JPWO2015174078A1 - フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

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Abstract

熱疲労特性及び耐酸化性に優れ、高温疲労特性に極めて優れたフェライト系ステンレス鋼を提供する。質量%で、C:0.020%以下、Si:3.0%以下、Mn:2.0%以下、P:0.040%以下、S:0.030%以下、Cr:10.0〜20.0%、N:0.020%以下、Nb:0.005〜0.15%、Al:0.20〜3.0%、Ti:5×(C+N)〜0.50%、Cu:0.55〜1.60%、B:0.0002〜0.0050%、Ni:0.05〜1.0%およびO:0.0030%以下を含有し、Al/O≧100を満たして残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼とする。ここで、5×(C+N)中のC、NおよびAl/O中のAl、Oは各元素の含有量(質量%)を表す。

Description

本発明は、優れた熱疲労特性、高温疲労特性および耐酸化性を有するフェライト系ステンレス鋼に関する。本発明のフェライト系ステンレス鋼は、自動車やオートバイの排気管、触媒外筒材(コンバーターケースともいう)や火力発電プラントの排気ダクト等の高温環境下で使用される排気系部材に好ましく適用可能である。
自動車の排気系環境下で使用されるエキゾーストマニホールド、排気パイプ、コンバーターケース、マフラー等の排気系部材は、熱疲労特性、高温疲労特性および耐酸化性(以下、これらをまとめて「耐熱性」と呼ぶ場合がある。)に優れることが要求される。このような耐熱性が求められる用途には、現在、NbとSiを添加した鋼(例えば、JFE429EX(15質量%Cr−0.9質量%Si−0.4質量%Nb系)(以下Nb−Si複合添加鋼と呼ぶ場合がある))のようなCr含有鋼が多く使用されている。特にNbを含むCr含有鋼は、優れた耐熱性を有することが知られている。しかし、Nbが添加されているとNb自身の原料コストが高い結果、鋼の製造コストが高くなる。そこで、製造コストの観点から、Nbの添加を最小限とした上で高い耐熱性を有する鋼の開発が必要となる。
この問題に対して、特許文献1にはTi、CuおよびBを複合添加することで耐熱性を高めたステンレス鋼板が開示されている。
特許文献2にはCuを添加することで、加工性を高めたステンレス鋼板が開示されている。
特許文献3にはTiを添加することで、耐熱性を高めた耐熱フェライト系ステンレス鋼板が開示されている。
特許文献4にはNb、Cu、Ti、NiおよびAlを添加することで、耐熱性を高めた耐熱フェライト系ステンレス鋼板が開示されている。
特開2010−248620号公報 特開2008−138270号公報 特開2009−68113号公報 特開2013−100595号公報
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、Cuが添加されているので、耐連続酸化性に劣る。また、特許文献1に記載の技術では、Tiが添加されているので、酸化スケールの密着性が低下する。耐連続酸化性が不足していると、高温での使用中に酸化スケールが増大し、母材の肉厚が減少するため優れた熱疲労特性は得られない。また、酸化スケールの密着性が低いと、使用中に酸化スケールの剥離が生じ、他部材への影響が問題となる。
通常、酸化スケールの増加量を評価する場合には、高温で等温保持した後の酸化増量を測定する連続酸化試験を行い、酸化スケールの密着性を評価する場合には、昇温と降温を繰り返し、酸化スケールの剥離の有無を調べる繰り返し酸化試験を行う。このとき、前者を耐連続酸化性と呼び、後者を耐繰り返し酸化性と呼ぶ。以下、耐酸化性と呼ぶ場合は、耐連続酸化性と耐繰り返し酸化性の両方を意味する。
特許文献2に記載の技術では、Tiが適量添加されていないため、鋼中のC、NとCrが結びつき、粒界近傍にCr欠乏層が形成される鋭敏化が生じる。鋭敏化が生じると、Cr欠乏層における耐酸化性が低下するため、鋼として優れた耐酸化性が得られないという問題がある。
特許文献3には、Cu、Ti、NiおよびBを複合添加した例は開示されていない。Bが添加されていないと、ε−Cuが析出する際の微細化効果が得られず、優れた熱疲労特性は得られないという問題がある。
