JPH10204591A - 耐熱性および溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材用フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 経済性に優れ、耐熱性、加工性および溶接部
のマフラー耐食性に優れるエンジン排気系の高温側なら
びに低温側の部材に適用可能なフェライト系ステンレス
鋼を得る。 【解決手段】 Ｃ：0.02％未満、Si：0.5 〜1.5 ％未
満、Mn：0.2 ％未満、Cr：10〜14％未満、Ni：0.05〜1.
0 ％未満、Ti：0.05〜0.3 ％未満、Nb：0.3 〜0.6％未
満、Ｐ：0.06％未満、Ｓ：0.01％未満およびＮ：0.020
％未満を含有し、残部は実質的にFeの成分組成になり、
全温度域でフェライト単相組織であるフェライト系ステ
ンレス鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動車の排気部
材の用途に適したフェライト系ステンレス鋼に関するも
ので、とくに、高耐熱性が要求されるエンジンに近い部
位からマフラーのような耐食性が要求される部位までに
適用することを想定した耐熱性および溶接部のマフラー
耐食性に優れ、かつ経済性にも優れるエンジン排気部材
用フェライト系ステンレス鋼を提案するものである。

【０００２】

【従来の技術】フェライト系ステンレス鋼は、オーステ
ナイト系ステンレス鋼に比し安価であることから、自動
車の排気系部材に多用されている。

【０００３】自動車の排気系環境のうち、排気マニホー
ルドのように温度が900 ℃を超える程度にまで上昇する
部位では優れた耐熱性が必要であり、このためSUS430J1
L(19Cr-0.4Si-0.4Nb-0.5Cu) がおもに使用されてきた。
一方、マフラーに代表されるように、排気温度が比較的
低い部位では、排ガスの凝縮液がたまりやすく、この凝
縮液によるマフラー腐食が問題になっており、18Cr材(1
8Cr-0.1Si-0.2Ti)が主として使用されはじめている。

【０００４】このように、自動車の排気系に使用される
材料は、高温側と低温側とにおいて、全く異なる特性が
要求され、材料を区別して使用しなければならないとい
う問題とともに、いずれの材料も、高Cr鋼のためコスト
高となるという問題があった。

【０００５】さらに近年、 燃費向上のため、排気温度が上昇する。 静粛性向上のため、サブマフラーを採用しており、
その位置は従来よりも排気系の上流部に位置するので、
これらのマフラー等の部材は600 ℃程度の温度まで上昇
する。このような温度は、ステンレス鋼の鋭敏化（Cr炭
窒化物の析出によるCr欠乏層の出現) を促進させ、その
ため、従来(400℃程度の温度) よりもさらにマフラー腐
食環境が過酷になり（冷却時に排気ガスの凝縮液が溜ま
り腐食する) 、18Cr材でも耐食性が不十分な場合が生
じ、特に、溶接部での腐食が著しいことがわかってき
た。そこで、高温部から低温部まで適用可能で、かつ安
価で、さらに特性が従来より優れた材料の開発が強く望
まれていた。

【０００６】また、材料供給側にとっても材料統一は管
理および生産効率の点で大きなメリットであり、材料の
供給者、使用者いずれにも統一材料の開発の必要性があ
ったにもかかわらず、現状では、そのような材料は存在
していなかった。

【０００７】なお、排気部材は鋼板を成形加工して製作
されることから、加工を容易にするために加工性に優れ
ていることも要求特性の一つである。

【０００８】つぎに、従来技術のうち、高温側部材を想
定した開示例について以下に述べる。

【０００９】たとえば、特開平８−60306 号公報（自動
車排気系部材用フェライトステンレス鋼）には、排気系
部材を一つの鋼種に一体化することを目的としたフェラ
イト系ステンレス鋼が開示されている。しかしながら、
その記載内容（第３頁、〔0017〕）によれば、排気マニ
ホールド、フロントパイプおよびセンターパイプに兼用
可能であることが明記されていて、これは排気系高温部
位の材料統一を想定しているものであって、低温部位の
マフラーまでを想定したものでないことは明らかであ
る。

【００１０】したがって、この開示例は、Si：0.6 〜1.
5mass ％（以下単に％であらわす）、Cr：16〜22％のよ
うに比較的高いSiおよびCrレベルであっても、マフラー
材のような腐食環境には耐え得ないことを示唆している
と考えられるものであり、実際に発明者ら実験によって
も、高Cr化した場合ではマフラー材への適用は不適であ
ることが確かめられている。

【００１１】特開昭57-85960号公報（改良された靱性お
よび溶接性を有するフェライト系ステンレス鋼）には、
Cb(Nb)とAlとの複合添加鋼が開示されている。しかし、
この鋼は、Tiを不可避的残留レベルに維持しており、マ
フラー用を想定していないためマフラー腐食に対するTi
の効果の認識がない。そのため、発明例、比較例いずれ
の鋼も溶接部のマフラー耐食性は劣り、排気系の高温側
から低温側にわたって適用する材料としては特性不足で
ある。

