JP5252959B2

JP5252959B2 - 自動車排熱回収装置

Info

Publication number: JP5252959B2
Application number: JP2008072881A
Authority: JP
Inventors: 太一朗溝口; 和加大原田; 宏紀冨村
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: JP2009228036A

Description

本発明は、排気ガスの結露と蒸発が繰り返される排気ガス凝縮水に対する耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼からなる自動車排熱回収装置に関する。

近年、自動車業界における環境規制がますます強くなり、さらなる燃費向上が要求されている状況である。燃費を向上させる方法の１つに、エンジンから出る排気ガスの熱を、有効に利用する方法がある。熱を回収する装置を排熱回収装置と呼ぶ。この装置は触媒コンバータとマフラーの間に設置される。触媒コンバータの前に設置すると、触媒コンバータに入る排ガスの温度が低くなり、触媒コンバータがその機能を十分に発揮できなくなるし、マフラーの後ろに設置すると、排熱回収装置に入る排ガスの温度が低くなり、利用できる熱が少なくなるためである。

自動車の排気ガスには、人体や環境に悪影響を及ぼす有害なガスが含まれている。このため、自動車の燃焼ガスは触媒コンバータによって無害なものに浄化されている。しかし、コールドスタート時には燃料過多の状態でエンジンが稼動され、しかも触媒コンバータの温度が低いために浄化機能が十分ではなく、有害な燃焼ガスは浄化しきれないで排気されている。そして、排ガス流路部材の温度が排気ガスの露点以下の場合には、排気ガスは結露して凝縮する。

凝縮水の組成は、主として無機塩と有機化合物である。そして、無機塩は、Ｃｌ⁻、ＳＯ_４ ^２−、ＳＯ_３ ^２−、ＮＯ_３ ⁻、ＨＣＯ_３ ⁻およびＣＯ_３ ^２−のアンモニウム塩であり、有機化合物はアルデヒド及びギ酸、酢酸のアンモニウム塩である。
凝縮水は排気ガスによって加熱され、水分が蒸発しイオン種は濃化するとともに、アンモニウムイオン塩は分解して酸になる。酸としては、ＨＣｌ、Ｈ_２ＳＯ_４、Ｈ_２ＳＯ_３、ＨＮＯ_３、ギ酸および酢酸が形成される。しかし、これらは系外へ全て排出されるわけではなく、次第に排ガス流路部材内部で濃化する。
このように、排ガス流路部材は、排気ガスの凝縮と蒸発の繰返しによって腐食環境が厳しくなる。特に排気系部材にステンレス鋼を用いた場合には、問題となる腐食形態は孔食と隙間腐食である。

排気ガスの凝縮と蒸発の繰返しによる腐食が問題となる代表的な排ガス流路部材は自動車マフラーである。これまで、マフラー用のステンレス鋼として、ＳＵＳ４３６Ｌ（ＬｏｗＣ、Ｎ−１８Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｔｉ）やＳＵＳ４３６Ｊ１Ｌ（ＬｏｗＣ、Ｎ−１７．５Ｃｒ−０．５Ｍｏ−Ｎｂ（Ｔｉ））が用いられている他、特許文献１〜３に示すフェライト系ステンレス鋼も開示されている。

特開平５−８６４４０号公報特開２００７−９２１６３号公報特開２００５−２７２９３７号公報

排熱回収装置は、触媒コンバータとマフラーの間に設置されることから、従来のマフラーと同様の環境であると考えられた。したがって、ＳＵＳ４３６Ｌ、ＳＵＳ４３６Ｊ１Ｌ、あるいは特許文献１〜３のようなマフラー用のステンレス鋼を用いることで、排熱回収装置は十分な耐久性を有することが期待された。しかし発明者らの検討によれば、これらのステンレス鋼を用いて作製した排熱回収装置は安定した耐久性を示さないことが分かった。
排熱回収装置は排気ガスの熱を奪うためにコールドスタート時以外でも結露がおこり、マフラーに比べて、排気ガス凝縮水の濃度が高くなるためであると考えられる。したがって、排熱回収装置にはマフラーに比べてより耐食性が高いステンレス鋼を使用する必要があることが明らかになった。

