寶鋼不銹鋼產(chǎn)線于2004年4月投產(chǎn), 2005年開(kāi)始進(jìn)行汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼SUH409L的產(chǎn)品開(kāi)發(fā), 2006年獲得了德國(guó)大眾的產(chǎn)品認(rèn)證并出口海外。2007年, 針對(duì)中國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展, 寶鋼適時(shí)推出了汽車用不銹鋼系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)近幾年的國(guó)產(chǎn)化工作, 目前寶鋼已經(jīng)開(kāi)發(fā)了包括SUH409L、B409M、B432L、B429、B436L、B439M、B441、B444M2、B443NT等在內(nèi)的目前市場(chǎng)應(yīng)用的鐵素體不銹鋼和常規(guī)的SUS304奧氏體不銹鋼, 廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)合資品牌和自主品牌汽車, 國(guó)產(chǎn)化取得了重要進(jìn)展。
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汽車排氣系統(tǒng)主要由排氣歧管、前管、轉(zhuǎn)換器、中管、消音器和尾管等組成, 不同部位對(duì)材料有不同性能要求。排氣系統(tǒng)材料的服役環(huán)境可大體分為中低溫端(中管、消音器、尾管)和高溫端(前管、歧管)。
汽車排氣系統(tǒng)高溫端用鐵素體不銹鋼性能要求
汽車排氣系統(tǒng)的岐管和前管所處環(huán)境溫度可以達(dá)到750℃～900℃, 局部可能達(dá)到950℃, 對(duì)材料的高溫性能如高溫強(qiáng)度和高溫疲勞性能要求較高。汽車排氣歧管早期使用的主要是耐熱鑄鐵，但隨著排放等級(jí)提高、發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高和排氣溫度上升, 以及由于對(duì)減輕零部件重量的需要, 特別是為了改善三元催化裝置以快速提高催化效率, 現(xiàn)在主要使用鐵素體不銹鋼岐管。
排氣歧管所用的不銹鋼有奧氏體系不銹鋼和鐵素體系不銹鋼。奧氏體系不銹鋼的高溫強(qiáng)度高, 但容易發(fā)生氧化皮剝落, 因此在抗氧化性方面不如鐵素體系不銹鋼。鐵素體系不銹鋼的抗氧化性好, 高溫強(qiáng)度略遜于奧氏體系不銹鋼，但熱膨脹系數(shù)小的鐵素體系不銹鋼在熱疲勞特性方面是有利的。目前通過(guò)合金化技術(shù), 特別是通過(guò)添加Mo和Nb等合金, 可以顯著增強(qiáng)鐵素體不銹鋼高溫強(qiáng)度, 鐵素體不銹鋼完全滿足汽車高溫端使用要求。
經(jīng)過(guò)檢測(cè)，寶鋼生產(chǎn)的高溫端用鐵素體不銹鋼產(chǎn)品的高溫性能和常溫力學(xué)較進(jìn)口產(chǎn)品相當(dāng)或略高, 完全滿足高溫端零部件使用要求。
寶鋼生產(chǎn)的高溫端用鐵素體不銹鋼鋼種和性能
目前用于高溫端的鐵素體不銹鋼主要有429、441、434和444, 其中日系車主要使用429和444, 歐美系主要使用441。針對(duì)上述產(chǎn)品,寶鋼開(kāi)發(fā)了滿足國(guó)產(chǎn)汽車要求的B429、B441和B444M2這3個(gè)鋼種。其中，B429根據(jù)用戶使用車型不同又分為含Mo型B429和普通型B429。含Mo型B429和B444M2的含Mo量分別為0.5%和2.0%, 主要針對(duì)沿海氣候和下雪地域等氯離子腐蝕比較嚴(yán)重的地區(qū)。B441主要針對(duì)高排量特別是使用溫度較高的車型。
針對(duì)高溫端使用環(huán)境, 合金設(shè)計(jì)中主要關(guān)注微合金元素, 包括Nb、Ti、Mo等。添加Nb主要是為了增強(qiáng)不銹鋼的高溫強(qiáng)度, 但Nb在高溫使用過(guò)程中會(huì)通過(guò)形成Fe2Nb等析出, 導(dǎo)致高溫穩(wěn)定性降低。研究表明, 通過(guò)復(fù)合添加Nb和Ti，可阻止MC碳化物的粗化, 有效降低Nb在高溫環(huán)境中的析出, 提高高溫穩(wěn)定性，改善高溫使用性能。加Mo主要是提高高溫抗氧化性和抗高溫鹽蝕性能。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和全流程加工控制, 特別是對(duì)冷退組織的控制, 寶鋼采用先進(jìn)的激光焊接工藝生產(chǎn)的B429不銹鋼焊管內(nèi)高壓成形高溫端用管, 局部擴(kuò)管率達(dá)到110% 。省去熱處理的不銹鋼焊管各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到甚至優(yōu)于進(jìn)口同類焊管的性能要求。
汽車排氣系統(tǒng)中低溫端用鐵素體不銹鋼性能要求
汽車排氣系統(tǒng)的中低溫端主要指中管和消音器及尾管, 使用環(huán)境溫度為600℃～100℃。汽車發(fā)動(dòng)一段時(shí)間后, 尾氣中的水分在消音器部位冷卻凝結(jié)產(chǎn)生冷凝液, 其中普遍含有NH4+、Cl-等腐蝕性離子。這些腐蝕性離子將對(duì)排氣系統(tǒng)冷端部件(消聲器和尾管)產(chǎn)生均勻腐蝕和點(diǎn)蝕等, 導(dǎo)致零部件失效, 即為冷凝液腐蝕。目前使用的主要鋼種為SUH409L、SUS439L和SUS436L等。其中SUH409L為低鉻經(jīng)濟(jì)型不銹鋼, 主要用于低端車型；SUS439L是針對(duì)SUH409L開(kāi)發(fā)的性能改善型不銹鋼, 由于添加了更多的Cr(18%)，改善了焊縫的抗腐蝕性能特別是抗晶間腐蝕和抗冷凝液腐蝕性能。添加Cr和Mo能有效地抑制不銹鋼在冷凝液中發(fā)生局部腐蝕如點(diǎn)蝕等腐蝕失效, 通過(guò)優(yōu)化Cr和Mo的添加量而開(kāi)發(fā)的SUS436L(18Cr-1.2Mo-Ti)不銹鋼, 在改善抗冷凝液腐蝕性能的同時(shí)還可以提高抗高溫鹽蝕和沿海地域的氯離子腐蝕能力。
焊縫晶間腐蝕也是汽車排氣系統(tǒng)零部件的主要失效方式之一, 主要發(fā)生在管件和不同零部件結(jié)合等的焊接部位。低鉻的鐵素體不銹鋼由于其基體的鉻含量較低(11%～12%) , 冶煉時(shí)不銹鋼的碳含量不能達(dá)到足夠低的程度, 這些焊接部位在冷凝液作用下就會(huì)發(fā)生焊縫的晶間腐蝕行為,導(dǎo)致零部件失效。
低溫端的消音器一般須通過(guò)沖壓成形加工, 因此成形性也是低溫端材料的主要性能要求之一。
寶鋼生產(chǎn)的中低溫端用鐵素體不銹鋼鋼種和性能
汽車排氣系統(tǒng)中低溫端零部件用不銹鋼主要有SUH409L、SUS436L、 SUS439L等鋼種。SUH409L由于鉻含量較低(11%～12%)，很難滿足國(guó)產(chǎn)油品的冷凝液腐蝕特別是焊縫的晶間腐蝕要求, 為此寶鋼開(kāi)發(fā)了SUH409L的改進(jìn)型產(chǎn)品B409M。B409M在SUH409L基礎(chǔ)上采用Nb、Ti雙穩(wěn)定化處理,可以有效改善焊縫的抗晶間腐蝕性能, 性能優(yōu)于同級(jí)別的SUH409L。
針對(duì)SUS439L, 寶鋼相應(yīng)開(kāi)發(fā)了雙穩(wěn)定的B439M, 進(jìn)一步提高其耐冷凝液腐蝕性能。為了進(jìn)一步延長(zhǎng)使用壽命, 改善冷凝液腐蝕性能特別是點(diǎn)腐蝕性能, 寶鋼開(kāi)發(fā)了含Mo、中鉻、Ti穩(wěn)定化B436L鐵素體不銹鋼。針對(duì)國(guó)內(nèi)不同汽車主機(jī)廠需求, 寶鋼可以提供不同使用要求的產(chǎn)品。寶鋼產(chǎn)品抗冷凝液腐蝕性能均達(dá)到了進(jìn)口產(chǎn)品的水平。
結(jié)語(yǔ)
寶鋼已經(jīng)完成了涵蓋高溫和中低溫部位,涉及低鉻和中鉻鐵素體不銹鋼鋼種的全系列開(kāi)發(fā), 相關(guān)鋼種在國(guó)內(nèi)的汽車主機(jī)廠主要車型中得到穩(wěn)定批量推廣應(yīng)用。寶鋼B429、B441、B444M2等排氣歧管用鐵素體不銹鋼通過(guò)雙穩(wěn)定處理, 改善了高溫性能，相關(guān)使用性能達(dá)到了進(jìn)口同等水平。寶鋼開(kāi)發(fā)的Nb-Ti雙穩(wěn)定B409M低鉻鐵素體不銹鋼耐晶間腐蝕性能明顯優(yōu)于同類產(chǎn)品, 中鉻鐵素體不銹鋼B439M和B436L等耐腐蝕性能達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品同類水平, 滿足汽車零部件使用性能要求。（2011年6月4日中國(guó)冶金報(bào)）
表1 典型奧氏體和鐵素體不銹鋼的物理性能比較
表2 寶鋼相關(guān)鋼種與對(duì)比鋼種的常溫和高溫力學(xué)性能對(duì)比
表3 寶鋼B409M、 B436L、 B439M 不銹鋼基本力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)
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