JP5780716B2 - 耐酸化性および二次加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
用途としては、熱をエネルギーに利用するシステムである固体酸化物型燃料電池、燃料電池の高温改質装置、高温熱交換器、マイクロガスエンジン、マイクロガスタービン、排ガス発電およびその他のコージェネシステムや各種高温燃焼機器などを挙げることができる。
中でも特に自動車排ガス経路に設置されるセンサ、例えば酸素センサ、A/Fセンサ、NOxセンサ、温度センサの構成部位全般に関するが,その中でも特に素子カバーとして高成形加工を施し、なおかつ高温環境下で使用される部材に対して最も好適である。
さらに、これらの部位に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。このように加工性や溶接性の点では、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も、要求特性を十分満たすものとは言えなくなってきた。
請求項1に係る鋼材は、質量%で、C:0.03%以下,Si:3%以下,Mn:1.0%以下,P:0.04%以下,S:0.01%以下,Ni:0.5%以下,Cr:11〜21%,Al:6%以下,Cu:0.01〜0.5%,Mo:0.01〜0.5%,Nb:0.1%以下,Ti:0.005〜0.50%,Sn:0.001〜0.1%,N:0.03%以下,O:0.002%以下,H:0.00005%以下,Pb:0.01%以下を含み、残部がFeおよび不可避的不純物の組成を有するフェライト系ステンレス鋼である。
請求項2に係る鋼材は、質量%で、Cr:15〜20%,Si:0.8%以下,Al:1.5〜3.5%未満であることを特徴とする、請求項1記載のフェライト系ステンレス鋼である。
請求項3に係る鋼材は、更にV:0.01〜0.50質量%,Y:0.001〜0.1質量%,REM(希土類元素):0.001〜0.1質量%, Ca:0.001〜0.01質量%を1種または2種以上を含むことを特徴とする、請求項1または2記載のフェライト系ステンレス鋼である。
請求項4に係る鋼材は、500℃以上の高温排ガス雰囲気で使用する部材用であることを特徴とする、請求項1〜3記載のフェライト系ステンレス鋼である。
C:0.03質量%以下
C含有量が高いと、異常酸化が発生しやすくなる。また、高Al含有フェライト系ステンレス鋼においては、C含有量が高くなると、スラブやホットコイルの靱性が劣化し、製造性が劣化する。したがって、C含有量の上限を0.03質量%以下に限定する。
Siは、フェライト系ステンレス鋼の靱性および二次加工性を劣化させる元素であるため、Siの含有量を3質量%以下とする。好ましくは0.8質量%未満,更に好ましくは0.5質量%以下である。
Mnは、Mn系酸化物を生成して、緻密なAl酸化物層の形成を阻害し、耐高温酸化特性に悪影響を及ぼす。したがって、耐高温酸化特性を維持するために、Mnの含有量を0.5質量%以下に限定する。
Pは、耐高温酸化性および熱延板の靱性に悪影響を及ぼすので、その含有量を0.04質量%以下に限定する。
Sは、鋼中に不可避的に含まれる成分であり、Al2O3皮膜の形成を著しく阻害する。したがって、S含有量は0.005質量%以下に限定する。
Niは、鋼中に不可避的に含まれる成分である。微量のNiの添加は、靭性改善に有効であるが、耐酸化性に悪影響を及ぼすことから0.5質量%以下とする。好ましくは0.3質量%以下,さらに好ましくは0.25質量%以下とする。
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11質量%以上の添加が必要である。しかし、過剰の添加はスラブやホットコイルの靱性を劣化させる。したがって、Cr含有量は11〜21質量%に限定する。好ましくは15〜20質量%,更に好ましくは17〜19.5質量%である。
Nは、鋼中のAlと結合してAlNを形成して、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含有量は0.03質量%以下に限定する。
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。しかし、Alを過剰に含有させるとスラブやホットコイルの靱性が劣化するので、上限を6質量%以下に限定する。なお、優れた耐高温酸化性は鋼の表面に形成される緻密なAl酸化物によって得られ、この層を形成させるのに必要なAl含有量は1.5質量%以上である。また、Alが3.5質量%未満でもほぼ十分な耐高温酸化性が得られるため、1.5〜3.5質量%に規定するのが好ましい。さらに、薄肉化または更なる耐酸化性が要求される場合、好ましくは2.5〜3.5質量%未満、さらに好ましくは3.0超〜3.5質量%未満である。
Hは進入型元素として固溶することで、Fe−Cr−Al系ステンレス鋼の靭性および二次加工性を低下させる極めて有害な元素である。
0.00005質量%を超えて含有した場合この悪影響が顕著に現れるため、上限を0.00005質量%とする。
