JP7019482B2 - 耐高温塩害特性に優れたフェライト系ステンレス鋼板及び自動車排気系部品 - Google Patents
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Description
本発明は、高温強度や耐酸化性が必要な自動車排気系部材に使用することに最適な耐熱性ステンレス鋼において、特に耐高温塩害性に優れた塩分付着が促進される構造の自動車排気系用フェライト系ステンレス鋼板及び自動車排気系部品に関するものである。
自動車の排気マニホールド、フロントパイプ及びセンターパイプなどの排気系部材は、エンジンから排出される高温の排気ガスを通すため、排気系部材を構成する材料には耐酸化性、高温強度、熱疲労特性など多様な特性が要求される。
従来、自動車排気系部材には鋳鉄が使用されるのが一般的であったが、排ガス規制の強化、エンジン性能の向上、車体軽量化などの観点から、ステンレス鋼製の排気マニホールドが使用されるようになった。排気ガス温度は、車種によって異なり、近年では７５０～８５０℃程度が多いが、更に高温に達する場合もある。このような温度域で長時間使用される環境において高い高温強度、耐酸化性を有する材料が要望されている。
ステンレス鋼の中でオーステナイト系ステンレス鋼は、耐熱性や加工性に優れているが、熱膨張係数が大きいために、排気マニホールドのように加熱・冷却を繰り返し受ける部材に適用した場合、熱疲労破壊が生じやすい。
フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて熱膨張係数が小さいため、熱疲労特性に優れている。また、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて、高価なＮｉをほとんど含有しないため材料コストも安く、汎用的に使用されている。但し、フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて、高温強度が低いために、高温強度を向上させる技術が開発されてきた。さらに、耐酸化性、成形性、製造性、更なる低コスト化の観点からも様々な技術の開発がされてきた。
例えば、ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ（Ｎｂ添加鋼）、Ｎｂ－Ｓｉ添加鋼、ＳＵＳ４４４（Ｎｂ－Ｍｏ添加鋼）があり、Ｎｂ添加を基本に、Ｓｉ、Ｍｏの添加によって高温強度を向上させるものであった。
一方、車体下部に位置するセンターパイプ等の部材は排気系部材の中でも温度はやや低い部材であるが、路面凍結防止のため散布される融雪塩や海水に由来される塩分が付着し易く高温塩害が懸念される。高温塩害とは高温酸化環境において塩分が付着することで高温腐食が促進される現象である。これらの車体下部に位置する部品においては耐高温塩害性を重視した技術が開発されてきた。
しかし近年では排気系の設置構造の変化や、新たな部品が付属されることで排気マニホールドやフロントパイプのような排気系の中でも高温に位置する部材においても塩分が付着する場合が生じている。具体例を２つ挙げる。１つめは排ガスの高温化に対して、ファン設置や通気性の改善により排気系を強制空冷する場合である。一例を図２（Ａ）に示す。この自動車排気系部材１を強制空冷する強制冷却機構３は排気系部材への塩分付着を促進する要因となる。強制冷却機構は主に近年普及が加速しているターボ搭載車において適用される場合がある。２つめはコンバーター等の排ガス浄化部品及びその前の排気系の周囲を断熱材で覆う断熱構造を設け、排ガス温度を上げることで触媒反応を促進する場合である。一例を図２（Ｂ）に示す。自動車排気系部材１に被覆する断熱材７はウール状セラミックス等が使用され、保水しやすくなる。そのため断熱材で覆うことは塩分も保持しやくなり、排気系への塩分付着を促進する。断熱材の適用は主に今後の普及が期待されるＨＣＣＩ（予混合圧縮自動着火）で燃焼するエンジンの排気系に適用される場合がある。
さらに、これらの強制冷却機構または断熱構造を使用することによって通常の部材が曝される環境より湿度の高い環境となる。強制冷却機構では部品に水分を巻き上げる環境では常に水分を吹き付けることとなり、断熱構造を使用する場合は断熱材をカバーで覆うために水蒸気が籠る環境となる。そのため、高温塩害環境は塩分付着とともに酸化環境に水蒸気酸化が伴う従来とは異なる環境となる。
つまり、強制冷却機構または断熱構造を適用する場合、排気マニホールドやフロントパイプ等の上流の部材には新たに耐高温塩害性を必要とするようになるだけでなく、従来とは異なる水蒸気酸化を伴う環境の耐高温塩害性が必要となった。すなわち、強制冷却機構や断熱構造が適用される自動車排気系部材は従来の自動車排気系部材とは異なる新たな用途として開発が必要となった。
高温塩害に対する技術として、特許文献１には、Ｍｏ、Ｗを添加することで耐高温塩害性を改善する技術が開示されている。しかし、Ｍｏ、Ｗは高価な元素であり、素材コストの増加を招く。また、耐高温塩害性には水蒸気酸化も伴う環境は考慮されていない。
特許文献２には、Ａｌの添加量を調整し耐高温塩害性を改善する技術が開示されている。しかし、Ａｌ濃度が質量％で０．５超～７．０％であり、通常のフェライト系ステンレス鋼より極度に高く、製造性や加工性などを損なう可能性がある。また、耐高温塩害性には水蒸気酸化も伴う環境は考慮されていない。
特許文献３には、Ｎ、Ｖ、Ａｌの添加量を調整し耐高温塩害腐食性を改善する技術が開示されている。しかし、Ｖ濃度が質量％で０．３０～０．６０％であり、通常のフェライト系ステンレス鋼より極度に高く、製造性などを損なう可能性がある。また、耐高温塩害性には水蒸気酸化も伴う環境は考慮されていない。
