JP6846445B2

JP6846445B2 - 耐熱フェライト系ステンレス鋼板

Info

Publication number: JP6846445B2
Application number: JP2019046160A
Authority: JP
Inventors: 雅俊安部; 濱田　純一; 純一濱田
Original assignee: Nippon Steel Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Stainless Steel Corp
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: JP2020147791A

Description

本発明は、耐熱フェライト系ステンレス鋼板に関する。

自動車の排気系統は、エキゾーストマニホールド、ターボチャージャー、触媒コンバーター、フレキシブルチューブ、フロントパイプ、センターパイプおよびマフラーなどに加え、近年搭載が増加しているＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）クーラー、排熱回収器、ＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）、ＧＰＦ（ＧａｓｏｌｉｎｅＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）および尿素ＳＣＲ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）といった環境対応部品から構成される。これらの排気系部材は、エンジンから排出される高温の排気ガスを通すため、排気系部材を構成する材料には耐酸化性、高温強度、疲労特性など多様な特性が要求される。また、これらの中で内面凝縮水腐食および外面塩害環境に曝される排気系部材には、腐食に対する耐穴開き性に優れた特性が要求される。

上記の中で例えばエキゾーストマニホールドや触媒コンバーターのケースは、特に高温の排ガスに曝されるため、耐熱性を重視した優れたステンレス鋼が使用される。一方、後方に配置させるセンターパイプやマフラー等は、排ガス温度が低くなるため、耐食性を重視したステンレス鋼が使用される。ステンレス鋼の中でオーステナイト系ステンレス鋼は、耐熱性や加工性に優れている。しかし、オーステナイト系ステンレス鋼は、熱膨張係数が大きいために、エキゾーストマニホールドのように加熱と冷却を繰り返し受ける部材に適用された場合、熱疲労破壊が生じやすい。また、オーステナイト系ステンレス鋼は、フェライト系ステンレス鋼に比べると、スケール剥離性に劣る場合があり、また、高価なＮｉを多量に含有するためコスト高になる課題がある。よって、自動車の排気系部材には主にフェライト系ステンレス鋼が多用されている。

近年、排ガス規制の強化、エンジン性能の向上、車体軽量化などの観点から、高耐熱性および高耐食性のフェライト系ステンレス鋼が使用されている。耐熱性が重視される排気系部材には、例えばＳＵＳ４３０Ｊ１（Ｎｂ添加鋼）、Ｎｂ−Ｓｉ添加鋼、ＳＵＳ４４４（Ｎｂ−Ｍｏ添加鋼）、Ｎｂ−Ｃｕ添加鋼が適用されている（特許文献１）。これらの鋼は、いずれも合金コストが高いＮｂ添加が前提となっており、Ｎｂによる固溶強化あるいは析出強化によって高温強度を高くし、熱疲労寿命を向上するものであった。

一方、後方に配置するセンターパイプやマフラー等は耐食性が重視されるため、ＳＵＨ４０９Ｌ（Ｔｉ添加鋼）、ＳＵＳ４３０ＬＸ（Ｔｉ添加鋼）、ＳＵＳ４３６Ｌ（Ｔｉ−Ｍｏ添加鋼）等が使用されている。これらの鋼では、ＣｒやＭｏにより外面塩害腐食あるいは内面凝縮水腐食に対する耐穴開き性を向上させている。

ところで、近年では車体軽量化による燃費向上、熱効率向上、排ガス浄化のために、排気系統の各箇所に環境対応部品（ＥＧＲクーラー、排熱回収機、ＤＰＦ、ＧＰＦ等）が搭載される動きが加速しているが、その一方で、排気系統全体の重量が増える傾向にある。各種排気系部材の増加に伴う重量増を押さえて車体軽量化を図るためには、各種排気系部材に使用される鋼板の板厚を減らす、即ち薄肉化することが必要となる。また、排気系統に使用される部品点数が多くなるためコストが増加しており、この対策として素材コストの低減も必要である。しかしながら、素材としての鋼板には、高強度、熱疲労寿命の向上および高耐食化が必要であり、一般的には鋼に合金元素を多量に添加することで高温強度や耐食性を向上させる方法がとられる。この場合、合金コストが高くなる他、鋼板製造性が劣化する場合がある。また、耐食性を向上させる元素が必ずしも高温強度を向上させるわけではなく、コスト増を抑えつつ高強度化と高耐食化を両立し得る鋼は見出されていなかった。

これに対して、耐熱用フェライト系ステンレス鋼として、ＣｕやＡｌを活用した技術が開示されている。特許文献２には、Ｎｂを無添加とし、Ｃｕ添加によってＣｕ析出物を微細分散させることで高温強度を向上させた鋼が記載されている。また、特許文献３には、Ａｌ、Ｔｉ，ＣｒおよびＮｉ添加量の最適化により熱疲労特性と酸化性に優れた鋼が記載されている。更に、特許文献４と特許文献５には、加工性と酸化性に優れたＡｌ添加フェライト系ステンレス鋼が記載されている。この他、Ａｌ添加については、特許文献６と特許文献７にも溶接性や水蒸気酸化特性に対する影響が記載されている。しかしながら、自動車の排気系部材の素材を薄肉化して部品軽量化を図る上で重要となる、高サイクル疲労特性については考慮されていないという問題があった。