【００１２】特開平6-248394号公報 (耐高温塩害腐食性
に優れた自動車排気系機器用フェライトステンレス鋼)
には、フロントパイプおよびセンターパイプでの使用を
考慮した耐高温塩害特性に優れたフェライト系ステンレ
ス鋼が開示されている。

【００１３】しかし、その明細書にも明記されている
（第３頁、 0020 ) とおり、溶接部の耐食性向上のため
Ti、Nbを添加するとしており、それらの効果はそれぞれ
等価なものとの認識であり、溶接部のマフラー耐食性に
大きく影響するTi−Nbの複合添加の効果が認識されてい
ない。そのため、実施例における発明鋼、比較鋼のいず
れもNb単独添加の例があるだけである。加えて、溶接部
のマフラー耐食性に及ぼすMnの影響も認識されていない
ため、実施例における発明鋼、比較鋼いずれもが0.28％
以上の高いMnレベルである。したがって、Nbの単独添加
でこのような高いMnレベルでは、十分な溶接部のマフラ
ー耐食性が得られることはなく、低温側部材用は不適で
ある。

【００１４】なお、発明者らの実験によれば、Si量が比
較的低レベル(0.4％以下) の場合、Mn量が比較的高いレ
ベルの場合、TiまたはNbの単独添加の場合などでは十分
な溶接部のマフラー耐食性を得ることは難しいとの知見
を得ている。

【００１５】米国特許第4417921 号明細書(Welded feri
tic stainless steel article)にはCb(Nb)とTiとの効果
を等価とする溶接フェライト系ステンレス鋼材が開示さ
れているが、その実施例および比較例の鋼の成分組成を
見ると、Si量の記載がなく、Tiの単独添加であり、さら
にMn量は0.29％以上の高いレベルであることから、この
ような成分組成のフェライト系ステンレス鋼では、十分
な溶接部のマフラー耐食性を得ることができなく、低温
側部材用は向かない。なお、発明者らの実験によれば、
TiあるいはNbの単独添加鋼では溶接部のマフラー耐食性
の向上が困難であることが確かめられている。

【００１６】一方、低温側部材を想定した技術として、
１％以上のMoを含有させた特開平5-112848号公報（耐全
面腐食性と耐局部腐食性の優れた自動車排気系ステンレ
ス鋼) が提案開示されている。これは、特にマフラー腐
食を念頭におき、母材部の耐食性を向上させるものであ
る。

【００１７】ここで、マフラー腐食で問題となる部位
は、その成形加工上必然的に生じる溶接部である。すな
わち、溶接部での著しい腐食を起点とし、外部応力によ
って亀裂が伝播し、溶接部が破断に至ることが最大の問
題点であり、母材の腐食レベルは溶接部に比し軽微であ
るため、母材の耐食性はマフラーの寿命に大きく影響し
ない。

【００１８】このように、溶接部が最も腐食が激しいた
め、この溶接部での腐食ピットの発生を低減することに
よって破断の起点の発生を防止すればよいのであるが、
特開平5-112848号公報で開示されているようなMoの添加
では、溶接部の腐食にはほとんど効果がないと同時にコ
スト面でも不利となる。

【００１９】また、溶接部の耐食性を向上させるのに、
TiやNb等の安定化成分を添加することは公知であり、上
記の特開平5-112848号公報においてもTi、Nbの添加理由
が溶接部の耐粒界腐食性の向上の点から記述されてい
る。しかしながら、近年になっても依然として発生する
マフラー腐食の問題は、溶接部の著しい腐食を起点とす
る溶接部の破断であることがあきらかとなっており、単
にMo、TiおよびNbの添加のみでは、溶接部のマフラー耐
食性が十分でないことも判明している。

【００２０】この理由は、特開平5-112848号公報にも記
載されているように、排ガス凝縮液はpHがおよそ９から
１程度まで極端に変化するため、このような環境下では
単にMo、TiおよびNbを添加するのみでは、溶接部のマフ
ラー耐食性に対して十分でなかったものと考えられる。

【００２１】また、排ガス凝縮液には亜硝酸、蟻酸が含
有されており、このようなイオンに対して考慮した材料
開発がなされていなかったため、現時点でも溶接部のマ
フラー耐食性に優れた安価な材料がなかったのである。
なお、このような腐食環境下では、高Cr化、TiまたはNb
の単独添加は驚くことにその効果は小さいのである。

【００２２】加えて、上記の特開平5-112848号公報で
は、１％以上のMo添加によるコスト上昇も問題になって
いるのが現状である。

【００２３】このように、これまで溶接部のマフラー耐
食性を考慮した材料開発がなされていなかったため、現
時点でも、マフラー耐食性に優れた安価な材料の出現が
ないことから、溶接部のマフラー耐食性の向上と低Cr化
等によるコスト低減が強く求められているのである。