特許文献4に記載の技術では、Nb、Cu、TiおよびNiに加えてAlを添加することで優れた熱疲労特性、耐酸化性、高温疲労特性を得ているが、さらに高温疲労特性を改善できればより好ましい。
本発明は、上記問題点を解決するために完成された発明であり、その目的は、熱疲労特性及び耐酸化性に優れ、高温疲労特性に極めて優れたフェライト系ステンレス鋼を提供することにある。
発明者らは、Cu、Ti、NiおよびAlを含有する鋼の高温疲労特性について鋭意検討を行い、鋼中のO(酸素)含有量が高温疲労特性に影響することを明らかにした。しかし、特許文献4では鋼中O含有量については記載されていない。本発明では、鋼中O含有量の影響を考慮し、O含有量を適正量に限定することにより、熱疲労特性および耐酸化性に優れ、極めて優れた高温疲労特性を有するフェライト系ステンレス鋼板を提供できる。
ここで、本発明でいう「優れた熱疲労特性」とは、800℃と100℃の間を拘束率0.5で繰り返した際の寿命が910サイクル以上であることをいう。また、本発明でいう「優れた耐酸化性」とは大気中1000℃で300時間保持された後の酸化増量が50g/m未満であり、かつ大気中1000℃と100℃の間で昇温と降温を400サイクル繰り返した後に酸化スケールの剥離が生じないことをいう。また、本発明でいう「極めて優れた高温疲労特性」とは、800℃において70MPaの曲げ応力を100×10回繰り返し付加しても破断が生じないことをいう。
本発明は上記の知見に更に検討を加えてなされたもので、その要旨は、以下の通りである。
[1]質量%で、C:0.020%以下、Si:3.0%以下、Mn:2.0%以下、P:0.040%以下、S:0.030%以下、Cr:10.0〜20.0%、N:0.020%以下、Nb:0.005〜0.15%、Al:0.20〜3.0%、Ti:5×(C+N)〜0.50%、Cu:0.55〜1.60%、B:0.0002〜0.0050%、Ni:0.05〜1.0%およびO:0.0030%以下を含有し、Al/O≧100を満たして残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。ここで、5×(C+N)中のC、NおよびAl/O中のAl、Oは各元素の含有量(質量%)を表す。
[2]さらに、質量%で、REM:0.005〜0.08%、Zr:0.01〜0.50%、V:0.01〜0.50%およびCo:0.01〜0.50%の中から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする[1]に記載のフェライト系ステンレス鋼。
[3]さらに、質量%でCa:0.0005〜0.0030%およびMg:0.0010〜0.0030%の中から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする[1]または[2]に記載のフェライト系ステンレス鋼。
[4]さらに、質量%でMo:0.1〜1.0%以下を含有することを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼。
本発明によれば、Nb含有量を最小限とした上で、優れた熱疲労特性、耐酸化性、極めて優れた高温疲労特性を有するフェライト系ステンレス鋼を得ることができる。
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、優れた熱疲労特性、耐酸化性、極めて優れた高温疲労特性を有するため、特に、自動車用排気系部材として好ましい。
図1は、高温疲労試験に供した疲労試験片を説明する図である。 図2は、熱疲労試験片を説明する図である。 図3は、熱疲労試験条件(温度、拘束条件)を示す図である。 図4は、高温疲労試特性に及ぼすAl含有量およびO含有量の影響を説明する図である。
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
本発明のフェライト系ステンレス鋼の成分組成について説明する。以下の説明において、成分の含有量を表す「%」は「質量%」を意味する。
C:0.020%以下
