JPH03219055A

JPH03219055A - 耐食性の優れたエンジン排ガス系材料用ステンレス鋼

Info

Publication number: JPH03219055A
Application number: JP32833990A
Authority: JP
Inventors: Eiji Sato; 栄次佐藤; Akira Matsuhashi; 亮松橋; Toru Ito; 叡伊藤; Kazuhiro Tano; 和広田野; Kenichi Asakawa; 麻川　健一
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-11-29
Filing date: 1990-11-28
Publication date: 1991-09-26
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: JPH0747799B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、自動車やオートバイのエンジンなどの排気ガ
ス用マフラーやその前後の排気管内（以下総称してマフ
ラーという）で生成する湿潤ガス・排ガス凝縮液中で耐
食性、および局部腐食の発生停止特性の優れた性能を有
するステンレス鋼に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、自動車、オートバイの場合、エンジンで発生した
高温の排気ガスは、エキゾーストマニホ−ルド、コンバ
ーターなどを通過後センターパイプ、マフラー、テール
パイプを経て排気系から排出される。エンジン始動時は
、マフラーの温度が低いために排ガス中の水分が凝縮し
た凝縮液がマフラー内壁面に付着し、また、マフラー底
部に滞留する。このように生成した凝縮液中には、燃焼
排気ガス中にＣＯ３−、ＮＨ４”　、５Ｏ４−、Ｎ（ｈ
−その他Ｃ１”や微量の有機物が含まれ、マフラーの耐
食性に影響する。その過程は、排気ガス温度の上昇と共
にマフラーの温度も上昇し、生成した凝縮液中に含まれ
るアンモニアなどが揮発するため、凝縮液の液性はアル
カリ性から酸性に変化していく。

このような環境に適合したマフラーを作るには、アルカ
リ性から酸性までの環境に対して耐食性を示すＡｆｆｉ
メツキ鋼板やＣｒ含有鋼板が用いられてきた。

［発明が解決しようとする課題〕しかし、近年の排気ガス規制強化に伴い、マフラーの使
用条件も多様になってきた。このような使用条件に対し
ては、前記の鋼板で構成されたマフラーでも、充分な耐
食性を得ることはできず、比較的短時間で使用寿命に至
るのが現状であり、自動車の安全性、長寿命化の観点か
ら、より優れた耐食性材料が望まれていた。こうした要
求に対して、すでに５％から１０％Ｃｒ含有鋼（特開昭
６３−１４３２４０号公報、特開昭６３−１４３２４１
号公報参照）が提案されているが、近年の長寿命化の要
望に応えきれていないのが現状である。

本発明は、こうした状況を踏まえてあらためて実際に使
用されているマフラーの実態を詳細に（腐食形態・環境
分析など）解析し、その結果に基づいて得られた腐食環
境条件下でステンレス鋼の主要成分であるＣｒ、Ｍｏ、
Ｔｉ、Ｎｂの成分の影響、さらにＮｉ、Ｃｕ、Ｗ、　　
Ｖ、　Ｚｒ、（：ａ、Ｃｅのそれぞれ単独、あるいは共
存添加時の耐食性（局部腐食の発生・停止特性；以下耐
食性という）におよぼす影響を検討し、各元素の効果を
明確にすることにより、実際のマフラーへの適用におい
ても優れた耐食性を示し、当該機器の長寿命化・安全性
・環境汚染防止などを長期にわたって確保することを可
能にし、かつ造管装置も普通鋼製造プロセスを利用し、
薄板を製造することによりランクフォード（ｔｉ！（Ｆ
ｌ、　７以上）を得ることにより板材、管材の加工性の
優れた自動車・オートバイなどのエンジン排ガス用ステ
ンレス鋼を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上述のような観点から、従来のマフラーに対比して一段
と優れた耐食性と加工性を示すマフラーを開発すべく研
究を行った結果、以下のような知見によって達成できる
ことを明らかにした。

■マフラーの凝縮液中での腐食形態は、実際の環境での
腐食形態がＣｒ含有鋼はど局部腐食的となり、実験室的
に評価していくためには、この点を考慮した評価手法を
考慮する必要がある。

■マフラー材として厳しい環境でも長期間使用できる材
料を開発するため、先ず実走行された各地区のマフラー
を調査した。その結果、腐食による穴あき発生は、材料
の母地の局部腐食によるものと結晶粒界が腐食して穴あ
きに至るものの２種類あり、５ＵＨ４０９，５ＵＳ４３
０ＬＸ。

