熱疲労特性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼
【課題】Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕを用いずに、熱疲労特性および加工性がともに優れたフェライト系ステンレス鋼を提供すること。
【解決手段】ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ａｌ：０．３０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１２％以上１６％未満、Ｎｉ：０．５％以下、Ｎ：０．０１５〜０．０４０％、Ｎｂ：１０（Ｃ＋Ｎ）〜０．６０％、Ｖ：０．１５〜０．６０％、Ｔｉ：０．０１％以下、Ｚｒ：０．０１％以下、Ｔａ：０．０１％以下、Ｍｏ：０．１％以下、Ｗ：０．１％以下を含有し、かつ０．００３≦Ｖ×Ｎ≦０．０１５を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる熱疲労特性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【解決手段】ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ａｌ：０．３０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１２％以上１６％未満、Ｎｉ：０．５％以下、Ｎ：０．０１５〜０．０４０％、Ｎｂ：１０（Ｃ＋Ｎ）〜０．６０％、Ｖ：０．１５〜０．６０％、Ｔｉ：０．０１％以下、Ｚｒ：０．０１％以下、Ｔａ：０．０１％以下、Ｍｏ：０．１％以下、Ｗ：０．１％以下を含有し、かつ０．００３≦Ｖ×Ｎ≦０．０１５を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる熱疲労特性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車やオートバイの排気管、触媒外筒材や火力発電プラントの排気ダクト等の高温環境下で使用される部材用として好適な、優れた熱疲労特性と加工性を兼ね備えたフェライト系ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排気系環境で使用される、例えば、エキゾーストマニホールド、排気パイプ、コンバーターケース、マフラー等に代表される排気部材には、耐熱疲労特性や耐酸化性のような耐熱性に優れることが要求されている。このような用途には、現状では、ＮｂとＳｉを添加したＣｒ含有鋼、例えば、Ｔｙｐｅ４２９（１４Ｃｒ−０．９Ｓｉ−０．４Ｎｂ系）鋼が多く使用されている。しかし、エンジン性能の向上に伴って、排ガス温度が９００℃を超えるような温度まで上昇すると、Ｔｙｐｅ４２９鋼は、熱疲労特性が不足するという問題がある。
【０００３】
この問題に対しては、ＮｂとＭｏを添加して高温耐力を向上させたＣｒ含有鋼、ＪＩＳ Ｇ４３０５に規定されるＳＵＳ４４４（１９Ｃｒ−０．５Ｎｂ−２Ｍｏ）、Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗを添加したフェライト系ステンレス鋼（例えば、特許文献１参照）等が開発されている。しかしながら、昨今におけるＭｏ，Ｗ原料の異常なまでの高騰から、安価な原料を用いて同等の耐熱性を有する材料の開発が要求されるようになってきた。
【０００４】
このような状況下で、高価な元素であるＭｏやＷを用いない耐熱性に優れた材料が、例えば、特許文献２〜４に開示されている。これらに開示された鋼はいずれも、Ｃｕを添加することによって、熱疲労特性を向上させているのが特徴である。
【０００５】
しかしながら、発明者らの研究によれば、上記特許文献２〜４に開示された技術のようにＣｕを添加した場合には、鋼自身の耐酸化性を低下させる他、加工性も低下させるという新たな問題があることが明らかとなった。
【０００６】
ＭｏやＷも、Ｃｕも用いずに耐熱性を高めた鋼としては、特許文献５〜１１に開示されたものがある。これら特許文献ではＶＮの析出強化を利用して高耐熱化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−０１８９２１号公報
【特許文献２】国際公開２００３／００４７１４号パンフレット
【特許文献３】特開２００６−１１７９８５号公報
【特許文献４】特開２０００−２９７３５５号公報
【特許文献５】特許第４３６９５９６号公報
【特許文献６】特開平７−７０７０９号公報
【特許文献７】特開２０１０−１５６００８号公報
【特許文献８】特開２０００−２４８３３７号公報
【特許文献９】特開２０１０−４３３２７号公報
【特許文献１０】特開２００２−３０３４６号公報
【特許文献１１】特開平６−１８４６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献５、７、８の技術では、Ｎｂ、Ｖ、Ｎの全てが適量添加されていないため熱疲労特性が未だ十分とはいえない上、鋭敏化が発生し、耐食性や耐酸化性が著しく低下する問題も有している。また、特許文献６ではＶ、Ｎが適量添加されていてもＭｎが適量でないため耐酸化性のみならず熱疲労特性も十分ではない。
さらに、特許文献１０、１１についてはＶ、Ｎが適量添加されていないため優れた熱疲労特性は得られない。
【０００９】
また近年、自動車車体の軽量化の趨勢に伴い、排気系部材が使用できるスペースが小さくなっており、限られたスペース内に収めなければならないため複雑な形状に加工される場合が多くなってきている。そのため、排気系部材にはますます優れた加工性が求められるようになっている。特許文献９ではＶＮ析出強化を活用して耐熱性を向上させているが、複雑な加工を行う際には加工性が不足する。
【００１０】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕを用いずに、熱疲労特性および加工性がともに優れたフェライト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【００１１】
なお、本発明でいう「熱疲労特性と加工性に優れた」とは、ＳＵＳ４４４と同等の熱疲労特性およびＴｙｐｅ４２９鋼を上回る加工性を有することをいう。具体的には、２００／８５０℃の熱疲労特性がＳＵＳ４４４と同等以上であり、常温での伸び（三方向平均）が３７％以上であることとする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、ＶＮの析出強化を有効に活用して熱疲労特性を向上させるためには、Ｎｂ、Ｖ、Ｎ含有量を最適なものにする必要があること、また優れた耐酸化性を得るためにはＭｎ量を最適化する必要があること、さらに耐熱性を落とすことなく優れた加工性を有する材料を得るためにはＣｒ量の適正化が有効であることを見出した。
【００１３】
具体的には、ｍａｓｓ％で、Ｓｉを１．０％以下、Ｍｎを０．５％以下、Ｎｂを１０×（Ｃ＋Ｎ）〜０．６％をベースとして、Ｎを０．０１５〜０．０４０％の範囲で、同時にＶを０．１５〜０．６％の範囲で、かつＶ×Ｎが０．００３〜０．０１５となるように含有させることにより長時間に亘って高温における強度を維持することができ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕを含有させなくてもＳＵＳ４４４と同等の耐熱疲労特性が得られることを見出した。また、Ｍｎを０．５ｍａｓｓ％以下とすることで１０００℃における耐酸化性についてもＳＵＳ４４４と同等以上となることも見出した。さらに、Ｃｒを１２ｍａｓｓ％以上１６ｍａｓｓ％未満とすることで耐熱性を落とすことなく室温伸び（三方向平均）３７％以上の優れた加工性が得られることを見出した。
