JP5717359B2

JP5717359B2 - メタルガスケット用耐熱オーステナイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP5717359B2
Application number: JP2010127403A
Authority: JP
Inventors: 尚仁熊野; 中村　定幸; 定幸中村; 学奥
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2030-06-03
Also published as: JP2011252208A

Description

本発明は、内燃機関のエンジン，排気ガス経路部材（エキゾーストマニホールド，触媒コンバータ），EGRクーラーならびにターボチャージャー等の高温雰囲気に曝されても、優れた耐へたり性を維持するメタルガスケットとして使用されるオーステナイト系ステンレス鋼に関する。

加熱・冷却が頻繁に繰り返される雰囲気に曝されるエンジン等には従来からメタルガスケットが使用されてきたが、エンジンの高性能化や環境規制に伴い排気ガス温度が上昇し、６００〜８００℃の温度に曝されるガスケットが増加している。ガスケットが曝される温度の上昇にともない、従来のガスケット材では以下の課題を生じている。

特開平７−３４０６，特開２００８−１１１１９２に代表されるＳＵＳ３０１系の加工誘起マルテンサイト相に強化された材料や、特開平７−２７８７５８に代表されるＳＵＳ４３１系の焼入−焼戻マルテンサイト相に強化された材料は、加熱される温度がマルテンサイト相の分解温度に相当するため軟化が著しく耐へたり性に劣る。

ＪＩＳＧ４９０２（耐食耐熱超合金板）に規定されるＮＣＦ６２５，ＮＣＦ７１８やＪＩＳＧ４３１２（耐熱鋼板）に規定されるＳＵＨ６６０等の析出強化系の材料は使用中に微細析出物を生成するため、６００〜８００℃の析出強化には有効であるが、高価なＮiが多量に含まれるためコスト高となる。

これらの課題を解決させるために、特開２００３−８２４４１ではＮとＮｂにより強化されたＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼が、また、特開平７−３４０７，特開平９−２７９３１５，特開平１１−２４１１４５では、Ｎにより強化されたＦｅ−Ｃｒ−Ｍｎ−Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼が開示されており、一部の耐熱用ガスケットに適用されつつある。

しかし、これらの鋼はNを多く含むために降伏応力（０.２％耐力）が非常に高くなるという課題を有する。すなわち、ガスケットに必要な平坦度を矯正加工にて確保するには焼なまし材で比較的軟質であることが望ましく、使用中の耐熱性を確保するには高温でのへたり性に優れることが望ましいが、多量にNを添加する鋼では前者の特性を満足するとは必ずしも言い難いからである。

以上述べたように、Ｎｉを多量に含まないオーステナイト系ステンレス鋼において初期の耐力が比較的低く、高温での耐熱性（へたり性）に優れた低Ｎ鋼が必要となってきているが、その成分系は必ずしも明確化されていないのが現状であった。

特開平７−３４０６号公報特開平８−１１１１９２号公報特開平７−２７８２５８号公報特開２００３−８２４４１号公報特開平７−３４０７号公報特開平９−２７９３１５号公報特開平１１−２４１１４５号公報

本発明は、比較的安価で常温での加工性と高温での耐へたり性を同時に向上させた耐熱用メタルガスケットに適したオーステナイト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。

本発明のメタルガスケット用耐熱オーステナイト系ステンレス鋼は、その目的を達成するため、Ｃ：０.０３超〜０.２０質量％，Ｓｉ：２.０超え〜５.０質量％，Ｍｎ：２.２４質量％以下，Ｎｉ：７.０〜１７.０質量％，Ｃｒ：１３.０〜２３.０質量％，Ｎ：０.０５質量％未満、Ｎｂ：０．０５〜０．８質量％またはＭｏ：０．１〜２.０質量％の１種又は２種を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、さらに下記（１）式で示されるＳＦＥ値が２〜２０であることを特徴とする。
ＳＦＥ＝２５．７＋２（Ｎｉ）＋４１０（Ｃ）−０．９（Ｃｒ）−７７（Ｎ）−１３（Ｓ
ｉ）−１．２（Ｍｎ）・・・（１）
ただし、式中の各項は、合金元素の含有量(質量％)である。