５ＵＳ４３６Ｌは母地が腐食される局部腐食であり、５
ＵＨ４０９（７）溶接部や５ＵＳ４３０ＬＸと５ＵＳ４
３６ＬのＴｉ／Ｃ十Ｎが１０未満およびＮｂ／Ｃ＋Ｎが
５未満の材料については溶接部に粒界腐食が発生するこ
とを見出した。そして、粒界腐食の原因は溶接冷却時に
結晶粒界に析出したＣｒ、、Ｃ，近傍のＣｒ欠乏層であ
ることがわかった。

本発明は、このような調査や各種合金の耐食性研究の結
果、母地のＣｒ量は１２．０％以上必要なこと、溶接部
に析出するＣｒ２３Ｃ，を防止するにはＴｉ／Ｃ十Ｎが
１０以上、およびＮｂ／　Ｃ＋　Ｎが５以上必要である
こと、また、本発明の特徴である造管時の加工性や造管
後の加工性を向上させる方法を探索した結果、Ｓｉ含有
量を低くし、固溶Ｓｔによる硬化をできるだけ抑えるこ
とと普通鋼プロセスの大径ロールによる冷間圧延により
、従来のゼンジマープロセスでは得られない高ランクフ
ォード値（Ｆ）を有した薄板製造が可能であることを見
出した。また、ＴｉおよびＮｂ含有量は粒界腐食防止に
必要な量にとどめ、加工性や二次加工性を劣化させず、
また再結晶温度をできるだけ抑え、普通鋼ラインでも製
造できる量とすること等を考慮した。

本発明は、このような観点に立って基本的に次のＣｒ；
１２〜２０．０％、　Ｍｏ；０．２〜３．０％の複合添
加を基本に、Ｎｂ；５Ｘ（Ｃ％＋Ｎ％）〜０．５％、Ｔ
ｉ；ｌ０Ｘ（Ｃ％＋Ｎ％）〜０．５％の１種または２種
を含有し、残部が実質的にＦｅと不可避的不純物からな
るステンレス鋼で、エンジン排ガス環境で優れた耐食性
と優れた加工性を示す。これにさらなる耐食性を付与す
るため、Ｎｉ；０．１〜１．０％。

Ｃｕ　；　０．０３〜１．０％、　Ｗ　；　０．０５〜
０．５％、■；０．０５〜０．５％、　Ｚｒ；　０．０
５〜１．０％をそれぞれ１種または２種以上を含有せし
めたエンジン排ガス環境用ステンレス鋼である。

さらに、本発明はＣａ　、　Ｃｅを局部腐食の発生点と
なり得るＭｎＳ系介在物の生成を抑制し、耐食性を改善
するためにそれぞれ０．００１％以上０．０３％以下で
１種または２種を含有せしめたエンジン排ガス環境用ス
テンレス鋼である。

〔作　用〕

ステンレス鋼のマフラー環境での腐食挙動を解析し、そ
れに適した材料を開発していくためには、マフラー内の
環境を化学的に解析し、ステンレス鋼の腐食挙動に影響
する環境要因を明確にすべく、実環境をシミュレートし
た試験環境での耐食性評価を行う必要がある。

そこで、本発明者らは、マフラー内部の各部位から採取
された内面付着物（腐食生成物）と凝縮液を化学的に解
析し、分析結果に基づいて模擬凝縮液を作製した。また
、マフラー内部の腐食挙動は、八！めっき鋼板の場合、
全面腐食的であるが、Ｃｒ含有量の高い鋼板の場合、局
部腐食的となることが明らかとなった。鋼中のＣｒ含有
量が増加するに従って、腐食形態はより局部腐食的とな
ることから、この局部腐食性を評価することが重要であ
る。

そこで、本発明者らは、分析結果に基づいて凝縮液環境
を硫酸イオン（５０００ｐｐ僧）　、炭酸イオン（３０
００ｐｐｍ）　、塩化物イオン（１０００ｐｐ−）、硝
酸イオン（１００ｐｐｍ）、ギ酸（１００ｐｐｍ）を所
定の量添加調整して凝縮液環境シミュレート液を作製し
た。

この環境での後述する電気化学的な局部腐食評価を１２
％から２０．０％までのＣｒ含有鋼とさらに、Ｍｏ含有
量を０．２％から３％まで変化させた鋼種、およびこれ
にＴｉ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｗ、　　Ｖ、　Ｚｒ、Ｃａ
＋Ｃｅの含有量をそれぞれ変化させた鋼種により試験を
実施した。得られた局部腐食特性値（局部腐食発生特性
値：Ｅｌ）の各合金成分の依存性を多重回帰解析するこ
とにより（局部腐食発生特性値：ＥＩは、合金成分依存
性の形で、Ｅｌ　＝Ａ＋Ｂ　−ＣＩで整理された）新し
く局部腐食発生抑制に対する各合金成分の依存性を示す
指標として、Ｃ１値＝Ｃｒ＋２．０Ｍｏの関係を得た。

