WO2011118854A1 - 耐熱性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板及びその製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the Si content is excessively reduced, the refining cost increases. Considering oxidation resistance, 0.002 to 0.015% is preferable.
- Si is an element useful as a deoxidizer, and in order to obtain the effect as a deoxidizer, it is necessary to add more than 0.1%.
- Si brings about improvement in oxidation resistance and high-temperature strength.
- the Si content is 2 0.0% or less.
- the Si content is preferably 0.2 to 1.5%.
- the B content is set to 0.0003 to 0.0030%. Considering manufacturability, 0.0003 to 0.0015% is desirable.
- the content of Cu, Ti, and Nb needs to satisfy Cu / (Ti + Nb) ⁇ 5.
- FIG. 1 shows the relationship between Cu / (Ti + Nb) and 0.2% yield strength at 700 ° C. after aging heat treatment at 700 ° C. for 100 hours.
- FIG. 1 shows that when Cu / (Ti + Nb) is 5 or more, the high-temperature strength is higher than that of general-purpose Nb-added steel.
- the method for producing a stainless steel plate of the present invention comprises the steps of steelmaking, hot rolling, pickling, cold rolling, annealing, and pickling. For steelmaking, a method in which steel containing the above-mentioned essential components and optional components added as necessary is melted in a converter and subsequently subjected to secondary refining is suitable.
- the molten steel is made into a slab according to a known casting method (continuous casting).
- the slab is heated to a predetermined temperature and hot-rolled to a predetermined plate thickness by continuous rolling.
- reverse rolling is usually performed with a Sendzimir rolling mill having a roll diameter of about 60 to 100 mm, or unidirectional rolling is performed with a tandem rolling mill having a roll diameter of 400 mm or more.
- any rolling method may be adopted.
- No. No. 17 has a low high temperature strength because the amount of Cu is less than the lower limit specified in the present invention.
- No. No. 18 is inferior in oxidation resistance and workability because the amount of Cu is outside the upper limit defined in the present invention.
- No. Nos. 21 and 22 are inferior in workability because the amounts of B and Al are outside the upper limits defined in the present invention.