本発明では上記目的を達成するために、
Ｃ：０．０２０質量％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．７０質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．７０質量％、Ｐ：０．０４５質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以下、Ｎｉ：０．７０質量％以下、Ｃｒ：１８．００〜２５．５０質量％、Ｃｕ：０．７０質量％以下、Ｍｏ：２／（Ｃｒ−１７．００）〜１．０７質量％、Ｎ：０．０２０質量％以下、Ｔｉ：０．５０質量％以下及びＮｂ：０．５０質量％以下の１種または２種以上でかつ（Ｔｉ＋Ｎｂ）≧（７×（Ｃ＋Ｎ）＋０．０５）であって、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有するフェライト系ステンレス鋼を、排気ガス凝縮水が生成する部位に使用することで、耐久性の高い排熱回収装置を提供する。

本発明によれば、排気ガスの凝縮‐蒸発環境において、耐孔食性および耐隙間腐食性が優れた、耐久性の高い排熱回収装置が提供される。

凝縮水の組成は、主として無機塩と有機化合物である。無機塩は、Ｃｌ⁻、ＳＯ_４ ^２−、ＳＯ_３ ^２−、ＮＯ_３ ⁻、ＨＣＯ_３ ⁻、ＣＯ_３ ^２−のアンモニウム塩であり、有機化合物はアルデヒドおよびギ酸、酢酸のアンモニウム塩である。
凝縮水は排気ガスにより加熱され、水分が蒸発し、イオン種は濃化するとともに、各々のアンモニウム塩は分解してそれぞれ酸になる。酸としては、ＨＣｌ、Ｈ_２ＳＯ４、Ｈ_２ＳＯ_３、ＨＮＯ_３、ギ酸および酢酸が形成される。しかし、これらは系外へ全て排出されるわけではなく、次第にマフラー内で濃化する。
このように、排ガス流路部材は、排気ガスの凝縮と蒸発の繰返しによって腐食環境が厳しくなる。特に排気系部材にステンレス鋼を用いた場合には、問題となる腐食形態は孔食と隙間腐食である。

凝縮水のうち、特に腐食への影響が大きいイオン種はＣｌ⁻とＳＯ_３ ^２−であり、さらに凝縮水の蒸発過程でＨＣｌおよびＨ_２ＳＯ_４に変化してｐＨが低下し、ステンレス鋼の腐食を促進する。

発明者らは、このような排ガス流路部材の耐食性低下要因を種々検討した結果、Ｃｌ⁻濃度とｐＨが同じであっても、ＳＯ_３ ^２−濃度が高い場合、その還元作用によって不動態皮膜が破壊され、腐食が起こることが分かった。
また、このような腐食に対してはＣｒ量の増加とＭｏの添加が有効であり、Ｃｒ量を増加するとともに、適量のＭｏを添加することによって孔食あるいは隙間腐食の発生を抑制できることがわかった。特に、Ｃｒ量が多い場合ほど、比較的Ｍｏ量が少量であっても耐食性が向上することを見出し、本発明に至った。

Ｃ：０．０２０質量％以下、Ｎ：０．０２０質量％以下
Ｃ、Ｎはステンレス鋼中に不可避的に含まれる元素である。Ｃ含有量およびＮ含有量を低減すると、炭化物、窒化物の生成が少なくなり、溶接性および溶接部の耐食性が向上する。しかし、低減のためには精錬時間が長くなり、ステンレス鋼製造のコスト上昇を招くため、Ｃは０．０２０質量％まで、Ｎは０．０２０質量％までの含有を許容することにした。

Ｓｉ：０．０５〜０．７０質量％
Ｓｉはステンレス鋼の脱酸剤として添加される。しかし多量に添加すると、鋼を硬質化して加工性を低下させることから、本発明においては、上限を０．７０質量％とする。

