专利名称：热疲劳特性优良的汽车排气系统构件用铁素体不锈钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于消声器、排气歧管等汽车排气系统构件的热疲劳特性优良的铁素体不锈钢。
背景技术：
由于对环境问题的兴趣越来越高，因而强烈要求改善汽车燃料费用的经济性以及减轻车体的重量，进而热切期望净化汽车尾气。在这样的背景之下，汽车用排气系统构件一直在使用不锈钢，其中作为承受最高温度的构件之一的排气歧管由于要反复经受最高到1000℃左右的升温和到常温的降温，因而必须具有优良的耐热性，特别是优良的热疲劳特性。
近年来，排气歧管的使用温度的高温化有所发展，正在进行适应温度可以达到950℃的钢种的开发。例如特开平06-100990号公报中公开了涉及一种含有Cr18～22％、Mo1.0～2.0％、Nb0.1～1.0％的不锈钢的发明。目前作为适应950℃的排气歧管材料，可以使用在JIS标准中称之为SUS444的19％Cr-2％Mo基等铁素体不锈钢。
铁素体不锈钢优良的高温强度一般认为起因于钢中所含有的Nb和Mo的固溶强化。然而，如果长时间暴露在高温下，则固溶的Nb、Mo会作为析出物而析出，因而固溶量减少，高温强度下降，发生所谓热疲劳特性下降的现象。作为能够防止这样的高温强度下降的发明，特许第3021656号公报中公开了通过复合添加Nb和Ti抑制Nb析出的发明。
另外，平泽等人在CAMP-ISIJ Vol.16(2003)p544中，报道了在14％Cr-Mo-Nb铁素体不锈钢中，将Si含量从0.9％向0.35％减少时，固溶Mo增加，高温强度上升。
另外，在特许第3242007号公报中公开了涉及耐高温氧化性(Oxide Scale Resistance)优良的汽车排气系统构件用铁素体不锈钢的发明。该种钢通过低Si化来提高耐高温氧化性。
但是，业已判明即使采用上述的特许第3021656号公报所公开的发明，也不能充分解决高温时效后高温强度的下降、热疲劳特性的下降这样的问题。
另外还有一个问题，上述平泽等人的文章CAMP-ISIJ Vol.16(2003)p544中所涉及的高温强度是初始高温强度，该文献所记载的发明对于热疲劳特性没有提出任何解决方法。
另外，在所述特许第3242007号公报中，不仅对于热疲劳特性没有任何说明，而且该文献所记载的发明所涉及的钢由于没有添加Al、仅含少量的Si，且几乎不含脱氧元素，因而存在着非常难以脱氧以及精确控制成分的课题。
发明内容
于是，本发明的目的在于提供一种适用于汽车排气系统构件、特别是排气歧管的热疲劳特性优良的铁素体不锈钢。
为了解决上述课题，本发明的要点如下(1)一种热疲劳特性优良的汽车排气系统构件用铁素体不锈钢，其特征在于，其以质量百分比计含有C0.020％或以下、 Si0.02～0.15％、Mn0.05～0.20％、 P0.040％或以下、S0.010％或以下、 Al0.005～0.10％、N0.020％或以下、 Cr15～18％、Mo1.5～2.0％、Ti3×(C+N)～0.25％、Nb0.4～0.8％、B0.0003～0.0050％其中所述C、N满足C+N0.030％或以下的关系，所述Al、Si、Mn满足Al×(Si+Mn)0.001～0.020的关系；而且余量为Fe和不可避免的杂质。
(2)上述第(1)项所述的热疲劳特性优良的汽车排气系统构件用铁素体不锈钢，其特征在于900℃下300小时的大气中热处理之前的900℃下的0.2％屈服强度(又称0.2％屈服应力)为20MPa或以上，该热处理之后的900℃下的0.2％屈服强度为15MPa或以上，该热处理之前和之后的0.2％屈服强度之差为5MPa或以下。
图1表示16％Cr-1.8％Mo-0.45％Nb-0.15％Ti基铁素体不锈钢在900℃下进行直至300小时的热处理时，其处理时间和Si含量对高温强度(900℃下的0.2％屈服强度)的影响。
具体实施例方式
下面就实施本发明的最佳技术方案和限定条件进行详细的说明。
本发明者对作为汽车排气系统构件、特别是最高温度达到1000℃左右的排气歧管用构件具有最佳特性的材料进行了研究。作为排气歧管材料所要求的特性是耐热性(高温强度、耐氧化性)和加工性。
高温强度不仅要看初期强度，而且希望在经历了热过程之后高温强度也不会下降。然而在耐热铁素体不锈钢中，通常通过固溶Nb和Mo来保证高温强度，当暴露于高温环境时，这些Nb、Mo将会析出，主要是固溶量减少，其结果是不可避免地发生高温强度下降的现象。加工性必须达到能够将排气歧管成型为所需要的形状的程度。