- No. Nos. 23, 24 and 25 are inferior in workability because the amounts of Mo, V and Sn are outside the upper limits defined in the present invention.
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Abstract
Description
従来、自動車排気部材には鋳鉄が使用されるのが一般的であったが、排ガス規制の強化、エンジン性能の向上、車体の軽量化などの観点から、ステンレス鋼製の排気マニホールドが使用されるようになった。
排ガスの温度は、車種やエンジン構造によって異なるが、600~800℃程度となることが多く、このような温度域で長時間使用される環境において、高い高温強度、耐酸化性を有する材料が要望されている。
ステンレス鋼の中でも、オーステナイト系ステンレス鋼は、耐熱性や加工性に優れる。しかし、オーステナイト系ステンレス鋼は、熱膨張係数が大きいので、排気マニホールドのように加熱・冷却を繰り返し受ける部材に用いると、熱疲労破壊を生じやすい。
一方、フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて熱膨張係数が小さいので、熱疲労特性や耐スケール剥離性に優れる。また、Niを含有しないので、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて材料コストが安く、汎用的に使用される。
フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて、高温強度が低いので、高温強度を向上させる技術が開発されてきた。
高温強度を向上させたフェライト系ステンレス鋼には、例えば、SUS430J1(Nb添加鋼)、Nb−Si添加鋼、SUS444(Nb−Mo添加鋼)がある。これらは、いずれもNb添加による固溶強化、又は析出強化によって高温強度を高くしたものである。
Nb添加鋼には、製品板の硬質化、伸びの低下、及び、深絞り性の指標となるr値が低いという問題がある。
製品板の硬質化は、固溶Nbや析出Nbの存在により、常温において硬質化が生じる現象である。
再結晶集合組織の発達が抑制されるので、伸びが低下したり、r値が低くなり、排気部品を成形する際のプレス性、形状自由度が低くなる。
また、Nbは原料コストが高く、多量に添加すると、製造コストが上昇する。
Nb以外の添加元素によって優れた高温特性が得られれば、Nb添加量を抑えることができ、低コストで加工性に優れた耐熱フェライト系ステンレス鋼板を提供することが可能になる。
特許文献1~6には、Cu添加に関する技術が開示されている。
特許文献1では、低温靭性向上のために、0.5%以下のCuの添加が検討されている。
特許文献2に記載の技術は、Cuの、鋼の耐食性及び耐候性を高める作用を利用した技術である。
特許文献3~6には、Cu析出物による析出強化を利用して600℃、あるいは700~800℃の温度域における高温強度を向上させる技術が開示されている。
これらの技術は、いずれもNbの添加が必要であり、コストや加工性の面で問題がある。
また、Cu析出物を利用した高温強度向上には、Cu析出物が長時間高温に曝されると、析出物の凝集・合体による粗大化が急速に進むので、析出強化能が著しく低下する。
その結果、排気マニホールドのように、エンジンの起動・停止に伴う熱サイクルを受ける部材に用いると、長時間の使用により著しく高温強度が低下して、熱疲労破壊が起きる危険性が生じる。
また、Nbを多量に添加した成分系では、高温加熱時に粗大なLaves相と母相界面にCu析出物が析出するので、Cu析出物による析出強化の効果が得られない。
特許文献6には、Nb−Cu−B複合添加により微細なCuを析出させる技術が開示されている。しかし、Laves相との複合析出は回避できず、さらに、微量のMoの添加が必要であり、加工性やコストに問題がある。
これらの問題を解決した、低コストでかつ強度安定性に優れた排気部品用フェライト系ステンレス鋼が要望されている。
本発明は、長時間の熱環境下でも高温強度安定性が高い、耐熱性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼の提供を課題とする。特に、高い加工性と強度が要求され、600~800℃となる熱環境下で使用される排気部品に好適な、排気部品用フェライト系ステンレス鋼の安価な提供を課題とする。
その結果、Cu、Ti、及びNbの量を調整することにより、高温長時間の熱処理(時効処理)に伴うCu析出物の粗大化を抑制し、Cu析出物による析出強化を長時間の時効後においても有効に作用させることが可能であることを見出した。
具体的には、Cu/(Ti+Nb)を5以上とすることにより、600~800℃で長時間の時効処理を施しても、従来のNbを多量に含有する鋼以上の高温強度を達成できることを見出した。
これは、排気部材のように繰り返し熱サイクルを受け、長期に使用される部品の耐久安定性に対して、極めて有効である。
前述したように、Nb添加鋼、又はNb−Ti複合添加鋼を、600~800℃の温度域で長時間加熱すると、FeとNb、あるいは、FeとTiの金属間化合物(それぞれ、Fe2Nb、Fe2Ti)が生成する。これらはLaves相と呼ばれる析出物で、時間とともに急速に粗大化し、固溶Nb、及び固溶Tiが減少する。
