(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量百分率で、
Ｃ：0.02％以下、
Si：0.2 〜1.0 ％、
Mn：1.5 ％以下、
Ｐ：0.04％以下、
Ｓ：0.01％以下、
Cr：11.0〜20.0％、
Ni：1.0 ％以下、
Mo：1.0 〜2.0 ％、
Al：1.0 ％以下、
Nb：0.2 〜0.8 ％、
Ｎ：0.02％以下、
Co：0.01〜0.3 ％、
Ｖ：0.01〜0.3 ％および
Ｂ：0.0002〜0.0050％
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、溶接部の耐二次加工脆性および高温疲労特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、Co, ＶおよびＢ量が、次式
0.1 ≦〔Co〕＋ 0.5×〔Ｖ〕＋ 100×〔Ｂ〕≦ 0.5
ここで、〔Ｍ〕はＭ元素の含有量（質量百分率）
の範囲を満足することを特徴とする、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、質量百分率で、さらに
Ti：0.05％以上 0.5 ％以下、
Zr：0.5 ％以下および
Ta：0.5 ％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする、フェライト系ステンレス鋼。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、質量百分率で、さらに
Cu：2.0 ％以下
を含有する組成になることを特徴とする、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、質量百分率で、さらに
Ｗ：1.0 ％以下および
Mg：0.1 ％以下
のうちから選んだ１種または２種を含有する組成になることを特徴とする、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、質量百分率で、さらに
Ca：0.005 ％以下
を含有する組成になることを特徴とする、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】
本発明は、溶接管あるいは溶接した鋼板を成形加工して使用する用途に供して好適な、溶接部の耐二次加工脆性および高温疲労特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】
ここで二次加工とは、 例えば溶接管を曲げ加工（一次加工）したのち、 さらにそれを拡管する（二次加工）場合のように、２回以上の成形加工を特定箇所に施すことをいう。 フェライト系ステンレス鋼は、このような二次加工を施した際に、脆化割れを生じる場合が良く見受けられる。
また、 高温疲労とは、600 ℃以上の高温での繰り返し曲げによって材料が疲労破壊する現象である。
溶接部で二次加工と高温疲労を受ける例として、例えば自動車の排ガス系部品がある。その中でも加工が厳しく、かつエンジンからの排ガスで 600℃以上の高温に加熱された状態で激しい振動を受けるエキゾースト・ マニホールド（図１参照）はその最たるものであり、本発明は例えばこのような部材に用いて好適なものである。
【０００３】
【従来の技術】
複雑な曲げ加工や拡管、 縮径加工を施された溶接管を、例えば自動車のエキゾースト・マニホールドに使用した場合、二次加工を受けて脆化した溶接部で割れが生じたり、あるいは溶接部が高温での強度不足のため使用中に疲労割れを起こすという問題があった。
このように、母材よりも溶接部で割れが生じ易い理由は、 溶接時の入熱による溶接部の結晶粒の粗大化によって、 溶接部の靱性および強度が低下することが主な原因である。
【０００４】
上記の問題を解決するものとして、特開平11−172369号公報には、溶接部の高温疲労特性に優れたCr含有フェライト鋼として、Al2O3 介在物を低減した成分系が提案されている。
