JP5126437B1 - ステンレス箔およびその箔を用いた排ガス浄化装置用触媒担体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.05%以下、Si:2.0%以下、Mn:1.0%以下、S:0.003%以下、P:0.05%以下、Cr:15.0%超25.0%未満、Ni:0.30%以下、Al:3.0〜10.0%、Cu:0.03〜1.0%、N:0.10%以下、Ti:0.02%以下、Nb:0.02%以下、Ta:0.02%以下、Zr:0.005〜0.20%、Ceを除くREM:0.03〜0.20%、Ce:0.02%以下、MoおよびWのうち少なくとも一種を合計で2.0〜6.0%含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であることを特徴とするステンレス箔。
【選択図】図2
Description
C含有量が0.05%を超えると、高温での強度が低下し、高温での耐酸化性も低下する。また、靭性の低下も招く。よって、C含有量は0.05%以下、好ましくは0.02%以下とするが、極力低減することがより好ましい。ただし、鋼の強度をより高めるには、0.001%以上含有させるのが好ましく、より好ましくは0.003%以上含有させる。
Si含有量が2.0%を超えると、靭性が低下するとともに、加工性の低下により箔の製造を困難にする。よって、Si含有量は2.0%以下、好ましくは1.0%以下とする。ただし、耐酸化性をより向上させるには、0.05%以上含有させるのが好ましく、より好ましくは0.1%以上含有させる。
Mn含有量が1.0%を超えると、高温での耐酸化性が低下する。また、耐塩害腐食性の低下も招く。よって、Mn含有量は1.0%以下、好ましくは0.5%以下とする。ただし、鋼中のSを更に固定するには、0.05%以上含有させるのが好ましく、より好ましくは0.1%以上含有させる。
S含有量が0.003%を超えると、触媒担体におけるAl2O3皮膜の密着性や高温での耐酸化性が低下する。よって、S含有量は0.003%以下、好ましくは0.001%以下とするが、極力低減することがより好ましい。
P含有量が0.05%を超えると、加工性が低下して箔の製造を困難にするだけでなく、触媒担体におけるAl2O3皮膜の密着性や高温での耐酸化性が低下する。よって、P含有量は0.05%以下、好ましくは0.03%以下とするが、極力低減することがより好ましい。
Crは本発明において最も重要な元素の一つであり、高温での強度および耐塩害腐食性を確保する上で必要不可欠な元素である。しかし、Cr含有量が15.0%以下では、高温での酸化進行時にフェライト安定化元素であるAl等が減少し、オーステナイトが生成するため、熱膨張係数が大きく変化し、高温での強度、特に耐変形性が低下する。また、耐塩害腐食性も低下する。一方、Cr含有量が25.0%以上では、ステンレス箔製造の中間段階で製造されるスラブや熱延鋼板の靭性が低下するため、製造コストが増大し、経済性を損なう。よって、Cr含有量は15.0%超25.0%未満、好ましくは18.0〜23.0%とする。
Niはオーステナイト安定化元素であり、その含有量が0.30%を超える場合は、高温での酸化進行時にAlが枯渇し、Crが酸化され始めると、オーステナイトが生成して箔の熱膨張係数を変化させ、箔の括れや破断(セル切れ)などの不具合が発生する。よって、Ni含有量は0.30%以下、好ましくは0.20%以下とする。なお、Niは触媒担体製造時のロウ付け性を向上する効果があるため、その含有量は0.05%以上とすることが好ましく、0.10%以上とすることがより好ましい。
Alは箔表面に保護性の高いAl2O3皮膜を形成し、高温での耐酸化性を向上させる元素である。また、高温強度を向上させる効果も有する。しかし、Al含有量が3.0%未満では、十分な耐酸化性が得られない。一方、Al含有量が10.0%を超えると、加工性の低下により箔の製造を困難にする。よって、Al含有量は3.0〜10.0%とする。好ましくは4.0〜6.0%とする。
