JPH0748655A

JPH0748655A - 熱疲労特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JPH0748655A
Application number: JP19470293A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Miyazaki; 宮崎　　淳; Masaya Tada; 昌哉多田
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1993-08-05
Filing date: 1993-08-05
Publication date: 1995-02-21

Abstract

(57)【要約】【構成】Ｃ：0.05wt％以下、Si：0.5 〜2.0 wt％、M
n：2.0 wt％以下、Cr：12〜30wt％、Ni：７〜20wt％、
Ｖ：0.1 〜１wt％、Nb：0.25〜1.0 wt％およびＰ：0.06
〜0.2 wt％、を含有し、必要に応じて５wt％以下のMoな
らびにCa, Ｙ, REMおよびZrのいずれか１種または２種
以上を含有するＰ含有オーステナイト系ステンレス鋼。【効果】耐熱疲労特性に優れ、しかも製造効率の向上
および生産コストの低減が可能である。自動車排気シス
テムや廃棄物焼却炉等のように高温加熱と冷却とが繰り
返され、熱疲労が問題となる環境に使用して好適であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、熱疲労特性に優れた
オーステナイト系ステンレス鋼に関し、とくに自動車排
ガスシステム用部材, 廃棄物焼却炉用部材等のいわゆる
高温加熱と冷却が繰り返されるために、熱疲労が問題と
なる環境で使用される材料として有用な、Ｐ含有オース
テナイト系ステンレス鋼についての提案である。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車エンジンの高性能化によっ
て、自動車排ガス装置から排出される排気ガスは1000℃
を超えるようになってきた。このため、排気ガス装置用
材料として用いられていた従来のフェライト系ステンレ
ス鋼ではもはや対応できなくなってきているのが実情で
ある。そこで、最近、フェライト系ステンレス鋼よりも
高温強度が高いオーステナイト系ステンレス鋼の使用が
検討されはじめた。しかし、このオーステナイト系ステ
ンレス鋼は、一般に、自身の熱膨張係数が大きく、繰り
返し加熱されるような環境では、フェライト系ステンレ
ス鋼よりも大きな熱歪みが発生するため、熱疲労破壊の
問題があった。しかも、このオーステナイト系ステンレ
ス鋼というのは、フェライト系ステンレス鋼に比べると
高価であるという欠点もあった。例えば、自動車排気系
に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼としては、
特公平５−7458号公報に開示のようなものがあるが、こ
れは、高温腐食の向上を目指して開発されたものであ
り、耐熱疲労特性の向上については全く考慮していない
と同時に、Ｐを脱Ｐ工程を入れて0.03wt％程度にまで低
減させているため、コスト高になるという問題がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、従
来技術が抱えている上述した問題がなく、熱疲労特性の
みならず耐酸化性にも優れるために自動車排ガス装置用
材料などとして好適に用いられるオーステナイト系ステ
ンレス鋼を安価に提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上掲の目的に叶うものと
して開発したこの発明は、次のような要旨構成を有する
ものである。 (1) Ｃ：0.05wt％以下、 Si：0.5 〜2.0 wt％、Mn：2.
0 wt％以下、 Cr：12〜30wt％、Ni：７〜20wt％、
Ｖ：0.1 〜１wt％、Nb：0.25〜1.0 wt％およびＰ：0.06
〜0.2 wt％、を含有し、残部Feおよび不可避的不純物か
らなることを特徴とする熱疲労特性に優れたオーステナ
イト系ステンレス鋼（第１発明）。 (2) 上記第１発明において、さらに、下記の〜の各
成分を少なくとも１種以上含有させてなる熱疲労特性に
優れたオーステナイト系ステンレス鋼。 Mo：5.0 wt％以下（第２発明） Ca, Ｙ, REM ( 単独または合計で0.001 〜0.1 wt
％) およびZr (0.05〜1.0wt％）のうちから選ばれる１
種または２種以上（第３発明） Mo：5.0 wt％と共に、Ca, Ｙ, REM の少なくとも１
種以上を合計で0.001 〜0.1 wt％およびZr：0.05〜1.0
wt％のうちから選ばれる１種または２種（第４発明）

