JP6420893B1 - フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】耐高温塩害性および耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供する。【解決手段】Ｃ：０．０３０質量％以下、Ｓｉ：１．４０質量％以上２．００質量％以下、Ｍｎ：１．００質量％以下、Ｐ：０．０５０質量％以下、Ｓ：０．０２０質量％以下、Ｎｉ：０．５０質量％以上２．００質量％以下、Ｃｒ：１８．００質量％以上２１．００質量％以下、Ｍｏ：０．４０質量％以上２．５０質量％以下、Ｎ：０．０３０質量％以下を含有し、ＴｉおよびＮｂの少なくとも１種を合計で１０（Ｃ＋Ｎ）質量％以上０．７０質量％以下で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。また、この合金組成の範囲において、７Ｍｏ＋３Ｎｉ＋５Ｓｉ≧１２．０を満たし、Ｃｒ＋３(Ｍｏ＋Ｓｉ)＋Ｎｉ≧２５．５を満たす。【選択図】なし

Description

本発明は、耐高温塩害性および耐食性に優れるフェライト系ステンレス鋼に関する。

従来、排ガス経路部材は、排ガス凝縮水による耐食性や、融雪塩等に由来する耐塩害性を確保するため、材料温度に合わせてＳＵＳ４０９、ＳＵＳ４３９およびＳＵＳ４３６等が使用されている。

このような排ガス経路部材は、エンジンの燃焼効率向上により、触媒到達時の排ガス温度が低下することがあり、触媒早期活性化のために、保熱カバーや断熱材等で覆うことがある。

しかしながら、排ガス経路部材が保熱カバーや断熱材等で覆われることにより、材料温度が従来より上昇し、融雪塩を含む高温環境下に曝されることから、現行のＳＵＳ４３６よりも高い耐高温塩害性が求められることが想定される。

また、エンジン停止時等には、保熱カバーや断熱材等の内部は塩分を含む湿潤環境となるため、耐高温塩害性だけでなく、耐食性も重要である。

耐高温塩害性に優れるステンレス鋼としてはＳｉおよびＭｏを含むオーステナイト系ステンレス鋼が知られているが、フェライト系ステンレス鋼と比較して、鋭敏化による耐食性劣化や応力腐食割れの懸念がある。

また、排ガス経路部材には、熱疲労対策として蛇腹加工されたフレキシブルチューブを追加する必要があるため、これらオーステナイト系ステンレス鋼の欠点は大きな問題となる。

一方、排ガス経路部材に適用されるフェライト系ステンレス鋼としては、例えば特許文献１等のように、フレキシブルチューブへの加工性を確保し、耐高温塩害性に優れたものが知られている。

また、特許文献２等のように、排ガス経路部材の使用状態を模擬し、４００℃−８ｈ加熱後の耐食性の基準を満足する低コストフェライト系ステンレス鋼が知られている。

特開２００７−１６３０５号公報 特開２０１４−１６２９６４号公報

しかしながら、上述の特許文献１のフェライト系ステンレス鋼では、耐食性に関して検討されておらず、高温塩害と湿食が繰り返される環境下で適用できるかが不明である。

また、特許文献２のフェライト系ステンレス鋼では、４００℃−８ｈ加熱後の湿食のみの評価であり、高温環境下での耐高温塩害性は評価されておらず、高温塩害と湿食が繰り返される環境下で適用できるかが不明である。

したがって、高温塩害と湿食が繰り返される環境下での使用に適用できるように、耐高温塩害性および耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼が求められていた。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、耐高温塩害性および耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。

