JPH03219055A - 耐食性の優れたエンジン排ガス系材料用ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、自動車やオートバイのエンジンなどの排気ガ
ス用マフラーやその前後の排気管内（以下総称してマフ
ラーという）で生成する湿潤ガス・排ガス凝縮液中で耐
食性、および局部腐食の発生停止特性の優れた性能を有
するステンレス鋼に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、自動車、オートバイの場合、エンジンで発生した
高温の排気ガスは、エキゾーストマニホ−ルド、コンバ
ーターなどを通過後センターパイプ、マフラー、テール
パイプを経て排気系から排出される。エンジン始動時は
、マフラーの温度が低いために排ガス中の水分が凝縮し
た凝縮液がマフラー内壁面に付着し、また、マフラー底
部に滞留する。このように生成した凝縮液中には、燃焼
排気ガス中にＣＯ３−、ＮＨ４”　、５Ｏ４−、Ｎ（ｈ
−その他Ｃ１”や微量の有機物が含まれ、マフラーの耐
食性に影響する。その過程は、排気ガス温度の上昇と共
にマフラーの温度も上昇し、生成した凝縮液中に含まれ
るアンモニアなどが揮発するため、凝縮液の液性はアル
カリ性から酸性に変化していく。

このような環境に適合したマフラーを作るには、アルカ
リ性から酸性までの環境に対して耐食性を示すＡｆｆｉ
メツキ鋼板やＣｒ含有鋼板が用いられてきた。

［発明が解決しようとする課題〕 しかし、近年の排気ガス規制強化に伴い、マフラーの使
用条件も多様になってきた。このような使用条件に対し
ては、前記の鋼板で構成されたマフラーでも、充分な耐
食性を得ることはできず、比較的短時間で使用寿命に至
るのが現状であり、自動車の安全性、長寿命化の観点か
ら、より優れた耐食性材料が望まれていた。こうした要
求に対して、すでに５％から１０％Ｃｒ含有鋼（特開昭
６３−１４３２４０号公報、特開昭６３−１４３２４１
号公報参照）が提案されているが、近年の長寿命化の要
望に応えきれていないのが現状である。

本発明は、こうした状況を踏まえてあらためて実際に使
用されているマフラーの実態を詳細に（腐食形態・環境
分析など）解析し、その結果に基づいて得られた腐食環
境条件下でステンレス鋼の主要成分であるＣｒ、Ｍｏ、
Ｔｉ、Ｎｂの成分の影響、さらにＮｉ、Ｃｕ、Ｗ、　　
Ｖ、　Ｚｒ、（：ａ、Ｃｅのそれぞれ単独、あるいは共
存添加時の耐食性（局部腐食の発生・停止特性；以下耐
食性という）におよぼす影響を検討し、各元素の効果を
明確にすることにより、実際のマフラーへの適用におい
ても優れた耐食性を示し、当該機器の長寿命化・安全性
・環境汚染防止などを長期にわたって確保することを可
能にし、かつ造管装置も普通鋼製造プロセスを利用し、
薄板を製造することによりランクフォード（ｔｉ！（Ｆ
ｌ、　７以上）を得ることにより板材、管材の加工性の
優れた自動車・オートバイなどのエンジン排ガス用ステ
ンレス鋼を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上述のような観点から、従来のマフラーに対比して一段
と優れた耐食性と加工性を示すマフラーを開発すべく研
究を行った結果、以下のような知見によって達成できる
ことを明らかにした。

■マフラーの凝縮液中での腐食形態は、実際の環境での
腐食形態がＣｒ含有鋼はど局部腐食的となり、実験室的
に評価していくためには、この点を考慮した評価手法を
考慮する必要がある。

■マフラー材として厳しい環境でも長期間使用できる材
料を開発するため、先ず実走行された各地区のマフラー
を調査した。その結果、腐食による穴あき発生は、材料
の母地の局部腐食によるものと結晶粒界が腐食して穴あ
きに至るものの２種類あり、５ＵＨ４０９，５ＵＳ４３
０ＬＸ。

５ＵＳ４３６Ｌは母地が腐食される局部腐食であり、５
ＵＨ４０９（７）溶接部や５ＵＳ４３０ＬＸと５ＵＳ４
３６ＬのＴｉ／Ｃ十Ｎが１０未満およびＮｂ／Ｃ＋Ｎが
５未満の材料については溶接部に粒界腐食が発生するこ
とを見出した。そして、粒界腐食の原因は溶接冷却時に
結晶粒界に析出したＣｒ、、Ｃ，近傍のＣｒ欠乏層であ
ることがわかった。

