(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：0.02％以下、
Si：2.0 ％以下、
Mn：2.0 ％以下、
Cr：16.0％超、40.0％以下、
Mo：1.0 〜5.0 ％、
Ｗ：2.0 ％超、5.0 ％以下、
（Mo＋Ｗ）：4.3 ％以上、
Nb：５（Ｃ＋Ｎ）〜1.0 ％および
Ｎ：0.02％以下
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成からなることを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化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、MoおよびＷの合計量が、質量％で
（Mo＋Ｗ）≧4.5 ％
を満足することを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化性に優れた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、鋼がさらに、質量％で
Ti：0.5 ％以下、
Zr：0.5 ％以下および
Ｖ：0.5 ％以下
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成からなることを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項４】
請求項１，２または３において、鋼がさらに、質量％で
Ni：2.0 ％以下、
Cu：1.0 ％以下、
Co：1.0 ％以下および
Ca：0.01％以下
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成からなることを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化性に優れた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、鋼がさらに、質量％で
Al：0.01〜7.0 ％
を含有する組成からなることを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化性に優れた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、鋼がさらに、質量％で
Ｂ：0.01％以下および
Mg：0.01％以下
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成からなることを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、鋼がさらに、質量％で
REM：0.1 ％以下
を含有する組成からなることを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車やオートバイの排気管、触媒外筒材および火力発電プラントの排気ダクトあるいは燃料電池関連部材（例えばセパレーター、インターコネクター、改質器など）等の高温環境下で使用される部材に供して好適な、耐食性、高温強度および耐高温酸化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】
【従来の技術】
自動車の排気系環境で使用される、例えばエキゾーストマニホールド、排気パイプ、コンバーターケースおよびマフラー材には、成形性と耐熱性に優れることが要求されている。現在、このような用途には、室温で軟質で成形性に優れ、高温耐力も比較的高い、NbとSiを添加したCr含有鋼、例えば Type429（14Cr−0.9Si−0.4Nb 系）鋼が多用されている。
しかしながら、この Type429鋼は、エンジン性能の向上により排ガス温度が現行温度より高い 900℃程度まで上昇すると、高温耐力あるいは耐酸化性が不足するいう問題があった。
【０００３】
このため、900 ℃における耐力がType429 鋼より高い優れた高温強度を有し、かつ耐酸化性にも優れた材料に対する要求が強まっている。また、排気部材材料の高温強度を高めることは、部材の薄肉化を可能とし、自動車車体の軽量化に大きく寄与できるという利点もある。
【０００４】
上記の要請に応えるものとして、特許文献１には、排気系部材の高温部から低温部までの広い範囲にわたって適用可能な、高温強度、加工性および表面性状に優れたCr含有鋼が開示されている。この素材は、Ｃ：0.02mass％以下、 Si：0.10mass％以下、 Cr：3.0 〜20mass％、Nb：0.2 〜1.0 mass％を含有するCr含有鋼であり、 Siを0.10mass％以下に低減し、 Fe2Nb ラーベス相の析出を抑制して、室温降伏強さの上昇を抑制すると共に、優れた高温強度と加工性、さらには良好な表面性状を付与しようとするものである。
【０００５】
また、特許文献２には、質量％で、Ｃ：0.020 ％未満、 Si：0.10％超0.50％未満、Mn：2.00％未満、Ｐ：0.060 ％未満、Ｓ：0.008 ％未満、Cr：12.0％以上16.0％未満、Ni：1.00％未満、Ｎ：0.020 ％未満、Nb：10×（Ｃ＋Ｎ）以上1.00％未満、Mo：0.80％超3.00％未満を、Si：≦1.2 −0.4 Moを満足する範囲で含有し、また必要に応じてＷ：5.00％以下を含有し、ラーベス相の析出を抑制して、固溶Moによる高温強度増加効果を安定して確保したCr含有鋼が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開2000−73147 号公報
