JPH06279954A

JPH06279954A - 自動車排気系用鋼

Info

Publication number: JPH06279954A
Application number: JP7056493A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Miyasaka; 明博宮坂; Junji Yamanaka; 淳史山中
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-03-29
Filing date: 1993-03-29
Publication date: 1994-10-04

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は自動車排気系用鋼、さらに詳しくは
自動車の排気系に使用されるエギゾーストマニホールド
用等として特性が優れ、かつ低コストな鋼を提供する。【構成】Ｓｉ：０．３〜３．０％、Ｍｎ：０．０２〜
２．０％、Ｃｒ：３．５〜９．９％、Ｎｂ：０．０１〜
１．０％、Ａｌ：０．０１〜１％を含有し、Ｃを０．０
３％以下、Ｐを０．０３％以下、Ｓを０．０３％以下、
Ｎを０．０２％以下に低減し、各元素の組み合わせが特
定の条件式を満足し、あるいはさらにＶ、Ｔｉ、Ｚｒ、
Ｔａ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｗ、希土類元素、Ｃａの１種以上を
含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特
徴とする自動車排気系用鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車排気系用鋼に係
り、さらに詳しくは、自動車のエンジンに取り付けられ
るエギゾーストマニホールド用、排気ガス浄化触媒保持
基体用、自動車排気系のフロント部分の鋼管等として、
耐酸化性、強度や加工性等の特性に優れ、かつ低コスト
の鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車のエギゾーストマニホール
ド（以下エキマニと称する）には、従来の鋳鉄製エキマ
ニに代えて、ステンレス鋼製のエキマニが使用される例
が増加している。これはステンレス鋼製エキマニの方が
肉厚を薄くすることが可能であり、自動車の軽量化に大
きく役立つためである。ＪＩＳ（日本工業規格）のＳＵ
Ｓ３１０などのオーステナイト系ステンレス鋼は優れた
耐熱性および加工性を有しているので一般の耐熱用途に
広く使用されている。しかし、この種の鋼は一般に高価
である上に、熱膨張係数が大きく、熱疲労特性に劣ると
いう難点を有している。

【０００３】一方、フェライト系ステンレス鋼は、一般
にオーステナイト系ステンレス鋼よりも熱膨張係数が小
さいので熱疲労特性に優れることから、エキマニのよう
に加熱・冷却の温度サイクルを受ける用途には適してい
ると言える。このため、ＪＩＳ規格Ｇ４３０５に定める
ＳＵＳ４１０ＬやＳＵＳ４３０ＬＸ等が既にエキマニ等
として実用化されている。さらに、例えば特開昭６４−
８２５４号公報や特開平２-１７５８４３号公報ではＣ
ｒを多量に含有し、高温強度を改善したフェライト系ス
テンレス鋼が提案されている。

【０００４】しかし、これらのフェライト系ステンレス
鋼は非常に高価であり、エキマニに使用した場合には、
鋳鉄製エキマニに比べてコストが著しく高く、排気ガス
浄化触媒用としてもコストが高いという難点があり、か
つＣｒを多量に含有しているために加工性がよいとは言
えず、エキマニのような複雑な形状を形成するために
は、製造工程が複雑になり加工コストも高くなるという
難点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした現状
に鑑みて、自動車のエンジンに取り付けられるエキマニ
用や排気ガス浄化触媒保持基体、あるいは排気系フロン
トパイプなどの自動車排気系用の鋼として、強度、耐酸
化性および加工性等の特性に優れ、かつ低コストの鋼を
提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記の目的
を達成すべく種々検討した結果、Ｃｒを従来のエキマニ
用ステンレス鋼とは逆に３．５％以上９．９％以下と比
較的少なくした鋼に、ＳｉおよびＮｂを複合添加するこ
とによって高温強度および高温での耐酸化性を大きく改
善できること、合金元素量の範囲を特定の条件を満足す
るように厳密に制御すると一段と高温での耐酸化性と高
温強度が改善されることを見出した。さらに本発明者ら
は、かかる鋼にＶ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆを添加する
と加工性が一段と改善され、Ｍｏ、Ｗを添加すると高温
強度が一段と向上し、一方、希土類元素あるいはＣａを
添加すると、高温での耐酸化性も良くなることを見出し
た。

