JP2000073147A

JP2000073147A - 高温強度、加工性および表面性状に優れたＣｒ含有鋼

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Publication number: JP2000073147A
Application number: JP10241647A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Miyazaki; 宮崎　　淳; Kazuhide Ishii; 和秀石井; Susumu Sato; 佐藤　　進
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2000-03-07
Anticipated expiration: 2018-08-27
Also published as: JP3546714B2

Abstract

(57)【要約】【課題】排気系部材の高温部から低温部までの広い温
度範囲に適用可能な、高温強度および加工性に優れると
ともに、良好な表面性状を有する素材を提供する。【解決手段】重量％で、Ｃ：0.02％以下、Si：0.10％
以下、Mn：0.4 〜2.0 ％、Ｐ：0.04％以下、Ｓ：0.02％
以下、Cr：3.0 〜20％、Ni：1.0 ％以下、Ｎ：0.02％以
下、Nb：0.2 〜1.0 ％を含み、必要に応じて、Ti：0.5
％以下、Zr：0.5％以下、Ｖ：0.5 ％以下、Al：0.5 ％
以下、Mo：3.0 ％以下、Cu：1.0 ％以下、REM ：0.3 ％
以下、Ca：0.03％以下およびＢ：0.005 ％以下のうちの
１種以上を含有し、残部はFeよび不可避的不純物とし、
加工前の鋼中にはFe₂Nb ラーベス相としてのNbを低値に
抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動車やオート
バイのエンジンや火力発電プラントの排気系部材などの
使途に好適な、高温強度、加工性および表面性状に優れ
たCr含有鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の排気系環境で用いられる部材の
うち、排気マニホールドには、優れた高温強度が必要で
あり、従来から、Nbを添加したSUS 430J1L(17Cr-0.4Si-
0.4Nb-0.5Cu)鋼が使用されてきた。しかし、一般に、Nb
添加鋼は常温の強度が高いために、加工し難く、その改
善が求められていた。一方、マフラーのように、比較的
低温度域で用いられる排気系部材には、加工性の上から
低い降伏強度（ＹＳ）が必要であるため、従来型のNb添
加鋼は適当ではなく、CrあるいはMoを添加することによ
って耐食性を向上させたTi添加鋼が主として使用されて
きた。このTi添加鋼としては、例えば、Type432(17Cr-T
i-0.5Mo)鋼やType436(17Cr-Ti-1.3Mo)鋼などが挙げら
れ、これらは必要な耐食性に応じて選択して適用されて
きた。しかしながら、これらTi添加鋼は、高温強度が低
く、高温部材には適用できない上、粗大なTiＮの生成に
起因して表面性状が悪く、表面手入れ行う必要があり、
製造性に劣るという問題を抱えていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来か
ら、排気系部材を製造する際には、高温部と低温部とい
う使用温度域によって、Nb添加鋼とTi添加鋼とを区別し
使い分けていたために、素材メーカー、製品メーカーの
両者にとって生産効率上また管理上のネックになってい
た。このため、高温部から低温部までの広い温度範囲で
統一的に使用できる鋼種の開発が強く望まれていた。か
かる要請に応えるための提案がこれまでにも幾つか報告
されている。例えば、特開平８−60306 号公報には、0.
6 〜1.5 ％Si、16〜22％Crの自動車排気系部材用フェラ
イト系ステンレス鋼が開示されている。しかし、この鋼
は、その明細書中で、排気マニフォールドからセンター
パイプと明記されているように、排気系高温部について
の材料統一を想定したものであり、マフラーまでの低温
域までには適用できない。しかも、この鋼種は比較的高
いSi量を含有しているので、室温強度が高く加工性に劣
るものであった。また、特開昭57−60056 号公報には、
ロウ付け性を向上させたフェライト系ステンレス鋼が開
示されている。しかし、この鋼も、Si含有量が0.38％以
上添加されており、室温の強度が高く、加工が困難であ
るという問題があった。

