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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-27
(45)【発行日】2024-07-05
(54)【発明の名称】フェライト系ステンレス鋼
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20240628BHJP
C22C 38/54 20060101ALI20240628BHJP
C21D 9/46 20060101ALN20240628BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 302Z
C22C38/54
C21D9/46 R
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2020177435
(22)【出願日】2020-10-22
(65)【公開番号】P2022068645
(43)【公開日】2022-05-10
【審査請求日】2023-06-23
(73)【特許権者】
【識別番号】503378420
【氏名又は名称】日鉄ステンレス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】濱田 尊仁
(72)【発明者】
【氏名】藤村 佳幸
【審査官】山本 佳
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１４／０９７５６２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開昭６３－１２８１５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１９９１０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／０７４４０５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－１７３０７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１７３０７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－１４７９４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０３６６７９３１（ＣＮ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０３１７３６８０（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２２Ｃ ３８／００ － ３８／６０
Ｃ２１Ｄ ９／４６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：０．０１～１．００％、Ｍｎ：０．０１～１．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：１５．０～２５．０％、Ａｌ：２．０～４．５％、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｎｂ：０．０２～０．５０％、Ｎ：０．０３０％以下、Ｂ：０．０００２～０．００５％、ＲＥＭ：０．００５～０．１２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記の式（１）および式（２）を満たす、フェライト系ステンレス鋼。
式（１）：１≦Ｎｂ／（５０×Ｂ）≦４
式（２）：４≦３×Ｎｂ＋５０×ＲＥＭ＋Ａｌ
（前記式（１）および前記式（２）における、Ｎｂ、Ｂ、ＲＥＭおよびＡｌは、それぞれの元素の質量％を表す。）
【請求項2】
室温におけるシャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ２以上である、請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼。
【請求項3】
Ｚｒ：０．５０％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｔｉ：０．５０％以下、Ｓｎ：０．２％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｈｆ：０．２０％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．０１５％以下、Ｙ：０．１％以下、およびＴａ：０．１％以下のうち１種以上をさらに含有する、請求項１または２に記載のフェライト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フェライト系ステンレス鋼に関する。より具体的には、高温での耐酸化特性および靭性に優れたフェライト系ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【0002】
高Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼は、耐高温酸化特性を有することから自動車、自転車の排ガス経路部材や燃焼機器、燃料電池部材などの用途に多く用いられている。
【0003】
特許文献１には、耐高温酸化性をさらに向上させた高Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼が開示されている。特許文献１に開示される高Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼は、１５～２５％のＣｒおよび４．５～６．０％のＡｌを含有する。さらに、添加するＭｎおよびＳｉの添加量を抑えることで低Ｍｎ化および低Ｓｉ化し、Ｍｏを必須元素として含有することにより高Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼の耐高温酸化特性を向上させている。
【0004】
