JP4197492B2 - 排ガス流路部材用フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

本発明は、エキゾーストマニホールド，フロントパイプ，センターパイプ，触媒コンバーター外筒等、自動車をはじめとする各種内燃機関の排ガス流路部材として使用され、耐熱性，低温靭性，溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼に関する。

自動車の排ガス流路部材は、運転中に排気ガスが直接触れる高温雰囲気に曝され、運転，停止の繰返しに起因する熱応力や運転中のエンジンの振動が加わる。寒冷地では、冬期の始動時に低温での機械的応力も加わる。そのため、排気系部材に使用される材料には、非常に過酷な環境における耐久性が必要とされる。

ステンレス鋼の板材やパイプを排ガス流路部材に使用する場合、耐熱性に優れることは勿論、溶接や加工で製品形状に組み立てられるため、溶接性，加工性に優れていることも重要な要求特性である。成形時の二次加工や使用時の低温での機械的負荷に耐える靭性（低温靭性）も必要になる。

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と比較して熱膨張が小さく、熱疲労特性，耐スケール剥離性に優れている。鋼材コストも低いため、排ガス流路部材にフェライト系ステンレス鋼が使用されるケースが多い。
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高温強度が本質的に低いため、高温強度を改善する改良が施されてきた。たとえば、ＳＵＳ４３０Ｊ１ｌ系のＮｂ添加鋼，Ｎｂ，Ｓｉ複合添加鋼（特開平３−２７４２４５号公報），Ｎｂ，Ｍｏ複合添加鋼（特開平５−１２５４９１号公報）等がある。なかでも、Ｎｂ、Ｍｏ複合添加鋼は、高温強度が最も高く、優れた熱疲労特性が要求される部位に使用されている。しかし、Ｎｂ，Ｍｏ複合添加鋼は、他の鋼種に比べ加工性や低温靭性が劣る傾向にある。加工性，低温靭性を改善した事例は散見されるものの、必ずしも十分とは言い難い。高価な元素Ｍｏを多量に含むため鋼材コストが高いことも欠点である。

ところで、排気ガス経路部材が曝される環境下で最も重視される高温強度（耐熱疲労破壊）と高温酸化特性（異常酸化限界温度）の相関性をみると、高温強度，高温酸化特性を必ずしも高いレベルで両立させる必要のない部位もある。具体的には、排気ガス温度があまり高くなくても構造が非常に複雑な部位では、高温酸化特性よりも高温強度が重視され、構造の複雑さに対応できる加工性や低温靭性も重視される。かかる部位に対しても、現状ではＮｂ，Ｍｏ複合添加鋼を使用せざるを得ず、耐熱性は十分であっても、加工性，低温靭性，コストの面で改良の余地がある。

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、高価なＭｏを合金成分として使用することなく、Ｎｂ，Ｍｏ複合添加鋼に匹敵する耐熱性を有し、加工性，低温靭性，溶接性にも優れた排ガス流路部材用フェライト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。

本発明の排ガス流路部材用フェライト系ステンレス鋼は、その目的を達成するため、Ｃ：０．０３質量％以下，Ｓｉ：１．０質量％以下，Ｍｎ：１．５質量％以下，Ｎｉ：０．６質量％以下，Ｃｒ：１０〜２０質量％，Ｎｂ：０．５０質量％以下，Ｃｕ：０．８〜２．０質量％，Ａｌ：０．０３質量％以下，Ｖ：０．０３〜０．２０質量％，Ｎ：０．０３質量％以下を含み、且つＮｂ≧８（Ｃ＋Ｎ）を満足していることを特徴とする。
このフェライト系ステンレス鋼は、Ｍｏを合金成分として含んでおらず、二次加工性を更に高めるため０．０００５〜０．０２質量％のＢを含むこともできる。

排ガス流路部材が曝される環境における耐熱特性を満足する材料として従来からＳＵＨ４０９Ｌ系，ＳＵＳ４３０Ｊ１ｌ系，ＳＵＳ４２９系のステンレス鋼が使用されているが、最高温度が８００〜９００℃程度に留まるものの従来鋼種より格段に高い高温強度が要求される部位もある。高温強度が要求される部位は、構造が非常に複雑で熱応力が繰返し加わることから熱疲労破壊が生じやすい個所でもある。しかも、当該部位の構成材料には、Ｍｏ添加鋼では得られない加工性や低温靭性等が要求される。