【０００４】そこで、本発明は、自動車エンジン、オー
トバイエンジン、発電プラントなどの排気系部材におい
て、高温部から低温部までの広い温度範囲で適用可能
な、高温強度および加工性に優れるとともに、良好な表
面性状を有する素材を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】発明者らは、Nbを0.2 ％
（wt％、以下単に％）以上添加することによって、高温
強度を高めた成分系をベースにして、いかに室温の強度
上昇を抑えるかという点に着目して実験を重ねた。図１
は、成分組成が、（0.005 〜0.010 ％) Ｃ-(0.05〜0.20
％) Mn-(0.01〜0.03％）Ｐ-(0.003 〜0.005 ％）Ｓ-(1
4.0〜15.0％)Cr-(0.05 〜0.20％）Ni-(0.004 〜0.012
％) Ｎ-(0.45〜0.50％) Nbで、板厚が２ｍｍの冷延焼鈍
板を用いて、降伏強さＹＳに及ぼすSiの影響について整
理したものである。また、カッコ内に後述するＸ線回折
によるFe₂Nb ラーベス相とNb (Ｃ,Ｎ) のＸ線強度比も
示す。図１から、Si量が0.10％よりも低い含有量になる
と、室温のＹＳが急激に低下するという新規な知見を得
たのである。従来、Siは固溶強化元素であることから、
その減少とともに室温のＹＳが低下するのは知られてい
た。しかし、Siをある臨界量以下まで低下させた場合
に、図１のごとく、室温のＹＳが急激に低下するといっ
た現象は予想できなかったことである。

【０００６】このような現象があらわれた理由について
は、必ずしも明らかではないが、図１におけるFe₂Nb ラ
ーベス相の観察結果を勘案して、以下のような機構が考
えられる。すなわち、Nb添加による室温での強度上昇
は、微細なNb（Ｃ、Ｎ）以外に、Fe₂Nb ラーベス相によ
ってももたらされる。そして、高温強度を確保のため
に、0.3 ％以上のNbを添加したとき、通常のSi量の範囲
では、Fe₂Nb ラーベス相が析出しやすくなり、室温の強
度が著しく高くなってしまう。一方、Si含有量が0.1 ％
以下になると、Fe₂Nb ラーベス相が著しく少なくなり、
これによる強度上昇が減じて室温のＹＳが急激に低下す
る。それと同時に、低Siでは、表面性状も良好になるこ
ともわかった。また、高温になると、低Si材であっても
Fe₂Nb は容易に析出し、高い高温強度を示すこともわか
った。なお、Fe₂Nb ラーベス相の析出程度の判定は、抽
出残査をＸ線回折し、Fe₂Nb ラーベス相の(112) とNb
（Ｃ、Ｎ）の(200) との強度比で比較した。上述したよ
うに、Nbを添加しても、Si含有量を規制することによっ
て、室温におけるＹＳの上昇を抑制することができて、
優れた高温強度と加工性、さらに良好な表面性状を共に
付与できるとの結論に達し、本発明を完成するに到っ
た。その要旨構成は以下のとおりである。

【０００７】(1)重量％で、Ｃ：0.02％以下、Si：0.10
％以下、Mn：0.4 以上2.0 ％以下、Ｐ：0.04％以下、
Ｓ：0.02％以下、Cr：3.0 〜20％、Ni：1.0 ％以下、
Ｎ：0.02％以下、Nb：0.2 〜1.0 ％を含有し、残部はFe
よび不可避的不純物からなることを特徴とする、高温強
度、加工性および表面性状に優れたCr含有鋼。

【０００８】(2)上記 (1)に記載の鋼において、上記成
分の他にさらに、重量％で、Ti：0.5％以下、Zr：0.5
％以下、Ｖ：0.5 ％以下およびAl：0.5 ％以下のうちか
ら選ばれるいずれか１種または２種以上を含有すること
を特徴とする、高温強度、加工性および表面性状に優れ
たCr含有鋼。

【０００９】(3)上記 (1)または (2)に記載の鋼におい
て、上記成分の他にさらに、重量％で、Mo：3.0 ％以
下、Cu：1.0 ％以下およびREM ：0.3 ％以下のうちから
選ばれるいずれか１種または２種以上を含有することを
特徴とする、高温強度、加工性および表面性状に優れた
Cr含有鋼。

【００１０】(4)上記 (1)〜 (3)のうちのいずれか１つ
に記載の鋼において、上記成分の他にさらに、重量％
で、Ca：0.03％以下およびＢ：0.005 ％以下のうちの１
種または２種を含有することを特徴とする、高温強度、
加工性および表面性状に優れたCr含有鋼。

【００１１】(5)上記 (1)〜 (4)のうちのいずれか１つ
に記載の鋼において、鋼中のNbの形態は、析出物 (抽出
残渣) のＸ線回折によるFe₂Nb の(112) 強度とNb (Ｃ,
Ｎ) の(200) 強度との比が0.2 以下であることを特徴と
する、高温強度、加工性および表面性状に優れたCr含有
鋼。

【００１２】

【発明の実施の形態】Ｃ：0.02％以下Ｃは、靱性および加工性を劣化させる元素であり、0.02
％を超えるとこれら靱性、加工性への悪影響が顕著にな
るので、0.02％以下に限定する。靱性および加工性のう
えから、Ｃの含有量は低いほどよく、上記範囲でも特に
0.008 ％以下に制限するのが望ましい。

