JP6665936B2 - フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

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Description

本発明は、スケール密着性、熱疲労特性および耐凝縮水腐食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る。
自動車の排気系部材の中で、上流側、特にエンジンに直結しているエキゾーストマニホールドは最高使用温度が８００〜９００℃にも達する厳しい環境で使用されている。そのため、その材料には優れた熱疲労特性が求められ、Ｎｂを添加したフェライト系ステンレス鋼が主に用いられている。
フェライト系ステンレス鋼に添加されたＮｂは、鋼中に固溶することにより高温強度を高めて熱疲労特性を向上させる。しかし、Ｎｂは鋼中のＣやＮと結合して炭窒化物になりやすく、固溶Ｎｂ量が減少して熱疲労特性が低下することがある。この対策として、ＮｂよりＣやＮと結合しやすいＴｉを複合添加して、ＣやＮをＴｉ炭窒化物として生成させることでＮｂ炭窒化物の生成を防ぐことも行われている。このＮｂ−Ｔｉ複合添加鋼の代表的なものがＴｙｐｅ４４１フェライト系ステンレス鋼（１８％Ｃｒ−０．５％Ｎｂ−０．２％Ｔｉ）（ＥＮ１００８８―２：ＥＮ１．４５０９）であり、この鋼は自動車のエキゾーストマニホールド等に広く使用されている。
エキゾーストマニホールドはエンジンの起動・停止のたびに加熱と急冷の繰り返しを受ける厳しい繰り返し酸化の環境で使用されるため、スケールが剥離すると、地鉄が直接高温の排気ガスに曝されて酸化が進行して板厚が減少し、場合によっては穴があいたり変形したりしてしまうことがある。このため、自動車のエキゾーストマニホールドに用いるＮｂ−Ｔｉ複合添加フェライト系ステンレス鋼には、スケールが剥離しない優れたスケール密着性も求められている。
Ｎｂ−Ｔｉ複合添加フェライト系ステンレス鋼の高温強度や熱疲労特性を向上させる方法として、特許文献１および２ではＭｏの添加が開示されている。特許文献３〜５ではＭｏ、Ｃｕ、Ｗの添加が開示されている。スケール密着性を改善する方法として、特許文献３ではＲＥＭ、Ｃａ、Ｙ、Ｚｒの添加が開示されている。特許文献５ではＲＥＭ、Ｃａの添加が開示されている。特許文献６では、ＣｏとＮｉを添加することでスケール密着性と熱疲労特性を改善したＮｂ−Ｔｉ複合添加フェライト系ステンレス鋼が開示されている。
一方、自動車排気管部品の下流側に配置されるマフラーやパイプなどには、例えば道路に撒かれた融雪塩を含む水が飛散したり、排ガスが冷却されて生じた腐食性イオンを含む凝縮水に曝されるため、耐食性（以下では、耐凝縮水腐食性と記す）が求められることが多く、ＴｉやＭｏを添加したフェライト系ステンレス鋼が使用されている。例として、ＪＩＳ Ｇ４３０５に規定されているＳＵＳ４３６Ｌ（１８％Ｃｒ−０．２％Ｔｉ−１％Ｍｏ）やＳＵＳ４３０ＬＸ（１８％Ｃｒ−０．２％Ｔｉ）が挙げられる。
以上のように、上流側のエキゾーストマニフォールド等と下流のマフラー等は求められる特性が異なるため、それぞれの用途に適したフェライト系ステンレス鋼が使用されてきたが、これを共通のフェライト系ステンレス鋼で製造することができれば、鋼種数を低減できる上、異なる材質の部品を溶接する個所が減り、部品の製造性が安定し、自動車製造を効率化できる。
特開平４−２２４６５７号公報 特開平５−７０８９７号公報 特開２００４−２１８０１３号公報 特開２００８−２４０１４３号公報 特開２００９−１７４０４０号公報 特許第５５０５５７０号公報
しかし、特許文献１〜５に開示された方法では、ＭｏやＷが高価であるとともに、鋼板の靭性など加工性を低下させる欠点を有している。また、Ｃｕは常温における加工性を大きく低下させるのみならず、耐酸化性を低下させてしまう欠点を有している。また、特許文献１〜５では、エキゾーストマニフォールドに必要な熱疲労特性や耐酸化性（スケール密着性）とともにマフラー等に必要な耐凝縮水腐食性が同時に評価されたものはない。さらに、ＳＵＳ４３６Ｌ（１８％Ｃｒ−０．２％Ｔｉ−１％Ｍｏ）やＳＵＳ４３０ＬＸ（１８％Ｃｒ−０．２％Ｔｉ）をエキゾーストマニフォールドに用いる場合、熱疲労特性が不足する問題があった。
このように、従来のフェライト系ステンレス鋼では、スケール密着性、熱疲労特性および耐凝縮水腐食性の全ての特性が良好であるとはまだ言えなかった。
