含鈮鐵素體不銹鋼在汽車排氣系統(tǒng)的應(yīng)用前景

無錫不銹鋼板、無錫不銹鋼管專業(yè)生成廠家無錫漢能不銹鋼2020年9月16日訊  近年來，許多國家對汽車提出了更高的要求，一方面要提高燃氣的熱效率，減少廢氣的排放；另一方面要減輕汽車自身的重量，提高行駛速度。這對汽車排氣系統(tǒng)提出了更高的要求。汽車排氣系統(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，已成為汽車排氣系統(tǒng)首選的材料。

隨著汽車尾氣排放標準的要求越來越嚴格，汽車尾氣的排放溫度也越來越高，對排氣系統(tǒng)的高溫機械性能、耐腐蝕性能提出了更加嚴格的要求。同時，汽車排氣系統(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，不同部位對材料的要求各有不同。由于汽車排氣系統(tǒng)主要由管件連接，且連接部位的形狀不盡相同，因此，必須對管件進行彎曲、縮徑、擴管等加工，故要求汽車排氣系統(tǒng)用鋼要具有良好的成型性。其次，汽車排氣系統(tǒng)前端的高溫部件，最高溫度可達900益，為材料腐蝕最嚴重的部位；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，由于汽車經(jīng)常處于發(fā)動和停止的反復(fù)運行狀態(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，對內(nèi)壁造成點蝕，故應(yīng)選用耐蝕性好的材料。

當前，國際上轎車排氣系統(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發(fā)是近20年間冶金和材料科學領(lǐng)域的重大技術(shù)進步。20世紀80年代，國際上冶金材料專家，對鈮在改善傳統(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、高溫強度和抗蠕變性能，使鐵素體不銹鋼在汽車排氣系統(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。

為盡快實現(xiàn)汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼國產(chǎn)化，國內(nèi)產(chǎn)、學、研、用相關(guān)單位組成了聯(lián)合攻關(guān)組。其主要工作目標是開發(fā)適合于中國目前油品條件下的經(jīng)濟型汽車排氣系統(tǒng)用鐵素體不銹鋼系列材料，不斷提高產(chǎn)品實物質(zhì)量，最終實現(xiàn)完全國產(chǎn)化。

首先，該攻關(guān)組對目前國內(nèi)燃油的油品特性進行了調(diào)查，對排氣系統(tǒng)失效部位的腐蝕產(chǎn)物進行了分析，并對SUH409L、436L等材料進行冷凝液的腐蝕實驗評價。在此基礎(chǔ)上，該攻關(guān)組提出了能夠模擬實際工況條件下，汽車排氣系統(tǒng)用鋼的標準方案；就幾種典型汽車排氣系統(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行全面評價；綜合研究、開發(fā)汽車新型材料，并在工廠進行試制；開展新材料成型性研究，焊接、腐蝕性能評價；對上述新材料的冶煉、連鑄及熱、冷加工工藝進行研究，最終實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)，并在奔騰B50、紅旗等車型排氣系統(tǒng)實際應(yīng)用和跑車上進行試驗和相應(yīng)的分析、評價。

研究結(jié)果表明，汽車排氣系統(tǒng)失效部位集中在消聲器位置，且局部腐蝕類型為點蝕。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。

汽車行業(yè)的繁榮推動了車用材料研究與開發(fā)的進程。據(jù)了解，一般汽車排氣系統(tǒng)平均用鋼約20千克/輛。按2015年國內(nèi)年產(chǎn)2410萬輛汽車計，年新增汽車需要的排氣系統(tǒng)用不銹鋼就超過48萬噸。同時，中國不銹鋼行業(yè)快速發(fā)展所面臨著鎳資源嚴重缺乏的問題。考慮到現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的特點和優(yōu)勢，鐵素體不銹鋼在中國汽車工業(yè)的應(yīng)用前景非常樂觀。中國發(fā)展現(xiàn)代鐵素體不銹鋼勢在必行。

現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的發(fā)展離不開先進的冶金技術(shù)和微合金化金屬學的研究。以往的研究表明，鈮在汽車排氣系統(tǒng)中具有突出的作用。因此，在今后的工作中，進一步研究鈮對于排氣系統(tǒng)用不銹鋼性能的提高原理和相應(yīng)的工藝措施，進而開發(fā)出新型的含鈮車用排氣系統(tǒng)不銹鋼，對于提升排氣系統(tǒng)的性能具有重要的理論和實際意義。含鈮鐵素體不銹鋼兼具優(yōu)良的成型性、經(jīng)濟性、耐蝕性、抗氧化性等特點，除汽車排氣系統(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，汽車排氣系統(tǒng)用含鈮鐵素體不銹鋼的開發(fā)將推動現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的研發(fā)與應(yīng)用的進程。