この関係から、表１に示した比較鋼（ｋ２２，２３．２
４）よりも高い局部腐食発生電位をもつ合金系として、
Ｃ５値は１２．４以上２４．５以下を設定した。

ステンレス系マフラー材料に要求されるもう一つの特性
は、局部腐食の発生し難さと同時に、もし発生しても発
生した局部腐食の板厚方向への進展速度が遅いことが要
求される。これを評価するため、比較鋼に対応してＣｒ
、Ｍｏ量をそれぞれ変化させた鋼、およびこれにさらに
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、　ｗ。

Ｖ、　Ｚｒ、Ｃａ、Ｃｅを添加した材料について、上記
、模擬凝縮液中で各試料を一定時間浸漬し、試料表面に
生じた局部腐食深さにより評価した。その結果を表１に
示した。

以下に、マフラー材料としての成分限定理由を述べる。

ＣＴＣは、溶接部の結晶粒界にＣｒｚｉＣａとなって析
出し、粒界腐食の原因となるので低い方がよい。

また母材の強度や加工性、靭性の点からも低い方が好ま
しいが、製鋼に時間を要し、コストアップとなる。しか
し、本発明の特徴である耐食性および加工性を改善する
ために、特に０．０１０％以下と極めて低い値に限定し
た。

Ｓｉ；Ｓｉは、脱酸作用があるが、０．０１％未満では
、効果は期待出来ない。また、０．８％を越えると加工
性が著しく劣化する。表面処理性および加工性を考慮す
ると０．２％以下が望ましいことから、０．２％以下と
した。

Ｍｎ　：　Ｍｎは、排ガス凝縮液環境での耐食性に特別
に影響を及ぼさないが、通常の成分含有量として、０．
０５％以上１．５％以下を規定した。

Ｃｒ　；　Ｃｒは、本発明の基本成分である。凝縮液を
含む環境など高い耐食性を要求される環境では、Ｍｏさ
らに必要に応じてＮｉ、Ｃｕなどと共存の形で１２％以
上の添加が必要である。多いほど耐食性、耐酸化性は向
上するが、２０．０％を越えてもその耐食性は飽和する
。また、作り込みが難しく経済的にも高価となる。

Ｍｏ　；　Ｍｏは、Ｃｒさらに必要に応じて、Ｎｉ、Ｃ
ｕなどと共存の形で添加され、凝縮液環境での局部腐食
発生、進展を抑制するために必須の元素である。

０．２％以上３．０％以下の添加でＣｒ、およびその他
の特許請求の範囲記載の各成分（以下その他元素という
）との共存で極めて効果的となる。

０．２％未満では、耐食性は、不十分となるが、３．０
％を越えても耐食性の改善にそれほど寄与しないし、且
つ、高価となる。

＾ＩＨＡＩは、脱酸剤として、０．１％以下の範囲で添
加される。０．１％を越えると耐食性、熱間加工性を劣
化させる。また、０．００５％未満では効果がない。

ＮＵＮは、ステンレス鋼の耐食性を劣化させる元素で、
少ない程良いので、０．０１５％以下とした。

ＦＤＰは、凝縮液環境における耐食性に影響するので、
少ない程良い。０．０２５％を越えると耐食性が劣化す
る。

ＳＯ３も、凝縮液環境における耐食性に影響する元素で
低い程よいので、上限を０．０１０％とした。

Ｔｔ；Ｔｉは、ＣまたはＮを固定し、ステンレス鋼の耐
食性の劣化を防ぐ。Ｃａと共存してＯを固定し、Ｓｉ、
Ｍｎの酸化物の生成を抑制し、熱間加工性と耐食性を向
上させる。０．５％を越えると熱間加工性を劣化させる
。実走行マフラー調査や粒界耐食性評価の結果Ｔｉ量は
、ｌ０Ｘ（Ｃ％＋Ｎ％）以上必要であることが明らかと
なったことから、これを下限とした。

Ｎｂ　、　Ｎｂは、ＣまたはＮを固定し、ステンレス鋼
の耐食性の劣化を防ぐ。０１５％を越えると熱間加工性
を劣化させる。粒界腐食性評価結果から、Ｎｂ量は、５
×（Ｃ％＋Ｎ％）以上必要であることが明らかとなった
ことから、これを下限とした。