本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、スケール密着性と熱疲労特性に優れるとともに耐凝縮水腐食性にも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。
なお、本発明の「スケール密着性に優れる」とは、研磨した冷延焼鈍板を大気中において、１０００℃での２０ｍｉｎ保持と１００℃での１ｍｉｎ保持を４００サイクル行う繰り返し酸化試験（加熱速度：５℃／ｓｅｃ、冷却速度：１．５℃／ｓｅｃ）後の試験片表面でスケールが剥離した面積が５％未満であることを指す。
また、「熱疲労特性に優れる」とは、ＪＳＭＳ−ＳＤ−７−０３に準拠し、２００〜９００℃間で加熱・冷却を繰り返すと同時に、拘束率０．６で歪を繰り返し付与し、各サイクルの２００℃において検出された荷重を、試験片均熱平行部の断面積で割った値（応力）が、５サイクル目の応力に対して７５％まで低下したサイクル数（熱疲労寿命）が６６０サイクル以上であることを指す。
また、「耐凝縮水腐食性に優れる」とは、Ｃｌ−：５００ｐｐｍ、ＳＯ４ ２−：１０００ｐｐｍを含み、ｐＨ：４、温度：８０℃である恒温槽内に研磨した冷延焼鈍板を保持し、１セット：溶液浸漬２時間と乾燥６時間を、３０セット行い、腐食減量が１０ｇ／ｍ２以下であることを指す。
本発明者らは、Ｎｂ―Ｔｉ−Ｃｏ−Ｎｉ複合添加フェライト系ステンレス鋼の熱疲労特性に及ぼすＣ＋Ｎ量の影響を検討し、Ｔｉが含まれている鋼においてＣ＋Ｎ量、Ｔｉ量を適正量に限定することでさらに優れた熱疲労特性が得られることを見出した。
さらに、Ｎｂ―Ｔｉ−Ｃｏ−Ｎｉ複合添加フェライト系ステンレス鋼の耐凝縮水腐食性に関する研究を行い、Ｍｏ、Ｃｕの両方を適量添加することにより耐凝縮水腐食性を改善し、マフラー等の下流側の部品に使用することが可能となることを見出した。
本発明は、以上の知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
［１］質量％で、Ｃ：０．０１０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１７．０％以上１８．５％以下、Ｎ：０．０１５％以下、Ｎｂ：０．４０％以上０．８０％以下、Ｔｉ：０．１０％以上０．４０％以下、Ａｌ：０．２０％以下、Ｎｉ：０．０５％以上０．４０％以下、Ｃｏ：０．０１％以上０．３０％以下、Ｍｏ：０．０２％以上０．３０％以下、Ｃｕ：０．０２％以上０．４０％以下、を含有し、かつ、以下の式（１）を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有するフェライト系ステンレス鋼。
Ｃ％＋Ｎ％：０．０１８％以下 ・・・（１）
式（１）中、Ｃ％、Ｎ％は、それぞれＣ、Ｎの含有量（質量％）を表す。
［２］質量％で、さらに、Ｃａ：０．０００５％以上０．００３０％以下、Ｍｇ：０．０００２％以上０．００２０％以下、Ｂ：０．０００２％以上０．００２０％以下、のうちから選ばれる１種または２種以上を含有する前記［１］に記載のフェライト系ステンレス鋼。
［３］質量％で、さらに、Ｖ：０．０１％以上０．５０％以下、Ｗ：０．０２％以上０．３０％以下、Ｚｒ：０．００５％以上０．５０％以下、のうちから選ばれる１種または２種以上を含有する前記[１]または[２]に記載のフェライト系ステンレス鋼。
本発明によれば、スケール密着性、熱疲労特性および耐凝縮水腐食性に優れるフェライト系ステンレス鋼を得ることができる。本発明のフェライト系ステンレス鋼は、耐熱性（スケール密着性、熱疲労特性）と耐凝縮水腐食性の両方に優れるため、自動車の排気系部材の上流側、下流側の両方に好適に用いることができる。
図１は、熱疲労試験片を説明する図である。 図２は、熱疲労試験における温度および拘束条件を説明する図である。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０１０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１７．０％以上１８．５％以下、Ｎ：０．０１５％以下、Ｎｂ：０．４０％以上０．８０％以下、Ｔｉ：０．１０％以上０．４０％以下、Ａｌ：０．２０％以下、Ｎｉ：０．０５％以上０．４０％以下、Ｃｏ：０．０１％以上０．３０％以下、Ｍｏ：０．０２％以上０．３０％以下、Ｃｕ：０．０２％以上０．４０％以下、を含有し、かつ、以下の式（１）を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有し、スケール密着性と熱疲労特性に優れるとともに、耐凝縮水腐食性にも優れている。
