JP5141295B2 - Ferritic stainless steel with excellent thermal fatigue properties - Google Patents

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Description

本発明は、自動車や2輪車のエキゾーストマニホールドや排気管、コンバータケース等の排気系部材、火力発電プラントの排気ダクト、熱交換器および燃料電池関連部材などのように、繰返し熱サイクルを受ける環境下で使用される部材に用いられる熱疲労特性に優れるフェライト系ステンレス鋼に関するものである。   The present invention relates to an environment subject to repeated thermal cycles, such as exhaust system members such as exhaust manifolds, exhaust pipes and converter cases of automobiles and motorcycles, exhaust ducts of thermal power plants, heat exchangers, and fuel cell-related members. The present invention relates to a ferritic stainless steel having excellent thermal fatigue characteristics used for members used below.

エキゾーストマニホールドや排気管、コンバータケース等に代表される自動車用排気系部材は、エンジンの起動・停止に伴って、高温域への昇温と常温への降温という熱サイクルを繰り返し受ける。そのため、これら部材は、部材の周囲や自らの形状に起因した拘束を受けて自由な膨張や収縮が妨げられるため、熱応力による疲労を起こす。その結果、熱疲労特性に劣る材料を上記部材に使用した場合には、使用を繰り返すことによって破断を起こしたり、排ガスの漏洩を起こしたりする。   Automotive exhaust system members represented by exhaust manifolds, exhaust pipes, converter cases, and the like are repeatedly subjected to a thermal cycle of temperature rise to a high temperature range and temperature fall to room temperature as the engine is started and stopped. For this reason, these members are restrained due to the surroundings of the members and the shape of the members, and free expansion and contraction are hindered. As a result, when a material inferior in thermal fatigue characteristics is used for the above member, the material is repeatedly used and breaks or exhaust gas leaks.

排気系部材に使用される材料が受ける上記熱疲労は、一般に、熱サイクルの最高温度が高いほど厳しくなる。しかし、低エミッション化が指向されている現在、自動車のエンジン燃焼温度は年々高まる傾向にあるため、排気系部材に用いられる材料には、従来にも増して、熱疲労特性に優れることが切望されている。   Generally, the thermal fatigue experienced by the material used for the exhaust system member becomes more severe as the maximum temperature of the thermal cycle is higher. However, since the engine combustion temperature of automobiles tends to increase year by year, with the trend toward lower emissions, the materials used for exhaust system members are highly desired to have better thermal fatigue characteristics than ever before. ing.

上記排気温度の高温化に対応できる排気系部材用の材料としては、従来、NbやMoを添加したフェライト系ステンレス鋼であるSUS444(19mass%Cr−1.8mass%Mo−0.2mass%Nb)が知られている。その他にも幾つかの排気系部材用の材料が開発されている。例えば、特許文献1には、Siを一定量以下に低減して室温での加工性を保持した上で、MoとWを複合添加することにより、900℃を超えるような高温における耐酸化性を高めたフェライト系ステンレス鋼が提案されている。   As a material for exhaust system members that can cope with higher exhaust temperature, SUS444 (19 mass% Cr-1.8 mass% Mo-0.2 mass% Nb), which is a ferritic stainless steel added with Nb or Mo, has been conventionally used. It has been known. Several other materials for exhaust system members have been developed. For example, Patent Document 1 discloses that oxidation resistance at a high temperature exceeding 900 ° C. is obtained by adding Si and Mo in combination after reducing Si to a certain amount or less and maintaining workability at room temperature. Enhanced ferritic stainless steel has been proposed.

また、特許文献2には、フェライト系ステンレス鋼にCuを添加し、600〜750℃の中温度域でCuの析出物を微細に析出させ、さらに、800℃以上の高温度域では、微細析出したCu析出物を再固溶させて固溶強化を図ることにより、800℃以上の高温度域の排気ガス環境で使用される排気系部品として必要な強度、耐熱疲労性および耐酸化性を備えたフェライト系ステンレス鋼が提案されている。   Further, in Patent Document 2, Cu is added to ferritic stainless steel, and Cu precipitates are finely precipitated in a medium temperature range of 600 to 750 ° C. Further, in a high temperature range of 800 ° C. or higher, fine precipitation is performed. The strength, heat fatigue resistance and oxidation resistance required for exhaust system parts used in exhaust gas environments in the high temperature range of 800 ° C or higher are provided by re-dissolving the Cu precipitates that have been re-dissolved to enhance solid solution. Ferritic stainless steel has been proposed.

