JP2012112020A

JP2012112020A - 自動車排気系部品用のフェライト系ステンレス鋼板およびフェライト系ステンレス鋼管

Info

Publication number: JP2012112020A
Application number: JP2010263971A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Ozaki; 芳宏尾崎; Takao Iguchi; 貴朗井口; Takumi Ugi; 工宇城
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-06-14

Abstract

【課題】フェライト系ステンレス鋼の加工性および溶接特性を向上させるとともに、コストの面でも優れたフェライト系ステンレス鋼板およびフェライト系ステンレス鋼管を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃｒ：10〜20％、Ｃ：0.01％以下、Ｎ：0.01％以下、Ｓｉ：1.5％以下、Ｓ：0.06％以下、およびＭｎ：（５×〔％Ｓ〕）〜（５×〔％Ｓ〕＋0.3）％を含有し、さらに、Ｔｉ：７×（〔％Ｃ〕＋〔％Ｎ〕）〜0.50％およびＮｂ：14×（〔％Ｃ〕＋〔％Ｎ〕）〜0.80％（但し〔％Ｍ〕は鋼中の元素Ｍの含有量を示す）のうちから選んだ少なくとも１種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼板とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車排気系部品のような強加工が施される用途に供して好適なフェライト系ステンレス鋼板に関し、特に、加工性の向上を図ったものである。
また、本発明は、上記のフェライト系ステンレス鋼板を素材として成形したフェライト系ステンレス鋼管に関するものである。

一般に、自動車の排気系部品は、ステンレス鋼管を素材として加工されることが多い。かかるパイプの加工としては、拡管加工やバルジ加工が施されることが多い。このような加工においては、これまで、ｎ値が高く、均一伸びの大きいオーステナイト系ステンレス鋼を用いることが適しているといわれ、実用化されてきた。

しかし、一方で、オーステナイト系ステンレス鋼は温度による膨張・収縮が大きいため熱疲労の点で不利であったり、自動車の排気系としての使用中に応力腐食割れが生じるなどの不具合が懸念され、現状ではフェライト系ステンレス鋼の使用が増えつつある。
また、上記したような鋼材の特性の観点からばかりでなく、その価格の点でも、主要成分としてＮｉを含有するオーステナイト系ステンレス鋼より、Ｎｉの含有が少ないフェライト系ステンレス鋼の方が安価であり、有利である。

オーステナイト系ステンレス鋼に比べて、ｎ値の低いフェライト系ステンレス鋼では加工時に歪が局所的に集中しやすく、このために割れが生じやすいことが、パイプ加工を困難にしている。
この点に対し、たとえば、特許文献１、２に示されるように、鋼中の炭窒化物を少なくするなど、相応の改善策がすでに施されている。

特開2005−314740号公報特開2005−325377号公報特開平8−176760号公報特開平8−333656号公報

しかしながら、特許文献１および２に示されたフェライト系ステンレス鋼、または、現時点で工業的に量産化され、かつ商用に供されているフェライト系ステンレス鋼では、自動車排気系部品として更なる均一伸びの向上を図ろうとした場合、いずれの鋼もその伸びが向上する効果に見合う以上にコストがかかってしまうため、現在までのところ実用化されていない。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、現状のフェライト系ステンレス鋼の加工性および溶接特性を向上させるとともに、コストの面でも優れたフェライト系ステンレス鋼板およびフェライト系ステンレス鋼管を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
（１）質量％で、Ｃｒ：10〜20％、Ｃ：0.01％以下、Ｎ：0.01％以下、Ｓｉ：1.5％以下、Ｓ：0.06％以下、およびＭｎ：（５×〔％Ｓ〕）〜（５×〔％Ｓ〕＋0.3）％を含有し、さらに、Ｔｉ：７×（〔％Ｃ〕＋〔％Ｎ〕）〜0.50％およびＮｂ：14×（〔％Ｃ〕＋〔％Ｎ〕）〜0.80％（但し〔％Ｍ〕は鋼中の元素Ｍの含有量を示す）のうちから選んだ少なくとも１種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする自動車排気系部品用のフェライト系ステンレス鋼板。

（２）前記フェライト系ステンレス鋼板が、さらに、質量％で、Ｍｏ：2.0％以下、Ｃｕ：1.5％以下およびＮｉ：1.5％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）に記載の自動車排気系部品用のフェライト系ステンレス鋼板。

（３）前記（１）または（２）に記載の自動車排気系部品用のフェライト系ステンレス鋼板の板厚が0.2〜2.0mmで、該鋼板を直径：20〜150mmの鋼管としたことを特徴とする自動車排気系部品用のフェライト系ステンレス鋼管。