【００１４】
本発明は、本発明者らの以上のような知見に基づいて完成されたものである。
【００１５】
すなわち、本発明は、ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ａｌ：０．３０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１２％以上１６％未満、Ｎｉ：０．５％以下、Ｎ：０．０１５〜０．０４０％、Ｎｂ：１０（Ｃ＋Ｎ）〜０．６０％、Ｖ：０．１５〜０．６０％、Ｔｉ：０．０１％以下、Ｚｒ：０．０１％以下、Ｔａ：０．０１％以下、Ｍｏ：０．１％以下、Ｗ：０．１％以下を含有し、かつ０．００３≦Ｖ×Ｎ≦０．０１５を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱疲労特性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供する。
【００１６】
また、本発明は、上記の成分組成に加えてさらに、ｍａｓｓ％で、Ｂ：０．０００４〜０．００２０％、Ｃｏ：０．０５〜０．１％の１種または２種を含有することを特徴とする熱疲労特性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供する。
【００１７】
さらに本発明は、Ｓｉを０．４〜１．０％の範囲で含有することを特徴とする熱疲労特性と加工性と耐水蒸気酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高価なＭｏやＷ、およびＣｕを含有させることなくＳＵＳ４４４と同等以上の熱疲労特性およびＴｙｐｅ４２９鋼を上回る加工性を達成することができ、自動車排気部材用等として好適なフェライト系ステンレス鋼を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】熱疲労特性に及ぼすＮ含有量の影響を示すグラフである。
【図２】熱疲労特性に及ぼすＶ含有量の影響を示すグラフである。
【図３】熱疲労特性に及ぼすＶ×Ｎの影響を示すグラフである。
【図４】熱疲労特性に及ぼすＺｒ、Ｔｉ、Ｔａ含有量の影響を示すグラフである。
【図５】耐酸化性（酸化増量）に及ぼすＭｎ含有量の影響を示すグラフである。
【図６】三方向平均伸びに及ぼすＣｒ含有量の影響を示すグラフである。
【図７】耐酸化性（酸化増量）に及ぼすＣｒ含有量の影響を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
まず、本発明を完成するに至った基礎的な実験について、説明する。なお、以下の説明において、成分における％表示は全てｍａｓｓ％である。
最初に、熱疲労特性に及ぼすＮ含有量の影響を検討した。
０．００５〜０．０１０％Ｃ−０．４５〜０．５５％Ｓｉ−０．１５〜０．２５％Ｍｎ−０．０４０〜０．０５０％Ａｌ−１３．５〜１４．５％Ｃｒ−０．４０〜０．５０％Ｎｂ−０．３０〜０．４０％Ｖの成分系をベースとして、Ｎ含有量を０．００７〜０．０４７％の範囲で種々変化させた鋼を、実験室的に溶製して鋼塊とし、この鋼塊を鍛造し、熱処理して鋼材とし、この鋼材から熱疲労試験片を作製した。そして、拘束率０．８で２００／８５０℃の加熱・冷却を繰り返し、熱疲労寿命を評価した。熱疲労寿命は、２００℃において検出された荷重が初期の荷重の８０％を下回ったサイクル数とした。なお、比較として、ＳＵＳ４４４（１８％Ｃｒ−２％Ｍｏ−０．５％Ｎｂ鋼）についても同様に評価した。
【００２１】
図１は上記熱疲労試験における熱疲労寿命に及ぼすＮ含有量の影響を示したものである。この図から、Ｎ含有量が０．０１５〜０．０４０％の範囲でＳＵＳ４４４の熱疲労寿命より優れた熱疲労寿命が得られることがわかる。したがって、優れた熱疲労特性を得るためには、Ｎ含有量が０．０１５〜０．０４０％であることが必要である。
【００２２】
次に、熱疲労特性に及ぼすＶ含有量の影響を検討した。
０．００５〜０．０１０％Ｃ−０．４５〜０．５５％Ｓｉ−０．１５〜０．２５％Ｍｎ−０．０４０〜０．０５０％Ａｌ−１３．５〜１４．５％Ｃｒ−０．４０〜０．５０％Ｎｂ−０．０１５〜０．０２５％Ｎの成分系をベースとして、Ｖ含有量を０．０８〜０．７３％の範囲で種々変化させた鋼を、実験室的に溶製して鋼塊とし、この鋼塊を鍛造し、熱処理して鋼材とし、この鋼材から熱疲労試験片を作製した。同様に、拘束率０．８で２００／８５０℃の加熱・冷却を繰り返し、熱疲労寿命を評価した。
【００２３】
図２は上記熱疲労試験における熱疲労寿命に及ぼすＶ含有量の影響を示したものである。この図から、Ｖ含有量が０．１５〜０．６０％の範囲でＳＵＳ４４４の熱疲労寿命より優れた熱疲労寿命が得られることがわかる。したがって、優れた熱疲労特性を得るためには、Ｖ含有量が０．１５〜０．６０％であることが必要である。
【００２４】
次に、Ｖ×Ｎの最適値を検討した。
図１、２に示した実験結果に加え、同様な組成をベースとしてＶ、Ｎ量を変化させ、同様にして鋼塊を作製した後、鍛造し、熱処理して鋼材とし、この鋼材から熱疲労試験片を作製し、同様に、拘束率０．８で２００／８５０℃の加熱・冷却を繰り返し、熱疲労寿命を評価した。
【００２５】
図３は上記熱疲労試験における熱疲労寿命に及ぼすＶ×Ｎの値の影響を示したものである。この図に示すように、Ｖ、Ｎがそれぞれ上記範囲内であっても、Ｖ×Ｎの値が０．００３未満または０．０１５超であると熱疲労寿命がＳＵＳ４４４よりも低くなることがわかった。したがって、優れた熱疲労特性を得るためには、Ｖ、Ｎの含有量が上記範囲を満たすとともに、Ｖ×Ｎの値が０．００３〜０．０１５の範囲であることが必要である。
【００２６】
次に、熱疲労特性に及ぼすＺｒ、Ｔｉ、Ｔａ含有量の影響を検討した。
０．００５〜０．０１０％Ｃ−０．４５〜０．５５％Ｓｉ−０．１５〜０．２５％Ｍｎ−０．０４０〜０．０５０％Ａｌ−１３．５〜１４．５％Ｃｒ−０．４０〜０．５０％Ｎｂ−０．３０〜０．４０％Ｖ−０．０１５〜０．０２５％Ｎの成分系をベースとして、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａの含有量を、それぞれ０．００４〜０．０１９％、０．００４〜０．０２１％、０．００５〜０．０１６％の範囲で変化させた鋼を、実験室的に溶製して鋼塊とし、この鋼塊を鍛造し、熱処理して鋼材とし、この鋼材から熱疲労試験片を作製した。同様に、拘束率０．８で２００／８５０℃の加熱・冷却を繰り返し、熱疲労寿命を評価した。
【００２７】
図４は上記熱疲労試験における熱疲労寿命に及ぼすＺｒ、Ｔｉ、Ｔａ含有量の影響を示したものである。この図に示すように、Ｖ、Ｎ、Ｖ×Ｎが上記範囲内であっても、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａのいずれかの含有量が０．０１％を超えると熱疲労寿命がＳＵＳ４４４よりも低くなることがわかった。したがって、優れた熱疲労特性を得るためには、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａの含有量がいずれも０．０１％以下であることが必要である。
【００２８】
次に、耐酸化性に及ぼすＭｎ含有量の影響について検討した。
０．００５〜０．０１０％Ｃ−０．４５〜０．５５％Ｓｉ−０．０４０〜０．０５０％Ａｌ−１３．５〜１４．５％Ｃｒ−０．４０〜０．５０％Ｎｂ−０．３０〜０．４０％Ｖ−０．０１５〜０．０２５％Ｎの成分系をベースとして、Ｍｎ量を０．０９〜０．８４％の範囲で変化させた組成の鋼板から試験片を作製し、この試験片の表面を＃３２０のエメリー紙で研磨後、大気中１０００℃で２００時間の連続酸化試験を行った。耐酸化性は、酸化増量により評価した。なお、比較として、ＳＵＳ４４４（１８％Ｃｒ−２％Ｍｏ−０．５％Ｎｂ鋼）についても同様に評価した。