上記のように自動車排気系に強制冷却機構または断熱構造を適用する場合、排気マニホールドやフロントパイプ等の上流の部材においても新たに耐高温塩害性を付与することが必要となるだけでなく、従来とは異なる水蒸気酸化を伴う環境の耐高温塩害性が必要となった。しかし、従来の耐高温塩害性改善技術では高価なＭｏ、Ｗを添加もしくは、Ａｌ、Ｖ等を通常のフェライト系ステンレス鋼より極度に高く添加する必要があった。また、水蒸気酸化を伴う高温塩害は検討されていなかった。
即ち、本発明の目的はＭｏ、Ｗ添加や極度なＡｌ、Ｖ添加に頼らず排気マニホールドとして耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板及び自動車排気系部品を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明者らはフェライト系ステンレス鋼の耐高温塩害性に及ぼす各種成分の影響を鋭意検討した。その結果、耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼を発明するに至った。なお、高温塩害は水蒸気酸化を伴う環境にも対応する。
すなわち、上記課題を解決することを目的とした本発明の要旨は、以下のとおりである。
（１）質量％で、
Ｃ：０．０２００％以下、
Ｎ：０．０２００％以下、
Ｓｉ：０．３０％以上、４．００％以下、
Ｍｎ：０．０１％以上、０．４０％以下、または、０．８０％以上、２．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．００１４％以下、
Ｃｒ：１３．０％以上、２３．０％以下、
Ｎｉ：０．０１％以上、０．４０％以下、
Ｃｕ：０．０１％以上、０．１０％未満、
Ｎｂ：０．２０％以上、０．６０％未満、
Ｔｉ：０．００１％以上、０．２７０％以下、
Ａｌ：０．００２％以上、０．２００％以下、
Ｖ：０．０１％以上、０．２０％以下、
Ｂ：０．０００１％以上、０．００５０％以下、
Ｏ：０．００５０％以下、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、下記（ｉ）～（iv）式を満たす組成を有することを特徴とする耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
Ｎｂ＋Ｔｉ＋０．４Ｓｉ≧０．６３０ ・・・式（ｉ）
Ｃｒ＋１０Ｓｉ≧１７．０ ・・・式（ii）
０．０１１０≦Ｃ＋Ｎ≦０．０２７０ ・・・式（iii）
Ａｌ／Ｏ≧１．２ ・・・式（iv）
但し、式中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を意味する。
（２）質量％にて、更に
Ｙ：０．００１％以上、０．２０％以下、
ＲＥＭ：０．００１％以上、０．２０％以下、
Ｃａ：０．０００２％以上、０．００３０％以下、
Ｚｒ：０．０１％以上、０．３０％以下、
Ｈｆ：０．００１％以上、１．０％以下、
Ｓｎ：０．００２％以上、１．０％以下、
Ｍｇ：０．０００２％以上、０．００３０％以下、
Ｃｏ：０．０１％以上、０．３０％以下、
Ｓｂ：０．００５％以上、０．５０％以下、
Ｂｉ：０．００１％以上、１．０％以下、
Ｔａ：０．００１％以上、１．０％以下、
Ｇａ：０．０００２％以上、０．３０％以下、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（３）強制冷却機構により塩分付着が促進されている環境において自動車排気系部材に使用される（１）または（２）に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（４）自動車排気系部材の周囲を断熱材で覆う断熱構造が適用されることにより塩分付着が促進されている環境において自動車排気系部材に使用される（１）または（２）に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（１）質量％で、
Ｃ：０．０２００％以下、
Ｎ：０．０２００％以下、
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Ｍｎ：０．０１％以上、０．４０％以下、または、０．８０％以上、２．００％以下、
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Ｓ：０．００１４％以下、
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を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、下記（ｉ）～（iv）式を満たす組成を有することを特徴とする耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
Ｎｂ＋Ｔｉ＋０．４Ｓｉ≧０．６３０ ・・・式（ｉ）
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Ａｌ／Ｏ≧１．２ ・・・式（iv）
但し、式中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を意味する。
（２）質量％にて、更に
Ｙ：０．００１％以上、０．２０％以下、
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の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（３）強制冷却機構により塩分付着が促進されている環境において自動車排気系部材に使用される（１）または（２）に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（４）自動車排気系部材の周囲を断熱材で覆う断熱構造が適用されることにより塩分付着が促進されている環境において自動車排気系部材に使用される（１）または（２）に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（５）（１）または（２）に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板を用いた自動車排気系部材と、それを強制冷却する強制冷却機構とを備えた自動車排気系部品。
