JPH0770709A - 耐熱フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
耐熱フェライト系ステンレス鋼Info
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Abstract
向上に伴うガス温上昇に対応可能な、使用前および使用
中の高温強度の保持、耐高温塩害性および900℃を越
える温度域での耐酸化性および加工性にそれぞれ優れた
高耐熱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。 【構成】 (1)低(C+N)−Ti添加としFree
(C+N)量を低下させ、Nb,WおよびMoの固溶量
を十分確保することで、固溶強化を十分有効に、また長
時間に渡って材質を確保すること、(2)Vの析出強化
にて900℃を越える温度域での高温強化を図った高耐
熱フェライト系ステンレス鋼の化学成分を最適化した。
Description
筒材、発電プラントの排気ダクトや脱硝設備ケーシング
などの高温部材として用いられるフェライト系ステンレ
ス鋼に関する。
まれるとともに、自動車材料の軽量化が強く望まれてい
る。また、公害規則の強化から、排ガスの浄化も強く要
請されている。かかる背景から、自動車排気系材料に
は、軽量化や部品としての低熱容量化の観点から、既存
のフェライト系ステンレス鋼であるSUS430J1L
やAISI409が現在使用されている。
み、これに伴い排ガスの最高温度が900℃以上まで、
近々上昇すると言われている。これらの薄板構造物に使
用される耐熱材料には、(1)使用中の高温強度、熱疲
労特性と高温疲労特性、(2)常温の加工性を両立させ
ることが重要である。また、フロントパイプ等は、一部
地域で行われる融雪材(塩)散布による(3)高温塩害
の問題が生じる。ここで、高温強度を向上させ、使用中
の高温強度を確保することで高温疲労が向上し、耐熱疲
労性も向上すると予想される。
J1Lが使用されている。Nbの添加で、その固溶強化
で高温強度は向上し、加工性もC,Nの固着により向上
する。しかし、NbはCおよびNとの親和力が強く炭窒
化物を形成し易いため、使用中に炭窒化物が析出し、さ
らには凝集粗大化するため、Nbの固溶強化量が使用に
伴い低下する。
中にも高い高温強度を保持することは困難である。一
方、AISI409は、低Crであるため900℃付近
では異常酸化を起こしてしまう。また、NbやMoと言
った高温強化元素を含んでいないため高温強度は低い。
また、関連する公知例については次のようである。
号、特開平2−175843号、特開平4−74852
号等の各公報が挙げられる。特開昭64−82543号
公報は、耐酸化性の観点からCrを16%以上と高めに
し、Nbを必須としMoを選択元素にしているものの、
NbやMoよりもC,Nとの親和力の強い元素(例えば
Ti)の添加は行われていない。このため、特にNbは
使用中に炭窒化物を作り易い状態にあり、使用中の高温
強度の確保については考慮されていない。特開平2−1
75843号公報については、高Cr側で、Nbおよび
Moが必須でTiは選択元素である。これについても、
高温使用中の強度の確保については考慮されず、Niお
よびCuが必須である。特開平4−74852号公報に
ついては、Nb,Tiが必須であるが、MoおよびAl
が無添加で、低Crにした場合の900℃を越える温度
領域での耐酸化性および高温塩害特性についての考慮が
なされていない。また、本発明者らは特願平4−270
102号明細書において900℃付近までの温度域用と
してフェライト系ステンレス鋼を発明しているが、低C
rとしているため900℃を越える領域での耐酸化性に
ついて十分でない。
652号公報が挙げられ、これはCr量を11〜30%
と広範囲に渡っており低Cr側まで含んでいる。また、
TiおよびNbを必須、Moを選択元素としている。し
かしながら、成形性の観点からSi量を0.5%以下、
Al無添加としているため、低Crとした場合には、9
00℃を越える領域での耐酸化性を十分確保できない。
くわえて、高温塩害特性についても考慮されていない。
公知例中には、高温で長時間使用される高温部材、特に
900℃を越えるような温度域で使用される自動車排気
系材料などの必要特性である、(1)使用中の高温強
