JP3474829B2 - 溶接性と加工性に優れた触媒担持用耐熱フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、自動車二輪車等の箔担体以外の
排気系部材に関するものである。具体的には、鋼材表面
に触媒を直接担持し、ヒートチューブ、排気管等の部品
に使用される溶接性と加工性に優れた耐熱フェライト系
ステンレス鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】環境問題の高まりから、自動二輪車にも
触媒方式による排気ガス浄化装置の装着が進んでいる。
四輪自動車には、セラミック担体あるいは耐熱ステンレ
ス鋼箔に触媒を担持した金属担体が装着されている。使
用されている耐熱ステンレス鋼箔は、２０％Ｃｒ−５％
Ａｌを基本成分とするフェライト系ステンレス鋼で、高
温排気ガス中で表面にＡｌ₂ Ｏ₃ を主体とする酸化皮膜
を形成するため、耐酸化性が極めて優れている。

【０００３】自動二輪車にも、箔を使用した金属担体に
はＡｌ含有量の高い上記鋼が使用されているが、自動二
輪車ではヒートチューブ、排気管の内面等の箔以外の部
品にも触媒を担持する方式が採用されてきた。それらの
部材には板厚が０．６〜１．５ｍｍ程度の鋼板が使用さ
れるが、Ａｌを含有しない通常のフェライト系ステンレ
ス鋼が適用すると、高温排気ガス中で下地のステンレス
鋼が酸化し、触媒層中に拡散したＦｅ，Ｃｒが触媒機能
を低下させると共に、触媒層が剥離しやすくなる。

【０００４】触媒層中へのＦｅ，Ｃｒの拡散を抑制する
ために、特開平１０−５６０３号公報ではステンレス鋼
製の金属担体上にアルミナ、シリカ等の酸化物からなる
層をアンダーコートした浄化触媒が開示されている。こ
の方法ではアンダーコートの工程によるコストアップの
みならず、金属担体とアンダーコートの密着性が十分で
なく、使用中に振動等の影響で剥離する場合がある。

【０００５】また、鋼板上にアルミメッキを施し、高温
加熱時にＡｌ₂ Ｏ₃ 皮膜を形成させ、耐酸化性を改善し
たフェライト系ステンレス鋼が特開平７−２３３４５１
号公報に開示されており、本用途への適用が考えられる
が、メッキ層と母材との密着性が不十分で、高温加熱・
冷却を繰り返すとメッキ層の部分から剥離を生じる。

【０００６】さらに、金属担体と同様にＡｌを高濃度含
有するフェライト系ステンレス鋼、２０％Ｃｒ−５％Ａ
ｌ鋼、あるいは１８％Ｃｒ−３％Ａｌ（ＳＵＨ２１）鋼
の適用も考えられるが、これらの鋼は耐酸化性は優れる
ものの、加工性、溶接性が悪いためマフラー成形時の製
造コストが高くなるばかりでなく、複雑形状の部材には
適用できない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、アン
ダーコート等の表面処理を施さずとも高温排気ガス中で
十分な耐酸化性を有し、触媒層中への母材成分拡散によ
る触媒機能低下、あるいは界面酸化物形成による触媒層
の剥離を生じさせず、さらに加工性と溶接性に優れ、マ
フラー成形が容易な触媒担持用耐熱フェライト系ステン
レス鋼を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、母材酸化およ
び成分拡散による触媒機能の劣化を防止するために、〜
１０００℃までのエンジン排気ガス中で鋼材表面にＡｌ
₂ Ｏ₃ を主体とする保護性の高い酸化皮膜を形成させる
と共に、加工性・溶接性を低下させるＡｌ含有量を最小
限にとどめ、保護性酸化皮膜の安定形成に有効なＳｉを
適量添加し、さらに皮膜形成および加工性に有害なＣ、
Ｎ含有量を低減すると共に、Ｔｉ添加によりこれら元素
を固定した。

【０００９】これらの成分範囲の規定は、従来の鋼材の
酸化試験で得られる重量増加等で決められるものではな
く、二輪あるいは四輪エンジンの排気ガス雰囲気中で鋼
材表面に触媒層を担持した状態で加熱し、母材成分の拡
散あるいは剥離等がなく、触媒機能を維持できるか否か
で決められるものである。

