(57)【要約】【課題】  過酷な成形加工を受けた後でも優れた耐衝撃穴開き性を呈するフェライト系ステンレス鋼を提供する。【解決手段】  C：0.015質量％以下，Si：0.5質量％以下，Cr：25.0超〜35.0質量％，N：0.020質量％以下，Ti：0.50質量％以下を含むステンレス鋼であり、L，D，C三方向0.2％耐力の最小値が320N／mm2以上になっている。必要に応じ、Mo：3.0質量％以下，Nb：0.50質量％以下，B：0.0100質量％以下の一種又は二種以上やNi：2.0質量％以下，Cu：2.0質量％以下，Al：4.0質量％以下の一種又は二種以上を含んでも良い。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０.０１５質量％以下，Ｓｉ：０.５質量％以下，Ｃｒ：２５.０超〜３５.０質量％，Ｎ：０.０２０質量％以下，Ｔｉ：０.５０質量％以下を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、三方向０.２％耐力の最小値が３２０Ｎ／ｍｍ2以上であることを特徴とする耐衝撃穴開き性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項２】
Ｃ：０.０１５質量％以下，Ｓｉ：０.５質量％以下，Ｃｒ：２５.０超〜３５.０質量％，Ｎ：０.０２０質量％以下，Ｔｉ：０.５０質量％以下を含み、更にＭｏ：３.０質量％以下，Ｎｂ：０.５０質量％以下，Ｂ：０.０１００質量％以下の一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、三方向０.２％耐力の最小値：３２０Ｎ／ｍｍ2以上であることを特徴とする耐衝撃穴開き性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項３】
Ｃ：０.０１５質量％以下，Ｓｉ：０.５質量％以下，Ｃｒ：２５.０超〜３５.０質量％，Ｎ：０.０２０質量％以下，Ｔｉ：０.５０質量％以下を含み、更にＮｉ：２.０質量％以下，Ｃｕ：２.０質量％以下，Ａｌ：４.０質量％以下の一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、三方向０.２％耐力の最小値が３２０Ｎ／ｍｍ2以上であることを特徴とする耐衝撃穴開き性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項４】
Ｃ：０.０１５質量％以下，Ｓｉ：０.５質量％以下，Ｃｒ：２５.０超〜３５.０質量％，Ｎ：０.０２０質量％以下，Ｔｉ：０.５０質量％以下を含み、更にＭｏ：３.０質量％以下，Ｎｂ：０.５０質量％以下，Ｂ：０.０１００質量％以下の一種又は二種以上及びＮｉ：２.０質量％以下，Ｃｕ：２.０質量％以下，Ａｌ：４.０質量％以下の一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、三方向０.２％耐力の最小値が３２０Ｎ／ｍｍ2以上であることを特徴とする耐衝撃穴開き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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接法で造管される鋼管や板プレス成形品の素材として使用され、耐衝撃穴開き性に優れたフェライト系ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼よりも熱膨張係数が小さく、加熱・冷却の繰り返される用途に有利であり、コスト面でも安価な材料であることから、自動車排ガス経路部材，各種プラント材等、種々の分野で使用され始めている。特に排ガス経路部材や給油部材として使用されるステンレス鋼は、過酷な加工で製品形状に成形されるので優れた加工性、低温靭性が要求される。しかし、この種の用途に使用されるフェライト系ステンレス鋼では、高温強度，耐酸化性，塩乾湿環境での耐食性を向上させるため、Ｎｂ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｍｏ等の強化元素を添加することが通常であり、加工性や低温靭性が却って低下する傾向にある。
【０００３】