Ｍｎ：０．０５〜０．７０質量％
Ｍｎはステンレス鋼に不純物として含まれているＳと結合し、化学的に不安定な硫化物であるＭｎＳを形成して耐食性を低下させる。さらに固溶するＭｎも耐食性を阻害する。
したがってＭｎ含有量は低いほど好ましく、本発明においては、０．７０質量％を上限とする。

Ｐ：０．０４５質量％以下
Ｐは母材および溶接部の靭性を低下させることから、低いほど好ましい。しかし、含Ｃｒ鋼の脱Ｐは困難であり、極度にＰ含有量を低下させることは製造コストの上昇を招く。したがって、本発明では０．０４５質量％まで含有することを許容する。

Ｓ：０．００５質量％以下
ＳはＭｎと硫化物を形成して孔食の起点となることから、Ｓ量は低いほど好ましい。しかし極度にＳ含有量を低下させることは製造コストの上昇を招く。したがって、本発明では０．００５質量％まで含有することを許容する。

Ｃｒ：１８．００〜２５．５０質量％
Ｃｒはステンレス鋼の表面に不動態皮膜を形成する主要な合金元素であり、耐孔食性、耐隙間腐食性および一般耐食性を向上させる。本発明では、Ｃｒ量が一定以上である場合に、Ｍｏによる耐食性向上効果が著しく向上することを特徴としている。したがって、Ｃｒ量は１８．００質量％以上の添加が必要である。しかし、Ｃｒ含有量を多くすると、硬質化する上に延性が低下し、加工性を損ねる。またステンレス鋼の製造コストが増加する。
したがって、本発明では２５．００質量％を上限とする。

Ｍｏ：２／（Ｃｒ−１７．００）〜１．０７質量％
ＭｏはＣｒと同じく、安定した耐食性を確保するための基本成分である。特に排熱回収装置などの排ガス流路部材が使用される環境においては、Ｍｏの効果はＣｒ量が高い場合ほど表れるため、Ｍｏ量の下限値はＣｒ量によって異なる。本発明では、Ｍｏ量は２／（Ｃｒ−１７．００）以上になるように添加する必要がある。ただし、Ｍｏ量を増加することはコストの増加につながることから、上限を１．０７質量％とする。

Ｎｉ：０．７０質量％以下
Ｎｉを多量に含有すると、フェライト単相組織が維持できなくなり、製造性が低下する。しかも鋼を硬質化して加工性を阻害するので、Ｎｉ含有量は０．７０質量％を上限とする。

Ｃｕ：０．７０質量％以下
Ｃｕを多量に含有すると、フェライト単相組織が維持できなくなり、製造性が低下する。また過剰に添加すると、耐孔食性や耐隙間腐食性を低下させる作用も生じてくる。
したがって、本発明では、Ｃｕ含有量は０．７０質量％を上限とする。

Ｔｉ：０．５０質量％以下
ＴｉはＣ、Ｎを固定し、ステンレス鋼で問題となる粒界腐食を防止するのに有効な元素である。ただし過剰に添加すると、大型介在物などに起因する加工性の低下が認められる場合もあり、本発明では０．５０質量％を上限とする。

Ｎｂ：０．５０質量％以下
ＮｂはＴｉと同様に、Ｃ、Ｎを固定し、ステンレス鋼で問題となる粒界腐食を防止するのに有効な元素である。ただし過剰に添加するとステンレス鋼を硬質化するので、本発明では、０．５０質量％を上限とする。

Ｔｉ＋Ｎｂ：（７×（Ｃ＋Ｎ）＋０．０５）以上
ＴｉおよびＮｂはＣ、Ｎを固定する目的で添加するものであるから、Ｃ、Ｎ量に応じた適量を添加する必要がある。本発明では、ＴｉとＮｂをあわせて、（７×（Ｃ＋Ｎ）＋０．０５）以上の添加を必要とする。

Ａｌ：０．０２〜０．７０質量％
Ａｌは脱酸材として用いられる元素であるが、排気ガス加熱によって表面にＡｌ酸化物皮膜を形成し、Ｆｅ及びＣｒの酸化を抑制し、耐食性の低下を抑える。したがって、比較的高い温度の加熱を受ける部材に適用する場合に有効に作用する。Ａｌ含有量が０．０２質量％に満たない場合は有効なＡｌ酸化皮膜は形成されない。逆に０．７質量％を越えて添加すると、素材の表面品質や溶接性を低下させることになる。したがって、０．７質量％を上限とする。

