JP3678321B2

JP3678321B2 - 高温強度に優れたエンジン排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼パイプ

Info

Publication number: JP3678321B2
Application number: JP32903996A
Authority: JP
Inventors: 学奥; 伊東建次郎; 敏郎名越
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1996-11-26
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: JPH10158731A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接により造管された加工性および高温強度に優れたエンジン排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼パイプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
耐熱用フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼よりも熱膨張係数が小さく、加熱・冷却の繰り返される用途に有利であること、比較的安価であることから、自動車エンジン排ガス経路部材や各種プラント材などの様々な分野で使用され始めている。特に、エンジン排ガス経路部材として使用されるフェライト系ステンレス鋼スパイプは、高温強度とくに高温での０．２％耐力が良好なことが必要とされる。一方、エンジン排ガス経路部材は、省スペースや排気効率の向上のため、より複雑な構造になりつつある。これに伴って焼鈍パイプの形状も複雑となり、厳しい加工が施される傾向にある。
フェライト系ステンレス鋼の高温強度を確保するためには、Ｎｂ、Ｍｏなどの強化元素の添加が有効であることが知られている。しかしながら、これらの元素を添加すると、エンジン排ガス経路部材に必要なもう一つの重要な特性、すなわち加工性は、むしろ低下する傾向にある。
【０００３】
ステンレス鋼パイプは、製造コストが高いシームレスパイプを除いて、一般に、狭幅コイルの両端どうしを溶接して製造される。溶接方法としては、ＴＩＧ溶接、高周波溶接、レーザー溶接などが挙げられる。これらの溶接方法のいずれで造管しても、造管時に塑性ひずみが加わるため、管全体の延性は、同一成分のステンレス冷延鋼板に比べて若干劣る。また、溶接部および熱影響部は、これら以外の部分よりも結晶粒が大きいため、管全体でみると加工性や低温靭性は劣っている。
【０００４】
ステンレス鋼パイプの加工性を改善する手段として、造管したパイプをさらに焼鈍する方法が採られている。この焼鈍は、材料の軟化が目的であるから、フェライト系ステンレス鋼では、一般に６００〜８００℃程度の温度で行われる。この焼鈍を行ったパイプ（以下焼鈍パイプと記す）は、造管ままのパイプよりも優れた加工性を示しているため、たとえば自動車エンジン排ガスの経路部材などに多く用いられている。このようにフェライト系ステンレスパイプを焼鈍することによって、加工性を回復させる手法は、従来から幅広く行われており、ＳＵＨ４０９Ｌ系、ＳＵＳ４３６系およびＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ系などの鋼種には十分適用できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、エンジン排ガス温度はますます上昇する傾向にあり、エンジン排ガス経路部材の耐熱性向上が要求されている。これに対しては、ＮｂおよびＭｏの添加量を高めて高温強度を改善したフェライト系ステンレス鋼パイプが開発されている。
【０００６】