自動車の排気系統は、各部品が種々の接合方法で結合されている。エンジンに近い所謂ホットエンド部品と呼ばれている排気系部材では、エンジンの振動や走行時の車体振動が作用するため、排気ガスによる高温環境下で繰り返し応力が作用する。ホットエンド部品における熱疲労は、熱サイクルによって一定歪みが繰り返し作用する低サイクル疲労（破断寿命が１０^３サイクルのオーダー）になるが、比較的低い応力が作用する高サイクル疲労（破断寿命が１０^４〜１０^７サイクルのオーダー）も重要である。また、排気系部材では、高温の排気ガスに曝されるため、高温での高サイクル疲労特性の向上が重要になる。

一方、電気自動車は、電池を搭載してモーターで走行するものであり、電池部品が多数搭載されている。この中で電池ケース、電池モジュール、電池パック、電池セルと呼ばれる発電部品には、ステンレス鋼、アルミニウム、樹脂、Ｎｉめっき鋼板等が使用されている。ステンレス鋼を電池ケースに適用した例が特許文献８〜１０に記載されている。特許文献８には、オーステナイト系ステンレス鋼箔を素材としたリチウムイオン２次電池用ケースの製造方法が記載されている。特許文献９には、耐熱性に優れた電気自動車搭載用電池ケースにオーステナイト系ステンレス鋼板を適用することが記載されている。更に、特許文献１０には、大容量バッテリーの電極材および電極ケースとしてＣｒを１６〜３２％添加したフェライト系ステンレス鋼が記載されている。

大容量バッテリーには安全性、軽量化、高性能化が求められており、電池内の短絡や外部衝撃が起きると電解液が燃焼し発火する可能性がある。また、電解液による腐食の懸念もある。そのため、耐熱性及び耐食性の観点から、電池部材に使用される鋼材の成分調整がされている。

電気自動車の場合も、走行中に振動が発生する。振動は電池にも伝わるので、電気自動車に搭載される電池の部材にも、高サイクル疲労が懸念される。

また、電池の発熱や発火は「熱暴走」とも呼ばれる。熱暴走は、何らかの原因により電池内部が発熱し、その発熱が電池内部での化学反応を引き起こして発熱・発火・発煙が生じる現象とされている。電気自動車１台には複数個の電池搭載されるため、１つの電池が熱暴走すると他の電池も連鎖的に熱暴走に至り、場合によっては車両火災に繋がる危険がある。熱暴走によって電池が高温に曝されると、高温でのサイクル疲労が懸念される場合がある。しかしながら、高温でのサイクル疲労については特許文献８〜１０では触れられていない。特許文献８〜１０では、外部からの振動に伴う高サイクル疲労特性への影響は考慮されておらず、電池部品が高温化した際の信頼性は十分では無かった。これにより、電池部品の薄肉軽量化が進められない状況であった。

また特許文献１１には、低比重フェライト系ステンレス鋼板及びその製造方法が開示されている。特にＣｒ、Ａｌ、Ｓｉの添加量を調整し、かつ鋼の比重を低くすることで高温強度、耐酸化性、耐食性及び加工性に優れた低比重フェライト系ステンレス鋼が得られることを示しているが、高温の高サイクル疲労特性について言及がない。

特許第５２９７６３０号公報特許第５５４６９１１号公報特許第５７００１７５号公報特許第４９８６９７５号公報特許第４２３６５０３号公報特許第３４７４８２９号公報特許第５４０１０３９号公報特許第６０９０９２３号公報特開平１０−１８８９２２号公報特開２００９−１６７４８６号公報特開２０１８−１６８４５７号公報

本発明は、高温での高サイクル疲労特性に優れ、自動車の排気系部材や電池部品の薄肉化に寄与することが可能な、耐熱フェライト系ステンレス鋼板を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の要旨は、以下の通りである。

