JP6343548B2 - 耐熱オーステナイト系ステンレス鋼板 - Google Patents
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Description
今後の動向として、排ガス温度は1100℃に達すると想定されている。従来、この温度域になると、ステンレス鋼板を使用せず、鋳鋼が使用される場合が多いが、この場合、重量が重くなること、熱容量が大きいため熱効率が低下すること、下流の排ガス浄化触媒コンバータでの温度低下が大きく触媒効率が低下すること、などの問題がある。したがって、最高温度1100℃で使用可能なステンレス鋼板が望まれていた。
本発明の目的は、最高温度1100℃に達する高温環境で使用可能な耐熱オーステナイト系ステンレス鋼板を提供することにある。
高温強度に関しては、Nの効果をより有効的に発現させるためには、Nと化合物を形成しやすい元素であるTi、Alを制限する必要があることが判明した。これはTi、Alが過剰に添加されると高温で安定なTiN、AlNを形成するため、固溶Nが減少するためであると考えられる。また、Nbについても同様にNbNを形成するため、添加量の制限が必要になる懸念があったが、NbNは高温での安定度がTiN、AlNほど大きくなく、また、1000℃を超える高温の鋼中ではNbNではなく、Nb−Nクラスターを形成している確率が高いと考えられ、ある程度の添加は高温強度向上に有効であることが分かった。
さらに、Moもスケールの剥離を抑制する効果を持つが、Mo添加が多いと、昇華性のMoO3が生成しやすくなり耐酸化性が低下する傾向にあった。耐酸化性の低下を抑制する手段として適量のMn添加が有効であることも分かった。Mnを適量添加すると、Mn酸化物が酸化スケール最表層に形成され、MoO3の生成および昇華を抑制するものと推定している。適量のMn添加により高温強度向上にも効果のあるMoを、耐酸化性を低下させることなく、多めに添加できることが可能となった。
Mo≦Mn≦2×Mo・・・(1) ただし、式(1)における元素記号は、当該元素の質量%を表す。
(2)さらに、質量%で、Nb:0.01〜0.2%、V:0.01〜0.5%、W:0.01〜0.5%、Co:0.01〜0.5%のいずれか1種以上を含有し、さらに、Mo、Nb、V、WおよびCoの合計質量が2.0%以下であることを特徴とする(1)に記載の耐熱オーステナイト系ステンレス鋼板。
(3)さらに、質量%で、Cu:0.1〜2.0%、Sn:0.005〜0.1%、B:0.0001〜0.01%のいずれか1種以上を含有することを特徴とする(1)または(2)に記載の耐熱オーステナイト系ステンレス鋼板。
(4)1100℃高温強度が、0.2%耐力で20MPa以上あり、さらに、1100℃断続酸化試験における質量減が1mg/cm2以下であることを特徴とする(1)から(3)のいずれかに記載の耐熱オーステナイト系ステンレス鋼板。
(5)自動車排気系部材に用いられることを特徴とする(1)から(4)のいずれかに記載の耐熱オーステナイト系ステンレス鋼板。
Cは、オーステナイト系ステンレス鋼の高温強度向上に有効である。特に、600℃を超える領域でもその向上効果は存在する。これは、C単体の効果ではなく、Nと他合金元素(Mo,Nb,V等)との相互作用によるものと考えている。しかし、過剰のCはCr炭化物を形成しやすくなり、成形性と耐食性、熱延板靭性を劣化させる。そのため、適正な添加量を0.05〜0.15%とする。
Nは、Cと同様にオーステナイト系ステンレス鋼の高温強度向上に有効である。特に、600℃を超える領域でもその向上効果は存在する。これは、N単体の効果ではなく、Nと他合金元素(Mo,Nb,V等)との相互作用によるものと考えている。しかし、過剰のNはCr窒化物を形成しやすくなり、成形性と耐食性、熱延板靭性を劣化させる。そのため、適正な添加量を0.10〜0.30%とする。
CおよびNはともに高温強度向上に効果はあるが、十分な効果を得るためには、C+Nを0.25%以上添加する必要がある。しかし、過剰な添加は、粗大な炭窒化物を招き、高温強度の向上効果を減少させるだけでなく、加工性を低下させるので、0.35%を上限とする。
