JPH0372053A - 熱疲労特性の優れたフェライトステンレス鋼 - 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） この発明は熱疲労特性のすぐれたフェライト系ステンレ
ス鋼であって、例えば自動車エンジンのマニホールドな
どの材料に適したフェライトステンレス鋼に関する。

（従来の技術） 自動車エンジンの排気系にはマニホールド（排気ガス管
）が設けられる。このマニホールドは排気ガスによって
強い酸化を受けると共に繰り返し加熱と冷却（約５０〜
８５０°Ｃの範囲で変化する）を受け、引張応力と圧縮
応力を交互に受けて疲労する。マニホールドはこれまで
鋳物で作られていたが、最近は製造コストを低減するた
めに溶接鋼管で製造されるようになった。現在、溶接鋼
管製マニホールドの材料として、加工性と溶接性がよく
、しかも安価であって、そのうえ耐酸化性と熱疲労特性
の優れているフェライトステンレス鋼（例えば、特開昭
６３−２３０８２７号公報に開示された鋼）などが用い
られている。ところが最近、自動車エンジンの高出力化
及び高効率化が図られ、それに伴って排気ガス温度が９
００°Ｃを超えるようになり、従来の材料により製造さ
れたマニホールドではその寿命が著しく短いという問題
が生じている。

（発明が解決しようとする課題） 加熱と冷却によって引張応力と圧縮応力を繰り返し受け
るマニホールドなどに使用される材料には、熱膨張係数
の小さいフェライトステンレス鋼が適している。しかし
それは耐酸化性が低い、それを向上させるためにはＣｒ
を多量に含有量させればよいが、Ｃｒを１６重量％を超
えて含有させると４７５℃付近で脆化を起こす、この発
明の目的は、良好な加工性と溶接性を備えるとともに、
すぐれた耐酸化性と熱疲労特性を有する自動車エンジン
のマニホールドなどに好適なフェライトステンレス鋼を
提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは、自動車エンジンのマニホールドなどに適
した優れた熱疲労特性と耐酸化性を有するフェライトス
テンレス鋼について種々検討した結果、下記のような知
見を得た。すなわち、ａ、熱疲労特性を高めるためには
Ｃ含有量をできるだけ低くし、炭化物の結晶粒界への析
出を少なくするのがよい、やむを得ず析出するものは結
晶粒内に広く分散させる。その場合、ＮｂやＴｉなどを
含有させると炭化物の結晶粒内への分散が助長される。

ｂ、耐酸化性を向上させるにはＣｒを多量に含有させれ
ばよいが、４７５℃付近で脆化を起こして耐熱疲労性を
低下させる０反対にＣｒ含有量が少ないと脆化は防止さ
れるけれども耐酸化性が低下する。Ｃｒを減らし、その
代わりに適正量のＡｉを含有させれば上記温度域での脆
化が防止され、高い熱疲労特性と耐酸化性を兼備させる
ことができる。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その
要旨は下記のとおりである。すなわち、第１発明は、重
量％で Ｃ：０．０３％以下、　Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以
下、　　Ｃｒ　：　１３〜１６％、Ａｌ：２〜５％、 を含み、更にＴｉ及びＮｂの１種又は２種を合計で０．
１〜１．０％含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物から
なり、前記不純物中のＮｉが０．５％以下であることを
特徴とする熱疲労特性の優れたフェライトステンレス鋼
、 第２発明は、重量％で Ｃ：ｏ、ｏａ％以下、　Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以
下、　　Ｃｒ　：　１３〜１６％、Ａｌ４：２〜５％、 を含み、更にＴｉ及びＮｂの１種又は２種を合計で０．
１−１．０％含有し、かつ０．１〜１．０％のＣｕ。

０．０１〜０．１％のＲＥ　Ｍ、　０．１〜１．０％の
Ｍｏのうちの１種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避不
純物からなり、前記不純物中のＮｉが０．５％以下であ
ることを特徴とする熱疲労特性の優れたフェライトステ
ンレス鋼、である。