（６）（１）または（２）に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板を用いた自動車排気系部材と、その周囲を断熱材で覆う断熱構造とを備えた自動車排気系部品。
（６）（１）または（２）に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板を用いた自動車排気系部材と、その周囲を断熱材で覆う断熱構造とを備えた自動車排気系部品。
また、上記本発明で、下限の規定をしないものについては、不可避的不純物レベルまで含むことを示す。
本発明によれば、強制冷却機構や断熱構造が適用され塩分付着が促進される自動車排気系部材として使用される耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板を提供できる。
以下、本発明を詳細に説明する。
まず、本発明のフェライト系ステンレス鋼の鋼組成の限定理由について説明する。ここで、鋼組成についての「％」は質量％を意味する。
（Ｃ：０．０２００％以下）
Ｃは、成形性と耐食性を劣化させ、高温強度の低下をもたらす元素であり、０．０２００％以下とする。また、過度な添加による耐酸化性や耐粒界腐食性の低下を考慮すると、上限は０．０１５０％とすることが望ましい。但し、過度な低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は０．００１０％とすることが望ましい。
Ｃは、成形性と耐食性を劣化させ、高温強度の低下をもたらす元素であり、０．０２００％以下とする。また、過度な添加による耐酸化性や耐粒界腐食性の低下を考慮すると、上限は０．０１５０％とすることが望ましい。但し、過度な低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は０．００１０％とすることが望ましい。
（Ｎ：０．０２００％以下）
ＮはＣと同様、成形性と耐食性を劣化させ、高温強度の低下をもたらす元素であり、０．０２００％以下とする。また、過度な添加による耐酸化性や耐粒界腐食性の低下を考慮すると、上限は０．０１５０％とすることが望ましい。但し、過度な低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は０．００３０％とすることが望ましい。
ＮはＣと同様、成形性と耐食性を劣化させ、高温強度の低下をもたらす元素であり、０．０２００％以下とする。また、過度な添加による耐酸化性や耐粒界腐食性の低下を考慮すると、上限は０．０１５０％とすることが望ましい。但し、過度な低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は０．００３０％とすることが望ましい。
（Ｓｉ：０．３０％以上、４．００％以下）
Ｓｉは、脱酸剤として添加される元素であるとともに、耐酸化性を改善する元素である。また、Ｓｉは耐高温塩害性を改善する重要な元素である。Ｓｉ添加によりＦｅやＣｒの酸化物の下にＳｉ酸化物が形成され、これが補助皮膜として働き耐高温塩害性を改善する。Ｍｏを含有しない本発明において、耐高温塩害性を発現するためには０．３０％以上のＳｉ添加を必要とする。しかし、過度な添加は加工性の低下を招くため、４．００％以下とする。また、精錬コストや製造性を考慮すると、下限は０．５０％とすることが望ましく、上限は３．５０％が望ましい。より望ましくは、０．８０～２．９０％の範囲である。
Ｓｉは、脱酸剤として添加される元素であるとともに、耐酸化性を改善する元素である。また、Ｓｉは耐高温塩害性を改善する重要な元素である。Ｓｉ添加によりＦｅやＣｒの酸化物の下にＳｉ酸化物が形成され、これが補助皮膜として働き耐高温塩害性を改善する。Ｍｏを含有しない本発明において、耐高温塩害性を発現するためには０．３０％以上のＳｉ添加を必要とする。しかし、過度な添加は加工性の低下を招くため、４．００％以下とする。また、精錬コストや製造性を考慮すると、下限は０．５０％とすることが望ましく、上限は３．５０％が望ましい。より望ましくは、０．８０～２．９０％の範囲である。
（Ｍｎ：０．０１％以上、０．４０％以下、または、０．８０％以上、２．００％以下）
Ｍｎは、脱酸剤として添加される元素であり、０．０１％以上添加する。また、Ｍｎは酸化速度やスケール剥離性に影響を与え、その点から耐高温塩害性にも影響を及ぼす。添加量が増えるとスケールの保護性が低下し酸化速度が上がる。これにより高温塩害が低下する。しかし、一定以上の添加量になってくると耐スケール剥離性が改善される。これにより耐高温塩害性も改善する。つまり、耐高温塩害性が低下する範囲があり、これを避けるためには、０．４０％以下、または、０．８０％以上とする必要がある。しかし、過度な添加は均一伸びの低下を招くため、２．００％以下とする。また、精錬コスト、熱間加工性や耐食性を考慮すると、０．１０～０．４０％、または、０．８５～１．５０％の範囲が望ましい。より望ましくは、０．１５～０．３５％、または、０．９０～１．２０％の範囲である。
Ｍｎは、脱酸剤として添加される元素であり、０．０１％以上添加する。また、Ｍｎは酸化速度やスケール剥離性に影響を与え、その点から耐高温塩害性にも影響を及ぼす。添加量が増えるとスケールの保護性が低下し酸化速度が上がる。これにより高温塩害が低下する。しかし、一定以上の添加量になってくると耐スケール剥離性が改善される。これにより耐高温塩害性も改善する。つまり、耐高温塩害性が低下する範囲があり、これを避けるためには、０．４０％以下、または、０．８０％以上とする必要がある。しかし、過度な添加は均一伸びの低下を招くため、２．００％以下とする。また、精錬コスト、熱間加工性や耐食性を考慮すると、０．１０～０．４０％、または、０．８５～１．５０％の範囲が望ましい。より望ましくは、０．１５～０．３５％、または、０．９０～１．２０％の範囲である。
