含鈮鐵素體不銹鋼在汽車(chē)排氣系統(tǒng)的應(yīng)用前景

無(wú)錫不銹鋼板、無(wú)錫不銹鋼管專(zhuān)業(yè)生成廠家無(wú)錫漢能不銹鋼2020年9月16日訊  近年來(lái)，許多國(guó)家對(duì)汽車(chē)提出了更高的要求，一方面要提高燃?xì)獾臒嵝剩瑴p少?gòu)U氣的排放；另一方面要減輕汽車(chē)自身的重量，提高行駛速度。這對(duì)汽車(chē)排氣系統(tǒng)提出了更高的要求。汽車(chē)排氣系統(tǒng)所用的材料從最早使用的鑄鐵、碳鋼、鍍鋁碳鋼發(fā)展到目前使用的不銹鋼。其中，鐵素體不銹鋼憑借其優(yōu)良的性能和不含或少含鎳的低廉成本受到關(guān)注。鐵素體不銹鋼與鍍鋁碳鋼相比，具有更好的耐腐蝕性能；與奧氏體不銹鋼相比，不僅具有更好的耐高溫性能，而且具有冷加工硬化傾向較低、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)大等特點(diǎn)，已成為汽車(chē)排氣系統(tǒng)首選的材料。

隨著汽車(chē)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，汽車(chē)尾氣的排放溫度也越來(lái)越高，對(duì)排氣系統(tǒng)的高溫機(jī)械性能、耐腐蝕性能提出了更加嚴(yán)格的要求。同時(shí)，汽車(chē)排氣系統(tǒng)由歧管、前管、柔性管、轉(zhuǎn)換器、中心管、消聲器和尾管構(gòu)成，不同部位對(duì)材料的要求各有不同。由于汽車(chē)排氣系統(tǒng)主要由管件連接，且連接部位的形狀不盡相同，因此，必須對(duì)管件進(jìn)行彎曲、縮徑、擴(kuò)管等加工，故要求汽車(chē)排氣系統(tǒng)用鋼要具有良好的成型性。其次，汽車(chē)排氣系統(tǒng)前端的高溫部件，最高溫度可達(dá)900益，為材料腐蝕最嚴(yán)重的部位；中心管以后溫度在600益左右；尾管出口處的溫度在100益~300益之間，因此，要求材料具有一定的抗高溫氧化性。另外，由于汽車(chē)經(jīng)常處于發(fā)動(dòng)和停止的反復(fù)運(yùn)行狀態(tài)，故又要求材料具有良好的耐高溫疲勞性。再次，由于汽車(chē)排氣系統(tǒng)暴露在外，且離路面較近，易受外界環(huán)境介質(zhì)的侵蝕，且消音器在短程行駛中有冷凝液析出，對(duì)內(nèi)壁造成點(diǎn)蝕，故應(yīng)選用耐蝕性好的材料。

當(dāng)前，國(guó)際上轎車(chē)排氣系統(tǒng)基本采用不銹鋼制造，其中，鐵素體不銹鋼因其良好的綜合性能，在排氣系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。而含鈮鐵素體不銹鋼的研究與開(kāi)發(fā)是近20年間冶金和材料科學(xué)領(lǐng)域的重大技術(shù)進(jìn)步。20世紀(jì)80年代，國(guó)際上冶金材料專(zhuān)家，對(duì)鈮在改善傳統(tǒng)鐵素體不銹鋼的成型性（尤其是深沖性能）、耐蝕性等方面進(jìn)行了許多研究。結(jié)果證明，加入少量鈮元素是賦予鐵素體不銹鋼良好深沖性的有效方式之一，還可改善鐵素體不銹鋼的耐蝕性，提高鋼的抗氧化、高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能，使鐵素體不銹鋼在汽車(chē)排氣系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。

最新研究表明，鈮不僅僅是簡(jiǎn)單的穩(wěn)定化元素，可改變鐵素體不銹鋼的表面質(zhì)量，還可以防止應(yīng)變時(shí)效、降低和消除敏化（即鈦/鈮在鐵素體晶界固定碳和氮，防止碳化鉻形成，避免晶界貧鉻造成晶界腐蝕）。此外，鈮的加入還可以改善鐵素體不銹鋼的其他性能，如抗晶間腐蝕、抗蠕變、抗氧化等，從而使鐵素體不銹鋼具有相當(dāng)或優(yōu)于奧氏體不銹鋼的性能，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

