｕは、重要な元素のひとつで、中
温度域で鋼中に微細に析出して析出強化作用があり、か
つ、高温度域で固溶強化作用を発揮する。これらの効果
を得るためには１％以上含有させることが必要である。
一方、３％を超えると熱間加工性などの製造性や耐酸化
性が低下するので、含有量の上限を３％とした。好まし
くは１〜２．５％、さらに好ましくは１〜２％である。
中温度域でのＣｕ析出物は主としてε−Ｃｕ相であり、
ＦＣＣ構造を持つものやＨＣＰ構造を持つものがある
が、強度向上はこれら構造に因るものではない。

【００３５】Ｔｉ：Ｔｉは、必要に応じて含有させる元
素であり、Ｎｂと同様にＣ、Ｎの固定元素として有効で
あり、一部Ｎｂと置換することができる。しかし、過剰
に含有させると圧延時の表面疵の原因となるため、上限
は１％とした。

【００３６】さらに、Ｔｉは鋼中のＳを安定化する作用
がある。すなわち、ＴｉはＭｎに比べてＳとの結合力が
強いため、鋼中でＴｉＳ、Ｔｉ(Ｃ、Ｓ)を形成する。Ｔ
ｉ系の硫化物は、鋼中Ｔｉ量にもよるが１１００〜１２
００℃付近まで安定であり、硫化物安定化元素のひとつ
として有効で、耐酸化性を改善する。

【００３７】また、Ｆｅ-Ｔｉ-Ｐ系析出物が析出し、耐
熱疲労特性が改善され、中温度域より９００℃以上での
高温強度を高める効果がある。

【００３８】Ｎｂ：Ｎｂは必要に応じて含有させる元素
で、固溶して高温強度を向上させる働きがある。また、
Ｎｂは炭窒化物としてＣ、Ｎを固定する作用があるた
め、耐食性および耐酸化性改善に効果を発揮する。しか
し、過剰に含有させると靭性に悪影響を及ぼすため上限
を１％とした。

【００３９】Ｚｒ：Ｚｒは、必要に応じて含有させる元
素で、適量含有させるとＳを固定し、耐酸化性を向上さ
せる。しかし、１％を超えて含有させるとＳ固定の意味
からは過剰であり、靭性にも悪影響を及ぼすので、上限
を１％としたＭｏ：Ｍｏは、Ｎｂと同様、置換型固溶元素として高温
強度を向上させるのに有効で、必要に応じて含有させ
る。固溶強化によるＭｏの効果は０．１％以上で有効と
なる。一方、過剰に含有させると加工性を低下させ、ま
た製造コスト高となるため、上限を３％とした。好まし
くは０．２〜２．５％、さらに好ましくは０．２〜２％
である。

【００４０】Ａｌ：Ａｌは、必要に応じて脱酸剤として
含有させる元素である。また、少量のＡｌは、耐酸化性
改善効果があり、また高温強度改善および靭性改善効果
も有する。しかし、過剰に含有させると加工性の低下を
招くため、上限を０．１５％とした。

【００４１】Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ、希土類元素：Ｃａ、Ｍ
ｇ、Ｙおよび希土類元素は、耐酸化性を向上させ、酸化
スケールの密着性を向上させ、脱Ｓ作用を有するので必
要に応じて含有させる。１種のみの元素はもとより複数
元素を含有させても、それらの効果は変わらない。これ
らの元素の含有量の合計が０．００１％未満では効果が
十分でなく、合計で０．１％を超えて含有させると靭性
を劣化させるので上限を合計で０．１％とした。好まし
くは、０．００５〜０．０８％である。さらに好ましく
は、０．０１〜０．０８％である。

【００４２】本発明にかかるフェライト系ステンレス鋼
の製造方法は、通常のフェライト系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，ＶＯＤ炉等で精錬して連続鋳造または造塊
−分塊法でスラブとし、熱間圧延、冷間圧延の工程によ
り鋼板にするのがよい。

【００４３】自動車排気系部品としては、主として排気
マニホールド、フロントパイプ、センターパイプ等で上
記鋼板を溶接して溶接管として用いる。製品形状によっ
ては、板を所望の形状に加工した後、２枚以上溶接等に
より重ねあわせて用いる場合もある。冷間圧延後の焼鈍
は特に規定はしないが、９００〜１０５０℃で０．５〜
３０分均熱したのち空冷する処理が望ましい。

【００４４】

【実施例】表１に示す化学組成を有するフェライト系ス
テンレス鋼を、溶解、鍛造した後、１１５０℃にて熱間
圧延をおこなって熱延板とした。

【００４５】

【表１】

【００４６】この熱延板を焼鈍した後、冷間圧延を施し
厚さ１ｍｍの冷延板とし、９００〜１０００℃にて仕上
げ焼鈍を施した。この冷延板から、１ｍｍ厚の常温引張
試験片（ＪＩＳＺ２２０１１３号Ｂ）および高温引張
試験片および厚さ１ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ２５ｍの酸
化試験片を切りだした。