【０００７】本発明は主に上記の知見に基づいてなされ
たものであり、第１発明の要旨とするところは、重量％
で、Ｓｉ：０．３〜３．０％、Ｍｎ：０．０２〜２．０
％、Ｃｒ：３．５〜９．９％、Ｎｂ：０．０１〜１．０
％、Ａｌ：０．０１〜１．０％を含有し、Ｃを０．０３
％以下、Ｐを０．０３％以下、Ｓを０．０３％以下、Ｎ
を０．０２％以下に低減し、残部Ｆｅおよび不可避不純
物からなり、以下の式で与えられるＯＲ値ＯＲ値＝［％Ｃｒ］＋４［％Ｓｉ］−１７［％Ｃ］−
３［％Ｎ］が６．５以上であり、金属組織が実質的にフェライトを
主体とする組織であることを特徴とする自動車排気系用
鋼にあり、第２発明の要旨とするところは第１発明の鋼
に付加成分としてさらに、重量％で、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、
Ｔａ、Ｈｆの１種または２種以上を含有し、その含有量
の合計として０．０１％以上１．０％未満を含有する鋼
にあり、第３発明の要旨とするところは第１発明または
第２発明の鋼に付加成分としてさらに、重量％で、Ｍ
ｏ、Ｗの１種または２種を含有し、その含有量の合計と
して０．０３％以上０．５％未満を含有する鋼にあり、
第４発明の要旨とするところは第１発明、第２発明ある
いは第３発明の鋼に付加成分としてさらに、重量％で、
希土類元素：０．００５〜０．１％、Ｃａ：０．００１
〜０．０３％の１種または２種を含有する鋼にある。

【０００８】

【作用】以下に本発明において各成分の範囲を限定した
理由を述べる。Ｓｉ：ＳｉはＣｒを３．５％以上含有す
る鋼に複合して添加すると、高温での耐酸化性改善効果
が顕著であり、またフェライト組織を確保するためにも
必要な元素であって、含有量が０．３％未満ではその効
果が充分ではなく、３．０％を超えて含有すると常温で
の靱性と加工性が低下するので、含有量範囲を０．３〜
３．０％に限定する。

【０００９】Ｍｎ：Ｍｎは鋼の脱酸剤として必要で、
０．０２％以上を含有させる必要があるが、２．０％を
超えて含有させてもその効果はもはや飽和しているばか
りか、過剰にＭｎを含有させるとフェライト単相組織を
確保することが難しくなるので、上限含有量は２．０％
とする。Ｃｒ：ＣｒはＳｉと複合して添加して、エキマニとして
必要な耐食性、耐酸化性を確保するために３．５％以上
を含有させることが必要であるが、９．９％を超えて含
有させてもいたずらにコストを増すばかりか、加工性が
低下するので上限含有量は９．９％とする。

【００１０】Ｎｂ：Ｎｂはフェライト組織を安定にする
上で有用な元素であり、またＣｒを３．５％以上含有す
る鋼に添加して自動車排気系用鋼として必要な高温強度
を確保するために０．０１％以上を含有させなければな
らないが、１．０％を超えて添加してもその効果はもは
や飽和するのに加えて、いたずらにコストを増加させる
とともに粗大な析出物を生成して加工性を低下させるの
で、上限含有量は１．０％とする。

【００１１】Ａｌ：Ａｌは鋼の脱酸剤として０．０１％
以上の添加が必要であり、またフェライト組織を確保す
るためにも有用な元素であるが、１．０％を超えて添加
すると粗大な酸化物系介在物を形成して加工性を低下さ
せるので、含有量は０．０１〜１．０％に限定する。Ｃ、Ｎ：ＣおよびＮはＮｂとの化合物を生成して高温強
度を低下させ、またＣｒとの炭化物を生成して耐酸化性
をも低下させるので、ＣおよびＮ量は少ない方が望まし
く、上限含有量はＣは０．０３％、Ｎは０．０２％とす
る。