特許文献２には、各種高温燃焼機器および自動車などの排ガス流路部位に使用される材料としての、フェライト系ステンレス鋼が開示されている。特許文献２では、過剰なＡｌによる靭性の劣化を抑制するためにＡｌの含有量を０．８８～１．５４％としており、ＮｂおよびＢを添加することにより、耐高温酸化特性を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特許第３３５１８３６号公報
【文献】特許第５８６６６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献１に開示される技術では、Ａｌの添加量を増やし、Ｍｏを必須元素とすることで優れた耐高温酸化性を有するものの、靭性が考慮されていないために熱延板の靭性が低下し、製造時に板を加温して通板するなどの付加工程が必要となる。これにより、ステンレス鋼の製造時のコストが上昇するという問題がある。
【0007】
また、自動車、自転車などに搭載される排ガス浄化用触媒の担体または触媒コンバータ燃焼ガス排気系の機器もしくは装置などの用途を企図した場合、通常０．０５～０．１ｍｍ程度の板厚が適用される。この場合、特許文献２に開示される技術では、Ａｌの添加率が２％を下回ることから、Ａｌ枯渇の観点から考えると、上記用途に必要な耐高温酸化特性を満足できない可能性がある。
【0008】
本発明の一態様は、低コストで製造できる、耐高温酸化特性および靱性に優れるフェライト系ステンレス鋼を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るフェライト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：０．０１～１．００％、Ｍｎ：０．０１～１．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：１５．０～２５．０％、Ａｌ：２．０～４．５％、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｎｂ：０．０２～０．５０％、Ｎ：０．０３０％以下、Ｂ：０．０００２～０．００５％、ＲＥＭ：０．００５～０．１２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記の式（１）および式（２）を満たす。
式（１）：１≦Ｎｂ／（５０×Ｂ）≦４
式（２）：４≦３×Ｎｂ＋５０×ＲＥＭ＋Ａｌ
（前記式（１）および前記式（２）における、Ｎｂ、Ｂ、ＲＥＭおよびＡｌは、それぞれの元素の質量％を表す。）
上記構成によれば、低コストで製造できる、耐高温酸化特性および靭性に優れるフェライト系ステンレス鋼を実現することができる。
式（１）：１≦Ｎｂ／（５０×Ｂ）≦４
式（２）：４≦３×Ｎｂ＋５０×ＲＥＭ＋Ａｌ
（前記式（１）および前記式（２）における、Ｎｂ、Ｂ、ＲＥＭおよびＡｌは、それぞれの元素の質量％を表す。）
上記構成によれば、低コストで製造できる、耐高温酸化特性および靭性に優れるフェライト系ステンレス鋼を実現することができる。
【0010】
また、本発明の一態様に係るフェライト系ステンレスは、室温におけるシャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ２以上である。
【0011】
上記構成によれば、所望の靭性を有するフェライト系ステンレス鋼を実現することができる。
【0012】
また、本発明の一態様に係るフェライト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｚｒ：０．５０％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｔｉ：０．５０％以下、Ｓｎ：０．２％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｈｆ：０．２０％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．０１５％以下、Ｙ：０．１％以下、およびＴａ：０．１％以下のうち１種以上をさらに含有する。
【0013】
上記構成によれば、耐高温酸化特性および靭性がさらに優れたフェライト系ステンレス鋼を実現することができる。
【0014】
本発明の一態様に係るフェライト系ステンレスは、エキゾーストマニホールド、センターパイプ、尿素ＳＣＲ、触媒担体部品等の自動車および二輪車用排ガス経路部材、バーナー燃焼筒、暖房機器であるチムニー、熱電気の発熱体、ならびに燃料電池の改質器、筐体および配管などの用途に好適に用いることができる。
【発明の効果】
【0015】
本発明の一態様によれば、低コストで製造でき、耐高温酸化特性および靱性に優れるフェライト系ステンレス鋼を実現することができる。
【発明を実施するための形態】
【0016】
〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。まず、本実施形態におけるフェライト系ステンレス鋼を構成する必須元素について説明する。本明細書において、「ステンレス鋼」との用語は、具体的な形状が限定されないステンレス鋼材を意味する。このステンレス鋼材としては、例えば、鋼板、鋼管、条鋼、などが挙げられる。なお、本明細書において、各成分元素の含有量の単位である「％」は、特に言及がない限り「質量％」を意味する。また、本出願において、「Ａ～Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下であることを示している。
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。まず、本実施形態におけるフェライト系ステンレス鋼を構成する必須元素について説明する。本明細書において、「ステンレス鋼」との用語は、具体的な形状が限定されないステンレス鋼材を意味する。このステンレス鋼材としては、例えば、鋼板、鋼管、条鋼、などが挙げられる。なお、本明細書において、各成分元素の含有量の単位である「％」は、特に言及がない限り「質量％」を意味する。また、本出願において、「Ａ～Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下であることを示している。
【0017】