【００２９】
図５は上記連続酸化試験における酸化増量に及ぼすＭｎ含有量の影響を示したものである。この図から、Ｍｎ含有量が０．５％以下でＳＵＳ４４４と同等以上の耐酸化性が得られることがわかる。したがって、耐酸化性の観点から、Ｍｎ含有量は０．５％以下とすることが必要である。
【００３０】
次に、加工性および耐酸化性に及ぼすＣｒ含有量の影響について検討した。
０．００５〜０．０１０％Ｃ−０．４５〜０．５５％Ｓｉ−０．１５〜０．２５％Ｍｎ−０．０４０〜０．０５０％Ａｌ−０．４０〜０．５０％Ｎｂ−０．３０〜０．４０％Ｖ−０．０１５〜０．０２５％Ｎの成分系をベースとして、Ｃｒ含有量を１０〜２０％の範囲で変化させた組成の鋼板から、Ｌ、Ｃ、Ｄ方向をそれぞれ長手方向とするＪＩＳ１３Ｂ号引張試験片を作製した。これを用いて常温で引張試験を行い、三方向平均伸びを測定した。
【００３１】
図６は三方向平均伸びに及ぼすＣｒ含有量の影響を示したものである。この図から、Ｃｒ含有量が１６％未満であれば良好な加工性（三方平均伸び３７％）が得られることがわかる。
【００３２】
次に同様の組成の鋼板から得られた試験片を用いて、上述した連続酸化試験を行った。図７は連続酸化試験における酸化増量に及ぼすＣｒ含有量の影響を示したものである。この図から、Ｃｒ含有量が１２％未満になると耐酸化性が著しく低下することがわかる。
【００３３】
図６および図７の結果から、加工性および耐酸化性の観点からＣｒ含有量は１２％以上１６％未満であることが必要である。
【００３４】
本発明は、以上のような基礎実験の結果に基づき、さらに検討を加えた結果完成されたものである。
【００３５】
以下、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼について詳細に説明する。
まず、本発明の成分組成について説明する。
【００３６】
Ｃ：０．０１５％以下
Ｃは、鋼の強度を増加させる元素であるが、０．０１５％を超えて含有すると、靭性および成形性の低下が顕著となる。よって、本発明では、Ｃ含有量を０．０１５％以下とする。なお、成形性の観点からは、Ｃ含有量は低いほど好ましく、０．０１０％以下とするのが望ましい。
【００３７】
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは、耐酸化性を向上させる元素であり、脱酸材としても用いられる。一方、１．０％を超えて含有させると加工性が低下する。このため、Ｓｉ含有量を１．０％以下とする。
一方、自動車排気系部材は実際には水蒸気を含んだガス中で使用されるため、耐水蒸気酸化特性も重要となる。Ｓｉは耐水蒸気酸化特性向上に有効な元素であり、０．４％以上含有することでその効果が得られる。Ｓｉによって耐水蒸気酸化性が改善される理由は十分に解明されているわけではないが、Ｓｉ含有量を０．４％以上とすることにより、鋼板表面に緻密なＳｉ酸化物層が連続的に生成し、外部からのガス成分の侵入が抑制されるためと考えられる。したがって、耐水蒸気酸化特性が必要とされる場合にはＳｉ含有量を０．４〜１．０％とすることが好ましい。より厳しい水蒸気含有雰囲気下での耐酸化性が求められる場合には、Ｓｉ含有量を０．５％以上とすることが好ましい。
【００３８】
Ｍｎ：０．５％以下
Ｍｎは、脱酸剤として作用するが、過剰に含有すると高温でγ相が生成しやすくなり、耐熱性を低下させるだけでなく、耐酸化性も低下させる。このため、Ｍｎ含有量を０．５％以下とする。好ましくは、０．３５％以下であり、さらに好ましくは０．３％以下である。
【００３９】
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、靭性を低下させる元素であり、できるだけ低減するのが望ましい。このため、Ｐ含有量を０．０４０％以下とする。好ましくは、０．０３０％以下である。
【００４０】
Ｓ：０．０１０％以下
Ｓは、伸びおよびｒ値を低下させ、成形性を劣化させるとともに、ステンレス鋼の基本特性である耐食性を低下させる元素でもあり、できるだけ低減するのが望ましい。このため、Ｓ含有量を０．０１０％以下とする。
【００４１】
Ｃｒ：１２％以上１６％未満
Ｃｒは、耐酸化性を向上させる元素である。しかし、図７に示すように、その含有量が１２％未満では、十分な耐酸化性が得られない。一方、Ｃｒは、室温において固溶強化により鋼を硬質化・低延性化し、１６％以上含有すると、Ｔｙｐｅ４２９鋼をよりも高い加工性は得られなくなる。このため、Ｃｒ含有量を１２％以上１６％未満の範囲とする。より好ましくは、１３〜１５％の範囲である。
【００４２】
Ｎ：０．０１５〜０．０４０％、Ｖ：０．１５〜０．６０％、かつＶ×Ｎ：０．００３〜０．０１５
Ｖ、Ｎは本発明で重要な元素である。Ｖ、Ｎを含有することにより６００〜８００℃でこれらがＶＮとして微細に析出し、鋼材を高強度化することで熱疲労特性を向上させる。その効果はＮ含有量が０．０１５％以上およびＶ含有量が０．１５％以上で認められる。しかし過剰に含有することにより鋼の靱性および成形性を劣化させるだけでなく、ＶＮが粗大化し熱疲労寿命を低下させてしまう。このため、Ｎの含有量を０．０１５〜０．０４０％の範囲、Ｖの含有量をＶ：０．１５〜０．６０％の範囲とする。また、Ｖ、Ｎがそれぞれ上記の範囲内であってもＶ×Ｎが０．００３〜０．０１５を満たさなければ所望の熱疲労寿命が得られない。このため、Ｖ×Ｎを０．００３〜０．０１５とした。
【００４３】
Ｎｂ：１０（Ｃ＋Ｎ）〜０．６０％
Ｎｂは、Ｃ、Ｎを固定し、耐鋭敏化特性、成形性、溶接部の耐粒界腐食性を高める作用を有するとともに、高温強度を上昇させて熱疲労特性を向上させる有益な元素である。しかし、その含有量が１０（Ｃ＋Ｎ）よりも少ないとＣ、Ｎの固定が不十分となり、鋼材の鋭敏化が認められるようになる。鋭敏化が発生すると溶接部における耐食性、耐酸化性が著しく低下するため、Ｎｂを１０（Ｃ＋Ｎ）以上添加することが必要となる。Ｎｂ量によっては母材部でも同様の現象が発生することがある。一方、その含有量が０．６０％を超えると、Ｌａｖｅｓ相が析出しやすくなり、脆化するのみならず、本発明で重要なＶＮの析出が抑制され、熱疲労特性が低下してしまう。このため、Ｎｂ含有量を１０（Ｃ＋Ｎ）〜０．６０％の範囲とする。好ましくは、０．５５％以下であり、さらに好ましくは０．５０％以下である。
【００４４】
Ｍｏ：０．１％以下
Ｍｏは、高価な元素であり、本発明の目的からも積極的には添加しない。溶解原料であるスクラップ等からの混入量は高々０．１％であるため、Ｍｏ含有量を０．１％以下とする。
【００４５】
Ｗ：０．１％以下
Ｗは、Ｍｏと同様に高価な元素であり、本発明の目的からも積極的には添加しない。溶解原料であるスクラップ等からの混入量は高々０．１％であるため、Ｗ含有量を０．１％以下とする。
【００４６】
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ：０．０１％以下
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａは、Ｃ、Ｎを固定して、耐食性、成形性、溶接部の粒界腐食性を向上させる作用を有するが、本発明で重要なＶＮの析出を抑制し、たとえ本発明で規定するＶ、Ｎ量を満たしていても、これらが０．０１％を超えて含有されると熱疲労特性を低下させてしまう。このため、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａの含有量をいずれも０．０１％以下とする。