【００４７】さらに、冷延板を電縫溶接により製管し、
熱疲労試験片（ゲージ長さ：１２ｍｍ）を製作した。

【００４８】図２は、熱疲労試験片を示す図である。同
図において、１が試験材の電縫溶接管で、２箇所に径8m
mの穴を開け、冷却用エアーの供給口２及び排出口３と
した。４は管の内面からの保持具（芯金）、５は試験機
のホルダーへの取付部である。溶接管１と保持具４は図
示しない固定用ピンと端部の溶接部７によって固定され
ている。

【００４９】高温引張試験は、６００℃および８５０℃
にておこなった。

【００５０】高温強度の評価は、６００℃の引張り強度
は２４０Ｎ／ｍｍ²以上、８５０℃の引張り強度は３０
Ｎ/ｍｍ²以上を良好とした。

【００５１】酸化試験は、自動車模擬燃焼排ガス中８５
０℃の温度で連続２００時間加熱した。模擬燃焼排ガス
は、ボンベガスを用い、表２に示す組成を有するように
混合して加熱炉に導入した。

【００５２】

【表２】

【００５３】耐酸化性の評価は、８５０℃における酸化
増量が１５ｇ/ｍ²以下を良好とした。また、常温にて引
張り試験をおこない、伸びの値をもって加工性を評価
し、３０％以上の伸びを示した鋼板を加工性が良好とし
た。

【００５４】熱疲労試験は、図２の試験片を用い、コン
ピューター制御の電気油圧式高温熱疲労試験により、図
３に示す温度サイクル（２００℃−８５０℃）、機械的
歪み波形履歴をとる条件で、５０％拘束（拘束度η＝
０．５０１）にて試験した。熱疲労寿命１２００サイク
ル以上を良好とした。

【００５５】これらの試験結果を表３にまとめて示す。

【００５６】

【表３】

【００５７】表３より明らかなように、本発明鋼１〜１
６は、高温強度、耐熱疲労特性ならびに耐酸化性の点か
ら自動車排気系高温部材として優れている。また、それ
らは常温伸び３０％以上であり、製管時に要求される加
工性も満足している。

【００５８】比較鋼Ａは、ＳＵＨ４０９Ｌ相当材である
が、８５０℃での引張り強度、耐酸化性、耐熱疲労特性
共に劣る。

【００５９】比較鋼Ｂは、Ｃｕが１％以下であるために
６００℃および８５０℃での引張り強度ならびに耐熱疲
労特性ともに劣る。

【００６０】比較鋼Ｃは、Ｃｒが９％未満であるため、
耐酸化性が著しく劣る。

【００６１】比較鋼Ｄは、Ｃｕが３％を超え、比較鋼Ｅ
はＳｉが１％を超えており、常温伸び３０％未満と加工
性に劣り、製管ができなかった。

【００６２】比較鋼Ｆは、Ｍｎが２％を超え、比較鋼Ｇ
は、Ｓが０．００８％を超え、比較鋼ＨはＰが０．０５
％を超えており、耐酸化性が十分でない。比較鋼ＩはＣ
が０．０１５％を超えており耐酸化性が劣っている。ま
た、比較鋼Ｊは、Ｎが０．０１５％を超えているため、
耐酸化性が劣る。

【００６３】

【発明の効果】本発明により、７００℃以上の高温にお
いて、優れた耐酸化性、高温強度および耐熱疲労特性を
有し、しかも十分な加工性を有する自動車排気系部品用
フェライト系ステンレス鋼が得られる。排気管のなかで
最も温度の高くなるエキゾーストマニホールドはもとよ
り、フロントパイプやセンターパイプへ等へ適用して長
時間に使用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＣおよびＮ含有量と耐酸化性との関係を示す図
である。

【図２】熱疲労試験片形状を示す図である。

【図３】熱疲労試験時の温度及びひずみ波形を示す図で
ある。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％にて、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓ
ｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．００８％以下、Ｃｒ：８〜１５％未満、Ｃｕ：
１〜３％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｎｉ：０〜１％、Ｔ
ｉ：０〜１％、Ｎｂ：０〜１％、Ｚｒ：０〜１％、Ａ
ｌ：０〜０．１５％およびＣａ、Ｍｇ、Ｙ、希土類元素
のうちの１種または２種以上を合計で０〜０．１％を含
有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを
特徴とする自動車排気系部品用フェライト系ステンレス
鋼。
【請求項２】重量％にて、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓ
ｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．００８％以下、Ｃｒ：８〜１５％未満、Ｃｕ：
１〜３％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｍｏ：０．１〜３
％、Ｎｉ：０〜１％、Ｔｉ：０〜１％、Ｎｂ：０〜１
％、Ｚｒ：０〜１％、Ａｌ：０〜０．１５％およびＣ
ａ、Ｍｇ、Ｙ、希土類元素のうちの１種または２種以上
を合計で０〜０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可
避的不純物からなることを特徴とする自動車排気系部品
用フェライト系ステンレス鋼。