(57)【要約】【課題】Ｎｉの含有量を抑えて高温環境下で求められる強度特性を満足させながら、低コストの部品を提供する。【解決手段】質量％でＣ：０．０４〜０．１０％、Ｓｉ：０．８〜２．０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｃｒ：１７〜２５％、Ｎｉ：５〜１０％、Ｎ：０．１５〜０．３０％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるオーステナイト系のステンレス鋼材。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％でＣ：０．０４〜０．１０％、Ｓｉ：０．８〜２．０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｃｒ：１７〜２５％、Ｎｉ：５〜１０％、Ｎ：０．１５〜０．３０％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるオーステナイト系のステンレス鋼材。
【請求項２】
質量％で０．１２５×Ｓｉ％≦Ｎ％≦０．１２５×Ｓｉ％＋０．１５を含む請求項１記載のステンレス鋼材。
【請求項３】
さらに質量％でＭｏ：０．４〜３．０％を含む請求項１または２に記載のステンレス鋼材。
【請求項４】
さらに質量％でＣｏ：０．２〜１．０％を含む請求項１から３の何れか一項に記載のステンレス鋼材。
【請求項５】
室温での引張り強さが１２００ＭＰａ以下である請求項１から４の何れか一項に記載のステンレス鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車用排気系部品等に使用されるステンレス鋼線に係り、特に、高温耐酸化性と高温強度特性に優れるオーステナイト系のステンレス鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエキゾーストマニホールド等の排気系部品は高温環境での酸化特性、強度特性に優れたステンレス鋼材が採用されている。近年では、窒素酸化物を低減する必要から高温燃焼化が進み、これに伴い、排ガスに曝される部品も高温での耐久性が求められる。このため、フェライト系よりも高温での耐久性に優れるオーステナイト系のステンレス鋼材が採用されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−２９１４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のようにオーステナイト系ステンレス鋼材を採用することで高温環境化での耐久性を満足することができるものの、オーステナイト系ステンレス鋼材に含有されるＮｉは高価であるため、オーステナイト系ステンレス鋼材を採用した部品のコストが上昇するという問題がある。ステンレス鋼材のコストを下げるためには、Ｎｉの含有量を抑えることが考えられるが、オーステナイトの生成に寄与するＮｉの含有量が低くなると相安定性の低下に繋がる。一方、Ｎｉの含有量はステンレス鋼材の強度に影響を与える。例えば、ＳＵＳ３０４よりＮｉの含有量が多いＳＵＳ３１６の強度は、室温環境下ではＳＵＳ３０６よりも低いものの、高温環境下ではＳＵＳ３０６よりも高い。従って、耐熱メッシュが使用される温度域である８００℃、９００℃、９５０℃の高温環境下での使用を想定する場合は、Ｎｉの含有量が多い方が好ましい。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、Ｎｉの含有量を抑制したときの相安定性を損なうことなく低コストの部品の提供を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、オーステナイト生成元素であるＮを添加することで、Ｎｉの含有量を抑制したときの相安定性を確保することができるとの知見を得た。また、ＮとＳｉとが一定の比率を占める場合に、耐酸化性能を向上させることができるとの知見を得た。
【０００６】
すなわち、本発明は、質量％でＣ：０．０４〜０．１０％、Ｓｉ：０．８〜２．０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｃｒ：１７〜２５％、Ｎｉ：５〜１０％、Ｎ：０．１５〜０．３０％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるオーステナイト系のステンレス鋼材であり、質量％で０．１２５×Ｓｉ％≦Ｎ％≦０．１２５×Ｓｉ％＋０．１５を含み、さらに質量％でＭｏ：０．４〜３．０％、Ｃｏ：０．２〜１．０％を含む。本発明のステンレス鋼材は、室温での引張り強さが１２００ＭＰａ以下が好ましい。
【０００７】
以下、上記ステンレス鋼材を構成する各要素の特定理由について説明する。
【０００８】
Ｎｉ：５〜１０質量％
通常、高温下でオーステナイト相を安定させるためには、１０％以上が必要とされるが、本発明材は０．１５〜０．３０％のＮを含むため、１０％未満のＮｉ量で相安定性を確保することができる。但し、ＳＵＳ３１６よりも安価な材料を提供するために、１０％以下が好ましい。そこで、必要最低限の相安定性を得るため、５％以上、低コストを実現するため、１０％未満とした。
