JPH10273759A - 高温強度と耐高温酸化性および拡散接合性に優れたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温強度と耐高温酸化性および拡散接合性に
優れたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス鋼を提
供する。 【解決手段】 本発明の課題は、Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｂを含
有するとともに、これらの元素の含有範囲に限定を加え
たフェライト系ステンレス鋼であって、９０容量％以上
の還元性ガスを含む雰囲気中で焼鈍後、冷間圧延を施し
て得られる冷延鋼板の圧延方向に直角な方向の表面十点
平均粗さＲｚが、１．０μｍ以下であることを特徴とす
る高温強度と耐高温酸化性および拡散接合性に優れたＦ
ｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス鋼により達成さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車排ガス浄化
担体などの高温環境において使用されるのに適した、高
温強度と耐高温酸化性および拡散接合性に優れたＦｅ−
Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車排ガス浄化担体用材料として従来
セラミックスが多用されてきた。近年、このセラミック
スに比較して排気抵抗が小さく、耐衝撃特性にも優れ、
かつ小型軽量化が容易な金属材料による担体が注目され
るに至っている。金属担体は、一般的には、厚さ５０μ
ｍ前後の金属箔の平板と波板とを交互に重ねて螺旋に巻
き込んで得られる、その断面が蜂の巣状の円筒構造体で
ある。金属担体材料である金属箔には、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａ
ｌフェライト系ステンレス鋼が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】自動車排ガス浄化金属
担体用材料は、担体の構造および過酷な使用環境から、
以下に述べるような特性が必要とされる。過酷な酸化性
雰囲気である排ガス中で使用されることから、優れた耐
高温酸化特性が必要とされる。また、自動車の運転時に
は、円筒形状の担体の中央部分は、高温の排ガスにさら
されて昇温するが、担体の外周部分は外気によって冷却
されるため中央部分ほどには温度が高くならない。した
がって、担体材料には、中央部と外周部との温度差によ
る熱応力が加わるとともに、運転・停止の繰り返しに伴
う加熱・冷却の熱サイクルによる繰り返し応力も加わる
ため、優れた高温強度が必要とされる。

【０００４】さらに、金属担体は、平板と波板とを交互
に重ねて螺旋に巻き込んだものが一般的であるが、この
平板と波板との接合には従来Ｎｉろうを用いたろう接が
施されてきた。しかし、Ｎｉろうは高価であるばかりで
なく、担体にろう材のＮｉ分重量が付加されるため、Ｎ
ｉろう接は製造コストおよび車体軽量化の観点からは望
ましいものではない。ろう接に代わる接合方法として、
ろう材を使用せず金属箔そのもの同士を接合する拡散接
合が提案されている。拡散接合は、高温下における金属
原子の相互拡散現象を利用した接合方法であり、前記の
問題点を解消するものである。したがって、今後の金属
担体材料としては、拡散接合性にも優れていることが必
要とされる。

【０００５】金属担体用材料として、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ
フェライト系ステンレス鋼に希土類元素を添加するとと
もに、Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂを添加したものが、特開平４−１
２８３４５号公報に開示されている。しかし、特開平４
−１２８３４５号公報に開示されているステンレス鋼
は、高価なＭｏやＷを合計で２重量％以上を含有し、コ
ストの観点からは、必ずしも満足のいくものではない。
また、Ｍｏを多量に含有すると熱延板の靭性が低下し製
造性を阻害する。さらに、本発明者らの検討の結果で
は、Ｎｂの含有はＡｌの酸化物層の欠陥生成を助長する
ため、過剰の添加は耐高温酸化性にとっては必ずしも好
ましくない。

【０００６】拡散接合においては、金属表面の性状がそ
の接合性に大きな影響を与えることが知られており、特
に金属表面に生成する酸化皮膜の影響が大きい。金属担
体材料として用いられるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系
ステンレス鋼は、酸素との親和力の大きなＡｌを含有す
るため、これらの元素が酸素と結合して強固な酸化皮膜
を生成して金属元素の拡散を阻害し、十分な接合強度を
得るのが困難であった。