（フェライト系ステンレス鋼の成分組成）
本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼は、鋼成分組成として、質量％でＣ：０．０３０％以下、Ｓｉ：０．０１～１．００％、Ｍｎ：０．０１～１．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：１５．０～２５．０％、Ａｌ：２．０～４．５％、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｎｂ：０．０２～０．５０％、Ｎ：０．０３０％以下、Ｂ：０．０００２～０．００５％、ＲＥＭ：０．００５～０．１２％を含有する。また、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼は、以下の式（１）および式（２）を満たす。
式（１）：１≦Ｎｂ／（５０×Ｂ）≦４
式（２）：４≦３×Ｎｂ＋５０×ＲＥＭ＋Ａｌ
これにより、高温酸化特性および靱性に優れるフェライト系ステンレス鋼が得られる。以下、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼に含まれる各元素の含有量の意義について説明する。なお、当該フェライト系ステンレス鋼は、以下に示す各成分以外は、鉄（Ｆｅ）、または不可避的に混入する少量の不純物（不可避的不純物）からなる。
本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼は、鋼成分組成として、質量％でＣ：０．０３０％以下、Ｓｉ：０．０１～１．００％、Ｍｎ：０．０１～１．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：１５．０～２５．０％、Ａｌ：２．０～４．５％、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｎｂ：０．０２～０．５０％、Ｎ：０．０３０％以下、Ｂ：０．０００２～０．００５％、ＲＥＭ：０．００５～０．１２％を含有する。また、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼は、以下の式（１）および式（２）を満たす。
式（１）：１≦Ｎｂ／（５０×Ｂ）≦４
式（２）：４≦３×Ｎｂ＋５０×ＲＥＭ＋Ａｌ
これにより、高温酸化特性および靱性に優れるフェライト系ステンレス鋼が得られる。以下、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼に含まれる各元素の含有量の意義について説明する。なお、当該フェライト系ステンレス鋼は、以下に示す各成分以外は、鉄（Ｆｅ）、または不可避的に混入する少量の不純物（不可避的不純物）からなる。
【0018】
＜Ｃ：炭素＞
Ｃは、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、Ｃは、含有量の増加に伴って、異常酸化が発生し易くなる。また、過度にＣを含有すると、スラブ及びホットコイルの靭性を劣化させ、熱間加工によって板材に加工することが困難になる。そのため、本発明の一態様では、Ｃの含有量の上限を０．０３０％に規定する。Ｃの含有量を０．０２０％以下とすると異常酸化発生の可能性をさらに低減し、加工性を向上させることができる。上記理由を鑑みた、Ｃのより好ましい含有量は、０．００２～０．０１０％である。
Ｃは、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、Ｃは、含有量の増加に伴って、異常酸化が発生し易くなる。また、過度にＣを含有すると、スラブ及びホットコイルの靭性を劣化させ、熱間加工によって板材に加工することが困難になる。そのため、本発明の一態様では、Ｃの含有量の上限を０．０３０％に規定する。Ｃの含有量を０．０２０％以下とすると異常酸化発生の可能性をさらに低減し、加工性を向上させることができる。上記理由を鑑みた、Ｃのより好ましい含有量は、０．００２～０．０１０％である。
【0019】
＜Ｓｉ：ケイ素＞
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として有効な元素であり、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、Ｓｉを過度に含有すると靭性および加工性を低下させる可能性がある。そのため、本発明の一態様では、Ｓｉの含有量は、０．０１～１．００％である。Ｓｉの含有量を０．０１～０．５０％、より好ましくは、０．０１～０．３０％とすることにより、脱酸剤としての効果、加工性がさらに向上する。
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として有効な元素であり、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、Ｓｉを過度に含有すると靭性および加工性を低下させる可能性がある。そのため、本発明の一態様では、Ｓｉの含有量は、０．０１～１．００％である。Ｓｉの含有量を０．０１～０．５０％、より好ましくは、０．０１～０．３０％とすることにより、脱酸剤としての効果、加工性がさらに向上する。
【0020】
＜Ｍｎ：マンガン＞
Ｍｎは、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、Ｍｎを過度に含有すると、フェライト相が不安定化するとともに、耐高温酸化性を低下させる可能性がある。そのため、本発明の一態様では、Ｍｎの含有量は、０．０１～１．００％である。Ｍｎの含有量を０．０１～０．５０％、より好ましくは０．０１～０．２０％とすることにより、腐食起点発生の可能性がより低減される。
Ｍｎは、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、Ｍｎを過度に含有すると、フェライト相が不安定化するとともに、耐高温酸化性を低下させる可能性がある。そのため、本発明の一態様では、Ｍｎの含有量は、０．０１～１．００％である。Ｍｎの含有量を０．０１～０．５０％、より好ましくは０．０１～０．２０％とすることにより、腐食起点発生の可能性がより低減される。
【0021】