本发明者对最适合用作排气歧管的材料进行了研究，结果当Cr-Mo-Nb-Ti铁素体不锈钢暴露于约900℃的高温环境下时，确认了以下事项1)由于含有Ti，因而Nb系碳氮化物的生成受到抑制，但是不能抑制含有Nb、Mo的莱维氏相(Laves phase)Fe2(Nb、Mo)的生成。
2)含有Mo时，含有Nb、Mo的莱维氏相Fe2(Nb、Mo)的析出显著。
3)含有Si时，含有Nb、Mo的莱维氏相Fe2(Nb、Mo)的析出显著。
也就是说已经发现，在含有Nb、Mo的体系中，为了防止因Nb、Mo的析出而引起的固溶量的下降，除添加Ti外，控制Si含量是有利的。进而如图1所示，用16％Cr-1.8％Mo-0.45％Nb-0.15％Ti基中Si含量分别为0.06％、0.30％、0.90％的3种钢种，进行了900℃下的直至300小时的时效试验。其结果，试验前作为初期强度的900℃的0.2％屈服强度，0.06％Si、0.30％Si的钢种大致相同，0.90％Si的钢种稍低。时效300小时后的900℃的0.2％屈服强度，0.06％Si的钢种最高，0.30％Si、0.90％Si的钢种依次降低，与初期强度的差值是，0.06％Si的钢种较小，为3MPa，0.30％Si的钢种为6MPa，0.90％Si的钢种下降了8MPa之多。
从以上结果可以知道，使Si含量从0.30％下降到0.06％，初期强度相同，而时效后的高温强度较高，即热疲劳特性优良。
为了尽可能限制Si含量，必须使用其它脱氧元素即Mn和Al，但是，由于Mn会使氧化皮成长，因此也必须尽量降低Mn含量。另外Al含量增多时，因内部氧化所引起的高温疲劳强度会下降，因而也不能添加太多。因为用低Si、Mn和Al脱氧是非常困难的，所以本发明者以Al的添加为基础，研究了优化的Al、Si和Mn之间的关系，结果发现通过将用Al×(Si+Mn)表示的关系式控制在一定范围内，用通常的转炉或二次精炼就能够充分脱氧，并且成分偏差减少。
进而本发明者还发现添加B能够提高热疲劳特性。一般认为这与B在晶界偏析、从而抑制了曝露于高温环境时的晶粒生长有关。
根据以上的研究结果，本发明者认为，使用Cr-Mo-Nb-Ti作为排气歧管用材料时，优选尽可能控制Si含量，并添加Al和B，经过进一步详细的研究完成了本发明。
下面说明关于各成分的限定条件。
C是钢中所含有的不可避免的杂质，但其使加工性、耐蚀性变差，因而最好尽可能少。虽然作为碳氮化物固定下来可以消除有害作用，但为了尽可能降低该固定元素Ti的添加量，便将C含量的上限设定为0.020％。另外，当C含量低于0.002％时，精炼方面的成本增加，因而下限可以设定为0.002％或以上。
Si是提高耐氧化性的元素，在耐热不锈钢中通常添加0.3～1％左右。但是本发明者新发现Si具有使热疲劳特性退化的效果。图1中示出了900℃下时效0～300小时后的900℃下的0.2％屈服强度，虽然热处理前0.06％Si的钢和0.30％Si的钢在900℃下的初期强度大致相同，但时效后的高温强度的下降，0.06％Si的钢较小，为3MPa或以下，0.30％Si的钢下降了8MPa之多。很明显，热疲劳特性因Si含量的降低而得以提高。
因此，考虑到上述情况，本发明将Si的上限设定为0.15％以提高热疲劳特性。另外，使Si含量低于0.02％将增加精炼方面的成本，因而下限设定为0.02％。如果希望进一步提高热疲劳特性，Si含量优选设定为0.02％～0.10％。
Mn是钢中不可避免地含有的成分，高温中具有使氧化皮量增加的效果，因而最好尽可能减少Mn含量。另外，使Mn减少时也可以期待加工性的提高。因此Mn的上限设定为0.2％或以下。使Mn量低于0.05％将增加精炼方面的成本，因而下限设定为0.05％。
P是钢中不可避免地含有的成分，如果含量超过0.040％，其焊接性将降低，因而上限设定为0.040％。
S是钢中不可避免地含有的成分，如果含量超过0.010％，会形成MnS而使耐蚀性下降，因而上限设定为0.010％。
Al作为脱氧元素是非常有用的。本发明中为了将Si控制在非常低的水平，必须添加作为脱氧元素的Al。为了进行充分的脱氧，脱氧后的钢中的Al量必须设定为0.005％或以上。但是过多添加时会使加工性变差，同时因内部氧化所产生的高温疲劳强度将会下降，因而其上限设定为0.10％。
