JP5588198B2 - 耐酸化性、耐二次加工脆性及び溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

本発明は、耐酸化性、耐二次加工脆性及び溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼に関するものである。

Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス鋼は、非常に優れた耐高温酸化性を示すことを特徴とし、電熱器の発熱体、燃焼筒、自動車排ガス経路の触媒コンバーター等、高温に曝される部品の材料に使用されている。Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス鋼が優れた耐高温酸化性を示すのは、高温下で材料表面に主にＡｌ系酸化物からなる強固で緻密な酸化皮膜を形成し、これが酸化に対して保護層の役割を果たすからである。

自動車分野において、自動車の排ガス規制の強化による排ガス温度の上昇に伴い、耐熱性に優れた鋼が必要とされつつある。エンジンに隣接したエキゾーストマニホールド部や排ガス経路部に設置されている排ガスセンサー等に用いられる材料は、５００℃以上の高温に曝されるため、優れた耐高温酸化性が要求される。また、それらの部品は製品形状が複雑で多段絞りが施されることもあるため、材料の二次加工性、特に耐二次加工脆性も重要となる。

一般にフェライト系ステンレス鋼の二次加工性を向上させる元素としてＢが知られている。Ｂを添加して加工性を改善したＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系フェライト系ステンレス鋼は、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１によると、Ｂの添加によって、成形時の二次加工割れを防止する効果があるとされている。

特開２００１−３１６７７３号公報

例えば、排ガスセンサーのセンサー素子カバーに用いられる材料として、高級品種であるＳＵＳ３１０Ｓが主に採用されているが、コスト低減の観点からフェライト系ステンレスを適用できれば工業的な価値は非常に高いといえる。ここで、排ガスセンサーは、水蒸気を含む最高１０５０℃の排ガス雰囲気に曝されるため、耐酸化性に優れるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス鋼は、本用途に好適といえる。

しかしながら、排ガスセンサーのセンサー素子カバーに用いられる材料は、厳しい条件で複雑な加工が施されるところ、オーステナイト系ステンレス鋼よりも伸び、張り出し性及び二次加工性等に劣るフェライト系ステンレス鋼では、特に多段成形において冬季に脆性的な割れが発生することがある。さらに、上述の部品は加工後に溶接を施されることが多く、溶接時の高温割れに対する感受性も十分に考慮する必要がある。

このように加工性及び溶接性の観点から、耐高温酸化性に優れた従来のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス鋼であっても、要求特性を十分に満たすものとはいえなくなっている。

また、特許文献１に記載の鋼におけるＡｌの含有量は、その鋼を燃焼機器部材に用いる場合、２．５質量％未満であり、これでは、１０００℃を超える水蒸気雰囲気中の耐酸化性が、Ａｌを３質量％含有するＳＵＨ２１相当の鋼に本質的に及ばない可能性がある。また、特許文献１では、２．５質量％以上のＡｌの添加では、加工性及び溶接性に劣ることを開示しており、その改善方法は述べられていない。

本発明は、上記事情にかんがみてなされたものであり、高温の排ガスに曝される部品で使用されても酸化され難く、かつ、耐二次加工脆性及び溶接性に優れる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。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定の２種の元素の組成比と、フェライト系ステンレス鋼の粒界に存在する特定成分の割合とを所定の範囲内に調整することで、フェライト系ステンレス鋼の耐高温酸化性、耐二次加工脆性及び溶接性を良好にすることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、Ｃ：０．０３質量％以下と、Ｓｉ：０．５質量％以下と、Ｍｎ：１．０質量％以下と、Ｐ：０．０４質量％以下と、Ｓ：０．０１質量％以下と、Ｎｉ：０．６質量％以下と、Ｃｒ：１５〜２０質量％と、Ｎ：０．０３質量％以下と、Ｔｉ：０．５質量％以下と、Ｂ：０．０００５〜０．００３質量％と、Ａｌ：２．５質量％以上４．０質量％未満とを含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有するフェライト系ステンレス鋼であって、下記式（１）で表される条件を満足し、かつ、粒界析出物に占めるＣｒ2Ｂの割合が面積率で２０％以下である、耐酸化性、耐二次加工脆性及び溶接性に優れたに優れたフェライト系ステンレス鋼である。
Ｗ_Ti／Ｗ_B≧１００ （１）
ここで、式中、Ｗ_Ti及びＷ_Bはそれぞれ、フェライト系ステンレス鋼の総質量に対するＴｉ及びＢの含有割合（単位：質量％）を示す。

