JP5822439B2 - 耐熱性および時効硬化特性に優れた低Ｃｒステンレス鋼およびその鋼からなる自動車排ガス経路部材 - Google Patents

Description

本発明は、自動車エンジンの排ガス経路部材であるエキゾーストマニホールド、触媒コンバータ、フロントパイプに用いられる低Ｃｒステンレス鋼に関するものである。

現在の自動車は、使用温度域に合わせてＴｙｐｅ４４４鋼（特許文献１：特許第２６９６５８４号）、Ｔｙｐｅ４２９鋼（特許文献２：特許第２８９６０７７号）を使い分けて使用しており、Ｔｙｐｅ４２９鋼は比較的安価であるため、幅広く使用されている。
これらの鋼材は、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて高温強度は低いものの熱膨張係数が小さいため、高温で使用される環境では熱疲労特性や耐スケール剥離性に優れるという利点がある。

しかし、フェライト単相組織であるがゆえに、低温での靭性が低いという欠点がある。特に製造時においては温度低下によりスラブや板の状態で割れ等が発生する可能性もあることから、出来るだけ材料温度の低下を抑制して製造する必要があり、製造性を低下させる要因にもなっている。
これらの要求に対しこれまで下記の文献に示されるような種々の材料が提案されているが、これらは板(熱延板や冷延焼鈍板)の状態での靭性を改善しているものの、スラブの段階での靭性については言及しておらず、スラブの状態での靭性を抜本的に改善した材料は提案されていない。

特許文献２（特許第２８９６０７７号）は耐高温酸化に優れたフェライト系ステンレス鋼に関するものであり、９００℃での耐酸化性、高温強度を満足する成分系が示されている。加工性（常温伸び）や冷延焼鈍板の低温靭性については記載されているものの、スラブ靭性についての記載はない。
特許文献３（特許第３３９７１６７号）は耐熱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り、６００、８５０℃の引っ張り強さ、８５０℃での熱疲労特性、耐酸化性を満足する成分系が示されている。また、加工性（常温伸び）の特性は示されているものの、靭性に関してはスラブ、板ともに記載されていない。

特許文献４（特開２００２−２８５２９２号）は、製造工程での脆性割れや欠陥が生じないフェライト系ステンレス鋼に関するものであり、介在物を分散させることでスラブの当軸晶率を上昇させ、熱延鋼板の靭性および冷延鋼板の伸び、リジングを改善した成分系が開示されているが、スラブ靭性に関しての記載はない。また、排ガス経路部材に要求されている耐熱性に関する記載はない。

一方、製造条件の規制によりスラブの靭性を確保する方法は、特許文献５（特開昭６２−５６５１７号）、特許文献６（特開平１１−６１２４６号）等で提案されており、主として脆化相の生成する温度域を回避するものである。
しかし、製造条件のみの変更は、スラブの靭性をマルテンサイト系やオーステナイト系ステンレス鋼のレベルまで向上させるのは困難であるとともに、生産性の低下を引き起こすおそれもある。

特許第２６９６５８４号 特許第２８９６０７７号 特許第３３９７１６７号 特開２００２−２８２２９２号 特開昭６２−５６５１７号 特開平１１−６１２４６号

以上に示したように、これまで開示された鋼と同等もしくはそれ以上の耐熱性を有し、製造工程での靭性を確保した材料は提案されておらず、製造コストを可能な限り抑えた鋼の開発が望まれている。

本発明は、部品温度で最高８００℃となる排ガス流路部材に好適な耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供するものである。
また、それに加え、スラブ靭性および冷延焼鈍板の加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供するものである。

上記の目的を達成するため、本発明においては鋼材の化学組成および使用される環境を以下のように定める。
請求項１に記載の発明は、
Ｃ：０．０８質量％以下、Ｓｉ：０．２０〜０．８０質量％未満、Ｍｎ：０．３０〜１．５０質量％、Ｎｉ：２．０質量％以下、Ｃｒ：１１．０から１６．０質量％、Ｎ：０．０８質量％以下、Ｎｂ：０．２０〜０．８０質量％、Ｃｕ：０．６０〜２．５０質量％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、さらに下記（１）式で示される値が０以上０．５以下、（２）式で示される値が５０以上７５以下、（３）式で示される値が８００以下を同時に満足し、鋳造組織では体積％で５％以上６０％以下のマルテンサイト相と残部フェライトの組織であり、最終焼鈍後の組織はフェライト単相組織であることを特徴とする、耐熱性および時効硬化特性に優れた低Ｃｒステンレス鋼である。
Ｎｂ≧８（Ｃ＋Ｎ）・・・（１）
４２０Ｃ−１１．５Ｓｉ＋７Ｍｎ＋２３Ｎｉ−１１．５Ｃｒ＋４７０Ｎ−２５Ｎｂ＋９Ｃｕ＋１８９・・・（２）
３５Ｃｒ＋７３Ｓｉ＋１７０Ｎｂ−２５０Ｃ−２８０Ｎ−１１５Ｎｉ−６６Ｍｎ−１８Ｃｕ＋３１０・・・（３）
ただし、各項はその合金元素の含有量（質量％）である。