【０００５】

【作用】以下、本発明にかかるＰ含有オーステナイト系
ステンレス鋼を開発するに到った経緯について説明す
る。一般に、オーステナイト系ステンレス鋼においてＰ
は、どちらかというと有害成分として認識されていて、
できるだけ低くすることが必要とされていた。発明者ら
の研究によると、このＰも、ある種の成分系, 即ち、オ
ーステナイト系ステンレス鋼については、Ｐ低減工程を
省略するか、逆に積極的にＰを添加することによって、
熱疲労特性の向上に有効に作用することが判明した。そ
こで、以下にオーステナイト系ステンレス鋼における
“Ｐ”の影響について検討したので、その検討結果につ
いて説明する。

【０００６】さて、JIS のＧ4304の熱間圧延ステンレス
鋼板とJIS のＧ4305の冷間圧延ステンレス鋼板の中で、
オーステナイト系ステンレス鋼板中のＰは次のように規
定されている。まず、SUS 201 とSUS 202 の２種の鋼種
については、Ｐ≦0.06wt％、その他のオーステナイト系
ステンレス鋼板についてはＰ≦0.045 wt％となってい
る。ところが、発明者らの研究によると、NbとＶを複合
添加したオーステナイト系ステンレス鋼の場合、このＰ
は、熱疲労特性向上に寄与することを見出した。この理
由は明確ではないが、１つには、ＰはNb−Ｖ析出物を微
細分散させるのに極めて有効に働くことに起因している
ものと考えられる。そして、Ｐのこのような作用効果
は、以下に述べる２つの点の意味から重要な知見と言え
る。それは、第１に、Ｐを0.06wt％以下に低減させるに
は、従来、脱Ｐ工程が必ず必要とされていた。そのため
に、0.06wt％超〜0.2 wt％のＰが許されるならば、この
脱Ｐ工程の省略または工程時間の短縮が可能となり、著
しく生産性が向上する。また、第２として、含Ｐ溶銑に
さらにＰを添加するとしても、Ｐ自身が非常に安価な元
素であり、製品価格への影響は非常に小さい。このよう
な背景のもとに、Ｐ含有オーステナイト系ステンレス鋼
に注目したのである。

【０００７】そこで発明者らは、さらに、Ｐ含有量と熱
疲労寿命および高温での耐酸化性に及ぼす影響も詳細に
検討した。その結果を図１に示す。この図に明らかなよ
うに、Nb−Ｖ複合添加系のオーステナイト系ステンレス
鋼においては、Ｐの添加量が増えると熱疲労寿命値が向
上することが判り、それは、0.06wt％＜Ｐの条件におい
て明らかであり、この知見により本発明鋼の完成を見
た。

【０００８】以下に、本発明において成分を限定した理
由について説明する。Ｃ：0.05wt％以下Ｃは、高温での使用の際、または溶接時にCr炭化物の形
として析出し、耐酸化性を劣化させる元素である。その
ため上限値を0.05wt％に限定した。

【０００９】Si：0.5 〜2.0 wt％ Siは、耐酸化性を確保するのに必要な元素であるが、過
剰な添加は加工性を劣化させるため、本発明では 0.5〜
2.0 wt％の範囲で含有させるものとした。

【００１０】Mn：2.0 wt％以下 Mnは、強度を確保する上で有効な成分であるが、あまり
に過剰に添加すると耐酸化性の劣化を招くばかりでな
く、加工性の劣化も招くため、上限を2.0 wt％に限定し
た。

【００１１】Cr：12〜30wt％ Crは、耐酸化性を向上させるためには必要な元素である
が、あまり過剰に添加すると熱間加工性を劣化させるた
め、本発明においては12〜30wt％の範囲に限定した。