【０００７】本発明は、これらの課題を解決するべくな
されたものであり、、高温強度と耐高温酸化性および拡
散接合性に優れた自動車排ガス浄化担体用Ｆｅ−Ｃｒ−
Ａｌフェライト系ステンレス鋼を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の課題は、重量％
で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％
以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｃ
ｒ：１５〜２５％、Ｎ：０．０３％以下、Ａｌ：３．５
〜６．０％、Ｍｏ：０．１〜２．０％未満、Ｎｂ：０．
０１〜０．３％、希土類元素（ＲＥＭ）：１種または２
種以上を０．０１〜０．２％を含有し、残部実質的にＦ
ｅからなり、かつＡｌおよびＭｏがそれぞれ前記の範囲
内であるとともに、二次元座標（Ａｌ％，Ｍｏ％）で表
される座標点、（３．５，２．０）、（４．５，０．
０）、（６．０，０．０）、（５．０，１．５）の４点
を結んだ境界領域内もしくは境界線上にあり、さらに成
分間において、 ２８０＞１４．６×Ａｌ％＋２４．２×Ｍｏ％＋４８１
×Ｎｂ％≧１００ および Ａｌ％＋１０×Ｎｂ％≦７．０で表わされる２
式を満足するステンレス鋼であって、９０容量％以上の
還元性ガスを含む雰囲気中で焼鈍後、冷間圧延を施して
得られる冷延鋼板の圧延方向に直角な方向の表面十点平
均粗さＲｚが、１．０μｍ以下であることを特徴とする
高温強度と耐高温酸化性および拡散接合性に優れたＦｅ
−Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス鋼により達成され
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明者らは、鋭意検討の結果、
以下の課題解決の要点を明らかにした。Ｆｅ−Ｃｒフェ
ライト系ステンレス鋼を担体用材料に適用するに際し
て、ＡｌおよびＭｏを添加することにより、耐高温酸化
性は著しく改善されるが、靭性は低下し製造性は悪くな
るという問題がある。そこで、耐高温酸化性の指標とし
て異常酸化発生時間を用い、製造性の指標として熱延板
の曲げ可能角度を用いて、Ｆｅ−Ｃｒフェライト系ステ
ンレス鋼のこれらの特性に及ぼすＡｌとＭｏの添加量の
影響を検討した結果、二次元座標（Ａｌ％，Ｍｏ％）で
表される座標点、（３．５，２．０），（４．５，０．
０），（６．０，０．０），（５．０，１．５）の４点
を結んだ境界領域内もしくは境界線上にある組成の場合
には、耐高温酸化性と製造性とを両立し得ることがわか
った。

【００１０】また、高温強度を向上する元素として、Ｎ
ｂ，ＭｏおよびＡｌが知られている。これらの元素は、
高温強度の点からはある程度の添加を必要とするが、過
剰の添加は鋼の靭性を低下させるので、製造性の点から
はその添加は制限される。したがって、これらの元素の
添加量は、担体としての所要高温強度と製造性とを加味
して決定されるべきである。ところで、担体に要求され
る高温強度とは、特開平４−１２８３４５号公報に開示
されているように、担体内の温度差に起因する熱膨張差
によって生じるひずみ変形に対する強度であり、これは
材料の耐力によって評価される。Ｎｂ，ＭｏおよびＡｌ
の高温での耐力、すなわち高温強度に対する影響を検討
した結果、これらの元素のうちではＮｂの効果が大き
く、その効果は７００℃において最大である。７００℃
において、従来の水準を上回る高温強度を得るために
は、次に表される式を満足するべく、Ｎｂ，Ｍｏおよび
Ａｌを添加する必要がある。 ２８０＞１４．６×Ａｌ％＋２４．２×Ｍｏ％＋４８１
×Ｎｂ％≧１００

【００１１】次に、拡散接合は、適度な圧力を付加して
密着させた金属同士を高温に保持することによって、金
属原子を相互拡散させて接合するものである。ところ
が、金属表面に酸化皮膜が存在すると原子の相互拡散が
円滑に進行しないため、十分な接合強度が得られなくな
る。したがって、通常拡散接合する場合には、金属材料
表面に酸化皮膜を形成させないように、酸素分圧をさげ
た雰囲気下で行われる。しかし、前記のごとく金属担体
用材料としての要求から含有されるＡｌとＮｂは、酸素
との親和力が大きく、低酸素分圧雰囲気下においても、
拡散接合にとって好ましくない酸化皮膜を形成しやす
い。そこで、本発明では、最終仕上げ冷間圧延前に施す
焼鈍における雰囲気のガス組成を９０容量％以上の還元
性ガスを含むものとして、酸化皮膜の生成をできる限り
抑制するとともに、耐高温酸化性と高温強度を確保し、
かつ良好な拡散接合性をも得ることのできるＡｌとＮｂ
の添加範囲を明らかにするべく検討の結果、次式 Ａｌ
％＋１０×Ｎｂ％≦７．０ を満足すればその目的の達
成されることがわかった。

