KAJIMURA HARUHIKO (JP)
DOI DAIHARU (JP)
MAEDA SHIGERU (JP)
HIRAIDE NOBUHIKO (JP)
KAJIMURA HARUHIKO (JP)
DOI DAIHARU (JP)
MAEDA SHIGERU (JP)
| JPS5760056A | 1982-04-10 | |||
| JPH07292446A | 1995-11-07 | |||
| JP2000073147A | 2000-03-07 | |||
| JPH0711394A | 1995-01-13 | |||
| JP2001026855A | 2001-01-30 |
| 質量%で、C:0.03%以下、N:0.05%以下、C+N:0.015%以上、Si:0.02~1.5%、Mn:0.02~2%、Cr:10~22%、Nb:0.03~1%、及びAl:0.5%以下を含有し、更に、Tiを下記(1)および(2)式を満足する含有量で含有し、残部としてFeおよび不可避不純物を含むことを特徴とするろう付け性に優れたフェライト系ステンレス鋼。 Ti-3N≦0.03 ・・・(1) 10(Ti-3N)+Al≦0.5 ・・・(2) (但し、(1)および(2)式中における元素記号は、その元素の含有量(質量%)を示す。また、元素記号の前の数値は定数である。) |
| 更に、質量%で、Mo:3%以下、Ni:3%以下、Cu:3%以下、V:3%以下、及びW:5%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のろう付け性に優れたフェライト系ステンレス鋼。 |
| 更に、質量%で、Ca:0.002%以下、Mg:0.002%以下、及びB:0.005%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のろう付け性に優れたフェライト系ステンレス鋼。 |
本発明は、ろう付け接合により組み立てら
る部材に使用されるフェライト系ステンレ
鋼に関する。こうした部材の例としては、E
GR(Exhaust Gas Recirculation)クーラ、オイルクー
、自動車や各種プラントで使用される熱交
器類、自動車尿素SCR(Selective Catalytic Reduction
)システムで用いられる尿素水タンク、及び
動車のフューエルデリバリ系部品などがあ
、一般に形状が複雑で精密な部品が多い。
う付け方法としては、Niろう付けやCuろう付
のように、高温、低酸素分圧下でろう付け
合される場合を対象とする。
本願は、2007年12月28日に出願された日本国
許出願第2007-339732号及び2008年12月2日に出願
れた日本国特許出願第2008-307534号に対し優先
権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、環境問題に対する意識の高まりか 、排ガス規制がより強化されると共に、炭 ガス排出抑制に向けた取り組みが進められ いる。自動車分野においては、バイオエタ ールやバイオディーゼル燃料といった燃料 からの取り組みに加え、軽量化や排気熱を 回収する熱交換器をとりつけて燃費向上を ったり、EGRクーラ、DPF(Diesel Particulate Filter )、尿素SCRシステムといった排ガス処理装置 設置したりするといった取り組みを実施し いる。
このうち、EGRクーラは、エンジンの排ガス 冷却させた後、吸気側にもどして再燃焼さ ることで、燃焼温度を下げ、有害ガスであ NO x を低下させることを目的としている。そのた め、EGRクーラの熱交換器部分には熱効率が要 求され熱伝導性が良好であることが望まれる 。従来、これらの部材には、SUS304やSUS316とい ったオーステナイト系ステンレス鋼が使用さ れ、一般的にろう付け接合により組み立てら れている。
