JP7224141B2 - Ferritic stainless steel sheet, manufacturing method thereof, and fuel cell member - Google Patents

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Description

本発明は、フェライト系ステンレス鋼及びその製造方法、並びに燃料電池用部材に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a ferritic stainless steel sheet , a method for producing the same, and a fuel cell member.

最近、石油を代表とする化石燃料の枯渇化、CO2排出による地球温暖化現象等の問題から、従来の発電システムに替わる新しいシステムの普及が加速している。その1つとして、分散電源,自動車の動力源としても実用的価値が高い「燃料電池」が注目されている。燃料電池にはいくつかの種類があるが、その中でも固体高分子型燃料電池(PEFC)や固体酸化物型燃料電池(SOFC)はエネルギー効率が高く、将来の普及拡大が有望視されている。 Recently, due to problems such as the depletion of fossil fuels represented by petroleum and the phenomenon of global warming caused by CO 2 emissions, the spread of new systems to replace conventional power generation systems is accelerating. As one of them, the "fuel cell" which has a high practical value as a distributed power source and a power source for automobiles is attracting attention. Among several types of fuel cells, polymer electrolyte fuel cells (PEFC) and solid oxide fuel cells (SOFC) have high energy efficiency and are expected to spread and expand in the future.

燃料電池は、水の電気分解と逆の反応過程を経て電力を発生する装置であり、燃料となる水素(燃料水素)を必要とする。燃料水素は、都市ガス(LNG)、メタン、天然ガス、プロパン、灯油、ガソリン等の炭化水素系燃料を触媒の存在下で改質反応させることにより製造される。中でも都市ガスを原燃料とする燃料電池は、都市ガス配管が整備された地区において水素を製造できる利点がある。 A fuel cell is a device that generates electric power through the reverse reaction process of electrolysis of water, and requires hydrogen as a fuel (fuel hydrogen). Fuel hydrogen is produced by reforming hydrocarbon fuels such as city gas (LNG), methane, natural gas, propane, kerosene and gasoline in the presence of a catalyst. Among them, fuel cells using city gas as raw fuel have the advantage of being able to produce hydrogen in areas where city gas pipes are installed.

燃料改質器は、水素の改質反応に必要な熱量を確保するため、通常、200~900℃の高温で運転される。また、燃料改質器以外でも、改質器を加熱する燃焼器や、熱交換器、電池本体部等も運転温度が非常に高温となる。
更に、このような高温運転下の燃料電池においては、多量の水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素に加え、多量の水素や、炭化水素系燃料由来の硫化水素を微量含んだ雰囲気(以下、浸炭性/還元性/硫化性改質ガス環境、という。)の下に曝されることとなる。このような雰囲気中に、例えば鋼材料が曝されると、材料表面の浸炭、硫化による腐食が進行する状況になり、動作環境としては過酷な状況となる。
A fuel reformer is usually operated at a high temperature of 200 to 900° C. in order to secure the amount of heat necessary for the hydrogen reforming reaction. In addition to the fuel reformer, the operating temperature of the combustor for heating the reformer, the heat exchanger, the battery main body, etc. becomes extremely high.
Furthermore, in such a fuel cell under high temperature operation, in addition to a large amount of water vapor, carbon dioxide and carbon monoxide, an atmosphere containing a large amount of hydrogen and a trace amount of hydrogen sulfide derived from hydrocarbon fuel (hereinafter referred to as carburizing /reducing/sulfidizing reformed gas environment). If a steel material, for example, is exposed to such an atmosphere, the surface of the material will be carburized and corroded due to sulfidation, resulting in a severe operating environment.

これまで、このような過酷な環境下において十分な耐久性を有する燃料電池の実用材料として、SUS310S(25Cr-20Ni)に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼が使用されてきた。しかし、将来、燃料電池システムの普及拡大に向けて、コスト低減は必要不可欠であり、使用材料の最適化による合金コストの低減は重要な課題である。さらに、燃料電池システムでは、比較的高いCr量を含有するステンレス鋼を適用した場合、運転温度が非常に高いことから、Crの蒸発による電極の被毒を防止する課題もある。 Until now, austenitic stainless steel represented by SUS310S (25Cr-20Ni) has been used as a practical material for fuel cells that has sufficient durability in such harsh environments. However, in the future, cost reduction is essential for the spread and expansion of fuel cell systems, and the reduction of alloy costs by optimizing the materials used is an important issue. Furthermore, in a fuel cell system, when stainless steel containing a relatively high amount of Cr is used, the operating temperature is extremely high, so there is also the problem of preventing electrode poisoning due to Cr evaporation.

上述した背景から、燃料電池を構成する鋼材として、過酷な改質ガス環境下においても良好な耐久性を発揮させるべく、Al系酸化物層(Al系酸化皮膜)の高い耐酸化性を利用したAl含有フェライト系ステンレス鋼が種々検討されている。 From the above background, the high oxidation resistance of the Al-based oxide layer (Al-based oxide film) was used as a steel material for fuel cells in order to exhibit good durability even in a harsh reformed gas environment. Various Al-containing ferritic stainless steels have been studied.

特許文献1には、Cr:13~20%、C:0.02%未満、N:0.02%以下、Si:0.15超~0.7%、Mn:0.3%以下、Al:1.5~6%、Ti:0.03~0.5%、Nb:0.6%以下を含み、固溶Ti量と固溶Nb量を調整することにより耐酸化性とクリープ破断寿命に良好な燃料電池用Al含有フェライト系ステンレス鋼が開示されている。これらステンレス鋼は、1050℃、大気中の加速酸化試験により良好な耐酸化性が得られることを示している。 Patent Document 1 describes Cr: 13 to 20%, C: less than 0.02%, N: 0.02% or less, Si: more than 0.15 to 0.7%, Mn: 0.3% or less, Al : 1.5 to 6%, Ti: 0.03 to 0.5%, Nb: 0.6% or less, and by adjusting the amount of solid solution Ti and solid solution Nb, oxidation resistance and creep rupture life discloses a good Al-containing ferritic stainless steel for fuel cells. These stainless steels have been shown to have good oxidation resistance by an accelerated oxidation test in air at 1050°C.

特許文献2には、Cr:11~25%、C:0.03%以下、Si:2%以下、Mn:2%以下、Al:0.5~4.0%、P:0.05%以下、S:0.01%以下、N:0.03%以下、Ti:1%以下を含み、水素ガスを50体積%以上含み、酸化皮膜中及び酸化皮膜直下の鋼表面へTiやAlを濃縮させるとともに、Mg、Ga、Sn、Sbを微量添加することにより、改質ガス環境下の耐酸化性を向上させた燃料電池用フェライト系ステンレス鋼が開示されている。 In Patent Document 2, Cr: 11 to 25%, C: 0.03% or less, Si: 2% or less, Mn: 2% or less, Al: 0.5 to 4.0%, P: 0.05% Below, S: 0.01% or less, N: 0.03% or less, Ti: 1% or less, containing 50% by volume or more of hydrogen gas, and adding Ti and Al to the steel surface in and under the oxide film A ferritic stainless steel for fuel cells is disclosed which is enriched and has improved oxidation resistance in a reformed gas environment by adding trace amounts of Mg, Ga, Sn, and Sb.

特許文献3には、Cr:11.0~25.0%、C:0.030%以下、Si:2.00%以下、Mn:2.00%以下、Al:0.90~4.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.030%以下、Ti:0.500%以下を含み、B、Mg、Caの微量添加並びにSnとの複合添加により、改質ガス環境下の耐酸化性及び耐クリープ強さを向上させた燃料電池用フェライト系ステンレス鋼が開示されている。 In Patent Document 3, Cr: 11.0 to 25.0%, C: 0.030% or less, Si: 2.00% or less, Mn: 2.00% or less, Al: 0.90 to 4.00 %, P: 0.050% or less, S: 0.0100% or less, N: 0.030% or less, Ti: 0.500% or less, and trace amounts of B, Mg, and Ca and combined addition with Sn discloses a ferritic stainless steel for fuel cells with improved oxidation resistance and creep resistance in a reformed gas environment.

特許文献4には、Cr:11~25%、C:0.03%以下、Si:2%以下、Mn:2%以下、Al:0.5~4.0%、P:0.05%以下、S:0.01%以下、N:0.03%以下、Ti:0.5%以下を含み、更にGa:0.1%以下、Mg:0.01%以下、Zn:0.05%以下の1種又は2種以上を含み、Mg、Ga、Zn、更にはSn、Sbの微量添加によってTi及び/又はAlを濃縮させた表面皮膜を形成することで、耐酸化性を向上させたフェライト系ステンレス鋼が開示されている。 In Patent Document 4, Cr: 11 to 25%, C: 0.03% or less, Si: 2% or less, Mn: 2% or less, Al: 0.5 to 4.0%, P: 0.05% Below, S: 0.01% or less, N: 0.03% or less, Ti: 0.5% or less, Ga: 0.1% or less, Mg: 0.01% or less, Zn: 0.05 % or less, and by adding a small amount of Mg, Ga, Zn, and further Sn, Sb to form a surface film in which Ti and/or Al are concentrated, oxidation resistance is improved. A ferritic stainless steel is disclosed.

特許文献5にはC:0.020%以下、Si:3.0%以下、Mn:3.0%以下、P:0.040%以下、S:0.030%以下、Cr:10~25%、N:0.020%以下、Nb:0.005~0.15%、Al:0.20~3.0%、Ti:5×(C%+N%)~0.5%、Mo:0.1%以下、W:0.1%以下、Cu:0.55~2.0%、B:0.0002~0.0050%、Ni:0.05~1.0%を含有し、適量のNiを含有することで耐酸化性を改善したフェライト系ステンレス鋼が開示されている。 In Patent Document 5, C: 0.020% or less, Si: 3.0% or less, Mn: 3.0% or less, P: 0.040% or less, S: 0.030% or less, Cr: 10 to 25 %, N: 0.020% or less, Nb: 0.005 to 0.15%, Al: 0.20 to 3.0%, Ti: 5 × (C% + N%) ~ 0.5%, Mo: 0.1% or less, W: 0.1% or less, Cu: 0.55 to 2.0%, B: 0.0002 to 0.0050%, Ni: 0.05 to 1.0%, A ferritic stainless steel having improved oxidation resistance by containing an appropriate amount of Ni is disclosed.

特開2010-222638号公報JP 2010-222638 A 特許第6006893号公報Japanese Patent No. 6006893 特許第6053994号公報Japanese Patent No. 6053994 特開2016-211076号公報JP 2016-211076 A 特開2013-210443号公報JP 2013-210443 A

前記した都市ガス等を原燃料とした燃料電池の改質ガスは、水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素に加えて、多量の水素、並びに不純物若しくは付臭剤として添加された硫化成分を含む場合がある。しかし従来では、フェライト系ステンレス鋼の耐酸化性について、水蒸気と二酸化炭素を主成分とする雰囲気、あるいは水蒸気と酸素を主成分とする雰囲気、又は大気中といった環境下でしか評価・検討されていない。すなわち、前記浸炭性/還元性/硫化性改質ガス環境の下でのフェライト系ステンレス鋼の酸化特性については不明である。
更に、SOFCシステムやPEFCシステムの場合、燃料電池の運転温度が高温となるため、前記の酸化特性に加え、高温強度のさらなる向上も求められる。
In addition to steam, carbon dioxide, and carbon monoxide, the reformed gas of a fuel cell using city gas or the like as a raw fuel may contain a large amount of hydrogen and impurities or sulfide components added as odorants. be. However, conventionally, the oxidation resistance of ferritic stainless steels has been evaluated and studied only in an atmosphere containing water vapor and carbon dioxide as main components, an atmosphere containing water vapor and oxygen as main components, or in the air. . That is, the oxidation properties of ferritic stainless steel under the carburizing/reducing/sulfidic reformed gas environment are unknown.
Furthermore, in the case of the SOFC system and the PEFC system, the operating temperature of the fuel cell becomes high, so in addition to the above-mentioned oxidation characteristics, further improvement in high-temperature strength is required.

特許文献1~5のフェライト系ステンレス鋼は、酸化性環境下の耐久性について検討されているものの、前記浸炭性/還元性/硫化性改質ガス環境といったさらに厳しい環境下における耐久性については何ら言及されていない。 Although the ferritic stainless steels of Patent Documents 1 to 5 have been studied for durability in an oxidizing environment, there is nothing about durability in a more severe environment such as the carburizing/reducing/sulfurizing reformed gas environment. Not mentioned.

