JPH09296259A - 断続的加熱時の耐久性に優れたフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 断続的加熱時の耐久性に優れたフェライト系
ステンレス鋼を提供する。 【解決手段】 重量％で、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｍ
ｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１０〜２５％、Ａｌ：０．０
５〜１％未満、Ｎｂ：０．０８〜２．０％、Ｎ：０．０
２〜０．１％以下で残部がＦｅおよび製鋼上不可避的に
混入する不純物からなることを特徴とする断続的加熱時
の耐久性に優れたフェライト系ステンレス鋼であり、上
記本発明鋼において、Ｃは、靭性向上のために０．０２
〜０．２％、ＮｂとＮは、Ｎｂ≦１０（Ｃ＋Ｎ）の関係
を満たすことが好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、断続加熱時の耐久
性に優れたフェライト系ステンレス鋼に係わる。具体的
には、自動車、自家発電機等の内燃機関の排気ガス浄化
やプラントで使用される触媒装置に使用されるステンレ
ス鋼に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、内燃機関とりわけ自動車用ガソリ
ンエンジンの排気ガス浄化用触媒装置にメタルハニカム
が用いられる場合が増えてきた。その理由は、従来用い
られてきたセラミックハニカムに比べてメタルハニカム
の開孔率が大きいうえ、温度の上下が激しい環境下にお
いてもメタルハニカムは耐久性に優れているなどの利点
があるからである。このメタルハニカムは、耐熱性の優
れたステンレス鋼箔で厚さ５０μｍ程度の平箔と、これ
を波付け加工したものを重ね、これらを相互に接合した
ものである。

【０００３】ステンレス鋼箔としては特公昭５８ー２３
１３８号公報、特公昭５４ー１５０３５号公報、特開昭
５６ー９６７２６号公報、特開昭５８−１７７４３７号
公報、特開昭６３−４５３５１号公報などに記載されて
いるように、耐熱性に優れたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金箔
が用いられている。これらの箔は高温で表面に酸化アル
ミニウム皮膜を生じてきわめて優れた耐酸化性を保持す
る。

【０００４】上記各公報では、耐酸化性および酸化皮膜
の密着性を向上・改善する手段としてＹや希土類元素の
添加が有効であることが知られている。たとえば、特開
昭５８−１７７４３７号公報ではＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合
金の主として酸化皮膜の剥離を防止するために０．００
２〜０．０５重量％のＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄを含む総
量０．０６重量％までの希土類元素を添加した合金が開
示されている。

【０００５】また接合方法としては、特開昭６１ー１９
９５７４号公報の記載にあるようなろう付け、特開昭６
４ー４０１８０号公報の記載にあるような抵抗溶接、特
開昭５４ー１３４６２号公報の記載にあるようなレーザ
ービーム溶接や電子ビーム溶接など各種のものが用いら
れている。また排気ガスの燃焼温度が比較的低いジィー
ゼル用の触媒担体としては、１３Ｃｒ−２Ｓｉ鋼箔が適
用可能であることが、特開平５−０２４５１７公報に開
示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ハニカム材として使用
されているＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金箔たとえば２０Ｃｒ−
５Ａｌ鋼箔は表面に酸化アルミニウム皮膜を生じるので
耐酸化性は優れている。しかしながら、Ａｌを５％も含
有するため低靭性であり通常のステンレス鋼の量産ライ
ンでの製造が著しく難しく、生産性が低いだけでなく、
高コストの製品となる。このため、自動車エンジンの排
気ガス浄化用触媒担体の場合には、上記合金箔はエンジ
ン直下の非常に厳しい高温使用環境のいわば特殊用途に
は使用されているが、エンジンから遠く離れたマイルド
な高温使用環境への適用は一部に限られている。

【０００７】一方、アルミナ酸化皮膜を形成しないフェ
ライト系ステンレス鋼、たとえばＳＵＳ４３０鋼に代表
されるステンレス鋼やＳｉを含有するステンレス鋼たと
えばＦｅー１８Ｃｒー２Ｓｉ鋼では、高温での耐酸化性
や酸化皮膜の密着性が不十分であり、ガソリン車用の自
動車触媒担体としては適用が難しい。