しかしながら、この鋼種の、溶接部割れのもう一つの原因である二次加工脆化に対する性能は十分とはいえず、高温疲労特性は良好であっても、二次加工脆化によって割れを起こす場合があった。
また、Al2O3 介在物を低減するには、製鋼工程でSiやMnを脱酸剤としなければならず、脱酸剤として広く使われているAlを使用することができないという、製造上の制約もあった。
【０００５】
また、特開平７−126812号公報には、りん化物のサイズおよび量を制御することによって、耐二次加工脆性を改善したフェライト系ステンレス鋼が提案されている。
しかしながら、Ｐを添加すると溶接部の靱性劣化が避けられない。これは、溶接時の入熱により、 溶接部の結晶粒界にＰが偏析したためと考えられる。
また、溶接部の高温疲労特性は、りん化物の制御によっては向上せず、従って高温疲労割れを防止することはできなかった。
【０００６】
上述したように、溶接部の耐二次加工脆性および高温疲労特性を改善することについては、これまで種々の提案がなされているが、両特性を兼ね備えたフェライト系ステンレス鋼については現在までのところ見出されておらず、その開発が望まれていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の要望に有利に応えるもので、鋼成分の適正化を図ることによって、 溶接部の耐二次加工脆性および高温疲労特性の両者を併せて改善した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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、 上記の目的を達成すべく、 フェライト系ステンレス鋼の溶接部の耐二次加工脆性および高温疲労特性に及ぼす各種添加元素の影響について綿密な検討を行った。
その結果、 微量のCo，ＶおよびＢを複合添加することによって、溶接部の耐二次加工脆性および高温疲労特性が同時に顕著に向上することが新たに見出された。
【０００９】
図２に、 溶接部の二次加工脆性遷移温度に及ぼす、 Co，ＶおよびＢの影響について調べた結果を整理して示す。
同図に示したとおり、Co，ＶおよびＢの３元素を複合添加した場合には、いずれか２元素しか添加しなかった場合と比較して、脆性遷移温度が低下しており、より低温で使用しても脆化割れが起こらないことを示している。
特に、これらの元素の含有量が、次式
0.1 ≦〔Co〕＋ 0.5×〔Ｖ〕＋ 100×〔Ｂ〕≦ 0.5
ここで、〔Ｍ〕はＭ元素の含有量（質量百分率）
の範囲を満足する場合には、一層低い脆性遷移温度が得られている。
【００１０】
同様に、溶接部の高温疲労特性とCo，ＶおよびＢとの関係についても調査したところ、これに対してもCo，Ｖ，Ｂの複合添加は効果があることが判明した。
図３に、溶接部の高温疲労特性（107 疲労限：107 回曲げを繰り返しても疲労割れが生じない最高曲げ応力）に及ぼす、 Co，ＶおよびＢの影響について調べた結果を整理して示す。
同図に示したとおり、Co，ＶおよびＢの３元素を複合添加した場合には、いずれか２元素しか添加しなかった場合と比較して、107 疲労限が向上し、より高い繰り返し曲げ応力に耐えられることを示している。
特に、これらの元素の含有量が、次式
0.1 ≦〔Co〕＋ 0.5×〔Ｖ〕＋ 100×〔Ｂ〕≦ 0.5
の範囲を満足する場合には、より高い 107疲労限を得ることができた。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１１】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量百分率で、
Ｃ：0.02％以下、
Si：0.2 〜1.0 ％、
Mn：1.5 ％以下、
Ｐ：0.04％以下、
Ｓ：0.01％以下、
Cr：11.0〜20.0％、
Ni：1.0 ％以下、
Mo：1.0 〜2.0 ％、
Al：1.0 ％以下、
Nb：0.2 〜0.8 ％、
Ｎ：0.02％以下、
Co：0.01〜0.3 ％、
Ｖ：0.01〜0.3 ％および
Ｂ：0.0002〜0.0050％
