(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０２０ｍａｓｓ％以下、
Ｓｉ：０．２５ｍａｓｓ％以下、
Ｍｎ：２．０ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０６０ｍａｓｓ％以下、
Ｓ：０．００８ｍａｓｓ％以下、
Ｃｒ：１３．０〜１６．０ｍａｓｓ％、
Ｎｉ：１．０ｍａｓｓ％以下、
Ｎ：０．０２０ｍａｓｓ％以下、
Ｎｂ：０．４〜０．６ｍａｓｓ％、
Ｃｕ：１．３〜１．９ｍａｓｓ％、
Ｍｏ：１．０〜２．５ｍａｓｓ％、
Ｗ：２．０〜２．９３ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００５〜０．０１００ｍａｓｓ％を含有し、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するフェライト系ステンレス鋼。
【請求項２】
上記成分組成に加えてさらに、Ｔｉ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｃｏ：０．５ｍａｓｓ％以下およびＶ：０．５ｍａｓｓ％以下のうちから選ばれる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に記載の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、自動車や２輪車のエキゾーストマニホールドや排気管、コンバータケース等の排気系部材、火力発電プラントの排気ダクト、熱交換器および燃料電池関連部材などのように、繰返し熱サイクルを受ける環境下で使用される部材に用いられる熱疲労特性に優れるフェライト系ステンレス鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エキゾーストマニホールドや排気管、コンバータケース等に代表される自動車用排気系部材は、エンジンの起動・停止に伴って、高温域への昇温と常温への降温という熱サイクルを繰り返し受ける。そのため、これら部材は、部材の周囲や自らの形状に起因した拘束を受けて自由な膨張や収縮が妨げられるため、熱応力による疲労を起こす。その結果、熱疲労特性に劣る材料を上記部材に使用した場合には、使用を繰り返すことによって破断を起こしたり、排ガスの漏洩を起こしたりする。
【０００３】
排気系部材に使用される材料が受ける上記熱疲労は、一般に、熱サイクルの最高温度が高いほど厳しくなる。しかし、低エミッション化が指向されている現在、自動車のエンジン燃焼温度は年々高まる傾向にあるため、排気系部材に用いられる材料には、従来にも増して、熱疲労特性に優れることが切望されている。
【０００４】
上記排気温度の高温化に対応できる排気系部材用の材料としては、従来、ＮｂやＭｏを添加したフェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４４（１９ｍａｓｓ％Ｃｒ−１．８ｍａｓｓ％Ｍｏ−０．２ｍａｓｓ％Ｎｂ）が知られている。その他にも幾つかの排気系部材用の材料が開発されている。例えば、特許文献１には、Ｓｉを一定量以下に低減して室温での加工性を保持した上で、ＭｏとＷを複合添加することにより、９００℃を超えるような高温における耐酸化性を高めたフェライト系ステンレス鋼が提案されている。
【０００５】
また、特許文献２には、フェライト系ステンレス鋼にＣｕを添加し、６００〜７５０℃の中温度域でＣｕの析出物を微細に析出させ、さらに、８００℃以上の高温度域では、微細析出したＣｕ析出物を再固溶させて固溶強化を図ることにより、８００℃以上の高温度域の排気ガス環境で使用される排気系部品として必要な強度、耐熱疲労性および耐酸化性を備えたフェライト系ステンレス鋼が提案されている。
【０００６】
また、特許文献３には、排ガス部材に使用される前の段階で、Ｃｕの析出物（ε−Ｃｕ相）の存在形態をある特定の状態にしておくことによって、熱疲労特性を高めたフェライト系ステンレス鋼が提案されている。
【０００７】
さらに、特許文献４には、Ｎｂを含むＣｒ含有鋼において、Ｓｉ，Ｃｒの含有量を低減し、ＭｏをＳｉ含有量と関連して適性量添加することにより、ラーベス相の析出を抑制し、Ｍｏを固溶Ｍｏ主体の存在形態とすることにより、常温強度を増加することなく高温強度を改善し、しかも異常酸化の発生を抑制した鋼が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−０１８９２１号公報