＜Ｐ：リン＞
Ｐは、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、Ｐを過度に含有すると、耐酸化性および熱延板靭性が劣化する可能性がある。そのため、本発明の一態様では、Ｐの含有量は、０．０４０％以下と規定する。Ｐの含有量を０．０３０％以下とすることにより、加工性の劣化をより低減することができる。上記理由を鑑みた、Ｐのより好ましい含有量は、０．００５～０．０２５％である。
Ｐは、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、Ｐを過度に含有すると、耐酸化性および熱延板靭性が劣化する可能性がある。そのため、本発明の一態様では、Ｐの含有量は、０．０４０％以下と規定する。Ｐの含有量を０．０３０％以下とすることにより、加工性の劣化をより低減することができる。上記理由を鑑みた、Ｐのより好ましい含有量は、０．００５～０．０２５％である。
【0022】
＜Ｓ：硫黄＞
Ｓは、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、Ｓを過度に含有するとフェライト系ステンレス鋼においてＡｌ２Ｏ３皮膜の形成に悪影響を及ぼし、耐酸化性を劣化させる可能性がある。そのため、本発明の一態様では、Ｓの含有量は、０．０２０％以下と規定している。上記理由を鑑みた、Ｓのより好ましい含有量は、０．０００１～０．０１０％である。
Ｓは、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、Ｓを過度に含有するとフェライト系ステンレス鋼においてＡｌ２Ｏ３皮膜の形成に悪影響を及ぼし、耐酸化性を劣化させる可能性がある。そのため、本発明の一態様では、Ｓの含有量は、０．０２０％以下と規定している。上記理由を鑑みた、Ｓのより好ましい含有量は、０．０００１～０．０１０％である。
【0023】
＜Ｃｒ：クロム＞
Ｃｒは、フェライト系ステンレス鋼の耐高温酸化特性を向上させるために必要な基本的な合金元素である。所定量以上のＣｒを含有することにより、ステンレス鋼の表面に酸化皮膜が形成され、ステンレス鋼の酸化が抑制される。一方、過度のＣｒを含有すると、靭性が低下し、製造性が悪くなる。そのため、本発明の一態様では、Ｃｒの含有量を１５．０～２５．０％と規定している。Ｃｒの含有量を１６．０～２０．０％、より好ましくは１７．０～１９．０％とすることにより、酸化抑制効果および製造性をより向上させることができる。
Ｃｒは、フェライト系ステンレス鋼の耐高温酸化特性を向上させるために必要な基本的な合金元素である。所定量以上のＣｒを含有することにより、ステンレス鋼の表面に酸化皮膜が形成され、ステンレス鋼の酸化が抑制される。一方、過度のＣｒを含有すると、靭性が低下し、製造性が悪くなる。そのため、本発明の一態様では、Ｃｒの含有量を１５．０～２５．０％と規定している。Ｃｒの含有量を１６．０～２０．０％、より好ましくは１７．０～１９．０％とすることにより、酸化抑制効果および製造性をより向上させることができる。
【0024】
＜Ａｌ：アルミニウム＞
Ａｌは、フェライト系ステンレス鋼の耐高温酸化特性を向上させるために必要な基本的な合金元素である。所定量以上のＡｌを含有することにより、ステンレス鋼の表面にＡｌ２Ｏ３の酸化被膜が形成され、ステンレス鋼の酸化が抑制される。また、ＲＥＭまたはＹが添加される場合、当該酸化被膜が緻密になると共に下地鋼に対する密着性が向上し、異常酸化の発生が抑制される。一方、Ａｌを過度に含有すると、ステンレス鋼の靭性を劣化させ、製造性および加工性が悪くなる。そのため、本発明の一態様では、Ａｌの含有量を２．０～４．５％と規定する。Ａｌの含有量を３．０～３．７％、より好ましくは３．２～３．５％とすることにより、耐高温酸化特性および製造性をより向上させることができる。
Ａｌは、フェライト系ステンレス鋼の耐高温酸化特性を向上させるために必要な基本的な合金元素である。所定量以上のＡｌを含有することにより、ステンレス鋼の表面にＡｌ２Ｏ３の酸化被膜が形成され、ステンレス鋼の酸化が抑制される。また、ＲＥＭまたはＹが添加される場合、当該酸化被膜が緻密になると共に下地鋼に対する密着性が向上し、異常酸化の発生が抑制される。一方、Ａｌを過度に含有すると、ステンレス鋼の靭性を劣化させ、製造性および加工性が悪くなる。そのため、本発明の一態様では、Ａｌの含有量を２．０～４．５％と規定する。Ａｌの含有量を３．０～３．７％、より好ましくは３．２～３．５％とすることにより、耐高温酸化特性および製造性をより向上させることができる。
【0025】
＜Ｎｉ：ニッケル＞
Ｎｉは、フェライト系ステンレス鋼の耐食性を向上させる元素であり、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、Ｎｉを過度に含有すると、フェライト相が不安定化するとともに、材料コストが上昇する。そのため、本発明の一態様では、Ｎｉの含有量を０．５０％以下と規定している。Ｎｉの含有量を０．２０％以下とすることにより、過度の含有によるフェライト相の不安定化および製造コストの上昇を抑制することができる。上記理由を鑑みた、Ｎｉのより好ましい含有量は、０．０２～０．１０％である。
Ｎｉは、フェライト系ステンレス鋼の耐食性を向上させる元素であり、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、Ｎｉを過度に含有すると、フェライト相が不安定化するとともに、材料コストが上昇する。そのため、本発明の一態様では、Ｎｉの含有量を０．５０％以下と規定している。Ｎｉの含有量を０．２０％以下とすることにより、過度の含有によるフェライト相の不安定化および製造コストの上昇を抑制することができる。上記理由を鑑みた、Ｎｉのより好ましい含有量は、０．０２～０．１０％である。
【0026】
＜Ｎ：窒素＞
Ｎは、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、過度に含有すると鋼中のＡｌと結合し、ＡｌＮを形成して加速酸化の起点となる可能性がある。そのため、本発明の一態様では、Ｎの含有量は、０．０３０％以下と規定する。Ｎの含有量を０．０２０％以下とすることにより、硬質化の可能性をより低減することができる。上記理由を鑑みた、Ｎのより好ましい含有量は、０．００３～０．０１０％である。
