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
濱 田 純 一林1)
伊 藤 宏 治福田5)

篤 剛神 野 憲 博小 森 唯 志2)3)4)望
井 上 宜 治5)

. は じ め に自動車のエンジンから放出された高温の排ガスは，ステンレス鋼製の各種排気部品を通り車外に排出される．この間，排ガスの浄化，再循環および熱回収等が行われる．エンジン直下に設置され，排ガスを集めるエキゾーストマニホールドには鋳物が使用されていたが，軽量化による燃費向上，低熱容量化による触媒暖気性および排ガス浄化性能の向上等の観図1

開発鋼の主な適用対象となる自動車排気部品．

点から， 1980 年代以降ステンレス鋼板または鋼管の適用が急速に進んだ(1)．図に示すエキゾーストマニホールドやその後に配置されるコンバーターは高温の燃焼ガスに曝される産国が偏在するとともに価格変動性が大きい元素である．よため，材料に要求される特性は高温強度，高温疲労(熱疲って，上記元素を代替可能な新たな耐熱元素の抽出あるいは労，高サイクル疲労)，耐酸化性，加工性および溶接性と多省合金化は，元素戦略上極めて重要となる．加えて，市場で岐に渡るが，エンジンの起動・停止や走行中の出力変動に伴は低コスト化，排ガス温度の高温化や薄肉・軽量化に対応可

う加熱と冷却の繰り返しで生じる熱疲労が最も重要となる．

能な素材のニーズが高まってきている．

フェライト系ステンレス鋼は，オーステナイト系ステンレス

著者らは，エキゾーストマニホールドの耐久性能で最も重鋼に比べて熱膨張係数が小さいため熱疲労特性に優れている

要な熱疲労における動的組織変化を追求する中で，析出粒子とともに，コストパフォーマンスの観点からも広く採用されの形態変化に着眼し，動的な高温析出強化を主体的に活用可ている．現在，主に使用されている汎用耐熱鋼は Nb により能であることを見出した(2)(3)．その結果，ベースメタルであ強化する SUS429系(14CrNb)であり，より高耐熱性が必る Cu をフェライト系ステンレス鋼に積極的に添加すること要な場合には Mo を加えた SUS444系( 18  Cr 2 Mo Nb )で，耐熱用途の材料に対して必須元素とされてきた Nb をフが適用されている．

リーとした Cu 添加鋼「NSSC429NF」を開発した．また，一方，Nb や Mo はレアメタルとして挙げられており，生この技術を発展させて，SUS444系に対して Mo を大幅に削減した Nb Cu 微量 Mo 複合添加鋼「 NSSC448EM 」を開新日鐵住金ステンレス株式会社
研究センター薄板・自動車材料研究部 1 )上席研究員 2 )主任研究員 3 )マネジャー 4 )光製造所生産管理部部長代理
5)商品開発部部長代理
新日鐵住金株式会社八幡技術研究部上席主幹研究員
Development of Heatresistant Ferritic Stainless Steels``NSSC429NF'' and ``NSSC448EM'' Utilized Dynamic
Precipitation Hardening for Automotive Exhaust Systems;Junichi Hamada, Atsutaka Hayashi, Norihiro Kanno, Tadashi
Komori, Koji Ito, Nozomu Fukuda and Yoshiharu Inoue(Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corporation.
Nippon Steel and Sumitomo Metal Corporation)
2016年10月31日受理[doi:10.2320/materia.56.33]

ま て り あ 第56巻 第 1 号(2017)
Materia Japan

発および商品化した．本稿では技術基盤となる研究，開発鋼の諸特性と実用例について述べる．

.

開発の考え方

熱疲労過程の Cu 粒子形態

既存の耐熱鋼における主な強化機構は Nb や Mo の固溶強化であり(4) ，析出強化は補助的な強化と位置付けられていた．その理由は，析出物を微細分散させた組織であっても長時間高温に曝されると析出物が粗大化して密度が減少し，そ図3
図2

熱疲労寿命に及ぼす Cu および微量 Mo 添加の効果．

熱疲労過程と時効熱処理後の Cu 粒子．の強化量は大きく低減すると予想されるためである．しかしながら，自動車排気部品の様に繰り返し熱・歪サイクルを受ける際の組織形成は，静的な時効熱処理の場合とは大きく異なっていた．自動車排気部品の耐久性能を高精度に評価可能なパイプを用いた熱疲労試験(5)を 14 Cr1.2 Cu 添加鋼に対して実施し，時効熱処理の場合と Cu 粒子形態を比較した
結果を図に示す(3)．熱疲労過程の Cu 粒子は，時効熱処理の場合よりも球状微細分散し， Cu 粒子に転位が絡んでいる様子が観察される．超高圧電子顕微鏡内での高温引張その場

図4

既存鋼に対する開発鋼の位置づけ．

表1

開発鋼と既存鋼の成分例(mass)．

観察の結果(3) と併せて，高温で歪を受ける環境下におけるCu 粒子は，通常想定される棒状粒子のオストワルド成長では無く， Dislocation shearing による分断・固溶・再析出を繰り返し，微細形態を維持することが分かった．また，この様な Cu 粒子の析出形態は強化量が高く，静的熱処理後の約4 倍の強化量が見積られ，動的析出強化の有効性を定量的に示した(3)．


熱疲労寿命に及ぼす Cu 添加および微量 Mo 添加の効
果鋼

Cr

Nb

Mo

Cu

Ti

NSSC429NF

14.1

―

―

1.20.18

NSSC448EM

17.1

0.54

0.3

1.20.11

SUS429系

13.30.43―――

SUS444系

17.20.47

1.8―0.11

従来， SUS429 系で高温耐久性能が未達な場合，約 2 のMo が添加された SUS444系が使用されてきた．しかしながに，いずれも溶接部の粒界腐食を防ぐために極低 C, N としら排ガス温度が徐々に高温化する中，コストアップが大きいて，安定化元素として Ti を添加した．化学成分例を表にため， Cu 粒子の動的析出を活用した Nb Cu 複合添加なら示す．

びに Mo 削減を検討した． 18 Cr0.5 Nb0.1 Ti 添加鋼の熱疲労寿命に及ぼす1.2Cu 添加および微量 Mo 添加の効

.