Ｃ％＋Ｎ％：０．０１８％以下 ・・・（１）
式（１）中、Ｃ％、Ｎ％は、それぞれＣ、Ｎの含有量（質量％）を表す。
次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼の成分組成を規定した理由を説明する。なお、成分％は、特に断りのない限り、すべて質量％を意味する。
Ｃ：０．０１０％以下
Ｃは、鋼の強度を高めるのに有効な元素であり、その効果は０．００１％以上のＣの含有で得られるため、Ｃ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。一方、０．０１０％を超えてＣを含有すると、スケール剥離が起こるため、Ｃ含有量は０.０１０％以下とする。なお、Ｃ含有量は、靭性、加工性を確保する観点から、また、ＮｂＣが粗大化したり析出量が多くなったりすることで、鋼中の固溶Ｎｂ量が減少して熱疲労特性が低下してしまう観点から、少ない方が望ましく、Ｃ含有量は０．００８％以下とするのが好ましい。Ｃ含有量は、より好ましくは０．００５％以上である。
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは、耐酸化性向上のために有効な元素であり、その効果は０．０１％以上のＳｉの含有で得られるため、Ｓｉ含有量は０．０１％以上であることが好ましい。一方、１．０％を超えてＳｉを含有すると加工性が低下するため、Ｓｉ含有量は１．０％以下とする。Ｓｉ含有量は、より好ましくは０．２０％以上であり、さらにより好ましくは０．３０％以上である。特に、Ｎｉ含有量を０．２０％以上かつＳｉ含有量を０．３０％以上とするとスケール密着性が特に優れる。また、Ｓｉ含有量は、好ましくは１．００％以下であり、より好ましくは０．５０％以下であり、さらに好ましくは０．４０％以下である。
Ｍｎ：１．０％以下
Ｍｎは、鋼の強度を高める元素であり、また、脱酸剤としての作用も有する。その効果は０．０１％以上のＭｎの含有で得られるため、Ｍｎ含有量は０．０１％以上であることが好ましい。一方、１．０％を超えてＭｎを含有すると、酸化増量を著しく増加させて耐酸化性を低下させてしまうため、Ｍｎ含有量は１．０％以下とする。Ｍｎ含有量は、より好ましくは０．２０％以上であり、さらにより好ましくは０．３０％以上である。また、Ｍｎ含有量は、好ましくは１．００％以下であり、より好ましくは０．６０％以下であり、さらに好ましくは０．５０％以下である。
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、靭性を低下させる元素であり、低減することが望ましく、Ｐ含有量は０．０４０％以下とする。好ましくは、Ｐ含有量は０．０３５％以下である。より好ましくは、Ｐ含有量は０．０３０％以下である。
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、成形性と耐食性を低下させるので少ないほうが望ましく、Ｓ含有量は０．０３０％以下とする。好ましくは、Ｓ含有量は０．００６％以下である。より好ましくは、Ｓ含有量は０．００３％以下である。
Ｃｒ：１７．０％以上１８．５％以下
Ｃｒは、耐食性および耐酸化性を向上させるために必要な元素であり、良好な耐食性および耐酸化性を得るために、１７．０％以上のＣｒの含有が必要である。Ｃｒ含有量が１７．０％未満であると酸化スケールが増大しやすくなり、スケール密着性が低下するのみならず、熱疲労特性も低下する場合がある。さらに、凝縮水中での耐食性も十分には得られない。一方、１８．５％を超えてＣｒを含有すると、鋼が硬質化して製造性や加工性が低下するため、Ｃｒ含有量は１８．５％以下とする。好ましくは、Ｃｒ含有量は１７．５％以上１８．５％以下の範囲である。
Ｎ：０．０１５％以下
Ｎは、鋼の靭性および加工性を低下させるので少ないほうが望ましく、また、Ｎ含有量が多いと、粗大なＴｉＮが析出し、ＴｉＮに付随してＮｂＣが多量に析出して鋼中固溶Ｎｂ量が減少することで熱疲労特性が低下する。さらに、粗大なＴｉＮを起点として酸化スケールが剥離しやすくなりスケール密着性も低下するため、Ｎ含有量は０．０１５％以下とする。好ましくは、Ｎ含有量は０．０１２％以下である。より好ましくは、Ｎ含有量は０．０１０％以下である。
Ｎｂ：０．４０％以上０．８０％以下