度、熱疲労特性と高温疲労特性、(2)常温の加工性を
両立させること、(3)耐高温塩害性(600℃〜80
0℃)、および(4)900℃を越える領域での耐酸化
性などを十分に満たすように考慮した例はない。
合においても高温強度および耐酸化性の確保が可能で、
常温加工性および耐高温塩害性にも優れた材質特性を同
時に達成可能な高耐熱性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。
レス鋼の高温強度の向上は、固溶Nb,MoおよびWを
利用する方法と、高温において安定な析出相を微細分散
させる方法とが挙げられる。本発明者らは、まずMo,
WおよびNbの固溶を冷延焼鈍板において確保すること
に着目し、これらの元素を効率よく固溶させることを図
った。即ち、鋼中のC+Nを低減し、さらにTiを適量
添加することでこれらを固定して固溶C+N量を低下さ
せ加工性の向上を図ると同時に、Ti(C,N)による
高温の析出強化も機能させている。
よりもC,Nとの親和力が強いことを利用して、Tiで
C,Nを固定することにある。TiによりC,Nを固定
することでMo,WおよびNbの炭窒化物の析出を抑制
し、これらの元素の固溶量を使用前だけでなく、高温長
時間に渡り確保することを可能にしている。また、特に
高い高温強度を長時間確保するために、eff.Nb量
を規定し、高温長時間使用中の固溶Nb量を確保し、こ
のことによって950℃での引張強度を20MPa以上
としている。
4−270102号明細書に於ける考え方と同様で、本
発明では、特に900℃を越える温度域(実施例では9
50℃)を考慮し、範囲を規定した。eff.Nbは
(1)使用中のNbの析出がMC型からM6 C型(Fe
3 Nb3 C)に変化すること、(2)Nの半分がTiに
より固着され、残り半分のNはNbの窒化物として析出
し残ったTiが炭化物を形成すること等の高温使用にと
もなうNbおよびTiの析出形態の変化を明らかにする
とともに、学振123委員会耐熱金属材料研究報告(v
ol.33,1992,P.1)に記載されているよう
に、(3)Feとの金属間化合物(Laves相)の析
出はある程度まで強化に有効であることを考慮したうえ
で、本願の請求項1に示す高温強度を保持するための指
標としてeff.Nbを規定した。これにより使用中の
高温強度レベルが推定可能となっている。
ニホールド用材料としての最も重要な要求特性である熱
疲労特性を飛躍的に向上させる。さらに、TiおよびN
bの添加で溶接部および溶接影響部の粒径粗大化阻止も
併せて図っており、溶接性についても良好である。一
方、Mo,WおよびNbは、Feとの金属間化合物を作
り易く、これが多量析出し粗大化すると使用中の靱性や
高温強度等を劣化させる。さらに、MoおよびWは耐高
温塩害性を向上させるが、過剰に添加するとその耐高温
塩害性向上効果を失ってしまう。
Vの析出物(VNと推定される)の析出強化を利用し、
900℃を越える温度域での高温強化を図ったものであ
る。Vの析出強化の効果は、高温時効後に於いても大き
くは低下しない。また、固溶強化に比べ、強化量が大き
い。しかし、1>(V/51)/(N/14)ではNが
Vに対して過剰になると、他の窒化物が複合析出し、析
出物が粗大化するので析出強化量が低下する。したがっ
て、Vの原子数をNの原子数に対して過剰にしておく必
要がある((V/51/(N/14)≧1とする)。ま
た、MoおよびWの高温強度および耐高温塩害性向上効
果はV添加系鋼でも同様に作用する。
に適応するため、本願の請求項4では希土類元素を熱間
加工性を害しない範囲で添加した。
明する(化学成分の%は全て重量%)。 C :NbおよびMoの固溶強化にて高温強度を支える
ため、また加工性および熱延板靱性の向上の観点からも
低く抑えたい。しかし、極低化は経済性に不利であると
共に、使用前の高温強度の一部をTi,Nbの炭窒化物
で支えていることから、0.003〜0.015%と
し、V無添加の場合、Nと合わせて;C+N≦0.03
%とした。
酸化性および耐高温塩害性を向上させる元素であるので
0.1%以上とし、一方では、加工性や溶接性を低下さ
せるため2%以下とした。 Mn:脱酸元素であるので最低0.1%は必要である。
また、オーステナイト形成元素でありマルテンサイト変
態を阻止するために上限を2%とした。
あるが、溶接性劣化を招くので0.01〜0.1%とし
