JPH0570897A

JPH0570897A - 高靱性高温高強度フエライト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JPH0570897A
Application number: JP3234555A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Miyazaki; 崎淳宮; Takumi Ugi; 城工宇; Fusao Togashi; 樫房夫冨
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1991-09-13
Filing date: 1991-09-13
Publication date: 1993-03-23
Anticipated expiration: 2015-02-28
Also published as: US5350559A; JP3014822B2

Abstract

(57)【要約】【目的】熱延板とした時に、靱性に優れるために良好
な製造性を示し、かつ、優れた高温強度および耐酸化性
を有するフェライト系ステンレス鋼の開発。【構成】Ｃ：０．０２ｗｔ％以下、Ｓｉ：２．０ｗｔ
％以下、Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、Ｃｒ：１７ｗｔ％以
上２５ｗｔ％以下、Ｎｉ：１ｗｔ％以下、Ｎｂ：０．５
ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、Ｎ：０．０３ｗｔ％以
下、Ｃｏ：０．０６ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下、Ａ
ｌ：０．０８ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下を含み、残部
がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする高
靱性高温高強度フェライト系ステンレス鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱延板の靱性に優れ、
かつ、高温強度および耐酸化性に優れるフェライト系ス
テンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、耐熱耐酸化性材料として、フェラ
イト系ステンレス鋼が使用される場合が多い。これは、
フェライト系ステンレス鋼が、オーステナイト系ステン
レス鋼に比べて、下記（１）〜（３）の利点を有するか
らである。（１）熱膨張率が低い。即ち、繰り返し加熱を受けるよ
うな環境での特性（耐熱疲労性、繰り返し耐酸化性）に
優れる。（２）他の部品（鋼や鋳物）との接合が容易である。（３）安価である。

【０００３】フェライト系ステンレス鋼は、このような
高温特性を有するので、それに着目し、例えば自動車の
排気系部品に用いられてきた。しかし、近年、エンジン
の高出力化のため、排気温度が従来よりも数十℃上昇
し、それにつれ、排気系部品の素材に求められる耐熱温
度も９００℃以上に上昇してきた。

【０００４】このような素材環境の変化に対応し、素材
の高温時における高強度化が図られ、１８Ｃｒ−Ｎｂ，
Ｍｏ添加鋼が開発され、従来のＳＵＨ４０９Ｌに変って
使用されるようになってきた（組成は後記表１中の従来
鋼参照）。

【０００５】しかし、高温時における高強度化のために
ＮｂやＭｏを添加すると、特にＮｂ含有量が０．５ｗｔ
％を超えると、金属間化合物（Ｆｅ₂Ｎｂ）が析出し、
図１に示すように、著しく素材の靱性が低下する（シャ
ルピー吸収エネルギーが小さくなる）ことが明らかとな
った。なお、図１は、Ｃを約０．０１ｗｔ％、Ｎを約
０．０１ｗｔ％、Ｃｏを約０．００９ｗｔ％、Ａｌを約
０．００５ｗｔ％含有し、Ｎｂを種々の割合で含有する
フェライト系ステンレス鋼の各々から熱間圧延によって
製造した５ｍｍ厚の熱延板について、−２０℃、５ｍｍ
ｔの条件でシャルピー衝撃試験を行ない、その結果をま
とめて示すものである。

【０００６】図１から明らかなように、Ｎｂ含有量が
０．５ｗｔ％以上のフェライト系ステンレス鋼から製造
した熱延板の靱性は、０℃で５０Ｊ／ｃｍ²以下である
ため、これは、冬期においては、コイルの巻きとり時や
冷延への移行時に、ライン上で破断しかねない。又、一
度破断すると、操業が著しく大きな影響を受ける。その
ため、一般的には、フェライト系ステンレス鋼へのＮｂ
の０．５ｗｔ％以上の添加は行ないにくい状況にあっ
た。

【０００７】ところで、通常の靱性改善には、Ｃ、Ｎの
低減が有効であることがよく知られている。しかし、Ｎ
ｂ含有量が０．５ｗｔ％以上のフェライト系ステンレス
鋼において生じる靱性低下は、前記したように、金属間
化合物（Ｆｅ₂Ｎｂ）の析出によるものであるため、後
記表１、２中の比較鋼Ｂについての物性測定結果から明
らかなように、Ｃ、Ｎの低減では、本質的に靱性改善は
不可能である。

【０００８】靱性改善の他の方法として、例えば特公昭
６０−４８５８４号公報に開示されているように、Ａｌ
を添加する方法がよく知られている。しかし、Ａｌの添
加も、後記表１、２中の比較鋼Ｃ、Ｄについての物性測
定結果から明らかなように、やはり、金属間化合物析出
による靱性低下には効果が少ない。

