JP4309293B2 - 自動車排気系部材用フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

本発明は、自動車排気系部材用フェライト系ステンレス鋼に係り、特に、８００℃以下の温度で使用されるエキゾーストマニホールド、フロントパイプ、センターパイプ等の自動車排気系部材に好適なフェライト系ステンレス鋼に関する。

近年、排ガス規制の強化、軽量化の観点から、自動車排気系部材にＳＵＨ４０９Ｌ、ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ、ＳＵＳ４３６Ｌ等のフェライト系ステンレス鋼の薄板あるいは鋼管が使用されるようになり、その量は年々増加している。これらのフェライト系ステンレス鋼は下記の（１）〜（３）の特徴を有する。
（１） 熱膨張係数が小さく、熱疲労特性に優れること。
（２） 繰り返し酸化をうける環境での耐スケール剥離性が良好であること
（３） オーステナイト系ステンレスに比べ安価であること

自動車排気系部材のうち、エキゾーストマニホールド用鋼材としては、従来、球状黒鉛鋳鉄に代表される鋳物製が主流であったが、フェライト系ステンレス製の薄板あるいは鋼管への切り替えが進んでいる。エキゾーストマニホールドには、優れた高温強度、熱疲労特性、耐酸化性、加工性等が要求される。最近、特に軽量化や快適性の観点からエンジンルームがますます狭くなる傾向にあり、複雑な形状に加工されるエキゾーストマニホールドには、さらなる加工性の向上が求められている。また、加工性を向上させることは、部品メーカでの工数削減、部品コストの低減につながる。

排ガス規制の強化に伴い、触媒を早期に活性化させることが必要となるため、排ガス温度は上昇する傾向にあり、現在、エキゾーストマニホールドの材料温度として８００℃程度まで達している。

特許文献１〜３等に、Ｃｒが１３〜１５％で、Ｎｂを含む、ＳＵＳ４２９系に分類されるフェライト系ステンレス鋼が提案されている。これらの材料をエキゾーストマニホールドとして使用している例が増えつつあるが、より高温強度、熱疲労特性に優れる鋼材が望まれている。

特許文献４〜７に、１７％以上のＣｒおよび多量のＮｂ、Ｍｏが含む、ＳＵＳ４４４系に分類されるフェライト系が提案されている。これらの鋼材は、前記ＳＵＳ４２９系の鋼材よりも優れた高温強度、熱疲労特性を有するが、加工性に劣るため、加工コストが高くなる。

特許第２５６２７４０号公報 特許第３００４７８４号公報 特許第２８０３５３８号公報 特許第２６９６５８４号公報 特許第２８０１７７９号公報 特許第２８８０８３９号公報 特許第２９２３８２５号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、ＳＵＳ４２９系と同等の加工性を有し、材料温度８００℃においてＳＵＳ４４４系と同等の高温強度および熱疲労特性を有する自動車排気系部材に好適な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。

本発明は、下記の自動車排気系部材用フェライト系ステンレス鋼を要旨とする。
質量％にて、Ｃ：０．００１〜０．０２％、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ｃ＋Ｎ：０．００２〜０．０３％、Ｓｉ：０．０３〜０．２８％、Ｍｎ：０．０５〜０．５％、Ｃｕ：０．１〜０．８％、Ｃｒ：１１〜１５％未満、Ｎｂ：０．２〜０．５％、Ｔｉ：０．０２〜０．３％を含み、さらに選択的にＡｌ：０．００３〜０．２％、Ｎｉ：０．３〜１％、Ｂ：０．０００２〜０．００５％の１種以上を含み、Ｍｏ、Ｗの１種以上を下記の（１）式を満足する範囲で含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする自動車排気系部材用フェライト系ステンレス鋼。
２．０≦１．４Ｍｏ＋Ｗ≦４．５ ・・・（１）
本発明の自動車排気系部材用フェライト系ステンレス鋼は、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％、ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％およびＹ：０．０００１〜０．０１％のうちの１種以上を含有するのが望ましい。

本発明によれば、使用温度８００℃でも優れた高温強度、熱疲労特性、耐酸化性を有し、かつ加工性に優れた自動車排気系部材用フェライト系ステンレス鋼が得られる。特に、本発明の鋼は、高温で用いられかつ高い加工性が要求されるエキゾーストマニホールド用材料として好適である。また、本発明の鋼は、優れた加工性を有することから、排気系部材製造時の歩留向上や作業効率向上にも有益であり、部品コスト低減が期待できる。さらに、溶接鋼管用の鋼板としても好適である。