請求項２に記載の発明は、
さらにＶ：０．２０質量％以下、Ａｌ：０．１０質量％以下、Ｍｏ：０．５０質量％以下、Ｂ：０．０００５〜０．０２質量％の少なくとも一種以上を含有し、さらに下記（１）式で示される値が０以上０．５以下、（２）’式で示される値が５０以上７５以下、（３）’式で示される値が８００以下を同時に満足することを特徴とする、請求項１に記載の低Ｃｒステンレス鋼である。

Ｎｂ≧８（Ｃ＋Ｎ）・・・（１）
４２０Ｃ−１１．５Ｓｉ＋７Ｍｎ＋２３Ｎｉ−１１．５Ｃｒ＋４７０Ｎ−２５（Ｎｂ＋Ｖ）＋９Ｃｕ−１２Ｍｏ−５２Ａｌ＋１８９・・・（２）’
３５Ｃｒ＋７３Ｓｉ＋１７０Ｎｂ−２５０Ｃ−２８０Ｎ−１１５Ｎｉ−６６Ｍｎ−１８Ｃｕ−２９０Ｖ＋６０Ｍｏ＋７４９Ａｌ＋３１０・・・（３）’
ただし、各項はその合金元素の含有量（質量％）である。

請求項３に記載の発明は、自動車エンジンの排ガス経路の構成部材に使用される、請求項１，２に記載の低Ｃｒステンレス鋼である。

請求項４に記載の発明は、当該部材はエンジン作動中に８００℃以下の温度に昇温され、エンジン停止後に前記昇温温度から４００℃まで平均冷却速度０．１〜３０℃／秒で冷却されるものである、請求項３に記載の低Ｃｒステンレス鋼板からなる、自動車排ガス経路部材である。

本発明に係る鋼材によれば、従来鋼と同等もしくはそれ以上の耐熱性を有し、製造工程での靭性を確保した排気系部材を得ることが出来る。

本発明においては、従来のＳＵＳ４２９系鋼に対し、主にＣｕを有効に活用するとともに相バランスを適正化することにより、スラブの靭性、熱疲労特性の双方が飛躍的に向上することを知見し、本発明に至った。主な構成を以下に示す。
１）スラブなどの鋳造組織の状態において若干のマルテンサイト相を存在させると、フェライト単相の場合と比べてスラブの靭性が格段に改善される。具体的には、体積％で５体積％以上６０％以下とすることが好ましい。ただし、自動車排ガス部品として使用するときにマルテンサイト相が残存していると耐熱性、加工性が低下するため、最終焼鈍後の状態においてはフェライト単相組織とする。また、高温で保持されるとオーステナイト相が析出し、熱疲労特性が低下するおそれがあるため、使用温度８００℃においてそれが生じないよう、オーステナイト変態開始温度を規制する。
２）８００℃での高温強度を確保するために、（１）式を０以上、０．５以下に規定する。
３）室温でのスラブの靭性および製品での耐熱性、加工性を確保するためには、（２）式（γmaxの指標）を５０以上、７５以下に規制する必要がある。（２）式が５０未満では、スラブの段階での金属組織がマルテンサイトが５体積％未満のフェライト組織となり、室温での靭性が確保できないため製造性を損ねる。一方、７５を超えると製品の状態においてマルテンサイト相が残存することになるため、耐熱性、加工性が低下する。
ここで、Ｖ，Ａｌ，Ｍｏを更に含有する場合は、その影響を考慮してγmaxの指標を（２）’式のように改める。
４）使用中のオーステナイト相生成を抑制するためには、（３）式に定めるＡＣ_１点の指標を８００℃以下とする。（３）式が８００℃を超えると使用中にオーステナイト相が生成し、熱ひずみに変態ひずみが加わるため、熱疲労特性の大幅な低下をきたす。
ここで、Ｖ，Ａｌ，Ｍｏを更に含有する場合は、その影響を考慮してＡＣ_１点の指標を（３）’式のように改める。
５）上限温度８００℃までの熱疲労特性を向上させるためには、６００℃前後の中温強度を強化することが有効である。その温度域での強度改善には、Ｃｕ系の析出物を利用する。６００℃での耐力を１７０ＭＰａとするためには、０．６質量％のＣｕを含有させることが必要である。ここで、１７０ＭＰａとは、ＳＵＳ４２９系の６００℃耐力の約１．２倍に相当する。

