JP6140474B2

JP6140474B2 - 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: JP6140474B2
Application number: JP2013037669A
Authority: JP
Inventors: 善一田井; 太一朗溝口; 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: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: JP2014162980A

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ＮＯ_Ｘ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 Gas Recirculation；排ガス再循環）や排熱回収装置が利用されることがある。ＥＧＲは排ガスの一部を取り出し、内燃機関に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。排熱回収技術は、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鋼が用いられる。

特開２００７−４６８９０号公報特開２００９−１７４０４０公報

よく精製され、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。

従来の排ガス凝縮水環境を模擬した耐食性評価試験には煮沸結露試験が用いられてきた。しかし、この試験法は腐食促進性があまり高くない。また、各試験サイクルで腐食環境が変化するため、厳密な腐食形成環境を把握することが困難であった。

本発明は、排ガス流路部材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：０．０３０質量％以下、Ｓｉ：０．１〜０．７質量％、Ｍｎ：０．１〜１．０質量％、Ｎｉ：１８．００〜４０．００質量％、Ｃｒ：２０．００〜３０．００質量％、Ｍｏ：３．００〜８．００質量％以下、Ｎ：０．０８〜０．３０質量％、Ａｌ：０．１３質量％以下、Ｃｕ：０．４２〜０．５０質量％、Ｓ：０．００３質量％以下、ＲＥＭ：１０×Ｓ〜０．２質量％であって、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し、さらに下記（Ａ）の条件で耐食性評価試験を実施した際の最大侵食深さが１μｍ以下となる耐食性を持つ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。
（Ａ）試験片にＣｌ⁻＝５〜１５ｇ／ｌ、ＳＯ_４ ^２−＝１〜５ｇ／ｌ、ｐＨ＝１〜３の組成の試験液１００ｍlを滴下。その後、温度８０℃の環境で相対湿度４０％−３０分、相対湿度８５％−３時間保持する工程を１００サイクル繰り返す。

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等の排ガス流路部材用オーステナイト系ステンレス鋼が提供される。

精製が不十分な燃料を用いた際の排気ガスの凝縮環境を模して行った耐食性評価試験方法のフロー図である。耐食性評価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り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_２ＳＯ_４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広く研究しており、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：０．０３０質量％以下
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ので、０．０３０質量％以下に制限する。

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。

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の向上をもたらす。発明者らの検討の結果、高Ｓ凝縮水環境で要求される耐食性を付与するには２０質量％を超えるＣｒ含有量を確保すべきであることがわかった。しかし、Ｃｒ含有量が多くなると機械的性質や靭性を損ね、かつコストを増大させる要因となる。したがって本発明では３０．００質量％を上限とする。

Ｍｏ：３．００〜８．００質量％以下
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は、Ｃｒとともに耐食性レベルを向上させるための有効な元素である。含有量が３．００質量％未満では十分な耐食性が得られず、８．００質量％を超えると熱間加工性を低下させる。したがって、Ｍｏ含有量は３．００〜８．００質量％の範囲とする。

Ｓｉ：０．１〜０．７質量
Ｓｉはステンレス鋼の脱酸剤として添加される。しかし多量に含有すると鋼を硬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０．７質量％とする。

Ｍｎ：０．１〜１．０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０．１質量％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を生成して耐食性を低下させるため、本発明においては１．０質量％を上限とする。

Ａｌ：０．１３質量％以下
Ａｌは脱酸剤として添加される。ただし過剰に添加するとＡｌ_２Ｏ_３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。

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％まで含有させることを許容する。

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せる。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劣化させるため、ＲＥＭ含有量は０．２０質量％を上限とする。

Ｎ：０．０８〜０．３０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。したがってＮは０．０８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。

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。

排ガス流路部材用オーステナイト系ステンレス鋼用耐食性評価試験法
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環境を模擬するために、図１に示す試験方法によって耐食性を評価した。
板厚１．０ｍｍの各ステンレス鋼から、５０ｍｍ×５０ｍｍの試験片を切り出して用いた。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。

排ガス流路部材用オーステナイト系ステンレス鋼用耐食性評価試験では、試験片に試験液１００ｍlを滴下し、恒温・恒湿度槽内で温度８０℃、相対湿度４０％の環境で３０分乾燥させ、液を蒸発させた後、温度８０℃、相対湿度８５％の環境で３時間保持した。表面に試験液の３５倍の凝縮水を形成した。このサイクルを１００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も併せて示す。

表３および図２の結果からわかるように、本発明鋼は孔食がおこらず、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：０．０３０質量％以下、Ｓｉ：０．１〜０．７質量％、Ｍｎ：０．１〜１．０質量％、Ｎｉ：１８．００〜４０．００質量％、Ｃｒ：２０．００〜３０．００質量％、Ｍｏ：３．００〜８．００質量％以下、Ｎ：０．０８〜０．３０質量％、Ａｌ：０．１３質量％以下、Ｃｕ：０．４２〜０．５０質量％、Ｓ：０．００３質量％以下、ＲＥＭ：１０×Ｓ〜０．２０質量％であって、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し、さらに下記（Ａ）の条件で耐食性評価試験を実施した際の最大侵食深さが１μｍ以下となる耐食性を持つ排ガス流路部材用オーステナイト系ステンレス鋼。
（Ａ）試験片にＣｌ⁻＝５〜１５ｇ／ｌ、ＳＯ_４ ^２−＝１〜５ｇ／ｌ、ｐＨ＝１〜３の組成の試験液１００ｍlを滴下。その後、温度８０℃の環境で相対湿度４０％−３０分、相対湿度８５％−３時間保持する工程を１００サイクル繰り返す。