［１］質量％で、
Ｃ：０．００１〜０．０２０％、
Ｓｉ：０．１〜１．５％、
Ｍｎ：０．０１〜１．５０％、
Ｐ：０．０１０〜０．０４０％、
Ｓ：０．０００１〜０．０１００％、
Ｃｒ：１０．０〜１６．０％（ただし、Ｃｒが１０．５％、１２．８％、１３．１％及び１３．３％である場合を除く）、
Ｎ：０．００１〜０．０２０％、
Ａｌ：０．１０〜３．０％、
Ｎｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｂ：０．０００２〜０．００５０％、
Ｔｉ：０．０５〜０．１８％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
下記（１）式の関係を満足し、
８００℃におけるＪＩＳＺ２２７５（１９７８年）に規定される平面曲げ疲労試験の疲労強度が５０ＭＰａ以上であることを特徴とする耐熱フェライト系ステンレス鋼板。
［Ｓｉ］≧−２［Ａｌ］＋１ …（１）
ただし、式（１）において、［Ｓｉ］及び［Ａｌ］はそれぞれ、Ｓｉ、Ａｌの含有量（質量％）である。
［２］質量％で、
Ｃ：０．００１〜０．０２０％、
Ｓｉ：０．１〜１．５％、
Ｍｎ：０．０１〜１．５０％、
Ｐ：０．０１０〜０．０４０％、
Ｓ：０．０００１〜０．０１００％、
Ｃｒ：１０．０〜１２．６％、
Ｎ：０．００１〜０．０２０％、
Ａｌ：０．１０〜３．０％、
Ｎｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｂ：０．０００２〜０．００５０％、
Ｔｉ：０．０５〜０．１８％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
下記（１）式の関係を満足し、
８００℃におけるＪＩＳＺ２２７５（１９７８年）に規定される平面曲げ疲労試験の疲労強度が５０ＭＰａ以上であることを特徴とする耐熱フェライト系ステンレス鋼板。
［Ｓｉ］≧−２［Ａｌ］＋１ …（１）
ただし、式（１）において、［Ｓｉ］及び［Ａｌ］はそれぞれ、Ｓｉ、Ａｌの含有量（質量％）である。
［３］前記鋼板が更に質量％で、
Ｎｂ：０．００５〜０．３００％、
Ｃｕ：０．０１〜０．３０％、
Ｍｏ：０．０１〜３．００％、
Ｖ：０．０１〜０．５０％、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１００％、
Ｗ：０．１〜３．０％、
Ｚｒ：０．０１〜０．１０％、
Ｔａ：０．０１〜０．１０％、
Ｈｆ：０．０１〜０．１０％、
Ｓｎ：０．００５〜０．５００％、
Ｃｏ：０．０３〜０．３０％、
Ｍｇ：０．０００２〜０．０１００％、
Ｓｂ：０．００５〜０．５００％、
ＲＥＭ：０．００２〜０．２００％、
Ｇａ：０．０００２〜０．３０００％
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする［１］または［２］に記載の耐熱フェライト系ステンレス鋼板。

本発明によれば、高温での高サイクル疲労特性に優れ、自動車の排気系部材や電池部品の薄肉化に寄与することが可能な、耐熱フェライト系ステンレス鋼板を提供できる。

Ｓｉ量及びＡｌ量と高温での高サイクル疲労特性との関係を示す図である。

自動車の排気系統では、エンジンの振動や走行時の車体振動が作用するため、排気ガスによる高温環境下で繰り返し応力が加わる。こうした熱疲労は、熱サイクルによって一定歪みが繰り返し作用する低サイクル疲労（破断寿命が１０^３サイクルのオーダー）になるので、排気系部材に適用される鋼板は低サイクルでの疲労特性に優れることが求められる。その一方で、比較的低い応力が作用する高サイクル疲労（破断寿命が１０^４〜１０^７サイクルのオーダー）に対する耐久性も重要である。更に、本発明者らが検討したところ、排気ガスが通る排気系部材の場合、排気ガスによる酸化特性が高サイクル疲労特性に影響を及ぼす事を知見した。

すなわち、耐酸化性が低いと、ノジュール状のスケールが生成して母材の減肉が生じ、高サイクル疲労時の亀裂の起点や伝播を助長する場合があることを本発明者らは知見した。特に、平面曲げモードの高サイクル負荷によって材料表面に引張・圧縮の繰り返し応力が作用するとスケール剥離が生じ易く、疲労寿命を低下させる事を知見した。従来技術では、この様な疲労寿命と酸化性の関係は考慮されておらず、近年の排気ガス温度の高温化や材料の薄肉化によって健在化した課題である。

また、電気自動車に搭載される電池用の部材についても軽量化のための薄肉化の要望があるが、この場合も、外部からの振動による高サイクル疲労が問題になる。特に、電池の発熱に伴う電池の熱暴走を抑止するためには、高温での高サイクル疲労特性を改善する必要があった。

本発明では、比較的低Ｃｒ量かつ低Ｎｂ量の成分を有する安価なフェライト系ステンレス鋼において、Ａｌ、Ｓｉの添加量を調整し、また、耐酸化性に加えて高温での高サイクル疲労特性（以下、高温高サイクル疲労特性という）を向上させることを目的として、鋭意研究を推進した。そして、かかる目的を達成すべく種々の検討を重ねた結果、以下の知見を得た。
以下、本発明者らが得た新たな知見について説明する。

フェライト系ステンレス鋼板を素材とした排気系部材の高温高サイクル疲労特性には、耐酸化性が影響し、表層の酸化特性やスケール剥離性が疲労亀裂の発生や亀裂伝播に影響を及ぼすことを見出した。また、電池において、１つの電池が発熱あるいは発火した際に他の電池へ熱暴走の連鎖を抑えるためには、電池を構成する電池ケースなどの電池部品に十分な耐酸化性が求められるとともに、電気自動車の運転中の振動による亀裂発生および伝播による破裂を抑制するためには、高温での疲労特性を向上させる必要があることを見出した。

これらのことから、出来る限り合金コストをかけずに耐酸化性と高温高サイクル疲労特性を向上させることを目的として、特にＡｌやＳｉの含有量を詳細に調査した。その結果、ＡｌやＳｉ量の含有バランスの適正範囲があることを見出した。また、他元素の含有量を適正化することによって、合金コストを大幅に増加させずに高温高サイクル疲労特性を大幅に向上させることを知見した。

以下、本発明の耐熱フェライト系ステンレス鋼板（以下、単に鋼板とも称する。）の一実施形態について説明する。
まず、本実施形態に係る鋼板の成分組成を限定した理由について説明する。なお、鋼の成分を示す％については、特に断りのない限り質量％を意味する。

