JPH01287253A - 耐酸化性および製造性に優れたａ１含有フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は自動車排ガス装置、暖房機部品、その他耐熱用
途に使用されるＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼に関
する。

〔従来の技術とその問題点〕

Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼は優れた耐高温酸化
性があり、スト−ブのチムニ−材などの暖房機部品、電
熱線など各種耐熱用途に巾広く使用されている。ストー
ブのチムニ−では燃焼効率の向上の結果、使用温度が上
昇する傾向にある。

また、最近ではこの材料を自動車排ガス浄化装置の触媒
コンバーター用基材に使用する動きがある。従来、触媒
コンバーターではセラミック担持体であったが、これを
金属担持体にかえる動きがあり、耐高温酸化性の観点か
らＡ１含有フェライト系ステンレス鋼が望ましいと考え
られている。この用途では局部的に著しい温度上昇があ
り、金属担持体は厳しい酸化条件下におかれる。また、
金属担持体は板厚数十μＩ１１のものが用いられるため
さらに酸化条件が厳しくなる。本系鋼の耐高ｌＩｌ！酸
化性は基本的には表面に形成されるＡｌ、ＯＪ皮膜によ
ってもたらされるものであるが、−ヒ述のように厳しい
酸化条件下ではＡ１含有量が低いと知時間で異常酸化を
起こすためＡｌ含有量を高くする必要が生した。

しかし、Ｆｅ−Ｃｒ−ＡＬＩＩＩは従来より、４７５℃
脆性が生じやすく、スラブの割れ、あるいは熱延板の靭
性が劣るなど製造上の問題を抱えており、Ａ［を増量す
ることでさらに問題が大きくなってきた。

本発明は以上の実情を鑑み、極薄材料でも十分な耐酸化
性を有し、異常酸化を発生せず、かつ製造性に優れたフ
ェライｉ〜系ステンレス鋼を提供することを目的とする
。

〔問題解決に関する知見〕

本発明は、自動車排ガス装置、暖房機部品、その他耐熱
用途に使用されるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステン
レス鋼において、５％程度のＡ１含有量で。

○およびＳを極低にし、微量のＲＥＭを添加し、とくに
、ＣおよびＮをそれぞれ０．０１％以下かつＣ＋Ｎが０
．０１５％以下、Ｓｉを０．３％以下にすること、およ
び／またはさらにＮｂまたはＶのうち１種または２種を
０．０５％以下添加することにより、優れた耐酸化性を
有し、異常酸化を発生せず、靭性改善が可能で、製造性
に優れたフェライ１−系ステンレス鋼を提供できること
を知見した。

〔発明の構成〕

上記目的は、 ＣおよびＮ：それぞれ０．０１％以下かつＣ＋Ｎが０．
０１５％以下、 Ｓｉ　：　０．５％以下、 Ｍｎ　：　０．５％以下、 Ｃｒ：１５〜２６％、 Ｓ　：　０．００２０％以下、 Ａ１：４〜６％、 ０　：　０．００３０％以下、 Ｐ　：　０．０３％以下、 ＲＥＭ　：　０．０１％以」１０．１％以下、残部はＦ
ｅと不可避的不純物からなるフェライ１〜系ステンレス
鋼、 または上記成分組成に、さらにＮｂまたはＶのうち１種
または２種を０．０５％以下を含有するフェライ１〜系
ステンレス鋼によって達成される。

次に本発明鋼において鋼組成の限定理由を以下に説明す
る。

ＣおよびＮ：耐酸化性に対する影響としてＣまたはＮ量
が増すと異常酸化が発生しやすくなる。

また、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金においてＣ十Ｎ九が多くな
ると熱延板の靭性が劣化し、製造性に悪影響を及ぼすの
でそれぞれ０．０１％以下かつＣ＋　Ｎを０．０１５％
以下とする。

Ｓｉ：耐高温酸化性を改善するためには有効な元素であ
るが、Ｓｉは本系鋼を著しく硬質にし、靭性を劣化させ
るので、少ない方が望ましく、したがって０．５％以下
とする。

