耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板
【課題】８５０℃超の高温でも高い耐熱性を有するフェライト系ステンレス鋼板を提供する。
【解決手段】質量％にて、Ｃ：０．０２％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｃｒ：１６．５〜２０．０％、Ｎｂ：０．５０超〜０．８０％、Ｍｏ：２．００〜３．５０％、Ｗ：０．０５〜１．５０％、Ｃｕ：１．００〜２．００％、Ｏ：０．００１〜０．０１％、さらに２．３≦Ｍｏ＋Ｗ≦３．５％を満たす耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。Ｂ：０．００１５％以下、Ｍｇ：０．００５０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ａｌ：１．０％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｓｎ：０．５０％以下、Ｈｆ：０．５％以下、Ｚｒ：０．５％以下、Ｔａ：１．０％以下を加えても良い。鋼中のＮｂを主相とした粒子径０．２μｍ以上の酸化物が１０個／２５μｍ2以上でそのうち粒子径が１μｍ超のものが５個／２５μｍ2以下である。
【解決手段】質量％にて、Ｃ：０．０２％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｃｒ：１６．５〜２０．０％、Ｎｂ：０．５０超〜０．８０％、Ｍｏ：２．００〜３．５０％、Ｗ：０．０５〜１．５０％、Ｃｕ：１．００〜２．００％、Ｏ：０．００１〜０．０１％、さらに２．３≦Ｍｏ＋Ｗ≦３．５％を満たす耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。Ｂ：０．００１５％以下、Ｍｇ：０．００５０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ａｌ：１．０％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｓｎ：０．５０％以下、Ｈｆ：０．５％以下、Ｚｒ：０．５％以下、Ｔａ：１．０％以下を加えても良い。鋼中のＮｂを主相とした粒子径０．２μｍ以上の酸化物が１０個／２５μｍ2以上でそのうち粒子径が１μｍ超のものが５個／２５μｍ2以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐熱性、特に熱疲労特性が必要な排気系部材などの使用に最適な耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエキゾーストマニホールド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、排気部材を構成する材料には高温強度、耐酸化性、熱疲労特性など多様な特性が要求され、耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼が用いられている。
【０００３】
排ガス温度は、車種によって異なるが、近年では８００〜９００℃程度が多く、エンジンから排出される高温の排気ガスを通すエキゾーストマニホールドの温度は７５０〜８５０℃と高温となる。しかし、近年の環境問題の高まりから、さらなる排ガス規制の強化、燃費向上が進められており、排ガス温度はさらに１０００℃まで高温化するものと考えられている。
【０００４】
近年使用されているフェライト系ステンレス鋼には、ＳＵＳ４２９（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る。この中で、ＳＵＳ４４４は２％程度のＭｏを添加するため、最も高強度である。しかし、排ガス温度の９００℃超の高温化にＳＵＳ４４４では対応不可であり、ＳＵＳ４４４以上の耐熱性を有するフェライト系ステンレス鋼が要望されている。
【０００５】
このような要望に対して、様々な排気系部材の材料が開発されている。例えば、特許文献１には、Ａｌの含有量を鋼中のＯ含有量との関係において厳格に規定することで、溶接部の靭性に優れ、かつ、適正造管条件の自由度を広く確保できる技術が開示されているが、この場合のＡｌ添加は、Ａｌ2Ｏ3やＡｌＮを生成して内部へＯやＮが拡散するのを抑制し、二次加工性を改善させるためであり、熱疲労特性向上のための添加ではない。特許文献２には、熱疲労特性向上のために長径０．５μｍ以上のＣｕ相が１０個／２５μｍ2以下、かつ長径０．５μｍ以上のＮｂ化合物相が１０個／２５μｍ2以下に制御する方法が検討されているが、ラーベス（Ｌａｖｅｓ）相やε―Ｃｕ相の粗大析出物のみが規定されており、その他の析出物に関しては開示がない。特許文献３，４には、析出物量を規定することでＮｂ，Ｍｏの固溶強化の他にＣｕの固溶強化、ε−Ｃｕ相による析出強化により、ＳＵＳ４４４以上の高温強度にする方法が開示されているが、熱疲労特性と高温強度との関係は開示されていない。特許文献５，６には、Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｕ添加以外にＷ添加を行う技術が開示されている。特許文献５では、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗの固溶強化を用いる方法が開示されているが、析出物との関係については開示がない。特許文献６では穴拡げ率の向上のため、Ｌａｖｅｓ相やε−Ｃｕ相の析出を抑制させる技術が開示されているが、加工性の向上のためであり、耐熱性の観点からではない。
【０００６】
発明者らは、直近、特許文献７において、Ｎｂ−Ｍｏ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｂの複合添加により、Ｌａｖｅｓ相およびε−Ｃｕ相を微細分散させ、８５０℃で優れた高温強度を得る技術を開示している。
【０００７】
以上より、排気系部材の耐熱性向上のための析出物制御に関する従来知見は、主にＬａｖｅｓ相やε−Ｃｕ相、あるいはＡｌ析出物に関するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１４４１９９号公報
【特許文献２】特開２００８−１８９９７４号公報
【特許文献３】特開２００９−１２０８９３号公報
【特許文献４】特開２００９−１２０８９４号公報
【特許文献５】特開２００９−１９７３０５号公報
【特許文献６】特開２００９−１９７３０７号公報
【特許文献７】特開２００９−２１５６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のフェライト系ステンレス鋼においては、８５０℃よりも高い温度域で使用する場合、例えば従来技術の特許文献７の技術であっても、充分な耐熱性、特に９５０℃の熱疲労特性を安定的に得られない場合があることがわかった。
【００１０】