【０００９】
Ｎ：０．１５〜０．３０質量％
Ｎはオーステナイト生成元素であることから、Ｎを添加することでオーステナイト相を安定化させることができる。また、Ｎは強度特性にも寄与することから、Ｎを添加することで、Ｎｉの含有量低下による強度特性の向上と相まってステンレス鋼材の強度特性をさらに向上させることができる。相安定化及び強度特性向上のために０．１５％以上の添加が好ましい。なお、過剰添加は鋳造時のブローホール発生の原因となり、また、経済的にも不利であるため、０．３０％以下が好ましい。
【００１０】
Ｓｉ：０．８〜２．０質量％
Ｓｉは脱酸剤であり耐食性向上にも効果がある。Ｎｉの含有量を抑制することで低下する耐食性をＳｉの増量により補償するため、０．８％以上であることが好ましい。なお、Ｓｉはフェライト生成元素であるため、固溶強化して機械的特性向上に寄与するが、過剰の添加はオーステナイト相安定性を低下させ、且つ靭性を低下させるため、２．０％以下が好ましい。
【００１１】
Ｎとの関係では、０．１２５×Ｓｉ（質量％）≦Ｎ（質量％）≦０．１２５×Ｓｉ（質量％）＋０．１５の範囲において、耐食性を向上させることができる。
【００１２】
Ｃ：０．０４〜０．１０質量％
ＣもまたＮ同様にオーステナイト生成元素であり、相安定性を向上させる効果を有するが、実際の鋼線製造工程においては、炭化物を析出しやすく、あまり相安定性には寄与しない。そこで構造材としてある程度の強度が得られる下限として０．０４％とし、靭性を失わない上限として０．１０％と規定した。
【００１３】
Ｍｎ：１．０〜２．０質量％
Ｍｎはオーステナイト生成元素である。Ｓｉと同様に溶解精錬時の脱酸剤として使用される。そのため、脱酸剤に必要な添加量として下限を１．０％とした。なお、Ｍｎの過剰添加は耐酸化性劣化の原因となることから上限を２．０％とした。
【００１４】
Ｃｒ：１７〜２５質量％
Ｃｒはステンレス鋼の耐食性に寄与する重要な元素である。Ｃｒ濃度が高ければ不働態皮膜が強固になり腐食し難くなるため、その効果を得るために下限を１７％とした。しかし、過剰な添加はオーステナイト相の安定性を下げ、機械的特性を低下させるため、上限を２５％とした。
【００１５】
Ｍｏ：０．４〜３．０質量％
Ｍｏは不働態皮膜を補修する機能を有し、耐食性を向上させる元素である。また、強度特性を向上させる元素でもある。従って、Ｎｉの含有量の抑制による耐食性の低下及び強度不足を補償することができるため、その効果を得るために下限を０．４％とした。しかし、過剰な添加は靭性を低下させる要因となることから、上限を３．０％とした。
【００１６】
Ｃｏ：０．２〜１．０質量％
Ｃｏは強度特性を向上させる元素である。その効果を得るために上限を０．２％とした。しかし、過剰な添加はコスト高となることから上限を１．０％とした。
【００１７】
引張り強さ１２００ＭＰａ以下
如何に高温強度、高温耐酸化性に優れた鋼線といえども、メッシュとして編込めないものでは、その高温での特性を活かせない。耐熱メッシュとしての加工性、歩留を考慮すると、１２００ＭＰａ以下が望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、Ｎｉ含有量の抑制による相安定性の低下をＮの添加で補償することができるため、Ｎｉの含有量を抑えて耐熱メッシュが使用される温度域である８００℃、９００℃、９５０℃の高温環境下で求められる耐酸化性と強度特性を満足させながら、低コストの部品の提供が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施例１）
（高温酸化試験）
表１に示す成分のステンレス鋼（発明材）を用い、線径０．１４８ｍｍの軟線に加工した後、高温酸化試験を行った。発明材はオーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３１６をベースにＮｉを減量し、Ｎを添加し、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｃｏ及びその他元素の添加量を最適化したものである。また図１はステンレス鋼のＮ量とＳｉ量との関係を示す図であり、発明材のＮとＳｉとの比率は０．１２５×Ｓｉ％≦Ｎ％≦０．１２５×Ｓｉ％＋０．１５を満たす斜線領域内にある。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
高温酸化試験は密着巻きしたコイル状の試料３０ｇ程度を陶磁器製の坩堝に入れて行った。耐熱メッシュが使用される温度域である８００℃、９００℃、９５０℃の３条件において、試験温度に加熱した後、３０分保持し、その後、２０分放冷させるサイクルを１００回繰り返して行った。試料が１５０℃以下となる時間に２０分、各試験温度での保持時間を３０分、温度昇降に５分程度かかるため、各サイクル約５５分で試験を行った。各試験温度において昇降時間の違いが見られるが、昇降時間の差は５分以内であるため、この違いによる酸化特性の違いは生じることはない。また、試験温度に昇温させたときの過昇温に関しても、±５℃程度であるため、試料に与える影響は少ない。