【特許文献２】特開２０００−２９７３５５号公報
【特許文献３】特開２００６−１１７９８５号公報
【特許文献４】特開２００２−２１２６８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来技術の鋼では、昨今の排気ガス温度の上昇に十分対応することは不可能であり、より熱疲労特性に優れた材料の開発が望まれている。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、従来の排気系部材用材料が抱える上記問題点を有利に解決し、従来材よりも熱疲労特性が格段に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者らは、フェライト系ステンレス鋼の熱疲労特性に及ぼす添加元素の影響に着目し、特許文献４に記載されたＣｒ：１５ｍａｓｓ％、Ｍｏ：１．８ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．５ｍａｓｓ％を含有する鋼をベースとし、これにＷを添加し、さらにＣｕを添加することで、熱疲労特性の改善を図ることを検討した。その結果、上記ベース成分系の鋼に、ＷおよびＣｕを適正量複合添加することにより、熱疲労特性に優れたフェライト系ステンレス鋼を得ることができることを見出し、この知見にさらに検討を加えて、本発明を開発した。
【００１１】
すなわち、本発明は、Ｃ：０．０２０ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：０．２５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．０６０ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００８ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：１３．０〜１６．０ｍａｓｓ％、Ｎｉ：１．０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．０２０ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．４〜０．６ｍａｓｓ％、Ｃｕ：１．３〜１．９ｍａｓｓ％、Ｍｏ：１．０〜２．５ｍａｓｓ％、Ｗ：２．０〜２．９３ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００５〜０．０１００ｍａｓｓ％を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するフェライト系ステンレス鋼である。
【００１２】
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、上記成分組成に加えてさらに、Ｔｉ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｃｏ：０．５ｍａｓｓ％以下およびＶ：０．５ｍａｓｓ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、熱疲労特性が従来材と比較して格段に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供することができる。従って、本発明のフェライト系ステンレス鋼は、自動車等の排気系部材の材料として好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を開発する契機となった基礎的実験について説明する。
Ｃ：０．００７ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００８ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１５ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．５ｍａｓｓ％、Ｍｏ：１．８ｍａｓｓ％およびＣｕ：１．４ｍａｓｓ％を含有し、Ｗを１ｍａｓｓ％と３ｍａｓｓ％含有する２種類の鋼に、さらに、Ｃｕを０〜１．８ｍａｓｓ％の範囲で変化させて添加した鋼を真空溶解炉で溶製し、１００ｋｇ鋼塊とし、その後、この鋼塊を１１００℃に加熱し、熱間圧延して厚さ３０ｍｍのシートバーとし、さらに鍛造して厚さ３０ｍｍ、幅３０ｍｍの角棒とした。この角棒に、１０００〜１１５０℃の温度に１〜５分間保持後、冷却速度２０℃／ｓｅｃ以上で冷却する仕上熱処理を施した後、図１に示した形状（最細部直径８ｍｍφ）の試験片に加工し、熱疲労試験に供した。