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、溶接部の耐二次加工脆性および高温疲労特性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１２】
２．上記１において、Co, ＶおよびＢ量が、次式
0.1 ≦〔Co〕＋ 0.5×〔Ｖ〕＋ 100×〔Ｂ〕≦ 0.5
ここで、〔Ｍ〕はＭ元素の含有量（質量百分率）
の範囲を満足することを特徴とする、フェライト系ステンレス鋼。
【００１３】
３．上記１または２において、質量百分率で、さらに
Ti：0.05％以上 0.5 ％以下、
Zr：0.5 ％以下および
Ta：0.5 ％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする、フェライト系ステンレス鋼。
【００１４】
４．上記１〜３のいずれかにおいて、質量百分率で、さらに
Cu：2.0 ％以下
を含有する組成になることを特徴とする、フェライト系ステンレス鋼。
【００１５】
５．上記１〜４のいずれかにおいて、質量百分率で、さらに
Ｗ：1.0 ％以下および
Mg：0.1 ％以下
のうちから選んだ１種または２種を含有する組成になることを特徴とする、フェライト系ステンレス鋼。
【００１６】
６．上記１〜５のいずれかにおいて、質量百分率で、さらに
Ca：0.005 ％以下
を含有する組成になることを特徴とする、フェライト系ステンレス鋼。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、 本発明のフェライト系ステンレス鋼（以下、単に本発明鋼という) について具体的に説明する。
まず、本発明鋼の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百分率（mass％）を意味する。
Ｃ：0.02％以下
本発明鋼において、Ｃは、適量であれば粒界を強化し、溶接部の耐二次加工脆性を向上させる作用があるが、含有量が増大し炭化物となって粒界に析出するようになると耐二次加工脆性に悪影響を及ぼす。特に含有量が0.02％を超えると、その悪影響が顕著となるので、Ｃ量は0.02％以下に限定した。特に、耐二次加工脆性の向上の観点から好適な含有量は 0.003％＜Ｃ≦0.01％の範囲である。
【００１８】
Si：0.2 〜1.0 ％
Siは、高強度化に有効に寄与し、それによって高温疲労特性を向上させる有用元素である。この効果を得るためには、少なくとも 0.2％の含有が必要であるが、 1.0％を超えると鋼を脆化させ溶接部の耐二次加工脆性を劣化させるので、Si量は 0.2〜1.0 の範囲に限定した。溶接部の耐二次加工脆性の向上の観点からは 0.6％以下とすることが望ましい。
【００１９】
Mn：1.5 ％以下
Mnは、耐酸化性の改善に有効であることから、高温で使用する材料に含有させると有効な元素である。 しかしながら、過剰に含有されると鋼の靱性だけでなく、溶接部の耐二次加工脆性を劣化させることから 1.5％以下に限定した。溶接部の耐二次加工脆性の向上の観点からは 0.5％以下とすることが望ましい。また、耐酸化性を改善させる観点からは、その含有量は 0.1％以上とすることが好ましい。
【００２０】
Ｐ：0.04％以下
Ｐは、粒界に偏析し易く、 後述するＢの粒界強化の効果を低減させる。 従ってできる限り低い方が溶接部の耐二次加工脆性および高温疲労特性の面で有効である。しかしながら、あまりに低くすることは製鋼のコストの上昇を招くため0.04％を上限とした。
【００２１】
Ｓ：0.01％以下
Ｓ量が低い方が、 ステンレス鋼の特徴である耐食性は向上するが、製鋼時の脱Ｓ処理にかかる経済的制約から、 Ｓ量は0.01％以下とした。
【００２２】
Cr：11.0〜20.0％
Crは、高温強度、 耐酸化性および耐食性の向上に有効な元素であり、十分な高温強度、 耐酸化性および耐食性を得るためには少なくとも11.0％の含有が必要である。一方、Crは、鋼の靱性を劣化させ、 特に20.0％を超えて含有させると靱性の劣化が著しく、 溶接部の耐二次加工脆性をも劣化させるので、Cr量は11.0〜20.0％の範囲に限定した。特に、溶接部の高温疲労特性向上の観点からは14.0％以上、一方溶接部の耐二次加工脆性向上の観点からは16.0％以下とすることが好適である。