た。 S :MnSの形成元素で、ステンレス鋼の基本特性で
ある耐食性を低下させるため0.01%以下とした。 Cr:耐酸化性向上に有効であり、900℃以上での耐
酸化性を確保するため17%以上とした。また、本発明
鋼の使用環境として最高温度を900℃以上と考えると
20%以上の添加はあまり有効ではないので、上限を2
0%とした。
の阻止および高温強度の確保のための添加元素である。
しかし、C,NおよびFeとの親和力が強く、使用中に
析出物を形成し、Nbの固溶強化の効果を900℃以上
の領域でより有効に働かせるために、V無添加の場合
(すなわちNbの固溶強化を主に利用する場合)は、
0.3〜0.8%で、かつeff.Nbとして0.3〜
0.6%とした。Vの析出強化を利用する場合は、熱間
加工性とのバランスを取るため、0.2〜0.6%とし
た。
添加の場合のみの添加とした。C+Nを固着し、加工性
の向上および金相組織の長時間安定性の確保のために必
要な元素である。Tiは、Mo,WおよびNbよりも
C,Nとの親和力が強いため、使用中のNb,Moの炭
窒化物の析出を抑える働きがある。これにより、使用中
の固溶Mo,WおよびNbを確保でき、使用中の高温強
度を確保できる。母相中に固溶しないCおよびNを固着
するために、最低添加量を0.01%とした。また、使
用前の高温強度の一部をTiの炭窒化物で支えているこ
とから、0.5%をこえるTiの添加は炭窒化物を粗大
化させるため使用前の高温強度を低下させる。したがっ
てTiの上限を0.5%とした。
る添加元素であり、ステンレス鋼の基本的特性である耐
食性の確保からも0.1%以上の添加は必要である。ま
た、Nbに比べ、析出しにくいため使用中でも固溶量を
確保できるため、使用中の高温強度の保持に有効であ
る。しかし、2%を越えると常温の延性や熱間加工性お
よび耐高温塩害性が劣化する。また、Feとの金属間化
合物や炭窒化物が多量析出しないことを考慮して、単独
添加で上限を2%とし、Wとの複合添加では3.0≧M
o+W≧0.1とした。
る添加元素である。また、Nbに比べ、析出しにくく、
使用中の高温強度の保持に有効である。しかし、2%を
越えると常温の延性や熱間加工性および耐高温塩害性が
劣化する。また、Feとの金属間化合物や炭窒化物が多
量析出しないことを考慮して、単独添加で上限を2%と
し、Moとの複合添加では3.0≧Mo+W≧0.1と
した。
溶強化にて高温強度を主に支えており、さらに加工性お
よび熱延板靱性の向上の観点からも極力低く抑えたい。
しかしながら、極低化は経済性に不利であるため、高温
強度を低下させないレベルとして単独で0.02%以
下、Cと合わせて;C+N≦0.03%とした。また、
V添加の場合、VN析出形成元素として高温強化に大き
く寄与するため(V/51)/(N/14)≧1を満た
す上で0.005〜0.3%とした。
要な元素である。一方、過剰添加ではVの析出強化能が
飽和するうえ、常温延性にも悪影響を及ぼすため、特に
Nに対して(V/51)/(N/14)≧1を満たす上
で0.01〜1.0%とした。 希土類元素(;ランタノイド系の元素またはYを含むミ
シュメタル):本願請求項4に記載の発明の中に含まれ
る添加元素である。耐酸化性のさらなる向上を必要とす
る場合、添加する元素である。しかし、添加量が0.0
5%を越えると熱間加工性が劣るので、これを上限とし
た。
熱疲労特性、疲労特性を確保するため950℃での高温
強度を20MPa以上とした。
スラブ形状に溶製し、その後、スラブ加熱−熱間圧延−
冷間圧延−焼鈍酸洗を経て2mmの薄板を作製した。この
薄板より引張り試験、高温塩害試験および高温引張り試
験を行った。
比較を示す。試料No. A1〜16の本発明鋼は、950
℃における時効前(使用前を想定)の高温強度、時効後
(使用中を想定)の高温強度のいずれにおいても20M
Pa以上の強度を有している。また、耐高温塩害性およ
び常温延性のそれぞれの特性についても良好である。
温強度が時効前後共に低い。また、eff.Nbが0.
143(試料No. B2)から0.367(試料No. A
1)、さらに0.600(試料No. A2)と増加するに
伴う高温強度の改善効果に比べると、試料No. A2より
eff.Nbが約0.22多く含む試料No. B1は、A
2に比べ、大きな高温強度の改善にはなっていない。T
i添加量の多い試料No.B3では、ほぼ同量のeff.