また、さらにＣｕ：０超え〜４．０質量％，Ｔｉ：０超え〜０.５質量％，Ｖ：０超え〜１．０質量％，Ａｌ：０超え〜０．２質量％，Ｂ：０超え〜０.０２０質量％以下，REM（希土類元素）：０超え〜０.２質量％，Ｙ：０超え〜０.２質量％，Ｃａ：０超え〜０.１質量％，Ｍｇ：０超え〜０.１質量％の１種又は２種以上を含むことができる。

本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、メタルガスケットに要求される５００〜８００℃の高温環境での耐へたり性に優れている。一方、焼き戻し状態では十分な加工性を有しているため、平坦度の矯正が容易である。
上記２点の特徴を有しているため、このオーステナイト系ステンレス鋼をエギゾストマニホルド，インテックマニホルド等の低温用メタルガスケットとして自動車用エンジンに組み込むと、周辺機器の寿命やエンジン自体の性能が向上する。また、エンジン用ガスケットの他に、自動車排ガス部品，自動車排気管の振動遮断用継手に使用されるボールジョイント部に組み込まれる弾性ガスケットにも使用できる。

ガスケット試験片の形状を示す図である。

本発明者らは、上記課題を解決するために種々検討を行い、以下の知見を得て本発明に至った。

（１）初期の軟質化はＮを０.０５％未満とすることにより達成される。
（２）高温でのへたり性はビード部（加工部）を加熱によって軟化しにくい因子で強化しておくこと、すなわち、主として積層欠陥にて硬化されることにより達成される。

積層欠陥による高温での耐へたり性向上のメカニズムは必ずしも明確でないが、積層欠陥の交差により導入される転位が可働しにくいことや強加工によってε−マルテンサイト相が生成し、しかもこれが加熱により分解されにくいことが挙げられる。

以下、本発明が対象とするオーステナイト系ステンレス鋼に含まれる合金成分，含有量等を説明する。
Ｃ：０.０３超〜０.２０質量％
高温強度の向上に有効な合金成分であり、固溶強化や析出強化によってステンレス鋼を強化する。このような作用は、０.０３質量％超のＣ含有で顕著になる。しかし、０.２０質量％を超える過剰量のＣが含まれると、高温保持中に巨大な粒界炭化物が析出しやすくなり、材料を脆化させる。

Ｓｉ：２.０超え〜５.０質量％
フェライト形成元素であり、オーステナイト相中で大きな固溶強化能を呈し、高温保持中に歪み時効によって時効硬化を促進させる。このような効果は、２.０質量％以上のＳｉ含有量で顕著になる。しかし、５.０質量％を超える過剰量のＳｉを添加すると、高温割れが誘発され、製造上で種々のトラブルを引き起こす。Si含有量は３.０超〜５.０質量％以下の範囲とすることが一層好ましい。

Ｍｎ：２.５質量％以下
オーステナイト形成元素であり、高価なＮｉの代替成分として使用され、Ｎｉの必要量を低減できる。また、Ｓを固定することによって熱間加工性を改善することにも有効である。しかし、２.５質量％を超える過剰量のＭｎ添加は、高温強度や機械的性質を低下させる。

Ｎｉ：７.０〜１７.０質量％
安定なオーステナイト組織を確保するために必須の合金成分であり、Ｎｉの最適含有量は鋼材に含まれるＣｒ，Ｓｉ，Ｍｏ等のフェライト形成元素量に依存する。しかし、７.０質量％未満のＮｉ含有量ではオーステナイト相の安定化が困難になる。他方、１７.０質量％を越えるＮｉ含有量では、鋼材コストが上昇して経済的に不利となる。Ｎｉ含有量は１１.０〜１５.０質量％の範囲とすることが一層好ましい。

Ｃｒ：１３.０〜２３.０質量％
耐食性・耐酸化性に必要な合金成分であり、過酷な高温腐食雰囲気に曝されるメタルガスケット用途を考慮すると少なくとも１３.０質量％のＣｒ量が必要である。しかし、２３.０質量％を超える過剰量のＣｒが含まれると、δフェライトが形成され、安定したオーステナイト相が維持できなくなる。