本発明は、排気系部材の最高温度が９５０℃程度になる環境下において、従来技術では達成できなかったより高い熱疲労特性を有するフェライト系ステンレス鋼を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討を重ねた。その結果、Ｃｕ−Ｎｂ−Ｍｏ−Ｗ−Ｓｉ添加鋼において、Ｎｂが０．５０％超の添加量の場合、Ｓｉの量を一定の成分範囲に制御することで、Ｎｂを主相としたＮｂ酸化物が組織内に均一に分散し、最高温度９５０℃の熱疲労特性をＳＵＳ４４４よりも向上させることを見出した。さらにＭｏ＋Ｗの量を２．３〜３．５％程にすることにより、自動車排気系部品を加工する際に充分な加工性を有することを見出した。ここで、Ｎｂを主相とした酸化物とは（Ｎｂ，Ｘ）yＯzのことであり、以後Ｎｂ酸化物と呼ぶ。Ｘには他元素（例えばＣｒなど）が入り、ＮｂはＸよりもモル濃度が高い。
【００１２】
図１に１７．０〜１８．０％Ｃｒ−０．００５〜０．０１０％Ｃ−１．４２〜１．５３％Ｃｕ−０．５５〜０．６５％Ｎｂ−２．４５〜２．６０％Ｍｏ−０．１５〜０．３０％Ｗ−０〜０．５２％Ｓｉ−０．１０〜０．２０％Ｍｎ−０．００９〜０．０１４％Ｎ鋼を用いて、添加Ｓｉ量と粒子径０．２μｍ以上のＮｂ酸化物の分布密度の関係を示した。Ｓｉの添加量が０．３０％を超えると、Ｎｂ酸化物の分布密度が急激に粗になっていることがわかる。添加Ｓｉ量を低減させた方がＮｂ酸化物の分布密度が密になる理由は明確ではないが、添加Ｓｉ量が多い場合、Ｓｉ酸化物が表層に観察されることから、Ｓｉ酸化物の生成が優先され、Ｎｂ酸化物が生成できないためだと推定される。
【００１３】
また、図２は、図１と同様の試験片を用いてＮｂ酸化物の分布密度と最高温度９５０℃の熱疲労寿命の結果である。Ｎｂ酸化物の分布密度が１０個／２５μｍ2以上であると、熱疲労寿命が急激に向上していることがわかる。Ｎｂ酸化物を析出させた方が熱疲労特性に優れる理由は明確ではないが、高温時に析出するＬａｖｅｓ相やε−Ｃｕ相と共に粒子分散強化として寄与し、さらに長時間熱処理後にも酸化物は安定して存在しているため、析出物の粗大化が起こり、長時間熱処理後に強度が低下するＬａｖｅｓ相やε−Ｃｕ相のみの場合よりも強度が維持されると推定される。
【００１４】
上記課題を解決する本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）質量％にて、Ｃ：０．０２％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｃｒ：１６．５〜２０．０％、Ｎｂ：０．５０超〜０．８０％、Ｍｏ：２．００〜３．５０％、Ｗ：０．０５〜１．５０％、Ｃｕ：１．００〜２．００％、Ｏ：０．００１〜０．０１％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、さらに２．３≦Ｍｏ＋Ｗ≦３．５％を満たすことを特徴とする耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（２）質量％にて、Ｂ：０．００１５％以下を含有することを特徴とする（１）記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（３）質量％にて、Ｍｇ：０．００５０％以下、Ｎｉ：１．０％以下の１種以上を含有することを特徴とする（１）または（２）の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（４）質量％にて、Ａｌ：１．０％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｓｎ：０．５０％以下の１種以上を含有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（５）質量％にて、Ｈｆ：０．５％以下、Ｚｒ：０．５％以下、Ｔａ：１．０％以下の１種以上を含有することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（６）鋼中のＮｂを主相とした粒子径０．２μｍ以上の酸化物が１０個／２５μｍ2以上でそのうち１μｍ超のものが５個／２５μｍ2以下である組織を有することを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【００１５】
ここで、下限の規定が無いものについては、不可避的不純物レベルまで含むことを示す。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によればＳＵＳ４４４以上の熱疲労特性が得られ、即ち９５０℃における熱疲労特性がＳＵＳ４４４と同等以上のフェライト系ステンレス鋼を提供できる。特に自動車などの排気系部材に適用することにより、９５０℃付近までの高温化に対応することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】添加Ｓｉ量とＮｂ酸化物の分布密度との関係を示すグラフである。
【図２】Ｎｂ酸化物の分布密度と最高温度９５０℃の熱疲労寿命との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明について詳細に説明する。以下、特に断らない限り、％は質量％を意味する。まず、本発明の限定理由について説明する。
【００１９】
Ｃは、成形性と耐食性を劣化させ、Ｎｂ炭窒化物の析出を促進させて高温強度の低下をもたらす。その含有量は少ないほど良いため、０．０２％以下とした。但し、過度の低減は精錬コストの増加に繋がるため、０．００３％〜０．０１５％を好ましい範囲とする。
【００２０】
ＮはＣと同様、成形性と耐食性を劣化させ、Ｎｂ炭窒化物の析出を促進させて高温強度の低下をもたらす。その含有量は少ないほど良いため、０．０２％以下とした。但し、過度の低減は精錬コストの増加に繋がるため、０．００５〜０．０２０％を好ましい範囲とする。
【００２１】
Ｓｉは、脱酸剤としても有用な元素であるが、Ｃｕ−Ｎｂ−Ｍｏ−Ｗ添加鋼において、０．５０％超のＮｂ添加した場合、Ｎｂ酸化物を生成させるために制限する必要のある非常に重要な元素である。Ｎｂ酸化物を生成させるためにはＳｉ含有量が０．３０％以下である必要があるため、上限を０．３０％とした。一方、熱疲労特性に関して、Ｓｉは高温でＬａｖｅｓ相と呼ばれるＦｅとＮｂ，Ｍｏ，Ｗを主体とする金属間化合物の析出を促進する。また、耐酸化性に関して、Ｓｉ添加量が０．１０％以下の場合、異常酸化が起こりやすい傾向となるので、０．１０〜０．２５％が望ましい。さらに、表面疵の発生等耐酸化を劣化させる要因が加わることを想定すると、耐酸化性に余裕があることが好ましく、この場合、０．１０超〜０．２０％が望ましい。
【００２２】
Ｍｎは、脱酸剤として添加される元素であるが、長時間使用中にＭｎ系酸化物を表層部に形成し、スケール密着性や異常酸化抑制に寄与する。その効果は０．１０％以上で発現する。一方、１．００％超の過度な添加は、常温の均一伸びを低下させる他、ＭｎＳを形成して耐食性を低下させたり、耐酸化性の劣化をもたらす。これらの観点から、上限を１．００％とした。更に、高温延性やスケール密着性を考慮すると、０．１０〜０．６０％が望ましい。
【００２３】
Ｃｒは、本発明において、耐酸化性確保のために必須な元素である。１６．５％未満では、その効果は発現せず、２０．０％超では加工性を低下させたり、靭性の劣化をもたらすため、１６．５〜２０．０％とした。更に、高温延性、製造コストを考慮すると１７．０〜１９．０％が望ましい。
【００２４】
