JP3926492B2

JP3926492B2 - 断続加熱時の高温強度に優れ、断続加熱時にも剥離し難い酸化スケールを有するフェライト系ステンレス鋼板

Info

Publication number: JP3926492B2
Application number: JP35029598A
Authority: JP
Inventors: 雅光槌永; 明彦高橋
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: JP2000178693A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車やオートバイのエンジンからの排気ガス用マフラー、センタパイプやエギゾーストマニホールドの排気系部材に使用される際に、断続加熱によって生成した酸化スケールが剥離し難いフェライト系ステンレス鋼板に関するものある。
【０００２】
【従来の技術】
ステンレス鋼板は、耐酸化性、耐食性、高温強度に優れることから、自動車やオートバイのエンジンからの排気系部材としての使用量が増加している。排気系部品は使用部位により、排出ガス温度・部品構造・腐食環境などが異なるため、高温酸化・高温強度のほか、熱疲労特性・高温塩害腐食・湿式腐食などに対する優れた材料特性が要求され、使用部位に応じた鋼材を適用してきた。
さらに排気系材料としてより適切化するため、実際に排気系部材が使用される状態での耐久性、すなわち、断続的に加熱された状態での高温強度の確保や生成酸化スケールが剥離し難い材料が強く望まれていた。
【０００３】
この、断続的に加熱された状態での高温強度や生成酸化スケールの剥離に関する従来の知見として、特開平２−１７５８４３号公報では、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎ，Ｎｂの含有量を特定し、Ｎｂ／Ｃを調整し、更に必要によりＭｏ，Ｂを１または２種含有させることにより、耐酸化性と高温特性を向上させることが記載されている。
【０００４】
また特開平８−１２０４１７号公報では、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｎ，Ａｌ，及び必要によりＭｏ，Ｗ，Ｖ，Ｂの内１種または２種以上の含有量を特定することで、排ガス温度６００〜６５０℃にて優れた高温強度、耐熱疲労性を有し、８００℃までの耐酸化性と、優れた加工性と溶接部耐食性、靭性を有し、自動車排気系部材に適したフェライト系ステンレス鋼が開示されている。
しかしながらこれらは、断続的に加熱された状態での高温強度の確保や、生成酸化スケールが剥離し難い材料としては改善の必要があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、排気系材料として、断続的に加熱された状態での高温強度の確保と、生成酸化スケールが剥離し難いフェライト系ステンレス鋼板を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の要旨とするところは次の通りである。
質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０３％、Ｓｉ：２．００％以下、
Ｍｎ：２．００％以下、Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：０．５０％以下、
Ｃｒ：１０．５〜２０．０％、Ｎ：０．０１５％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｔｉ：０．２３〜１．０％、
Ｂ：０．０００３〜０．００７０％、
及び必要によりＭｏ：０．２〜３．０％を含み、
かつＴｉ／（Ｃ＋Ｎ）≧６を満足し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物から成る断続加熱時の高温強度に優れ、断続加熱時にも剥離し難い酸化スケールを有するフェライト系ステンレス鋼板。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明について、実験に基づき詳細に説明する。