本発明は、このような調査や各種合金の耐食性研究の結
果、母地のＣｒ量は１２．０％以上必要なこと、溶接部
に析出するＣｒ２３Ｃ，を防止するにはＴｉ／Ｃ十Ｎが
１０以上、およびＮｂ／　Ｃ＋　Ｎが５以上必要である
こと、また、本発明の特徴である造管時の加工性や造管
後の加工性を向上させる方法を探索した結果、Ｓｉ含有
量を低くし、固溶Ｓｔによる硬化をできるだけ抑えるこ
とと普通鋼プロセスの大径ロールによる冷間圧延により
、従来のゼンジマープロセスでは得られない高ランクフ
ォード値（Ｆ）を有した薄板製造が可能であることを見
出した。また、ＴｉおよびＮｂ含有量は粒界腐食防止に
必要な量にとどめ、加工性や二次加工性を劣化させず、
また再結晶温度をできるだけ抑え、普通鋼ラインでも製
造できる量とすること等を考慮した。

本発明は、このような観点に立って基本的に次のＣｒ；
１２〜２０．０％、　Ｍｏ；０．２〜３．０％の複合添
加を基本に、Ｎｂ；５Ｘ（Ｃ％＋Ｎ％）〜０．５％、Ｔ
ｉ；ｌ０Ｘ（Ｃ％＋Ｎ％）〜０．５％の１種または２種
を含有し、残部が実質的にＦｅと不可避的不純物からな
るステンレス鋼で、エンジン排ガス環境で優れた耐食性
と優れた加工性を示す。これにさらなる耐食性を付与す
るため、Ｎｉ；０．１〜１．０％。

Ｃｕ　；　０．０３〜１．０％、　Ｗ　；　０．０５〜
０．５％、■；０．０５〜０．５％、　Ｚｒ；　０．０
５〜１．０％をそれぞれ１種または２種以上を含有せし
めたエンジン排ガス環境用ステンレス鋼である。

さらに、本発明はＣａ　、　Ｃｅを局部腐食の発生点と
なり得るＭｎＳ系介在物の生成を抑制し、耐食性を改善
するためにそれぞれ０．００１％以上０．０３％以下で
１種または２種を含有せしめたエンジン排ガス環境用ス
テンレス鋼である。

〔作　用〕

ステンレス鋼のマフラー環境での腐食挙動を解析し、そ
れに適した材料を開発していくためには、マフラー内の
環境を化学的に解析し、ステンレス鋼の腐食挙動に影響
する環境要因を明確にすべく、実環境をシミュレートし
た試験環境での耐食性評価を行う必要がある。

そこで、本発明者らは、マフラー内部の各部位から採取
された内面付着物（腐食生成物）と凝縮液を化学的に解
析し、分析結果に基づいて模擬凝縮液を作製した。また
、マフラー内部の腐食挙動は、八！めっき鋼板の場合、
全面腐食的であるが、Ｃｒ含有量の高い鋼板の場合、局
部腐食的となることが明らかとなった。鋼中のＣｒ含有
量が増加するに従って、腐食形態はより局部腐食的とな
ることから、この局部腐食性を評価することが重要であ
る。

そこで、本発明者らは、分析結果に基づいて凝縮液環境
を硫酸イオン（５０００ｐｐ僧）　、炭酸イオン（３０
００ｐｐｍ）　、塩化物イオン（１０００ｐｐ−）、硝
酸イオン（１００ｐｐｍ）、ギ酸（１００ｐｐｍ）を所
定の量添加調整して凝縮液環境シミュレート液を作製し
た。

この環境での後述する電気化学的な局部腐食評価を１２
％から２０．０％までのＣｒ含有鋼とさらに、Ｍｏ含有
量を０．２％から３％まで変化させた鋼種、およびこれ
にＴｉ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｗ、　　Ｖ、　Ｚｒ、Ｃａ
＋Ｃｅの含有量をそれぞれ変化させた鋼種により試験を
実施した。得られた局部腐食特性値（局部腐食発生特性
値：Ｅｌ）の各合金成分の依存性を多重回帰解析するこ
とにより（局部腐食発生特性値：ＥＩは、合金成分依存
性の形で、Ｅｌ　＝Ａ＋Ｂ　−ＣＩで整理された）新し
く局部腐食発生抑制に対する各合金成分の依存性を示す
指標として、Ｃ１値＝Ｃｒ＋２．０Ｍｏの関係を得た。