請求項１に記載されたフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ：０．０３０質量％以下、Ｓｉ：１．４０質量％以上２．００質量％以下、Ｍｎ：１．００質量％以下、Ｐ：０．０５０質量％以下、Ｓ：０．０２０質量％以下、Ｎｉ：０．５０質量％以上２．００質量％以下、Ｃｒ：１８．５０質量％以上２１．００質量％以下、Ｍｏ：０．４０質量％以上２．５０質量％以下、Ｎ：０．０３０質量％以下およびＣｕ：０．０２質量％以上２．００質量％以下を含有し、ＴｉおよびＮｂの少なくとも１種を合計で１０（Ｃ＋Ｎ）質量％以上０．７０質量％以下で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、７Ｍｏ＋３Ｎｉ＋５Ｓｉ≧１２．０を満たし、Ｃｒ＋３(Ｍｏ＋Ｓｉ)＋Ｎｉ≧２５．５を満たすものである。

請求項２に記載されたフェライト系ステンレス鋼は、請求項１記載のフェライト系ステンレス鋼において、Ａｌ：０．１５質量％以下と、Ｂ：０．００２０質量％以下と、Ｖ、ＷおよびＣｏの少なくとも１種を合計で１．００質量％以下と、ＲＥＭおよびＣａの少なくとも１種を合計で０．１０質量％以下とのうちの少なくとも１種を含有するものである。

本発明によれば、規定された所定の合金組成の範囲において、７Ｍｏ＋３Ｎｉ＋５Ｓｉ≧１２．０を満たし、Ｃｒ＋３(Ｍｏ＋Ｓｉ)＋Ｎｉ≧２５．５を満たすため、耐高温塩害性および耐食性が良好である。

以下、本発明の一実施の形態の構成について詳細に説明する。

本発明に係る一実施の形態のフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ（炭素）：０．０３０質量％以下、Ｓｉ（ケイ素）：１．４０質量％以上２．００質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：１．００質量％以下、Ｐ（リン）：０．０５０質量％以下、Ｓ（硫黄）：０．０２０質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）：０．５０質量％以上２．００質量％以下、Ｃｒ（クロム）：１８．５０質量％以上２１．００質量％以下、Ｍｏ（モリブデン）：０．４０質量％以上２．５０質量％以下、Ｎ（窒素）：０．０３０質量％以下、および、Ｃｕ（銅）：０．０２質量％以上２．００質量％以下とを含有し、Ｔｉ（チタン）およびＮｂ（ニオブ）の少なくとも１種を合計で１０（Ｃ＋Ｎ）質量％以上０．７０質量％以下で含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなる。

また、必要に応じて、Ａｌ（アルミニウム）：０．１５質量％以下と、Ｂ（ホウ素）：０．００２０質量％以下と、Ｖ（バナジウム）、Ｗ（タングステン）およびＣｏ（コバルト）の少なくとも１種を合計で１．００質量％以下と、ＲＥＭ（希土類元素）およびＣａ（カルシウム）の少なくとも１種を合計で：０．１０質量％以下とのうちの少なくともいずれか１種を含有する。

そして、上記合金組成の各元素の含有量の範囲において、７Ｍｏ＋３Ｎｉ＋５Ｓｉ≧１２．０の（１）式を満足し、かつ、Ｃｒ＋３(Ｍｏ＋Ｓｉ)＋Ｎｉ≧２５．５の（２）式を満足する。

なお、（１）式および（２）式の各元素記号は、そのフェライト系ステンレス鋼が含有している各元素の含有量を示し、その含有量の値（質量％）が代入され、無添加のものは０が代入される。

Ｃは、鋼中に不可避的に含有され、耐粒界腐食性（鋭敏化抑制作用）や加工性を低下させる元素であるため、含有量を抑えることが好ましいが、その含有量を過度に低減させると精錬コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｃの含有量は、０．０３０質量％以下とする。

Ｓｉは、耐高温塩害性、および、加熱後における耐食性の向上に有効な元素であり、これらの作用を奏するには、１．４０質量％以上含有させる必要がある。一方、Ｓｉを２．００質量％を超えて含有させると、加工性および溶接部靭性が低下してしまう可能性がある。したがって、Ｓｉの含有量は、１．４０質量％以上２．００質量％以下とする。