【００４７】
Ａｌ：０．３０％以下
Ａｌは、耐酸化性および耐高温塩害腐食性の向上に有効な元素である。しかし、その含有量が０．３０％を超えると鋼が硬質化し、加工性の低下が顕著となる。このため、Ａｌ含有量を０．３０％以下とする。より好ましくは０．０３〜０．２０％である。
【００４８】
Ｎｉ：０．５％以下
Ｎｉは、靱性を向上させる元素であるが、高価であるばかりか、強力なγ相形成元素であり高温でγ相が生成し耐酸化性を低下させる。このため、Ｎｉ含有量を０．５％以下とする。
【００４９】
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、上記成分に加えてさらに、下記の成分を含有させてもよい。
【００５０】
Ｂ：０．０００４〜０．００２０％、Ｃｏ：０．０５〜０．１％の１種または２種
Ｂは、加工性、特に二次加工性を向上させる有効な元素である。このような効果は０．０００４％以上で有効に発揮されるが、０．００２０％を超えて含有すると、ＢＮを生成し、加工性が低下する。このため、Ｂを含有させる場合には、その含有量を０．０００４〜０．００２０％の範囲とする。
Ｃｏは、靭性の向上に有効な元素である。このような効果は０．０５％以上で発揮されるが、Ｃｏは高価な元素であり、また、その含有量が０．１％を超えても上記効果は飽和する。このため、Ｃｏを含有させる場合は、その含有量を０．０５〜０．１％とする。
【００５１】
次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼の製造方法について説明する。
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、一般的なフェライト系ステンレス鋼の製造方法により製造することができ、その製造条件は特に限定されるものではない。例えば、本発明範囲内の組成の溶鋼を、転炉、電気炉等の溶製炉を利用し、あるいはさらに取鍋精錬、真空精錬等の精錬を利用した溶製方法で溶製し、連続鋳造法、造塊法で鋼片としたのち、熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上げ焼鈍、酸洗の各工程を順次経て冷延焼鈍板とするのが好ましい。また、冷間圧延は、1回または中間焼鈍を含む2回以上の冷間圧延としてもよい。冷間圧延、仕上げ焼鈍、酸洗の工程は繰り返し行ってもよい。なお、場合によっては、熱延板焼鈍は省略してもよい。さらに、鋼板表面の光沢性が要求される場合にはスキンパス等を施しても加工性の良好な鋼板として製造できる。
【実施例】
【００５２】
表１に示すＮｏ．１〜４７の成分組成を有する鋼を用いて、以下に示す試験を行った。Ｎｏ．１〜４７の成分組成のうち、Ｎｏ．１〜２４は本発明の範囲内の本発明例、Ｎｏ．２５〜４７は本発明の範囲から外れる比較例である。なお、比較例のうち、Ｎｏ．３８、３９、４０、４１、４２は、それぞれ特許第４３６９５９６号公報（特許文献５）、特開平７−７０７０９号公報（特許文献６）、特開平６−１５８１６２号公報、特開２０００−１４４３４４号公報、特開２０１０−４３３２４号公報で実施例として開示された成分組成に相当するものであり、Ｎｏ．４３はＳＵＳ４４４に相当するものである。また、Ｎｏ．４４、４５、４６、４７は、それぞれ特開２０１０−１５６００８号公報（特許文献７）、特開２０１０−４３３２７号公報（特許文献９）、特開２００２−３０３４６号公報（特許文献１０）、特開平６−１８４６３７号公報（特許文献１１）で実施例として開示された成分組成に相当するものである。
【００５３】
上記Ｎｏ．１〜４７の成分組成を有する鋼の５０ｋｇ鋼塊を作製し、これら鋼塊を１１７０℃に加熱後、熱間圧延により５ｍｍ厚の熱延板とした。ついで、これら熱延板を、熱延板焼鈍（焼鈍温度：１０４０℃）−酸洗−冷間圧延（冷延圧下率：６０％）−仕上げ焼鈍（焼鈍温度：１０４０℃、平均冷却速度：３０℃/ｓ）−酸洗を順次施し、２ｍｍ厚の冷延焼鈍板とした。
【００５４】
これら冷延焼鈍板から試験片を作製し、酸化試験および室温引張試験に供した。酸化試験は、試験片の表面を＃３２０のエメリー紙で研磨後、大気中１０００℃で２００時間保持し、耐酸化性はその際の酸化増量により評価した。室温引張試験は、Ｌ、Ｃ、Ｄ方向をそれぞれ長手方向とするＪＩＳ１３Ｂ号引張試験片を用いて常温で引張試験を行い、三方向平均伸びを測定した。
【００５５】
また、上記冷延焼鈍板から作製した試験片を、水蒸気雰囲気中酸化試験に供した。水蒸気雰囲気酸化試験は、各冷延焼鈍板から３０ｍｍ×２０ｍｍの試験片を切り出し、試験片上部に４ｍｍφの穴をあけ、表面および端面を＃３２０のエメリー紙で研磨後、脱脂した。この試験片を、９５０℃に加熱された１０％ＣＯ２−２０％Ｈ２Ｏ−５％Ｏ２−ｂａｌ．Ｎ２ガスを０．５Ｌ／ｍｉｎで流し、水蒸気雰囲気とした炉中に、２００時間保持した。試験後、試験片の質量を測定し、予め測定しておいた試験前の質量との差を求め、酸化増量（ｇ／ｍ２）を算出した。評価は２回実施し、その平均値で最終的に評価した。
【００５６】
さらに、上記冷延焼鈍板から１５ｍｍ×１０ｍｍを切り出し、Ｌ断面において、シュウ酸エッチング（ＪＩＳ Ｇ ５７１）を行った。エッチングには１０％シュウ酸溶液を用い、室温で１Ａ／ｃｍ２の電流を９０ｍｉｎ間流した。その後の組織を観察し、粒界の著しい腐食（溝状組織）が見られたものを鋭敏化材と判断した。
【００５７】
一方、上記Ｎｏ．１〜４７の鋼塊を１１７０℃に加熱後、熱間圧延により１５０ｍｍ幅、３５ｍｍ厚の熱延シートバーとした。鍛造加工により３０mm□のバーとし、１０４０℃で焼鈍後、機械加工により熱疲労試験片に加工し、熱疲労寿命の評価に供した。
【００５８】
熱疲労試験は、拘束率０．８で２００℃−８５０℃間を繰り返し昇温・降温させた。昇温・降温は５℃／ｓ、８５０℃保持時間は1分の条件で実施した。熱疲労寿命の定義は図１の評価のときと同じである。
【００５９】
得られた結果を表２に示す。表２から明らかなように、本発明例は、いずれもＳＵＳ４４４と同等以上の熱疲労寿命および三方向平均伸びが３７％以上の良好な加工性を示しており、本願発明の目標が達成されていることが確認された。一方、本発明範囲を外れる比較例では両特性を同時に満足しておらず、本発明の目標が達成されないことが確認された。また、比較例のうちＮｂの含有量が１０（Ｃ＋Ｎ）より少ないものについては鋭敏化が発生した。
【００６０】
また、本発明例のうち、Ｓｉが０．４％以上のものは、優れた耐水蒸気酸化性が得られることが確認された。
【００６１】
【表１−１】
【００６２】
【表１−２】
【００６３】
【表２】
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の鋼は、自動車等の排気系部材用として好適であるだけでなく、同様の特性が要求される火力発電システムの排気系部材や固体酸化物タイプの燃料電池用部材としても好適に用いることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車やオートバイの排気管、触媒外筒材や火力発電プラントの排気ダクト等の高温環境下で使用される部材用として好適な、優れた熱疲労特性と加工性を兼ね備えたフェライト系ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排気系環境で使用される、例えば、エキゾーストマニホールド、排気パイプ、コンバーターケース、マフラー等に代表される排気部材には、耐熱疲労特性や耐酸化性のような耐熱性に優れることが要求されている。このような用途には、現状では、ＮｂとＳｉを添加したＣｒ含有鋼、例えば、Ｔｙｐｅ４２９（１４Ｃｒ−０．９Ｓｉ−０．４Ｎｂ系）鋼が多く使用されている。しかし、エンジン性能の向上に伴って、排ガス温度が９００℃を超えるような温度まで上昇すると、Ｔｙｐｅ４２９鋼は、熱疲労特性が不足するという問題がある。
