(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％にて、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜２５％、Ａｌ：１．３〜４．０％、Ｎ：０．０３％以下を含み、更にＴｉ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下の１種類または２種以上を含み、さらに下記（ａ）および（ｂ）を満たす、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（ａ）Ｓｎ：０．００５〜０．２０％以下含有
（ｂ）Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下のいずれか１種、またはＢ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下から選択される２種以上を、０．０６２％＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００４％の範囲で含有。ここで、［Ｂ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項２】
質量％にて、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜２５％、Ａｌ：１．３〜４．０％、Ｎ：０．０３％以下を含み、更にＴｉ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下の１種類または２種以上を含み、さらに下記（ａ）および（ｂ）を満たす、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（ａ）Ｓｎ：０．００５〜０．１８０％以下含有
（ｂ）Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下のいずれか１種、またはＢ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下から選択される２種以上を、０．０６２％＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００４％の範囲で含有。ここで、［Ｂ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項３】
質量％にて、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜２５％、Ａｌ：１．３〜４．０％、Ｎ：０．０３％以下を含み、更にＴｉ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下の１種類または２種以上を含み、さらに下記（ａ）および（ｂ）を満たす、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（ａ）Ｓｎ：０．００５〜０．０５６％以下含有
（ｂ）Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下のいずれか１種、またはＢ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下から選択される２種以上を、０．０６２％＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００４％の範囲で含有。ここで、［Ｂ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項４】
質量％にて、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜２５％、Ａｌ：１．３〜４．０％、Ｎ：０．０３％以下を含み、更にＴｉ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下の１種類または２種以上を含み、さらに下記（ａ）および（ｂ）を満たす、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、８００℃において、ひずみ速度が０．３ｍｉｎ-1の場合の引張強さが５０ＭＰａ以上であることを特徴とする高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（ａ）Ｓｎ：０．００５〜０．２０％以下含有
（ｂ）Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下のいずれか１種、またはＢ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下から選択される２種以上を、０．０６２％＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００４％の範囲で含有。ここで、［Ｂ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項５】