Ｎは、本発明の一実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼における必須元素である。一方、過度に含有すると鋼中のＡｌと結合し、ＡｌＮを形成して加速酸化の起点となる可能性がある。そのため、本発明の一態様では、Ｎの含有量は、０．０３０％以下と規定する。Ｎの含有量を０．０２０％以下とすることにより、硬質化の可能性をより低減することができる。上記理由を鑑みた、Ｎのより好ましい含有量は、０．００３～０．０１０％である。
【0027】
＜Ｎｂ（ニオブ）、Ｂ（ホウ素）、ＲＥＭ（希土類元素）＞
Ｎｂは、高温強度確保のために添加する元素である。Ｎｂは、炭窒化物を生成するためにステンレス鋼の靭性を向上させる。さらにＮｂは、Ａｌ２Ｏ３皮膜の形成を促進させる効果がある。また、ステンレス鋼の再結晶を抑制し、結晶粒を微細化させることで粒界面積を広くする。一方、Ｎｂを過度に含有すると熱延板靭性が劣化する可能性がある。
Ｎｂは、高温強度確保のために添加する元素である。Ｎｂは、炭窒化物を生成するためにステンレス鋼の靭性を向上させる。さらにＮｂは、Ａｌ２Ｏ３皮膜の形成を促進させる効果がある。また、ステンレス鋼の再結晶を抑制し、結晶粒を微細化させることで粒界面積を広くする。一方、Ｎｂを過度に含有すると熱延板靭性が劣化する可能性がある。
【0028】
Ｂは、フェライト系ステンレス鋼を使用して製造された成形品の二次加工性および耐酸化性を向上させる元素である。一方、Ｂを過剰に含有させると、Ｂの化合物が介在物（不純物）となってしまう。
【0029】
ＲＥＭ（希土類元素、ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｍｅｔａｌｓ）とは、ランタノイド系元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍなど原子番号５７～７１の元素）をいう。ＲＥＭは、耐高温酸化性を向上させる元素である。所定量以上のＲＥＭを含有することによりＡｌ酸化皮膜を安定化させる。また母材と酸化物の密着性を改善することにより耐酸化性が向上する。一方、ＲＥＭを過度に含有すると、熱間圧延の際に表面欠陥が生じ、製造性が低下する。
【0030】
上記理由により、本発明の一態様では、Ｎｂの含有量を０．０２～０．５０％と規定する。Ｎｂの含有量を０．１５～０．２５％、より好ましくは、０．１０～０．２０％とすることにより、加工性の劣化の可能性をより低減することができる。また、Ｂの含有量を０．０００２～０．００５％と規定する。Ｂの含有量を０．０００２～０．００５％とすることにより、より介在物の存在を低減し、二次加工性を向上させることができる。また、ＲＥＭの含有量を、０．００５～０．１２％と規定する。ＲＥＭの含有量は、好ましくは０．０２～０．１０％であり、より好ましくは、０．０４～０．０８％である。
【0031】
上述の含有量の規定を満たし、さらにＮｂおよびＢの含有量が、上記式（１）を満足することにより、靭性がさらに向上することを見出した。これは、Ｂが、Ｎｂによって広くなった粒界へ偏析することにより粒界エネルギーを低下させるためであると考えられる。
【0032】
また、上述の含有量の規定を満たし、さらにＮｂ、ＲＥＭおよびＡｌの含有量が上記式（２）を満足することにより、酸化寿命が向上することを見出した。これは、Ｎｂが、Ａｌ２Ｏ３被膜の形成を促進させ、ＲＥＭが、Ａｌ２Ｏ３被膜を安定化させ、さらにＡｌ２Ｏ３被膜と母材との密着性を向上させるためであると考えられる。
【0033】
（その他の成分）
本発明の一態様に係るフェライト系ステンレス鋼は、上記以外の元素として、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、Ｔａのうち少なくとも１種の元素を含有してもよい。
本発明の一態様に係るフェライト系ステンレス鋼は、上記以外の元素として、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、Ｔａのうち少なくとも１種の元素を含有してもよい。
【0034】
＜Ｚｒ：ジルコニウム＞
Ｚｒは耐酸化性を向上させる元素である。一方、Ｚｒを過剰に添加すると鋼を硬質化して靭性の低下を招く可能性がある。そのため、本発明の一態様では、０．５０％以下のＺｒを含有してもよい。硬質化の低減などを考慮すると、Ｚｒの含有量は、０．０１～０．２０％であることがより好ましい。
Ｚｒは耐酸化性を向上させる元素である。一方、Ｚｒを過剰に添加すると鋼を硬質化して靭性の低下を招く可能性がある。そのため、本発明の一態様では、０．５０％以下のＺｒを含有してもよい。硬質化の低減などを考慮すると、Ｚｒの含有量は、０．０１～０．２０％であることがより好ましい。
【0035】
＜Ｖ：バナジウム＞
Ｖは加工性および溶接部靭性を向上させる元素である。一方、Ｖを過剰に添加すると熱延板靭性を劣化させる可能性がある。本発明の一態様では、０．５０％以下のＶを含有してもよい。硬質化の低減などを考慮すると、Ｖの含有量は０．０２～０．２０％であることがより好ましい。
Ｖは加工性および溶接部靭性を向上させる元素である。一方、Ｖを過剰に添加すると熱延板靭性を劣化させる可能性がある。本発明の一態様では、０．５０％以下のＶを含有してもよい。硬質化の低減などを考慮すると、Ｖの含有量は０．０２～０．２０％であることがより好ましい。
【0036】
＜Ｔｉ：チタン＞
Ｔｉは、Ｃおよび／またはＮと反応することにより、フェライト系ステンレス鋼を９００～１０００℃においてフェライト系単層にすることができる。一方、Ｔｉを過度に含有すると、Ａｌの酸化物中にＴｉＯ２を生成し、酸化寿命を劣化させる可能性がある。そのため、本発明の一態様では、０．５０％以下のＴｉを含有してもよい。加工性などを考慮すると、Ｔｉの含有量は０．００５～０．０３％であることがより好ましい。
Ｔｉは、Ｃおよび／またはＮと反応することにより、フェライト系ステンレス鋼を９００～１０００℃においてフェライト系単層にすることができる。一方、Ｔｉを過度に含有すると、Ａｌの酸化物中にＴｉＯ２を生成し、酸化寿命を劣化させる可能性がある。そのため、本発明の一態様では、０．５０％以下のＴｉを含有してもよい。加工性などを考慮すると、Ｔｉの含有量は０．００５～０．０３％であることがより好ましい。