【０００３】
この問題に対しては、ＮｂとＭｏを添加して高温耐力を向上させたＣｒ含有鋼、ＪＩＳ Ｇ４３０５に規定されるＳＵＳ４４４（１９Ｃｒ−０．５Ｎｂ−２Ｍｏ）、Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗを添加したフェライト系ステンレス鋼（例えば、特許文献１参照）等が開発されている。しかしながら、昨今におけるＭｏ，Ｗ原料の異常なまでの高騰から、安価な原料を用いて同等の耐熱性を有する材料の開発が要求されるようになってきた。
【０００４】
このような状況下で、高価な元素であるＭｏやＷを用いない耐熱性に優れた材料が、例えば、特許文献２〜４に開示されている。これらに開示された鋼はいずれも、Ｃｕを添加することによって、熱疲労特性を向上させているのが特徴である。
【０００５】
しかしながら、発明者らの研究によれば、上記特許文献２〜４に開示された技術のようにＣｕを添加した場合には、鋼自身の耐酸化性を低下させる他、加工性も低下させるという新たな問題があることが明らかとなった。
【０００６】
ＭｏやＷも、Ｃｕも用いずに耐熱性を高めた鋼としては、特許文献５〜１１に開示されたものがある。これら特許文献ではＶＮの析出強化を利用して高耐熱化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−０１８９２１号公報
【特許文献２】国際公開２００３／００４７１４号パンフレット
【特許文献３】特開２００６−１１７９８５号公報
【特許文献４】特開２０００−２９７３５５号公報
【特許文献５】特許第４３６９５９６号公報
【特許文献６】特開平７−７０７０９号公報
【特許文献７】特開２０１０−１５６００８号公報
【特許文献８】特開２０００−２４８３３７号公報
【特許文献９】特開２０１０−４３３２７号公報
【特許文献１０】特開２００２−３０３４６号公報
【特許文献１１】特開平６−１８４６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献５、７、８の技術では、Ｎｂ、Ｖ、Ｎの全てが適量添加されていないため熱疲労特性が未だ十分とはいえない上、鋭敏化が発生し、耐食性や耐酸化性が著しく低下する問題も有している。また、特許文献６ではＶ、Ｎが適量添加されていてもＭｎが適量でないため耐酸化性のみならず熱疲労特性も十分ではない。
さらに、特許文献１０、１１についてはＶ、Ｎが適量添加されていないため優れた熱疲労特性は得られない。
【０００９】
また近年、自動車車体の軽量化の趨勢に伴い、排気系部材が使用できるスペースが小さくなっており、限られたスペース内に収めなければならないため複雑な形状に加工される場合が多くなってきている。そのため、排気系部材にはますます優れた加工性が求められるようになっている。特許文献９ではＶＮ析出強化を活用して耐熱性を向上させているが、複雑な加工を行う際には加工性が不足する。
【００１０】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕを用いずに、熱疲労特性および加工性がともに優れたフェライト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【００１１】
なお、本発明でいう「熱疲労特性と加工性に優れた」とは、ＳＵＳ４４４と同等の熱疲労特性およびＴｙｐｅ４２９鋼を上回る加工性を有することをいう。具体的には、２００／８５０℃の熱疲労特性がＳＵＳ４４４と同等以上であり、常温での伸び（三方向平均）が３７％以上であることとする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、ＶＮの析出強化を有効に活用して熱疲労特性を向上させるためには、Ｎｂ、Ｖ、Ｎ含有量を最適なものにする必要があること、また優れた耐酸化性を得るためにはＭｎ量を最適化する必要があること、さらに耐熱性を落とすことなく優れた加工性を有する材料を得るためにはＣｒ量の適正化が有効であることを見出した。
【００１３】
具体的には、ｍａｓｓ％で、Ｓｉを１．０％以下、Ｍｎを０．５％以下、Ｎｂを１０×（Ｃ＋Ｎ）〜０．６％をベースとして、Ｎを０．０１５〜０．０４０％の範囲で、同時にＶを０．１５〜０．６％の範囲で、かつＶ×Ｎが０．００３〜０．０１５となるように含有させることにより長時間に亘って高温における強度を維持することができ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕを含有させなくてもＳＵＳ４４４と同等の耐熱疲労特性が得られることを見出した。また、Ｍｎを０．５ｍａｓｓ％以下とすることで１０００℃における耐酸化性についてもＳＵＳ４４４と同等以上となることも見出した。さらに、Ｃｒを１２ｍａｓｓ％以上１６ｍａｓｓ％未満とすることで耐熱性を落とすことなく室温伸び（三方向平均）３７％以上の優れた加工性が得られることを見出した。
【００１４】
本発明は、本発明者らの以上のような知見に基づいて完成されたものである。
【００１５】
すなわち、本発明は、ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ａｌ：０．３０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１２％以上１６％未満、Ｎｉ：０．５％以下、Ｎ：０．０１５〜０．０４０％、Ｎｂ：１０（Ｃ＋Ｎ）〜０．６０％、Ｖ：０．１５〜０．６０％、Ｔｉ：０．０１％以下、Ｚｒ：０．０１％以下、Ｔａ：０．０１％以下、Ｍｏ：０．１％以下、Ｗ：０．１％以下を含有し、かつ０．００３≦Ｖ×Ｎ≦０．０１５を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱疲労特性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供する。
【００１６】
また、本発明は、上記の成分組成に加えてさらに、ｍａｓｓ％で、Ｂ：０．０００４〜０．００２０％、Ｃｏ：０．０５〜０．１％の１種または２種を含有することを特徴とする熱疲労特性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供する。
【００１７】
さらに本発明は、Ｓｉを０．４〜１．０％の範囲で含有することを特徴とする熱疲労特性と加工性と耐水蒸気酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高価なＭｏやＷ、およびＣｕを含有させることなくＳＵＳ４４４と同等以上の熱疲労特性およびＴｙｐｅ４２９鋼を上回る加工性を達成することができ、自動車排気部材用等として好適なフェライト系ステンレス鋼を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】熱疲労特性に及ぼすＮ含有量の影響を示すグラフである。
【図２】熱疲労特性に及ぼすＶ含有量の影響を示すグラフである。
【図３】熱疲労特性に及ぼすＶ×Ｎの影響を示すグラフである。
【図４】熱疲労特性に及ぼすＺｒ、Ｔｉ、Ｔａ含有量の影響を示すグラフである。
【図５】耐酸化性（酸化増量）に及ぼすＭｎ含有量の影響を示すグラフである。
【図６】三方向平均伸びに及ぼすＣｒ含有量の影響を示すグラフである。
【図７】耐酸化性（酸化増量）に及ぼすＣｒ含有量の影響を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