Cは、鋼の強度を高めるのに有効な元素である。しかし、C含有量が0.020%を超えると、靭性および成形性の低下が顕著となる。よって、本発明では、C含有量を0.020%以下とする。なお、ステンレス鋼の成形性を確保する観点からは、C含有量は低いほど好ましく、成形性の観点からはC含有量を0.015%以下とするのが望ましい。さらに望ましくは0.010%以下である。一方、排気系部材としての強度を確保するには、C含有量を0.001%以上とすることが好ましく、より好ましくは、0.003%以上である。
Si:3.0%以下
Siは、耐酸化性向上のために重要な元素である。その効果はSi含有量を0.1%以上にすることで得られやすい。より優れた耐酸化性を必要とする場合、Si含有量を0.3%以上にすることが望ましい。しかし、Si含有量が3.0%を超えると、ステンレス鋼の加工性が低下するだけでなく、スケール剥離性も低下する。よって、Si含有量は3.0%以下とする。より好ましいSi含有量は、0.4〜2.0%の範囲である、さらに好ましくは0.5〜1.0%の範囲である。
Mn:2.0%以下
Mnは、鋼の強度を高める元素であり、また、脱酸剤としての作用も有する。また、Mnは、Siを含有することで生じやすくなる酸化スケール剥離を抑制する。これらの効果を得るためには、Mn含有量を0.05%以上にすることが好ましい。しかし、Mn含有量が2.0%を超えると、酸化増量が著しく増加するのみならず、高温でγ相が生成しやすくなり耐熱性が低下する。よって、Mn含有量は2.0%以下とする。好ましいMn含有量は、0.10〜1.0%の範囲である。さらに好ましくは0.15〜0.50%の範囲である。
P:0.040%以下
Pは、靭性を低下させる有害元素である。P含有量は可能な限り低減するのが望ましい。そこで、本発明では、P含有量は0.040%以下とする。好ましくは、0.030%以下である。
S:0.030%以下
Sは、伸びやr値を低下させて、成形性に悪影響を及ぼすとともに、ステンレス鋼の基本特性である耐食性を低下させる有害元素でもある。このため、S含有量はできるだけ低減するのが望ましい。よって、本発明では、S含有量は0.030%以下とする。好ましくは、0.010%以下である。さらに好ましくは0.005%以下である。
Cr:10.0〜20.0%
Crは、ステンレス鋼の特徴である耐食性、耐酸化性を向上させるのに有効な重要元素である。Cr含有量が10.0%未満では、十分な耐酸化性が得られない。一方、Crは、室温において鋼を固溶強化し、硬質化、低延性化する元素である。特にCr含有量が20.0%を超えると、この弊害が顕著となるので、上限は20.0%とする。好ましいCr含有量は、12.0〜18.0%の範囲である。さらに好ましくは14.0〜16.0%の範囲である。
N:0.020%以下
Nは、鋼の靭性および成形性を低下させる元素である。N含有量が0.020%を超えると、成形性の低下が顕著となる。よって、N含有量は0.020%以下とする。また、N含有量は、ステンレス鋼の靭性、成形性を確保する観点からは、できるだけ低減するのが好ましく、0.015%以下とするのが望ましい。このように、Nを積極添加しないことが好ましく、Nを積極添加しないステンレス鋼、即ち、Nを含まないステンレス鋼および不可避不純物としてNを含むステンレス鋼は本発明のステンレス鋼である。ただし、N含有量を低減するためには精錬時間を長くする必要がある。このため、N含有量を過剰に低減することは、製造コスト増加に繋がる。本発明では靭性、成形性と製造コストのバランスを考慮してN含有量は0.005%以上0.015%以下が望ましい。
Nb:0.005〜0.15%
本発明のようなCu含有鋼では、ε−Cuをより微細に析出させて、ε−Cuの粗大化を抑制して、熱疲労特性や高温疲労特性を向上させる効果がある。その効果はNb含有量を0.005%以上含有することで得られる。しかし、0.15%を超えてNbを含有すると、鋼の再結晶温度が大きく上昇して、製造時の焼鈍温度を上昇させなければならなくなり、製造コストも増加してしまう。よって、Nb含有量は、0.005〜0.15%の範囲とする。好ましくは、0.02〜0.12%の範囲である、より好ましくは0.04〜0.10%の範囲である。
Al:0.20〜3.0%
AlはCu含有鋼の耐酸化性および耐高温塩害腐食性の向上に寄与する元素として知られている。本発明では、Alは、固溶強化により鋼の高温強度を増加させて高温疲労特性を向上させる元素としても重要である。これらの効果はAl含有量を0.20%以上にすることで得られる。一方、Al含有量が3.0%を超えると鋼の靭性が著しく低下し、脆性破壊し易くなり、優れた高温疲労特性は得られなくなる。そこで、Al含有量は0.20〜3.0%の範囲とする。好ましくは0.25〜1.0%の範囲である。高温疲労特性と耐酸化性および靭性が最もバランス良く得られるのは、Al含有量が0.30〜0.50%の範囲である。