Ｎｂは、鋼中に固溶して高温強度を著しく上昇させて熱疲労特性を向上させる効果を有する元素である。その効果は０．４０％以上のＮｂの含有で得られる。一方、０．８０％を超えるＮｂの過剰な含有は鋼の靭性を低下させるのみならず、高温においてＬａｖｅｓ相（Ｆｅ２Ｎｂ）を形成して却って高温強度を低下させるため、Ｎｂ含有量は０．８０％以下とする。Ｎｂ含有量は、好ましくは０．４３％以上であり、より好ましくは０．４５％以上である。また、Ｎｂ含有量は、好ましくは０．６０％以下であり、より好ましくは０．５０％以下である。
Ｔｉ：０．１０％以上０．４０％以下
Ｔｉは、優先的にＣ、Ｎと結びついて炭窒化物を生成することで、Ｎｂ炭窒化物の生成を防ぐとともに、耐食性、成形性および溶接部の粒界腐食性を向上させる。これらの効果を得るためには０．１０％以上のＴｉの含有が必要である。Ｔｉ含有量が０．１０％未満であると、Ｃ、Ｎを完全にＴｉ炭窒化物として生成させることができず、Ｎｂ炭窒化物が形成してＮｂ固溶量が減少して熱疲労特性が低下する。一方で、０．４０％を超える過剰なＴｉの含有は、Ｔｉ炭窒化物の析出量が増加し、それに付随してＮｂ炭窒化物が析出しやすくなることでＮｂ固溶量が減少するため、熱疲労特性が低下する。さらに、Ｔｉ炭窒化物の析出量増加によりスケール密着性も低下し、粗大なＴｉ炭窒化物を起点として腐食が発生するため耐凝縮水腐食性も低下させる。このためＴｉ含有量は０．４０％以下とする。Ｔｉ含有量は、好ましくは０．１５％以上である。また、Ｔｉ含有量は、好ましくは０．３０％以下であり、より好ましくは０．２５％以下である。
Ａｌ：０．２０％以下
Ａｌは脱酸に有効な元素であり、その効果は０．０１％以上の含有で得られるため、Ａｌ含有量は０．０１％以上であることが好ましい。一方、鋼を硬質化させて加工性を低下させるため、Ａｌ含有量は０．２０％以下とする。Ａｌ含有量は、より好ましくは０．０２％以上である。また、Ａｌ含有量は、好ましくは０．１０％以下であり、より好ましくは０．０６％以下である。
Ｎｉ：０．０５％以上０．４０％以下
Ｎｉは、本発明においてスケール密着性を確保するために重要な元素であり、その効果を得るためには、０．０５％以上のＮｉを含有することが必要である。Ｎｉが０．０５％未満であると、スケール密着性が低下し、スケールが剥離した点が起点となって熱疲労破壊する場合がある。また、後述のように、本発明の鋼は適量のＣｏ含有によって熱膨張係数が低減されているため、Ｃｏ無添加鋼あるいはＣｏの含有量が不足する鋼に比べて、より少量のＮｉ含有量で上記効果が得られる。一方、Ｎｉは高価な元素であることに加えて、０．４０％を超えてＮｉを含有すると、高温でγ相を生成し却ってスケール密着性を低下させる。従って、Ｎｉ含有量は、０．０５％以上０．４０％以下の範囲とする。Ｎｉ含有量は、好ましくは０．１０％以上であり、より好ましくは０．２０％以上である。また、Ｎｉ含有量は、好ましくは０．３０％以下であり、より好ましくは０．２５％以下である。
Ｃｏ：０．０１％以上０．３０％以下
Ｃｏは、本発明において重要な元素である。Ｃｏは熱疲労特性を向上させるのに必要な元素であり、そのためには少なくとも０．０１％以上のＣｏの含有が必要である。Ｃｏは、鋼の熱膨張係数を低減させて昇温時の膨張量を少なくして、昇温および冷却時に発生する歪量を小さくすることで熱疲労特性を向上させることができる。さらに、鋼の熱膨張係数が低減することにより、鋼とスケールの熱膨張係数の差が小さくなり、冷却時にスケールが剥離しにくくなる。そのため、より少量のＮｉの含有によってスケールの剥離を防止することができる効果がある。一方、０．３０％を超えてＣｏを含有すると、酸化皮膜と地鉄の界面にＣｏが濃化し、スケール密着性が低下する。０．３０％を超えてＣｏを含有すると、この界面濃化の副作用が上記の熱膨張係数低減によるスケール剥離防止効果を打ち消し、冷却時にスケールが剥離する。従って、Ｃｏ含有量は０．０１％以上０．３０％以下とする。Ｃｏ含有量は、好ましくは０．０２％以上であり、より好ましくは０．０３％以上である。また、Ｃｏ含有量は、好ましくは０．１０％以下である。
Ｍｏ：０．０２％以上０．３０％以下
Ｍｏは、固溶強化により鋼の強度を増加させて熱疲労特性を向上させるとともに耐塩害腐食性を向上させることで耐凝縮水腐食性を向上させる元素であり、その効果は０．０２％以上のＭｏの含有で得られる。しかし、Ｍｏは高価な元素であるとともに、多量にＭｏを含有すると表面欠陥が発生するのみならず、室温における加工性が低下する。表面欠陥を発生させず良好な表面性状を得るためには、Ｍｏ含有量は０．３０％以下とする必要がある。従って、Ｍｏ含有量は０．０２％以上０．３０％以下の範囲とする。Ｍｏ含有量は、好ましくは０．０４％以上である。また、Ｍｏ含有量は、好ましくは０．１０％以下である。