【００２４】ついで、特開平4-228547号公報 (耐粒界腐
食性、造管性および高温強度に優れたフェライト系ステ
ンレス鋼) には、NbやTiを添加してＣ、Ｎを固定するこ
とによる耐粒界腐食性の向上と高温強度等の向上などを
目的としたフェライト系ステンレス鋼が提案開示されて
いる。

【００２５】これは耐粒界腐食性の向上をはかっている
ものの、その耐粒界腐食性は単にシュトラウス試験で評
価しているだけであり、この試験法では、従来の知見と
同様に、TiやNbのようなＣ、Ｎを固定する成分を添加す
れば耐粒界腐食性が向上するとの評価がでるだけであ
り、このような試験法ではマフラー耐食性を評価するこ
とは困難である。なぜならば、マフラー腐食は、上記し
たように排ガス凝縮液のpHが９から１まで極端に変化
し、加えてその凝縮液には亜硝酸や蟻酸が含まれるなど
特有の腐食環境にあり、シュトラウス試験での評価では
マフラー耐食性をシミュレートしてないためである。

【００２６】したがって、特開平4-228547号公報では、
低SiのTi−Nb複合添加材がシュトラウス試験で優れた特
性を示しているが、このような低Si材で実際のマフラー
耐食性の向上をはかることは困難である。

【００２７】以上、耐熱性および加工性に優れ、かつ溶
接部のマフラー耐食性にも優れる安価な材料の強い開発
要請があったにもかかわらず、これまで、その要請に適
応できる材料の出現は全くなかったのである。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、前記した
問題点を有利に解決しようとするものであり、エンジン
排気系の高温側部材と低温側部材との材料統一をねらい
とし、優れた耐熱性、加工性を有し、かつ従来マフラー
に使用されていた18Cr-0.2Tiのフェライト系ステンレス
鋼よりも優れた溶接部の耐食性を有し、省Mo、低Cr鋼を
ベースとする安価で高温側にも低温側にも使用できるエ
ンジン排気部材用フェライト系ステンレス鋼を提案する
ことを目的とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】エンジン排気部材用に必
要とされる耐熱性 (高温強度) は、Nb添加で向上するこ
とが知られており、また加工性も適量のNb添加によって
向上することから、含有量が0.3 ％以上のNb材をベース
として、おもに溶接部のマフラー耐食の向上について詳
細に実験・検討を行い、この発明を達成した。すなわ
ち、この発明の要旨は以下の通りである。

【００３０】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成に
なり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性およ
び溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材用
フェライト系ステンレス鋼（第１発明）。

【００３１】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Ｖ：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Cu：0.02mass％以上、1.0mass ％未満、 Zr：0.05mass％以上、0.5mass ％未満および Al：0.01mass％以上、0.5mass ％未満 のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、残部は
Feおよび不可避的不純物の成分組成になり、全温度域で
フェライト単相組織である耐熱性および溶接部のマフラ
ー耐食性に優れるエンジン排気部材用フェライト系ステ
ンレス鋼（第２発明）。

【００３２】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Mo：0.01mass％以上、0.8mass ％未満 を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成に
なり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性およ
び溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材用
フェライト系ステンレス鋼（第３発明）。

【００３３】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Ｖ：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Cu：0.02mass％以上、1.0mass ％未満、 Zr：0.05mass％以上、0.5mass ％未満および Al：0.01mass％以上、0.5mass ％未満 のうちから選んだ１種または２種以上と Mo：0.01mass％以上、0.8mass ％未満 とを含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成
になり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性お
よび溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材
用フェライト系ステンレス鋼（第４発明）。

【００３４】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Ｂ：0.0002mass％以上、0.005mass ％未満および Ca：0.001mass ％以上、0.03mass％未満 を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成に
なり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性およ
び溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材用
フェライト系ステンレス鋼（第５発明）

【００３５】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Ｖ：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Cu：0.02mass％以上、1.0mass ％未満、 Zr：0.05mass％以上、0.5mass ％未満および Al：0.01mass％以上、0.5mass ％未満 のうちから選んだ１種または２種以上と Ｂ：0.0002mass％以上、0.005mass ％未満および Ca：0.001mass ％以上、0.03mass％未満 とを含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成
になり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性お
よび溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材
用フェライト系ステンレス鋼（第６発明）。

【００３６】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Mo：0.01mass％以上、0.8mass ％未満 と Ｂ：0.0002mass％以上、0.005mass ％未満および Ca：0.001mass ％以上、0.03mass％未満 とを含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成
になり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性お
よび溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材
用フェライト系ステンレス鋼（第７発明）。