後述するが、AlはOと結びついて酸化物となりやすい元素である。鋼中O含有量が多いと、その分だけAlは酸化物を形成してしまう。Al酸化物の形成量が多くなるほど、鋼中のAl固溶量が減少し、固溶強化量が低下してしまう。さらに、鋼中Oと結びついて形成されたAl酸化物は亀裂の起点となりやすいため、高温疲労特性を劣化させる。そのため、本発明ではなるべくAlを鋼中に固溶させるため、後述するように鋼中O量を最小限に抑える。
Ti:5×(C+N)〜0.50%
Tiは、Nbと同様、C、Nを固定して、ステンレス鋼の耐食性や成形性、溶接部の粒界腐食性を向上させる作用を有する。本発明では、TiによりC、Nを固定できるため、Nb含有量を最小限に抑えることができる。つまり、本発明では、Tiは、C、Nを固定するために重要な元素となる。その効果を得るためにはTi含有量を5×(C+N)%以上の含有が必要である。ここで、5×(C+N)中のC、Nは各元素の含有量(質量%)を表す。Ti含有量がこれより少ない場合、C、Nを十分に固定することができず、Crが粒界に炭窒化物を形成する。これにより、粒界近傍にCr量が少ない領域(Cr欠乏層)が生じる鋭敏化現象が発生し、ステンレス鋼の耐酸化性が低下してしまう。また、C、Nに対してTiが不足した分はAlがNと結びつくことになるため、本発明において重要なAlの固溶強化による高温疲労特性向上効果も得られなくなる。一方、Ti含有量が0.50%を超えると鋼の靭性が低下するのみならず、酸化スケールの密着性(=耐繰り返し酸化性)が低下する。したがって、Ti含有量は5×(C+N)〜0.50%の範囲とする。好ましくは0.15超〜0.40%の範囲である。より好ましくは0.20〜0.30%の範囲である。
Cu:0.55〜1.60%
Cuは、熱疲労特性の向上には非常に有効な元素である。これはε−Cuの析出強化に起因したものであり、本発明のようなTi含有鋼においてその効果を得るためには、Cu含有量を0.55%以上にする必要がある。一方、Cuは耐酸化性と加工性を低下させる上、Cu含有量が1.60%を超えるとε−Cuの粗大化を招き、却って熱疲労特性が低下する。したがって、Cu含有量は0.55〜1.60%の範囲とする。好ましくは0.7〜1.3%の範囲である。ただし、Cu含有だけでは十分な熱疲労特性向上効果は得られない。前述したように、Nbを微量添加することによりε−Cuを微細化し、ε−Cuの粗大化を抑制するのみならず、後述するように、Bを複合添加することにより、同様にε−Cuを微細化し、ε−Cuの粗大化を抑制して析出強化効果を長時間持続させる必要がある。このようにすることで、熱疲労特性を向上させることができる。
B:0.0002〜0.0050%
Bは、加工性、特に二次加工性を向上させる。さらに、Bは、本発明のようなCu含有鋼においては、ε−Cuを微細化し高温強度を上昇させ、かつε−Cuの粗大化を抑制する効果も有するため、熱疲労特性を向上させるのに有効な本発明に重要な元素である。Bを含有しないとε−Cuが粗大化しやすく、Cu含有による熱疲労特性向上効果が十分に得られない。また、本発明において、Bは、耐酸化性、特に水蒸気雰囲気中の耐酸化性を向上させる効果も有する重要な元素である。これらの効果はB含有量を0.0002%以上にすることで得ることができる。一方、B含有量が0.0050%を超えると鋼の加工性、靭性が低下する。従って、B含有量は0.0002〜0.0050%の範囲とする。好ましくは0.0005〜0.0030%の範囲である。
Ni:0.05〜1.0%
Niは本発明において重要な元素である。Niは鋼の靭性を向上させるのみならず、耐酸化性も向上させる元素である。その効果を得るためには、Ni含有量を0.05%以上にする必要がある。Niを含有しないかまたはNi含有量がこれより少ない場合、Cu含有とTi含有により低下した耐酸化性を補うことが出来ず、十分な耐酸化性が得られない。耐酸化性が不足すると、酸化量が増えることで母材の板厚が減少することや、また、酸化スケールが剥離することで亀裂の起点が生じることから、優れた熱疲労特性が得られなくなる。一方、Niは高価な元素であり、また、強力なγ相形成元素である。Ni含有量が1.0%を超えると高温でγ相を生成し、却って耐酸化性が低下する。よって、Ni含有量は0.05〜1.0%の範囲とする。好ましくは、0.10〜0.50%の範囲である、より好ましくは0.15〜0.30%の範囲である。