また、特許文献3には、排ガス部材に使用される前の段階で、Cuの析出物(ε−Cu相)の存在形態をある特定の状態にしておくことによって、熱疲労特性を高めたフェライト系ステンレス鋼が提案されている。   Further, Patent Document 3 discloses a ferrite having improved thermal fatigue characteristics by keeping the existence form of Cu precipitates (ε-Cu phase) in a specific state before being used for an exhaust gas member. Stainless steel has been proposed.

さらに、特許文献4には、Nbを含むCr含有鋼において、Si,Crの含有量を低減し、MoをSi含有量と関連して適性量添加することにより、ラーベス相の析出を抑制し、Moを固溶Mo主体の存在形態とすることにより、常温強度を増加することなく高温強度を改善し、しかも異常酸化の発生を抑制した鋼が提案されている。
特開2004−018921号公報 特開2000−297355号公報 特開2006−117985号公報 特開2002−212685号公報
Furthermore, in Patent Document 4, in the Cr-containing steel containing Nb, the content of Si and Cr is reduced, and by adding an appropriate amount of Mo in relation to the Si content, precipitation of the Laves phase is suppressed, By making Mo into a solid solution-Mo main form, steel has been proposed in which the high temperature strength is improved without increasing the normal temperature strength and the occurrence of abnormal oxidation is suppressed.
JP 2004-018921 A JP 2000-297355 A JP 2006-117985 A Japanese Patent Laid-Open No. 2002-212585

しかしながら、上記従来技術の鋼では、昨今の排気ガス温度の上昇に十分対応することは不可能であり、より熱疲労特性に優れた材料の開発が望まれている。   However, the steel of the above prior art cannot sufficiently cope with the recent increase in exhaust gas temperature, and development of a material having more excellent thermal fatigue characteristics is desired.

そこで、本発明の目的は、従来の排気系部材用材料が抱える上記問題点を有利に解決し、従来材よりも熱疲労特性が格段に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to advantageously solve the above-mentioned problems of conventional exhaust system member materials, and to provide a ferritic stainless steel having much superior thermal fatigue characteristics than conventional materials.

発明者らは、フェライト系ステンレス鋼の熱疲労特性に及ぼす添加元素の影響に着目し、特許文献4に記載されたCr:15mass%、Mo:1.8mass%、Nb:0.5mass%を含有する鋼をベースとし、これにWを添加し、さらにCuを添加することで、熱疲労特性の改善を図ることを検討した。その結果、上記ベース成分系の鋼に、WおよびCuを適正量複合添加することにより、熱疲労特性に優れたフェライト系ステンレス鋼を得ることができることを見出し、この知見にさらに検討を加えて、本発明を開発した。   The inventors focused on the effect of additive elements on the thermal fatigue properties of ferritic stainless steel, and contained Cr: 15 mass%, Mo: 1.8 mass%, and Nb: 0.5 mass% described in Patent Document 4. It was studied to improve the thermal fatigue characteristics by adding W to this steel and further adding Cu thereto. As a result, it was found that a ferritic stainless steel excellent in thermal fatigue characteristics can be obtained by adding an appropriate amount of W and Cu to the above base component steel, and further studying this knowledge, The present invention was developed.

すなわち、本発明は、C:0.020mass%以下、Si:0.25mass%以下、Mn:2.0mass%以下、P:0.060mass%以下、S:0.008mass%以下、Cr:13.0〜16.0mass%、Ni:1.0mass%以下、N:0.020mass%以下、Nb:0.4〜0.6mass%、Cu:1.3〜1.9mass%、Mo:1.0〜2.5mass%、W:2.0〜2.93mass%、B:0.0005〜0.0100mass%を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するフェライト系ステンレス鋼である。
That is, the present invention includes C: 0.020 mass% or less, Si: 0.25 mass% or less, Mn: 2.0 mass% or less, P: 0.060 mass% or less, S: 0.008 mass% or less, Cr: 13.2. 0 to 16.0 mass%, Ni: 1.0 mass% or less, N: 0.020 mass% or less, Nb: 0.4 to 0.6 mass%, Cu: 1.3 to 1.9 mass%, Mo: 1.0 ~ 2.5 mass%, W: 2.0 to 2.93 mass%, B: 0.0005 to 0.0100 mass%, the balance being ferritic stainless steel having a component composition consisting of Fe and inevitable impurities is there.