Cuは、本発明のようなCr含有量が15.0%超、Al含有量が3.0%以上のFe-Cr-Al系ステンレス箔において、高温での耐酸化性の向上および耐塩害腐食性の改善に効果的な元素である。図2に、C:0.006〜0.008%、Si:0.12〜0.15%、Mn:0.14〜0.18%、S:0.0007〜0.0008%、P:0.022〜0.026%、Cr:18.0〜18.4%、Ni:0.11〜0.15%、Al:5.64〜5.84%、N:0.008〜0.011%、Ti:0.003〜0.006%、Nb:0.003〜0.004%、Ta:0.003〜0.005%、Zr:0.032〜0.037%、La:0.069〜0.075%、Ce:0.001〜0.002%、Mo:2.95〜3.08%、Ca:24〜34ppm、Mg:21〜27ppmを含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる合金のCu含有量を0(ただし、この0%は検出限界以下であることを示す。具体的には、0.01%未満であることを示す。)〜1.0%の範囲に変えて、後述する方法により測定した30℃の3.5質量%NaCl溶液中における孔食電位の結果を示したが、Cu含有量を0.03%以上にすることにより、耐塩害腐食性の指標である孔食電位が向上することがわかる。
N含有量が0.10%を超えると、靱性が低下するとともに、加工性の低下により箔の製造を困難にする。よって、N含有量は0.10%以下、好ましくは0.05%以下とする。
Tiは酸化されやすい元素である。その含有量が0.02%を超えると、Ti酸化物がAl2O3皮膜中に多量に混入し、ロウ付け性が著しく低下するとともに、高温での耐酸化性も低下する。よって、Ti含有量は0.02%以下、好ましくは0.01%以下とするが、極力低減することがより好ましい。
Nb含有量が0.02%を超えると、(Fe,Al)NbO4の保護性のない酸化皮膜が生成し、高温での耐酸化性が著しく低下する。また、(Fe,Al)NbO4は熱膨張率が大きいため、箔の変形を助長し、触媒の剥離を引き起こす。よって、Nb含有量は0.02%以下、好ましくは0.01%以下とするが、極力低減することがより好ましい。
Nbと同様、Ta含有量が0.02%を超えると、(Fe,Al)TaO4の保護性がなく、熱膨張率が大きい酸化皮膜が生成し、高温での耐酸化性が著しく低下するとともに、箔の変形を助長し、触媒の剥離を引き起こす。よって、Ta含有量は0.02%以下、好ましくは0.01%以下とするが、極力低減することがより好ましい。
Zrは鋼中のC、Nと結合し、クリープ特性を改善する。また、同時に靭性が向上するとともに、加工性が向上して箔の製造を容易にする。さらに、Al2O3皮膜中においてAl2O3粒界に濃化して高温での耐酸化性や、高温での強度、特に耐変形性を向上させる。このような効果を得るには、Zr含有量は0.005%以上とする必要がある。一方、Zr含有量が0.20%を超えると、Feなどと金属間化合物をつくり、靭性を低下させる。よって、Zr含有量は0.005〜0.20%、好ましくは0.02〜0.06%とする。
Ceを除くREMとは、La、Nd、Smなど原子番号57〜71までの元素からCeを除く14種の元素をいう。
Ce含有量が0.02%を超えると、Al2O3皮膜と母材鋼表面との界面にCeO型の酸化物が生成し、高温での強度、特に耐変形性を著しく劣化させ、形状不良を引き起こす。よって、Ce含有量は0.02%以下とするが、極力低減することがより好ましい。
MoおよびWは高温での破断応力を増大し、触媒担体の寿命が良好となる。また、これらの元素は、同時に、Al2O3皮膜を安定化させ、耐塩害腐食性を向上させる。本発明のようなCr含有量が15.0%超25.0%未満の合金において、このような効果を得るには、MoおよびWのうち少なくとも一種の含有量は合計で2.0%以上とする必要がある。一方、MoおよびWのうち少なくとも一種の含有量が合計で6.0%を超えると、加工性の低下により箔の製造を困難にする。よって、MoおよびWのうち少なくとも一種の含有量は合計で2.0〜6.0%、好ましくは3.0〜5.5%、より好ましくは4.5〜5.5%とする。
HfはAl2O3皮膜と地鉄の密着性を良好にし、さらに固溶Alの減少を抑制するため、高温での耐酸化性を向上させる効果がある。このような効果を得るには、Hf含有量は0.01%以上とすることが好ましい。一方、Hf含有量が0.20%を超えると、Al2O3皮膜中にHfO2として混入して、酸素の拡散経路となり、かえって酸化による固溶Alの減少を早める。また、Feと金属間化合物を形成し、靭性を低下させる。よって、Hf含有量は0.01〜0.20%とすることが好ましく、0.02〜0.10%とすることがより好ましい。
