(57)【要約】【課題】９００℃を超えるような高温下での使用に耐え得る、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害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】素材成分を、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．５　〜２．０　％、Ｍｎ：２．０　％以下、Ｃｒ：１２．０〜１６．０％、Ｍｏ：１．０　〜５．０　％、Ｗ：２．０　％超、５．０　％以下、Ｎｂ：５（Ｃ＋Ｎ）〜１．０　％およびＮ：０．０２％以下を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成範囲に調整する。【選択図】　　　　図１
2004018914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０２％以下、
Ｓｉ：０．５　〜２．０　％、
Ｍｎ：２．０　％以下、
Ｃｒ：１２．０〜１６．０％、
Ｍｏ：１．０　〜５．０　％、
Ｗ：２．０　％超、５．０　％以下、
Ｎｂ：５（Ｃ＋Ｎ）〜１．０　％および
Ｎ：０．０２％以下
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成になることを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項２】
請求項１において、ＭｏおよびＷの合計量が、質量％で
（Ｍｏ＋Ｗ）≧４．３　％
を満足することを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項３】
請求項１または２において、鋼がさらに、質量％で
Ｔｉ：０．５　％以下、
Ｚｒ：０．５　％以下および
Ｖ：０．５　％以下
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成になることを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項４】
請求項１，２または３において、鋼がさらに、質量％で
Ｎｉ：２．０　％以下、
Ｃｕ：１．０　％以下、
Ｃｏ：１．０　％以下および
Ｃａ：０．０１％以下
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成になることを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、鋼がさらに、質量％で
Ａｌ：０．５　％以下
を含有する組成になることを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、鋼がさらに、質量％で
Ｂ：０．０１％以下、
Ｍｇ：０．０１％以下
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成になることを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、鋼がさらに、質量％で
ＲＥＭ：０．１　％以下
を含有する組成になることを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、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等の高温環境下で使用される部材に供して好適な、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の排気系環境で使用される、例えば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およびマフラー等に代表される排気系部材には、成形性と耐熱性に優れることが要求されている。現在、このような用途には、室温で軟質で成形性に優れ、高温耐力も比較的高い、ＮｂとＳｉを添加したＣｒ含有鋼、例えば　Ｔｙｐｅ４２９（１４Ｃｒ−０．９Ｓｉ　−０．４Ｎｂ　系）鋼が多用されている。
しかしながら、この　Ｔｙｐｅ４２９鋼は、エンジン性能の向上により排ガス温度が現行温度より高い　９００℃から１０００℃のような高温にまで上昇すると、高温耐力や耐酸化性が不足するいう問題があった。
【０００３】
このため、高温強度がＴｙｐｅ４２９　鋼より高い優れた高温強度を有する材料に対する要求が強まっている。また、排気部材材料の高温強度を高めることは、部材の薄肉化を可能とし、自動車車体の軽量化に大きく寄与できるという利点もある。
【０００４】
上記の要請に応えるものとして、特開２０００−７３１４７　号公報には、　排気系部材の高温部から低温部までの広い範囲にわたって適用可能な、高温強度、加工性および表面性状に優れたＣｒ含有鋼が開示されている。この素材は、Ｃ：０．０２ｍａｓｓ％以下、　Ｓｉ：０．１０ｍａｓｓ％以下、　Ｃｒ：３．０　〜２０ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．２　〜１．０　ｍａｓｓ％を含有するＣｒ含有鋼であり、　Ｓｉを０．１０ｍａｓｓ％以下に低減し、　Ｆｅ２Ｎｂ　ラーベス相の析出を抑制して室温降伏強さの上昇を抑制すると共に、優れた高温強度と加工性、さらには良好な表面性状を付与しようとするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような排気系部材であっても、　９００℃から１０００℃のような高温における耐酸化性すなわち耐高温酸化性の面に問題を残していた。
