铁素体不锈钢在汽车应用中的新发展

      1、前言

　　近年来，全球环境问题已越来越引起人们的关注，许多国家对提高汽车尾气净化率提出更严格的要求。一些国家已经制定或正在制定相关的法律和规章，如美国的LEV和LEV－Ⅱ标准、欧洲的EU2000和EU2005标准，今后数年内，将会出台更严历的尾气排放法规。为适应这些更严历的法规，在汽车发动机启动（冷启动）后产即改善尾气净化将是一件极为重要的任务。这是因为发动机刚启动时催化剂转换器的温度过低，难于对废气中的碳化氢和一氧化碳发生作用。解决这一问题的措施有二种：（1）提高废气温度；（2）减少排气管材料的厚度的同时也减轻了部件的重量，可谓一举两得。由于采用后一种方法要求材料耐高温，因此，不锈钢越来越多地替代了浇铸件。通常，为了适应有限的空间，排气管被设计成复杂的形状。此外，如若材料的成形性不足，则可能加工不成特定形状的部件，或者是加工后板子厚度的减薄过量。基于上述三种观点，近年来，通常多采用15%Cr铁素体不锈钢，该钢种具有良好的耐热性和成形性。然而，随着对改善成形性的要求的提高，材料生产者必须开发出既能满足成形性又能满足耐热性的不锈钢。

　　为适应这些要求，日本川崎钢铁公司采用先进的工艺技术成功地将用于排气管的不锈钢的r值比传统的不锈钢提高了30%，同时，保持了原来的成分和优异的耐热性。

　　2、改善成形的方向

　　在加工排气管和其它高温废气系统部件时，往往需要形成复杂的整体部件，因此，需要材料的r值。众所周知，提高低碳钢r值的主要方法有4种：（1）冷轧时提高压缩比；（2）粗化最终退火钢板的显微组织；（3）减少固溶碳的含量；（4）细化热轧钢板的显微组织。

　　另一方面，由于冷轧时压缩比超过70%铁素体不锈钢的平均r值会大大地提高，因此，通过加大冷轧压缩比，即可提高厚度为1mm及1mm以上钢板的r值。然而，对于厚度为1.5-2.5mm的钢板所要求的冷轧压缩比不能得到充分的保证，因此，难以采用这种方法来提高其r值，而这种厚度的钢板是生产排气管的产要材料。上述的第2种方法，即粗化最终退火钢板的显微组织，也是实现高r值的一种可能的方法，然而，因为增大晶粒尺寸会使成形后的部件表面粗糙，因此难以用此种方法来生产排气管材料。有鉴于此，实现高r值铁素体钢板的研究工作集中在或者是降低固溶碳的含量，或者是细化热轧钢板的显微组织两种方法上。此项研究工作的试验材料是429Nb（川崎钢铁公司标准：R429EX），这是生产排气管的主要传统钢种，其化学成分见表1

　　　　　　　　　　表1　　试验用钢的化学成分　　　质量%

　　3、试验材料及试验方法

　　3.1试验材料                   

　　　新开发的热轧钢板的生产工艺是：控制热轧过程，最大限度地通过第3种方法（减少固溶碳）和第4种方法（细化热轧钢板的显微组织）来实现材料的高r值。新开发的钢板的显微组织比用传统方法生产的钢板具有更细的再结晶结构。沿轧制方向。按JIS5取下试样，以7.5%的拉伸预应变测试，300℃时效30分钟，根据形变应力的增加量可测定时效指数。为实现高r值（开发钢种）采用热轧过程控制而生产出的产品含有大量的析出铌，而且时效指数低。从而可以认为，热轧钢板中的大量的碳被铌固定，钢板中的固溶碳减少。

　　采用两种热轧钢板经冷轧及退火可生产出厚度为2mm和1.5mm的钢板，所采用的两种钢板，一是采用热轧过程控制实现高r值，二是采用传统的热轧工艺条件。然后，对这些材料的性能进行测试和比较。

　　3.2试验方法

　　3.2.1冷轧并退火钢板的成形性

　　按照JIS　GO567标准，应用JIS　13B试样在室温下测试材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率、n值以及r值的应变条件分别为5%-15%和15%应变。

　　材料的深冲性能依据极限深冲比来计算，采用的冲杆直径为33mm，试样厚度2mm，直径66-76mm。方肩半径为3.5mm，起皱限制力设定为9.8KN。经测试，以n=3为典型值，以断裂时的孔径与初始孔之比作为外卷边比（λ）。用研磨法除去毛口。

　　3.2.2电阻焊管的成形性

　　利用上述两种材料，厚度1.5mm，以电阻焊法加工成直径为42.7mm的管子。以传统的工艺用冷轧并退火钢板（厚1.5mm）加工成电阻焊管，进行试验，并与在约900℃下进行消除应变退火相比较。

　　极限扩张（管子的扩张性）通过极限扩张比来计算。管径扩张后，电阻焊管的边部先用研磨法修整，再以六面型扇形体插入管子.用10个试样进行测试，其中即使有1个试样断裂，断裂时的扩张比即可作为材料的极限扩张比。