供試材として、Ｃ：０．００５質量％（以下、成分量を％と略す）、Ｓｉ：０．１０％、Ｍｎ：０．０９％、Ｐ：０．０２２％、Ｓ：０．００２％、Ｎｉ：０．０３％、Ｎ：０．００７０％、Ａｌ：０．０２０％でＣｒ濃度を変更し、さらにＴｉ：０．２３％とＢ：０．０００８％を添加した鋼材を鋳造し、熱間圧延、焼鈍酸洗、冷間圧延、焼鈍酸洗を行って鋼板とした。
【０００８】
この鋼板に対し、断続加熱条件としては、９５０℃で３０分間保定した後に常温まで冷却する処理を３００回ほど繰り返した。この後０．２％耐力と引張り強さを評価した結果を図１に示す。図１から、Ｃｒ濃度が増えるとこれら強度は向上することがわかる。さらにＴｉ：０．２３％を加えたり、Ｂ：０．０００８％まで添加すると、高強度化できる。
【０００９】
また図２は、試験前後の重量差を基に酸化増量を評価した結果である。Ｃｒが増えると酸化量は軽減する。さらに、Ｔｉを０．２３％加えたり、Ｂを０．０００８％まで添加することで、酸化増量を低減できた。
このように、製品の強度をＣｒ量により制御することは可能であるが、鋼種を限定するとＣｒ量はほぼ一定となるので、Ｃｒ量によらない向上技術が必要であり、これをＴｉ，Ｂの添加で有効に作用させることができる。
【００１０】
ＴｉとＢの添加により、断続的に加熱された状態での高温強度が確保できる理由は、極低Ｃ，Ｎの状態でのステンレス鋼のＣとＮをＴｉが固定し、余ったＴｉが鋼中のＰ，Ｆｅと結合して微細析出物ＦｅＴｉＰを形成し、８００℃程度の断続加熱でも安定して存在するため、強度が確保できる。
また、ＢはＴｉにより固定されたＣ，Ｎに変わり粒界に偏析して、粒界強度を上昇させる効果があるためと考えている。
【００１１】
また、ＴｉとＢの添加により生成酸化スケールが剥離し難くなる理由は、Ｔｉを添加することでメタル／酸化スケール界面の凹凸が激しく互いに入り組むようになる。このため、保護性皮膜の固着作用を大きくし、８００℃と常温を繰り返す熱歪みに耐えるスケールとなる。Ｂの改善作用は不明確な点もあるが、保護性皮膜に作用して組成を緻密な皮膜化させるものと考えている。
【００１２】
本発明鋼の化学成分の限定理由について以下に述べる。
Ｃは、ステンレス鋼の耐食性が０．０３％以下になると著しく向上する。Ｃは低いほど好ましいが、０．００５％未満にすることは溶製コストが高くなる。したがってＣ含有量を０．００５〜０．０３％と限定した。
【００１３】
Ｓｉは、耐酸化性を向上させるのに有用な元素であり多いことが望ましいが、過剰の含有は冷間加工性を低下させるため、その上限を２．００％とした。
Ｍｎは、脱酸剤として、またＳの結晶粒界への偏析による粒界脆化を防ぐために必要であるが、あまり多いと鋼板の冷間加工性を低下させるため、その上限を２．００％とした。
【００１４】
Ｐは、０．０４０％を超えて含有すると結晶粒界へ偏析し粒界脆化を起こしやすく、低減する必要があるが、溶製時に高価な原料を使用したりする必要からコスト高となるので、０．０４０％以下とした。
Ｓは、０．０３０％を超えて含有すると結晶粒界へ偏析し粒界脆化を起こしやすいので、０．０３０％以下とした。
【００１５】
Ｎｉは、耐食性を向上させ、局部腐食進展抑制に効果的であるが、０．５０％を超えるとその効果は飽和し、また経済的にも高価となる。
Ｃｒは、高いほど耐食性、耐酸化性、断熱加熱後の引張り特性、断熱加熱後の耐スケール剥離性が向上する。しかし、２０．０％を超えると熱延工程での製造が難しく経済的にも高価となる。また、１０．５％未満では優れた耐食性が発揮されないため、その範囲を１０．５〜２０．０％とした。
【００１６】
Ｎは、多くなると冷間加工性を劣化させると共に、ＮをＴｉＮとして固定するのに多量のＴｉを必要とし製造コストの上昇を伴うため、その上限を０．０１５％とした。
Ａｌは、ＴｉＯ₂の生成による鋼板の表面疵を避けるため、脱酸剤として０．００５％以上必要であるが、多すぎるとＡｌに起因する疵が問題となるため、上限を０．１％とした。
【００１７】
Ｔｉは、本発明鋼において断続的に加熱された状態での高温強度を確保したり、生成酸化スケールが剥離し難い材料とするために重要な成分元素の一つであり、０．２３％以上で作用する。また、ＣおよびＮを固定し耐食性を向上させる。耐食性についてはさらにＴｉ／（Ｃ＋Ｎ）≧６とすることで有効に作用するＴｉ量を確保することにより、著しい効果が得られる。しかし、１．０％を超えると熱間加工性を劣化させるため、１．０％以下とした。
【００１８】