【０００８】本発明は、上記ステンレス鋼の問題点を解
決して、アルミナ皮膜を形成するＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金
にＹや希土類元素を添加することにより耐酸化性を改善
するという従来手法とは別の手法により、すなわちアル
ミナ皮膜を形成せずに耐熱性・耐久性に優れた、メタル
触媒担体等に適用可能な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】上記目的をするために本
発明者らが検討した結果、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ａｌ系ス
テンレス鋼にＮｂとＮを複合添加することにより、クロ
ミナを主体とする酸化皮膜を形成し、大気中はもとより
燃焼雰囲気中においても高温酸化に対して十分な抵抗を
有するのみならず、構成材料としてこのような環境下に
あっても優れた耐久性を有するフェライト系ステンレス
鋼が得られることを知見した。

【００１０】本発明は、上記知見に基づくものであっ
て、重量比で、 Ｓｉ：１．０〜３．０％、 Ｍｎ：１．０％以下、 Ｃｒ：１０〜２５％、 Ａｌ：０．０５〜１％未満、 Ｎｂ：０．０８〜２．０％、 Ｎ ：０．０２〜０．１％ で残部がＦｅおよび製鋼上不可避的に混入する不純物か
らなることを特徴とする断続的加熱時の耐久性に優れた
フェライト系ステンレス鋼である。上記本発明鋼におい
て、Ｃは、靭性向上のために０．０２〜０．２％が好適
である。また、ＮｂとＮは、Ｎｂ≦１０（Ｃ＋Ｎ）の関
係を満たすことが好適である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
最初に本発明におけるステンレス鋼の成分限定理由を述
べる。 Ｃ：Ｃは、本発明にあっては、熱延板の靭性を向上する
のに著しく効果のある元素である。すなわち、Ｃは高温
においてγ相を形成しやすくする元素であり、熱間加工
温度範囲の高温でγ相を多量に析出させることによっ
て、熱延板の結晶粒を微細化し、熱延板の靭性を著しく
改善する。その効果を得るためには０．０２％以上の添
加が好ましく、Ｃ量の増加とともに効果的となるが、
０．２％を超えて添加すると、耐酸化性が劣化するのに
加え、Ｃｒ炭化物を多量に形成することにより耐食性が
劣化するので上限を０．２％とした。

【００１２】Ｓｉ：Ｓｉは、本発明にあっては耐酸化性
を改善するのに有効な元素であり、特に箔材としての使
用時に異常酸化を防止するのに効果が大きく、そのため
に１％以上の添加が必要であるが、多量の添加は材料の
靭性、加工性を劣化させ、製造が困難となるため、上限
を３％とした。

【００１３】Ｍｎ：Ｍｎは、通常、製鋼上不可避的に含
まれるが、脱酸および加工性の改善の観点から若干量の
添加が必要である。しかし、１％を超えると耐酸化性に
悪影響を及ぼすので１％以下とする必要がある。

【００１４】Ｃｒ：Ｃｒは、フェライト系ステンレス鋼
にあっては最も基本的な元素で有り、耐食性、耐酸化性
を確保するには必須である。本発明にあっては保護酸化
皮膜形成の点でＳｉと相互作用が有り、最低限必要な耐
酸化性の確保のためには１０％以上の添加を必要とし、
その量が増すほど効果が有るが、２５％を超えて添加し
ても効果が飽和して、むしろ製造性を劣化させるので上
限を２５％とした。

