JP5853287B2

JP5853287B2 - 排ガス流路部材用オーステナイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP5853287B2
Application number: JP2012066910A
Authority: JP
Inventors: 太一朗溝口; 善一田井; 森本　憲一; 憲一森本; 原田　和加大; 和加大原田
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: JP2013199661A

Description

本発明は、ＥＧＲクーラー、排熱回収装置をはじめとする排ガス流路部材用オーステナイト系ステンレス鋼に関する。

自動車業界における環境規制がますます強くなり、排ガス中のＮＯｘ低減、燃費向上が要求されている状況である。その対策として、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ
ＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｌｏｎ；排気ガス再循環）や排熱回収装置が利用されることがある。ＥＧＲは、内燃機関から排出された排ガスの一部を取り出し、内燃機関へ再度吸気させる技術である。主としてディーゼル機関で普及してきたが、近年ガソリン車にも適用されるようになってきた。排熱回収装置は、エンジンから出る排気ガスの熱を回収し、暖機運転や空調用として有効に利用する技術である。

ＥＧＲシステムにおいては、排ガスを循環可能な温度まで冷却する装置が必要となる。これがＥＧＲクーラーである。排熱回収装置においても循環水を利用して熱を回収しており、ＥＧＲクーラーと同様の原理である。ＥＧＲクーラーの構成の一例は特許文献１、２、排熱回収装置の構成の一例は特許文献３に開示されている。いずれも排ガス流路と循環水流路からなり、ステンレス鋼で構成されるガス／液熱交換器の一種である。

ＥＧＲクーラーおよび排熱回収装置用の材料には、融雪塩に対する耐食性、循環水として使用される溶液に対する耐食性および排ガスの結露によって生じる排ガス凝縮水に対する耐食性が要求される。

上記の要求特性から、ＥＧＲクーラー用材料としては、特許文献１に記載されるように、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼、あるいは特許文献２に開示されるフェライト系ステンレス鋼が用いられている。また排熱回収装置には、ＳＵＳ４３６Ｌ、ＳＵＳ４４４などのフェライト系ステンレスが用いられている。

特開２００７−４６８９０特開２００９−１７４０４０特開２００６−２２００３７

よく精整され、Ｓ濃度が低い燃料を用いた場合は、ＥＧＲクーラー、排熱回収装置用材料としてＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレス鋼あるいはＳＵＳ４４４などのフェライト系ステンレス鋼を使用することができた。一方、精製が不十分でＳ濃度が高い燃料を使用する場合は、排ガス凝縮水による腐食性が強く、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４４４では耐食性が不十分であった。

本発明は、精製が不十分でＳ濃度の高い燃料が用いられる場合のＥＧＲクーラーおよび排熱回収装置用オーステナイト系ステンレス鋼を提供しようというものである。

上記目的は、Ｃ：０．００１〜０．０３０質量％、Ｓｉ：０．１０〜０．７０質量％、Ｍｎ：０．１０〜１．００質量％、Ｐ：０．００５〜０．０４５質量％、Ｓ：０．００３質量％以下、Ｎｉ：１８．００〜４０．００質量％、Ｃｒ：２０．００〜３０．００質量％、Ｃｕ：０．０５〜２．００質量％以下、Ｍｏ：３．００〜８．００質量％、Ｎ：０．０５〜０．３０質量％、Ａｌ：０．１３質量％以下、さらにＣｒ＋２Ｍｏ＋０．５Ｎｉ≧４０であって、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である組成を有する自動車排ガス流路部材用オーステナイト系ステンレス鋼によって達成される。

本発明により、精製が不十分でＳ濃度が高い燃料を用いられる場合にも、良好な耐食性を有するＥＧＲクーラーおよび排熱回収装置用オーステナイト系ステンレス鋼が提供される。

また本発明では、上記のステンレス鋼を、自動車排ガスおよび冷却水の両方に接触する部材に使用した、ＥＧＲクーラーあるいは排熱回収装置が提供される。

排気ガスの結露環境を模して行った煮沸・結露試験方法のフロー図である。煮沸・結露試験結果を示す図である。

排ガス流路で生じる凝縮水は、排ガスの温度が低下して結露すると同時に、排ガス成分が結露水に溶解することで生じる。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 ^２￣、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_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成分は、ＨＣｌとＨ_２ＳＯ_４である。さらに凝縮水の蒸発過程でｐＨが低下し、ステンレス鋼の腐食を促進する。特にＳ濃度の高い燃料を使用した場合、ｐＨが低い凝縮水が形成し、腐食性は強くなる。

発明者らは、Ｈ_２ＳＯ₄濃度が高くｐＨが低い環境におけるステンレス鋼の耐食性を詳細に調査した結果、Ｃｒ＋２Ｍｏ＋０．５Ｎｉ≧４０を満たすオーステナイト系ステンレス鋼を用いることで、Ｓ濃度が高い燃料を使用する場合のＥＧＲクーラーおよび排熱回収装置環境における腐食を抑制できることを見出し、本発明に至った。

本発明における各成分の限定理由は以下の通りである。

Ｃ：０．００１〜０．０３０質量％
Ｃはステンレス鋼中に不可避的に含まれる元素である。Ｃ含有量を低減すると、炭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、ステンレス銅製造のコスト上昇を招くため、０．０３０質量％までの含有を許容することにした。