O:0.0030%以下
Oは本発明のようなAl含有鋼において重要な元素である。鋼中に存在するOは、高温に曝された際に鋼中のAlと優先的に結びつく。この結びつきで、Alの固溶量が減少して高温強度が低下するのみならず、鋼中で粗大に析出したAl酸化物は、高温疲労試験において亀裂発生の起点となる。その結果、優れた高温疲労特性が得られなくなってしまう。Oが鋼中に多く存在すると、それだけ多くのAlと結びついてAlの固溶量が減少してしまうのみならず、外部からOが侵入しやすくなるため、鋼中O含有量以上にAl酸化物を形成しやすくなってしまう。従って、鋼中に含まれるO含有量はなるべく低減するのが好ましく、0.0030%以下に限定する。好ましくは0.0020%以下である。さらに好ましくは0.0015%以下である。
Al/O≧100
上述したように、本発明のようなAl含有鋼においては、Alの固溶強化を利用した高温疲労特性向上のためにO含有量の低減が重要となる。さらに、発明者らは、高温疲労特性に及ぼすAlとOの含有量比の影響についても精査し、Al:0.20〜3.0質量%かつO≦0.0030質量%を満たした上で、Al/O≧100を満たすことによって、極めて優れた高温疲労特性が得られることを見出した。この理由としては、鋼中に存在するOと結びついて生成したAl酸化物は、高温に曝された際に外気から侵入したOと結びついたAl酸化物に比べ緻密性に劣るため、耐酸化性の向上に寄与しにくく、外気からのさらなるOの侵入を許し、亀裂の起点となるAl酸化物の生成を促進してしまうためと考えられる。なお、Al/O中のAlおよびOは各元素の含有量を表す。
基礎試験
以下、鋼の成分組成を規定する成分%は、全て質量%を意味する。
成分組成は、C:0.010%、Si:0.8%、Mn:0.3%、P:0.030%、S:0.002%、Cr:14%、N:0.010%、Nb:0.1%、Ti:0.25%、Cu:0.8%、B:0.0010%、Ni:0.20%、をベースとし、これにAl、Oをそれぞれ0.2〜2.0%、0.001〜0.005%の範囲で含有量を種々に変化させた鋼を実験室的に溶製して30kg鋼塊とした。鋼塊を1170℃に加熱後、熱間圧延して厚さ35mm×幅150mmのシートバーとした。このシートバーを1050℃に加熱後、熱間圧延して板厚5mmの熱延板とした。その後900〜1050℃で熱延板焼鈍し酸洗した熱延焼鈍板を冷間圧延により板厚を2mmとし、850〜1050℃で仕上げ焼鈍して冷延焼鈍板とした。これを下記の高温疲労試験に供した。
高温疲労試験
上記のようにして得た冷延焼鈍板から図1に示すような形状の高温疲労試験片を作製し、下記の高温疲労試験に供した。
シェンク式疲労試験機により、800℃、1300rpmの条件で冷延焼鈍板表面に70MPaの曲げ応力を負荷した。このとき試験片が破損するまでのサイクル数(破損繰り返し数)を高温疲労寿命として、下記のように評価した。
○(合格):繰り返し数100×10回で破断無し
△(不合格):繰り返し数15×10回以上100×10回以下で破断
×(不合格):繰り返し数15×10回未満で破断
図4に高温疲労試験の結果を示す。図4から、O量を0.0030%以下、Al量を0.20%以上さらにAl/O≧100とすることにより、極めて優れた高温疲労寿命が得られることがわかる。なお、横軸のO(%)はO含有量を意味し、縦軸のAl(%)はAl含有量を意味する。
以上が本発明のフェライト系ステンレス鋼の必須成分であるが、さらに、耐熱性向上の観点からREM、Zr、VおよびCoの中から選ばれる1種以上を選択元素(任意成分)として下記の範囲で添加してもよい。
REM:0.005〜0.08%、Zr:0.01〜0.50%
REM(希土類元素)およびZrはいずれも、耐酸化性を改善する元素である。本発明のステンレス鋼は、これらの元素を必要に応じて含有する。上記効果を得るためには、REM含有量は0.005%以上、Zr含有量は0.01%以上が好ましい。しかし、REM含有量が0.08%を超えると、鋼が脆化する。また、Zr含有量が0.50%を超えると、Zr金属間化合物が析出して、鋼が脆化する。よって、REMを含有する場合、その含有量は0.0005〜0.08%以下、Zrを含有する場合、その含有量は0.01〜0.50%以下とする。