質量％にて、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜２５％、Ａｌ：１．３〜４．０％、Ｎ：０．０３％以下を含み、更にＴｉ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下の１種類または２種以上を含み、さらに下記（ａ）および（ｂ）を満たす、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、８００℃において、ひずみ速度が０．３ｍｉｎ-1の場合の引張強さが５０ＭＰａ以上であることを特徴とする高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（ａ）Ｓｎ：０．００５〜０．１８０％以下含有
（ｂ）Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下のいずれか１種、またはＢ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下から選択される２種以上を、０．０６２％＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００４％の範囲で含有。ここで、［Ｂ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項６】
質量％にて、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜２５％、Ａｌ：１．３〜４．０％、Ｎ：０．０３％以下を含み、更にＴｉ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下の１種類または２種以上を含み、さらに下記（ａ）および（ｂ）を満たす、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、８００℃において、ひずみ速度が０．３ｍｉｎ-1の場合の引張強さが５０ＭＰａ以上であることを特徴とする高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（ａ）Ｓｎ：０．００５〜０．０５６％以下含有
（ｂ）Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下のいずれか１種、またはＢ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下から選択される２種以上を、０．０６２％＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００４％の範囲で含有。ここで、［Ｂ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項７】
Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｃｏ：１．０％以下の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１〜６のいずれか１項に記載の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
【請求項８】
Ｚｒ：０．５０％以下、Ｇａ：０．１０％以下、Ｓｂ：０．５０％以下、Ｌａ：０．１０％以下、Ｙ：０．１０％以下、Ｈｆ：０．１０％以下、Ｔａ：０．１％以下、ＲＥＭ：０．１０％以下の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１〜７のいずれか１項に記載の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
【請求項９】
燃料改質器、熱交換器あるいは燃料電池高温部材に適用されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
【請求項１０】
ガスタービンおよび発電システムの少なくともいずれかに用いられる高温部材に適用されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
【請求項１１】
エキゾーストマニホールド、コンバータ、マフラー、ターボチャージャー、ＥＧＲクーラー、フロントパイプおよびセンターパイプの少なくともいずれかの自動車用部材に適用されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
【請求項１２】
ストーブおよびファンヒータの少なくともいずれかの燃焼機器に用いられる高温部材に適用されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過剰なＮｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ添加に頼ることなく、高温高速変形時の高温強度に優れた鋼構造体用、中でも燃料電池高温部材に好適な、Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、石油を代表とする化石燃料の枯渇化、ＣＯ2排出による地球温暖化現象等の問題から、従来の発電システムに替わる新しいシステムの普及が加速している。その１つとして、分散電源，自動車の動力源としても実用的価値が高い「燃料電池」が注目されている。燃料電池にはいくつかの種類があるが、その中でも固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）や固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）はエネルギー効率が高く、将来の普及拡大が有望視されている。
【０００３】
