专利名称：排气通路部件用铁素体类不锈钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及以排气歧管、催化转化器壳(外壳)、前管、中心管为代表的排气通路部件所使用的铁素体类不锈钢及应用它们的汽车排气通路部件。
背景技术：
排气歧管、催化转化器壳、前管、中心管等的排气通路部件，多使用耐热性良好的 SUS444系材料。另外，作为改善超过700°C高温区域的耐高温氧化性及高温强度的材料，在专利文献1、2中公开有添加了 1 2质量％左右的Cu的铁素体类不锈钢。钢中的Cu通过加热作为Cu相析出，有使高温强度和热疲劳特性提高的作用。这种含有Cu的钢特别适合于与排气温度高的类型的发动机连接的排气通路部件。专利文献1 国际公开第03/004714号小册子专利文献2 特开2006-117985号公报近年的汽车发动机的排气通路部件伴随安装于发动机周围的各种装置的增加而收容于有限空间中的必要性提高，且实施严格的加工而使用的情况增多。因此，即使应用于排气温度不那么高的发动机的部件中，也要求具备优异的热疲劳特性，且要求具有优异的低温韧性。作为改善铁素体类不锈钢的高温强度和热疲劳特性的方法，公知的有上述专利文献1、2所述的添加适量Cu的方法，尤其是在专利文献2中采用的以提高超过700°C的高温区域的高温强度为目的含Nb量最大达到0. 6质量％的方法。但是，根据本发明人详细的调查表明，专利文献1、2的含有Cu的钢在最高到达温度高的情况下的热疲劳特性(例如200 900°C)良好，但是，关于最高到达温度低的情况下的热疲劳特性(例如200 7500C )有时比SUS444系材料稍差。因此，专利文献1、2的钢对于安装有排气温度高的高输出发动机的车的应用是有利的，但是，对于安装有排气温度比较低的小型发动机的车的应用不太适合。另外，即使是高输出发动机，根据使用方法不同排气温度会变动，因此，作为排气通路部件在最高到达温度低的情况下也希望使用呈现良好的热疲劳特性的材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁素体类不锈钢，其即使用于最高到达温度高的情况和低的情况的任一排气通路部件都呈现优异的热疲劳特性，且低温韧性也优异。如上所述，最高到达温度为例如高达900°C以上的情况下的热疲劳特性通过利用Cu相的析出而得到改善。但是，进一步研究的结果表明，对于最高到达温度为例如低至 750°C以下的情况下的热疲劳特性可以通过控制Nb的析出形态来改善。即，通过控制Cu相和Ni化合物相的析出形态，能够实现可与最高到达温度高的情况和低的情况两者都能够对应的铁素体类不锈钢。本发明提供一种排气通路部件用不锈钢，其中，以质量％计，包含C :0. 03%以下、Si 以下、Mn 1. 5%以下、Ni :0. 6%以下、Cr 10 20%、Nb 大于0. 5 小于等于 0. 7%、Ti :0. 05 0. 3%、Cu 大于 1 小于等于 2%、V :0. 2% 以下、N :0. 03% 以下、B 0. 0005 0. 02%、还根据需要含有Al 0. 以下、或者还合计含有4%以下范围的Mo、W、 Zr、Co的一种以上，剩余部分为狗及不可避免的杂质，且具有根据下述(1)式定义的[Ti] 值，用下述(2)式或(3)式定义的[Nb]值为0. 5 0. 65范围的组成，并具有将长径0. 5 μ m 以上的Cu相调整为10个/25 μ m2以下、且将长径0. 5 μ m以上的Nb化合物相调整为10个 /25 μ m2以下的组织。[Ti] = Ti-4(C+N)......(1)[Ti]彡 0 时，[Nb] = Nb......(2)[Ti] < 0 时，[Nb] = Nb+0. 5[Ti]......(3)在(1)式的Ti、C、N的位置及⑵式、(3)式的Nb的位置，代入以质量％表示的该元素的含量值。作为该排气通路部件，例如汽车的排气歧管、催化转化器、前管、中心管为合适的对象。当然，作为汽车以外的各种排气通路部件也可以使用。根据本发明，能够实现同时改善了最高到达温度高的情况下的热疲劳特性(例如 200 900°C )和最高到达温度低的情况下的热疲劳特性(例如200 750°C )的铁素体类不锈钢。因此，本发明的铁素体类不锈钢作为排气通路部件能够广泛使用于自高排气温度使用的情况至低排气温度使用的情况。另外，该钢材具备汽车排气通路部件要求的基本的耐热性(耐高温氧化性、高温强度)，低温韧性也优异，因此，作为被要求严酷的加工条件的最近的排气通路部件极其有用。