本発明は、上述した課題を解消すべく案出されたものであり、前記浸炭性/還元性/硫化性改質ガス環境下であっても、高い耐酸化性と優れた高温強度を兼備したフェライト系ステンレス鋼及びその製造方法を提供するものである。 The present invention has been devised to solve the above-described problems, and has both high oxidation resistance and excellent high-temperature strength even in the carburizing/reducing/sulfiding reformed gas environment. A ferritic stainless steel sheet and a method for producing the same are provided.

本発明の要旨は、以下のとおりである。
[1]質量%にて、
Cr:12.0~16.0%、
C:0.020%以下、
Si:0.50~2.50%、
Mn:1.00%以下、
P:0.050%以下、
S:0.0030%以下、
Al:1.00~3.00%
N:0.030%以下、
Nb:0.05~1.00%、
Ni:0.05~1.00%、
Mo:0.05~1.00%、
Sn:0.005~0.200%
B:0.0005~0.0100%、
Cu:0~1.00%、
Sb:0~0.50%、
W:0~1.00%、
Co:0~0.50%、
V:0~0.50%、
Ti:0~0.50%、
Zr:0~0.50%、
La:0~0.100%、
Y:0~0.100%、
Hf:0~0.100%、
REM:0~0.100%
Ga:0~0.0200%、
Mg:0~0.0200%、
Ca:0~0.0100%
且つ下記式(1)を満たし、残部がFe及び不純物からなり、
鋼板表面から深さ30nmまでの領域であって不働態皮膜を含む表層部において、Cr、Al及びSiの各最大濃度Crm、Alm、Nbm(at%)が、下記式(2)及び下記式(3)を満たすことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼板。
0.7Nb+Ni+Mo+0.4Ti+0.4Cu+200B≧0.30 ・・・(1)
15.0<Crm(at%)<50.5 ・・・(2)
2.7<Alm+Nbm(at%)<10.0 ・・・(3)
なお、上記式(1)中の各元素記号は、鋼中の当該元素の含有量(質量%)を示し、元素が含まれないときは0を代入する。
[2]質量%にて、B:0.0010%以上であることを特徴とする上記[1]に記載のフェライト系ステンレス鋼
]質量%にて、Cu:0.10~1.00%、Sb:0.01~0.50%、W:0.10~1.00%、Co:0.10~0.50%、V:0.10~0.50%、Ti:0.01~0.50%、Zr:0.01~0.50%、La:0.001~0.100%、Y:0.001~0.100%、Hf:0.001~0.100%、REM:0.001~0.100%、Ga:0.0002~0.0200%、Mg:0.0002~0.0200%及びCa:0.0002~0.0100%のうち1種又は2種以上を含むことを特徴とする上記[1]又は[2]に記載のフェライト系ステンレス鋼
]燃料改質器、熱交換器あるいは燃料電池部材の用途に用いられることを特徴とする上記[1]~[]のうちいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼
]燃焼器、あるいはバーナーの部材に適用されることを特徴とする上記[1]~[]のうちいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼
]上記[1]~[]のいずれかに記載する組成を有するステンレス鋼材を冷間圧延し、仕上げ焼鈍した後、♯100以下の研磨材で研磨を施し、次いで、下記の処理(A)又は処理(B)の少なくとも一方を実施することを特徴とする[1]~[]のうちいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼板の製造方法。
処理(A):10~50質量%のH2SO4を含む90℃以下の硫酸水溶液中への浸漬
処理(B):1質量%以上のHNO3及び0.5質量%以上のHFを含む90℃以下の硝フッ酸水溶液中への浸漬
]前記仕上げ焼鈍を800~1150℃で行うことを特徴とする上記[]に記載のフェライト系ステンレス鋼板の製造方法。
[8]上記[1]~[]のうちいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼板を用いた燃料電池用部材。
The gist of the present invention is as follows.
[1] In % by mass,
Cr: 12.0 to 16.0%,
C: 0.020% or less,
Si: 0.50 to 2.50%,
Mn: 1.00% or less,
P: 0.050% or less,
S: 0.0030% or less,
Al: 1.00-3.00%
N: 0.030% or less,
Nb: 0.05 to 1.00%,
Ni: 0.05 to 1.00%,
Mo: 0.05-1.00%,
Sn: 0.005-0.200%
B: 0.0005 to 0.0100%,
Cu: 0 to 1.00%,
Sb: 0 to 0.50%,
W: 0 to 1.00%,
Co: 0-0.50%,
V: 0 to 0.50%,
Ti: 0 to 0.50%,
Zr: 0 to 0.50%,
La: 0 to 0.100%,
Y: 0 to 0.100%,
Hf: 0 to 0.100%,
REM: 0-0.100%
Ga: 0 to 0.0200%,
Mg: 0-0.0200%,
Ca: 0-0.0100%
and satisfies the following formula (1), the balance being Fe and impurities,
In the surface layer portion including the passive film, which is a region from the steel plate surface to a depth of 30 nm, the maximum concentrations Crm, Alm, and Nbm (at%) of Cr, Al, and Si are obtained by the following formula (2) and the following formula ( 3) A ferritic stainless steel sheet characterized by satisfying 3).
0.7Nb+Ni+Mo+0.4Ti+0.4Cu+200B≧0.30 (1)
15.0<Crm(at%)<50.5 (2)
2.7<Alm+Nbm(at%)<10.0 (3)
Each element symbol in the above formula (1) indicates the content (% by mass) of the element in the steel, and 0 is substituted when the element is not contained.
[2] The ferritic stainless steel sheet according to [1] above, characterized in that, in mass %, B: 0.0010% or more.
[ 3 ] In mass%, Cu: 0.10 to 1.00%, Sb: 0.01 to 0.50%, W: 0.10 to 1.00%, Co: 0.10 to 0.50 %, V: 0.10 to 0.50%, Ti: 0.01 to 0.50%, Zr: 0.01 to 0.50%, La: 0.001 to 0.100%, Y: 0. 001-0.100%, Hf: 0.001-0.100%, REM: 0.001-0.100%, Ga: 0.0002-0.0200%, Mg: 0.0002-0.0200% and Ca: one or more of 0.0002 to 0.0100%. The ferritic stainless steel sheet according to [1] or [2] above.
[ 4 ] The ferritic stainless steel sheet according to any one of the above [1] to [ 3 ], which is used for fuel reformers, heat exchangers or fuel cell members.
[ 5 ] The ferritic stainless steel sheet according to any one of the above [1] to [ 3 ], which is applied to a member of a combustor or a burner.
[ 6 ] A stainless steel material having the composition described in any one of [1] to [ 3 ] above is cold-rolled, finish-annealed, polished with an abrasive of #100 or less, and then subjected to the following treatment ( The method for producing a ferritic stainless steel sheet according to any one of [1] to [ 5 ], characterized in that at least one of A) or treatment (B) is carried out.
Treatment (A): Immersion in an aqueous sulfuric acid solution containing 10 to 50% by mass of H 2 SO 4 at 90° C. or less Treatment (B): Containing 1% by mass or more of HNO 3 and 0.5% by mass or more of HF [ 7 ] The method for producing a ferritic stainless steel sheet according to [ 6 ], wherein the final annealing is performed at 800 to 1150°C.
[8] A fuel cell member using the ferritic stainless steel sheet according to any one of [1] to [ 4 ] above.

本発明によれば、浸炭性/還元性/硫化性改質ガス環境下、少なくとも、H2O:10~40%、H2:50~70%、CO:5~15%、CO2:5~15%、H2S:0~0.01%を含有する改質ガス環境下において、高い耐酸化性と優れた高温強度を兼備したフェライト系ステンレス鋼及びその製造方法、並びに燃料電池用部材を提供することができる。 According to the present invention, at least H 2 O: 10-40%, H 2 : 50-70%, CO: 5-15%, CO 2 : 5 in a carburizing/reducing/sulfidic reformed gas environment Provides ferritic stainless steel with high oxidation resistance and excellent high-temperature strength in a reformed gas environment containing ~15% H 2 S and 0-0.01% H 2 S, its manufacturing method, and fuel cell components can do.

本発明者らは、前記した課題を解決するために、高温強度、耐酸化性を兼備するAl含有フェライト系ステンレス鋼について鋭意実験と検討を重ね、本発明を完成させた。なお、本実施形態でいう「高温強度」とは、750~800℃付近の高温域においても優れた0.2%耐力を発揮できる特性であり、「耐酸化性」とは前記浸炭性/還元性/硫化性改質ガス環境下における酸化特性を意味する。
以下に本発明で得られた知見について説明する。
In order to solve the above-described problems, the present inventors have made extensive experiments and studies on an Al-containing ferritic stainless steel sheet having both high-temperature strength and oxidation resistance, and completed the present invention. In addition, the “high temperature strength” in the present embodiment is a property that can exhibit excellent 0.2% proof stress even in a high temperature range around 750 to 800 ° C., and the “oxidation resistance” is the carburization / reduction Oxidizing properties in a sulfidic/sulfidic reformed gas environment.
The knowledge obtained in the present invention will be described below.

(a)通常、750~800℃付近の高温域で運転中の構造体で課題となる変形を抑止するには、材料であるフェライト系ステンレス鋼の高温強度、特に750℃付近における0.2%耐力を高め、かつ800℃付近における0.2%耐力の低下を抑制することが有効である。 (a) Normally, in order to suppress deformation that is a problem in a structure during operation in a high temperature range around 750 to 800 ° C., the high temperature strength of the ferritic stainless steel plate as a material, especially 0.2 at around 750 ° C. It is effective to increase the % yield strength and suppress the decrease in the 0.2% yield strength at around 800°C.

(b)上述した高温域での0.2%耐力の向上及び低下の抑制は、Alの過度な添加や、B、Nb、Snの微量添加及びその添加量の調整により著しく向上することを見出した。すなわち、フェライト系ステンレス鋼において、750℃付近における0.2%耐力を高め、かつ800℃付近における0.2%耐力の低下を抑制するという特性は、これら微量元素の添加により達成できるという新たな知見が得られた。このような高温強度の向上作用については未だ不明な点も多いが、実験事実に基づいて以下に述べるような作用機構を推察している。 (b) It was found that the improvement and suppression of the decrease in the 0.2% yield strength in the high temperature range described above are significantly improved by excessive addition of Al, addition of small amounts of B, Nb, and Sn and adjustment of the amount added. rice field. That is, in the ferritic stainless steel sheet , the characteristics of increasing the 0.2% yield strength at around 750°C and suppressing the decrease in the 0.2% yield strength at around 800°C can be achieved by adding these trace elements. knowledge was obtained. Although there are still many unclear points about the effect of improving the high-temperature strength, the mechanism of action described below is inferred based on the experimental facts.

(c)Bの微量添加は、750~800℃での耐力や引張強度の上昇に対して少なからず寄与し、特に0.2%耐力を大幅に向上させる作用効果を持つ。Bの微量添加は、Bが粒界偏析することによって、結晶粒界を起点に発生するキャビティ(ナノサイズの隙間)の生成を抑制して粒界すべりを遅延させるとともに、結晶粒内において転位密度の上昇に伴う内部応力を高める作用効果がある。またこれらBの作用効果は、Nb添加鋼で顕著となる新規な知見を見出した。 (c) Addition of a small amount of B contributes not a little to the increase in yield strength and tensile strength at 750 to 800° C., and has the effect of greatly improving the 0.2% yield strength in particular. The addition of a small amount of B suppresses the formation of cavities (nano-sized gaps) that occur starting at the grain boundaries due to grain boundary segregation, delays grain boundary sliding, and increases the dislocation density in the grains. has the effect of increasing the internal stress associated with the rise of In addition, we have found new knowledge that these effects of B are remarkable in Nb-added steel.

(d)Nbの添加は、固溶強化により750℃までの温度域における強度上昇に有効であることはよく知られている。Nbの析出は750~800℃においてラーベス相(FeNb)と呼ばれる金属間化合物などを形成して開始するが、NbとBは結晶粒界において共偏析することで前記(c)のBの強度向上作用効果を顕在化させることができる。 (d) It is well known that the addition of Nb is effective in increasing the strength in the temperature range up to 750° C. due to solid solution strengthening. Precipitation of Nb starts at 750 to 800° C. by forming an intermetallic compound called Laves phase (Fe 2 Nb). The effect of improving the strength can be actualized.