O:0.002質量%以下
Oが0.002質量%を超えると、鋼中に酸化物系の介在物を生成し、清浄度を悪化させる。この介在物は二次加工割れの基点となりやすく、極力低減させる必要がある。なお、好ましくは0.001質量%以下である。
これらはいずれもFe−Cr−Al系ステンレス鋼の靭性を向上させる。その効果を十分に発揮させるためには0.01質量%以上の添加を必要とする。一方、過剰な添加は逆に鋼の靭性を低下させるとともに、鋼の硬質化および製造コストの増大につながる。従い、上限を0.5質量%とする。好ましくは0.01〜0.2質量%である。
NbはFe−Cr−Al系ステンレス鋼の靭性および二次加工性を損なうため、極力低減させることが望ましく、少なくとも0.1質量%以下に低減する必要がある。好ましくは0.02質量%以下,さらに好ましくは0.01質量%未満である。
Tiは析出強化によりフェライト系ステンレス鋼の高温強度を改善させるとともに、Alを含むフェライト系ステンレス鋼の欠点である溶接性および靱性を向上させる効果がある。本特許ではTi:0.005〜0.50質量%とした。
ステンレス鋼の耐酸性および酸露点腐食性を改善する元素である。水蒸気と酸素を含む燃焼環境では燃焼時に燃料などに含まれるSおよび燃焼時に発生する水分により、運転停止時もしくは局所的に温度が低下する箇所において酸性の凝縮水が結露することがある。Snを0.001質量%以上含有することで、酸露点腐食性を向上させる。また、Snには快削性および加工性を向上させる効果もある。ただし、0.1質量%以上の添加は鋼の二次加工性および熱間加工性を著しく低下させるため、上限を0.1質量%とした。好ましくは0.001〜0.05質量%である。
Pb:0.01質量%以下
ステンレス鋼の靭性を低下させる元素であり、0.01質量%を超えて含有するとその影響が顕著に現れるため0.01質量%以下に制限する。好ましくは0.005質量%以下である。
Vは析出強化によりフェライト系ステンレス鋼の高温強度を改善させるとともに、Alを含むフェライト系ステンレス鋼の欠点である溶接性および靱性を向上させる効果があるため、必要に応じて添加する。本発明においては、0.01〜0.5質量%とした。
REM(希土類元素):0.001〜0.1質量%,
Ca:0.001〜0.01質量%
何れも必要に応じて添加される合金成分であり、酸化皮膜中に固溶し、酸化皮膜を強化する作用を呈する。このような効果は、Y:0.001質量%以上,REM:0.001質量%以上,Ca:0.001質量%以上,Zr:0.03質量%で顕著になる。しかし、0.1質量%を超える過剰量のY,0.1質量%を超える過剰量のREM,0.01質量%を超える過剰量のCaを添加すると、鋼材が過度に硬質化するばかりでなく、製造時に表面疵が生じやすくなり製造コストの上昇を招く。
表2の試験結果にみられるように、本発明例1〜10の鋼は、いずれも耐酸化性、二次加工性について、それぞれ満足している。比較例No.11〜18の場合では、いずれも耐酸化性と二次加工性の特性を両立せず不十分である。鋼種No.11〜16は、Sn,H,O,Nb,Cu,Mo,Pbおよび/またはTiの値が本請求範囲を外れており、二次加工性を満足することは出来なかった。また、No.17および18はCr,Alのいずれかが低く、耐酸化性に関して要求特性を満足することが出来なかった。
他にも、例えば熱をエネルギーに利用するシステムである固体酸化物型燃料電池、燃料電池の高温改質装置、高温熱交換器、マイクロガスエンジン、マイクロガスタービン、排ガス発電およびその他のコージェネシステムや各種高温燃焼機器など、500℃以上で水蒸気を含む酸化性雰囲気に曝される部材全般で好適に使用できる。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.03%以下,Si:3%以下,Mn:1.0%以下,P:0.04
%以下,S:0.01%以下,Ni:0.5%以下,Cr:11〜21%,Al:1.5
〜6%,Cu:0.01〜0.5%,Mo:0.01〜0.5%,Nb:0.1%以下,
Ti:0.005〜0.50%,Sn:0.001〜0.1%,N:0.03%以下,O:
0.002%以下,H:0.00005%以下,Pb:0.01%以下を含み、残部がF
eおよび不可避的不純物の組成を有するフェライト系ステンレス鋼。 - 質量%で、Cr:15〜20%,Si:0.8%以下,Al:1.5〜3.5%未満で
あることを特徴とする請求項1記載のフェライト系ステンレス鋼。 - 更にV:0.01〜0.50質量%,Y:0.001〜0.1質量%,REM(希土類元
素):0.001〜0.1質量%, Ca:0.001〜0.01質量%を1種または2種以
上を含むことを特徴とする、請求項1または2記載のフェライト系ステンレス鋼。 - 500℃以上の高温排ガス雰囲気で使用する部材用であることを特徴とする請求項1〜
3のいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼。
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