また、ステンレス鋼製パイプは、製造コストの高いシームレスパイプを除き、鋼板又は鋼帯の幅方向両端を溶接することにより製造されている。溶接法にはTIG溶接，MIG溶接，高周波溶接，レーザ溶接等があるが、何れの溶接法による場合でも造管時に塑性歪みが加わるため、溶接管全体の延性が同一成分のステンレス鋼板に比べて若干劣る。しかも、溶接金属や溶接熱影響部は母材部等に比較して結晶粒が大きく成長するため、管全体では加工性，耐衝撃穴開き性も冷延鋼板に比べて低下するのが通常である。
【０００４】
ステンレス鋼製パイプの造管時に発生する塑性歪みを極力少なくすることにより加工性が改善することが報告されている(特許文献１)。しかし、造管法の改善のみでは、ステンレス冷延鋼板並みの十分な加工性が得られ難い。そこで、ステンレス鋼製パイプを造管後に焼鈍することにより、加工性を向上させる方法が採用されている(特許文献２)。この場合の焼鈍は材料軟化が目的であるので、フェライト系ステンレス鋼製パイプでは６００〜８００℃に焼鈍温度を設定することが一般的である。造管後に焼鈍したパイプ(以下、"焼鈍パイプ"という)は、造管ままのパイプよりも加工性が改善されているので、過酷な加工で製品化された自動車用排ガス経路部材，給油部材等に使用される。
【特許文献１】特開平6-184637号公報
【特許文献２】特開2004-10967号公報
【０００５】
最近では省スペースや排気効率の向上を狙って、より複雑な構造の自動車用排ガス経路部材が求められている。排ガス経路部材の構造複雑化に伴いパイプ形状も複雑化し、一層過酷な加工が施される傾向が強まっている。更に、造管ままのパイプや焼鈍パイプに対して施される曲げ，扁平化，縮管，拡管等の二次加工も頻繁に実施されている。二次加工は、材料が有する延性破断限界に近い状態での加工になるため、一次加工に比べると割れ発生に対して極めて厳しい条件下での加工となる。
【０００６】
このような二次加工に際しては、６００〜８００℃程度の温度で施される造管後の焼鈍によっても割れ発生を確実に防止できるものではない。二次加工時に生じる衝撃穴開きは、延性破断限界を超えた加工を材料に施した際に発生する割れであり、衝撃穴開き及びその抑制に有効な手段は明確にされていない。そのため、外的な衝撃による破壊発生率を予測することが困難であり、自動車運転中における小石の飛来等、外的衝撃によって穴開きが生じる事態が頻発している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
衝撃穴開きの抑制手段が明確化されていないことは、耐衝撃穴開き性に優れたパイプやプレス成形品に関する金属組織や合金成分、更には素材の加工特性等について解明が進んでいないことが原因に挙げられる。そこで、本発明者等は、合金設計，金属組織，素材の加工性が衝撃穴開き又は耐衝撃穴開き性に及ぼす影響を種々調査・検討した。
本発明は、かかる調査・検討の結果として見出された知見をベースとし、複雑形状に加工しても衝撃穴開きが生じがたく、自動車用排ガス経路部材や給油部材に適したフェライト系ステンレス鋼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】
【０００８】
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ：０.０１５質量％以下，Ｓｉ：０.５質量％以下，Ｃｒ：２５.０超〜３５.０質量％，Ｎ：０.０２０質量％以下．Ｔｉ：０.５０質量％以下を含む基本組成をもっている。必要に応じ、Ｍｏ：３.０質量％以下，Ｎｂ：０.５０質量％以下，Ｂ：０.０１００質量％以下の第一グループから選ばれた一種又は二種以上、Ｎｉ：２.０質量％以下，Ｃｕ：２.０質量％以下，Ａｌ：４.０質量％以下の第二グループから選ばれた一種又は二種以上の片方又は両者を含むこともできる。
この成分系において、三方向０.２％耐力の最小値が３２０Ｎ／ｍｍ2以上に調質されている。
【作用及び実施の形態】
【０００９】
本発明者等は、ステンレス鋼製パイプにおける衝撃穴開きの発生状況を詳細に調査した結果、割れに温度依存性がほとんどなく、割れの形態が延性的な破壊であることを解明した。また、衝撃穴開きと金属組織との関係を調査したところ、フェライト結晶粒の微細化が衝撃穴開きの発生抑制に有効であることを解明した。本発明は、かかる知見をベースに完成されたものである。
【００１０】