【００１５】Ａｌ：Ａｌは、本発明にあっては非常に重
要な元素であり、添加の主目的は、高温でのα相を安定
化し、使用時のγ相形成を防ぐことにある。Ａｌ量は、
高温でのγ相形成を著しく促進するＣとの関係から決定
されるが、Ｃ量が前記範囲にあってはＡｌは少なくとも
０．０５％以上必要である。しかし、多量に添加して
も、γ相抑制効果が飽和する傾向をもち、Ａｌの多量添
加は製造性をも著しく低下するので上限を１％とした。
本発明にあっては、Ａｌは、高温でα相を安定化するだ
けでなく、耐酸化性とくにクロミナ酸化皮膜の密着性を
著しく改善する有効な元素である。この点からはＡｌ含
有量はＳｉ含有量より少ないことが望ましい。

【００１６】Ｎｂ：Ｎｂは、次に述べるＮとともに複合
添加することにより、鋼材特に箔材の耐酸化性を向上す
るとともに、高温強度を改善する。０．０８％未満では
添加効果が不十分であり、２．０％を超えると材質が硬
くなり、熱間加工性、熱延板の靭性等の製造性も悪くな
る。従って、Ｎｂは０．０８〜２．０％に限定する。Ｎ
ｂは箔材の耐酸化性や高温強度を改善するだけでなく、
併せて材料の耐食性を向上する有用な元素である。本発
明にあっては、Ｎｂの添加は冷間圧延板の焼鈍時の再結
晶温度を上昇させるので、できれば０．４％以下が好ま
しく、さらに、ＣとＮとの関連からは、Ｎｂ量はＮｂ≦
１０（Ｃ＋Ｎ）の関係を満たすことが好ましい。

【００１７】Ｎ：Ｎは、本発明にあっては、前述のＮｂ
と複合添加することにより、箔材の耐酸化性を著しく向
上する元素である。またＮは高温強度や耐食性を向上さ
せる。さらには、Ｎは、Ｃと同様に、高温においてγ相
を形成しやすくする元素であり、熱間加工温度範囲の高
温でγ相を多量に析出させることによって、熱延板の結
晶粒を微細化し、熱延板の靭性を著しく改善する。上記
効果を得るには０．０２％以上の添加が必要であり、そ
の量の増加とともに効果的となるが、０．１％を超えて
添加すると、鋳造時にブローホールが形成される傾向が
あるため、熱延等の加工時にキズの原因になり、またこ
のキズを除去するために作業性が低下することがあるた
め、上限を０．１％とした。

【００１８】他の元素：本発明鋼においては、Ｐ，Ｓそ
の他の元素について特に規定しいないが、これらは通常
のステンレス鋼に含有されるレベルであれば問題ない。

【００１９】以上の成分からなる本発明鋼は、例えば石
油またはガス暖房器の熱交換器、あるいは加熱炉のシー
ルプレート等９００℃を超えるような高温までの加熱・
冷却を受ける可能性のある部位に使用した場合、材料の
繰り返しによって生ずる酸化抵抗のみならず、変形も抑
制し、これらの構成材として優れた耐久性を示す。ま
た、自動車排気ガス浄化用触媒ハニカムとして適用する
場合には、本発明鋼は５０μｍ程度の箔材として使用さ
れるが、ガソリンエンジン用の触媒担体として耐酸化性
だけでなくハニカム構造体としても優れた耐久性を示
す。なお、本発明鋼は、通常のフェライト系ステンレス
鋼の製造工程により、溶製、鋳造、圧延、焼鈍を経て製
造できる。

【００２０】

【実施例】次に実施例により、本発明を説明する。 （実施例１）表１に示す鋼を高周波真空溶解炉で１５kg
溶製し、インゴット鍛造した後、１２００℃で１hr保定
してから熱間圧延で厚さ４mmにした後、自然放冷し、板
の表面温度が７５０℃になったところで７００℃の加熱
炉中に挿入し１hrの保定後炉冷した。次に、得られた熱
延板をデスケ−リング後に冷間圧延して厚さ１mmにし
た。さらに８００℃〜９００℃で焼鈍後デスケ−リング
し、さらに冷間圧延により５０μｍの箔を作製した。こ
れらの箔材について、幅２０mm×長さ２５mmの試験片を
採取して、大気中での９００℃および９５０℃の温度に
おいて、２５時間毎の断続加熱試験を３００時間あるい
は異常酸化が発生するまで実施し、耐酸化性を評価し
た。異常酸化寿命が２００時間以上の箔材を良（○
印）、２００時間未満の箔材を不良（×印）と評価し
た。また、９００℃で１０分保持後１５分間冷却する断
続加熱試験を１０００サイクルまで実施し、異常酸化の
発生有無で耐酸化性を評価した。この１０００サイクル
の断続加熱試験は酸化皮膜の密着性の評価も兼ねた。こ
こでいう異常酸化とは、鉄を主体とする酸化物が生成し
５０μｍの箔材を貫通してしまうことを意味する。異常
酸化なしを良（○印）、ありを不良（×印）とした。