【００３７】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Ｖ：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Cu：0.02mass％以上、1.0mass ％未満 Zr：0.05mass％以上、0.5mass ％未満および Al：0.01mass％以上、0.5mass ％未満 のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、かつ Mo：0.01mass％以上、0.8mass ％未満 と Ｂ：0.0002mass％以上、0.005mass ％未満および Ca：0.001mass ％以上、0.03mass％未満 とを含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成
になり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性お
よび溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材
用フェライト系ステンレス鋼（第８発明）。

【００３８】

【発明の実施の形態】この発明を達成するに至った実験
・検討結果について記述する。

【００３９】まず、マフラーの寿命を支配する因子につ
いて述べる。マフラーの耐久性で問題となるのは、おも
に溶接部の破断である。溶接部が母材部より耐食性に劣
るのは公知であり、さらに溶接部に応力が最も集中する
ことも明らかである。したがって、母材のみが優れた耐
食性を示しても、最も腐食されやすい部分は溶接部であ
り、かつ溶接部が最も集中応力を受けるため、腐食ピッ
ト部分での大きな応力が破断を誘発する。

【００４０】特に近年、排気温度が上昇し、溶接部の温
度が600 ℃程度まで上昇するケースもあることから、溶
接部のこのような再加熱による耐食性の劣化を考慮し
て、マフラー耐食性の向上をはかる必要がある。

【００４１】そこで、実車での調査結果を交えて腐食試
験条件について種々検討した結果、腐食試験前の試験片
に600 ℃・５時間の熱処理を行うことと、合成した排ガ
ス凝縮液を採用することとで、現実の腐食によくシミュ
レートできることが明らかとなった。

【００４２】このような実車での調査を交えた検討結果
をもとに、溶接部のマフラー耐食性の向上を詳細に実験
・検討した結果、以下に述べるように極めて重要な知見
を得た。

【００４３】(1) 母材部は溶接部より耐食性が良好なこ
とは明らかであるが、母材部の耐食性が良好な材料は、
溶接部との耐食性の差が大きく溶接部に腐食が集中し、
そのため溶接部の耐食性の向上が困難であることがわか
った。そして図１に示すように、高Cr材に比し母材の耐
食性が劣る低Cr材(10 〜14％Cr) が溶接部のマフラー耐
食性の向上に有利であることが明らかとなった。

【００４４】(2) また、低Cr(11 ％Cr) のTi-Nb 複合添
加鋼において、図２に示すようにSiを0.5 ％以上含有さ
せて低Mn化することで、溶接部のマフラー耐食性は著し
く向上し、驚くことにその耐食性は18Cr-0.2Ti鋼よりも
優れている。

【００４５】なお、上記において、母材部の耐食性は18
Cr-0.2Ti鋼の方が優れているが、溶接部の浸食深さは母
材部に比し著しく深く劣っている。そこでマフラーの耐
久性は、最も腐食の激しい部分が問題となるのであるか
ら、溶接部の浸食深さで評価すべきである。したがっ
て、上記低CrのTi-Nb 複合添加鋼は18Cr-0.2Ti鋼よりも
優れる耐食性を有しているといえる。

【００４６】これは、上記低CrのTi-Nb 複合添加鋼の溶
接部のスケールが適量のSi、TiとNbとの複合添加および
低Mn化により強化された結果、その溶接部の耐食性が母
材部に近づき、溶接部に腐食が集中しなかったためと推
定される。一方、18Cr-0.2Ti鋼の場合は、母材部が著し
く優れる耐食性を有するため、腐食が溶接部に集中し、
結果として溶接部のマフラー耐食性が劣ったものと推定
できる。

【００４７】(3) さらに、Ｖ、Cu、ZrまたはAlのうちの
１種以上を比較的少量含有させることにより、溶接部の
マフラー耐食性がより向上することがわかった。

【００４８】ここで、図１および図２は、TiおよびNbの
複合添加を含む種々の成分組成に調製した鋼素材を、そ
れぞれ、熱間圧延- 冷間圧延-1000 ℃の温度での仕上げ
焼鈍の工程により板厚：２mmの冷延焼鈍板とし、その
後、これらの冷延焼鈍板にビードオン方式のTIG 溶接を
施したのち600 ℃・５時間加熱したそれぞれのサンプル
について、マフラー腐食環境をシミュレートして合成し
た排ガス凝縮液を用いて腐食試験を行った溶接部のマフ
ラー耐食性（浸食深さ）の調査結果をもとにしたもので
あり、図１はCr含有量と溶接部浸食深さとの関係のグラ
フ、図 2はSi含有量およびMn含有量と溶接部浸食深さと
の関係のグラフである。

【００４９】以上、この発明は上記新規知見により、優
れる耐熱性、加工性および溶接部のマフラー耐食性を有
するエンジン排気部材用フェライト系ステンレス鋼を開
発するに至ったものである。