Ｍｎ　：　Ｍｎは熱間加工性を改善する効果があるが、
ＭｎＳを形成し異常酸化の起点となるので低い方が望ま
しく、０．５％以下とする。

Ｃｒ：耐酸化性を維持するために必要な基本元素である
が、１５％未満ではその特性が得られず、また、２６％
を超えて添加すると靭性を劣化させるので、」二限を２
６％とする。

Ｓ：Ｓは一般的にＭｎＳを形成し異常酸化の起点になる
など耐酸化性に悪影響を及ぼす。また、本系鋼の場合、
１（口と結合し、介在物となってヘゲの原因となる。ま
た、耐酸化性に寄与する有効ＲＥＭ量を減少させてしま
う。したがってＳを低減させることにより、有効ＲＥＭ
量が増加するため、高価なＲＥＭの添加量を減らすこと
ができる。よって低い方が望ましく　０．００２０％以
下とする。

Ｏ：○もＳと同様ＲＥＭと結合し介在物となってヘゲの
原因になる。また、耐酸化性に寄与する有効ＲＥＭ量を
減少させてしまう。よってＯを低減することにより有効
ＲＥ　Ｍ　ｌが増加するため、添加するＲＥＭ量を低減
させることかてぎる。よって最高０．００３０％までと
する。

Ａｌ　：　Ｃｒ・とならび本発明鋼の耐高温酸化性を維
持するためには不可欠な元素である。本発明の用途に対
して極薄材料では最近４％のＡ１を含有する必要がある
。一方６％を超えると通常の製造工程ではＲ１造が困廻
であるため最高６％までどする６ＲＥＭ　：　Ｆｅ−Ｃ
ｒ−Ａ１合金の耐酸化性を向」ニさせるために重要な元
素である。本系鋼で形成されろ酸化皮膜の保護性を名”
しく改善し、４１１す４Ａ料に発イトしやすい異常酸化
を抑制し、また、酸化皮膜とマｉ・リックスの密着性を
良好にする。０．０１％未満ではその効果が不十分てあ
り、逆に０．１％　を超えると、熱間加工性、熱延板の
靭性を劣化させるとともにヘゲの原因となり、製品の欠
陥発生を多くする。また高価なため多量に添加すること
は経済的に問題である。よって最高０．１％とする。

Ｐ：耐酸化性に悪影響を及ぼすため低い力か望ましく、
また、熱延板の靭性に悪影響を及ぼすため０．０３％以
下とする。

Ｎｂまたは■：木系鋼においてＮｂまたはＶを適量添加
すると鋼中のＣ，Ｎと結合して熱延板の靭性を著しく改
善する効果がある。また、本系鋼は厳しい高温条件下で
用いられるため、高温強度に優れていることが必要であ
り、Ｎｂ、またはＶを添加することは非常に有効である
。０．０５％未満では以上のような効果はなく、また、
逆に０．５％　を超えると鋼を硬質にするので範囲を０
．０５％以」１０．５％以下とする。