（作用） 以下、本発明のフェライトステンレス鋼の化学＃Ｊｉ威
（重量％で表す）を前記のように限定する理由を述べる
。

Ｃ：　０．０３％以下 Ｃは、鋼に所定の静的強度を与えるために必要な元素で
ある。しかしＣｒなどと炭化物を形成して結晶粒界に析
出し熱疲労割れの原因をつくる。

Ｃ含有量が０゜０３％を超えると炭化物の析出が著しく
なるので０．０３以下にする。

Ｓｉ：　１％以下 Ｓｉは、鋼の脱酸に必要な元素である。しかしそれが１
％を超えると脆い組織のシグマ相が析出し、靭性や延性
、溶接性などが低下するため１％以下にする。

Ｍｎ：１％以下 Ｍｎは、Ｓｔと同様に鋼の脱酸に必要な元素である。そ
れが１％を超えると耐酸化性を低下させ、また溶接熱影
響部を硬化させるので、その含有量は１％以下にする。

Ｃｒ　：　１３〜１６％ Ｃ「は、鋼の耐食耐酸化性を向上させる。その含有量が
１３％未満ではその効果が少なく、一方、■６％を超え
て含有させると４７５℃付近で脆化を起こすので、その
含有量は１３〜１６％とする。

Ａｌ：２〜５％ Ａｆｆｉは、使用中の鋼表面に耐酸化性にすぐれたＡ　
１２　ｇ　Ｏｓ被膜を生成させるうえで最も重要な元素
である。即ち使用中の鋼表面に均一なＡｆ、Ｏ，の保護
被膜が一旦生成すると、それ以降の酸化挙動はＡ　ｅ　
！　Ｏｓ中のきわめて遅い酸素の拡散に律速されるので
、鋼は著しくすぐれた耐酸化性を示すようになる。しか
しその含有量が２％未満では使用中の鋼表面にＡ１ｔ０
２の均一な保護被膜が生成しない、一方、５％を超えて
含有させると加工性が悪くなるので、その含有量は２〜
５％とする。またＡＩ！、はＣｒと異なって鋼中のＣや
Ｎと化合物を作らないので、鋼中の炭化物、特に結晶粒
界に析出した炭化物が疲労の起点になることを考えると
、Ａｆｉの多量添加は鋼の高Ｃｒ化とは異なり熱疲労特
性の劣化を招くことなく、耐酸化性を改善させることが
できるという利点を有する。

Ｔｉ及びＮｂ：これらの１種または２種の合計で０．１
〜１．０％ Ｔｉ及びＮｂは、炭化物を結晶粒内に微細分散析出させ
ることによって鋼の熱疲労特性を高める。

それらの１種又は２種の合計の含有量で０．１％未満で
は上記効果が少なく、一方、１．０％を超えて含有させ
ても熱疲労性は向上されず、かえって加工性が低下する
。したがってそれらの含有量は合計で０．１〜１．０％
にする。

また本発明においては、耐食性、熱疲労特性、加工性な
どを一層向上させるため、下記の範囲でＣｕ、ＲＥＭ、
Ｍｏのうちの１種以上を含有させる。

Ｃｕ　：　０．１〜１．０ Ｃｏは、鋼の耐食性を高める。しかしその含有量が０．
１％より少ないとその効果が少なく、１．０％より多く
含有させても耐食性はそれほど上がらず加工性が悪くな
るので０．１〜１．０％にする。

Ｍｏ　：　０．１〜１．０％ ＭＯは、Ｃｕと同様に鋼の耐食性を向上させる。

０．１％未満ではその効果が少なく、１．０％を超える
と加工性が低下するので０．１−１．０％にする。

ＲＥ　Ｍ　：　０．０１〜０．１％ Ｙ、Ｃｅ、Ｌａ等の希土類元素（これらを本発明ではＲ
ＥＭと総称する）は、綱の耐酸化性を高める。その含有
量が０．０１％未満では耐酸化性の効果が少なく、一方
、０．１％を超えて含有されると加工性を低下させるた
め０．０１〜０．１％とする。