【００１３】Si：0.10％以下 Siは、特に重要な元素の一つである。図１に示したよう
に、Nb添加鋼でSi量が0.10％を超えると、Fe₂Nb ラーベ
ス相が著しく析出しやすく、高ＹＳとなり、また表面性
状も劣化する。よって、Si含有量は0.10％以下に制限す
る。

【００１４】Mn：0.4 ％以上 2.0％以下 Mnは、鋼の脱酸剤としての役割を有しているため、0.4
％以上添加する。過剰に添加すると、MnＳを形成し、加
工性を低下させ、マフラー溶接部の耐食性を低下させ
る。よって、Mn含有量は2.0 ％以下、好ましくは0.75％
以下、さらに好ましくは0.6 ％以下とする。

【００１５】Ｐ：0.04％以下Ｐは、靱性およびマフラー溶接部の耐食性を劣化させる
元素であるので少ないほどよい。よって、Ｐ含有量は0.
04％以下、好ましくは0.03％以下、さらに好ましくは0.
015 ％以下とする。

【００１６】Ｓ：0.02％以下Ｓは、伸びおよびｒ値を低下させ加工性を劣化させるほ
か、ステンレス鋼の基本特性である耐食性をも劣化させ
る元素である。よって、その含有量は0.02％以下、好ま
しくは0.01％以下とする。ただし、過剰に低下させると
コスト高を招いて実用的ではなくなるので、下限は0.00
2 ％程度に止めるのが望ましい。

【００１７】Cr：3.0 〜20％ Crは、耐酸化性および耐食性を改善するのに有用な元素
である。これらの改善効果は3.0 ％以上の添加で現れる
が、20％を超えて添加すると著しく加工性の劣化を招く
ので、3.0 〜20％の範囲とする。Cr量は、この含有範囲
内で、排気系部材として要求される耐酸化性や耐食性の
レベルに応じて選択すればよい。そして、特に加工性を
考慮するときのCr含有量として、好ましくは9.0 〜19.0
％、より好ましくは10.0〜17.0％が挙げられる。

【００１８】Ni：1.0 ％以下 Niは、靱性を向上させる効果を有しているが、フェライ
ト組織を不安定にするので、1.0 ％以下、好ましくは0.
05〜0.8 ％、より好ましくは0.5 〜0.8 ％の範囲で添加
する。

【００１９】Ｎ：0.02％以下Ｎは、鋼の靱性および加工性を劣化させる元素である。
これらの悪影響を考慮して、Ｎ含有量は0.02％以下、好
ましくは0.01％以下とする。

【００２０】Nb：0.2 〜1.0 ％ Nbは、高温強度、加工性および溶接部の耐粒界腐食性を
高める効果をもつ元素である。このような効果を発揮さ
せるためには、0.2 ％以上の添加が必要であるが、1.0
％を超えて添加すると、0.1 ％以下のSi量であっても、
Fe₂Nb ラーベス相が多量に析出し、鋼の靱性、表面性状
を劣化させるので、0.2 〜1.0 ％の範囲で添加する。な
お、Nbの好ましい添加範囲は、0.4 超〜0.6 ％、さらに
好ましくは0.45〜0.55％とするのがよい。

【００２１】上記基本元素に加えて、求められる特性に
応じて以下の元素を添加することができる。 Ti：0.5 ％以下 Tiは、ｒ値を向上させる効果を有しているが、0.5 ％を
超えて過剰に添加すると、粗大なTi（Ｃ，Ｎ）を析出
し、表面性状を劣化させるので、0.5 ％以下の範囲で添
加する。なお、好ましくは、8(％Ｃ＋％Ｎ）以下とする
のがよい。

【００２２】Zr：0.5 ％以下 Zrは、ｒ値および耐酸化性を向上させる効果を有してい
るが、0.5 ％を超えて添加すると、粗大なZr（Ｃ，Ｎ）
を析出し、表面性状を劣化させるので、0.5 ％以下の範
囲で添加する。なお、好ましくは、15（％Ｃ＋％Ｎ）以
下とするのがよい。

【００２３】Ｖ：0.5 ％以下Ｖは、ｒ値を向上させる効果を有しているが、過剰に添
加すると粗大なＶ（Ｃ、Ｎ）を析出し、表面性状を劣化
させるので、0.5 ％以下の範囲で添加する。なお、好ま
しいＶの添加量は、0.03％以上で、15（％Ｃ＋％Ｎ）以
下の範囲である。