しかし、このような強化元素を比較的多く含むフェライト系ステンレス鋼パイプに対しては、６００〜８００℃程度の温度で行われる前述の造管後の焼鈍によっても必ずしも十分な加工性の改善はできない。さらに、焼鈍条件によっては、ステンレス鋼パイプの高温強度が、造管前の冷延焼鈍板よりも著しく劣ることがある。このように高温高強度フェライト系ステンレス鋼パイプにおいては、加工性と高温強度の両方を十分確保するのは非常に困難であり、また、確保するための手法も明確にされていない。このような現状においては、エンジン排ガス経路部材として十分な特性が得られない可能性がある。
【０００７】
本発明は、可能な限り冷延焼鈍板に近い加工性と高温強度を、再現よく確実に有するエンジン排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼パイプを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：０．７〜１．５％、Ｃｒ：１５．０〜２０．０％、Ｎ：０．０２％以下、Ｎｂ：０．４０〜１．０％、Ｔｉ：０．１０％以下（無添加を含む）、Ｍｏ：１．０〜３．０％、Ｃｕ：０．０２〜０．３０％未満を含有し、残部がＦｅおよび製造上の不可避的な不純物からなる鋼板または鋼帯を造管し、造管後に加熱速度５０℃／秒以上、焼鈍温度範囲１０００℃超え１２００℃以下、均熱時間１０秒以下、冷却速度は水冷以上という条件の熱処理を施し素材中に存在する析出物含有量が１．０質量％以下に調整されており、かつ、ＪＩＳ−Ｇ０５６７で規定される方法により求めた９００℃での０．２％耐力が２０Ｎ／ｍｍ² 以上であることを特徴とする高温強度に優れたエンジン排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼パイプによって達成される。
【０００９】
ここで析出物は主として、炭化物およびラーベス相を示している。析出物の含有量は、溶接金属部，熱影響部およびそれ以外の部分を全て含んだパイプ素材中における含有量をいう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、まず、エンジン排ガス経路部での使用条件を勘案して、高温強度として、ＪＩＳ−Ｇ０５６７で規定される方法により求めた９００℃の０．２％耐力は、２０Ｎ／ｍｍ² 以上との評価基準を設定した。冷延焼鈍板の素材でこの条件を満足するために、Ｃｒ：１５．０〜２０．０％をベ−スにＮｂ、Ｍｏを添加した。そして、これらの鋼から製造したフェライト系ステンレス鋼パイプについて金属組織と加工性および高温強度の関係を調査したところ、加工性と高温強度を確保するためには加熱速度と焼鈍温度を規定することが重要であることが判った。すなわち、焼鈍パイプで延性の低いものを詳細に調査したところ、冷延焼鈍板よりも析出物が非常に多く生成していること、脆性的な破壊をするものについては造管時の熱影響部の結晶粒粗大化が著しいことが明らかになった。また、高温強度の低いパイプは、粗大析出物が多いこと、とくに熱影響部では析出物の生成や粗大化が著しいことなどが判った。そして、組成調整ならびに造管後の熱処理条件の規定によって、析出物や結晶粒度を規制することにより、加工性と高温強度の両者を満足しうる条件のあることを見出し、本発明を完成した。以下に１８％Ｃｒ−１％Ｍｎ−２％Ｍｏ−Ｎｂ鋼について行った試験結果を例示する。
【００１１】
本発明範囲の鋼である１８％Ｃｒ−１％Ｍｎ−２％Ｍｏ−０．７％Ｎｂ鋼の２．０ｍｍ^t 冷延焼鈍板より４２．７ｍｍφ×２．０ｍｍ^t の高周波造管パイプを試作した。この試作パイプを種々の加熱速度で、最高温度１０１０℃および１１５０℃にて焼鈍したパイプについて、加工性を見るために偏平試験と高温強度を見るために引張り試験を行った。偏平試験は、ＪＩＳ−Ｇ３４４８に準拠して行い、高周波溶接部が圧縮方向に対し直角に位置するようにして、径の１／５高さまで変形させ割れの有無を調査した。また、高温強度は、ＪＩＳ−Ｇ０５６７に準拠して行い、９００℃の０．２％耐力で評価した。なお、本供試材の冷延焼鈍板の９００℃の０．２％耐力は、２２Ｎ／ｍｍ² である。
