(57)【要約】【課題】  熱伝熱体の耐熱性および加工性、溶接性を確保し、エキゾーストマニホールドの集合部の材料温度および排ガス温度を降下させ、エキゾーストマニホールドの熱疲労破壊を抑制できるとともに、コンバーター入側の温度を下げることによって触媒劣化の抑制に寄与することが可能な排ガスの冷却性能に優れたフェライト系ステンレス鋼材および製造方法を提供する【解決手段】  質量%で、Ｃ：０．０３%以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：1０〜３０％、N：０．０３%以下を含み、残部Fｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼材で、表面から1００μmまでのＡｌ濃度が質量%で２．５以上、1０．０%未満である６００℃以上のエンジン燃焼ガスの冷却性能に優れた自動車排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼材。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量%で、Ｃ：０．０３%以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：1０〜３０％、N：０．０３%以下を含み、残部Fｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼材で、表面から板厚方向に1００μmまでのＡｌ濃度が質量%で２．５以上、1０．０%未満であることを特徴とする６００℃以上のエンジン燃焼ガスの冷却性能に優れた自動車排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼材。
【請求項２】
重量%で、Ｔｉ：０．８%以下、Ｎｂ：０．８%以下、Ｚｒ：０．８%以下、V：０．２以下の1または２以上を満たす請求項1に記載の６００℃以上のエンジン燃焼ガスの冷却性能に優れた自動車排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼材。
【請求項３】
重量%で、Ｍｏ：３%以下、W：３%以下、Ｃu：３%以下の1または２以上を満たす請求項1および請求項２に記載の６００℃以上のエンジン燃焼ガスの冷却性能に優れた自動車排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼材。
【請求項４】
重量%で、ＲＥＭ、Ｙ、Ｃａの合計：
０．1%以下である請求項1〜３に記載の６００℃以上のエンジン燃焼ガスの冷却性能に優れた自動車排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼材。
【請求項５】
請求項１〜４に記載した成分からなるフェライト系ステンレス鋼材(ただし、Ａｌは表層を含め０．２%以下)にＡｌめっきを施し、Ｔ（ｌｏｇｔ＋２０）≧２５1００の条件（Ｔ：温度（Ｋ）、ｔ：時間（ｈ））の拡散処理を施し、表面から板厚方向に1００μmまでのＡｌ濃度が質量%で２．５以上、1０．０%未満であることを特徴とする６００℃以上のエンジン燃焼ガスの冷却性能に優れた自動車排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼材の製造方法。
【請求項６】
６００℃以上の自動車排気ガスが接触する少なくとも１部分が請求項１〜５に記載した６００℃以上のエンジン燃焼ガスの冷却性能に優れた自動車排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼材で構成されることを特徴とする自動車用排気ガス経路部材。
【請求項７】
部材構造がエキゾーストマニホールドにおいてエンジンからの排気ガスが流れるマニホールド本体の少なくとも上流側に位置し、前記エンジンからの排気ガスの熱をマニホールド本体に伝熱するマニホールド用熱伝達体であって、請求項６に記載の自動車排気ガス経路部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンからの高温の排気ガスをマニホールドコンバーターや排気管などに導くエキゾーストマニホールドにおいて、排ガスの冷却性能に優れたフェライト系ステンレス鋼材および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エキゾーストマニホールドの集合部付近では温度上昇に伴う熱ひずみが発生し、結果的に熱疲労と呼ばれる破壊が発生することが知られている。近年は、燃費や環境対策からエンジンの排ガス温度は上昇する傾向にあり、熱疲労特性の改善が要求されるようになった。このため、エキゾーストマニホールドの材料も特許文献１（特開平０５−０８３８７７）等の耐熱性を改善したフェライト系ステンレス鋼が考案されている。しかし、今後エンジンのさらなる改善で排ガス温度は上昇すると予想されており、フェライト系ステンレス鋼の耐熱性改善では熱疲労を抑制できない可能性が発生している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０５−０８３８７７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１４４７０９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