【００２３】
Ni：1.0 ％以下
Niは、ステンレス鋼の特徴である耐食性を向上させるので 1.0％以下の範囲で含有させる。というのは、1.0 ％を超えて含有させると鋼が硬質化し、 溶接部の耐二次加工脆性および高温疲労特性に悪影響を及ぼすからである。 なお、耐食性向上の観点からは、Ni含有量は 0.1％以上とすることが好ましい。
【００２４】
Mo：1.0 〜2.0 ％
Moは、高温強度および耐食性の向上に有効な元素であり、十分な高温強度および耐食性を得るためには少なくとも 1.0％の含有が必要である。一方 2.0％を超えて含有されると靱性が劣化し、 また溶接部の耐二次加工脆性も劣化するので、Mo量は 1.0〜2.0 ％の範囲に限定した。なお、溶接部の高温疲労特性向上の観点からは 1.5％以上含有させることが好ましい。
【００２５】
Al：1.0 ％以下
Alは、製鋼上、脱酸剤として必要な元素であるが、過度の添加は介在物の生成により耐二次加工脆性の劣化を招くので、1.0 ％以下に限定した。耐二次加工脆性向上の観点からは 0.1％以下とすることが好ましい。
【００２６】
Nb：0.2 〜0.8 ％
Nbは、高温強度の向上に有効な元素であり、十分な高温強度を得るためには少なくとも 0.2％の含有が必要である。一方 0.8％を超えて含有されると靱性が劣化し、また溶接部の耐二次加工脆性も劣化するので、Nbは 0.2〜0.8 ％の範囲に限定した。特に、溶接部の高温疲労特性向上の観点からは 0.4％超え、一方耐二次加工脆性向上の観点からは 0.6％以下とすることが好ましい。
【００２７】
Ｎ：0.02％以下
Ｎは、適当量であれば粒界を強化し耐二次加工脆性を向上させる働きがあるが、窒化物となって粒界に析出すると耐二次加工脆性に悪影響を及ぼすようになる。特に0.02％を超えるとその悪影響が顕著となるので、Ｎ量は0.02％以下に限定した。溶接部の耐二次加工脆性の向上の観点からは0.01％以下とすることが望ましい。
【００２８】
Co：0.01〜0.3 ％、 Ｖ：0.01〜0.3 ％、Ｂ：0.0002〜0.0050％
Co，ＶおよびＢは、複合添加することによって、溶接部の耐二次加工脆性のみならず、高温疲労特性を顕著に向上させる。 その効果は、 Co，Ｖについてはそれぞれ0.01％以上、 Ｂについては0.0002％以上で発揮される。 特に優れた効果を得るためには、Co：0.02％以上、Ｖ：0.05％以上、 Ｂ：0.0005％以上で含有させることが好ましい。 一方、Coが 0.3％超え、 Ｖが 0.3％超え、 Ｂが0.0050％を超えて含有させても、 その効果は飽和に達し、 コストの上昇を招くだけであるので、Co，Ｖ, Ｂはそれぞれ上記の範囲で含有させるものとした。
【００２９】
Co，Ｖ，Ｂの複合添加が、耐二次加工脆性および高温疲労特性の改善に有効に寄与する機構については、まだ明確に解明されたわけではないが、次のとおりと考えられる。
Coは、溶接時の入熱によって粗大化した粒の粒内の靱性を高め、そこでの割れを防止しているものと推定される。またＢは、入熱時に粒界に偏析して粒界を強化し、粒界割れを防止しているものと推定される。さらにＶは、入熱時に炭化物を作ることによって、粒界の移動を抑制し結晶粒の粗大化を抑えるのと同時に、Ｃを固定し、Ｂが炭化物となって析出し、Ｂの粒界強化の効果が消失することを防止しているものと考えられる。
【００３０】
本発明は、これらが関与し合って著しい効果を生むもので、Co，Ｖ，Ｂのどれか一つでも欠けるとその効果は得られない。
このように、 Co，Ｖ，Ｂの複合添加効果は、溶接部の耐二次加工脆性において顕著にその効果が見られるもので、溶接を含まない加工部の耐二次加工脆性としては見られなかったものである。 また、溶接部の高温疲労特性に対するCo, Ｖ,Ｂの複合添加効果についても、 上記の粒内、粒界の強化が寄与しているものと考えられる。
【００３１】
0.1 ≦〔Co〕＋ 0.5×〔Ｖ〕＋ 100×〔Ｂ〕≦ 0.5