燃料電池は、水の電気分解と逆の反応過程を経て電力を発生する装置であり、水素を必要とする。水素は、都市ガス（ＬＮＧ）、メタン、天然ガス、プロパン、灯油、ガソリン等の炭化水素系燃料を触媒の存在下で改質反応させることにより製造される。中でも都市ガスを原燃料とする燃料電池は、都市ガス配管が整備された地区において水素を製造できる利点がある。
【０００４】
燃料改質器は、水素の改質反応に必要な熱量を確保するため、通常、２００〜７００℃までの高温で運転される。このような高温運転下において、多量の水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素等を含む酸化性の雰囲気に曝され、水素の需要に応じて起動・停止による加熱・冷却サイクルが繰り返される。また、ＳＯＦＣシステムでは、高Ｃｒ含有ステンレス鋼を適用した場合、ＳＯＦＣ動作温度においてＣｒの蒸発によるセラミックス電極の被毒を防止する課題がある。
これまで、このような過酷な環境下において十分な耐久性を有する実用材料として、ＳＵＳ３１０Ｓ（２５Ｃｒ−２０Ｎｉ）に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼が使用されてきた。将来、燃料電池システムの普及拡大に向けて、コスト低減は必要不可欠であり、使用材料の最適化による合金コストの低減は重要な課題である。また、ＳＯＦＣシステムでは、高Ｃｒ含有ステンレス鋼を適用する場合、ＳＯＦＣ動作温度においてＣｒの蒸発によるセラミックス電極の被毒を防止できる鋼種を選定しなければならない。合わせて、このような高温環境に置いて、構造体の信頼性を確保するため、クリープ特性や高温強度も重要となる。
【０００５】
上述した背景から、アルミナの高い耐酸化性を有するＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼の燃料改質器への適用が開示されている。
特許文献１には、Ｃｒ：８〜３５％、Ｃ：０．０３％以下、Ｎ：０．０３％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｓｉ：０．８〜２．５％及び／又はＡｌ：０．６〜６．０％であり、更にＮｂ：０．０５〜０．８０％、Ｔｉ：０．０３〜０．５０％、Ｍｏ：０．１〜４％、Ｃｕ：０．１〜４％の１種又は２種以上を含み、Ｓｉ及びＡｌの合計量が１．５％以上に調整された組成を有する石油系燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼が開示されている。これらのステンレス鋼は、２００〜９００℃の温度域で材料を繰り返し加熱・冷却する熱疲労試験において（拘束率５０％）、初期の最大引張応力が３／４まで低下する破損繰り返しが５００ｃｙｃ以上であることを特徴としている。
【０００６】
特許文献２には、Ｃｒ：８〜２５％、Ｃ：０．０３％以下、Ｎ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：１．５％以下、Ａｌ：０．１〜４％を含み、更にＮｂ：０．０５〜０．８０％、Ｔｉ：０．０３〜０．５％、Ｍｏ：０．１〜４％、Ｃｕ：０．１〜４％の１種又は２種以上を含むアルコール系燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼が開示されている。これらのステンレス鋼は、２００〜９００℃の温度域で材料を繰り返し加熱・冷却する熱疲労試験において（拘束率１００％）、初期の最大引張応力が３／４まで低下する破損繰り返しが１０００ｃｙｃ以上であることを特徴としている。
【０００７】
特許文献３には、Ｃｒ：１２〜２０％、Ｃ：０．０３％以下、Ｎ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．９５〜１．５％、Ａｌ：１．５％以下とし、Ｎｂ：０．１〜０．８、Ｍｏ：０．１〜４％、Ｃｕ：０．１〜４．０の１種又は２種以上を含み、Ａ＝Ｃｒ＋Ｍｎ＋５（Ｓｉ＋Ａｌ）で定義されるＡ値が１５〜２５の範囲に調整された炭化水素系燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼が開示されている。これらのステンレス鋼は、２００〜９００℃の温度域で材料を繰り返し加熱・冷却する熱疲労試験において（拘束率１００％）、初期の最大引張応力が３／４まで低下する破損繰り返しが８００ｃｙｃ以上であることを特徴としている。
【０００８】
特許文献４には、Ｃ：０．０２％未満、Ｓｉ：０．１５超〜０．７％、Ｍｎ：０．３％以下、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｃｒ：１３〜２０％、Ａｌ：１．５〜６％、Ｎ：０．０２％以下、Ｔｉ：０．０３〜０．５％、Ｎｂ：０．００１〜０．１％以下、鋼中の固溶Ｔｉ量を［Ｔｉ］、鋼中の固溶Ｎｂ量を［Ｎｂ］とし、１３≦Ｃｒ≦１６の場合は０≦［Ｔｉ］≦［Ｎｂ］＋０．０５、０＜［Ｎｂ］≦０．１０を満たし、１６＜Ｃｒ≦２０の場合は０≦［Ｔｉ］≦１／２×［Ｎｂ］＋０．１５、［Ｔｉ］≦０．１２、０＜［Ｎｂ］≦０．１を満足することを特徴とする燃料電池用Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼が開示されている。これらのステンレス鋼は、７５０℃、初期応力１０ＭＰａのクリープ破断時間が４０００ｈ以上であることを特徴としている。
【０００９】