V:0.01〜0.50%
Vは、高温強度を向上させるのみならず耐酸化性を向上させる効果を有する。また、粗大化すると亀裂の起点になる等、高温疲労特性や靭性に悪影響を及ぼすTi炭窒化物の粗大化を抑制する効果も有する。それらの効果を得るためには、V含有量を0.01%以上にすることが好ましい。しかし、V含有量が0.50%を超えと、粗大なV(C,N)を析出し、却って靭性が低下する。よって、Vを含有する場合、V含有量は0.01〜0.50%の範囲とする。好ましくは、0.03〜0.40%の範囲である。より好ましくは0.05〜0.25%の範囲である。
Co:0.01〜0.50%
Coは、靭性の向上に有効な元素であるとともに、高温強度を向上させる元素である。その効果を得るためには、Co含有量を0.01%以上にすることが好ましい。しかし、Coは、高価な元素であり、また、Co含有量が0.50%を超えても、上記効果は飽和する。よって、Coを含有する場合、その含有量は0.01〜0.50%の範囲とする。好ましくは、0.02〜0.20%の範囲である。
さらに、加工性や製造性向上の観点からCaおよびMgの中から選ばれる1種以上を選択元素として下記の範囲で含有してもよい。
Ca:0.0005〜0.0030%
Caは、連続鋳造の際に発生しやすいTi系介在物析出によるノズルの閉塞を防止するのに有効な成分である。Ca含有量が0.0005%以上でその効果は現れる。しかし、表面欠陥を発生させず良好な表面性状を得るためにはCa含有量を0.0030%以下とする必要がある。したがって、Caを含有する場合、その含有量は0.0005〜0.0030%の範囲とする。好ましくは0.0005〜0.0020%の範囲である。より好ましくは0.0005〜0.0015%の範囲である。
Mg:0.0010〜0.0030%
Mgはスラブの等軸晶率を向上させ、加工性や靭性の向上に有効な元素である。本発明のようなTi含有鋼においては、Mgは、Tiの炭窒化物の粗大化を抑制する効果も有する。その効果はMg含有量を0.0010%以上にすることで得られる。Ti炭窒化物が粗大化すると、脆性割れの起点が生じ、鋼の靭性が大きく低下する。一方で、Mg含有量が0.0030%を超えると、鋼の表面性状が悪化する。したがって、Mgを含有する場合、その含有量は0.0010〜0.0030%の範囲とする。好ましくは0.0010〜0.0020%の範囲である。より好ましくは0.0010〜0.0015%の範囲である。
さらに、耐熱性向上の観点からMoを選択元素として下記の範囲で含有してもよい。
Mo:0.05〜1.0%以下
Moは、固溶強化により鋼の強度を著しく増加させることで耐熱性を向上させる元素である。Moは高温での耐塩害腐食性を向上させる効果も有する。その効果はMo含有量が0.05%以上で得られる。しかしMoは高価な元素である上、本発明のようなTi、Cu、Al含有鋼においては、耐酸化性を低下させてしまう。そこで、Moを含有する場合、その含有量の上限は1.0%とする。したがって、Moを含有する場合、その含有量は0.05〜1.0%の範囲とする。好ましくは0.10〜0.50%以下である。
上記必須元素、選択元素以外の残部はFeおよび不可避的不純物である。
次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼の製造方法について説明する。
本発明のステンレス鋼の製造方法は、基本的にはフェライト系ステンレス鋼の通常の製造方法であればよく、特に限定されるものではない。ただし、本発明に重要な鋼中O含有量を低減するために、後述するように精錬工程において製造条件をコントロールする。製造方法の例を以下に示す。先ず、転炉、電気炉等の公知の溶解炉で鋼を溶製し、あるいはさらに取鍋精錬、真空精錬等の二次精錬を経て上述した本発明の成分組成を有する鋼とする。このとき、本発明において重要な元素であるO含有量を十分に低減する必要がある。このとき、Alを添加するのみでは鋼中O含有量が十分に低減されない場合もある。例えば、生成するスラグの塩基度(CaO/Al)が小さいと平衡酸素濃度が大きくなってしまい、鋼中O含有量が高くなってしまう。また、真空精錬後の大気開放時間が長くなると、大気中からの酸素が鋼中に侵入してくる可能性がある。そのため、本開発鋼を製造する際は、スラグの塩基度が大きくなるよう制御し、かつ真空精錬後の溶鋼が大気中に保持される時間をなるべく短くする。次いで、連続鋳造法あるいは造塊−分塊圧延法で上記鋼を鋼片(スラブ)とする。その後、熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上げ焼鈍、酸洗等の工程をこの順で経てスラブを冷延焼鈍板とするのが好ましい。
