JP2007247013A

JP2007247013A - 耐酸化性、加工性および高温強度に優れるフェライト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP2007247013A
Application number: JP2006074144A
Authority: JP
Inventors: Tomomasa Hirata; 知正平田; Yasushi Kato; 康加藤; Takumi Ugi; 工宇城
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】Ｓｉ含有量が低くても長時間の耐酸化性に優れ、しかも加工性の低下を招くＭｎを低減することができる高温強度に優れるフェライト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．４ｍａｓｓ％未満、Ｐ：０．０４ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１５ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：１３〜２０ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．３〜０．７ｍａｓｓ％、Ｔｉ：５×Ｎ〜０．３ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．４〜３．０ｍａｓｓ％、Ｎｉ：０．５ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる耐酸化性、加工性および高温強度に優れるフェライト系ステンレス鋼。
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車やオートバイの排気系部品や発電プラントの排気ダクトなど、高温のガスと接触する部品に用いて好適な耐酸化性、加工性および高温強度に優れるフェライト系ステンレス鋼に関するものである。

自動車のエキゾーストマニホールドやフロントパイプなどの排気系部品、発電プラントの排気ダクトなどの高温ガスと接触する部品の材料としては、高温強度、加工性および耐酸化性に優れることが必要である。そこで、これらの用途には、ＳＵＳ４４４などのＭｏ，Ｎｂ含有フェライト系ステンレス鋼が用いられることがある。

しかしながら、ＳＵＳ４４４鋼は、高温強度、耐酸化性については優れた特性を示すものの、加工性についてはまだ不十分なレベルであり、所望の形状に加工できない場合があるという問題があった。そこで、加工性を改善する方法として、Ｓｉ含有量を低減することが考えられている。

例えば、特許文献１には、Ｃｒ含有鋼のＳｉ含有量を０．１０ｍａｓｓ％以下に低減することによって、高温強度および加工性を向上する技術が開示されている。これは、Ｓｉを低減してラーベス相の析出を抑制し、ラーベス相による高温強度および加工性の低下を防止しようとするものである。一方、特許文献２には、Ｓｉは、鋼板表面に薄い皮膜を形成し、酸素の拡散係数を低下することによって、鋼板の耐酸化性を向上する元素であるとも記載されている。

上記のように、従来の知見によれば、Ｓｉは、高温強度および加工性を向上させるためには低減することが望ましく、耐酸化性を向上させるためには添加することが望ましいという、高温排気系部品に用いられる鋼に添加する元素としては、相反する性質を有している。

高温排気系部品において、耐酸化性は、重要な特性の一つであり、例えば高温に長時間曝される材料の耐酸化性が低いと、スケール剥離による板厚減少や、剥離したスケールによる排気管の下流側部品の損傷や触媒などの目詰まりを引き起こしたりするおそれがある。そこで、特許文献３には、低Ｓｉ系フェライト系ステンレス鋼の耐酸化性を向上させるために、Ｍｎを添加して耐スケール剥離性を向上する技術が開示されている。
特許３５４６７１４号公報特許３７１０３０２号公報特開２００５−３１４７４０号公報

しかしながら、Ｍｎの添加は、加工性を低下させ、また、長時間の高温に曝される場合には、酸化によって生成したスケールが剥離し易くなることが懸念されている。

そこで、本発明の目的は、自動車やオートバイ等の排気系部品や、発電プラントの排気ダクト等の材料に用いて好適な、Ｓｉ含有量が低くても長時間の耐酸化性に優れ、しかも加工性の低下を招くＭｎを低減することができる高温強度に優れるフェライト系ステンレス鋼を提供することにある。

発明者らは、Ｓｉの添加量を低減したフェライト系ステンレス鋼をベースにして、種々の成分を添加した鋼を溶製し、長時間耐酸化性、高温強度および加工性に及ぼす各種成分の影響を調査した。その結果、Ｓｉを低減した鋼においても、Ｍｎ含有量を適正範囲に制御し、Ｔｉを適正量添加することで、排気系部品に必要な長時間耐酸化性、高温強度および加工性が得られることを見出した。

