JPH04354850A - 耐高温酸化性に優れた高Ａｌ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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車排ガス浄化装置
，暖房機器等の耐熱用途に使用される高Ａｌ含有フェラ
イト系ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】高Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼は
、その優れた耐高温酸化特性を活用し、ストーブのチム
ニー材等の暖房器具や電熱材料として広く使用されてい
る。

【０００３】また、最近では、自動車の排ガス浄化装置
における触媒コンバータの基材として、従来から使用さ
れてきたセラミックスに代えて高Ａｌ含有フェライト系
ステンレス鋼が使用されるようになってきている。従来
の触媒コンバータ用基材としてのセラミックスは、熱衝
撃に弱く、また熱容量が大きいために触媒反応温度まで
昇温するのに時間がかかる等の欠陥がある。高Ａｌ含有
フェライト系ステンレス鋼等の金属を基材とするメタリ
ックコンバータでは、これらセラミックスに起因する欠
陥を改善することができる。

【０００４】メタリックコンバータの基材には、板厚５
０μｍ程度の箔材料が使用される。しかし、箔材料では
異常酸化が発生し易い。また、過酷な酸化条件である排
ガス雰囲気中で使用されるため、非常に優れた耐高温酸
化特性が基材に要求される。この点で、高Ａｌ含有フェ
ライト系ステンレス鋼が注目されており、たとえば２０
Ｃｒ−５Ａｌをベースとして希土類元素やＹ等を添加し
たフェライト系ステンレス鋼が使用されている。しかし
、これらの鋼でも十分な耐高温酸化特性が得られている
とはいえず、長時間の使用によって異常酸化が発生する
ことが避けられない。

【０００５】他方、地球温暖化防止や公害防止等の面か
ら、自動車に対する排ガス規制が厳しくなっている。そ
こで、エンジン始動後に触媒コンバータを触媒作用温度
に迅速に到達させるため、排ガス温度を高くしたり、コ
ンバータをマニホールド直下に装着する等の対策が取ら
れている。しかも、排ガス温度は、エンジンの高出力化
等に応じてますます高くなる傾向にある。このような排
ガス規制や高出力化に伴って、触媒コンバータ基材が晒
される雰囲気が一層過酷な酸化・腐食条件となっている
。したがって、従来のメタリックコンバータ用鋼の耐高
温酸化特性では不十分であり、従来よりも更に耐高温酸
化特性に優れた高Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼が
必要とされる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】高Ａｌ含有フェライト
系ステンレス鋼の耐高温酸化特性を改善するためには、
Ｃｒ，Ａｌ，希土類元素，Ｙ等の添加量増量が有効であ
ることが知られている（特開昭６３−４５３５１号公報
等参照）。しかし、高Ａｌ含有フェライト系ステンレス
鋼は、スラブ及び熱延板の靭性が低く、製造性に劣る欠
点がある。すなわち、耐高温酸化特性を向上させるため
に、Ｃｒ及びＡｌ含有量を多くすると、原料コストの上
昇は勿論のこと、靭性劣化によって製造性を悪くし、製
造不可能或いは歩留りの低下による著しいコスト上昇を
招く。また、希土類元素，Ｙ等の添加によって耐高温酸
化特性を改善することができるが、多量の添加は、却っ
て耐高温酸化特性に弊害を生じ、しかも靭性劣化の原因
となる。

【０００７】フェライト系ステンレス鋼をメタリックコ
ンバータ用基材として使用するとき、板厚５０μｍ程度
の箔に加工される。この箔が高温排ガスによる繰返し加
熱及び冷却のヒートサイクルに晒されるため、加熱・冷
却に繰返しに起因した変形が問題となる。この点で、メ
タリックコンバータ用基材としての材料には、高温強度
も優れていることが要求される。