【００１２】
図１にその試験結果を示す。○印の１０１０℃焼鈍材についてみると、０．２％耐力は加熱速度が３０℃／秒まではなだらかに上昇し、５０℃／秒以上の加熱速度で非常に高い値を示すようになる。加熱速度が遅い場合には、冷延焼鈍板よりも多くの析出物が生成していること、５０℃／秒以上の加熱速度では析出量は１．０質量％以下で冷延焼鈍板と同等またはそれ以下であることを別途確認しており、このことから図１の挙動は，析出物の生成量に起因したものと考えられる。次に□印の１１５０℃焼鈍材についてみると、１０１０℃焼鈍材と同様の挙動を示すものの、全ての加熱速度において１０１０℃焼鈍材よりも高い値を示す。しかし、加熱速度が５０℃／秒未満の領域においては，偏平試験で脆性割れが発生している。このことから、１１５０℃焼鈍材は焼鈍温度が非常に高いため、徐加熱を行った場合には析出物は固溶して高温強度は上昇する反面、結晶粒の粗大化が起こり低温靭性や加工性が劣るものと考えられる。高温強度を冷延焼鈍板と同程度とし、なおかつ偏平試験で脆性割れを生じさせないためには、可能な限り高温短時間の焼鈍および冷却を行うことが必要である。なお，図１に示した白抜きの材料は、引張試験における伸びがいずれも４５％以上であり、焼鈍前の伸びが約３５％であることに比べて向上しており、焼鈍によって延性が十分回復していることも確認した。
【００１３】
Ｎｂは高温強度の上昇に有効に作用する本発明において重要な元素である。そこで、パイプの焼鈍を行ったあとの高温強度に及ぼすＮｂの影響を検討した。供試材には図１で用いた４２．７ｍｍφ×２．０ｍｍ^t の高周波造管パイプであるが、Ｃ＋Ｎ＝２００ｐｐｍでかつ１８％Ｃｒ−１％Ｍｎ−２％Ｍｏ鋼をベ−スにＮｂ量を変化したもので、加熱速度１００℃／秒、１１５０℃で１０秒の焼鈍を行ったパイプを用いた。高温強度は図１の場合と同じく、ＪＩＳ−Ｇ０５６７に準拠して行い、９００℃の０．２％耐力で評価した。
【００１４】
図２にその試験結果を示す。図２の結果からわかるように、短時間で急速加熱の焼鈍を管に施した場合、９００℃の０．２％耐力を２０Ｎ／ｍｍ² 以上とするためには、Ｎｂの添加量は０．４０質量％以上とする必要がある。以下に本発明を規定する事項についての規定理由を説明する。
【００１５】
Ｃ、Ｎ：それぞれ０．０２質量％以下
Ｃ及びＮは一般的にはクリープ強さやクリープ破断強さなどの高温強度を向上させるために有効な元素である。しかし，ＣとＮの含有量が多くなると耐酸化性、加工性、靱性が低下する。また、ＣとＮの含有量が多いとＣやＮを炭窒化物として安定化させるのに必要なＮｂやＴｉの添加量を増加させる必要があり、コスト高になる。そこで本願発明においてＣとＮの含有量はともに０．０２質量％以下とした。
【００１６】
Ｓｉ：１．５質量％以下
耐高温酸化性を改善する元素である。しかし，過剰に添加すると硬さが増し、加工性および靱性が低下する。そこでＳｉの含有量の範囲は、１．５質量％以下とした。
【００１７】
Ｍｎ：０．７〜１．５質量％
適量添加すると高温酸化特性、特に表層酸化物の密着性を著しく改善する。しかし、過剰に含有すると、硬質となり、低温靱性や加工性の低下を招く。そこで、Ｍｎの含有量は、０．７〜１．５質量％以下とした。
【００１８】
Ｃｒ：１５．０〜２０．０質量％
フェライト相を安定させ、また、耐食性および耐高温酸化性を改善させるため必要不可欠な元素である。耐酸化性を良好にするためにはＣｒの含有量は１５．０質量％以上必要であって多いほど好ましい。しかし、過剰に添加すると鋼の脆化を招き、また、硬質となって、加工性を劣化させる他、管素材の価格が高くなるため上限を２０．０質量％とする。以上のように耐食性および耐酸化性と、加工性をより高いレベルで両立させるために、Ｃｒの含有量の範囲は、１５．０〜２０．０質量％とした。
