JPWO2018043310A1 - フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]質量%で、
C:0.025%以下、
Si:0.40〜2.0%、
Mn:0.05〜1.5%、
P:0.05%以下、
S:0.01%以下、
Cr:16.0〜30.0%、
Mo:0.60〜3.0%、
Ni:0.10〜2.5%、
Nb:0.20〜0.80%、
Al:0.001〜0.15%、
N:0.025%以下を含有し、
かつ、以下の式(1)および式(2)を満たし、
残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。
C+N≦0.030% ・・・(1)
2Si+Ni≧1.0% ・・・(2)
(式(1)、式(2)中のC、N、Si、Niは、各元素の含有量(質量%)を示す。)
[2]さらに質量%で、
Cu:0.01〜1.0%、
W:0.01〜1.0%、
Co:0.01〜1.0%
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする前記[1]に記載のフェライト系ステンレス鋼。
[3]さらに質量%で、
Ti:0.01〜0.10%、
V:0.01〜0.50%、
Zr:0.01〜0.30%、
B:0.0003〜0.005%、
Ca:0.0003〜0.003%、
Mg:0.0003〜0.003%
REM:0.001〜0.10%
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする前記[1]または[2]に記載のフェライト系ステンレス鋼。
[4]自動車の排熱回収器用または排気ガス再循環装置用であることを特徴とする前記[1]〜[3]の何れかに記載のフェライト系ステンレス鋼。
C+N≦0.030% ・・・(1)
2Si+Ni≧1.0% ・・・(2)
(式(1)、式(2)中のC、N、Si、Niは、各元素の含有量(質量%)を示す。)
Cは、鋼に不可避的に含まれる元素である。C含有量が多いと強度が向上し、少なくなると加工性が向上する。強度を向上させるためには0.001%以上Cを含有することが好ましい。一方、C含有量が0.025%を超えると加工性の低下が顕著となるうえ、Cr炭化物が析出して局所的なCr欠乏による耐凝縮水腐食性の低下を起しやすくなる。よって、C含有量は0.025%以下とする。C含有量は、好ましくは0.020%以下であり、より好ましくは0.015%以下であり、さらに好ましくは0.010%以下である。また、C含有量は、より好ましくは0.003%以上であり、さらに好ましくは0.004%以上である。
Siは、本発明において耐凝縮水腐食性向上のために重要な元素である。その効果は、0.40%以上Siを含有することで得られる。より優れた耐凝縮水腐食性を必要とする場合は0.60%超えのSiの含有が望ましい。ただし、Siを2.0%超えで含有すると加工性を低下させる。よって、Si含有量は0.40〜2.0%とする。Si含有量は、好ましくは0.60%超であり、より好ましくは0.80%以上であり、さらに好ましくは1.00%以上である。また、Si含有量は、好ましくは1.80%以下であり、より好ましくは1.60%以下であり、さらに好ましくは1.40%以下である。
Mnは、脱酸作用があり、その効果は0.05%以上のMnの含有で得られる。しかし、Mnの1.5%超えの含有は、固溶強化により加工性を損なわせる。また、Mnの1.5%超えの含有は、腐食の起点となるMnSの析出を促進して、耐凝縮水腐食性を低下させる。よって、Mn含有量は0.05〜1.5%の範囲とする。Mn含有量は、好ましくは0.10%以上である。また、Mn含有量は、好ましくは0.50%以下であり、より好ましくは0.30%以下である。
Pは、鋼に不可避的に含まれる元素であり、0.05%超えのPの含有は溶接性を低下させ、粒界腐食を生じさせ易くする。そのため、P含有量は0.05%以下に限定する。好ましくは、P含有量は0.04%以下である。さらに好ましくは、P含有量は0.03%以下である。
Sは、鋼に不可避的に含まれる元素であり、0.01%超のSの含有は、MnSの析出を促進し、耐凝縮水腐食性を低下させる。よって、S含有量は0.01%以下とする。好ましくは、S含有量は0.008%以下である。より好ましくは、S含有量は0.005%以下である。
