宝钢汽车排气系统用不锈钢产品开发

1、宝钢汽车排气系统用不锈钢产品开发【摘要】最近几年，随着对全球环境问题的关注，汽车燃油的经济性和汽车尾气排放的等级化要求不断提高，铁素体不锈钢更多用于汽车排气系统零部件。欧美及日本汽车几乎全部使用超纯铁素体不锈钢用于排气系统零部件制造。本文介绍了汽车排气系统的构成、各部件的性能要求及宝钢汽车用不锈钢的产品开发。【关键词】 铁素体不锈钢，汽车排气系统，腐蚀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 最近几年，我国汽车工业获得快速发展，2009年汽车产量已经达到130万辆，其中乘用车将近1000万辆，对汽车用钢的需求是空前的，其中也包括不锈钢材料。随着汽车排放等级化及为实现节能而开展的汽车减重等要求的进一步提高，传统排气系统用铸造金属和镀铝碳钢材料已经不能满足要求，不锈钢材料特别是高性能的铁素体不锈钢材料得到了广泛应用。国际上从上世纪70年代开始就针对汽车尾气排放提出了严格的强制措施，促进了不锈钢在汽车排气系统中的采用。日本、美国、欧洲等广泛采用了不锈钢制作汽车排气系统。主要材料为304不锈钢。90年年代开始，随着不锈钢冶炼技术的进步，特别是EF+AOD

5、+VOD三步法冶炼超纯铁素体不锈钢冶炼技术的快速提高，使铁素体不锈钢中的C+N含量已经可以控制在200ppm以内，有利改善了铁素体不锈钢的腐蚀性能，再加上铁素体不锈钢固有的高导热性和低的热膨胀性能，使铁素体不锈钢在汽车排气系统中的应用得到进一步提高。汽车排气系统主要由排气歧管、前管、转换器、中管、消音器和尾管等组成(图1)1，不同部位对材料有不同性能要求。排气系统材料的服役环境可大体分为低温端（中管、消音器、尾管）和中高温端（前管、歧管）。前者主要以冷凝液腐蚀失效为主；而中高温端以高温氧化、高温疲劳及高温盐损等失效为主。同时，对材料的成形性能也提出了较高要求。表1给出了汽车排气系统部件的服役温

6、度范围及对材料性能的要求2在过去的30年中，欧洲和日本大量开发并已经形成了并广泛应用于汽车尾气排放系统的低铬和中高铬系列铁素体不锈钢，不锈钢用量已近100%。主要生产厂以JFE、NSS、NSSC、POSCO及 ARCELOR等为代表。其中，低铬系列如SUH409L等，中铬系列则有SUS429，SUS432L，SUS439L，SUS436L，SUS441等。按照使用环境温度来说，低温-中温部位用不锈钢产品有SUH409L、SUS439L、SUS432L，SUS436L等，用于中高温的钢种主要有SUS436L、SUS429、SUS441，SUS434等（表1）。409系列的低铬铁素体不锈钢因为兼具

7、经济性和实用性的优点，使用最为广泛，使用量约占整个汽车排气系统的5060%。中铬的铁素体不锈钢系列、特别是添加了合金元素Mo的SUS436L等耐蚀性得到进一步提高。中铬的SUS439因为具有比409L更好的耐腐蚀性能及比436L更低的制造成本，受到主机厂青睐。表2给出了排气系统不同部件的钢种使用情况。图1：汽车排气系统组成示意图零部件岐 管前管软 管催化转换器中管消声器尾管壳体支撑件Temp.95075080060010001200600400400100特性要求高温强度热疲劳高温氧化成型性高温强度热疲劳高温盐蚀成型性高温强度高温盐损高温氧化热冲击高温盐损冷凝液腐蚀晶间腐蚀主要钢种SUS429

8、SUS441SUS434SUS304SUS321SUSXM15J1（0CR19Ni13）SUH409LSUS429SUS432LSUH2120Cr-5AlCeramicsSUH409L，SUS439LSUS432L，SUS436LSUH409LSUS439LSUS432L SUS436L表1：汽车排气系统不同部位性能要求及推荐钢种2. 宝钢汽车排气系统用不锈钢产品开发宝钢不锈钢产线于2004年4月投产，2005年开始了汽车排气系统用不锈钢SUH409L的产品开发，2006年获得了德国大众的产品认证并出口海外。2007年，针对中国汽车工业的快速发展，宝钢适时推出了汽车用不锈钢系列产品开发，经过3