【０００８】本発明は、このような要求に応えるべく案
出されたものであり、従来のメタリックコンバータ用ス
テンレス鋼の成分に比較して製造性に弊害を与えるＡｌ
，希土類元素等の添加量を増やすことなく、しかも従来
のメタリックコンバータ用ステンレス鋼よりも優れた耐
高温酸化特性及び耐高温強度を備えたフェライト系ステ
ンレス鋼を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の高Ａｌ含有フェ
ライト系ステンレス鋼は、その目的を達成するため、Ｃ
：０．０３重量％以下、Ｓｉ：１重量％以下、Ｍｎ：１
重量％以下、Ｐ：０．０４重量％以下、Ｓ：０．００３
重量％以下、Ｃｒ：１５〜２５重量％、Ｎ：０．０３重
量％以下、Ａｌ：３〜６重量％、Ｍｏ：０．１〜４重量
％及び希土類元素又はＹを１種又は２種以上合計で０．
０１〜０．１５重量％を含有する。また、任意成分とし
て、Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉの１種又は２種以上合計で０．０５
〜１重量％を含有させても良い。

【００１０】

【作　　用】自動車排ガス浄化装置，暖房器具，電熱材
料等の耐熱用途に使用される高Ａｌ含有フェライト系ス
テンレス鋼において、Ｍｏを添加し、更に微量の希土類
元素やＹを添加するとき、非常に優れた耐高温酸化特性
を付与することができる。また、高温強度の改善も図ら
れる。

【００１１】以下、本発明の高Ａｌ含有フェライト系ス
テンレス鋼における成分及びその含有量について説明す
る。

【００１２】Ｃ：　　耐高温酸化特性に対する影響とし
て、Ｃ含有量が高くなると異常酸化が発生し易くなる。 また、高Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼において、
Ｃ含有量が高くなると、スラブやホットコイルの靭性が
劣化し、製造性が低下する。そこで、本発明においては
、Ｃ含有量の上限を０．０３重量％に設定した。

【００１３】Ｓｉ：　　Ｓｉはフェライト系ステンレス
鋼を著しく硬質なものにし、靭性を劣化させる。この点
から、Ｓｉ含有量を１重量％以下に規定した。

【００１４】Ｍｎ：　　熱間加工性を改善する上で、Ｍ
ｎは有効な元素である。しかし、Ｍｎの添加は、耐高温
酸化特性に悪影響を及ぼす。そこで、Ｍｎ含有量を１重
量％以下とした。

【００１５】Ｐ：　　耐高温酸化特性に悪影響を及ぼす
ので、Ｐ含有量は低いほど好ましい。また、Ｐは、熱延
板の靭性にも悪影響を与える。そのため、Ｐ含有量は、
０．０４重量％以下に規制した。

【００１６】Ｓ：　　Ｓは、希土類元素，Ｙ等の結合し
て非金属介在物となり、鋼の表面性状を悪化させる。ま
た、耐高温酸化特性に有効な希土類元素やＹ等の有効量
を低減させる。これらの弊害は、Ｓ含有量が０．００３
重量％を超えると顕著に現れる。したがって、Ｓ含有量
を０．００３重量％、好ましくは０．００２重量％以下
に規制する。

【００１７】Ｃｒ：　　耐高温酸化特性を改善する上で
、必要な基本元素である。改善効果を発揮させるために
は、１５重量％以上のＣｒ添加が必要である。しかし、
２５重量％を超えてＣｒを含有させると、スラブやホッ
トコイルの靭性が劣化し、製造性が悪化する。そこで、
Ｃｒ含有量は、１５〜２５重量％の範囲とした。

【００１８】Ｎ：　　Ｎは、Ａｌと反応して異常酸化の
起点になるＡｌＮを形成する。また、Ｎ含有量の増加に
従って、鋼の靭性が劣化する。そのため、Ｎ含有量の上
限を０．０３重量％に規定した。