Ｎｂは、Ｃｕ−Ｎｂ−Ｍｏ−Ｗ添加鋼において、０．５０％超のＮｂ添加した場合、Ｎｂの固溶強化およびＮｂ酸化物やＬａｖｅｓ相の微細析出による粒子分散強化による熱疲労特性向上のために必要な重要元素である。また、ＣやＮを炭窒化物として固定し、製品板の耐食性やｒ値に影響する再結晶集合組織の発達に寄与する役割もある。本発明のＣｕ−Ｎｂ−Ｍｏ−Ｗ添加鋼においては、Ｎｂ酸化物やＬａｖｅｓ相の微細析出による析出強化が０．５０％超のＮｂ添加で得られることから、下限を０．５０％超とした。また、０．８０％超の過度な添加はＬａｖｅｓ相の粗大化を促進して熱疲労寿命には寄与せず、かつコスト増になることから、上限を０．８０％とした。更に、製造性およびコストを考慮すると、０．５０超〜０．７０％が望ましい。
【００２５】
Ｍｏは、耐食性を向上させるとともに、高温酸化を抑制、Ｌａｖｅｓ相の微細析出による析出強化および固溶強化による熱疲労特性向上に対して有効である。しかし、過度な添加はＬａｖｅｓ相の粗大析出を促進し、析出強化能を低下させ、また加工性を劣化させる。本発明では先述したＣｕ−Ｎｂ−Ｍｏ−Ｗ添加鋼で、Ｌａｖｅｓ相の微細析出による析出強化および固溶強化が２．００％以上のＭｏ添加で得られることから、下限を２．００％とした。３．５０％超の過度な添加はＬａｖｅｓ相の粗大化を促進して熱疲労寿命には寄与せず、かつコスト増になることから、上限を３．５０％とした。更に、製造性およびコストを考慮すると、２．００〜３．００％が望ましい。
【００２６】
Ｗは、Ｍｏと同様な効果を有し、熱疲労特性を向上させる元素である。この効果は０．０５％以上から安定して発現するが、過度に添加するとＬａｖｅｓ相の粗大化を促進して、析出物を粗大化させてしまうとともに製造性および加工性を劣化させるため、０．０５〜１．５０％が好ましい。さらに、コストや耐酸化性等を考慮すると、０．１０〜１．２０％が望ましい。
【００２７】
Ｃｕは、熱疲労特性向上に有効な元素である。これは、ε−Ｃｕが析出することによる析出硬化作用であり、１．０％以上の添加により著しく発揮する。一方、過度な添加は、均一伸びの低下や常温耐力が高くなりすぎてプレス成型性に支障が生じる。また、２．０％以上添加すると高温域でオーステナイト相が形成されて表面に異常酸化が生じ、さらに熱疲労特性を劣化させるため上限を２．０％とした。さらに、製造性やスケール密着性を考慮すると、１．２〜１．８％が望ましい。
【００２８】
Ｏは、Ｎｂ酸化物を形成させて、耐熱性をさらに向上させるのに必須の元素である。しかし、その含有量が０．０１％超ではＮｂ酸化物が極度に粗大化し、熱疲労特性に寄与せず、常温延性も著しく低下させるため、上限を０．０１％以下とした。また、０．００１％未満であるとＮｂが充分に添加されていてもＮｂ酸化物があまり生成せず、熱疲労特性に寄与しないため、０．００１％以上であることが好ましい。さらに、製造コストも考慮すると、０．００３〜０．００８％が望ましい。
【００２９】
ＭｏおよびＷの総添加量は、本発明ではＣｕ−Ｎｂ−Ｍｏ−Ｗ添加鋼においてＭｏおよびＷの合計量が２．３％以上であれば、熱疲労寿命の安定性に寄与するが、３．５％超の過度な添加はＬａｖｅｓ相の析出を促進して常温の加工性を劣化させるため、ＭｏおよびＷの総添加量を２．３〜３．５％の範囲にする必要がある。さらに、コストや耐酸化性等を考慮すると２．５〜３．３％が望ましい。
【００３０】
鋼中のＮｂを主相とした粒子径０．２μｍ以上の酸化物が１０個／２５μｍ2以上の分散密度であれば、Ｌａｖｅｓ相やε−Ｃｕ相の微細析出による析出強化にさらに寄与し、熱疲労特性も向上するため、本発明では粒子径０．２μｍ以上のＮｂ酸化物が１０個／２５μｍ2以上の分散密度とする。また、Ｎｂ酸化物の粒子径が１μｍを超えるものが５個／２５μｍ2を超えると常温延性等の加工性が極端に低下するため、Ｎｂ酸化物のうち粒子径が１μｍ超のものが５個／２５μｍ2以下に限定する。前述の鋼成分とすることにより、上記規定するＮｂ酸化物を含有することができる。
【００３１】
また、熱疲労特性等諸特性をさらに向上させるため、以下の元素を添加してもよい。
【００３２】
Ｂは、製品のプレス加工時の２次加工性を向上させる元素でもある。ただし、過度な添加は硬質化や粒界腐食性を劣化させるため、上限を０．００１５％とした。さらに、成型性や製造コストを考慮すると、Ｂ含有量は０．０００３〜０．００１０％が望ましい。
【００３３】
Ｍｇは、２次加工性を改善させる元素であり、０．０００２％以上の添加により安定して効果を発揮する。しかしながら、０．００５０％超の添加をすると加工性が著しく劣化するため、０．０００２〜０．００５０％が好ましい。さらに、コストや表面品位を考慮すると、０．０００３〜０．００２０％が望ましい。
【００３４】
Ｎｉは、耐食性を向上させる元素であるが、過度の添加は高温域でオーステナイト相が形成されて表面に異常酸化およびスケール剥離が生じるため、上限を１．０％とした。また、その作用は０．１％から安定して発現するが、製造コストを考慮すると、Ｎｉ含有量は０．１〜０．６％が望ましい。
【００３５】
Ａｌは、脱酸元素として添加される他、耐酸化性を向上させる元素である。また、固溶強化元素としての強度向上に有用である。その作用は０．１０％から安定して発現するが、過度の添加はＮｂ酸化物を生成させるための酸素がＡｌと反応してしまい、Ｎｂ酸化物の析出量が減少してしまうため、上限を１．００％とした。また、靭性を考慮すると、０．１０〜０．６０が望ましい。さらに、表面疵の発生や溶接性、製造性を考慮すると、０．１０〜０．３０％が望ましい。なお、脱酸の目的でＡｌを添加する場合、鋼中に０．１０％未満のＡｌが不可避的不純物として残存する。
【００３６】
Ｖは、Ｎｂと共に微細な炭窒化物を形成し、析出強化作用が生じて高温強度向上に寄与する。この効果は０．０５％以上の添加で安定して発現するが、０．５０％超添加するとＮｂ炭窒化物が粗大化して高温強度が低下し、熱疲労寿命および加工性が低下してしまうため、上限を０．５０％とした。更に、製造コストや製造性を考慮すると、０．０５〜０．３０％が望ましい。
【００３７】
Ｓｎは、原子半径が大きいため、固溶強化により高温強度にも寄与する有効な元素である。また、常温の機械的特性を大きく劣化させない。しかしながら、０．５０％超添加すると製造性および加工性が著しく劣化するため、０．５０％以下とした。更に、耐酸化性等を考慮すると、Ｓｎ含有量は０．０５〜０．３０％が望ましい。
【００３８】
Ｈｆは、耐酸化性を改善する元素であり、０．０５％以上の添加により安定して効果を発揮する。しかしながら、０．５０％超の添加により粗大なＬａｖｅｓ相が析出し、製造性および加工性の劣化が著しくなるため、０．５０％以下とした。更に、コストや表面品位を考慮すると、０．０５〜０．３０％が望ましい。
【００３９】
Ｚｒは耐酸化性を改善する元素である。しかしながら、０．５％超の添加により粗大なＬａｖｅｓ相が析出し、製造性および加工性の劣化が著しくなるため、０．５％以下とした。更に、コストや表面品位を考慮すると、Ｚｒ含有量は０．０５〜０．３０％が望ましい。
【００４０】
ＴａはＨｆと同様、耐酸化性を改善する元素であり、０．０５％以上の添加により安定して効果を発揮する。しかしながら、１．０％超の添加により粗大なＬａｖｅｓ相が析出し、製造性および加工性の劣化が著しくなるため、１．０％以下とした。更に、コストや表面品位を考慮すると、０．０５〜０．５０％が望ましい。
【００４１】
鋼板の製鋼方法において、Ｎｂ酸化物は溶鋼中に分散する。
【００４２】