Siは、脱酸剤としても有用な元素であるとともに、耐酸化性を向上させる元素であり、本発明では重要な元素である。耐酸化性に対しては、Si量の増加とともに向上する。その効果は1.0%以上で発現するため、下限を1.0%とする。しかし、Siは靭性を大きく低下させる元素であり、過度の添加は靭性ならびに常温延性を低下させる。そのため、上限を3.5%とする。好ましくは、1.6%〜2.0%である。
Mnは、オーステナイト安定化元素であり、脱酸剤として添加される元素である。また、中温域での高温強度上昇に寄与する元素である。さらには、Moとともに添加される場合、スケール最表層の形成されるMn酸化物、MoO3の生成および昇華を抑制し、耐酸化性の向上に寄与する。Mn添加量としては、高価なNiを節約するため、0.5%以上添加する。一方、過度な添加は、MnSを形成して耐食性を低下させるため、上限を4.0%とする。
ただし、Mnは、Moとの関係から、Moと同量未満では耐酸化性向上効果がないため、Mo以上の添加が必要である。さらには、Moの2倍超添加すると、Mn酸化物の形成量が多くなりすぎ、異常酸化が起きやすくなるため、Moの2倍を上限とする。したがって、下記式(1)を満たす。
Mo≦Mn≦2×Mo・・・(1) ただし、式(1)における元素記号は、当該元素の質量%を表す。
Pは、製造上不可避に混入する元素であるが、溶接性に悪影響を与えるため、その含有量は、できるだけ低減する必要がある。そのため、0.04%以下とする。なお、好ましくは0.03%以下である。
Sは、製造上不可避に混入する元素であるが、溶接性に悪影響を与える。また、MnSを形成し、耐食性、耐酸化性を劣化させる。そのため、その含有量は、できるだけ低減する必要があり、0.01%以下とする。なお、好ましくは0.002%以下である。
Crは、耐酸化性、耐食性確保のために必須な元素である。しかしながら、過剰に添加させるとσ脆性が起こりやすくなる元素でもある。そのため、適正範囲を23.0〜26.0%とする。好ましくは、23.5〜25.0%である。
Niは、オーステナイト安定化元素であり、耐食性を向上させる元素である。少ないとオーステナイト相が安定に形成されないため、10.0%以上添加する。しかし、Niは高価な元素であるため、過剰に添加すると高コストとなる。したがって、その上限を15.0%とする。好ましくは、10.5〜13.0%である。
Moは、本発明で重要な元素である。高温強度を向上させる元素である。この作用は固溶強化と考えられているが、本発明において、C、Nと共存する場合、単なる固溶強化以上の強化能を発現している。その機構は明確でないが、Moと、CまたはNとの相互作用、特に、クラスターの形成により強化されている可能性があると考えている。一方、過度の添加は、σ相を形成しやすくなるとともに耐酸化性を低下させる。したがって、添加の適正範囲は、0.50〜2.0%とする。好ましくは、1.1〜1.6%である。
Tiは、Nと結合して粗大な窒化物(TiN)を形成しやすい元素である。本発明では、Nを高温強化に用いているため、粗大なTiNの形成は高温特性の低下を招く。また、耐酸化性にも悪影響を与える元素でもある。したがって、本発明では、できるだけ低減する必要があり、その上限を0.1%とする。好ましくは、0.03%以下である。さらに好ましくは、0.01%以下である。
Alは脱酸元素として有用であり、その効果は、0.005%以上で発現する。しかし、過度の添加は、常温延性の低下、靭性の低下を招くほか、AlNの生成による固溶窒素の減少による高温強度の低下を招く。したがって、その上限を0.10%とする。高温特性を重視する場合は、0.07%以下、さらには、0.05%未満が好ましい。