破断応力:まず、板厚1mmの冷延鋼板に、波板(コルゲート加工板)と平板の接点を拡散接合あるいはロウ付け接合する時の熱処理をシミュレートして、1200℃×30分の熱処理を4×10-5 Torr(5.3×10-3 Pa)以下の真空中で行った。次に、熱処理後の冷延鋼板より図3に示す試験片を切り出し、900℃にて高温引張試験を実施して破断応力を測定した。このとき、引張速度は、最初は0.2mm/minで、耐力を超えた後は5mm/minとした。破断応力の測定結果は、40MPa未満を×、40MPa以上60MPa未満を○、60MPa以上を◎とし、○あるいは◎であれば本発明の目的を満足するとした。
耐変形性:まず、箔厚40μmの箔に、拡散接合あるいはロウ付け接合時の熱処理に相当する1200℃×30分の熱処理を4×10-5 Torr(5.3×10-3 Pa)以下の真空中で行った。次に、熱処理後の箔より100mm幅×50mm長さの試験片を長さ方向に直径5mmの円筒状に丸め、端部をスポット溶接により留めたものを、各箔からそれぞれ3ヶ作製し、大気雰囲気炉中で1150℃×400時間加熱して、3ヶの平均の寸法変形量(加熱前の円筒長さに対する加熱後の円筒長さの増分の割合)を測定した。平均の寸法変形量の測定結果は、5%超えを×、3%超え5%以下を○、3%以下を◎とし、○あるいは◎であれば本発明の目的を満足するとした。
高温での耐酸化性:まず、箔厚40μmの箔に、拡散接合あるいはロウ付け接合時の熱処理に相当する1200℃×30分の熱処理を4×10-5 Torr(5.3×10-3 Pa)以下の真空中で行った。次に、熱処理後の箔より20mm幅×30mm長さの試験片を3ヶ採取し、大気雰囲気炉中で1150℃×400時間加熱して、3ヶの平均の酸化増量(加熱前後重量変化を初期の表面積で除した量)を測定した。このとき、酸化増量には、加熱後に試験片から剥離したスケールも回収し、加えた。平均の酸化増量の測定結果は、15g/m2超えを×、10g/m2超え15g/m2以下を○、10g/m2以下を◎とし、○あるいは◎であれば本発明の目的を満足するとした。
耐塩害腐食性:まず、板厚1mmの冷延鋼板より20mm角の試験片を切り出し、表面11×11mmを残して樹脂でシールした後、10質量%濃度の硝酸に浸漬して不動態化処理を行い、さらに表面10×10mmの部分を研磨した。次に、JIS G0577「ステンレス鋼の孔食電位測定方法」をベースに、30℃の3.5質量%NaCl溶液中に浸漬後10分放置し、電位走査を開始して孔食電位を測定した。孔食電位の測定結果は、200(mV vs SCE)未満を×、200(mV vs SCE)以上400(mV vs SCE)未満を○、400(mV vs SCE)以上を◎とし、○あるいは◎であれば本発明の目的を満足するとした。
2 波板
3 外筒
4 金属製ハニカム
Claims (6)
- 質量%で、C:0.05%以下、Si:2.0%以下、Mn:1.0%以下、S:0.003%以下、P:0.05%以下、Cr:15.0%超25.0%未満、Ni:0.30%以下、Al:3.0〜10.0%、Cu:0.03〜1.0%、N:0.10%以下、Ti:0.02%以下、Nb:0.02%以下、Ta:0.02%以下、Zr:0.005〜0.20%、Ceを除くREM:0.03〜0.20%、Ce:0.02%以下、MoおよびWのうち少なくとも一種を合計で2.0〜6.0%含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であることを特徴とするステンレス箔。
- Ceを除くREMがLaであることを特徴とする請求項1に記載のステンレス箔。
- 質量%で、MoおよびWのうち少なくとも一種が合計で3.0〜5.5%であることを特徴とする請求項1または2に記載のステンレス箔。
- さらに、質量%で、Hf:0.01〜0.20%と、質量ppmで、Ca:10〜300ppm、Mg:15〜300ppmおよびB:3〜100ppmのうち少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項1〜3に記載のステンレス箔。
- 箔厚が20〜100μmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のステンレス箔。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載のステンレス箔を用いたことを特徴とする排ガス浄化装置用触媒担体。
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