JP4327629B2 - オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

本発明は、高温塩害腐食に対する耐食性が要求される自動車用排気管などに使用する材料として好適なオーステナイト系ステンレス鋼に関する。詳しくは、凍結防止のために融雪剤を道路に撒く地域を通行する自動車の排気管などで問題になる、ＮａＣｌ、ＣａＣｌ₂、ＭｇＣｌ₂、ＫＣｌなどの塩化物塩による高温塩害腐食に対し、重ね合った板間の隙間部において腐食抵抗を高めたオーステナイト系ステンレス鋼に関する。

従来、たとえば自動車用の排気管部材には、ＳＵＳ３０４に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼が一般に用いられている。この種のオーステナイト系ステンレス鋼は、要求される特性として、高温強度、耐高温酸化性、疲労寿命、成形性、溶接性などの基本的材料特性に加え、自動車が凍結防止のための融雪剤を散布した道路を通過することを考慮すると、ＮａＣｌ、ＣａＣｌ₂、ＭｇＣｌ₂、ＫＣｌなどの塩化物塩に対して耐高温塩害腐食性に優れた特性を保有していることが重要である。

そのため、従来は、この種のオーステナイト系ステンレス鋼に対し、耐高温塩害腐食性を保有させるために、特開２００３−２６８５０４号公報や特開２００１−５９１４１号公報などで開示されたような対策・改善が一般に行われている。
特開２００３−２６８５０４号公報 特開２００１−５９１４１号公報

従来のこれら対策材は、塩化物塩を付着させ、大気雰囲気中で６５０℃以上の高温に加熱される環境下で優れた耐食性を示す。他方、長時間走行した後の実車の排気管における腐食状況を観察すると、大気に触れる部分の腐食は軽微であるが、重ね合った板間の隙間部分では、粒界浸食型の腐食がかなり進行している。

そこで、この状況を実験室的に再現するため、隙間構造を有する試験片を用いて高温塩害腐食試験を実施した。その結果、６５０℃以上の高温域では、前記隙間部と大気側（非隙間部）の双方で速やかに腐食が進行し、前記従来の対策材は高い抵抗力を示した。他方、５００〜６００℃の中温域では、大気側（非隙間部）の腐食が急速に軽減されるのに対し、隙間部では、粒界型の腐食が進行し、実車の排気管の腐食形態と類似の腐食形態を示した。この中温域で発生する隙間部の塩害腐食に対して、前記従来の対策材は十分な抵抗力を示さず、該隙間部での腐食は、６５０℃以上での大気側（非隙間部）の腐食とは腐食機構の異なる現象と判断された。また、粒界型の腐食は、応力が集中しやすい形状であり、疲労破壊の起点となり得ることから、排気管の寿命に大きな影響を与える因子となる。そのため、従来の耐高温塩害腐食の対策材は、実環境で自動車用排気管の耐久性を十分改善したとは言えず、従来、この隙間部での耐高温塩害腐食性を改善することが課題であった。

そこで、本発明の目的は、自動車用排気管などの寿命延長のために、重ね合った板間の隙間部に生ずる高温塩害腐食に対して優れた耐食性を有するオーステナイト系ステンレス鋼を提供することにある。

そのため、本発明者らは、上述のように分析し、隙間部での高温塩害腐食が粒界型の腐食であり、６５０℃以上の大気側非隙間部での高温塩害腐食とは異なるメカニズムであることに着目し、鋭意研究を重ねた結果、下記の如く構成した化学組成からなるオーステナイト系ステンレス鋼によれば、隙間部で生じる高温塩害腐食を抑制し、たとえ寒冷地使用される、自動車用排気管などの材料として用いられた場合でも、その寿命を著しく延長させることができることを見い出し、本発明を完成するに至った。

そこで、請求項１に記載の発明は、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：１．５〜２．５％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｒ：１９．０〜２１．０％、Ｎｉ：９．０〜１３．０％、Ｍｏ：０．７〜２．０％、Ｃｕ：１．５〜２．５％、Ｎ：０．２０％以下であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼で、重ね合った板間の隙間部に発生する高温塩害腐食に対して優れた耐食性を有し、自動車用排気管として用いてなることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼において、前記自動車用排気管が、波板を螺旋状に巻いて多層状とした可撓管であることを特徴としている。

本発明のオーステナイト系ステンレス鋼によれば、大気側の非隙間部だけではなく、隙間部に生じる高温塩害腐食に対しても優れた耐食性を示し、たとえ寒冷地で使用される、自動車用排気管等に用いられた場合であっても、寿命を著しく延長させることができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼は、その化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｃｒ：１８．０〜２３．０％、Ｓｉ：１．５〜２．５％、Ｎｉ：９．０〜１３．０％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｍｏ：０．７〜２．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｃｕ：１．５〜２．５％、Ｓ：０．０２％以下、Ｎ：０．２０％以下であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。そして、本発明鋼は、従来からあるＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌなどの一般的なオーステナイト系ステンレス鋼と同様の手段で溶製し、熱間圧延や冷間圧延を経て薄鋼板を製造する。この薄鋼板を波板状に成形した後、螺旋状に巻いて多層状とした可撓管に加工し、たとえば自動車用排気管に用いられる。そこで、以下、非隙間部は自動車用排気管の大気に触れる部分を示し、隙間部は重ね合った波状薄板間の僅かな隙間を示すこととする。

さて、本発明鋼において、「Ｃ」はオーステナイト組織の安定と高温強度を高めるために有効であるが、６００℃程度の高温になると、Ｃｒと炭化物を形成し結晶粒界の耐食性を損なうことが知られており、０．０８％以下であることが求められる。

