專利名稱：排氣通路部件用鐵素體類不銹鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及以排氣歧管、催化轉化器殼(外殼)、前管、中心管為代表的排氣通路部件所使用的鐵素體類不銹鋼及應用它們的汽車排氣通路部件。

背景技術：
排氣歧管、催化轉化器殼、前管、中心管等的排氣通路部件，多使用耐熱性良好的SUS 444系材料。另外，作為改善超過700℃高溫區域的耐高溫氧化性及高溫強度的材料，在專利文獻1、2中公開有添加了1～2質量％左右的Cu的鐵素體類不銹鋼。鋼中的Cu通過加熱作為Cu相析出，有使高溫強度和熱疲勞特性提高的作用。這種含有Cu的鋼特別適合于與排氣溫度高的類型的發動機連接的排氣通路部件。
專利文獻1國際公開第03/004714號小冊子 專利文獻2特開號公報 近年的汽車發動機的排氣通路部件伴隨安裝于發動機周圍的各種裝置的增加而收容于有限空間中的必要性提高，且實施嚴格的加工而使用的情況增多。因此，即使應用于排氣溫度不那么高的發動機的部件中，也要求具備優異的熱疲勞特性，且要求具有優異的低溫韌性。
作為改善鐵素體類不銹鋼的高溫強度和熱疲勞特性的方法，公知的有上述專利文獻1、2所述的添加適量Cu的方法，尤其是在專利文獻2中采用的以提高超過700℃的高溫區域的高溫強度為目的含Nb量最大達到0.6質量％的方法。但是，根據本發明人詳細的調查表明，專利文獻1、2的含有Cu的鋼在最高到達溫度高的情況下的熱疲勞特性(例如200～900℃)良好，但是，關于最高到達溫度低的情況下的熱疲勞特性(例如200～750℃)有時比SUS444系材料稍差。因此，專利文獻1、2的鋼對于安裝有排氣溫度高的高輸出發動機的車的應用是有利的，但是，對于安裝有排氣溫度比較低的小型發動機的車的應用不太適合。另外，即使是高輸出發動機，根據使用方法不同排氣溫度會變動，因此，作為排氣通路部件在最高到達溫度低的情況下也希望使用呈現良好的熱疲勞特性的材料。


發明內容
本發明的目的在于提供一種鐵素體類不銹鋼，其即使用于最高到達溫度高的情況和低的情況的任一排氣通路部件都呈現優異的熱疲勞特性，且低溫韌性也優異。
如上所述，最高到達溫度為例如高達900℃以上的情況下的熱疲勞特性通過利用Cu相的析出而得到改善。但是，進一步研究的結果表明，對于最高到達溫度為例如低至750℃以下的情況下的熱疲勞特性可以通過控制Nb的析出形態來改善。即，通過控制Cu相和Ni化合物相的析出形態，能夠實現可與最高到達溫度高的情況和低的情況兩者都能夠對應的鐵素體類不銹鋼。
本發明提供一種排氣通路部件用不銹鋼，其中，以質量％計，包含C0.03％以下、Si1％以下、Mn1.5％以下、Ni0.6％以下、Cr10～20％、Nb大于0.5～小于等于0.7％、Ti0.05～0.3％、Cu大于1～小于等于2％、V0.2％以下、N0.03％以下、B0.0005～0.02％、還根據需要含有Al0.1％以下、或者還合計含有4％以下范圍的Mo、W、Zr、Co的一種以上，剩余部分為Fe及不可避免的雜質，且具有根據下述(1)式定義的[Ti]值，用下述(2)式或(3)式定義的[Nb]值為0.5～0.65范圍的組成，并具有將長徑0.5μm以上的Cu相調整為10個/25μm2以下、且將長徑0.5μm以上的Nb化合物相調整為10個/25μm2以下的組織。