Y、La、Ce等の希土類元素(REM)は、スケール剥離性を改善する。Si、およびMo、Mnと同時に添加されている場合、特にその効果が大きく、1100℃での断続酸化試験のような過酷な環境においても非常に有効であることが分かった。この要因は、Si、Mo、Mn添加により安定的なCr2O3皮膜が形成され、その剥離をスケール/母材界面で剥離を抑制してすること、および、粒界にREMが偏析することによりFeの酸化が抑制され、異常酸化を抑制していることによると考えている。このREMの効果は、0.01%以上の添加で発現する。しかし、過度の添加は溶接性等を阻害するため、その上限を0.20%とする。1100℃程度の高温環境で安定的に優れたスケール密着性を実現するには、0.03%以上の添加が好ましい。更に好ましくは、0.05〜0.13%である。なお、REM(希土類元素)は、一般的な定義に従い、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)の2元素と、ランタン(La)からルテチウム(Lu)までの15元素(ランタノイド)の総称を指す。
REMはLa等の単独元素の添加でも良いし、ミッシュメタルのような混合物の添加でも良い。
さらに、高温特性を向上させるために、以下の元素を添加しても良い。
Nb:0.01〜0.2%
V:0.01〜0.5%
W:0.01〜0.5%
Co:0.01〜0.5%
Cuはオーステナイト安定化元素であるとともに中温域の高温強度を向上させる効果を持つ。その効果は、0.1%以上で発現する。しかし、過度に添加すると熱延加熱時に異常酸化を生じ表面疵の原因ともなるため、その添加量は、2.0%を上限とする。好ましくは、0.1〜1.0%である。
Snは、耐食性や中温域の高温強度の向上に有効な元素である。また、常温の機械的特性を大きく劣化させない効果もある。耐食性への効果は0.005%以上で発現するため、下限は0.005%とする。好ましくは、下限が0.01%である。一方、過度に添加すると製造性や溶接性が著しく劣化するため、上限を0.1%とする。
Bはオーステナイト系ステンレス鋼の中温域の高温強度を向上させる効果を持つ元素である。その効果は、オーステナイト系ステンレス鋼における添加量が0.0001%で発現する。しかし、過度に添加すると熱間加工性を劣化させるため、その添加量は、0.01%を上限とする。Bの添加量はより好ましくは0.0003%〜0.0050%である。
一方、本発明から外れる比較例では、加工性、高温強度、耐酸化性、の何れかが、1つ以上不合格であった。
これにより、本発明鋼が比較例のオーステナイト系ステンレス鋼に対して優れている事が分かる。
つまり、本発明は産業上、非常に有益である。
Claims (5)
- 質量%で、
C: 0.05〜0.15%、
Si:1.0〜3.5%、
Mn:0.5〜4.0%、
P:0.04%以下、
S:0.01%以下、
Cr:23.0〜26.0%、
Ni:10.0〜15.0%、
Mo:0.50〜2.0%、
N:0.10〜0.30%、
C+N:0.25〜0.35%、
Ti:0.1%以下、
Al:0.005〜0.10%、
REM:0.01〜0.20%
を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、下記式(1)を満たすことを特徴とする耐熱オーステナイト系ステンレス鋼板。
Mo≦Mn≦2×Mo・・・(1)
ただし、式(1)における元素記号は、当該元素の質量%を表す。 - さらに、質量%で、
Nb:0.01〜0.2%、
V:0.01〜0.5%、
W:0.01〜0.5%、
Co:0.01〜0.5%、
のいずれか1種以上を含有し、さらに、
Mo、Nb、V、WおよびCoの合計質量が2.0%以下
であることを特徴とする請求項1に記載の耐熱オーステナイト系ステンレス鋼板。 - さらに、質量%で、
Cu:0.1〜2.0%、
Sn:0.005〜0.1%、
B:0.0001〜0.01%、
のいずれか1種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の耐熱オーステナイト系ステンレス鋼板。 - 1100℃高温強度が、0.2%耐力で20MPa以上あり、さらに、1100℃断続酸化試験における質量減が1mg/cm2以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の耐熱オーステナイト系ステンレス鋼板。
- 自動車排気系部材に用いられることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の耐熱オーステナイト系ステンレス鋼板。
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