(57)【要約】【課題】  薄肉化が可能な圧延加工ができ、かつ、さらに良好な耐硫酸腐食性を具備した排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼およびその製造方法を提供する。【解決手段】  質量％でＣ：０．２５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１２〜２０％、Ｎｉ：８〜１４％、Ｍｏ：０．１〜４％、Ｗ：２％以下（０を含む）で、かつ（Ｍｏ＋０．５Ｗ）：０．１〜４％、Ｃｕ：０．５〜３％、Ｎｂ：０．０３〜１．５％、残部は実質的にＦｅでなり、粒子状のＮｂ炭化物が分散した金属組織を有する排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼であり、また、好ましくは質量％濃度５〜９６％の硫酸に６０℃で５時間浸漬した後の腐食減量が１００ｇ／（ｍ２・ｈ）以下である排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％でＣ：０．２５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１２〜２０％、Ｎｉ：８〜１４％、Ｍｏ：０．１〜４％、Ｗ：２％以下（０を含む）で、かつ（Ｍｏ＋０．５Ｗ）：０．１〜４％、Ｃｕ：０．５〜３％、Ｎｂ：０．０３〜１．５％、残部はＦｅ及び不可避的不純物でなり、粒子状のＮｂ炭化物が分散した金属組織を有することを特徴とする排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２】
質量％濃度２０〜９６％の硫酸に６０℃で５時間浸漬した後の腐食減量が１００ｇ／（ｍ２・ｈ）以下であることを特徴とする請求項１に記載の排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３】
質量％でＣ：０．２５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１２〜２０％、Ｎｉ：８〜１４％、Ｍｏ：０．１〜４％、Ｗ：２％以下（０を含む）で、かつ（Ｍｏ＋０．５Ｗ）：０．１〜４％、Ｃｕ：０．５〜３％、Ｎｂ：０．０３〜１．５％、残部はＦｅ及び不可避的不純物でなる圧延用素材を熱間圧延と冷間圧延とを少なくとも１回以上行い、厚さ２ｍｍ以下の帯材とする工程を含むことを特徴とする排ガス再循環系部品用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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のエンジンの排気側から分岐して吸気側の間に配置される排気ガス再循環系部品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関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車用ディーゼルエンジンにおいて、近年厳しくなってきた排気ガス規制をクリアするために、排気ガスの一部を吸気側に還流させる、排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、通称「ＥＧＲ」と呼ばれる）の系統を設置して、燃焼温度を低く抑えてＮＯｘの生成を抑制する方法が採られてきている。
この排気ガス再循環系には、排気ガス流路用パイプ類、チャンバー類、ＥＧＲバルブ部品、冷却器（ＥＧＲクーラー）部品、種々センサー部品などの多くの用途に金属材料が使用されている。ＥＧＲ経路においては、特にＥＧＲクーラーを通過した再循環ガスが冷却されることによって、再循環ガス中の水分が凝縮して凝縮水となる。この凝縮水には、燃料中に含まれる硫黄分が濃縮されて主に硫酸水の環境となる。
このような硫酸環境の凝縮水が部分的に滞留すると、その部分で金属材料の腐食が促進されて、最終的にはパイプ等のガス流路の金属材料に腐食による貫通孔が開き、再循環ガスが漏洩したり、薄肉の金属材料を用いた部品においては、腐食による部品の折損、脱落が起こったりする恐れがある。
従来、排気ガス再循環系においては、耐硫酸腐食性を得るために、ステンレス鋼の部品が使用されてきており、ＥＧＲバルブ部品には耐硫酸腐食性の優れたオーステナイト系ステンレス鋳鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この提案はオーステナイト系ステンレス鋳鋼の組成を最適化することによって広範囲の硫酸濃度の硫酸水中で優れた耐硫酸腐食性を示すという点で優れたものである。