（Ｐ：０．０４０％以下）
Ｐは、製鋼精錬時に主として原料から混入してくる不純物であり、含有量が高くなると、靭性や溶接性が低下するため、その含有量は少ないほど良いため、０．０４０％以下とする。また、製造性を考慮すると、上限は０．０３５％とすることが望ましい。但し、過度な低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は０．０１％とすることが望ましい。
Ｐは、製鋼精錬時に主として原料から混入してくる不純物であり、含有量が高くなると、靭性や溶接性が低下するため、その含有量は少ないほど良いため、０．０４０％以下とする。また、製造性を考慮すると、上限は０．０３５％とすることが望ましい。但し、過度な低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は０．０１％とすることが望ましい。
（Ｓ：０．００１４％以下）
Ｓは、製鋼精錬時に主として原料から混入してくる不純物であり、耐食性を劣化させる。また、耐スケール剥離性を低下させることによって耐高温塩害性も低下させる。したがって、０．００１４％以下とする。また、製造性を考慮すると、上限は０．００１０％とすることが望ましい。但し、過度な低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は０．０００３％とすることが望ましい。
Ｓは、製鋼精錬時に主として原料から混入してくる不純物であり、耐食性を劣化させる。また、耐スケール剥離性を低下させることによって耐高温塩害性も低下させる。したがって、０．００１４％以下とする。また、製造性を考慮すると、上限は０．００１０％とすることが望ましい。但し、過度な低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は０．０００３％とすることが望ましい。
（Ｃｒ：１３．０％以上、２３．０％以下）
Ｃｒは、耐食性および耐酸化性を向上する元素であるとともに、耐高温塩害性を改善する元素でもあり、１３．０％以上添加する。しかし、過度な添加は加工性の低下や靭性の劣化を招くため、２３．０％以下とする。また、高温強度、高温疲労特性や原料コストを考慮すると、下限は１３．５％とすることが望ましく、上限は２０．０％が望ましい。より望ましくは、１４．０～１８．５％の範囲である。
Ｃｒは、耐食性および耐酸化性を向上する元素であるとともに、耐高温塩害性を改善する元素でもあり、１３．０％以上添加する。しかし、過度な添加は加工性の低下や靭性の劣化を招くため、２３．０％以下とする。また、高温強度、高温疲労特性や原料コストを考慮すると、下限は１３．５％とすることが望ましく、上限は２０．０％が望ましい。より望ましくは、１４．０～１８．５％の範囲である。
（Ｎｉ：０．０１％以上、０．４０％以下）
Ｎｉは、耐食性を向上させる元素であるとともに、高温強度及び靭性を向上させる効果もある。しかし、過度な添加は成型性の低下を招く。したがって、０．０１～０．４０％の範囲とする。また、原料コストを考慮すると、上限は０．３０％とすることが望ましい。より望ましくは、０．０５～０．２０％の範囲である。
Ｎｉは、耐食性を向上させる元素であるとともに、高温強度及び靭性を向上させる効果もある。しかし、過度な添加は成型性の低下を招く。したがって、０．０１～０．４０％の範囲とする。また、原料コストを考慮すると、上限は０．３０％とすることが望ましい。より望ましくは、０．０５～０．２０％の範囲である。
（Ｃｕ：０．０１％以上、０．１０％未満）
Ｃｕは、耐食性向上や高温強度向上に有効な元素である。しかし、耐酸化性の低下を招くので、Ｎｂ添加により高温強度が確保されているのであれば極力添加は避けたい元素でる。したがって、０．０１～０．１０％未満の範囲とする。望ましくは、０．０３～０．０７％の範囲である。
Ｃｕは、耐食性向上や高温強度向上に有効な元素である。しかし、耐酸化性の低下を招くので、Ｎｂ添加により高温強度が確保されているのであれば極力添加は避けたい元素でる。したがって、０．０１～０．１０％未満の範囲とする。望ましくは、０．０３～０．０７％の範囲である。
（Ｎｂ：０．２０％以上、０．６０％未満）
Ｎｂは、固溶強化及び析出物微細化強化により高温強度を向上させるとともに、ＣやＮを炭窒化物として固定し、耐食性、耐酸化性を向上させる元素であり、０．２０％以上添加する。しかし、過度な添加は均一伸びの低下や穴広げ性の劣化を招くため、０．６０％未満とする。また、溶接部の粒界腐食性、製造性、原料コストを考慮すると、下限は０．２６％とすることが望ましく、上限は０．５５％が望ましい。より望ましくは、０．３０～０．５２％の範囲である。
Ｎｂは、固溶強化及び析出物微細化強化により高温強度を向上させるとともに、ＣやＮを炭窒化物として固定し、耐食性、耐酸化性を向上させる元素であり、０．２０％以上添加する。しかし、過度な添加は均一伸びの低下や穴広げ性の劣化を招くため、０．６０％未満とする。また、溶接部の粒界腐食性、製造性、原料コストを考慮すると、下限は０．２６％とすることが望ましく、上限は０．５５％が望ましい。より望ましくは、０．３０～０．５２％の範囲である。
（Ｔｉ：０．００１％以上、０．２７０％以下）
Ｔｉは、Ｃ，Ｎ，Ｓと結合して耐食性、耐粒界腐食性、深絞り性の指標となるｒ値を向上させる元素であり、０．００１％以上添加する。しかし、過度な添加は均一伸びの低下や粗大なＴｉ系析出物の形成による穴広げ加工性の低下を招くため、０．２７０％以下とする。また、表面疵の発生や靭性を考慮すると、下限は０．００３％とすることが望ましく、上限は０．２２０％が望ましい。より望ましくは、０．００５～０．１６０％の範囲である。