【0037】
＜Ｓｎ：スズ＞
Ｓｎ（スズ）は、フェライト系ステンレス鋼の耐食性を向上させる元素である。一方、Ｓｎを過度に含有すると、加工性が低下し、かつ材料コストが上昇する。そのため、本発明の一態様では、０．２０％以下のＳｎを含有してもよい。加工性、コストなどを考慮すると、Ｓｎの含有量は０．００５～０．１０％であることがより好ましい。
Ｓｎ（スズ）は、フェライト系ステンレス鋼の耐食性を向上させる元素である。一方、Ｓｎを過度に含有すると、加工性が低下し、かつ材料コストが上昇する。そのため、本発明の一態様では、０．２０％以下のＳｎを含有してもよい。加工性、コストなどを考慮すると、Ｓｎの含有量は０．００５～０．１０％であることがより好ましい。
【0038】
＜Ｃｕ：銅＞
Ｃｕは、フェライト系ステンレス鋼の耐食性を向上させる元素である。一方、Ｃｕを過度に含有すると、耐酸化性や熱間加工性の低下を招く可能性がある。そのため、本発明の一態様では、１．０％以下のＣｕを含有してもよい。材料コストなどを考慮すると、Ｃｕの含有量は０．０１～０．１％であることがより好ましい。
Ｃｕは、フェライト系ステンレス鋼の耐食性を向上させる元素である。一方、Ｃｕを過度に含有すると、耐酸化性や熱間加工性の低下を招く可能性がある。そのため、本発明の一態様では、１．０％以下のＣｕを含有してもよい。材料コストなどを考慮すると、Ｃｕの含有量は０．０１～０．１％であることがより好ましい。
【0039】
＜Ｍｏ：モリブデン＞
Ｍｏは、耐食性を向上させる元素である。一方、Ｍｏを過度に含有すると硬質化し、靭性が低下するとともに材料コストが上昇する。そのため、本発明の一態様では、１．０％以下のＭｏを含有してもよい。加工性、材料コストなどを考慮すると、Ｍｏの含有量は０．０１～０．１％であることがより好ましい。
Ｍｏは、耐食性を向上させる元素である。一方、Ｍｏを過度に含有すると硬質化し、靭性が低下するとともに材料コストが上昇する。そのため、本発明の一態様では、１．０％以下のＭｏを含有してもよい。加工性、材料コストなどを考慮すると、Ｍｏの含有量は０．０１～０．１％であることがより好ましい。
【0040】
＜Ｗ：タングステン＞
Ｗは、高温強度確保のために添加する元素である。一方、Ｗを過度に含有すると、熱延板靭性を劣化させるとともに材料コストが上昇する。そのため、本発明の一態様では、１．０％以下のＷを含有してもよい。材料コストなどを考慮すると、Ｗの含有量は０．０１～０．１％であることがより好ましい。
Ｗは、高温強度確保のために添加する元素である。一方、Ｗを過度に含有すると、熱延板靭性を劣化させるとともに材料コストが上昇する。そのため、本発明の一態様では、１．０％以下のＷを含有してもよい。材料コストなどを考慮すると、Ｗの含有量は０．０１～０．１％であることがより好ましい。
【0041】
＜Ｈｆ：ハフニウム＞
Ｈｆは、耐酸化性を向上させる元素である。一方、Ｈｆを過度に含有すると、熱延板靭性を低下させるとともに材料コストが上昇する。そのため、本発明の一態様では、０．２０％以下のＨｆを含有してもよい。靭性および材料コストを考慮すると、Ｈｆの含有量は０．００１～０．１０％であることがより好ましい。
Ｈｆは、耐酸化性を向上させる元素である。一方、Ｈｆを過度に含有すると、熱延板靭性を低下させるとともに材料コストが上昇する。そのため、本発明の一態様では、０．２０％以下のＨｆを含有してもよい。靭性および材料コストを考慮すると、Ｈｆの含有量は０．００１～０．１０％であることがより好ましい。
【0042】
＜Ｍｇ：マグネシウム＞
Ｍｇは、溶鋼中でＡｌとともにＭｇ酸化物を形成して脱酸剤として作用する。一方、Ｍｇを過度に含有すると鋼の靭性が低下して製造性が低下する。そのため、本発明の一態様では、０．０１５％以下のＭｇを含有してもよい。上記理由を鑑みた、Ｍｇの好ましい含有量は、０．０００２～０．００８０％である。
Ｍｇは、溶鋼中でＡｌとともにＭｇ酸化物を形成して脱酸剤として作用する。一方、Ｍｇを過度に含有すると鋼の靭性が低下して製造性が低下する。そのため、本発明の一態様では、０．０１５％以下のＭｇを含有してもよい。上記理由を鑑みた、Ｍｇの好ましい含有量は、０．０００２～０．００８０％である。
【0043】
＜Ｃａ：カルシウム＞
Ｃａは、熱間加工性を向上させる元素である。一方、Ｃａを過度に含有すると、鋼の靭性が低下して製造性が低下する。そのため、本発明の一態様では、０．０１５％以下のＣａを含有してもよい。上記理由を鑑みた、Ｃａの好ましい含有量は、０．０００１～０．００８０％である。
Ｃａは、熱間加工性を向上させる元素である。一方、Ｃａを過度に含有すると、鋼の靭性が低下して製造性が低下する。そのため、本発明の一態様では、０．０１５％以下のＣａを含有してもよい。上記理由を鑑みた、Ｃａの好ましい含有量は、０．０００１～０．００８０％である。
【0044】
＜Ｙ：イットリウム＞
Ｙは、溶鋼の粘度を減少させ、清浄度を向上させる元素である。一方、Ｙを過度に含有すると、その効果は飽和し、さらに加工性が低下する。そのため、本発明の一態様では、０．１％以下のＹを含有してもよい。加工性などを考慮すると、Ｙの含有量は、０．０５％以下であることが好ましい。上記理由を鑑みた、Ｙのより好ましい含有量は、０．００１～０．０５％である。
Ｙは、溶鋼の粘度を減少させ、清浄度を向上させる元素である。一方、Ｙを過度に含有すると、その効果は飽和し、さらに加工性が低下する。そのため、本発明の一態様では、０．１％以下のＹを含有してもよい。加工性などを考慮すると、Ｙの含有量は、０．０５％以下であることが好ましい。上記理由を鑑みた、Ｙのより好ましい含有量は、０．００１～０．０５％である。
【0045】
＜Ｔａ：タンタル＞
Ｔａは、鋼の洗浄度および耐酸化性を向上させる元素である。一方、Ｔａを過度に含有すると、靭性を低下させるとともに材料コストが上昇する。そのため、本発明の一態様では、０．１％以下のＴａを含有してもよい。靭性および材料コストを考慮すると、Ｔａの含有量は、０．０５％以下であることが好ましい。上記理由を鑑みた、Ｔａのより好ましい含有量は、０．００１～０．０３％である。