以下、鋼材の組成を定めた理由を示す。
Ｃ：０．０８質量％以下
Ｎ：０．０８質量％以下
ＣおよびＮは、一般的には高温強度を高める元素である。しかし、含有量が多くなると延性が低下し、成形時の脆性割れも生じやすくなる。また、高温強度向上に重要な雇用Ｎｂを減少させることになる。このため、Ｃ，Ｎはいずれも０．０８質量％以下に限定する。

Ｎｉ：０．２０質量％以下
Ｎｉは、フェライト系ステンレス鋼の靭性改善に有効な場合があり。成形時の脆性割れ防止に寄与しうる。しかし、多量に含有させるとオーステナイト系相の析出によって異常酸化の誘発や熱疲労特性低下を招く。このためＮｉ含有量は０．２０質量％いかに限定する。
Ｃｒ：１１．０〜１６．０質量％
Ｃｒは、フェライト相を安定化するとともに、高温材料に重視される耐酸化性の改善に寄与する。ただし、過剰のＣｒ含有は鋼材の脆化や加工性劣化を招く。このためＣｒ含有量は１１．０〜１６．０質量％と限定する。

Ｃｕ：０．６０〜２．５０質量％
中温域の強度を向上させる。特に６００℃近傍では鋼中に微細に析出するため、有効である。
Ｎｂ：０．２０〜０．８０質量％
８００℃までの高温強度向上に非常に有効な元素であり、固溶強化元素として働く。なお、過剰な添加は靭性の低下をもたらすため、（１）式により制限する。
Ｓｉ：０．２０〜０．８０質量％未満
耐酸化性向上に寄与するが、過剰の添加はスラブ靭性及び加工性を低下させるため、０．８質量％未満に限定する。
Ｍｎ：０．３０〜１．５０質量％
Ｓｉと同様に耐高温酸化性向上元素として寄与し、特にスケール剥離抑制に効果がある。ただし、過剰な添加は靭性の低下をもたらすため、１．５質量％を上限とする。
Ｍｏ：０．５０質量％以下
高温強度に寄与するが、過剰の添加は靭性を低下させるため、上限値を規制する。
Ａｌ，Ｖ，Ｂ：それぞれ０．１０質量％以下、０．２０質量％以下、０．０００５〜０．０２質量％
耐酸化性の改善に寄与するが、過剰の添加は靭性を低下させるため、上限値を規制する。

表１に示す化学組成の鋼材を溶製し、４００ｋｇのスラブとした。このスラブを１３００℃にて３０分均熱処理を施し、その後８５０℃まで２ｈで炉冷し水冷した。このスラブを熱冷延焼鈍し、板厚２ｍｍｔの焼鈍板を得た。
スラブのマルテンサイト量および割れの有無は、冷却後のスラブを切断し、バフ研磨により鏡面に研磨した後王水にてエッチングし、金属組織のマルテンサイト相とフェライト相をデジタル画像処理装置により二値化させ、マルテンサイト相の面積率を求めた後、カラーチェックにて割れの有無を観察することにより確認した。
６００℃耐力は、板厚２．０ｍｍｔの板材を高温引張り試験することにより測定した。ＪＩＳＧ０５６７に準拠して６００℃にて行い、０．２％耐力を求めた。
熱疲労特性は、スラブから切り出した鋼片を熱間鍛造することにより丸棒試験片を作成し、試験に供した。下限温度２００℃、上限温度７５０℃とし、上限温度での保持時間は０．５ｍｉｎ、拘束率は２５％とした。破損繰り返し数（試験中の最大引張り応力が１０サイクル目の応力の７５％まで低下したときの繰り返し数）を導出し、１５００サイクル以上を可（○）と評価した。