【０００９】このように、高温時における高強度化のた
めにＮｂを０．５ｗｔ％以上含有させてなるフェライト
系ステンレス鋼は、熱延板とした際の靱性が低く、それ
が、製造性を著しく害するという問題が生じていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、熱延板とし
た時に、靱性に優れるために良好な製造性を示し、か
つ、優れた高温強度および耐酸化性を有するフェライト
系ステンレス鋼の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記問題
点を解決するために、０．５ｗｔ％を超えるＮｂを含有
していても、熱延板での靱性に優れるフェライト系ステ
ンレス鋼を得るため、種々の成分元素の靱性向上への影
響を検討した。その結果、ＣｏとＡｌの複合添加によ
り、金属間化合物（Ｆｅ₂Ｎｂ）の析出が遅れ、通常の
熱延条件においては、Ｆｅ₂Ｎｂはわずかしか析出せ
ず、そのため、熱延板とした際の靱性が著しく向上する
ことを見い出した。さらに、Ｆｅ₂Ｎｂは、冷延後の仕
上げ焼鈍時には十分析出するので、高温強度は、Ｃｏ、
Ａｌ無添加の場合と同様の水準を確保できることを見い
出した。そして、以上のようなＣｏおよびＡｌの添加効
果を生かすことで、本発明を完成した。

【００１２】すなわち本発明は、Ｃ：０．０２ｗｔ％以
下、Ｓｉ：２．０ｗｔ％以下、Ｍｎ：１．０ｗｔ％以
下、Ｃｒ：１７ｗｔ％以上２５ｗｔ％以下、Ｎｉ：１ｗ
ｔ％以下、Ｎｂ：０．５ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、
Ｎ：０．０３ｗｔ％以下、Ｃｏ：０．０６ｗｔ％以上
２．０ｗｔ％以下、Ａｌ：０．０８ｗｔ％以上０．５ｗ
ｔ％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物であ
ることを特徴とする高靱性高温高強度フェライト系ステ
ンレス鋼を提供するものである。

【００１３】以下に、本発明を詳細に説明する。本願発
明のフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃ
ｒ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｎ、Ｃｏ、Ａｌの含有量が各々限定さ
れている。各成分元素について、含有量の限定理由を説
明する。

【００１４】Ｃは０．０２ｗｔ％以下である。Ｃは、靱
性には有害である。しかし、後述するように、ＣｏとＡ
ｌの複合添加によって、靱性は著しく向上するので、Ｃ
が含有されていても、０．０２ｗｔ％以下であれば実用
上問題ないことが明らかとなった。

【００１５】Ｓｉは２．０ｗｔ％以下である。Ｓｉは、
耐酸化性、耐熱疲労性の向上に有効であり、その効果
は、含有量の増加につれて顕著になる。しかし、２ｗｔ
％を超えると、シグマ相が析出し、脆化するため、２ｗ
ｔ％を上限した。

【００１６】Ｍｎは１．０ｗｔ％以下である。Ｍｎは、
加工性を低下させるため、上限を１．０ｗｔ％に限定し
た。

【００１７】Ｃｒは１７ｗｔ％以上２５ｗｔ％以下であ
る。Ｃｒは、耐酸化性を付与する主要元素である。しか
し、１７ｗｔ％未満では、９００℃以上において十分な
耐酸化性がなく、２５ｗｔ％を超えると、ＣｏとＡｌを
複合添加しても、熱延板とした際の靱性劣化及び耐熱疲
労性の劣化が著しいため、１７ｗｔ％以上２５ｗｔ％以
下とした。

【００１８】Ｎｉは１．０ｗｔ％以下である。Ｎｉは、
オーステナイト形成元素であり、加工性を向上させるも
のの、含有量が多くなると、フェライト相の安定化に悪
影響を及ぼすため、１．０ｗｔ％以下に限定した。

【００１９】Ｎｂは０．５ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下
である。Ｎｂは、高温強度向上のために添加する。図１
に示すように、一般に、Ｎｂ添加により靱性は劣化する
（シャルピー吸収エネルギーが低下する）が、図２に示
すように、ＣｏとＡｌの複合添加により、靱性は著しく
改善される。Ｎｂが０．５ｗｔ％未満では、特に靱性劣
化も小さく、ＣｏとＡｌを複合添加する必要もないが、
高温強度が十分ではない。一方、１．５ｗｔ％を超える
と、たとえＣｏとＡｌを複合添加しても、靱性改善効果
が不十分である。そこで、０．５ｗｔ％以上１．５ｗｔ
％以下とした。