この関係から、表１に示した比較鋼（ｋ２２，２３．２
４）よりも高い局部腐食発生電位をもつ合金系として、
Ｃ５値は１２．４以上２４．５以下を設定した。

ステンレス系マフラー材料に要求されるもう一つの特性
は、局部腐食の発生し難さと同時に、もし発生しても発
生した局部腐食の板厚方向への進展速度が遅いことが要
求される。これを評価するため、比較鋼に対応してＣｒ
、Ｍｏ量をそれぞれ変化させた鋼、およびこれにさらに
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、　ｗ。

Ｖ、　Ｚｒ、Ｃａ、Ｃｅを添加した材料について、上記
、模擬凝縮液中で各試料を一定時間浸漬し、試料表面に
生じた局部腐食深さにより評価した。その結果を表１に
示した。

以下に、マフラー材料としての成分限定理由を述べる。

ＣＴＣは、溶接部の結晶粒界にＣｒｚｉＣａとなって析
出し、粒界腐食の原因となるので低い方がよい。

また母材の強度や加工性、靭性の点からも低い方が好ま
しいが、製鋼に時間を要し、コストアップとなる。しか
し、本発明の特徴である耐食性および加工性を改善する
ために、特に０．０１０％以下と極めて低い値に限定し
た。

Ｓｉ；Ｓｉは、脱酸作用があるが、０．０１％未満では
、効果は期待出来ない。また、０．８％を越えると加工
性が著しく劣化する。表面処理性および加工性を考慮す
ると０．２％以下が望ましいことから、０．２％以下と
した。

Ｍｎ　：　Ｍｎは、排ガス凝縮液環境での耐食性に特別
に影響を及ぼさないが、通常の成分含有量として、０．
０５％以上１．５％以下を規定した。

Ｃｒ　；　Ｃｒは、本発明の基本成分である。凝縮液を
含む環境など高い耐食性を要求される環境では、Ｍｏさ
らに必要に応じてＮｉ、Ｃｕなどと共存の形で１２％以
上の添加が必要である。多いほど耐食性、耐酸化性は向
上するが、２０．０％を越えてもその耐食性は飽和する
。また、作り込みが難しく経済的にも高価となる。

Ｍｏ　；　Ｍｏは、Ｃｒさらに必要に応じて、Ｎｉ、Ｃ
ｕなどと共存の形で添加され、凝縮液環境での局部腐食
発生、進展を抑制するために必須の元素である。

０．２％以上３．０％以下の添加でＣｒ、およびその他
の特許請求の範囲記載の各成分（以下その他元素という
）との共存で極めて効果的となる。

０．２％未満では、耐食性は、不十分となるが、３．０
％を越えても耐食性の改善にそれほど寄与しないし、且
つ、高価となる。

＾ＩＨＡＩは、脱酸剤として、０．１％以下の範囲で添
加される。０．１％を越えると耐食性、熱間加工性を劣
化させる。また、０．００５％未満では効果がない。

ＮＵＮは、ステンレス鋼の耐食性を劣化させる元素で、
少ない程良いので、０．０１５％以下とした。

ＦＤＰは、凝縮液環境における耐食性に影響するので、
少ない程良い。０．０２５％を越えると耐食性が劣化す
る。

ＳＯ３も、凝縮液環境における耐食性に影響する元素で
低い程よいので、上限を０．０１０％とした。

Ｔｔ；Ｔｉは、ＣまたはＮを固定し、ステンレス鋼の耐
食性の劣化を防ぐ。Ｃａと共存してＯを固定し、Ｓｉ、
Ｍｎの酸化物の生成を抑制し、熱間加工性と耐食性を向
上させる。０．５％を越えると熱間加工性を劣化させる
。実走行マフラー調査や粒界耐食性評価の結果Ｔｉ量は
、ｌ０Ｘ（Ｃ％＋Ｎ％）以上必要であることが明らかと
なったことから、これを下限とした。

Ｎｂ　、　Ｎｂは、ＣまたはＮを固定し、ステンレス鋼
の耐食性の劣化を防ぐ。０１５％を越えると熱間加工性
を劣化させる。粒界腐食性評価結果から、Ｎｂ量は、５
×（Ｃ％＋Ｎ％）以上必要であることが明らかとなった
ことから、これを下限とした。

なお、上記のＴｉ、　Ｎｂは、その１種または２種を添
加する。

Ｎｉ；Ｎｉは、本発明ステンレス鋼の選択添加成分であ
る。凝縮液を含む環境など高い耐食性を要求される環境
では、Ｃｒ、　Ｍｏ、その他元素と共存して用いられる
。局部腐食進展抑制に効果的であるが、０．１％未満で
は効果がなく、１．０％を越えるとその効果は飽和し、
また、経済的にも高価となる。