【００１２】Ｐ：Ｐは多量に存在すると靱性を低下させ
るので少ない方が望ましく、上限含有量は０．０３％と
する。Ｓ：Ｓも多量に存在すると熱間加工性および延性を低下
させるので少ない方が望ましく、上限含有量は０．０３
％とする。さらに本発明では、各元素の含有量の組み合
わせとして、下記の式で定義されるＯＲ値が６．５以上
であることが必要である。

【００１３】ＯＲ値＝［％Ｃｒ］＋４［％Ｓｉ］−１
７［％Ｃ］−３［％Ｎ］これは、本発明者らが自動車排気系用鋼としての特性を
得るための最適成分組成および組み合わせについて詳細
に検討した結果に基づく知見であって、まずＯＲ値が
６．５未満では排気系用鋼としてもっとも重要な特性で
ある高温での耐酸化性が不充分であり、例えば自動車排
気系での使用温度として８００℃あるいはそれ以上を想
定すると、ＯＲ値として６．５以上を確保することが必
要である。ここで、本発明者らの検討によれば、Ｃｒが
３．５％以上含有された鋼では、耐酸化性に対してＳｉ
はＣｒの４倍の効果を有し、ＣおよびＮはいずれもＣｒ
との析出物を生成して耐酸化性を損なうことを見出した
ことに基づくものである。

【００１４】また本発明においては、金属組織が実質的
にフェライト組織であることが必要であるが、これはマ
ルテンサイト組織が多量に存在すると常温における加工
性を損なう上に、高温でオーステナイトを生成して疲労
寿命を低下させるためである。かかる目的からは、金属
組織に占めるフェライト分率が９５％以上であることが
望ましく、さらに望ましくはフェライト分率が９９％以
上であることが望ましい。

【００１５】以上が本発明が対象とする自動車排気系用
鋼の基本的成分と条件であるが、本発明においては必要
に応じてさらに以下の元素を添加して特性を一段と向上
させた鋼も対象としている。なお、以下の成分を添加し
た場合においても、前述のＯＲ値が６．５以上という条
件を満足しなければならないのは言うまでもない。Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ：Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、
Ｈｆは、Ｃｒを３．５％以上含有し、Ｎｂを０．０１％
以上含有する鋼に複合して添加すると、加工性を高める
のに効果がある。Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆの１種ま
たは２種以上の含有量の合計が０．０１％未満ではその
効果が充分発揮されない。一方、１．０％以上添加して
もその効果はもはや飽和するのに対して、いたずらにコ
ストを増加させるだけであるし、粗大な析出物を生成し
て靱性を低下させるおそれがあるので、Ｖ、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｔａ、Ｈｆの１種または２種以上の合計含有量は
０．０１％以上１．０％未満とする。

【００１６】Ｍｏ、Ｗ：ＭｏおよびＷはＣｒを３．５％
以上含有し、Ｎｂを０．０１％以上含有する鋼に複合し
て添加すると、高温強度を一段と高めるのに効果があ
る。ＭｏおよびＷの１種または２種の含有量の合計が
０．０３％未満ではその効果が充分発揮されない。一
方、０．５％以上添加してもその効果はもはや飽和する
のに加えて、いたずらにコストを増加させるだけである
から、Ｍｏ、Ｗの１種または２種の合計含有量は０．０
３％以上０．５％未満とする。

【００１７】希土類元素（ＲＥＭ）、Ｃａ：希土類元素
は０．００５％以上、Ｃａは０．００１％以上の添加で
熱間加工性の向上、高温での耐酸化性の改善に効果のあ
る元素であるが、希土類元素では０．１％を超えて、Ｃ
ａでは０．０３％を超えて添加するとそれぞれ粗大な非
金属介在物を生成して逆に熱間加工性や耐酸化性を劣化
させるので、上限含有量は希土類元素では０．１％、Ｃ
ａでは０．０３％とした。なお、本発明において希土類
元素とは原子番号が５７〜７１番および８９〜１０３番
の元素およびＹを指す。