このような状態では、Laves相による析出強化や、固溶Nb、及び固溶Tiによる固溶強化の効果は得られないので、高温強度が低下する。
また、これによって、熱疲労特性やクリープ特性が劣化し、部品損傷が加速的に進み、破壊に至る。
Cuを添加すると、Cuの微細析出により析出強化が作用するが、同時にNbやTiが多量に添加されている場合には、Laves相と複合析出して、微細析出の効果が小さくなる。
本発明者らは、TiとNbの添加量をCu添加量に対して低く抑えることによって、Laves相析出を抑制するか、又は、Laves相の微細析出強化の作用とともに、NbやTiのクラスターを利用してCuを微細析出させる方法を見出した。
このように析出したCuは、長時間の熱処理を施しても粗大化が抑制され、高温強度安定性が高くなる。
以上の知見から、本発明では、微細なCu析出物の安定性を確保して、優れた耐熱性能を有する排気部品用のフェライト系ステンレス鋼板を安価に提供することを可能とした。
本発明の要旨は、以下のとおりである。
(1)質量%で、
C :0.010%未満、
N :0.020%以下、
Si:0.1%超~2.0%以下、
Mn:2.0%以下、
Cr:12.0~25.0%、
Cu:0.9%超~2.0%、
Ti:0.05~0.3%、
Nb:0.001~0.1%、
Al:1.0%以下、及び、
B :0.0003~0.0030%以下
を含有し、Cu、Ti、及び、Nbの含有量がCu/(Ti+Nb)≧5を満たし、残部がFe及び不可避的不純物からなることを特徴とする耐熱性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
(2)さらに、質量%で、
Mo:0.50%以下、
V :0.50%以下、及び、
Sn:0.50%以下
の1種以上を含有することを特徴とする前記(1)の耐熱性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
(3)前記(1)又は(2)の組成を有するスラブを熱間圧延し、次いで、
700~850℃で1~100hrの熱処理を施し、その後、
冷間圧延、及び、焼鈍を施す
ことを特徴とする耐熱性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板の製造方法。
図2は、本発明鋼と比較鋼の、高温引張試験における0.2%耐力を示す図である。
各成分組成で、含有量の下限の規定がないものについては、不可避的不純物レベルまで含むことを示す。
Cは、成形性と耐食性を劣化させ、高温強度の低下をもたらすので、その含有量は少ないほど良い。よって、Cの含有量は、0.010%未満とする。Cの含有量を過度に低減すると、精錬コストが増加する。耐酸化性も考慮すると、Cの含有量は、0.002~0.009%が好ましい。
Nは、Cと同様、成形性と耐食性を劣化させ、高温強度の低下をもたらすので、その含有量は少ないほど良い。よって、Nの含有量は、0.020%以下とする。Nの含有量を過度に低減すると精錬コストが増加する。耐酸化性も考慮すると、0.002~0.015%が好ましい。
Siは、脱酸剤として有用な元素であり、脱酸剤としての効果を得るためには、0.1%超の添加が必要である。また、Siは、耐酸化性や高温強度の向上をもたらすが、含有量が2.0%超になると加工性が著しく劣化し、さらに、Laves相生成を促進するので、Siの含有量は2.0%以下とする。製造性、高温強度、及び耐酸化性を考慮すると、Siの含有量は、0.2~1.5%が好ましい。
Mnは、脱酸剤として添加される元素であり、さらに、600~800℃程度の温度域での高温強度の上昇に寄与する。また、長時間使用中に、Mn系酸化物を表層に形成し、スケール密着性の向上や、異常酸化の抑制に寄与する。Mnの含有量が2.0%を超えると、常温延性が低下し、さらに、MnSが形成されることにより耐食性が低下する。常温延性やスケール密着性を考慮すると、Mnの含有量は0.1~1.5%が好ましい。
Crは、必要な耐酸化性や耐食性を得るために必須の元素である。Crの含有量が12.0%未満では、その効果は得られない。Crの含有量が25.0%を超えると、加工性の低下や靭性の劣化をもたらす。よって、Crの含有量は、12.0~25.0%とする。製造性や高温延性を考慮すると、12.5~20.0%が好ましい。
Cuは、特に、600~800℃程度の温度域における高温強度向上に有効な元素である。これは、主に、600~800℃程度の温度域における、Cu析出物による析出強化による効果である。
この効果を得るためには、Cuの含有量を0.90%超とする必要がある。Cuの含有量が2.0%を超えると、熱間圧延時に割れが生じ、また、常温延性が著しく低下する。よって、Cuの含有量は、0.9超~2.0%とする。強度安定性、耐酸化性、及び溶接性を考慮すると、1.0~1.5%が好ましい。
Tiは、C、N、Sと結合して、耐食性、耐粒界腐食性、常温延性、及び深絞り性を向上させる元素である。また、Tiクラスターや微細なTi(C,N)の析出によってCu析出物との相互作用によって高温強度が効果的に向上する。
これらの効果を得るためには、Tiを0.05%以上添加する必要がある。Tiの含有量が、0.3%を超えると、Fe2Tiが生成し、Cu析出物の複合析出サイトになり、Cuが粗大析出する。よって、Tiの含有量は0.05~0.3%とする。耐酸化性や製造性を考慮すると、0.07~0.2%が好ましい。