【特許文献２】
特開2002−212685号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような排気系部材は、 900℃から1000℃を超えるような高温における耐酸化性すなわち耐高温酸化性の面に問題を残していた。
すなわち、エンジン性能をより向上させるためには、排ガス温度の一層の上昇が避けられないが、排ガス温度が 900℃を超えて上昇した場合には、現行の材料では異常酸化の発生あるいは高温強度が不足するという問題が新たに生じた。
ここに、異常酸化とは、材料が高温の排ガスに曝された場合に、Fe酸化物が生成し、このFe酸化物は酸化速度が異常に速いことから、酸化が急激に進行し、素材がぼろぼろになる現象をいう。
【０００８】
この発明は、上記の問題を有利に解決するもので、耐食性に優れるのはいうまでもなく、高温強度に優れ、さらには従来に比べて耐高温酸化性を格段に向上させ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。
さらに、この発明では、高温での塩害に対する抵抗性すなわち耐高温塩害性の改善も併せて図ることができる。
ここに、高温塩害とは、特に寒冷地において路面に散布された路面凍結阻止剤中の塩分や海岸地方における海水の塩分が排気パイプ等に付着したのち、高温に加熱された場合の腐食のことであり、このような腐食で板厚が減少していくことをいう。
【０００９】
【課題を解決するための手投】
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、耐高温酸化性および高温強度の向上には、Ｗの添加特にMoとＷとを複合添加することが、また耐高温塩害性の向上には、SiやAlの添加が有効であるとの知見を得た。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１０】
すなわち、この発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で、
Ｃ：0.02％以下、
Si：2.0 ％以下、
Mn：2.0 ％以下、
Cr：16.0％超、40.0％以下、
Mo：1.0 〜5.0 ％、
Ｗ：2.0 ％超、5.0 ％以下、
（Mo＋Ｗ）：4.3 ％以上、
Nb：５（Ｃ＋Ｎ）〜1.0 ％および
Ｎ：0.02％以下
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成からなることを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１１】
２．上記１において、MoおよびＷの合計量が、質量％で
（Mo＋Ｗ）≧4.5 ％
を満足することを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１２】
３．上記１または２において、鋼がさらに、質量％で
Ti：0.5 ％以下、
Zr：0.5 ％以下および
Ｖ：0.5 ％以下
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成からなることを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１３】
４．上記１，２または３において、鋼がさらに、質量％で
Ni：2.0 ％以下、
Cu：1.0 ％以下、
Co：1.0 ％以下および
Ca：0.01％以下
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成からなることを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１４】
５．上記１〜４のいずれかにおいて、鋼がさらに、質量％で
Al：0.01〜7.0 ％
を含有する組成からなることを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１５】
６．上記１〜５のいずれかにおいて、鋼がさらに、質量％で
Ｂ：0.01％以下および
Mg：0.01％以下
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成からなることを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１６】
７．上記１〜６のいずれかにおいて、鋼がさらに、質量％で
REM：0.1 ％以下
を含有する組成からなることを特徴とする、耐食性、高温強度および耐高温酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明において、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％を意味するものとする。
Ｃ：0.02％以下
Ｃは、靱性や加工性を劣化させるので、その混入は極力低減することが好ましい。この観点から、この発明ではＣ量を0.02％以下に限定した。より好ましくは 0.008％以下である。
【００１８】
Si：2.0 ％以下