Ｔｉは、Ｃ，Ｎ，Ｓと結合して耐食性、耐粒界腐食性、深絞り性の指標となるｒ値を向上させる元素であり、０．００１％以上添加する。しかし、過度な添加は均一伸びの低下や粗大なＴｉ系析出物の形成による穴広げ加工性の低下を招くため、０．２７０％以下とする。また、表面疵の発生や靭性を考慮すると、下限は０．００３％とすることが望ましく、上限は０．２２０％が望ましい。より望ましくは、０．００５～０．１６０％の範囲である。
（Ａｌ：０．００２％以上、０．２００％以下）
Ａｌは、脱酸元素として添加されるとともに、耐酸化性を改善する元素であり、０．００２％以上添加する。しかし、過度な添加は均一伸びの低下や靭性の低下を招くため、０．２００％以下とする。また、精錬コスト、表面疵の発生や溶接性を考慮すると、下限は０．０１０％とすることが望ましく、上限は０．１５０％が望ましい。より望ましくは、０．０１５～０．１３０％の範囲である。
Ａｌは、脱酸元素として添加されるとともに、耐酸化性を改善する元素であり、０．００２％以上添加する。しかし、過度な添加は均一伸びの低下や靭性の低下を招くため、０．２００％以下とする。また、精錬コスト、表面疵の発生や溶接性を考慮すると、下限は０．０１０％とすることが望ましく、上限は０．１５０％が望ましい。より望ましくは、０．０１５～０．１３０％の範囲である。
（Ｖ：０．０１％以上、０．２０％以下）
Ｖは、高温強度を向上させる元素である。しかし、過度な添加は析出物の粗大化による高温強度の低下や熱疲労寿命の低下を招く。したがって、０．０１～０．２０％の範囲とする。また、製造性を考慮すると、上限は０．１５％とすることが望ましい。より望ましくは、０．０２～０．１０％の範囲である。
Ｖは、高温強度を向上させる元素である。しかし、過度な添加は析出物の粗大化による高温強度の低下や熱疲労寿命の低下を招く。したがって、０．０１～０．２０％の範囲とする。また、製造性を考慮すると、上限は０．１５％とすることが望ましい。より望ましくは、０．０２～０．１０％の範囲である。
（Ｂ：０．０００１％以上、０．００５０％以下）
Ｂは、高温強度や熱疲労特性を向上させる元素である。しかし、過度な添加は熱間加工性の低下や鋼表面の表面性状の低下を招く。したがって、０．０００１～０．００５０％の範囲とする。また、製造性や成型性を考慮すると、上限は０．００３０％とすることが望ましい。より望ましくは、０．０００３～０．００１５％の範囲である。
Ｂは、高温強度や熱疲労特性を向上させる元素である。しかし、過度な添加は熱間加工性の低下や鋼表面の表面性状の低下を招く。したがって、０．０００１～０．００５０％の範囲とする。また、製造性や成型性を考慮すると、上限は０．００３０％とすることが望ましい。より望ましくは、０．０００３～０．００１５％の範囲である。
（Ｏ：０．００５０％以下）
Ｏは、不可避的に含まれる不純物であり、気泡や介在物による表面疵の原因となる。したがって、０．００５０％以下とする。また、製造性を考慮すると、上限は０．００４０％とすることが望ましい。但し、過度な低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は０．０００３％とすることが望ましい。ここで、ＯはＴ．Ｏを意味する。
Ｏは、不可避的に含まれる不純物であり、気泡や介在物による表面疵の原因となる。したがって、０．００５０％以下とする。また、製造性を考慮すると、上限は０．００４０％とすることが望ましい。但し、過度な低減は精錬コストの増加に繋がるため、下限は０．０００３％とすることが望ましい。ここで、ＯはＴ．Ｏを意味する。
次に、式（ｉ）～（iv）について説明する。
耐高温塩害性向上にはＳｉ酸化物の形成が最も有効であり、その効果を活かすためには各酸化物を形成するＣｒ、Ｎｂ、Ｔｉとのバランスが重要となる。スケール層として形成するＣｒ酸化物はその直下でＳｉ酸化物の形成を促進する。Ｎｂ酸化物はＣｒ酸化物の直下に形成し、Ｔｉ酸化物は母材内部で酸化し、いずれもＳｉ酸化物が不足する場合に補助的な効果を発現する。本発明者らはこれらの効果を見出し、式（ｉ）および（ii）を得た。
Ｎｂ＋Ｔｉ＋０．４Ｓｉ≧０．６３０ ・・・式（ｉ）
Ｃｒ＋１０Ｓｉ≧１７．０ ・・・式（ii）
Ｎｂ＋Ｔｉ＋０．４Ｓｉ≧０．６３０ ・・・式（ｉ）
Ｃｒ＋１０Ｓｉ≧１７．０ ・・・式（ii）
また、耐高温塩害性にＣ、Ｎ、Ａｌ、Ｏの添加量のバランスが影響する。Ｃ、ＮはＴｉ、Ｎｂ、Ｃｒと炭窒化物を形成し耐高温塩害性を低下させる。本発明者らはこの効果を見い出し、式（iii）の上限を０．０２７０とした。しかし、過度に低減することは精錬コストの増加に加え、結晶粒粗大化や強度低下の原因にもなる。これを考慮し式（iii）の下限は０．０１１０とした。また、鋼中のＯに対してＡｌが一定量以上ある場合はスケール剥離を抑制することで耐高温塩害性を改善することを見い出し、式（iv）を得た。
０．０１１０≦Ｃ＋Ｎ≦０．０２７０ ・・・式（iii）
Ａｌ／Ｏ≧１．２ ・・・式（iv）
但し、式中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を意味する。
０．０１１０≦Ｃ＋Ｎ≦０．０２７０ ・・・式（iii）
Ａｌ／Ｏ≧１．２ ・・・式（iv）
但し、式中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を意味する。
加えて、本発明では、必要に応じて選択的に、Ｙ、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｇａの１種または２種以上を添加することにより、特性を更に向上させることができる。
（Ｙ：０．００１％以上、０．２０％以下）