【００１０】ここでの鋼材の性能評価指標は、文献等で
記述されている単純な耐酸化性ではなく、高温雰囲気中
での母材と触媒層との反応性および密着性である。自動
二輪車のエンジン排気ガスを模擬した環境で、Ａｌ含有
量の異なる１８％Ｃｒフェライト系ステンレス鋼を酸化
した結果を図１に示す。いずれも重量増加量は問題とな
るレベルではないが、Ａｌ無添加では保護性が乏しく、
母材成分が触媒層に拡散しやすい（Ｆｅ，Ｃｒ）₂ Ｏ₃
を主体とする酸化皮膜が生じ、中途半端なＡｌ添加では
保護性のあるＡｌ₂ Ｏ₃ 皮膜を形成しないばかりでな
く、鋼材表面直下に形成される内部酸化層により皮膜密
着性が低下し、触媒層が剥離脱落しやすくなる。

【００１１】Ａｌを十分に添加すれば保護性が高く、密
着性にも優れた酸化皮膜が形成する。しかし３％を超え
るＡｌの添加は、加工性および溶接性を顕著に低下さ
せ、マフラー部材の製造コストを著しく上昇させる。従
って、本発明では触媒機能を維持できる必要最小限のＡ
ｌ含有量に抑えつつ、Ｓｉ等の促進作用のある元素を適
量添加し、エンジン排気ガス雰囲気で触媒層と母材の界
面に遮断性能の高い（母材成分が触媒層に拡散しない）
Ａｌ₂ Ｏ₃ を主体とする酸化皮膜を薄く形成させる。そ
して過剰な合金成分添加を抑制しつつ、さらに他成分の
適正化から、溶接性と加工性を改善する。

【００１２】すなわち、本発明の要旨とするところは以
下の通りである。 （１） 質量％で、 Ｃ ：０．００３〜０．０２％、 Ｎ ：０．０２％以
下、 Ｓｉ：０．１〜２％、 Ｍｎ：３％以下、 Ｐ ：０．０４％以下、 Ｓ ：０．０２％以
下、 Ｃｒ：１０〜２５％、 Ａｌ：１〜２．５
％、 Ｔｉ：３×（Ｃ＋Ｎ）〜２０×（Ｃ＋Ｎ）％、 Ａｌ＋０．５×Ｓｉ：１．５〜２．８％ を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを
特徴とする溶接性と加工性に優れた触媒担持用耐熱フェ
ライト系ステンレス鋼。 （２） 質量％で、 Ｍｏ：０．１〜２．５％、 Ｃｕ：０．１〜２．
５％、 Ｎｉ：０．１〜２．５％、 Ｎｂ：０．０１〜
０．５％、 Ｖ ：０．０５〜０．５％、 Ｂ ：０．０００５
〜０．００５％ の１種または２種以上をさらに含有することを特徴とす
る前記（１）に記載の溶接性と加工性に優れた触媒担持
用耐熱フェライト系ステンレス鋼。 （３） 質量％で、 Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％、 Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、 ＲＥＭ：０．００１〜０．０１％ の１種または２種以上をさらに含有することを特徴とす
る前記（１）または（２）に記載の溶接性と加工性に優
れた触媒担持用耐熱フェライト系ステンレス鋼。 （４） 表面に加工硬化層が残留していることを特徴と
する前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の溶接性
と加工性に優れた触媒担持用耐熱フェライト系ステンレ
ス鋼。

【００１３】

【発明の実施の形態】先ず、本発明の実施形態と限定条
件について詳細に説明する。成分含有量は質量％であ
る。Ｃは、鋼中に含まれる不可避的不純物であるが、含
有量が０．０２％を超えると加工性、溶接性が低下する
と共に、高温加熱時のＡｌ₂ Ｏ₃ 皮膜形成を不安定化す
る。Ｃ含有量は低い方が固定するＴｉの添加量も少なく
てすみ、良い方向ではあるが、０．００３％未満にする
ことは精錬上コストアップが大きくなるため、０．００
３％を下限とした。

【００１４】Ｎは、鋼中に含まれる不可避的不純物であ
るが、Ｃと同様に含有量が０．０２％を超えると加工
性、溶接性が低下すると共に、高温加熱時のＡｌ₂ Ｏ₃
皮膜形成を不安定化する。

【００１５】Ｓｉは、エンジン排気ガス環境下で保護性
の高いＡｌ₂ Ｏ₃ 皮膜の形成を促進し、触媒機能を維持
するために必要なＡｌ含有量を低減することができる重
要な元素である。その効果発現のためには０．１％以上
の添加量が必要であるが、２％を超えて添加すると加工
性、溶接性が著しく低下するため、０．１％〜２％とし
た。