【００１５】
熱疲労試験は、図２に示したように、最低温度２００℃で９０ｓｅｃ保持後、６℃／ｓｅｃで最高温度８８０℃まで昇温し、この温度で１２０ｓｅｃ保持後、再び最低温度２００℃の温度まで−６℃／ｓｅｃで降温するヒートサイクルを１サイクルとする熱処理を繰り返し付与した。この際、見かけ歪は、電気機械システムによって、自由熱膨張収縮歪みの６０％（拘束率は４０％）となるよう制御した。また、熱疲労寿命は、荷重−歪ヒステリシスループが安定する５サイクル目で発生する最大荷重に対して、９０％まで最大荷重が低下した時点でのサイクル数と定義した。
【００１６】
上記熱疲労試験の結果を、図２に示した。この結果から、Ｗを１．０ｍａｓｓ％と３．０ｍａｓｓ％含有する鋼にＣｕを添加した場合、いずれの鋼でもＣｕ：１．３ｍａｓｓ％以上の添加で熱疲労寿命が向上する傾向が認められる。しかし、Ｃｕ添加による熱疲労寿命の向上効果は、Ｗ：３ｍａｓｓ％含有鋼の方が大きく、Ｃｕ：１．３ｍａｓｓ％以上の添加で１０００サイクルを上回る熱疲労寿命が得られることがわかった。
本発明は、上記知見に基づくものである。
【００１７】
次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼が有すべき成分組成について説明する。
Ｃ：０．０２０ｍａｓｓ％以下
Ｃは、鋼の強度を高める元素であるが、０．０２０ｍａｓｓ％超え含有すると、靭性および成形性の低下が顕著となる。特に、成形性を重視する場合には、Ｃは低いほど望ましいことから、Ｃ：０．０２０ｍａｓｓ％以下とする。好ましくは０．００８ｍａｓｓ％以下である。
【００１８】
Ｓｉ：０．２５ｍａｓｓ％以下
Ｓｉは、脱酸剤として、また、鋼の強化元素として添加されるが、Ｓｉの過剰な添加は、靭性を低下させるので、０．２５ｍａｓｓ％以下とする。しかし、低減し過ぎると、耐酸化性が劣化するので、０．０１ｍａｓｓ％以上とするのが好ましい。より好ましくは、０．０１〜０．１５ｍａｓｓ％の範囲である。
【００１９】
Ｍｎ：２．０ｍａｓｓ％以下
Ｍｎは、脱酸剤としての作用を有するとともに、酸化皮膜の密着性を向上させる元素である。しかし、過剰に添加すると、粗大なＭｎＳを形成し、成形性や耐食性を低下させる。よって、本発明では、Ｍｎ：２．０ｍａｓｓ％以下とする。好ましくは１．５ｍａｓｓ％以下である。
【００２０】
Ｐ：０．０６０ｍａｓｓ％以下
Ｐは、鋼中に不可避的に混入してくる不純物であり、また、成形性や靭性を低下させる有害な元素でもあるので、できるだけ低減するのが望ましい。しかし、過度の低減は、脱Ｐコストを上昇させることから、Ｐ：０．０６０ｍａｓｓ％以下とする。好ましくは、０．０３０ｍａｓｓ％以下である。
【００２１】
Ｓ：０．００８ｍａｓｓ％以下
Ｓは、鋼中に不可避的に混入してくる不純物であり、また、耐食性を低下させる有害な元素でもあるので、できるだけ低減するのが望ましい。しかし、過度の低減は、脱Ｓコストを上昇させることから、Ｓ：０．００８ｍａｓｓ％以下とする。好ましくは、０．００５ｍａｓｓ％以下である。
【００２２】
Ｃｒ：１３．０〜１６．０ｍａｓｓ％
Ｃｒは、フェライトステンレス鋼の基本特性である耐食性や耐酸化性を向上させる重要な元素であり、このような効果は１３．０ｍａｓｓ％以上の添加で認められる。しかし、過剰の添加は、靭性の低下を招くので、上限は１６．０ｍａｓｓ％とする。好ましくは、１４．０〜１６．０ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２３】
Ｎｉ：１．０ｍａｓｓ％
Ｎｉは、靭性を向上させるのに有効な元素であるが、過剰な添加は、原料コストの増大を招くので１．０ｍａｓｓ％以下とする。好ましくは、０．０１〜０．８ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２４】
Ｎ：０．０２０ｍａｓｓ％以下
Ｎは、Ｃと同様に、鋼の強度を増加させる元素である。しかしながら、０．０２０ｍａｓｓ％以上含有すると、靭性および成形性の低下が顕著となるため、Ｎの上限は０．０２０ｍａｓｓ％とする。好ましくは０．０１０ｍａｓｓ％以下である。