Nbは、高温強度を向上させる元素である。ただし、高価なので、その含有量は少ない方が良い。Nbを0.001%以上添加すると、Fe2Nbが極めて微細に析出し、Cu析出物との相互作用により高温強度が効果的に向上する。Nbの添加量が0.1%を超えると、Fe2Nbが粗大生成し、これに伴いCuも粗大析出するので、高温強度の向上が乏しく、時効劣化も激しくなる。よって、Nbの含有量は、0.001~0.1%とする。製造性や加工性を考慮すると、0.001~0.05%が望ましい。
Alは、脱酸元素として働き、耐酸化性を向上させる効果もある。Alは、1.0%以下を必要に応じて添加することができるが、必ずしも添加しなくてもよい。また、Alは、固溶強化元素として600~700℃の強度向上に有用であるが、添加量が1.0%を超えると、硬質化して均一伸びを著しく低下させ、さらに、靭性が著しく低下する。表面疵の発生や溶接性、製造性を考慮すると、0.01~0.50%が望ましい。
Bは、製品のプレス加工時の2次加工性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Bの含有量は0.0003%以上とする必要がある。Bを0.0030%を超えて添加すると、硬質化、CrとBの析出物生成による粒界腐食、及び、溶接割れが生じる。よって、Bの含有量は0.0003~0.0030%とする。製造性を考慮すると、0.0003~0.0015%が望ましい。
本発明のフェライト系ステンレス鋼板では、Cu、Ti、Nbの含有量を、Cu/(Ti+Nb)≧5を満たす必要がある。
図1に、Cu/(Ti+Nb)と、700℃で100時間時効熱処理した後の700℃の0.2%耐力の関係を示す。図1から、Cu/(Ti+Nb)が5以上の場合に、汎用Nb添加鋼以上の高温強度となることが分かる。
図2に、Cu添加鋼である鋼A(本発明鋼)(0.006%C−0.009%N−0.86%Si−0.28%Mn−13.9%Cr−1.21%Cu−0.10%Ti−0.001%Nb−0.07%Al−0.0005%B、Cu/(Ti+Nb)=10)、及び、汎用Nb添加鋼である鋼B(比較鋼)(0.006%C−0.009%N−0.90%Si−0.35%Mn−13.8%Cr−0.45%Nb)の高温引張試験結果を示す。
高温引張試験は、JISG0567に準拠して圧延方向に引張試験を実施し、600、700、800、及び900℃における0.2%耐力を測定した。
また、各温度で100時間時効熱処理した後、各温度で引張試験を実施した結果も同図に示す。
図2中の三角の記号は鋼A、丸の記号は鋼Bを示す。また、白抜きの記号は時効なしで引張試験を実施した結果、塗りつぶしの記号は、100時間時効熱処理した後、引張試験を実施した結果を示している。
時効なしで引張試験を実施した結果では、鋼Aは汎用Nb添加鋼である鋼Bに比べて、600~700℃未満の高温耐力が高く、800℃以上でも同等以上の高温耐力を示した。
時効熱処理した後、引張試験を実施した結果も、鋼AはNb添加鋼である鋼B以上の高温耐力を示しており、長時間強度安定性に優れていることが分かる。
すなわち、本発明のステンレス鋼は、汎用Nb添加鋼と同等以上の耐熱性を有し、耐熱性に優れていることが分かる。
よって、本発明における鋼成分のCu/(Ti+Nb)は、5以上とする。図1から、Cu/(Ti+Nb)が15程度になると、強度が飽和することが分かる。製造性や加工性も考慮すると、Cu/(Ti+Nb)の上限は、15とするのが好ましい。
本発明のフェライト系ステンレス鋼板には、使用環境に応じて、さらに、Mo、V、及びSnの1種以上を添加してもよい。
これらの元素は、高温強度や耐食性を向上させる作用があるが、高価なので、添加量は、0.5%以下とする。製造性や溶接性を考慮すると、0.01~0.3%が好ましい。
次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼板の製造方法について説明する。
本発明のステンレス鋼板の製造方法は、製鋼、熱間圧延、酸洗、冷間圧延、焼鈍、酸洗の各工程よりなる。
製鋼は、上記の必須成分、及び必要に応じて添加される選択成分を含有する鋼を転炉溶製し、続いて2次精錬を行う方法が好適である。溶製した溶鋼は、公知の鋳造方法(連続鋳造)に従って、スラブとする。
スラブは、所定の温度に加熱され、所定の板厚に連続圧延で熱間圧延される。
ステンレス鋼板の冷間圧延は、通常ロール径が60~100mm程度のゼンジミア圧延機でリバース圧延するか、ロール径が400mm以上のタンデム式圧延機で一方向圧延する。本発明では、いずれの圧延方法を採用しても構わない。加工性の指標であるr値を高くするためには、ロール径が400mm以上のタンデム式圧延機で冷間圧延を施すのが好ましい。タンデム式圧延は、ゼンジミア圧延に比べて、生産性でも優れている。
本発明のステンレス鋼板の製造方法では、生産性の観点から、フェライト系ステンレス鋼板の製造において通常実施される熱延板焼鈍を省略しても構わない。ただし、熱延鋼板に700~850℃で1~100hrの熱処理を施した後、冷間圧延と焼鈍を施すと、さらに加工性が向上する。
Cu添加鋼を冷間圧延後に再結晶焼鈍すると、焼鈍過程でCuが析出して、再結晶が遅延する。その結果、再結晶集合組織(板面と<111>方向が垂直)の発達が抑制され、深絞り加工性の指標であるr値が向上しない。