【００５０】つぎに、この発明の成分組成の限定理由に
ついて述べる。

【００５１】Ｃ：0.02％未満 Ｃは、靱性および加工性を劣化させる成分であり、含有
量が0.02％以上になると靱性および加工性の劣化が顕著
となるため、その含有量は0.02％未満とする。また、靱
性および加工性をより向上させるためにはその含有量は
低ければ低いほどよく、望ましくは0.01％以下がよい。

【００５２】Si：0.5 〜1.5 ％未満 Siは、この発明にとって重要な成分の一つである。耐熱
性の向上に有効なほか、前掲図２に示したように、0.5
％以上含有させると、溶接部のマフラー耐食性は著しく
向上し、その耐食性は従来鋼(18Cr-0.2Ti)レベル以上に
達する。これは、溶接部に生成するスケールがこのよう
なSi量とTi-Nb の複合添加ならびに低Mn化とあいまって
強固なものとなり、また、母材と溶接部との耐食性レベ
ルとの差が比較的小さい成分系であるため溶接部に腐食
が集中しなくなることなどから、良好なマフラー耐食性
を示すものと考えられるが、詳細は不明である。一方、
含有量が1.5 ％以上になると加工性の劣化が激しくな
る。したがって、その含有量は0.5 ％以上、1.5 ％未満
とするが、好ましくは0.6 ％以上、1.3 ％以下であり、
さらに好ましく0.8 ％以上、1.0 ％以下である。

【００５３】Mn：0.2 ％未満 Mnは、特にその含有量がこの発明にとって重要な成分で
ある。一般に、鋼の脱酸剤として知られているが、過剰
な添加はMnS を形成し、加工性を低下させる。前掲図２
に示したように、特に溶接部のマフラー耐食性への影響
が大きく、含有量が0.2 ％未満でその耐食性は向上す
る。したがって、その含有量は低いほど好ましく0.2 ％
未満とするが、好ましくは0.15％未満である。

【００５４】Cr：10〜14％未満 Crは、ステンレス鋼の基本特性である耐食性を向上させ
る成分であるが、前掲図１に示したように、溶接部のマ
フラー耐食性には多すぎると有害となり、かつ、コスト
高となるため含有量を14％未満に制限する。一方、含有
量が10％未満では溶接部のマフラー耐食性が著しく劣化
する。したがって、その含有量は10％以上、14％未満と
するが、特に溶接部のマフラー耐食性の観点から、10％
以上、12％以下とすることが好ましい。

【００５５】Ni：0.05〜1.0 ％未満 Niは、溶接部のマフラー耐食性を向上させる効果があ
り、その効果の発現のため0.05％以上含有させる。一
方、1.0 ％以上含有させると、フェライト組織を不安定
にし、また耐食性に対する効果も飽和する。したがっ
て、その含有量は0.05％以上、1.0 ％以下とするが、好
ましくは0.1 ％以上、0.8 ％以下、より好ましくは0.5
％以上、0.8 ％以下である。

【００５６】Ti：0.05〜0.3 ％未満 Tiは、この発明にとって重要な成分の一つでる。Nb添加
鋼に0.05％以上含有させることによって溶接部のマフラ
ー耐食性は著しく向上する。この理由はあきらかではな
いが、溶接時に発生するスケールの組成をNbと複合添加
したときの微量Tiが変化させているのではないかと考え
ている。しかしながら、0.3 ％以上含有させると溶接部
のマフラー耐食性は劣化する。この理由としては、Tiは
NbやAlよりもＮと結合しやすく、大気中のＮを吸収しや
すく、過剰なTiは、溶接時に大気からＮやさらにはＣを
吸収し、溶接部のマフラー耐食性を低下させるのではな
いかと考えられる。さらに、含有量が0.3 ％以上では、
TiN による表面性状の劣化も著しくなる。したがって、
その含有量は0.05％以上、0.3 ％未満とする。

【００５７】Nb：0.3 〜0.6 ％未満 Nbは、高温強度、加工性および溶接部のマフラー耐食性
を高める効果を有する重要な成分であり、その効果を発
現するためには0.3 ％以上含有させることが必要であ
る。しかしながら、0.6 ％以上含有させると多量のラー
ベス相が析出し、室温での強度を著しく高め、成形性、
加工性および溶接部のマフラー耐食性を劣化させる。し
たがって、その含有量は0.3 ％以上、0.6 ％未満とする
が、好ましくは0.45％超え、0.6 ％未満であり、さらに
好ましくは0.5 ％以上、0.6 ％未満である。

【００５８】Ｐ：0.06％未満 Ｐは、不可避的不純物として鋼中に含有される成分であ
り、少なければ少ないほど好ましいが、脱りん処理をす
るとコスト高となり、この意味からは低Ｐ化しない方が
有利である。この発明の場合含有量が0.06％未満であれ
ば許容できる。したがって、その含有量は0.06％未満と
する。

【００５９】Ｓ：0.01％未満 Ｓは、Ｐと同様に不可避的不純物として鋼中に含有され
る成分であり、脱硫処理するとその分コスト高となる。
このコスト面からは低Ｓ化しない方が有利である。この
発明の場合含有量が0.01％未満であれば許容できる。し
たがって、その含有量は0.01％未満とする。