【００１９】
Ｎｂ：０．４０〜１．０質量％
高温強度の上昇に有効に作用する元素である。図１に示すように、９００℃の０．２％耐力を２０Ｎ／ｍｍ² 以上とするためには、Ｎｂの添加量は０．４０質量％以上とする必要がある。一方、Ｎｂを過剰に添加すると低温靱性や加工性の低下を招く。高温強度を維持し、なおかつ、低温靱性や加工性低下にあまり影響を及ぼさないようにするため、Ｎｂの含有量は、０．４０〜１．０質量％とした。なお、高温強度を確保するための強化元素の固溶量は、本発明では析出量を規定しているのでとくに規定はしないが、Ｎｂについては，図２の計算固溶Ｎｂ量に示すように０．２質量％以上にするのが好ましい。
【００２０】
Ｔｉ：０．１０質量％以下( 無添加を含む)
鋼板のランクフォ−ド値を向上させ、深絞り性に有効な元素である。また、ＣやＮを炭窒化物として安定化し、溶接部の耐食性や靭性を向上させる。しかし、Ｔｉを過剰に添加すると、ＴｉＮを生成しやすく、鋼板におけるヘゲ疵の発生による歩留低下や、溶接性の低下を招く。そこで、Ｔｉの含有量は，０．１０質量％以下とした。
【００２１】
Ｍｏ：１．０〜３．０質量％
耐食性、耐酸化性および高温強度の改善に有効な元素であり、その効果を得るためには１．０％以上を必要とする。しかし，多量に添加すると鋼の脆化を招くため上限を３．０％とする。より高いレベルで高温強度と加工性を確保するためには、Ｍｏの含有量は，１．５〜２．５質量％の範囲にするのが好ましい。
【００２２】
Ｃｕ：０．０２〜０．３０質量％未満
低温靱性と加工性の両方を向上させるのに有効な元素であり、その効果は０．０２％以上の添加で顕著となる。しかし、Ｃｕを過剰に添加すると加工性に支障をきたす。そこで、Ｃｕの含有量は、０．０２〜０．３０質量％未満とした。
【００２３】
９００℃での０．２％耐力：２０Ｎ／ｍｍ² 以上
ステンレス焼鈍パイプの９００℃における０．２％耐力は、冷延焼鈍板のそれと同等以上とする必要がある。本成分系において、この条件を満足するように、９００℃での０．２％耐力は，２０Ｎ／ｍｍ² 以上に規定した。
【００２４】
造管後のパイプのと焼鈍条件：加熱速度は５０℃／秒以上、加熱温度は１０００℃超え〜１２００℃、均熱時間１０秒以下および冷却速度は水冷以上
本発明を規定する上で重要な事項である。加工性を妨げる析出物の生成を防ぐためにパイプの焼鈍における加熱速度は５０℃／秒以上必要である。また、高温強度を保つために焼鈍温度は、１０００℃超え〜１２００℃に規定する。均熱時間は結晶粒の粗大化を制限するため１０秒以下とする。また、冷却速度は析出物の生成を抑制するために重要であり、水冷以上であることを必要とする。生産の効率および温度制御の精度を考慮した場合、加熱速度は１００〜２００℃／秒、焼鈍温度は１０５０〜１１５０℃の範囲がより好ましい。本発明の方法は、急速加熱を実現しうる方法、例えば、高周波加熱方法、直接通電加熱方法、イメージ炉加熱方法、レーザー加熱方法などによって達成できるが、その加熱方法については、特に規定しない。また、一般に焼鈍を行った後に、形状の矯正や酸洗による焼鈍スケール除去等を行うが、これらの方法についてはとくに限定されるものではない。
【００２５】
析出物：１．０質量％以下
本特許請求の範囲で規定するフェライト系ステンレス鋼パイプが、冷延焼鈍板と同等の９００℃での耐力２０Ｎ／ｍｍ² 以上の値を満足するためには、冷却過程における析出物生成量を１．０質量％以下としなければならない。析出量１．０質量％以下は前記の焼鈍条件によって達成される。
【００２６】
熱影響部の結晶粒度番号：３番以上
熱影響部の結晶粒度番号は、本発明の焼鈍条件で焼鈍を行えば，粗大化を抑制することが可能なので、本発明ではとくに規定しないが、造管ままの状態で粗大粒であってはならない。造管ままの熱影響部の結晶粒度は、ＪＩＳ−Ｇ０５５２で規定する結晶粒度番号において３番以上であることが好ましい。
【００２７】
【実施例】