Ｃｕ　；　Ｃｕは、Ｃｒ、　Ｍｏをベースとした成分系
、さらにＮｉ、その他元素と共存の形で添加され、凝縮
液を含む環境での耐食性を得るための添加元素である。

０．０３％以上で共存効果が著しく、また１、０％を越
えると耐食性は飽和し、且つ熱間加工性を劣化させる。

Ｗ；Ｗの共存添加は、ステンレス鋼の耐食性、局部腐食
性を向上させるので、必要に応して０．５％以下で添加
する。０．５％を越えるとその効果は飽和する。０．０
５％未満では効果はない。

■：■の共存添加は、ステンレス鋼の耐食性、局部腐食
性を向上させるので、必要に応じて０．５％以下で添加
する。０．５％を越えるとその効果は飽和する。０．０
５％未満では効果はない。

Ｚｒ　；　Ｚｒの共存添加は、ステンレス鋼の耐食性、
局部腐食性を向上させるので、必要に応じて１．０％以
下で添加する。１．０％を越えるとその効果は飽和する
。０．０５％未満では効果はない。

Ｃａ、　Ｃｅ　；Ｃａ、　Ｃｅは、低硫黄鋼中でＡｌと
共存してＯを固定し、凝縮液中での局部腐食の発生起点
となり得るＭｎＳ系の介在物の生成を抑制し、耐食性を
改善する。Ｃａ、　Ｃｅは、それぞれ０．００１〜０．
０３％の範囲で１種または２種が必要に応じて添加され
る。

〔実施例〕−１ 本発明のエンジン排ガス用マフラー材料の特性を実施例
により説明する。

表１に、本発明鋼および比較鋼の化学成分組成を示す。

本発明鋼は通常の真空溶解炉を用い、表１に示される成
分組成の鋼を溶製した。インゴットに鋳造後、通常の加
熱条件で熱延し、適切な熱処理後試験に供した。

表１の局部腐食発生電位は、電気化学的な局部腐食発生
評価試験（Ａ）によって得られた値で、この値が大きい
ほど局部腐食が発生し難いことを示している。

局部腐食評価試験（Ａ）は、第１図に示した局部腐食評
価試験用試験片を用いた。第１図中、１はリード線、２
は試験面以外をシールした部分、３は試験面、４はポリ
カーボネート製ボルト・ナツトを示す。これにより試験
面上に人工的に隙間を生成し、局部腐食の発生を加速で
きるようにした。この試験片を用いて、模擬凝縮液環境
中で第２図に示すように自然電位（Ｅｃｏｒｒ）より、
電位をアノード方向に２０　ｍＶ／＋ｍｉｎで掃引した
とき、電流密度が１００μＡ／ｃｄに達した点の電位を
局部腐食発生電位と規定した。この電位が大きい値を示
すほど、局部腐食は発生し難い傾向を示す。

また、局部腐食深さ試験（Ｂ）は、凝縮液環境において
、輻（Ｗ）　：　５０　ｍｍ、長さ（ｆ）　　：　６０
＋ｕ＋。

板（ｔ））　：　１．２　ｍｓ＋の形状の試験片を用い
、試験片表面を＃３２０研磨後、脱脂して、試験を行っ
た。

試験環境は、硫酸イオン（５０００ｐｐｍ）　、炭酸イ
オン（３０００ｐｐ＋ｍ）　、塩化物イオン（１０００
ｐｐｍ）　、硝酸イオン（１００ｐｐｍ）　、ギ酸（１
００ｐｏｐｍ）を所定の量添加調整して作製した凝縮液
を用いた。試験方法は、硝子製ビーカー（２００ｃｃ）
を用い、この中に試験片を立てておき、試験片の半分ま
で浸漬されるように凝縮液１００ｃｃを入れた。その後
、ビーカーを沸騰条件で２時間加熱し、２４時間静止を
３０日間繰り返した。試験後試験片上に観察された局部
腐食の深さをすべて測定し、その内の最大深さで評価し
た。