【００２１】さらには、材料の製造性に関して、冷間加
工性すなわち熱延板の靭性を評価した。各熱延板から１
／３サブサイズＶノッチシャルピー試験片を採取し、衝
撃試験を実施して靭性を評価した。判断指標として、一
の温度における衝撃吸収エネルギーの３点の平均値が３
kg・ｍ／cm² を超える温度とし、この温度が２０℃以下
のものを良（○印）、２０℃〜１００℃のものをやや良
（△印）、１００℃超のものを不良（×印）とした。○
印のものは工場の大量生産時にも何等特別の処置を要さ
ずに、通常のステンレスと同様製造が可能であり、△印
のものは若干の加熱処理を必要と場合もあるが基本的に
は大量生産が十分可能なものである。一方、×印は工場
生産が全く不可能ではないものの、その際には鋼板の温
度管理や取扱いに常に特別な注意が必要であり、生産性
が極度に低下し生産コストが著しくアップすると判断で
きるものである。

【００２２】上記した評価の結果を表２に示す。本発明
例の各鋼箔は、いずれも２００時間以上の長寿命を示
し、１０００サイクルまでの断続加熱試験においても本
発明例の箔材は優れた耐酸化性を示すとともに、熱延板
の靭性に優れ、工場での大量生産が容易である。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】（実施例２）表１に示す合金箔から４０mm
×４０mmの試験片（平箔）を採取し、この箔を正弦波状
に波付け加工した箔（波箔）を準備して平箔／波箔／平
箔に積層した。これに０．５kg／cm² 程度の荷重を負荷
して、１２００℃×３０分の真空熱処理を実施して拡散
接合性を評価した。拡散接合性の良否は、剥離試験でマ
クロ的に評価し、拡散接合良好な箔を○印で、部分的に
しか接合していない箔を△印で、接合していない箔を×
印とした。表２に結果を示す。本発明例の箔は、すべて
拡散接合性に優れている。

【００２６】（実施例３）表１に示す成分のうちＮｏ．
１，２，３，９および２４の合金を１００kg真空高周波
炉で溶解、鋳造後、１２００度に加熱し熱間で３０％の
圧延後空冷し、さらに１１８０℃で１時間加熱後、熱間
圧延して厚さ３．８mmの熱延板を作製した。さらにこれ
をショットブラスト、酸洗、冷間圧延、焼鈍、デスケ−
リング、箔圧延、脱脂、スリットの手順を経て厚さ５０
μｍ、幅９７mmのコイルを作製した。これら５０μｍ厚
の箔の一部を波付け加工して波箔を得、平箔と重ねて巻
回して外径９７mmφ、長さ１００mmのハニカムを作製し
た。さらに外筒として１９Ｃｒ％鋼の厚さ１．５mmのス
テンレス鋼板で外径１００mmφ、長さ１００mmの円筒を
作り、この中に前記のハニカムを挿入した。これらを真
空中で１２００℃×３０分間の熱処理を行い、箔どうし
および箔と外筒間の所定の部位を相互に拡散接合させ
た。