Ｃｕ：０．０２％以上０．４０％以下
Ｃｕは、ε−Ｃｕとして微細に析出することで鋼を強化して熱疲労特性を向上させるとともに、耐硫酸腐食性を向上させることで耐凝縮水腐食性を向上させる効果を有する。それらの効果を得るためには、０．０２％以上Ｃｕを含有することが必要である。一方、０．４０％を超えてＣｕを含有すると、酸化スケール密着性が低下し耐繰り返し酸化性が低下する。さらに、ε−Ｃｕが粗大に析出しやすくなり耐凝縮水腐食性も低下する。このため、Ｃｕ含有量は０．４０％以下とする。従って、Ｃｕ含有量は０．０２％以上０．４０％以下の範囲とする。Ｃｕ含有量は、好ましくは０．０４％以上である。また、Ｃｕ含有量は、好ましくは０．１０％以下である。
本発明においては、ＭｏとＣｕが、それぞれ耐塩害腐食性、耐硫酸腐食性を向上させることで耐凝縮水腐食性を向上させるため、ＭｏまたはＣｕの単独の含有では十分な耐凝縮水腐食性は得られない。本発明においては、ＭｏとＣｕの両方を適量含有するからこそ優れた耐凝縮水腐食性が得られる。
Ｃ％＋Ｎ％：０．０１８％以下 ・・・（１）
式（１）中、Ｃ％、Ｎ％は、それぞれＣ、Ｎの含有量（質量％）を表す。
前述したように、ＣとＮは、靭性、加工性、耐スケール剥離性の観点から、それぞれの含有量を０．０１０％以下、０．０１５％以下とする。さらに、本発明では、熱疲労特性の観点からＣ％＋Ｎ％を、上記式（１）のように０．０１８％以下に限定する。Ｃ％＋Ｎ％が０．０１８％を超える場合、粗大なＴｉ窒化物（ＴｉＮ）が多量に生成し、それに付随してＮｂＣがＴｉＮの周囲に析出するため、ＮｂＣの析出量が多くなる。ＮｂＣの析出量が多くなると、鋼中に固溶しているＮｂ量が減少し、鋼の高温強度が低下するため、熱疲労特性向上効果が十分に得られなくなる。したがって、ＮｂとＴｉを複合添加している本発明において、Ｎｂの固溶強化量を十分に得るため、Ｃ％＋Ｎ％を０．０１８％以下とする。好ましくは、Ｃ％＋Ｎ％は０．０１５％以下である。Ｃ％＋Ｎ％が０．０１５％以下の場合、析出するＴｉＮやＮｂＣは微細なものになり、さらにＴｉＮが微細化することでその周囲に析出するＮｂＣの析出量が低減し、鋼中固溶Ｎｂ量が増加する。さらに、ＮｂＣ自身が微細に析出することによって析出強化効果も得られる。これらの効果によって、熱疲労特性が向上する。より好ましくは、Ｃ％＋Ｎ％は０．０１３％以下とする。
本発明は、上記必須成分を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、スケール密着性と熱疲労特性に優れるとともに耐凝縮水腐食性にも優れたフェライト系ステンレス鋼である。さらに、必要に応じて、Ｃａ、ＭｇおよびＢのうちから選ばれる１種または２種以上、ならびに／または、Ｖ、ＷおよびＺｒのうちから選ばれる１種または２種以上を、下記の範囲で含有することができる。
Ｃａ：０．０００５％以上０．００３０％以下
Ｃａは、連続鋳造の際に発生しやすいＴｉ系介在物析出によるノズルの閉塞を防止するのに有効な成分である。その効果は０．０００５％以上のＣａの含有で得られる。一方、表面欠陥を発生させず良好な表面性状を得るためには、Ｃａ含有量は０．００３０％以下とすることが好ましい。従って、Ｃａを含有する場合は、Ｃａ含有量は０．０００５％以上０．００３０％以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、Ｃａ含有量は０．０００５％以上０．００２０％以下の範囲である。さらに好ましくは、Ｃａ含有量は０．０００５％以上０．００１５％以下の範囲である。
Ｍｇ：０．０００２％以上０．００２０％以下
Ｍｇは、加工性や靱性を向上させるのに有効な元素である。さらに、Ｍｇは、ＮｂやＴｉの炭窒化物の粗大化を抑制するのに有効な元素である。Ｔｉ炭窒化物が粗大化すると、脆性割れの起点となるため靱性が低下する。また、Ｎｂ炭窒化物が粗大化すると、Ｎｂの鋼中の固溶量が低下するため、熱疲労特性の低下につながる。上記の加工性および靭性を向上させたり、ＮｂおよびＴｉの炭窒化物の粗大化を抑制したりするといった効果は、０．０００２％以上のＭｇの含有で得られる。一方、Ｍｇ含有量が０．００２０％を超えると、鋼の表面性状を悪化させてしまう場合がある。従って、Ｍｇを含有する場合は、Ｍｇ含有量は０．０００２％以上０．００２０％以下の範囲とすることが好ましい。Ｍｇ含有量は、より好ましくは０．０００４％以上である。また、Ｍｇ含有量は、より好ましくは０．００１５％以下であり、さらにより好ましくは０．００１０％以下である。