具体的には、Ｍｎは、短時間の高温酸化では、スケール剥離性を抑制する効果を有するが、長時間の高温酸化においては、むしろ、スケール剥離を促進する。しかしながら、Ｍｎを低減した上で、Ｔｉを適正量添加することで、長時間の高温酸化においてもスケール剥離を防止することができ、ひいては、良好な耐酸化性が得られることが明らかとなった。なお、Ｍｎ低減とＴｉ添加による耐酸化性向上の機構は、まだ十分に解明されていないが、Ｍｎ含有酸化皮膜の弾性率向上などの要因が考えられる。
本発明は、上記知見に基き、さらに検討を加えて完成したものである。

すなわち、本発明は、Ｃ：０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．４ｍａｓｓ％未満、Ｐ：０．０４ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１５ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：１３〜２０ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．３〜０．７ｍａｓｓ％、Ｔｉ：５×Ｎ〜０．３ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．４〜３．０ｍａｓｓ％、Ｎｉ：０．５ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる耐酸化性、加工性および高温強度に優れるフェライト系ステンレス鋼である。

本発明のフェライト系ステンレス鋼は、上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ〜Ｅ群のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする。
Ａ群；Ｂ：０．０００３〜０．００５０ｍａｓｓ％およびＣｏ：０．０１〜０．２５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種
Ｂ群；Ａｌ：０．１５ｍａｓｓ％以下
Ｃ群；Ｃｕ：０．５ｍａｓｓ％以下
Ｄ群；Ｖ：０．２ｍａｓｓ％以下
Ｅ群；Ｃａ：０．０００５〜０．００５０ｍａｓｓ％およびＭｇ：０．０００５〜０．００５０ｍａｓｓ％のうちの１種または２種

本発明によれば、耐酸化性、加工性および高温強度に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供することができる。従って、本発明のフェライト系ステンレス鋼は、自動車やオートバイの排気マニフオールド、フロントパイプ、コンバータシェル等の排気系部品の材料として、また、発電プラント等の排気ダクトの材料として、好適に用いることができる。

本発明のフェライト系ステンレス鋼の成分組成を上記範囲に限定する理由について説明する。
Ｃ：０．０２ｍａｓｓ％以下
Ｃは、鋼の強度を高め、靭性および加工性を低下させる元素であるため、低いほど好ましい。特に、Ｃ含有量が０．０２ｍａｓｓ％を超えると、靭性、加工性への悪影響が顕著になるので、上限を０．０２ｍａｓｓ％とする。好ましくは０．００８ｍａｓｓ％以下である。

Ｓｉ：０．１ｍａｓｓ％以下
Ｓｉは、耐酸化性を向上させる効果があるが、同時にラーベス相の析出を促進し、排気系部品に用いられる材料に必要な高温強度と加工性を低下させる。そこで、本発明では、Ｓｉ含有量を０．１ｍａｓｓ％以下とする。好ましくは０．０５ｍａｓｓ％以下である。

Ｍｎ：０．４ｍａｓｓ％未満
Ｍｎは、本発明においては重要な意味をもつ元素である。一般に、Ｍｎは、耐酸化性を向上させると言われているが、発明者らの調査では、それは比較的短時間の耐酸化性に対してであり、長時間の耐酸化性の改善には、あまり効果が得られないことが明らかとなった。その理由は、まだ明確にはなっていないが、長時間の酸化により、過剰なＭｎがスケール剥離をむしろ促進しているのではないかと考えられる。また、Ｍｎは、鋼の脱酸剤としても添加されるが、本発明においては、後述するＴｉによって脱酸効果を代替することができる。さらに、Ｍｎは、先述したように、加工性を低下させる元素でもある。よって、本発明では、Ｍｎ含有量は０．４ｍａｓｓ％未満とする。なお、Ｍｎ含有量は、低いほど好ましく、下限値は特に設ける必要はない。

Ｐ：０．０４ｍａｓｓ％以下
Ｐは、鋼の靭性、耐食性および溶接性を劣化させる元素であるので、少ないほど好ましい。従って、本発明では、Ｐの含有量は０．０４ｍａｓｓ％以下とする。好ましくは０．０３ｍａｓｓ％以下、より好ましくは０．０１５ｍａｓｓ％以下である。

Ｓ：０．０１５ｍａｓｓ％以下
Ｓは、ＭｎＳを形成し、鋼の加工性を低下させ、また耐食性や溶接性も低下させる元素であるため、少ないほど好ましい。よって、本発明では、０．０１５ｍａｓｓ％以下とする。好ましくは０．０１ｍａｓｓ％以下である。