【００２７】このようにしてメタルハニカム体（外筒な
しのもの）およびメタルハニカム触媒担体としたあとに
拡散接合性の良否を評価した。評価基準は実施例２と同
様である。また、これらのメタルハニカム体を大気中９
００℃および９５０℃で２００時間熱処理し耐酸化性を
評価した。さらには、これらのハニカム体にアルミナを
主体とするウオッシュコート（γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｃ
Ｏ₂ ，Ｐｔ等の貴金属元素からなる。）を担持して、密
着性を評価した。表３に上記評価結果を示す。実施例の
合金箔からなるハニカム体は、拡散接合性が非常に優
れ、耐酸化性、密着性にも優れている。

【００２８】

【表３】

【００２９】（実施例４）次に、実施例３のメタル触媒
担体をエンジンの排気ガス通路に装着し、エンジンベン
チ試験を実施した。エンジン試験は排気量２０００ccの
４気体筒のガソリンエンジンを使用した。触媒担体入り
側の排気ガス温度を８５０℃とし１０分間エンジン運転
した後、エンジンを停止し強制的に冷却することによ
り、触媒担体温度が１００℃以下になるまで冷却する加
熱・冷却のサイクル試験を１０００回繰り返した。その
間、排気ガスの触媒反応により箔材の温度は９００〜９
５０℃にまで達した。試験後、ハニカムを構成する箔材
の耐酸化性、接合性、損傷の程度を評価して、耐構造耐
久性を見た。耐酸化性は、異常酸化が発生した場合を不
良（×印）、異常酸化の発生なしを良（○印）とした。
また、ハニカム体のガス流方向への端面のズレ等の不具
合の有無で接合性を評価し、ガス入り側端面でのセルの
潰れ、箔切れ等の損傷を見て不具合なしを○印、不具合
発生を×印で示した。

【００３０】評価結果を表４に示す。本発明例のハニカ
ム体は、わずかなセル変形は生じたが、異常酸化の発生
や不具合の発生その他の激しい損傷は認められず、いず
れも耐構造耐久性に優れていることが分かる。これに対
し、比較例においては、耐酸化性が不足し部分的あるい
は全面的に異常酸化が発生した。また高Ａｌの比較例２
４では、接合が不十分だったため、接合部の強度が不足
してガス流れの方向にズレを若干生じていた。

【００３１】

【表４】

【００３２】

【発明の効果】本発明のフェライト系ステンレス鋼は、
Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系合金に微量Ａｌを含有させ、さらに
ＮｂとＮを複合添加することによって、断続的加熱時の
耐久性に優れているので、本発明鋼の箔材から構成され
るメタルハニカム触媒担体は耐久性が向上して、ガソリ
ンエンジンに適用できる。また、本発明鋼は冷間加工性
が良好で製造性に優れるているので、通常のステンレス
鋼の生産ラインで容易に大量生産でき、生産性が向上す
る。また本発明鋼からなる合金箔は拡散接合性に優れて
いるので、メタルハニカムを接合するのに高価なロウ材
の使用が不要でかつ真空炉での加熱時間を短縮化するこ
とも可能である。さらに本発明鋼は、高温強度が高いた
めに、従来のＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系合金からなるメタル触
媒担体よりも耐熱性、高温耐久性が優れているのみなら
ず、耐食性にも優れているのでウオッシュコート相を担
持する際の耐酸性にも優れている。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｓｉ：１．０〜３．０％、 Ｍｎ：１．０％以下、 Ｃｒ：１０〜２５％、 Ａｌ：０．０５〜１％未満、 Ｎｂ：０．０８〜２．０％、 Ｎ ：０．０２〜０．１％ で残部がＦｅおよび製鋼上不可避的に混入する不純物か
   らなることを特徴とする断続的加熱時の耐久性に優れた
   フェライト系ステンレス鋼。
2. 【請求項２】 重量％で、さらにＣ：０．０２〜０．２
   ％を含有していることを特徴とする請求項１記載の断続
   的加熱時の耐久性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
3. 【請求項３】 Ｎｂが重量％で、Ｎｂ≦１０（Ｃ＋Ｎ）
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１または２記載
   の断続的加熱時の耐久性に優れたフェライト系ステンレ
   ス鋼。