【００１２】さらに、拡散接合は、接合界面における原
子の相互拡散移動によるものであるため、接合界面の実
効面積が広いほど、すなわち定性的には接触界面が平滑
であるほど強い接合強度が得られる。しかし、金属表面
を平滑にするためには、圧延、機械的あるいは化学的研
磨などの方法があるが、いずれの方法をとるにしても、
より平滑な表面を得ようとすればそれだけ時間と費用を
要することとなる。したがって、工業的に実現可能で、
かつ十分な接合強度の得られる表面粗さについて検討し
た結果、冷間圧延によって得られる表面であって、圧延
方向に直角な方向の表面十点平均粗さＲｚが、１．０μ
ｍ以下であれば良いことがわかった。表面十点平均粗さ
Ｒｚを１．０μｍ以下とする冷延条件は、特に限定され
るものではないが、冷延仕上げロールの表面粗度やロー
ル材質の選定によって達成可能である。例えば、冷延の
最終パスに使用するロールの表面粗度を＃６００番以下
とすることや、ロール材質としては圧延時に変形しにく
く比較的平滑な鋼帯表面を得ることのできるＷＣ製とす
ることなどである。

【００１３】以下には、本発明鋼の成分限定理由につい
て説明する。 Ｃ：０．０３重量％以下 含有量が多いと異常酸化を生じやすくなるとともに、ス
ラブや熱延板の靭性が劣化して製造性が低下するため、
上限を０．０３重量％とする。 Ｓｉ：１重量％以下 過剰の含有は靭性を劣化させるため、上限を１重量％と
する。

【００１４】Ｍｎ：１重量％以下 過剰の含有はＭｎ酸化物を生成し、緻密なＡｌ₂ Ｏ₃ 層
の形成を阻害し、耐高温酸化性に悪影響を及ぼすため、
上限を１重量％とする。 Ｐ：０．０４重量％以下 過剰の含有は、耐高温酸化性および熱延板の靭性に悪影
響を及ぼすため、上限を０．０４重量％とする。 Ｓ：０．００３重量％以下 鋼中の希土類元素（ＲＥＭ）と結合して非金属介在物と
なり、鋼の表面性状を悪化させる。また、ＲＥＭと結合
することにより、耐高温酸化性に有益なＲＥＭの実質的
有効量を低下させるため、上限を０．００３重量％とす
る。

【００１５】Ｃｒ：１５〜２５重量％ 耐高温酸化性を向上させる元素として必須のものであ
り、優れた耐高温酸化性を得るためには１５重量％以上
の含有が必要である。しかし、過剰の含有は、スラブや
熱延板の靭性を劣化させるため、上限を２５重量％とす
る。 Ｎ：０．０３重量％以下 鋼中のＡｌと結合して異常酸化の起点となるため、含有
量は少ない方が望ましく、上限を０．０３重量％とす
る。

【００１６】Ａｌ：３．５〜６．０重量％ Ｃｒと同様に耐高温酸化性を向上させる元素として必須
のものである。優れた耐高温酸化性は、鋼表面に形成さ
れる緻密なＡｌ酸化物層によって得られるが、このＡｌ
酸化物層を形成するためには３．５重量％以上の含有が
必要である。しかし、過剰の含有はスラブや熱延板の靭
性を劣化させるため、上限を６．０重量％とする。 Ｍｏ：０．１〜２．０重量％未満 耐高温酸化性を向上するとともに、高温強度をも向上さ
せるために有効な元素であり、これらの効果を得るため
には０．１重量％以上の含有が必要である。しかし、過
剰の含有は、靭性を劣化させて製造性に悪影響を及ぼす
ため上限を２．０重量％未満に規制する。

【００１７】Ｎｂ：０．０１〜０．３重量％ 高温強度を向上するとともに、鋼中のＣ，Ｎと結合して
靭性を著しく向上する効果があり、排ガス浄化担体のよ
うに加熱・冷却の熱サイクルを受ける部材に用いられる
材料に対しては、Ｎｂの含有は有効である。これらのＮ
ｂの効果を得るためには、０．０１重量％以上の含有が
必要である。しかし、過剰の含有は靭性を劣化させると
ともに、拡散接合性にとっても好ましくないため、上限
を０．３重量％とする。

【００１８】希土類元素（ＲＥＭ）：０．０１〜０．２
０重量％ 耐高温酸化性を向上させる重要な元素である。Ｌａ，Ｃ
ｅ等のＲＥＭは、金属箔表面に形成されるＡｌ₂ Ｏ₃ の
酸化皮膜を安定させるとともに、金属箔素地と酸化皮膜
との密着性を改善することにより、耐高温酸化性を向上
するものと考えられる。この効果は、０．０１重量％以
上を含有することによって得られる。しかし、過剰の含
有は、熱間加工性や靭性を劣化させるとともに、異常酸
化の起点となる介在物を生成して逆に耐高温酸化性を低
下させるため、上限を０．２０重量％とする。