本発明のフェライト系ステンレス鋼は、上記成分組成に加えてさらに、Ti:0.5mass%以下、Zr:0.5mass%以下、Co:0.5mass%以下およびV:0.5mass%以下のうちから選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする。   In addition to the above component composition, the ferritic stainless steel of the present invention further includes Ti: 0.5 mass% or less, Zr: 0.5 mass% or less, Co: 0.5 mass% or less, and V: 0.5 mass% or less. It contains 1 type or 2 types or more chosen from these.

本発明によれば、熱疲労特性が従来材と比較して格段に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供することができる。従って、本発明のフェライト系ステンレス鋼は、自動車等の排気系部材の材料として好適である。   According to the present invention, it is possible to provide a ferritic stainless steel that has excellent thermal fatigue characteristics compared to conventional materials. Therefore, the ferritic stainless steel of the present invention is suitable as a material for exhaust system members such as automobiles.

本発明を開発する契機となった基礎的実験について説明する。
C:0.007mass%、N:0.008mass%、Cr:15mass%、Nb:0.5mass%、Mo:1.8mass%およびCu:1.4mass%を含有し、Wを1mass%と3mass%含有する2種類の鋼に、さらに、Cuを0〜1.8mass%の範囲で変化させて添加した鋼を真空溶解炉で溶製し、100kg鋼塊とし、その後、この鋼塊を1100℃に加熱し、熱間圧延して厚さ30mmのシートバーとし、さらに鍛造して厚さ30mm、幅30mmの角棒とした。この角棒に、1000〜1150℃の温度に1〜5分間保持後、冷却速度20℃/sec以上で冷却する仕上熱処理を施した後、図1に示した形状(最細部直径8mmφ)の試験片に加工し、熱疲労試験に供した。
The basic experiment that triggered the development of the present invention will be described.
C: 0.007 mass%, N: 0.008 mass%, Cr: 15 mass%, Nb: 0.5 mass%, Mo: 1.8 mass% and Cu: 1.4 mass%, W is 1 mass% and 3 mass% Further, the steel added by changing Cu in the range of 0 to 1.8 mass% to the two types of steel contained is melted in a vacuum melting furnace to form a 100 kg steel ingot, and then this steel ingot is heated to 1100 ° C. It was heated and hot-rolled to obtain a 30 mm-thick sheet bar, and further forged into a square bar having a thickness of 30 mm and a width of 30 mm. This square bar was held at a temperature of 1000 to 1150 ° C. for 1 to 5 minutes, and then subjected to a finish heat treatment for cooling at a cooling rate of 20 ° C./sec or more, and then the shape shown in FIG. 1 (the finest diameter 8 mmφ) was tested. The piece was processed into a thermal fatigue test.

熱疲労試験は、図2に示したように、最低温度200℃で90sec保持後、6℃/secで最高温度880℃まで昇温し、この温度で120sec保持後、再び最低温度200℃の温度まで−6℃/secで降温するヒートサイクルを1サイクルとする熱処理を繰り返し付与した。この際、見かけ歪は、電気機械システムによって、自由熱膨張収縮歪みの60%(拘束率は40%)となるよう制御した。また、熱疲労寿命は、荷重−歪ヒステリシスループが安定する5サイクル目で発生する最大荷重に対して、90%まで最大荷重が低下した時点でのサイクル数と定義した。   As shown in FIG. 2, in the thermal fatigue test, after holding for 90 seconds at a minimum temperature of 200 ° C., the temperature is raised to a maximum temperature of 880 ° C. at 6 ° C./sec. A heat treatment was repeatedly applied with a heat cycle that lowered the temperature at −6 ° C./sec until 1 cycle. At this time, the apparent strain was controlled by an electromechanical system to be 60% of the free thermal expansion / contraction strain (constraint rate was 40%). The thermal fatigue life was defined as the number of cycles when the maximum load was reduced to 90% with respect to the maximum load generated in the fifth cycle when the load-strain hysteresis loop was stabilized.