【００１９】Ａｌ：　　Ｃｒと同様に耐高温酸化特性を
維持する上で、重要な元素である。Ａｌ添加により鋼表
面にＡｌ２　Ｏ３　が形成され、優れた耐高温酸化特性
が得られる。特に、板厚が１００μｍ以下のような箔材
料に発生し易い異常酸化を抑制するためには、Ａｌ含有
量を３重量％以上とし、鋼表面に十分なＡｌ２　Ｏ３　
層を形成させる。しかし、Ａｌ含有量が６重量％を超え
ると、スラブやホットコイルの靭性が劣化するので好ま
しくない。 そこで、本発明においては、Ａｌ含有量を３〜６重量％
に規定した。

【００２０】Ｍｏ：　　Ｍｏは揮発性の高い酸化物を形
成し易いため、鋼の耐高温酸化特性を劣化する元素であ
ると従来から考えられていた。しかし、本発明者等の研
究によるとき、Ｍｏ添加によって耐高温酸化特性が著し
く改善されると共に、高温強度も向上することが判明し
た。このＭｏの効果は、０．１重量％以上の添加量を必
要とする。しかし、４重量％を超える多量のＭｏを含有
させると、鋼の靭性が劣化し、製造性に悪影響を及ぼす
。そのため、Ｍｏ含有量を０．１〜４重量％の範囲に規
定した。

【００２１】希土類元素及びＹ：　　希土類元素及びＹ
は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系ステンレス鋼の耐高温酸化特性
を改善する上で重要な元素である。Ｌａ，Ｃｅ等の希土
類元素やＹは、鋼表面に形成されたＡｌ２　Ｏ３　系の
酸化皮膜を安定化させる上で効果を発揮し、箔材料等に
生じ易い異常酸化を抑制する。また、鋼基材に対する酸
化皮膜の密着性も、希土類元素やＹの添加によって改善
される。このような効果は、希土類元素やＹを０．０１
重量％以上添加するときに発揮される。しかし、０．１
５重量％を超える添加量では、熱間加工性及び靭性が悪
化し製造が困難になると共に、異常酸化の起点となる非
金属介在物が発生し易くなる。その結果、耐高温酸化特
性が却って低下する。したがって、希土類元素及びＹの
添加は、１種又は２種の合計含有量で０．０１〜０．１
５重量％の範囲に設定した。

【００２２】Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ：　　任意成分として適量
のＮｂ，Ｖ，Ｔｉ等を添加すると、これら元素が鋼中の
ＣやＮと結合し、靭性を著しく改善する。また、メタリ
ックコンバータ用基材として使用するとき、繰返し加熱
−冷却のヒートサイクルに起因する変形が生じ易いため
、優れた高温強度が要求される。Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ等の添
加は、この高温強度の向上にも有効である。このような
効果を得るためには、Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ等を１種又は２種
以上の合計含有量で０．０５重量％となるように添加す
ることが必要である。逆に、１重量％を超える多量の添
加では、鋼を硬質にする欠点が現れる。そこで、Ｎｂ，
Ｖ，Ｔｉ等を添加する場合には、その含有量を０．０５
〜１重量％の範囲とした。

【００２３】以下、本発明を具体的に説明する。高Ａｌ
含有フェライト系ステンレス鋼の耐高温酸化特性は、鋼
表面に形成されるＡｌ２　Ｏ３　層によって付与される
。このＡｌ２　Ｏ３　層を安定なものとするためには、
Ｃｒ含有量を多くすることが有効である。しかし、通常
のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系ステンレス鋼では形成された酸化
皮膜の密着性が十分でなく、冷却過程で鋼基材から酸化
皮膜が剥離し易い。

【００２４】そこで、表１に示す成分をもつ板厚５０μ
ｍのフェライト系ステンレス鋼を使用して、１１５０℃
で酸化試験を行い、異常酸化発生時間に及ぼす微量添加
元素の影響を調べた。その結果を、表１に併せて示す。 なお、異常酸化発生時間は、大気雰囲気の加熱炉から試
験片を適宜取り出し、目視によって通常観察される薄く
且つ均一な酸化皮膜の他に隆起状の酸化物が検出された
ときの通算酸化時間で表している。表１から明らかなよ
うに、２０Ｃｒ−５Ａｌ鋼と比較して、希土類元素又は
Ｙを添加した鋼にあっては、異常酸化が発生するまでの
時間が長くなっており、耐高温酸化特性が改善されてい
ることが判る。