為盡快實(shí)現(xiàn)汽車(chē)排氣系統(tǒng)用不銹鋼國(guó)產(chǎn)化，國(guó)內(nèi)產(chǎn)、學(xué)、研、用相關(guān)單位組成了聯(lián)合攻關(guān)組。其主要工作目標(biāo)是開(kāi)發(fā)適合于中國(guó)目前油品條件下的經(jīng)濟(jì)型汽車(chē)排氣系統(tǒng)用鐵素體不銹鋼系列材料，不斷提高產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化。

首先，該攻關(guān)組對(duì)目前國(guó)內(nèi)燃油的油品特性進(jìn)行了調(diào)查，對(duì)排氣系統(tǒng)失效部位的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了分析，并對(duì)SUH409L、436L等材料進(jìn)行冷凝液的腐蝕實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，該攻關(guān)組提出了能夠模擬實(shí)際工況條件下，汽車(chē)排氣系統(tǒng)用鋼的標(biāo)準(zhǔn)方案；就幾種典型汽車(chē)排氣系統(tǒng)用鐵素體不銹鋼的耐蝕性、焊接性、成型性及耐高溫性能等進(jìn)行全面評(píng)價(jià)；綜合研究、開(kāi)發(fā)汽車(chē)新型材料，并在工廠進(jìn)行試制；開(kāi)展新材料成型性研究，焊接、腐蝕性能評(píng)價(jià)；對(duì)上述新材料的冶煉、連鑄及熱、冷加工工藝進(jìn)行研究，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)，并在奔騰B50、紅旗等車(chē)型排氣系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用和跑車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)和相應(yīng)的分析、評(píng)價(jià)。

研究結(jié)果表明，汽車(chē)排氣系統(tǒng)失效部位集中在消聲器位置，且局部腐蝕類(lèi)型為點(diǎn)蝕。加入鈮后，平均腐蝕速率明顯降低，極大地改善了鐵素體不銹鋼平均耐腐蝕性能。

汽車(chē)行業(yè)的繁榮推動(dòng)了車(chē)用材料研究與開(kāi)發(fā)的進(jìn)程。據(jù)了解，一般汽車(chē)排氣系統(tǒng)平均用鋼約20千克/輛。按2015年國(guó)內(nèi)年產(chǎn)2410萬(wàn)輛汽車(chē)計(jì)，年新增汽車(chē)需要的排氣系統(tǒng)用不銹鋼就超過(guò)48萬(wàn)噸。同時(shí)，中國(guó)不銹鋼行業(yè)快速發(fā)展所面臨著鎳資源嚴(yán)重缺乏的問(wèn)題。考慮到現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，鐵素體不銹鋼在中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用前景非常樂(lè)觀。中國(guó)發(fā)展現(xiàn)代鐵素體不銹鋼勢(shì)在必行。

現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的發(fā)展離不開(kāi)先進(jìn)的冶金技術(shù)和微合金化金屬學(xué)的研究。以往的研究表明，鈮在汽車(chē)排氣系統(tǒng)中具有突出的作用。因此，在今后的工作中，進(jìn)一步研究鈮對(duì)于排氣系統(tǒng)用不銹鋼性能的提高原理和相應(yīng)的工藝措施，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出新型的含鈮車(chē)用排氣系統(tǒng)不銹鋼，對(duì)于提升排氣系統(tǒng)的性能具有重要的理論和實(shí)際意義。含鈮鐵素體不銹鋼兼具優(yōu)良的成型性、經(jīng)濟(jì)性、耐蝕性、抗氧化性等特點(diǎn)，除汽車(chē)排氣系統(tǒng)以外，在很多領(lǐng)域可替代奧氏體不銹鋼，發(fā)展前景十分廣闊。因此，汽車(chē)排氣系統(tǒng)用含鈮鐵素體不銹鋼的開(kāi)發(fā)將推動(dòng)現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的研發(fā)與應(yīng)用的進(jìn)程。