Crは、耐凝縮水腐食性を確保するために重要な元素である。Cr含有量が16.0%未満では、耐凝縮水腐食性を十分に得られない。一方で、Crを30.0%超えで含有すると、加工性、製造性が低下する。よって、Cr含有量は16.0〜30.0%の範囲とする。Cr含有量は、好ましくは18.0%以上であり、より好ましくは19.0%以上であり、さらに好ましくは20.5%以上である。また、Cr含有量は、好ましくは24.0%以下であり、より好ましくは23.0%以下であり、さらに好ましくは22.0%以下である。
Moは、ステンレス鋼の不動態皮膜を安定化させて、耐凝縮水腐食性を向上させる効果を有する。排熱回収器やEGRクーラーでは、凝縮水による内面腐食や融雪剤などによる外面腐食を防止する効果がある。さらに、熱疲労特性の向上効果があり、エキゾーストマニホールド直下に取り付けられるEGRクーラーに使用する場合には、特に好適な元素である。これらの効果は、0.60%以上のMoの含有で得られる。しかし、Moは高価な元素であるためコストの増大を招く。さらに、Mo含有量が3.0%を超えると、加工性が低下する。よって、Mo含有量は0.60〜3.0%の範囲とする。Mo含有量は、好ましくは0.80%以上であり、より好ましくは1.00%以上であり、さらに好ましくは1.20%以上であり、さらにより好ましくは1.50%以上である。また、Mo含有量は、好ましくは2.50%以下であり、より好ましくは2.00%以下である。
Niは、0.10%以上の含有で、耐凝縮水腐食性および靭性の向上に有効に寄与する元素である。しかし、Ni含有量が2.5%を超えると、応力腐食割れ感受性が高くなる。そのため、Ni含有量は0.10〜2.5%の範囲とする。Ni含有量は、好ましくは0.50%以上であり、より好ましくは0.80%超であり、さらに好ましくは1.00%以上であり、さらにより好ましくは1.20%以上であり、特に好ましくは1.50%以上である。また、耐凝縮水腐食性向上に有効なSiの含有量が0.60%以下の場合は、耐凝縮水腐食性を確保するためにNiを0.80%を超えて含有することが望ましい。
Nbは、CおよびNと優先的に結合することにより、Cr炭窒化物の析出による耐凝縮水腐食性の低下を抑制する元素である。また、高温強度を高めて、熱疲労特性を向上させる効果を有する。これらの効果は、Nbの0.20%以上の含有で得られる。一方、Nb含有量が0.80%を超えると、靱性が低下する。そのため、Nb含有量は0.20〜0.80%の範囲とする。Nb含有量は、好ましくは0.25%以上である。また、Nb含有量は、好ましくは0.60%以下であり、より好ましくは0.50%以下であり、さらに好ましくは0.40%以下である。
Alは脱酸に有用な元素であり、その効果は0.001%以上のAlの含有で得られる。一方、Alの0.15%超えの含有はろう付け性を低下させることから、Al含有量は0.15%以下とする。よって、Al含有量は0.001〜0.15%とする。Al含有量は、好ましくは0.10%以下であり、より好ましくは0.050%以下であり、さらに好ましくは0.025%以下であり、さらにより好ましくは0.015%以下であり、特に好ましくは0.010%以下であり、最も好ましくは0.008%以下である。
Nは、Cと同様に鋼に不可避的に含まれる元素であり、固溶強化により鋼の強度を上昇させる効果がある。その効果は、Nを0.001%以上含有することで得られる。一方、Nを0.025%超えで含有し、Cr窒化物として析出した場合には耐凝縮水腐食性を低下させる。よって、N含有量は0.025%以下とする。N含有量は、好ましくは0.020%以下であり、より好ましくは0.015%以下であり、さらに好ましくは0.010%以下である。また、N含有量は、好ましくは0.001%以上であり、より好ましくは0.003%以上であり、さらに好ましくは0.005%以上である。
(式(1)中のC、Nは、各元素の含有量(質量%)を示す。)
CおよびNの過剰含有は、耐凝縮水腐食性および加工性を低下させる。そのため、C含有量およびN含有量の夫々を前述した範囲とした上で、C+N(C含有量とN含有量の和)は0.030%以下とする。好ましくは、C+Nは0.025%以下である。より好ましくは、C+Nは0.020%以下である。
(式(2)中のSi、Niは、各元素の含有量(質量%)を示す。)
前述したように、本発明では、耐凝縮水腐食性の向上のためにSiおよびNiの夫々を所定の含有量にする。さらに本発明者らは、鋭意検討し、2Si+Ni(Si含有量の2倍とNi含有量の和)が1.0%未満であると、所望の耐凝縮水腐食性が得られないことも知見した。そのため、本発明では、Si含有量およびNi含有量の夫々を前述した範囲とした上で、2Si+Niを1.0%以上とする。より好ましくは、2Si+Niは1.5%以上である。