具体实施例方式本发明的钢是含有Cu和Nb的钢，在实际的使用环境中形成Cu相和Nb化合物相的不同种类的析出相，由此，无论在最高到达温度高的情况还是低的情况都发挥优异的热疲劳特性。各种研究的结果表明，在满足后述的组成的钢中，呈现将长径0. 5 μ m以上的Cu相调整为10个/25 μ m2以下、且将长径0. 5 μ m以上的Nb化合物相调整为10个/25 μ m2以下的组织状态时，通过使用时的加热充分引起微细析出物的形成，带来热疲劳特性的显著改善。换言之，Cu相及Nb化合物相的长径0. 5 μ m以上的析出相在原材料中都预先以超过10 个/25 μ m2的密度大量存在时，通过加热不能充分生成微细的析出相，不能期待稳定的热疲劳特性的改善效果。另外，在Cu或Nb偏离后述的规定而过多地含有的情况下，即使在原材料中存在粗大的Cu相和Nb化合物相，有时只要能够生成微细的析出相，则也能够改善热疲劳特性。但是，该情况下，由于粗大的析出相存在，从而导致低温韧性降低等弊端，因此不优选。Cu相是所谓的称为ε -Cu的析出相，它容易在一个方向成长，因此通常成为杆状的形状。Nb化合物相是以!^e2Nb为主体的析出物，含有Mo的情况一般成为F%(M0，Nb)的形态。该Nb化合物相也容易在一个方向成长，因此通常成为杆状的形状。因此，这些析出相的尺寸根据长径进行评价较为妥当。具体而言，只要采用透射型电子显微镜(TEM)的观察像中显现的析出物的长径(与观察面的投影长度相当)作为在此所说的长径即可。是Cu 相还是Nb化合物相可以应用TEM中具备的分析装置(EDX等)来鉴别。另外，Nb碳化物、 Nb氮化物在此从所谓的Nb化合物相中除去。碳化物及氮化物多呈块状或球状，从其形状能够比较容易地和!^e2Nb型析出相区分。在难以从形状区分的情况下，可以应用上述的分析装置(EDX等)来鉴别。在使用时的最高到达温度为900°C或比其高的情况下，通过该加热，Cu充分地再固溶，主要在500 700°C析出微细的Cu相。由此，能够改善重复加热的疲劳特性(即热疲劳特性)。另一方面，最高到达温度低至750°C左右以下重复加热的情况下，Cu没有充分地再固溶。因此，不能充分获得Cu相的微细析出产生的热疲劳特性的改善效果。在本发明中，通过Nb化合物相的微细析出补充只通过Cu相不能充分改善的最高到达温度低的情况的热疲劳特性。Nb化合物相通过700 750°C的加热在极短时间内带来了析出强化。判明该短时间内的析出强化现象显著改善200 750°C这样范围内的热疲劳特性。对于该机制现在还有许多不明白之处，但是，通过Nb化合物相产生的短时间的析出强化，重复加热初期的棘轮(，工7卜)变形及压缩应力带来的膨胀被抑制，这可推断为对最高到达温度低的情况下的热疲劳特性的有利作用。下面，对成分组成进行说明。C及N —般而言是对提高蠕变强度等高温强度有效的元素，但是，过多含有时，氧化特性、加工性、低温韧性、可焊性降低。在本发明中，C、N都限制在0.03质量％以下。Si对耐高温氧化性的改善有效。另外，在焊接时和气氛中的氧结合，呈现防止氧向钢中的侵入的作用。但是，Si含量过多时硬度上升，导致加工性、低温韧性降低。在本发明中，Si含量限制在1质量％以下，例如，也可以限制为0. 1 0. 6质量％。Mn改善耐高温氧化性，尤其是改善耐氧化皮剥离性。另外，和Si同样在焊接时和气氛中的氧结合，呈现防止氧向钢中的侵入的作用。但是，过多添加损害加工性、可焊性。另外，Mn是奥氏体稳定化元素，因此，大量添加时容易生成马氏体相，成为加工性等降低的主要原因。因此，Mn含量限制为1.5质量％以下，更优选设定为1.3质量％以下。例如，也可以规定为0. 1 小于1质量％。Ni是奥氏体稳定元素，过多含有时和Mn同样，导致马氏体相的生成，成为加工性等降低的主要原因。