Ｍｎは、脱酸元素として有用であるが、１．００質量％を超えて含有させると、腐食の起点となるＭｎＳを生成しやすくなり、また、フェライト相を不安定化させる可能性がある。したがって、Ｍｎの含有量は、１．００質量％以下とし、好ましくは０．５０質量％以下とする。

Ｐは、溶接性、溶接部靭性および加工性を低下させる元素であるため、含有量を抑えることが好ましいが、過度に低減させると精錬コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｐの含有量は、０．０５０質量％以下とする。

Ｓは、溶接部靭性を低下させる元素であるとともに、腐食の起点となるＭｎＳを生成させるため、含有量を抑えることが好ましいが、過度に低減させると精錬コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｓの含有量は、０．０２０質量％以下とし、好ましくは０．０１０質量％以下とする。

Ｎｉは、耐高温塩害性、加熱後における耐食性、加工性（脆性割れ抑制作用）の向上に有効な元素であり、これらの作用を奏するには０．５０質量％以上含有させる必要がある。一方、Ｎｉを２．００質量％を超えて含有させると、フェライト相を不安定化させる可能性があるとともに、必要以上に材料コストを上昇させる。したがって、Ｎｉの含有量は、０．５０質量％以上２．００質量％以下とし、好ましくは１．００質量％以下とする。

Ｃｒは、加熱後における耐食性を確保する上で重要な元素であり、この作用を奏するには１８．５０質量％以上含有させる必要がある。一方、Ｃｒを２１．００質量％を超えて含有させると、加工性が低下する可能性があるとともに、材料コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｃｒの含有量は、１８．５０質量％以上２１．００質量％以下とし、好ましくは１８．５０質量％以上２０．５０質量％以下とする。

Ｍｏは、耐高温塩害性および加熱後における耐食性を向上させるために有効な元素であり、この作用を奏するには、０．４０質量％以上含有させる必要がある。一方、Ｍｏを２．５０質量％を超えて含有させると、加工性が低下してしまう可能性があるとともに、材料コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｍｏの含有量は、０．４０質量％以上２．５０質量％以下とし、好ましくは１．１０質量％以下とし、より好ましくは０．９０質量％以下とする。

Ｎは、耐粒界腐食性（鋭敏化抑制作用）や加工性を低下させる元素であるため、含有量を抑えることが好ましいが、過度に低減させると精錬コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｎの含有量は、０．０３０質量％以下とする。

ＴｉおよびＮｂは、耐粒界腐食性（鋭敏化抑制作用）を向上させる元素であり、この作用を奏するには、耐粒界腐食性を低下させるＣおよびＮの含有量との関係から、ＴｉおよびＮｂを合計で１０（Ｃ＋Ｎ）質量％以上含有させる必要がある。一方、ＴｉおよびＮｂの合計含有量が０．７０質量％を超えると、加工性が低下してしまう可能性がある。したがって、ＴｉおよびＮｂの合計含有量は、１０（Ｃ＋Ｎ）質量％以上０．７０質量％以下とする。なお、Ｔｉを０．３０質量％を超えて含有させると、加工性および製品における表面品質が低下してしまう可能性があり、Ｎｂを０．４０質量％を超えて含有させると、加工性および靭性が低下してしまう可能性があるため、Ｔｉの含有量は、０．３０質量％以下が好ましく、Ｎｂの含有量は０．４０質量％以下が好ましい。

Ａｌは、脱酸元素として作用するが、０．１５質量％を超えて含有させると、製品における表面品質の低下の原因となる可能性がある。したがって、Ａｌを含有する場合には、その含有量は、０．１５質量％以下とする。

Ｂは、二次加工性を向上させる元素であるが、０．００２０質量％を超えて含有させると、熱間加工性が低下してしまう可能性がある。したがって、Ｂを含有する場合には、その含有量を０．００２０質量％以下とする。

Ｃｕは、耐食性を向上させる元素であるが、２．００質量％を超えて含有させると、フェライト相を不安定化させる可能性があるとともに、材料コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｃｕの含有量は、２．００質量％以下とし、好ましくは１．００質量％で、より好ましくは０．５０質量％以下とする。