(e)更に、前記(c)で述べた、粒内の転位密度の上昇に伴う内部応力を高める作用効果をより発揮させるためには、Snとの複合添加が効果的である。Snは粒界偏析元素ではあるものの、Snの添加によって、B及びNbの複合添加による結晶粒内の固溶強化の作用も大きくなり、内部応力の上昇に伴う高温強度を高めることに効果的である。 (e) Furthermore, combined addition with Sn is effective in enhancing the function and effect of increasing the internal stress associated with the increase in dislocation density in grains, as described in (c) above. Although Sn is a grain boundary segregation element, the addition of Sn increases the solid-solution strengthening action within the crystal grains due to the combined addition of B and Nb, which is effective in increasing the high-temperature strength associated with the increase in internal stress. be.

(f)また、前述した水素及び硫化成分を含む改質ガス環境下の耐酸化性を高めるにはSi、Al、Nbの含有量を所定の範囲内に調整することで、高温かつ改質ガス環境下におけるAl系酸化皮膜の形成の促進と、当該皮膜の保護性を高めることが効果的である。さらに、フェライト系ステンレス鋼において高温域での0.2%耐力の向上のために添加したB、Nb、Snの添加は、改質ガス環境下の耐酸化性を損なわせるおそれはない。さらに、Mo、Ni、Bを一定量添加することで、500~550℃程度の中温度域でもAl系酸化皮膜の形成が促進され、優れた耐酸化性を示す。 (f) In addition, in order to increase the oxidation resistance under the reformed gas environment containing the hydrogen and sulfide components described above, the content of Si, Al, and Nb is adjusted within a predetermined range, so that the reformed gas It is effective to promote the formation of an Al-based oxide film in the environment and to enhance the protective properties of the film. Furthermore, the addition of B, Nb, and Sn to improve the 0.2% proof stress in the high-temperature range in the ferritic stainless steel sheet does not impair the oxidation resistance in the reformed gas environment. Furthermore, by adding certain amounts of Mo, Ni, and B, the formation of an Al-based oxide film is promoted even in a medium temperature range of about 500 to 550° C., exhibiting excellent oxidation resistance.

なお本実施形態において、高温の改質ガス環境下に曝される前の表面皮膜を「不働態皮膜」、高温の改質ガス環境下に曝され不働態皮膜が種々の反応によって組成が変化したものを「Al系酸化皮膜」と区別し説明する。 In this embodiment, the surface film before being exposed to the high-temperature reforming gas environment is the "passive film", and the composition of the passive film exposed to the high-temperature reforming gas environment has changed due to various reactions. will be described by distinguishing it from "Al-based oxide film".

(g)前記した浸炭性/還元性/硫化性改質ガス環境は、大気や水素を含まない水蒸気酸化環境と比較して、フェライト系ステンレス鋼におけるAl系酸化皮膜の欠陥を生成し易い。改質ガス環境が酸化皮膜の欠陥生成を容易とする原因は明らかではないが、硫化成分を含む改質ガス下で生成される硫化物が、酸化皮膜に何らかの悪影響を及ぼしていると推測される。改質ガス環境下でAl系酸化皮膜に欠陥が生じると、露出された母材ではCrやFeの酸化が進行するおそれがある。このような改質ガス中における酸化促進に対して、Mo、Ni、Bの添加によってAl系酸化皮膜の形成が促進される。特にAlの拡散が遅く連続的なAl系酸化皮膜の形成がしにくい500~550℃程度の中温度域では、Mo、Ni、Bの添加により、アモルファスのAl系酸化皮膜の形成が促進され耐酸化性が改善される。その結果、フェライト系ステンレス鋼の耐酸化性を向上させることができる。 (g) The above carburizing/reducing/sulfidizing reformed gas environment is more likely to cause defects in the Al-based oxide film on the ferritic stainless steel sheet than in the air or in the steam oxidation environment that does not contain hydrogen. It is not clear why the reformed gas environment facilitates the formation of defects in the oxide film, but it is speculated that the sulfides produced under the reformed gas containing sulfide components have some adverse effect on the oxide film. . If defects occur in the Al-based oxide film in a modified gas environment, oxidation of Cr and Fe may progress in the exposed base material. The addition of Mo, Ni, and B accelerates the formation of an Al-based oxide film in response to the promotion of oxidation in the modified gas. In particular, in the medium temperature range of 500 to 550°C, where diffusion of Al is slow and formation of a continuous Al-based oxide film is difficult, the addition of Mo, Ni, and B promotes the formation of an amorphous Al-based oxide film, resulting in acid resistance. chemistries are improved. As a result, the oxidation resistance of the ferritic stainless steel sheet can be improved.

(h)上述した改質ガス環境下における耐酸化性は、フェライト系ステンレス鋼板に形成した不働態皮膜に大きく影響される。通常、酸洗や研磨後には、Fe-Crを主体とする不働態皮膜が表面に形成される。Crの酸化は、このような不働態皮膜が表面に形成されている場合に促進しやすい。ここで本発明者らの検討の結果、不働態皮膜中及び不働態皮膜直下の領域(鋼板表面から30nm深さまでの領域)へCr、Al、Nbを予め濃縮させておくことにより、当該環境下に曝された際における耐酸化性の劣化をより効率的に抑制できる新規な知見が得られた。Crは酸化すると、初期にCrとして存在するが、このCrはFeの酸化を抑制するとともに、同じ価数であるAl3+がCrと置換してAl(Al系酸化皮膜)へと変化していくため、結果、Al系酸化皮膜の形成を促進させる。すなわち、不働態皮膜中及び不働態皮膜直下に、Cr、Al、Siを予め濃縮させることにより、改質ガス環境下におけるCrやFeの酸化を抑制でき、Al系酸化皮膜の生成を促進できたものと推認される。 (h) The oxidation resistance in the reformed gas environment described above is greatly affected by the passive film formed on the ferritic stainless steel sheet. Usually, after pickling or polishing, a passivation film mainly composed of Fe--Cr is formed on the surface. Oxidation of Cr is easily accelerated when such a passive film is formed on the surface. Here, as a result of the studies of the present inventors, by pre-concentrating Cr, Al, and Nb in the passive film and in the region immediately below the passive film (the region from the surface of the steel sheet to a depth of 30 nm), A new finding was obtained that can more effectively suppress the deterioration of oxidation resistance when exposed to . When Cr is oxidized, it initially exists as Cr 2 O 3 , but this Cr 2 O 3 suppresses the oxidation of Fe, and Al 3+ having the same valence replaces Cr to form Al 2 O 3 (Al-based As a result, the formation of an Al-based oxide film is promoted. That is, by pre-concentrating Cr, Al, and Si in the passive film and immediately below the passive film, the oxidation of Cr and Fe in the modified gas environment can be suppressed, and the formation of the Al-based oxide film can be promoted. presumed to be

(i)また、不働態皮膜中及び不働態皮膜直下に、Cr、Al、Nbを予め濃縮させるには、冷延板焼鈍(仕上げ焼鈍)後に研磨工程を行い、次いで、硫酸浸漬工程又は硝フッ酸浸漬工程の少なくとも一方の浸漬工程を実施することが有効である。 (i) Further, in order to pre-concentrate Cr, Al, and Nb in the passive film and directly under the passive film, a polishing step is performed after cold-rolled sheet annealing (finish annealing), followed by a sulfuric acid immersion step or nitric fluoride. It is effective to carry out at least one dipping step of the acid dipping step.

(j)さらに、従来のAl、Si含有ステンレス鋼の欠点であった、高温での金属間化合物σ相の析出(σ脆性)と475℃脆性については、成分組成において、Cr、Nb、Si、Alの含有量を調整することが効果的であることが分かった。σ脆性と475℃脆性は、Crを主体としてSiやAlを含む金属間化合物の生成に由来し、その生成サイトは結晶粒界であることが多い。すなわち、σ脆性と475℃脆性を抑制するには、金属間化合物自体の生成を抑制するとともに、その生成サイトを低減することが効果的といえる。これらについて本発明者らがさらに検討したところ、Cr量の制限によって金属間化合物の生成自体を抑制するとともに、Nbの結晶粒界への偏析によって生成サイトを抑制することで組織を安定化させることができ、その結果、σ脆性と475℃脆性が抑制可能であることを見出した。さらに、Cr量の制限とNbの添加により、SiやAlを含む金属間化合物の生成を抑制できることから、前記(g)で述べた耐酸化性に寄与するSiとAl量を確保できるため、耐酸化性と組織安定性を両立することもできる。 (j) Furthermore, regarding the precipitation of intermetallic compound σ phase at high temperature (σ brittleness) and brittleness at 475°C, which were disadvantages of conventional Al- and Si-containing stainless steels, the chemical composition is Cr, Nb, Si, It was found that adjusting the Al content is effective. The σ brittleness and 475° C. brittleness are derived from the formation of intermetallic compounds containing Si and Al mainly composed of Cr, and the formation sites thereof are often grain boundaries. That is, in order to suppress the σ embrittlement and the 475° C. embrittlement, it is effective to suppress the generation of the intermetallic compound itself and to reduce the generation sites thereof. As a result of further investigation by the present inventors, it was found that the formation of the intermetallic compound itself is suppressed by limiting the amount of Cr, and the formation site is suppressed by the segregation of Nb to the grain boundary, thereby stabilizing the structure. As a result, it was found that σ brittleness and 475°C brittleness can be suppressed. Furthermore, by limiting the amount of Cr and adding Nb, it is possible to suppress the formation of intermetallic compounds containing Si and Al, so that the amounts of Si and Al that contribute to the oxidation resistance described in (g) above can be secured. It is also possible to achieve both plasticity and structural stability.

上述したように、フェライト系ステンレス鋼において、B、Nb、Sn、Mo、Niの複合添加により、浸炭性/還元性/硫化性改質ガス環境下の耐久性として重要な高温強度と改質ガス中の耐酸化性を兼備できる、という新たな知見が得られた。さらにフェライト系ステンレス鋼において、Cr、Nb、Si、Alの含有量の適正化によって、組織安定性の向上によるσ脆性と475℃脆性の抑制が可能となる上、耐酸化性の両立も達成できる、という知見も新たに得られた。 As described above, in the ferritic stainless steel sheet , the combined addition of B, Nb, Sn, Mo, and Ni results in high-temperature strength and reforming properties, which are important for durability in a carburizing/reducing/sulfurizing reforming gas environment. New knowledge was obtained that oxidation resistance in gas can be combined. Furthermore, by optimizing the content of Cr, Nb, Si, and Al in ferritic stainless steel sheets , it is possible to suppress σ embrittlement and 475°C embrittlement by improving structural stability, and achieve both oxidation resistance. I also learned that it is possible.

以下、本発明のフェライト系ステンレス鋼の一実施形態について説明する。 An embodiment of the ferritic stainless steel sheet of the present invention will be described below.

<成分組成>
まず、成分の限定理由を以下に説明する。なお、各元素の含有量の「%」表示は「質量%」を意味する。
<Component composition>
First, the reasons for limiting the components will be explained below. In addition, "%" display of content of each element means "mass%."

Crは、耐食性に加えて、高温強度を確保する上で基本となる構成元素である。本実施形態においては、12.0%未満では目標とする高温強度と耐酸化性が十分に確保されない。従って、Cr含有量の下限は12.0%以上とする。好ましくは13.0%以上である。しかし、過度にCrを含有することは高温雰囲気に曝された際、脆化相であるσ相(Fe-Crの金属間化合物)の生成を促進して製造時の割れを助長する場合がある。したがってCr含有量の上限は、基本特性や製造性の視点から16.0%以下とする。好ましくは15.0%以下である。 Cr is a basic constituent element for securing high-temperature strength in addition to corrosion resistance. In this embodiment, if the content is less than 12.0%, the target high-temperature strength and oxidation resistance are not sufficiently ensured. Therefore, the lower limit of the Cr content is made 12.0% or more. Preferably it is 13.0% or more. However, excessive Cr content promotes the formation of a brittle phase σ phase (Fe—Cr intermetallic compound) when exposed to a high-temperature atmosphere, and may promote cracking during manufacturing. . Therefore, the upper limit of the Cr content is made 16.0% or less from the viewpoint of basic properties and manufacturability. Preferably, it is 15.0% or less.