Ｓｉ：０．１０〜０．７０質量％
Ｓｉはステンレス鋼の脱酸剤として含有される。しかし多量に含有すると、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：０．１０〜１．００質量％
Ｍｎは脱酸剤あるいはオーステナイト安定元素として必要であり、少なくとも０．１０質量％以上含有させる。一方、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ため、本発明においては、１．００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：０．００３質量％以下
ＳはＭｎと硫化物を形成して孔食の起点となる。また本発明のような高合金オーステナイト系ステンレス鋼では、Ｓが粒界に偏析し、熱間加工性が低下する。したがって、Ｓ量は低いほど好ましい。ただし極度にＳ含有量を低下させることは製造コストの上昇を招くため、本発明では０．００３質量％まで含有することを許容する。

Ｃｒ：２０．００〜３０．００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。したがって、Ｃｒ量は２０．００質量％以上の含有が必要である。しかし、Ｃｒ含有量を多くすると、鋼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３０．００質量％を上限とする。

Ｎｉ：１８．００〜４０．００質量％
Ｎｉはオーステナイト相を得るために必須であり、耐食性を高めるためにも有効である。
従って、Ｎｉ量は１８．００質量％以上の含有が必要である。しかし、多量に含有すると
コストの上昇を招くことから、Ｎｉ含有量は４０．００質量％を上限とする。

Ｍｏ：３．００〜８．００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。Ｍｏの含有量が４％未満では十分な耐食性が得られず、８％を超えると熱間加工性を低下させる。したがって、Ｍｏ量は３．００〜８．００質量％の範囲とする。

Ｃｕ：０．０５〜２．００質量％
Ｃｕは高Ｃｒ、高Ｎｉ、高Ｍｏ鋼において耐硫酸性を向上させるのに有効な元素である。ただし、２．００質量％を超えると、熱間加工性を低下させることから、Ｃｕ含有量は２．００質量％を上限とする。

Ｎ：０．０５〜０．３０質量％
Ｎはオーステナイト安定元素として有効であり、さらにＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏとともに、ステンレス鋼の耐食性、特に耐孔食性を向上させる。従って、Ｎは０．０５質量％以上の添加が必要である。一方、過剰に添加すると、製造性を低下させることから、Ｎ含有量は０．３０質量％を上限とする。

Ａｌ：０．１３質量％以下
Ａｌは脱酸材として添加される。ただし過剰に添加すると、Ａ１２０３系介在物を形成し、加工性を低下させることから、Ａｌ含有量の上限は０．１３質量％とする。

ＲＥＭ：１０×Ｓ〜０．２０質量％
ＲＥＭ（希土類元素）は熱間加工性の改善を目的に添加される。Ｓ含有量の１０倍のＲＥＭを添加することで、Ｓの粒界偏析を抑制し、熱間加工性を向上させることができる。ただし過剰に添加すると表面性状を悪化させるため、ＲＥＭ含有量は０．２０質量％を上限とする。

Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ：３×Ｓ〜０．２０質量％
Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒは熱間加工性の改善を目的に添加される。Ｓ含有量の３倍のＣａ、Ｍｇ、Ｚｒを添加することで、Ｓの粒界偏析を抑制し、熱間加工性を向上させることができる。ただし過剰に添加すると表面性状を悪化させるため、Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒの含有量は合計で０．２０質量％を上限とする。

Ｂ：０．０００５〜０．０２０質量％
Ｂは熱間加工性の改善を目的に添加される。Ｓの粒界偏析を抑制し、熱間加工性を向上させることができる。

以上で説明したオーステナイト系ステンレス鋼を素材として、ＥＧＲクーラー、排熱回収装置をはじめとする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、プレス加工、Ｎｉろう付け、溶接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、１１５０℃で仕上焼鈍を施し、酸洗した後、試験に供した。表１中、Ｎｏ．１〜６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．７〜１１は比較鋼である。比較鋼はＣｒ含有量、Ｎｉ含有量、Ｍｏ含有量あるいはＣｒ＋２Ｍｏ＋０．５Ｎｉの値が本発明で規定する範囲を外れる鋼である。

煮沸結露試験
排気ガスの凝縮と蒸発が繰り返される排ガス流路部材の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の短冊型試験片を切り出し、試験片とした。試験液はＳ濃度の高い燃料を使用している実車のＥＧＲクーラー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、ｐＨはアンモニア水を用いて調整した。

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１０倍まで濃縮し、その後、温度５０℃、相対湿度８５％の結露条件で２０時間保持した。このサイクル１０回繰り返した後、さびを除去し、侵食深さを測定した。その測定結果を表３および図２に示す。図２には発明鋼、比較鋼以外の鋼について評価した結果についても併せて示した。

表３および図２の結果からわかるように、本発明鋼は孔食が起こらず、ＥＧＲクーラーおよび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。

本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼を用いれば、精製が不十分でＳ濃度が高い燃料を用いられる場合にも良好な耐食性を有するＥＧＲクーラーおよび排熱回収装置を得ることが出来る。

Claims

Ｃ：０．００１〜０．０３０質量％、Ｓｉ：０．１０〜０．７０質量％、Ｍｎ：０．１０〜１．００質量％、Ｐ：０．００５〜０．０４５質量％、Ｓ：０．００３質量％以下、Ｎｉ：１８．００〜４０．００質量％、Ｃｒ：２０．００〜３０．００質量％、Ｃｕ：０．０５〜２．００質量％以下、Ｍｏ：３．００〜８．００質量％、Ｎ：０．０５〜０．３０質量％、Ａｌ：０．１３質量％以下、さらにＣｒ＋２Ｍｏ＋０．５Ｎｉ≧４０であって、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である組成を有する自動車排ガス流路部材用オーステナイト系ステンレス鋼。
さらにＲＥＭ：２０×Ｓ〜０．２０質量％を含有する請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
さらにＣａ、Ｍｇ、Ｚｒ：３×Ｓ〜０．２０質量％を含有する請求項１または２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
さらにＢを０．０００５〜０．０２０質量％を含有する請求項１ないし３のいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼。