JP2803538B2

JP2803538B2 - 自動車排気マニホールド用フェライト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP2803538B2
Application number: JP5292017A
Authority: JP
Inventors: 信彦平出; 芳男樽谷
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-11-22
Filing date: 1993-11-22
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: JPH07145453A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車排気マニホール
ド用フェライト系ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用の排気マニホールド、センター
パイプ、フロントパイプ等の排気系部品は、エンジンか
ら排出される高温の燃焼ガスと接触する部位にあり、こ
れを構成する材料には耐酸化性、高温強度、耐熱疲労性
等、多様な特性が要求される。

【０００３】従来、自動車排気マニホールド用材料とし
ては、鋳鉄が用いられるのが一般的であった。しかし、
近年の排ガス規制の強化、さらにはエンジン性能の向
上、車体軽量化による燃費向上の要請等に応えるため、
ステンレス鋼の溶接管が排気マニホールド用材料として
使用されるようになってきた。特に、最近では排ガス温
度も900 ℃を越えるようになり、900 ℃以上で優れた耐
酸化性、高温強度、熱疲労性を有する材料が必要となっ
てきた。

【０００４】オ−ステナイト系ステンレス鋼は、優れた
耐熱性および加工性を有しており、その代表的な鋼種と
しては、SUS304 (18Cr−8 Ni) 、SUS310Ｓ(25 Cr−20N
i) などがある。しかし、オ−ステナイト系ステンレス
鋼は熱膨張係数が大きく、排気マニホールドのような加
熱−冷却の繰り返しを受ける用途においては、熱歪みに
起因する熱疲労によって破壊が生じやすい。

【０００５】一方、フェライト系ステンレス鋼は一般に
オ−ステナイト系ステンレス鋼より熱膨張係数が小さい
ため、熱疲労特性にとって有利である。従って、耐熱疲
労性、および材料コストの面からは、フェライト系ステ
ンレス鋼が排気マニホールド用材料として適していると
いえる。そのため、従来にあっても、排気マニホールド
用材料として、SUH409Ｌ、SUS410Ｌが用いられてきた
が、排ガス温度の上昇と共に、高温強度および耐酸化性
に劣るという問題があった。

【０００６】また、高温に曝される排気マニホールドお
よびフロントパイプ等には、冬季における路上の融雪対
策として散布されている岩塩による外面側の高温塩害腐
食の問題がある。しかし、排気マニホールドないしフロ
ントパイプ等に使用されるフェライト系ステンレス鋼
は、高温塩害腐食対策が十分ではなかった。

【０００７】ところで、従来にあっても、排ガス温度90
0 ℃以上に対応できる鋼種として、特開昭64−8254号公
報においては、17％以上のCrを含み、NbおよびMoにより
高温高強度化した材料が開示されている。また、排気温
度1000℃に対応できる鋼種として、特開平４−280947号
公報においては、Nb量の範囲をさらにあげて高温高強度
化した耐熱疲労性にすぐれた排気マニホールド用材料が
開示されている。しかし、これらの鋼は、耐酸化性にお
いて必須とされているCrを17％以上含むため、高価とな
らざるを得ない。

【０００８】Cr:6〜25％としたフェライト系ステンレス
鋼の例は特開昭60−145359号公報に開示されているが、
そこにみられる具体的考えはCrの一部をSiで置換する
が、炭素、窒素はTiで実質上すべて固定し、少量のNbを
残留させるというのである。実体的にはＣ、Ｎが比較的
多く、Nb量が少ないため以下に述べるように高温特性が
十分でないという欠点を有する。

【０００９】すなわち、特開昭60−145359号公報におい
ては、Ｃ:0.05 ％以下、Si:1.00 〜2.00％、Mn:2.0％以
下、Cr:6.0〜25.0％、Mo:5.0％以下 (ただし、Cr＋Mo≧
８％) 、Ｎ:0.05 ％以下、Al:0.50 ％以下、Ti、Zr、T
a、Nbの１種以上 (ただし、Ti、Zr、Ta、Nb量はすべて
のＣ、Ｎを炭化物、窒化物とするのに必要な化学量論
量) を含み、Nb:0.30 ％以下でしかも0.10％以上 (好ま
しくは0.20％以上) の不結合 (固溶) Nbからなる、周期
的酸化抵抗とクリープ強さを有する高温用フェライト鋼
が開示されており、周期的酸化抵抗にはSiの添加が有効
であり、クリープ強度には、0.10％以上 (好ましくは0.
20％以上) の不結合 (固溶) Nbの存在とSiに富むLaves
相の形成が重要であると述べられている。しかしなが
ら、0.3 ％以下のNb量では、高温強度への寄与が大きい
不結合 (固溶) NbとNb炭化物による強化が不十分で、高
温強度、熱疲労特性に劣るという問題がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、特に
排気温度900 ℃近傍に対応できる自動車排気マニホール
ド用材料として、900 ℃以上にて優れた耐酸化性、高温
強度、熱疲労特性を有し、しかも外面側の耐高温塩害腐
食性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供すること
である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】従来、900 ℃以上におい
て優れた耐酸化性を有するには、16％を越えたCr量が必
要とされてきた。その場合、前述のように材料のコスト
が問題となる。そこで、本発明者らは、かかる目的を達
成すべく種々検討を重ね次のような知見を得て本発明を
完成した。

【００１２】（ｉ）Ｃｒ量を１１〜１４％とし、Ｃｒの
低下により劣化した耐酸化性を、Ｓｉを積極的に添加す
ることにより９００℃以上での耐酸化性を確保できると
ともに、Ｃ＋Ｎ≦０．０２５％とすることで加工性およ
び靱性の確保を図るとともに、０．３％＜Ｎｂとするこ
とでさらなる高温強度が得られる。

【００１３】(ii)また、そのような状況下での 0.8〜1.
5 ％という適量のSiの添加は、高温強度をさらに向上さ
せ、耐熱疲労特性の向上に寄与できる。これは高温で析
出するLaves 相 (主にFe₂Nb)において、Nbの一部をSiが
置換することにより、固溶Nbの低下を抑えて、高温強度
を保持する。しかしながら、1.50％を超えた過剰の添加
は、逆にLaves 相の析出を促進し、高温強度を低下させ
る。 (iii) 耐高温塩害腐食性の向上に対しては、鋼中Si量の
増加が非常に効果がある。

【００１４】ここに、最も広義には、本発明は、重量％
にて、Ｃ:0.015％以下、Si: 0.80〜1.50％、Mn:0.20 〜
0.60％、Ｐ:0.030％以下、Cr:11.0 〜14.0％、Ni:0.50
％以下、Nb:0.30 ％を超え0.60％以下、Ｎ:0.015％以
下、ただし、Ｃ＋Ｎ≦0.025 ％、Ti:0〜0.20％、Ｓ:0〜
0.010 ％、Mo:0〜1.50％、Al:0〜0.20％、Ca、Ｙ、La、
Ceの１種以上、合計で:0〜0.10％ただし、Ｓ:0.003〜0.
010 ％のときはTi:0.05 〜0.20％とする。

【００１５】残部がFeおよび製造上の不可避不純物から
成る化学組成を有する、自動車排気マニホールド用フェ
ライト系ステンレス鋼である。

【００１６】本発明の好適態様のいくつかを例示すれば
次の通りである。（１）重量％にて、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓｉ：０．８０〜１．５０％、
Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｃｒ：１１．０〜１４．０％、Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．００２％以下、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｎｂ：０．３０％を超え０．６０％以下、Ｎ：０．０１
５％以下、ただし、Ｃ＋Ｎ≦０．０２５％、残部がＦｅおよび製造上の不可避不純物から成る化学組成を有する、自動車排気マニホールド用
フェライト系ステンレス鋼。