N是钢中含有的不可避免的杂质，和C同样使加工性变差以及使焊接性下降，因而最好尽可能少，将其设定为0.020％或以下。使N量低于0.005％将增加精炼方面的成本，因而下限可以设定为0.005％或以上。
Cr是形成有保护性的Cr2O3膜而使耐氧化性提高的元素。由于本发明中要尽可能使Si含量少，因此Cr量最低必须为15％以维持耐氧化性。另外Cr含量超过18％时加工性会下降，因而是不优选的，将其上限设定为18％。
Mo是本发明中确保高温强度的必要元素。而且也具有提高耐氧化性和耐蚀性的效果。因而添加的范围是1.5％～2.0％。这是因为不足1.5％将不能获得充分的高温强度，而添加超过2.0％将使加工性变差。
本发明中的Ti将C、N作为碳氮化物固定下来的能力比Nb还高，因此Ti的作用是能够抑制对高温强度有效的昂贵的Nb的消耗。添加量低于3×(C+N)％时，其效果较差，超过0.25％时加工性变差，因而是不优选的。
Nb是与Mo一起确保高温强度的必要元素。此外还有与Ti一起将C和N作为碳氮化物固定下来的功能。但是，Nb量低于0.4％时不能确保所需要的高温强度，而超过0.8％时，即便再添加也不能使高温强度增加，而只会使加工性变差，因此Nb的添加量设定为0.4％～0.8％。
B也对改善热疲劳特性有利，因而需要添加。一般认为其原因在于B在晶界偏析，当曝露于高温中时，可抑制晶粒生长。另外，B还有改善二次加工性的效果。但是B量低于0.0003％时不能表现上述效果，而添加超过0.0050％时一次加工性变差，因而是不优选的。
关于C、N，当C+N量超过0.03％时，加工性下降，因而将该值设定为上限。本发明中，将C和N作为碳氮化物固定下来主要消耗Ti，Nb也与C、N形成碳氮化物。但是，为了提高高温强度，Nb必须以固溶Nb的形态存在，为防止固溶Nb量的下降，最好尽可能使C+N量低，C+N量更优选为0.015％或以下。
再者，为了使脱氧充分进行，应将Al、Si、Mn中Al×(Si+Mn)的值设定为0.001～0.020。该值低于0.001时，脱氧元素不足，不能进行充分的脱氧，并且成分的偏差也增大，因而是不优选的。而超过0.020时，Al、Si、Mn的含量太大，热疲劳特性或高温疲劳强度、耐氧化性等变差，因而是不优选的。
成分经如上所述调整的本发明的钢具有优良的高温强度和极其优良的热疲劳特性。900℃下300小时的大气中热处理前的900℃下的0.2％屈服强度为20MPa或以上，该热处理后的900℃下的0.2％屈服强度为15MPa或以上，该热处理前后的0.2％屈服强度之差为5MPa或以下。900℃下的0.2％屈服强度低于20MPa时，初期高温强度不足，用于排气歧管是不优选的，900℃下300小时的大气中热处理后的900℃下的0.2％屈服强度低于15MPa时，作为构件在使用中容易发生形变等，因而也是不优选的。热处理前后之差超过5MPa时，初期强度即便在20MPa或以上，其作为构件在使用中的强度下降较大，容易发生形变等，因而也是不优选的。
本发明的制造条件没有特别限定，优选在以下的条件下进行。
本发明的钢受制于脱氧元素，因此优选使用转炉-二次精炼、或真空熔化炉进行熔化。进而经过热轧-热轧板退火-冷轧-退火和酸洗各工序将具有所希望的成分的板坯或钢锭做成制品。根据需要也可以省略热轧板退火，也可以重复冷轧、退火和酸洗工序。
以下用实施例进一步详细说明本发明。
实施例1用真空熔化炉熔炼具有表1所示化学成分的50kg钢锭，从1150℃加热到1280℃，进行热轧以得到板厚为5mm的热轧板。此时的热轧开始温度是1100℃～1250℃，热轧结束温度是800℃～900℃。之后将热轧板从900℃加热到1000℃，保持60秒进行热轧板退火。进而实施冷轧，作成2mm厚的冷轧板后，加热到1050℃，保持60秒进行最终退火，把经氢氟酸酸洗得到的钢板作为试验钢。
首先对上述的试验钢进行热处理前的常温拉伸试验和高温拉伸试验。高温拉伸试验在900℃下进行。进而对试验钢进行900℃下300小时的大气中热处理后，测定900℃下的高温强度，评价其热疲劳特性。
作为加工性的指标使用常温的伸长率。常温的拉伸试验以JIS Z2241为基准进行。测定的试验片的方向是轧制方向(L方向)，以其总伸长值为常温伸长率(E1)。使用的试验片全部是JIS Z 2201所规定的13B号试验片。另外，高温强度的指标设定为900℃下的0.2％屈服强度(PS)，高温拉伸试验以JIS G 0567为基准进行。高温拉伸试验的试验片的方向是轧制方向(L方向)。所归纳的常温拉伸试验和高温拉伸试验的结果如表2所示。