特許文献５には、Ｃ：０．００１〜０．０３％、Ｓｉ：０．０１〜２％、Ｍｎ：０．０１〜１．５％、Ｐ：０．００５〜０．０５％、Ｓ：０．０００１〜０．０１％、Ｃｒ：１６〜３０％、Ｎ：０．００１〜０．０３％、Ａｌ：０．８〜３％、Ｓｎ：０．０１〜１％を含み、８００℃での０．２％耐力が４０ＭＰａ以上、引張強さ６０ＭＰａ以上であることを特徴とする耐酸化性と高温強度に優れた高純度フェライト系ステンレス鋼板が開示されている。
【００１０】
前記した通り、燃料改質器、熱交換器などの部品は２００〜７００℃の温度域で連続運転される。しかしながら、ＳＯＦＣシステムの安全性を考慮する場合、異常昇温に対する構造体の信頼性を加味した材料選定を行うことが好ましい。フェライト系ステンレス鋼の場合、７００℃を超える高温においては著しい強度の低下が生じる。また、例えば、ＳＯＦＣシステムの異常により急激な昇温が生じた場合、鋼材には各部位の温度分布に起因した熱応力が急激に付与される。すなわち、新たな鋼材課題として、７００℃を超える８００℃程度の高温域において、高速変形に優れた変形抵抗を有することが新たに求められている。
しかしながら、Ｃｒ被毒に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼で、さらに７００℃を超える温度での高速変形を検討した先行技術は確認されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３８８６７８５号公報
【特許文献２】特許第３９１０４１９号公報
【特許文献３】特許第３９４２８７６号公報
【特許文献４】特許第５５４４１０６号公報
【特許文献５】特許第５７０９５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、８００℃までの異常昇温を想定した場合の鋼構造体、中でもＳＯＦＣ構造体の信頼性を高めるために開発されたものである。高速変形時の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼を提供するものであり、その中でも特に温度が高くなる燃料改質器への適用が好ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）質量％にて、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜２５％、Ａｌ：１．３〜４．０％、Ｎ：０．０３％以下を含み、更にＴｉ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下の１種類または２種以上を含み、さらに下記（ａ）および（ｂ）を満たす、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（ａ）Ｓｎ：０．００５〜０．２０％以下含有
（ｂ）Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下のいずれか１種、またはＢ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下から選択される２種以上を、０．０６２％＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００４％の範囲で含有。ここで、［Ｂ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
（２）質量％にて、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜２５％、Ａｌ：１．３〜４．０％、Ｎ：０．０３％以下を含み、更にＴｉ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下の１種類または２種以上を含み、さらに下記（ａ）および（ｂ）を満たす、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（ａ）Ｓｎ：０．００５〜０．１８０％以下含有
（ｂ）Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下のいずれか１種、またはＢ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下から選択される２種以上を、０．０６２％＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００４％の範囲で含有。ここで、［Ｂ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
（３）質量％にて、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜２５％、Ａｌ：１．３〜４．０％、Ｎ：０．０３％以下を含み、更にＴｉ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下の１種類または２種以上を含み、さらに下記（ａ）および（ｂ）を満たす、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（ａ）Ｓｎ：０．００５〜０．０５６％以下含有
（ｂ）Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下のいずれか１種、またはＢ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下から選択される２種以上を、０．０６２％＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００４％の範囲で含有。ここで、［Ｂ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