さらに、前掲図２，３に示したとおり、Co，Ｖ，Ｂが上記の範囲を満足する範囲で複合添加すると、 耐二次加工脆性および高温疲労特性の一層の向上を図ることができるので、これらの元素は、上記の範囲を満足する範囲で含有させることがより好適である。
【００３２】
以上、本発明鋼の必須成分について説明したが、本発明では、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：0.05％以上 0.5 ％以下、 Zr：0.5 ％以下、Ta：0.5 ％以下
Ti，ZrおよびTaはそれぞれ、溶接時の入熱の際に炭化物として析出し、その析出強化効果によって高温疲労特性の向上に寄与する有用元素である。しかしながら、いずれも、含有量が 0.5％を超えると効果が飽和するだけでなく、 鋼板の表面性状が著しく劣化するので、それぞれ 0.5％以下で含有させるものとした。なお、高温疲労特性向上の観点からは、Ti，Zr，Taはそれぞれ0.05％以上含有させることが好ましい。
【００３３】
Cu：2.0 ％以下
Cuは、耐食性および鋼の靱性を向上させる有用元素である。しかしながら、 含有量が 2.0％を超えると鋼の加工性が劣化するため、2.0 ％を上限として含有させるものとした。 なお、耐食性および靱性を向上させる観点からは、0.1 ％以上含有させることが好ましい。
【００３４】
Ｗ：1.0 ％以下、Mg：0.1 ％以下
ＷおよびMgはいずれも、高温疲労特性の向上に有効な元素である。しかしながら、 Ｗ, Mgがそれぞれ 1.0％,  0.1％を超えて含有されると靱性が劣化し、 また溶接部の耐二次加工脆性も劣化するので、それぞれ上記の範囲で含有させるものとした。なお、Ｗ, Mgを含有させる場合には、それぞれ0.05％以上、0.001 ％以上とすることが好ましい。
【００３５】
Ca :0.005 ％以下
Caは、スラブ鋳造時においてTi系介在物によるノズル詰まりを防止する効果があり、必要に応じて添加する。しかしながら、含有量が 0.005％を超えると効果が飽和するばかりでなく、 Caを含む介在物が孔食の起点となり、 耐食性を劣化させるので、Caは 0.005％以下で含有させるものとした。なお、Caを含有させる場合には、0.0005％以上とすることが好ましい。
【００３６】
本発明鋼において、残部はFeおよび不可避的不純物からなる。
ここに、Feおよび不可避的不純物からなるとは、Fe以外に、混入成分として、例えばアルカリ金属やアルカリ土類金属、希土類元素、遷移金属などが不可避的に微量含有される場合もあることを意味する。なお、これらの元素が微量含有されたとしても、本発明の効果は何ら妨げられるものではない。
【００３７】
次に、本発明鋼の製造方法について説明する。
本発明鋼を製造する方法は、 特に限定されず、 フェライト系ステンレス鋼の製造に一般的に採用されている製造法をそのまま適用することができる。 例えば、製鋼は、上記した好適成分組成範囲の溶鋼を、 転炉あるいは電気炉等で溶製し、ＶＯＤ（Vacuum Oxygen Decarburization)によって２次精錬を行う方法が好適である。
溶製した溶鋼は、公知の鋳造方法に従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を適用するのが好ましい。
連続鋳造して得られた鋼素材は、 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。 この熱延板は、 必要に応じて好ましくは 900〜1100℃の温度で連続焼鈍を施したのち、酸洗、冷間圧延を施して冷延板とされる。 冷延板は、 好ましくは 900〜1100℃の連続焼鈍後、 酸洗を施して、 冷延焼鈍板とされ、 製品となる。
【００３８】
また、 用途によっては、 熱延焼鈍後、酸洗等により脱スケールを行ったものを製品として使用に供することも可能である。
なお、溶接方法は、 ＴＩＧ、ＭＩＧ、ＭＡＧ等のアーク溶接、 電縫管の製造で使用される高周波抵抗溶接や高周波誘導溶接およびレーザー溶接など、 通常の溶接方法が全て適用可能である。