なお、上記のＴｉ、　Ｎｂは、その１種または２種を添
加する。

Ｎｉ；Ｎｉは、本発明ステンレス鋼の選択添加成分であ
る。凝縮液を含む環境など高い耐食性を要求される環境
では、Ｃｒ、　Ｍｏ、その他元素と共存して用いられる
。局部腐食進展抑制に効果的であるが、０．１％未満で
は効果がなく、１．０％を越えるとその効果は飽和し、
また、経済的にも高価となる。

Ｃｕ　；　Ｃｕは、Ｃｒ、　Ｍｏをベースとした成分系
、さらにＮｉ、その他元素と共存の形で添加され、凝縮
液を含む環境での耐食性を得るための添加元素である。

０．０３％以上で共存効果が著しく、また１、０％を越
えると耐食性は飽和し、且つ熱間加工性を劣化させる。

Ｗ；Ｗの共存添加は、ステンレス鋼の耐食性、局部腐食
性を向上させるので、必要に応して０．５％以下で添加
する。０．５％を越えるとその効果は飽和する。０．０
５％未満では効果はない。

■：■の共存添加は、ステンレス鋼の耐食性、局部腐食
性を向上させるので、必要に応じて０．５％以下で添加
する。０．５％を越えるとその効果は飽和する。０．０
５％未満では効果はない。

Ｚｒ　；　Ｚｒの共存添加は、ステンレス鋼の耐食性、
局部腐食性を向上させるので、必要に応じて１．０％以
下で添加する。１．０％を越えるとその効果は飽和する
。０．０５％未満では効果はない。

Ｃａ、　Ｃｅ　；Ｃａ、　Ｃｅは、低硫黄鋼中でＡｌと
共存してＯを固定し、凝縮液中での局部腐食の発生起点
となり得るＭｎＳ系の介在物の生成を抑制し、耐食性を
改善する。Ｃａ、　Ｃｅは、それぞれ０．００１〜０．
０３％の範囲で１種または２種が必要に応じて添加され
る。

〔実施例〕−１本発明のエンジン排ガス用マフラー材料の特性を実施例
により説明する。

表１に、本発明鋼および比較鋼の化学成分組成を示す。

本発明鋼は通常の真空溶解炉を用い、表１に示される成
分組成の鋼を溶製した。インゴットに鋳造後、通常の加
熱条件で熱延し、適切な熱処理後試験に供した。

表１の局部腐食発生電位は、電気化学的な局部腐食発生
評価試験（Ａ）によって得られた値で、この値が大きい
ほど局部腐食が発生し難いことを示している。

局部腐食評価試験（Ａ）は、第１図に示した局部腐食評
価試験用試験片を用いた。第１図中、１はリード線、２
は試験面以外をシールした部分、３は試験面、４はポリ
カーボネート製ボルト・ナツトを示す。これにより試験
面上に人工的に隙間を生成し、局部腐食の発生を加速で
きるようにした。この試験片を用いて、模擬凝縮液環境
中で第２図に示すように自然電位（Ｅｃｏｒｒ）より、
電位をアノード方向に２０　ｍＶ／＋ｍｉｎで掃引した
とき、電流密度が１００μＡ／ｃｄに達した点の電位を
局部腐食発生電位と規定した。この電位が大きい値を示
すほど、局部腐食は発生し難い傾向を示す。

また、局部腐食深さ試験（Ｂ）は、凝縮液環境において
、輻（Ｗ）　：　５０　ｍｍ、長さ（ｆ）　　：　６０
＋ｕ＋。

板（ｔ））　：　１．２　ｍｓ＋の形状の試験片を用い
、試験片表面を＃３２０研磨後、脱脂して、試験を行っ
た。

試験環境は、硫酸イオン（５０００ｐｐｍ）　、炭酸イ
オン（３０００ｐｐ＋ｍ）　、塩化物イオン（１０００
ｐｐｍ）　、硝酸イオン（１００ｐｐｍ）　、ギ酸（１
００ｐｏｐｍ）を所定の量添加調整して作製した凝縮液
を用いた。試験方法は、硝子製ビーカー（２００ｃｃ）
を用い、この中に試験片を立てておき、試験片の半分ま
で浸漬されるように凝縮液１００ｃｃを入れた。その後
、ビーカーを沸騰条件で２時間加熱し、２４時間静止を
３０日間繰り返した。試験後試験片上に観察された局部
腐食の深さをすべて測定し、その内の最大深さで評価し
た。