NbおよびMo+W量を有する試料No. A7に比べ時効
前の高温強度が低くなっている。(V/51)/(N/
14)比の小さい試料No. B5は時効前後(特に時効
後)で高温強度が低くなっている。低Siである試料N
o. B1,MoおよびWが過剰添加である試料No. B
3,B4,B7およびB8では耐高温塩害性が劣る。M
oおよびWの過剰添加は熱間加工性も低下させることが
試料No. B7およびB8の例から判る。V過剰添加の試
料No. B6は、常温延性が低く、熱間加工性にも問題が
ある。また、REM量が0.05%を越えると、試料N
o. B9およびB10の例のように、熱間加工性が悪
い。
特に自動車排気系材料として、燃費向上や大気浄化にと
もなう今後の排気ガス高温化に対応可能な成分系を見い
だしたもので、900℃を越える温度域に於いても対応
可能な高耐熱フェライト系ステンレス鋼を提供できるも
のである。
Claims (4)
- 【請求項1】 重量%で、 C:0.003〜0.015 N:0.02以下 C+N:0.03以下 Si:0.1〜2 Mn:0.1〜2 P:0.01〜0.1 S:0.01以下 Cr:17〜20 Ti:0.01〜0.5 Nb:0.3〜0.8を含み、 残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ下記式で
計算されるeff.Nbが0.3〜0.6の範囲にする
ことを特徴とする950℃での引張強度が20MPa以
上で、かつ耐高温塩害腐食性および加工性に優れた耐熱
フェライト系ステンレス鋼 eff.Nb(%)=Nb(%)−3・93・fc/1
2−93・fn/14但し、Ti(%)−48・(N
(%)/2)/14>0のとき、 C(%)−12・(Ti(%)−48・(N(%)/
2)/14)/48>0で fc=C(%)−12・{Ti(%)−48・(N
(%)/2)/14}/48 fn=N(%)/2 C(%)−12・(Ti(%)−48・(N(%)/
2)/14)/48≦0で fc=0 fn=N(%)/2 Ti(%)−48・(N(%)/2)/14≦0のと
き、 fc=C(%) fn=N(%)−14・(Ti(%)/2)/48 - 【請求項2】 重量%で、 C:0.003〜0.015 Si:0.1〜2 Mn:0.1〜2 P:0.01〜0.1 S:0.01以下 Cr:17〜20 Nb:0.2〜0.6であり、 N:0.005〜0.3 V:0.01〜1.0 の範囲で 1≦(V/51)/(N/14)を満たし、
残部Fe及び不可避不純物からなることを特徴とする9
50℃での引張強度が20MPa以上である耐熱フェラ
イト系ステンレス鋼。 - 【請求項3】 重量%で、 Mo:0.1〜2.0 W:0.1〜2.0 の少なくとも一種を含み、複合添加の場合は0.1〜
3.0重量%の範囲で含有する請求項1または2記載の
耐熱フェライト系ステンレス鋼。 - 【請求項4】 少なくとも一種の希土類元素(ここで希
土類元素とは、ランタノイド系元素およびYのことを示
す)を合計で0.05重量%以下の範囲で含有する請求
項1〜3記載の耐熱フェライト系ステンレス鋼。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP21880193A JP2959934B2 (ja) | 1993-09-02 | 1993-09-02 | 耐熱フェライト系ステンレス鋼 |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2002146484A (ja) * | 2000-11-10 | 2002-05-22 | Sanyo Special Steel Co Ltd | 高強度フェライト系耐熱鋼 |
JP2010043327A (ja) * | 2008-08-13 | 2010-02-25 | Jfe Steel Corp | 熱疲労特性、耐酸化性および耐高温塩害腐食性に優れるフェライト系ステンレス鋼 |
JP2010043326A (ja) * | 2008-08-13 | 2010-02-25 | Jfe Steel Corp | 熱疲労特性、耐酸化性および靭性に優れるフェライト系ステンレス鋼 |
JP2010043324A (ja) * | 2008-08-13 | 2010-02-25 | Jfe Steel Corp | 熱疲労特性と耐酸化性に優れるフェライト系ステンレス鋼 |
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CN103348023B (zh) | 2011-02-08 | 2015-11-25 | 新日铁住金不锈钢株式会社 | 铁素体系不锈钢热轧钢板及其制造方法、以及铁素体系不锈钢板的制造方法 |
-
1993
- 1993-09-02 JP JP21880193A patent/JP2959934B2/ja not_active Expired - Lifetime
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