本発明者らは、１８Ｃｒ−３Ａｌ−Ｔｉ鋼を基準にして、耐酸化性、耐二次加工脆性及び溶接性に及ぼす各元素と析出物との影響を検討した。その結果、フェライト系ステンレス鋼（以下、単に「鋼」ともいう。）がＢを０．０００５質量％以上含有することにより、耐二次加工脆性を改善できるだけでなく、耐酸化性も向上できることを確認した。この理由はまだ明らかにできていないが、本発明者らはその理由の一つを下記のように考えている。すなわち、Ｂが、ＰやＳよりも優先的に鋼における酸化物と母材との界面又は粒界に拡散し偏析することで、界面強度及び粒界強度を上昇させ、耐酸化性及び耐二次加工脆性に有害なＰやＳの粒界への偏析を抑制することができる。それと共に、Ｂが粒界に偏析することで粒界自体の強化にも寄与するものと推察される。ただし、鋼がＢを、０．００３質量％を超える量含有すると、溶接性に加えて、靭性及び熱間加工性に影響を及ぼすため、Ｂの含有割合は上述の範囲とするのがよいことを知見した。

本発明者らはさらに、これらの効果を十分に発揮させるためには、鋼の粒界にボライド（ホウ化物、ここでは主としてＣｒ₂Ｂ）が析出していないことが必要となることを見出した。ボライドが形成されると、Ｂによる他の元素の偏析抑制や粒界強化という効果はかえって低下してしまうため、耐酸化性及び耐二次加工脆性の向上効果が低減する。そして、鋼の粒界へのボライドの形成を容易に抑制するためには、上記式（１）で表される条件を満足するように鋼中のＴｉとＢとの組成比を調整すればよいことを新たに知見し、本発明を完成するに至ったのである。

本発明のフェライト系ステンレス鋼は、希土類元素及びＣａからなる群より選択される１種以上の元素０．１０質量％以下を更に含むと好ましい。これにより、フェライト系ステンレス鋼の耐高温酸化性が更に向上する。

本発明のフェライト系ステンレス鋼は、Ｍｏ：０．０５〜０．５質量％、Ｎｂ：０．４質量％以下、Ｃｕ：０．０５〜０．５質量％、Ｖ：０．０５〜０．５質量％、Ｗ：０．０５〜０．５質量％及びＺｒ：０．０５〜０．５質量％からなる群より選択される１種以上の元素を更に含むと好ましい。このような元素を含むフェライト系ステンレス鋼は、靱性が改善したり、高温強度が向上したり、変形し難くなったりする。

本発明のフェライト系ステンレス鋼は、粒界におけるＢの平均含有割合が粒内におけるＢの平均含有割合の１．２倍以上であると好ましい。かかるフェライト系ステンレス鋼は、耐酸化性及び耐二次加工脆性の向上効果が更に高くなる。本発明のフェライト系ステンレス鋼は、落重試験による遷移温度が−２０℃以下であると好ましい。かかるフェライト系ステンレス鋼は、特に耐二次加工脆性に一層優れたものとなる。

本発明のフェライト系ステンレス鋼は、板厚減少率が１０％を超える加工を施され、かつ、５００℃以上の高温環境下に曝される部品の材料として用いられると、本発明による上述の効果を有効に活用することができるので好ましい。