すなわち、エンジン性能をより向上させるためには、排ガス温度の一層の上昇が避けられないが、排ガス温度が　９００℃から１０００℃のような高温に上昇した場合には、現行の材料ではいずれも異常酸化が生じて、実使用に耐え得ないという問題が生じたのである。また、さらなる高温強度の向上も必要とされていた。
ここに、異常酸化とは、材料が高温の排ガスに曝された場合に、Ｆｅ酸化物が生成し、このＦｅ酸化物は酸化速度が異常に速いことから、酸化が急激に進行し、素材がぼろぼろになる現象をいう。
【０００６】
この発明は、上記の問題を有利に解決するもので、高温強度および耐高温酸化性に優れ、さらには耐高温塩害性にも優れるフェライト系ステンレス鋼を提案することを目的とする。
ここに、高温塩害とは、特に寒冷地において路面に散布された路面凍結阻止剤中の塩分や海岸地方における海水の塩分が排気パイプに付着したのち、高温に加熱された場合の腐食のことであり、このような腐食で板厚が減少していく。
【０００７】
【課題を解決するための手投】
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、Ｗの添加特にＭｏとＷとを複合添加することが、耐高温酸化性および高温強度の改善に有効に寄与することの知見を得た。
また、一定量以上のＳｉを添加することによって、耐高温塩害性が改善されることも併せて見出した。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００８】
すなわち、この発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で、
Ｃ：０．０２％以下、
Ｓｉ：０．５　〜２．０　％、
Ｍｎ：２．０　％以下、
Ｃｒ：１２．０〜１６．０％、
Ｍｏ：１．０　〜５．０　％、
Ｗ：２．０　％超、５．０　％以下、
Ｎｂ：５（Ｃ＋Ｎ）〜１．０　％および
Ｎ：０．０２％以下
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成になることを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【０００９】
２．上記１において、ＭｏおよびＷの合計量が、質量％で
（Ｍｏ＋Ｗ）≧４．３　％
を満足することを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１０】
３．上記１または２において、鋼がさらに、質量％で
Ｔｉ：０．５　％以下、
Ｚｒ：０．５　％以下および
Ｖ：０．５　％以下
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成になることを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１１】
４．上記１，２または３において、鋼がさらに、質量％で
Ｎｉ：２．０　％以下、
Ｃｕ：１．０　％以下、
Ｃｏ：１．０　％以下および
Ｃａ：０．０１％以下
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成になることを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１２】
５．上記１〜４のいずれかにおいて、鋼がさらに、質量％で
Ａｌ：０．５　％以下
を含有する組成になることを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１３】
６．上記１〜５のいずれかにおいて、鋼がさらに、質量％で
Ｂ：０．０１％以下、
Ｍｇ：０．０１％以下
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成になることを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１４】
７．上記１〜６のいずれかにおいて、鋼がさらに、質量％で
ＲＥＭ：０．１　％以下
を含有する組成になることを特徴とする、高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明において、成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。なお、成分に関する「％」表示は特に断らない限り質量％を意味するものとする。
Ｃ：０．０２％以下
Ｃは、靱性や加工性を劣化させるので、その混入は極力低減することが好ましい。この観点から、この発明ではＣ量を０．０２％以下に限定した。より好ましくは０．００８％以下である。
【００１６】
Ｓｉ：０．５　〜２．０　％
Ｓｉは、耐高温塩害性の向上に有効に寄与するので、この発明では　０．５％以上含有させることにした。しかしながら、含有量が　２．０％を超えると室温での強度が増大し、加工性を低下させるので、上限を　２．０％とした。より好ましくは　０．６〜１．２　％の範囲である。
