寶鋼汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼產(chǎn)品開發(fā)

1、寶鋼汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼產(chǎn)品開發(fā)【摘要】最近幾年，隨著對全球環(huán)境問題的關注，汽車燃油的經(jīng)濟性和汽車尾氣排放的等級化要求不斷提高，鐵素體不銹鋼更多用于汽車排氣系統(tǒng)零部件。歐美及日本汽車幾乎全部使用超純鐵素體不銹鋼用于排氣系統(tǒng)零部件制造。本文介紹了汽車排氣系統(tǒng)的構成、各部件的性能要求及寶鋼汽車用不銹鋼的產(chǎn)品開發(fā)?！娟P鍵詞】 鐵素體不銹鋼，汽車排氣系統(tǒng)，腐蝕Ferritic Stainless Steel Development of Baosteel for Aautomobile Exhaust System Abstract: In recent years, with attention p

2、aid to global environmental problems, there have been requirements for continuous improvement of automobile fuel economy and exhaust gas purification rate. The parts of automobile exhaust system in Europe, United states and Japan have been made of Ultra-purity ferritic stainless steels(FSS) for low

3、cost and high properties. This paper introduces the construction of automotive exhaust systems and commonly used stainless steels are introduced and describes fertitic stainless steel development of Baosteel for automobilr exhaust system. Key words: Ferritic stainless steel, Automobile Exhaust syste

4、m, Corrosion1. 前言 最近幾年，我國汽車工業(yè)獲得快速發(fā)展，2009年汽車產(chǎn)量已經(jīng)達到130萬輛，其中乘用車將近1000萬輛，對汽車用鋼的需求是空前的，其中也包括不銹鋼材料。隨著汽車排放等級化及為實現(xiàn)節(jié)能而開展的汽車減重等要求的進一步提高，傳統(tǒng)排氣系統(tǒng)用鑄造金屬和鍍鋁碳鋼材料已經(jīng)不能滿足要求，不銹鋼材料特別是高性能的鐵素體不銹鋼材料得到了廣泛應用。國際上從上世紀70年代開始就針對汽車尾氣排放提出了嚴格的強制措施，促進了不銹鋼在汽車排氣系統(tǒng)中的采用。日本、美國、歐洲等廣泛采用了不銹鋼制作汽車排氣系統(tǒng)。主要材料為304不銹鋼。90年年代開始，隨著不銹鋼冶煉技術的進步，特別是EF+AOD

5、+VOD三步法冶煉超純鐵素體不銹鋼冶煉技術的快速提高，使鐵素體不銹鋼中的C+N含量已經(jīng)可以控制在200ppm以內(nèi)，有利改善了鐵素體不銹鋼的腐蝕性能，再加上鐵素體不銹鋼固有的高導熱性和低的熱膨脹性能，使鐵素體不銹鋼在汽車排氣系統(tǒng)中的應用得到進一步提高。汽車排氣系統(tǒng)主要由排氣歧管、前管、轉換器、中管、消音器和尾管等組成(圖1)1，不同部位對材料有不同性能要求。排氣系統(tǒng)材料的服役環(huán)境可大體分為低溫端（中管、消音器、尾管）和中高溫端（前管、歧管）。前者主要以冷凝液腐蝕失效為主；而中高溫端以高溫氧化、高溫疲勞及高溫鹽損等失效為主。同時，對材料的成形性能也提出了較高要求。表1給出了汽車排氣系統(tǒng)部件的服役溫

6、度范圍及對材料性能的要求2在過去的30年中，歐洲和日本大量開發(fā)并已經(jīng)形成了并廣泛應用于汽車尾氣排放系統(tǒng)的低鉻和中高鉻系列鐵素體不銹鋼，不銹鋼用量已近100%。主要生產(chǎn)廠以JFE、NSS、NSSC、POSCO及 ARCELOR等為代表。其中，低鉻系列如SUH409L等，中鉻系列則有SUS429，SUS432L，SUS439L，SUS436L，SUS441等。按照使用環(huán)境溫度來說，低溫-中溫部位用不銹鋼產(chǎn)品有SUH409L、SUS439L、SUS432L，SUS436L等，用于中高溫的鋼種主要有SUS436L、SUS429、SUS441，SUS434等（表1）。409系列的低鉻鐵素體不銹鋼因為兼具