最近、燃焼温度をより低下させるために EGRクーラの出側温度を低下させたいとのニ ズがあり、熱疲労特性への配慮も必要な状 になりつつある。そこで、オーステナイト ステンレス鋼よりも熱伝導率に優れ、また 膨張係数が小さく、そして安価なフェライ 系ステンレス鋼が注目されている。
従来、ろう付け用のステンレス鋼として、
えば、次のような鋼板がある。
特許文献1には、Ni系ろう材を有機系バイン
ーと共に懸濁して、ステンレス鋼板表面上
噴霧塗布後加熱して作製される、プレコー
ろう被覆金属板材が開示されている。また
特許文献2には、表面粗さを調整したステン
レス鋼板上に、プラズマ溶射にてNi系ろう材
被覆させた、自己ろう付け性に優れたニッ
ルろう被覆ステンレス鋼板の製造方法が開
されている。いずれの場合も、実施例の対
にしているステンレス鋼は、オーステナイ
ステンレス鋼であり、フェライト系ステン
ス鋼については、特に開示していない。
特許文献3には、C:0.08%以下、Si:0.01~2.0%、Mn :0.05~1.5%。P:0.05%以下、S:0.01%以下、Cr:13~32%、Mo: 3.0%以下、Al:0.005~0.1%、Ni:1.0%以下、Cu:1.0%以下 Ti:0.05%以下からなるロウ接性に優れたアンモ ニア-水系吸収式サイクル熱交換器用フェラ ト系ステンレス鋼が開示されている。ここ Tiは、Tiの炭化物または窒化物による皮膜を 成してろう付け性を阻害することから、0.05 %以下に制限されている。また、表1には、18 のフェライト系ステンレス鋼が記載されて るが、そのC量は0.031~0.032%と、現在、一般的 製造されている高純度フェライト系ステン ス鋼のC含有範囲に比べ高い値である。
本発明は、NiろうやCuろうのように、高温 、低酸素分圧下でろう付けされる場合におい て、優れたろう付け性を有するフェライト系 ステンレス鋼を提供することを目的とする。
本発明者らは、前述の課題を解決すべく NiろうやCuろうのように高温、低酸素分圧下 でろう付けされる場合において、ろう付け性 に対する合金元素の影響について鋭意検討の 結果、フェライト系ステンレス鋼において、 加工性や粒界腐食性の向上を目的として添加 されることが多いTi、および脱酸を目的とし 添加されるAlに、良好なろう付け性を確保 きる上限値があることを知見した。
Niろう付けやCuろう付けは、1000~1100℃、10 -3 ~10 -4 torr程度の真空中あるいは水素雰囲気中で行 れるとされている。また、Agろう付けの場合 にもろうの種類にもよるが、800~900℃、10 -4 ~10 -5 torr程度の真空雰囲気でろう付けされる場合 ある。しかしながらこれらの条件は小規模 実験のような理想的な条件である場合が多 、大規模かつ量産設備の場合には設備の構 からくる制約や工程上の要件から真空度に る雰囲気、あるいは露点の高い雰囲気にな と考えられる。
良好なろう付け性を得るには、溶融した うがステンレス鋼表面上をぬれ広がる必要 あるが、ぬれ性にはステンレス鋼上に形成 れる表面皮膜が影響する。上記のような雰 気では、Fe及びCrの酸化物が還元される条件 は維持できたとしても、Fe及びCrよりも酸化 やすいTi及びAlは酸化物を形成して、ろうの れ広がりを阻害して、ろう付け性を劣化さ る。こうしたろう付け性を阻害する皮膜形 に寄与するのは固溶しているTi及びAlであり 、ろう付け温度でも比較的安定な窒化物とし て存在している場合には皮膜形成には寄与せ ず、ろうのぬれ広がりを阻害しない。
こうした点から、Ti量及びAl量とろうの濡れ
拡がり性との関係を検討した。
後述する実施例と同一の供試鋼および試験
件にてろうのぬれ拡がり性を評価した結果
、図1に示す。図に示されるように、元素の
質量%で、Ti-3N≦0.03、Al≦0.5を満足し、かつ、
10(Ti-3N)+Al≦0.5を満足する領域において(但し
上記式中における元素記号は、その元素の
有量(質量%)を示す。また、元素記号の前の
値は定数である。)、ろうのぬれ拡がり性が
好であることが判明した。