（４）質量％にて、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜２５％、Ａｌ：１．３〜４．０％、Ｎ：０．０３％以下を含み、更にＴｉ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下の１種類または２種以上を含み、さらに下記（ａ）および（ｂ）を満たす、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、８００℃において、ひずみ速度が０．３ｍｉｎ-1の場合の引張強さが５０ＭＰａ以上であることを特徴とする高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（ａ）Ｓｎ：０．００５〜０．２０％以下含有
（ｂ）Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下のいずれか１種、またはＢ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下から選択される２種以上を、０．０６２％＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００４％の範囲で含有。ここで、［Ｂ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
（５）質量％にて、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜２５％、Ａｌ：１．３〜４．０％、Ｎ：０．０３％以下を含み、更にＴｉ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下の１種類または２種以上を含み、さらに下記（ａ）および（ｂ）を満たす、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、８００℃において、ひずみ速度が０．３ｍｉｎ-1の場合の引張強さが５０ＭＰａ以上であることを特徴とする高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（ａ）Ｓｎ：０．００５〜０．１８０％以下含有
（ｂ）Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下のいずれか１種、またはＢ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下から選択される２種以上を、０．０６２％＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００４％の範囲で含有。ここで、［Ｂ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
（６）質量％にて、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜２５％、Ａｌ：１．３〜４．０％、Ｎ：０．０３％以下を含み、更にＴｉ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下の１種類または２種以上を含み、さらに下記（ａ）および（ｂ）を満たす、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、８００℃において、ひずみ速度が０．３ｍｉｎ-1の場合の引張強さが５０ＭＰａ以上であることを特徴とする高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（ａ）Ｓｎ：０．００５〜０．０５６％以下含有
（ｂ）Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下のいずれか１種、またはＢ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下から選択される２種以上を、０．０６２％＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００４％の範囲で含有。ここで、［Ｂ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
（７）Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｃｏ：１．０％以下の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（８）Ｚｒ：０．５０％以下、Ｇａ：０．１０％以下、Ｓｂ：０．５０％以下、Ｌａ：０．１０％以下、Ｙ：０．１０％以下、Ｈｆ：０．１０％以下、Ｔａ：０．１％以下、ＲＥＭ：０．１０％以下の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）〜（７）のいずれかに記載の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（９）燃料改質器、熱交換器あるいは燃料電池高温部材に適用されることを特徴とする（１）〜（８）のいずれかに記載の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（１０）ガスタービンおよび発電システムの少なくともいずれかに用いられる高温部材に適用されることを特徴とする（１）〜（８）のいずれかに記載の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（１１）エキゾーストマニホールド、コンバータ、マフラー、ターボチャージャー、ＥＧＲクーラー、フロントパイプおよびセンターパイプの少なくともいずれかの自動車用部材に適用されることを特徴とする（１）〜（８）のいずれかに記載の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