【００２４】Al：0.5 ％以下 Alは、Al脱酸を行った場合に、一般に、不可避的に含有
されてしまうが、特に悪影響を及ぼすことはない。この
Alは、溶接時に表面保護スケールを生成し、大気中から
のＣ、Ｎ、Ｏの侵入による靱性の低下を抑えるので、0.
005 ％以上の添加が好ましい。しかし、0.5 ％超えて添
加すると加工性が著しく低下するので、0.5 ％以下に制
限する。なお、Alの好ましい添加範囲は0.05超〜0.2 ％
である。また、15（％Ｃ＋％Ｎ）以下を満たすことが望
ましい。しかしながら、Al脱酸はコスト高となるため、
コストを重要視する場合には、行わない方が好ましい。

【００２５】Mo：3.0 ％以下 Moは、固溶強化作用を有し、高温強度の向上に有効であ
るほか、耐食性の向上にも効果のある元素である。ただ
し、Moは高価な元素でもあるので、過度のコスト上昇を
避けるために、3.0 ％以下の範囲に止めるのがよい。

【００２６】Cu：1.0 ％以下 Cuは、耐食性および加工性を向上させるのに有効な元素
であり、特に 0.1％以上の添加が有効である。過剰に添
加するとε−Cuの析出による脆化をまねくので、添加量
は1.0 ％以下、好ましくは0.15超〜0.3 ％未満とする。

【００２７】REM ：0.3 ％以下 REM は、La、Ceなどのランタノイド元素とＹ、Scの総称
であり、工業的にはミッシュメタルなどとして添加され
る。このREM は耐酸化性向上に有効な元素であり、添加
量の増大とともにその効果も大きくなるが、0.3 ％を超
えて添加すると靱性が低下するので、0.3 ％以下に限定
する。

【００２８】Ca：0.03％以下 Caは、スラブの鋳造時のノズル詰まりを抑制する効果を
有する元素である。しかしながら、0.03％を超えて添加
しても、その効果が飽和するばかりでなく、Ca含有介在
物を起点とした孔食が発生して、耐食性が劣化するの
で、0.03％以下とする。

【００２９】Ｂ：0.005 ％以下Ｂは、２次加工性の向上に有効な元素である。0.005 ％
を超えて添加すると多量のＢＮを生成して加工性が劣化
するので、0.005 ％以下に限定する。なお、好ましい含
有範囲は、その効果が顕著となる0.0004％以上で、かつ
加工性の劣化がほとんどない0.0015％以下である。

【００３０】加工前の鋼中Nbの存在形態 Fe₂Nb ラーベス相は、図１で示したように、ＹＳの上昇
と表面性状の劣化を招くので、加工前の鋼中のNbはFe₂N
b ラーベス相としては存在しないことが望ましい。鋼中
におけるFe₂Nb ラーベス相の存在は、抽出残査のＸ線回
折によって知ることができる。Nb (Ｃ, Ｎ) が優先的に
析出するため、Nb (Ｃ, Ｎ) の回折ピークとFe₂Nb のそ
れの比で検討した。このようにして抽出残差のＸ線回折
で検出されるFe₂Nb ラーベス相の回折強度比が小さいほ
ど、すなわちFe₂Nb ラーベス相としてのNb量が少ないほ
ど、低ＹＳ化と良好な表面性状を達成することができ
る。そして、抽出残査中のＸ線回折で、Fe₂Nb ラーベス
相が検出されないことがもっとも望ましい。なお、Fe₂N
b ラーベス相は、加工前に検出されなくても、加工後に
高温加熱された場合に析出し、検出される。このような
場合、加工前に鋼中にFe₂Nb が存在しないか、少量であ
ることが重要である。

【００３１】以上述べた発明鋼の製造に当たっては、ス
テンレス鋼などのCr含有鋼に一般的に採用されている方
法をほぼそのまま適用することができる。その好適な製
造工程とその具体的条件を例示すれば、熱延後 950℃以
上の温度で焼鈍し、冷間圧延率は60％以上とし、最終仕
上げ焼鈍温度も 950℃以上として、途中工程で析出した
Fe₂Nb ラーベス相を固溶させることが望ましい。