Ti量ないしAl量が上記条件を満足しない材 料について、ろう付け熱処理後の表面皮膜を 分析したところ、数十nm~数百nmの厚さで、Ti いしAlの濃化した酸化皮膜が一様に形成され ており、こうした皮膜形成がろうのぬれ広が りを阻害していると考えられた。
Ti及びAlと同様に酸化されやすい元素として
Si、Nb、Ca、及びMgといった元素があるが、こ
らの元素においては、酸化皮膜中への濃化
認められるものの、厚く一様な酸化皮膜形
には至らず、ろうのぬれ広がり性を阻害し
い。
また、EGRクーラにはSUS304やSUS316といったオ
ステナイトステンレス鋼が使用されている
、オーステナイト中に比べフェライト中の
が元素の拡散が早く、それに伴い酸化皮膜
成も早くなるため、フェライトステンレス
の方が良好な成分範囲が限定される。
本発明のステンレス鋼が対象とする部材 なかには強度が必要な部材も多く、ろう付 後の強度低下を抑制する必要がある。特に Niろう付けやCuろう付けのように1000~1100℃と いった高温でろう付けされる場合には、結晶 粒粗大化に伴う強度低下を抑制することが重 要と考えられた。結晶粒の粗大化を抑制する には析出物によるピン止めが有用であり、析 出物としてNbの炭窒化物を活用し、Nbを0.03%以 上、C+Nを0.015%以上とすることにより、結晶粒 の粗大化抑制に有用なNbの炭窒化物の析出量 安定性が確保されることが知見された。
本発明は、上記の知見を基になされたろう
け性に優れたフェライト系ステンレス鋼で
り、その要旨とするところは下記のとおり
ある。
本発明のろう付け性に優れたフェライト系
テンレス鋼は、質量%で、C:0.03%以下、N:0.05%
下、C+N:0.015%以上、Si:0.02~1.5%、Mn:0.02~2%、Cr:10
~22%、Nb:0.03~1%、及びAl:0.5%以下を含有し、さら
に、Tiを下記〔1〕および〔2〕式を満足する
有量で含有し、残部としてFeおよび不可避不
純物を含むであることを特徴とする。
Ti-3N≦0.03 ・・・〔1〕
10(Ti-3N)+Al≦0.5 ・・・〔2〕
ここで、Ti、N、Alは各元素の質量%で表され
含有量である。
本発明のろう付け性に優れたフェライト系
テンレス鋼では、更に、質量%で、Mo:3%以下
Ni:3%以下、Cu:3%以下、V:3%以下、及びW:5%以下
1種または2種以上を含有してもよい。
更に、質量%で、Ca:0.002%以下、Mg:0.002%以下、
及びB:0.005%以下の1種または2種以上を含有し
もよい。
本発明によれば、ろう付けに優れたフェ イト系ステンレス鋼であって、EGRクーラ、 イルクーラ、自動車や各種プラントで使用 れる熱交換器類、自動車尿素SCRシステムに ける尿素水タンク、及び自動車のフューエ デリバリ系部品など形状が複雑な部品や、 型で精密な部品のように、ろう付け接合に り製作される部材に好適なステンレス鋼を 供できる。
本発明は、特に、TiとAl、ならびにNbとC+N ついての上述のような知見に基づいてなさ たものである。以下に本発明で規定される の化学組成についてさらに詳しく説明する なお、%は質量%を意味する。
C:耐粒界腐食性及び加工性を低下させる め、その含有量を低く抑える必要がある。 のため、0.03%以下とした。しかしながら、過 度に低めることはろう付け時の結晶粒粗大化 を助長し、かつ精練コストを上昇させるため 、0.002%以上とすることが望ましい。より望ま しくは0.005~0.02%である。
N:耐孔食性に有用な元素であるが、耐粒 腐食性及び加工性を低下させるため、その 有量を低く抑える必要がある。そのため、0. 05%以下とした。しかしながら、過度に低める ことはろう付け時の結晶粒粗大化を助長し、 精練コストを上昇させるため、0.002%以上とす ることが望ましい。より望ましくは0.005~0.03% ある。