【００６０】Ｎ：0.020 ％未満 Ｎは、鋼の靱性および加工性を劣化させる成分であり、
その含有量は少なければ少ないほどよく、含有量が0.02
0 ％以上になると靱性および加工性の劣化が顕著とな
る。したがって、その含有量は0.020 ％未満とする。

【００６１】Ｖ：0.05〜1.0 ％未満 Ｖは、任意添加成分であり0.05％以上含有させると溶接
部のマフラー耐食性が向上する。しかし、1.0 ％以上含
有させると加工性が劣化する、したがって、その含有量
は0.05％以上、1.0 ％未満がよく、望ましくは0.05％以
上、0.2 ％未満がよい。

【００６２】Cu：0.02〜1.0 ％未満 Cuは、Ｖと同効の任意添加成分であり、0.02％以上含有
させると溶接部のマフラー耐食性が向上する。しかし、
1.0 ％以上含有させると加工性が劣化する。したがっ
て、その含有量は0.02％以上、1.0 ％未満とすることが
よく、好ましくは0.15％超え、1.0 ％未満である。さら
に好ましくは0.3 ％を超え、1.0 ％未満がよい。

【００６３】Zr：0.05〜0.5 ％未満 Zrは、Ｖ、Cuと同効の任意添加成分であり、0.05％以上
含有させると、溶接部のマフラー耐食性が向上するが、
含有量が0.5 ％以上になると加工性が劣化する。したが
って、その含有量は0.05％以上、0.5 ％未満がよい。

【００６４】Al：0.01〜0.5 ％未満 Alは、Ｖ、Cu、Zrと同効の任意添加成分であり、0.01％
以上含有させると溶接部のマフラー耐食性はさらに向上
する。この理由は明確ではないが、Alは酸化されやすい
成分であるため、十分にAlを含有させることは、溶接時
のアルミナ被膜が大気中からのＮ、Ｃの吸収を防止する
効果を有するためと考えられる。しかし、0.5 ％以上含
有させると加工性の劣化が著しくなる。したがって、そ
の含有量は0.01％以上、0.5 ％未満がよい。なお、一般
に鋼の脱酸剤として用いられ、不可避的に含有されてし
まう場合があるが、この場合特に悪影響はなく、上記し
たように適量含有させることにより溶接部のマフラー耐
食性を向上できる。また、この発明では、脱酸剤として
Siを含有しているので、Al脱酸は任意である。

【００６５】Mo：0.01〜0.8 ％未満 Moは、固溶強化成分で、高温強度の向上に有効であり、
特に高温強度を高めたい場合に添加するとよい。その効
果は含有量が0.01％以上で発現するが、0.8 ％以上と過
剰に含有させることはMoが高価な成分であるのでコスト
高を招く。したがって、その含有量は0.01％以上、0.8
％未満がよい。

【００６６】Ｂ：0.0002〜0.005 未満 Ｂは、加工性の向上に有効であり、特に高度な加工性が
要求される場合添加するとよい。その効果は含有量が0.
0002％以上で現れるが、0.005 ％以上になると多量のBN
の生成により逆に靱性が劣化する。したがって、その含
有量は0.0002％以上、0.005 ％未満がよい。

【００６７】Ca：0.001 〜0.03％未満 Caは、スラブ鋳造時において、Ti系介在物によるノズル
詰まりを抑制する成分で、その効果は含有量として0.00
1 ％以上から現れるので0.001 ％以上含有させることは
一向に差し支えない。しかしながら、0.03％以上含有さ
せてもその効果が飽和するばかりでなく、Caを含む介在
物が孔食の起点となり耐食性を劣化させるので、その含
有量上限は0.03％未満がよい。

【００６８】さらに、上記の成分組成に調製されたこの
発明の対象とする鋼は、溶接部のマフラー耐食性を高め
るため、溶接部もフェライト単相組織でなければならな
い。このため、鋼の金属組成は全温度域でフェライト単
相組織であることを必要とする。なお、溶接部にフェラ
イト- マルテンサイトの混相組織が生じた場合耐食性は
劣化する。

【００６９】

【実施例】表１および２に示す種々の成分組成になる鋼
を溶製したのちスラブとなし、1250℃の温度に加熱後、
熱間圧延によりそれぞれ板厚：５mmの熱延板とした。そ
の後これらの熱延板に酸洗−冷間圧延−1000℃の温度で
の仕上げ焼鈍−酸洗を順次施し、それぞれ板厚：２mmの
冷延焼鈍板とした。