Ni含量允许至多0.6质量％。Cr稳定铁素体相，并且，有助于对高温材料所重视的耐氧化性的改善。但是，过多地含有Cr导致钢材的脆化及加工性降低。因此，Cr含量设定为10 20质量％。Cr含量优选按照材料的使用温度调整。例如，要求最高到950°C的优异的耐高温氧化性的情况下希望Cr含量为16质量％以上，若是最高到900°C则可以在12 16质量％范围内。Nb是用于确保超过700°C的高温区域中的高温强度的非常有效的元素。认为对于该高温强度的提高而言在本组成体系中Nb的固溶强化发挥大的作用。另外，Nb固定C、N， 也有效地防止韧性降低。这些Nb的作用为以往一般的作用，在本发明中，还利用Nb化合物相的微细析出，实现在最高到达温度低至750°C左右以下的情况下热疲劳特性的提高(前述)。为了充分得到这种Nb的作用，需要确保大于0. 5质量％的Nb含量，确保大于0. 6质量％的Nb的含量更有效。但是，添加过多的Nb导致加工性降低，低温韧性降低、焊接高温裂纹敏感性增大，因此Nb含量限制为0. 7质量％以下。
另一方面，Nb容易与C、N结合。Nb作为碳化物、氮化物被消费时，固溶Nb带来的高温强度的提高及Nb化合物相带来的热疲劳特性的提高不充分。因此，根据用下述(1)式定义的[Ti]值，定义了用下述( 式或C3)式定义的[Nb]值，即有效Nb量。[Ti] = Ti-4(C+N)......(1)[Ti]彡 0 时，[Nb] = Nb......(2)[Ti] < 0 时，[Nb] = Nb+0. 5[Ti]......(3)在确保能与C、N结合的量以上的Ti含量时，即有效Ti量[Ti]为0以上时，可以如(2)式那样将Nb含量的值直接作为有效Nb量[Nb]采用。另一方面，有效Ti量[Ti]比 0小时，需要确保补充有效Ti量部分的Nb含量，如(3)式那样比Nb含量小的值也用作有效 Nb 量[Nb]。在本发明中，Nb含量在大于0. 5 小于等于0. 7质量％范围内，还将有效Nb量 [Nb]限定在0.5 0.65的范围内。即，在极狭窄的范围内严格规定Nb含量，不仅高温强度、低温韧性，而且对提高在最高到达温度低的情况下的热疲劳特性也是重要的。Ti 一般固定C、N，对成形性的改善及防止韧性降低是有效的。尤其是在本发明中， 如上述那样从确保有效Nb量的观点来看，对Ti含量也需要严格的管理。具体而言，Ti含量需要确保0. 05质量％以上。但是，添加过多的Ti导致TiN大量生成引起的表面性状的劣化，另外，可焊性、低温韧性也受到不良影响。因此，Ti含量规定为0. 05 0. 3质量％。Al是脱氧剂，还是改善耐高温氧化性的元素。在本发明中，可以以0.1质量％以下的范围含有Al。含有过多的Al在焊接时形成大量的氧化物，有时作为加工裂纹的起点产生作用。Cu在提高高温强度方面是重要元素。即，在本发明中如上所述，利用Cu相的微细分散析出现象，尤其是提高在最高到达温度高至900°C以上的情况下的500 700°C的强度。因此，需要大于1质量％的Cu含量。但是，过多的Cu含量使加工性、低温韧性、可焊性降低，因此，Cu含量限制为2质量％以下。V和Nb、Cu的复合添加有助于高温强度的提高。另外，利用和Nb的共存改善加工性、低温韧性、耐晶界腐蚀敏感性、焊接热影响部分的韧性。但是，过多添加时反而导致加工性、低温韧性下降，因此，以0. 2质量％以下的范围含有V。V含量理想设定为0. 01 0. 2 质量％的范围，更优选设定为0. 03 0. 15质量％。B对改善二次加工脆性有效。其机制推测为晶界固溶C的减少和晶界强化导致的。 但是，添加过多的B会使制造性和可焊性劣化。在本发明中，含有的B在0. 0005 0. 02质