Ｎ：０.０５質量％未満
オーステナイト系ステンレス鋼の高温強度の上昇に有効な合金成分であるが、０.０５質量％以上のＮが含まれると、Ｍ_２３Ｃ_６中のＣがＣ＋Ｎに遷移し、析出速度を低下させる。そのため、高温保持中において析出強化への変態が遅延され、高温強度を低下させる。

Ｎｂ：０.８０質量％以下
メタルガスケットが曝される高温雰囲気下で析出物を形成し、或いはオーステナイトマトリックスに固溶することにより、硬度を上昇させ、耐軟化性を改善する。しかし、０.８０質量％を超える過剰量のＮｂ含有は、高温強度向上に起因して熱間加工性を低下させる。

Ｍｏ：２.０質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、耐食性の向上に有効であると共に、高温保持中に炭窒化物となって微細に分散し高温強度を上昇させる。時効処理時にあっては、析出物の形成によって強度を向上させる。そのため、メタルガスケットが過酷な高温雰囲気に曝されても、Ｍｏ添加により強度の低下が防止される。しかし、２.０質量％を超えるＭｏの過剰添加は、高温域でのδフェライト生成を促進させる。

Ｃｕ：４.０質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、メタルガスケットが使用される雰囲気の温度上昇に伴ってＣｕ系析出物を生成させ、高温強度，耐軟化性を改善する。しかし、３.０質量％を超えるＣｕの過剰添加は、熱間加工性を低下させ、割れ発生の原因となる。

Ｔｉ：０.５質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、硬度上昇，耐ヘタリ性の改善に有効な析出物を高温雰囲気で形成する。しかし、０.５質量％を超えるＴｉの過剰添加は、表面疵を発生させる原因となる。

Ｖ：１．００質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、硬度上昇，耐ヘタリ性の改善に有効な析出物を高温雰囲気で形成する。しかし、１．０質量％を超えるＶの過剰添加は、表加工性、靭性を低下させる原因となる。

Ａｌ：０．２質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、製鋼時に脱酸剤として添加されると共に、鋼板をガスケット形状に打抜く際に打抜き性に悪影響を及ぼすＡ2系介在物を激減させる効果を奏する。このような効果は０.２質量％のＡｌ含有量で飽和し、それ以上Ａｌを増量しても却って表面欠陥の増加を招く。

Ｂ：０.０２０質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、高温強度上昇に有効な炭窒化物の微細析出を促進させ、熱間圧延温度域においてはＳ等の粒界偏析を抑制しエッジクラックの発生を防止する作用を呈する。しかし、０.０２０質量％を超える過剰量のＢを添加すると、低融点硼化物が生成しやすく、却って熱間加工性が劣化する。

REM（希土類元素）：０.２質量％以下
Ｙ：０.２質量％以下
Ｃａ：０.１質量％以下
Ｍｇ：０.１質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、何れも熱間加工性を改善し、耐酸化性の向上にも有効である。熱間加工性，耐酸化性に及ぼす効果は何れも添加量の増加に応じて顕著になるが、REM，Ｙでは０.２０質量％、Ｃａ，Ｍｇでは０.１０質量％で飽和する。

ＳＦＥ値：２〜２０
ＳＦＥ値は次の式で定義される積層欠陥エネルギーの指標であり、本発明においてはこれを２〜２０に限定する。
ＳＦＥ＝２５．７＋２（Ｎｉ）＋４１０（Ｃ）−０．９（Ｃｒ）−７７（Ｎ）−１３（Ｓｉ）−１．２（Ｍｎ）・・・（１）
ただし、式中の各項は、合金元素の含有量(質量％)である。
ＳＦＥ値は、本発明においては耐へたり性を確保するために上記範囲に限定しており、この範囲を保つことで良好な加工性および加熱保持後の耐軟化性を確保するものである。ＳＦＥが２を下回る場合、加工硬化が大きくなりすぎるため製品加工する際、シワの発生や割れが生じる。また、ＳＦＥが２０を超えると加工しやすくなるものの、εマルテンサイト等の生成が起こらず、６００〜８００℃加熱によるビードへたり量が大きくなる。

表１に示す組成のステンレス鋼を３００ｋｇ真空溶解炉で溶製し、その後スラブを熱間鍛造、切り出し、熱間圧延、焼鈍、酸洗、冷延圧延、焼鈍、酸洗工程を経て板厚０.５〜０.２ｍｍのステンレス鋼帯を製造した。