ここで、上記冷間圧延は、1回または中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延でもよく、また、冷間圧延、仕上げ焼鈍、酸洗の工程は、繰り返して行ってもよい。
また、場合によっては、上記熱延板焼鈍は省略してもよく、鋼板表面の光沢性が要求される場合には、冷間圧延後あるいは仕上げ焼鈍後にスキンパスを施してもよい。
より好ましい製造方法は、上記熱間圧延の条件および冷間圧延の条件の少なくとも一方を特定条件とする方法である。以下、好適な製造条件について説明する。
製鋼においては、必須成分および必要に応じて添加される任意成分を含有する溶鋼を、転炉あるいは電気炉等で溶製し、VOD法により二次精錬を行うのが好ましい。溶製した溶鋼は、公知の製造方法にしたがって鋼素材とすることができるが、生産性および品質の観点から、連続鋳造法によるのが好ましい。
連続鋳造して得られた鋼素材は、例えば、1000〜1250℃に加熱され、熱間圧延により所望の板厚の熱延板とされる。熱延板の板厚は特に限定されないが、概ね4mm以上6mm以下とすることが好ましい。もちろん、板材以外として加工することもできる。この熱延板に対して、必要に応じて、850℃〜1100℃の連続焼鈍を施した後、酸洗等により脱スケールする。これにより熱延板製品が得られる。また、必要に応じて、酸洗の前にショットブラストによりスケールを除去してもよい。
さらに、冷延焼鈍板を得るために、上記で得られた熱延焼鈍板を、冷間圧延して冷延板とする。冷延焼鈍板の板厚は特に限定されないが、概ね1mm以上3mm以下とすることが好ましい。この冷間圧延では、生産上の都合により、必要に応じて中間焼鈍を含む2回以上の冷間圧延を行ってもよい。1回または2回以上の冷間圧延からなる冷延工程の総圧下率を60%以上、好ましくは70%以上とする。
冷延板に対して、焼鈍温度が850〜1150℃、さらに好ましくは850〜1050℃の条件で連続焼鈍(仕上げ焼鈍)を施す、次いで酸洗を施す。これにより、冷延焼鈍板が得られる。また、用途によっては、酸洗後に軽度の圧延(スキンパス圧延等)を加えて、鋼板の形状、品質調整を行うこともできる。
このようにして製造して得た熱延板製品、あるいは冷延焼鈍板製品を用い、それぞれの用途に応じた曲げ加工等を施し、自動車やオートバイの排気管、触媒外筒材および火力発電プラントの排気ダクトあるいは燃料電池関連部材(例えばセパレーター、インターコネクター、改質器等)に成形される。
これらの部材を溶接するための溶接方法は、特に限定されるものではなく、MIG(Metal Inert Gas) 、MAG(Metal Active Gas) 、TIG(Tungsten Inert Gas)等の通常のアーク溶接方法や、スポット溶接、シーム溶接等の抵抗溶接方法、および電縫溶接方法などの高周波抵抗溶接、高周波誘導溶接が適用可能である。
表1(表1−1、表1−2および表1−3を合わせて表1とする)に示す成分組成を有する鋼を真空溶解炉で溶製し、鋳造して30kg鋼塊とした。鋼塊を1170℃に加熱後、熱間圧延して厚さ35mm×幅150mmのシートバーとした。このシートバーを二分割し、うち一つを用い、1050℃に加熱後、熱間圧延して板厚5mmの熱延板とした。その後900〜1050℃で熱延板焼鈍し酸洗した熱延焼鈍板を冷間圧延により板厚を2mmとし、850〜1050℃で仕上げ焼鈍して冷延焼鈍板とした。これを下記の高温疲労試験に供した。
高温疲労試験
上記のようにして得た冷延焼鈍板から図1に示すような形状の疲労試験片を作製し、下記の高温疲労試験に供した。
シェンク式疲労試験機により、800℃、1300rpmの条件で冷延焼鈍板表面に70MPaの曲げ応力を負荷した。このとき試験片が破損するまでのサイクル数(破損繰り返し数)を高温疲労寿命として、下記のように評価した。
○(合格):繰り返し数100×10回で破断無し
△(不合格):繰り返し数15×10回以上100×10回以下で破断
×(不合格):繰り返し数15×10回未満で破断