【００１６】Ｍｎは、鋼中に不可避的に含まれる成分で
あるが、３％を超えて添加するとＡｌ₂ Ｏ₃ 皮膜の形成
を阻害するため、３％を上限とした。

【００１７】Ｐは、鋼中に不可避的に含まれる成分であ
るが、０．０４％を超えて含有すると加工性が低下する
ため、０．０４％を上限とした。

【００１８】Ｓは、鋼中に不可避的に含まれる成分であ
るが、０．０２％を超えて含有するとＡｌ₂ Ｏ₃ 皮膜の
形成を著しく阻害するため、０．０２％を上限とした。
なお、Ｓ含有量は低い方がＡｌ₂ Ｏ₃ 皮膜形成が安定化
し、０．００５％以下とすることが望ましい。

【００１９】Ｃｒは、耐食性上必須のみならず、密着性
の良好なＡｌ₂ Ｏ₃ 皮膜を形成させるために重要な元素
であり、１０％以上の含有量が必要であるが、２５％を
超えるＣｒ含有量は溶接性や加工性を著しく低下させる
ため、２５％を上限とした。

【００２０】Ａｌは、Ａｌ₂ Ｏ₃ 皮膜を形成させるため
に必須元素である。Ｓｉの促進効果を利用しても１％以
上の含有量は必要である。しかし、２．５％を超えて添
加すると溶接性、加工性が低下するため、２．５％を上
限とした。

【００２１】Ｔｉは、Ａｌ₂ Ｏ₃ 皮膜形成に有害なＣ、
Ｎを固定すると共に皮膜密着性も改善し、さらに溶接部
の加工性、耐食性を確保するためにも必要不可欠な元素
である。それらの効果を十分発現させるためには、（Ｃ
＋Ｎ）合計含有量の３倍〜２０倍の添加量が必要であ
る。

【００２２】Ａｌ＋０．５×ＳｉによるＡｌ，Ｓｉの規
定は、エンジン排気ガス中で触媒性能を維持するための
保護性の高いＡｌ₂ Ｏ₃ 皮膜を形成させるために重要な
指標である。Ａｌ₂ Ｏ₃ 皮膜を構成するＡｌと皮膜形成
を促進するＳｉの効果を実験室内で評価し、本指標とそ
の適正範囲を定めた。

【００２３】各種Ａｌ，Ｓｉ含有量の異なる１８％Ｃｒ
ステンレス鋼板上に活性アルミナを主体とする触媒層を
担持し、エンジン排気ガス中で９００℃、５０ｈ加熱し
た結果を図２示す。●は触媒層にＦｅ，Ｃｒが拡散し、
黒く変色した試料を示し、○は触媒層の変色が生じなか
った試料を示す。この結果からＡｌ＋０．５×Ｓｉを
１．５以上としなければならないことがわかる。ただ
し、２．８％を超えると溶接性や加工性が低下するた
め、２．８％を上限とした。

【００２４】上記基本成分に加え、下記成分の添加はマ
フラー用材料としての性能向上に有効であり、必要に応
じて添加することができる。ＭｏおよびＣｕは、マフラ
ー外観上必要な耐食性向上に有効な元素で、その効果発
現のためには０．１％以上の添加が必要であるが、２．
５％を超えて添加すると溶接性や加工性が低下する。

【００２５】Ｎｉは、０．１％以上の添加で加工性を改
善するが、２．５％を超えて添加すると溶接部にマルテ
ンサイト相が生成し、溶接部加工性が低下する。

【００２６】Ｎｂ，Ｖは、Ｔｉと同様にＣ，Ｎを固定す
る効果を有し、０．０１％以上及び０．０５％以上で主
に加工性、溶接部特性を改善する効果を有するが、いず
れも０．５％を超える添加は加工性や溶接性を劣化させ
る。

【００２７】Ｂは、０．０００５％以上の添加で、マフ
ラー部品成形時の二次加工性割れを防止する効果がある
が、０．００５％を超えて添加すると溶接性が低下す
る。

【００２８】Ｍｇ，Ｃａを各０．０００５％、およびＲ
ＥＭを０．００１％以上添加すると、Ａｌ₂ Ｏ₃ 皮膜の
密着性をさらに改善すると共に、溶接部の組織も細かく
し、溶接部加工性を向上する効果を有する。しかし、Ｍ
ｇ，Ｃａを各０．００５％あるいはＲＥＭ：０．０１％
を超えて添加すると、鋼板製造時の疵発生や溶接性の低
下をもたらす。