表２に、各ステンレス鋼の冷延焼鈍材の０．２％耐力を示す。発明鋼はいずれも低い耐力を示しており、ガスケットへの加工が容易であることがわかる。

各ステンレス鋼帯から１５０ｍｍ×１５０ｍｍの正方形試験片を切り出し、試験片の中央に内径７５ｍｍの円形開口を形成し、開口周辺に幅２.５ｍｍ，高さ０.２５ｍｍ，突起部２Ｒのビードをプレス成形することによりメタルガスケット（図１）を作製した。次いで、ビード部がフラットになるように治具で押え、７００℃に４８時間保持した後、室温まで徐冷した。徐冷後の試験片について、室温での残存ビード高さを測定した。なお、残存ビード高さの測定には焦点顕微鏡を使用し、３点の平均値として算出した。

結果を表３に示す。測定結果にみられるように、鋼種Ｎｏ．１〜１０（本発明例）では７００℃×４８時間加熱後に室温での残存ビード高さが０.２１０ｍｍ以上であり、メタルガスケットに要求される残存ビード高さを備えていた。他方、比較鋼Ｎｏ．１１〜１５（比較例）では、何れも残存ビード高さが０.２００ｍｍ未満であり、メタルガスケットとしての性能上に問題があった。残存ビード高さが低い理由には、次のような原因が考えられる。
比較鋼Ｎｏ.１１はＳｉ量が不足し、Ｎ量が多すぎることにより、加熱保持中の時効硬化能が低下したため、残存ビード高さが十分でない。比較鋼Ｎｏ．１２，１３は、加熱される温度がマルテンサイト相の分解温度に相当するため著しく軟化し、残存ビード高さが低くなった。比較鋼Ｎｏ．１４，１５は過剰量のＮを含有していることからＳＦＥ値が低くなり、加工誘起マルテンサイトの生成し、高温保持中に焼戻しされたため、残存ビード高さが低くなった。

この対比から明らかなように、Ｎ量を低減したオーステナイト系ステンレス鋼であっても、ＳＦＥ値の適正管理により、形状凍結性に優れ、長期間にわたって気密性を維持するメタルガスケットが得られることが確認された。

本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、メタルガスケットに要求される５００〜８００℃の高温環境での耐へたり性に優れている。また、このオーステナイト系ステンレス鋼をエギゾストマニホルド，インテックマニホルド等の低温用メタルガスケットとして自動車用エンジンに組み込むと、周辺機器の寿命やエンジン自体の性能が向上する。また、エンジン用ガスケットの他に、自動車排ガス部品，自動車排気管の振動遮断用継手に使用されるボールジョイント部に組み込まれる弾性ガスケットにも使用できる。

Claims

Ｃ：０.０３超〜０.２０質量％，Ｓｉ：２.０超え〜５.０質量％，Ｍｎ：２.２４質量％以下，Ｎｉ：７.０〜１７.０質量％，Ｃｒ：１３.０〜２３.０質量％，Ｎ：０.０５質量％未満、Ｎｂ：０．０５〜０．８質量％またはＭｏ：０．１〜２.０質量％の１種又は２種を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、さらに下記（１）式で示されるＳＦＥ値が２〜２０であることを特徴とするメタルガスケット用耐熱オーステナイト系ステンレス鋼。
ＳＦＥ＝２５．７＋２（Ｎｉ）＋４１０（Ｃ）−０．９（Ｃｒ）−７７（Ｎ）−１３（Ｓ
ｉ）−１．２（Ｍｎ）・・・（１）
ただし、式中の各項は、合金元素の含有量(質量％)である。
さらにＣｕ：０超え〜４．０質量％，Ｔｉ：０超え〜０.５質量％，Ｖ：０超え〜１．０質量％，Ａｌ：０超え〜０．２質量％，Ｂ：０超え〜０.０２０質量％以下，REM（希土類元素）：０超え〜０.２質量％，Ｙ：０超え〜０.２質量％，Ｃａ：０超え〜０.１質量％，Ｍｇ：０超え〜０.１質量％の１種又は２種以上を含む請求項１記載のメタルガスケット用耐熱オーステナイト系ステンレス鋼。