【００２５】

【表１】

【００２６】しかし、高Ａｌ含有フェライト系ステンレ
ス鋼の使用環境は、前述したようにますます過酷なもの
となっている。その結果、従来のメタリックコンバータ
では１１５０℃で１００時間まで異常酸化が発生しない
材料が求められていたが、マニホールドコンバータ等の
用途では条件が厳しくなり、３００時間以上の異常酸化
発生時間をもつ材料が要求されることが予想される。こ
の点、表１に掲げた鋼では、十分な耐高温酸化特性を有
しているとはいえない。

【００２７】そこで、表２に示すように、耐高温酸化特
性を改善するために有効なＡｌ，Ｙ，希土類元素等の含
有量を多くした鋼を、３０ｋｇ真空溶解炉で溶製した。 しかし、得られた鋼塊を熱間鍛造すると割れが発生し、
後続する工程に送ることができなかった。このことから
、耐高温酸化特性の改善を狙ってＡｌ，Ｙ，希土類元素
等の添加量を多くすることは、製造性の面で問題がある
ことが判る。

【００２８】

【表２】

【００２９】そこで、本発明者等は、Ａｌ，Ｙ，希土類
元素等の添加量を従来よりも多量にせず、十分に製造可
能な範囲にある成分及び含有量で、しかも従来の鋼より
も耐高温酸化特性に優れた鋼を開発すべく、種々の研究
・調査を行った。そして、表３に示す成分を含有する板
厚５０μｍの試験片を使用して１１５０℃での酸化試験
を行い、異常酸化発生時間に及ぼすＭｏ含有量の影響に
ついて調べた。また、表３に示した板厚５０μｍの鋼を
直径５０ｍｍ，長さ１００ｍｍ，ハニカム高さ１．５ｍ
ｍのメタリックコンバータの形状に加工し、９００℃及
び２００℃にそれぞれ３０分間保持する冷熱試験を１０
０サイクル行い、試験後の変形の有無を調べた。これら
異常酸化発生時間（単位：時間）及び変形の有無を、表
３に併せて示す。

【００３０】

【表３】

【００３１】表３から明らかなように、Ｍｏの添加によ
って、異常酸化が発生するまでの時間が延長されており
、著しく耐高温酸化特性が改善されていることが判る。 これは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−希土類元素又はＹ系ステン
レス鋼の表面に形成されるＡｌ２　Ｏ３　系の酸化皮膜
がＭｏの添加によって酸化に対する保護性を高め、従来
よりも優れた耐高温酸化特性を箔材に付与していること
を示す。Ｍｏ添加により耐高温酸化特性が改善される理
由は明確ではないが、Ａｌ２　Ｏ３　系の酸化皮膜にＭ
ｏが固溶することにより酸化皮膜中の欠陥がなくなり、
酸素の侵入に対する抵抗性が高められているものと推察
される。また、冷熱サイクルによる変形もＭｏ添加によ
り無くなっていることから、鋼の高温強度が向上してい
ることが判る。

【００３２】以上のように、箔材料の耐高温酸化特性の
点から種々の検討を行った結果、Ｍｏを含有させた高Ａ
ｌ含有フェライト系ステンレス鋼は、従来のＦｅ−Ｃｒ
−Ａｌ或いはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ−希土類元素，Ｙ系のフ
ェライト系ステンレス鋼に比較して、非常に優れた耐高
温酸化特性を持ち、また十分な高温強度を示すことが判
った。