【００１７】（２）重量％にて、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓｉ：０．８０〜１．５０％、
Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｃｒ：１１．０〜１４．０％、
Ｎｉ：０．５０％以下、Ｎｂ：０．３０％を超え０．６％以下、Ｔｉ：０．０５
〜０．２０％、Ｎ：０．０１５％以下、ただし、Ｃ＋Ｎ≦０．０２５％、残部がＦｅおよび製造上の不可避不純物から成る化学組成を有する、自動車排気マニホールド用
フェライト系ステンレス鋼。

【００１８】（３）重量％にて、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓｉ：０．８０〜１．５０％、
Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｃｒ：１１．０〜１４．０％、
Ｎｉ：０．５０％以下、Ｎｂ：０．３０％を超え０．６％以下、Ｔｉ：０．０５
〜０．２０％、Ｎ：０．０１５％以下、ただし、Ｃ＋Ｎ≦０．０２５％、残部がＦｅおよび製造上の不可避不純物から成る化学組成を有する、自動車排気マニホールド用
フェライト系ステンレス鋼。

【００１９】(4) 前記フェライト系ステンレス鋼が、さ
らに、Moを0.03〜1.50％の範囲で含有することを特徴と
する前記(1) 〜(3) のいずれかに記載された自動車排気
マニホールド用フェライト系ステンレス鋼。

【００２０】(5) 前記フェライト系ステンレス鋼が、さ
らに、Alを0.02〜0.20％の範囲で含有することを特徴と
する前記(1) 〜(4) のいずれかに記載された自動車排気
マニホールド用フェライト系ステンレス鋼。

【００２１】(6) 前記フェライト系ステンレス鋼が、さ
らに、Ca、Ｙ、La、Ceの少なくとも１種、総計で0.003
〜0.10％を含有することを特徴とする前記(1) 〜(5) の
いずれかに記載された自動車排気マニホールド用フェラ
イト系ステンレス鋼。

【００２２】

【作用】以下、本発明において鋼組成を上述のように限
定した理由を各合金元素の作用とともに詳述する。な
お、本明細書において「％」はとくにことわりがない限
り「重量％」を表すものとする。

【００２３】Ｃ、Ｎ：本発明のように、1.0 ％近くのSi
を含有する鋼においては特に、Ｃ、Ｎの含有量が高くな
ると、靱性を低下させ、加工性に悪影響をおよぼす。し
たがって、Ｃ、Ｎはできるだけ低いことが望ましく、こ
のためＣ：0.015 ％以下、Ｎ：0.015以下とし、かつＣ
＋Ｎ≦0.025 ％とする。好ましくはＣ＋Ｎ≦0.020 ％と
してもよい。好ましくはＣ:0.010％以下、Ｎ:0.010％以
下である。

【００２４】Si：Siは、本発明において耐酸化性および
耐熱疲労性、そして、耐高温塩害腐食性を改善するため
の重要な元素である。耐酸化性および耐高温塩害腐食性
は、Si量の増加と共に向上するが、0.8 ％未満ではその
効果が十分でない。望ましくは、1.0 ％以上であればそ
の効果が十分に得られる。また適量のSiの添加は高温強
度を向上させ、耐熱疲労特性の向上に寄与する。これは
高温で析出するLaves 相 (主にFe₂Nb)においてNbの一部
をSiが置換することにより、固溶Nbの低下を抑えて高温
強度を保持するからである。しかし、過剰の添加は、逆
にLaves 相の析出を促進し、高温強度を低下させるばか
りでなく、靱性、加工性を劣化させるので、上限を1.5
％とした。好ましくは 1.0〜1.5 ％である。

【００２５】Mn：Mnは、製鋼時の脱酸剤および熱間加工
性を向上する元素として知られる。しかし、MnＳを形成
し酸化の起点となったり、オ−ステナイト形成元素であ
ることから、耐酸化性にとって好ましくない。よって、
0.2 〜0.6 ％とした。好ましくは0.2 〜0.5 ％である。

【００２６】Cr：本発明において、耐酸化性確保に必須
な元素である。11％以下ではその効果が現れず、14％を
越えて添加すると、靱性、加工性、を劣化させるため、
上限を14％とした。好ましくは、Cr:12.0 〜14.0％であ
る。

【００２７】Ni：Niの添加は、靱性改善および耐高温塩
害腐食性向上に有効である。しかし、オ−ステナイト形
成元素であり耐酸化性に悪影響を及ぼすこと、さらに高
価であることから特に0.50％以下とした。

【００２８】Nb：Nbは、高温強度を向上させるうえで必
須の元素である。Nbは炭窒化物としてＣ、Ｎを固定する
作用があるため、必要なNb量はＣ、Ｎ量と相関がある。
本発明では、Nb:0.30 ％を超え、0.60％以下、 (Ｃ＋
Ｎ) ≦0.025 ％と規定することで、％Nb/(％Ｃ＋％Ｎ)
≧10とし、十分な高温強度を得るのに必要な固溶Nb量を
確保する。Nb量は、高温強度の点から必要な固溶Nb量を
確保する目的で多いほど望ましいが、0.3 ％以下では十
分な高温強度が得られず、一方、0.6 ％を超えて添加す
ると靱性に悪影響を及ぼすため、0.3 ％超0.6 ％以下と
した。好ましくは 0.4〜0.6 ％である。より好ましく
は、Nb％≧15 (％Ｎ＋％Ｃ) である。

【００２９】Ｓ：Ｓは製造上不可避不純物の一つである
が、Ｓ量が多いとMnと同様、耐酸化性の点から好ましく
ない。また、溶接性にも悪影響を与える。よって、不純
物としてはＳ：0.002 ％以下とした。ただ、脱Ｓを不十
分とすることでＳ：0.003 ％以上とした場合、Tiを0.01
％以上添加することにより、高温で安定なTi炭硫化物
(Ti( Ｃ、Ｓ))を形成し、酸化の起点となるMnＳの生成
を抑えて、耐酸化性への悪影響をなくすことができる。
一方、析出物の粒子系が大きくなって析出密度が低下す
るため、再結晶しやすくなる。これにより加工性が向上
する。したがって、Ｓは必要に応じて、Ti添加を前提に
合金元素として積極的に存在させてもよい。しかし、
Ｓ：0.010 ％を越えると、MnＳもしくはTiＳが形成され
て、耐酸化性を損なうので、上限を0.010 ％とした。

【００３０】Ti：Tiは、所望添加元素であり、Nbと同様
にＣ、Ｎの固定元素として有効であり、一部Nbを置換で
きる。また、NbとTiの複合添加は、再結晶温度を下げ加
工性の向上に寄与する。しかし、過剰の添加は、圧延時
の表面疵の原因となるため、Tiの上限は0.20％とした。
さらに、好適態様によれば、Nb／Tiの比を2.50〜5.0 と
すると熱疲労特性を一層向上することを知見した。よっ
て、Nb:0.30 ％を超え0.60％以下であることから、Ti:
0.05 〜0.20％とした。好ましくはTi:0.10 〜0.20％で
ある。より好ましくは (％Nb＋％Ti) ≧20 (％Ｃ＋％
Ｎ) である。

【００３１】Mo：Moは、所望添加元素であり、Nbと同
様、高温強度を向上させる元素として知られる。また、
耐高温塩害腐食性も向上させる。効果を十分得るために
は0.03％以上添加するのが好ましい。しかし、過剰の添
加は、加工性を低下させる。さらにコスト高となるた
め、上限を1.50％とした。好ましくは、0.1 〜1.0 ％で
ある。

【００３２】Al：Alは、所望添加元素であり、脱酸元素
として知られる。また、少量のAl添加により、靱性、耐
酸化性が向上することが知られている。特に、本発明に
かかる鋼のように1.0 ％近いSiを含有する場合には、酸
化増量を変化させずに、酸化スケールの耐剥離性を向上
させることができる。これにより、排ガス中への酸化ス
ケールの混入が抑制される。さらに、少量のAl添加は、
高温強度改善効果も有する。しかし、過剰の添加は加工
性の低下を招くため、0.02〜0.20％とした。好ましく
は、0.02〜0.1 ％である。