「Ｓｉ」は、耐酸化性及び耐高温塩害腐食性の向上に効果があり、大気雰囲気下の非隙間部での高温塩害腐食に対して３％を越えてもさらに高い方が有効であるが、隙間部での高温塩害腐食に対して２％以上では効果は飽和傾向にある、また、２．５％を越える高Ｓｉになると、製造時の熱間加工性を悪くする。一方、１．５未満では高温塩害腐食に対する効果が不充分であり、従って１．５〜２．５％が適当である。

「Ｍｎ」は、溶製時の脱酸材として０．４％以上添加が必要である。溶接高温割れに有害なＳをＭｎＳとして固定できるが、２％を超えてもその効果は向上しないため、０．４〜２．０％とする。

「Ｐ」および「Ｓ」は、溶接高温割れに有害である。そこで、「Ｐ」は０．０４％まで許容され、「Ｓ」は０．０１％以下に低減することが望ましいが、０．０２％まで許容される。

「Ｃｒ」は、６５０℃以上の大気雰囲気（非隙間）の高温塩害腐食では有害であるために減量が望ましく、室温環境の腐食に対してはＣｒが多い方が耐食性は良好である。実車で中心となる６００℃以下の隙間部における高温塩害腐食に対して、最も腐食量が少ないのは２０％前後であり、それより多くても少なくても腐食量は増大する。高温塩害腐食に対して有効である含有量は、１８．０〜２３．０％であるが、望ましくは１９．０〜２１．０％である。

「Ｍｏ」は、耐酸化性の向上に効果があり、そのためには０．７％以上が必要である。また、２％を越えても耐酸化性の向上効果が増大しない上に、高価であることと、製造時に熱間割れを生じることから、０．７〜２．０％とする。

「Ｃｕ」は、隙間部における耐高温塩害腐食性の向上に効果があり、そのためには１．５％以上が必要である。また、２．５％を越えても、隙間部における耐高温塩害腐食性の向上効果が増大しない上に、製造性を低下させることから、１．５〜２．５％とする。

「Ｎ」は、オーステナイト組織の安定と高温強度を高めるのに有効であるが、耐力を高くすることで冷間圧延時の生産性を低下させることから、０．２０％以下とする。

「Ｎｉ」は、オーステナイト生成元素としてオーステナイト系ステンレス鋼の基本元素であり、溶接時のδフェライト生成が適量となるよう９．０〜１３．０％とする。

なお、残部は、「Ｆｅ」および不可避的不純物からなる組成配分とする。

次に、以下に示す実施例に基づいて、本発明を更に詳細に説明するが、本発明は、この実施例に限定されるものでないのは、勿論である。

本発明者らは、本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼の効果を確認するための試験を行った。この試験では、下記の「表１」に示す発明鋼および比較鋼を高周波溶解炉で所定の化学成分に溶解し、鋼塊を得た。更に、この鋼塊を熱間圧延および冷間圧延により厚さ０．５ｍｍの板を得、１１００℃にて溶体化処理を行い、表面の酸化スケールを除去した。この板から幅３０ｍｍ長さ６０ｍｍの小片を切り出し、その小片を２枚重ね、２つの長辺と１つの短辺をシーム溶接機により溶接し、一つの短辺部分が開口した腐食試験片を作製した。

高温塩害腐食試験は、１０質量％のＮａＣｌと１０質量％のＣａＣｌ₂を含んだ水溶液を融雪剤の模擬液とし、この水溶液中に腐食試験片を、超音波をかけながら５分間浸漬し、その後、大気雰囲気の電気炉中で実車を模擬するのに好適である温度６００℃にて２時間の加熱を行う。試料は、開口部が横に位置するような試料台を用い、立て掛けて電気炉内に設置した。これを１サイクルとする。そして、２０サイクル繰返す腐食試験を行った。

次いで、この高温塩害腐食試験により得た試料の断面写真から板厚を測定し、各試料の腐食量を評価した。腐食量は、試験片の外面側の非隙間部と、隙間部側でそれぞれ求めることとした。開口部のある試料とは別に、開口部のない４辺を溶接した試験片を同時に試験し、外面側非隙間部の腐食量を測定する。そして、開口部がある腐食試験片の両面の腐食量の和から、別に測定した開口部がない腐食試験片の外面側の腐食量を引いた値を隙間部側の腐食量とした。腐食試験の結果、隙間部分の腐食量は、「表１」及び「図１」に示す結果となり、隙間部の腐食量について、発明鋼は比較鋼に比べて腐食量が少ないことが判る。また、Ｃｒ量と腐食量の関係は「図２」に示す結果となり、２０質量％付近が最も腐食量が少ない。

本発明鋼と比較鋼の隙間部における腐食量の試験結果を示すグラフである。 Ｃｒ量と、隙間部での腐食量との関係を示すグラブである。

Claims (2)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．０８％以下、 Ｃｒ：１９．０〜２１．０％、
   Ｓｉ：１．５〜２．５％、 Ｎｉ：９．０〜１３．０％、
   Ｍｎ：０．４〜２．０％、 Ｍｏ：０．７〜２．０％、
   Ｐ ：０．０４％以下、 Ｃｕ：１．５〜２．５％、
   Ｓ ：０．０２％以下、 Ｎ ：０．２０％以下であり、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、重ね合った板間の隙間部に発生する高温塩害腐食に対して耐食性に優れ、自動車用排気管として用いてなる、オーステナイト系ステンレス鋼。
2. 前記自動車用排気管が、波板を螺旋状に巻いて多層状とした可撓管である、請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。

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