Cuは、耐凝縮水腐食性を高める効果を有する元素である。その効果は、Cuを0.01%以上含有することで得られる。一方、Cu含有量が1.0%を超えると、熱間加工性が低下する場合がある。そのため、Cuを含有する場合は、Cu含有量は0.01〜1.0%の範囲とすることが好ましい。Cu含有量は、より好ましくは0.05%以上である。また、Cu含有量は、より好ましくは0.50%以下である。
Wは、Moと同様に、耐凝縮水腐食性を向上させる効果がある。その効果は、Wを0.01%以上含有することで得られる。一方、W含有量が1.0%を超えると、製造性を低下させる場合がある。よって、Wを含有する場合は、W含有量は0.01〜1.0%とすることが好ましい。より好ましくは、W含有量は0.50%以下である。
Coは、耐凝縮水腐食性および靭性を向上させる元素である。その効果は、Coを0.01%以上含有することで得られる。一方、Co含有量が1.0%を超えると、製造性を低下させる場合がある。よって、Coを含有する場合は、Co含有量は0.01〜1.0%とすることが好ましい。Co含有量は、より好ましくは0.02%以上であり、さらに好ましくは0.04%以上である。また、Co含有量は、より好ましくは0.50%以下であり、さらに好ましくは0.20%以下である。
Tiは、鋼中に含まれるCおよびNと結合し、鋭敏化を防止する効果を有する。その効果はTiの0.01%以上の含有で得られる。一方、Tiは酸素に対して活性な元素であり、0.10%超えのTiの含有はろう付け処理時に緻密で連続的なTi酸化皮膜を鋼の表面に生成して、ろう付け性を低下させる場合がある。よって、Ti含有量は0.01〜0.10%とすることが好ましい。Ti含有量は、より好ましくは0.02%以上であり、さらに好ましくは0.03%以上である。また、Ti含有量は、より好ましくは0.05%以下であり、さらに好ましくは0.04%以下である。
Vは、Ti同様に、鋼中に含まれるCおよびNと結合し、鋭敏化を防止する効果を有する。その効果は、Vを0.01%以上含有することで得られる。一方、V含有量が0.50%を超えると、加工性が低下する場合がある。そのため、Vを含有する場合は、V含有量は0.01〜0.50%の範囲とすることが好ましい。V含有量は、より好ましくは0.03%以上であり、さらに好ましくは0.05%以上である。また、V含有量は、より好ましくは0.40%以下であり、さらに好ましくは0.25%以下である。
Zrは、C、Nと結合して、鋭敏化を抑制する効果がある。その効果は、Zrを0.01%以上含有することで得られる。一方、Zr含有量が0.30%を超えると、加工性を低下させるうえ、非常に高価な元素であるためコストの増大を招く場合がある。よって、Zrを含有する場合は、Zr含有量は0.01〜0.30%とすることが好ましい。Zr含有量は、より好ましくは0.05%以上である。また、Zr含有量は、より好ましくは0.20%以下である。
Bは、二次加工脆性を改善する元素である。その効果は、Bを0.0003%以上含有することで得られる。一方、B含有量が0.005%を超えると、固溶強化により延性が低下する場合がある。よって、Bを含有する場合は、B含有量は0.0003〜0.005%の範囲とすることが好ましい。B含有量は、より好ましくは0.0005%以上である。また、B含有量は、より好ましくは0.0030%以下である。
Caは、溶接部の溶け込み性を改善して溶接性を向上させる。その効果は、Caを0.0003%以上含有することで得られる。一方、Ca含有量が0.003%を超えると、Sと結合してCaSを生成し、耐凝縮水腐食性を低下させる場合がある。よって、Caを含有する場合は、Ca含有量は0.0003〜0.003%の範囲とすることが好ましい。Ca含有量は、より好ましくは0.0005%以上である。また、Ca含有量は、より好ましくは0.0020%以下である。
Mgは、脱酸効果等精錬上有用な元素であり、また、組織を微細化し、加工性、靭性の向上にも有用であり、必要に応じてMgを0.003%以下含有させることができる。Mgを含有させる場合、Mg含有量は、安定した効果が得られる0.0003%以上とすることが好ましい。すなわち、Mgを含有させる場合、Mg含有量は0.0003〜0.003%とすることが好ましい。Mg含有量は、より好ましくは0.0020%以下である。