【００１８】本発明の鋼においては、上記の成分の他に
スクラップや原料等からの混入不純物として、あるいは
靱性や加工性などを調整する目的で、Ｎｉ、Ｃｕなどの
成分を含有することができる。本発明において提案する
鋼は、例えばエキマニとして使用するに際して、鋼板と
して製造した後に、鋼板をプレス成形し、さらに加工・
溶接してエキマニとして製造しても良いし、鋼板を例え
ば電縫鋼管等としてまず鋼管の形状にした後に２次加工
および溶接等によってエキマニに加工しても良く、その
他のプロセスも含めて本発明で限定する組成および元素
の組み合わせを有する鋼は、いずれも本発明の対象とす
るところであって、コストや既存製造設備の制約等によ
って最適なエキマニ製造工程を選択することができ、ど
のエキマニ製造工程を選択したとしてもそれをもって本
発明の範囲を逸脱するものではない。排気ガス浄化触媒
保持基体として使用する場合は鋼板として使用するのが
一般的であるし、フロントパイプとして使用する場合は
鋼管として使用するのが一般的であるが、これらは実施
態様の一例であって本発明鋼の対象はもちろんこれらの
製品形状に限定されるものではない。

【００１９】

【実施例】以下に本発明の実施例について説明する。表
１に成分を示す鋼を溶製し、通常の熱間圧延工程と冷間
圧延工程によって、肉厚２ｍｍの鋼板とし、８５０℃に
て焼鈍を施した。次にこれらの鋼板から試験片を採取し
て、ＪＩＳ規格Ｇ０５６７に準拠して８００℃での高温
引張試験と、８００℃における連続高温酸化試験を実施
した。また、最高加熱温度を８００℃とする熱疲労試験
も実施した。

【００２０】試験結果を表１に併せて示す。ここで表１
の高温引張試験結果において、◎は８００℃における
０．２％耐力が２２Ｎ／ｍｍ²以上であったことを示
し、○は１７Ｎ／ｍｍ²以上２２Ｎ／ｍｍ²未満であった
ことを示し、×は１７Ｎ／ｍｍ²未満であったことを示
す。また、高温酸化試験結果において、○は８００℃に
おける酸化増量が０．１ｇ／ｍ²／ｈｒ以下であったこ
とを示し、×は酸化増量が０.１ｇ／ｍ²／ｈｒより大き
かったことを示している。さらに、熱疲労試験結果にお
いて、○は破断に至るまでの繰り返し数が５００回以上
であったことを示し、×は繰り返し数が５００回未満で
あったことを示している。

【００２１】表１から明らかなように、本発明鋼である
Ｎｏ．１〜１５は高温強度、耐酸化性および耐熱疲労特
性に優れているのに対して、比較例であるＮｏ．１６〜
１８は高温強度、高温での耐酸化性あるいは耐熱疲労特
性に劣ることがわかる。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は自動車排気
系用鋼として高温強度および高温での耐酸化性に優れる
鋼を低コストで提供することを可能としたものであり、
産業の発展に貢献するところが極めて大である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｓｉ：０．３〜３．０％、Ｍｎ：０．０２〜２．０％、Ｃｒ：３．５〜９．９％、Ｎｂ：０．０１〜１．０％、Ａｌ：０．０１〜１．０％を含有し、Ｃを０．０３％以下、Ｐを０．０３％以下、Ｓを０．０３％以下、Ｎを０．０２％以下に低減し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、以下
の式で与えられるＯＲ値ＯＲ値＝［％Ｃｒ］＋４［％Ｓｉ］−１７［％Ｃ］−
３［％Ｎ］が６．５以上であり、金属組織が実質的にフェライトを
主体とする組織であることを特徴とする自動車排気系用
鋼。
【請求項２】付加成分としてさらに、重量％で、Ｖ、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆの１種または２種以上を含有
し、その含有量の合計として０．０１％以上１．０％未
満を含有する請求項１記載の自動車排気系用鋼。
【請求項３】付加成分としてさらに、重量％で、Ｍ
ｏ、Ｗの１種または２種を含有し、その含有量の合計と
して０．０３％以上０．５％未満を含有する請求項１ま
たは２記載の自動車排気系用鋼。
【請求項４】付加成分としてさらに、重量％で、希土類元素：０．００５〜０．１％、Ｃａ：０．００１〜０．０３％、の１種または２種を含有する請求項１、２または３のい
ずれかに記載の自動車排気系用鋼。