耐熱性および加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼 NSSC NCAF の開発
田 井 善 一藤 村 佳 幸
濱 田 尊 仁1)
2)
3)
奥学
今 川 一 成4)を向上させた新鋼種 NSSC NCAF(18Cr1.5AlNbB)を開. 緒言発・実用化した．本稿では開発にかかる基礎検討，開発鋼の諸特性と実用例・特許取得状況について述べる．

近年，燃料電池は CO2 排出抑制を目的として定置型発電システムおよび燃料電池自動車( FCV )などへ広く適用が進
ん で お り ， 中 で も 固 体 酸 化 物 形 ( Solid Oxide Fuel Cell,SOFC )は高い発電効率から家庭用燃料電池として実用化されている．

.

開発

経



材料設計思想緯

耐高温酸化性および耐 Cr 蒸発性のターゲットは SOFC 部

SOFC で発電を担うホットモジュール内部は最高で 800°
C品として採用実績のある NSSC NCA1 クラスとした．基本程度の高温かつ水蒸気を含んだ環境となるため，部品に用い方針は Al 含有量低減による加工性の向上であり，ステンレられる材料には優れた耐高温酸化性に加えて耐 Cr 蒸発性がス鋼の安定化元素である Nb 添加による耐熱性発現を指向し求められる．一般的なステンレス鋼は表面に Cr 主体の酸化た．また，B を添加することで靭性の向上を図った(4)．

皮膜を形成するが， Cr 酸化物は高温環境で一定の蒸気圧を有するため，SOFC セルスタックの酸化物に飛散し，吸着す

開発に係る基礎検討ることでセルの性能を低下させる(1)(2) ．そのため SOFC ホ

従来の Al 含有フェライト系ステンレス鋼よりも Al 含有

ットモジュール部品には高温環境で表面に緻密な Al2O3 皮膜量を低減しつつ耐熱性を担保するため，Nb 添加が耐高温酸を形成することで耐高温酸化性および耐 Cr 蒸発性に優れる化性におよぼす影響について検討した．

NSSC NCA1(18Cr3AlTi)に代表される Al 含有フェライ

Ti あるいは Nb を添加した 18Cr 0.5Si をベースに 1.0 ～ト系ステンレス鋼が採用されている．一方でステンレス鋼へ3.0 mass の範囲で Al を添加した鋼を実験室で真空溶製の Al 添加は加工性および加工部・溶接部の靱性を低下させし，耐高温酸化性におよぼす安定化元素の影響について検討ることが知られている(3)．SOFC ホットモジュール部品の燃した．図に 1100 °C, 24 h 熱処理後の酸化増量に及ぼす Al料改質器に代表される，複雑な加工および溶接で製造される含有量の影響を示す． Ti 添加鋼， Nb 添加鋼とも Al 含有量

用途では従来の Al 含有フェライト系ステンレス鋼では製造が増加すると酸化増量は減少傾向を示した． Ti 添加鋼では時の歩留まり低下を招く懸念があった．

Al 含有量 2.0 mass で酸化増量が顕著に減少したのに対しそこで SOFC 分野への Al 含有フェライト系ステンレス鋼の適用拡大を目指し，耐熱性を担保しつつ加工性および靭性
日鉄ステンレス株式会社 研究センター1 )機能創製研究部主任研究員 2 )薄板・自動車材料研究部主幹研究員 3)試験分析室 4)機能創製研究部長
日本製鉄株式会社 技術開発本部 鉄鋼研究所 材料信頼性研究部主幹研究員
Development of Heatresistant and High Formability Ferritic
Stainless Steel ``NSSC NCAF''; Yoshikazu Tai, Yoshitomo
Fujimura, Takahito Hamada, Manabu Okuand KazunariImakawa(Nippon Steel Stainless Steel Corporation.
Nippon Steel Corporation)
2021年10月20日受理[doi:10.2320/materia.61.47]

ま て り あ 第61巻 第 1 号(2022)
Materia Japan

図11100°C, 24 h 熱処理後の酸化増量に及ぼす Al の影響．

表1

図2

1100°
C, 24 h 熱処理後のサンプルの断面 SEM 観察結果．
(a)18Cr
1.5Al0.5SiNb (b)18Cr1.5Al0.5SiTi

図4

図3

NSSC NCAF および比較鋼の成分代表例(mass)．

800°
C, 100 h 水蒸気酸化試験における Cr 蒸発量．

900°
C, 0 s 熱処理後のサンプルの断面 TEM 観察結果．
(a)18Cr
1.5Al0.5SiNb (b)18Cr1.5Al0.5SiTiて，Nb 添加鋼では Al 含有量1.5 massでも高い耐高温酸化性を示した(5)．
図に 1.5 mass  Al を含有する Nb 添加鋼および Ti 添加
鋼における 1100 °C, 24 h 熱処理後の酸化スケール断面 SEM
観察結果を示す． Nb 添加鋼では Al を主体とする厚さ約 3mm の均一な酸化スケールが形成していたのに対し， Ti 添

図5800°
C水蒸気酸化試験における酸化増量．

加鋼では外層に Fe を主体とする微量の Cr, Ti を含んだ酸化物，内層に Cr を主体とする微量の Fe, Al を含んだ酸化物が形成しており，酸化スケールの厚みは内外層を合わせて約SOFC 内部の高温水蒸気環境を摸擬した水蒸気酸化試験に50 mm であった．すなわち同一 Cr および Si 含有量においよって耐 Cr 蒸発性および耐高温酸化性を評価した．炉内がて， Nb 添加鋼は Ti 添加鋼よりも少ない Al 含有量で Al2O3