【００１２】Ni：７〜20wt％ Niは、オーステナイト組織を安定させる元素であり、そ
のために少なくとも７wt％を添加する。一方で、このNi
は高価であり、コストの上昇を招くことになるので、20
wt％を上限として添加することとした。

【００１３】Ｖ：0.1 〜1.0 wt％、Nb：0.25〜1.0 wt％ＶおよびNbは、熱疲労特性を向上させる元素である。し
かし、図１に示すように、Nb単独添加の場合、Ｐを所要
量含有させても熱疲労特性は特には向上しない。これに
対し、ＶとNbを複合添加したものでは、Ｐの添加効果が
著しい。したがって、この発明においては、ＶとNbを添
加するときは常に複合添加する。その添加量について
は、さらに加工性も考慮して、Ｖ：0.1 wt％以上、Nb：
0.25wt％以上とする。一方、これらの元素をそれぞれあ
まりに過剰に添加すると表面品質の悪化を招くから、そ
れぞれの上限を1.0 wt％に限定した。

【００１４】Ｐ：0.06〜0.2 wt％Ｐは、本発明にとって非常に重要な役割を担う元素であ
る。Nb−Ｖ無添加鋼に対しては、Ｐによる熱疲労特性の
向上には効果が認められないものの、とくにNb−Ｖ複合
添加鋼においては、このＰ添加の効果が認められる。こ
れは、Ｐ添加が、Nb−Ｖ複合析出物の形態を変化させる
ことに対応するものと考えられるが、現在のところ明確
には解明できてはいない。なお、このＰは 0.2wt％を超
えると熱間加工性が低下するので、上限を0.2 wt％に限
定した。

【００１５】Mo：５wt％以下 Moは、高温強度を向上させるために必要に応じて添加す
る。しかし、このMoは非常に高価な元素であり、コスト
の上昇を招くことになるから、その上限を５wt％に限定
した。

【００１６】本発明においては、上記の元素に加えて、
さらに、Ca, Ｙ, REM(希土類元素),Zr のうちから選ば
れる少なくとも１種または２種以上を必要に応じて添加
する。まず、Ca, Ｙ, REM は、耐酸化性向上のために添
加する。しかし、これらの元素を過剰に添加すると、加
工性、溶接性を劣化させるため、単独または合計量で0.
001 〜0.1 wt％の範囲内で添加する。また、Zrも耐酸化
性に関して同じ作用・効果を有するが、その効果を発揮
させるには0.05wt％以上の添加が必要である。しかし、
これらの元素もあまりに過剰に添加すると、加工性, 溶
接性をかえって劣化させるため、１wt％を上限として添
加する。なお、耐酸化性向上のために添加する、上記C
a, Ｙ, REM （ミッシュメタルを好適例とする）, Zr
は、単独もしくは複合のいずれの方法で添加してもよ
い。

【００１７】

【実施例】表１に示す化学組成を有するオーステナイト
系ステンレス鋼を真空溶解炉で溶製し、30kg鋼塊を得
た。この鋼塊を熱間圧延したのち、焼鈍して５mm厚と
し、次いで公知の方法により冷間圧延−焼鈍をして２mm
厚とし、その後、得られた冷延鋼より酸化試験用サンプ
ルを採取した。（供試材：本発明鋼No.1〜９, 比較鋼N
o. 10〜16)上記各熱疲労試験は、30kg鋼塊を鍛造, 焼鈍
し、30mm角のバー材を作製し、熱疲労試験用サンプルを
採取した。