[Ti]＝Ti-4(C+N)……(1) [Ti]≥0時，[Nb]＝Nb……(2) [Ti]＜0時，[Nb]＝Nb+0.5[Ti]……(3) 在(1)式的Ti、C、N的位置及(2)式、(3)式的Nb的位置，代入以質量％表示的該元素的含量值。作為該排氣通路部件，例如汽車的排氣歧管、催化轉化器、前管、中心管為合適的對象。當然，作為汽車以外的各種排氣通路部件也可以使用。
根據本發明，能夠實現同時改善了最高到達溫度高的情況下的熱疲勞特性(例如200～900℃)和最高到達溫度低的情況下的熱疲勞特性(例如200～750℃)的鐵素體類不銹鋼。因此，本發明的鐵素體類不銹鋼作為排氣通路部件能夠廣泛使用于自高排氣溫度使用的情況至低排氣溫度使用的情況。另外，該鋼材具備汽車排氣通路部件要求的基本的耐熱性(耐高溫氧化性、高溫強度)，低溫韌性也優異，因此，作為被要求嚴酷的加工條件的最近的排氣通路部件極其有用。

具體實施例方式 本發明的鋼是含有Cu和Nb的鋼，在實際的使用環境中形成Cu相和Nb化合物相的不同種類的析出相，由此，無論在最高到達溫度高的情況還是低的情況都發揮優異的熱疲勞特性。
各種研究的結果表明，在滿足后述的組成的鋼中，呈現將長徑0.5μm以上的Cu相調整為10個/25μm2以下、且將長徑0.5μm以上的Nb化合物相調整為10個/25μm2以下的組織狀態時，通過使用時的加熱充分引起微細析出物的形成，帶來熱疲勞特性的顯著改善。換言之，Cu相及Nb化合物相的長徑0.5μm以上的析出相在原材料中都預先以超過10個/25μm2的密度大量存在時，通過加熱不能充分生成微細的析出相，不能期待穩定的熱疲勞特性的改善效果。另外，在Cu或Nb偏離后述的規定而過多地含有的情況下，即使在原材料中存在粗大的Cu相和Nb化合物相，有時只要能夠生成微細的析出相，則也能夠改善熱疲勞特性。但是，該情況下，由于粗大的析出相存在，從而導致低溫韌性降低等弊端，因此不優選。
Cu相是所謂的稱為ε-Cu的析出相，它容易在一個方向成長，因此通常成為桿狀的形狀。Nb化合物相是以Fe2Nb為主體的析出物，含有Mo的情況一般成為Fe2(Mo，Nb)的形態。該Nb化合物相也容易在一個方向成長，因此通常成為桿狀的形狀。因此，這些析出相的尺寸根據長徑進行評價較為妥當。具體而言，只要采用透射型電子顯微鏡(TEM)的觀察像中顯現的析出物的長徑(與觀察面的投影長度相當)作為在此所說的長徑即可。是Cu相還是Nb化合物相可以應用TEM中具備的分析裝置(EDX等)來鑒別。另外，Nb碳化物、Nb氮化物在此從所謂的Nb化合物相中除去。碳化物及氮化物多呈塊狀或球狀，從其形狀能夠比較容易地和Fe2Nb型析出相區分。在難以從形狀區分的情況下，可以應用上述的分析裝置(EDX等)來鑒別。
在使用時的最高到達溫度為900℃或比其高的情況下，通過該加熱，Cu充分地再固溶，主要在500～700℃析出微細的Cu相。由此，能夠改善重復加熱的疲勞特性(即熱疲勞特性)。另一方面，最高到達溫度低至750℃左右以下重復加熱的情況下，Cu沒有充分地再固溶。因此，不能充分獲得Cu相的微細析出產生的熱疲勞特性的改善效果。