Cは、フェライト相に固溶あるいはCr炭化物を形成して耐酸化性を阻害する。このため、C量の上限が0.020%以下とする。好ましくは0.015%以下である。但し、C量の過度な低減は精錬コストの上昇に繋がるため、下限は0.001%以上とすることが好ましい。耐酸化性と製造性の点から、さらに好ましくは0.005%以上である。 C forms a solid solution in the ferrite phase or forms Cr carbide to impair the oxidation resistance. Therefore, the upper limit of the amount of C is made 0.020% or less. Preferably, it is 0.015% or less. However, excessive reduction in the amount of C leads to an increase in refining costs, so the lower limit is preferably 0.001% or more. From the viewpoint of oxidation resistance and manufacturability, it is more preferably 0.005% or more.

Siは、耐酸化性を確保する上で重要な元素である。Siは、Al系酸化皮膜中へ僅かに固溶するとともに、Al系酸化皮膜直下/鋼界面にも濃化し、改質ガス環境下の耐酸化性を向上させる。これら効果を得るためには0.50%以上が必要となる。好ましくは0.70%以上である。一方、Siを過度に含有させることは、鋼の靭性や加工性の低下並びにAl系酸化皮膜の形成を阻害する場合もあるため、上限は2.50%以下%とする。耐酸化性と基本特性の点から、1.70%以下が好ましい。 Si is an important element for ensuring oxidation resistance. Si is slightly solid-dissolved in the Al-based oxide film and also concentrates directly under the Al-based oxide film/steel interface, thereby improving oxidation resistance in a reformed gas environment. In order to obtain these effects, 0.50% or more is required. Preferably it is 0.70% or more. On the other hand, an excessive Si content may impede the toughness and workability of the steel and inhibit the formation of an Al-based oxide film, so the upper limit is made 2.50% or less. 1.70% or less is preferable from the viewpoint of oxidation resistance and basic properties.

Mnは、改質ガス環境下でSiとともにAl系酸化皮膜中又はその直下に固溶して当該皮膜の保護性を高め耐酸化性の向上に寄与しうる。これら効果を得るために下限は0.10%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.20%以上である。一方、Mnを過度に含有させることは、鋼の耐食性やTiやAl系酸化皮膜の形成を阻害するため、上限は1.00%以下とする。耐酸化性と基本特性の点から、0.90%以下が好ましい。 Mn dissolves together with Si in the Al-based oxide film or immediately below it in a modified gas environment, thereby increasing the protective properties of the film and contributing to the improvement of oxidation resistance. In order to obtain these effects, the lower limit is preferably 0.10% or more. More preferably, it is 0.20% or more. On the other hand, an excessive Mn content impairs the corrosion resistance of steel and the formation of Ti- and Al-based oxide films, so the upper limit is made 1.00% or less. 0.90% or less is preferable from the viewpoint of oxidation resistance and basic properties.

Alは、脱酸元素であることに加えて、本実施形態においては、改質ガス中でAl系酸化皮膜を形成して耐酸化性の向上に寄与する必須の元素である。本実施形態において、良好な耐酸化性を得るには1.00%以上必要となり、好ましくは1.50%以上である。しかし、過度にAlを含有させることは、鋼の靭性や溶接性の低下を招き生産性を阻害するため、合金コストの上昇とともに経済性にも課題がある。そのためAl量の上限は、基本特性と経済性の視点から3.00%以下とする。好ましくは、2.50%以下である。 In addition to being a deoxidizing element, Al is an essential element in the present embodiment that contributes to the improvement of oxidation resistance by forming an Al-based oxide film in the reforming gas. In this embodiment, 1.00% or more is necessary to obtain good oxidation resistance, and preferably 1.50% or more. However, an excessive Al content causes a decrease in the toughness and weldability of the steel and impairs productivity, so that there is a problem of economic efficiency as well as an increase in alloy cost. Therefore, the upper limit of the Al content is set to 3.00% or less from the viewpoint of basic properties and economy. Preferably, it is 2.50% or less.

Pは、製造性や溶接性を阻害する元素であり、その含有量は少ないほどよいため上限は0.050%以下とする。但し、Pの過度な低減は精錬コストの上昇に繋がるため、下限は0.003%とすることが好ましい。製造性と溶接性の点から、好ましい範囲は0.005~0.040%、より好ましくは0.010~0.030%である。 P is an element that hinders manufacturability and weldability. However, excessive reduction of P leads to an increase in refining cost, so the lower limit is preferably 0.003%. From the viewpoint of manufacturability and weldability, the preferred range is 0.005 to 0.040%, more preferably 0.010 to 0.030%.

Sは、鋼中に不可避に含まれる不純物元素であり、高温強度及び耐酸化性を低下させる。特に、Sの粒界偏析やMn系介在物や固溶Sの存在は、高温強度と耐酸化性を低下させる作用を持つ。従って、S量は低いほどよいため、上限は0.0030%以下とする。但し、Sの過度の低減は原料や精錬コストの上昇に繋がるため、下限は0.0001%以上とすることが好ましい。製造性と耐酸化性の点から、好ましい範囲は0.0001~0.0020%、より好ましくは0.0002~0.0010%である。 S is an impurity element that is inevitably contained in steel, and lowers high-temperature strength and oxidation resistance. In particular, grain boundary segregation of S, Mn-based inclusions, and the presence of solid solution S have the effect of lowering the high-temperature strength and oxidation resistance. Therefore, the lower the S content, the better, so the upper limit is made 0.0030% or less. However, excessive reduction of S leads to an increase in raw material and refining costs, so the lower limit is preferably 0.0001% or more. From the standpoint of manufacturability and oxidation resistance, the preferred range is 0.0001 to 0.0020%, more preferably 0.0002 to 0.0010%.

Nは、Cと同様に耐酸化性を阻害する元素である。このため、N量は少ないほどよく、上限を0.030%以下とする。但し、Nの過度な低減は精錬コストの上昇に繋がるため、下限は0.002%以上とすることが好ましい。耐酸化性と製造性の点から、N量の好ましい範囲は0.005~0.020%である。 N, like C, is an element that inhibits oxidation resistance. Therefore, the smaller the amount of N, the better, and the upper limit is made 0.030% or less. However, excessive reduction of N leads to an increase in refining cost, so the lower limit is preferably 0.002% or more. From the standpoint of oxidation resistance and manufacturability, the preferred range of N content is 0.005 to 0.020%.

Nbは、C,Nを固定する安定化元素であって、この作用による鋼の高純度化を通じて耐酸化性や耐食性を向上させることができる。また本実施形態においては、Bとの粒界における共偏析の作用効果により高温強度の向上にも有効に作用する元素である。さらに、σ脆性と475℃脆性の要因となる金属間化合物は、主に結晶粒界を生成サイトとして析出が進行するが、Nbが結晶粒界へ偏析することによってこの生成サイトが低減されるため、組織の安定性が増し、結果、σ脆性と475℃脆性を抑制することができる。耐酸化性及び高温強度の両方の効果を得るためにNb量の下限は0.05%以上とし、好ましくは0.15%以上とする。一方、Nbを過度に含有させることは合金コストの上昇や製造性を阻害することに繋がるため、Nb量の上限は1.00%以下とする。好ましくは0.60%以下とする。 Nb is a stabilizing element that fixes C and N, and by this action it is possible to improve the oxidation resistance and corrosion resistance through the high purity of the steel. Further, in the present embodiment, it is an element that effectively acts to improve the high-temperature strength due to the effect of co-segregation with B at the grain boundary. Furthermore, intermetallic compounds that cause σ embrittlement and 475° C. embrittlement are mainly precipitated at grain boundaries, but the segregation of Nb to grain boundaries reduces the generation sites. , the stability of the structure increases, and as a result, σ embrittlement and 475° C embrittlement can be suppressed. In order to obtain the effects of both oxidation resistance and high-temperature strength, the lower limit of the Nb content is 0.05% or more, preferably 0.15% or more. On the other hand, an excessive Nb content leads to an increase in alloy cost and impairs manufacturability, so the upper limit of the Nb content is made 1.00% or less. It is preferably 0.60% or less.

次に、結晶粒界における偏析元素の濃度(質量%)について説明する。
上記の知見でも述べたように、本実施形態においては、NbとBが結晶粒界において共偏析することによって高温強度の向上を図ることができる。また、Snも同様に、粒界へ偏析することによって、粒界すべりを抑制し高温強度の向上を図ることができる。これらの観点から、本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼において、Nbの結晶粒界における濃度(粒界濃度)は、3.0%以上とすることが好ましい。Snを含有する場合には、Snの粒界濃度は1.0%以上とすることが好ましい。一方、NbとSnの過度な粒界偏析は結晶粒界が破壊起点となって製造性を阻害することに加え、高温強度の低下をもたらす場合もある。そのため、Nbの粒界濃度は10.0%以下であることが好ましく、Snの粒界濃度は5.0%以下であることが好ましい。
Next, the concentration (% by mass) of segregating elements at grain boundaries will be described.
As described in the above findings, in the present embodiment, the co-segregation of Nb and B at the grain boundaries can improve the high-temperature strength. Similarly, Sn segregates to grain boundaries, thereby suppressing grain boundary sliding and improving high-temperature strength. From these points of view, in the ferritic stainless steel sheet according to the present embodiment, the concentration of Nb at the grain boundaries (grain boundary concentration) is preferably 3.0% or more. When Sn is contained, the grain boundary concentration of Sn is preferably 1.0% or more. On the other hand, excessive grain boundary segregation of Nb and Sn may result in deterioration of high-temperature strength, in addition to hindering manufacturability as grain boundaries become fracture starting points. Therefore, the grain boundary concentration of Nb is preferably 10.0% or less, and the grain boundary concentration of Sn is preferably 5.0% or less.

結晶粒界におけるNb濃度、Sn濃度は、オージェ電子分光法(Auger Electron Spectrometry,AES)によって測定することができる。
まず、酸化皮膜以外の母相の任意箇所から、ノッチ付き試験片(0.8t×4w×20L(mm))を採取する。次に、ノッチ付き試験片を、真空中(真空度:10-6MPa)において液体窒素で冷却したのちに、その場でノッチ部から試験片を破断して破面を露出させる。露出させた破面における結晶粒界についてAES分析を行い、0~1000eVのエネルギー範囲でオージェ電子スペクトルを測定し、検出される元素を同定(定性分析)する。さらに、得られたピーク強度比を用いて(相対感度係数法)、検出元素を定量(定量分析)する。以上の方法によって、結晶粒界に偏析した元素(Nb、Sn)の濃度を求めることができる。
The Nb concentration and Sn concentration at the grain boundaries can be measured by Auger Electron Spectrometry (AES).
First, a notched test piece (0.8t×4w×20L (mm)) is taken from an arbitrary portion of the matrix other than the oxide film. Next, after cooling the notched test piece with liquid nitrogen in a vacuum (degree of vacuum: 10 −6 MPa), the test piece is fractured on the spot from the notched portion to expose the fracture surface. AES analysis is performed on the crystal grain boundaries in the exposed fracture surface, the Auger electron spectrum is measured in the energy range of 0 to 1000 eV, and the detected elements are identified (qualitative analysis). Furthermore, using the obtained peak intensity ratio (relative sensitivity coefficient method), the detected element is quantified (quantitative analysis). By the above method, the concentration of the elements (Nb, Sn) segregated at the grain boundaries can be obtained.

Niは鋼中でのAlの外方拡散を促進し、Al系酸化皮膜の形成を促進する。さらに、固溶強化により鋼の強度を改善する元素である。Al系酸化皮膜の形成の促進には0.05%以上必要となり、好ましくは0.10%以上である。過度にNiを含有させても、耐酸化性改善の効果は飽和する。合金コストが上昇し経済性にも課題がある。そのためNi量の上限は、基本特性と経済性の視点から1.00%以下とする。好ましくは0.50%以下である。 Ni promotes outward diffusion of Al in steel and promotes formation of an Al-based oxide film. Furthermore, it is an element that improves the strength of steel through solid-solution strengthening. 0.05% or more is required for promotion of the formation of the Al-based oxide film, preferably 0.10% or more. Even if Ni is contained excessively, the effect of improving oxidation resistance is saturated. The cost of the alloy rises, and there is also the issue of economic efficiency. Therefore, the upper limit of the Ni content is set to 1.00% or less from the viewpoint of basic properties and economy. Preferably, it is 0.50% or less.