【００１７】
Ｍｎ：２．０　％以下
Ｍｎは、脱酸剤として有効に寄与するが、過剰の添加はＭｎＳを形成して耐食性を低下させるので、２．０　％以下に限定した。より好ましくは　１．０％以下である。なお、耐スケール剥離性の観点からは、Ｍｎ量は高いほど好ましくいので、この観点からは　０．３％以上含有させることが好ましい。
【００１８】
Ｃｒ：１２．０〜１６．０％
Ｃｒは、耐食性および耐酸化性を向上させる基本元素であるが、一方で室温での強度が増大して加工性を低下させる不利がある。この発明では、Ｗの添加によって耐高温酸化性の向上を図っているので、加工性の観点からＣｒ量は１６．０％以下で含有させるものとした。一方、Ｃｒ量が１２．０％を下回ると、Ｗが添加されていても耐食性の低下が著しいので、その下限をは１２．０％とした。より好ましくは１４．０〜１６．０％の範囲である。
【００１９】
Ｍｏ：１．０　〜５．０　％
Ｍｏは、高温強度のみならず、耐酸化性および耐食性の向上に有効に寄与するので、この発明では　１．０％以上含有させるものとした。しかしながら、含有量があまりに多くなると室温での強度が増大して加工性が低下するので、５．０　％を上限とした。より好ましくは　１．８〜２．５　％の範囲である。
【００２０】
Ｗ：２．０　％超、５．０　％以下
Ｗは、この発明において特に重要な元素である。すなわち、上記したＭｏを添加したフェライト系ステンレス鋼に、Ｗを複合含有させることによって、耐高温酸化性の著しい向上を図ることができる。また、高温強度の向上にも有効に寄与する。しかしながら、Ｗ量が　２．０％以下ではその添加効果に乏しく、一方　５．０％を超えて多量に含有させるとコストの上昇を招くので、Ｗは　２．０％超、５．０　％以下の範囲で含有させるものとした。より好ましくは　３．０〜３．５　％の範囲である。
【００２１】
図１に、　１４％Ｃｒ−０．８％Ｓｉ−０．５％Ｎｂ−１．８％Ｍｏ鋼をベースに、Ｗを種々の割合で添加した時の耐高温酸化性について調べた結果を示す。
耐高温酸化性試験は、１０５０℃の大気雰囲気中に　１００時間保持し、この試験後の試験片の重量変化で評価した。この重量変化が小さいほど耐高温酸化性に優れていることを意味する。そして、試験後の重量変化が　１０　ｍｇ／ｃｍ２以下であれば耐高温酸化性に優れているといえる。
同図に示したとおり、Ｗを　２．０％超含有させることによって、耐高温酸化性は格段に向上する。
【００２２】
（Ｍｏ＋Ｗ）≧４．３　％
上述したとおり、ＭｏとＷとを複合含有させることによって、耐高温酸化性の著しい向上を図ることができる。そのためには、これら元素の合計量は　４．３％以上とすることが好ましい。より好ましくは　４．７％以上である。
【００２３】
Ｎｂ：５（Ｃ＋Ｎ）〜１．０　％
Ｎｂは、高温強度の改善に有効な元素であり、この効果を発揮させるためには、ＣおよびＮ量との兼ね合いで５（Ｃ＋Ｎ）以上含有させる必要がある。しかしながら、あまりに多量の添加は、室温での強度が増大して加工性が低下するので、１．０　％を上限とした。より好ましくは　０．４〜０．７　％の範囲である。
【００２４】
Ｎ：０．０２％以下
Ｎも、Ｃと同様、靱性や加工性を劣化させるので、その混入は極力低減することが好ましい。この観点から、この発明ではＮ量を０．０２％以下に限定した。より好ましくは　０．００８％以下である。
【００２５】
以上、基本成分について説明したが、この発明ではその他にも、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。
Ｔｉ：０．５　％以下、Ｚｒ：０．５　％以下およびＶ：０．５　％以下のうちから選んだ少なくとも一種
Ｔｉ，ＺｒおよびＶはいずれも、ＣやＮを固定して耐粒界腐食性を向上させる作用があり、この観点からはそれぞれ０．０２％以上含有させることが好ましい。しかしながら、含有量が　０．５％を超えると、鋼材の脆化を招くので、それぞれ　０．５％以下で含有させるものとした。
なお、これらの元素は、高温強度の向上にも有効であるので、前記したＷおよび後述するＣｕを合わせた（Ｗ＋Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｖ＋Ｃｕ）量は、３％超で含有させることが好適である。
【００２６】
Ｎｉ：２．０　％以下、Ｃｕ：１．０　％以下、Ｃｏ：１．０　％以下およびＣａ：０．０１％以下のうちから選んだ少なくとも一種
Ｎｉ，Ｃｕ，ＣｏおよびＣａはいずれも、靱性の改善に有用な元素であり、それぞれＮｉ：２．０　％以下、Ｃｕ：１．０　％以下、Ｃｏ：１．０　％以下、Ｃａ：０．０１％以下で含有させるものとした。特にＣａは、Ｔｉが含有された場合、連続鋳造時のノズル詰まりの防止にも有効に寄与する。なお、これらの元素の効果を十分に発揮させるためには、それぞれＮｉ：０．５　％以上、Ｃｕ：０．０５％以上、Ｃｏ：０．０３％以上、Ｃａ：０．０００５％以上の範囲で含有させることが好ましい。
【００２７】
Ａｌ：０．５　％以下