本発明によれば、高温の排ガスに曝される部品で使用されても酸化され難く、かつ、二次加工性及び溶接性に優れるフェライト系ステンレス鋼を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る排ガスセンサーを部分的に示す模式断面図である。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明する。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。また、特記しない限り、各元素の含有割合（単位：質量％）は、フェライト系ステンレス鋼の全量を基準とする。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ：０．０３質量％以下と、Ｓｉ：０．５質量％以下と、Ｍｎ：１．０質量％以下と、Ｐ：０．０４質量％以下と、Ｓ：０．０１質量％以下と、Ｎｉ：０．６質量％以下と、Ｃｒ：１５〜２０質量％と、Ｎ：０．０３質量％以下と、Ｔｉ：０．５質量％以下と、Ｂ：０．０００５〜０．００３質量％と、Ａｌ：１．５質量％以上４．０質量％未満とを含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有するフェライト系ステンレス鋼であって、下記式（１）で表される条件を満足し、かつ、粒界析出物に占めるＣｒ₂Ｂの割合が面積率で２０％以下である。
Ｗ_Ti／Ｗ_B≧１００ （１）
ここで、式中、Ｗ_Ti及びＷ_Bはそれぞれ、フェライト系ステンレス鋼の総質量に対するＴｉ及びＢの含有割合（単位：質量％）を示す。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、高温強度、特にクリープ特性を改善するために、Ｃを含有する。ただし、Ｃの含有割合が高いと、異常酸化が発生しやすくなる。また、Ａｌを多く含むフェライト系ステンレス鋼においては、Ｃの含有割合が高くなると、スラブやホットコイルの靭性が劣化し、製造性が劣化する。したがって、本実施形態において、Ｃの含有割合の上限を０．０３質量％以下に限定する。なお、Ｃの含有割合の下限は、特に限定されず、例えば、０．００２質量％である。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼において、Ｓｉは、赤スケールの生成を抑制する効果を奏する。この観点から、Ｓｉの含有割合は好ましくは０．２５質量％以上である。ただし、Ｓｉを過剰に添加すると、フェライト系ステンレス鋼の靭性及び加工性が低下する。また、Ａｌを含む鋼において、Ｓｉ酸化物の生成が緻密なＡｌ系酸化物層の形成を阻害し、耐高温酸化性を低下させる。これらの観点から、Ｓｉの含有割合は０．５質量％以下である。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、高温酸化を抑制する観点、特にスケール剥離性を抑制する観点から、Ｍｎを含有する。ただし、Ｍｎは、Ｍｎ系酸化物を生成して、緻密なＡｌ系酸化物層の形成を阻害するため、過剰に添加すると耐高温酸化性に影響を及ぼす。そこで、耐高温酸化性を高く維持するために、Ｍｎの含有割合を１．０質量％以下に限定し、０．５質量％以下が好ましい。一方、Ｍｎの含有割合の下限は特に限定されない。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼において、Ｐは、耐高温酸化性及び熱延板の靭性に影響を及ぼすので、その含有割合を０．０４質量％以下に限定する。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼において、Ｓは、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、Ａ１系酸化皮膜の形成を著しく阻害する。したがって、Ｓの含有割合は０．０１質量％以下であり、０．００５質量％以下であると好ましい。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼において、Ｎｉは、鋼中に不可避的に含まれるが、靱性の改善という観点から好ましい元素である。ただし、Ｎｉを多量に含有すると、耐酸化性が低下するため、Ｎｉの含有割合は０．