Ｂ：０．０００２％以上０．００２０％以下
Ｂは、加工性、特に二次加工性を向上させるのに有効な元素である。それらの効果は０．０００２％以上のＢの含有で得られる。一方、０．００２０％を超えてＢを含有すると鋼の加工性、靭性が低下する場合があるため、Ｂ含有量は０．００２０％以下とする。従って、Ｂを含有する場合は、Ｂ含有量は０．０００２％以上０．００２０％以下の範囲とすることが好ましい。Ｂ含有量は、より好ましくは０．０００３％以上である。また、Ｂ含有量は、より好ましくは０．００１０％以下である。
Ｖ：０．０１％以上０．５０％以下
Ｖは、高温強度の向上に有効な元素である。また、ＴｉやＮｂの炭窒化物が粗大化するのを抑制する効果も有する。その効果は、０．０１％以上のＶの含有で得られる。一方、０．５０％を超えてＶを含有すると、粗大なＶ（Ｃ、Ｎ）が析出して靭性が低下する場合がある。従って、Ｖを含有する場合は、Ｖ含有量は０．０１％以上０．５０％以下の範囲とすることが好ましい。Ｖ含有量は、より好ましくは０．０２％以上である。また、Ｖ含有量は、より好ましくは０．２０％以下である。
Ｗ：０．０２％以上０．３０％以下
Ｗは、Ｍｏと同様に、固溶強化により鋼の強度を増加させる元素であり、その効果は０．０２％以上のＷを含有することで得られる。しかし、Ｗは高価な元素であり、また多量にＷを含有すると表面欠陥が生じるのみならず、靭性などの加工性が大きく低下する。良好な表面性状を得るために、Ｗ含有量は０．３０％以下とすることが好ましい。従って、Ｗを含有する場合は、Ｗ含有量は０．０２％以上０．３０％以下の範囲とすることが好ましい。
Ｚｒ：０．００５％以上０．５０％以下
Ｚｒは、耐酸化性を向上させる元素である。その効果を得るためには、Ｚｒ含有量を０．００５％以上にすることが好ましい。一方、Ｚｒ含有量が０．５０％を超えると、Ｚｒ金属間化合物が析出して、鋼が脆化しやすくなる。よって、Ｚｒを含有する場合は、Ｚｒ含有量は０．００５％以上０．５０％以下とすることが好ましい。
次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼の製造方法について説明する。
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、通常のステンレス鋼の製造方法を用いることができる。上記成分組成からなる鋼を転炉、電気炉等の溶解炉で溶製し、さらに取鍋精錬、真空精錬等の２次精錬を経て、連続鋳造法あるいは造塊−分塊圧延法で鋼片（スラブ）とし、熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗を施し熱延焼鈍酸洗板とする。さらに、冷間圧延、仕上焼鈍、酸洗等の各工程を経て冷延焼鈍板とする方法が推奨される。一例は以下の通りである。
転炉あるいは電気炉等で溶製し、ＡＯＤ法あるいはＶＯＤ法により二次精錬を行い上記成分組成の溶鋼を溶製し、連続鋳造法によりスラブにする。このスラブを１０００〜１２５０℃に加熱して、熱間圧延により所望の板厚の熱延板とする。この熱延板を９００℃〜１１００℃の温度で連続焼鈍を施した後、ショットブラストと酸洗により脱スケールを行って熱延焼鈍酸洗板とする。この熱延焼鈍酸洗板をそのままエキゾーストマニホールドやフランジ、パイプやマフラー等の本発明が対象とする用途に用いることも可能であるが、さらに、冷間圧延と焼鈍・酸洗を行って冷延焼鈍酸洗板とすることもできる。この冷間圧延工程では、必要に応じて中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を行ってもよい。１回または２回以上の冷間圧延からなる冷延工程の総圧下率は６０％以上、好ましくは７０％以上とする。冷延板焼鈍温度は、９００〜１１５０℃、好ましくは９５０〜１１００℃である。また、用途によっては、酸洗後に軽度の圧延（スキンパス圧延等）を加えて、鋼板の形状、品質調整を行うこともできる。また、水素を含む還元雰囲気で焼鈍して酸洗を省略したＢＡ仕上げとすることもできる。
