動的析出強化を活用した自動車排気部品用耐熱フェライト系ステンレス鋼(NSSC429NF，NSSC448EM)の開発裏話
濱田純

一

ニーズに応えるために素材メニューの拡充が必要になってき.

開 発 の 背 景ました．

.

自動車のエンジンから発生する高温の排気ガスは，エキゾーストマニホールドで集められた後に各種の浄化装置や熱回収装置等を通りマフラーから車外に排出されます．排気ガス



開発の着眼点熱疲労の経路となる排気部品に使用される材料には，耐熱性，耐食

過酷な高温環境に繰り返し曝されるエキゾーストマニホー性，加工性および溶接性等の多様な特性が要求され，各部品ルドやコンバーターにおいて最重要な耐久性能は，熱疲労で環境に応じて多種のステンレス鋼が適用されています．近年，

す．熱疲労とは，温度変化を受ける材料が自由膨張・収縮をCO2 削減，熱効率や燃費の改善が進められていますが，ス妨げられるために繰り返し応力あるいは歪が発生し，ついにテンレス鋼も排気部品の素材として貢献しています．図には亀裂を生じて破損する現象です．自動車メーカーや部品メ示すエンジン直下のエキゾーストマニホールドやその後に配ーカーでは車の開発段階において，冷熱耐久試験によって部置されるコンバーターは，高温の排気ガスに曝され，かつエ品の信頼性や素材の評価が行われます．冷熱耐久試験は実際ンジンの起動・停止や走行中の出力変動に伴い加熱と冷却をのエンジンを長時間作動させる加速試験であり，所定のサイ受けます．材料は高温環境に繰り返し曝されるため，国内でクル(寿命)を満足するか否かがポイントとなります．この試は耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼が主に使用され験は多くの時間と費用が掛かるため，開発負荷を減らすためています．この代表鋼は Nb により高温強化する SUS429系にも素材メーカーとしては車のエンジン環境に適合し，かつ(14CrNb)であり，より高耐熱性が必要な場合には Mo をオーバースペックにならない材料を提案する必要がありま

多量に添加した SUS444 系( 18 Cr 2 Mo Nb )が適用されす．素材メーカーで開発段階のエンジンを使った耐久試験をます． Nb や Mo は耐熱性や耐食性を向上させる極めて有益行うことは困難ですが，冷熱耐久試験環境に出来るだけ近いな元素ですが，レアメタルとして挙げられ価格変動性が大き熱環境での素材の熱疲労評価が重要となります．当社ではい元素です．よって，上記元素を代替可能な新たなベースメ

株 と旧住友金属工業
株 のステンレス
2003 年に旧新日本製鐵

タルの抽出あるいは省合金化は，元素戦略上極めて重要で事業が統合した際，パイプを用いた高精度な熱疲労試験技術す．また，排気ガスの高温化対策や薄肉・軽量化等の多様なを確立しました．実際の排気部品に使用される材料あるいは実験室で溶解・製造した材料の熱疲労試験を通じて，寿命に及ぼす合金元素の影響を把握しながら成分設計を行います．
一方，熱・歪サイクルを同時に受ける熱疲労過程において材料内部は複雑に変化することが予想されます．この変化を冶金的に捉えて熱疲労損傷や寿命の支配因子を明確化すれば材料設計に反映出来るのではと考え，寿命に一喜一憂するだけでなく熱疲労過程における動的な組織変化を注意深く観察することにしました．


図1

開発鋼の主な適用対象となる自動車排気部品．

高温変形過程の動的組織変化

長寿命化のヒントを得るために種々の材料の熱疲労および新日鐵住金ステンレス株式会社上席研究員(〒7438550 光市島田3434)
Development of Heatresistant Ferritic Stainless Steels ``NSSC429NF'' and ``NSSC448EM'' Utilized Dynamic Precipitation Hardening
for Automotive Exhaust Systems; Junichi Hamada(Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corporation, Hikari)
Keywords: ferritic stainless steel, heat resistance, thermal fatigue, automotive exhaust system, precipitation hardening, copper(まてりあ第56巻 1 号3335頁「新技術・新製品」掲載)
2018年 2 月13日受理[doi:10.2320/materia.57.176]



新技術・新製品裏話

高温変形過程の動的組織変化を研究する中で，母相組織の変ある寿命向上と優れた総合性能を示しつつ，SUS444系より化(1)とともに析出物の形態変化(2)に気づきました．耐熱フェも大幅に Mo を削減することに成功しました．また，両鋼とライト系ステンレス鋼の高温強化には固溶強化と析出強化がも Cr 量等が適正化されているため優れた耐酸化性を示すと提唱されていますが，析出強化は積極的に活用されていませともに，薄板一貫製造工程における金属組織(析出物，集合んでした．この理由は，高温で長時間曝される場合に析出物組織)制御を適正に行っているため成形性にも優れていまの成長・粗大化が生じて強化能が無くなると考えられるためす．これにより，部品のコンパクト化や複雑形状化にも対応です．本開発で活用した Cu の場合， Cu 粒子が析出する温可能な素材になっています． NSSC429NF は SUS429 系に度での高温強度は高くなりますが，長時間時効により Cu 粒対 す る 省 Nb 化 ， NSSC448EM は SUS444 系 に 対 す る 省