まず、本発明を完成するに至った基礎的な実験について、説明する。なお、以下の説明において、成分における％表示は全てｍａｓｓ％である。
最初に、熱疲労特性に及ぼすＮ含有量の影響を検討した。
０．００５〜０．０１０％Ｃ−０．４５〜０．５５％Ｓｉ−０．１５〜０．２５％Ｍｎ−０．０４０〜０．０５０％Ａｌ−１３．５〜１４．５％Ｃｒ−０．４０〜０．５０％Ｎｂ−０．３０〜０．４０％Ｖの成分系をベースとして、Ｎ含有量を０．００７〜０．０４７％の範囲で種々変化させた鋼を、実験室的に溶製して鋼塊とし、この鋼塊を鍛造し、熱処理して鋼材とし、この鋼材から熱疲労試験片を作製した。そして、拘束率０．８で２００／８５０℃の加熱・冷却を繰り返し、熱疲労寿命を評価した。熱疲労寿命は、２００℃において検出された荷重が初期の荷重の８０％を下回ったサイクル数とした。なお、比較として、ＳＵＳ４４４（１８％Ｃｒ−２％Ｍｏ−０．５％Ｎｂ鋼）についても同様に評価した。
【００２１】
図１は上記熱疲労試験における熱疲労寿命に及ぼすＮ含有量の影響を示したものである。この図から、Ｎ含有量が０．０１５〜０．０４０％の範囲でＳＵＳ４４４の熱疲労寿命より優れた熱疲労寿命が得られることがわかる。したがって、優れた熱疲労特性を得るためには、Ｎ含有量が０．０１５〜０．０４０％であることが必要である。
【００２２】
次に、熱疲労特性に及ぼすＶ含有量の影響を検討した。
０．００５〜０．０１０％Ｃ−０．４５〜０．５５％Ｓｉ−０．１５〜０．２５％Ｍｎ−０．０４０〜０．０５０％Ａｌ−１３．５〜１４．５％Ｃｒ−０．４０〜０．５０％Ｎｂ−０．０１５〜０．０２５％Ｎの成分系をベースとして、Ｖ含有量を０．０８〜０．７３％の範囲で種々変化させた鋼を、実験室的に溶製して鋼塊とし、この鋼塊を鍛造し、熱処理して鋼材とし、この鋼材から熱疲労試験片を作製した。同様に、拘束率０．８で２００／８５０℃の加熱・冷却を繰り返し、熱疲労寿命を評価した。
【００２３】
図２は上記熱疲労試験における熱疲労寿命に及ぼすＶ含有量の影響を示したものである。この図から、Ｖ含有量が０．１５〜０．６０％の範囲でＳＵＳ４４４の熱疲労寿命より優れた熱疲労寿命が得られることがわかる。したがって、優れた熱疲労特性を得るためには、Ｖ含有量が０．１５〜０．６０％であることが必要である。
【００２４】
次に、Ｖ×Ｎの最適値を検討した。
図１、２に示した実験結果に加え、同様な組成をベースとしてＶ、Ｎ量を変化させ、同様にして鋼塊を作製した後、鍛造し、熱処理して鋼材とし、この鋼材から熱疲労試験片を作製し、同様に、拘束率０．８で２００／８５０℃の加熱・冷却を繰り返し、熱疲労寿命を評価した。
【００２５】
図３は上記熱疲労試験における熱疲労寿命に及ぼすＶ×Ｎの値の影響を示したものである。この図に示すように、Ｖ、Ｎがそれぞれ上記範囲内であっても、Ｖ×Ｎの値が０．００３未満または０．０１５超であると熱疲労寿命がＳＵＳ４４４よりも低くなることがわかった。したがって、優れた熱疲労特性を得るためには、Ｖ、Ｎの含有量が上記範囲を満たすとともに、Ｖ×Ｎの値が０．００３〜０．０１５の範囲であることが必要である。
【００２６】
次に、熱疲労特性に及ぼすＺｒ、Ｔｉ、Ｔａ含有量の影響を検討した。
０．００５〜０．０１０％Ｃ−０．４５〜０．５５％Ｓｉ−０．１５〜０．２５％Ｍｎ−０．０４０〜０．０５０％Ａｌ−１３．５〜１４．５％Ｃｒ−０．４０〜０．５０％Ｎｂ−０．３０〜０．４０％Ｖ−０．０１５〜０．０２５％Ｎの成分系をベースとして、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａの含有量を、それぞれ０．００４〜０．０１９％、０．００４〜０．０２１％、０．００５〜０．０１６％の範囲で変化させた鋼を、実験室的に溶製して鋼塊とし、この鋼塊を鍛造し、熱処理して鋼材とし、この鋼材から熱疲労試験片を作製した。同様に、拘束率０．８で２００／８５０℃の加熱・冷却を繰り返し、熱疲労寿命を評価した。
【００２７】
図４は上記熱疲労試験における熱疲労寿命に及ぼすＺｒ、Ｔｉ、Ｔａ含有量の影響を示したものである。この図に示すように、Ｖ、Ｎ、Ｖ×Ｎが上記範囲内であっても、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａのいずれかの含有量が０．０１％を超えると熱疲労寿命がＳＵＳ４４４よりも低くなることがわかった。したがって、優れた熱疲労特性を得るためには、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａの含有量がいずれも０．０１％以下であることが必要である。
【００２８】
次に、耐酸化性に及ぼすＭｎ含有量の影響について検討した。
０．００５〜０．０１０％Ｃ−０．４５〜０．５５％Ｓｉ−０．０４０〜０．０５０％Ａｌ−１３．５〜１４．５％Ｃｒ−０．４０〜０．５０％Ｎｂ−０．３０〜０．４０％Ｖ−０．０１５〜０．０２５％Ｎの成分系をベースとして、Ｍｎ量を０．０９〜０．８４％の範囲で変化させた組成の鋼板から試験片を作製し、この試験片の表面を＃３２０のエメリー紙で研磨後、大気中１０００℃で２００時間の連続酸化試験を行った。耐酸化性は、酸化増量により評価した。なお、比較として、ＳＵＳ４４４（１８％Ｃｒ−２％Ｍｏ−０．５％Ｎｂ鋼）についても同様に評価した。
【００２９】
図５は上記連続酸化試験における酸化増量に及ぼすＭｎ含有量の影響を示したものである。この図から、Ｍｎ含有量が０．５％以下でＳＵＳ４４４と同等以上の耐酸化性が得られることがわかる。したがって、耐酸化性の観点から、Ｍｎ含有量は０．５％以下とすることが必要である。
【００３０】
次に、加工性および耐酸化性に及ぼすＣｒ含有量の影響について検討した。
０．００５〜０．０１０％Ｃ−０．４５〜０．５５％Ｓｉ−０．１５〜０．２５％Ｍｎ−０．０４０〜０．０５０％Ａｌ−０．４０〜０．５０％Ｎｂ−０．３０〜０．４０％Ｖ−０．０１５〜０．０２５％Ｎの成分系をベースとして、Ｃｒ含有量を１０〜２０％の範囲で変化させた組成の鋼板から、Ｌ、Ｃ、Ｄ方向をそれぞれ長手方向とするＪＩＳ１３Ｂ号引張試験片を作製した。これを用いて常温で引張試験を行い、三方向平均伸びを測定した。
【００３１】
図６は三方向平均伸びに及ぼすＣｒ含有量の影響を示したものである。この図から、Ｃｒ含有量が１６％未満であれば良好な加工性（三方平均伸び３７％）が得られることがわかる。
【００３２】
次に同様の組成の鋼板から得られた試験片を用いて、上述した連続酸化試験を行った。図７は連続酸化試験における酸化増量に及ぼすＣｒ含有量の影響を示したものである。この図から、Ｃｒ含有量が１２％未満になると耐酸化性が著しく低下することがわかる。
【００３３】
図６および図７の結果から、加工性および耐酸化性の観点からＣｒ含有量は１２％以上１６％未満であることが必要である。
【００３４】
本発明は、以上のような基礎実験の結果に基づき、さらに検討を加えた結果完成されたものである。
【００３５】
以下、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼について詳細に説明する。
まず、本発明の成分組成について説明する。
【００３６】
Ｃ：０．０１５％以下
Ｃは、鋼の強度を増加させる元素であるが、０．０１５％を超えて含有すると、靭性および成形性の低下が顕著となる。よって、本発明では、Ｃ含有量を０．０１５％以下とする。なお、成形性の観点からは、Ｃ含有量は低いほど好ましく、０．０１０％以下とするのが望ましい。
【００３７】
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは、耐酸化性を向上させる元素であり、脱酸材としても用いられる。一方、１．０％を超えて含有させると加工性が低下する。このため、Ｓｉ含有量を１．０％以下とする。