【００３２】

【実施例】次に本発明を実施例にもとづいて具体的に説
明する。表１に示す成分組成からなる鋼を溶製したの
ち、1250℃に加熱後、熱間圧延により５ｍｍ厚の熱延板
とした。この熱延板に、焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上げ
焼鈍および酸洗を順次施し、２ｍｍ厚の冷延焼鈍板とし
た。かくして得られた冷延焼鈍板について、以下に示す
方法により各種評価を行った。 (1)高温強度板厚２ｍｍの板状試験片を用いて、0.3 ％／分の引張速
度で700 ℃における0.2％耐力を測定した。その値を次
の基準で評価した。 100 ＭＰa 以上：ＡＡ 80 ＭＰa 以上、100 ＭＰa 未満：Ａ 50 ＭＰa 以上、 80 ＭＰa 未満：Ｂ 50 ＭＰa 未満：Ｃ (2)室温での加工性圧延方向から、ＪＩＳ13号Ｂの引張試験片（板厚２ｍ
ｍ）を採取し、降伏強さＹＳを測定するとともに、伸び
を測定した。このＹＳが小さいほど、また伸びが大きい
ほど加工性が優れていると言える。 (3)表面性状熱延板の状態で、表面手入れが必要か否かを、目視で判
定した。

【００３３】

【表１】

【００３４】これらの試験結果を表２にまとめて示す。
比較例のうち、鋼Ａは従来鋼ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌであ
り、Siが多すぎるため、Fe₂Nb ラーベス相が多量に検出
され、加工性低下の程度を表す室温のＹＳが高く、また
表面性状も伸びも劣る。鋼Ｂも、Siが高いため、（14〜
16％）Cr−Moレス材である発明例である鋼１〜鋼４、鋼
９より、ＹＳが高く、表面性状も伸びも劣る。鋼Ｃは、
Nbが適正量添加されているものの、Tiが過剰に添加され
ているために、表面性状が劣る。鋼Ｄ，鋼Ｅは、Nbが添
加されていないので、高温強度が低く、加工性と表面性
状とが共に劣っている。これに対して、発明例である鋼
１〜鋼11は、高温強度は従来鋼（ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ）
以上の値を示すうえ、低ＹＳで加工しやすく、しかも表
面性状も優れている。

【００３５】

【表２】

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高温強度、加工性および表面性状の全てに優れたCr含有
鋼を提供することが可能となる。従って、自動車、オー
トバイのエンジンをはじめとする排気系部品において、
排気マニフォールド、フロントパイプ、コンバーターシ
ェル等の高温部にも好適に使用できるだけでなく、室温
では軟質であるので、従来は加工が困難であった、マフ
ラーやミドルパイプ等の低温部にも適用可能である。な
お、本発明鋼を、耐食性が求められる低温部材として使
用する場合には、必要な耐食性レベルに応じて、Cr，Mo
等の添加量を調整すればよい。また、火力発電プラント
の排気経路部材も上記自動車エンジン排気部材と同様な
特性が要求されるので、本発明鋼はかかる用途にも適用
可能である。さらに、本発明鋼は表面性状が優れている
ので、表面性状が求められる他の多くの分野においても
十分に使用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】Si含有量が室温の降伏強さＹＳに及ぼす影響を
示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤進千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.02％以下、 Si：0.10％以下、 Mn：0.4 〜2.0 ％、Ｐ：0.04％以下、Ｓ：0.02％以下、 Cr：3.0 〜20％、 Ni：1.0 ％以下、Ｎ：0.02％以下、 Nb：0.2 〜1.0 ％を含有し、残部はFeよび不可避的不純物からなることを
特徴とする、高温強度、加工性および表面性状に優れた
Cr含有鋼。
【請求項２】請求項１に記載の鋼において、上記成分
の他にさらに、重量％で、 Ti：0.5 ％以下、 Zr：0.5 ％以下、Ｖ：0.5 ％以下および Al：0.5 ％以下のうちから選ばれるいずれか１種または２種以上を含有
することを特徴とする、高温強度、加工性および表面性
状に優れたCr含有鋼。
【請求項３】請求項１または２に記載の鋼において、
上記成分の他にさらに、重量％で、 Mo：3.0 ％以下、 Cu：1.0 ％以下および REM ：0.3 ％以下のうちから選ばれるいずれか１種または２種以上を含有
することを特徴とする、高温強度、加工性および表面性
状に優れたCr含有鋼。
【請求項４】請求項１〜３のうちのいずれか１項に記
載の鋼において、上記成分の他にさらに、重量％で、 Ca：0.03％以下およびＢ：0.005 ％以下のうちの１種または２種を含有することを特徴とする、
高温強度、加工性および表面性状に優れたCr含有鋼。
【請求項５】請求項１〜４のうちのいずれか１項に記
載の鋼において、鋼中のNbの形態は、析出物 (抽出残
渣) のＸ線回折によるFe₂Nb の(112) 強度とNb(Ｃ, Ｎ)
の(200) 強度との比が0.2 以下であることを特徴とす
る、高温強度、加工性および表面性状に優れたCr含有
鋼。