【特許文献１】特開２００３−１９３２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した特許文献１に開示されるステンレス鋳鋼からなる部品は、ＳＣＳ１３、ＳＣＳ１６のようなＪＩＳに規定される一般のステンレス鋳鋼に比べると良好な耐硫酸腐食性を有するものの、さらに厳しい排ガス規制によってＥＧＲ流路を通過する再循環ガス流量の増加すると、さらに良好な耐硫酸腐食性が要求されることになる。また、鋳鋼では製造不可能な薄肉部品への使用も考えると必ずしも十分とは言えない。
本発明の目的は、薄肉化が可能な圧延加工ができ、かつ、さらに良好な耐硫酸腐食性を具備した排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者は、硫酸腐食環境が厳しい排ガス再循環系部品の材質として、圧延可能なオーステナイト系ステンレス鋼に着目し、その合金系と合金元素量を最適化することによって低濃度から高濃度までの広範囲の硫酸水に対して優れた耐食性が得られることを見いだし本発明に到達した。
すなわち本発明は、質量％でＣ：０．２５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１２〜２０％、Ｎｉ：８〜１４％、Ｍｏ：０．１〜４％、Ｗ：２％以下（０を含む）で、かつ（Ｍｏ＋０．５Ｗ）：０．１〜４％、Ｃｕ：０．５〜３％、Ｎｂ：０．０３〜１．５％、残部は実質的にＦｅでなり、粒子状のＮｂ炭化物が分散した金属組織を有する排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼である。
好ましくは質量％濃度２０〜９６％の硫酸に６０℃で５時間浸漬した後の腐食減量が１００ｇ／（ｍ２・ｈ）以下である排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼である。
また本発明は、質量％でＣ：０．２５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１２〜２０％、Ｎｉ：８〜１４％、Ｍｏ：０．１〜４％、Ｗ：２％以下（０を含む）で、かつ（Ｍｏ＋０．５Ｗ）：０．１〜４％、Ｃｕ：０．５〜３％、Ｎｂ：０．０３〜１．５％、残部は実質的にＦｅでなる圧延用素材を熱間圧延と冷間圧延とを少なくとも１回以上行い、厚さ２ｍｍ以下の帯材とする工程を含む排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼は耐酸化性だけでなく、耐硫酸腐食性が優れているため、排ガス再循環系の部品の寿命を大幅に改善する効果を得ることができ、これを用いてなる排ガス再循環系部品は薄肉化による軽量化と長寿命化の効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
上述したように本発明の重要な特徴は耐酸化性および良好な耐硫酸腐食性を併せもった最適組成にある。
以下に各元素の作用について説明する。なお、各元素の含有量は質量％として記す。
ＣはＣｒ等と結びついて炭化物を形成し、結晶粒粗大化を防止する作用があり、少量添加が必要である。しかし、過度の添加は多量の炭化物形成による冷間加工性の低下およびマトリックス中のＣｒの欠乏を招き耐硫酸腐食性を低下させるため０．２５％以下に限定する。好ましいＣの上限は０．１５％であり、更に好ましくは０．０８％である。
【０００７】
Ｓｉは溶湯に対して強力な脱酸作用を発揮するほか、鋳造性を向上させる作用がある。また、Ｓｉは硫酸水に対して大きく耐食性を向上させる作用を有する。またＳｉＯ２は酸化被膜と母材の中間に形成され、酸化被膜の剥離を阻止する。これらの理由でＳｉを添加するが、過度の添加は耐酸化性の低下を招くためＳｉは２．０％以下とした。好ましいＳｉ含有量の下限は０．１％である。また、好ましいＳｉの上限は１．５％である。
ＭｎはＳｉと同じく脱酸作用を発揮するほか、鋳造性を向上させる作用があるが、過度の添加は耐酸化性の低下を招くためＭｎは２．０％以下とした。好ましいＭｎ含有量の下限は０．１％である。また、好ましいＭｎの上限は１．５％である。
【０００８】
Ｃｒはマトリックス中に存在することにより高温において材料表面にＣｒ２Ｏ３被膜を形成し耐酸化性を向上させるだけでなく、表面に不動態皮膜を形成させることによって硫酸水等の酸に対する耐食性を向上させるために非常に有効な元素である。硫酸に対する耐食性および高温での耐酸化性を付与させるためには、下限を１２％以上とすることが必要である。しかし、過度の添加はマトリックスをオーステナイト単相組織ではなく、オーステナイトとフェライトの２相組織に変化させて熱間加工性を低下させる。従って、Ｃｒの含有量を１２〜２０％とした。好ましくは１６〜２０％である。