〔発明の具体的開示〕

以下に本発明を具体的に説明する。

Ｆｅ−Ｃｒ−Ａ１合金の耐酸化性は主に表面に形成され
るＡ１□０３皮膜によって保持されるため、本合金の耐
酸化性はＡ１含有量に大きく依存している。通常２ｍｍ
厚程度の板厚の場合、例えばＦｅ−１８ｃｒ−３Ａｌ合
金は１２００℃まで十分な耐酸化性を有するが、板厚が
減少するとともに急激に耐高温酸化性が劣化し、例えば
５０μｍ厚では１０５０°Ｃで連続１００時間で異常酸
化を生しる。第１図はＣ５０、０１，５％、Ｓｉユ０．
４％、Ｍｎ上０．４％、Ｐ　：０．０２％、Ｓ≦０．０
０２％、Ｎ≦０．０１５％、Ｃｒ　：　１３−２３％、
Ａｌ：２−６％　を含有するＦｅ−Ｃｒ−Ａ１合金の５
０μｍ厚材の１１５０°Ｃでの酸化試験結果をＣｒ量と
Ａｌ量で整理したものである。図中の黒丸は異常酸化を
発生したことを示し、白丸は健全であることを示してい
る。異常酸化を起こす境界は主にＡ１量、ついでＣｒ量
に依存していることがわかる。この知見にもとづき４．
５％以」−〜Ｃ；％以下のＡｌを含有するフエライ１〜
系ステンレス鋼について１１５０°Ｃてさらに長時間の
大気酸化試験を５０μｍｎ厚材で行った結果を第２図に
示す。この図に示されるようにいずれの鋼種も　およそ
２００時間で異常酸化を発生しておりＡＩ含有量を多く
しても異常酸化を発生する時期を遅くするだけて完全に
異常酸化を抑制するには至らなかった。これらの鋼につ
いて断面組織を観察すると、通常Ｆｅ−Ｃｒ−Ａ１合金
に形成される健全な酸化皮膜が維持されず板厚方向に著
しく酸化が進行していた。

以上のように極薄材料では酸化条件が厳しくなり、異常
酸化を起こしやすくなるため、ＣｒおよびＡｌ添加量を
増加させる必要がある。しかし、Ｆ（４−Ｃｒ−Ａ１合
金は従来より４７５℃脆性が生じやすく、スラブの割れ
あるいは熱延板の靭性が劣るなど製造上の問題を抱えて
おり、ＣｒおよびＡｌを増量することはさらにその問題
を大きくすることになり、耐酸化性を向上させるために
Ａｌを増量すると通１１！′の製造工程では製造不可能
となる。実験室的にＦｅ−Ｃｒ−Ａ１合金を３０ｋｇ真
空溶解し、１２００℃で２時間加熱後鍛造した結果、１
８〜２０％ＣｒをベースとするとＡ１添加量は６％が限
界であり、それ以上添加すると鍛造により割れが発生し
、以後の工程を進めることは不可能であった。このよう
にＦｅ−Ｃｒ−Ａ１合金はＡＩ添加量が多くなると製造
が困難であり、耐酸化性向上を目的として添加量をむや
みに多くすることはできない。よってＡ１含有量が４〜
６％の範囲内で厳しい酸化条件に耐えられる鋼を開発す
る必要があった。

従来、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系のステンレス鋼に酸化特性を
向」ニさせるためにＹ、Ｌａ、ＣｅなどのＲＥＭ　を添
加した材料が知ら゛れでいる。特公昭３８−１４３１号
にはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ　（Ｙ　：　０．１〜３％）
系合金が示されており、また、触媒コンバーター用基材
として特開昭５６−９６７２６号にＦｅ−Ｃｒ−＾１−
Ｙ、（Ｙ　：　０．１−１．０％）合金が示されている
。しかし、ＹなとのＲＥＭは希少金属であり、非常に高
価であるため、本発明鋼のような汎用性の高いものに多
量に添加することは経済的に問題である。一方、添加量
を少なくすると、その効果がなくなり、異１ｆｒ酸化を
発生したり、異常酸化を発生する前の段階で試験片を冷
却中に酸化スケールが表面からはく離する現象が起きた
。

また、ＲＥＭを多量に添加した材料では熱間加工性が悪
く、熱延板に耳切れが発生した。さらＬこ熱延板には多
量のヘゲおよび介在物が発生し後工程の冷間圧延中に破
断したり、板に穴があくなどの弊害の原因になり製品化
が難しく　５０μｍ　Ｊゾに圧延できたとしても欠陥の
多い製品となってしまうことがわかった。

以上の理由で経済的な面からも製造性の面からもＲＥＭ
を多量に添加することはむずかしく、できるだけＲＥＭ
添加量を低減し、なおかつ耐酸化性を付与できるように
種々の検討を行った。その結果鋼中に含まれるＳを０．
００２０％以下かつ○を０．００３０％以下にし、ＲＥ
Ｍを０．０１％以上、０．１％以下添加すればヘゲおよ
び介在物が極微になり、また、十分な耐酸化性が付与さ
れることがわかった。