Ａｌは、脱酸剤として有用であり、そのためには０．０１％以上含有させることが好ましい。また、Ａｌは、溶接部の表面に緻密なスケールを形成して、溶接中に酸素や窒素の吸収を防止し、溶接部の靱性向上にも有効に寄与する。この目的のためには０．０２％以上含有させることが好ましい。しかしながら、含有量が　０．５％を超えるとその効果は飽和に達するので、この発明では　０．５％以下で含有させるものとした。
【００２８】
Ｂ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下のうちから選んだ少なくとも一種
ＢおよびＭｇいずれも、２次加工脆性の改善に有効に寄与するが、含有量が０．０１％を超えると室温での強度が増して延性の低下を招くので、それぞれ０．０１％以下で含有させるものとした。より好ましくはＢ：０．０００３％以上、Ｍｇ：０．０００３％以上である。
【００２９】
ＲＥＭ：０．１　％以下
ＲＥＭ　は、耐酸化性の向上に有効に寄与するので　０．１％以下で含有させるものとした。より好ましくは　０．００２％以上である。なお、この発明において　ＲＥＭとは、ランタノイド系元素およびＹを意味する。
【００３０】
次に、この発明鋼の好適製造方法について説明する。この発明鋼の製造条件はとくに限定されるものではなく、Ｃｒ含有鋼の一般的な製造方法を好適に利用できる。
例えば、上記した適正組成範囲に調整した溶鋼を、転炉、　電気炉等の溶製炉、さらには取鍋精錬、　真空精錬等の精錬を利用して溶製したのち、連続鋳造法または造塊−分塊法でスラブとしたのち、　熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上げ焼鈍、酸洗の各工程を順次に経て、冷延焼鈍板板とするのが好ましい。　また、冷間圧延は、１回または中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延としてもよい。冷間圧延、仕上げ焼鈍、酸洗の工程は繰り返し打ってもよい。なお、場合によっては熱延板焼鈍は省略してもよい。さらに、光沢性が要求される場合には、スキンパス等を施すことが有利である。
【００３１】
【実施例】
表１に示す成分組成になる５０ｋｇ鋼塊を作製し、　これらの鋼塊を１１００℃に加熱後、　熱間圧延により５ｍｍ厚の熱延板とした。　ついで、これらの熱延板に対し、熱延板焼鈍（焼鈍温度：１０００℃）−酸洗−冷間圧延（冷延圧下率：６０％）−仕上げ焼鈍（焼鈍温度：１０００℃）−酸洗を順次施して、２ｍｍ厚の冷延焼鈍板とした。
かくして得られた冷延焼鈍板の高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性について調べた結果を、表２に示す。
【００３２】
なお、各特性は次のようにして評価した。
（１）　高温強度
各冷延焼鈍板から、圧延方向を引張り方向とする　ＪＩＳ　１３　号Ｂ引張試験片を各２　本ずつ採取し、　ＪＩＳ　Ｇ　０５６７の規定に準拠して、　引張り温度：９００　℃　、歪速度：０．３　％／ｍｉｎの条件で引張り試験を行い、２本の試験片の　９００℃における　０．２％耐力を求めた。　なお、　この　９００℃における　０．２％耐力の値は高ければ高いほど好ましいが、特に　２０　ＭＰａ　以上であれば高温強度に優れているといえる。
（２）　耐高温酸化性
各冷延焼鈍板から、試験片（２ｍｍ厚×２０ｍｍ幅×３０ｍｍ長さ）を各２本ずつ採取し、これらの試験片を、１０５０℃の大気雰囲気中に　１００時間保持した。試験前後における各試験片の重量を測定し、試験前後の重量変化を算出して、２本の平均値を求めた。この重量変化が　１０　ｍｇ／ｃｍ２以下であれば耐高温酸化性に優れているといえる。
（３）　耐高温塩害性
各冷延焼鈍板から、試験片（２ｍｍ厚×２０ｍｍ幅×３０ｍｍ長さ）を各２本ずつ採取し、５％食塩水に１時間浸漬したのち、７００　℃の大気雰囲気中で２３時間加熱し、５分冷却する工程を１サイクルとし、１０サイクル後の重量変化を測定し、その平均値を求めた。この重量変化が小さいほど耐高温塩害性に優れており、この発明では、重量変化量Δｗが４０（ｍｇ／ｃｍ２）以上の場合を×、３０≦Δｗ＜４０（ｍｇ／ｃｍ２）の場合を○、２０≦Δｗ＜３０（ｍｇ／ｃｍ２）の場合を◎、Δｗ＜２０（ｍｇ／ｃｍ２）の場合を☆と評価した。
【００３３】
【表１】
2004018914.tif 000003
【００３４】
【表２】
2004018914.tif 000004
【００３５】
表２から明らかなように、この発明に従う鋼板はいずれも、高温強度はいうまでもなく、優れた耐高温酸化性および耐高温塩害性が得られている。
【００３６】
【発明の効果】
かくして、この発明によれば、高温強度および耐高温酸化性に優れ、さらには耐高温塩害性にも優れるフェライト系ステンレス鋼を得ることができる。
従って、この発明によれば、エンジン性能の向上により、排ガス温度が　９００℃を超えるような使途においても、それに耐え得る排気系部材を安定して供給することができる。また、同様な特性を必要とする燃料電池関連部材等への適用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】１４％Ｃｒ−０．８％Ｓｉ−０．５％Ｎｂ−１．８％Ｍｏ鋼をベースに、Ｗを種々の割合で添加した時の耐高温酸化性について調べた結果を示したグラフである。
【図１】
2004018914.tif 000005