（１２）ストーブおよびファンヒータの少なくともいずれかの燃焼機器に用いられる高温部材に適用されることを特徴とする（１）〜（８）のいずれかに記載の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼。
以下、上記（１）〜（１２）の鋼に係わる発明をそれぞれ本発明という。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、高速変形時の高温強度に優れた鋼構造体用、中でも燃料電池高温部材に好適なＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明者らは、前記した課題を解決するため、フェライト系ステンレス鋼に対し、８００℃までの異常昇温を想定した場合の破壊機構の解明および高温強度増加におよぼす各種合金元素の影響について実験と検討を重ね、本発明を完成させた。以下に本発明で得られた知見について説明する。
【００１６】
（ａ）８００℃までの異常昇温を想定したシミュレーション解析を実施した結果、構造部材には最大で０．２５ｍｉｎ-1のひずみ速度による変形が付与されることが新たに分かった。したがって、このような条件下におけるＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼の引張強さを高めることが、構造部材として重要となる。
（ｂ）通常、フェライト系ステンレス鋼の高温強度を高めるためには固溶強化が有効となる。０．２５ｍｉｎ-1のひずみ速度における高温変形の場合、より多量のひずみが付与され、付与されたひずみは動的な回復により、亜結晶粒界を形成しながら変形が進行する。
（ｃ）このような条件に於いて高温強度を高めるには、前述の合金元素添加による固溶強化に加え、亜結晶粒界の成長を抑制し、微細な組織を維持することが重要であることを知見した。
（ｄ）過度なＡｌおよび固溶・析出強化に寄与するＮｂ、Ｍｏ、Ｃｕなどの添加によらずとも、高温強度はＳｎの微量添加により著しく向上することを新たに見出した。Ｓｎは、固溶強化はもちろんであるが、さらに８００℃の変形時に鋼中に形成される亜結晶粒界に特に偏析しやすく、亜結晶粒界の移動を著しく抑制することが分かった。ただし、過剰のＳｎ添加は結晶粒界強度を低下させるため、高速変形時は粒界を起点として早期破壊が生じてしまう。
（ｅ）ＢもＳｎと同様、固溶強化に加え、さらに高温変形時に形成される亜結晶粒界に偏析し、亜結晶粒界の移動を顕著に抑制する。さらに、Ｂをより亜結晶粒界に偏析させるためには、Ｃａ、Ｍｇの適量添加によって、結晶粒界に偏析しやすいＳやＯを非金属介在物や硫化物として生成させ、Ｂの粒界への偏析サイトを確保することが効果的である。
（ｆ）その他、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｌａ、Ｙ、Ｈｆ、Ｔａ、ＲＥＭも固溶強化により高速変形時の高温強度増加に有効な添加元素である。
【００１７】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００１８】
化学成分の限定理由を以下に説明する。
【００１９】
＜Ｃ：０．０３０％以下＞
Ｃは、フェライト相に固溶あるいはＣｒ23Ｃ6を形成して耐酸化性を阻害する。また、溶接時の粒界におけるＣｒ23Ｃ6の析出を促進させる。このため、Ｃ量は少ないほど良く、上限を０．０３％とする。但し、過度な低減は精錬コストの上昇に繋がるため、下限は０．００１％とすることが好ましい。より好ましい範囲は０．００２〜０．０２０％である。
【００２０】
＜Ｓｉ：２．０％以下＞
Ｓｉは、耐酸化性を確保する上で重要な元素である。また、固溶強化により高温強度を高める元素である。これらの効果を得るために下限は０．２％とすることが好ましい。一方、過度な添加は、鋼の靭性や加工性の低下ならびにＡｌ系酸化皮膜の形成を阻害する場合があるため、上限は２．０％とする。好ましい上限は１．２％である。
【００２１】
＜Ｍｎ：２．０％以下＞
Ｍｎは、改質ガス環境下でＳｉとともに酸化皮膜中に固溶して保護性を高める。これらの効果を得るために下限は０．１％とすることが好ましい。一方、過度な添加は、鋼の耐食性やＡｌ系酸化皮膜の形成を阻害するため、上限は２．０％以下とする。耐酸化性と基本特性の点から、１．２％以下が好ましい。
【００２２】
＜Ｐ：０．０５０％以下＞
Ｐは、製造性や溶接性を阻害する。また、粒界に偏析しやすい元素であるため、ＳｎおよびＢの粒界偏析を阻害する元素である。その含有量は少ないほど良いため、上限は０．０５０％とする。但し、過度な低減は精錬コストの上昇に繋がるため、下限は０．００３％とすることが好ましい。製造性と溶接性の点から、好ましい範囲は０．００４〜０．０３５％である。
【００２３】
＜Ｓ：０．０１０％以下＞