9、年的国产化工作，目前宝钢已经开发了包括SUH409L，B409M，B432L，B429，B436L，B439M，B441，B444M2及B443NT等在内的目前市场应用的铁素体不锈钢及常规的SUS304奥氏体不休钢，广泛应用于国内合资品牌和自主品牌汽车。国产化取得了重要进展。2.1高温端用铁素体不锈钢性能要求汽车排气系统的岐管和前管所处环境温度可以达到750900°C，局部可能达到950°C，对材料的高温性能如高温强度和高温疲劳性能要求较高。汽车排气歧管早期使用的主要是耐热铸铁，但随着排放等级提高，发动机性能的提高，排气温度上升，且由于对减轻零部件重量的需要，特别是针对三元

10、催化装置的使用，使用铁素体不锈钢岐管可以快速提高催化效率。 排气歧管所用的不锈钢有奥氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢。奥氏体系不锈钢的高温强度好，但容易发生氧化皮剥落，因此在抗氧化性方面不如铁素体系不锈钢。另一方面，铁素体系不锈钢的抗氧化性好，但高温强度略逊于奥氏体系不锈钢。但热膨胀系数小的铁素体系不锈钢在热疲劳特性方面是有利的。表二给出了两类不锈钢的主要性能对比。目前通过合金化技术，特别是通过添加Mo及Nb等合金化，可以显著提高铁素体不锈钢高温强度，铁素体不锈钢完全满足汽车高温端使用要求。表2：典型奥氏体和铁素体不锈钢的物理性能比较钢种热传导率（W/m/）线膨胀系数（10-6/）屈服强度/抗拉强

11、度（Mpa）SUS30414-1616-18240/580SUS44126-2810-12280/5302.2 高温端用铁素体不锈钢钢种及性能目前用于高温端的铁素体不锈钢主要有429，441，434及444，其中日系车主要使用429及444， 欧美系主要适用441和434。针对上述产品，宝钢开发了满足国产汽车要求的B429，B441及B444M2等三个钢种。其中B429根据用户使用车型不同又分为含Mo型B429和普通型B429，含Mo型B429及B444M2分别含有0.5%和1.8%的Mo，主要针对沿海气候及除雪地域等氯离子腐蚀比较严重的地区。B441主要针对高排量特别是使用温度较高的车型。其

12、中主要合金设计见表3。表3：B429，B441，B444M2钢种化学成分标准（wt %）钢号化学成分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 表四给出了上述宝钢高温端

13、用铁素体不锈钢产品的高温性能及常温力学性能检测结果。各项性能特别是高温强度指标较进口产品相当或略高，完全满足高温端零部件使用要求。针对高温端的高温疲劳强度试验正在进行中。 表4：宝钢相关钢种与对比钢种的常温和高温力学性能对比钢种900高温强度(Mpa)Re(Mpa)Rm(Mpa)A%HvB42928.130246934.0145进口J42925.932048535.0150B44128.230249535.0170进口A44128.831049031.0174B444M230.431050832.0168针对高温端使用环境，合金设计中主要关注微合金元素，包括Nb，Ti，Mo等。添加Nb主要是为

14、了提高不锈钢的高温强度3。但Nb的添加在高温使用过程中Nb会通过形成Fe2Nb等析出4，会导致高温稳定性降低。研究表明，通过复合添加Nb和Ti，可阻止 MC碳化物的粗化，有效降低Nb在高温环境中的析出，提高高温稳定性，可以改善高温使用性能，见图2。Nb stablizationNb,Ti dual stablization图2：微合金元素对高温析出产物形态的影响 图3：双稳定对基体中Nb高温固溶度的影响 图4：采用内高成型加工技术生产的B429高温连接管件 图5：三种409不锈钢焊缝晶间腐蚀形貌特征 （1-进口SUH409L，2-进口409DG，3-宝钢B409M） 图3是通过Thermo-c

15、alc计算得出的有关复合添加Nb和Ti后基体中固溶Nb含量与温度关系。通过复合合金化，提高了高温下Nb的固溶量，从而可以提高高温稳定性，改善使用性能。加Mo主要是提高高温抗氧化性和抗高温盐蚀性能。图4给出了宝钢B429（15Cr-0.5Nb-0.2Ti-0.5Mo）不锈钢在国内某主机厂的内高压成型样品。通过合理的设计和全流程加工控制特别是对冷退组织的控制，结合先进的激光焊接工艺生产的B429不锈钢焊管内高压成型高温端用管。局部扩管率达到110%，省去热处理的不锈钢焊管各项性能指标均达到甚至优于进口的日本NSSC同类焊管的性能要求。2.3 中低温端用铁素体不锈钢性能要求 汽车排气系统中低温端主要