REM(希土類元素)は耐酸化性を向上させて、酸化スケールの形成を抑制し、溶接部のテンパーカラー直下のCr欠乏領域の形成を抑制する。その効果は、REMを0.001%以上含有することで得られる。一方、REM含有量が0.10%を超えると、酸洗性などの製造性を低下させるうえ、コストの増大を招く。よって、REMを含有する場合は、REM含有量は0.001〜0.10%とすることが好ましい。
耐凝縮水腐食性は、実環境を模擬したサイクル試験で評価した。冷延焼鈍板を25mm×100mmの大きさに切り出し、試験に供した。試験液は実車の排熱回収装置から採取した凝縮水の分析例を参考にし、腐食に特に寄与する塩化物イオンと硫酸イオンのみを用いた。試薬に塩酸、硫酸を用いて、200ppmCl−+600ppmSO4 2−の溶液を調整した後、アンモニア水を用いてpHを8.0に調整した。80℃に一定管理した上記溶液に試験片を浸漬させ、試験片を浸漬したまま浸漬溶液を24時間で蒸発させた。本工程を5回行った。続いて試験片を250℃の炉に入れて24時間加熱保持を行った。これを1サイクルとし、計4サイクル行った。試験終了後、腐食生成物を除去して、3Dマクロスコープにより腐食深さを測定した。最大腐食深さが80μm未満の場合を◎(合格、特に優れている)、最大腐食深さが80μm以上100μm未満の場合を○(合格)、100μm以上の場合を×(不合格)と評価した。
ろう付け性は、ろう材のすき間部への浸透性で評価した。各冷延焼鈍板について30mm角と25mm×30mmの板を切出し、この2枚の板を重ねて、一定のトルク力(170kgf)でクランプ冶具を用いてはさみ止めした。片側の端面にろう材BNi−5(Ni−19Cr−10Si)を1.2g塗布し、10−2Paの真空雰囲気でろう付け処理を行った。
熱処理温度パターンは、昇温温度10℃/s、均熱時間1(全体の温度を均一にする工程):1060℃×1800s、昇温温度10℃/s、均熱時間2(実際にろう材の融点以上の温度でろう付けを行う工程):1170℃×600sの処理を順に行った後、炉冷し、200℃に温度が下がったときに外気(大気)でパージするものとした。ろう付け処理後に板間にろう材がどの程度浸透したかを、重ねた板の側面部にて目視により確認し、以下の基準で評価した。ろう材の浸透が2枚の板の重なり長さの50%以上の場合を○(合格)、ろう材の浸透が2枚の板の重なり長さの50%未満の場合を×(不合格)とした。
特に、Si含有量が0.60%を超えている鋼No.1、2、4〜8、11、12、14〜20、32〜34、41、43、Si含有量は0.60%以下であるがNi含有量が0.80%を超えている鋼No.3、13、31、37〜40、42、44、45は、耐凝縮水腐食性が特に優れていた。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.025%以下、
Si:0.40〜2.0%、
Mn:0.05〜1.5%、
P:0.05%以下、
S:0.01%以下、
Cr:16.0〜30.0%、
Mo:0.60〜3.0%、
Ni:0.10〜2.5%、
Nb:0.20〜0.80%、
Al:0.001〜0.15%、
N:0.025%以下を含有し、
かつ、以下の式(1)および式(2)を満たし、
残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。
C+N≦0.030% ・・・(1)
2Si+Ni≧1.0% ・・・(2)
(式(1)、式(2)中のC、N、Si、Niは、各元素の含有量(質量%)を示す。) - さらに質量%で、
Cu:0.01〜1.0%、
W:0.01〜1.0%、
Co:0.01〜1.0%
のうちから選ばれる1種または2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。 - さらに質量%で、
Ti:0.01〜0.10%、
V:0.01〜0.50%、
Zr:0.01〜0.30%、
B:0.0003〜0.005%、
Ca:0.0003〜0.003%、
Mg:0.0003〜0.003%、
REM:0.001〜0.10%
のうちから選ばれる1種または2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。 - 自動車の排熱回収器用または排気ガス再循環装置用であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のフェライト系ステンレス鋼。
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