一方、冷間圧延前にCuを析出させた後に冷間圧延後再結晶焼鈍する場合、焼鈍過程の前に既にCuは析出しているので、焼鈍過程では、析出現象による再結晶の遅延は生じない。しかしながら、Cuが微細析出した状態では、転位や結晶粒界の移動を止める作用が生じるので、再結晶粒の生成が遅れる。
本発明では、再結晶集合組織とCu析出状態の関係を詳細に研究した結果、冷間圧延前にCuの析出粒子の直径が50nm以上であれば、再結晶の遅延は生じず、r値を向上できることが判明した。
さらに、この状態を得るための熱処理方法として、熱延鋼板に700~850℃で1~100hrの熱処理を施した後、冷間圧延と焼鈍を施すことで、深絞り性にも優れた鋼板を得ることが可能となる。
他の工程の方法は、特に規定しない。熱延条件、熱延板厚、冷延板焼鈍温度、雰囲気などは適宜選択すればよい。また、冷延・焼鈍後に、調質圧延を施したり、テンションレベラーを通しても構わない。製品板厚は、要求される部材の厚みに応じて、選択すればよい。
得られた製品板から、高温引張試験片を採取し、700℃で引張試験を実施し、0.2%耐力を測定した(JISG0567に準拠)。
また、長時間の高温強度安定性を調べるために、製品板を700℃で100時間時効した後の高温耐力を測定した。
また、耐酸化性の試験として、大気中900℃で200時間の連続酸化試験を行い、異常酸化の発生の有無を評価した(JISZ2281に準拠)。
さらに、常温の加工性の評価として、JIS13号B試験片を作製して圧延方向と平行方向の引張試験を行い、破断伸びを測定した。
本発明のステンレス鋼板の必要特性は、高温耐力、及び、常温での破断伸びが、既存鋼であるNo.11の高温耐力、及び、常温での破断伸び以上であることである。表2に、評価結果を示す。下線は、本発明のステンレス鋼板の必要特性から外れていることを示す。
比較鋼のNo.12、13は、それぞれCとNの量が本発明で規定する上限を外れており、高温強度、耐酸化性、加工性に劣る。
No.14は、Siの量が本発明で規定する上限を外れており、加工性に劣るとともに、時効後の強度が低い。
No.15は、Mnの量が本発明で規定する上限を外れており、加工性に劣る。
No.16は、Crの量が本発明で規定する下限より少ないので、高温強度が低く、さらに、耐酸化性も劣る。
No.17は、Cuの量が本発明で規定する下限より少ないので高温強度が低い。
No.18は、Cuの量が本発明で規定する上限を外れており、耐酸化性と加工性に劣る。
No.19と20は、それぞれNbとTiの量が本発明で規定する上限を外れ、Cu/(Ti+Nb)が5未満なので、時効後強度が低く、加工性も劣る。
No.21及び22は、それぞれBとAlの量が本発明で規定する上限を外れており、加工性に劣る。
No.23、24及び25は、それぞれMo、V及びSnの量が本発明で規定する上限を外れており、加工性に劣る。
表3に、表1に示す鋼1、5、8、9の熱延鋼板を用いて、表3に示す条件で熱処理した後に冷延と焼鈍を施した製品板のr値と常温伸びを示す。
r値の評価は、JIS13号B引張試験片を採取して、圧延方向、圧延方向と45°方向、圧延方向と90°方向に15%歪みを付与した後に、下記(1)式、及び(2)式を用いて、平均r値を算出した。
r=ln(W0/W)/ln(t0/t) …(1)
ここで、W0は引張前の板幅、Wは引張後の板幅、t0は引張前の板厚、tは引張後の板厚である。
平均r値=(r0+2r45+r90)/4 …(2)
ここで、r0は圧延方向のr値、r45は圧延方向と45°方向のr値、r90は圧延方向と90°方向のr値である。
表3の結果より、本発明の好ましい熱処理条件で熱処理した場合、平均r値が向上していることが確認できた。よって、本発明の好ましい熱処理条件によって製造した鋼は、常温延性に加えて、深絞り性も向上することが分かる。
Claims (3)
- 質量%で、
C :0.010%未満、
N :0.020%以下、
Si:0.1%超~2.0%以下、
Mn:2.0%以下、
Cr:12.0~25.0%、
Cu:0.9%超~2.0%、
Ti:0.05~0.3%、
Nb:0.001~0.1%、
Al:1.0%以下、及び、
B :0.0003~0.0030%以下
を含有し、Cu、Ti、及び、Nbの含有量がCu/(Ti+Nb)≧5を満たし、残部がFe及び不可避的不純物からなることを特徴とする耐熱性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。 - さらに、質量%で、
Mo:0.50%以下、
V :0.50%以下、及び、
Sn:0.50%以下
の1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の耐熱性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。 - 請求項1又は2に記載の組成を有するスラブを熱間圧延し、次いで、
700~850℃で1~100hrの熱処理を施し、その後、
冷間圧延、及び、焼鈍を施す
ことを特徴とする耐熱性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板の製造方法。
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