【００２０】Ｎは０．０３ｗｔ％以下である。Ｎは、Ｃ
と同じく、靱性に有害であるが、０．０３ｗｔ％以下で
あれば、実用上問題はない。

【００２１】Ｃｏは０．０６ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以
下である。Ｃｏは、本発明にとって非常に重要な元素で
ある。表１に組成を示すフェライト系ステンレス鋼を熱
延板とした際のシャルピー吸収エネルギーを、熱延板靱
性として表２に示したが、後記する範囲のＡｌが添加さ
れており、かつ、Ｃｏが０．０６ｗｔ％以上であれば、
著しい靱性改善効果があるので、下限を０．０６ｗｔ％
とした（例えば本発明鋼２と比較鋼Ｃ、Ｄを比べるとよ
い。）。一方、２．０ｗｔ％を超えると、加工性が劣化
するため、上限を２．０ｗｔ％とした。なお、表２の熱
延板靱性は、０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが
５０Ｊ／ｃｍ ²以上である（○）か否（×）かを示して
いるが、この値が５０Ｊ／ｃｍ²以上あれば、十分な靱
性を有していると判断できる。

【００２２】Ａｌは０．０８ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以
下である。Ａｌも、本発明において非常に重要な元素で
ある。表１および表２から明らかなように、Ｎｂを０．
５ｗｔ％以上含有し、かつ、適切なＣｏ添加がない場
合、Ａｌ含有量によらず、熱延板の靱性は悪い（例えば
比較鋼Ｂ，Ｃ，Ｄ）。適切な量のＣｏとＡｌとを複合添
加した場合に限り、Ｎｂ含有量が０．５ｗｔ％以上１．
５ｗｔ％以下の鋼において、著しい靱性改善効果がある
（本発明鋼１〜８）。そして、Ａｌ含有量が０．０８ｗ
ｔ％以上から効果が認められるが、０．５ｗｔ％を超え
ると加工性が低下するため、０．０８ｗｔ％以上０．５
ｗｔ％以下とした。

【００２３】本発明のフェライト系ステンレス鋼は、上
述した範囲で各成分元素を含有し、残部はＦｅおよび不
可避的不純物であるが、上述した各成分元素に加え、Ｍ
ｏを０．１ｗｔ％以上４．５ｗｔ％以下、および／また
は、Ｚｒおよび／またはＴｉをＺｒとＴｉの合計で０．
０５ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下含有すると、さらによ
い。

【００２４】Ｍｏは、高温強度の向上に有効な成分元素
である。その効果は、０．１ｗｔ％以上で大きくなり、
４．５ｗｔ％では効果が飽和するため、０．１ｗｔ％以
上４．５ｗｔ％以下とした。

【００２５】ＺｒとＮｂの、または、ＴｉとＮｂの複合
添加は、Ｎｂ単独添加に比べ、再結晶温度を下げる効果
がある。そして、熱サイクルによる熱歪みを再結晶によ
り回復させると、それにより、耐熱疲労特性が向上す
る。また、ＺｒとＮｂのまたはＴｉとＮｂの複合添加
は、Ｎｂ単独添加に比べて、高温強度および耐酸化性を
も向上させる。その効果は、ＺｒあるいはＴｉのいずれ
か一方のみを用いる場合はその含有量が、また、Ｚｒと
Ｔｉの両者を用いる場合はその合計の含有量が、０．０
５ｗｔ％以上となると現れるが、０．５ｗｔ％を超える
と、加工性が低下する。そのため、Ｚｒおよび／または
Ｔｉを０．０５ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下に限定し
た。このようなフェライト系ステンレス鋼は、使用上限
温度が９００℃よりも高温である場合において好適であ
る。

【００２６】

【実施例】以下、実施例により、本発明を具体的に説明
する。

【００２７】（実施例１）表１に示す組成のフェライト
系ステンレス鋼（残部はＦｅと不可避的不純物であ
る。）の各々を、実験室にて、３０Ｋｇ鋼塊から通常の
方法により熱間圧延し、５ｍｍ厚の熱延板とし、その靱
性をシャルピー衝撃試験により評価した。また、その熱
延板について、焼鈍、冷間圧延、焼鈍および酸洗を行な
い、２．０ｍｍ厚の板とし、それを高温引張試験および
酸化試験に供した。結果は表２および図２に示した。な
お、各試験方法は、下記の通りである。

【００２８】(1)シャルピー衝撃試験 JIS Z 2202に準じ、板厚５ｍｍのサブサイズのＶノッチ
シャルピー試験片を圧延方向と平行に採取した。シャル
ピー吸収エネルギーは、同一温度で３試験片について測
定した値の平均値とした。表２には、０℃におけるシャ
ルピー吸収エネルギーが５０Ｊ／ｃｍ²以上の場合を
○、５０Ｊ／ｃｍ²未満の場合を×として示した。ま
た、本発明鋼２および比較鋼Ｂについては、種々の温度
で、各々３試験片についてシャルピー吸収エネルギーを
測定し、結果を図２に示した。