在本發明中，通過Nb化合物相的微細析出補充只通過Cu相不能充分改善的最高到達溫度低的情況的熱疲勞特性。Nb化合物相通過700～750℃的加熱在極短時間內帶來了析出強化。判明該短時間內的析出強化現象顯著改善200～750℃這樣范圍內的熱疲勞特性。對于該機制現在還有許多不明白之處，但是，通過Nb化合物相產生的短時間的析出強化，重復加熱初期的棘輪(ラチェット)變形及壓縮應力帶來的膨脹被抑制，這可推斷為對最高到達溫度低的情況下的熱疲勞特性的有利作用。
下面，對成分組成進行說明。
C及N一般而言是對提高蠕變強度等高溫強度有效的元素，但是，過多含有時，氧化特性、加工性、低溫韌性、可焊性降低。在本發明中，C、N都限制在0.03質量％以下。
Si對耐高溫氧化性的改善有效。另外，在焊接時和氣氛中的氧結合，呈現防止氧向鋼中的侵入的作用。但是，Si含量過多時硬度上升，導致加工性、低溫韌性降低。在本發明中，Si含量限制在1質量％以下，例如，也可以限制為0.1～0.6質量％。
Mn改善耐高溫氧化性，尤其是改善耐氧化皮剝離性。另外，和Si同樣在焊接時和氣氛中的氧結合，呈現防止氧向鋼中的侵入的作用。但是，過多添加損害加工性、可焊性。另外，Mn是奧氏體穩定化元素，因此，大量添加時容易生成馬氏體相，成為加工性等降低的主要原因。因此，Mn含量限制為1.5質量％以下，更優選設定為1.3質量％以下。例如，也可以規定為0.1～小于1質量％。
Ni是奧氏體穩定元素，過多含有時和Mn同樣，導致馬氏體相的生成，成為加工性等降低的主要原因。Ni含量允許至多0.6質量％。
Cr穩定鐵素體相，并且，有助于對高溫材料所重視的耐氧化性的改善。但是，過多地含有Cr導致鋼材的脆化及加工性降低。因此，Cr含量設定為10～20質量％。Cr含量優選按照材料的使用溫度調整。例如，要求最高到950℃的優異的耐高溫氧化性的情況下希望Cr含量為16質量％以上，若是最高到900℃則可以在12～16質量％范圍內。
Nb是用于確保超過700℃的高溫區域中的高溫強度的非常有效的元素。認為對于該高溫強度的提高而言在本組成體系中Nb的固溶強化發揮大的作用。另外，Nb固定C、N，也有效地防止韌性降低。這些Nb的作用為以往一般的作用，在本發明中，還利用Nb化合物相的微細析出，實現在最高到達溫度低至750℃左右以下的情況下熱疲勞特性的提高(前述)。為了充分得到這種Nb的作用，需要確保大于0.5質量％的Nb含量，確保大于0.6質量％的Nb的含量更有效。但是，添加過多的Nb導致加工性降低，低溫韌性降低、焊接高溫裂紋敏感性增大，因此Nb含量限制為0.7質量％以下。
另一方面，Nb容易與C、N結合。Nb作為碳化物、氮化物被消費時，固溶Nb帶來的高溫強度的提高及Nb化合物相帶來的熱疲勞特性的提高不充分。因此，根據用下述(1)式定義的[Ti]值，定義了用下述(2)式或(3)式定義的[Nb]值，即有效Nb量。
[Ti]＝Ti-4(C+N)……(1) [Ti]≥0時，[Nb]＝Nb……(2) [Ti]＜0時，[Nb]＝Nb+0.5[Ti]……(3) 在確保能與C、N結合的量以上的Ti含量時，即有效Ti量[Ti]為0以上時，可以如(2)式那樣將Nb含量的值直接作為有效Nb量[Nb]采用。另一方面，有效Ti量[Ti]比0小時，需要確保補充有效Ti量部分的Nb含量，如(3)式那樣比Nb含量小的值也用作有效Nb量[Nb]。
在本發明中，Nb含量在大于0.5～小于等于0.7質量％范圍內，還將有效Nb量[Nb]限定在0.5～0.65的范圍內。即，在極狹窄的范圍內嚴格規定Nb含量，不僅高溫強度、低溫韌性，而且對提高在最高到達溫度低的情況下的熱疲勞特性也是重要的。