本発明者等は、かかる部位の構成材料に要求される特性を満足させるため、種々の合金元素の影響を調査した。その結果、Ｖ，Ｃｕの複合添加により９００℃以下の高温強度，加工性，低温靭性が改善され、Ｎｂ，Ｍｏ添加鋼と同レベルが得られることを見出した。
微量のＶを添加し、Ｃｕ含有量を変えたＮｂ含有フェライト系ステンレス鋼について、７００℃及び８００℃の高温引張り試験で０．２％耐力を測定した。その結果、Ｖの微量添加及びＣｕ含有量の規制により、９００℃以下の高温強度が飛躍的に上昇し、Ｎｂ，Ｍｏ複合添加鋼に匹敵する高温強度が得られることを見出した。

図１は、１７Ｃｒ−０．４Ｎｂ−０．１Ｖ鋼の基本組成に種々の含有量でＣｕを添加した鋼の引張試験結果である。図１では、比較のためＮｂ，Ｍｏ複合添加鋼である１８Ｃｒ−２Ｍｏ−０．４Ｎｂを基本成分とするＳＵＳ４４４系鋼の強度レベルも併せ示している。
図１の結果から明らかなように、７００℃及び８００℃における０．２％耐力は、Ｃｕ量の増加に伴い急激に上昇している。Ｃｕ含有量を０．８質量％以上にすると、Ｍｏを約２質量％含むＳＵＳ４４４系と同等又はそれ以上の０．２％耐力が得られている。９００℃における０．２％耐力に関しては、Ｖ，Ｃｕの増量ではＳＵＳ４４４系鋼のレベルに達しないものの、Ｎｂ含有フェライト系ステンレス鋼以上に０．２％耐力を向上させることを別の実験で確認している。すなわち、９００℃以下の温度域においてＶ，Ｃｕの複合添加は高温強度の改善に有効であり、９００℃以上でも大きな弊害が現れない。

Ｎｂ，Ｃｕ，Ｖの複合添加で、高温強度が高いレベルに確保される理由は十分に解明されていないが、短時間及び長時間加熱後の何れにおいてもＮｂ系析出物，Ｃｕ系析出物がＮｂ単独添加鋼に比較して微細分散した組織が観察される。この観察結果から、Ｖが焼鈍ままの状態又は加熱初期に優先析出することにより、Ｎｂ系析出物，Ｃｕ系析出物の生成が抑制され、結果として微細なＮｂ系析出物，Ｃｕ系析出物が分散析出し、析出強化に寄与するものと推察される。加熱初期に微細分散した析出物が長時間加熱によっても凝集せず、析出強化が長時間まで有効に作用していることも一因と推察される。

更に、強力な炭窒化物生成元素であるＶがＣ，Ｎと結合するため、Ｎｂ添加量が同一の場合には高温強度の向上に有効な固溶ＮｂをＶ無添加鋼よりも多く確保できる。換言すると、Ｖ無添加鋼と同レベルの高温強度が低減したＮｂ含有量で達成でき、結果として加工性，低温靭性の改善に寄与する。
しかも、Ｎｂ，Ｖが共存する系では、焼鈍ままの状態でのＮｂ系，Ｖ系炭窒化物の量が多くなる。Ｎｂ系，Ｖ系炭窒化物の増加に伴って溶接熱影響部の結晶粒が粗大化しにくくなり、靭性が改善される。Ｃｒ系炭化物の生成も抑制されるので、耐粒界腐食感受性も向上する。

以下、本発明が対象とするフェライト系ステンレス鋼の合金成分，含有量等を説明する。
Ｃ：０．０３質量％以下
Ｎ：０．０３質量％以下
Ｃ及びＮは、一般的にはクリープ強度等の高温強度向上に有効な元素とされているが、過剰に含まれると酸化特性，加工性，低温靭性，溶接性が低下する。Ｃ，Ｎを炭窒化物として固定する元素としてＶ，Ｎｂを添加している本成分系では、Ｃ，Ｎ濃度に見合った量のＶ，Ｎｂを添加する必要がなる。Ｖ，Ｎｂの増量に起因した原料費の上昇を抑えるため、Ｃ，Ｎ共に０．０３質量％以下（好ましくは、０．０１５質量％以下）に規制した。