【００７０】

【表１】

【００７１】

【表２】

【００７２】かくして得られた各冷延焼鈍板について、
以下に示す方法により高温強度、室温での加工性および
溶接部のマフラー耐食性をそれぞれ評価した。

【００７３】・高温強度 板状（板厚：２mm) 試験片を用いて、0.3 ％／分の歪み
速度で引張り、900 ℃の温度での0.2 ％耐力を測定し
た。なお、下記する表３には 18MPa 以上をAA 15MPa 以上、18MPa 未満をＡ 10MPa 以上、15MPa 未満をＢ 10MPa 未満をC として示した。

【００７４】・室温での加工性 加工性の指標として伸び(El)を選択し、圧延方向に対し
て、０°、45°および90°方向のJIS 13号Ｂ形状の引張
試験片でそれぞれＥｌ_{0 ,} Ｅｌ₄₅およびＥｌ₉₀を測定し Ｅｌ＝（Ｅｌ₀ ＋２×Ｅｌ₄₅＋Ｅｌ₉₀）／４ の式によりElを算出した。なお、下記する表３には 35％以上をＡ 35％未満をＢ として示した。

【００７５】・溶接部のマフラー耐食性 溶接は、板面（板厚：２mm) にビードオン方式で下記条
件のTIG 溶接を行った。 溶接速度：600 mm/min 溶接電流：200 Ａ 雰囲気：溶接面にAr：15 l/minで吹き付け この溶接後は、大気中で600 ℃の温度で５時間加熱し
た。

【００７６】このようにして得られた500mm ×100mm の
溶接サンプルを図３の腐食試験方法を示す説明図のよう
に、ビーカー内に吊り下げて腐食溶液に浸漬−蒸発を繰
り返す繰り返し蒸発試験を行い、これらの腐食試験片に
ついて、それぞれ浸食深さを測定し、浸食深さの深い５
点の平均値で耐食性を評価した。

【００７７】なお、腐食溶液の液組成は、マフラー腐食
環境をシミュレートするため、Cl^- : 250, NO₂ ^- :100,
NO₃ ^- :20, CO₃ ^2-:2000, SO₃ ^2-:1250, SO₄ ^2-:1250,CH₃C
OO^- :400, HCHO:250およびHCOO^- :100( 単位はPPm)と
し、PH:8.5とした。

【００７８】かくして得られた評価結果を表３にまとめ
て示す。

【００７９】

【表３】

【００８０】表３から明らかなように、各比較例につい
ては、以下に列記するように、高温強度、加工性または
溶接部のマフラー耐食性のいずれかがそれぞれ劣ってい
る。

【００８１】・鋼記号Ａは、Siが少なすぎて溶接部のマ
フラー腐食性が従来例の鋼記号Ｊ(SUH409L) なみに悪
い。

【００８２】・鋼記号Ｂは、Siが多すぎるため加工性が
悪い。 ・鋼記号Ｃは、Tiが過剰に含有されているため、鋼記号
Ｄは、Mnが過剰に含有されているため、ともに溶接部の
マフラー耐食性が従来例の鋼記号Ｋ(18Cr-0.2Ti)より悪
い。 ・鋼記号Ｅは、Nbが過剰なため加工性が悪く、かつコス
ト高ともなる。 ・鋼記号Ｆは、Niが過剰なため加工性が悪い。 ・鋼記号Ｇは、SiとNbが過小であり高温強度および溶接
部のマフラー耐食性のいずれもが悪い。 ・鋼記号H は、Tiを積極的に添加していなくその含有量
が微量であるため溶接部のマフラー耐食性が悪い。 ・鋼記号Ｉは、Ti単独添加鋼で、Nbとの複合添加でない
ため、高温強度および溶接部のマフラー耐食性が著しく
悪い。

【００８３】一方、従来例において、鋼記号Ｊ(SUH409
L) は、高温強度および溶接部のマフラー耐食性ならび
に母材でのマフラー耐食性に劣り、鋼記号Ｋ(18Cr-0.2T
i)は、加工性および溶接部のマフラー耐食性のいずれも
が悪く、鋼記号Ｌ(SUS430J1L)は、溶接部のマフラー耐
食性に劣っている。

【００８４】これらの比較例および従来例に対し、この
発明の適合例の鋼符号１〜18は、いずれも、高温強度は
従来材(SUS 430 J1L) 以上の値を示し、かつ溶接部のマ
フラー耐食性も従来例(18Cr-0.2Ti)以上の優れた特性を
示し、さらに加工性も従来材(SUS 430 J1L、18Cr-0.2T
i) 以上の特性を示している。加えて、この発明の適合
例は、従来例のSUS 430 J1L や18Cr-0.2Tiに比し低Crで
あるので、より安価である。

【００８５】なお、母材のマフラー耐食性において、こ
れら鋼記号１〜18の適合例は従来例の18Cr-0.2Tiより劣
っていた。しかし、実用上問題となるのは最も腐食の激
しい部分すなわち溶接部である。したがって、これらの
適合例は18Cr-0.2Tiの溶接部のマフラー耐食性より優れ
ていることから、適合例で製作されたマフラーは18Cr-
0.2Ti製マフラーより優れた耐久性を有しているといえ
る。