フェライト系ステンレス鋼は、普通鋼に比較してＣｒ含有量が多いので硬質化している。硬い材質は、外的な衝撃に対して抵抗力になる。そこで、外的衝撃力に対する抵抗として素材の０.２％耐力に着目し、ステンレス鋼製パイプやプレス成形品に加工した際の耐衝撃穴開き性を調査した。０.２％耐力の中でも、特に重要な因子は圧延方向(Ｌ方向)，圧延方向に４５度で交差する方向(Ｄ方向)，圧延方向に直行する方向(Ｔ方向)の三方向における０.２％耐力の最小値である。そして、三方向０.２％耐力の最小値が３２０Ｎ／ｍｍ2以上のフェライト系ステンレス鋼を使用すると、耐衝撃穴開き性に優れたパイプやプレス成形品を製造できることが判った。
【００１１】
以下、本発明フェライト系ステンレス鋼に含まれる合金成分，含有量等を説明する。
〔合金設計〕
・Ｃ：０.０１５質量％以下
炭化物を形成し、最終焼鈍時に再結晶フェライトがランダム化する際の再結晶核として働く。しかし、冷延焼鈍後の強度を上昇させる元素であり、過剰なＣ含有は延性の低下を招くので上限を０.０１５質量％以下(好ましくは、０.０１０質量％以下)とした。
【００１２】
・Ｓｉ：０.５質量％以下
製鋼段階で脱酸剤として添加される成分であるが、固溶強化能が強く過剰に含まれると材質が硬化して延性の低下を招くので、０.５質量％(好ましくは、０.３質量％)を上限とした。
・Ｃｒ：２５.０超〜３５.０質量％
ステンレス鋼としての耐食性を付与する上で必須の成分であり、素材の靭性をなるべく下げずに０.２％耐力を向上させるため２５.０質量％を超える含有量(好ましくは、２８.０質量％以上)が必要である。しかし、Ｃｒの増量に伴って靭性や加工性が低下するので、３５.０質量％(好ましくは、３３.０質量％)を上限とした。
【００１３】
・Ｎ：０.０２０質量％以下
窒化物を形成し、Ｃと同様に最終焼鈍時に再結晶フェライトがランダム化する際の再結晶核として働く。冷延焼鈍材の強度を上昇させる元素でもあり、過剰に含まれると延性の低下を招くので、上限を０.０２０質量％(好ましくは、０.０１５質量％)とした。
・Ｔｉ：０.５０質量％以下
Ｃ，Ｎを固定し、加工性，耐食性を向上させる成分であり、０.１０質量％以上でＴｉの添加効果が顕著になる。しかし、過剰添加は、鋼材コストの上昇だけでなく、Ｔｉ系介在物起因の表面欠陥が生じやすくなるので、０.５０質量％(好ましくは、０.４５質量％)を上限とした。
【００１４】
・Ｍｏ：３.０質量％以下
必要に応じて添加される成分であり、耐食性の改善に有効である。しかし、過剰添加は高温での固溶強化，動的再結晶の遅延の原因となり熱間加工性を低下させるので、３.０質量％(好ましくは、２.０質量％)を上限とした。
・Ｎｂ：０.５０質量％以下
必要に応じ添加される成分であり、Ｔｉと同様にＣ，Ｎを固定し、フェライト粒を微細化して耐衝撃特性や二次加工性を向上させる。このような効果は、０.１０質量％以上のＮｂ添加で顕著になる。しかし、過剰添加は鋼材を硬質化し加工性に悪影響を及ぼし、再結晶温度も上昇させるので、上限を０.５０質量％(好ましくは、０.４０質量％)とした。
【００１５】
・Ｂ：０.０１００質量％以下
必要に応じて添加される成分であり、Ｎを固定し、耐食性，加工性を改善する作用を呈する。Ｂの添加効果は０.０００５質量％以上で顕著になるが、過剰添加は熱間加工性，溶接性を低下させるので、０.０１００質量％(好ましくは、０.００６０質量％)を上限とした。
・Ｎｉ：２.０質量％以下
必要に応じて添加される成分であり、隙間腐食の抑制に寄与する。Ｎｉの添加効果は０.５質量％以上で顕著になるが、過剰添加は鋼材のコスト上昇や硬質化を招くので、２.０質量％(好ましくは、１.５質量％)を上限とした。
【００１６】
・Ｃｕ：２.０質量％以下
溶製時にスクラップ等の原料から不可避的に混入する不純物元素であるが、過剰に含まれると熱間加工性，耐食性に悪影響を及ぼすので２.０質量％以下(好ましくは、１.５質量％)に規制することが好ましい。
・Ａｌ：４.０質量％以下
製鋼段階で脱酸剤として添加される成分であり、耐酸化性の向上にも寄与する。Ａｌの添加効果は０.０５質量％以上で顕著になるが、過剰添加は表面欠陥の原因になるので上限を４.０質量％(好ましくは、２.０質量％)とする。
【００１７】