上記熱疲労試験の結果を、図2に示した。この結果から、Wを1.0mass%と3.0mass%含有する鋼にCuを添加した場合、いずれの鋼でもCu:1.3mass%以上の添加で熱疲労寿命が向上する傾向が認められる。しかし、Cu添加による熱疲労寿命の向上効果は、W:3mass%含有鋼の方が大きく、Cu:1.3mass%以上の添加で1000サイクルを上回る熱疲労寿命が得られることがわかった。
本発明は、上記知見に基づくものである。
The results of the thermal fatigue test are shown in FIG. From this result, when Cu is added to steel containing 1.0 mass% and 3.0 mass%, the tendency of thermal fatigue life to be improved by adding Cu: 1.3 mass% or more is recognized in any steel. However, it has been found that the effect of improving the thermal fatigue life by adding Cu is larger in the steel containing W: 3 mass%, and the thermal fatigue life exceeding 1000 cycles can be obtained by adding Cu: 1.3 mass% or more.
The present invention is based on the above findings.

次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼が有すべき成分組成について説明する。
C:0.020mass%以下
Cは、鋼の強度を高める元素であるが、0.020mass%超え含有すると、靭性および成形性の低下が顕著となる。特に、成形性を重視する場合には、Cは低いほど望ましいことから、C:0.020mass%以下とする。好ましくは0.008mass%以下である。
Next, the component composition that the ferritic stainless steel of the present invention should have will be described.
C: 0.020 mass% or less C is an element that increases the strength of steel, but if it exceeds 0.020 mass%, the deterioration of toughness and formability becomes significant. In particular, when emphasizing moldability, C is preferably as low as possible, so C: 0.020 mass% or less. Preferably it is 0.008 mass% or less.

Si:0.25mass%以下
Siは、脱酸剤として、また、鋼の強化元素として添加されるが、Siの過剰な添加は、靭性を低下させるので、0.25mass%以下とする。しかし、低減し過ぎると、耐酸化性が劣化するので、0.01mass%以上とするのが好ましい。より好ましくは、0.01〜0.15mass%の範囲である。
Si: 0.25 mass% or less Si is added as a deoxidizer and as a steel strengthening element. However, excessive addition of Si reduces toughness, so it is made 0.25 mass% or less. However, if the amount is reduced too much, the oxidation resistance deteriorates, so it is preferably 0.01% by mass or more. More preferably, it is the range of 0.01-0.15 mass%.

Mn:2.0mass%以下
Mnは、脱酸剤としての作用を有するとともに、酸化皮膜の密着性を向上させる元素である。しかし、過剰に添加すると、粗大なMnSを形成し、成形性や耐食性を低下させる。よって、本発明では、Mn:2.0mass%以下とする。好ましくは1.5mass%以下である。
Mn: 2.0 mass% or less Mn is an element that acts as a deoxidizer and improves the adhesion of the oxide film. However, when added excessively, coarse MnS is formed, and moldability and corrosion resistance are lowered. Therefore, in this invention, it is set as Mn: 2.0 mass% or less. Preferably it is 1.5 mass% or less.

P:0.060mass%以下
Pは、鋼中に不可避的に混入してくる不純物であり、また、成形性や靭性を低下させる有害な元素でもあるので、できるだけ低減するのが望ましい。しかし、過度の低減は、脱Pコストを上昇させることから、P:0.060mass%以下とする。好ましくは、0.030mass%以下である。
P: 0.060 mass% or less P is an impurity inevitably mixed in steel, and is also a harmful element that lowers formability and toughness. Therefore, it is desirable to reduce it as much as possible. However, excessive reduction increases the de-P cost, so P: 0.060 mass% or less. Preferably, it is 0.030 mass% or less.

S:0.008mass%以下
Sは、鋼中に不可避的に混入してくる不純物であり、また、耐食性を低下させる有害な元素でもあるので、できるだけ低減するのが望ましい。しかし、過度の低減は、脱Sコストを上昇させることから、S:0.008mass%以下とする。好ましくは、0.005mass%以下である。
S: 0.008 mass% or less S is an impurity inevitably mixed in the steel, and is also a harmful element that lowers the corrosion resistance. Therefore, it is desirable to reduce it as much as possible. However, excessive reduction increases the S-removal cost, so S: 0.008 mass% or less. Preferably, it is 0.005 mass% or less.