Siは、含有量が 2.0％を超えると室温での強度が増大し、加工性を低下させるので、上限を 2.0％とした。なお、後述するAlの添加によって耐高温塩害性の向上を図った場合には、加工性の面ではSi量はむしろ低減させた方が好ましいので、この場合にはSi量は 0.5％以下とすることが好ましい。
【００１９】
Mn：2.0 ％以下
Mnは、脱酸剤として有効に寄与するが、過剰の添加はMnＳを形成して耐食性を低下させるので、2.0 ％以下に限定した。より好ましくは 1.0％以下である。なお、耐スケール剥離性の観点からは、Mn量は高いほど好ましくいので、この観点からは 0.3％以上含有させることが好ましい。
【００２０】
Cr：16.0％超、40.0％以下
Crは、耐食性および耐酸化性を向上させる基本元素であるので、この発明では16.0％超の範囲で含有させるものとした。しかしながら、含有量が40.0％を超えると材料の脆化が著しくなるので、上限は40.0％とした。好ましくは16.0％超、30.0％以下、より好ましくは16.0％超、25.0％以下、さらに好ましくは16.0％超、20.0％以下である。
【００２１】
Mo：1.0 〜5.0 ％
Moは、高温強度のみならず、耐酸化性および耐食性の向上に有効に寄与するので、この発明では 1.0％以上含有させるものとした。しかしながら、含有量があまりに多くなると室温での強度が増大して加工性が低下するので、5.0 ％を上限とした。より好ましくは 1.8〜2.5 ％の範囲である。
【００２２】
Ｗ：2.0 ％超、5.0 ％以下
Ｗは、この発明において特に重要な元素である。すなわち、上記したMoを添加したフェライト系ステンレス鋼に、Ｗを複合含有させることによって、耐高温酸化性の著しい向上を図ることができる。また、高温強度の向上にも有効に寄与する。しかしながら、Ｗ量が 2.0％以下ではその添加効果に乏しく、一方 5.0％を超えて多量に含有させるとコストの上昇を招くので、Ｗは 2.0％超、5.0 ％以下の範囲で含有させるものとした。特にＷは、2.6 ％を超えて含有させると高温強度が著しく向上するので、より好ましくは 2.6％超、4.0 ％以下であり、さらに好ましくは 3.0％以上、3.5 ％以下である。
【００２３】
（Mo＋Ｗ）≧4.3 ％
上述したとおり、MoとＷとを複合含有させることによって、耐高温酸化性の著しい向上を図ることができる。そのためには、これら元素の合計量は 4.3％以上とすることが好ましい。好ましくは 4.5％以上、より好ましくは、4.7 ％以上、さらに好ましくは、4.9 ％以上である。
【００２４】
図１に、 18%Cr−0.1%Si−0.5%Nb鋼をベースに、MoとＷを種々の割合で添加した時の耐高温酸化性について調べた結果を示す。
耐高温酸化性試験は、1050℃の大気雰囲気中に 100時間保持し、この試験後の試験片の重量変化で評価した。試験後の重量変化が 10 mg/cm2以下であれば耐高温酸化性に優れているといえる。
同図に示したとおり、（Mo＋Ｗ）を4.3 ％以上含有させることによって、耐高温酸化性は格段に向上する。
【００２５】
Nb：５（Ｃ＋Ｎ）〜1.0 ％
Nbは、高温強度の改善に有効な元素であり、この効果を発揮させるためには、ＣおよびＮ量との兼ね合いで５（Ｃ＋Ｎ）以上含有させる必要がある。しかしながら、あまりに多量の添加は、室温での強度が増大して加工性が低下するので、1.0 ％を上限とした。より好ましくは 0.4〜0.7 ％の範囲である。
なお、かっこ内のＣ、Ｎはそれぞれ、ＣとＮの含有量（質量％）を表わす。
【００２６】
Ｎ：0.02％以下
Ｎも、Ｃと同様、靱性や加工性を劣化させるので、その混入は極力低減することが好ましい。この観点から、この発明ではＮ量を0.02％以下に限定した。より好ましくは 0.008％以下である。
【００２７】
以上、基本成分について説明したが、この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：0.5 ％以下、Zr：0.5 ％以下およびＶ：0.5 ％以下のうちから選んだ少なくとも一種
Ti，ZrおよびＶはいずれも、ＣやＮを固定して耐粒界腐食性を向上させる作用があり、この観点からはそれぞれ0.02％以上含有させることが好ましい。しかしながら、含有量が 0.5％を超えると、鋼材の脆化を招くので、それぞれ 0.5％以下で含有させるものとした。
なお、これらの元素は、高温強度の向上にも有効であるので、前記したＷおよび後述するCuを合わせた（Ｗ＋Ti＋Zr＋Ｖ＋Cu）量は、３％超で含有させることが好適である。
【００２８】
Ni：2.0 ％以下、Cu：1.0 ％以下、Co：1.0 ％以下およびCa：0.01％以下のうちから選んだ少なくとも一種
Ni，Cu，CoおよびCaはいずれも、靱性の改善に有用な元素であり、それぞれNi：2.0 ％以下、Cu：1.0 ％以下、Co：1.0 ％以下、Ca：0.01％以下で含有させるものとした。特にCaは、Tiが含有された場合、連続鋳造時のノズル詰まりの防止にも有効に寄与する。なお、これらの元素の効果を十分に発揮させるためには、それぞれNi：0.5 ％以上、Cu：0.3 ％以上、Co：0.03％以上、Ca：0.0005％以上の範囲で含有させることが好ましい。
【００２９】
Al：0.01〜7.0 ％
Alは、脱酸剤として有用なだけでなく、溶接部の表面に緻密なスケールを形成して、溶接中に酸素や窒素の吸収を防止し、溶接部の靱性向上にも有効に寄与する。また、耐高温塩害性の改善にも有用な元素である。しかしながら、含有量が0.01％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 7.0％を超えると鋼材の脆化が著しくなるので、Alは0.01〜7.0 ％の範囲に限定した。より好ましくは 0.5〜7.0 ％の範囲である。