Ｎ：０．０２ｍａｓｓ％以下
Ｎは、Ｃと似た作用効果を有する元素であり、靭性および加工性を劣化させる。そこで、本発明では、Ｎ含有量を０．０２ｍａｓｓ％以下とする。好ましくは０．０１ｍａｓｓ％以下である。

Ｃｒ：１３〜２０ｍａｓｓ％
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。本発明の所期した耐酸化性を確保するためには、１３ｍａｓｓ％以上の添加が必要である。しかし、Ｃｒ含有量が２０ｍａｓｓ％を超えると、加工性が劣化するので、２０ｍａｓｓ％を上限とする。加工性を確保する観点からは、１５〜１７ｍａｓｓ％の範囲が好ましい。

Ｎｂ：０．３〜０．７ｍａｓｓ％
Ｎｂは、鋼の高温強度、加工性および溶接部の耐粒界腐食性を高める元素である。かかる効果を得るためには、０．３ｍａｓｓ％以上の添加が必要である。しかし、過剰に添加すると、ラーベス相となって析出し、靭性を低下させるため、上限は０．７ｍａｓｓ％とする必要がある。

Ｔｉ：５×Ｎ〜０．３ｍａｓｓ％
Ｔｉは、本発明において最も重要な元素である。Ｔｉを適量添加することで、Ｓｉ低減による耐酸化性の低下と、Ｍｎ低減による脱酸効果の低下を補うことができる。十分な耐酸化性を得るためには、Ｔｉは、５×Ｎ（ｍａｓｓ％）以上添加する必要がある。さらに、Ｔｉ添加によるＳｉ，Ｍｎの低減は、加工性を向上させるという効果も得ることができる。その結果、Ｓｉを低減しても、自動車やオートバイ等の排気系部品ならびに発電プラントの排気ダクトなどの材料に必要な耐酸化性、加工性および高温強度を確保することができる。しかし、Ｔｉを過剰に添加すると、粗大なＴｉ（Ｃ，Ｎ）が析出して表面性状が劣化するようになるので、上限は０．３ｍａｓｓ％とする。好ましくは０．１５ｍａｓｓ％以下である。

Ｍｏ：０．４〜３．０ｍａｓｓ％
Ｍｏは、鋼を固溶強化することにより、高温強度を高める効果がある。また、Ｍｏは、耐食性を向上する効果もあり、その効果は０．４ｍａｓｓ％以上の添加で発現する。しかし、多量の添加は、コストの上昇を招くので、３．０ｍａｓｓ％を上限とするのが好ましい。

Ｎｉ：０．５ｍａｓｓ％以下
Ｎｉは、鋼の靭性を向上させ効果を有するが、オーステナイト安定化元素であるため、フェライト組織を不安定にする。よって、本発明では０．５ｍａｓｓ％以下とする。好ましくは０．０５〜０．３ｍａｓｓ％の範囲である。

本発明のフェライト系ステンレス鋼は、上記成分に加えてさらに、要求特性に応じて、Ｂ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｖ，ＣａおよびＭｇのうちから選ばれる１種以上を下記の範囲で添加することができる。
Ｂ：０．０００３〜０．００５０ｍａｓｓ％
Ｂは、耐二次加工脆性を改善するのに有効な元素であり、この効果は０．０００３ｍａｓｓ％以上添加することで得られる。しかし、多量に添加すると、ＢＮを生成して加工性を低下させるので、上限は０．００５０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは０．０００４〜０．００１５ｍａｓｓ％の範囲である。

Ｃｏ：０．０１〜０．２５ｍａｓｓ％
Ｃｏは、溶接熱影響部の靭性向上および高温強度の向上に有効な元素である。上記効果を発現するためには、０．０１ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。しかし、Ｃｏは、高価な成分であるため、上限は０．２５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

Ａｌ：０．１５ｍａｓｓ％以下
Ａｌは、通常、脱酸剤として添加されるが、本発明では、Ｔｉによる脱酸が可能なため、多量のＡｌ添加は必要としない。むしろ、Ａｌの過剰な添加は、加工性を低下させる。よって、本発明では、０．１５ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。より好ましくは０．０５ｍａｓｓ％以下である。

Ｃｕ：０．５ｍａｓｓ％以下
Ｃｕは、耐食性を向上させるのに有効であるが、過剰な添加はε−Ｃｕの析出により鋼の脆化を招くので０．５ｍａｓｓ％以下おするのが好ましい。