Ti一般固定C、N，對成形性的改善及防止韌性降低是有效的。尤其是在本發明中，如上述那樣從確保有效Nb量的觀點來看，對Ti含量也需要嚴格的管理。具體而言，Ti含量需要確保0.05質量％以上。但是，添加過多的Ti導致TiN大量生成引起的表面性狀的劣化，另外，可焊性、低溫韌性也受到不良影響。因此，Ti含量規定為0.05～0.3質量％。
Al是脫氧劑，還是改善耐高溫氧化性的元素。在本發明中，可以以0.1質量％以下的范圍含有Al。含有過多的Al在焊接時形成大量的氧化物，有時作為加工裂紋的起點產生作用。
Cu在提高高溫強度方面是重要元素。即，在本發明中如上所述，利用Cu相的微細分散析出現象，尤其是提高在最高到達溫度高至900℃以上的情況下的500～700℃的強度。因此，需要大于1質量％的Cu含量。但是，過多的Cu含量使加工性、低溫韌性、可焊性降低，因此，Cu含量限制為2質量％以下。
V和Nb、Cu的復合添加有助于高溫強度的提高。另外，利用和Nb的共存改善加工性、低溫韌性、耐晶界腐蝕敏感性、焊接熱影響部分的韌性。但是，過多添加時反而導致加工性、低溫韌性下降，因此，以0.2質量％以下的范圍含有V。V含量理想設定為0.01～0.2質量％的范圍，更優選設定為0.03～0.15質量％。
B對改善二次加工脆性有效。其機制推測為晶界固溶C的減少和晶界強化導致的。但是，添加過多的B會使制造性和可焊性劣化。在本發明中，含有的B在0.0005～0.02質量％范圍內。
Mo、W、Zr、Co對提高本組成體系的鐵素體類不銹鋼的高溫強度有效，根據需要可以添加它們的一種或多種。但是，大量添加會導致鋼的脆化，因此，添加這些元素時，其合計含量為4質量％以下。以合計含量為0.5～4質量％的范圍的方式添加更有效。
具有以上組成的鐵素體類不銹鋼可以通過一般的不銹鋼的制鋼工藝進行熔煉，之后，通過例如“熱軋→退火→酸洗”工序、或還進行一次或多次“冷軋→退火→酸洗”工序，制成板厚例如為1～2.5mm左右的退火鋼板。但是，在最終退火中，在Nb的析出溫度區域和Cu的析出溫度區域重要的是分別設定為適當的冷卻速度。例如，作為最終退火條件可以采用以下的條件將鋼材在950～1100℃優選1000～1100℃加熱后，將Nb化合物相的析出溫度區域即1000～700℃的平均冷卻速度(加熱溫度小于1000℃時從該加熱溫度到700℃的平均冷卻速度)設定為大于30～100℃/秒，將Cu相的析出溫度即700～400℃的平均冷卻速度設定為5～50℃/秒。通過上述的組成調整和這種熱處理條件，能夠得到調整為長徑0.5μm以上的Cu相為10個/25μm2以下、且長徑0.5μm以上的Nb化合物相為10個/25μm2以下的組織狀態的鋼材(退火鋼板)。在此，所謂“最終退火”是在鋼材的制造階段進行的最后的退火。
使用該退火鋼板制作排氣通路部件。在管狀部件的情況下，將上述退火鋼板軋制成形規定的管形狀，通過焊接原材料的對接部制造鋼管，得到焊接鋼管。作為焊接方法可以使用TIG焊接、激光焊接、高頻焊接等公知的制管焊接方法。得到的鋼管根據需要經過熱處理工序及酸洗工序后，加工成形為排氣通路部件。