このようにして製造して得た熱延焼鈍板製品あるいは冷延焼鈍板製品を用い、それぞれの用途に応じた曲げ加工等を施し、自動車やオートバイの排気管、触媒外筒材および火力発電プラントの排気ダクトあるいは燃料電池関連部材に成形される。これらの部材を溶接するための溶接方法は、特に限定されるものではなく、ＴＩＧ、ＭＩＧ、ＭＡＧ等の各種アーク溶接方法や、スポット溶接、シーム溶接等の抵抗溶接方法、および電縫溶接方法などの高周波抵抗溶接、高周波誘導溶接が適用可能である。
表１に示す成分組成を有するＮｏ．１〜４０の鋼を真空溶解炉で溶製・鋳造して３０ｋｇ鋼塊にした。次いで、１１７０℃に加熱後、熱間圧延を行って厚さ３５ｍｍ×幅１５０ｍｍのシートバーとした。このシートバーを二分割した。その一つを鍛造により断面が３０ｍｍ×３０ｍｍの角棒とし、９５０〜１０５０℃の範囲内で焼鈍後、機械加工し、図１に示した熱疲労試験片を作製した。この試験片を用いて後述の熱疲労試験を行った。焼鈍温度については９５０〜１０５０℃の温度範囲内で組織を確認しながら成分ごとに設定した。以降の焼鈍についても同様である。
上記二分割したもう一方のシートバーを用い、１０５０℃に加熱後、熱間圧延して板厚５ｍｍの熱延板とした。その後９００〜１０５０℃の温度範囲で熱延板焼鈍し、酸洗して熱延焼鈍酸洗板を製作した。この段階で、鋼板の表面性状を肉眼で観察した。これを冷間圧延により板厚を２ｍｍとし、９００〜１０５０℃の温度範囲内で仕上げ焼鈍して冷延焼鈍板とした。これを下記の繰り返し酸化試験および凝縮水浸漬試験に供した。
＜繰り返し酸化試験＞
上記の冷延焼鈍板から２０ｍｍ幅×３０ｍｍ長さの寸法に切り出し、全６面を＃３２０エメリー紙で研磨して試験に供した。酸化試験条件は、大気中において、１０００℃で２０ｍｉｎ保持と１００℃で１ｍｉｎ保持を４００サイクル繰り返した。加熱速度および冷却速度は、それぞれ５℃／ｓｅｃ、１．５℃／ｓｅｃで行った。試験後にスケールの剥離の有無を目視観察してスケール密着性を評価した。得られた結果を表１に併せて示す。
＜熱疲労試験＞
上記熱疲労試験用試験片について、２００〜９００℃間で加熱・冷却を繰り返すと同時に、図２に示したような拘束率０．６で歪を繰り返し付与し、熱疲労寿命を測定した。測定方法は日本材料学会標準 高温低サイクル試験法（ＪＳＭＳ−ＳＤ−７−０３）に準拠した。まず、各サイクルの２００℃において検出された荷重を、図１に示した試験片均熱平行部の断面積（５０．３ｍｍ2）で割って、そのサイクルの応力とした。そのサイクルにおける応力が、挙動が安定する５サイクル目の応力に対して７５％まで低下したサイクル数を熱疲労寿命とした。この寿命サイクル数で熱疲労特性を評価した。得られた結果を表１に併せて示す。
なお、上記の拘束率については、図２に示すように、拘束率η＝ａ／（ａ＋ｂ）、ａは（自由熱膨張歪み量−制御歪み量）／２、ｂは制御歪み量／２である。また、自由熱膨張歪み量とは機械的な応力を一切与えずに昇温した場合の歪量であり、制御歪み量とは室温で何も応力を負荷しない状態に対する歪量を示す。拘束により材料に生じる実質的な拘束歪み量は、（自由熱膨張歪み量−制御歪み量）、すなわち、自由熱膨張歪み量に対する歪量である。
＜凝縮水浸漬試験＞
上記で作製した冷延焼鈍板から、６０ｍｍ幅×８０ｍｍ長の寸法に切り出し、全６面を＃３２０エメリー紙で研磨して試験に供した。試験時には端部を保護テープで被覆した。試験溶液は凝縮水を模擬し、Ｃｌ−：５００ｐｐｍ、ＳＯ４ ２−：１０００ｐｐｍを含み、ｐＨ：４に調整した。温度は８０℃となるよう恒温槽内に保持した。試験は溶液浸漬２時間と乾燥６時間を１セットとし、３０セット行った。試験後、腐食生成物を除去し、試験前後の重量を測定することで腐食減量を算出した。
Figure 0006665936
なお、表１において、各試験の判定基準は以下の通りである。
（１）スケール密着性：繰り返し酸化試験後の試験片表面でスケールが剥離した面積が０％（目視観察でスケール剥離が見つからなかった）のものを◎（合格）、０％超え５％未満のものを○（合格）、５％以上のものを×（不合格）と判定した。
（２）熱疲労特性：熱疲労寿命が７５０サイクル以上のものを◎（合格）、６６０サイクル以上７５０サイクル未満のものを○（合格）、６６０サイクル未満を×（不合格）と判定した。
（３）耐凝縮水腐食性：腐食減量が５ｇ／ｍ２以下のものを◎（合格）、５ｇ／ｍ２超え１０ｇ／ｍ２以下のものを○（合格）、１０ｇ／ｍ２を超えたものを×（不合格）とした。