一方、自動車排気系部材は実際には水蒸気を含んだガス中で使用されるため、耐水蒸気酸化特性も重要となる。Ｓｉは耐水蒸気酸化特性向上に有効な元素であり、０．４％以上含有することでその効果が得られる。Ｓｉによって耐水蒸気酸化性が改善される理由は十分に解明されているわけではないが、Ｓｉ含有量を０．４％以上とすることにより、鋼板表面に緻密なＳｉ酸化物層が連続的に生成し、外部からのガス成分の侵入が抑制されるためと考えられる。したがって、耐水蒸気酸化特性が必要とされる場合にはＳｉ含有量を０．４〜１．０％とすることが好ましい。より厳しい水蒸気含有雰囲気下での耐酸化性が求められる場合には、Ｓｉ含有量を０．５％以上とすることが好ましい。
【００３８】
Ｍｎ：０．５％以下
Ｍｎは、脱酸剤として作用するが、過剰に含有すると高温でγ相が生成しやすくなり、耐熱性を低下させるだけでなく、耐酸化性も低下させる。このため、Ｍｎ含有量を０．５％以下とする。好ましくは、０．３５％以下であり、さらに好ましくは０．３％以下である。
【００３９】
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、靭性を低下させる元素であり、できるだけ低減するのが望ましい。このため、Ｐ含有量を０．０４０％以下とする。好ましくは、０．０３０％以下である。
【００４０】
Ｓ：０．０１０％以下
Ｓは、伸びおよびｒ値を低下させ、成形性を劣化させるとともに、ステンレス鋼の基本特性である耐食性を低下させる元素でもあり、できるだけ低減するのが望ましい。このため、Ｓ含有量を０．０１０％以下とする。
【００４１】
Ｃｒ：１２％以上１６％未満
Ｃｒは、耐酸化性を向上させる元素である。しかし、図７に示すように、その含有量が１２％未満では、十分な耐酸化性が得られない。一方、Ｃｒは、室温において固溶強化により鋼を硬質化・低延性化し、１６％以上含有すると、Ｔｙｐｅ４２９鋼をよりも高い加工性は得られなくなる。このため、Ｃｒ含有量を１２％以上１６％未満の範囲とする。より好ましくは、１３〜１５％の範囲である。
【００４２】
Ｎ：０．０１５〜０．０４０％、Ｖ：０．１５〜０．６０％、かつＶ×Ｎ：０．００３〜０．０１５
Ｖ、Ｎは本発明で重要な元素である。Ｖ、Ｎを含有することにより６００〜８００℃でこれらがＶＮとして微細に析出し、鋼材を高強度化することで熱疲労特性を向上させる。その効果はＮ含有量が０．０１５％以上およびＶ含有量が０．１５％以上で認められる。しかし過剰に含有することにより鋼の靱性および成形性を劣化させるだけでなく、ＶＮが粗大化し熱疲労寿命を低下させてしまう。このため、Ｎの含有量を０．０１５〜０．０４０％の範囲、Ｖの含有量をＶ：０．１５〜０．６０％の範囲とする。また、Ｖ、Ｎがそれぞれ上記の範囲内であってもＶ×Ｎが０．００３〜０．０１５を満たさなければ所望の熱疲労寿命が得られない。このため、Ｖ×Ｎを０．００３〜０．０１５とした。
【００４３】
Ｎｂ：１０（Ｃ＋Ｎ）〜０．６０％
Ｎｂは、Ｃ、Ｎを固定し、耐鋭敏化特性、成形性、溶接部の耐粒界腐食性を高める作用を有するとともに、高温強度を上昇させて熱疲労特性を向上させる有益な元素である。しかし、その含有量が１０（Ｃ＋Ｎ）よりも少ないとＣ、Ｎの固定が不十分となり、鋼材の鋭敏化が認められるようになる。鋭敏化が発生すると溶接部における耐食性、耐酸化性が著しく低下するため、Ｎｂを１０（Ｃ＋Ｎ）以上添加することが必要となる。Ｎｂ量によっては母材部でも同様の現象が発生することがある。一方、その含有量が０．６０％を超えると、Ｌａｖｅｓ相が析出しやすくなり、脆化するのみならず、本発明で重要なＶＮの析出が抑制され、熱疲労特性が低下してしまう。このため、Ｎｂ含有量を１０（Ｃ＋Ｎ）〜０．６０％の範囲とする。好ましくは、０．５５％以下であり、さらに好ましくは０．５０％以下である。
【００４４】
Ｍｏ：０．１％以下
Ｍｏは、高価な元素であり、本発明の目的からも積極的には添加しない。溶解原料であるスクラップ等からの混入量は高々０．１％であるため、Ｍｏ含有量を０．１％以下とする。
【００４５】
Ｗ：０．１％以下
Ｗは、Ｍｏと同様に高価な元素であり、本発明の目的からも積極的には添加しない。溶解原料であるスクラップ等からの混入量は高々０．１％であるため、Ｗ含有量を０．１％以下とする。
【００４６】
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ：０．０１％以下
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａは、Ｃ、Ｎを固定して、耐食性、成形性、溶接部の粒界腐食性を向上させる作用を有するが、本発明で重要なＶＮの析出を抑制し、たとえ本発明で規定するＶ、Ｎ量を満たしていても、これらが０．０１％を超えて含有されると熱疲労特性を低下させてしまう。このため、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａの含有量をいずれも０．０１％以下とする。
【００４７】
Ａｌ：０．３０％以下
Ａｌは、耐酸化性および耐高温塩害腐食性の向上に有効な元素である。しかし、その含有量が０．３０％を超えると鋼が硬質化し、加工性の低下が顕著となる。このため、Ａｌ含有量を０．３０％以下とする。より好ましくは０．０３〜０．２０％である。
【００４８】
Ｎｉ：０．５％以下
Ｎｉは、靱性を向上させる元素であるが、高価であるばかりか、強力なγ相形成元素であり高温でγ相が生成し耐酸化性を低下させる。このため、Ｎｉ含有量を０．５％以下とする。
【００４９】
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、上記成分に加えてさらに、下記の成分を含有させてもよい。
【００５０】
Ｂ：０．０００４〜０．００２０％、Ｃｏ：０．０５〜０．１％の１種または２種
Ｂは、加工性、特に二次加工性を向上させる有効な元素である。このような効果は０．０００４％以上で有効に発揮されるが、０．００２０％を超えて含有すると、ＢＮを生成し、加工性が低下する。このため、Ｂを含有させる場合には、その含有量を０．０００４〜０．００２０％の範囲とする。
Ｃｏは、靭性の向上に有効な元素である。このような効果は０．０５％以上で発揮されるが、Ｃｏは高価な元素であり、また、その含有量が０．１％を超えても上記効果は飽和する。このため、Ｃｏを含有させる場合は、その含有量を０．０５〜０．１％とする。
【００５１】
次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼の製造方法について説明する。
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、一般的なフェライト系ステンレス鋼の製造方法により製造することができ、その製造条件は特に限定されるものではない。例えば、本発明範囲内の組成の溶鋼を、転炉、電気炉等の溶製炉を利用し、あるいはさらに取鍋精錬、真空精錬等の精錬を利用した溶製方法で溶製し、連続鋳造法、造塊法で鋼片としたのち、熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上げ焼鈍、酸洗の各工程を順次経て冷延焼鈍板とするのが好ましい。また、冷間圧延は、1回または中間焼鈍を含む2回以上の冷間圧延としてもよい。冷間圧延、仕上げ焼鈍、酸洗の工程は繰り返し行ってもよい。なお、場合によっては、熱延板焼鈍は省略してもよい。さらに、鋼板表面の光沢性が要求される場合にはスキンパス等を施しても加工性の良好な鋼板として製造できる。
【実施例】
【００５２】