Ｎｉは硫酸水中での耐食性を向上させるのに有効な元素であるだけでなく、マトリックスをオーステナイト単相組織にして熱間加工性を向上させるのに必要な元素である。Ｎｉは８％より少ないとオーステナイト組織を安定に維持できず、良好な耐硫酸腐食性も得られず、一方１４％を超えて添加すると特性向上の割りに高価になるので、Ｎｉは８〜１４％とした。好ましくは８．５〜１１％である。
【０００９】
ＭｏはＣｒの不動態化皮膜を安定化させて耐硫酸腐食性を向上させる効果がある。Ｗも同様の効果があるが、単独添加では効果が低く、Ｗを添加する場合はＭｏとともに添加する。Ｍｏは０．１％より少ないと効果がなく、一方４％より多く添加するとフェライト相を生成しやすくなるため、オーステナイト単相のマトリックス組織を維持できなくなり熱間加工性が低下するため、Ｍｏは０．１〜４％とした。好ましくは、０．１〜１．５％である。
ＷはＭｏと共に添加する場合はＭｏ当量で同量（原子濃度で同量）添加、すなわち質量％でＷ量の１／２添加するが、無添加でもよいことから、Ｗは２％以下とした。
Ｍｏ＋０．５ＷはＭｏ、Ｗをともに添加する場合のＭｏ当量を表しており、Ｍｏ当量がＭｏ単独添加の場合の範囲であればよいことから、０．１〜４％とした。好ましくは、０．１〜１．５％である。
【００１０】
Ｃｕは耐硫酸腐食性を大幅に向上させる有効な元素であり、かつオーステナイト相を安定化して熱間加工性を改善する効果を有する。Ｃｕは０．５％より少ないと十分な耐硫酸腐食性が得られず、一方３％を超えて添加すると熱間加工時に表面にＣｕが濃化して熱間加工性を低下させる恐れがあることから、Ｃｕは０．５〜３％とした。好ましくは、１％〜３％である。
ＮｂはＣと結びついて炭化物を形成し、オーステナイト相のマトリックス中の固溶Ｃを低下させて耐食性を向上させるだけでなく、Ｎｂ炭化物がオーステナイト結晶粒界をピン止めすることで結晶粒を微細化して熱間および冷間加工性を向上させる効果を有する。Ｎｂは０．０３％より少ないと効果が十分でなく、一方、１．５％を越えて添加するとＮｂ炭化物が粗大化して逆に熱間加工性を低下させることから、Ｎｂは０．０３〜１．５％とした。好ましくは、０．０３〜１．０％である。
【００１１】
なお、本発明では以下の元素は下記の範囲内で本発明鋼に含まれても良い。
Ａｌ≦０．１％、Ｐ≦０．０４％、Ｖ≦０．５％、Ｔａ≦０．５％、Ｃａ≦０．０２％、Ｃｏ≦２％、Ｂ≦０．０１％、Ｎ≦０．０５％
【００１２】
次に本発明鋼の組織について説明する。
本発明の排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼の組織はオーステナイト相からなるマトリックス中に粒子状のＮｂ炭化物が分散したものである。オーステナイト相はＮｉを多く含むことから耐硫酸腐食性に対して好ましい組織である。
また、Ｎｂ炭化物は、鋳造後に行う例えば熱間鍛造等の熱間塑性加工により、粒子状に分断されたものが分散することによって、熱間圧延と冷間圧延の工程中にオーステナイト結晶粒界をピン止めして結晶粒の微細化に有効に作用する。
粒子状に分散していないとオーステナイト結晶粒のピン止め効果が不均一となり、結晶粒微細化が均一に起こらないため、熱間加工性、冷間加工性が低下するだけでなく、均一な耐硫酸腐食性も得られにくくなるので、Ｎｂ炭化物は粒子状に分散する必要がある。
この場合、Ｎｂ炭化物粒子の最大サイズは０．１μｍ〜１５μｍの範囲内であれば良い。過度にＮｂ炭化物粒子が粗大化すると、冷間圧延工程にて割れ等の問題が生じる場合がある。また、過度にＮｂ炭化物粒子が微細であると上記のピン止め効果が得にくくなる。
なお、典型的な粒子状のＮｂ炭化物の存在形態を示すと、例えば図１および図２に示すように固溶化処理を行った再結晶組織中に単独で存在するものや、複数個のＮｂ炭化物粒子が連なっているものがある。何れの顕微鏡写真も粒子状のＮｂ炭化物が分散した金属組織である。
【００１３】
以上、説明する本発明の組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼は、硫酸腐食環境が厳しい排ガス再循環系部品を模試する環境である、質量％濃度２０〜９６％の硫酸に６０℃で５時間浸漬した後の腐食減量が１００ｇ／（ｍ２・ｈ）以下とすることができる。
以上、説明する本発明の組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼は、耐硫酸腐食性が良好であるため、より薄肉化して使用することが可能である。薄肉化する手段として、熱間圧延と冷間圧延を少なくとも行うことが好ましい。熱間圧延または冷間圧延の圧延素材は鋳造した鋼塊でもよいし、鋳造した鋼塊を鍛造した鋼片でもよい。圧延によって鋳鋼では製造しづらい２ｍｍ以下の厚さに仕上げることが容易に可能である。