7、經(jīng)濟性和實用性的優(yōu)點，使用最為廣泛，使用量約占整個汽車排氣系統(tǒng)的5060%。中鉻的鐵素體不銹鋼系列、特別是添加了合金元素Mo的SUS436L等耐蝕性得到進一步提高。中鉻的SUS439因為具有比409L更好的耐腐蝕性能及比436L更低的制造成本，受到主機廠青睞。表2給出了排氣系統(tǒng)不同部件的鋼種使用情況。圖1：汽車排氣系統(tǒng)組成示意圖零部件岐 管前管軟 管催化轉換器中管消聲器尾管殼體支撐件Temp.95075080060010001200600400400100特性要求高溫強度熱疲勞高溫氧化成型性高溫強度熱疲勞高溫鹽蝕成型性高溫強度高溫鹽損高溫氧化熱沖擊高溫鹽損冷凝液腐蝕晶間腐蝕主要鋼種SUS429

8、SUS441SUS434SUS304SUS321SUSXM15J1（0CR19Ni13）SUH409LSUS429SUS432LSUH2120Cr-5AlCeramicsSUH409L，SUS439LSUS432L，SUS436LSUH409LSUS439LSUS432L SUS436L表1：汽車排氣系統(tǒng)不同部位性能要求及推薦鋼種2. 寶鋼汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼產(chǎn)品開發(fā)寶鋼不銹鋼產(chǎn)線于2004年4月投產(chǎn)，2005年開始了汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼SUH409L的產(chǎn)品開發(fā)，2006年獲得了德國大眾的產(chǎn)品認證并出口海外。2007年，針對中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，寶鋼適時推出了汽車用不銹鋼系列產(chǎn)品開發(fā)，經(jīng)過3

9、年的國產(chǎn)化工作，目前寶鋼已經(jīng)開發(fā)了包括SUH409L，B409M，B432L，B429，B436L，B439M，B441，B444M2及B443NT等在內(nèi)的目前市場應用的鐵素體不銹鋼及常規(guī)的SUS304奧氏體不休鋼，廣泛應用于國內(nèi)合資品牌和自主品牌汽車。國產(chǎn)化取得了重要進展。2.1高溫端用鐵素體不銹鋼性能要求汽車排氣系統(tǒng)的岐管和前管所處環(huán)境溫度可以達到750900°C，局部可能達到950°C，對材料的高溫性能如高溫強度和高溫疲勞性能要求較高。汽車排氣歧管早期使用的主要是耐熱鑄鐵，但隨著排放等級提高，發(fā)動機性能的提高，排氣溫度上升，且由于對減輕零部件重量的需要，特別是針對三元

10、催化裝置的使用，使用鐵素體不銹鋼岐管可以快速提高催化效率。 排氣歧管所用的不銹鋼有奧氏體系不銹鋼和鐵素體系不銹鋼。奧氏體系不銹鋼的高溫強度好，但容易發(fā)生氧化皮剝落，因此在抗氧化性方面不如鐵素體系不銹鋼。另一方面，鐵素體系不銹鋼的抗氧化性好，但高溫強度略遜于奧氏體系不銹鋼。但熱膨脹系數(shù)小的鐵素體系不銹鋼在熱疲勞特性方面是有利的。表二給出了兩類不銹鋼的主要性能對比。目前通過合金化技術，特別是通過添加Mo及Nb等合金化，可以顯著提高鐵素體不銹鋼高溫強度，鐵素體不銹鋼完全滿足汽車高溫端使用要求。表2：典型奧氏體和鐵素體不銹鋼的物理性能比較鋼種熱傳導率（W/m/）線膨脹系數(shù)（10-6/）屈服強度/抗拉強

11、度（Mpa）SUS30414-1616-18240/580SUS44126-2810-12280/5302.2 高溫端用鐵素體不銹鋼鋼種及性能目前用于高溫端的鐵素體不銹鋼主要有429，441，434及444，其中日系車主要使用429及444， 歐美系主要適用441和434。針對上述產(chǎn)品，寶鋼開發(fā)了滿足國產(chǎn)汽車要求的B429，B441及B444M2等三個鋼種。其中B429根據(jù)用戶使用車型不同又分為含Mo型B429和普通型B429，含Mo型B429及B444M2分別含有0.5%和1.8%的Mo，主要針對沿海氣候及除雪地域等氯離子腐蝕比較嚴重的地區(qū)。B441主要針對高排量特別是使用溫度較高的車型。其

12、中主要合金設計見表3。表3：B429，B441，B444M2鋼種化學成分標準（wt %）鋼號化學成分CSiMnPSNiCrMoNNb、TiB444M20.0301.0001.0000.0400.0300.317.5-19.01.502.000.025Ti：0.100.30；Nb:0.20+4*C-0.70B4290.0151.2001.2000.0400.0300.313.5-15.000.500.025Nb:0.300.60B4410.0151.001.000.0400.0300.317.5-19.00.025Ti：0.100.30；Nb:0.30+3*C-0.70 表四給出了上述寶鋼高溫端

