汽车排气系统用铁素体不锈钢的开发

汽车排气系统用铁素体不锈钢的开发

1、前言

不锈钢中主要是铁素体不锈钢提高了汽车排气部件的使用寿命。阿谢西塔公司已开发出专门的稳定化的铁素体钢。既可以用于排气系列的前段部件（歧管、下喷管、转化器壳），在这些地方温度可达到1100℃以上，又可以用于后段部件（消声器、辅助消声器、排气管），这些地方主要涉及由内部零件冷凝引起腐蚀的劣化问题。

最近开发出一种新的应用于深冲方面的低碳和氮的AISI409钢。阿谢西塔目前也生产像AISI441，AISI409和AISI434这样含铬量较高的钢种，除了由于无镍所具有的低成本的优点超出奥氏体钢外，还具有比涂层碳钢更好的机械性能、耐腐蚀性和抗氧化性。

本文介绍阿谢西塔为巴西汽车排气系统生产的铁素体不锈钢的发展、应用情况和主要性能。

2、汽车中不锈钢的应用

不锈钢经久耐用，重量轻，具有良好的外观，能够耐腐蚀，这些特性引起了汽车工业的关注。图1 说明不锈钢在汽车中，主要是排气系统中的使用，它的使用量正在逐年增加。

关于汽车排气系统转换器的应用，为了保证达到污染控制机械管理者的要求，发动机出口的燃烧气体温度被提高到1100℃以上。这种情况使得系统中材料的抗力的重要性增大。除此之外，这个系统中的材料还处于苛刻的热循环条件下和燃烧气体的冷凝形成的腐蚀环境中。因此使用不锈钢，主要是铁素体不锈钢，成为保证该系统部件有较长使用寿命的主要趋势，无论是制造高温段的部件还是低温段的部件（见表1）。（图略）

最初，一直使用奥氏体不锈钢（AISI304和321）来保证该系统较长的使用寿命，特别是在更多的采用先进技术的车辆中，但是由于这些钢的成本比较高，处于不利的地位。

表1  用于汽车排气系统的阿谢西塔钢种（典型化学成分）/%

*巴西汽车工业中的钢种占的市场份额

**从2002年开始

2、409不锈钢的发展

稳定化铁素体不锈钢AISI409的使用，除了具有由于无镍成本比较低的优点，使得不锈钢在汽车工业中有可能占有比较大的比例外，还具有较好的机械阻力和比涂层碳钢更好的抗氧化性。

新的409钢种含11%铬，用钛进行稳定化，热带钢不用退火，供拉制的毛坯（用于转换器壳、辅助消声器和消声器）和采用TIG和ERW工艺制造汽车排气系统用管选择了最佳的化学成分和机械性能。

修改化学成分的目的是用钛起良好的稳定作用和降低碳和氮含量。拉拔性能的改进由于最优化的冷轧压下量和热处理的最终退火，获得（111）织构和1.4以上的Lankford系数。

表2为在排气系统中大量使用的阿谢西塔409不锈钢的化学成分、机械性能和成型性的变化。

表2  新的阿谢西塔409不锈钢的化学成分、机械性能和成型性

厚度	C+N/*10-6	YP/MPa	TS/MPa	总伸长率/%		Δr
1.5	150	230	400	40	1.5	0.8
1.2				39	1.7	0.6
0.5				36	1.9	0.3

化学成分、机械性能和成型性的平衡，除了保证阿谢西塔不锈钢符合主要的国际标准：ASTM、DIN和JIS的要求外，还使得在生产这个系统的从歧管到出口管的管件以及从转换器到消声器的变化最大的冲压成型件中获得良好的性能。

4、供排气系统高温部件用不锈钢钢种的开发

铁素体不锈钢是通过加入钛和/或铌来进行稳定化。它们提高了高温韧性，并且在高温下促进铁素体相的稳定性。

铌的加入导致Fe2Nb金属相的析出，提高了高温力学性能，特别是蠕变强度。

阿谢西塔与巴西汽车工业开发应用AISI441铁素体不锈钢，以提高汽车排气系统高温部件的性能和使用寿命。

表3列出了在排气系统使用的阿谢西塔441钢号的化学成分和机械性能，该钢可以作为轧制毛坯和用来生产歧管用的ERW管。

表3  阿谢西塔441不锈钢的化学成分、机械性能（典型值）

从阿谢西塔441钢号和409钢号在950℃(1200次/400h)的周期氧化试验中的比较可知，441钢号获得比较好的性能。

441钢号比较好的热特性主要是由于有比碳和氮的稳定化的化学计量更高水平铌的加入。

由于钛的加入，更易间隙的稳定化，使得铌大部分可以被固溶，以Fe2Nb类型析出。这种析出的存在增加了铁素体显微组织的高温抗力，延迟了铁素体晶粒滑移和接下来的蠕变断裂。

这种改进在典型的SAG-试验低水平变形下仍然比较明显。

除了在高温时的机械抗力，441不锈钢还具有高的抗氧化性和耐腐蚀性，具有这种特性的主要原因是它含铬18%，因为铬是形成保护的氧化膜的主要元素。

除在高温应用时蠕变中的循环氧化试验中表现的良好特性外，阿谢西塔441钢号还在歧管用ERW管的生产中表现出一种优良的性能。

5、排气系统低温部件不锈钢钢种的开发

阿谢西塔与巴西汽车工业开发应用AISI439和AISI434铁素体不锈钢，以提高排气系统中低温部件的耐腐蚀性，这些部件包括辅助消声器和消声器，这些地方主要涉及由内部部件上的冷凝引起腐蚀的劣化问题。

开发的新的含钼铁素体不锈钢434型具有比较好的耐腐蚀性，用来生产卷边部件，这引起部件不用焊接。

这个钢种是不稳定化的，可以通过加热到一定温度敏化，该温度有效地增加碳在铁素体中的溶解度。为了避免这种钢在制造过程中敏化，重要的是控制退火的加热和冷却温度。

另一方面，439钢由于C+N的含量低和加入钛和铌得到稳定化，避免了敏化。因此，这种钢对晶间腐蚀是不敏感的。这些钢获得的主要性能见表4。

表4  阿谢西塔439和434不锈钢的化学成分、机械性能和成型性（典型值）

（图略）中表示这些钢与409和304钢号相比的耐腐蚀性，通过孔电位（孔蚀）和在氯化物溶液中的去钝化pH的曲线（缝隙腐蚀）测量得到。

这样，含铬量增加6%（439型）提供了比较强的耐腐蚀性（孔蚀和缝隙腐蚀），它比加钼的（434型）相对于409型得到进一步的改进。

阿谢西塔439和409钢号的较高深拉拔性允许按最适宜的分布量进行设计（辅助消声器、消声器。

结晶学的织构通过使用EBSD（电子背反射衍射）的SEM进行测量，变形率越大（在409和439钢中），越趋于（111）型织构，被认为最充分地获得了比较好的拉拔性。

对这些钢（439和434型）关注的是期待增加排气系统部件所急需的更长使用寿命。S

6、结论

铁素体不锈钢441在高温下的良好性能如：较好地耐蠕变和循环氧化，使得不锈钢在排气系统的消耗量增加，同时在汽车工业中具有成本低和性能好的竞争优势。

新的钢种439和434得到了重要的改进，以增加排气系统低温部分的部件使用寿命，与304钢相比成本较低，与409钢相比耐腐蚀性较好。

（董菁 编译）