　　为测定电阻焊管的弯曲性能，在弯曲半径为50mm时可弯曲90度，然后，用超声波法测量材料的厚度，材料的弯曲性能可依据材料的厚度减薄比来计算。

　　4、试验结果与讨论

　　4.1冷轧并退火钢板的力学性能

　　先用厚1.5mm和2mm的热轧钢板，经冷轧及退火，其力学性能列于表2。

　　采用新工艺，包括为实现高r值而进行热轧过程控制，然后冷轧、退火生产出的钢板的性能，与用传统工艺生产的钢板的性能相类似。从另一方面说，新开发钢的平均r值比传统钢高30%以上。

　　　　　　　　表2　新开发的R429EX不锈钢的力学性能与传统钢材的比较

     4.2 深冲性能

　　对新开发钢与传统钢在成形后的深冲性能作了测试与比较。传统钢的极限深冲 比为2.0，而新开发钢的深冲比持续增大，约为2.3。以圆筒形成形试验来测试材料 的深冲成形性能，会产生压缩凸缘变形。根据断裂机制，引起断裂的原因是由于作 用于凸缘部分的挤压力在断裂部分的应力过大。材料的深冲性能取决于材料的深冲 成形力与断裂载荷之间的相互关系。众所周知，材料的r值越高，其拉拔成形性越 好，深冲力可以相应地降低。除r值以外，新开发钢与传统钢的力学性能无实质上 的差别。因此，可以认为新开发钢的优异的极限深冲比是其r值增大的结果。

　　4.3　外卷边

　　经对成形后的新开发钢与传统钢的外卷测试，结果表明：新开发钢的外卷边比 λ值为144%，比传统钢的外卷比119%大大提高。

　　尽管影响外卷边比的因素有多种，但新开发钢与传统钢在所有情况下的数值是 类似的，诸如屈服强度、拉伸强度、延伸率、n值，以及这些性能的各向异性，最 终晶粒尺寸、洁净度以及夏氏转变温度。因此，主要的差别只有材料的r值。新开 发钢的n与传统的比较结果表明，因为n值没有实质性的差别，因而r最小影响这一 参数。鉴于在各种情况下试样的裂纹始于r最小方面的事实，可以认为：新开发钢 的外卷边度的改善归于r最小的改善，这表现在局部伸长的改善。

　　4.4　电阻焊管的力学性

　　表3为直径42.7mm、厚度1.5mm的电阻焊管的力学性能以及冷轧并退火钢板的r 值。在三种电阻焊管中，新开发钢的屈服强度略高，而拉伸强度与延伸率无大差别 。

                       　　　表3　　电阻焊管的力学性能

    4.5 电阻焊管的扩张比

    管子的扩张试验结果表明，传统钢的扩张比为1.35D，退火管的扩张比为1.45 D。另一方面，新开发钢的极限扩张比即使是在未进行退火时也可达1.45D，与退火 后的传统钢相同。由于新开发钢的r值高于传统钢，新开发钢具有以下特性：

　　（1）耐厚度减薄性强；

　　（2）局部伸率性增强。

　　因此，可以认为，由于这些性能的改善而使材料的极限扩张比得以提高。　

　　对电阻焊管进行弯曲试验的结果表明，新开发钢的厚度减薄比小于传统钢，新 开发钢的厚度减薄比已接近于经退火后的传统钢的减薄比。

　　4.6　新开发钢的耐热性及成形性与其它的比较

　　研究结果证明，经冷轧和退火的新开发钢钢板的显微组织、化学成分、不溶性 铌及其它析出物的含量与传统钢基本相同。新开发钢的耐热性，诸如高温强度、耐 高温疲劳、抗氧化、耐高温盐侵蚀等与传统钢也基本相同。

　　对新开发钢、传统钢和SUH409L钢分别进行测试比较，试验条件：800℃，高温 屈服应力；平均r值（厚度2mm),室温。新开发钢的高温屈服应力与传统钢相同，在 室温下，新开发钢的平均r值或高于SUH409L钢，与现有铁素体不锈钢相比，其成形 性提高。

　　5　结论

　　近年来，伴随着对汽车排气的规定越来越严，对不锈钢的要求也越来越高。因 此，高温环境下的应用，尤其是：排气管、前管以及催化剂转换器的外壳，对开发 具有优异的耐热性及成形性的不锈钢的需求与日俱增。为满足这些要求，日本川崎 钢铁公司进行了不断的研究与开发，旨在提高耐高温不锈钢R429EX的成形性，并成 功地将其深冲性、外卷边性、管子扩张比，以及管子弯曲成形性大大地提高。在这 些活动中，该公司千叶厂的先进的轧制设备及工艺技术得以实际应用。新开发钢具 有许多优点，其中包括：增大了设计的自由度，以减薄材料的厚度来减轻重量，生 产管子省去了消除应变退火的过程，等等。

　　可以预料，今后世界各国对废气排放的规定将会越来越严格。由于R429EX不锈 钢具有耐高温性和优异的成形性能满足更严格的废气排放规定的要求，需求量正日 益增长，因此，将会为清洁环境作出贡献。