〔実施例〕−２ さらに、実製造プロセスによって製造された材料の緒特
性を評価するため、表２に示す化学成分からなるステン
レス鋼を普通鋼製造と同一の設備を用いて、転炉出鋼、
熱間圧延、酸洗、冷間圧延、焼鈍、酸洗、調質圧延を順
次行って、板厚０．６１の製品とした。製品の特性を評
価するために、■腐食試験Ａ法（ＪＩＳＺ２３７１の塩
水噴霧試験６ｈｒ−＋７０°Ｃ温風４　ｈｒ−＋　４９
　’Ｃ１Ｃ１０８％４ｈｒ→−２０°Ｃ冷凍４ｈｒの繰
り返しを２８日間行い、腐食深さを求め、５年程度のマ
フラーとしての耐食性を有するために０．１０ｍｍ以下
を目標とした。）、■腐食試験Ｂ法（０，５％ＮａＣ１
＋　０．２％Ｈ２０□の溶液を用い、ＪＩＳＺ２３７１
に準拠して４日間行い、発錆ランクをＡ（良）〜Ｆ（不
良）とし、■と同様の理由からＡ−Ｃを目標とした。）
、■腐食試験Ｃ法（ＴＩＧ溶接後、Ｊ　Ｉ　Ｓ　００５
７５のステンレス鋼の硫酸・硫酸ｗＡｌ１１食試験を１
６時間行った後、内面の半径０．３＋＋ｕｗで曲げを行
い、外面の溶接部、熱影響部の粒界腐食割れの有無を観
察し、■と同様の理由から、割れなしを目標とした。）
、■引張試験（０，２％耐力、伸びを求め、普通鋼製造
ラインでの造管性および板や管としての加工性から、０
．２％耐力は３０　ｋｇｆ／ｍｍ２以下、伸びは３０％
以上を目標とした。）、■ランクフォード値（管や板材
の加工性の評価基準には、ランクフォード値（Ｆ）が用
いられている。普通鋼プロセスを用いることでＦ（直を
大幅に改善できることから、７値１．７０以上を目標と
した。）、■二次加工試験（板厚０．６ｍｍから０．４
２ｓ＋ｓまで冷間圧延で加工を行った後、曲げの綾線が
圧延方向と平行になるように密着的げを行い、割れの程
度により１（割れなし）〜６（激しい割れ）のランク付
を行い、板や管の加工性から、１を目標とした。）の試
験を行った。

〔発明の効果〕

本発明鋼は、表１の局部腐食発生特性、および局部腐食
深さから比較鋼に比べ、いずれの鋼種も優れた耐食性を
示していた。また、表２の実機製造実施例の結果からも
、本発明鋼が耐食性および加工性に優れた特性を有する
ことを示していた。

このことから本発明鋼は、エンジン排ガス環境のような
腐食性の厳しい凝縮液環境において、長期にわたって優
れた耐食性を示し、かつ高加工性を有した材料であり、
実用的に極めて有効であることを示している。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、電気化学的な局部腐食発生評価試験に
用いた試験片形状を示す側面図、同（ｂ）は、その正面
図である。 第２図は、電気化学的な局部腐食発生評価試験法を説明
するための線図である。 １・・・リード線、２・・・シール部、３・・・試験面
、４・・・ボルト・ナツト。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％でＣ：０．０１０％以下、 Ｓｉ：０．２％以下、 Ｍｎ：０．０５％以上１．５％以下、 Ｃｒ：１２％以上２０．０％以下、 Ｍｏ：０．２％以上３．０％以下、 Ａｌ：０．００５％以上０．１％以下、 Ｎ：０．０１５％以下、 Ｐ：０．０２５％以下、 Ｓ：０．０１０％以下で、 さらにＴｉ：１０×（Ｃ％＋Ｎ％）以上０．５％以下、
   またはＮｂ：５×（Ｃ％＋Ｎ％）以上０．５％以下をそ
   れぞれ１種または２種を含有し、残部がＦｅと不可避的
   不純物からなることを特徴とする耐食性の優れたエンジ
   ン排ガス系材料用ステンレス鋼。
2. （２）さらにＮｉ：０．１％以上１．０％以下、Ｃｕ：
   ０．０３％以上１．０％以下、Ｗ：０．０５％以上０．
   ５％以下、Ｖ：０．０５％以上０．５％以下、Ｚｒ：０
   ．０５％以上１．０％以下を１種または２種以上含有す
   ることを特徴とする請求項１記載の耐食性の優れたエン
   ジン排ガス系材料用ステンレス鋼。
3. （３）さらに、ＣａまたはＣｅをそれぞれ０．００１％
   以上０．０３％以下で１種または２種含有することを特
   徴とする請求項１または２記載の耐食性の優れたエンジ
   ン排ガス系材料用ステンレス鋼。