Moは使用環境にて酸化皮膜と鋼界面に濃化し、Al系酸化皮膜の形成を促進する。Al系酸化皮膜の形成の促進には0.05%以上必要となり、好ましくは0.10%以上である。Niと同様に、過度にMoを添加しても、耐酸化性改善の効果は飽和し、合金コストが上昇するため、Mo量の上限は、1.00%以下とする。好ましくは0.50%以下である。 Mo concentrates at the interface between the oxide film and the steel in the use environment, and promotes the formation of the Al-based oxide film. 0.05% or more is required for promotion of the formation of the Al-based oxide film, preferably 0.10% or more. As with Ni, excessive addition of Mo saturates the effect of improving oxidation resistance and increases the alloy cost, so the upper limit of the Mo content is 1.00% or less. Preferably, it is 0.50% or less.

Snは高温強度を高める効果をより発現させることができる元素である。このような効果を得るために、Snの下限は0.005%以上必要であり、好ましくは0.010%である。一方、過度に含有させることは、鋼の精錬コスト上昇を招くほか、製造性と鋼の耐食性を低下させる。このためSnの上限は0.200%以下とする。 Sn is an element capable of exhibiting the effect of increasing the high-temperature strength. In order to obtain such effects, the lower limit of Sn must be 0.005% or more, preferably 0.010%. On the other hand, an excessive content leads to an increase in refining cost of steel, and also lowers manufacturability and corrosion resistance of steel. Therefore, the upper limit of Sn is set to 0.200% or less.

Bは、使用環境にて酸化皮膜と鋼界面に濃化し、Al系酸化皮膜の形成を促進する。さらに、粒界偏析することによって粒界すべりを遅延させるとともに、結晶粒内において転位密度の上昇に伴う内部応力を高めて0.2%耐力を向上させることができる。これらの効果を得るには0.0005%以上必要となり、好ましくは0.0010%以上である。 B concentrates at the interface between the oxide film and the steel in the usage environment and promotes the formation of the Al-based oxide film. Furthermore, the grain boundary segregation delays the grain boundary sliding and increases the internal stress accompanying the increase in the dislocation density in the crystal grains, thereby improving the 0.2% proof stress. In order to obtain these effects, 0.0005% or more is required, preferably 0.0010% or more.

さらに、本実施形態の成分組成では、以下の式(1)を満たすものとする。
0.7Nb+Ni+Mo+0.4Ti+0.4Cu+200B≧0.30 ・・・(1)
Furthermore, the component composition of the present embodiment satisfies the following formula (1).
0.7Nb+Ni+Mo+0.4Ti+0.4Cu+200B≧0.30 (1)

なお、式(1)中の各元素記号は、鋼中の当該元素の含有量(質量%)を示し、元素が含まれないときは0を代入する。 Each element symbol in the formula (1) indicates the content (% by mass) of the element in the steel, and 0 is substituted when the element is not contained.

高温強度及び耐酸化性を向上させる視点から、式(1)は、0.35%以上が好ましく、より好ましくは0.40%以上とする。なお、式(1)の上限は、Nb、Ni、Mo、Ti、Cu、Bの上限値で特に規定するものでないが、耐酸化性と製造性の視点から2.4%とすることが好ましい。 From the viewpoint of improving high-temperature strength and oxidation resistance, the content of formula (1) is preferably 0.35% or more, more preferably 0.40% or more. The upper limit of formula (1) is not particularly defined as the upper limit of Nb, Ni, Mo, Ti, Cu, and B, but it is preferably 2.4% from the viewpoint of oxidation resistance and manufacturability. .

本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼は、上述してきた元素以外(残部)は、Fe及び不純物からなるが、後述する任意元素についても含有させることができる。よって、Cu、Sb、W、Co、V、Ti、Zr、La、Y、Hf、REM、Ga、Mg、Caの含有量の下限は0%以上である。
なお、本実施形態における「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に鉱石やスクラップ等のような原料をはじめとして製造工程の種々の要因によって混入する成分であり、不可避的に混入する成分も含む。
The ferritic stainless steel sheet according to the present embodiment consists of Fe and impurities in addition to the above-described elements (the balance), but may also contain optional elements described later. Therefore, the lower limits of the contents of Cu, Sb, W, Co, V, Ti, Zr, La, Y, Hf, REM, Ga, Mg, and Ca are 0% or more.
In addition, the "impurities" in the present embodiment are components that are mixed due to various factors in the manufacturing process including raw materials such as ores and scraps when steel is manufactured industrially, and are unavoidably mixed. Including ingredients.

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、必要に応じて、Cu:1.00%以下、Sb:0.50%以下、W:1.00%以下、Co:0.50%以下、V:0.50%以下、Ti:0.50%以下、Zr:0.50%以下、La:0.100%以下、Y:0.100%以下、Hf:0.100%以下、REM:0.100%以下、Ga:0.0200%以下、Mg:0.0200%以下、Ca:0.0100%以下の1種又は2種以上を含有しているものであってもよい。 The ferritic stainless steel sheet of the present embodiment has Cu: 1.00% or less, Sb: 0.50% or less, W: 1.00% or less, Co: 0.50% or less, V: 0.50% or less Ti: 0.50% or less Zr: 0.50% or less La: 0.100% or less Y: 0.100% or less Hf: 0.100% or less REM: 0.50% or less It may contain one or more of 100% or less, Ga: 0.0200% or less, Mg: 0.0200% or less, and Ca: 0.0100% or less.

Cu、Sb、W、Co、V、Tiは、鋼の高温強度と耐食性を高めるのに有効な元素であり、必要に応じて含有してよい。但し、過度に含有させると合金コストの上昇や製造性を阻害することに繋がるため、Cu、Wの上限は1.00%以下とする。Sbは、鋼表面近傍に濃化してAlの選択酸化を促進し耐食性の向上効果を持つ元素であるため、上限は0.50%以下とした上で含有することが好ましい。Co、Ti、Vの上限は0.50%以下とする。Cu、W、Co、Vのいずれの元素も好ましい含有量の下限は0.10%以上とする。Sb、Tiの好ましい含有量の下限は0.01%以上とする。 Cu, Sb, W, Co, V, and Ti are elements effective in enhancing the high-temperature strength and corrosion resistance of steel, and may be contained as necessary. However, since an excessive content leads to an increase in alloy cost and impedes manufacturability, the upper limits of Cu and W are set to 1.00% or less. Sb is an element that concentrates in the vicinity of the steel surface to promote selective oxidation of Al and has the effect of improving corrosion resistance. The upper limits of Co, Ti, and V are 0.50% or less. The lower limit of the content of any of Cu, W, Co, and V is preferably 0.10% or more. The lower limit of the content of Sb and Ti is preferably 0.01% or more.

Zr、La、Y、Hf、REMは、熱間加工性や鋼の清浄度を向上並びに耐酸化性改善に対しても、従来から有効な元素であり、必要に応じて含有させてよい。但し、本発明の技術思想と合金コストの低減から、これら元素の添加効果に頼るものではない。Zr、La、Y、Hf、REMを含有させる場合、Zrの上限は0.50%、La、Y、Hf、REMの上限はそれぞれ0.100%とする。前記効果を得るためのZrのより好ましい下限は0.01%、La、Y、Hf、REMの好ましい下限は0.001%とする。ここで、REMはLa、Yを除く原子番号58~71に帰属する元素及びSc(スカンジウム)とし、例えば、Ce、Pr、Nd等である。また本実施形態でいうREMとは、原子番号58~71に帰属する元素及びScから選択される1種以上で構成されるものであり、REM量とは、これらの合計量である。 Zr, La, Y, Hf, and REM are conventionally effective elements for improving hot workability and cleanliness of steel as well as improving oxidation resistance, and may be contained as necessary. However, from the viewpoint of the technical idea of the present invention and the reduction of the alloy cost, it does not depend on the effect of adding these elements. When Zr, La, Y, Hf, and REM are contained, the upper limit of Zr is 0.50%, and the upper limit of La, Y, Hf, and REM is 0.100%. A more preferable lower limit for Zr to obtain the above effect is 0.01%, and a preferable lower limit for La, Y, Hf, and REM is 0.001%. Here, REM is an element belonging to atomic numbers 58 to 71, excluding La and Y, and Sc (scandium), such as Ce, Pr, and Nd. REM in the present embodiment is composed of one or more elements selected from elements belonging to atomic numbers 58 to 71 and Sc, and the amount of REM is the total amount thereof.

Ga、Mg、Caは、高温強度を高める効果をより発現させることができる元素である。Ga、Mg、Caは、表面近傍に濃化してAlの選択酸化を促進する作用がある。このような効果を得るために、Ga、Mg、Caそれぞれの含有量の下限は0.0002%以上とすることが好ましい。一方、これら元素を過度に含有させることは、鋼の精錬コスト上昇を招くほか、製造性と鋼の耐食性を低下させる。このため、Caの含有量の上限は0.0100%以下、Ga、Mgの上限はいずれも0.0200%以下とする。 Ga, Mg, and Ca are elements that can exhibit the effect of increasing the high-temperature strength. Ga, Mg, and Ca have the effect of concentrating in the vicinity of the surface and promoting selective oxidation of Al. In order to obtain such an effect, it is preferable that the lower limit of each content of Ga, Mg, and Ca is 0.0002% or more. On the other hand, an excessive content of these elements leads to an increase in refining cost of steel, and also lowers manufacturability and corrosion resistance of steel. Therefore, the upper limit of the content of Ca is set to 0.0100% or less, and the upper limits of both Ga and Mg are set to 0.0200% or less.

本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼は、上述してきた元素以外は、Fe及び不純物(不可避的不純物を含む)からなるが、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含有させることができる。一般的な不純物元素である前述のP、Sを始め、Bi、Se等は可能な限り低減することが好ましい。一方、これらの元素は、本発明の課題を解決する限度において、その含有割合が制御され、必要に応じて、Bi≦100ppm、Se≦100ppmの1種以上を含有してもよい。 The ferritic stainless steel sheet according to the present embodiment is composed of Fe and impurities (including unavoidable impurities) other than the elements described above, but the effects of the present invention are not impaired in addition to the elements described above. It can be contained within the range. It is preferable to reduce the general impurity elements such as P and S described above, as well as Bi and Se, as much as possible. On the other hand, the content of these elements is controlled to the extent that the objects of the present invention are solved, and if necessary, one or more of Bi≦100 ppm and Se≦100 ppm may be contained.

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼の金属組織はフェライト単相組織よりなる。これはオーステナイト相やマルテンサイト組織を含まないことを意味している。オーステナイト相やマルテンサイト組織を含む場合は、原料コストが高くなることに加えて、製造時に耳割れ等の歩留まり低下が起こりやすくなるため、金属組織はフェライト単相組織とする。なお鋼中に炭窒化物等の析出物が存在するが、本発明の効果を大きく左右するものではないためこれら析出物は考慮しなくても良い。 The metal structure of the ferritic stainless steel sheet of this embodiment consists of a ferrite single-phase structure. This means that it does not contain an austenitic phase or a martensitic structure. When the austenite phase or martensite structure is included, the raw material cost is increased, and yield reduction such as edge cracking is likely to occur during production. Therefore, the metal structure should be a ferrite single phase structure. Precipitates such as carbonitrides are present in the steel, but these precipitates need not be considered because they do not greatly affect the effects of the present invention.