Ｔａは、鋼の洗浄度および耐酸化性を向上させる元素である。一方、Ｔａを過度に含有すると、靭性を低下させるとともに材料コストが上昇する。そのため、本発明の一態様では、０．１％以下のＴａを含有してもよい。靭性および材料コストを考慮すると、Ｔａの含有量は、０．０５％以下であることが好ましい。上記理由を鑑みた、Ｔａのより好ましい含有量は、０．００１～０．０３％である。
【0046】
（発明の効果のまとめ）
フェライト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：０．０１～１．００％、Ｍｎ：０．０１～１．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：１５．０～２５．０％、Ａｌ：２．０～４．５％、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｎｂ：０．０２～０．５０％、Ｎ：０．０３０％以下、Ｂ：０．０００２～０．００５％、ＲＥＭ：０．００５～０．１２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記の式１および式２を満たす。
式（１）：１≦Ｎｂ／（５０×Ｂ）≦４
式（２）：４≦３×Ｎｂ＋５０×ＲＥＭ＋Ａｌ
（式１および式２における、Ｎｂ、Ｂ、ＲＥＭおよびＡｌは、それぞれの元素の質量％を表す。）
上記構成によれば、Ｎｂ、ＲＥＭおよびＡｌの含有量が上記式（２）を満足することにより、酸化寿命が向上する。また、ＮｂおよびＢの含有量が、上記式（１）を満足することにより、靭性が向上する。酸化寿命だけではなく、靭性を向上させることにより、製造時に加温して通板するなどの付加工程を行う必要がなくなるため、製造コストを抑制することができる。すなわち、上記構成によれば、低コストで製造できる、耐高温酸化特性および靭性に優れるフェライト系ステンレス鋼を実現することができる。
フェライト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：０．０１～１．００％、Ｍｎ：０．０１～１．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：１５．０～２５．０％、Ａｌ：２．０～４．５％、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｎｂ：０．０２～０．５０％、Ｎ：０．０３０％以下、Ｂ：０．０００２～０．００５％、ＲＥＭ：０．００５～０．１２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記の式１および式２を満たす。
式（１）：１≦Ｎｂ／（５０×Ｂ）≦４
式（２）：４≦３×Ｎｂ＋５０×ＲＥＭ＋Ａｌ
（式１および式２における、Ｎｂ、Ｂ、ＲＥＭおよびＡｌは、それぞれの元素の質量％を表す。）
上記構成によれば、Ｎｂ、ＲＥＭおよびＡｌの含有量が上記式（２）を満足することにより、酸化寿命が向上する。また、ＮｂおよびＢの含有量が、上記式（１）を満足することにより、靭性が向上する。酸化寿命だけではなく、靭性を向上させることにより、製造時に加温して通板するなどの付加工程を行う必要がなくなるため、製造コストを抑制することができる。すなわち、上記構成によれば、低コストで製造できる、耐高温酸化特性および靭性に優れるフェライト系ステンレス鋼を実現することができる。
【0047】
また、本発明の一態様に係るフェライト系ステンレスは、室温におけるシャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ２以上である。
【0048】
上記構成によれば、所望の靭性を有するフェライト系ステンレス鋼を実現することができる。
【0049】
また、本発明の一態様に係るフェライト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｚｒ：０．５０％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｔｉ：０．５０％以下、Ｓｎ：０．２％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｈｆ：０．２０％以下、Ｍｇ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．０１５％以下、Ｙ：０．１％以下、およびＴａ：０．１％以下のうち１種以上をさらに含有する。
【0050】
上記構成によれば、耐高温酸化特性および靭性がさらに優れたフェライト系ステンレス鋼を実現することができる。
【0051】
〔実施例〕
（鋼材の製造）
本発明のフェライト系ステンレス鋼の物性を評価するために、発明例鋼種および比較例鋼種として、下記の表１に示す成分を原料とするフェライト系ステンレス鋼を製造した。表１において、鋼種Ｎｏ．１～１６は、本発明の範囲において作製した、本発明例としてのフェライト系ステンレス鋼である。また、表１において、鋼種Ｎｏ．１７～２７は、本発明の範囲外の条件で作製した、比較例としてのフェライト系ステンレス鋼である。表１に示す鋼種の鋼材を製造するにあたり、まず、表１に示す成分の鋼を真空溶解し、３０ｋｇのスラブを製造した。当該スラブを１２３０℃で２時間加熱後、熱間圧延を施して、板厚３ｍｍの熱延板を作成した。得られた熱延板を、９００～１０５０℃の間で焼鈍し、熱延焼鈍板を作成した。得られた熱延焼鈍板に対し、冷間圧延および焼鈍をそれぞれ３回実施し、板厚５０μｍの冷延板を製造した。なお、冷間圧延後の焼鈍は全て９００～１０５０℃で行った。また、本実施例に記載の製造方法は一例であり、製造方法を限定するものではない。
（鋼材の製造）
本発明のフェライト系ステンレス鋼の物性を評価するために、発明例鋼種および比較例鋼種として、下記の表１に示す成分を原料とするフェライト系ステンレス鋼を製造した。表１において、鋼種Ｎｏ．１～１６は、本発明の範囲において作製した、本発明例としてのフェライト系ステンレス鋼である。また、表１において、鋼種Ｎｏ．１７～２７は、本発明の範囲外の条件で作製した、比較例としてのフェライト系ステンレス鋼である。表１に示す鋼種の鋼材を製造するにあたり、まず、表１に示す成分の鋼を真空溶解し、３０ｋｇのスラブを製造した。当該スラブを１２３０℃で２時間加熱後、熱間圧延を施して、板厚３ｍｍの熱延板を作成した。得られた熱延板を、９００～１０５０℃の間で焼鈍し、熱延焼鈍板を作成した。得られた熱延焼鈍板に対し、冷間圧延および焼鈍をそれぞれ３回実施し、板厚５０μｍの冷延板を製造した。なお、冷間圧延後の焼鈍は全て９００～１０５０℃で行った。また、本実施例に記載の製造方法は一例であり、製造方法を限定するものではない。