第１表に示す供試イ１を３０に、真空溶解し、ツ；（′
θ電により鍛造、切削、熱延を行ったあと、焼鈍および
冷間圧延を繰り返して５０μｍ厚の板材を製造した。

供試材１〜３および７は耳切れ、ヘゲ、および介在物も
ほとんどなく良好な５０μ＋ｎ厚材を得られた。

供試材４．６および８は熱延板に耳切れはほとんどなか
ったものの、ヘゲおよび介在物が多数観察された。冷間
圧延を行うとこれらが原因となって欠陥が多数発生した
ものの一応５０μｍ厚に圧延することができた。供試材
５は鍛造および熱間圧延はできたものの熱延板には耳切
れが多数発生した。したがって、両耳をスリン１〜して
から後工程を推進した。しかし、ヘゲおよび介在物が多
いため冷間圧延中に破断および穴が多数発生し５０μＩ
ｌｌ厚まで圧延することができなかった。５０μｍ厚材
まで製造することができた供試材１〜４および６〜８に
ついて大気中１１５０℃で連続２００時間の酸化試験を
行った。その結果を第１表にあわせて記す。供試材１〜
４．６．８は異常酸化を発生しておらず、うすい灰色の
健全な酸化皮膜が形成されていた。これに対して供試材
７は局部的に異常酸化が発生しており、また冷却過程で
スケールのはく離が起きた。

以−にの述べたように、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａ　Ｉ系合金につ
いて極薄材料の耐酸化性を向上させるために、Ａ１およ
びＲＦミ阿を必要以上に多量に添加しなくとも５％イ・
７゜度のＡＩ五でＳを０．００２０％以下かつＯを０．
００３０％以下にし、さらに微量のＲＥＭ　を添加すれ
ば十分な耐酸化性を付与でき、なおかつＲＨＭ添加によ
る耳切れ、ヘゲ、および介在物の発生も非常に少なくす
ることができることがわかった。なお、Ｓを低減させる
ためにはＣａを添加すること、また、脱硫フラックスを
用いることなどが有効である。

以−にの耐酸化性、およびヘゲなとの欠陥に関する知見
にもとづき、高Ｃｒ−高Ａ１鋼の製造性を検討した。第
３図は２０Ｃｒ−５ＡＩをヘースとして計測を０．０７
％添加したものおよび添加していないものについてシャ
ルピー衝撃試験を行った結果である。

試験は２．９ｍｍ厚の熱延ままの材料を用い、２０℃、
５０″Ｃ１７５°Ｃ１１００°（：で行った。ＯＥＭ添
加材けすへての温度において無添加材よりも衝撃値か低
く、無添加材が５０°Ｃ以１−になると著しく衝撃値が
改沖されるのに対して添加材は温度が高くな１）でも無
毛加利と比較して衝撃値はかなり低い。従来より、Ｆ６
−　Ｃｒ　−Ａ　］系合金は熱延板の靭性か悪く脆い材
料であるが、ＲＥＭを添加することによってさらに靭性
が低下するものと考えられる。

第２表に示す鋼を２００　ｋＦ、真空溶解した後、鍛造
により５０　ｍ　ｍ厚Ｘ　２００ｍｍ　Ｉｌｌ　Ｘ　ｌ
−、に仕上げ、温間切削を行った。熱間圧延は１２００
°Ｃ抽出て行い仕」二板厚は２．９ｕｕｎ厚とし、熱間
圧延終了後は４７５°Ｃ脆性を防止するため急水冷を行
った。熱間圧延鋼帯の巻き替え作業をコイルヒルトアン
プラインで実施したが、供試料２〜供試材５は順調に行
程を進めることができたものの、供試材１はレベラーロ
ーラー中で脆性的に破断した。熱延板の靭性を調へるた
めに熱延ままの材料を用いて２０°Ｃてシャルピー衝撃
試験を行った結果をあわせて第２表に示す。供試材１は
靭性が非常に悪く、ＣおよびＮを低減した供試材２はわ
ずかに靭性か良くなっているものの、また十分とはいえ
ない。しかし、ＣおよびＮをそれぞれ０．０１％以下か
つＣ＋Ｎを０．０１５％以下にし、さらにＳｉを０．５
％以下にした供試材３は著しく靭性が改善される。これ
に加えて、ＮｂまたはＶを添加した供試材４および５は
さらに靭性が良くなっている。また、本系鋼は触媒コン
バーター基材などのように厳しい高温条件下で用いられ
るため高温強度が重要となり、これに対してもＮｂまた
は■の添加は有効である。