Ｓｉ：１．０質量％以下
高温酸化特性の改善に非常に有効な元素であるが、９００℃以下の高温強度の上昇にはさほど効果的でない。逆にＳｉを過剰添加すると、硬さが上昇し、加工性，低温靭性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量を１．０質量％以下（好ましくは、０．１〜０．５質量％）に規制した。
Ｍｎ：１．５質量％以下
フェライト系ステンレス鋼の高温酸化特性、特にスケール剥離性を改善する合金元素であるが、Ｍｎの過剰添加は加工性，溶接性を劣化させる。また、オーステナイト相安定化元素であるため、Ｃｒの添加量が少ない鋼種にＭｎを過剰添加するとマルテンサイト相が生成し易くなり、熱疲労特性，加工性の劣化を招く。したがって、Ｍｎ含有量を１．５質量％以下（好ましくは、０．５質量％以下）に規制した。

Ｎｉ：０．６質量％以下
オーステナイト相安定化元素であり、Ｃｒ含有量の少ない鋼種にＮｉを過剰添加するとＭｎと同様にマルテンサイト相を生成し、熱疲労特性，加工性を低下させる。原料価格が高いことからも、Ｎｉの過剰添加は避けるべきである。そこで、Ｎｉ含有量を０．６質量％以下（好ましくは、０．５質量％以下）に規制した。
Ｃｒ：１０〜２０質量％
フェライト相を安定させると共に、高温材料に重視される耐酸化性の改善に不可欠な元素である。耐酸化性の面からはＣｒ含有量が多いほど好ましいが、過剰添加すると鋼材が脆化し、硬さの上昇によって加工性も劣化する。したがって、Ｃｒ含有量を１０〜２０質量％の範囲で選定する。Ｃｒ含有量は、好ましくは材料の使用温度に合わせて調整される。たとえば、９５０℃までの耐高温酸化特性には１６〜１９質量％が好ましく、９００℃以下での耐高温酸化性には１２〜１６質量％が十分である。

Ｎｂ：８（Ｃ＋Ｎ）〜０．５０質量％
Ｃ，Ｎを炭窒化物として固定し、炭窒化物を固定した残りの固溶Ｎｂは高温強度を上昇させる作用を呈する。しかし、過剰量のＮｂを添加すると、加工性，低温靭性が劣化し、溶接高温割れ感受性が高くなる。Ｃ，Ｎの固定にはＮｂ≧８（Ｃ＋Ｎ）を満足するＮｂ含有量が必要であるが、加工性，低温靭性，溶接高温割れ感受性に及ぼす悪影響を抑えるためＮｂ含有量の上限を０．５質量％に設定する．好ましくは、８（Ｃ＋Ｎ）＋０．１０≦Ｎｂ≦０．４５を満足するＮｂ含有量が選定される。
Ｃｕ：０．８〜２．０質量％
本成分系においては、高温強度の改善のために非常に重要な元素である。本発明者等が検討した温度範囲では、Ｃｕのほぼ全量が焼鈍状態のマトリックスに固溶しており、加熱中に析出する。析出したＣｕはＭｏ添加鋼と同様に初期には強化作用を発揮するが、長時間加熱では強化作用が徐々に消失する。必要な高温強度を得る上では、図１からも明らかなように０．８質量％以上のＣｕ含有量が必要である。しかし、Ｃｕ含有量の増加に伴い、加工性，低温靭性，溶接性が低下する。加工性，低温靭性，溶接性に及ぼす悪影響を抑えるため、Ｃｕ含有量の上限を２．０質量％に規制する。好ましいＣｕ含有量は、１．０〜１．７質量％の範囲である。

Ａｌ：０．０３質量％以下
製鋼時に脱酸剤として添加され、耐高温酸化性を改善する作用も呈する。しかし、Ａｌの過剰添加は、表面性状を劣化させ、加工性，溶接性，低温靭性に悪影響を及ぼす。したがって、Ａｌ含有量は少ないほど好ましく、上限を０．０３質量％（好ましくは、０．０２質量％）に規制する。
Ｖ：０．０３〜０．２０質量％
Ｎｂ，Ｃｕと複合添加すると、フェライト系ステンレス鋼の高温強度が向上する。また、Ｎｂとの共存により、加工性，低温靭性，耐粒界腐食感受性が改善され、溶接熱影響部の靭性も改善される。これらの効果は０．０３質量％以上のＶ含有量で現れるが、０．２０質量％を超える過剰添加は加工性，低温靭性の低下を招く。したがって、Ｖ含有量を０．０３〜０．２０質量％（好ましくは、０．０４〜０．１５質量％）の範囲で選定する。