６質量％以下、好ましくは０．２５質量％以下に限定する。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼において、Ｃｒは耐高温酸化性を向上させる元素として基本的かつ有効な元素であり、良好な耐高温酸化性を得るためには、その含有割合は１５質量％以上が必要である。一方、Ｃｒを過剰に添加すると、スラブやホットコイルの靭性を低下させる。したがって、Ｃｒの含有割合は１５〜２０質量％に限定し、好ましくは１７質量％以上１９質量％未満である。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、高温強度、特にクリープ特性を改善するために、Ｎを含有する。ただし、Ｎは鋼中のＡｌと結合してＡｌＮを形成し、異常酸化の起点となる。したがって、耐高温酸化性の向上のため、Ｎの含有割合は０．０３質量％以下に限定する。なお、Ｎの含有割合の下限は、特に限定されず、例えば、０．００２質量％である。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼において、Ａｌは、Ｃｒと同様、耐高温酸化性を得るために最も重要な元素である。優れた耐高温酸化性は、鋼の表面に形成される緻密なＡｌ系酸化物層によって得られる。このＡｌ系酸化物層を形成する観点から、Ａｌの含有割合は１．５質量％以上である。一方、Ａｌを過剰に含有させるとスラブやホットコイルの靭性が劣化するので、その含有割合は４．０質量％未満とする。なお、Ａｌの含有割合が３．５質量％未満であっても、優れた耐高温酸化性が得られるので、製造性、特に熱間加工性及び酸洗性を重視する場合には、Ａｌの含有割合を３．５％未満としてもよい。さらに、より優れた薄肉化又は耐酸化性を要求する場合、Ａｌの含有割合は、好ましくは２．５質量％以上３．５質量％未満、より好ましくは３．０質量％超３．５質量％未満である。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、鋼中の固溶Ｃ及びＮとの結合によりそれらを固定して延性、加工性及び製造性（熱延板の靱性）を向上させる目的から、Ｔｉを含む。また、鋼がＴｉを含有することにより、鋼表面に形成された酸化皮膜の密着性をより高めることができる。これらの観点から、Ｔｉの含有割合は０．１質量％を超えることが好ましい。一方、Ｔｉの含有割合が高くなり過ぎると、鋼表面の酸化皮膜中にＴｉ系酸化物が生成し、Ａｌ系酸化皮膜の欠陥部を増加させて耐高温酸化性を低下させる。また、Ｔｉの含有割合が高くなり過ぎると、Ｔｉが酸化皮膜中に濃化して、鋼の高温での変形を増大させる。これらの観点から、Ｔｉの含有割合は０．５質量％以下であり、０．３質量％以下が好ましい。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、耐二次加工脆性及び耐酸化性を改善する観点から、Ｂを含む。Ｂが、ＰやＳよりも優先的に鋼における酸化物と母材との界面又は粒界に拡散し偏析することで、界面強度及び粒界強度を上昇させ、耐酸化性及び耐二次加工脆性に有害なＰやＳの粒界への偏析を抑制することができると考えられる。また、Ｂが粒界に偏析することで粒界自体の強化にも寄与するものと推察される。かかる観点から、Ｂの含有割合は０．０００５質量％以上である。ただし、Ｂの含有割合が０．００３質量％を超えると、ボライドが粒界に形成するようになり、溶接性に加えて、靭性及び熱間加工性に悪影響を及ぼすため、Ｂの含有割合は０．００３質量％以下である。これらの観点からＢの含有割合は、０．０００５質量％以上０．００２質量％未満であると好ましい。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、上記式（１）で表される条件を満足する。これにより、鋼のＢ粒界偏析を促進することができる。そのことで、耐酸化性及び耐二次加工脆性が更に改善される。かかる観点から、本実施形態の鋼は、下記式（２）で表される条件を満足することが好ましい。また、Ｗ_Ti／Ｗ_Bの上限は特に限定されず、１０００であってもよい。
Ｗ_Ti／Ｗ_B≧１５０ （２）
ここで、式中、Ｗ_Ti及びＷ_Bは上記式（１）におけるものと同義である。