Cr:13.0〜16.0mass%
Crは、フェライトステンレス鋼の基本特性である耐食性や耐酸化性を向上させる重要な元素であり、このような効果は13.0mass%以上の添加で認められる。しかし、過剰の添加は、靭性の低下を招くので、上限は16.0mass%とする。好ましくは、14.0〜16.0mass%の範囲である。
Cr: 13.0 to 16.0 mass%
Cr is an important element that improves the corrosion resistance and oxidation resistance, which are the basic characteristics of ferritic stainless steel, and such an effect is recognized by addition of 13.0 mass% or more. However, excessive addition causes a decrease in toughness, so the upper limit is made 16.0 mass%. Preferably, it is in the range of 14.0 to 16.0 mass%.

Ni:1.0mass%
Niは、靭性を向上させるのに有効な元素であるが、過剰な添加は、原料コストの増大を招くので1.0mass%以下とする。好ましくは、0.01〜0.8mass%の範囲である。
Ni: 1.0 mass%
Ni is an element effective for improving toughness. However, excessive addition causes an increase in raw material cost, so 1.0 mass% or less. Preferably, it is the range of 0.01-0.8 mass%.

N:0.020mass%以下
Nは、Cと同様に、鋼の強度を増加させる元素である。しかしながら、0.020mass%以上含有すると、靭性および成形性の低下が顕著となるため、Nの上限は0.020mass%とする。好ましくは0.010mass%以下である。
N: 0.020 mass% or less N, like C, is an element that increases the strength of steel. However, if the content is 0.020 mass% or more, the toughness and formability are significantly lowered. Therefore, the upper limit of N is 0.020 mass%. Preferably it is 0.010 mass% or less.

Nb:0.4〜0.6mass%
Nbは、C,Nを固定することによって、鋼の成形性や耐食性等を向上させる。また、鋼中に固溶することにより、高温強度を高める効果を有する。このような効果は、0.4mass%以上の含有で認められる。一方、過剰な添加は、靭性の低下を招くため、0.6mass%以下とする。好ましくは0.45〜0.55mass%の範囲である。
Nb: 0.4 to 0.6 mass%
Nb improves the formability and corrosion resistance of steel by fixing C and N. Moreover, it has the effect of increasing high-temperature strength by dissolving in steel. Such an effect is recognized when the content is 0.4 mass% or more. On the other hand, excessive addition causes a decrease in toughness, so the content is made 0.6 mass% or less. Preferably it is the range of 0.45-0.55 mass%.

Cu:1.3〜1.9mass%
Cuは、排気系部材が受ける熱サイクルにおいて微細に析出し、鋼の耐力を向上させる他、高温においては鋼中固溶し、鋼の強化する作用を有するため、本発明においては極めて重要な元素である。しかし、Cr:15mass%、Mo:1.8mass%、Nb:0.5mass%をベースとし、これにWを添加した成分系の鋼においては、上記Cu添加の効果が発現する範囲が限定され、1.3mass%以上の添加で顕著に認められる。しかし、過剰な添加は、鋼を脆化させるため、上限は1.9mass%とする。好ましくは1.4〜1.8mass%の範囲である。
Cu: 1.3-1.9 mass%
Since Cu precipitates finely in the thermal cycle that the exhaust system member receives and improves the yield strength of the steel, it has a function of solid-dissolving in the steel at a high temperature and strengthening the steel, so it is extremely important in the present invention. It is an element. However, Cr: 15 mass%, Mo: 1.8 mass%, Nb: 0.5 mass% as a base, in the component steel in which W is added thereto, the range in which the effect of the Cu addition is expressed is limited, Remarkably observed with addition of 1.3 mass% or more. However, excessive addition causes embrittlement of the steel, so the upper limit is made 1.9 mass%. Preferably it is the range of 1.4-1.8 mass%.

Mo:1.0〜2.5mass%
Moは、鋼中に固溶することにより、高温強度および耐酸化性を高める元素であり、本発明においては重要な成分である。これらの効果は、Mo:1.0mass%以上の添加で認められる。しかしながら、過剰の添加は、原料コストの増大を招くため、2.5mass%以下に制限する。好ましくは、Mo:1.3〜2.0mass%の範囲である。
Mo: 1.0-2.5 mass%
Mo is an element that enhances high-temperature strength and oxidation resistance by dissolving in steel, and is an important component in the present invention. These effects are recognized when Mo: 1.0 mass% or more is added. However, excessive addition causes an increase in raw material cost, so it is limited to 2.5 mass% or less. Preferably, it is the range of Mo: 1.3-2.0 mass%.