以下、述べたようにＦｅ−Ｃｒ−Ａ１合金について種々
の検討を行った結果５％程度のＡ］含有量で０およびＳ
を極低にし、微量のｌｔＥＭを添加すれば、ヘゲおよび
介在物のない良好な極薄材が得られ、なおかつ十分な耐
酸化性が得られる。また、ＣおよびＮをそれぞれ０．０
１％以下かっＣ＋Ｎを０．０１５％以下、また、Ｓｉを
０．５％以下、さらにはＮｂまたはＶを添加することに
よって靭性に優れた熱延板が得られ破断することなく製
造できることが判明した。

〔実施例〕

第３表に本発明の実施例の合金の化学組成を示す。それ
ぞれ電気炉で１トン７８製造塊し、分塊圧延にて３０ｍ
ｍ厚のスラブにした。この段階で比較鋼Ｎｏ、　９およ
びＮｏ、１５は割れたため以後の工程は不可となった。

他の鋼はその後１２００℃抽出て３ｍｍ厚まで熱間圧延
を行い、水冷した。その後焼鈍、脱スケールおよび冷間
圧延を繰り返し、板厚５０μＩｌ＋厚幅２００ｍｍのコ
イルを作製した。このコイルより試験片を作製し、１１
５０℃で連続酸化試験および大気中１１５０℃×３０分
加熱−１０分空冷の繰り返し加熱試験を１００サイクル
実施した。また、熱延ままの月料にてシャルピーｍ撃試
験を２０°Ｃで行った。第４図に連続酸化試験の一例を
示す。比較鋼のＮｏ、　］　２およびＮα１３は試験開
始後２００時間以内に異常酸化を発生し、最終的には試
験片全面が完全に酸化されてしまい全く原形がなくなっ
てしまった。しかし、本発明鋼のＮα２はＹを０．１６
添加し、非常に高価である比較鋼Ｎｏ、１４に劣らない
耐酸化性を示し、連続４００時間以上加熱しても異常酸
化を発生しなかった。また、本発明鋼Ｎａ　７と、比較
鋼Ｎｏ、Ｉ３の１１５０℃Ｘ　１００ｔ＋の時点でのス
ケール断面組織を観察した。

そのＩｌ察結果を第５図および第６図に示す。比較ｆｓ
Ｎｏ、　１３では局部的に母材部に酸化が著しく進行し
ているが１本発明１１　Ｎｏ、　７は薄い均一な厚みの
酸化皮膜か形成されており、局部的な異マ；（は観βさ
れなかった。比較鋼Ｎｏ、　１３はこの後２００時間ま
でに試験片全体が原形がなくなるほど完全に酸化してし
まったが、本発明ＳＲＮｏ、　７は２００時間まででは
異１：を酸化を発生しなかった。

以上、製造および酸化試験の結果を第４表にまとめて示
す。この表に示されたように○およびＳを極低にし、微
量のＲＥＭを添加すれば、ヘゲ、介在物のない良好な極
薄材が得られ、なおかつ十分な耐酸化性が得られる。ま
た、ＣおよびＮをそれぞれ０．０１％以下でかつＣ＋Ｎ
を０．’ＯＩ５％以下、Ｓｉを０．５％以下、さらには
ＮｂまたはＶを添加することによって靭性に優れた熱延
板が得られ容易に製造することができる。