Ｙは、鋼の清浄度を向上し、耐銹性、熱間加工性を向上するとともに、耐酸化性、耐高温塩害性も改善する元素であり、必要に応じて０．００１％以上添加する。しかし、過度の添加は合金コストの上昇と製造性の低下を招くため、上限を０．２０％とする。
Ｙは、鋼の清浄度を向上し、耐銹性、熱間加工性を向上するとともに、耐酸化性、耐高温塩害性も改善する元素であり、必要に応じて０．００１％以上添加する。しかし、過度の添加は合金コストの上昇と製造性の低下を招くため、上限を０．２０％とする。
（ＲＥＭ：０．００１％以上、０．２０％以下）
ＲＥＭ（希土類元素）は、鋼の清浄度を向上し、耐銹性、熱間加工性を向上するとともに、耐酸化性、耐高温塩害性も改善する元素であり、必要に応じて０．００１％以上添加する。しかし、過度な添加は合金コストの上昇と製造性の低下を招くため、上限を０．２０％とする。ＲＥＭは、スカンジウム（Ｓｃ）とランタン（Ｌａ）からルテチウム（Ｌｕ）までの１５元素（ランタノイド）の総称を指す。単独で添加しても良いし、混合物であっても良い。
ＲＥＭ（希土類元素）は、鋼の清浄度を向上し、耐銹性、熱間加工性を向上するとともに、耐酸化性、耐高温塩害性も改善する元素であり、必要に応じて０．００１％以上添加する。しかし、過度な添加は合金コストの上昇と製造性の低下を招くため、上限を０．２０％とする。ＲＥＭは、スカンジウム（Ｓｃ）とランタン（Ｌａ）からルテチウム（Ｌｕ）までの１５元素（ランタノイド）の総称を指す。単独で添加しても良いし、混合物であっても良い。
（Ｃａ：０．０００２％以上、０．００３０％以下）
Ｃａは、脱硫を促進する元素であり、必要に応じて０．０００２％以上添加する。しかし、過度な添加は水溶性の介在物であるＣａＳの生成による耐食性の低下を招くため、上限を０．００３０％とする。
Ｃａは、脱硫を促進する元素であり、必要に応じて０．０００２％以上添加する。しかし、過度な添加は水溶性の介在物であるＣａＳの生成による耐食性の低下を招くため、上限を０．００３０％とする。
（Ｚｒ：０．０１％以上、０．３０％以下）
Ｚｒは、耐食性、耐粒界腐食性、高温強度、耐酸化性を向上する元素であり、必要に応じて０．０１％以上添加する。しかし、過度な添加は加工性、製造性の低下を招くため、上限を０．３０％とする。
Ｚｒは、耐食性、耐粒界腐食性、高温強度、耐酸化性を向上する元素であり、必要に応じて０．０１％以上添加する。しかし、過度な添加は加工性、製造性の低下を招くため、上限を０．３０％とする。
（Ｈｆ：０．００１％以上、１．０％以下）
Ｈｆは耐食性、耐粒界腐食性、高温強度、耐酸化性を向上する元素であり、必要に応じて０．００１％以上添加する。しかし、過度な添加は加工性、製造性の低下を招くため、上限を１．０％とする。
Ｈｆは耐食性、耐粒界腐食性、高温強度、耐酸化性を向上する元素であり、必要に応じて０．００１％以上添加する。しかし、過度な添加は加工性、製造性の低下を招くため、上限を１．０％とする。
（Ｓｎ：０．００２％以上、１．０％以下）
Ｓｎは、耐食性と高温強度を向上する元素であり、必要に応じて０．００２％以上添加する。しかし、過度の添加は靭性、製造性の低下を招くため、上限を１．０％とする。
Ｓｎは、耐食性と高温強度を向上する元素であり、必要に応じて０．００２％以上添加する。しかし、過度の添加は靭性、製造性の低下を招くため、上限を１．０％とする。
（Ｍｇ：０．０００２％以上、０．００３０％以下）
Ｍｇは、脱酸元素として添加させる場合がある他、スラブの組織を微細化させ、成型性を向上する元素であり、必要に応じて０．０００２％以上添加する。しかし、過度な添加は耐食性、溶接性、表面品質の低下を招くため、上限を０．００３０％とする。
Ｍｇは、脱酸元素として添加させる場合がある他、スラブの組織を微細化させ、成型性を向上する元素であり、必要に応じて０．０００２％以上添加する。しかし、過度な添加は耐食性、溶接性、表面品質の低下を招くため、上限を０．００３０％とする。
（Ｃｏ：０．０１％以上、０．３０％以下）
Ｃｏは、高温強度を向上する元素であり、必要に応じて０．０１％以上添加する。しかし、過度な添加は靭性、製造性の低下を招くため、上限を０．３０％とする。
Ｃｏは、高温強度を向上する元素であり、必要に応じて０．０１％以上添加する。しかし、過度な添加は靭性、製造性の低下を招くため、上限を０．３０％とする。
（Ｓｂ：０．００５％以上、０．５０％以下）
Ｓｂは、高温強度を向上する元素であり、必要に応じて０．００５％以上添加する。しかし、過度な添加は溶接性、靭性の低下を招くため、上限を０．５０％とする。
Ｓｂは、高温強度を向上する元素であり、必要に応じて０．００５％以上添加する。しかし、過度な添加は溶接性、靭性の低下を招くため、上限を０．５０％とする。
（Ｂｉ：０．００１％以上、１．０％以下）
Ｂｉは、冷間圧延時に発生するローピングを抑制し、製造性を向上する元素であり、必要に応じて０．００１％以上添加する。しかし、過度な添加は熱間加工性の低下を招くため、上限を１．０％とする。
Ｂｉは、冷間圧延時に発生するローピングを抑制し、製造性を向上する元素であり、必要に応じて０．００１％以上添加する。しかし、過度な添加は熱間加工性の低下を招くため、上限を１．０％とする。
（Ｔａ：０．００１％以上、１．０％以下）
Ｔａは、高温強度を向上する元素であり、必要に応じて０．００１％以上添加する。しかし、過度な添加は靭性、製造性の低下を招くため、上限を１．０％とする。
Ｔａは、高温強度を向上する元素であり、必要に応じて０．００１％以上添加する。しかし、過度な添加は靭性、製造性の低下を招くため、上限を１．０％とする。
（Ｇａ：０．０００２％以上、０．３０％以下）
Ｇａは、耐食性と耐水素脆化特性を向上する元素であり、必要に応じて０．０００２％以上添加する。しかし、過度な添加は加工性の低下を招くため、上限を０．３０％とする。