W:2.0〜4.0mass%
Wは、Moと同様、鋼中に固溶することにより、高温強度および耐酸化性を高める元素であり、本発明においては重要な成分である。これらの効果は、W:2.0mass%以上の添加で認められる。しかしながら、過剰の添加は、原料コストの増大を招くため、4.0mass%以下に制限する。好ましくは、W:2.0〜3.5mass%の範囲である。
W: 2.0-4.0 mass%
W, like Mo, is an element that improves the high-temperature strength and oxidation resistance by dissolving in steel, and is an important component in the present invention. These effects are recognized when W: 2.0 mass% or more is added. However, excessive addition causes an increase in raw material cost, so it is limited to 4.0 mass% or less. Preferably, it is the range of W: 2.0-3.5mass%.

B:0.0005〜0.0100mass%
Bは、加工性、特に2次加工性を向上させる元素である。このような効果は、0.0005mass%以上で認められるが、0.0100mass%以上添加すると、BNが析出し、却って加工性が低下するため、上限は0.0100mass%とする。好ましくは、0.0005〜0.0050mass%の範囲である。
B: 0.0005 to 0.0100 mass%
B is an element that improves workability, particularly secondary workability. Such an effect is recognized at 0.0005 mass% or more. However, when 0.0100 mass% or more is added, BN precipitates and the workability is lowered, so the upper limit is set to 0.0100 mass%. Preferably, it is in the range of 0.0005 to 0.0050 mass%.

本発明のフェライト系ステンレス鋼は、上記成分に加えてさらに、Ti,Zr,CoおよびVのうちから選ばれる1種または2種以上を下記の範囲で含有することができる。
Ti:0.5mass%以下
Tiは、成形性を向上させる元素であり、C,Nとの親和力がNbより強く優先して結合するため、有効Nbの固溶量を増加させる効果がある。このような効果は、Ti:0.02mass%以上で認められるが、0.5mass%超え添加すると、粗大なTi(C、N)が析出し、表面性状を劣化させる。よって、Tiの上限は0.5mass%とするのが好ましい。より好ましくは、0.02〜0.4mass%の範囲である。
In addition to the above components, the ferritic stainless steel of the present invention may further contain one or more selected from Ti, Zr, Co and V in the following range.
Ti: 0.5 mass% or less Ti is an element that improves formability, and has an effect of increasing the solid solution amount of effective Nb because the affinity with C and N is preferentially bonded with priority over Nb. Such an effect is recognized at Ti: 0.02 mass% or more, but when added exceeding 0.5 mass%, coarse Ti (C, N) precipitates and deteriorates the surface properties. Therefore, the upper limit of Ti is preferably 0.5 mass%. More preferably, it is the range of 0.02-0.4 mass%.

Zr:0.5mass%以下
Zrは、Tiと同様、成形性を向上させる元素であり、C,Nとの親和力がNbより強く優先して結合するため、有効Nbの固溶量を増加させる。このような効果は、0.02mass%以上で認められるが、Zr:0.5mass%を超える含有は、Zr金属間化合物が析出し、鋼を脆化させる。よって、Zrの上限は0.5mass%とするのが好ましい。より好ましくは、0.02〜0.4mass%の範囲である。
Zr: 0.5 mass% or less Zr is an element that improves formability, like Ti, and has an affinity for C and N that is strongly prioritized and bonded to Nb, and therefore increases the amount of solid solution of effective Nb. Such an effect is recognized at 0.02 mass% or more, but if it exceeds Zr: 0.5 mass%, a Zr intermetallic compound precipitates and the steel is embrittled. Therefore, the upper limit of Zr is preferably 0.5 mass%. More preferably, it is the range of 0.02-0.4 mass%.

Co:0.5mass%以下
Coは、高温強度を高めるのに有効な元素であり、必要に応じて添加することができる。この効果は、0.1mass%以上の添加で認められるが、過剰な添加は、コストの上昇を招くため、上限を0.5mass%とするのが好ましい。より好ましくは0.3〜0.5mass%の範囲である。
Co: 0.5 mass% or less Co is an element effective for increasing the high-temperature strength, and can be added as necessary. Although this effect is recognized by addition of 0.1 mass% or more, excessive addition causes an increase in cost, so the upper limit is preferably set to 0.5 mass%. More preferably, it is the range of 0.3-0.5 mass%.