上記式（１）で表される条件を満足しない場合、製造時に大気中から鋼材中に進入するＮとＢとが優先的に結合し、ＢＮを形成する。このことにより、Ｂの粒界偏析の効果を十分に発揮し難くなる。一方、上記式（１）で表される条件を満足する場合、Ｔｉが優先的にＮと反応してＴｉＮを形成するため、固溶するＢの量が増え、粒界にＢが偏析しやすくなると考えられる。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、耐高温酸化性を更に改善する観点から、希土類元素（ＲＥＭ）及びＣａからなる群より選択される１種以上の元素を含有すると好ましい。Ｙ、Ｌａ及びＣｅ等の希土類元素、並びにＣａは、鋼材表面に形成されるＡｌ系酸化皮膜を安定化させ、また、マトリックスと酸化皮膜との密着性を改善することにより、耐高温酸化性を向上させると考えられる。このような効果は、フェライト系ステンレス鋼が上記元素を０．０１質量％以上含有すると一層有効に奏されるので好ましい。一方、上記元素を過剰に添加すると、熱間加工性や靭性を劣化させたり、異常酸化の起点となる介在物が生成しやすくなって、耐高温酸化性が低下したりする。したがって、希土類元素及びＣａからなる群より選択される１種以上の元素の含有割合は、０．１０質量％以下であると好ましく、０．０５質量％以下であるとより好ましい。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、鋼中の固溶Ｃ及びＮとの結合によりそれらを固定して靱性を著しく改善する観点から、Ｎｂ、Ｖ及びＺｒからなる群より選択される１種以上の元素を含むと好ましい。また、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＷからなる群より選択される１種以上の元素を鋼に添加すると、鋼の高温強度が増大すると共に、酸化皮膜が成長する過程で生じる応力を緩和させて、鋼の変形を防止するので好ましい。特にＮｂを鋼に添加すると、Ｔｉの酸化皮膜中での濃化が抑制され高温での変形が抑制できる。一方、それらの元素を過剰に添加すると、鋼の靱性が劣化する傾向にある。これらの観点から、本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、Ｍｏ：０．０５〜０．５質量％、Ｎｂ：０．４質量％以下、Ｃｕ：０．０５〜０．５質量％、Ｖ：０．０５〜０．５質量％、Ｗ：０．０５〜０．５質量％及びＺｒ：０．０５〜０．５質量％からなる群より選択される１種以上の元素を更に含むと好ましい。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼において、粒界析出物に占めるＣｒ₂Ｂの割合は、面積率で２０％以下である。これにより、Ｂによる他の元素の偏析抑制効果や粒界強化を確保することが可能となる。この面積率は、結晶粒界における析出物２０箇所（ただし、１つの粒子の粒界について１箇所）に対して、ＴＥＭの電子線回折パターンを確認し、その２０箇所に対するＣｒ₂Ｂの回折パターンを同定できない箇所の割合（百分率）を１００から差し引いて求められる。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼において、粒界におけるＢの平均含有割合が粒内におけるＢの平均含有割合の１．２倍以上であると好ましい。これにより、鋼の耐酸化性及び耐二次加工脆性を更に向上させることができる。粒内に対する粒界におけるＢの平均含有割合の比（Ｂの偏析状態）は、下記のようにして１．２倍以上か否かを判断される。鋼の試験片断面に対して、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）で結晶粒界を横切るように５箇所線分析し（ただし、１つの粒子について１箇所）、結晶粒界から１００ｎｍ以内のＢのピーク強度（ピーク高さ）が、（結晶粒界から１００ｎｍを超えて離れた）粒内におけるＢのピーク強度（ピーク高さ）の１．２倍以上（ピークが複数存在する場合は、それらのピーク高さの相加平均で比較する。）となる箇所が３箇所以上となった場合に、粒界におけるＢの平均含有割合が粒内におけるＢの平均含有割合の１．２倍以上であるとする。