開発鋼の特性果を図に示す(6)．ここでは， Cu および Mo 無添加鋼の寿命に対する比で示している．これより Cu 添加により熱疲労図に開発鋼と既存鋼の熱疲労寿命の比較を示す(6)(7) ．

寿命が向上し，排ガス高温化や軽量化に向けた適用が期待出

NSSC429NF の熱疲労寿命は， SUS429 系と同等であり，来る．更に，従来検討されていない 0.3程度の微量 Mo を目標を満足する． NSSC448EM の熱疲労寿命は， SUS429添加することで，より大きな寿命向上が認められた．


目標と成分設計系と SUS444系の中間に位置づけられるとともに，いずれの温度条件でも SUS429系に対して30以上の寿命向上を達成している．

図に二つの開発鋼の位置づけを示す．NSSC429NF は，

図に開発鋼を大気中 950 °C で 200 時間の連続酸化試験を

SUS429系が使用される温度環境下で同等以上の耐熱性を有行った後の外観を示す(6)(7)．両鋼とも Cr 量等が適正化されす る こ と を 目 標 と し た ． NSSC448EM は ， SUS429 系 とているため，異常酸化やスケール剥離は生じない．

SUS444系の中間的な耐熱性を有するとともに，使用が想定

表に開発鋼と既存鋼の常温材質を示す(6)(7)．開発鋼は，される高温域でも SUS429系に対して30以上の寿命向上を

SUS429系よりも硬質・低延性傾向であるが，深絞り性の指目標とした．いずれも加工性と製造性を考慮して Cu 添加量標である r 値を高めて成形性を向上させている．これは，製は 1.2 とし，図 3 の結果から NSSC448EM は 0.5  Nb ，鋼・熱延・冷延・焼鈍の薄板一貫製造工程における金属組織0.3  Mo 添加とした．また， Cr 量は耐酸化性を考慮して，(析出物，集合組織)制御を高効率かつ適正に行うことで得ら

NSSC429NF で 14  ， NSSC448EM で 17  と し た ． 更れている(6)．近年，ダウンサイジングに伴う部品コンパクト

新技術・新製品

図5

開発鋼と既存鋼の熱疲労寿命の比較．

図8

開発鋼が使用されたエキゾーストマニホールド．

果を示す(7) ． Nb フリーとした NSSC429NF は Nb 添加鋼に比べて凝固割れ感受性が低く，溶接性に優れている．

.

実用例・将来性開発鋼が適用されたエキゾーストマニホールドの実用例を図に示す． 2008 年から製造が実施されており，その生産
図6

量 は 累 計 約 11,000 ton に 至 っ て い る ． NSSC429NF は開発鋼の酸化試験後の外観．

SUS429 系 に 対 す る 省 Nb 化 ， NSSC448EM は SUS444 系

表2

開発鋼と既存鋼の機械的性質(2 mm 厚)．
0.2耐力 引張強度 全伸び 平均 限界 穴拡げ率MPaMPar 値 絞り比

鋼に対する省 Mo 化および SUS429系に対する薄肉・軽量化のメリットが得られることから，国内外の自動車に搭載が進んでいる．両鋼は，地球環境対策として加速する排ガス規制の強化，燃費や熱効率の向上並びに部品コスト削減等の種々のNSSC429NF

326

447

341.42.13158

ニーズに貢献可能なステンレス鋼として，今後も採用の拡大

NSSC448EM

361

489

341.42.13156が期待される．

SUS429系

300

470

351.12.00

122SUS444系

351501331.32.06151

.

特許

本開発に関わる特許を国内外に 15 件出願しており，国内では特許第 5297630号，特許第5546911号等の12件が登録されている．米国や中国をはじめ海外でも 7 件が登録されている．

文

図7NSSC429NF と SUS429 系のバレストレイン試
験結果．

化の流れから素材の成形性も極めて重要になっているが，本開発鋼は深絞り性や穴拡げ性に優れており，複雑形状部品への成形の自由度が向上している．

献( 1 ) 例えば，細井祐三監修ステンレス鋼の科学と最新技術，ス
テンレス協会，東京，(2011), 222228.
( 2 ) 神野憲博，井上宜治，濱田純一 CAMP ISIJ, 25 ( 2012 ) ,1175.
( 3 ) 神野憲博，濱田純一，金子賢治CAMPISIJ, 29(2016), 822.
( 4 ) 藤田展弘新日鉄技報，371(1999), 3034.
( 5 ) 宮原光雄，梶村治彦，樋口賢次日本鉄鋼協会自主フォーラ
ム，ステンレス鋼の高温特性と自動車排気系部材への利用技術，(2003), 1015.
( 6 ) 濱田純一，神野憲博，林篤剛，平出信彦，梶村治彦，井上宜治自動車技術会学術講演会前刷集，46
14(2014), 1316.
( 7 ) 神野憲博，濱田純一，平出信彦，林篤剛，矢川敦久，井上宜治，寺岡慎一自動車技術会 2016年秋季大会学術講演会講演
予稿集，(2016), 371374.

図に溶接部の凝固割れを模擬したバレストレイン試験結

ま て り あ 第56巻 第 1 号(2017)
Materia Japan