本発明によれば、フェライト系ステンレス鋼板の加工性、特に均一伸びを効果的に改善することができるため、このフェライト系ステンレス鋼板を用いて製造したフェライト系ステンレス鋼管を素材とすれば、自動車排気系部品を安価かつ容易に得ることができる。

極限変形能の評価方法の要領を示した図である。Ｍｎ量とＳ量が極限変形能および熱間割れに及ぼす影響を示したグラフである。

以下、本発明の解明経緯について説明する。
発明者らは、フェライト系ステンレス鋼のパイプとしての加工性を改善すべく、材料特性とパイプ加工性の関係を調べた。
その結果、拡管、バルジなどのパイプ加工において、オーステナイト系ステンレス鋼に比べてn値の低いフェライト系ステンレス鋼では加工時に歪が局所的に集中しやすく、このために割れを生じることがパイプ加工を困難にしていることがわかった。

また、このような状況を脱却するには、鋼材の均一伸びを向上させることが必要であるが、従来より、鋼中の炭窒化物を少なくするなど相応の改善策はすでに施され（特許文献１または２参照）、現状において工業的に量産され、かつ商用に供される自動車排気系部品用のフェライト系ステンレス鋼の更なる均一伸びの向上は、その効果に見合う以上のコストアップを必要とし、事実上困難であったことは前述したとおりである。

そこで、現状のフェライト系ステンレス鋼の加工性をより向上させるべく、鋭意検討を重ねた結果、材料の機械的特性のうちでも、特に、極限変形能を改善することで従来以上のパイプ等の加工性が向上することを見出した。

ここで、まず極限変形能について説明する。
フェライト系ステンレス鋼に限らず、一般に鉄鋼材料の引張試験においては、試験片を破断するまで引張り、所定の標点問距離が試験前と比べてどれだけ変化したかを材料の伸び値として評価する。例えばJIS Z2201に規定されるJIS５号引張試験片を例にとると、その標点間距離は50mmと規定しているが、材料の伸び値はその標点間距離が変わることにより、変わることが知られている。

これは、試験開始から破断に至るまでの過程で、標点間の材料が均一に伸びていないためである。実際には、引張りの試験荷重が最大値を示した以降、破断までの過程において、破断部近傍が優先的に伸ばされることとなる。そのために、標点間距離が短いほど伸びは大きく評価される。この不確定な要素を排除するために、本発明では、その極限として標点間距離が無限小の場合の伸びを、極限変形能と呼び定義することとする。また、その測定は、以下のような方法による。

評価に供する鋼材を、幅：25mmの短冊状の試験片（JIS５号試験片）とし、この試験片を破断するまで引張り、その破断歪みを測定する。ここで、図１に示したように、破断部の厚みと幅とから、厚み方向の破断歪みε_T（＜０）と幅方向の破断歪みε_W（＜０）とを得る。この値を用いることで、引張方向の破断歪みε_Lは次式で算出される。
式：ε_L＝−（ε_T＋ε_W）
これは試験片のうち、まさに破断した部分（＝破断面）の伸び歪みを表している。言い換えると、評価に供した材料が、局所的にどのような伸び歪みを付与されると破断するかを示したものといえる。

以下、本発明に従う自動車排気系部品用のフェライト系ステンレス鋼板および鋼管の組成限定理由について説明する。なお、以下の鋼中の成分組成の％表示は、特に断らない限り、質量％を表すものとする。

Ｃｒ：10〜20％
Ｃｒは、フェライト系ステンレス鋼としての耐食性を得るために重要な基本元素である。10％に満たない少量では、ステンレス鋼としての耐食性を発揮する不動態皮膜の形成が不十分となる。一方、20％を超えて多く含有すると、原料費が高くなるばかりでなく、溶製時の脱炭、脱窒が困難になり、製造性および製造コストにも大きく影響するため、その上限は20％とした。

Ｃ：0.01％以下、Ｎ：0.01％以下
ＣおよびＮは、不可避的に残留する不純物元素であるが、多く残留すると、鋼材の伸びを低下させ加工性に悪影響するばかりでなく、Ｃｒ炭窒化物を形成して、その周囲にＣｒ欠乏層を生じることで耐食性をも劣化させるため、少ない方が好ましい。しかし、本発明では後述するＴｉ，Ｎｂ等の炭窒化物形成元素を添加して、Ｃ，Ｎを固定するので、それぞれ0.01％以下であれば問題はない。

Ｓｉ：1.5％以下
Ｓｉは、脱酸剤として溶製時に添加され鋼中に残留する元素であるが、製品においては高温での耐酸化性を高める作用もあるので、必要に応じて含有することができるが、過剰に含有させると、強度上昇により加工性を劣化させるので、その上限は1.5％とした。