Ｖ、ＷおよびＣｏは、ＶおよびＷは耐食性を向上させる元素であり、Ｃｏは靭性を向上させる元素であるが、これらの合計含有量が１．００質量％を超えると、加工性および靭性が低下してしまう可能性があるとともに、材料コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｖ、ＷおよびＣｏの少なくとも１種を含有する場合には、Ｖ、ＷおよびＣｏの合計含有量を１．００質量％以下とする。

ＲＥＭおよびＣａは、脱酸元素として有用であるが、これらの合計含有量が０．１０質量％を超えると、材料コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、ＲＥＭおよびＣａのいずれかを含有する場合には、ＲＥＭおよびＣａの合計含有量を０．１０質量％以下とする。

ここで、上記合金成分において、耐高温塩害性の向上には、Ｓｉ、ＮｉおよびＭｏが有効であるため、６５０℃での耐高温塩害評価に基づいて各成分の寄与度を検討したところ、７Ｍｏ＋３Ｎｉ＋５Ｓｉ≧１２．０で示す（１）式を満たすように合金成分を調整すると、耐高温塩害性を向上できることを導出した。

また、耐食性は、５００℃で酸化皮膜が生成されると最も低下するため、５００℃に加熱した後においても耐食性が確保できるようにすることが重要である。

そこで、上記合金成分において、加熱時における耐食性の向上には、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、およびＭｏが有効であるため、５００℃での耐食性評価に基づいて、Ｃｒ＋３(Ｍｏ＋Ｓｉ)＋Ｎｉ≧２５．５の（２）式を満たすように合金成分を調整すると、加熱時における耐食性を確保できることを導出した。

次に、上記一実施の形態の作用および効果を説明する。

上記フェライト系ステンレス鋼によれば、各元素を上記範囲に調整するとともに、７Ｍｏ＋３Ｎｉ＋５Ｓｉ≧１２．０の（１）式の関係を満たすことで耐高温塩害性を向上でき、かつ、Ｃｒ＋３(Ｍｏ＋Ｓｉ)＋Ｎｉ≧２５．５の（２）式の関係を満たすことで加熱時における耐食性を確保できる。

すなわち、塩分を含む高温および湿潤のいずれの環境下に曝されても、高温塩害による腐食および湿食による腐食を抑制できる。

そのため、このように耐高温塩害性および耐食性に優れるフェライト系ステンレス鋼は、例えば排ガス経路部材等のように、高温塩害と湿食とが繰り返される環境下で使用される用途に適用できる。

以下、本実施例および比較例について説明する。

まず、表１に示す各合金組成のステンレス鋼を溶製し、熱間圧延、焼鈍・酸洗、冷間圧延、焼鈍・酸洗を施し、１．２ｍｍの冷延焼鈍板を作成して、耐高温塩害性、耐食性および加工性を評価するための試験に供した。

耐高温塩害性の評価では、各冷延焼鈍板を３５ｍｍ（長さ）×２５ｍｍ（幅）に切り出し、表面を♯４００で研磨し、端面を♯６００で研磨して、耐高温塩害性試験の試験片とした。なお、耐高温塩害性試験前に各試験片の寸法（長さ、幅および厚み）と重量とを測定した。

耐高温塩害性試験では、試験片を常温の飽和食塩水（２６％ＮａＣｌ水溶液）に５分間浸漬し、大気中において６５０℃で２時間加熱し、室温に空冷するという工程を１サイクルとして１０サイクル実施した。

この耐高温塩害性試験後、試験片表面に付着した腐食生成物を除去し、重量を測定して、単位面積当たりの腐食減量を算出した。

そして、腐食減量が０．０３ｇ／ｃｍ^２以下の場合を耐高温塩害性が良好であると評価して表１において○で示し、腐食減量が０．０３ｇ／ｃｍ^２を超えた場合を耐高温塩害性が低いと評価して表１において×で示した。