常温での加工性は、板厚２ｍｍｔの板材を常温で引張り試験を行うことにより評価した。ＪＩＳＺ２２４１に準拠して引張り試験を破断まで行い、破断後の試験片を突き合わせて破断時の伸びを測定した。全伸びＥＬが３０％以上のものを良好（○）とし、３０％未満のものを×として評価した。
耐酸化性は、板厚２ｍｍｔの板材を用い、高温酸化試験を実施することにより評価した。評価は９００℃、１００ｈで行い、試験後の重量変化を測定することにより行い、スケール剥離のないものを○として評価した。
試験結果を表２に示す。

以上の結果より、発明鋼はスラブ(鋳造組織)での割れが認められず、製造性に優れていることがわかる。また、６００℃における耐力が１７０ＭＰａ以上と高温強度に優れる一方で熱疲労寿命も長く、スケール剥離もないため、排気系部材として使用した際の各特性に優れていることが確認できた。さらに、常温での加工性にも優れているため、複雑な形状の排気系部材に加工することも可能である。

本発明に係る鋼材は従来鋼と同等もしくはそれ以上の耐熱性を有し、製造工程での靭性も優れているため、自動車エンジンの排ガス経路部材であるエキゾーストマニホールド、触媒コンバータ、フロントパイプ等の排気系部材に最適である。

Claims (4)

1. Ｃ：０．０８質量％以下、Ｓｉ：０．２０〜０．８０質量％未満、Ｍｎ：０．３０〜１．５０質量％、Ｎｉ：２．０質量％以下、Ｃｒ：１１．０から１６．０質量％、Ｎ：０．０８質量％以下、Ｎｂ：０．２０〜０．８０質量％、Ｃｕ：０．６０〜２．５０質量％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、さらに下記（１）式で示される値が０以上０．５以下、（２）式で示される値が５０以上７５以下、（３）式で示される値が８００以下を同時に満足し、組織がフェライト単相組織であることを特徴とする、耐熱性および時効硬化特性に優れた低Ｃｒステンレス鋼焼鈍板。
   Ｎｂ−８＊（Ｃ＋Ｎ）・・・（１）
   ４２０Ｃ−１１．５Ｓｉ＋７Ｍｎ＋２３Ｎｉ−１１．５Ｃｒ＋４７０Ｎ−２５Ｎｂ＋９Ｃｕ＋１８９・・・（２）
   ３５Ｃｒ＋７３Ｓｉ＋１７０Ｎｂ−２５０Ｃ−２８０Ｎ−１１５Ｎｉ−６６Ｍｎ−１８Ｃｕ＋３１０・・・（３）
   ただし、各元素記号はその合金元素の含有量（質量％）である。
2. さらにＶ：０．２０質量％以下、Ａｌ：０．１０質量％以下、Ｍｏ：０．５０質量％以下、Ｂ：０．０００５〜０．０２質量％の少なくとも一種以上を含有し、さらに下記（１）式で示される値が０以上０．５以下、（２）’式で示される値が５０以上７５以下、（３）’式で示される値が８００以下を同時に満足することを特徴とする、請求項１に記載の低Ｃｒステンレス鋼焼鈍板。
   Ｎｂ−８＊（Ｃ＋Ｎ）・・・（１）
   ４２０Ｃ−１１．５Ｓｉ＋７Ｍｎ＋２３Ｎｉ−１１．５Ｃｒ＋４７０Ｎ−２５（Ｎｂ＋Ｖ）＋９Ｃｕ−１２Ｍｏ−５２Ａｌ＋１８９・・・（２）’
   ３５Ｃｒ＋７３Ｓｉ＋１７０Ｎｂ−２５０Ｃ−２８０Ｎ−１１５Ｎｉ−６６Ｍｎ−１８Ｃｕ−２９０Ｖ＋６０Ｍｏ＋７４９Ａｌ＋３１０・・・（３）’
   ただし、各項はその合金元素の含有量（質量％）である。
3. 自動車エンジンの排ガス経路の構成部材に使用される、請求項１又は２に記載の低Ｃｒステンレス鋼焼鈍板。
4. 当該部材はエンジン作動中に８００℃以下の温度に昇温され、エンジン停止後に前記昇温温度から４００℃まで平均冷却速度０．１〜３０℃／秒で冷却されるものである、請求項３に記載の低Ｃｒステンレス鋼焼鈍板からなる、自動車排ガス経路部材。
   
   （以下余白）