實施例 熔煉表1所示組成的鐵素體類不銹鋼，通過“熱軋→退火·酸洗→冷軋→退火·酸洗”工序，得到板厚2mm的退火鋼板。另外，使用鑄造板坯的一部分通過熱鍛造制作直徑約25mm的圓棒，將其進行最終退火。板材的最終退火及棒材的最終退火除No.19鋼以外，都以1050℃×均熱1分鐘保持后，從1000℃到700℃的平均冷卻速度為大于30～100℃/秒的范圍，且從700℃到400℃的平均冷卻速度為5～50℃/秒的范圍為條件進行。No.19鋼除了以從1000℃到700℃的平均冷卻速度為10～20℃/秒的范圍的方式控制以外，以和其它例同樣的條件進行最終退火(板材、棒材都是同樣的條件)。

將板材的軋制方向及棒材的長度方向分別稱為L方向時，對于最終退火后的板材及棒材分別進行與L方向垂直的斷面的金屬組織觀察。用透射型電子顯微鏡(TEM)檢查Cu相及Nb化合物相的尺寸，測定每25μm2觀察到的長徑0.5μm以上的Cu相及Nb化合物相的數量。對一個試樣至少進行10個視野的觀察采取平均數。析出相的種類通過附屬于TEM的EDX(能量分散式X射線螢光分析裝置)將Fe、Nb、Mo、Cu進行定量化，由此進行分類。在析出相微細的情況下，鋼基體的成分元素一起被檢測出，因此，對于析出相在作為目標的上述4元素的分析值中，將Cu為50質量％以上的相分類為Cu相，將Nb為30質量％以上的相分類為Nb化合物相。將長徑0.5μm以上的Cu相為10個/25μm2以下的作為○(良好)，除此以外的作為×(不良)，將結果表示于表2的Cu相欄。另外，將長徑0.5μm以上的Nb化合物相為10個/25μm2以下的作為○(良好)，除此以外的作為×(不良)，將結果示于表2的Nb化合物相欄。各鋼在板材和棒材之間結果都沒有差別，表2表示的析出相的評價對板材、棒材都適用。
使用板材實施沖擊試驗以評價低溫韌性。以付與沖擊的方向為板的軋制方向的方式選取V型缺口沖擊試樣，在-75～50℃范圍內以25℃間距進行JIS Z2242沖擊試驗，求取延性脆性轉變溫度。將轉變溫度比-25℃低的(即使-25℃也呈現延性斷裂面)評價為○(良好)，除此以外的評價為×(不良)。
采用棒材實施熱疲勞試驗，調查200～750℃及200～900℃的熱疲勞特性。以直徑10mm、平行部分長度為20mm的方式切削加工標定點之間部分(標定點間長度15mm)，制作在標定點間中央位置直徑為7mm、設置了R＝5.7mm的缺口的圓棒試樣，在大氣中以下述條件進行試驗及評價。另外，將應力低至龜裂發生時的應力的75％時的重復次數定義為疲勞壽命。
[200～750℃的熱疲勞特性] 將約束率(相對于熱膨脹的付與變形的比)設為25％，將“200℃×保持0.5分鐘→以升溫速度約3℃/秒升溫到750℃→在750℃保持2.0分鐘→以冷卻速度約3℃/秒冷卻到200℃”作為一個周期，重復這種加熱循環，將熱疲勞壽命為1800循環以上的評價為○(良好)，將1500循環以上小于1800循環的評價為△(稍稍不良)，將低于1500循環的評價為×(不良)，將評價為○的作為合格。
[200～900℃的熱疲勞特性] 將約束率(相對于熱膨脹的付與變形的比)設為20％，將“200℃×保持0.5分鐘→以升溫速度約3℃/秒升溫到900℃→在900℃保持0.5分鐘→以冷卻速度約3℃/秒冷卻到200℃”作為一個循環，重復這種加熱循環，將熱疲勞壽命為900循環以上的評價為○(良好)，將小于900循環的評價為×(不良)，將評價為○的作為合格。
表2表示這些結果。
表2