Ｓ：0.06％以下
Ｓは、本発明において、極限変形能の向上のために、後述するＭｎ量と共にその含有量が抑制される元素である。すなわち、Ｓは鋼を脆化させて熱間割れを誘発する元素であるが、本発明においては、Ｍｎと結合してＭｎＳ析出物を形成することで無害化されるため、0.06％までは許容される。しかし、Ｓ量が0.06％を超えた場合には、Ｍｎの必要量も多くなってコストアップにつながるだけでなく、ＭｎＳの析出物の総量が増えることにより耐食性の劣化の弊害も招来する。従って、Ｓ量の上限を0.06%とする。
一方、Ｓ含有量が少なく鋼中のＭｎＳ析出物が少ない場合には、結晶粒が粗大化し、組織の不均一化による伸びの低下をもたらすため、Ｓ量の下限としては0.001％程度が好ましい。

Ｍｎ：（５×〔％Ｓ〕）〜（５×〔％Ｓ〕＋0.3）％（但し以下、〔％Ｍ〕は鋼中の元素Ｍの含有量を示す）
Mnは、本発明において、熱間での脆化割れの改善に効果を示し、上記した極限変形能の向上のために重要な元素である。この熱間での脆化割れの改善のためには、５×〔％Ｓ〕％以上の添加が必要である。しかし、あまり多く添加されると、パイプ等の加工性に重要な因子である極限変形能を低下させるため、その上限は（５×〔％Ｓ〕＋0.3）％とした。

Ｔｉ：７×（〔％Ｃ〕＋〔％Ｎ〕）〜0.50％、Ｎｂ：14×（〔％Ｃ〕＋〔％Ｎ〕）〜0.80％
ＴｉおよびＮｂは、鋼中に不可避的に残留するＣやＮをＴｉ炭窒化物、Ｎｂ炭窒化物の析出物として固定し、鋼材の伸びや耐食性を改善するために添加される。しかし、添加量が少ないとその効果が十分でなく、特に本発明の目的を考えると、造管時の溶接の熱影響で、析出物として固定されていたＣやＮが解離したり、部品の組付け工程で、溶接相手の部品、溶接ワイヤー、シールドガスおよび付着油脂などからのＣやＮの混入が起こりうるため、溶接部も含めた鋼材の加工性や耐食性を良好に保つには、いずれか一方の添加でよいが、それぞれの下限はＴｉで７×（〔％Ｃ〕＋〔％Ｎ〕）％、Ｎｂで14×（〔％Ｃ〕＋〔％Ｎ〕）％とする必要がある。
また、過剰に添加されたＴｉおよびＮｂは、鋼材のマトリックス上に固溶した状態で存在し、固溶強化を起こすため加工性を阻害する。そのため、上限はそれぞれＴｉを0.50％、Ｎｂを0.80％とした。

Ｍｏ：2.0％以下、Ｃｕ：1.5％以下、Ｎｉ：1.5％以下
Ｍｏ、ＣｕおよびＮｉは、耐食性を改善するために必要に応じて添加される元素であり、特に、その下限は限定されるものではない。また、いずれも高価な元素であり過剰に添加してもその効果は飽和するため、その上限はそれぞれ、Ｍｏを2.0％、Ｃｕを1.5％、Ｎｉを1.5％とすることが好ましい。

本発明の最大の特徴は、フェライト系ステンレス鋼に含有しているＳ量を、Ｍｎ量との関係で最適量に制御することで極限変形能を向上させたことである。Ｓ量およびＭｎ量の調整によりかかる効果が得られる理由については必ずしも明らかではないが、発明者らは以下のように推定している。

一般に、Ｓは、不可避的に残留する不純物として鋼材中に存在し、一方、Ｍｎは、熱間脆化を回避するために、適宜添加され、フェライト系ステンレス鋼に限らず、鋼材全般に含有されている元素である。また、鋼材中ではＭｎＳとして析出する延性介在物として存在していることで知られている。しかし、本発明に到る実験結果から、極限変形能の改善には、これらＳおよびＭｎの含有量に最適な範囲があることが明らかとなった。
これは、元素等量的な面から見れば、ＭｎＳの析出量はＳの添加量と連動し、またＭｎＳの析出温度はＭｎの添加量と関係があり、その析出粒径もＭｎの添加量と関係があると考えることができる。つまり、このようなフェライト系ステンレス鋼中のＭｎＳの析出量と、それに伴う析出物の形態の変化とによって、鋼の延性破壊の限界点が向上するものと推定される。

また、本発明では、上述したフェライト系ステンレス鋼板を素材として、突合せ溶接等を用いて鋼管とすることができる。そして、本発明によるフェライト系ステンレス鋼管を用いることで、自動車排気系部品を製造する際のパイプの基本的な加工、拡管加工、バルジ加工等の種々の曲げ加工の作業性が改善される。ここに、素材である鋼板の板厚は、0.2〜2.0mm程度、また鋼管の直径は20〜150mm程度とすることが好適である。