以上で説明した合金成分以外は不純物である。ステンレス鋼に不可避的に混入しやすい不純物としては、Ｃａ、Ｂ、ＲＥＭ等が挙げられる。これらは、副原料、電気炉を構成する耐火焼瓦や炉壁の付着物、スラグ等からの混入が考えられる。Ｃａ、Ｂ及びＲＥＭは耐食性を阻害したり、表面性状を悪化したりすることのない許容量である、０．０１０質量％を上限とする。

以上で説明したフェライト系ステンレス鋼を素材として、排ガス流路部材を製造する。装置の形状および構造は公知の製造方法が採用される。成形手段に制限はなく、溶接やプレス加工等によって製造される。

表１に示す化学成分を有するステンレス鋼を溶製し、熱間圧延によって板厚３．０ｍｍの熱延板を製造した。この熱延板を板厚１．０ｍｍまで冷間圧延し、１０００℃で仕上焼鈍を施し、酸洗した後、試験に供した。
表１中、Ｎｏ．１〜１０は本発明で規定する組成範囲の鋼である。

これに対して、Ｎｏ．１１〜１９は比較鋼である。このうち、Ｎｏ．１５はマフラー用の素材として利用されることのある、ＳＵＳ４３６Ｊ１Ｌ、Ｎｏ．１７はＳＵＳ４３６Ｌである。

〔煮沸結露試験〕
排気ガスの凝縮と蒸発が繰り返される排熱回収装置内部を模擬するために、図１に示す試験方法によって耐食性を評価した。
試験片は板厚１．０ｍｍの各ステンレス鋼から、５０ｍｍ×１２０ｍｍと、５０ｍｍ×９０ｍｍの短冊型試験片を切り出し、重ね合わせて中央部をスポット溶接して隙間構造試験片を作製した。試験液は実車の排熱回収装置から採取した凝縮水の分析例を参考にして作成した。表２に試験液の組成を示す。なお試験液の調整はいずれもアンモニウム塩で行った。表中のイオン種のうち、Ｃｌ⁻とＳＯ_３ ^２−は腐食性が強い。これらのイオンは実車の排熱回収装置の凝縮水で分析される量よりも高い濃度に設定している。

煮沸結露試験では、試験片を試験液に半浸漬状態で浸漬し、４時間煮沸して試験液を６倍まで濃縮し、その後、温度３０℃、相対湿度８０％の結露条件で２０時間保持した。これを５回繰返し、排気ガスによる加熱を模擬して４００℃×８時間の加熱を加えるサイクルを２回繰り返した。
煮沸結露試験後、スポット溶接のナゲットをドリルにてくりぬき、隙間面に生じた侵食深さを測定した。その測定結果を図２に示す。

図２の結果からわかるように、本発明鋼の孔食深さは０．１ｍｍ以下であり、排熱回収装置として必要な耐食性を有していることが確認された。

本発明によれば、使用中に高濃度の排気ガス凝縮水に接しても安定した耐久性を有する排熱回収装置を提供することができる。

排気ガスの結露環境を模して行った煮沸・結露試験方法煮沸・結露試験結果

Claims

Ｃ：０．０２０質量％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．７０質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．７０質量％、Ｐ：０．０４５質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以下、Ｎｉ：０．７０質量％以下、Ｃｒ：１８．００〜２５．５０質量％、Ｃｕ：０．７０質量％以下、Ｍｏ：２／（Ｃｒ−１７．００）〜１．０７質量％、Ｎ：０．０２０質量％以下、Ｔｉ：０．５０質量％以下及びＮｂ：０．５０質量％以下の１種または２種以上でかつ（Ｔｉ＋Ｎｂ）≧（７×（Ｃ＋Ｎ）＋０．０５）であって、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有するフェライト系ステンレス鋼を素材として構成されたことを特徴とする自動車排熱回収装置。