排気ガス経路部材の耐熱性向上をさほど必要とせず、排気ガス温度の上昇に対応する方法として、特許文献２（特開２０１１−１４４７０９）に、エンジンに取り付けられ、このエンジンからの排気ガスが流れるマニホールド本体と、このマニホールド本体内の少なくとも上流側に位置し、前記エンジンからの排気ガスの熱を前記マニホールド本体に伝達する熱伝達体とを具備することを特徴とするエキゾーストマニホールドが開示されている。この構造により、エキマニ集合部の温度は低下するものの、排気ガスに曝される伝熱体の温度は最も高いため、この部材に対しては耐熱性を考慮する場合がある。耐熱性、特に高温酸化特性を高めるためには、Ａｌ添加が有効であることは広く知られているが、フェライト系ステンレス鋼にＡｌを添加した鋼、例えば１８Ｃｒ―３Ａｌ鋼や２０Ｃｒ―５Ａｌ鋼は、加工性、溶接性がＡｌの添加量にともない低下し、鋳造においても低温靭性不足による割れが発生するため、加工や溶接の制約を受けながら使用されている。そこで、エキゾーストマニホールドの集合部の材料温度および排ガス温度を降下させ、エキゾーストマニホールドの熱疲労破壊を抑制できるとともに、コンバーター入側の温度を下げることによって触媒劣化の抑制に寄与することが可能で、部品成形時の加工性および溶接性、さらには低温靭性に優れた排ガスの冷却性能に優れたフェライト系ステンレス鋼材が望まれていた。
【０００５】
本発明は、熱伝熱体の耐熱性および加工性、溶接性を確保し、エキゾーストマニホールドの集合部の材料温度および排ガス温度を降下させ、エキゾーストマニホールドの熱疲労破壊を抑制できるとともに、コンバーター入側の温度を下げることによって触媒劣化の抑制に寄与することが可能な排ガスの冷却性能に優れたフェライト系ステンレス鋼材および製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
エキゾーストマニホールドの集合部の材料温度および排ガス温度を低下させ、熱伝熱体の耐熱性を確保するためには、各種フェライト系ステンレス鋼材にＡｌめっき処理を施し、高温で拡散処理をすることで、鋼材表面にＡｌ濃度の高いＡｌ拡散相を作ることが有効であると考えられる。なお、このＡｌめっき処理および拡散処理は、加工前に行っても加工後に行っても構わない。本発明者らは、熱伝熱体を備えたステンレス鋼管の内側に高温ガスを流し、鋼管表面の温度変化を種々検討した結果、熱伝熱体によるエキゾーストマニホールドの集合部の材料温度および排ガス温度の低下には、表面からわずかな厚みのＡｌ量を適正範囲だけ増加させればよいこと、それよりも深い部分のＡｌ量が少なければ、溶接、加工に大きな問題が生じないこと、さらには、上述したＡｌ濃度が板厚方向に傾斜していれば、使用時の耐スケール剥離性にも優れることを知見し、本発明に至った。
【０００７】
すなわち、請求項1に記載された６００℃以上のエンジン燃焼ガスの冷却性能に優れた自動車排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼材は、質量%で、Ｃ：０．０３%以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：1０〜３０％、Ｎ：０．０３%以下を含み、残部Fｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼材で、表面から1００μmまでのＡｌ濃度が質量%で２．５以上、1０．０%未満であることを特徴とするものである。
請求項２に記載された６００℃以上のエンジン燃焼ガスの冷却性能に優れた自動車排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼材は、請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼材において、重量%で、Ｔｉ：０．８%以下、Ｎｂ：０．８%以下、Ｚｒ：０．８%以下、Ｖ：０．２以下の1または２以上を満たすものである。
請求項３に記載された６００℃以上のエンジン燃焼ガスの冷却性能に優れた自動車排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼材は、請求項1および請求項２に記載のフェライト系ステンレス鋼材において、重量%で、Ｍｏ：３%以下、Ｗ：３%以下、Ｃu：３%以下の1または２以上を満たすものである。