なお、鋼板の製造方法については、一般的なフェライト系ステンレス鋼の製造方法で製造することが出来る。例えば、本発明範囲の組成を有するフェライト系ステンレス鋼を溶解してスラブを製造し、１０００〜１２００℃に加熱後、１１００〜７００℃の範囲で熱延し、４〜６ｍｍの熱延板を製造する。その後、８００〜１１００℃で焼鈍、または焼鈍を行わず通板した後に酸洗を行い、その焼鈍酸洗板を冷延し、１．５〜２．５ｍｍの冷延板を作製した後に、９００〜１１００℃で仕上焼鈍後、酸洗を行う工程によって鋼板を製造することが可能である。ただし、仕上焼鈍後の冷却速度においては、冷却速度が遅い場合、Ｌａｖｅｓ相などの析出物が多く析出するため、常温延性等の加工性が劣化する可能性がある。そのため、最終焼鈍温度から６００℃までの平均冷却速度が、５℃／ｓｅｃ以上に制御した方が望ましい。また、熱延板熱延条件、熱延板厚、熱延板焼鈍の有無、冷延条件、熱延板および冷延板焼鈍温度、雰囲気などは適宜選択すれば良い。また、冷延・焼鈍を複数回繰り返したり、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。
【実施例】
【００４３】
＜サンプル作成方法＞
表１、表２に示す成分組成の鋼を溶製して、５０ｋｇのインゴットに鋳造した。そのインゴットを１１００〜７００℃で熱間圧延して５ｍｍ厚の熱延板とした。その後、熱延板を９００〜１０００℃で焼鈍した後に酸洗を施し、２ｍｍ厚まで冷間圧延し、焼鈍・酸洗を施して製品板とした。冷延板の焼鈍温度は、１０００〜１２００℃とした。表１のＮｏ．１〜１８は本発明例、表２のＮｏ．１９〜４１は比較例である。本発明範囲から外れる成分値にアンダーラインを付している。
【００４４】
＜Ｎｂ酸化物の測定方法＞
冷延焼鈍板のサンプルの厚さ１／２の部分を機械研磨し、圧延面の法線方向が観察できるようにし、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察を行った。１００００倍で任意の箇所をＳＥＭ観察し、粒内析出したＮｂ酸化物を数十枚撮影した。その写真をスキャナで取り込み、Ｎｂ酸化物のみに色画像処理をした後に、Ｓｃｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製の画像解析ソフト「Ｓｃｉｏｎ Ｉｍａｇｅ」を用いて各粒子の面積を求め、面積から円相当径に換算して、Ｎｂ酸化物の粒子径を測定した。析出物の種類は、ＳＥＭ付属のＥＤＳ装置（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置）にてＦｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒを定量化することで分類した。Ｎｂ酸化物にＭｏ，Ｗはほとんど含有しないので、最も多く含まれる元素がＮｂであり、Ｍｏ，Ｗがそれぞれ５ｍａｓｓ％未満である場合をＮｂ酸化物とした。Ｎｂ酸化物の析出密度の評価は、粒子径０．２μｍ以上のＮｂ酸化物が１０個／２５μｍ2以上かつそのうち粒子径が１μｍ超のものが５個／２５μｍ2以下の場合を合格として○、それ以外を不合格として×とした。
【００４５】
＜熱疲労試験方法＞
このようにして得られた製品板から板をパイプ状に巻き、板の端をＴＩＧ溶接で溶接して、３０ｍｍφのパイプを作製した。さらに、このパイプを３００ｍｍの長さに切断し、評点間２０ｍｍの熱疲労試験片を作製した。この試験片を、サーボパルサ型熱疲労試験装置（加熱方法は高周波誘導加熱装置）を用いて、大気中で拘束率２０％、「２００℃〜９５０℃まで１５０ｓｅｃで昇温→９５０℃で１２０ｓｅｃ保持→９５０℃〜２００℃までを１５０ｓｅｃで降温」を１サイクルとするパターンを繰り返し、熱疲労寿命の評価を行った。なお、亀裂が板厚貫通したときの繰り返し数を熱疲労寿命と定義した。貫通は１００サイクル経過ごとに目視で確認した。評価は、２０００サイクル以上を合格として○、２０００サイクル未満を不合格として×とした。
【００４６】
＜常温の加工性評価方法＞
圧延方向と平行方向を長手方向とするＪＩＳ１３Ｂ号試験片を作製し、引張試験を行い、破断伸びを測定した。ここで、常温での破断伸びは３０％以上あれば、一般的な排気部品への加工が可能なため、３０％以上の破断伸びを有した場合は○、３０％未満の場合は×とした。
【００４７】
【表１】
【００４８】
【表２】
【００４９】
＜評価結果＞
表１、表２から明らかなように、本発明で規定する成分組成を有する鋼の本発明例は、比較例に比べて９５０℃における熱疲労寿命が優れていることがわかる。また、常温での機械的性質において破断延性が良好となり、比較例と同等以上の加工性を有することがわかる。
【００５０】
Ｎｏ．１９，２０鋼では、それぞれＣ，Ｎが上限を外れているため、９５０℃の熱疲労寿命が本発明例に比べて低い。Ｎｏ．２１鋼は、Ｓｉが上限を外れており、Ｎｂ酸化物の析出密度が低く、熱疲労寿命が本発明例に比べて低い。Ｎｏ．２２鋼はＭｎが過剰に添加されており、常温における延性が低い。Ｎｏ．２３，２５，２７，２９鋼は、それぞれＣｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗが上限を外れており、熱疲労寿命が高いものの、常温延性が低い。Ｎｏ．２４，２６，２８，３０鋼は、それぞれＮｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕが下限を外れており、熱疲労寿命が本発明例に比べて低い。Ｎｏ．３１〜３３鋼は、それぞれＣｕ，ＯおよびＢが上限を外れており、９５０℃の熱疲労寿命が低く、常温延性も低い。Ｎｏ．３４〜４１鋼は、それぞれ、Ｍｇ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔａが上限を外れており、熱疲労寿命が高いものの常温延性が低い。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明のフェライト系ステンレス鋼は耐熱性に優れるため、自動車排気系部材以外にも発電プラントの排気ガス経路部材としても用いることができる。さらに、耐食性の向上に有効であるＭｏを添加しているので、耐食性が必要である用途にも用いることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐熱性、特に熱疲労特性が必要な排気系部材などの使用に最適な耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエキゾーストマニホールド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、排気部材を構成する材料には高温強度、耐酸化性、熱疲労特性など多様な特性が要求され、耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼が用いられている。
【０００３】
排ガス温度は、車種によって異なるが、近年では８００〜９００℃程度が多く、エンジンから排出される高温の排気ガスを通すエキゾーストマニホールドの温度は７５０〜８５０℃と高温となる。しかし、近年の環境問題の高まりから、さらなる排ガス規制の強化、燃費向上が進められており、排ガス温度はさらに１０００℃まで高温化するものと考えられている。
【０００４】