表１に示すＮｏ．１〜４７の成分組成を有する鋼を用いて、以下に示す試験を行った。Ｎｏ．１〜４７の成分組成のうち、Ｎｏ．１〜２４は本発明の範囲内の本発明例、Ｎｏ．２５〜４７は本発明の範囲から外れる比較例である。なお、比較例のうち、Ｎｏ．３８、３９、４０、４１、４２は、それぞれ特許第４３６９５９６号公報（特許文献５）、特開平７−７０７０９号公報（特許文献６）、特開平６−１５８１６２号公報、特開２０００−１４４３４４号公報、特開２０１０−４３３２４号公報で実施例として開示された成分組成に相当するものであり、Ｎｏ．４３はＳＵＳ４４４に相当するものである。また、Ｎｏ．４４、４５、４６、４７は、それぞれ特開２０１０−１５６００８号公報（特許文献７）、特開２０１０−４３３２７号公報（特許文献９）、特開２００２−３０３４６号公報（特許文献１０）、特開平６−１８４６３７号公報（特許文献１１）で実施例として開示された成分組成に相当するものである。
【００５３】
上記Ｎｏ．１〜４７の成分組成を有する鋼の５０ｋｇ鋼塊を作製し、これら鋼塊を１１７０℃に加熱後、熱間圧延により５ｍｍ厚の熱延板とした。ついで、これら熱延板を、熱延板焼鈍（焼鈍温度：１０４０℃）−酸洗−冷間圧延（冷延圧下率：６０％）−仕上げ焼鈍（焼鈍温度：１０４０℃、平均冷却速度：３０℃/ｓ）−酸洗を順次施し、２ｍｍ厚の冷延焼鈍板とした。
【００５４】
これら冷延焼鈍板から試験片を作製し、酸化試験および室温引張試験に供した。酸化試験は、試験片の表面を＃３２０のエメリー紙で研磨後、大気中１０００℃で２００時間保持し、耐酸化性はその際の酸化増量により評価した。室温引張試験は、Ｌ、Ｃ、Ｄ方向をそれぞれ長手方向とするＪＩＳ１３Ｂ号引張試験片を用いて常温で引張試験を行い、三方向平均伸びを測定した。
【００５５】
また、上記冷延焼鈍板から作製した試験片を、水蒸気雰囲気中酸化試験に供した。水蒸気雰囲気酸化試験は、各冷延焼鈍板から３０ｍｍ×２０ｍｍの試験片を切り出し、試験片上部に４ｍｍφの穴をあけ、表面および端面を＃３２０のエメリー紙で研磨後、脱脂した。この試験片を、９５０℃に加熱された１０％ＣＯ２−２０％Ｈ２Ｏ−５％Ｏ２−ｂａｌ．Ｎ２ガスを０．５Ｌ／ｍｉｎで流し、水蒸気雰囲気とした炉中に、２００時間保持した。試験後、試験片の質量を測定し、予め測定しておいた試験前の質量との差を求め、酸化増量（ｇ／ｍ２）を算出した。評価は２回実施し、その平均値で最終的に評価した。
【００５６】
さらに、上記冷延焼鈍板から１５ｍｍ×１０ｍｍを切り出し、Ｌ断面において、シュウ酸エッチング（ＪＩＳ Ｇ ５７１）を行った。エッチングには１０％シュウ酸溶液を用い、室温で１Ａ／ｃｍ２の電流を９０ｍｉｎ間流した。その後の組織を観察し、粒界の著しい腐食（溝状組織）が見られたものを鋭敏化材と判断した。
【００５７】
一方、上記Ｎｏ．１〜４７の鋼塊を１１７０℃に加熱後、熱間圧延により１５０ｍｍ幅、３５ｍｍ厚の熱延シートバーとした。鍛造加工により３０mm□のバーとし、１０４０℃で焼鈍後、機械加工により熱疲労試験片に加工し、熱疲労寿命の評価に供した。
【００５８】
熱疲労試験は、拘束率０．８で２００℃−８５０℃間を繰り返し昇温・降温させた。昇温・降温は５℃／ｓ、８５０℃保持時間は1分の条件で実施した。熱疲労寿命の定義は図１の評価のときと同じである。
【００５９】
得られた結果を表２に示す。表２から明らかなように、本発明例は、いずれもＳＵＳ４４４と同等以上の熱疲労寿命および三方向平均伸びが３７％以上の良好な加工性を示しており、本願発明の目標が達成されていることが確認された。一方、本発明範囲を外れる比較例では両特性を同時に満足しておらず、本発明の目標が達成されないことが確認された。また、比較例のうちＮｂの含有量が１０（Ｃ＋Ｎ）より少ないものについては鋭敏化が発生した。
【００６０】
また、本発明例のうち、Ｓｉが０．４％以上のものは、優れた耐水蒸気酸化性が得られることが確認された。
【００６１】
【表１−１】
【００６２】
【表１−２】
【００６３】
【表２】
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の鋼は、自動車等の排気系部材用として好適であるだけでなく、同様の特性が要求される火力発電システムの排気系部材や固体酸化物タイプの燃料電池用部材としても好適に用いることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ａｌ：０．３０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１２％以上１６％未満、Ｎｉ：０．５％以下、Ｎ：０．０１５〜０．０４０％、Ｎｂ：１０（Ｃ＋Ｎ）〜０．６０％、Ｖ：０．１５〜０．６０％、Ｔｉ：０．０１％以下、Ｚｒ：０．０１％以下、Ｔａ：０．０１％以下、Ｍｏ：０．１％以下、Ｗ：０．１％以下を含有し、かつ０．００３≦Ｖ×Ｎ≦０．０１５を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱疲労特性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項２】
上記の成分組成に加えてさらに、ｍａｓｓ％で、Ｂ：０．０００４〜０．００２０％、Ｃｏ：０．０５〜０．１％の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１に記載の熱疲労特性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項３】
Ｓｉを０．４〜１．０％の範囲で含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱疲労特性と加工性と耐水蒸気酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項１】
ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ａｌ：０．３０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１２％以上１６％未満、Ｎｉ：０．５％以下、Ｎ：０．０１５〜０．０４０％、Ｎｂ：１０（Ｃ＋Ｎ）〜０．６０％、Ｖ：０．１５〜０．６０％、Ｔｉ：０．０１％以下、Ｚｒ：０．０１％以下、Ｔａ：０．０１％以下、Ｍｏ：０．１％以下、Ｗ：０．１％以下を含有し、かつ０．００３≦Ｖ×Ｎ≦０．０１５を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱疲労特性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項２】
上記の成分組成に加えてさらに、ｍａｓｓ％で、Ｂ：０．０００４〜０．００２０％、Ｃｏ：０．０５〜０．１％の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１に記載の熱疲労特性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【請求項３】
Ｓｉを０．４〜１．０％の範囲で含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱疲労特性と加工性と耐水蒸気酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１０７３１２（Ｐ２０１２−１０７３１２Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１１７６（Ｐ２０１１−１７１１７６）
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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