【００３３】

【実施例】表４に示す鋼を真空溶解し、鍛造，切削，熱
延を施した後、焼鈍及び冷間圧延を繰返して、板厚５０
μｍの箔材を製造した。得られた供試材に１１５０℃で
酸化試験を行い、異常酸化が発生した時間を測定した。 測定結果を、表４に併せて示す。また、メタリックコン
バータのハニカム担体の形状に加工し、排ガス雰囲気中
で２００℃に５分間保持した後で９００℃に３０分間保
持する冷熱サイクル試験を５００サイクル行った。この
試験後の供試材の形状変化を調べ、その結果も表４に示
した。

【００３４】

【表４】

【００３５】表４から明らかなように、本発明に従った
供試材は、何れも異常酸化発生時間が３００時間を超え
ており、マニホールドコンバータの目標特性を満足する
優れた耐高温酸化特性を呈している。これに対し、Ｍｏ
を含有していない比較鋼は、何れも３００時間以内で異
常酸化が発生しており、目標特性を満足しなかった。ま
た、高温強度に関しても、本発明に従った供試材におい
ては冷熱サイクルによる変形が検出されず、耐久性に優
れていることが判る。これに対し、比較鋼１１〜１６の
供試材では冷熱試験による変形がみられ、比較鋼１７〜
２０の供試材ではＮｂ，Ｖ或いはＴｉの添加によって変
形が低減されているものの、完全に変形を抑制すること
はできなかった。

【００３６】次に、表５に示す組成のステンレス鋼を３
０ｋｇ真空溶解炉で溶製し、鍛造，焼鈍後にＪＩＳＧ０
５６７に準じ直径１０ｍｍ，平行部５０ｍｍの高温引張
り用の試験片を切り出した。この試験片に対し、８００
℃で引張り試験を行った。試験結果を、表５に併せて示
す。表５から明らかなように、本発明に従った供試材２
１及び２２は、耐力及び引張り強さ共に比較例の供試材
２３及び２４よりも高い値を示し、高温強度に優れてい
ることが判る。

【００３７】

【表５】

【００３８】以上の実験結果から明らかなように、本発
明に従ったステンレス鋼から得られた箔材は、耐高温酸
化性に優れ、異常酸化が発生しにくく、また冷熱サイク
ル試験による耐久性が良好で、高温強度に優れたもので
ある。

【００３９】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の高Ａｌ
含有フェライト系ステンレス鋼は、Ｃｒ，Ａｌ，希土類
元素等を従来の鋼に比較して多量に添加する必要なく、
非常に優れた耐高温酸化特性を呈し且つ高温強度に優れ
た材料である。この特徴を活かして、自動車排ガス浄化
装置用の触媒コンバータ基材，暖房器具，電熱材料等の
各種高温用途に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　異常酸化発生に及ぼすＭｏ含有量の影響を
表したグラフ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ｃ：０．０３重量％以下、Ｓｉ：１重
   量％以下、Ｍｎ：１重量％以下、Ｐ：０．０４重量％以
   下、Ｓ：０．００３重量％以下、Ｃｒ：１５〜２５重量
   ％、Ｎ：０．０３重量％以下、Ａｌ：３〜６重量％、Ｍ
   ｏ：０．１〜４重量％及び希土類元素又はＹを１種又は
   ２種以上合計で０．０１〜０．１５重量％を含有する耐
   高温酸化性に優れた高Ａｌ含有フェライト系ステンレス
   鋼。
2. 【請求項２】　　Ｃ：０．０３重量％以下、Ｓｉ：１重
   量％以下、Ｍｎ：１重量％以下、Ｐ：０．０４重量％以
   下、Ｓ：０．００３重量％以下、Ｃｒ：１５〜２５重量
   ％、Ｎ：０．０３重量％以下、Ａｌ：３〜６重量％、Ｍ
   ｏ：０．１〜４重量％、希土類元素又はＹを１種又は２
   種以上合計で０．０１〜０．１５重量％及びＮｂ，Ｖ，
   Ｔｉの１種又は２種以上合計で０．０５〜１重量％を含
   有する耐高温酸化性に優れた高Ａｌ含有フェライト系ス
   テンレス鋼。