近年使用されているフェライト系ステンレス鋼には、ＳＵＳ４２９（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る。この中で、ＳＵＳ４４４は２％程度のＭｏを添加するため、最も高強度である。しかし、排ガス温度の９００℃超の高温化にＳＵＳ４４４では対応不可であり、ＳＵＳ４４４以上の耐熱性を有するフェライト系ステンレス鋼が要望されている。
【０００５】
このような要望に対して、様々な排気系部材の材料が開発されている。例えば、特許文献１には、Ａｌの含有量を鋼中のＯ含有量との関係において厳格に規定することで、溶接部の靭性に優れ、かつ、適正造管条件の自由度を広く確保できる技術が開示されているが、この場合のＡｌ添加は、Ａｌ2Ｏ3やＡｌＮを生成して内部へＯやＮが拡散するのを抑制し、二次加工性を改善させるためであり、熱疲労特性向上のための添加ではない。特許文献２には、熱疲労特性向上のために長径０．５μｍ以上のＣｕ相が１０個／２５μｍ2以下、かつ長径０．５μｍ以上のＮｂ化合物相が１０個／２５μｍ2以下に制御する方法が検討されているが、ラーベス（Ｌａｖｅｓ）相やε―Ｃｕ相の粗大析出物のみが規定されており、その他の析出物に関しては開示がない。特許文献３，４には、析出物量を規定することでＮｂ，Ｍｏの固溶強化の他にＣｕの固溶強化、ε−Ｃｕ相による析出強化により、ＳＵＳ４４４以上の高温強度にする方法が開示されているが、熱疲労特性と高温強度との関係は開示されていない。特許文献５，６には、Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｕ添加以外にＷ添加を行う技術が開示されている。特許文献５では、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗの固溶強化を用いる方法が開示されているが、析出物との関係については開示がない。特許文献６では穴拡げ率の向上のため、Ｌａｖｅｓ相やε−Ｃｕ相の析出を抑制させる技術が開示されているが、加工性の向上のためであり、耐熱性の観点からではない。
【０００６】
発明者らは、直近、特許文献７において、Ｎｂ−Ｍｏ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｂの複合添加により、Ｌａｖｅｓ相およびε−Ｃｕ相を微細分散させ、８５０℃で優れた高温強度を得る技術を開示している。
【０００７】
以上より、排気系部材の耐熱性向上のための析出物制御に関する従来知見は、主にＬａｖｅｓ相やε−Ｃｕ相、あるいはＡｌ析出物に関するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１４４１９９号公報
【特許文献２】特開２００８−１８９９７４号公報
【特許文献３】特開２００９−１２０８９３号公報
【特許文献４】特開２００９−１２０８９４号公報
【特許文献５】特開２００９−１９７３０５号公報
【特許文献６】特開２００９−１９７３０７号公報
【特許文献７】特開２００９−２１５６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のフェライト系ステンレス鋼においては、８５０℃よりも高い温度域で使用する場合、例えば従来技術の特許文献７の技術であっても、充分な耐熱性、特に９５０℃の熱疲労特性を安定的に得られない場合があることがわかった。
【００１０】
本発明は、排気系部材の最高温度が９５０℃程度になる環境下において、従来技術では達成できなかったより高い熱疲労特性を有するフェライト系ステンレス鋼を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討を重ねた。その結果、Ｃｕ−Ｎｂ−Ｍｏ−Ｗ−Ｓｉ添加鋼において、Ｎｂが０．５０％超の添加量の場合、Ｓｉの量を一定の成分範囲に制御することで、Ｎｂを主相としたＮｂ酸化物が組織内に均一に分散し、最高温度９５０℃の熱疲労特性をＳＵＳ４４４よりも向上させることを見出した。さらにＭｏ＋Ｗの量を２．３〜３．５％程にすることにより、自動車排気系部品を加工する際に充分な加工性を有することを見出した。ここで、Ｎｂを主相とした酸化物とは（Ｎｂ，Ｘ）yＯzのことであり、以後Ｎｂ酸化物と呼ぶ。Ｘには他元素（例えばＣｒなど）が入り、ＮｂはＸよりもモル濃度が高い。
【００１２】
図１に１７．０〜１８．０％Ｃｒ−０．００５〜０．０１０％Ｃ−１．４２〜１．５３％Ｃｕ−０．５５〜０．６５％Ｎｂ−２．４５〜２．６０％Ｍｏ−０．１５〜０．３０％Ｗ−０〜０．５２％Ｓｉ−０．１０〜０．２０％Ｍｎ−０．００９〜０．０１４％Ｎ鋼を用いて、添加Ｓｉ量と粒子径０．２μｍ以上のＮｂ酸化物の分布密度の関係を示した。Ｓｉの添加量が０．３０％を超えると、Ｎｂ酸化物の分布密度が急激に粗になっていることがわかる。添加Ｓｉ量を低減させた方がＮｂ酸化物の分布密度が密になる理由は明確ではないが、添加Ｓｉ量が多い場合、Ｓｉ酸化物が表層に観察されることから、Ｓｉ酸化物の生成が優先され、Ｎｂ酸化物が生成できないためだと推定される。
【００１３】
また、図２は、図１と同様の試験片を用いてＮｂ酸化物の分布密度と最高温度９５０℃の熱疲労寿命の結果である。Ｎｂ酸化物の分布密度が１０個／２５μｍ2以上であると、熱疲労寿命が急激に向上していることがわかる。Ｎｂ酸化物を析出させた方が熱疲労特性に優れる理由は明確ではないが、高温時に析出するＬａｖｅｓ相やε−Ｃｕ相と共に粒子分散強化として寄与し、さらに長時間熱処理後にも酸化物は安定して存在しているため、析出物の粗大化が起こり、長時間熱処理後に強度が低下するＬａｖｅｓ相やε−Ｃｕ相のみの場合よりも強度が維持されると推定される。
【００１４】
上記課題を解決する本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）質量％にて、Ｃ：０．０２％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｃｒ：１６．５〜２０．０％、Ｎｂ：０．５０超〜０．８０％、Ｍｏ：２．００〜３．５０％、Ｗ：０．０５〜１．５０％、Ｃｕ：１．００〜２．００％、Ｏ：０．００１〜０．０１％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、さらに２．３≦Ｍｏ＋Ｗ≦３．５％を満たすことを特徴とする耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（２）質量％にて、Ｂ：０．００１５％以下を含有することを特徴とする（１）記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（３）質量％にて、Ｍｇ：０．００５０％以下、Ｎｉ：１．０％以下の１種以上を含有することを特徴とする（１）または（２）の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（４）質量％にて、Ａｌ：１．０％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｓｎ：０．５０％以下の１種以上を含有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（５）質量％にて、Ｈｆ：０．５％以下、Ｚｒ：０．５％以下、Ｔａ：１．０％以下の１種以上を含有することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