13、用鐵素體不銹鋼產(chǎn)品的高溫性能及常溫力學性能檢測結果。各項性能特別是高溫強度指標較進口產(chǎn)品相當或略高，完全滿足高溫端零部件使用要求。針對高溫端的高溫疲勞強度試驗正在進行中。 表4：寶鋼相關鋼種與對比鋼種的常溫和高溫力學性能對比鋼種900高溫強度(Mpa)Re(Mpa)Rm(Mpa)A%HvB42928.130246934.0145進口J42925.932048535.0150B44128.230249535.0170進口A44128.831049031.0174B444M230.431050832.0168針對高溫端使用環(huán)境，合金設計中主要關注微合金元素，包括Nb，Ti，Mo等。添加Nb主要是為

14、了提高不銹鋼的高溫強度3。但Nb的添加在高溫使用過程中Nb會通過形成Fe2Nb等析出4，會導致高溫穩(wěn)定性降低。研究表明，通過復合添加Nb和Ti，可阻止 MC碳化物的粗化，有效降低Nb在高溫環(huán)境中的析出，提高高溫穩(wěn)定性，可以改善高溫使用性能，見圖2。Nb stablizationNb,Ti dual stablization圖2：微合金元素對高溫析出產(chǎn)物形態(tài)的影響 圖3：雙穩(wěn)定對基體中Nb高溫固溶度的影響 圖4：采用內(nèi)高成型加工技術生產(chǎn)的B429高溫連接管件 圖5：三種409不銹鋼焊縫晶間腐蝕形貌特征 （1-進口SUH409L，2-進口409DG，3-寶鋼B409M） 圖3是通過Thermo-c

15、alc計算得出的有關復合添加Nb和Ti后基體中固溶Nb含量與溫度關系。通過復合合金化，提高了高溫下Nb的固溶量，從而可以提高高溫穩(wěn)定性，改善使用性能。加Mo主要是提高高溫抗氧化性和抗高溫鹽蝕性能。圖4給出了寶鋼B429（15Cr-0.5Nb-0.2Ti-0.5Mo）不銹鋼在國內(nèi)某主機廠的內(nèi)高壓成型樣品。通過合理的設計和全流程加工控制特別是對冷退組織的控制，結合先進的激光焊接工藝生產(chǎn)的B429不銹鋼焊管內(nèi)高壓成型高溫端用管。局部擴管率達到110%，省去熱處理的不銹鋼焊管各項性能指標均達到甚至優(yōu)于進口的日本NSSC同類焊管的性能要求。2.3 中低溫端用鐵素體不銹鋼性能要求 汽車排氣系統(tǒng)中低溫端主要

16、指中管和后消及尾管, 使用環(huán)境溫度在600100。汽車發(fā)動一段時間內(nèi)，尾氣中的水分在消音器部位冷卻凝結產(chǎn)生冷凝液，其中普遍含有NH4+,CO32-,SO32，SO42-和Cl-等離子。SO32，SO42-和Cl-等腐蝕性離子將對排氣系統(tǒng)冷端部件（消聲器和尾管）產(chǎn)生均勻腐蝕和點蝕等，導致了零部件失效，即為冷凝液腐蝕。目前使用的主要鋼種為SUH409L，SUS439L及SUS436L等。其中的SUH409L為低鉻經(jīng)濟型不銹鋼，主要用于低端車型。SUS439L是針對SUH409L開發(fā)的性能改善型不銹鋼，由于添加了更多的Cr（18%），改善了焊縫的腐蝕性能特別是晶間腐蝕及冷凝液腐蝕。添加Cr和Mo能有

17、效地抑制不銹鋼在冷凝液中發(fā)生局部腐蝕，于是開發(fā)了SUS436L（17Cr-1.2Mo-Ti）。該鋼的特征是通過優(yōu)化Cr和Mo的添加量，抑制了決定消音器壽命的點腐蝕的發(fā)生和擴大。晶間腐蝕也是汽車排氣系統(tǒng)零部件的重要失效方式之一，主要發(fā)生在管件及不同零部件結合等的焊接部位。低鉻的鐵素體不銹鋼由于其基體的鉻含量較低（1112%Cr），當冶煉時不銹鋼的碳含量不能達到足夠低的程度，這些焊接部位在冷凝液作用下就會發(fā)生焊縫的晶間腐蝕行為，導致零部件失效。低溫端的消聲器一般需要通過沖壓成型加工，因此成型性也是低溫端材料的主要性能要求之一。2.4 中低溫端用鐵素體不銹鋼鋼種及性能針對汽車排氣系統(tǒng)中低溫端零部件用