耐食性の評価では、予備試験の結果から、５００℃×２分間の加熱後の耐食性を評価した。

具体的には、予備試験として、ＳＵＳ４３６の冷延焼鈍板をアセトン洗浄し、４００〜９００℃の温度で２分間の加熱後、ＪＩＳ Ｇ ０５７７に準拠し、ポテンショスタッドを用いて動電位法により１ＭのＮａＣｌ溶液中でアノード分極し、１０μＡ／ｃｍ^２を超えた電位を孔食電位とした。

この予備試験において５００℃で２分間の加熱の場合が最も孔食電位が低かったため、各冷延焼鈍板をアセトン洗浄し、５００℃×２分間の加熱後に、耐食性試験を実施した。

耐食性試験では、塩水噴霧（３５℃、５％ＮａＣｌ、１５分間）、乾燥（６０℃、３０％ＲＨ、６０分間）、および、湿潤（５０℃、９５％ＲＨ、３時間）を１サイクルとして、３０サイクル実施した。

この耐食性試験の後、試験片に付着した腐食生成物を除去し、顕微鏡焦点深度法によって最大腐食深さを求めた。

そして、最大腐食深さが５０μｍ以下のものを耐食性が良好と評価して表１において○で示し、最大腐食深さが５０μｍを超えたものを耐食性が低いと評価して表１において×で示した。

溶接部を加工性（曲げ）の評価では、各冷延焼鈍板を、溶接電流３０〜６０Ａ、溶接速度２０〜４０ｃｍ／分の条件でビードオンプレートでＴＩＧ溶接した後、曲げ試験を行なった。

曲げ試験では、溶接方向とは垂直に曲げ半径２ｍｍ、曲げ角度９０度のＶブロック曲げを０℃で実施した。その後、さらに密着するまで０℃で曲げ、室温での割れの有無を観察した。

そして、割れが確認されなかったものを加工性が良好であると評価して表１において○で示し、割れが確認されたものを加工性が低いと評価して表１において×で示した。

表１に示すように、本実施例のいずれも、耐高温塩害性、耐食性および加工性のいずれも良好であった。

これに対して、上記合金組成の範囲、（１）式の関係および（２）式の関係のいずれかの条件を満たしていない各比較例は、耐高温塩害性、耐食性および加工性の少なくともいずれかの基準を満たしていなかった。

特に、上記合金組成の範囲内で（２）式の関係を満たしていない比較例１０は、耐食性の基準を満たしておらず、上記合金組成の範囲内で（１）式の関係を満たしていない比較例１１は耐高温塩害性の基準を満たしていなかった。

Claims (2)

1. Ｃ：０．０３０質量％以下、Ｓｉ：１．４０質量％以上２．００質量％以下、Ｍｎ：１．００質量％以下、Ｐ：０．０５０質量％以下、Ｓ：０．０２０質量％以下、Ｎｉ：０．５０質量％以上２．００質量％以下、Ｃｒ：１８．５０質量％以上２１．００質量％以下、Ｍｏ：０．４０質量％以上２．５０質量％以下、Ｎ：０．０３０質量％以下およびＣｕ：０．０２質量％以上２．００質量％以下を含有し、ＴｉおよびＮｂの少なくとも１種を合計で１０（Ｃ＋Ｎ）質量％以上０．７０質量％以下で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
   ７Ｍｏ＋３Ｎｉ＋５Ｓｉ≧１２．０を満たし、
   Ｃｒ＋３(Ｍｏ＋Ｓｉ)＋Ｎｉ≧２５．５を満たす
   ことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。
2. Ａｌ：０．１５質量％以下と、Ｂ：０．００２０質量％以下と、Ｖ、ＷおよびＣｏの少なくとも１種を合計で１．００質量％以下と、ＲＥＭおよびＣａの少なくとも１種を合計で０．１０質量％以下とのうちの少なくとも１種を含有する
   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。