【表1】
【0052】
表１には、各鋼種に含まれる成分の組成が質量％で示されている。なお、表１に示す各成分以外の残部は、Ｆｅまたは不可避的に混入する少量の不純物である。また、表１には、各鋼種について上記式（１）および上記式（２）に基づいて算出した値が示されている。表１中の下線は、本発明の比較例に係る各ステンレス鋼に含まれる各成分の範囲が、本発明の範囲外であることを示している。
【0053】
（熱延板靭性評価試験）
以下では、表１に示した本発明例および比較例に対して実施した熱延板靭性評価試験について説明する。まず本評価試験に用いる試験片を、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４２（２０１８））のＶノッチ試験片に基づき作製した。板厚の調整は、鋼材の製造において説明した板厚３ｍｍの熱延板を、板厚２．５ｍｍまで表面切削することにより行った。試験片の長手方向が圧延方向と平行となるように鋼板から試験片を採取した。また、圧延方向と垂直になるように試験片にノッチを入れた。
以下では、表１に示した本発明例および比較例に対して実施した熱延板靭性評価試験について説明する。まず本評価試験に用いる試験片を、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４２（２０１８））のＶノッチ試験片に基づき作製した。板厚の調整は、鋼材の製造において説明した板厚３ｍｍの熱延板を、板厚２．５ｍｍまで表面切削することにより行った。試験片の長手方向が圧延方向と平行となるように鋼板から試験片を採取した。また、圧延方向と垂直になるように試験片にノッチを入れた。
【0054】
本評価試験は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４２（２０１８））に基づいて実施した。本評価試験を室温（２３℃±２℃）で、各鋼種につき５本ずつ実施し、シャルピー衝撃値（吸収エネルギー）を求めた。なお、本評価試験では、（株）東京衝機製造所製のＩＣ－３０Ｂ型シャルピー衝撃試験機を用いた。この結果を以下の表２に示す。表２の熱延板靭性の判定において、「〇（良好）」は、シャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ２以上であり、「×（不良）」は、シャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ２未満であることを示している。
【0055】
（耐高温酸化特性評価試験）
以下では、表１に示した本発明例および比較例に対して実施した耐高温酸化特性について説明する。まず、表１に示した鋼種ごとに、鋼材の製造において説明した板厚５０μｍの冷延板から、幅２０ｍｍ、長さ２５ｍｍの試験片を３枚採取した。当該試験片を１０５０℃の大気雰囲気下に４００時間供し、３枚の平均酸化増量を測定した。本耐高温酸化特性評価試験は、エレマ電気炉を用いて実施した。この結果を以下の表２に示す。表２の耐高温酸化特性の判定において、「〇（良好）」は、平均酸化増量が１ｍｇ／ｃｍ２以下であり、「×（不良）」は、１ｍｇ／ｃｍ２を超えていたことを示している。
以下では、表１に示した本発明例および比較例に対して実施した耐高温酸化特性について説明する。まず、表１に示した鋼種ごとに、鋼材の製造において説明した板厚５０μｍの冷延板から、幅２０ｍｍ、長さ２５ｍｍの試験片を３枚採取した。当該試験片を１０５０℃の大気雰囲気下に４００時間供し、３枚の平均酸化増量を測定した。本耐高温酸化特性評価試験は、エレマ電気炉を用いて実施した。この結果を以下の表２に示す。表２の耐高温酸化特性の判定において、「〇（良好）」は、平均酸化増量が１ｍｇ／ｃｍ２以下であり、「×（不良）」は、１ｍｇ／ｃｍ２を超えていたことを示している。
【表2】
【0056】
表２に示されるように、発明例鋼種Ｎｏ．１～１６は全て、耐高温酸化性特性および熱延板靭性について、上記基準を満たした。比較例鋼種Ｎｏ．１７～２７は、耐高温酸化性特性および熱延板靭性のいずれかまたは両方において、上記基準を満たさなかった。
【0057】
すなわち、本発明の範囲内のフェライト系ステンレス鋼は、耐高温酸化特性および靱性に優れることが実証された。
【0058】
本発明は、自動車および二輪車用の排ガス経路部材、バーナー燃焼筒、暖房機器であるチムニー、熱電気発電の発熱体、ならびに燃料電池の改質器、筐体および配管などの用途に好適に用いられる。上記排ガス経路部材の具体例としては、エキゾーストマニホールド、センターパイプ、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction：選択触媒還元）などが挙げられる。このような用途においては、上述の耐高温酸化特性評価試験の結果より、本発明のフェライト系ステンレス鋼は、５０μｍの板厚であっても耐高温酸化特性が基準を満たすことが実証された。
【0059】
なお、フェライト系ステンレス鋼の板厚について、特に限定はしないが、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、３ｍｍ以下の冷延板もしくは冷延焼鈍板において、耐高温酸化特性および靭性の向上効果を有し得る。製造性を考慮すると、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の好ましい板厚は０．４ｍｍ～１．５ｍｍである。また、加工性を考慮した場合、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の好ましい板厚は、０．０２ｍｍ～０．４ｍｍである。
【0060】
（付記事項）
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。