【００１９】

【実施例】以下、実施例により本発明を説明する。表１
に供試材の化学成分値を示す。供試材は、３０ｋｇ真空
溶解炉にて溶製後、鍛造、切削、熱間圧延を施し、その
後焼鈍と冷間圧延とを繰り返し、最終的に厚さ５０μｍ
の箔として高温酸化試験と拡散接合性試験とに供した。
箔の表面十点平均粗さＲｚは、圧延方向に直角な方向に
触針式表面粗さ計を走査して測定した。

【００２０】ここで、試料番号Ａ１〜Ａ４は、化学成分
および限定式の値ともに本発明範囲のものである。一
方、試料番号Ｂ１〜Ｂ９は、化学成分ないし限定式の値
のいずれかもしくは両者が本発明範囲を外れるものであ
る。なお、表１に示す各供試材を箔に製造する途中工
程、すなわち、熱間圧延ままの厚さ３．５ｍｍの板を採
取してＣ方向の曲げ試験に供し、厚さ１．５ｍｍの熱延
焼鈍板からは、幅１２．５ｍｍ，平行部長さ１０５ｍｍ
の引張試験片を採取して温度７００℃における耐力測定
に供した。

【００２１】高温酸化試験は、厚さ５０μｍの箔を大気
中で１０５０℃の高温雰囲気下において、異常酸化が発
生した時間を測定した。異常酸化の発生した時間が、２
００時間以上の場合を耐高温酸化性が良好。２００時間
未満の場合を耐高温酸化性不良と評価した。図１は、高
温酸化試験結果を、Ａｌ％とＭｏ％にて整理した図であ
る。図１中に示す直線部より上、すなわちＡｌ％および
Ｍｏ％がある値よりも多く含有される場合に、耐高温酸
化性の優れていることがわかる。

【００２２】

【表１】

【００２３】曲げ試験では、曲げ角度９０度（密着曲げ
の場合を１８０度とする）以上にて割れが発生した場合
を、製造性が良好とした。曲げ角度９０度未満にて割れ
が発生した場合を、製造性不良とした。図２は、曲げ試
験結果をＡｌ％とＭｏ％にて整理した図である。図２中
に示す直線部より下、すなわちＡｌ％およびＭｏ％があ
る値よりも含有量が少ない場合に、曲げ性の優れている
ことがわかる。

【００２４】図３は、図１の高温酸化性試験の結果と図
２の曲げ試験結果とを合わせて示したものである。した
がって、図３に示す、Ａｌ％とＭｏ％との二次元座標に
て示されるところの、（Ａｌ％，Ｍｏ％）が、（３．
５，２．０），（４．５，０．０），（６．０，０．
０），（５．０，１．５）の４点を結んで得られる境界
内もしくは境界線上にある時、耐高温酸化性と曲げ性と
が共に良好となる。

【００２５】拡散接合性試験は、前記のごとく作製した
厚さ５０μｍの金属箔から、１０×２５ｍｍの試料を採
取し、同一試料番号の箔同士を重ね代１０×１０ｍｍと
して２枚を重ね合わせて、荷重０．６ｋｇを付加して密
着させ、１０^-4Torrの真空中において１２５０℃で１時
間の加熱を行い拡散接合させた。拡散接合性の評価は、
はくり試験にて行った。拡散接合後の試料の両端を保持
して引張荷重を加え、はくり試験を実施した。はくり試
験の結果、箔母材から破断したものを接合性良好、接合
部からはくりしたものを接合性不良と評価した。

【００２６】高温引張試験および拡散接合性試験の結果
を合わせて表２に示す。本発明では、高温強度の改善目
標を従来鋼種の１．３倍以上とし、７００℃において１
００Ｎ／ｍｍ² 以上の耐力の得られることにおいた。表
２中に示すように、Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｂが、式（１） ２
８０＞１４．６×Ａｌ％＋２４．２×Ｍｏ％＋４８１×
Ｎｂ％≧１００ を満足する場合に所望の高温強度が得
られる。

【００２７】ところで、図４は、Ａｌ，Ｍｏの１重量％
当たりの耐力に及ぼす影響と、Ｎｂの０．１重量％当た
りの耐力に及ぼす影響とを示す。図４に基づき、７００
℃におけるＡｌ，ＭｏおよびＮｂの含有量１重量％当た
りの耐力に及ぼす効果を求めると、各々１４．６、２
４．２および４８１Ｎ／ｍｍ² となる。したがって、７
００℃での目標耐力１００Ｎ／ｍｍ² を満足させるため
の要件として、前記の式（１）が得られる。