V:0.5mass%以下
Vは、成形性を高めるのに有効な元素である。しかし、0.5mass%を超える過剰な添加は、粗大なV(C,N)が析出して表面性状を劣化させる。このため、Vを添加する場合は、0.5mass%以下とするのが好ましい。
V: 0.5 mass% or less V is an element effective for improving moldability. However, excessive addition exceeding 0.5 mass% causes coarse V (C, N) to precipitate and deteriorates the surface properties. For this reason, when adding V, it is preferable to set it as 0.5 mass% or less.

なお、本発明の鋼板は、上記成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。ただし、本発明の作用効果を害さない範囲であれば、上記以外の成分の含有を拒むものではない。   In the steel sheet of the present invention, the balance other than the above components is Fe and inevitable impurities. However, as long as the effects of the present invention are not impaired, the inclusion of components other than those described above is not rejected.

本発明に係るフェライト系ステンレス鋼を製造する方法は、とくに限定されるものではなく、公知の方法を適用することができる。例えば、本発明に適合する成分組成を有する鋼を転炉や電気炉等の公知の方法で溶製し、さらに必要に応じて取鍋精錬、真空精錬等の2次精錬を施したのち連続鋳造法あるいは造塊−分塊圧延法で鋼片(スラブ)とする。その後、熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上焼鈍、酸洗等の各工程を順次経て冷延焼鈍板とするのが好ましい。なお、上記冷間圧延は、1回または中間焼鈍を挟む2回以上行ってもよい。また、冷間圧延以外に、仕上焼鈍、酸洗工程も繰り返して行ってもよい。また、熱延板焼鈍は、省略してもよい。さらに、鋼板表面に光沢性が要求される場合には、スキンパス圧延を施してもよい。   The method for producing the ferritic stainless steel according to the present invention is not particularly limited, and a known method can be applied. For example, steel having a component composition suitable for the present invention is melted by a known method such as a converter or an electric furnace, and further subjected to secondary refining such as ladle refining or vacuum refining, and then continuous casting. Steel strip (slab) is formed by the method or ingot-bundling rolling method. Then, it is preferable to make it a cold-rolled annealing board through each process, such as hot rolling, hot-rolled sheet annealing, pickling, cold rolling, finish annealing, pickling. The cold rolling may be performed once or twice or more with intermediate annealing. Further, in addition to cold rolling, finish annealing and pickling steps may be repeated. Moreover, you may abbreviate | omit hot-rolled sheet annealing. Furthermore, when glossiness is required on the steel sheet surface, skin pass rolling may be performed.

表1に示す成分組成を有する鋼を真空溶解炉で溶製して100kg鋼塊とし、その後、この鋼塊を1200℃に加熱し、熱間圧延して厚さ30mmのシートバーとし、さらに、鍛造して厚さ30mm×幅30mmの角棒とした。次いで、この角棒に、1000〜1150℃×1〜5分間保持後、冷却速度20℃/sec以上で冷却する仕上熱処理を施した後、図1に示した形状(最細部直径8mmφ)の試験片に加工し、熱疲労試験に供した。   Steel having the composition shown in Table 1 is melted in a vacuum melting furnace to form a 100 kg steel ingot, and then the steel ingot is heated to 1200 ° C. and hot-rolled into a 30 mm thick sheet bar. Forged into square bars with a thickness of 30 mm and a width of 30 mm. Next, after holding the plate at 1000 to 1150 ° C. for 1 to 5 minutes and then subjecting it to a finish heat treatment at a cooling rate of 20 ° C./sec or more, the test of the shape shown in FIG. The piece was processed into a thermal fatigue test.