【００８６】以上のように、この発明の適合例は、自動
車排気系のうち、従来の高温用部材(SUS 430 J1L) と同
等以上の耐熱性と、従来の低温用部材(18Cr-0.2Ti)以上
の溶接部のマフラー耐食性とを有し、さらに上記の各従
来材以上の加工性を兼ね備えており、加えてこれら従来
例より低Cr化されているので経済的にも有利であること
は明らかである。

【００８７】

【発明の効果】この発明は、エンジン排気部材用とし
て、高温側にも低温側にも適用できる低Cr化したTi−Nb
の複合添加のフェライト系ステンレス鋼であって、この
発明によれば、従来材以上の耐熱性、加工性および溶接
部のマフラー耐食性に優れる鋼材を安価に提供すること
が可能となり、特に、高温強度や酸化性、加工性および
特種な腐食環境での耐食性が要求され自動車エンジン排
気系のエキゾ−ストマニホールド、フロントパイプ、コ
ンバーターの外筒、センターパイプおよびマフラー等の
いずれの部材にも有利に適用でき、従来材以上の優れる
特性を発揮できる。

【００８８】また、火力発電システムの排気経路部材も
自動車エンジン排気部材と同様な特性が要求されるの
で、この用途にも極めて有利に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】Cr含有量と溶接部浸食深さとの関係のグラフで
ある。

【図２】Si含有量およびMn含有量と溶接部浸食深さとの
関係のグラフである。

【図３】腐食試験方法を示す説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 和秀 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者 佐藤 進 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成に
   なり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性およ
   び溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材用
   フェライト系ステンレス鋼。
2. 【請求項２】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Ｖ：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Cu：0.02mass％以上、1.0mass ％未満、 Zr：0.05mass％以上、0.5mass ％未満および Al：0.01mass％以上、0.5mass ％未満 のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、残部は
   Feおよび不可避的不純物の成分組成になり、全温度域で
   フェライト単相組織である耐熱性および溶接部のマフラ
   ー耐食性に優れるエンジン排気部材用フェライト系ステ
   ンレス鋼。
3. 【請求項３】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Mo：0.01mass％以上、0.8mass ％未満 を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成に
   なり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性およ
   び溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材用
   フェライト系ステンレス鋼。
4. 【請求項４】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Ｖ：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Cu：0.02mass％以上、1.0mass ％未満、 Zr：0.05mass％以上、0.5mass ％未満および Al：0.01mass％以上、0.5mass ％未満 のうちから選んだ１種または２種以上と Mo：0.01mass％以上、0.8mass ％未満 とを含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成
   になり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性お
   よび溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材
   用フェライト系ステンレス鋼。
5. 【請求項５】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Ｂ：0.0002mass％以上、0.005mass ％未満および Ca：0.001mass ％以上、0.03mass％未満 を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成に
   なり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性およ
   び溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材用
   フェライト系ステンレス鋼。
6. 【請求項６】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Ｖ：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Cu：0.02mass％以上、1.0mass ％未満、 Zr：0.05mass％以上、0.5mass ％未満および Al：0.01mass％以上、0.5mass ％未満 のうちから選んだ１種または２種以上と Ｂ：0.0002mass％以上、0.005mass ％未満および Ca：0.001mass ％以上、0.03mass％未満 とを含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成
   になり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性お
   よび溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材
   用フェライト系ステンレス鋼。
7. 【請求項７】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Mo：0.01mass％以上、0.8mass ％未満 と Ｂ：0.0002mass％以上、0.005mass ％未満および Ca：0.001mass ％以上、0.03mass％未満 とを含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成
   になり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性お
   よび溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材
   用フェライト系ステンレス鋼。
8. 【請求項８】Ｃ：0.02mass％未満、 Si：0.5 mass％以上、1.5mass ％未満、 Mn：0.2mass ％未満、 Cr：10 mass ％以上、14mass％未満、 Ni：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Ti：0.05mass％以上、0.3mass ％未満、 Nb：0.3 mass％以上、0.6mass ％未満、 Ｐ：0.06mass％未満、 Ｓ：0.01mass％未満および Ｎ：0.020mass ％未満 を含み、さらに Ｖ：0.05mass％以上、1.0mass ％未満、 Cu：0.02mass％以上、1.0mass ％未満 Zr：0.05mass％以上、0.5mass ％未満および Al：0.01mass％以上、0.5mass ％未満 のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、かつ Mo：0.01mass％以上、0.8mass ％未満 と Ｂ：0.0002mass％以上、0.005mass ％未満および Ca：0.001mass ％以上、0.03mass％未満 とを含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成
   になり、全温度域でフェライト単相組織である耐熱性お
   よび溶接部のマフラー耐食性に優れるエンジン排気部材
   用フェライト系ステンレス鋼。