<鋼板表層部におけるCr、Al、Nb最大濃度>
本実施形態のフェライト系ステンレス鋼板は、Al系酸化皮膜の生成促進を図り耐酸化性を高めるべく、鋼板表層部に、Cr、Al、Nbを予め濃縮させるものとする。具体的には、鋼板表面から深さ30nmまでの領域(不働態皮膜及び不働態皮膜直下を含む領域)である鋼板表層部において、Cr、Al、Nbの濃度(カチオン分率)分布における各最大値(最大濃度)Crm、Alm、Nbmが、下記式(2)及び下記式(3)を満たすものとする。
15.0<Crm(at%)<50.5 ・・・(2)
2.7<Alm+Nbm(at%)<10.0 ・・・(3)
<Maximum concentration of Cr, Al, and Nb in the surface layer of the steel sheet>
In the ferritic stainless steel sheet of the present embodiment, Cr, Al, and Nb are preliminarily concentrated in the surface layer of the steel sheet in order to promote the formation of an Al-based oxide film and improve oxidation resistance. Specifically, in the surface layer of the steel sheet, which is a region from the steel plate surface to a depth of 30 nm (region including the passive film and the region immediately below the passive film), each maximum in the concentration (cation fraction) distribution of Cr, Al, and Nb It is assumed that the values (maximum concentrations) Crm, Alm, and Nbm satisfy the following formulas (2) and (3).
15.0<Crm(at%)<50.5 (2)
2.7<Alm+Nbm(at%)<10.0 (3)

改質ガス環境下における酸化性は、フェライト系ステンレス鋼板に形成した不働態皮膜に大きく影響される。通常、酸洗や研磨後には、鋼板表面におよそ2nm~20nm程度の不働態皮膜が形成される。Cr酸化は、Fe-Crを主体とするこの不働態皮膜が表面に形成されている場合に促進しやすい。そのため、本実施形態では、不働態皮膜中及び不働態皮膜直下の領域において、耐酸化性の向上に有効に作用するAl系酸化皮膜の生成促進を図るべく、Cr、Al、Nbを予め濃縮させたものとする。なお、Cr、Al、Nbの濃縮を図る対象領域を、鋼板表面から深さ30nmまでの領域と限定した理由は、深さ30nmであれば、一般的な不働態皮膜の厚さ2~20nm+皮膜直下領域を十分に捉えていると判断できるためである。 Oxidizability in a reformed gas environment is greatly affected by the passive film formed on the ferritic stainless steel sheet. Usually, after pickling or polishing, a passive film of about 2 nm to 20 nm is formed on the surface of the steel sheet. Cr oxidation is easily accelerated when this passive film mainly composed of Fe—Cr is formed on the surface. Therefore, in the present embodiment, Cr, Al, and Nb are concentrated in advance in order to promote the formation of an Al-based oxide film that effectively improves oxidation resistance in the passive film and in the region immediately below the passive film. shall be assumed. The reason why the target region for concentrating Cr, Al, and Nb is limited to the region from the surface of the steel sheet to a depth of 30 nm is that if the depth is 30 nm, the thickness of the general passive film is 2 to 20 nm + the film This is because it can be determined that the direct-lower region is sufficiently captured.

鋼板表面から30nm深さまでの領域の組成は、Al皮膜の形成を促進するために、Cr濃度の最大値Crmが15.0at%超、50.0at%未満、Al濃度とNb濃度の合計の最大値(Alm+Nbm)が2.7at%超、10.0at%未満の範囲とする。
Crmが15.0%以下の場合、当該領域中のFe濃度が上昇してAl系酸化皮膜の生成を阻害するおそれがあるため、Crmは15.0at%超とし、好ましくは、20.0at%以上とする。一方、Crmが50.5%以上の場合、Crの選択酸化によりAl系酸化皮膜の生成が阻害されるおそれがあるため、Crmは50.5at%未満とし、好ましくは、45.0%以下とする。
またNbは、Alとともに濃縮させることで、FeとCrの酸化を抑制し、Al系酸化皮膜の形成に対して有効に作用する。しかし、Alm+Nbmが2.7at%以下の場合、FeとCrの酸化が進行して、Al系酸化皮膜生成を促進する効果が得られないため、Alm+Nbmは2.7at%超とし、好ましくは3.8at%以上とする。一方、Al系酸化皮膜の形成の促進には、AlとNb濃度を高めることが効果的ではあるものの、Alm+Nbmを10.0%以上とした場合、生産性を低下させることに加え、Nb酸化物が形成し耐酸化性を劣化するおそれもある。よって、Alm+Nbmの上限は、コスト対効果の観点から10.0at%未満とし、好ましくは7.0at%以下とする。
The composition of the region from the surface of the steel sheet to a depth of 30 nm is such that the maximum Cr concentration Crm is more than 15.0 at% and less than 50.0 at%, and the Al concentration and Nb concentration are in order to promote the formation of the Al 2 O 3 coating. The maximum total value (Alm+Nbm) is in the range of more than 2.7 atomic % and less than 10.0 atomic %.
If the Crm is 15.0% or less, the Fe concentration in the region may increase and inhibit the formation of the Al-based oxide film. That's it. On the other hand, when Crm is 50.5% or more, the selective oxidation of Cr may inhibit the formation of an Al-based oxide film, so Crm is set to less than 50.5 at%, preferably 45.0% or less. do.
Also, by concentrating Nb together with Al, it suppresses the oxidation of Fe and Cr and effectively acts on the formation of the Al-based oxide film. However, when Alm+Nbm is 2.7 at % or less, the oxidation of Fe and Cr progresses, and the effect of promoting the formation of Al-based oxide film cannot be obtained. 8 at % or more. On the other hand, although it is effective to increase the Al and Nb concentrations to promote the formation of the Al-based oxide film, if Alm + Nbm is 10.0% or more, productivity is reduced, and Nb oxide may be formed and deteriorate the oxidation resistance. Therefore, the upper limit of Alm+Nbm is less than 10.0 atomic %, preferably 7.0 atomic % or less, from the viewpoint of cost effectiveness.

鋼板表面から深さ30nmまでの領域(表層部)におけるCr、Al、Nbの最大濃度は、XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)によるデプスプロファイルによって測定する。デプスプロファイルによって求められた各元素に関して、状態分析を実施して、酸化物として存在している元素のカチオンイオンと金属として存在している元素のカチオンイオンとに分離する。金属として存在している元素のカチオンイオンと酸化物として存在している元素のカチオンイオンの両方を含む全カチオンイオンの合計濃度を100%として、酸化物として存在しているCr、Al及びNbのカチオンイオン分率(at.%)を算出する。 The maximum concentration of Cr, Al, and Nb in a region (surface layer) from the surface of the steel sheet to a depth of 30 nm is measured by depth profile by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy). For each element determined by the depth profile, a state analysis is performed to separate the cation ions of the element existing as an oxide and the cation ions of the element existing as a metal. Assuming that the total concentration of all cation ions including both cation ions of elements present as metals and cation ions of elements present as oxides is 100%, Cr, Al and Nb present as oxides Calculate the cationic ion fraction (at. %).

カチオンイオン分率を算出する範囲は、皮膜の表面から、O(酸素)の検出強度が皮膜表面における酸素の検出強度の半分になる深さ位置までの範囲である。XPSは、以下の条件で測定する。
・装置:XPS測定装置(アルバック・ファイ株式会社、QuanteraSXM)
・X線:mono-AlKα線(hν=1486.6eV)、X線径:100μmΦ
・中和銃:1.0V、20μA
・スパッタ条件:Ar+、加速電圧:1kV、ラスター:2×2mm
・スパッタ速度:1.8nm/min.(SiO換算値)
The range for calculating the cation ion fraction is the range from the surface of the coating to the depth position where the detection intensity of O (oxygen) is half the detection intensity of oxygen on the coating surface. XPS is measured under the following conditions.
・Equipment: XPS measurement equipment (ULVAC-Phi, Inc., QuanteraSXM)
・ X-ray: mono-AlKα ray (hν = 1486.6 eV), X-ray diameter: 100 μmΦ
・ Neutralization gun: 1.0 V, 20 μA
・Sputtering conditions: Ar+, acceleration voltage: 1 kV, raster: 2×2 mm
・Sputtering speed: 1.8 nm/min. ( SiO2 conversion value)

XPS分析における検出元素であるが、Fe,Cr,Mn,Si,Al,Ti,Nb,Mo,Ni,Bは、鋼板表面に濃化する元素や酸化物を構成する元素なので、これらのカチオンイオン濃度に基づいて、Crm、Alm、Nbmを算出する。尚、Si及びBは一般的に半金属に分類されるが、Crm、Alm、Nbmの算出の際、金属元素として取り扱う。
なお、Nは表面に濃化することが無いため、またCは汚染元素であるため、XPS分析で検出した後、これら2元素を除いてCr、Al、Nb濃度を算出することにする。
Fe, Cr, Mn, Si, Al, Ti, Nb, Mo, Ni, and B, which are detected elements in XPS analysis, are elements that are concentrated on the surface of the steel sheet and elements that constitute oxides. Crm, Alm, and Nbm are calculated based on the concentration. Although Si and B are generally classified as semimetals, they are treated as metal elements when calculating Crm, Alm, and Nbm.
Since N does not condense on the surface and C is a contaminant element, the Cr, Al, and Nb concentrations are calculated by excluding these two elements after detection by XPS analysis.

なお、本実施形態のフェライト系ステンレス鋼の形状は特に限定せず、板状、管状、棒状等であってよく、適用する部材のサイズや形態、形状に合わせて適宜決定してよい。 The shape of the ferritic stainless steel sheet of the present embodiment is not particularly limited, and may be plate-like, tubular, bar-like, or the like, and may be appropriately determined according to the size, shape, and shape of the member to be applied.

<製造方法>
次に、上述してきた本実施形態のフェライト系ステンレス鋼板の製造方法であるが、熱間加工、冷間加工及び各熱処理(焼鈍)を組み合わせることで製造でき、必要に応じて、適宜、研磨や酸浸漬によるデスケーリングを行ってよい。製造方法の一例として、製鋼-熱間圧延-焼鈍-冷間圧延-焼鈍(仕上げ焼鈍)-機械研磨-酸浸漬の各工程を有する製法を採用できる。
<Manufacturing method>
Next, regarding the method for manufacturing the ferritic stainless steel sheet of the present embodiment described above, it can be manufactured by combining hot working, cold working, and each heat treatment (annealing), and if necessary, polishing and Descaling by acid dipping may be performed. As an example of the production method, a production method having the steps of steelmaking-hot rolling-annealing-cold rolling-annealing (finish annealing)-mechanical polishing-acid immersion can be adopted.

さらに、ガス配管の用途に適用する場合は、鋼板から製造した溶接管も含まれるが、配管は、溶接管に限定するものでなく,熱間加工により製造した継ぎ目無し管でもよい。 Furthermore, when applied to gas piping, welded pipes manufactured from steel plates are also included, but the piping is not limited to welded pipes, and may be seamless pipes manufactured by hot working.

本実施形態のフェライト系ステンレス鋼板は、鋼板表層部のCr濃度、Al濃度及びSi濃度を上記範囲内に制御するためには、仕上げ焼鈍後に施す機械研磨、及び酸浸漬工程が重要であり、それ以外の工程、条件については本発明の効果を損なわない範囲で適宜決定してよい。具体的には、仕上げ焼鈍後、JIS6252(2006)で定義される♯100以下の研磨材で研磨を施し、次いで、下記の処理(A)又は処理(B)の少なくとも一方からなる酸浸漬工程を実施する。
処理(A):10~50質量%のHSOを含む90℃以下の硫酸水溶液中への浸漬
処理(B):1質量%以上のHNO及び0.5質量%以上のHFを含む90℃以下の硝フッ酸水溶液中への浸漬
In order to control the Cr concentration, Al concentration, and Si concentration of the surface layer of the ferritic stainless steel sheet of the present embodiment within the above ranges, it is important to perform mechanical polishing and acid immersion after finish annealing. Steps and conditions other than those described above may be appropriately determined within a range that does not impair the effects of the present invention. Specifically, after finish annealing, polishing is performed with an abrasive of #100 or less defined in JIS6252 (2006), and then an acid immersion step consisting of at least one of the following treatment (A) or treatment (B) is performed. implement.
Treatment (A): Immersion in an aqueous sulfuric acid solution containing 10-50% by mass of H 2 SO 4 at 90° C. or lower Treatment (B): Containing 1% by mass or more of HNO 3 and 0.5% by mass or more of HF Immersion in nitric hydrofluoric acid aqueous solution at 90°C or less

仕上げ焼鈍後に機械研磨を実施することで鋼板表面に転位が導入されて原子の拡散が促進される。その結果、その後の大気放置若しくは酸浸漬工程において形成される不働態皮膜中においてCrだけではなくAl、Nbの濃度も高めることができる。好ましくは冷間圧延及び仕上げ焼鈍後に機械研磨を実施し、さらに酸浸漬工程を実施する。
機械研磨は、100番以下の番手の研磨材を用い、例えばコイルグラインダーを1パス実施する。転位を更に多く導入し、不働態皮膜中のCrやAl、Siの濃度を高める観点から、研磨材の番手は♯80以下が好ましく、♯30以下がより好ましい。
By performing mechanical polishing after the finish annealing, dislocations are introduced into the surface of the steel sheet and diffusion of atoms is promoted. As a result, the concentrations of not only Cr but also Al and Nb can be increased in the passivation film formed in the subsequent atmospheric exposure or acid immersion step. Preferably, mechanical polishing is performed after cold rolling and finish annealing, and further an acid immersion step is performed.
For the mechanical polishing, an abrasive having a count of 100 or less is used, and, for example, one pass of a coil grinder is performed. From the viewpoint of introducing more dislocations and increasing the concentration of Cr, Al, and Si in the passive film, the grade of the abrasive is preferably #80 or less, more preferably #30 or less.

