含鈮鐵素體不銹鋼在汽車排氣系統的應用前景

無錫不銹鋼板、無錫不銹鋼管專業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。這對汽車排氣系統提出了更高的要求。汽車排氣系統所用的材料從最早使用的鑄鐵、碳鋼、鍍鋁碳鋼發展到目前使用的不銹鋼。其中，鐵素體不銹鋼憑借其優良的性能和不含或少含鎳的低廉成本受到關注。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、熱膨脹系數小、導熱系數大等特點，已成為汽車排氣系統首選的材料。

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，汽車排氣系統由歧管、前管、柔性管、轉換器、中心管、消聲器和尾管構成，不同部位對材料的要求各有不同。由于汽車排氣系統主要由管件連接，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用鋼要具有良好的成型性。其次，汽車排氣系統前端的高溫部件，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，由于汽車經常處于發動和停止的反復運行狀態，故又要求材料具有良好的耐高溫疲勞性。再次，由于汽車排氣系統暴露在外，且離路面較近，易受外界環境介質的侵蝕，且消音器在短程行駛中有冷凝液析出，對內壁造成點蝕，故應選用耐蝕性好的材料。

當前，國際上轎車排氣系統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，在排氣系統中得到廣泛的應用。而含鈮鐵素體不銹鋼的研究與開發是近20年間冶金和材料科學領域的重大技術進步。20世紀80年代，國際上冶金材料專家，對鈮在改善傳統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中獲得廣泛應用。

最新研究表明，鈮不僅僅是簡單的穩定化元素，可改變鐵素體不銹鋼的表面質量，還可以防止應變時效、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于奧氏體不銹鋼的性能，因此得到了廣泛的應用。

為盡快實現汽車排氣系統用不銹鋼國產化，國內產、學、研、用相關單位組成了聯合攻關組。其主要工作目標是開發適合于中國目前油品條件下的經濟型汽車排氣系統用鐵素體不銹鋼系列材料，不斷提高產品實物質量，最終實現完全國產化。

首先，該攻關組對目前國內燃油的油品特性進行了調查，對排氣系統失效部位的腐蝕產物進行了分析，并對SUH409L、436L等材料進行冷凝液的腐蝕實驗評價。在此基礎上，該攻關組提出了能夠模擬實際工況條件下，汽車排氣系統用鋼的標準方案；就幾種典型汽車排氣系統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，最終實現工業化批量生產，并在奔騰B50、紅旗等車型排氣系統實際應用和跑車上進行試驗和相應的分析、評價。

研究結果表明，汽車排氣系統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。

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

現代鐵素體不銹鋼的發展離不開先進的冶金技術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用不銹鋼性能的提高原理和相應的工藝措施，進而開發出新型的含鈮車用排氣系統不銹鋼，對于提升排氣系統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良的成型性、經濟性、耐蝕性、抗氧化性等特點，除汽車排氣系統以外，在很多領域可替代奧氏體不銹鋼，發展前景十分廣闊。因此，汽車排氣系統用含鈮鐵素體不銹鋼的開發將推動現代鐵素體不銹鋼的研發與應用的進程。