大気中連続酸化試験
上記のようにして得た各種冷延焼鈍板から30mm×20mmのサンプルを切り出し、サンプル上部に4mmφの穴をあけ、表面および端面を#320のエメリー紙で研磨し、脱脂後、1000℃に加熱保持した大気雰囲気の炉内にサンプルを吊り下げて、300時間保持した。試験後、サンプルの質量を測定し、予め測定しておいた試験前の質量との差を求め、酸化増量(g/m)を算出した。なお、試験は各2回実施し、2回とも50g/m未満の場合を「○」(合格)、1度でも酸化増量が50g/m以上となった場合は「×」(不合格)、として耐酸化性を評価した。
大気中繰返し酸化試験
上記の大気中連続酸化試験と同様の試験片を用いて、大気中において、100℃×1minと1000℃×20minの温度に加熱・冷却を繰り返す熱処理を400サイクル行い、試験前後の試験片の質量差を測定し、単位面積当たりの酸化増量(g/m)を算出するとともに、試験片表面から剥離したスケールの有無を確認した。スケール剥離が見られた場合は不合格(表1中の「×」)、スケール剥離が見られなかった場合は合格(表1中の「○」)とした。なお、上記試験における加熱速度および、冷却速度は、それぞれ5℃/sec、1.5℃/secとした。
熱疲労試験
二分割した上記50kg鋼塊の残りの鋼塊を、1170℃に加熱後、熱間圧延して厚さ30mm×幅150mmのシートバーとした後、このシートバーを鍛造し、35mm角の各棒とし、1030℃の温度で焼鈍後、機械加工し、図2に示した形状、寸法の熱疲労試験片に加工し、下記の熱疲労試験に供した。
熱疲労試験は、図3に示したように、上記試験片を拘束率0.5で拘束しながら、100℃と800℃の間で昇温・降温を繰り返す条件で行った。この際の100℃および800℃での保持時間は2minとした。なお、熱疲労寿命は、100℃において検出された荷重を試験片均熱平行部(図2参照)の断面積で割って応力を算出し、試験初期(5サイクル目)の応力に対して75%まで応力が低下したときのサイクル数とした。熱疲労特性は、910サイクル以上の場合を「○」(合格)、910サイクル未満の場合を「×」(不合格)として評価した。
以上より得られた結果を表1にまとめて示す。
Figure 2015174078
Figure 2015174078
Figure 2015174078
表1から明らかなように、本発明例は、優れた熱疲労特性、耐酸化性に加えて、極めて優れた高温疲労特性、を示しており、本発明の目標が達成されていることが確認された。
本発明の鋼は、自動車等の排気系部材用として好適であるだけでなく、同様の特性が要求される火力発電システムの排気系部材や固体酸化物タイプの燃料電池用部材としても好適に用いることができる。

Claims (4)

  1. 質量%で、C:0.020%以下、Si:3.0%以下、Mn:2.0%以下、P:0.040%以下、S:0.030%以下、Cr:10.0〜20.0%、N:0.020%以下、Nb:0.005〜0.15%、Al:0.20〜3.0%、Ti:5×(C+N)〜0.50%、Cu:0.55〜1.60%、B:0.0002〜0.0050%、Ni:0.05〜1.0%およびO:0.0030%以下を含有し、Al/O≧100を満たして残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。
    ここで、5×(C+N)中のC、NおよびAl/O中のAl、Oは各元素の含有量(質量%)を表す。
  2. さらに、質量%で、REM:0.005〜0.08%、Zr:0.01〜0.50%、V:0.01〜0.50%およびCo:0.01〜0.50%の中から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。
  3. さらに、質量%でCa:0.0005〜0.0030%およびMg:0.0010〜0.0030%の中から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載のフェライト系ステンレス鋼。
  4. さらに、質量%でMo:0.05〜1.0%以下を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のフェライト系ステンレス鋼。
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