以上に掲げた合金成分の他に、Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｖ，Ｚｒ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｃｏ，REM(希土類金属)等を含むこともできる。
Ｍｎはオーステナイト形成元素であり、固溶強化能が小さく材質への悪影響が少ない。しかし、過剰に含まれると溶製時にＭｎヒュームの発生等、製造性を低下させるので、好ましくは２.０質量％以下に規制する。
Ｐは熱間加工性に有害な元素であるが、０.０５０質量％以下に規制することによりＰ起因の悪影響が抑制される。
Ｓは結晶粒界に偏析しやすく、粒界脆化，熱間加工性の低下等を引き起こす有害成分である。Ｓ起因の悪影響を抑制するため、Ｓ含有量の上限を０.０２０質量％とすることが好ましい。
【００１８】
Ｖ，Ｚｒは、共に固溶Ｃを炭化物として析出させることにより加工性向上に有効な成分である。Ｚｒは、鋼中の酸素を酸化物として捕捉することによっても加工性，靭性を向上させる。しかし、過剰添加は製造性を低下させるので、添加する場合には何れも０.０１〜０.３０質量％の範囲にＶ，Ｚｒ含有量を定めることが好ましい。
Ｃａ，Ｍｇ，Ｃｏ，REM等は、溶製中にスクラップ等の原料から混入する元素であるが、取り立てて多量に含まれる場合を除き成形品の二次加工性に影響を及ぼさない。
【００１９】
〔金属組織〕
フェライト結晶粒を微細化すると、衝撃特性が改善される。フェライト結晶粒の微細化は、冷延後の仕上げ焼鈍時に再結晶化を抑制することにより達成されるが、再結晶の抑制には高Ｃｒ化及びＭｏ，Ｎｂ添加が有効である。
【００２０】
〔三方向０.２％耐力〕
素材の０.２％耐力が３２０Ｎ／ｍｍ2以上あることで、外的な衝撃に対する変形抵抗が向上する。０.２％耐力が３２０Ｎ／ｍｍ2に達しない方向があると、その方向に沿って溶接鋼管やプレス成形板が局部的に変形し、変形部分に応力集中が生じて衝撃的な破壊(換言すれば、穴開き)が発生しやすくなる。
【実施例】
【００２１】
表１の組成をもつ各種フェライト系ステンレス鋼を溶製し、熱間圧延，焼鈍を経て板厚：０.８ｍｍに冷間圧延し、１０５０〜１１００℃×均熱１０分で焼鈍した後、酸洗することにより造管用鋼帯を得た。
【００２２】
2007009263.tif 000002
【００２３】
得られた鋼帯から所定幅の切板を切り出し、ロール成形法で幅方向に曲げ加工し、幅方向両端部をレーザ溶接することにより外径：２５ｍｍの溶接鋼管を製造した。
溶接鋼管から採取した長さ：１００ｍｍの試験片を耐衝撃穴開き試験に供した。耐衝撃穴開き試験では、Ｍ４ボルトを取り付けた荷重：８ｋｇの重錘を高さ：５００ｍｍの位置から試験片に落下させ、重錘の衝撃による穴開きの有無を調査した。なお、試験温度を-４０℃とし、重錘の落下方向に対し９０度方向に溶接部が位置するように溶接鋼管をセットした。鋼種ごとに落下試験を３回繰り返し、３回の試験何れでも板厚を貫通する割れの発生有無で耐衝撃穴開き性を評価した。
【００２４】
耐衝撃穴開き性の試験結果を、造管前の板材の引張試験から求めた三方向０.２％耐力の最小値と関連させて表２に示す。
表２から明らかなように、三方向０.２％耐力の最小値が３２０Ｎ／ｍｍ2以上の本発明例では、落下衝撃による穴開きが溶接鋼管に発生しなかった。
【００２５】
これに対し、試験No.７では、成分的には同じ鋼種を使用したものの、焼鈍温度が高すぎたため結晶粒が粗大になり、三方向０.２％耐力の最小値が３２０Ｎ／ｍｍ2を下回るようになったため耐衝撃穴開き試験で割れが発生した。試験No.８，９は、素材のＣｒ量が不足したため、三方向０.２％耐力の最小値が３２０Ｎ／ｍｍ2未満となり耐衝撃穴開き試験で割れが発生した。逆にＣｒ含有量が過剰な試験No.１０では、三方向０.２％耐力の最小値が３２０Ｎ／ｍｍ2以上であるにも拘わらず、素材の靭性不足に起因して耐衝撃穴開き性に劣っていた。
【００２６】
2007009263.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上に説明したように、本発明は、合金成分及び素材の機械的性質を規制することにより衝撃穴開きを抑制したフェライト系ステンレス鋼を提供している。該ステンレス鋼は複雑形状のプレス成形品や溶接鋼管製品に加工できるため、自動車用排ガス経路部材，自動車・二輪車等の給油管，燃料タンク，屋内配管，屋外配管等、広汎な用途に使用可能な素材となる。