上記粒界析出物に占めるＣｒ₂Ｂの割合及び粒内に対する粒界におけるＢの平均含有割合の比は、鋼を製造する際の各工程、例えば最終焼鈍の工程、の種々の条件、例えば、冷却速度、を調整することにより、制御することが可能となる。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、各元素の組成を上述の範囲で調整することにより、落重試験による遷移温度を−２０℃以下、好ましくは−４０以下に制御することができる。その遷移温度は、フェライト系ステンレス鋼の耐二次加工脆性の指標となるものであり、数値が小さくなるほど、耐二次加工脆性に優れると判断される。この落重試験による遷移温度は、下記実施例に記載の方法に準じて測定される。

本実施形態の鋼材は、上記フェライト系ステンレス鋼からなるものである。その鋼材は、圧延、鍛造、引き抜き及び鋳造など公知の各種方法により所望の形状に加工されたものであってよい。鋼材としてより具体的には、鋼板、鋼帯、鋼管、条鋼、形鋼、棒鋼及び線材が挙げられる。

従来のフェライト系ステンレス鋼は、耐酸化性の改善を試みると、その部品への成形性及び溶接性が十分でなかったり、加工難易度が高くなりユーザーでの加工割れが発生しやすくなったりする。また、耐高温脆化性の改善を試みた従来のフェライト系ステンレス鋼は、非常に高価な元素であるＺｒ及びＬａが必須元素となるものもあり、経済性の観点から優れたものとはいえない。このように、従来のフェライト系ステンレス鋼は耐二次加工脆性、溶接性及び耐酸化性、特に１０００℃程度の耐高温酸化性とを同時に満足させるものではない。

一方、本実施形態のフェライト系ステンレス鋼及びそのフェライト形ステンレス鋼からなる鋼材は、耐高温酸化性、特に１０００℃程度の耐高温酸化性に優れ、しかも耐二次加工脆性及び溶接性、特に低温における耐二次加工脆性及び溶接性に優れている。したがって、本実施形態のフェライト系ステンレス鋼及びその鋼からなる鋼材は、５００℃以上、より好ましくは１０００℃程度の高温に曝される環境下で用いられ、かつ、冬場の低温時に加工したり複雑な形状及び微細な形状に加工したり、溶接したりして得られる二次加工品に好適に用いられる。また、上述の二次加工品への加工は、板厚減少率（加工前の板厚に対する加工前後の板厚差の割合）が１０％を超えるような加工であると、本発明による効果を有効に活用することができる。そのような二次加工品としては、例えば、排ガスセンサー（より具体的には、Ｏ₂センサー、Ａ／Ｆセンサー、ＮＯｘセンサー、温度センサー）のセンサー素子カバーなどの自動車排ガス経路部材、電熱器の発熱体、ストーブの燃焼筒及び反射板、燃料電池の改質器及び固体酸化物型燃料電池（より具体的には、例えば触媒の担体）が挙げられる。

これらのうち、自動車排ガス経路部材の１種である、Ｏ₂センサー（又はＡ／Ｆセンサー）などの排ガスセンサーについて説明する。図１は、本実施形態に係る排ガスセンサーを部分的に示す模式断面図である。この排ガスセンサー１００は、排ガス中の酸素ガス濃度を検出するためのセンサー素子１１０と、そのセンサー素子１１０を保持する素子保持部材（図示せず）と、その素子保持部材を内側に保持するハウジング１２０と、ハウジングの端部を外周側から覆うように設けた内部カバー１３０と、その内部カバーの更に外側を覆うように設けた外部カバー１４０とを備える。ハウジング１２０、内部カバー１３０及び外部カバー１４０は、それらの重複部分で全周溶接を施されて接合している。本実施形態に係る鋼材は、内部カバー１３０及び外部カバー１４０に採用されている。これらの内部カバー１３０及び外部カバー１４０は、鋼板を深絞り成形により加工して得られたものである。

内部カバー１３０及び外部カバー１４０は、その厚さが例えば１ｍｍ未満と薄く、寸法も直径で１．５〜２．０ｃｍ程度と小さいものである。しかも、排ガスセンサー１００は、１０００℃程度の高温で酸素ガスなどの酸化性ガスを含む排ガスに曝される。したがって、内部カバー１３０及び外部カバー１４０には優れた高温耐酸化性と共に、耐二次加工脆性も要求されるところ、本実施形態の鋼材を採用することにより、その要求を満足することが可能となる。