【００３０】
Ｂ：0.01％以下およびMg：0.01％以下のうちから選んだ少なくとも一種
ＢおよびMgはいずれも、２次加工脆性の改善に有効に寄与するが、含有量が0.01％を超えると室温での強度が増して延性の低下を招くので、それぞれ0.01％以下で含有させるものとした。より好ましくはＢ：0.0003％以上、Mg：0.0003％以上である。
【００３１】
REM：0.1 ％以下
REM は、耐酸化性の向上に有効に寄与するので 0.1％以下で含有させるものとした。より好ましくは 0.002％以上である。なお、この発明において REMとは、ランタノイド系元素およびＹを意味する。
【００３２】
次に、この発明鋼の好適製造方法について説明する。この発明鋼の製造条件はとくに限定されるものではなく、Cr含有鋼の一般的な製造方法を好適に利用できる。
例えば、上記した適正組成範囲に調整した溶鋼を、転炉、 電気炉等の溶製炉、さらには取鍋精錬、 真空精錬等の精錬を利用して溶製したのち、連続鋳造法または造塊−分塊法でスラブとし、ついで熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上げ焼鈍、酸洗の各工程を順次に経て、冷延焼鈍板板とするのが好ましい。 また、冷間圧延は、１回または中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延としてもよい。冷間圧延、仕上げ焼鈍、酸洗の工程は繰り返し打ってもよい。なお、場合によっては熱延板焼鈍は省略してもよい。さらに、光沢性が要求される場合には、スキンパス等を施すことが有利である。
【００３３】
【実施例】
表１に示す成分組成になる50kg鋼塊を作製し、 これらの鋼塊を1100℃に加熱後、 熱間圧延により５mm厚の熱延板とした。 ついで、これらの熱延板に対し、熱延板焼鈍（焼鈍温度：1000℃）−酸洗−冷間圧延（冷延圧下率：60％）−仕上げ焼鈍（焼鈍温度：1000℃）−酸洗を順次施して、２mm厚の冷延焼鈍板とした。
かくして得られた冷延焼鈍板の高温強度、耐高温酸化性および耐高温塩害性について調べた結果を、表２に示す。
【００３４】
なお、各特性は次のようにして評価した。
(1) 高温強度
各冷延焼鈍板から、圧延方向を引張り方向とするJIS 13号Ｂ引張試験片を各２本ずつ採取し、JIS G 0567の規定に準拠して、引張り温度：900 ℃、歪速度：0.3 ％/minの条件で引張り試験を行い、２本の試験片の 900℃における 0.2％耐力を求めた。なお、この 900℃における 0.2耐力の値は高ければ高いほど好ましいが、特に20 MPa以上であれば高温強度に優れているといえる。好ましくは26 MPa以上である。
(2) 耐高温酸化性
各冷延焼鈍板から、試験片（２mm厚×20mm幅×30mm長さ）を２本ずつ採取し、これらの試験片を、1050℃の大気雰囲気中に 100時間保持した。試験前後における各試験片の重量を測定し、試験前後の重量変化を算出して、２本の平均値を求めた。この重量変化が小さいほど耐高温酸化性に優れていることを表す。そして、この重量変化が 10 mg/cm2以下であれば耐高温酸化性に優れているといえる。なお、排ガス中では、大気中よりも異常酸化を生じ易いので、排ガス温度：1000℃を想定した場合、大気中では＋50℃すなわち1050℃の評価を必要とするので、本発明では試験温度：1050℃で評価するものとした。
(3) 耐高温塩害性
各冷延焼鈍板から、試験片（２mm厚×20mm幅×30mm長さ）を各２本ずつ採取し、５％食塩水に１時間浸漬したのち、700 ℃の大気雰囲気中で23時間加熱し、５分冷却する工程を１サイクルとして、10サイクル後の重量変化を測定し、その平均値を求めた。この重量変化が小さいほど耐高温塩害性に優れており、この発明では、重量変化量Δｗが40≦Δｗ＜50（mg/cm2）の場合を○、30≦Δｗ＜40（mg/cm2）の場合を◎、Δｗ＜30（mg/cm2）の場合を☆と評価した。
【００３５】
【表１】
0004206836.tif 000002
【００３６】
【表２】
0004206836.tif 000003
【００３７】
表２から明らかなように、この発明に従う鋼板はいずれも、高い高温強度が得られただけでなく、優れた耐高温酸化性を得ることができた。また、AlやSiを積極的に添加した場合には、優れた耐高温塩害性も併せて得られている。
【００３８】
【発明の効果】
かくして、この発明によれば、耐食性、高温強度および耐高温酸化性に優れ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る。
従って、この発明によれば、エンジン性能の向上により、排ガス温度が 900℃を超えるような自動車関連用途においては言うまでもなく、発電プラントの排気ダクト材や燃料電池関連部材（例えばセパレーター、インターコネクター、改質器など）用途においても、それに耐え得る素材を安定して供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】   18%Cr−0.1%Si−0.5%Nb鋼をベースに、MoとＷを種々の割合で添加した時の耐高温酸化性について調べた結果を示したグラフである。
【図１】
0004206836.tif 000004