〔実施例〕−２さらに、実製造プロセスによって製造された材料の緒特
性を評価するため、表２に示す化学成分からなるステン
レス鋼を普通鋼製造と同一の設備を用いて、転炉出鋼、
熱間圧延、酸洗、冷間圧延、焼鈍、酸洗、調質圧延を順
次行って、板厚０．６１の製品とした。製品の特性を評
価するために、■腐食試験Ａ法（ＪＩＳＺ２３７１の塩
水噴霧試験６ｈｒ−＋７０°Ｃ温風４　ｈｒ−＋　４９
　’Ｃ１Ｃ１０８％４ｈｒ→−２０°Ｃ冷凍４ｈｒの繰
り返しを２８日間行い、腐食深さを求め、５年程度のマ
フラーとしての耐食性を有するために０．１０ｍｍ以下
を目標とした。）、■腐食試験Ｂ法（０，５％ＮａＣ１
＋　０．２％Ｈ２０□の溶液を用い、ＪＩＳＺ２３７１
に準拠して４日間行い、発錆ランクをＡ（良）〜Ｆ（不
良）とし、■と同様の理由からＡ−Ｃを目標とした。）
、■腐食試験Ｃ法（ＴＩＧ溶接後、Ｊ　Ｉ　Ｓ　００５
７５のステンレス鋼の硫酸・硫酸ｗＡｌ１１食試験を１
６時間行った後、内面の半径０．３＋＋ｕｗで曲げを行
い、外面の溶接部、熱影響部の粒界腐食割れの有無を観
察し、■と同様の理由から、割れなしを目標とした。）
、■引張試験（０，２％耐力、伸びを求め、普通鋼製造
ラインでの造管性および板や管としての加工性から、０
．２％耐力は３０　ｋｇｆ／ｍｍ２以下、伸びは３０％
以上を目標とした。）、■ランクフォード値（管や板材
の加工性の評価基準には、ランクフォード値（Ｆ）が用
いられている。普通鋼プロセスを用いることでＦ（直を
大幅に改善できることから、７値１．７０以上を目標と
した。）、■二次加工試験（板厚０．６ｍｍから０．４
２ｓ＋ｓまで冷間圧延で加工を行った後、曲げの綾線が
圧延方向と平行になるように密着的げを行い、割れの程
度により１（割れなし）〜６（激しい割れ）のランク付
を行い、板や管の加工性から、１を目標とした。）の試
験を行った。

〔発明の効果〕

本発明鋼は、表１の局部腐食発生特性、および局部腐食
深さから比較鋼に比べ、いずれの鋼種も優れた耐食性を
示していた。また、表２の実機製造実施例の結果からも
、本発明鋼が耐食性および加工性に優れた特性を有する
ことを示していた。

このことから本発明鋼は、エンジン排ガス環境のような
腐食性の厳しい凝縮液環境において、長期にわたって優
れた耐食性を示し、かつ高加工性を有した材料であり、
実用的に極めて有効であることを示している。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、電気化学的な局部腐食発生評価試験に
用いた試験片形状を示す側面図、同（ｂ）は、その正面
図である。第２図は、電気化学的な局部腐食発生評価試験法を説明
するための線図である。１・・・リード線、２・・・シール部、３・・・試験面
、４・・・ボルト・ナツト。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％でＣ：０．０１０％以下、Ｓｉ：０．２％以下、Ｍｎ：０．０５％以上１．５％以下、Ｃｒ：１２％以上２０．０％以下、Ｍｏ：０．２％以上３．０％以下、Ａｌ：０．００５％以上０．１％以下、Ｎ：０．０１５％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１０％以下で、さらにＴｉ：１０×（Ｃ％＋Ｎ％）以上０．５％以下、
またはＮｂ：５×（Ｃ％＋Ｎ％）以上０．５％以下をそ
れぞれ１種または２種を含有し、残部がＦｅと不可避的
不純物からなることを特徴とする耐食性の優れたエンジ
ン排ガス系材料用ステンレス鋼。
（２）さらにＮｉ：０．１％以上１．０％以下、Ｃｕ：
０．０３％以上１．０％以下、Ｗ：０．０５％以上０．
５％以下、Ｖ：０．０５％以上０．５％以下、Ｚｒ：０
．０５％以上１．０％以下を１種または２種以上含有す
ることを特徴とする請求項１記載の耐食性の優れたエン
ジン排ガス系材料用ステンレス鋼。
（３）さらに、ＣａまたはＣｅをそれぞれ０．００１％
以上０．０３％以下で１種または２種含有することを特
徴とする請求項１または２記載の耐食性の優れたエンジ
ン排ガス系材料用ステンレス鋼。