（６）鋼中のＮｂを主相とした粒子径０．２μｍ以上の酸化物が１０個／２５μｍ2以上でそのうち１μｍ超のものが５個／２５μｍ2以下である組織を有することを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【００１５】
ここで、下限の規定が無いものについては、不可避的不純物レベルまで含むことを示す。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によればＳＵＳ４４４以上の熱疲労特性が得られ、即ち９５０℃における熱疲労特性がＳＵＳ４４４と同等以上のフェライト系ステンレス鋼を提供できる。特に自動車などの排気系部材に適用することにより、９５０℃付近までの高温化に対応することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】添加Ｓｉ量とＮｂ酸化物の分布密度との関係を示すグラフである。
【図２】Ｎｂ酸化物の分布密度と最高温度９５０℃の熱疲労寿命との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明について詳細に説明する。以下、特に断らない限り、％は質量％を意味する。まず、本発明の限定理由について説明する。
【００１９】
Ｃは、成形性と耐食性を劣化させ、Ｎｂ炭窒化物の析出を促進させて高温強度の低下をもたらす。その含有量は少ないほど良いため、０．０２％以下とした。但し、過度の低減は精錬コストの増加に繋がるため、０．００３％〜０．０１５％を好ましい範囲とする。
【００２０】
ＮはＣと同様、成形性と耐食性を劣化させ、Ｎｂ炭窒化物の析出を促進させて高温強度の低下をもたらす。その含有量は少ないほど良いため、０．０２％以下とした。但し、過度の低減は精錬コストの増加に繋がるため、０．００５〜０．０２０％を好ましい範囲とする。
【００２１】
Ｓｉは、脱酸剤としても有用な元素であるが、Ｃｕ−Ｎｂ−Ｍｏ−Ｗ添加鋼において、０．５０％超のＮｂ添加した場合、Ｎｂ酸化物を生成させるために制限する必要のある非常に重要な元素である。Ｎｂ酸化物を生成させるためにはＳｉ含有量が０．３０％以下である必要があるため、上限を０．３０％とした。一方、熱疲労特性に関して、Ｓｉは高温でＬａｖｅｓ相と呼ばれるＦｅとＮｂ，Ｍｏ，Ｗを主体とする金属間化合物の析出を促進する。また、耐酸化性に関して、Ｓｉ添加量が０．１０％以下の場合、異常酸化が起こりやすい傾向となるので、０．１０〜０．２５％が望ましい。さらに、表面疵の発生等耐酸化を劣化させる要因が加わることを想定すると、耐酸化性に余裕があることが好ましく、この場合、０．１０超〜０．２０％が望ましい。
【００２２】
Ｍｎは、脱酸剤として添加される元素であるが、長時間使用中にＭｎ系酸化物を表層部に形成し、スケール密着性や異常酸化抑制に寄与する。その効果は０．１０％以上で発現する。一方、１．００％超の過度な添加は、常温の均一伸びを低下させる他、ＭｎＳを形成して耐食性を低下させたり、耐酸化性の劣化をもたらす。これらの観点から、上限を１．００％とした。更に、高温延性やスケール密着性を考慮すると、０．１０〜０．６０％が望ましい。
【００２３】
Ｃｒは、本発明において、耐酸化性確保のために必須な元素である。１６．５％未満では、その効果は発現せず、２０．０％超では加工性を低下させたり、靭性の劣化をもたらすため、１６．５〜２０．０％とした。更に、高温延性、製造コストを考慮すると１７．０〜１９．０％が望ましい。
【００２４】
Ｎｂは、Ｃｕ−Ｎｂ−Ｍｏ−Ｗ添加鋼において、０．５０％超のＮｂ添加した場合、Ｎｂの固溶強化およびＮｂ酸化物やＬａｖｅｓ相の微細析出による粒子分散強化による熱疲労特性向上のために必要な重要元素である。また、ＣやＮを炭窒化物として固定し、製品板の耐食性やｒ値に影響する再結晶集合組織の発達に寄与する役割もある。本発明のＣｕ−Ｎｂ−Ｍｏ−Ｗ添加鋼においては、Ｎｂ酸化物やＬａｖｅｓ相の微細析出による析出強化が０．５０％超のＮｂ添加で得られることから、下限を０．５０％超とした。また、０．８０％超の過度な添加はＬａｖｅｓ相の粗大化を促進して熱疲労寿命には寄与せず、かつコスト増になることから、上限を０．８０％とした。更に、製造性およびコストを考慮すると、０．５０超〜０．７０％が望ましい。
【００２５】
Ｍｏは、耐食性を向上させるとともに、高温酸化を抑制、Ｌａｖｅｓ相の微細析出による析出強化および固溶強化による熱疲労特性向上に対して有効である。しかし、過度な添加はＬａｖｅｓ相の粗大析出を促進し、析出強化能を低下させ、また加工性を劣化させる。本発明では先述したＣｕ−Ｎｂ−Ｍｏ−Ｗ添加鋼で、Ｌａｖｅｓ相の微細析出による析出強化および固溶強化が２．００％以上のＭｏ添加で得られることから、下限を２．００％とした。３．５０％超の過度な添加はＬａｖｅｓ相の粗大化を促進して熱疲労寿命には寄与せず、かつコスト増になることから、上限を３．５０％とした。更に、製造性およびコストを考慮すると、２．００〜３．００％が望ましい。
【００２６】
Ｗは、Ｍｏと同様な効果を有し、熱疲労特性を向上させる元素である。この効果は０．０５％以上から安定して発現するが、過度に添加するとＬａｖｅｓ相の粗大化を促進して、析出物を粗大化させてしまうとともに製造性および加工性を劣化させるため、０．０５〜１．５０％が好ましい。さらに、コストや耐酸化性等を考慮すると、０．１０〜１．２０％が望ましい。
【００２７】
Ｃｕは、熱疲労特性向上に有効な元素である。これは、ε−Ｃｕが析出することによる析出硬化作用であり、１．０％以上の添加により著しく発揮する。一方、過度な添加は、均一伸びの低下や常温耐力が高くなりすぎてプレス成型性に支障が生じる。また、２．０％以上添加すると高温域でオーステナイト相が形成されて表面に異常酸化が生じ、さらに熱疲労特性を劣化させるため上限を２．０％とした。さらに、製造性やスケール密着性を考慮すると、１．２〜１．８％が望ましい。
【００２８】
Ｏは、Ｎｂ酸化物を形成させて、耐熱性をさらに向上させるのに必須の元素である。しかし、その含有量が０．０１％超ではＮｂ酸化物が極度に粗大化し、熱疲労特性に寄与せず、常温延性も著しく低下させるため、上限を０．０１％以下とした。また、０．００１％未満であるとＮｂが充分に添加されていてもＮｂ酸化物があまり生成せず、熱疲労特性に寄与しないため、０．００１％以上であることが好ましい。さらに、製造コストも考慮すると、０．００３〜０．００８％が望ましい。
【００２９】
ＭｏおよびＷの総添加量は、本発明ではＣｕ−Ｎｂ−Ｍｏ−Ｗ添加鋼においてＭｏおよびＷの合計量が２．３％以上であれば、熱疲労寿命の安定性に寄与するが、３．５％超の過度な添加はＬａｖｅｓ相の析出を促進して常温の加工性を劣化させるため、ＭｏおよびＷの総添加量を２．３〜３．５％の範囲にする必要がある。さらに、コストや耐酸化性等を考慮すると２．５〜３．３％が望ましい。
【００３０】
鋼中のＮｂを主相とした粒子径０．２μｍ以上の酸化物が１０個／２５μｍ2以上の分散密度であれば、Ｌａｖｅｓ相やε−Ｃｕ相の微細析出による析出強化にさらに寄与し、熱疲労特性も向上するため、本発明では粒子径０．２μｍ以上のＮｂ酸化物が１０個／２５μｍ2以上の分散密度とする。また、Ｎｂ酸化物の粒子径が１μｍを超えるものが５個／２５μｍ2を超えると常温延性等の加工性が極端に低下するため、Ｎｂ酸化物のうち粒子径が１μｍ超のものが５個／２５μｍ2以下に限定する。前述の鋼成分とすることにより、上記規定するＮｂ酸化物を含有することができる。