Ｍｏ及びＮｂは高温強度の向上に有効な元素であるが、加工性を劣化させやすい元素である。したがって、必要となる高温強度を保有しつつ、加工性を向上させるには、これら元素を最適化する必要があると共に、他の元素と組み合わせて使用することが重要となる。
そこで、本発明者らは、高温強度、加工性に対する各種元素の効果を検討した結果、下記の知見を得た。
なお、以下の説明において「質量％」を単に「％」と表記する。

図１は、Ｃｕ含有量と鋼の機械的性能との関係を示す図であり、（ａ）はＣｕ含有量と常温伸びおよびランクフォード値（以下、「ｒ値」という）との関係を示し、（ｂ）はＣｕ含有量と８００℃での０．２％ＰＳ（０．２％耐力）およびＴＳ（引張強さ）との関係を示す。なお、供試材は１４Ｃｒ−２Ｍｏ−０．３５Ｎｂ−０．１５ＴｉをベースとしてＣｕ含有量を変化させた鋼である。図１に示すように、高温強度を保持または向上させつつ、加工性の重要な指標である常温伸びおよびｒ値を向上させるのに有効なＣｕ含有量の範囲が存在する。

図２は、Ｔｉ含有量と鋼の機械的性能との関係を示す図であり、（ａ）はＴｉ含有量と常温伸びおよびｒ値との関係を示し、（ｂ）はＴｉ含有量と８００での０．２％ＰＳおよびＴＳとの関係を示す。なお、供試材は１４Ｃｒ−２Ｍｏ−０．３５ＮｂをベースとしてＴｉ含有量を変化させた鋼である。Ｔｉの添加は、高温での強化に有用な固溶Ｎｂの確保に有効であり、図２に示すように高温強度を向上させると共に、常温での伸び、ｒ値を改善させる効果を有する。

図３は、Ｓｉ含有量と鋼の機械的性能との関係を示す図であり、（ａ）はＳｉ含有量と常温伸びおよびｒ値との関係を示し、（ｂ）はＳｉ含有量と８００での０．２％ＰＳおよびＴＳとの関係を示す。なお、供試材は、１４Ｃｒ−２Ｍｏ−０．３５Ｎｂ−０．１５ＴｉをベースとしてＳｉ含有量を変化させた鋼である。Ｓｉは高温での強化に有用な固溶Ｎｂ、固溶Ｍｏを減少させ、図３に示すように、Ｓｉ量を低めることは、高温強度を向上させると共に、常温での伸び、ｒ値を改善させる効果を有する。

Ｍｏ、Ｗは高温強度の向上に寄与し、ＭｏはＷの１．４倍の効果を有する。また、ＭｏはＮｂに比べ常温伸びを劣化させる傾向よりも高温強度を向上させる傾向が大きい。さらに、ＭｏおよびＷは高温環境下での高温強度の低下を抑制するのに有効である。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。以下に本発明で規定される化学組成についてさらに詳しく説明する。

Ｃ、Ｎ：Ｃ、Ｎ共に鋼を硬質にして、加工性を低下させるので、これらの含有量ができるだけ少ない方がよい。しかしながら、Ｃ、Ｎ共に０．００１％未満とすると精練上のコストアップが顕著となる。したがって、Ｃの含有量を０．００１〜０．０２％とし、Ｎの含有量を０．００１〜０．０２％とした。
また、これらの元素の含有量がそれぞれ規定される範囲内であっても、その合計含有量が多い場合には、加工性を低下させる場合がある。したがって、ＣおよびＮの合計含有量を０．００２〜０．０３％とした。

Ｓｉ：Ｓｉは、酸化増量を抑え耐酸化性を向上させる効果を有する元素であると共に、脱酸元素として有効な元素である。しかし、Ｓｉは鋼を硬質にするので、常温伸びおよびｒ値を低下させる。また、Ｍｏの固溶度を下げラーベス相の析出を促進し、高温での強化に有用な固溶Ｎｂ、固溶Ｍｏを減少させる。したがって、Ｓｉの含有量を０．０３〜０．５％とした。好ましくは０．０５〜０．３％である。