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、上記組成を有する以外は、常法により製造することができる。また、本実施形態の鋼材及び二次加工品は、そのフェライト系ステンレス鋼を用いる以外は、常法により製造することができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（鋼板の作製）
表１に示す組成（単位：質量部）を有する供試材を真空溶解炉で溶製してインゴットに鋳造した。得られたインゴットに熱間圧延を施した後、９５０℃での焼鈍及び冷間圧延を繰り返して、０．５ｍｍ厚さ及び０．０５ｍｍ厚さの鋼板を作製した。最終焼鈍では、９５０℃で３分間保持し、その後、３００℃まで３０℃／秒以上の速度で冷却した。表１中「−」は検出限界以下であることを示し、Ｔｉ又はＢが検出限界以下である場合はＷ_Ti／Ｗ_Bを算出することはできなかったため、これも「−」で示した。

得られた鋼板について、上述のようにして、粒界析出物に占めるＣｒ₂Ｂの割合及び粒内に対する粒界におけるＢの平均含有割合の比を導出した。Ｃｒ₂Ｂの割合は、面積率が２０％以下である場合を「○」と評価し、２０％を超える場合を「×」と評価した。また、Ｂの平均含有割合の比が１．２倍以上である場合を、Ｂの偏析状態が「○」と評価し、そうでない場合を、Ｂの偏析状態が「×」と評価した。

（酸化増量の測定）
得られた０．５ｍｍ又は０．０５ｍｍ厚さの鋼板から、２５ｍｍ×３５ｍｍの大きさの主面を有する試験片を切り出した。その試験片をエレマ電気炉に収納した後、１０％の水蒸気を含む空気雰囲気下、０．５ｍｍ厚さの鋼板について炉内温度１２５０℃で４００時間、０．０５ｍｍ厚さの鋼板について炉内温度１０００℃で２００時間の連続酸化試験を実施した。その試験前後における試験片の質量変化を測定した。０．５ｍｍ厚さの鋼板について、試験後の質量の増分が試験前の質量よりも１０ｍｇ／ｃｍ²以下である場合を耐酸化性が良好であるとして「○」、１０ｍｇ／ｃｍ²を超える場合を耐酸化性が良好でないとして「×」と評価した。０．０５ｍｍ厚さの鋼板について、試験片の片方の主面（空気雰囲気に接していた方の主面）への異常スケールの付着割合が、その面積の５０％以上であった場合、耐酸化性が良好でなく異常酸化と判断し「×」と評価し、その面積の５０％未満であった場合、耐酸化性が良好であり異常酸化ではないと判断し「○」と評価した。

（落重試験による遷移温度の測定）
上述のようにして得られた０．５ｍｍ厚さの鋼板から、ブランク材をφ４０ｍｍのサイズで打ち抜き、そのブランク材に対して絞り比２．２５の絞り加工を施した。こうして得られた加工品を用いて、種々温度を変化させて落重試験を行った。落重試験は、衝撃荷重を加えるための分銅（質量３ｋｇ）を高さ１００ｍｍのところから加工品に落下（３Ｊ・ｍの衝撃エネルギーに相当）させることで行い、加工品に分銅が衝突することで割れが発生した時の温度を遷移温度とした。この遷移温度が−２０℃以下である場合、耐二次加工脆性が良好であるとして「○」と評価し、−２０℃を超える場合、耐二次加工脆性が良好でないとして「×」と評価した。