Ｖ：０．２ｍａｓｓ％以下
Ｖは、深絞り性（ｒ値）を向上させる効果を有する。しかし、Ｖの過剰な添加は、Ｖ（Ｃ，Ｎ）の析出により、表面性状の劣化を招くので、上限は０．２ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは０．１５ｍａｓｓ％である。

Ｃａ：０．０００５〜０．００５０ｍａｓｓ％
Ｃａは、連続鋳造時のノズル詰まりを抑制する効果がある。その効果を得るためには、０．０００５ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。しかし、Ｃａの過剰な添加は、鋼の孔食を起こし易くするので、上限は０．００５０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０ｍａｓｓ％
Ｍｇは、高温疲労特性を向上する元素である。かかる効果を得るためには、０．０００５ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。しかし、Ｍｇを過剰に添加すると、鋼の靭性を低下させるので、０．００５０ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。

本発明のフェライト系ステンレス鋼は、上記以外の成分は、不可避的不純物である。ただし、本発明の効果を害さない範囲であれば、上記以外の成分を添加することを拒むものではない。

表１に示した各種成分組成を有する鋼を溶製し、鋼スラブとし、この鋼スラブを１１００〜１２００℃に加熱し、熱間圧延して板厚５ｍｍの熱延板とした。次いで、この熱延板を熱延板焼鈍し、酸洗し、その後、冷間圧延し、仕上焼鈍して板厚２．０ｍｍの冷延焼鈍板とした。このようにして得た冷延焼鈍板から試験片を採取し、下記の高温強度、加工性、耐酸化性の評価試験に供した。
＜耐酸化性試験＞
各冷延焼鈍板から試験片（２ｍｍ×２０ｍｍ×３０ｍｍ）を採取し、９５０℃に保持された大気雰囲気炉に装入して５００時間保持し、試験片の試験前後の質量変化から、酸化増量（ｍｇ／ｃｍ^２）を求めた。ただし、スケール剥離を起こしたものは、その旨を記した。
＜高温強度試験＞
各冷延焼鈍板から圧延方向を引張方向としたＪＩＳ１３号Ｂ引張試験片を採取し、ＪＩＳＧ０５６７に準拠して、９００℃において、０．３％／ｍｉｎの歪速度の高温引張試験を行い、０．２ｍａｓｓ％耐力を測定した。
＜加工性の評価試験＞
各冷延焼鈍板から圧延方向を引張方向としたＪＩＳ１３号Ｂ引張試験片を採取し、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して、常温（２５℃）における引張試験を行い、伸びＥｌを測定した。

上記測定の結果を、表２に示した。表２から、本発明の成分組成に適合するＡ〜Ｓの鋼は、いずれも耐酸化性、加工性および高温強度に優れている。これに対して、本発明の成分組成から外れるＴ〜Ｘの鋼は、耐酸化性、加工性および高温強度のいずれか１つ以上の特性が、本発明例に比較して大きく劣っていることがわかる。

本発明の技術は、自動車や発電プラントの他、長時間高温酸化性雰囲気に曝される用途に用いる材料にも利用することができる。

Claims

Ｃ：０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．４ｍａｓｓ％未満、Ｐ：０．０４ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１５ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：１３〜２０ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．３〜０．７ｍａｓｓ％、Ｔｉ：５×Ｎ〜０．３ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．４〜３．０ｍａｓｓ％、Ｎｉ：０．５ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる耐酸化性、加工性および高温強度に優れるフェライト系ステンレス鋼。
上記成分組成に加えてさらに、Ｂ：０．０００３〜０．００５０ｍａｓｓ％およびＣｏ：０．０１〜０．２５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種を含有することを特徴とする請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼。
上記成分組成に加えてさらに、Ａｌ：０．１５ｍａｓｓ％以下を含有することを特徴とする請求項１または２に記載のフェライト系ステンレス鋼。
上記成分組成に加えてさらに、Ｃｕ：０．５ｍａｓｓ％以下を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフェライト系ステンレス鋼。
上記成分組成に加えてさらに、Ｖ：０．２ｍａｓｓ％以下を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のフェライト系ステンレス鋼。
上記成分組成に加えてさらに、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０ｍａｓｓ％およびＭｇ：０．０００５〜０．００５０ｍａｓｓ％のうちの１種または２種を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のフェライト系ステンレス鋼。