Ｍｎ：ＭｎはＳｉと共に脱酸元素として有効な元素である。しかし、Ｍｎは、Ｓと結合してＭｎＳを生成するので、過剰に添加すると耐酸化性を劣化させる。したがって、Ｍｎの含有量を０．０５〜０．５％とした。

Ｃｕ：Ｃｕは、フェライト系ステンレス鋼の高温強度を損なうことなく、加工性を向上させる上で重要な元素である。図１に示すように、適量の添加は常温伸びおよびｒ値を向上させて加工性の向上に寄与するとともに、高温強度を維持または向上させる。その効果を発現させるＣｕを０．１％以上含有させることが必要である。しかし、過剰の添加はかえって常温伸びおよびｒ値を低下させると共に、スケール剥離を助長する。したがって、Ｃｕの含有量を０．１〜０．８％とした。好ましくは０．２〜０．６％である。

Ｃｒ：Ｃｒは、耐食性および耐酸化性を維持させるために有効な元素である。８００℃での耐酸化性を維持させるには、その含有量を１１％以上とする必要がある。しかし、過剰の添加は加工性を低下させると共にコストの上昇をまねく。したがって、Ｃｒの含有量を１１〜１５％未満とした。より好ましくは１２〜１５％未満である。

Ｎｂ：Ｎｂは高温強度を向上させる上で重要な元素であり、この効果は、特に固溶状態で発揮される。また、Ｎｂは、Ｃ，Ｎを固定し、加工性および耐食性を改善する効果も有する元素である。これら効果を得るにはＮｂを０．２％以上含有させることが必要である。しかし、過剰の添加は、高温強度向上効果が飽和すると共に、常温での伸びおよびｒ値を低下させる。したがって、Ｎｂ含有量を０．２〜０．５％とした。

Ｍｏ、Ｗ：ＭｏおよびＷは、いずれも高温強度を向上させ、かつ高い温度域で加熱保持した後の高温強度の低下を抑制する元素であり、本発明において重要な元素である。その効果を得るには、Ｍｏ：０．１〜４．５％、Ｗ：０．１〜３．２％を含有させる必要がある。また、ＭｏおよびＷは、いずれも固溶状態で強化に寄与し、概ねその含有量に比例して強度が向上する。しかし、ＭｏとＷとは、それぞれの含有量あたりの強度の増加量が異なり、Ｍｏと同等の高温強度増加量を得るのに必要なＷの含有量は、Ｍｏの１．４倍である。本発明で必要な強度を得るには１．４Ｍｏ＋Ｗで２．０％以上必要である。含有量を増加させればさせるほど高温強度が増加するが、過剰の添加は加工性に悪影響をあたえる。したがってＭｏおよびＷの１種以上を「１．４Ｍｏ＋Ｗ」が２．０〜４．５％の範囲に含有させることとした。好ましい「１．４Ｍｏ＋Ｗ」の範囲は、２．５〜４％である。

Ｔｉ：Ｔｉは、本発明において重要な元素であり、加工性および高温強度の向上のために含有させる。ＴｉはＮｂと同様、ＣおよびＮと結合する作用を有するが、Ｎｂに比べＮと結びつきやすい。ＮｂとＴｉを同時に含有させると、Ｔｉは主としてＮと結合して窒化物を形成し、残りのＴｉはＮｂと共にＣと結合し、Ｔｉ，Ｎｂの複合炭化物を形成する。この複合炭化物は、Ｎｂの炭化物よりも高温で析出し、先に析出しているＴｉＮを核として析出しやすい。

このため、その周辺には、固溶ＣおよびＮの存在しない領域が存在し、加工性向上に寄与する。ＴｉがＮあるいはＣと結合することにより固溶Ｎｂも確保されるため、高温強度向上にも有効である。これらの効果を得るには、Ｔｉは少なくとも０．０２％以上含有させることが必要であるが、その含有量が過剰の場合、加工性および高温強度の向上効果が飽和すると共に、耐酸化性および靱性に悪影響を及ぼす。したがって、Ｔｉの含有量を０．０２〜０．３％とした。好ましい含有量は０．０４〜０．２５％である。

Ａｌ：Ａｌは添加しなくてもよい元素であるが、脱酸元素であると共に、Ｎと結合し加工性および靱性を改善する効果を有する元素である。これらの効果を得るには０．００３％以上の含有が必要であるが、過剰の添加は、造管溶接性、靱性の低下を招く。したがって、Ａｌの含有量を０．００３〜０．２％とした。