Ｂは、本発明鋼において断続的に加熱された状態での高温強度の確保や生成酸化スケールが剥離し難い材料とするために重要な成分元素の一つであり、その効果は０．０００３％以上で発揮される。しかし多すぎるとスラブ段階での割れが発生し熱延疵を多発するため上限を０．００７０％とした。有効に作用させるためには、好ましくは０．００５０〜０．００７０％が良い。
【００１９】
本発明において、上記のような鋼成分組成で製造された鋼板は耐酸化性・耐食性・高温強度に優れ、尚かつ、断続的に加熱された状態での高温強度や生成酸化スケールが剥離し難い性質が優れている。
【００２０】
さらに本発明は、これらの特性を一層改善するため、必要に応じてＭｏ，Ｎｂなど下記の鋼成分を適宜含有させる。
Ｍｏは、本発明ステンレス鋼の選択添加成分である。ＣｒやＮｉと共存の形で添加され、加工性を向上し、またマフラー内に排ガス中の水分が、燃焼排ガス中のＣＯ₃ ^3-，ＮＨ₄ ⁺，ＳＯ₄ ^2-，ＮＯ₃ ^-，Ｃｌ^-や微量の有機物を含有し、局部腐食を発生し進展させるのを抑制するために必要な元素である。０．２％以上３．０％以下の添加で、Ｃｒおよびその他の特許請求の範囲に記載の各成分との共存で極めて効果的となる。０．２％未満では耐食性は不充分となるが、３．０％を超えても耐食性の改善にそれほど寄与しないし、かつ高価となる。
【００２３】
以上のような成分構成をなす鋼は電気炉、転炉で粗溶製したあとＶＯＤやＡＯＤの仕上げ精錬炉等の通常の製鋼炉で溶製し、連続鋳造法あるいは通常の造塊法で鋼片とした後、熱間圧延−焼鈍酸洗（状況に応じて焼鈍省略）−冷間圧延−焼鈍酸洗、必要に応じて更に冷間圧延−焼鈍酸洗等を繰り返し行うという通常の製造工程を経て製造される。
【００２４】
【実施例】
表１に示すような本発明鋼と従来鋼の成分を転炉−ＶＯＤで溶製し、連続鋳造で鋼片とした後、熱間圧延により板厚４．０mmの熱延コイルとした。次いで熱延板の焼鈍酸洗を行った後、冷間圧延・焼鈍酸洗を１回行い、０．７mmの冷延鋼帯とした。
次いで該鋼帯を９５０℃で３０分間保定した後、常温まで冷却する処理を３００回繰り返した後の、材料の９５０℃での０．２％耐力、引張り強さ、酸化増量および皮膜剥離の有無の評価結果を表２に示す。
表２の結果より、本発明鋼板は従来鋼と比べ、断続的に加熱された状態での高温強度が高く、生成酸化スケールが剥離し難く、これらの特性において非常に優れていることがわかる。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【表２】

【００２７】
【発明の効果】
本発明によって、高温酸化，高温強度，熱疲労特性，高温塩害腐食，湿式腐食などへの優れた材料特性に加え、実際に排気系部材が使用される状態での耐久性、すなわち、断続的に加熱された状態での高温強度の確保や生成酸化スケールが剥離し難い材料を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】９５０℃に３０分間保定した後に常温まで冷却する処理を３００回繰り返す断続加熱後の、Ｃｒ濃度と引張り特性との関係を示す図。
【図２】９５０℃に３０分間保定した後に常温まで冷却する処理を３００回繰り返す断続加熱後の、Ｃｒ濃度と酸化増量との関係を示す図。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０３％、
Ｓｉ：２．００％以下、
Ｍｎ：２．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｎｉ：０．５０％以下、
Ｃｒ：１０．５〜２０．０％、
Ｎ：０．０１５％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．１％、
Ｔｉ：０．２３〜１．０％、
Ｂ：０．０００３〜０．００７０％
を含み、かつＴｉ／（Ｃ＋Ｎ）≧６を満足し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物から成ることを特徴とする断続加熱時の高温強度に優れ、断続加熱時にも剥離し難い酸化スケールを有するフェライト系ステンレス鋼板。
請求項１記載の成分の鋼に、さらに質量％で、
Ｍｏ：０．２〜３．０％
を含むことを特徴とする断続加熱時の高温強度に優れ、断続加熱時にも剥離し難い酸化スケールを有するフェライト系ステンレス鋼板。