量％范围内。M0、W、Zr、C0对提高本组成体系的铁素体类不锈钢的高温强度有效，根据需要可以添加它们的一种或多种。但是，大量添加会导致钢的脆化，因此，添加这些元素时，其合计含量为4质量％以下。以合计含量为0. 5 4质量％的范围的方式添加更有效。具有以上组成的铁素体类不锈钢可以通过一般的不锈钢的制钢工艺进行熔炼，之后，通过例如“热轧一退火一酸洗”工序、或还进行一次或多次“冷轧一退火一酸洗”工序，制成板厚例如为1 2. 5mm左右的退火钢板。但是，在最终退火中，在Nb的析出温度区域和 Cu的析出温度区域重要的是分别设定为适当的冷却速度。例如，作为最终退火条件可以采用以下的条件将钢材在950 1100°C优选1000 1100°C加热后，将Nb化合物相的析出温度区域即1000 700°C的平均冷却速度(加热温度小于1000°c时从该加热温度到700°C 的平均冷却速度)设定为大于30 100°C /秒，将Cu相的析出温度即700 400°C的平均冷却速度设定为5 50°C /秒。通过上述的组成调整和这种热处理条件，能够得到调整为长径0. 5 μ m以上的Cu相为10个/25 μ m2以下、且长径0. 5 μ m以上的Nb化合物相为10个 /25 μ m2以下的组织状态的钢材(退火钢板)。在此，所谓“最终退火”是在钢材的制造阶段进行的最后的退火。使用该退火钢板制作排气通路部件。在管状部件的情况下，将上述退火钢板轧制成形规定的管形状，通过焊接原材料的对接部制造钢管，得到焊接钢管。作为焊接方法可以使用TIG焊接、激光焊接、高频焊接等公知的制管焊接方法。得到的钢管根据需要经过热处理工序及酸洗工序后，加工成形为排气通路部件。实施例熔炼表1所示组成的铁素体类不锈钢，通过“热轧一退火 酸洗一冷轧一退火 酸洗”工序，得到板厚2mm的退火钢板。另外，使用铸造板坯的一部分通过热锻造制作直径约 25mm的圆棒，将其进行最终退火。板材的最终退火及棒材的最终退火除No. 19钢以外，都以 10500C X均热1分钟保持后，从1000°C到700°C的平均冷却速度为大于30 100°C /秒的范围，且从700°C到400°C的平均冷却速度为5 50°C /秒的范围为条件进行。No. 19钢除了以从1000°C到700°C的平均冷却速度为10 20°C /秒的范围的方式控制以外，以和其它
例同样的条件进行最终退火(板材、棒材都是同样的条件)。
权利要求
1.排气通路部件用不锈钢，其中，以质量％计，包含C:0. 03%以下、Si 以下、Mn: 1. 5% 以下、Ni :0. 6% 以下、Cr 10 20%、Nb 大于 0. 5 小于等于 0. 7%、Ti :0. 05 0. 3%,Cu 大于1 小于等于2%,V 0. 2%以下、N :0. 03%以下、B :0. 0005 0. 02%、剩余部分为i^e及不可避免的杂质，且具有根据下述(1)式定义的[Ti]值，用下述( 式或(3) 式定义的[Nb]值为0.5 0.65范围的组成，并具有将长径0.5μπι以上的Cu相调整为10 个/25 μ m2以下、且将长径0. 5 μ m以上的Nb化合物相调整为10个/25 μ m2以下的组织，[Ti] = Ti-4 (C+N)......(1)[Ti]彡 0 时，[Nb] = Nb......(2)[Ti] < 0 时，[Nb] = Nb+0. 5[Ti]......(3)。
2.权利要求1所述的排气通路部件用不锈钢，其中，所述钢的组成还含有0.1质量％以下的Al。
3.权利要求1或2所述的排气通路部件用不锈钢，其中，所述钢的组成还含有合计4% 以下量的Mo、W、&、Co中的一种以上。
4.权利要求1 3任一项中所述的排气通路部件，其中，该排气通路部件为汽车的排气歧管、催化转化器、前管和中心管的任一种。
全文摘要
本发明提供一种排气通路部件用铁素体类不锈钢，其以质量％计，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％、还根据需要含有Al0.1％以下、或还合计含有4％以下范围的Mo、W、Zr、Co的一种以上，剩余部分为Fe及不可避免的杂质，且具有长径0.5μm以上的Cu相及Nb化合物相都为10个/25μm2以下的组织。该不锈钢即使用于最高到达温度高的类型和低的类型的任一排气通路部件都呈现优异的热疲劳特性，且低温韧性也优异。
文档编号F01N13/16GK102392194SQ20111031962
公开日2012年3月28日 申请日期2008年1月31日 优先权日2007年2月2日
发明者奥学, 富田壮郎 申请人:日新制钢株式会社