Ｓは、鋼中に含まれる不可避的不純物元素であり、Ａｌ系皮膜の保護性を低下させる。特に、Ｍｎ系介在物や固溶Ｓの存在は、高温・長時間使用におけるＡｌ系酸化皮膜の破壊起点としても作用する。また、粒界に偏析しやすい元素であるため、ＳｎおよびＢの粒界偏析を阻害する元素である。従って、Ｓ量は低いほど良いため、上限は０．０１０％とする。但し、過度の低減は原料や精錬コストの上昇に繋がるため、下限は０．０００１％とする。製造性と耐酸化性、耐４７５℃脆性の観点から、好ましい範囲は０．０００１〜０．００５０％である。
【００２４】
＜Ｃｒ：１１．０〜２５．０％＞
Ｃｒは、耐食性に加えて、表面酸化皮膜の保護性を確保する上で基本となる構成元素であり、これらの効果を得るためには１１．０％以上のＣｒ量が必要である。一方、過度なＣｒの添加は、Ｃｒ23Ｃ6の析出を促進させる。また、脆化相であるσ相の生成を助長する。合金コストの上昇とＣｒ蒸発を助長する場合があるため上限は２５．０％とする。好ましい範囲は１３．０〜２０．０％である。
【００２５】
＜Ａｌ：１．３〜４．０％＞
Ａｌは、脱酸元素に加えて、Ａｌ系酸化皮膜を形成してＣｒ蒸発を抑止するために必須の添加元素である。また、固溶強化により高温強度を高める元素である。これらの効果を得るため、下限は１．３％とする。しかし、過度なＡｌの添加は、鋼の靭性や溶接部における脆性破壊を助長するため、上限は、４．０％とする。好ましい範囲は１．５〜３．５％である。
【００２６】
＜Ｎ：０．０３０％以下＞
Ｎは、Ｃと同様に本発明の目標とする耐酸化性を阻害する。このため、Ｎ量は少ないほど良く、上限を０．０３０％とする。但し、過度な低減は精錬コストの上昇に繋がるため、下限は０．００１％とする。好ましい範囲は０．００２〜０．０２０％である。
【００２７】
＜Ｓｎ：０．２０％以下＞
Ｓｎは固溶強化により高温強度を高める元素である。また、７００℃乃至８００℃に於ける高速変形時、亜結晶粒界に偏析し、亜結晶粒界の移動を抑制することで高温強度を高める元素である。これらの効果を得るため、下限は０．００５％とする。一方、過剰なＳｎの添加は逆に粒界強度を弱め、高速変形時の粒界破壊を助長する。また、製造性の低下も招くため、上限を０．２０％とする必要がある。好ましいＳｎの含有量は０．０１〜０．１５％である。
【００２８】
＜Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ：各々０．５０％以下＞
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖは、Ｃ，Ｎを固定する安定化元素の作用により、溶接時のＣｒ23Ｃ6生成抑制に寄与する元素である。さらに、高温強度の増加にも寄与する元素である。これらの効果を得るために下限は０．０１％とすることが好ましい。一方、過度な添加は合金コストの上昇や再結晶温度上昇に伴う製造性の低下や耐酸化性の低下にも繋がるため、上限は各々０．５０％とする。好ましい範囲は０．１０〜０．４０％である。
【００２９】
＜Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下のいずれか１種、またはＢ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下から選択される２種類以上＞
＜０．０６２％＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００５％＞
Ｂ、Ｍｇ、Ｃａは、本発明の目標とする８００℃における引張強さを増加させるために必須の添加元素である。この効果を得るため、Ｂ：０．０００５％以上、Ｍｇ：０．００１％以上のいずれか１種、またはＢ：０．０００５％以上、Ｍｇ：０．００１％以上、Ｃａ：０．０００５％以上から選択される２種以上を含有させ、これらの元素の含有量が、１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］≧０．００４０％を満たすものとする。一方、これらの元素の過度な添加は、製造性と鋼の耐食性を低下させるため、０．０６２＞１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］とし、夫々の含有量の上限は、Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．００５％以下である。
【００３０】
＜Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ＞
これらの元素は固溶強化により高温強度を増加させる。この効果を得るため、Ｎｉ：０．０２０％以上、Ｃｕ：０．０１０％以上、Ｍｏ：０．０１０％以上、Ｗ：０．００１％以上、Ｃｏ：０．００５％以上で、これらの元素を１種類または２種類以上含有することが好ましい。一方、これらの元素の過度な添加は、製造性の低下および合金コストの増加に繋がるため、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｃｏ：１．０％以下で、これらの元素の合計含有量を２．０％以下とすることが好ましい。
【００３１】
＜Ｚｒ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｌａ、Ｙ、Ｈｆ、Ｔａ、ＲＥＭ＞