【００２５】
Ｎｂ：０．４〜０．６ｍａｓｓ％
Ｎｂは、Ｃ，Ｎを固定することによって、鋼の成形性や耐食性等を向上させる。また、鋼中に固溶することにより、高温強度を高める効果を有する。このような効果は、０．４ｍａｓｓ％以上の含有で認められる。一方、過剰な添加は、靭性の低下を招くため、０．６ｍａｓｓ％以下とする。好ましくは０．４５〜０．５５ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２６】
Ｃｕ：１．３〜１．９ｍａｓｓ％
Ｃｕは、排気系部材が受ける熱サイクルにおいて微細に析出し、鋼の耐力を向上させる他、高温においては鋼中に固溶し、鋼の強化する作用を有するため、本発明においては極めて重要な元素である。しかし、Ｃｒ：１５ｍａｓｓ％、Ｍｏ：１．８ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．５ｍａｓｓ％をベースとし、これにＷを添加した成分系の鋼においては、上記Ｃｕ添加の効果が発現する範囲が限定され、１．３ｍａｓｓ％以上の添加で顕著に認められる。しかし、過剰な添加は、鋼を脆化させるため、上限は１．９ｍａｓｓ％とする。好ましくは１．４〜１．８ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２７】
Ｍｏ：１．０〜２．５ｍａｓｓ％
Ｍｏは、鋼中に固溶することにより、高温強度および耐酸化性を高める元素であり、本発明においては重要な成分である。これらの効果は、Ｍｏ：１．０ｍａｓｓ％以上の添加で認められる。しかしながら、過剰の添加は、原料コストの増大を招くため、２．５ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは、Ｍｏ：１．３〜２．０ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２８】
Ｗ：２．０〜４．０ｍａｓｓ％
Ｗは、Ｍｏと同様、鋼中に固溶することにより、高温強度および耐酸化性を高める元素であり、本発明においては重要な成分である。これらの効果は、Ｗ：２．０ｍａｓｓ％以上の添加で認められる。しかしながら、過剰の添加は、原料コストの増大を招くため、４．０ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは、Ｗ：２．０〜３．５ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２９】
Ｂ：０．０００５〜０．０１００ｍａｓｓ％
Ｂは、加工性、特に２次加工性を向上させる元素である。このような効果は、０．０００５ｍａｓｓ％以上で認められるが、０．０１００ｍａｓｓ％以上添加すると、ＢＮが析出し、却って加工性が低下するため、上限は０．０１００ｍａｓｓ％とする。好ましくは、０．０００５〜０．００５０ｍａｓｓ％の範囲である。
【００３０】
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、上記成分に加えてさらに、Ｔｉ，Ｚｒ，ＣｏおよびＶのうちから選ばれる１種または２種以上を下記の範囲で含有することができる。
Ｔｉ：０．５ｍａｓｓ％以下
Ｔｉは、成形性を向上させる元素であり、Ｃ，Ｎとの親和力がＮｂより強く優先して結合するため、有効Ｎｂの固溶量を増加させる効果がある。このような効果は、Ｔｉ：０．０２ｍａｓｓ％以上で認められるが、０．５ｍａｓｓ％超え添加すると、粗大なＴｉ（Ｃ、Ｎ）が析出し、表面性状を劣化させる。よって、Ｔｉの上限は０．５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは、０．０２〜０．４ｍａｓｓ％の範囲である。
【００３１】
Ｚｒ：０．５ｍａｓｓ％以下
Ｚｒは、Ｔｉと同様、成形性を向上させる元素であり、Ｃ，Ｎとの親和力がＮｂより強く優先して結合するため、有効Ｎｂの固溶量を増加させる。このような効果は、０．０２ｍａｓｓ％以上で認められるが、Ｚｒ：０．５ｍａｓｓ％を超える含有は、Ｚｒ金属間化合物が析出し、鋼を脆化させる。よって、Ｚｒの上限は０．５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは、０．０２〜０．４ｍａｓｓ％の範囲である。
【００３２】
Ｃｏ：０．５ｍａｓｓ％以下