Ｃは、成形性、耐酸化性および耐食性を劣化させ、高温強度の低下をもたらすため、その含有量は少ないほどよいため、０．０２０％以下とする。スケール剥離による高温高サイクル疲労特性の劣化を考慮すると、Ｃ量は好ましくは０．００９％以下とする。但し、過度のＣ量の低減は精錬コストの増加に繋がるため、Ｃ量の下限を０．００１％以上とし、好ましくは０．００３％以上とする。

Ｎは、Ｃと同様に耐酸化性および耐食性を劣化させ、高温強度の低下をもたらすため、その含有量は少ないほどよいため、０．０２０％以下とする。スケール剥離による高温高サイクル疲労特性の劣化を考慮すると、Ｎ量は好ましくは０．０１５％以下とする。但し、過度のＮ量の低減は精錬コストの増加に繋がるため、Ｎ量は０．００１％以上とし、好ましくは０．００３％以上とする。

Ｓｉは、耐酸化性や高温高サイクル疲労特性を向上させるため、本発明において重要な元素である。本発明では、Ｓｉは、加熱時に鋼板表層にＳｉ酸化物を形成し、耐酸化性を向上させる元素であるため、振動が付与された際にスケール剥離部や厚スケール部からの亀裂発生を抑制する。また、Ｓｉが高温下での加工硬化能が高いことに起因して亀裂前方の加工硬化が生じやすく、亀裂進展を停滞させる効果があることを知見している。また、Ｓｉは脱酸剤としても有用な元素であるとともに、高温強度を改善する元素でもある。加えて、これ以外にも耐食性を向上させるため、Ｓｉは０．１％以上を含有させる。スケール剥離性、高温時効劣化の抑制、外面耐食性および高温塩害特性を考慮すると０．４％以上が望ましい。一方、Ｓｉ量が１．５％超となると靭性が著しく劣化し、鋼板製造時の板破断や部品加工時の脆性割れが問題となる。また、高温化でＳｉの内部酸化物が過度に発達し、高サイクル疲労亀裂の起点となるため、上限を１．５％以下とする。また、製品としての鋼板の延性が不足すると、部品加工の自由度が低下するため、これを考慮するとＳｉ量は１．３％以下が望ましい。更に、鋼板製造時の酸洗性を考慮すると１．０％未満が望ましい。

Ｍｎは、脱酸剤として添加される元素であるとともに、中温域での高温強度上昇に寄与するため、０．０１％以上を含有させる。また、長時間使用中にＭｎ系酸化物を鋼板表層に形成し、スケール密着性や異常酸化抑制効果があるため、Ｍｎ量は０．３０％以上が望ましい。更に、高温高サイクル疲労特性の向上を考慮すると、Ｍｎ量は１．００％超が望ましい。一方、Ｍｎ量が１．５０％超となると、ＭｎＳを過度に形成して疲労亀裂の起点となるため、上限を１．５０％以下とする。更に、常温延性を考慮すると、Ｍｎ量は１．４０％以下が望ましい。

Ｐは、固溶強化元素であり材料を硬質化させるため、延性や靭性の観点からその含有量は少ないほどよい。また、ＦｅＴｉＰ等の析出物が高温高サイクル疲労亀裂の起点になるため、Ｐ量の上限を０．０４０％以下とする。耐食性を考慮するとＰ量は０．０３０％以下が望ましい。また、Ｐの過度の低減は原料コストの増加に繋がるため、下限を０．０１０％以上とする。更に、製造コストを考慮すると０．０１５％以上が望ましい。

Ｓは、耐食性や耐酸化性を劣化させる元素であるため、その含有量は少ないほどよい。しかし、Ｓの過度の低減は精錬コストの増大を招くため、Ｓ量は０．０００１％以上とする。Ｓ量は０．０００５％以上でもよい。一方、Ｓ量が０．０１００％超の場合、ＭｎＳ、Ｔｉ_４Ｃ_２Ｓ_２等の析出物生成に起因して高温高サイクル疲労寿命が低下する他、延性が劣化するため、上限を０．０１００％以下とする。また、耐食性を考慮すると０．００３０％以下が望ましい。

Ｃｒは、本発明において、耐酸化性や耐食性確保のために必須な元素である。Ｃｒ量が１０．０％未満では、その効果が発現しないため、下限を１０．０％以上とする。一方、Ｃｒは本発明で活用するＡｌやＳｉと同様に、靭性や加工性を劣化させる元素であるため、Ａｌ及びＳｉを含有させる場合にはＣｒの多量の含有は困難となる。したがって、鋼板製造時の靭性を確保するためには、Ｃｒ量を１６．０％以下とする必要がある。また、鋼板製造時の酸洗性を考慮すると１５．０％以下がよい。更に、合金コストを考慮すると１４．５％以下が望ましい。