【００３１】
また、熱疲労特性等諸特性をさらに向上させるため、以下の元素を添加してもよい。
【００３２】
Ｂは、製品のプレス加工時の２次加工性を向上させる元素でもある。ただし、過度な添加は硬質化や粒界腐食性を劣化させるため、上限を０．００１５％とした。さらに、成型性や製造コストを考慮すると、Ｂ含有量は０．０００３〜０．００１０％が望ましい。
【００３３】
Ｍｇは、２次加工性を改善させる元素であり、０．０００２％以上の添加により安定して効果を発揮する。しかしながら、０．００５０％超の添加をすると加工性が著しく劣化するため、０．０００２〜０．００５０％が好ましい。さらに、コストや表面品位を考慮すると、０．０００３〜０．００２０％が望ましい。
【００３４】
Ｎｉは、耐食性を向上させる元素であるが、過度の添加は高温域でオーステナイト相が形成されて表面に異常酸化およびスケール剥離が生じるため、上限を１．０％とした。また、その作用は０．１％から安定して発現するが、製造コストを考慮すると、Ｎｉ含有量は０．１〜０．６％が望ましい。
【００３５】
Ａｌは、脱酸元素として添加される他、耐酸化性を向上させる元素である。また、固溶強化元素としての強度向上に有用である。その作用は０．１０％から安定して発現するが、過度の添加はＮｂ酸化物を生成させるための酸素がＡｌと反応してしまい、Ｎｂ酸化物の析出量が減少してしまうため、上限を１．００％とした。また、靭性を考慮すると、０．１０〜０．６０が望ましい。さらに、表面疵の発生や溶接性、製造性を考慮すると、０．１０〜０．３０％が望ましい。なお、脱酸の目的でＡｌを添加する場合、鋼中に０．１０％未満のＡｌが不可避的不純物として残存する。
【００３６】
Ｖは、Ｎｂと共に微細な炭窒化物を形成し、析出強化作用が生じて高温強度向上に寄与する。この効果は０．０５％以上の添加で安定して発現するが、０．５０％超添加するとＮｂ炭窒化物が粗大化して高温強度が低下し、熱疲労寿命および加工性が低下してしまうため、上限を０．５０％とした。更に、製造コストや製造性を考慮すると、０．０５〜０．３０％が望ましい。
【００３７】
Ｓｎは、原子半径が大きいため、固溶強化により高温強度にも寄与する有効な元素である。また、常温の機械的特性を大きく劣化させない。しかしながら、０．５０％超添加すると製造性および加工性が著しく劣化するため、０．５０％以下とした。更に、耐酸化性等を考慮すると、Ｓｎ含有量は０．０５〜０．３０％が望ましい。
【００３８】
Ｈｆは、耐酸化性を改善する元素であり、０．０５％以上の添加により安定して効果を発揮する。しかしながら、０．５０％超の添加により粗大なＬａｖｅｓ相が析出し、製造性および加工性の劣化が著しくなるため、０．５０％以下とした。更に、コストや表面品位を考慮すると、０．０５〜０．３０％が望ましい。
【００３９】
Ｚｒは耐酸化性を改善する元素である。しかしながら、０．５％超の添加により粗大なＬａｖｅｓ相が析出し、製造性および加工性の劣化が著しくなるため、０．５％以下とした。更に、コストや表面品位を考慮すると、Ｚｒ含有量は０．０５〜０．３０％が望ましい。
【００４０】
ＴａはＨｆと同様、耐酸化性を改善する元素であり、０．０５％以上の添加により安定して効果を発揮する。しかしながら、１．０％超の添加により粗大なＬａｖｅｓ相が析出し、製造性および加工性の劣化が著しくなるため、１．０％以下とした。更に、コストや表面品位を考慮すると、０．０５〜０．５０％が望ましい。
【００４１】
鋼板の製鋼方法において、Ｎｂ酸化物は溶鋼中に分散する。
【００４２】
なお、鋼板の製造方法については、一般的なフェライト系ステンレス鋼の製造方法で製造することが出来る。例えば、本発明範囲の組成を有するフェライト系ステンレス鋼を溶解してスラブを製造し、１０００〜１２００℃に加熱後、１１００〜７００℃の範囲で熱延し、４〜６ｍｍの熱延板を製造する。その後、８００〜１１００℃で焼鈍、または焼鈍を行わず通板した後に酸洗を行い、その焼鈍酸洗板を冷延し、１．５〜２．５ｍｍの冷延板を作製した後に、９００〜１１００℃で仕上焼鈍後、酸洗を行う工程によって鋼板を製造することが可能である。ただし、仕上焼鈍後の冷却速度においては、冷却速度が遅い場合、Ｌａｖｅｓ相などの析出物が多く析出するため、常温延性等の加工性が劣化する可能性がある。そのため、最終焼鈍温度から６００℃までの平均冷却速度が、５℃／ｓｅｃ以上に制御した方が望ましい。また、熱延板熱延条件、熱延板厚、熱延板焼鈍の有無、冷延条件、熱延板および冷延板焼鈍温度、雰囲気などは適宜選択すれば良い。また、冷延・焼鈍を複数回繰り返したり、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。
【実施例】
【００４３】
＜サンプル作成方法＞
表１、表２に示す成分組成の鋼を溶製して、５０ｋｇのインゴットに鋳造した。そのインゴットを１１００〜７００℃で熱間圧延して５ｍｍ厚の熱延板とした。その後、熱延板を９００〜１０００℃で焼鈍した後に酸洗を施し、２ｍｍ厚まで冷間圧延し、焼鈍・酸洗を施して製品板とした。冷延板の焼鈍温度は、１０００〜１２００℃とした。表１のＮｏ．１〜１８は本発明例、表２のＮｏ．１９〜４１は比較例である。本発明範囲から外れる成分値にアンダーラインを付している。
【００４４】
＜Ｎｂ酸化物の測定方法＞
冷延焼鈍板のサンプルの厚さ１／２の部分を機械研磨し、圧延面の法線方向が観察できるようにし、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察を行った。１００００倍で任意の箇所をＳＥＭ観察し、粒内析出したＮｂ酸化物を数十枚撮影した。その写真をスキャナで取り込み、Ｎｂ酸化物のみに色画像処理をした後に、Ｓｃｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製の画像解析ソフト「Ｓｃｉｏｎ Ｉｍａｇｅ」を用いて各粒子の面積を求め、面積から円相当径に換算して、Ｎｂ酸化物の粒子径を測定した。析出物の種類は、ＳＥＭ付属のＥＤＳ装置（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置）にてＦｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒを定量化することで分類した。Ｎｂ酸化物にＭｏ，Ｗはほとんど含有しないので、最も多く含まれる元素がＮｂであり、Ｍｏ，Ｗがそれぞれ５ｍａｓｓ％未満である場合をＮｂ酸化物とした。Ｎｂ酸化物の析出密度の評価は、粒子径０．２μｍ以上のＮｂ酸化物が１０個／２５μｍ2以上かつそのうち粒子径が１μｍ超のものが５個／２５μｍ2以下の場合を合格として○、それ以外を不合格として×とした。
【００４５】
＜熱疲労試験方法＞