なお、パイプの加工方法は様々なものがあり、上記がすべてではない。しかし、少なくともこれらを組合わせたような、例えば、曲げ加工した部分をさらに液圧バルジ加工するといった複合加工や、二重管構造にした後にバルジ加工を施すフレキ管加工でも、本発明の自動車排気系部品用フェライト系ステンレス鋼管に対し好適に適用できる。

また、鋼管では、溶接部は特異的な部位であり、耐食性や加工性において、一般部と異なる特異性を示すことは避けがたい。つまり、パイプ等の加工においては、溶接部が原因となり不具合を生じることは珍しくない。このような溶接部の不具合を回避するためには、公知の造管技術を併せて採用することが好ましい。例えば、特許文献３や４に示されているように、バルジ加工で溶接部が優先的に割れる不具合に対しては、溶接ビードの高さを素管板厚の50％以内で高くするなど技術があるが、この発明を用いれば、本発明の素材成分での改善効果も加わって、より好適に使用できる。

表1に示す成分のフェライト系ステンレス鋼材を、熱間圧延後、熱延板焼鈍、冷間圧延、冷延板焼鈍を施し、板厚：1.5mmの冷延焼鈍板とした。この時、Ｍｎの添加量でそれぞれ鋼グループＡ〜Ｈに分け、それぞれＳの含有量を0.01〜0.08％の範囲で調整した。これらの冷延焼鈍板からJIS５号相当の試験片を採取し、前述した手法により極限変形能のε_Lの測定を行った。
その結果を表１に併記する。また、同表には、これらの鋼を熱間圧延した際の熱間割れ発生の有無について調査した結果も併せて示す。

同表に示したとおり、フェライト系ステンレス鋼の成分により、極限変形能ε_Lおよび熱間割れの発生状況が大きく異なることがわかる。
また、図２に、ＭｎとＳの含有量と極限変形能と熱間割れの関係について調べた結果を示すが、同図に示したとおり、Ｍｎの含有量が５×〔％Ｓ〕％に満たないと、熱間割れが発生し、一方、（５×〔％Ｓ〕＋0.3）％を超えると、極限変形能ε_Lが1.4に満たないことが分かる。

表２に示す成分のフェライト系ステンレス鋼を溶製し熱間圧延と熱延板焼鈍、冷間圧延、冷延板焼鈍により板厚：1.5mmの冷延焼鈍製品板とした。この冷延焼鈍製品板から、JIS５号試験片を採取し、前述の手法により極限変形能のε_Lの測定を行った。また、同じ冷延焼鈍板より外径：42.7mmの鋼管を作製しパイプの加工試験に供した。パイプの加工試験は、管端を封じた液圧バルジ加工試験、および管端に円錐状の金型を押し込むコーン拡管試験を実施した。
その結果を表２に併記する。

同表に示したとおり、Ｓ量が適正範囲で、Ｍｎ量が（５×〔％Ｓ〕）〜（５×〔％Ｓ〕＋0.3）％を満たす場合は、極限変形能ε_Lが1.4以上となり、またその加工性も向上している。

本発明に従う当該発明に適合するフェライト系ステンレス鋼管は、エキマニをはじめとして、フロントパイプ、ミドルパイプ、コンバータ、フレキ管、およびマフラーや、さらにこれらをジョイントするパーツなど、自動車排気系の様々な部品に適用することできる。

Claims

質量％で、Ｃｒ：10〜20％、Ｃ：0.01％以下、Ｎ：0.01％以下、Ｓｉ：1.5％以下、Ｓ：0.06％以下、およびＭｎ：（５×〔％Ｓ〕）〜（５×〔％Ｓ〕＋0.3）％を含有し、さらに、Ｔｉ：７×（〔％Ｃ〕＋〔％Ｎ〕）〜0.50％およびＮｂ：14×（〔％Ｃ〕＋〔％Ｎ〕）〜0.80％（但し〔％Ｍ〕は鋼中の元素Ｍの含有量を示す）のうちから選んだ少なくとも１種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする自動車排気系部品用のフェライト系ステンレス鋼板。
前記フェライト系ステンレス鋼板が、さらに、質量％で、Ｍｏ：2.0％以下、Ｃｕ：1.5％以下およびＮｉ：1.5％以下のうちから選ばれる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に記載の自動車排気系部品用のフェライト系ステンレス鋼板。
請求項１または２に記載の自動車排気系部品用のフェライト系ステンレス鋼板の、板厚が0.2〜2.0mmで、該鋼板を直径：20〜150mmの鋼管としたことを特徴とする自動車排気系部品用のフェライト系ステンレス鋼管。