【０００８】
請求項４に記載された６００℃以上のエンジン燃焼ガスの冷却性能に優れた自動車排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼材は、請求項1〜３に記載のフェライト系ステンレス鋼材において、重量%で、ＲＥＭ、Ｙ、Ｃａの合計：０．1%以下を満たすものである。
【０００９】
請求項５に記載された６００℃以上のエンジン燃焼ガスの冷却性能に優れた自動車排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼材の製造方法は、請求項１〜４に記載した成分からなるフェライト系ステンレス鋼材(ただし、Ａｌは表層を含め０．２%以下)にＡｌめっきを施し、Ｔ（ｌｏｇｔ＋２０）≧２５1００の条件（Ｔ：温度（Ｋ）、ｔ：時間（ｈ））の拡散処理を施し、表面から1００μmまでのＡｌ濃度が質量%で２．５以上、1０．０%未満であることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項６に記載された抜熱性に優れた自動車用排気ガス経路部材は、６００℃以上の自動車排気ガスが接触する少なくとも１部分が請求項１〜５に記載した６００℃以上のエンジン燃焼ガスの冷却性能に優れた自動車排ガス経路部材用フェライト系ステンレス鋼材で構成されることを特徴とするものである。
請求項７に記載された自動車用排気ガス経路部材は、部材構造がエキゾーストマニホールドにおいてエンジンからの排気ガスが流れるマニホールド本体の少なくとも上流側に位置し、前記エンジンからの排気ガスの熱をマニホールド本体に伝熱するマニホールド用熱伝達体であって、請求項６に記載の抜熱性に優れた自動車排気ガス経路部材である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、エキゾーストマニホールドにおいて、排ガスの冷却性能に優れたフェライト系ステンレス鋼材することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】エキマニの構造とフランジの形状を示す図である。
【図２】Ａｌ拡散処理の条件と表面のＡｌ濃度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
発明者の詳細な研究の結果、表面Ａｌ濃度を適正範囲に制御することで、表面の硬質なＡｌ合金相の生成を回避し、エキゾーストマニホールドの集合部の材料温度および排ガス温度を大幅に低下でき、加工性、溶接性に大きな問題を生じることなく耐熱性を確保できることがわかった。
本発明はこのような知見に基づいて完成したものである。
【００１４】
以下、合金成分について説明する。
ＣおよびNは、一般的にクリープ強度等の高温強度向上に有効な元素とされているが、過剰に含有すると高温酸化特性、加工性、低温靭性、溶接性が低下する。本発明では、Ｃ，Ｎとも０．０３質量%以下に制限する。
【００１５】
Ｓｉは、高温酸化特性の改善に有効であるが、過剰に添加すると硬さが上昇し、加工性、低温靭性が低下する。本発明では、Ｓｉ含有量は２．０質量%以下に制限する。
Ｍｎは、高温酸化特性、特に耐スケール剥離性を改善するが、過剰の添加は加工性、溶接性を阻害する。またＭｎはオーステナイト安定化元素であるため、多量に添加するとマルテンサイト相が生成し易くなり、熱疲労特性、加工性の低下要因となる。このため、本発明では、Ｍｎ含有量は２．０質量%以下に制限する。
【００１６】
Ｃｒは、フェライト相を安定化するとともに、高温材料に重視される耐酸化性の改善に寄与する。その作用を十分に発揮させるために、本発明では1０質量%以上のＣｒ含有量を確保する。ただし、過剰のＣｒ含有は鋼材の脆化や加工性劣化を招く。このため、本発明ではＣｒ含有量は３０質量%以下に制限する。
【００１７】
Ａｌは、高温酸化特性を改善する有効な元素であるが、表面のＡｌ濃度が高い場合、加工性、溶接性の低下を招き、高温に曝されると、鋼板表面に硬質なＡｌ合金相を生成し、冷却時の熱衝撃で割れが発生する。また、表面のＡｌ濃度が低いと、Ａｌ添加による排ガスの冷却効果が得られないことから、表面から1００μｍまでのＡｌ濃度は２．５%以上、1０．０%未満に制限する。このＡｌ濃度範囲は、加工・溶接などの組み立て工程前で確保されていることが好ましいが、組み立て後に熱処理を行ってもよいし、実車のエンジン回転テスト等で所定条件に加熱して熱処理を兼ねてもよい。
【００１８】
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒは、高温強度の向上に有効な元素であるが、Ｃ、Nとの親和力が強く、過剰添加は加工性や低温靭性の低下の要因となる析出物を形成しやすい。このため、本発明ではＴｉ、Ｎｂ、Ｚｒ含有量は０．８%以下に制限する。