C+N:Nbの炭窒化物によりろうづけ時の加熱 よる結晶粒粗大化を抑制して、部材の強度 下を抑制するという観点から、0.015%以上必 である。望ましくは0.02%以上である。CとNの 過剰の添加は、耐粒界腐食性及び加工性を低 下させるため、上限値を0.04%以下とすること 望ましい。
Si:脱酸元素として有用であると共に、耐 性に有効な元素であるが、加工性を低下さ るため、その含有量を0.02~1.5%とした。望ま くは0.1~1%である。
Mn:脱酸元素として有用であるが、過剰に 有させると耐食性を劣化させるので、0.02~2% とした。望ましくは、0.1~1%である。
Cr:想定される腐食環境としては、大気環 、冷却水環境、及び排ガス凝縮水環境など 挙げられ、こうした環境での耐食性を確保 る上で、少なくとも10%以上必要である。含 量を増加させるほど耐食性は向上するが、 工性及び製造性を低下させるため、上限を2 2%以下とした。望ましくは15~21%である。
Ti:C及びNを固定し、溶接部の耐粒界腐食 、及び加工性などを向上する目的で添加さ る場合もあるが、前述のようにろう付け性 阻害する元素であり、不純物としての含有 含めその含有量を厳しく制限する必要があ 。そのためTiの含有量をTi-3Nの値が0.03%以下 満足する範囲とする。Ti-3Nの値は、望ましく は0.02%以下である。逆にTiの含有量が低すぎ と加工性を劣化させるため、Tiの含有量を、 Ti-3Nの値が-0.08%以上を満足する範囲とするこ が望ましい。加工性など特に要求されない 合には、Tiは無添加としてもよい。
Nb:Nbの炭窒化物によりろうづけ時の加熱 よる結晶粒粗大化を抑制して、部材の強度 下を抑制するという観点から重要な元素で る。また、高温強度の向上や溶接部の粒界 食性の向上に有用であり、0.03%以上含有させ る必要がある。しかしながら、過剰の添加は 、加工性や製造性を低下させるため、上限を 1%以下とした。望ましくは0.2~0.8%、さらに望 しくは0.3~0.6%である。なお、粒界腐食性を確 保する観点からNb/(C+N)を8以上(但し、上記式 における元素記号は、その元素の含有量(質 %)を示す。)とすることが望ましい。
Al:脱酸効果等の精練上に有用な元素であ 、また、成形性を向上させる効果がある。 に下限は規定しないが、この効果を安定し 得るためには0.002%以上含有することが好ま い。しかしながら、0.5%を超えて含有させる と、本発明で最も重要な特性であるろう付け 性を阻害するため0.5%以下とした。望ましく 0.003~0.1%である。SiなどAl以外の元素で脱酸す る場合には、Alは無添加としてもよい。
10(Ti-3N)+Al≦0.5:本発明における最も重要な 特性であるろう付け性において、良好なろう のぬれ拡がり性を得るため、図1を用いて説 したように、式:10(Ti-3N)+Al≦0.5と共に、式:Ti- 3N≦0.03を同時に満足させる必要がある。
以上が本発明のフェライト系ステンレス の基本となる化学組成であるが、本発明で 、更に、次のような元素を必要に応じて含 させることができる。
Mo:耐食性を向上させる上で、3%以下の範 で含有させることができる。安定した効果 得られるのは0.3%以上である。過剰の添加は 加工性を劣化させると共に、高価であるた コストアップにつながる。したがって、0.3~ 3%含有させるのが望ましい。
Ni:耐食性を向上させる上で、3%以下の範 で含有させることができる。安定した効果 得られるのは0.2%以上である。過剰の添加は 加工性を劣化させると共に、高価であるた コストアップにつながる。したがって、0.2~ 3%含有させるのが望ましい。
Cu:耐食性を向上させる上で、3%以下の範 で含有させることができる。安定した効果 得られるのは0.2%以上である。過剰の添加は 加工性を劣化させると共に、高価であるた コストアップにつながる。したがって、0.2~ 3%含有させるのが望ましい。