Ａｌは、Ｓｉと同様に、耐酸化性や高温高サイクル疲労特性を向上させるため、本発明において重要な元素である。本発明では、Ａｌは、加熱時に鋼板表層にＡｌの内部酸化物を針状に形成し、耐酸化性を向上させる元素であるため、振動が付与された際にスケール剥離部や厚スケール部からの亀裂発生を抑制する。また、Ｓｉと同様に、高温下での加工硬化能が高いことに起因して亀裂前方の加工硬化が生じやすく、亀裂進展を停滞させる効果があることを知見している。また、Ａｌは、高温強度や耐酸化性を改善する元素であるとともに、脱酸剤として高温高サイクル疲労特性を劣化させる介在物の清浄度を向上させる元素であるため、０．１０％以上含有する。また、スケール剥離性の向上による高温高サイクル疲労寿命の向上を考慮すると０．３０％以上がよい。更に、耐食性を考慮すると０．５０％超が望ましい。一方、Ａｌは鋼を脆化させる元素であり、３．０％超の含有は鋼板製造時の板破断および部品加工時の割れの問題が生じることから、上限を３．０％以下とする。溶接性を考慮すると、２．８％以下が望ましく、鋼板製造時の表面疵、酸洗性を考慮すると２．５％未満が望ましい。

Ｎｉは、隙間腐食の抑制や再不働態化の促進により耐初期錆び性を向上させるため、０．０１％以上含有させる。但し、製品としての鋼板の延性を劣化させるためＮｉの上限を０．５０％以下とする。また、Ｎｉはオーステナイト生成元素であり、高温でオーステナイト変態を助長し、熱膨張差に起因したスケール剥離が生じる。スケール剥離が顕著に生じると高温高サイクル疲労の起点になることから、Ｎｉ量は０．２０％以下が望ましい。更に、コストや異常酸化抑制の観点から、０．０５％未満が望ましい。

Ｂは、粒界に偏析して粒界を強化することにより鋼板のプレス加工時の２次加工性を向上させる。また、本発明では、Ｂの粒界偏析によって粒界強度が向上して高温高サイクル疲労特性を向上させることを知見している。これらの効果は、０．０００２％以上含有させることで発現することから、Ｂの下限を０．０００２％以上とする。また、高温強度やスケール剥離性を考慮するとＢ量は０．０００５％以上が望ましい。しかしながら、Ｂを過度に含有させると、鋼板を硬質化させるとともに、耐粒界腐食性や耐酸化性を劣化させる他、溶接割れが生じるため、０．００５０％以下とする。更に、耐食性や製造コストを考慮すると、Ｂ量は０．００１５％以下が望ましい。

Ｔｉは、Ｃ，Ｎと結合して、耐食性、耐粒界腐食性、常温延性や深絞り性を向上させる元素である。これらの効果は０．０５％以上で発現することから、下限を０．０５％以上とする。一方、Ｔｉは、表面疵の発生や靭性の低下を招くため、上限は０．３０％以下とする。溶接性や加工性を考慮するとＴｉは０．２５％以下がよい。更に、粗大なＴｉＮ形成による高温高サイクル疲労特性の劣化や合金コストを考慮すると、Ｔｉ量は０．１８％未満が望ましい。

以上、本実施形態の鋼板の基本的な成分組成について説明したが、上記成分に加えさらに下記に示す元素１種または２種以上を選択的に含有させると好ましい。また、下記に示す元素は含有させなくてもよく、含有量の下限は０％であってもよい。

Ｎｂは、Ｔｉと同様に、Ｃ，Ｎと結合して耐食性、耐粒界腐食性、常温延性や深絞り性を向上させる元素である。これらの効果は０．００５％以上で発現することから、必要に応じてＮｂを０．００５％以上含有させる。一方、過度なＮｂの含有は溶接時の凝固割れを生じさせ易く、延性も低下するため上限は０．３００％以下とする。また、粗大なＮｂ炭窒化物やＬａｖｅｓ相と呼ばれる金属間化合物の生成による高温高サイクル疲労特性の劣化を考慮すると、０．２００％以下がよい。更に、合金コストを考慮すると０．１００％以下が望ましい。

Ｃｕは、６００〜８００℃程度の中温度域における高温強度向上に有効な元素であるとともに、耐錆性を向上させる元素であるため、必要に応じて０．０１％以上含有させる。また、高温高サイクル疲労特性を考慮すると、０．１０％以上の含有が望ましい。一方、Ｃｕを過度に含有させることは、常温延性および耐酸化性に支障が生じる。また、靭性を劣化させる元素であり、本発明はＡｌ及びＳｉを含有させることで靭性が低くなるため、上限を０．５０％以下とする。また、酸洗性を考慮すると０．４０％以下がよく、合金コストを考慮すると０．３０％以下が望ましい。

Ｍｏは、耐食性や高温強度を向上させる元素であり、特に鋼板を、隙間構造を有する部材に適用する場合には、隙間腐食を抑制するために必要な元素である。そのため、必要に応じて０．０１％以上を含有させる。また、高温強度や高温高サイクル疲労特性を考慮すると、０．４０％以上が望ましい。一方、Ｍｏは靭性を劣化させる元素であり、本発明はＡｌ及びＳｉを含有させることで靭性が低くなるため、上限を３．００％以下とする。また、酸洗性を考慮すると２．００％以下がよく、合金コストを考慮すると１．００％以下が望ましい。

Ｖは、隙間腐食を抑制させる他、微量の含有によって靭性向上に寄与するため、必要に応じて０．０１％以上を含有させる。但し、Ｖを過度に含有させることは、硬質化し成形性を劣化させる他、粗大なＶ（Ｃ，Ｎ）が析出することによって高温高サイクル疲労特性の劣化につながるため、上限を０．５０％以下とする。尚、原料コストや初期錆び性を考慮すると、０．０５〜０．２０％が望ましい。