由表2判明，滿足本發明規定的化學組成及Cu相、Nb化合物相的析出形態的本發明例的鋼，最高到達溫度高的情況下的熱疲勞特性(200～900℃)及最高到達溫度低的情況下的熱疲勞特性(200～750℃)兩者都得到改善，低溫韌性也良好。
與之相對，比較例即No.13～15、17中Nb含量少，有效Nb量[Nb]也不足，因此，最高到達溫度低至750℃的情況下的微細的Nb化合物相的生成不充分，200～750℃的熱疲勞特性差。No.16由于過多含有Cu及Nb，因此，即使粗大的Cu相及Nb化合物相大量存在也能夠改善熱疲勞特性。但是，低溫韌性差。No.18是與SUS444相當的現有的鋼，Cu含量低，但是Mo含量高，因此200～900℃的熱疲勞特性良好。但是，有效的Nb量不充分，因此，200～900℃的熱疲勞特性沒有得到改善。No.19是具有本發明規定的組成的鋼，但是，在最終退火中Nb化合物相析出溫度區域的冷卻速度過慢，結果生成粗大的Nb化合物相，在之后的加熱中沒有充分地引起Nb化合物相的析出，因此，200～750℃的熱疲勞特性差。另外，由于粗大的Nb化合物相的影響，從而低溫韌性也差。
權利要求
1、排氣通路部件用不銹鋼，其中，以質量％計，包含C0.03％以下、Si1％以下、Mn1.5％以下、Ni0.6％以下、Cr10～20％、Nb大于0.5～小于等于0.7％、Ti0.05～0.3％、Cu大于1～小于等于2％、V0.2％以下、N0.03％以下、B0.0005～0.02％、剩余部分為Fe及不可避免的雜質，且具有根據下述(1)式定義的[Ti]值，用下述(2)式或(3)式定義的[Nb]值為0.5～0.65范圍的組成，并具有將長徑0.5μm以上的Cu相調整為10個/25μm2以下、且將長徑0.5μm以上的Nb化合物相調整為10個/25μm2以下的組織，
[Ti]＝Ti-4(C+N)......(1)
[Ti]≥0時，[Nb]＝Nb......(2)
[Ti]＜0時，[Nb]＝Nb+0.5[Ti]......(3)。
2、權利要求1所述的排氣通路部件用不銹鋼，其中，還具有含有0.1質量％以下的A1的組成。
3、權利要求1或2所述的排氣通路部件用鐵素體類不銹鋼，其中，還具有合計含有4％以下范圍的Mo、W、Zr、Co的一種以上的組成。
4、權利要求1～3中任一項所述的汽車排氣通路部件，其中，該排氣通路部件為汽車的排氣歧管、催化轉化器、前管、中心管的任一種。
全文摘要
本發明提供一種汽車排氣通路部件用不銹鋼，其以質量％計，包含C0.03％以下、Si1％以下、Mn1.5％以下、Ni0.6％以下、Cr10～20％、Nb大于0.5～小于等于0.7％、Ti0.05～0.3％、Cu大于1～小于等于2％、V0.2％以下、N0.03％以下、B0.0005～0.02％、還根據需要含有Al0.1％以下、或還合計含有4％以下范圍的Mo、W、Zr、Co的一種以上，剩余部分為Fe及不可避免的雜質，且具有長徑0.5μm以上的Cu相及Nb化合物相都為10個/25μm2以下的組織。該不銹鋼即使用于最高到達溫度高的類型和低的類型的任一排氣通路部件都呈現優異的熱疲勞特性，且低溫韌性也優異。
文檔編號C21D6/00GK101611162SQ20088000379
公開日2009年12月23日 申請日期2008年1月31日 優先權日2007年2月2日
發明者學 奧, 富田壯郎 申請人:日新制鋼株式會社