Ｎｉ：０，５％以下 Ｎ１は、ＲＥＭを添加するときに不可避的に含有され不
純物となる。これが含まれていても耐酸化性や熱疲労特
性には影響しない、しかしＮｉはオーステナイト相形成
元素であり、これが０．５％を超えて含有されるとフェ
ライト相の安定化を明害するため０．５％以下にする。

Ｎｉ以外の不純物のＰとＳは、それぞれ０．０４％以下
、０．０３％以下とするのが望ましい、Ｐが０．０４％
を超えると成形性が悪くなり、Ｓが０．０３％を超える
と耐食性を低下させるからである。

上記化学組成を有するフェライトステンレス鋼は耐酸化
性及び熱疲労特性がきわめて高い、したがって本発明の
フェライトステンレス鋼は自動車エンジンのマニホール
ドなどの材料にもっとも適している。

ところで本発明鋼は前記特開昭６２−２３０８２７号公
報に示されたフェライト鋼と同様の条件で製造すること
が可能である。そしてマニホールド素材としてのパイプ
は常法によって冷延鋼板を得、これを軟化焼鈍したもの
をＴＩＧ溶接管製造装置に供して溶接管とされる。この
溶接管はその後、曲げあるいは拡管等の加工を施して所
要形状のマニホールドに酸形される。

（実施例） 以下、本発明のフェライトステンレス鋼を実施例により
説明する。

溶解能力１１ｋｇの真空溶解炉により第１表に示す化学
組成を有する鋼を溶製し、直径１００＋ｍｓ、長さ２７
０ｍｍのインゴットを作った。それを加熱炉で１．１５
０℃に加熱した後、９００〜１，１５０°Ｃの温度で鍛
造を行い、厚さ９０ｍ■、幅１４０ａｎ、長さ１５０■
の厚鋼板を製造した。この厚鋼板を１，１５０°Ｃで５
分間加熱したあと、熱間圧延を行って厚さ５開の熱延鋼
板にした。これを温度８００°Ｃで３０分間軟化焼鈍し
たあと厚さが３１１ｍ１になるまで切削し、その後さら
に冷間圧延を行って厚さ１．５＋ｓａ＋の冷延鋼板にし
た。そしてこの冷延調板から試験片を採取し、耐酸化性
、加工性及び熱疲労性の試験を行った。

耐酸化試験では、上記冷延鋼板を８００°Ｃで１０分間
かけて軟化した後、厚さ１．５■−５幅１５−一、長さ
３０ＩＩＩｌの酸化試験片とし、それを温度９５０’Ｃ
の大気雰囲気の炉内に２００時間保持して酸化させ、そ
の重量増加量を測定して耐酸化性を調べた。

加工性試験では、冷延鋼板に耐酸化試験片と同し軟化処
理をした後、ＪＩＳＩａ号Ｂ試験片を採取した。それを
用いて引張試験を行い、伸び及び絞りを調べた。

熱疲労性試験では、冷延鋼板を曲げ加工したあとＴＩＣ
，溶接を行い、直径３８．１ａ＋ｓ、長さ１７０ａｓの
バイブ状試験片を作った。そしてこの試験片を長さ方向
に自由に伸縮ができないように拘束した後、加熱と冷却
を加えて５０°Ｃから９５０″Ｃ（９５０°Ｃのときだ
け３０秒間保持）の間を上下させ、それに亀裂が発生す
るまでの繰り返し数を調べた。その試験結果をそれぞれ
第２表、第３表、及び第４表に示す。