このようにして得られた製品板から板をパイプ状に巻き、板の端をＴＩＧ溶接で溶接して、３０ｍｍφのパイプを作製した。さらに、このパイプを３００ｍｍの長さに切断し、評点間２０ｍｍの熱疲労試験片を作製した。この試験片を、サーボパルサ型熱疲労試験装置（加熱方法は高周波誘導加熱装置）を用いて、大気中で拘束率２０％、「２００℃〜９５０℃まで１５０ｓｅｃで昇温→９５０℃で１２０ｓｅｃ保持→９５０℃〜２００℃までを１５０ｓｅｃで降温」を１サイクルとするパターンを繰り返し、熱疲労寿命の評価を行った。なお、亀裂が板厚貫通したときの繰り返し数を熱疲労寿命と定義した。貫通は１００サイクル経過ごとに目視で確認した。評価は、２０００サイクル以上を合格として○、２０００サイクル未満を不合格として×とした。
【００４６】
＜常温の加工性評価方法＞
圧延方向と平行方向を長手方向とするＪＩＳ１３Ｂ号試験片を作製し、引張試験を行い、破断伸びを測定した。ここで、常温での破断伸びは３０％以上あれば、一般的な排気部品への加工が可能なため、３０％以上の破断伸びを有した場合は○、３０％未満の場合は×とした。
【００４７】
【表１】
【００４８】
【表２】
【００４９】
＜評価結果＞
表１、表２から明らかなように、本発明で規定する成分組成を有する鋼の本発明例は、比較例に比べて９５０℃における熱疲労寿命が優れていることがわかる。また、常温での機械的性質において破断延性が良好となり、比較例と同等以上の加工性を有することがわかる。
【００５０】
Ｎｏ．１９，２０鋼では、それぞれＣ，Ｎが上限を外れているため、９５０℃の熱疲労寿命が本発明例に比べて低い。Ｎｏ．２１鋼は、Ｓｉが上限を外れており、Ｎｂ酸化物の析出密度が低く、熱疲労寿命が本発明例に比べて低い。Ｎｏ．２２鋼はＭｎが過剰に添加されており、常温における延性が低い。Ｎｏ．２３，２５，２７，２９鋼は、それぞれＣｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗが上限を外れており、熱疲労寿命が高いものの、常温延性が低い。Ｎｏ．２４，２６，２８，３０鋼は、それぞれＮｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕが下限を外れており、熱疲労寿命が本発明例に比べて低い。Ｎｏ．３１〜３３鋼は、それぞれＣｕ，ＯおよびＢが上限を外れており、９５０℃の熱疲労寿命が低く、常温延性も低い。Ｎｏ．３４〜４１鋼は、それぞれ、Ｍｇ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔａが上限を外れており、熱疲労寿命が高いものの常温延性が低い。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明のフェライト系ステンレス鋼は耐熱性に優れるため、自動車排気系部材以外にも発電プラントの排気ガス経路部材としても用いることができる。さらに、耐食性の向上に有効であるＭｏを添加しているので、耐食性が必要である用途にも用いることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％にて、Ｃ：０．０２％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｃｒ：１６．５〜２０．０％、Ｎｂ：０．５０超〜０．８０％、Ｍｏ：２．００〜３．５０％、Ｗ：０．０５〜１．５０％、Ｃｕ：１．００〜２．００％、Ｏ：０．００１〜０．０１％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、さらに２．３≦Ｍｏ＋Ｗ≦３．５％を満たすことを特徴とする耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【請求項２】
質量％にて、Ｂ：０．００１５％以下を含有することを特徴とする請求項１記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【請求項３】
質量％にて、Ｍｇ：０．００５０％以下、Ｎｉ：１．０％以下の１種以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【請求項４】
質量％にて、Ａｌ：１．０％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｓｎ：０．５０％以下の１種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【請求項５】
質量％にて、Ｈｆ：０．５％以下、Ｚｒ：０．５％以下、Ｔａ：１．０％以下の１種以上を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【請求項６】
鋼中のＮｂを主相とした粒子径０．２μｍ以上の酸化物が１０個／２５μｍ2以上でそのうち粒子径が１μｍ超のものが５個／２５μｍ2以下である組織を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【請求項１】
質量％にて、Ｃ：０．０２％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｃｒ：１６．５〜２０．０％、Ｎｂ：０．５０超〜０．８０％、Ｍｏ：２．００〜３．５０％、Ｗ：０．０５〜１．５０％、Ｃｕ：１．００〜２．００％、Ｏ：０．００１〜０．０１％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、さらに２．３≦Ｍｏ＋Ｗ≦３．５％を満たすことを特徴とする耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【請求項２】
質量％にて、Ｂ：０．００１５％以下を含有することを特徴とする請求項１記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【請求項３】
質量％にて、Ｍｇ：０．００５０％以下、Ｎｉ：１．０％以下の１種以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【請求項４】
質量％にて、Ａｌ：１．０％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｓｎ：０．５０％以下の１種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【請求項５】
質量％にて、Ｈｆ：０．５％以下、Ｚｒ：０．５％以下、Ｔａ：１．０％以下の１種以上を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【請求項６】
鋼中のＮｂを主相とした粒子径０．２μｍ以上の酸化物が１０個／２５μｍ2以上でそのうち粒子径が１μｍ超のものが５個／２５μｍ2以下である組織を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１９３４３５（Ｐ２０１２−１９３４３５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５９６４０（Ｐ２０１１−５９６４０）
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（５０３３７８４２０）新日鐵住金ステンレス株式会社 (247)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（５０３３７８４２０）新日鐵住金ステンレス株式会社 (247)
【Ｆターム（参考）】
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