18、不銹鋼主要有SUH409L，SUS436L，SUS439L等鋼種。SUH409L由于鉻含量較低（1112%），很難滿足國產(chǎn)油品的冷凝液腐蝕特別是焊縫的晶間腐蝕要求，為此寶鋼開發(fā)了SUH409L的改進型產(chǎn)品B409M，通過Nb，Ti雙穩(wěn)定化有效改善了焊縫的晶間腐蝕性。圖5為B409M與進口SUH409L和409DG焊縫晶間腐蝕試驗對比結果5。針對SUS439L，寶鋼相應開發(fā)了雙穩(wěn)定的B439M，進一步提高其耐冷凝液腐蝕性能。B436L則針對國內(nèi)不同汽車主機廠需求，可以提供不同使用要求的產(chǎn)品。表5及表6提供了寶鋼中低溫端零部件用不銹鋼的標準成分及基本性能。表7為北京科技大學提供的采用川崎冷凝液組成

19、6進行的寶鋼開發(fā)的中低溫端鐵素體不銹鋼與進口相應鋼種的冷凝液腐蝕試驗對比結果。寶鋼產(chǎn)品抗冷凝液腐蝕性能均達到了進口產(chǎn)品的水平。表5：寶鋼B409M，B436L，B439M不銹鋼基本化學成分標準（wt%）鋼號化學成分CSiMnPSNiCrMoNNb、TiB409M0.0301.0001.0000.0400.0300.310.50-11.750.025Ti: 6×C；Ti+Nb0.08+8*（C+N）B436L0.0301.0001.0000.0400.0100.317.0-18.00.801.400.025Ti：8*（C+N）0.80B439M0.0150.600.600.0400.0

20、100.316.5-17.50.015Ti：0.15+4*（C+N）0.80；Ti+0.5Nb10*(C+N)表6：寶鋼B409M，B436L，B439M不銹鋼基本力學性能標準鋼種屈服強度（Mpa）抗拉強度（Mpa）延伸率（%）HV硬度彎曲試驗B409M21032038050030170180度，0.5TB436L24536042055030170180度，1TB439M24032040050030170180度，1T表7：幾種鋼種的冷凝液腐蝕最大點蝕深度比較（單位，mm）周期B409MP409LN09DGB436LN436SB439MP439L50.2050.2200.2150.070.11

21、0.140.14100.3300.3300.3400.110.120.210.22200.3450.3550.3750.120.150.250.263. 結束語 本文就汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼零部件的組成及性能要求進行了介紹。重點介紹了寶鋼汽車排氣系統(tǒng)用鐵素體不銹鋼新產(chǎn)品開發(fā)設計及相應產(chǎn)品性能指標。通過近4年的開發(fā)工作，寶鋼已經(jīng)完成了涵蓋高溫及低溫部位，涉及低鉻及中鉻的鐵素體不銹鋼鋼種的全系列開發(fā)。同時，相關鋼種在國內(nèi)的一汽轎車、上海通用、廣州日產(chǎn)、天津一汽等主機廠及天納克、佛吉亞、EMCON、CK等零部件公司進行了廣泛認證工作，相關產(chǎn)品也在國內(nèi)合資及自主品牌汽車中得到廣泛應用。針對汽車排放等級的

22、不斷提高，凈化廢氣排放的、減輕車身重量、降低燃料成本、保護環(huán)境等需求會對材料開發(fā)提出更高要求。今后岐管的發(fā)展趨勢是排氣溫度將繼續(xù)升高，因此需要高溫強度和熱疲勞特性更好的材料。另外，由于排氣歧管具有復雜的形狀，因此希望提高成形性，使加工變得更加容易。對于低溫端材料，針對國產(chǎn)油品特性（高含硫汽油，甲醇及乙醇汽油），材料的使用失效特征與國外材料有所不同。寶鋼目前與國內(nèi)通用汽車正在開展有關地域的甲醇及乙醇汽油使用效果評價分析，對進一步了解材料失效機制，提高材料使用性能，開發(fā)符合我國國情的排氣系統(tǒng)零部件材料必將發(fā)揮重要作用。參考文獻1 Makio Gunji, Atshushi Miyazaki and Takaaki Toyooka, High-formabil