【００２９】上記の成分規定に加え、加工硬化層が残留
するような手段、例えばベルトクラインダー研磨、ブラ
シ研磨で表面研磨することによって、６５０〜７５０℃
近辺でのＡｌ₂ Ｏ₃ 皮膜形成を安定化させることができ
る。これはＡｌ，Ｓｉ，Ｃｒの表面への拡散を促進し、
加熱初期の異常酸化を抑制する効果と考えられる。

【００３０】

【実施例】表１に示す化学成分を有する鋼塊を溶製し、
熱間圧延、冷間圧延、焼鈍、酸洗あるいは研磨により厚
さ１ｍｍの試験片を作製した。その試験片表面に活性ア
ルミナを主体とする触媒層を担持し、エンジン排気ガス
雰囲気で加熱試験を実施した。加熱試験は、７００℃あ
るいは９００℃の電気炉中に残存酸素量（約１％）、露
点（約４０℃）を調節したエンジン排気ガスを導入し、
その中で５０ｈ保持した。

【００３１】加熱後に外観上の変色、触媒層中へのＦ
ｅ，Ｃｒ元素の拡散有無を調査した。さらに、触媒層を
担持していない鋼板からＪＩＳ１３号Ｂ号試験片を切り
だし、引張試験すると共に、ＴＩＧ溶接継手を作製し、
その溶接線上をエリクセン試験機で約５ｍｍ張り出し加
工した。張出し加工は１０回繰り返し、割れが発生した
回数で溶接部加工性を評価した。表２に評価結果を示
す。

【００３２】本発明鋼はエンジン排気ガス中加熱で変色
がなく、触媒層への母材成分の拡散もほとんど無く、触
媒機能維持に優れていることが確認された。さらに、引
張試験時の伸びも良好で、溶接部の加工性も良好である
ことが確認された。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】

【発明の効果】本発明により、自動二輪車等のエンジン
排気ガス中で十分な耐酸化性を有し、触媒層中への母材
成分拡散による触媒機能低下あるいは界面酸化物形成に
よる触媒層の剥離を生じさせず、さらに加工性と溶接性
に優れ、マフラー成形が容易な触媒担持用耐熱フェライ
ト系ステンレス鋼を提供可能となるため、製造者のみな
らず本発明鋼を利用する者も多大な利益を得ることがで
きる。したがって、本発明の工業的価値は極めて高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａｌ含有量の異なる１８％Ｃｒフェライト系ス
テンレス鋼を、自動二輪車のエンジン排気ガスを模擬し
た環境中で９００℃、５０ｈ加熱した場合の、重量増加
と表面に形成した皮膜成分を示す図である。

【図２】各種Ａｌ，Ｓｉ含有量の異なる１８％Ｃｒステ
ンレス鋼板上に活性アルミナを主体とする触媒層を担持
し、エンジン排気ガス中で９００℃、５０ｈ加熱した結
果を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田上 利男 東京都千代田区大手町２−６−３ 新日 本製鐵株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−25953（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−116686（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、 Ｃ ：０．００３〜０．０２％、 Ｎ ：０．０２％以下、 Ｓｉ：０．１〜２％、 Ｍｎ：３％以下、 Ｐ ：０．０４％以下、 Ｓ ：０．０２％以下、 Ｃｒ：１０〜２５％、 Ａｌ：１〜２．５％、 Ｔｉ：３×（Ｃ＋Ｎ）〜２０×（Ｃ＋Ｎ）％、 Ａｌ＋０．５×Ｓｉ：１．５〜２．８％ を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを
   特徴とする溶接性と加工性に優れた触媒担持用耐熱フェ
   ライト系ステンレス鋼。
2. 【請求項２】 質量％で、 Ｍｏ：０．１〜２．５％、 Ｃｕ：０．１〜２．５％、 Ｎｉ：０．１〜２．５％、 Ｎｂ：０．０１〜０．５％、 Ｖ ：０．０５〜０．５％、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５％の１種または２種以
   上をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の
   溶接性と加工性に優れた触媒担持用耐熱フェライト系ス
   テンレス鋼。
3. 【請求項３】 質量％で、 Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％、 Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、 ＲＥＭ：０．００１〜０．０１％の１種または２種以上
   をさらに含有することを特徴とする請求項１または２に
   記載の溶接性と加工性に優れた触媒担持用耐熱フェライ
   ト系ステンレス鋼。
4. 【請求項４】 表面に加工硬化層が残留していることを
   特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接性
   と加工性に優れた触媒担持用耐熱フェライト系ステンレ
   ス鋼。