从A钢到C钢是以16.5％Cr-1.8％Mo-0.45％Nb-0.15％Ti钢为基础，只改变Si含量的试验钢。
本发明钢的A钢的常温伸长率为30％或以上，热处理前的初期高温强度显示22MPa的良好值，900℃下300小时热处理后的高温强度也在高达19MPa，热处理前后之差只有3MPa，表现出优良的热疲劳特性。
与此相反，Si为0.3％的比较钢B钢，尽管初期强度为22MPa，但热处理后的高温强度为16MPa，从初期高温强度下降了6MPa。进而Si含量较多的比较钢C钢，初期高温强度就变低，并且热处理后的高温强度也相当低，为10MPa，从初期高温强度的强度下降也非常大，为10MPa。
在本发明的范围内改变成分的D钢和E钢，初期高温强度为20MPa或以上，热处理后的高温强度为15MPa或以上，热处理前后的高温强度之差为5MPa或以下，表现出优良的热疲劳特性。
下面说明从比较钢F钢到N钢的结果。
F钢由于C、N高而Ti少，因而在碳氮化物的固定方面消耗了部分Nb，初期高温强度较低。脱氧元素非常少的G钢，脱氧不充分，常温伸长率低，为29％。Al和Al×(Si+Mn)高的H钢，伸长率低，为29％，此外热处理后的强度下降幅度大，900℃下的高温疲劳强度与本发明钢相比下降了30％或以上。另外，没有添加B的I钢，初期强度很充分，当热处理后的强度下降较大，而B太多的J钢，常温伸长率低，为29％，并且加工性差。Cr量少的K钢，在900℃、300小时的热处理中氧化皮剥落比本发明的钢多，耐氧化性差。而Cr多的L钢，常温伸长率低，为28％。Mo少的M钢，高温强度低，Mo多的N钢，常温伸长率值低，为28％。
从以上结果可以知道，本发明的铁素体不锈钢具有优良的热疲劳特性。
如上所述，根据本发明，可以提供一种适用于汽车排气系统构件、特别是排气歧管的热疲劳特性优良的铁素体不锈钢，因此不仅对制造者、而且对本钢的利用者来说，都能够获得很大的好处。
表1 (质量％)
表2
权利要求
1.一种热疲劳特性优良的汽车排气系统构件用铁素体不锈钢，其特征在于，其以质量百分比计含有C0.020％或以下、Si0.02～0.15％、Mn0.05～0.20％、P0.040％或以下、S0.010％或以下、Al0.005～0.10％、N0.020％或以下、Cr15～18％、Mo1.5～2.0％、 Ti3×(C+N)～0.25％、Nb0.4～0.8％、 B0.0003～0.0050％其中所述C、N满足C+N0.030％或以下的关系，所述Al、Si、Mn满足Al×(Si+Mn)0.001～0.020的关系；而且余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的热疲劳特性优良的汽车排气系统构件用铁素体不锈钢，其特征在于900℃下300小时的大气中热处理之前的900℃下的0.2％屈服强度为20MPa或以上，所述热处理之后的900℃下的0.2％屈服强度为15MPa或以上，所述热处理之前和之后的0.2％屈服强度之差为5MPa或以下。
全文摘要
本发明提供一种热疲劳特性优良的汽车排气系统构件用铁素体不锈钢，其特征在于，其以质量百分比计含有C0.020％或以下、Si0.02～0.15％、Mn0.05～0.20％、P0.040％或以下、S0.010％或以下、Al0.005～0.10％、N0.020％或以下、Cr15～18％、Mo1.5～2.0％、Ti3×(C+N)～0.25％、Nb0.4～0.8％、B0.0003～0.0050％。其中所述C、N满足C+N0.030％或以下的关系，所述Al、Si、Mn满足Al×(Si+Mn)0.001～0.020的关系；而且余量为Fe和不可避免的杂质。另外本发明的钢的特征还在于900℃下300小时的大气中热处理之前的900℃下的0.2％屈服强度为20MPa或以上，该热处理之后的900℃下的0.2％屈服强度为15MPa或以上，该热处理之前和之后的0.2％屈服强度之差为5MPa或以下。
文档编号C22C38/32GK1683583SQ20051006379
公开日2005年10月19日 申请日期2005年4月4日 优先权日2004年4月2日
发明者井上宜治, 菊池正夫, 梶村治彦, 平出信彦, 田中健久, 鹫见洋介 申请人:新日铁住金不锈钢株式会社, 丰田自动车株式会社