外気と遮断された管状炉を用い，水蒸気を50 vol含んだ湿皮膜の安定形成が可能という極めて興味深い知見を得た．

潤空気を炉内に導入しながら 800 °C で 20 ～ 100 h 熱処理を行

この要因として高温酸化初期のスケール形成挙動および鋼った(6)．

中の元素の拡散に着目した．図に 900 °C ，昇温速度 3 °C/

水蒸気酸化試験において炉外に排出された湿潤空気を冷却s ，均熱 0 s 熱処理後の酸化スケール断面 TEM 観察結果をして凝縮水として採取し，誘導結合プラズマ質量分析(ICP示す． Nb 添加鋼は Al を主体とする厚さ約 50 nm の均一なMS )によって Cr 蒸発量を導出した．図に 800°
C, 100 h 水酸化スケールであったが，Ti 添加鋼では Fe, Cr を主体とす蒸気酸化後の Cr 蒸発量を示す．NSSC NCAF の Cr 蒸発量

る厚さ約 70 ～ 120 nm の酸化スケールおよび Al 内部酸化物

は NSSC NCA 1 と 同 程 度 の 0.5 mg / cm2 以 下 で あ り ，の形成が認められた．

SUS445J1 の Cr 蒸発量 24.5 mg / cm2 に対して顕著に低い値

Nb 添加鋼は Ti 添加鋼に比べて鋼中の Cr 拡散が速いた

め，酸化初期に Cr2O3 系の緻密な酸化スケールを形成し，を示した．図に示す水蒸気酸化試験後の酸化増量においても NSSC NCAF は NSSC NCA1 以下であった．

母材表面の O2 分圧が低下することで Al の酸化が促進され

図に水蒸気酸化試験後のサンプル表面 GDS 分析結果をAl2O3 皮膜を形成したと推察される．このことから安定化元示す．NSSC NCAF は NSSC NCA1 と同様，Al を主体と素に Nb を用いることで，耐熱性を担保しつつ Al 含有量をする厚み 1 mm 以下の薄い酸化スケールの形成が認められた．

1.5 massまで低減できることが明らかになった．

以上の結果から NSSC NCA F は SOFC のような高温水蒸気環境で Al2O3 皮膜を形成し， NSSC NCA 1 同等の優れ.

開発鋼の諸特性た耐 Cr 蒸発性および耐高温酸化性を有することが明らかになった．

表に開発鋼 NSSC NCA F および比較鋼として用いた

NSSC NCA F および NSSC NCA 1 の機械的性質を表NSSC NCA 1 および SUS445J1 (22Cr1MoTi, Nb )の代表に示す．NSSC NCAF は NSSC NCA1 と比較して0.2耐成分を示す．

力，引張強さ，硬さとも低く軟質であり，伸びおよび r 値は

新技術・新製品

図 7 円筒深絞り後の外観．
(a)NSSC NCAF (b)NSSC NCA
1 絞り比2.15

図8

図6800°
C, 100 h 水蒸気酸化試験後の GDS プロファイル．
(a)NSSC NCAF (b)NSSC NCA1.

TIG 溶接部のシャルピー衝撃試験結果．

実用例・将来性開発鋼である NSSC NCA F は 2020 年から営業生産を開表2NSSC NCAF の機械的性質．

始している．従来の Al 含有フェライト系ステンレス鋼相当の耐熱性を担保しつつ，優れた加工性および靭性を有するため燃料改質器をはじめとした SOFC ホットモジュール部品に使用されている．

.
高い．図は絞り比2.15における円筒深絞り試験後の表面外観写真であり， NSSC NCA F は NSSC NCA 1 にはない良特許

本開発に関わる特許は国内外に 25 件出願しており，基本特許の特許第5780716号をはじめ 7 件登録されている．

好な深絞り性を有する．図に TIG 溶接部のシャルピー衝撃試験結果を示す．なお JIS Z 2202準拠 V ノッチ試験片の文

献ノッチ先端が溶接中央部かつ試験の衝撃方向が溶接方向と平行となるようにした．NSSC NCA1 の衝撃値18 J/cm2 に対し NSSC NCAF は 48 J/cm2 であり，従来の Al 含有フェラ
イト系ステンレス鋼にはない極めて高い靭性を示すことが明らかになった．
以上から，開発鋼 NSSC NCAF(18Cr1.5AlNbB)は，
NSSC NCA 1 (18Cr 3Al Ti)と同等の耐高温酸化性・耐 Cr蒸発性と優れた加工性・靭性の両立を達成した．

ま て り あ 第61巻 第 1 号(2022)
Materia Japan( 1 ) 堀田照久，山地克彦，岸本治夫，下之薗太郎，M. E. Brito，横川晴美水素エネルギーシステム，37(2012), 107114.
( 2 ) 酒井夏子，山地克彦，堀田照久， M. E. Brito ，横川晴美まてりあ，44(2005), 207210.
( 3 ) 井上宜治，天藤雅之，田上利男，高橋尚久まてりあ， 45(2006), 147149.
( 4 ) 札軒富美夫，住友秀彦鉄と鋼，84(1998), 804810.
( 5 ) 田井善一他日本製鉄技報，416(2020), 7075.
( 6 ) 藤村佳幸他日新製鋼技報，97(2016), 25
32.