機械研磨後の酸浸漬工程は、上記処置(A)又は処理(B)の少なくとも一方を実施する。すなわち、機械研磨後、上記処置(A)又は処理(B)の何れか一方でもよく、両方実施してもよい。処置(A)、処理(B)ともに実施する場合の順序は問わず、例えば処理(A)に次いで処理(B)を実施してよい。なお、硫酸水溶液及び硝フッ酸水溶液の温度は40~90℃としてよい。また、硝フッ酸水溶液中のHNOの濃度は、1~20質量%、HFの濃度は0.5~10質量%としてもよい。
なお、機械研磨をせずに、上記処理(A)、(B)を実施しただけでは、上述した
原子の拡散促進効果を得られないまま酸浸漬を行うことなるため、不働態皮膜中のCr、Al及びSiの濃化は達成できない。
In the acid immersion step after mechanical polishing, at least one of the treatment (A) or treatment (B) is performed. That is, after mechanical polishing, either one of the treatment (A) or the treatment (B) may be performed, or both may be performed. When both the treatment (A) and the treatment (B) are performed, the order may be arbitrary. For example, the treatment (A) may be followed by the treatment (B). The temperature of the sulfuric acid aqueous solution and the nitric hydrofluoric acid aqueous solution may be set to 40 to 90.degree. Further, the concentration of HNO 3 in the nitric hydrofluoric acid aqueous solution may be 1 to 20% by mass, and the concentration of HF may be 0.5 to 10% by mass.
Note that if the above treatments (A) and (B) are performed without mechanical polishing, acid immersion will be performed without obtaining the above-described effect of promoting diffusion of atoms. , Al and Si enrichment cannot be achieved.

また、機械研磨前に実施する、冷間圧延及び仕上げ焼鈍の条件については特に限定しないが、冷延圧下率は90%以下、仕上げ焼鈍温度は再結晶する温度域800~1150℃とすることが好ましい。
なお、本実施形態において仕上げ焼鈍時の雰囲気は特に規定するものではないが、大気中、LNG燃料雰囲気、水素や窒素、アルゴン等を用いた無酸化性雰囲気(光輝焼鈍)であることが好ましい。
In addition, the conditions of cold rolling and finish annealing performed before mechanical polishing are not particularly limited, but the cold rolling reduction rate is 90% or less, and the finish annealing temperature is in the recrystallization temperature range of 800 to 1150 ° C. preferable.
In the present embodiment, the atmosphere during the finish annealing is not particularly specified, but it is preferably the air, a LNG fuel atmosphere, or a non-oxidizing atmosphere (bright annealing) using hydrogen, nitrogen, argon, or the like.

以上説明した製造方法により、本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼を得ることができる。 The ferritic stainless steel sheet according to this embodiment can be obtained by the manufacturing method described above.

本実施形態によれば、前記浸炭性/還元性/硫化性改質ガス環境下であっても、高い耐酸化性と優れた高温強度を兼備したフェライト系ステンレス鋼を提供することができる。特に、不働態皮膜中及び不働態皮膜直下の鋼板表層部において、Cr、Al、Nbの各濃度を制御することによって、より優れた耐酸化性を享受することができる。 According to the present embodiment, it is possible to provide a ferritic stainless steel sheet having both high oxidation resistance and excellent high-temperature strength even under the carburizing/reducing/sulfiding reformed gas environment. In particular, by controlling the respective concentrations of Cr, Al, and Nb in the steel sheet surface layer in the passivation film and directly under the passivation film, it is possible to enjoy better oxidation resistance.

さらに、本実施形態によれば、成分組成の適正化を図ることで、σ相析出や475℃脆性を抑制可能とする優れた組織安定性をも享受することが可能となる。 Furthermore, according to the present embodiment, by optimizing the component composition, it is possible to enjoy excellent structural stability that can suppress σ phase precipitation and 475° C. embrittlement.

そのため、都市ガス、メタン、天然ガス、プロパン、灯油、ガソリン等の炭化水素系燃料を水素に改質する際に使用される燃料改質器、熱交換器などの燃料電池部材に好適であり、特に、運転温度が高温となる固体酸化物型燃料電池(SOFC)や固体高分子型燃料電池(PEFC)の高温部材に好適である。さらに、燃料電池の周辺部材、例えばバーナーや当該バーナーを格納する燃焼器等、改質ガスに接しかつ高温の環境下で使用される部材全般において好適に用いることができる。 Therefore, it is suitable for fuel cell components such as fuel reformers and heat exchangers used when reforming hydrocarbon fuels such as city gas, methane, natural gas, propane, kerosene, and gasoline into hydrogen. In particular, it is suitable for high-temperature components of solid oxide fuel cells (SOFC) and polymer electrolyte fuel cells (PEFC), which operate at high temperatures. Further, it can be suitably used for peripheral members of the fuel cell, such as burners and combustors housing the burners, which are in contact with the reformed gas and used in high-temperature environments.

次に本発明の実施例を示すが、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、下記にて示す表中の下線は、本発明の範囲から外れているものを示す。
Next, examples of the present invention will be shown, but the conditions in the examples are examples of conditions adopted to confirm the feasibility and effect of the present invention, and the present invention was used in the following examples. It is not limited to conditions. Various conditions can be adopted in the present invention as long as the objects of the present invention are achieved without departing from the gist of the present invention.
In addition, underlines in the table shown below indicate those outside the scope of the present invention.

表1に成分を示す各種フェライト系ステンレス鋼を溶製し(鋼No.A~O)、熱間圧延によって4mm厚の熱延板とした後、熱延板焼鈍(焼鈍温度:900~1000℃)、酸洗、冷間圧延を行い板厚0.8mmの冷延鋼板を製造した。冷間圧延後、900~1000℃で仕上げ焼鈍を行い、得られた冷延鋼板に対し、表2に示す条件にて、機械研磨(♯80以下)並びに酸浸漬工程(処理(A)、処理(B))を行い仕上げ鋼板(No.1~19)とした。 Various ferritic stainless steels whose composition is shown in Table 1 (steel Nos. A to O) were melted, hot-rolled into hot-rolled sheets with a thickness of 4 mm, and then hot-rolled sheets were annealed (annealing temperature: 900 to 1000 ° C.). ), pickling, and cold rolling to produce a cold-rolled steel sheet with a thickness of 0.8 mm. After cold rolling, final annealing is performed at 900 to 1000 ° C., and the obtained cold-rolled steel sheet is mechanically polished (#80 or less) and acid immersed under the conditions shown in Table 2 (treatment (A), treatment (B)) was performed to obtain finished steel sheets (No. 1 to 19).

処理(A):10~50質量%のHSOを含む90℃以下の硫酸水溶液中への浸漬
処理(B):1質量%以上のHNO及び0.5質量%以上のHFを含む90℃以下の硝フッ酸水溶液中への浸漬
なお、表2において「〇」は各処理を実施したこと、「-」は実施しなかったことを表している。
Treatment (A): Immersion in an aqueous sulfuric acid solution containing 10-50% by mass of H 2 SO 4 at 90° C. or lower Treatment (B): Containing 1% by mass or more of HNO 3 and 0.5% by mass or more of HF Immersion in an aqueous solution of nitric acid hydrofluoric acid at 90° C. or lower In Table 2, "O" indicates that each treatment was performed, and "-" indicates that each treatment was not performed.

[鋼板表層部の組成(Cr、Al、Nb最大濃度)]
鋼板表層部(鋼板表面から深さ30nmまでの領域)におけるCr、Al、Nbの最大濃度(Crm、Alm、Nbm)は、XPSによるデプスプロファイルによって測定し、鋼板表面から深さ30nmまで、深さ方向への各元素の濃度プロファイルを測定して求めた。デプスプロファイルによって求められた各元素に関して、状態分析を実施して、酸化物として存在している元素(カチオンイオン)と金属として存在している元素(カチオンイオン)とに分離する。金属として存在しているカチオンイオンと酸化物として存在しているカチオンイオンの両方を含む全カチオンイオンの合計濃度を100%として、酸化物として存在しているCr、Al及びNbのカチオンイオン分率(at.%)を算出する。その上で、鋼板表面から30nm深さまでの領域の範囲内でCr、Al、Nb濃度が最大値を示すそれぞれの各位置の値を「Cr最大濃度(Crm)」、「Al最大濃度(Alm)」、「Nb最大濃度(Nbm)」とした。
[Composition of steel plate surface layer (Cr, Al, Nb maximum concentration)]
The maximum concentrations (Crm, Alm, Nbm) of Cr, Al, and Nb in the surface layer of the steel sheet (area from the steel sheet surface to a depth of 30 nm) were measured by a depth profile by XPS, and the depth from the steel sheet surface to a depth of 30 nm It was obtained by measuring the concentration profile of each element in the direction. For each element determined by the depth profile, a state analysis is performed to separate the element existing as an oxide (cation ion) and the element existing as a metal (cation ion). The cation ion fraction of Cr, Al and Nb present as oxides, with the total concentration of all cation ions including both cation ions present as metals and cation ions present as oxides being 100%. (at.%) is calculated. On top of that, the values at each position where the Cr, Al, and Nb concentrations show the maximum values within the range of the region from the steel plate surface to a depth of 30 nm are “Cr maximum concentration (Crm)” and “Al maximum concentration (Alm). ”, and “Nb maximum concentration (Nbm)”.

[耐酸化性]
まず冷延鋼板から幅20mm、長さ25mmの酸化試験片を切り出し酸化試験に供した。酸化試験の雰囲気は、都市ガスを燃料とした改質ガスを想定し、25体積%HO-8%体積%CO-8体積%CO-0.01%HS-bal.Hの雰囲気とした。当該雰囲気において、酸化試験片を550℃若しくは650℃に加熱し、1000時間保持した後に室温まで冷却し、酸化増量ΔW(mg/cm)を測定した。
550℃における耐酸化性、650℃における耐酸化性ともに、評価は以下の通りとした。
◎:重量増加ΔWが0.1mg/cm未満
〇:重量増加ΔWが0.1~0.3mg/cm
×:重量増加ΔWが0.3mg/cm
なお、耐酸化性は「◎」及び「〇」の場合を合格とした。
[Oxidation resistance]
First, an oxidation test piece having a width of 20 mm and a length of 25 mm was cut out from a cold-rolled steel sheet and subjected to an oxidation test. The atmosphere of the oxidation test was assumed to be a reformed gas using town gas as fuel, and was composed of 25% by volume H 2 O-8% by volume CO-8% by volume CO 2 -0.01% H 2 S-bal. The atmosphere was H2 . In this atmosphere, the oxidation test piece was heated to 550° C. or 650° C., held for 1000 hours, cooled to room temperature, and the oxidation weight gain ΔW (mg/cm 2 ) was measured.
Both oxidation resistance at 550°C and oxidation resistance at 650°C were evaluated as follows.
◎: Weight increase ΔW is less than 0.1 mg/cm 2 ○: Weight increase ΔW is 0.1 to 0.3 mg/cm 2
x: Weight increase ΔW exceeds 0.3 mg/cm 2 Oxidation resistance was judged to pass when "⊚" and "◯" were obtained.

[高温強度]
冷延鋼板から、圧延方向を長手方向とする板状の高温引張試験片(板厚:0.8mm、平行部幅:10.5mm、平行部長さ:35mm)を作製し、750℃、及び800℃それぞれにて、ひずみ速度は、0.2%耐力まで0.3%/min、以降3%/minとして高温引張試験を行い、各温度における0.2%耐力(750℃耐力、800℃耐力)を測定した(JIS G 0567に準拠)。
[High temperature strength]
A plate-shaped high-temperature tensile test piece (plate thickness: 0.8 mm, parallel part width: 10.5 mm, parallel part length: 35 mm) was prepared from the cold-rolled steel sheet with the rolling direction as the longitudinal direction. At each ° C, the strain rate is 0.3% / min up to 0.2% proof stress, and after that, a high temperature tensile test is performed at 3% / min, and 0.2% proof stress at each temperature (750 ° C proof stress, 800 ° C proof stress ) was measured (according to JIS G 0567).