表１に示す、Ｋ１〜Ｋ６の化学組成のフェライト系ステンレス鋼を高周波真空溶解炉で溶製し、４００ｋｇ鋼塊を得た。熱間鍛造後、熱間圧延、焼鈍、冷間圧延を経て厚さ２．０ｍｍ^t とし、９５０℃〜１１５０℃の温度で焼鈍したのち酸洗して、造管用の鋼帯を得た。これらの鋼帯を高周波溶接にて、外径４２．７ｍｍのパイプに造管したのち、種々の温度で焼鈍を行い、長さ５００ｍｍに切断して加工試験用パイプを得た。
【００２８】
【表１】

【００２９】
これらの供試材を用いて、上述した高温引張試験および偏平試験を行った。また，析出物の含有量は，パイプから溶接金属部，熱影響部およびそれ以外の全てを含むようにサンプルを切り出し、このサンプルを１０％ＡＡ液（１０％アセチルアセトン＋１％テトラメチルアンモニウムクロライド＋メタノール）を用いて電解して析出物を抽出し、析出物の重量を電解量で除して求めた。表２に試験結果を示す。
【００３０】
【表２】

【００３１】
試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１は、本発明によるものである。これらのパイプは、５０℃／秒以上の加熱速度、１０００℃超え〜１２００℃の温度範囲、１０秒以下の均熱時間で焼鈍を行い、その後の冷却速度を水冷以上で製造している。このため、いずれの鋼種も、析出物の生成量が１．０質量％以下であり、９００℃での０．２％耐力は２０Ｎ／ｍｍ² 以上で、かつ偏平試験での脆性割れも認められず良好な加工性が確保された。
【００３２】
試料Ｎｏ．１２〜Ｎｏ．１６は、比較材を示したものである。Ｎｏ．１４は加熱速度が遅いため、析出物の生成量が本発明規定範囲から外れ、その結果９００℃の０．２％耐力も本発明規定範囲から外れた。また、粗大化もしくは析出物の多量生成により偏平試験で脆性割れが発生した。Ｎｏ．１２は焼鈍温度が低く、Ｎｏ．１６は冷却速度が遅いため、析出物の生成量が本発明規定範囲から外れ、その結果９００℃の０．２％耐力は十分な値が得られなかった。また、偏平試験で割れが発生した。Ｎｏ．１３は焼鈍温度が高く、Ｎｏ．１５は均熱時間が長いため、熱影響部の結晶粒が粗大化した。これらは良好な高温強度が得られるものの、偏平試験で割れが発生した。
【００３３】
【発明の効果】
本発明により、従来不明確であったフェライト系ステンレス鋼焼鈍パイプの高温強度を確保する手段を、金属組織的な観点から明確化できたので、再現性よく確実に高温強度および加工性の優れたフェライト系ステンレス鋼パイプが提供できるようになった。このため、高温高強度のフェライト系ステンレス鋼を用いた複雑形状のパイプが安定して製造できるようになり、自動車エンジン排ガス経路部材等の用途においてフェライト系ステンレス鋼の普及を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】９００℃の０．２％耐力に及ぼす加熱速度の影響を示す図。
【図２】９００℃の０．２％耐力に及ぼすＮｂの影響を示す図。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：０．７〜１．５％、Ｃｒ：１５．０〜２０．０％、Ｎ：０．０２％以下、Ｎｂ：０．４０〜１．０％、Ｔｉ：０．１０％以下( 無添加を含む) 、Ｍｏ：１．０〜３．０％、Ｃｕ：０．０２〜０．３０％未満を含有し、残部がＦｅおよび製造上の不可避的な不純物からなる鋼板または鋼帯を造管し、造管後に加熱速度５０℃／秒以上，焼鈍温度範囲１０００℃超え１２００℃以下、均熱時間１０秒以下、冷却速度は水冷以上という条件の熱処理を施して素材中に存在する析出物含有量が１．０質量％以下に調整されており、かつ、ＪＩＳ−Ｇ０５６７で規定される方法により求めた９００℃での０．２％耐力が２０Ｎ／ｍｍ² 以上であることを特徴とする高温強度に優れたエンジン排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼パイプ。