(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０３〜０．２０ｗｔ％、Ｓｉ：０．１〜２．０ｗｔ％、Ｍｎ：１０〜２５ｗｔ％、Ｎｉ：８ｗｔ％以下、Ｃｒ：１４〜２０ｗｔ％、Ｎ：０．２０〜０．５０ｗｔ％、Ｗ：０．５〜６．０ｗｔ％の範囲内で含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ下記Ｎｉ当量が１．０以上であることを特徴とする耐高温へたり性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼。
Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋０．３８Ｍｎ＋２２Ｃ＋１３Ｎ−０．０７７Ｃｒ−０．５Ｓｉ−０．１４(Ｗ)
【請求項２】
Ｃ：０．０３〜０．２０ｗｔ％、Ｓｉ：０．１〜２．０ｗｔ％、Ｍｎ：１０〜２５ｗｔ％、Ｎｉ：８ｗｔ％以下、Ｃｒ：１４〜２０ｗｔ％、Ｎ：０．２０〜０．５０ｗｔ％、Ｂ：０．００１〜０．０５ｗｔ％、Ｗ：０．５〜６．０ｗｔ％の範囲内で含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ下記Ｎｉ当量が１４．０以上であることを特徴とする耐高温へたり性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼。
Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋０．３８Ｍｎ＋２２Ｃ＋１３Ｎ＋１０Ｂ−０．０７７Ｃｒ−０．５Ｓｉ−０．１４(Ｗ)
【請求項３】
請求項１または２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼において、この鋼の成分組成中にはさらに、０．５〜６．０ｗｔ％のＭｏを含有し、かつＮｉ当量が下記式によって求められるものであることを特徴とする耐高温へたり性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼。
Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋０．３８Ｍｎ＋２２Ｃ＋１３Ｎ−０．０７７Ｃｒ−０．５Ｓｉ−０．１４(Ｍｏ＋Ｗ)
Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋０．３８Ｍｎ＋２２Ｃ＋１３Ｎ＋１０Ｂ−０．０７７Ｃｒ−０．５Ｓｉ−０．１４(Ｍｏ＋Ｗ)
【請求項４】
高温用ガスケットの素材として用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか少なくとも１項に記載された成分組成とＮｉ当量を有するオーステナイト系ステンレス鋼素材を常法に従って溶製し、鋳造し、熱間圧延, 冷間粗圧延後、焼鈍したのち、最終冷間圧延で圧下率２０％以上の圧延を行い、その後３００〜６００℃の温度で時効処理を施すことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐高温へたり性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼およびその製造方法に関し、詳しくは、自動車やオートバイの高温燃焼ガスを外部に排出する部分、例えば、エキゾーストマニホールドとエキゾーストパイプの合わせ面の高温用ガスケットなどとして好適に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼およびその製造方法についての提案である。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用ガスケットとしては、従来、アスベストが使用されてきたが、このアスベストが環境に及ぼす悪影響が指摘されたのちは、これに代わるものとして、主としてステンレス鋼製のメタルガスケットが賞用されてきた。
【０００３】
この用途に用いられているステンレス鋼としては、SUS-301 系のものが多く、冷間加工によってオーステナイト組織をマルテンサイト相に加工誘起変態させることにより、高強度化することでバネ性を付与したものである。このようなステンレス鋼は、シリンダーヘッド部のガスケット用素材として使用され、現在でもメタルガスケットの主流である。
【０００４】
一般に、メタルガスケットが用いられているシリンダーヘッド部というのは、エンジン冷却水の循環により、あまり高温とはならず、最高温度でも200 ℃程度である。従って、この部分に用いられるガスケットについては、エンジンの爆発燃焼により大きな繰り返し応力を受けるため、むしろ疲労特性に対する備えが必要であり、その特性の向上が求められている。
【０００５】
これに対し、燃焼ガスを外部に排出するために用いられるエキゾーストパイプやエキゾーストマニホールドなどの排気系に用いられるガスケットについては、その燃焼ガスの影響により常に 500〜600 ℃の高温に曝される。従って、この部分のガスケットには、疲労強度よりはむしろ、高温での使用に耐え得るような高温強度特性が必要になってくる。そのため、このような個所に使うガスケット材料としては、従来、アスベストなどの使用が不可欠とされてきたが、前述した理由によりメタルガスケットに変更する必要がでてきている。
【０００６】
高温域で使用されるガスケットについては、特開平７−3407号公報では、従来のSUS-301 系ステンレス鋼に比べてＮ, Ｃを多量に添加し、Alを所定量含有させることで高温での特性を改善した材料を提案している。しかしながら、近年、エンジンの高性能化に対応し、かかるステンレス鋼に対して耐熱性のさらなる向上が求められている。加えて、現在のガスケット用ステンレス鋼は、有価金属であるNiを8 〜16wt％も含有しているため高価であることから、コストダウンを図る必要もある。
【０００７】
さらに、特開平７−3407号公報では、冷間加工に伴なう加工誘起変態によってマルテンサイト相を析出させたステンレス鋼を提案している。しかし、この加工誘起マルテンサイト相は、500 〜600 ℃の温度域においてマルテンサイト相からオーステナイト相への逆変態が生じて軟化し、急激にへたりが生じるという問題があった。即ち、高温での組織の安定性と耐久性に不安があった。
【０００８】
また、こうしたステンレス鋼の高温での特性を改善するためには、Ｎの添加が有効であることも知られている。例えば、特開平７−3407号公報ではＮを積極的に添加したステンレス鋼を提案している。それは、Ｎを多量に添加すると、オーステナイト相の安定度が高くなり、加工誘起マルテンサイト相が生じなくなり、さらに、高温にさらされる時間が短い場合に高温強度の向上が期待できるからである。しかし、冷間加工を施し、バネ性を付与した材料を高温に長時間(400hr〜) 保持した場合、回復，再結晶，および粗大なCr窒化物が多量析出して急激に軟化し、そのためにへたりが生じてしまうという問題があった。冷間圧延した材料を高温で使用する場合、加工誘起マルテンサイト相を含まなくても、回復，再結晶が起きると歪みが解放され、バネ性がなくなってしまい、これに対する備えをする必要があった。また、Cr窒化物の析出に関しても、冷間加工した材料では、析出速度が、焼鈍状態に比べて２桁程度大きくなることが知られており、これに対する配慮もなされていなかった。以上の理由より、Ｎ添加による高温強度の向上にも限界があり、冷間加工した状態で高温で使用されるガスケット材料としては、不十分であった。
【０００９】
そこで、本発明の主たる目的は、高温強度ならびに耐高温へたり性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼を提案することにある。
本発明の他の目的は、バネ性およびシール性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼を提案することにある。
本発明の他の目的は、高温に晒される排気系に用いられて有益な高温用ガスケット材料を提案することにある。
また、本発明のさらに他の目的は、上掲の目的に適うオーステナイト系ステンレス鋼を有利に製造する方法を開発, 提案することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来技術が抱えている上述した問題点を解決し、上掲の目的を実現するために開発したものであり、その要旨とするところは、Ｃ：０．０３〜０．２０ｗｔ％、Ｓｉ：０．１〜２．０ｗｔ％、Ｍｎ：１０〜２５ｗｔ％、Ｎｉ：８ｗｔ％以下、Ｃｒ：１４〜２０ｗｔ％、Ｎ：０．２０〜０．５０ｗｔ％、Ｗ：０．５〜６．０ｗｔ％の範囲内で含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、オーステナイト安定指数である下記Ｎｉ当量；
Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋０．３８Ｍｎ＋２２Ｃ＋１３Ｎ−０．０７７Ｃｒ−０．５Ｓｉ−０．１４(Ｗ)
が１４．０以上を満足することを特徴とする耐高温へたり性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼である。
【００１１】
また、本発明は、Ｃ：０．０３〜０．２０ｗｔ％、Ｓｉ：０．１〜２．０ｗｔ％、Ｍｎ：１０〜２５ｗｔ％、Ｎｉ：８ｗｔ％以下、Ｃｒ：１４〜２０ｗｔ％、Ｎ：０．２０〜０．５０ｗｔ％、Ｂ：０．００１〜０．０５ｗｔ％、Ｗ：０．５〜６．０ｗｔ％の範囲内で含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、オーステナイト安定指数である下記Ｎｉ当量；
Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋０．３８Ｍｎ＋２２Ｃ＋１３Ｎ＋１０Ｂ−０．０７７Ｃｒ−０．５Ｓｉ−０．１４(Ｗ)
が１４．０以上を満足することを特徴とする耐高温へたり性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼を提案する。
【００１４】
また、本発明において、上記成分組成中にはさらに、０．５〜６．０ｗｔ％のＭｏを含有し、かつＮｉ当量が；
Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋０．３８Ｍｎ＋２２Ｃ＋１３Ｎ−０．０７７Ｃｒ−０．５Ｓｉ−０．１４(Ｍｏ＋Ｗ)
Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋０．３８Ｍｎ＋２２Ｃ＋１３Ｎ＋１０Ｂ−０．０７７Ｃｒ−０．５Ｓｉ−０．１４(Ｍｏ＋Ｗ)
であることを特徴とする耐高温へたり性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼である。
【００１５】
また、上掲の本発明にかかるオーステナイト系ステンレス鋼は、基本的に、上述した成分組成とNi当量を有する鋼素材を、常法に従って溶製し、鋳造し、熱間圧延、冷間粗圧延後、焼鈍したのち、圧下率が20wt％以上の最終冷間圧延を施し、さらにその後、300 〜600 ℃の温度で時効処理を施すことによって製造することができる。
【００１６】
発明者らは、高価なNiを使うまでもなくオーステナイト組織にすることができる高マンガンオーステナイト系ステンレス鋼に着目し、研究を行った。その結果、オーステナイト安定指数であるNi当量を上記式を満足するように調整した場合、オーステナイト相が安定となり、冷間加工により加工誘起マルテンサイト相が誘起されないことが判った。このため、冷間加工後の加工誘起マルテンサイト相がオーステナイト相へ逆変態するという現象はなく、これによる急激なへたり現象は、完全に防止することができる。
【００１７】
へたりの原因としては、加工誘起マルテンサイト相がオーステナイト相へ逆変態する現象だけでなく、冷間加工材の回復再結晶によっても生じる。そこで、これに対する対策を高マンガン鋼をベースとする合金について詳細に検討した。その結果、この種の鋼にMo, Ｗを添加すると、耐熱性 (高温強度、高温へたり性) が飛躍的に向上することを見いだした。即ち、冷間圧延を施した材料は、500 〜600 ℃の温度にさらされると、回復, 再結晶し、へたりが生じてしまうが、高マンガンオーステナイトステンレス鋼にMo, Ｗを添加すると、その回復, 再結晶の温度を高温側にシフトさせることができ、これにより耐熱性が向上することをつきとめた。この点、Mo, Ｗの添加の一般的な作用は、これらの元素をマトリックス中に固溶させて強化する、いわゆる固溶強化による耐熱性の改善が一般的であるのに対し、本発明の場合、回復, 再結晶温度を変えることで耐熱性を改善するという点で、全く異なる考え方を利用している。
【００１８】
また、かかる高マンガンオーステナイト系ステンレス鋼の冷間加工材のCr窒化物析出におよぼす添加元素の影響についても検討した。その結果、この鋼にＢを添加した場合には、Cr窒化物の析出を著しく長時間側(1000hr 以上) にシフトさせ得ることをつきとめた。Cr窒化物の析出による軟化は、前記の加工誘起マルテンサイト相の逆変態による軟化，冷間加工材の回復，再結晶による軟化ほど大きくはないが、析出がはじまると、継続的に緩やかに軟化させる。これを防止することで、長時間の安定的使用を確保することができる。Cr窒化物の析出に対するＢの効果は、NiをMnに置換したことで、積層欠陥エネルギーが著しく低下し、これによってCr窒化物の優先析出位置であった転位の性格が大きく変わること、即ち、拡散速度の大きなＢが前記析出位置に優先的に拡散し、Cr窒化物の析出を抑制するためと考えられる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明において、素材の成分組成を上記のように限定した理由について説明する。
Ｃ：0.03〜0.20wt％
Ｃは、マトリックスを固溶強化するとともに、オーステナイト組織を安定にし、さらに、炭窒化物を形成して高温でのへたり性を改善する元素である。このような作用が得られるためには、少なくとも0.03wt％の添加が必要である。一方、このＣを多量に含有させた場合、耐食性が著しく劣化するため、上限は0.20wt％とする。より好ましい範囲は、0.05〜0.15wt％である。
【００２０】
Si：0.1 〜2.0 wt％