Ｎｉ：Ｎｉは添加しなくてもよい元素であるが、添加すると靱性を向上させるため、必要に応じて含有させてもよい。この効果が顕著となるのは０．３％以上の場合である。しかし、Ｎｉ含有量が過剰な場合には、コストが上昇する。したがって、Ｎｉの含有量を０．３〜１％とした。

Ｂ：Ｂは添加しなくてもよいが、添加すると２次加工性（鋼板から鋼管への成形等の一次的な加工のあと、この鋼管から部品を得るために曲げ加工等の二次的な加工における性能）を改善するため、必要に応じて含有させてもよい。この効果を得るには、Ｂを０．０００２％以上含有させるのが望ましい。しかし、Ｂの含有量が０．００５％を超えると靭性を低下させる。したがって、Ｂを０．０００２〜０．００５％とした。

本発明の自動車排気系部材用フェライト系ステンレス鋼は、上記の化学組成を有し、残部はＦｅおよび不純物からなるが、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％、ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％およびＹ：０．０００１〜０．０１％のうちの１種以上を含有するのが望ましい。

Ｃａ、ＲＥＭおよびＹは耐酸化性を向上させる元素であり、必要に応じて含有させてもよい。この効果を得るには、Ｃａでは０．０００２％以上、ＲＥＭ、Ｙはそれぞれ０．０００１％以上含有させることが望ましい。しかし、過剰に添加しても耐酸化性の改善効果が飽和すると共に、熱間加工性が劣化し、コストが上昇する。したがって、Ｃａ、ＲＥＭおよびＹのうち一種以上を含有させる場合のそれぞれの元素の含有量は、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％、ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％およびＹ：０．０００１〜０．０１％とするのが望ましい。

Ｐ、Ｓ：Ｐ、Ｓは製造上、不可避に混入する不純物の一つであるが、Ｐは溶接性に悪影響を、ＳはＭｎＳを形成し耐酸化性に悪影響をあたえるため、その含有量はできるだけ少ないことが望ましい。おのおのの含有量としては、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００２％以下とするのが望ましい。

表１に示す化学組成を有する鋼を溶製し、加熱温度１２００℃で熱間圧延を施して厚さ４．５ｍｍの熱延鋼板を製造した。この熱延鋼板を焼鈍し、厚さ１．５ｍｍまで冷間圧延し、１０００℃での仕上焼鈍を施して供試材を作製した。この供試材の常温延性、高温強度および耐酸化性を下記の試験方法により評価した。

（常温延性）
常温延性は、上記の試験材から厚さ１．５ｍｍのＪＩＳ１３Ｂ号引張試験片を採取して常温引張試験を行い、常温伸びおよび平均ｒ値を求めて評価した。常温伸びは圧延方向の常温伸びで評価し、平均ｒ値は、下記の（２）式から計算した。
平均ｒ値（ｒ）＝（ｒ₀＋ｒ₉₀＋２ｒ₄₅）／４ … （２）
ただし、（２）式中のｒ₀は圧延方向のｒ値 ｒ₉₀は圧延直角方向のｒ値 ｒ₄₅は圧延４５度方向のｒ値をそれぞれ意味する。

（高温強度）
高温強度は、上記の供試材から厚さ１．５ｍｍの板状の引張試験片を圧延方向と平行に採取した後、ＪＩＳＧ０５６７に準拠して、８００℃での引張試験を行い、０．２％耐力を求め、評価した。

（耐酸化性）
耐酸化性は、上記の供試材から厚さ１．５ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ２５ｍｍの試験片を採取した後、各試験片の表面をエメリー紙にて＃６００まで研磨し、大気中にて８００℃×２００ｈの連続酸化試験を行い、異常酸化の有無を観察すると共に酸化増量を測定し、評価した。

これらの試験結果を表２に示す。

表２に示すように、本発明鋼であるＮｏ．１〜７は、いずれも圧延方向の常温伸びが３５％以上、平均ｒ値が１．３以上、８００℃の０．２％耐力が３８ＭＰａ以上であり、ＳＵＳ４２９系と同等の常温延性を示すとともに、ＳＵＳ４４４系と同等の高温強度を示した。また、これらの試験片は、８００℃×２００ｈの連続酸化試験においても異常酸化を発生せず耐酸化性も良好であった。