【００３９】
【実施例】
表１，２，３に示す成分組成になる50kg鋼塊を、真空溶解炉で溶製し、 通常の熱間圧延により厚さ：４mmの熱延板としたのち、1000℃，60秒の焼鈍を施した。ついで、酸洗により表面のスケールを除去した後、冷間圧延により厚さ：1.5 mmの冷延板とした。 ついで1000℃, 60秒の仕上げ焼鈍後、酸洗で脱スケールして、厚さ：1.5 mmの冷延焼鈍酸洗板とし、供試材とした。
これらの供試材に突き合わせＴＩＧ溶接を行ったのち、二次加工脆化試験および高温疲労試験に供した。ＴＩＧ溶接は、電流：240 Ａ、電圧：12Ｖ、溶接速度：10 mm/s 、シールドガス：100%Arの条件で行った。
【００４０】
図４に、耐二次加工脆性の評価方法を示す。 すなわち、溶接ビードが円の中心を通るように打ち抜いた49.5mmφの円板を、 33.0mmφの円筒ポンチで深絞り加工 (絞り比：1.5)し、 ついでその円筒カップを側面溶接部が上を向くように置き、その真上800mm の高さから重さ３kgの錘を落として衝突させ、 溶接部の割れの有無を観察した。 この落重試験を、 円筒カップの温度を−60〜＋50℃の範囲（10℃刻み）で変化させて行い、 割れが生じなくなる温度（二次加工脆化遷移温度）を調べた。
【００４１】
また、 高温疲労試験は、図５に示すＴＩＧ溶接ビードを中心とした試験片を用い、 JIS Z 2275に準拠して 800℃での繰り返し曲げ（両振り）試験により、 107疲労限（107 回曲げを繰り返しても疲労割れしない最高曲げ応力）を測定した。ここで、曲げ応力σは、試験片に曲げ変形を加えた時に、最大応力を生じる断面（図５におけるＴＩＧ溶接ビード部の断面）についての曲げモーメントＭ（Ｎm)を測定し、その値を断面係数で除した値である。
上記の試験結果を表４，５に示す。
【００４２】
【表１】
0004608818.tif 000002
【００４３】
【表２】
0004608818.tif 000003
【００４４】
【表３】
0004608818.tif 000004
【００４５】
【表４】
0004608818.tif 000005
【００４６】
【表５】
0004608818.tif 000006
【００４７】
表４，５から明らかなように、No.1〜36の本発明鋼はいずれも、 溶接部の耐二次加工脆性および高温疲労特性の両者とも優れている。
これに対し、 No.37〜56の比較鋼はいずれも、耐二次加工脆性または高温疲労特性の何れかが本発明鋼に比べて劣っている。
【００４８】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、溶接部の耐二次加工脆性および高温疲労特性の両者を兼ね備えたフェライト系ステンレス鋼を安定して得ることができ、その結果、溶接管あるいは溶接した鋼板を成形加工して使用する場合に、使用中における割れの発生を効果的に防止することができる。
従って、本発明鋼は、例えば複雑な曲げ加工を施した溶接管が高温で使用される自動車排ガス系部品、特にエキゾースト・マニホールド等の用途に供して好適であるが、本発明鋼は、溶接後、加工なしあるいは一次加工のみの段階で使用しても、溶接部は良好な靱性および高温疲労特性を示すので、そのような用途にも有利に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  エキゾ−スト・マニホールドを例示した図である。
【図２】  溶接部の二次加工脆性遷移温度に及ぼす、 Co，ＶおよびＢの影響を示したグラフである。
【図３】  溶接部の高温疲労特性に及ぼす、 Co，ＶおよびＢの影響を示したグラフである。
【図４】  耐二次加工脆性の評価試験方法を示した図である。
【図５】  高温疲労試験片の形状とその曲げ方向を示した図である。
【図１】
0004608818.tif 000007
【図２】
0004608818.tif 000008
【図３】
0004608818.tif 000009
【図４】
0004608818.tif 000010
【図５】
0004608818.tif 000011