Siは、製鋼時の脱酸材として0.1 wt％は含有させる必要がある。ただし、あまり多く含有させるとオーステナイト相を不安定にするため、上限は2.0 wt％とする。より好ましい範囲は 0.5〜1.5 wt％である。
【００２１】
Mn：10〜25wt％
Mnは、オーステナイト組織を得るために必須の元素である。このため、少なくとも10wt％は必要である。しかし、あまり過剰に含有すると、溶製、熱間加工が困難になるので上限は25wt％とする。より好ましは範囲は、10〜20wt％である。
【００２２】
Ni：８wt％以下
Niは、オーステナイト組織を安定化させ、耐食性、冷間加工性の点からも重要で必須の成分である。しかしながら、これを多量に添加すると高価となることに加え，冷間加工後の硬さを小さくする。よって、８wt％以下とする。より好ましい上限は５wt％である。
【００２３】
Cr：14〜20wt％
Crは、耐食性、耐酸化性、耐熱性を付与するための元素であり、少なくとも14wt％は必要である。しかし、これをあまり多く含有させるとオーステナイト相を不安定にするため、上限を20wt％とする。より好ましい範囲は、15〜18wt％である。
【００２４】
Ｎ：0.20〜0.50wt％
Ｎは、オーステナイト組織を安定化させ、固溶硬化作用、加工硬化作用が高く、高強度、高硬度を得るには必須の元素である。しかも、耐高温へたり性の改善にも有効に作用するので、少なくとも0.20wt％の含有は必要である。しかし、このＮもあまり過剰に添加すると鋼塊に気泡を多く含むようになり、製造が困難になる。従って、Ｎは0.50wt％を上限とする。より好ましくは、Ｎ：0.25〜0.40wt％の範囲である。
【００２５】
Ｂ：0.001 〜0.05wt％
Ｂは、高マンガンオーステナイト中では、Cr窒化物の析出を抑制する元素である。このＢの添加により、高温強度、耐高温へたり性の低下を抑制でき、高温での特性を格段に向上させる。そのためには、少なくとも0.001 wt％の添加は必要である。しかし、0.05wt％を超えて添加すると、耐食性を劣化させるため、上限は0.05wt％とする。より好ましい上限は、Ｂ：0.01wt％である。
【００２６】
Mo, Ｗ：0.5 〜6.0 wt％
MoおよびＷは、添加により高温での強度を増し、耐高温へたり性を積極的に改善する元素である。そのためには、少なくとも0.5 wt％の添加は必要である。しかし、これらMo, Ｗをあまり過剰に添加するとオーステナイト相を不安定にするため、上限は6.0 wt％とする。より好ましいMo, Ｗの範囲は 1.0〜3.5 wt％である。
【００２７】
Ｖ, Ti, Nb＋Ta：0.03〜0.1 wt％
Ｖ, Ti, Nb＋Taは、炭窒化物を生成し、結晶粒を微細化する元素である。これらの元素の作用により、ガスケット等に加工する時に発生する割れを効果的に抑制することができる。そのためには、これらの元素の少なくとも１つを、最低0.03wt％添加することが必要である。しかし、0.1 wt％を超えて添加すると、耐高温へたり性を向上させるＣ, Ｎ量を減少させてしまうので、0.1 wt％を上限として添加する。より好ましくは、Ｖ, Ti, Nb＋Ta：0.03〜0.07wt％の範囲内で添加する。
【００２８】
次に、本発明においては、上述の如き成分設計をすることに加え、さらに冷間圧延後であっても鋼組織がオーステナイト相を示すようにするためにNi当量を限定する。即ち、添加成分の有無によつて下記(1),(2),(3) または(4) 式のNi当量が、それぞれ14.0以上を示すようにする。
【数１】
0004116134.tif 000002
【００２９】
一般にNi当量は、冷間圧延に対するオーステナイト組織の安定性を表す指数であり、この値が14.0以上であれば、60％の冷間圧延を施してもオーステナイト組織が維持され、マルテンサイト組織の逆変態によるへたりを防止できる。
本発明にかかる高マンガンオーステナイト系ステンレス鋼は、常温使用用途材としても適用が可能であるが、300 ℃以上、特に、300 〜750 ℃という高温使用用途材として好適に用いられる。また、より好ましくは 300〜600 ℃の使用温度域に用いられる材料としてより好適である。
【００３０】
次に、本発明にかかるオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法について説明する。本発明にかかる製造方法は、上掲のように成分組成を調整したステンレス鋼素材を、常法に従って溶製し、鋳造し、熱間圧延し、そして冷間粗圧延ののち焼鈍し、その後、20％以上、好ましくは20〜60％、より好ましくは、35〜60％の圧下率で最終冷間圧延を施した後、300 〜600 ℃, 好ましくは400℃〜600℃の範囲で時効処理を施すことにある。
【００３１】