Ｇａは、耐食性と耐水素脆化特性を向上する元素であり、必要に応じて０．０００２％以上添加する。しかし、過度な添加は加工性の低下を招くため、上限を０．３０％とする。
次に、本発明における耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板の製造方法について説明する。
本発明の鋼板の製造方法については、フェライト系ステンレス鋼を製造する一般的な工程を採用できる。一般に、転炉又は電気炉で溶鋼とし、ＡＯＤ炉やＶＯＤ炉などで精練して、連続鋳造法又は造塊法で鋼片とした後、熱間圧延－熱延板の焼鈍－酸洗－冷間圧延－仕上げ焼鈍－酸洗の工程を経て製造される。必要に応じて、熱延板の焼鈍を省略してもよいし、冷間圧延－仕上げ焼鈍－酸洗を繰り返し行ってもよい。これら各工程の条件は一般的条件で良く、例えば熱延加熱温度１０００～１３００℃、熱延板焼鈍温度９００～１２００℃、冷延板焼鈍温度８００～１２００℃等で行うことが出来る。但し、本発明は製造条件を特徴とするものではなく、その製造条件は限定されるものではない。そのため、熱延条件、熱延板厚、熱延板焼鈍の有無、冷延条件、熱延板及び冷延板焼鈍温度、雰囲気などは適宜選択することが出来る。また、仕上酸洗前の処理は一般的な処理を行って良く、例えば、ショットブラストや研削ブラシなどの機械的処理や、溶融ソルト処理や中性塩電解処理などの化学的処理を行うことができる。また、冷延・焼鈍後に調質圧延やテンションレベラーを付与しても構わない。更に、製品板厚についても、要求部材厚に応じて選択すれば良い。また、この鋼板を素材として電気抵抗溶接、ＴＩＧ溶接、レーザー溶接などの通常の排気系部材用ステンレス鋼管の製造方法によって溶接管として製造しても良い。
本発明の自動車排気系部品は、図２（Ａ）に示すように、上記本発明のフェライト系ステンレス鋼板を用いた自動車排気系部材１と、それを強制冷却する強制冷却機構３とを備えている。図２（Ａ）においては、冷却ファン４の送風口５からの冷却空気流１１が自動車排気系部材１（排気マニホールド２）を強制空冷する。このような、排気マニホールド２やフロントパイプのような排気系の中でも高温に位置する自動車排気系部材１を強制空冷する強制冷却機構３は排気系部材への塩分付着を促進する要因となる。このような自動車排気系部品において、自動車排気系部材１として上記本発明のフェライト系ステンレス鋼板を用いることにより、十分な耐高温塩害性が付与されることとなる。
本発明の自動車排気系部品はまた、図２（Ｂ）に示すように、上記本発明のフェライト系ステンレス鋼板を用いた自動車排気系部材１と、その周囲を断熱材７で覆う断熱構造６とを備えている。図２（Ｂ）に示す断熱構造６においては、自動車排気系部材１（排気マニホールド２）の外周を断熱材７で覆い、断熱材カバー８で保護している。断熱材７はウール状セラミックス等が使用され、保水しやすくなる。そのため断熱材で覆うことは塩分も保持しやくなり、排気系への塩分付着を促進する。このような自動車排気系部品において、自動車排気系部材１として上記本発明のフェライト系ステンレス鋼板を用いることにより、十分な耐高温塩害性が付与されることとなる。
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
表１、２に示す成分組成を有する供試材（本発明例Ａ～Ｔ，比較例ａ～ｏ）を真空溶解炉で溶製して３０ｋｇインゴットに鋳造した。得られたインゴットは厚さ４．５ｍｍの熱延鋼板とした。熱間圧延の加熱条件は、１２００℃であった。熱延板焼鈍は、１０００℃とした。アルミナブラストで脱スケール処理した後、冷間圧延にて１．５ｍｍの厚さの板とし、１１００℃保持の仕上焼鈍を実施した。このようにして得られた冷延焼鈍板から、高温塩害試験用として厚さ１．５ｍｍ×幅２０ｍｍ×長さ５０ｍｍで全面Ｐ６００湿式研磨仕上げした試験片を作製した。
（高温塩害試験）
表１の本発明例Ａ～Ｔおよび表２の比較例ａ～ｏを供試材として用い以下の高温塩害試験を実施した。高温塩害試験としては試験片を加熱、冷却、塩水浸漬、乾燥のサイクルを２０サイクル実施した後の腐食減量を評価した。加熱条件は、温度を７５０℃、保持時間を１３０分とした。冷却条件は、温度を常温、保持時間を３０分とした。塩水浸漬条件は、塩水を飽和ＮａＣｌ水溶液、温度を常温、浸漬時間を３０分とした。乾燥条件は、温度を５０℃、保持時間を３０分とした。加熱、冷却、乾燥の雰囲気は露点４０～５０℃の空気中とした。高温塩害試験前と高温塩害試験で生成した腐食生成物を除去した後の試験片の重量差を測定し、これを高温塩害試験前の試験片表面積当りの値としたものを腐食減量とした。高温塩害試験後の試験片表面の腐食生成物の除去としては、試験片を沸騰１５質量％くえん酸２水素アンモニウム水溶液に２０分浸漬し、水洗した後ブラッシングをすることを数回繰り返すことで実施した。このようにして得られた高温塩害試験の腐食減量を用いて、耐高温塩害性を評価した。腐食減量が１５０ｍｇ／ｃｍ2以下であれば、耐高温塩害性は良好とした。
表１の本発明例Ａ～Ｔおよび表２の比較例ａ～ｏを供試材として用い以下の高温塩害試験を実施した。高温塩害試験としては試験片を加熱、冷却、塩水浸漬、乾燥のサイクルを２０サイクル実施した後の腐食減量を評価した。加熱条件は、温度を７５０℃、保持時間を１３０分とした。冷却条件は、温度を常温、保持時間を３０分とした。塩水浸漬条件は、塩水を飽和ＮａＣｌ水溶液、温度を常温、浸漬時間を３０分とした。乾燥条件は、温度を５０℃、保持時間を３０分とした。加熱、冷却、乾燥の雰囲気は露点４０～５０℃の空気中とした。高温塩害試験前と高温塩害試験で生成した腐食生成物を除去した後の試験片の重量差を測定し、これを高温塩害試験前の試験片表面積当りの値としたものを腐食減量とした。高温塩害試験後の試験片表面の腐食生成物の除去としては、試験片を沸騰１５質量％くえん酸２水素アンモニウム水溶液に２０分浸漬し、水洗した後ブラッシングをすることを数回繰り返すことで実施した。このようにして得られた高温塩害試験の腐食減量を用いて、耐高温塩害性を評価した。腐食減量が１５０ｍｇ／ｃｍ2以下であれば、耐高温塩害性は良好とした。