Ｃｏは、高温強度を高めるのに有効な元素であり、必要に応じて添加することができる。この効果は、０．１ｍａｓｓ％以上の添加で認められるが、過剰な添加は、コストの上昇を招くため、上限を０．５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは０．３〜０．５ｍａｓｓ％の範囲である。
【００３３】
Ｖ：０．５ｍａｓｓ％以下
Ｖは、成形性を高めるのに有効な元素である。しかし、０．５ｍａｓｓ％を超える過剰な添加は、粗大なＶ（Ｃ，Ｎ）が析出して表面性状を劣化させる。このため、Ｖを添加する場合は、０．５ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。
【００３４】
なお、本発明の鋼板は、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。ただし、本発明の作用効果を害さない範囲であれば、上記以外の成分の含有を拒むものではない。
【００３５】
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼を製造する方法は、とくに限定されるものではなく、公知の方法を適用することができる。例えば、本発明に適合する成分組成を有する鋼を転炉や電気炉等の公知の方法で溶製し、さらに必要に応じて取鍋精錬、真空精錬等の２次精錬を施したのち連続鋳造法あるいは造塊−分塊圧延法で鋼片（スラブ）とする。その後、熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上焼鈍、酸洗等の各工程を順次経て冷延焼鈍板とするのが好ましい。なお、上記冷間圧延は、１回または中間焼鈍を挟む２回以上行ってもよい。また、冷間圧延以外に、仕上焼鈍、酸洗工程も繰り返して行ってもよい。また、熱延板焼鈍は、省略してもよい。さらに、鋼板表面に光沢性が要求される場合には、スキンパス圧延を施してもよい。
【実施例】
【００３６】
表１に示す成分組成を有する鋼を真空溶解炉で溶製して１００ｋｇ鋼塊とし、その後、この鋼塊を１２００℃に加熱し、熱間圧延して厚さ３０ｍｍのシートバーとし、さらに、鍛造して厚さ３０ｍｍ×幅３０ｍｍの角棒とした。次いで、この角棒に、１０００〜１１５０℃×１〜５分間保持後、冷却速度２０℃／ｓｅｃ以上で冷却する仕上熱処理を施した後、図１に示した形状（最細部直径８ｍｍφ）の試験片に加工し、熱疲労試験に供した。
【００３７】
熱疲労試験は、図２に示した、最低温度２００℃で９０ｓｅｃ保持後、６℃／ｓｅｃで最高温度８８０℃まで昇温し、この温度で１２０ｓｅｃ保持後、再び最低温度２００℃の温度まで−６℃／ｓｅｃで降温するヒートサイクルを１サイクルとする熱処理を繰り返し付与した。この際、見かけ歪は、電気機械システムによって、自由熱膨張収縮歪みの６０％（拘束率：４０％）となるよう制御した。また、熱疲労寿命は、荷重−歪ヒステリシスループが安定する５サイクル目で発生する最大荷重に対して、９０％まで最大荷重が低下した時点でのサイクル数とし、このサイクル数が１２００を超えるものを熱疲労特性に優れる（○）と評価した。
【００３８】
【表１】
0005141295.tif 000002
【００３９】
上記熱疲労試験の結果を、表１中に併記した。表１から、本発明の成分組成を満たすフェライト系ステンレス鋼は、いずれも熱疲労寿命が１２００サイクルを超えており、良好な熱疲労特性を有していることがわかる。これに対して、本発明の成分組成を外れる比較例の鋼は、熱疲労寿命が１２００サイクルに達していない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、熱疲労特性に優れているので、自動車等の排気系部材の他、火力発電システムの排気経路部材や固体酸化物形の燃料電池用部材としても用いることができる。また、本発明の鋼板は、ＣｒやＭｏを含有しているため、耐食性鋼板としても用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】熱疲労試験片を説明する図である。
【図２】熱疲労試験の加熱サイクル、歪サイクルを説明する図である。
【図３】Ｎｂ，Ｃｒ含有鋼の熱疲労寿命に及ぼすＷ，Ｃｕ添加の影響を示すグラフである。
【図１】
0005141295.tif 000003
【図２】
0005141295.tif 000004
【図３】
0005141295.tif 000005