【００２９】(2)高温引張試験板厚２．０ｍｍの板状試験片を用いて、８％／分の引張
速度で行なった。

【００３０】(3)酸化試験２^mmt×２０^mmw×３０^mmLの試験片について、その表
面を＃３２０研磨した後、大気中で室温と９００℃とを
繰り返す酸化試験を５００サイクル行ない、その試験前
後の重量変化を調べた。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】

【００３４】これらの結果より、下記の事実が明らかと
なった。すなわち、従来鋼のＳＵＨ４０９Ｌは、高温強
度が低く、また、耐酸化性も、９００℃には耐えられな
かった。そのため、同じく従来鋼であるが、１８Ｃｒ−
Ｎｂ，Ｍｏ添加鋼である比較鋼Ａが開発されたのであ
る。比較鋼Ａは、ＳＵＨ４０９Ｌに比べて耐酸化性は向
上しているが、Ｎｂ＜０．５ｗｔ％であり、高温強度は
低かった。

【００３５】そこで、高温強度向上のために、Ｎｂ含有
量の増量化が図られた。その一例が、ＮｂとＭｏを含有
し、Ｎｂ含有量は０．５ｗｔ％を超える比較鋼Ｂであ
る。この比較鋼Ｂは、高温強度および耐酸化性には優れ
ていたが、図２に示したように、Ｎｂ０．６９ｗｔ％で
あるため、熱延板とした際の靱性は、著しく低かった。

【００３６】本発明は、Ｎｂ，Ｍｏ添加鋼で、その靱性
が改良されたものである。すなわち、所定量のＣｏとＡ
ｌの複合添加により、表２および図２に示すように、０
℃のシャルピー吸収エネルギーが５０Ｊ／ｃｍ²以上と
なり、商用材としての製造性が著しく高まった。

【００３７】この靱性の改善は、比較鋼Ｃ、Ｄの如き、
Ａｌのみの添加鋼、あるいは、比較鋼Ｅの如き、Ｃｏの
み添加鋼では不十分であり、さらに、Ａｌ過剰添加鋼
（比較鋼Ｇ）においても、靱性は向上しなかった。

【００３８】また、本発明鋼に比べてＮｂが過剰である
比較鋼Ｈでは、金属間化合物（Ｆｅ ₂Ｎｂ）が多大に析
出し、やはり靱性改善はされず、比較鋼Ｆのように、Ｃ
ｒ含有量が低すぎると、９００℃における耐酸化性が不
十分であった。

【００３９】このように、９００℃での耐酸化性を確保
するには、Ｃｒ≧１７ｗｔ％が必要であり、さらに、高
温強度向上のためには、Ｎｂ≧０．５ｗｔ％が必要であ
る（Ｍｏとの複合添加も有効）が、そのようなフェライ
ト系ステンレス鋼では、それを熱延板とした際の靱性の
改善には、本発明鋼１〜８のように、所定量のＣｏとＡ
ｌの複合添加が必要であることが明らかである。

【００４０】なお、本発明鋼においては、本発明鋼５の
ように、ＮｂとＺｒの複合添加を行なうと、Ｚｒ無（本
発明鋼２）に比べて、さらに高温強度および耐酸化性が
向上した。また、本発明鋼１と４を比較すると明らかな
ように、ＺｒのかわりにＴｉを用いる、すなわちＮｂと
Ｔｉとの複合添加も、高温強度および耐酸化性が向上し
た。

【００４１】

【発明の効果】本発明により、熱延板とした時に、靱性
に優れるとともに、優れた高温強度および耐酸化性を有
するフェライト系ステンレス鋼が提供される。従って、
フェライト系ステンレス鋼板への製造性が良好となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フェライト系ステンレス鋼のＮｂ含有量と、そ
のステンレス鋼から製造した熱延板の−２０℃のシャル
ピー吸収エネルギーとの関係を示すグラフである。

【図２】ＣｏとＡｌの複合添加によるシャルピー吸収エ
ネルギー曲線の変化を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：０．０２ｗｔ％以下、Ｓｉ：２．０ｗ
ｔ％以下、Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、Ｃｒ：１７ｗｔ％
以上２５ｗｔ％以下、Ｎｉ：１ｗｔ％以下、Ｎｂ：０．
５ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、Ｎ：０．０３ｗｔ％以
下、Ｃｏ：０．０６ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下、Ａ
ｌ：０．０８ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下を含み、残部
がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする高
靱性高温高強度フェライト系ステンレス鋼。
【請求項２】さらに、Ｍｏを０．１ｗｔ％以上４．５ｗ
ｔ％以下含む請求項１に記載の高靱性高温高強度フェラ
イト系ステンレス鋼。
【請求項３】さらに、Ｚｒおよび／またはＴｉをＺｒと
Ｔｉの合計で０．０５ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下含む
請求項１または２に記載の高靱性高温高強度フェライト
系ステンレス鋼。