第２表は耐酸化性試験の結果である。なお表中、Ｎｏ、
１５ａは従来の自動車エンジン使用条件（排気ガス温度
が５０〜８５０’Ｃの範囲で変化する）に近い状態にお
ける耐酸化性を知るために、Ｎｏ、１５（従来鋼）と同
じ＆１１戒の試験片を８５０’Ｃで２００時間保持した
場合である。この表から明らかなように、本発明１１ｍ
　（１１ｏ、２，３，６，７．９〜１４．１７．１８，
１９．２３）の酸化による重量増加量は、従来ｉｌｌ　
（Ｎｏ、１５）及びＡｌを少量しか含有しない比較鋼（
Ｎｏ、１．５）より大幅に低減している。また本発明鋼
の重量増加量は、Ｃｒの高い従来鋼（Ｎｏ、１５）を８
５０℃で酸化させた場合（Ｎｏ、１５ａ）とほぼ同等か
それ以下になっている。これから本発明鋼は高温状態に
曝されても非常に強い耐酸化性を備えていることがわか
る。

第３表は加工性を調べるために行った引張試験結果を示
す、この表から明らかなように、本発明鋼の伸びと絞り
は従来ｔＦｉｌ　（Ｎｏ、１５）及びＡｌを５％を超え
て含有させた比較ｔｌｊｌ　（Ｎｏ、４．８）より著し
く高い、すなわち加工性が極めてよい、またＳｉの高い
比較ｔｌＡ（Ｎｏ、２１）は加工性が劣る。

第４表は熱疲労特性を評価するために加熱冷却繰り返し
数を調べた結果を示す、なお第４表中のＮｏ、　１５ｂ
は従来の自動車エンジンの使用条件（排気ガスは５０〜
Ｂ５０″Ｃで変化する）に近い状態における熱疲労性を
知るために、Ｎｏ、　１５の従来鋼と同じ組成の試験片
を５０〜８５０℃の範囲で加熱と冷却を繰り返した場合
である。第４表かられかるように、本発明鋼の加熱冷却
繰り返し数は従来１ｌｌ（Ｎｏ、１５）及びＡｌを多量
に含有する比較ｉｌｌ　（Ｎｏ、４．８）より著しく増
加しており、さらに従来鋼を５０と８５０’Ｃの間を繰
り返し変化させたＮｏ、　１５ｂよりも多い、即ち熱疲
労特性が著しく向上している。またＮｂ及びＴＩの含有
量の少ない比較鋼（Ｎｏ、２２）　、Ｓｉ含有量の多い
比較鋼（Ｎｏ、２１）　、　Ｃ含有量の多い比較鋼（Ｎ
ｏ、２０）の加熱冷却繰り返し数は、従来鋼（Ｎｏ、１
５）よりも少なく熱疲労特性が劣っている。

なおＭｎを過剰に含有する比較鋼（Ｎｏ、２４）は溶接
熱影響部に多数の割れが生じ芳しくない。

（以下、余白） （発明の効果） 以上説明したように本発明のフェライトステンレス鋼は
、加工性がよく、しかも高温環境における耐酸化性と熱
疲労特性がともに非常にすぐれている。従って最近の高
性能化された自動車エンジンのマニホールドなどの材料
として最適である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：１％以下、 Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：１３〜１６％、 Ａｌ：２〜５％、 を含み、更にＴｉ及びＮｂの１種又は２種を合計で０．
   １〜１．０％含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物から
   なり、前記不純物中のＮｉが０．５％以下であることを
   特徴とする熱疲労特性の優れたフェライトステンレス鋼
   。
2. （２）重量％で Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：１％以下、 Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：１３〜１６％、 Ａｌ：２〜５％、 を含み、更にＴｉ及びＮｂの１種又は２種を合計で０．
   １〜１．０％含有し、かつ０．１〜１．０％のＣｕ、０
   ．０１〜０．１％のＲＥＭ、及び０．１〜１．０％のＭ
   ｏのうちの１種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避不純
   物からなり、前記不純物中のＮｉが０．５％以下である
   ことを特徴とする熱疲労特性の優れたフェライトステン
   レス鋼。