これらの元素は固溶強化により高温強度を増加させる。また、Ｚｒ、Ｌａ、Ｙ、Ｈｆ、Ｔａ、ＲＥＭは、熱間加工性や鋼の清浄度を向上ならびに耐酸化性改善に対しても、従来から有効な元素である。Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｂは表面近傍に濃化してＣｒの酸化を抑制する。これらの効果を得るため、Ｚｒ：０．０００１％以上、Ｇａ：０．００１％以上、Ｚｎ：０．０１％以上、Ｓｂ：０．００３％以上、Ｌａ：０．０００１％以上、Ｙ：０．０００１％以上、Ｈｆ：０．０００１％以上、Ｔａ：０．００２％以上、ＲＥＭ：０．００１％以上で、これらの元素を１種類または２種類以上含有することが好ましい。一方、これらの元素の過度な添加は、製造性の低下および合金コストの増加に繋がるため、Ｚｒ：０．５０％以下、Ｇａ：０．１０％以下、Ｚｎ：０．１％以下、Ｓｂ：０．５０％以下、Ｌａ：０．１０％以下、Ｙ：０．１０％以下、Ｈｆ：０．１０％以下、Ｔａ：０．５０％以下、ＲＥＭ：０．１０％以下で、これらの元素を１種類または２種類以上含有する必要がある。これらの元素の合計含有量は、０．２０％以下とすることが好ましい。
【実施例】
【００３２】
以下に、本発明の実施例について述べる。
表１に成分を示す記号Ａ１〜Ａ１４および記号Ｂ１〜Ｂ１１のフェライト系ステンレス鋼を溶製し、熱間圧延、焼鈍酸洗、冷間圧延後、仕上げ焼鈍・酸洗により厚さ１．０ｍｍの冷延焼鈍鋼板を製造した。
【００３３】
【表１】
0006300841.tif 000002
【００３４】
各フェライト系ステンレス鋼板から図１に示す厚さ１．０ｍｍの引張試験片を採取した。冷延焼鈍鋼板の圧片方向と引張試験片の長手方向が一致するように試験片を採取した。
８００℃の引張強さは高温引張試験により測定した。試験片を室温から８００℃まで１００℃／ｍｉｎで昇温および８００℃で１０分間保持した後、引張試験を開始した。ひずみ速度は０．３／ｍｉｎで一定であり、ストローク変位制御により試験を実施した。引張強さは試験時の最大荷重から算出した。
【００３５】
表２に８００℃における引張強さを示す。同試験条件におけるＳＵＨ２１の引張強さ（５０ＭＰａ）を超えることを本発明の目標とした。
記号Ａ１、Ａ３〜Ａ８、Ａ１０〜Ａ１１、及びＡ１４は本発明で規定する成分範囲を満たしている。その結果、８００℃において目標とするＳＵＨ２１の引張強さを上回った。
【００３６】
【表２】
0006300841.tif 000003
【００３７】
記号Ｂ１はＳｎ含有量が本発明で規定する上限を超過している。その結果、粒界への過剰なＳｎ偏析が生じ、粒界強度低下による粒界破壊を招いて目標とする引張強さを下回った。
【００３８】
記号Ｂ２はＭｇ含有量および１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］が本発明で規定する上限を超過している。その結果、介在物を起点とした破壊により延性低下が生じ、目標とする引張強さを下回った。
【００３９】
記号Ｂ３はＳｎ含有量および１０×［Ｂ］＋［Ｍｇ］＋［Ｃａ］の両方が本発明で規定する下限を下回っている。その結果、これらの元素による十分な高温強度の増加効果を得ることができず、目標とする引張強さを下回った。
【００４０】
記号Ｂ４はＡｌ含有量が本発明で規定する上限を超過している。その結果、鋼材の延性低下による早期破断が生じ、目標とする引張強さを下回った。
【００４１】
記号Ｂ５はＣ含有量が本発明で規定する上限を超過している。その結果、炭化物の生成に起因した延性低下による早期破断が生じ、目標とする引張強さを下回った。
【００４２】
記号Ｂ６はＴｉ含有量が本発明で規定する上限を超過している。その結果、鋼材の延性低下による早期破断が生じ、目標とする引張強さを下回った。
【００４３】
記号Ｂ７はＣｕ含有量が本発明で規定する上限を超過している。その結果、試験片製造時の試験片内部欠陥が起点となり鋼材の延性が低下し、早期破断が生じたことで目標とする引張強さを下回った。
【００４４】
記号Ｂ８はＭｏ含有量およびＣｏ含有量の両方が本発明で規定する上限を超過している。その結果、試験片製造時の試験片内部欠陥が起点となり鋼材の延性が低下し、早期破断が生じたことで目標とする引張強さを下回った。
【００４５】
記号Ｂ９はＣｒ含有量が本発明で規定する上限を超過している。その結果、σ相生成に起因した早期破断が生じ、目標とする引張強さを下回った。
【００４６】
記号Ｂ１０はＢ含有量が本発明で規定する上限を超過している。その結果、Ｂ系析出物の生成が促進され、亜結晶粒径に偏析するＢ量が減少したため、目標とする引張強さを下回ったと推定される。
【００４７】
記号Ｂ１１はＳｂ含有量が本発明で規定する上限を超過している。その結果、粒界への過剰なＳｂ偏析が生じ、粒界強度低下による粒界破壊を招いて目標とする引張強さを下回った。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明によれば、過剰なＮｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ添加に頼ることなく高温高速変形時の高温強度に優れたＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼を高温部材に対して適用することができる。特に、燃料電池用として、燃料改質器等の燃料電池の高温部材に対する適用が好適であり、他にも、熱交換器あるいはガスタービンおよび発電システム、エキゾーストマニホールド、コンバータ、マフラー、ターボチャージャー、ＥＧＲクーラー、フロントパイプおよびセンターパイプ、ストーブおよびファンヒータの燃焼機器へも好適に適用可能である。