かかる製造条件のうち、冷間圧下率を20％以上, より好ましくは45％に限定する理由は、鋼素材にバネ性を付与するために必要である。一方、60％を超えるような大きな冷間圧下率では、冷間圧延機の能力を越えることが懸念される。このため、最終冷間圧下率は60％が上限で、35〜60％の範囲が最適である。
【００３２】
そして、このような好適な圧下率で最終冷間圧延を施したものについて、さらに時効処理を施すと、室温での強度が向上し、より高いシール性が得られるばかりではなく、時効処理を施していない材料と比較すると、使用開始直後のへたりを小さくする効果がある。この時効処理について、温度を 300〜600 ℃に限定した理由は、300 ℃以下の温度では、室温の強度がほとんど向上せず、600 ℃以上の温度では、室温の強度は逆に低下してしまうためである。
また、時効処理の時間は、1min以上が適当で、用途に合わせて上記効果を確実に具現化するために400hr 以下から適当に選択することができる。
【００３３】
【実施例】
表１に示す成分組成の本発明鋼１〜５と、比較鋼６〜10をそれぞれ高周波大気誘導炉にて溶解し10kgの鋼塊とし、これを鍛造し、熱間圧延し、冷間粗圧延し、そして熱処理を施すことにより0.6 mmの板を得た。これに圧下率40％の最終冷間圧延を施し、これを供試材とした。なお、本発明鋼１〜６についてはさらに、450 ℃×2minの条件で時効処理を施した。
各供試材について、図１に示すようなビード部を有し，圧縮率90％で圧縮した状態でビード高さが1.0mm となるような試験片を作製した。これを500 ℃、600 ℃の加熱炉中に投入し、100 、200 、400 時間保持した後、炉から取り出し、へたりの大きさ (初期とのビード高さの違い) を調べた。その結果を表２にまとめて示した。なお、この表２は、各条件に保持した後のビード高さ (へたり性) (mm)の測定結果 (ただし、初期高さ1.0 mm) を示したものである。
【００３４】
【表１】
0004116134.tif 000003
【００３５】
【表２】
0004116134.tif 000004
【００３６】
上掲の表１, ２に明らかなように、従来ガスケット材として使用されてきた比較鋼７(SUS 301) では、500 ℃でも保持時間が長くなると加工誘起マルテンサイト相の逆変態が生じて軟化し、へたりが生じた。高温強度を向上さる目的でMo, Nbを添加した同８（Ni当量はずれ) 、NiをMnに置換し安価とした同１１（Ni当量はずれ) でも、オーステナイト安定度が低いため加工誘起マルテンサイト相の逆変態が生じ軟化し、へたりが生じた。同１１のように、たとえ高マンガンオーステナイト系ステンレス鋼であっても、成分組成, Ni当量が不適切だと加工誘起マルテンサイト相が生じ、これの逆変態によりへたりが生じてしまうことがわかった。さらに、オーステナイト安定度を考慮し、加工誘起マルテンサイト相が生じていない比較鋼９ (Ｂ添加) や、ＷあるいはMoを含有していない比較鋼１０では、600 ℃に保持すると、回復，再結晶に起因するへたりが生じてしまうという結果となった。
【００３７】
これに対し、本発明に適合する鋼（Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４）である高マンガンオーステナイト系ステンレス鋼では、オーステナイト安定度を考慮することで加工誘起マルテンサイト相の逆変態を、Ｗあるいは必要に応じてさらにＭｏを含有することで回復，再結晶を防止し、これらに起因するへたりを抑制できた。加えて、さらにＢを含有しているものについてはＣｒ窒化物の析出が抑制され、さらにへたりを小さくできた。このため600 ℃で400 時間もの長い時間保持してもへたりが５％以下に抑えられ、十分な耐高温へたり性を有し、高温で使用するメタルガスケット材としては最適であることがわかった。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる高Mnオーステナイト系ステンレス鋼は、高温強度と耐高温へたり性に優れるので、高温ガスケット用材料として好適である。とくに冷間加工によりバネ性を付与したのち、時効処理することにより、高温で長時間使用してもへたりが生じることなく、いわゆるバネ性, シール性を維持したまま使用することができる。そのために、自動車やオートバイの高温燃焼ガスを外部に排出する部分、例えば、エキゾーストマニホールドとエキゾーストパイプの合わせ面に用いられる高温ガスケット用材料として有用である。
また、従来のFe−Ni−Crオーステナイトステンレス鋼に比べると、高温での使用によく耐え、高価なNiを使用しないので、安価である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に用いた供試材の説明図である。
【図１】
0004116134.tif 000005