【００２２】
図２から図４は酸化増量の変化を示す図であり、縦軸は酸化増量、横軸はサイクル数を示している。●で示す発明材１の酸化増量は８００℃で比較材１（ＳＵＳ３１６）の１／２程度、９００℃で１／６程度、９５０℃で１／８程度であり、いずれの試験温度においても比較材１よりも少なく、発明材１の酸化特性が良好であることが分かる。また、発明材１及び比較材１（ＳＵＳ３１６）の横断面を観察した結果、何れも試験温度が高くなるに従い酸化スケールが増加するが、比較材１は鋼線表面の酸化の他に、鋼線内部でも粒界の酸化が発生して内部酸化が進行し、表面が持ち上がるスポーリングが発生していることが確認できた。このことが比較材１の著しい酸化増量の原因となると考えられる。表２は高温酸化試験における９６サイクル後の酸化増量を示している。
【００２３】
【表２】
2009052120.tif 000003
【００２４】
また、試料表面近傍（横断面）のＥＰＭＡ（電子線マイクロアナリシス）面分析をした結果、発明材１は９５０℃においてもＣｒ酸化物の層の存在が確認できた。この層は不働態皮膜として機能することから、高温域でも爆発的な酸化が発生することはないと考えられる。一方、比較材はＣｒの存在自体は確認できたものの、層として存在しないため、不働態皮膜として機能することはない。さらに、比較材は試料表面より３０μｍ程度の深さに拡散速度が小さいＣｒの酸化物が確認できたことから、酸化スケールは３０μｍ以上の厚さを持つことが分かった。このことより比較材は、上部へのＦｅ、Ｎｉの上向き拡散やＯの下向き拡散が促進され、爆発的な酸化が発生したものと考えられる。
【００２５】
図５は試料表面近傍の元素のうち耐酸化特性に影響を及ぼすと思われる元素の分布を示しており、図中符号ａはＣｒ、符号ｂはＳｉ、符号ｃはＮｉの分布を示している。発明材はＣｒの存在部とＮｉの存在部との間にＳｉの薄い層の存在が確認できた（図中（Ａ））。不働態皮膜であるＣｒの下側（金属側）に薄いＳｉ酸化層が存在することになるため、不働態皮膜との密着性が向上し、結果として、Ｏの下向き拡散とＦｅの上向き拡散を抑制し、耐酸化特性が向上するものと考えられる。一方、比較材には発明材のような層構成は確認できず、Ｆｅ酸化物の下にＣｒ、Ｓｉの酸化物が存在し、高温酸化が進行した状態が確認できる（図中（Ｂ））。
【００２６】
（高温強度試験）
高温酸化試験で用いたステンレス鋼（発明材）及びＳＵＳ３１６（比較材）を用い、室温、８００℃、９００℃及び９５０℃で引張り強さを測定した。測定結果を表３に示す。発明材は、８００℃、９００℃、９５０℃のいずれの高温域でも比較材よりも高い強度特性を示すことが確認できる。
【００２７】
【表３】
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【００２８】
（実施例２）
発明材１を基準にＭｏ、Ｃｏの添加量を増減させた表４に示すステンレス鋼（発明材４から１０）を用い、実施例１と同様の条件で高温酸化試験及び高温強度試験を行った。表４において、発明材４〜７はＭｏを可変させたステンレス鋼、発明材８〜１０はＣｏを可変させたステンレス鋼を示している。
【００２９】
【表４】
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【００３０】
表５は高温酸化試験における９６サイクル後の酸化増量を示している。
【００３１】
【表５】
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【００３２】
Ｍｏの含有量が本発明の特定事項である０．４〜３％の範囲において、Ｍｏの含有量が多いほど酸化増量が小さくなることから、高い耐酸化性を示すことが確認できた。なお、Ｃｏの含有量と酸化増量との間に大きな相関は確認できなかった。
【００３３】
【表６】
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【００３４】
Ｍｏ、Ｃｏの含有量が多いほど高い引張り強さを示すことが確認できた。なお、Ｃｏを含有しない発明材８の引張り強さが小さくなることから、Ｍｏは強度特性を向上させるために有効であり、Ｃｏはさらに強度を向上させるために有効な元素であることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ステンレス鋼のＮ量とＳｉ量との関係を示す図
【図２】酸化増量の変化を示す図（８００℃）
【図３】酸化増量の変化を示す図（９００℃）
【図４】酸化増量の変化を示す図（９５０℃）
【図５】試料表面近傍の元素分布（Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｉ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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