比較鋼であるＮｏ．８は、「１．４Ｍｏ＋Ｗ」で２％未満であるため、８００℃の０．２％耐力が低くなった。Ｎｏ．９は「１．４Ｍｏ＋Ｗ」が４．５％を超えており、常温伸びが小さかった。Ｎｏ．１０はＳｉが０．３％を超えており、常温伸びおよび平均ｒ値が小さいと共に、８００℃の０．２％耐力にも劣っていた。Ｎｏ．１１はＣｕが０．８％を超えているため、常温伸びおよび平均ｒ値が小さい値となった。Ｎｏ．１２はＳＵＳ４２９系の鋼であるが、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＭｏおよびＷの含有量が本発明で規定される範囲を外れている。この鋼では８００℃における０．２％耐力が劣っていた。Ｎｏ．１３はＳＵＳ４４４系の鋼であるが、ＣｒおよびＴｉの含有量が本発明で規定される範囲を外れている。この鋼では常温伸びおよび平均ｒ値が小さい結果となった。

〔実施例２〕
表１のＮｏ．１、１２および１３に示す化学組成を有する鋼を溶製し、加熱温度１２００℃で熱間圧延を施して厚さ６ｍｍの熱延鋼板を製造した。この熱延鋼板に焼鈍、および厚さ２．０ｍｍまでの冷間圧延を施した後、１０００℃の仕上焼鈍を実施した。この冷延鋼板をＴＩＧ溶接にて外径３８．１ｍｍに製管した後、図５に示す試験片に加工した。

図４は、熱疲労試験片の形状を示す図である。図４において、１が試験材の鋼管であり、この鋼管の２ヶ所にφ８ｍｍの穴をあけ、冷却用エアーの供給口２および出口３とした。また、鋼管内面からの保持具４と試験材１は、固定用ピン（φ１２ｍｍの孔に挿入される）および端部の溶接部５によって固定される。なお、図中に示す数値の単位はｍｍである。

熱疲労試験は、コンピュータ制御の電気的油圧サーボ式高温熱疲労試験機により、図５に示す温度サイクル、機械的歪み波形履歴をとる条件で、最高温度８００℃、最低温度２００℃および拘束率３０％での試験を行った。

その結果、Ｎｏ．１１（ＳＵＳ４２９）の鋼、Ｎｏ．１２（ＳＵＳ４４４）の鋼の熱疲労寿命は、それぞれ２１４８サイクル、３４３６サイクルであったのに対し、本発明鋼であるＮｏ．１の鋼の熱疲労寿命は４１５４サイクルであった。前記の通り、本発明鋼は、ＳＵＳ４２９系に比べ高強度であり、ＳＵＳ４４４より常温延性に優れるため、長寿命となったと考えられる。

Ｃｕ含有量と鋼の機械的性能との関係を示した図である。 Ｔｉ含有量と鋼の機械的性能との関係を示した図である。 Ｓｉ含有量と鋼の機械的性能との関係を示した図である。 熱疲労試験片の形状を示した図である。 温度サイクル、機械的ひずみ波形履歴を示した図である。

符号の説明

１．試験材 ２．エアー供給口 ３．エアー出口 ４．保持具 ５．溶接部

Claims (5)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．００１〜０．０２％、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ｃ＋Ｎ：０．００２〜０．０３％、Ｓｉ：０．０３〜０．２８％、Ｍｎ：０．０５〜０．５％、Ｃｕ：０．１〜０．８％、Ｃｒ：１１〜１５％未満、Ｎｂ：０．２〜０．５％、Ｔｉ：０．０２〜０．３％を含み、かつＭｏ：０．１〜３．２ ％、Ｗ：０．１〜４．５％の１種以上を下記の（１）式を満足するように含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする自動車排気系部材用フェライト系ステンレス鋼。
   ２．０≦１．４Ｍｏ＋Ｗ≦４．５ ・・・（１）
2. Ａｌ：０．００３〜０．２％を含むことを特徴とする請求項１記載の自動車排気系部材用フェライト系ステンレス鋼。
3. Ｎｉ：０．３〜１％を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の自動車排気系部材用フェライト系ステンレス鋼。
4. Ｂ：０．０００２〜０．００５％を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自動車排気系部材用フェライト系ステンレス鋼。
5. Ｃａ、ＲＥＭ、Ｙのいずれか１種以上を、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％、ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％、Ｙ：０．０００１〜０．０１％にて含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の自動車排気系部材用フェライト系ステンレス鋼。

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