Ｔｉ：０．０５〜０．３０質量％
鋼のｒ値（ランクフォード値）を向上させて成形性を改善する元素であり、０．０５質量％以上で添加効果が顕著になる。しかし、過剰量のＴｉを添加すると、ＴｉＮの生成に起因して鋼材の表面性状が劣化し、溶接性，低温靭性にも悪影響が現れる。したがって、成形性向上のためにＴｉを添加する場合でもＴｉ含有量を可能な限り低減することが望まれる。そこで、Ｔｉ含有量の上限を０．３０質量％（好ましくは、０．２０質量％）に規制した。
Ｂ：０．０００５〜０．０２質量％
鋼の二次加工性を向上させ、多段成形時の割れを抑制する元素であり、０．０００５質量％以上でＢの添加効果が顕著になる。しかし、Ｂを多量に添加すると、製造性や溶接性が劣化する。したがって、０．０００５〜０．０２質量％（好ましくは、０．００１〜０．０１質量％）の範囲にＢ含有量を選定する。
Ｍｏ：０．１０質量％未満
本発明のフェライト系ステンレス鋼では、高価なＭｏを添加しないことを前提にしているが、ステンレス鋼の製造時に不可避的不純物として混入しやすい元素である。Ｍｏが多量に混入すると加工性，低温靭性，溶接性を劣化させる等の弊害があるので、混入量を０．１０質量％未満に規制することが望ましい。

以上に掲げた元素以外については特に規制されるものではないが、一般的な不純物であるＰ，Ｓ，Ｏ等は可能な限り低減することが好ましい。熱間加工性，耐酸化性等を考慮すると、Ｐ，Ｓ，Ｏの上限をそれぞれ０．０４質量％，０．０３質量％，０．０２質量％とすることが好ましい。耐熱性の改善に有効なＷ，Ｚｒ，Ｙ，ＲＥＭ（希土類元素）や、熱間加工性の改善に有効なＣａ，Ｍｇ，Ｃｏ等も必要に応じて適宜添加できる。

フェライト系ステンレス鋼の製造条件には特段の制約が加わるものではなく、Ｃｕを予め固溶させておく限り、熱延焼鈍板のままで優れた耐熱性が得られる。熱延で所望の板厚の鋼板が製造できない場合、冷延及び焼鈍を１回又は複数回繰り返すことによって、熱延焼鈍板と同等の耐熱性を有する鋼板を製造できる。必要に応じて製造工程の何れかの段階でＣｕを微細に分散させるとき、より優れた高温強度が得られる。優れた特性は、熱延焼鈍板，冷延焼鈍板等を所望形状に加工又は溶接（管の成形等も含む）した後でも維持される。

次いで、実施例によって本発明をより具体的に説明する。
表１，２の組成をもつ各種フェライト系ステンレス鋼を真空溶解炉で溶製し、３０ｋｇのインゴットに鋳造した。インゴットを鍛造し、熱間圧延，焼鈍，冷間圧延，仕上げ焼鈍を経て板厚２．０ｍｍ及び１．２ｍｍの冷延焼鈍板を製造した。表中、Ｎｏ．１〜６は本発明鋼，Ｎｏ．７〜１０は参考鋼，Ｎｏ．１１〜１９は比較鋼である。比較鋼のうち、Ｎｏ．１１はＳＵＳ４３０Ｊ１ｌ相当鋼，Ｎｏ．１５はＳＵＨ４０９Ｌ相当鋼，Ｎｏ．１６は１４Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎｂ鋼，Ｎｏ．１７はＳＵＳ４４４相当鋼であり、何れの鋼種もエキゾーストマニホールド用として使用実績がある。

板厚２．０ｍｍの冷延焼鈍板を高温引張試験，高温酸化試験，室温引張試験，シャルピー衝撃試験に供し、板厚１．２ｍｍの冷延焼鈍板を溶接高温割れ試験に供した。
高温引張試験では、ＪＩＳＧ０５６７に準拠して８００℃で試験片を引っ張り、０．２％耐力を測定した。
高温酸化試験では、ＪＩＳＺ２２８１に準拠して８５０℃，９００℃，９５０℃，１０００℃，１１００℃の各温度に試験片を２００時間連続加熱した。加熱された試験片について異常酸化（板厚方向に貫通するこぶ状の厚い酸化物）の発生状況を目視観察し、異常酸化が生じない限界温度を求めた。

室温引張試験では、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して板厚２．０ｍｍの冷延焼鈍板を１３Ｂ号試験片に加工し、引張試験後の破断伸びを求めた。
シャルピー衝撃試験では、ＪＩＳＺ２２４２に準拠し、板厚２．０ｍｍのサブサイズ試験片を用いて、−７５℃，−５０℃，−２５℃，０℃，２５℃の各温度で試験片に衝撃を加え、延性−靭性遷移温度を求めた。
溶接高温割れ試験では、４０ｍｍ×２０ｍｍの試験片の両端を保持し、長手方向に引張り応力を付与した状態でＴＩＧ溶接し、割れが発生し始める最小のひずみ量を求めた。得られた臨界ひずみ量を溶接高温割れ感受性の指標とした。