熱疲労試験は、図2に示した、最低温度200℃で90sec保持後、6℃/secで最高温度880℃まで昇温し、この温度で120sec保持後、再び最低温度200℃の温度まで−6℃/secで降温するヒートサイクルを1サイクルとする熱処理を繰り返し付与した。この際、見かけ歪は、電気機械システムによって、自由熱膨張収縮歪みの60%(拘束率:40%)となるよう制御した。また、熱疲労寿命は、荷重−歪ヒステリシスループが安定する5サイクル目で発生する最大荷重に対して、90%まで最大荷重が低下した時点でのサイクル数とし、このサイクル数が1200を超えるものを熱疲労特性に優れる(○)と評価した。   The thermal fatigue test shown in FIG. 2 was held at a minimum temperature of 200 ° C. for 90 seconds, then heated to 6 ° C./sec to a maximum temperature of 880 ° C., held at this temperature for 120 seconds, and again to a minimum temperature of 200 ° C. The heat treatment which makes the heat cycle which falls at 6 degrees C / sec 1 cycle was repeatedly provided. At this time, the apparent strain was controlled to be 60% (constraint rate: 40%) of the free thermal expansion / contraction strain by an electromechanical system. The thermal fatigue life is the number of cycles when the maximum load is reduced to 90% of the maximum load generated in the fifth cycle when the load-strain hysteresis loop is stabilized, and the number of cycles exceeds 1200. Was evaluated as being excellent in thermal fatigue properties (◯).

Figure 0005141295
Figure 0005141295

上記熱疲労試験の結果を、表1中に併記した。表1から、本発明の成分組成を満たすフェライト系ステンレス鋼は、いずれも熱疲労寿命が1200サイクルを超えており、良好な熱疲労特性を有していることがわかる。これに対して、本発明の成分組成を外れる比較例の鋼は、熱疲労寿命が1200サイクルに達していない。   The results of the thermal fatigue test are also shown in Table 1. From Table 1, it can be seen that all the ferritic stainless steels satisfying the component composition of the present invention have a thermal fatigue life exceeding 1200 cycles and have good thermal fatigue characteristics. On the other hand, the steel of the comparative example which deviates from the component composition of the present invention has a thermal fatigue life of not reaching 1200 cycles.

本発明のフェライト系ステンレス鋼は、熱疲労特性に優れているので、自動車等の排気系部材の他、火力発電システムの排気経路部材や固体酸化物形の燃料電池用部材としても用いることができる。また、本発明の鋼板は、CrやMoを含有しているため、耐食性鋼板としても用いることができる。   Since the ferritic stainless steel of the present invention has excellent thermal fatigue characteristics, it can be used as an exhaust path member of a thermal power generation system or a solid oxide fuel cell member in addition to an exhaust system member of an automobile or the like. . Moreover, since the steel plate of this invention contains Cr and Mo, it can be used also as a corrosion-resistant steel plate.

熱疲労試験片を説明する図である。It is a figure explaining a thermal fatigue test piece. 熱疲労試験の加熱サイクル、歪サイクルを説明する図である。It is a figure explaining the heating cycle of a thermal fatigue test, and a distortion cycle. Nb,Cr含有鋼の熱疲労寿命に及ぼすW,Cu添加の影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of W and Cu addition on the thermal fatigue life of Nb and Cr containing steel.

Claims (2)

C:0.020mass%以下、
Si:0.25mass%以下、
Mn:2.0mass%以下、
P:0.060mass%以下、
S:0.008mass%以下、
Cr:13.0〜16.0mass%、
Ni:1.0mass%以下、
N:0.020mass%以下、
Nb:0.4〜0.6mass%、
Cu:1.3〜1.9mass%、
Mo:1.0〜2.5mass%、
W:2.0〜2.93mass%、
B:0.0005〜0.0100mass%を含有し、
残部はFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するフェライト系ステンレス鋼。
C: 0.020 mass% or less,
Si: 0.25 mass% or less,
Mn: 2.0 mass% or less,
P: 0.060 mass% or less,
S: 0.008 mass% or less,
Cr: 13.0 to 16.0 mass%,
Ni: 1.0 mass% or less,
N: 0.020 mass% or less,
Nb: 0.4 to 0.6 mass%,
Cu: 1.3-1.9 mass%,
Mo: 1.0 to 2.5 mass%,
W: 2.0~ 2.93 mass%,
B: 0.0005 to 0.0100 mass% is contained,
The balance is ferritic stainless steel having a composition composed of Fe and inevitable impurities.
上記成分組成に加えてさらに、Ti:0.5mass%以下、Zr:0.5mass%以下、Co:0.5mass%以下およびV:0.5mass%以下のうちから選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。 In addition to the above component composition, Ti: 0.5 mass% or less, Zr: 0.5 mass% or less, Co: 0.5 mass% or less, and V: 0.5 mass% or less The ferritic stainless steel according to claim 1, comprising:
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