Ｃａは、脱硫のために含有させる場合があり、この効果は０．０００５％以上で発現することから、下限を０．０００５％以上とする。しかしながら、０．０１００％超含有させることにより粗大なＣａＳが生成し、高温高サイクル疲労特性や耐食性を劣化させるため、Ｃａの上限を０．０１００％以下とする。更に、清浄度や製造性を考慮すると、Ｃａ量は０．００１０〜０．００２０％が望ましい。

Ｗは、耐食性と高温強度の向上に寄与するため、必要に応じて０．１％以上含有させる。しかしながら、Ｗを過度に含有させることは鋼板製造時の靭性劣化やコスト増につながるため、上限を３．０％以下とする。更に、高温高サイクル疲労特性や製造性を考慮すると、０．２〜１．０％が望ましい。

Ｚｒ、ＴａおよびＨｆは、ＣやＮと結合して靭性の向上に寄与するため、必要に応じてそれぞれ０．０１％以上含有させる。但し、Ｚｒ、ＴａおよびＨｆは、０．１０％超含有させるとコスト増になる他、製造性を著しく劣化させるため、上限をそれぞれ０．１０％以下とする。更に、精錬コストや製造性を考慮すると、Ｚｒ、ＴａおよびＨｆはそれぞれ、０．０１〜０．０８％が望ましい。

ＳｎおよびＳｂは、耐食性と高温強度の向上に寄与するため、必要に応じてそれぞれ０．００５％以上含有させる。ただし、ＳｎおよびＳｂは、０．５００％超含有させると鋼板製造時のスラブ割れが生じる場合があるため、上限をそれぞれ０．５００％以下とする。更に、精錬コストや製造性を考慮すると、ＳｎおよびＳｂは０．００５〜０．２０％が望ましい。

Ｃｏは、高温強度や高温高サイクル疲労特性の向上に寄与するため、必要に応じて０．０３％以上含有させる。一方、合金コストの観点から、上限を０．３０％以下とする。更に、精錬コストや製造性を考慮すると、０．０３〜０．１０％が望ましい。

Ｍｇは、脱酸元素として含有させる場合がある。また、Ｍｇは、スラブの組織を微細化させて、溶接部の成形性向上に寄与する元素である。さらに、Ｍｇ酸化物は、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）やＮｂ（Ｃ，Ｎ）等の炭窒化物の析出サイトになり、これらを微細分散析出させる効果がある。これらの作用はＭｇ量が０．０００２％以上で発現する。また、靭性向上に寄与するためにも、Ｍｇの下限を０．０００２％以上とする。但し、Ｍｇを過度に含有させることは、溶接性や耐食性の劣化につながるため、上限を０．０１００％以下とする。また、精錬コストや高温高サイクル疲労特性を考慮すると、０．０００２〜０．００１０％が望ましい。

ＲＥＭは、種々の析出物の微細化による靭性向上や耐酸化性の向上の観点から必要に応じて含有させる場合がある。この効果は０．００２％以上で発現することから、ＲＥＭの下限を０．００２％以上とする。しかしながら、ＲＥＭを０．２００％超含有させると、鋳造性が著しく悪くなることから、上限を０．２００％以下とする。更に、精錬コストや製造性を考慮すると、０．００２〜０．０１％が望ましい。

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、周期律表におけるランタン（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。単独で添加してもよいし、混合物であってもよい。

Ｇａは、耐食性向上や水素脆化抑制のため、０．３０００％以下含有させてもよい。硫化物や水素化物形成の観点から下限は０．０００２％以上とする。さらに、製造性やコストの観点から０．００２０％以下が好ましい。

本実施形態の鋼鈑は、上述してきた元素以外は、Ｆｅ及び不純物からなる。
本実施形態の鋼鈑は、以上説明した各元素の他にも、本発明の効果を損なわない範囲で他の元素を含有させることが出来る。例えば、本実施形態においては、Ｂｉ等を必要に応じて、０．００１〜０．１％含有させてもよい。なお、Ａｓ、Ｐｂ等の一般的な有害な元素や不純物元素はできるだけ低減することが好ましい。

また、上記の成分組成に関して、本実施形態ではＳｉとＡｌ添加量のバランスについて［Ｓｉ］≧−２［Ａｌ］＋１の関係を満たす必要がある。ここで、［Ｓｉ］及び［Ａｌ］はそれぞれ、鋼板中のＳｉ及びＡｌの含有量（質量％）である。耐食性および耐酸化性の観点からは、鋼板中のＣｒ含有量は多い方がよい。しかし、ＣｒはＡｌやＳｉと同様に靭性を低下させる元素であるため、多量に含有させることは困難である。さらに、本実施形態では、ＳｉやＡｌを通常のＳＵＨ４０９やＳＵＳ４２９等に比べて多量に含有させることから、鋼製造時の鋼素材および製品としての鋼板の靭性が課題となる。また、後述する様に、本実施形態においては、比較的Ｃｒ量が少ない鋼成分であっても、製品としての鋼板表面の酸化皮膜層にＳｉやＡｌが濃化することを活用して、耐酸化性や高温高サイクル疲労特性を確保できるが、比較的低Ｃｒ成分であるが故に、ＳｉやＡｌの含有量に適正量があることを知見した。