【００１９】
Ｖは、Ｎｂとの共存により、加工性、低温靭性、耐粒界腐食感受性、溶接熱影響部の靭性を改善するが、過剰添加は加工性や低温靭性の低下を招く要因になる。このため、本発明ではＶ含有量は０．２質量%以下に制限する。
【００２０】
Ｍｏ、Ｗは、固溶強化による高温強度の上昇に有効な元素であるが、過剰添加は炭化物やＬａｖｅｓ相を形成して高温強度や低温靭性を阻害する要因となる。このため、本発明ではＭｏ、Ｗ含有量は３質量%以下に制限する。
【００２１】
Ｃｕは、ε−Ｃu相の微細分散析出現象を利用して６００℃前後での強度を高め、熱疲労特性を向上させる。また、８５０℃を超える高温域では、Ｃｕの固溶強化を利用して高温強度を向上させる。ただし、過剰添加は、加工性、低温靭性、溶接性を低下させるため、本発明ではＣu含有量を  ３質量%以下に制限する。
【００２２】
ＲＥＭ、Ｙ、Ｃａは、高温酸化特性の改善に寄与する元素であるが、過剰の添加は製造性に悪影響を及ぼすため、本発明ではＲＥＭ、Ｙ、Ｃａの合計含有量は０．1質量%以下に制限する。
【００２３】
各元素の含有量を以上の範囲にすると共に、表層のＡｌを上述した濃度範囲に傾斜させるためには、下記式を満たすような拡散処理をすることが好ましい。
Ｔ（ｌｏｇｔ ＋ ２０）≧２５１００  ・・・（１）
ここで、Ｔ：温度（Ｋ）、ｔ：時間（ｈ）を意味する。
上記式の左辺は、拡散に寄与する温度と時間を関連づけたパラメーターであり、上記式はＡｌめっきを施した後、拡散処理し、表面のＡｌ濃度を上述の範囲に調整するための規定である。（１）式の値が２５１００を下回る場合、表面にＡｌ合金層が形成され、拡散処理後の冷却時にクラックが生じる。このようにして得られたフェライト系ステンレス鋼材に成形加工や溶接を施し、高温の排ガスに曝させる排ガス自動車排ガス経路部材を製造する。
【実施例】
【００２４】
以下に本願の実施例を示す。表1にＡｌめっきを施す前の供試材の化学成分を示す。本供試材には、現在自動車用部材に用いられているフェライト系ステンレス鋼であるＳＵＨ４０９Lを選定した。表２および図1にＡｌめっきおよび拡散処理後の試験結果示す。Ａｌめっき厚を片面あたり８０ｇ／m２〜１２０ｇ／ｍ２の範囲で、拡散処理温度を６００〜１１００℃で、拡散処理時間を１〜２０ｍｉｎで変化させている。また、Ａｌめっきままの表層Ａｌ濃度を９１ｗｔ％とし、これを拡散処理後の断面からのＥＰＭＡ分析におけるＡｌの強度比により拡散処理後の表面Ａｌ濃度を算出した。
【００２５】
【表１】
2014194058.tif 000002
【００２６】
【表２】
2014194058.tif 000003
【００２７】
Ａｌめっき厚が厚いまたは拡散温度が低い場合、表面Ａｌ濃度が1０％以上となっており、表面にＡｌ合金相が形成され、拡散処理後の冷却にてクラックが発生し、溶融したＡｌが液だれした形跡が見られるのに対し、表面Ａｌ濃度が1０％未満の場合、冷却後もクラックの発生もなく、液だれも確認されない。
【００２８】
図２にエキゾーストマニホールドの集合部および排ガス温度の測定方法を示す。エキゾーストマニホールドの集合部および排ガス温度の測定は、図２に示すモナカ構造を用い、モナカ構造部にはＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ／２ｍｍｔのプレス品を用いた。また、フランジ材は、表1および表３に示す鋼種を用い、Ａｌめっきを施し、１１００℃で５ｍｉｎ（一部６０ｍｉｎ、６００ｍｉｎ）の拡散処理した各種鋼材を十字形状に打抜いたものを用いた。
【００２９】
【表３】
2014194058.tif 000004
【００３０】
エキゾーストマニホールドの加熱は、電気式ヒーター式の加熱装置を用い、エキゾーストマニホールドの入側ガス温度を１１００℃、送風量を各ポートが1．５m３／ｍｉｎとなるよう調整した。また、フランジの冷却はＳＵＳ３０４製の接続ブロックを水冷し、エキゾーストマニホールドのフランジ温度が３４０℃になるよう水量を調整した。
【００３１】
試験結果を表４に示す。フランジを円で打抜いた比較例1およびフランジを十字形状に打抜いた比較例２は、エキゾーストマニホールドの集合部の材温が高く排ガスの出側温度も高い。一方、発明例３〜１４では集合部の材料温度が低下するとともに排ガス温度も低下しており、特に、発明例４〜１４での温度低下量が大きい。
【００３２】
【表４】
2014194058.tif 000005
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明により排ガスの冷却性能に優れたフェライト系ステンレス鋼材が提供できるため、エキゾーストマニホールド用の素材として有用である。
【図１】
2014194058.tif 000006
【図２】
2014194058.tif 000007