以上の試験結果を表３に示す。
Ｎｏ．１〜１０の本発明鋼および参考鋼は何れも、Ｔｉ添加鋼（Ｎｏ．１５），Ｎｂ、Ｓｉ添加鋼（Ｎｏ．１６）に比較して８００℃の０．２％耐力が格段に大きく、Ｎｂ，Ｍｏ複合添加鋼（Ｎｏ．１７）に匹敵又は凌駕する０．２％耐力値であった。室温引張り試験による伸び，シャルピー衝撃試験による延性脆性遷移温度，溶接高温割れ試験による臨界ひずみもＮｂ，Ｍｏ複合添加鋼（Ｎｏ．１７）と同等以上の特性を有しており、Ｍｏを添加しなくても目標性能が得られることが確認された。異常酸化に関しては、Ｎｏ．４，Ｎｏ．５，Ｎｏ．１２の結果からも判るように、Ｃｒ含有量が少なくなるほど限界温度が低くなっている。異常酸化に及ぼすＣｒ含有量の影響から、適用箇所の温度に応じてＣｒ含有量の適正量を設定する必要性が理解できる。

Ｖ，Ｃｕが不足する比較鋼Ｎｏ．１１，Ｎｏ．１５，Ｎｏ．１６，Ｎｏ．１９は、加工性，低温靭性，溶接性は十分なレベルにあるものの、８００℃の高温強度が劣っている。Ｃｕを過剰に含む比較鋼Ｎｏ．１２は、高温強度に優れているものの、加工性，溶接性がＮｂ，Ｍｏ複合添加鋼よりも劣り、製品形状への加工や溶接に支障をきたした。
Ｃｕ含有量が規定範囲にあってもＳｉ含有量が多すぎる比較鋼Ｎｏ．１３や、Ｎｂ含有量が多すぎる比較鋼Ｎｏ．１４は、高温強度に優れていても、加工性，低温靭性，溶接性が本発明鋼よりも劣っていた。

Ｖ含有量が少なくＡｌ含有量が多い比較鋼Ｎｏ．１８は、耐熱性や加工性が本発明鋼と同程度であるものの、低温靭性に劣り、製品加工時や使用時に靭性不足に起因するトラブルの発生が予測される。Ｖが不足する比較鋼Ｎｏ．１９は、高温強度が不足している。
Ｍｏを含む比較鋼Ｎｏ．１７は、本発明鋼と同程度の性能を有するが、低温靭性が若干低くなっている。しかも、Ｍｏを約２質量％含有しているので、素材コストが本発明鋼より高くなることが避けられない。

以上に説明したように、フェライト 系ステンレス鋼に含まれる各種合金元素の含有量、特にＶ，Ｃｕの範囲を厳格に規制することにより、高価なＭｏを必要とせず、優れた耐熱性を確保しながら加工性，低温靭性，溶接性が改善され、排気ガス経路部材用として好適なフェライト 系ステンレス鋼が得られる。このフェライト系ステンレス鋼は、優れた特性を活用して自動車エンジンを始め、エキゾーストマニホールド，フロントパイプ，センターパイプ，触媒コンバーター外筒等等の排ガス流路部材に使用される。

図１は、高温での０．２％耐力に及ぼすＣｕの影響を示すグラフ

Claims (3)

1. Ｃ：０．０３質量％以下，Ｓｉ：１．０質量％以下，Ｍｎ：１．５質量％以下，Ｎｉ：０．６質量％以下，Ｃｒ：１０〜２０質量％，Ｎｂ：０．５０質量％以下，Ｃｕ：０．８〜２．０質量％，Ａｌ：０．０３質量％以下，Ｖ：０．０３〜０．２０質量％，Ｎ：０．０３質量％以下を含み、且つＮｂ≧８（Ｃ＋Ｎ）を満足し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする自動車排ガス流路部材用フェライト系ステンレス鋼。
2. 不可避的不純物として含まれるＭｏが０．１０質量％未満に規制されている請求項１記載の自動車排ガス流路部材用フェライト系ステンレス鋼。
3. 更に０．０００５〜０．０２質量％のＢを含む請求項１または２に記載の自動車排ガス流路部材用フェライト系ステンレス鋼。

Images