高温強度の評価は、750℃耐力が120MPa超、かつ800℃耐力が40MPa超の場合を合格(「〇」)として評価し、いずか一方でも満たさない場合は不合格(「×」)として評価した。なお、750℃耐力が150MPa超、かつ800℃耐力が60MPa超の場合は高温強度が特に優れているものとして評価した(表2中で「◎」表記)。 Evaluation of high-temperature strength is evaluated as a pass ("○") when the 750 ° C proof stress is over 120 MPa and the 800 ° C proof stress is over 40 MPa, and if either one is not satisfied, it is rejected ("x"). evaluated. In addition, when the 750° C. proof stress was over 150 MPa and the 800° C. proof stress was over 60 MPa, it was evaluated as having particularly excellent high-temperature strength (indicated by “⊚” in Table 2).

[組織安定性(σ脆性/475℃脆性)]
冷延鋼板から、板面と垂直な断面上の中心(板厚中心部:t/2付近)を観察できるよう試料を2つ採取して、一方は、500℃×1000時間の熱処理(500℃熱処理)、もう一方は650℃×1000時間の熱処理(650℃熱処理)を行った。これら熱処理の雰囲気はともに大気中とした。次に、熱処理後の各試料を樹脂に埋め研磨した後、500℃熱処理後のビッカース硬さHv(500℃)、650℃熱処理後のビッカース硬さHv(650℃)のそれぞれをJIS Z 2244に準拠して荷重9.8Nで測定し、熱処理前に予め測定しておいた熱処理前ビッカース硬さからの硬さ上昇量ΔHv(500℃)、ΔHv(650℃)を算出した。
[Structural stability (σ brittleness/475°C brittleness)]
Two samples were taken from the cold-rolled steel sheet so that the center of the cross section perpendicular to the plate surface (the center of the plate thickness: near t / 2) could be observed, and one was heat treated at 500 ° C. for 1000 hours (500 ° C. heat treatment), and the other was subjected to heat treatment at 650° C.×1000 hours (heat treatment at 650° C.). The atmosphere for these heat treatments was the air. Next, after each heat-treated sample was embedded in resin and polished, the Vickers hardness Hv (500 ° C.) after heat treatment at 500 ° C. and the Vickers hardness Hv (650 ° C.) after heat treatment at 650 ° C. were measured according to JIS Z 2244. The hardness was measured under a load of 9.8 N according to the above, and the amounts of increase in hardness ΔHv (500° C.) and ΔHv (650° C.) from the pre-heat treatment Vickers hardness previously measured before the heat treatment were calculated.

組織安定性(σ脆性/475℃脆性)の評価は、ΔHv(500℃)、ΔHv(650℃)ともに20未満のものを合格(「〇」)として評価し、いずか一方でも20以上であった場合は熱処理後の硬さ上昇が大きく組織が不安定であるとして不合格(「×」)とした。 Evaluation of structural stability (σ brittleness / 475 ° C. brittleness) is evaluated as passing (“○”) for both ΔHv (500 ° C.) and ΔHv (650 ° C.) of less than 20, and 20 or more in either one. If there was, the increase in hardness after the heat treatment was large and the structure was unstable, so it was rejected (“x”).

得られた評価結果(粒界濃度の測定、各種特性)は表2の通りである。
No.1、4~13は、本発明で規定する成分及び表層部の組成を満たし、すべての特性の評価は「○」あるいは「◎」となったものである。中でも、No.5、7、9~12は、表層部の組成が本発明の好適な範囲内である場合であり、耐酸化性の向上効果を顕著に発現でき、その評価は「◎」となった。
The obtained evaluation results (measurement of grain boundary concentration, various properties) are shown in Table 2.
No. Nos. 1, 4 to 13 satisfy the composition of the components and the surface layer specified in the present invention, and the evaluation of all properties is "○" or "⊚". Among them, No. 5, 7, and 9 to 12 are cases where the composition of the surface layer portion is within the preferred range of the present invention, and the effect of improving the oxidation resistance can be remarkably exhibited, and the evaluation is "A".

一方、No.2~3は、本発明の目標とする表層部組成を満足できなかった例であり、耐酸化性の評価が「×」となった。また、鋼No.14~19は、本発明で規定する鋼成分から外れるものであり、本発明の目標とする各特性を両立することができず、いずれかの評価が「×」となった。 On the other hand, No. 2 and 3 are examples in which the target surface layer composition of the present invention could not be satisfied, and the oxidation resistance was evaluated as "x". In addition, Steel Nos. 14 to 19 deviate from the steel composition specified in the present invention, and cannot achieve both of the properties targeted by the present invention, and one of the evaluations is "x". .

Figure 0007224141000001
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Figure 0007224141000002
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本発明によれば、浸炭性/還元性/硫化性改質ガス環境下であっても、高い耐酸化性と優れた高温強度を兼備したフェライト系ステンレス鋼及びその製造方法、並びに燃料電池用部材を提供することができる。本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、都市ガス、メタン、天然ガス、プロパン、灯油、ガソリン等の炭化水素系燃料を水素に改質する際に使用される燃料改質器、熱交換器などの燃料電池部材に好適であり、特に、運転温度が高温となる固体酸化物型燃料電池(SOFC)や固体高分子型燃料電池(PEFC)の高温部材に好適である。さらに、燃料電池の周辺部材、例えばバーナーや当該バーナーを格納する燃焼器等、改質ガスに接しかつ高温の環境下で使用される部材全般において好適に用いることができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a ferritic stainless steel sheet having both high oxidation resistance and excellent high-temperature strength even in a carburizing/reducing/sulfidic reformed gas environment, a method for producing the same, and a fuel cell parts can be provided. The ferritic stainless steel sheet according to the present invention is used in fuel reformers, heat exchangers, etc. used when reforming hydrocarbon fuels such as city gas, methane, natural gas, propane, kerosene, and gasoline into hydrogen. It is particularly suitable for high-temperature members of solid oxide fuel cells (SOFC) and polymer electrolyte fuel cells (PEFC), which operate at high temperatures. Further, it can be suitably used for peripheral members of the fuel cell, such as burners and combustors housing the burners, which are in contact with the reformed gas and used in high-temperature environments.

Claims (6)

質量%にて、
Cr:12.0~16.0%、
C:0.020%以下、
Si:0.50~2.50%、
Mn:1.00%以下、
P:0.050%以下、
S:0.0030%以下、
Al:1.00~3.00%
N:0.030%以下、
Nb:0.05~1.00%、
Ni:0.05~1.00%、
Mo:0.05~1.00%、
Sn:0.005~0.200%
B:0.0005~0.0100%、
Cu:0~1.00%、
Sb:0~0.50%、
W:0~1.00%、
Co:0~0.50%、
V:0~0.50%、
Ti:0~0.50%、
Zr:0~0.50%、
La:0~0.100%、
Y:0~0.100%、
Hf:0~0.100%、
REM:0~0.100%
Ga:0~0.0200%以下、
Mg:0~0.0200%以下、
Ca:0~0.0100%以下
かつ下記式(1)を満たし、残部がFe及び不純物からなり、
鋼板表面から深さ30nmまでの領域であって不働態皮膜を含む表層部において、Cr、Al及びSiの各最大濃度Crm、Alm、Nbm(at%)が、下記式(2)及び下記式(3)を満たすことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼板。
0.7Nb+Ni+Mo+0.4Ti+0.4Cu+200B≧0.30 ・・・(1)
15.0<Crm(at%)<50.5 ・・・(2)
2.7<Alm+Nbm(at%)<10.0 ・・・(3)
なお、上記式(1)中の各元素記号は、鋼中の当該元素の含有量(質量%)を示し、元素が含まれないときは0を代入する。
In % by mass,
Cr: 12.0 to 16.0%,
C: 0.020% or less,
Si: 0.50 to 2.50%,
Mn: 1.00% or less,
P: 0.050% or less,
S: 0.0030% or less,
Al: 1.00-3.00%
N: 0.030% or less,
Nb: 0.05 to 1.00%,
Ni: 0.05 to 1.00%,
Mo: 0.05-1.00%,
Sn: 0.005-0.200%
B: 0.0005 to 0.0100%,
Cu: 0 to 1.00%,
Sb: 0 to 0.50%,
W: 0 to 1.00%,
Co: 0-0.50%,
V: 0 to 0.50%,
Ti: 0 to 0.50%,
Zr: 0 to 0.50%,
La: 0 to 0.100%,
Y: 0 to 0.100%,
Hf: 0 to 0.100%,
REM: 0-0.100%
Ga: 0 to 0.0200% or less,
Mg: 0 to 0.0200% or less,
Ca: 0 to 0.0100% or less and satisfying the following formula (1), the balance being Fe and impurities,
In the surface layer portion including the passive film, which is a region from the steel plate surface to a depth of 30 nm, the maximum concentrations Crm, Alm, and Nbm (at%) of Cr, Al, and Si are obtained by the following formula (2) and the following formula ( 3) A ferritic stainless steel sheet characterized by satisfying 3).
0.7Nb+Ni+Mo+0.4Ti+0.4Cu+200B≧0.30 (1)
15.0<Crm(at%)<50.5 (2)
2.7<Alm+Nbm(at%)<10.0 (3)
Each element symbol in the above formula (1) indicates the content (% by mass) of the element in the steel, and 0 is substituted when the element is not contained.
質量%にて、前記B:0.0010%以上であることを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼板。 2. The ferritic stainless steel sheet according to claim 1, wherein said B is 0.0010% or more in mass %. 質量%にて、更に、Cu:0.10~1.00%、Sb:0.01~0.50%、W:0.10~1.00%、Co:0.10~0.50%、V:0.10~0.50%、Ti:0.01~0.50%、Zr:0.01~0.50%、La:0.001~0.100%、Y:0.001~0.100%、Hf:0.001~0.100%、REM:0.001~0.100%、Ga:0.0002~0.0200%、Mg:0.0002~0.0200%、Ca:0.0002~0.0100%のうち1種又は2種以上を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のフェライト系ステンレス鋼板。 In mass%, Cu: 0.10 to 1.00%, Sb: 0.01 to 0.50%, W: 0.10 to 1.00%, Co: 0.10 to 0.50% , V: 0.10 to 0.50%, Ti: 0.01 to 0.50%, Zr: 0.01 to 0.50%, La: 0.001 to 0.100%, Y: 0.001 ~0.100%, Hf: 0.001-0.100%, REM: 0.001-0.100%, Ga: 0.0002-0.0200%, Mg: 0.0002-0.0200%, The ferritic stainless steel sheet according to claim 1 or 2, characterized by containing one or more of Ca: 0.0002 to 0.0100%. 請求項1~3のうちいずれか1項に記載する組成を有するステンレス鋼材を冷間圧延し、仕上げ焼鈍した後、♯100以下の研磨材で研磨を施し、次いで、下記の処理(A)又は処理(B)の少なくとも一方を実施することを特徴とする請求項1~のうちいずれか1項に記載のフェライト系ステンレス鋼板の製造方法。
処理(A):10~50質量%のH2SO4を含む90℃以下の硫酸水溶液中への浸漬
処理(B):1質量%以上のHNO3及び0.5質量%以上のHFを含む90℃以下の硝フッ酸水溶液中への浸漬
A stainless steel material having a composition according to any one of claims 1 to 3 is cold-rolled, finish-annealed, polished with an abrasive of #100 or less, and then subjected to the following treatment (A) or 4. The method for producing a ferritic stainless steel sheet according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one of the treatments (B) is performed.
Treatment (A): Immersion in an aqueous sulfuric acid solution containing 10 to 50% by mass of H 2 SO 4 at 90° C. or less Treatment (B): Containing 1% by mass or more of HNO 3 and 0.5% by mass or more of HF Immersion in nitric hydrofluoric acid aqueous solution at 90°C or less
前記仕上げ焼鈍を800~1150℃で行うことを特徴とする請求項に記載のフェライト系ステンレス鋼板の製造方法。 The method for producing a ferritic stainless steel sheet according to claim 4 , wherein the finish annealing is performed at 800 to 1150°C. 請求項1~のうちいずれか1項に記載のフェライト系ステンレス鋼板を用いた燃料電池用部材。 A fuel cell member using the ferritic stainless steel sheet according to any one of claims 1 to 3 .
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