図１に、高温での高サイクル疲労特性を評価するため、冷延鋼板（板厚１．５ｍｍ）を大気中８００℃で平面曲げ疲労試験を行った結果を図１に示す。疲労試験に供した鋼の基本成分は、１１．０％Ｃｒ−０．００５％Ｃ−０．３％Ｍｎ−０．０３％Ｐ−０．００１％Ｓ−０．２％Ｔｉ−０．０１％Ｎｉ−０．０００５％Ｂ−０．０１０％Ｎとした。そして、この基本成分において、Ｓｉ量を０．１１〜１．５０質量％の範囲で変化させ、Ａｌ量を０．１１〜２．８４質量％の範囲で変化させた。平面曲げ疲労試験については、圧延方向が軸方向となるようにＪＩＳＺ２２７５（１９７８年）に規定された１号試験片を採取した。そして、試験片に対して、両振りで５０ＭＰａの負荷応力が作用する様に曲げモーメントを１７００回／分で付与した。試験は大気中で行い、試験温度は８００℃とした。その他についてはＪＩＳＺ２２７５（１９７８年）に準拠した。そして、負荷応力が５０ＭＰａとして１０^７回の繰り返しで破断しない場合を合格（〇）、途中で破断した場合を不合格（×）と定義した。

一般的に疲労特性の指標である疲労限は、種々の負荷応力で疲労試験を行い、１０^７回で破断しない応力、もしくは破断する最小応力と破断しない最大応力の平均値で決定される場合が多いが、本発明では自動車排気部品で付与される繰り返し応力として５０ＭＰａを１０^７回付与した際の破断有無を判定基準とした。即ち、５０ＭＰａで１０^７回付与した際に合格したものは疲労強度が５０ＭＰａ以上あり、高い疲労特性を有する材料といえる。

これらの試験後のサンプルの外観を観察した結果、既存の１１％Ｃｒ鋼（ＳＵＨ４０９）では部分的に酸化スケールの剥離が生じており、繰り返し負荷によってスケール剥離部が亀裂起点になるため亀裂発生が早く、疲労特性が低いと考えられる。一方、本発明範囲の鋼には上記の様なスケール剥離が見られず、亀裂が発生し難いとともに、ＡｌやＳｉによる高加工硬化特性が亀裂進展を抑制した結果、高疲労特性を示すと考えられる。図１に示すように、［Ｓｉ］≧−２［Ａｌ］＋１の関係を満たす場合に、高温での高サイクル疲労特性に優れていることが判明した。

また、ＳｉよりもＡｌの方が高温高サイクル疲労特性に対しても有効な理由として、内部酸化層の発達の程度が影響していると推察される。即ち、ＳｉやＡｌは鋼材に対して内部酸化しアンカー効果でスケール密着性を良くし、疲労亀裂の発生を抑制すると考えられるが、その程度がＡｌの方が効果的に内部酸化すると考えられる。Ｓｉの上限はＡｌとの関係で［Ｓｉ］＜−［Ａｌ］＋３の関係を満たすことが望ましい。
以上より、本発明範囲の鋼は高価な元素を多量に添加せずとも優れた疲労特性を有することがわかる。

本実施形態の鋼板の製造方法は、製鋼−熱間圧延−熱延板焼鈍・酸洗−冷間圧延−冷延板焼鈍・酸洗の各工程よりなる。各工程の製造条件については、冷延板焼鈍・酸洗工程以外は特に規定するものではない。すなわち、冷延板焼鈍・酸洗工程以外の工程については、特に制限はなく、従来公知の方法を適用できる。ちなみに、代表的な製造条件を示すと、以下のとおりである。

製鋼においては、上記成分組成を含有する鋼を、転炉溶製し、続いて２次精錬を行う方法が好適である。溶製した溶鋼は、公知の鋳造方法（連続鋳造）に従ってスラブとする。スラブは、所定の温度に加熱され、所定の板厚に連続圧延で熱間圧延される。

熱間圧延後は熱延板焼鈍・酸洗を行うが、熱延板焼鈍工程は省略してもよい。

酸洗後の冷間圧延は、通常のゼンジミアミル、タンデムミルのいずれで圧延してもよいが、鋼板の深絞り性を考慮するとタンデムミル圧延の方が望ましい。冷間圧延においては、ロール粗度、ロール径、圧延油、圧延パス回数、圧延速度、圧延温度などの条件は、本発明の鋼板の各構成・各条件を満たし得るように適宜選択・設定すればよい。

冷間圧延後は冷延板焼鈍（最終焼鈍）を行うが、冷間圧延の途中に中間焼鈍を入れてもよい。なお中間および最終焼鈍はバッチ式焼鈍でも連続式焼鈍でも構わない。また、各焼鈍は、必要であれば水素ガスあるいは窒素ガスなどの無酸化雰囲気で焼鈍する光輝焼鈍でもよいし、大気中で焼鈍しても構わない。

更に、本実施形態に係る鋼板に潤滑塗装を施すことで、更にプレス成形を向上させてもよい。この場合の潤滑膜の種類は適宜選択すればよい。また、最終焼鈍後に形状矯正のために調質圧延やレベラーを付与しても構わないが、加工硬化能の低下を招くことから、なるべくなら、これらの工程は実施しないことが望ましい。