【００２８】なお、高温強度の向上には顕著な効果を有
するＮｂであるが、鋼中のＮｂ含有量と異常酸化発生時
間との関係を図５に示すように、Ｎｂ含有量の増加に伴
い異常酸化発生時間が短くなり、特に０．３重量％を超
えると低下が著しく、耐高温酸化性の観点からは、Ｎｂ
含有量には上限のあることがわかる。

【００２９】拡散接合性の試験結果も表２中に示すが、
最終焼鈍時の雰囲気ガス中のＨ₂ 濃度が高く、かつＲｚ
が小さい場合に接合性が良好との結果が得られている。
この拡散接合性に及ぼすＡｌ％とＮｂ％の影響を図６に
示すが、酸素との親和力の大きなＡｌとＮｂについて
は、式（２） Ａｌ％＋１０×Ｎｂ％≦７．０ の要件
を満足する場合に優れた拡散接合性が得られている。

【００３０】

【表２】

【００３１】さらに、優れた拡散接合性の得られる条件
をより明確にするべく、先の表１中に示した試料Ａ１の
中間圧延板を用いて、最終焼鈍の雰囲気ガス組成および
最終冷間圧延条件を種々に変動させて、試料番号Ｃ１〜
Ｃ６の厚さ５０μｍの箔を作製し、これらの試料を先に
述べた方法と同様に拡散接合性試験に供した。最終焼鈍
雰囲気、表面十点平均粗さＲｚおよび拡散接合性試験の
結果を図７および表３に示す。図７および表３に示すよ
うに、焼鈍雰囲気ガスが９０容量％以上のＨ₂を含み、
かつ、箔の圧延方向に直角な方向のＲｚが１．０μｍ以
下の範囲にある場合に優れた拡散接合性が得られる。

【００３２】

【表３】

【００３３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のＦｅ−
Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス鋼は、優れた高温強
度と耐高温酸化性を有し、かつ、拡散接合性にも優れて
いる。また、本発明鋼は、高価なＭｏの含有量を抑える
とともに、Ａｌ，Ｎｂの含有量も抑制することによっ
て、製造性に優れた安価な材料の提供を可能にした。本
発明鋼は、高温排ガスによって繰り返し加熱および冷却
の熱サイクルにさらされる金属担体材料として適したも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】高温酸化試験における異常酸化が発生した時間
に及ぼすＡｌとＭｏの影響を示す図。

【図２】曲げ特性に及ぼすＡｌとＭｏの影響を示す図。

【図３】耐高温酸化性および曲げ特性の両者を満足する
（Ａｌ％，Ｍｏ％）の範囲を示す図。

【図４】Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｂの高温での耐力に及ぼす影響
を示す図。

【図５】高温酸化試験における異常酸化発生時間に及ぼ
すＮｂの影響を示す図。

【図６】ＡｌおよびＮｂが拡散接合性に及ぼす影響を示
す図。

【図７】最終焼鈍時の雰囲気中のＨ₂ ガス濃度と箔のＲ
ｚが拡散接合性に及ぼす影響を示す図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：１
   ％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：
   ０．００３％以下、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｎ：０．０３
   ％以下、Ａｌ：３．５〜６．０％、Ｍｏ：０．１〜２．
   ０％未満、Ｎｂ：０．０１〜０．３％、希土類元素（Ｒ
   ＥＭ）：１種または２種以上を０．０１〜０．２％を含
   有し、残部実質的にＦｅからなり、かつＡｌおよびＭｏ
   がそれぞれ前記の範囲内であるとともに、二次元座標
   （Ａｌ％，Ｍｏ％）で表される座標点、（３．５，２．
   ０）、（４．５，０．０）、（６．０，０．０）、
   （５．０，１．５）の４点を結んだ境界領域内もしくは
   境界線上にあり、さらに成分間において、 ２８０＞１４．６×Ａｌ％＋２４．２×Ｍｏ％＋４８１
   ×Ｎｂ％≧１００、 Ａｌ％＋１０×Ｎｂ％≦７．０ で表される２式を満足するステンレス鋼であって、９０
   容量％以上の還元性ガスを含む雰囲気中で焼鈍後、冷間
   圧延を施して得られる冷延鋼板の圧延方向に直角な方向
   の表面十点平均粗さＲｚが、１．０μｍ以下であること
   を特徴とする高温強度と耐高温酸化性および拡散接合性
   に優れたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス鋼。