【実施例】
【００１４】
以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
真空溶解により、表１に示す組成のオーステナイト系ステンレス鋼の１０ｋｇインゴットを溶製した。表１中の合金Ｎｏ．１〜４は本発明合金、合金Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２は比較に用いた従来オーステナイト系ステンレス鋼である。
そして、上記のインゴットを鍛造および熱間圧延によって厚さ２０ｍｍの板材に加工した後、１０５０℃×３０分保持後、水冷の溶体化処理を施した。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
本発明合金Ｎｏ．１〜４、比較合金Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２の厚さ２０ｍｍの板材より直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの円柱状試験片を採取し、６０℃の質量％濃度２０％、４０％、６０％、８０％、９６％の硫酸中に５時間浸漬した後の腐食減量を測定し、耐硫酸腐食性を評価した。
また、本発明合金Ｎｏ．１〜４、比較合金Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２の板材より直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの円柱状試験片を採取し、９００℃の大気中で１００時間加熱した後の酸化増量を測定し、耐酸化性を評価した。
これらの評価結果を表２に示すが、本発明合金Ｎｏ．１〜４は何れも比較合金Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２に比べて、硫酸水中での腐食減量が大幅に少なく、かつ高温大気中での酸化増量が少ない。したがって、本発明合金は、良好な耐硫酸腐食性と耐酸化性を兼備していることがわかる。
【００１７】
【表２】
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【００１８】
さらに排気ガス再循環系の薄肉部品に適用できるかを確認するため、冷間加工を行い、厚さ０．５ｍｍに圧延加工を行った。その結果、割れ等の問題もなく冷間加工が行えた。
この結果から、本発明の排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼は、薄肉化が可能な熱間圧延および冷間圧延による圧延加工ができ、かつ、さらに良好な耐硫酸腐食性を具備するものであることが確認された。
【００１９】
また、本発明の排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼Ｎｏ．１の熱間圧延後、溶体化処理したものの断面顕微鏡写真を図１に示し、冷間圧延後、溶体化処理したものの断面顕微鏡写真を図２に示す。
図１および図２から、本発明の再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼は、マトリックスは再結晶したオーステナイト単相組織からなり、最大サイズが１５μｍ以下の粒子状のＮｂ炭化物が分散した金属組織を有することがわかる。このような組織を得ることによって安定した耐硫酸腐食性を得ることができる。
なお、熱間圧延後の金属組織および冷間圧延後の金属組織も観察したが、その金属組織は、圧延組織中に粒子状のＮｂ炭化物が分散した金属組織であり、Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４の本発明鋼の金属組織も同様であった。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明合金は、広範囲の濃度の硫酸水環境での耐腐食性に優れ、かつ高温大気中での耐酸化性が良好であることから、これらの特性を兼備することが要求される排ガス再循環系部品に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼の熱間圧延後、溶体化処理した時の一例を示す断面光学顕微鏡写真である。
【図２】本発明の排ガス再循環系部品用オーステナイト系ステンレス鋼の冷間圧延後、溶体化処理した時の一例を示す断面光学顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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