以下に本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
なお、表中の下線部は本発明範囲から外れているものを示す。

表１に示す成分組成の鋼を溶製してスラブに鋳造し、スラブを熱間圧延して４ｍｍ厚の熱延コイルとした。その後、熱延コイルを酸洗し、１．２ｍｍ厚まで冷間圧延し、再結晶組織となる９００〜１０００℃で冷延板焼鈍後、酸洗を施して製品板とした。ただし、表１において、Ａ３、Ａ５、Ａ７〜Ａ１４、Ａ１６〜Ａ２０は参考例とする。

得られた鋼板に対して、電池部品および排気部品を考慮した８００℃での高温高サイクル疲労試験を行った。試験方法および判定基準は次の通りとした。

得られた鋼板から、圧延方向が軸方向となるようにＪＩＳＺ２２７５（１９７８年）に規定された１号試験片を採取した。そして、試験片に対して、両振りで５０ＭＰａの負荷応力が作用する様に曲げモーメントを１７００回／分で付与した。試験は大気中で行い、試験温度は８００℃とした。その他についてはＪＩＳＺ２２７５（１９７８年）に準拠した。そして、負荷応力が５０ＭＰａとして１０^７回の繰り返しで破断しない場合を合格（〇）、途中で破断した場合を不合格（×）とした。

表１から明らかなように、本発明で規定する成分組成を有する鋼板は、比較例の鋼板に比べて、高温高サイクル疲労特性に優れていることがわかる。

これより、本発明の鋼板は、自動車排気系部材の素材として使用された場合に、高温の排気ガスに曝される環境においても酸化による減肉や振動による疲労が抑制され、極めて信頼性が著しく高い素材と言える。また、本発明の鋼板を素材とする電池ケースにおいて何らかの反応原因により電池内部が発熱し、更に車体振動が加わって繰り返し負荷が生じた場合においても、亀裂発生および進展が生じず、発火・発煙、更には破裂を引き起こす事が無い。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば比較的低Ｃｒの成分で耐酸化性や高温疲労特性に優れた安価なフェライト系ステンレス鋼板を提供することが可能である。これを自動車排気部品あるいは電池部品の軽量化に寄与し、社会的寄与は格段に大きい。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．００１〜０．０２０％、
Ｓｉ：０．１〜１．５％、
Ｍｎ：０．０１〜１．５０％、
Ｐ：０．０１０〜０．０４０％、
Ｓ：０．０００１〜０．０１００％、
Ｃｒ：１０．０〜１６．０％（ただし、Ｃｒが１０．５％、１２．８％、１３．１％及び１３．３％である場合を除く）、
Ｎ：０．００１〜０．０２０％、
Ａｌ：０．１０〜３．０％、
Ｎｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｂ：０．０００２〜０．００５０％、
Ｔｉ：０．０５〜０．１８％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
下記（１）式の関係を満足し、
８００℃におけるＪＩＳＺ２２７５（１９７８年）に規定される平面曲げ疲労試験の疲労強度が５０ＭＰａ以上であることを特徴とする耐熱フェライト系ステンレス鋼板。
［Ｓｉ］≧−２［Ａｌ］＋１ …（１）
ただし、式（１）において、［Ｓｉ］及び［Ａｌ］はそれぞれ、Ｓｉ、Ａｌの含有量（質量％）である。
質量％で、
Ｃ：０．００１〜０．０２０％、
Ｓｉ：０．１〜１．５％、
Ｍｎ：０．０１〜１．５０％、
Ｐ：０．０１０〜０．０４０％、
Ｓ：０．０００１〜０．０１００％、
Ｃｒ：１０．０〜１２．６％、
Ｎ：０．００１〜０．０２０％、
Ａｌ：０．１０〜３．０％、
Ｎｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｂ：０．０００２〜０．００５０％、
Ｔｉ：０．０５〜０．１８％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
下記（１）式の関係を満足し、
８００℃におけるＪＩＳＺ２２７５（１９７８年）に規定される平面曲げ疲労試験の疲労強度が５０ＭＰａ以上であることを特徴とする耐熱フェライト系ステンレス鋼板。
［Ｓｉ］≧−２［Ａｌ］＋１ …（１）
ただし、式（１）において、［Ｓｉ］及び［Ａｌ］はそれぞれ、Ｓｉ、Ａｌの含有量（質量％）である。
前記鋼板が更に質量％で、
Ｎｂ：０．００５〜０．３００％、
Ｃｕ：０．０１〜０．３０％、
Ｍｏ：０．０１〜３．００％、
Ｖ：０．０１〜０．５０％、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１００％、
Ｗ：０．１〜３．０％、
Ｚｒ：０．０１〜０．１０％、
Ｔａ：０．０１〜０．１０％、
Ｈｆ：０．０１〜０．１０％、
Ｓｎ：０．００５〜０．５００％、
Ｃｏ：０．０３〜０．３０％、
Ｍｇ：０．０００２〜０．０１００％、
Ｓｂ：０．００５〜０．５００％、
ＲＥＭ：０．００２〜０．２００％、
Ｇａ：０．０００２〜０．３０００％
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐熱フェライト系ステンレス鋼板。