【００３３】Ca、Ｙ、La、Ce:CaおよびＹ、La、Ceとい
った希土類元素は、耐酸化性を向上させ、酸化スケール
の密着性を向上させることが知られている。本発明にお
いて必要に応じ添加することができる。また、脱Ｓ作用
を有する。その効果を充分発揮させるには0.003 ％以上
の添加が好ましく、0.10％をこえて添加すると靱性を劣
化させるので上限を0.10％とした。好ましくは、0.01〜
0.1 ％である。

【００３４】そのほか、製造上不可避不純物の一つとし
てＰが挙げられるが、靱性、加工性の点から、一般には
Ｐ:0.05 ％以下であればよいが、Ｐ：0.03％以下が望ま
しい。

【００３５】本発明にかかるフェライト系ステンレス鋼
の製造方法は、通常のフェライト系ステンレス鋼の製造
方法と本質的に変わらない。電気炉または転炉で溶製
し、AOD 炉、VOD 炉等で精錬して連続鋳造または造塊−
分塊法でスラブとし、以下、熱間圧延、冷間圧延の工程
を経て板とすればよい。これを素材として溶接管を製造
するが、排気マニホールド用素材となるのは、この溶接
管である。熱処理としては 900〜1050℃で 0.5〜30分均
熱したのち空冷する処理が望ましい。次に、実施例によ
って本発明の作用についてさらに具体的に説明する。

【００３６】

【実施例】まず、表１および表２に示される組成を有す
る鋼を、溶解、鍛造後、1200℃にて熱間圧延を行った。
その熱延板を焼鈍後、冷間圧延を施し、980 ℃にて仕上
げ焼鈍を行って、厚さ２mmの冷延板とした。これより、
厚さ２mmの常温および高温引張試験片、厚さ２mm×幅20
mm×長さ25mmの酸化試験片および高温塩害腐食試験片を
切り出した。

【００３７】さらに、冷延板を電縫溶接により製管し、
図１にその形状、寸法を示すような熱疲労試験片を作製
した。図１において、１が試験材の管で、２か所に径８
mmの穴 (２、３) を明け、冷却用エアーの供給口２およ
び排出口３とした。４は管の内面からの保持具 (芯金)
、５は試験機のホルダーへの取付け部である。管１と
保持具４は固定用ピンと端部の溶接部７によって固定さ
れている。

【００３８】高温引張試験は900 ℃にて行った。酸化試
験は、900 ℃×200 hr、大気中連続加熱条件で行った。
高温塩害腐食試験は図２に示す条件で行った。熱疲労試
験は、図１の試験片を使い、コンピュータ制御の電気的
油圧サーボ式高温熱疲労試験により、図３に示す温度サ
イクル、機械的歪み波形履歴をとる条件で、200 −900
℃、50％拘束にて試験した (拘束度η＝0.501)。

【００３９】これらの試験の結果は表３および図４〜図
５にまとめて示す。表３より、本発明鋼１〜25は、常温
伸び30％以上、900 ℃の引張り強度15Ｎ／mm²以上、90
0 ℃における前述の大気中連続加熱試験での酸化増量が
1.5 mg／cm²以下、高温塩害腐食試験後の板厚減少450
μm 以下、熱疲労試験での熱疲労寿命780 サイクル以上
と、耐高温塩害腐食性も考慮した排気マニホールド用材
料として優れた特性を有することがわかる。

【００４０】特に、本発明鋼11〜15に示すような0.020
〜0.20％のAlを含有すると、酸化増量は変化せずに酸化
スケールの耐剥離性が向上することが確認された。後述
する図６参照。