なお第４表の評価記号は以下に示す内容を表わしている
。

第４表 ＝２３− 鍛　造　性　０：鍛造可であったもの ×；鍛造不可であったもの 熱間圧延　Ｏ：耳われ、およびヘゲのない熱延板ができ
たもの ×：耳ねれ、またはヘゲの発生が多 かったもの 冷間圧延　０：冷延時に破断および穴などの欠陥が発生
せず良好な極薄材がで きたもの ・　　Ｘ：冷延時に破断および穴などの欠陥が発生した
もの 耐酸化性　Ｏ：５０μｍ厚の薄板で１１５０℃×２００
時間の大気中連続酸化試験後異常 酸化が全く発生しなかったちの ×：５０μｍ厚の薄板で１１５０℃×２００時間の大気
中連続酸化試験で少な くとも局部的異常酸化が発生し たもの 耐はく離性　Ｏ：５０μＩｌｌ厚の薄板で大気中］　１
５０　”ＣＸ３０分加熱−１Ｏ分空冷の断続加 熱試験を１００サイクル行った後、 酸化スケールのはく離がないも の ｘ：５０μｍ厚の薄板で大気中１１５０℃×３０分加熱
−ＩＯ分空冷の断続加 熱試験を１００サイクル行った後、 酸化スケールのはく離があった もの 〔発明の効果〕 本発明鋼は鍛造性が良く、熱間圧延における耳ねれ、お
よびヘゲの発生がなく、また、耐酸化性、酸化スケール
の耐はく離性に優れており、なおかつ靭性が十分に付与
され、容易に製造することができ、自動車排ガス装置、
暖房機部品、その他耐熱用途に広く使用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼と同系の鋼の５０μｍ厚材を大気中１
１５０℃Ｘ　１００時間の連続酸化試験した場合の異常
酸化の発生の有無をＣｒおよびＡｌ量で整理した図、 第２図は前記鋼材であって六１を４．５〜６％含有する
ものを大気「１月１５０°Ｃて連続酸化試験を行った場
合の酸化増量の経時変化を示した図、第３図は２０Ｃｒ
−５，ＯＡ］鋼にＲＥ　、１１を０．０７％１．６加し
たものおよび添加していないものについて２　、　！］
　ｍ　＋厚の熱延のままの材料を用いたシャルピー衝撃
値と試験温度との関係を示す図、 第４図は本発明鋼と比較鋼の５０μ、、、／Ｔｅｌ：材
を、大気中１１５０℃で連続酸化試験を行った場合の酸
化増量の経時変化を示した図、 第５図および第６図はそれぞれ本発明鋼と比較鋼を大気
中１１５０℃×１００時間連続酸化試、＠を行った場合
の試験片の断面組織の写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＣおよびＮ：それぞれ０．０１％以下かつＣ＋Ｎが
   ０．０１５％以下、 Ｓｉ：０．５％以下、 Ｍｎ：０．５％以下、 Ｃｒ：１５〜２６％、 Ｓ：０．００２０％以下、 Ａｌ：４〜６％、 Ｏ：０．００３０％以下、 Ｐ：０．０３％以下、 ＲＥＭ：０．０１％以上０．１％以下、 残部はＦｅと不可避的不純物からなるフェライト系ステ
   ンレス鋼。 ２、ＣおよびＮ：それぞれ０．０１％以下かつＣ＋Ｎが
   ０．０１５％以下、 Ｓｉ：０．５％以下、 Ｍｎ：０．５％以下、 Ｃｒ：１５〜２６％、 Ｓ：０．００２０％以下、 Ａｌ：４〜６％、 Ｏ：０．００３０％以下、 Ｐ：０．０３０％以下、 ＲＥＭ：０．０１％以上０．１％以下、 さらにＮｂまたはＶのうち１種または２種を０．０５％
   以下、 残部はＦｅと不可避的不純物からなるフェライト系ステ
   ンレス鋼。