式（ｉ）～（iv）の値、及び上記の高温塩害試験における腐食減量の測定結果を表３に示す。また、鋼中のＳｉ含有量を横軸、「Ｎｂ＋Ｔｉ」含有量を縦軸として、高温塩害試験腐食減量の評価結果を図１に示す。図中の破線は、式（ｉ）の等号における直線を示している。
本発明例Ａ～Ｔは成分組成が適正範囲内であり、更に、式（ｉ）～（iv）を満足しており、耐高温塩害性は良好である。
比較例ａはＳｉが適正範囲の下限を外れ、比較例ｂはＭｎが不適な範囲内であり、比較例ｃはＳが適正範囲の上限を外れ、比較例ｄはＣｒが適正範囲の下限を外れ、耐高温塩害性が不十分である。
比較例ｅ～ｏは個別の成分組成は適正範囲内であるが、ｅ～ｉは式（ｉ）を満足せず、ｊ、ｋは式（ii）を満足せず、ｌ、ｍは式（iii）を満足せず、ｎ、ｏは式（iv）を満足せず、耐高温塩害性が不十分である。
なお、加熱温度を６５０℃、７００℃、８００℃等で実施した場合や、塩水を飽和ＣａＣｌ2水溶液にした場合や、雰囲気を乾燥大気にした場合においても本発明鋼の耐高温塩害性は良好であった。これより、本発明例は様々な高温塩害環境で優れた耐高温塩害性を示すと考えられる。
これらから明らかなように、本発明で規定する個別の成分組成を有し、式（ｉ）～（iv）を満足する鋼は耐高温塩害性に優れていることがわかる。
本発明によれば、耐高温塩害性を必要とする排気マニホールドやフロントパイプといった用途に耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板を提供することができる。具体的な用途としては強制冷却機構により塩分付着が促進されている自動車排気系部品や、自動車排気系の周囲を断熱材で覆う断熱構造が適用されることにより塩分付着が促進されている自動車排気系部品である。これらの部品を可能とすることで、これら部品が適用されるターボ搭載車やＨＣＣＩ（予混合圧縮自動着火）燃焼するエンジン車の普及を促進し、自動車の燃費改善および環境負荷の低減に寄与できる。
１ 自動車排気系部材
２ 排気マニホールド
３ 強制冷却機構
４ 冷却ファン
５ 送風口
６ 断熱構造
７ 断熱材
８ 断熱材カバー
１０ 排気ガス
１１ 冷却空気流
２ 排気マニホールド
３ 強制冷却機構
４ 冷却ファン
５ 送風口
６ 断熱構造
７ 断熱材
８ 断熱材カバー
１０ 排気ガス
１１ 冷却空気流
Claims (6)
- 質量％で、
Ｃ：０．０２００％以下、
Ｎ：０．０２００％以下、
Ｓｉ：０．３０％以上、４．００％以下、
Ｍｎ：０．０１％以上、０．４０％以下、または、０．８０％以上、２．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．００１４％以下、
Ｃｒ：１３．０％以上、２３．０％以下、
Ｎｉ：０．０１％以上、０．４０％以下、
Ｃｕ：０．０１％以上、０．１０％未満、
Ｎｂ：０．２０％以上、０．６０％未満、
Ｔｉ：０．００１％以上、０．２７０％以下、
Ａｌ：０．００２％以上、０．２００％以下、
Ｖ：０．０１％以上、０．２０％以下、
Ｂ：０．０００１％以上、０．００５０％以下、
Ｏ：０．００５０％以下、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、下記（ｉ）～（iv）式を満たす組成を有することを特徴とする耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
Ｎｂ＋Ｔｉ＋０．４Ｓｉ≧０．６３０ ・・・式（ｉ）
Ｃｒ＋１０Ｓｉ≧１７．０ ・・・式（ii）
０．０１１０≦Ｃ＋Ｎ≦０．０２７０ ・・・式（iii）
Ａｌ／Ｏ≧１．２ ・・・式（iv）
但し、式中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を意味する。 - 質量％にて、更に
Ｙ：０．００１％以上、０．２０％以下、
ＲＥＭ：０．００１％以上、０．２０％以下、
Ｃａ：０．０００２％以上、０．００３０％以下、
Ｚｒ：０．０１％以上、０．３０％以下、
Ｈｆ：０．００１％以上、１．０％以下、
Ｓｎ：０．００２％以上、１．０％以下、
Ｍｇ：０．０００２％以上、０．００３０％以下、
Ｃｏ：０．０１％以上、０．３０％以下、
Ｓｂ：０．００５％以上、０．５０％以下、
Ｂｉ：０．００１％以上、１．０％以下、
Ｔａ：０．００１％以上、１．０％以下、
Ｇａ：０．０００２％以上、０．３０％以下、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。 - 強制冷却機構により塩分付着が促進されている環境において自動車排気系部材に使用される請求項１または請求項２に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
- 自動車排気系部材の周囲を断熱材で覆う断熱構造が適用されることにより塩分付着が促進されている環境において自動車排気系部材に使用される請求項１または請求項２に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
- 請求項１または請求項２に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板を用いた自動車排気系部材と、それを強制冷却する強制冷却機構とを備えた自動車排気系部品。
- 請求項１または請求項２に記載の耐高温塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼板を用いた自動車排気系部材と、その周囲を断熱材で覆う断熱構造とを備えた自動車排気系部品。
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