【００４１】さらに、本発明鋼16〜25に示すように、0.
003 〜0.10％のCa、Ｙ、La、Ceを添加すると耐酸化性が
向上することが確認された。比較鋼１は、Nbを含まずTi
を多量に含むSUH409Ｌ相当材であるが、900 ℃での引張
り強度、耐酸化性、熱疲労特性共に劣る。

【００４２】比較鋼２は、前述の特開昭60−145359号公
報開示の鋼組成に相当するものであり、Nbが0.30％以下
であるために、900 ℃での引張強度、熱疲労特性共に劣
る。比較鋼３はSiが0.80％未満、比較鋼５はCrが11.0％
未満であるため、耐酸化性および耐高温塩害腐食性が十
分でない。

【００４３】比較鋼４はSiが1.50％を、比較鋼６はMoが
1.50％をそれぞれ越えているため、常温伸び30％未満と
加工性に劣るため、製管が容易に出来なかった。比較鋼
７は、Mnが0.60％、Ｓが0.002 ％を越えており、耐酸化
性が十分でない。

【００４４】比較鋼８は、Ｃ＋Ｎが0.025 ％を超えてお
り、高温強度向上に必要な固溶Nb量が不十分になり、90
0 ℃での引張強度、熱疲労特性に劣る。比較鋼９は、比
較鋼８にMoを添加した鋼であるが、高温強度、熱疲労特
性の改善はほとんど認められなかった。

【００４５】図４は本発明鋼１を基本組成としてSi量を
変化させたときの大気中連続試験による酸化増量を表わ
したグラフである。Si:0.80 ％以上で耐高温酸化性が大
きく改善されるのが分かる。図５は同じく高温塩害腐食
試験での板厚減少を示すグラフである。

【００４６】図６は本発明鋼14を基本組成としてAl量を
変化させたときの大気中連続加熱試験での酸化増量、ス
ケール剥離量を示すグラフである。図７は、本発明鋼６
を基本組成としたときの熱疲労寿命に及ぼすNb／Tiの影
響を示すグラフである。

【００４７】

【表１】

【００４８】

【表２】

【００４９】

【表３】

【００５０】

【発明の効果】本発明により、排気温度900 ℃近傍に対
して、優れた耐酸化性、高温強度、熱疲労特性を有し、
しかも優れた外面側の耐高温塩害腐食性を有する、排気
マニホールドばかりでなくセンターパイプやフロントパ
イプへも適用可能であるフェライト系ステンレス鋼が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱疲労試験片の形状 (ゲージ長さ：12mm) の説
明図である。

【図２】高温塩害腐食試験の条件の説明図である。

【図３】熱疲労試験時の温度及びひずみ波形の説明図で
ある。

【図４】900 ℃×200 ｈ、大気中連続したときの耐酸化
性に及ぼす鋼中Si量の影響を示すグラフである。

【図５】耐高温塩害腐食性に及ぼす鋼中Siの影響を示す
グラフである。

【図６】900 ℃×200 ｈ、大気中連続加熱したときの酸
化スケールの耐剥離性に及ぼす鋼中Al量の影響を示すグ
ラフである。

【図７】熱疲労寿命に及ぼすNb／Tiの影響を示すグラフ
である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％にて、Ｃ:0.015％以下、Si: 0.80〜1.50％、Mn:0.20 〜0.60
％、Ｐ:0.030％以下、Cr:11.0 〜14.0％、Ni:0.50 ％以下、 Nb:0.30 ％を超え0.60％以下、Ｎ:0.015％以下、ただし、Ｃ＋Ｎ≦0.025 ％、 Ti:0〜0.20％、Ｓ:0〜0.010 ％、Mo:0〜1.50％、Al:0〜
0.20％、 Ca、Ｙ、La、Ceの１種以上、合計で:0〜0.10％ただし、
Ｓ:0.003〜0.010 ％のときはTi:0.05 〜0.20％とする。
残部がFeおよび製造上の不可避不純物から成る化学組成
を有する、自動車排気マニホールド用フェライト系ステ
ンレス鋼。