子は棒状にオストワルド成長して強度低下が生じます．しかMo 化および SUS429系に対する薄肉・軽量化のメリットがしながら，熱疲労過程の Cu 粒子を詳細に観察した結果，通得られることから，国内外の自動車に搭載が進んでいます．

常の静的時効熱処理の場合と異なり，球状に微細析出して転今後も地球環境に優しいステンレス鋼として各種ニーズに貢位との相互作用が生じている事がわかりました．また，析出献し続けると考えます．

強化能の理論計算から，熱疲労過程では動的析出強化が主体的に発現し得ると推定しました．次に何故熱疲労過程で Cu.

開発を振り返って粒子が球状微細化するのかという疑問が生じ，析出物の成長・粗大化や転位との相互作用に関する基礎研究を大学にも本開発によって自動車用耐熱フェライト系ステンレス鋼のご協力頂きました(2)(5) ．この中で高温変形過程の Cu 粒子メニューが増え，多くのメリットを生み出すことが出来まし

形態の変化を電子顕微鏡内でその場観察した結果， Cu 粒子た．排気部品用素材の選択肢が増えたことで様々な熱環境には分断・固溶・再析出を繰り返して球状微細形態となるモデ応じた適材選定およびソリューション提案が更に重要になっルを構築しました(2)．長い間耐熱フェライト系ステンレス鋼てくると考えられます．著者はステンレス鋼の研究に従事すは Nb や Mo の固溶強化で設計されてきましたが，上記の基る中で，「何故その様な組織になったのかを金属の気持ちに礎研究をベースに Cu の動的析出強化を積極的に活用し，必なって金属と会話しながら考えることが大切です．」という須元素とされてきたレアメタルを大幅に削減した 2 鋼種を京都大学・牧正志名誉教授のお言葉(8)を大切にしています．

成分設計しました．

本開発の着眼点となった高温変形過程の動的組織変化の追及
は，何故壊れたかどの程度のダメージを受けたか過酷な.

開発鋼の特徴(6)(7)

熱疲労環境を耐える組織・合金制御は何かをステンレス鋼の気持ちになって考えてみようとした事が発端でした．温度図に Cu を主体的に活用した 2 つの開発鋼の位置づけをや歪が時間変化する複雑な熱疲労環境におけるステンレス鋼示します． NSSC429NF は， SUS429 系が使用される温度の気持ちを十分理解出来ているとは言えませんが，継続的に環境下で同等以上の耐熱性を有します．NSSC 448EM は，組織と向き合うことが次の新材料開発やソリューション提案

SUS429 系と SUS444 系の中間的な耐熱性を有するとともに繋がると確信しています．に，使用が想定される高温域でも SUS429系に対して30以最後に本鋼の開発，実用化および拡販に際して，社内外の上の寿命向上を示します．従来は耐熱性向上のために 1 ～多くの方々にご尽力ならびにご協力頂きました．この場を借2の Mo 添加が常識的でしたが，熱疲労過程の母相組織のりて深くお礼申し上げます.

変化を追求する中で 0.3 程度の微量 Mo でも広範囲な温度環境で安定的に寿命向上する寄与することを知見しました．

文献

これは微量の固溶 Mo が母相の回復・再結晶を遅延させる効果を通じて長寿命化に寄与していると推定され(1)，有意性が

図2

Cu を活用した 2 つの開発鋼の位置づけ．

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan( 1 ) 濱田純一，森弘尚希，梶村治彦日本金属学会誌，81(2017),
527535.
( 2 ) 神野憲博，濱田純一，金子賢治鉄と鋼， 103( 2017 ) , 539 548.
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( 4 ) S. Kobayashi, T. Takeda, T. Oe, J. Hamada, N. Kanno, Y.
Inoue, K. Nakai and T. Sakamoto: ISIJ Int., 54(2014), 1697
1704.
( 5 ) 小林周平，金子賢治，山田和広，菊池正夫，神野憲博，濱田純一鉄と鋼，101(2015), 315318.
( 6 ) 濱田純一，林篤剛，神野憲博，小森唯志，伊藤宏治，福田望，井上宜治まてりあ，56(2017), 3335.
( 7 ) J. Hamada, N. Kanno, A. Hayashi, N. Hiraide, M. Abe, K.
Nishimura, C. Takushima, A. Yakawa and F. Fudanoki: Proc.
of 9th European Stainless Steel Conference, AIM, Milano,(2017), CDROM.
( 8 ) 牧 正志新日鉄技報，391(2011), 1114.

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