表１より、本発明例であるＮｏ．１〜２０および３６〜４０は、全て、スケール密着性および熱疲労特性、耐凝縮水腐食性のいずれもが優れていた。ＳｉとＮｉの含有量が好適な範囲（Ｓｉ≧０．３０％およびＮｉ≧０．２０％）である本発明例Ｎｏ．２〜４、６、９、１０、１２、１４〜１６、１９、２０、３６〜４０はスケール密着性が特に優れていた。Ｃ＋Ｎと、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｕの含有量が好適な範囲（Ｃ＋Ｎ≦０．０１５％、Ｔｉ≧０．１５％、Ｃｏ≧０．０２％、Ｍｏ≧０．０４％、Ｃｕ≧０．０４％）である本発明例Ｎｏ．１、２、６〜１１、１６、３８は熱疲労特性が特に優れていた。ＭｏとＣｕの含有量が好適な範囲（Ｍｏ≧０．０４％およびＣｕ≧０．０４％）である本発明例Ｎｏ．１、２、６〜１１、１６、１８、３６〜４０は耐凝縮水腐食性が特に優れていた。また、本発明例の全ての熱延焼鈍酸洗板の表面性状は、表面欠陥がなく良好であった。
一方、ＭｏとＣｕがいずれも本発明範囲の下限値未満である比較例Ｎｏ．２１、２４、Ｃｕが本発明範囲の下限値未満である比較例Ｎｏ．２２、Ｍｏが本発明範囲の下限値未満である比較例Ｎｏ．２３は、いずれも耐凝縮水腐食性が不合格となった。
Ｃ＋Ｎが本発明範囲の上限値超えである比較例Ｎｏ．２５は、熱疲労特性が不合格となった。Ｃｏが本発明範囲の下限値未満である比較例Ｎｏ．２６は、熱疲労特性が不合格となった。Ｎｉが本発明範囲の下限値未満である比較例Ｎｏ．２７は、スケール密着性と熱疲労特性が不合格となった。
ＮｉとＣｏがともに本発明範囲の下限値未満である比較例Ｎｏ．２８は、スケール密着性と熱疲労特性が不合格となった。Ｃｕが本発明範囲の上限値超えである比較例Ｎｏ．２９は、スケール密着性、耐凝縮水腐食性が不合格となった。
Ｔｉが本発明範囲の上限値超えである比較例Ｎｏ．３０は、スケール密着性、熱疲労特性、耐凝縮水腐食性のいずれもが不合格となった。Ｃが本発明範囲の上限値超えである比較例Ｎｏ．３１はスケール密着性と熱疲労特性が、Ｎが本発明範囲の上限値超えである比較例Ｎｏ．３２はスケール密着性と熱疲労特性が不合格となった。
Ｃｒが本発明範囲の下限値未満である比較例Ｎｏ．３３は、スケール密着性、熱疲労特性、凝縮水腐食性のいずれもが不合格となった。Ｎｂが本発明範囲の下限値未満である比較例Ｎｏ．３４およびＴｉが本発明範囲の下限値未満である比較例Ｎｏ．３５は、いずれも熱疲労特性が不合格となった。
以上より、本発明範囲の鋼が、スケール密着性、熱疲労特性、耐凝縮水腐食性のいずれにも優れていることは明らかである。
本発明のフェライト系ステンレス鋼板はスケール密着性、熱疲労特性、耐凝縮水腐食性のいずれにも優れるため、エキゾーストマニホールド、各種排気パイプ、フランジ、コンバーターケースやマフラー等の自動車等の排気系部品全てに好適であるのみならず、１つの鋼種で排気管部品を全て構成することも可能であり、鋼材の入手安定性や溶接性の面で効率化できる。さらに、火力発電システムの排気系部材や燃料電池用部材としても好適である。

Claims (3)

  1. 質量％で、
    Ｃ：０．０１０％以下、
    Ｓｉ：１．０％以下、
    Ｍｎ：１．０％以下、
    Ｐ：０．０４０％以下、
    Ｓ：０．０３０％以下、
    Ｃｒ：１７．０％以上１８．５％以下、
    Ｎ：０．０１５％以下、
    Ｎｂ：０．４０％以上０．８０％以下、
    Ｔｉ：０．１５％以上０．４０％以下、
    Ａｌ：０．２０％以下、
    Ｎｉ：０．２０％以上０．４０％以下、
    Ｃｏ：０．０１％以上０．３０％以下、
    Ｍｏ：０．０４％以上０．３０％以下、
    Ｃｕ：０．０４％以上０．４０％以下、
    を含有し、かつ、以下の式（１）を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有するフェライト系ステンレス鋼。
    Ｃ％＋Ｎ％：０．０１８％以下 ・・・（１）
    式（１）中、Ｃ％、Ｎ％は、それぞれＣ、Ｎの含有量（質量％）を表す。
  2. 質量％で、さらに、
    Ｃａ：０．０００５％以上０．００３０％以下、
    Ｍｇ：０．０００２％以上０．００２０％以下、
    Ｂ：０．０００２％以上０．００２０％以下、
    のうちから選ばれる１種または２種以上を含有する請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼。
  3. 質量％で、さらに、
    Ｚｒ：０．００５％以上０．５０％以下
    を含有する請求項１または２に記載のフェライト系ステンレス鋼。
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