V:耐食性を向上させる上で、3%以下の範囲 で含有させることができる。安定した効果が 得られるのは0.2%以上である。過剰の添加は 加工性を劣化させると共に、高価であるた コストアップにつながる。したがって、0.2~3 %含有させるのが望ましい。
W:耐食性を向上させる上で、5%以下の範囲で
含有させることができる。安定した効果が得
られるのは0.5%以上である。過剰の添加は、
工性を劣化させると共に、高価であるため
ストアップにつながる。したがって、0.5~5%
有させるのが望ましい。
なお、Mo、Ni、Cu、V、及びWの1種または2種以
上の合計は、コストアップなどの点から6%以
が望ましい。
Ca:脱酸効果等の精練上に有用な元素であ 、0.002%以下含有させることができる。含有 せる場合は、安定した効果が得られる0.0002% 以上が望ましい。
Mg:脱酸効果等精練上有用な元素であり、 た、組織を微細化し、加工性、靭性の向上 も有用であり、0.002%以下含有させることが きる。含有させる場合は、安定した効果が られる0.0002%以上が望ましい。
B:2次加工性を向上させるのに有用な元素 あり、0.005%以下含有させることができる。 有させる場合は、安定した効果が得られる0 .0002%以上が望ましい。
なお、不可避不純物であるPについては、 溶接性の観点から0.04%以下とすることが望ま い。また、Sについても、耐食性の観点から 0.01%以下とすることが望ましい。
本発明のステンレス鋼の製造方法は、フ ライト系ステンレス鋼を製造する一般的な 程でよい。一般に、転炉又は電気炉で溶鋼 し、AOD炉やVOD炉などで精錬して、連続鋳造 又は造塊法で鋼片とした後、熱間圧延-熱延 板の焼鈍-酸洗-冷間圧延-仕上げ焼鈍-酸洗の 程を経て製造される。必要に応じて、熱延 の焼鈍を省略してもよいし、冷間圧延-仕上 焼鈍-酸洗を繰り返し行ってもよい。
以下、実施例を用いて、本発明の実施可能
及び効果についてさらに説明する。
表1に示す化学組成を有する鋼を溶製し、熱
延、冷延、及び焼鈍の工程を経て、板厚0.4mm
冷延鋼板を製造した。
この冷延鋼板より、幅50mm、長さ70mmの試験
を切り出した後、#400までのエメリー紙を用
て片面に湿式研磨を施した。その後、研磨
上に0.1gのNiろうを置き、1100℃、5×10 -3
torrの真空雰囲気で10分加熱した後、常温まで
冷却し、加熱後の試験片のろう面積を測定し
た。
ろう付け性について、加熱前のろう面積に
して加熱後のろう面積が2倍以上あるときは
良(good)、2倍未満のときは不良(bad)とした。
その後、加熱後の試験片の断面ミクロ組織
観察した。圧延方向に平行に長さ20mmの範囲
にわたって、板厚方向に存在する結晶粒の数
を測定し、板厚方向に2個以上の結晶粒が存
するものを良(good)、1個しか存在しないもの
不良(bad)とした。
試験結果を表2に示す。
なお、表2中、(1)式は、Ti-3Nであり、(2)式は
10(Ti-3N)+Alである。また、表1,2中、下線部は
本発明の範囲外であることを示す。
本発明範囲内にあるNo.1~10の鋼は、ろうの ぬれ拡がり性が良好であると共に、結晶粒の 粗大化が抑制されている。(1)式と(2)式を共に 満足しないNo.11、No.12、及びNo.15の鋼、Alの範 が本発明から外れるNo.13の鋼、及び(2)式を 足しないNo.14の鋼は、いずれもろうのぬれ拡 がり性に劣っている。Nb量が本発明範囲外に るNo.11及びNo.14の鋼では、顕著な結晶粒の粗 大化が認められた。
本発明のろう付けに優れたフェライト系 テンレス鋼は、EGRクーラ、オイルクーラ、 動車や各種プラントで使用される熱交換器 、自動車尿素SCRシステムにおける尿素水タ ク、及び自動車のフューエルデリバリ系部 など形状が複雑な部品や、小型で精密な部 のように、ろう付け接合により製作される 材に好適である。
Next Patent: METHOD FOR MANUFACTURING SOLAR CELL, AND SOLAR CELL