（溶接性の評価）
上述のようにして最終焼鈍を施した後の鋼板を、厚さ１．２ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ２００ｍｍのサイズに加工して溶接性評価用の試験片を得た。引張試験により試験片に１０％の歪を与えた後、気温約１０℃、溶接速度３０ｃｍ／分、溶接電流１０５Ａの条件で、試験片の主面中央部にＴＩＧなめ付け溶接を施し、溶接後の割れの有無を目視にて確認した。割れが認められた場合を溶接性が良好でないとして「×」と評価し、割れが認められなかった場合を溶接性が良好であるとして「○」と評価した。

それぞれの試験結果を表２に示す。表２の試験結果にみられるように、本発明鋼Ｎｏ．１〜１０は、いずれも耐酸化性、二次加工性及び溶接性に優れており、Ｂの偏析、ボライドの抑制について、それぞれ満足している。

一方、比較鋼Ｎｏ．１１〜１９は、いずれも耐酸化性及び耐二次加工脆性の特性を両立せず不十分である。これらのうち比較鋼Ｎｏ．１２は、Ａｌの含有割合を少なくすることで耐二次加工脆性は良好となるが、Ａｌの含有割合が少ない故に、均一なＡｌ₂Ｏ₃皮膜を形成できず耐酸化性が良好ではない結果となったと推察される。また、比較鋼Ｎｏ．１４は、Ｃｒの含有割合を少なくしたことで耐酸化性が良好ではなかったと推察される。比較鋼Ｎｏ．１８及び１９は、耐酸化性は良好であるものの、耐二次加工脆性が良好ではなかった。

本発明によれば、５００℃以上、特に１０００℃程度の高温環境に曝される部品に用いられても酸化が抑制され、しかも、溶接性及び耐二次加工脆性、特に低温における溶接性及び耐二次加工脆性に優れるフェライト系ステンレス鋼を提供することができる。したがって、そのような環境下に置かれ又はそのような環境下で加工され、複雑又は微細な形状を有する二次加工品に用いると有用である。

１００…排ガスセンサー、１１０…センサー素子、１２０…ハウジング、１３０…内部カバー、１４０…外部カバー。

Claims (6)

1. Ｃ：０．０３質量％以下と、Ｓｉ：０．５質量％以下と、Ｍｎ：１．０質量％以下と、Ｐ：０．０４質量％以下と、Ｓ：０．０１質量％以下と、Ｎｉ：０．６質量％以下と、Ｃｒ：１５〜２０質量％と、Ｎ：０．０３質量％以下と、Ｔｉ：０．５質量％以下と、Ｂ：０．０００５〜０．００３質量％と、Ａｌ：２．５質量％以上４．０質量％未満と、を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有するフェライト系ステンレス鋼であって、
   下記式（１）で表される条件を満足し、かつ、粒界析出物に占めるＣｒ2Ｂの割合が面積率で２０％以下である、耐酸化性、耐二次加工脆性及び溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
   Ｗ_Ti／Ｗ_B≧１００ （１）
   （式中、Ｗ_Ti及びＷ_Bはそれぞれ、前記フェライト系ステンレス鋼の総質量に対するＴｉ及びＢの含有割合（単位：質量％）を示す。）
2. 希土類元素及びＣａからなる群より選択される１種以上の元素０．１０質量％以下を更に含む、請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼。
3. Ｍｏ：０．０５〜０．５質量％、Ｎｂ：０．４質量％以下、Ｃｕ：０．０５〜０．５質量％、Ｖ：０．０５〜０．５質量％、Ｗ：０．０５〜０．５質量％及びＺｒ：０．０５〜０．５質量％からなる群より選択される１種以上の元素を更に含む、請求項１又は２に記載のフェライト系ステンレス鋼。
4. 粒界におけるＢの平均含有割合が粒内におけるＢの平均含有割合の１．２倍以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のフェライト系ステンレス鋼。
5. 落重試験による遷移温度が−２０℃以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のフェライト系ステンレス鋼。
6. 板厚減少率が１０％を超える加工を施され、かつ、５００℃以上の高温環境下に曝される部品の材料として用いられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のフェライト系ステンレス鋼。

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