16、指中管和后消及尾管, 使用环境温度在600100。汽车发动一段时间内，尾气中的水分在消音器部位冷却凝结产生冷凝液，其中普遍含有NH4+,CO32-,SO32，SO42-和Cl-等离子。SO32，SO42-和Cl-等腐蚀性离子将对排气系统冷端部件（消声器和尾管）产生均匀腐蚀和点蚀等，导致了零部件失效，即为冷凝液腐蚀。目前使用的主要钢种为SUH409L，SUS439L及SUS436L等。其中的SUH409L为低铬经济型不锈钢，主要用于低端车型。SUS439L是针对SUH409L开发的性能改善型不锈钢，由于添加了更多的Cr（18%），改善了焊缝的腐蚀性能特别是晶间腐蚀及冷凝液腐蚀。添加Cr和Mo能有

17、效地抑制不锈钢在冷凝液中发生局部腐蚀，于是开发了SUS436L（17Cr-1.2Mo-Ti）。该钢的特征是通过优化Cr和Mo的添加量，抑制了决定消音器寿命的点腐蚀的发生和扩大。晶间腐蚀也是汽车排气系统零部件的重要失效方式之一，主要发生在管件及不同零部件结合等的焊接部位。低铬的铁素体不锈钢由于其基体的铬含量较低（1112%Cr），当冶炼时不锈钢的碳含量不能达到足够低的程度，这些焊接部位在冷凝液作用下就会发生焊缝的晶间腐蚀行为，导致零部件失效。低温端的消声器一般需要通过冲压成型加工，因此成型性也是低温端材料的主要性能要求之一。2.4 中低温端用铁素体不锈钢钢种及性能针对汽车排气系统中低温端零部件用

18、不锈钢主要有SUH409L，SUS436L，SUS439L等钢种。SUH409L由于铬含量较低（1112%），很难满足国产油品的冷凝液腐蚀特别是焊缝的晶间腐蚀要求，为此宝钢开发了SUH409L的改进型产品B409M，通过Nb，Ti双稳定化有效改善了焊缝的晶间腐蚀性。图5为B409M与进口SUH409L和409DG焊缝晶间腐蚀试验对比结果5。针对SUS439L，宝钢相应开发了双稳定的B439M，进一步提高其耐冷凝液腐蚀性能。B436L则针对国内不同汽车主机厂需求，可以提供不同使用要求的产品。表5及表6提供了宝钢中低温端零部件用不锈钢的标准成分及基本性能。表7为北京科技大学提供的采用川崎冷凝液组成

19、6进行的宝钢开发的中低温端铁素体不锈钢与进口相应钢种的冷凝液腐蚀试验对比结果。宝钢产品抗冷凝液腐蚀性能均达到了进口产品的水平。表5：宝钢B409M，B436L，B439M不锈钢基本化学成分标准（wt%）钢号化学成分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：宝钢B409M，B436L，B439M不锈钢基本力学性能标准钢种屈服强度（Mpa）抗拉强度（Mpa）延伸率（%）HV硬度弯曲试验B409M21032038050030170180度，0.5TB436L24536042055030170180度，1TB439M24032040050030170180度，1T表7：几种钢种的冷凝液腐蚀最大点蚀深度比较（单位，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. 结束语 本文就汽车排气系统用不锈钢零部件的组成及性能要求进行了介绍。重点介绍了宝钢汽车排气系统用铁素体不锈钢新产品开发设计及相应产品性能指标。通过近4年的开发工作，宝钢已经完成了涵盖高温及低温部位，涉及低铬及中铬的铁素体不锈钢钢种的全系列开发。同时，相关钢种在国内的一汽轿车、上海通用、广州日产、天津一汽等主机厂及天纳克、佛吉亚、EMCON、CK等零部件公司进行了广泛认证工作，相关产品也在国内合资及自主品牌汽车中得到广泛应用。针对汽车排放等级的

22、不断提高，净化废气排放的、减轻车身重量、降低燃料成本、保护环境等需求会对材料开发提出更高要求。今后岐管的发展趋势是排气温度将继续升高，因此需要高温强度和热疲劳特性更好的材料。另外，由于排气歧管具有复杂的形状，因此希望提高成形性，使加工变得更加容易。对于低温端材料，针对国产油品特性（高含硫汽油，甲醇及乙醇汽油），材料的使用失效特征与国外材料有所不同。宝钢目前与国内通用汽车正在开展有关地域的甲醇及乙醇汽油使用效果评价分析，对进一步了解材料失效机制，提高材料使用性能，开发符合我国国情的排气系统零部件材料必将发挥重要作用。参考文献1 Makio Gunji, Atshushi Miyazaki and Takaaki Toyooka, High-formabil