[发明专利]耐氧化皮剥离性优异的铁素体系不锈钢板以及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及最适合用于特别需要高温强度和抗氧化性的汽车排气系部件的耐热性不锈钢中耐氧化皮剥离性特别优异的铁素体系不锈钢板以及其制造方法。

本申请基于2012年2月15日在日本申请的日本特愿2012-030141号以及2013年2月14日在日本申请的日本特愿2013-27127号主张优先权，在此援引其内容。

背景技术

就汽车的排气歧管、前管以及中心管等排气系部件而言，为了使由发动机排出的高温的排气通过，要求构成排气系部件的材料具有抗氧化性、高温强度、热疲劳特性等多种特性。

以往，汽车排气系部件通常使用铸铁，但从加强排气限制、提高发动机性能、车身轻量化等观点考虑，开始使用不锈钢制的排气歧管。排气温度根据车辆种类而不同，近年来多为750～850℃左右，但有时也会达到更高温的温度。期望在以这样的温度区域长时间使用的环境中具有高的高温强度、抗氧化性的材料。

在不锈钢中，奥氏体系不锈钢的耐热性和加工性优异，但热膨胀系数大，因此当将其用于像排气歧管这样反复受到加热和冷却的部件时，容易发生热疲劳破坏。

铁素体系不锈钢与奥氏体系不锈钢相比，热膨胀系数小，因此热疲劳特性优异。而且，铁素体系不锈钢与奥氏体系不锈钢相比，几乎不含昂贵的Ni，因此材料成本也低廉，从而被广泛使用。但是，铁素体系不锈钢与奥氏体系不锈钢相比，高温强度低，因此开发了使高温强度提高的技术。

例如有SUS430J1L(Nb添加钢)、Nb-Si添加钢、SUS444(Nb-Mo添加钢)，这些钢是以添加Nb为基础并通过添加Si、Mo而使高温强度提高的钢。其中，SUS444由于添加2％左右的Mo，因此强度最高，但加工性差，并且含有大量昂贵的Mo，因此存在成本高这样的问题。

因此，除了上述合金以外，还对各种添加元素进行了研究。专利文献1～4还公开了利用了Cu的固溶强化、通过Cu析出物(ε-Cu相)进行的沉淀强化的Cu添加技术。

但是，添加Cu存在使抗氧化性降低这样的问题。抗氧化性是指：在不引起异常氧化的情况下氧化增量少以及耐氧化皮剥离性良好这两方面。

当对不锈钢进行了加热时，在表面上生成以Cr₂O₃为主体的保护性高的氧化皮。当来自母材的Cr供给相对于维持保护性高的氧化皮所需的Cr消耗不足时，Fe被氧化。此时，生成的含有大量Fe的氧化物的氧化速度非常快。因此，氧化急速进行，显著地侵蚀母材。将上述情况称为异常氧化。

专利文献5推测了由于添加Cu而导致抗氧化性降低的原因。Cu是奥氏体形成元素，随着氧化的进行，表层部的Cr降低，由此仅在表层部促进由铁素体相向奥氏体相相变。奥氏体相与铁素体相相比，Cr扩散慢，因此奥氏体相成为表层部，由此从母材向氧化皮的Cr供给被阻碍。据推测表层部由此而变得Cr缺乏，抗氧化性劣化。因此，专利文献5公开了如下的技术：将铁素体形成元素和奥氏体形成元素相互调整，抑制奥氏体相，由此改善抗氧化性。

但是，即便形成不引起异常氧化的良好的氧化皮，但若例如氧化皮在汽车排气系等的冷却过程中发生剥离，则仍然是问题。若氧化皮发生剥离，则加热时气氛中的氧接触钢基材，氧化会急速进行。若不能完全地进行氧化皮的修复，则可能会成为异常氧化的原因。另外，若剥离后的氧化皮飞散，则有可能会引起下游设备的腐蚀或由于氧化皮的堆积而造成的流道闭塞等问题。

汽车的排气系部件中的氧化皮剥离大多是在钢基材与氧化物的热膨胀差大的情况下或由于反复进行加热和冷却而发生的，据认为热应力为主要因素。铁素体系不锈钢与奥氏体系不锈钢相比，与氧化皮的热膨胀差小，因此在耐氧化皮剥离性上有优势。另外，在铁素体系不锈钢之中，还开发了各种使耐氧化皮剥离性提高的技术。

专利文献6公开了如下的方法：为了大量形成具有以Cr₂O₃为主体的氧化物与钢基材之间的热膨胀率且包含Mn的尖晶石系的氧化物以使氧化皮的粘附性变好，对Mn/Si比进行调整，但当Si浓度以质量％计为0.80％～1.20％时，与常规的铁素体系不锈钢相比需要极度地提高Si浓度，有可能会损害加工性。另外，没有公开氧化皮厚度及氧化皮/钢基材界面形状与耐氧化皮剥离性之间的关系。

专利文献7公开了微量添加Al而使氧化皮以“生根”的方式固着的方法，但当Si浓度以质量％计为0.80％～1.50％时，与常规的铁素体系不锈钢相比需要极度地提高Si浓度，有可能会损害加工性。另外，没有公开氧化皮厚度与耐氧化皮剥离性之间的关系。