【００１８】以下に、酸化試験条件、熱疲労試験条件を
示す。 (1) 酸化試験方法２mm×20mm×30mmの試験片を用い、＃320 研磨後、大気
中で1000℃, 30分間加熱し、15分空冷を１サイクルとし
て 200サイクル繰り返し加熱冷却した後の重量変化で評
価した。Ａ：０〜−20 mg/cm Ｂ：＜ −20 mg/cm (2) 熱疲労試験丸棒サンプルを用いて、 100℃〜1000℃間において、そ
の自由熱膨張、熱収縮を押さえて、全歪み範囲（Δ
ε_t) が１％になるように歪み制御方法を用いた。破断
した時点を寿命と定義した。また、昇温降温速度は４℃
/minとした。かくして得られた実験結果について表２に
まとめて示す。

【００１９】表２中に示したように、本発明鋼（No.1〜
9)については、比較鋼( No.10 〜16) および従来鋼(SUS
302B)に比べ、耐酸化性の劣化を招くことなく熱疲労寿
命が向上している。このことは、図１にも示した内容と
もよく符合しており、Ｖ−Nb複合添加鋼においてのみＰ
の添加の効果が顕れており、このような成分組成とすれ
ば、熱疲労特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼
が得られることが判る。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Nb
−Ｖ複合添加オーステナイト系ステンレス鋼にたいし、
安価なＰを添加することのみにて、または脱Ｐ工程を省
くことにより、熱疲労特性に優れたなオーステナイト系
ステンレス鋼を高い製造効果と低い生産コストを実現し
て製造することができる。さらに、この基本成分に付加
成分を添加すると、耐酸化性ならびに熱疲労特性の両方
に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｐ含有量が熱疲労寿命に与える影響を他の添加
成分との関連において示したグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.05wt％以下、 Si：0.5 〜2.0 wt
％、 Mn：2.0 wt％以下、 Cr：12〜30wt％、 Ni：７〜20wt％、Ｖ：0.1 〜１wt％、 Nb：0.25〜1.0 wt％およびＰ：0.06〜0.2 wt％、を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなることを
特徴とする熱疲労特性に優れたオーステナイト系ステン
レス鋼。
【請求項２】Ｃ：0.05wt％以下、 Si：0.5 〜2.0 wt
％、 Mn：2.0 wt％以下、 Cr：12〜30wt％、 Ni：７〜20wt％、 Mo：5 wt％以下、Ｖ：0.1 〜１wt％、 Nb：0.25〜1.0 wt％、およびＰ：0.06〜0.2 wt％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなることを
特徴とする熱疲労特性に優れたオーステナイト系ステン
レス鋼。
【請求項３】Ｃ：0.05wt％以下、 Si：0.5 〜2.0 wt
％、 Mn：2.0 wt％以下、 Cr：12〜30wt％、 Ni：７〜20wt％、Ｖ：0.1 〜１wt％、 Nb：0.25〜1.0 wt％およびＰ：0.06〜0.2 wt％、を含有
し、かつCa, Ｙ，REM およびZrのうちから選ばれる１種
または２種以上（Ca, Ｙ, REMの場合は１種または２種
以上を単独または合計で 0.001〜0.1 wt％、Zrの場合は
0.05〜1.0 wt％）を含有し、残部Feおよび不可避的不純
物からなることを特徴とする熱疲労特性に優れたオース
テナイト系ステンレス鋼。
【請求項４】Ｃ：0.05wt％以下、 Si：0.5 〜2.0 wt
％、 Mn：2.0 wt％以下、 Cr：12〜30wt％、 Ni：７〜20wt％、 Mo：5 wt％以下、Ｖ：0.1 〜１wt％、 Nb：0.25〜1.0 wt％、およびＰ：0.06〜0.2 wt％を含有し、かつCa, Ｙ，REM
およびZrのうちから選ばれる１種または２種以上（Ca,
Ｙ, REM の場合は１種または２種以上を単独または合計
で 0.001〜0.1 wt％、Zrの場合は0.05〜1.0 wt％）を含
有し、残部Feおよび不可避的不純物からなることを特徴
とする熱疲労特性に優れたオーステナイト系ステンレス
鋼。