CN101397638A - 一种汽车尾气排放系统用铁素体不锈钢 - Google Patents

Abstract

一种汽车尾气排放系统用铁素体不锈钢，其成分质量百分比为：C≤0.02、Si≤1.0、Mn≤1.0、Cr 10.5～12.0、P≤0.03、S≤0.003、Ni≤0.3、6×(C+N)≤Ti≤0.60、Nb 0.15～0.35、N≤0.01、C+N≤0.03、其余为Fe和不可避免杂质。本发明钢采用低碳氮设计路线，铁素体不锈钢中添加Ti和Nb，双稳定不仅提高耐腐蚀性能，提高连铸坯的表面质量，同时双稳定也改善了材料的综合力学性能。可以在已有的生产线中更容易实现冶炼，大大提高冶炼的成功率，并可以有效降低生产成本。经过对本发明钢种成品进行的力学和腐蚀性能检验，各项性能优于单稳定的低铬铁素体不锈钢。

Description

一种汽车尾气排放系统用铁素体不锈钢

技术领域

本发明涉及铁素体不锈钢，特别涉及一种经济型、具有良好耐腐蚀性能的用于汽车尾气排放系统用铁素体不锈钢。

背景技术

汽车工业近年来得到了飞速的发展。随着汽车工业的发展，汽车排气系统用材料越来越受到汽车生产厂商的重视，以适应越来越严格的环保要求和不断降低车身重量和材料成本的需要。铁素体不锈钢具有的省镍、抗晶间腐蚀等优良耐蚀性能及低的热膨胀系数、高的强度等物理和力学性能等综合成本和性能的优-势，使铁素体不锈钢取代了奥氏体不锈钢成为汽车排气系统的首选材料，得到了广泛的应用。日本和欧美的汽车厂均从20世纪80年代起全面使用铁素体不锈钢作为制造汽车排气系统的材料。汽车排气系统主要由岐管、前管、柔性管、转换器、中管、消声器和尾管等组成，其中，中管、消声器和尾管等低温段对材料的要求主要考虑材料的成型性和耐晶间腐蚀性能。

作为低温段使用的铁素体不锈钢主要可以分为两类，一类是低铬的11Cr不锈钢，属于经济型钢。另一类主要是中高铬的17Cr及17Cr中添加耐腐蚀合金元素如Mo等，属于高性能钢。为保证铁素体不锈钢具备良好的力学性能和耐腐蚀性能，通过添加适量的稳定化元素Ti或Nb，利用稳定化元素固定基体中的N和C，减少铬与N和C的结合形成化合物而导致基体贫铬，耐腐蚀性能降低。

目前，对于使用要求相对较低的汽车尾气系统，使用的不锈钢主要是低铬的11Cr不锈钢，日本的JFE、新日铁住京(NSSC)和日新(NSS)公司是国际上生产低铬11Cr铁素体不锈钢的代表厂家，目前市场应用的低铬的11Cr不锈钢成分和性能见表1：

表1 低铬的11Cr不锈钢成分和性能

此外，除上述生产单位提供市场的合金设计外，还有如下表2所示。

从表2中可以看出，应用于汽车尾气排放系统的不锈钢包括了从低铬(10-13)、中铬(15-21)和高铬(22-30)的合金设计，通过添加不同合金元素如Mo、Cu及采用稳定化元素Ti或者Nb来固定铁素体基体中的有害元素，确保不锈钢具有设计要求的性能。

从上述公开的9个对比例中可以看出，只有对比例5和对比例9是属于低铬(10-13)的合金设计，其余对比例成分设计基本属于中铬(14-21)和高铬(22-30)的合金设计。

从目前市场上提供的低铬铁素体不锈钢产品来看，主要合金元素Cr成分在10.5-12之间，稳定化元素均采用了Ti单一稳定。对比例5采用了Ti、Nb双稳定处理，同时也添加合金元素Mo，来提高不锈钢性能。

对比例9采用Ti、NB双稳定处理，同时采用更低碳氮的设计(C≤0.005％，N≤0.008％，C+N≤0.009％)，更低的C+N可以提高性能，但大大增加炼钢成本。

409Ti稳定铁素体不锈钢自上世纪80年代开始得到广泛应用，随着汽车排放要求的严格化，致使排气温度不断提高，加重了对消音器、中管和尾管等冷端部件的腐蚀，有必要开发一种提高抗晶间腐蚀能力的不锈钢。

此外，传统的Ti单稳定铁素体不锈钢，由于需要保证必要的稳定化作用，需要添加相对较多的Ti，而Ti在钢水中与N结合形成TiN后重则容易造成水口结瘤导致浇注中断，轻则影响连铸坯的表面质量。为了消除其对连铸坯表面质量影响，就必须增加连铸坯的表面修磨量，这样就不可避免增加修磨成本和材料损耗；或者尽可能降低钢水中N含量，这样也增加了炼钢成本。

发明内容

本发明的目的在于设计一种汽车尾气排放系统用铁素体不锈钢，经济型、具有良好耐腐蚀性能，可以在已有的生产线中更容易实现冶炼，大大提高冶炼的成功率，并可以有效降低生产成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，

一种汽车尾气排放系统用铁素体不锈钢，其化学成分质量百分比为：

C≤0.02

Si≤1.0

Mn≤1.0

Cr10.5～12.0

P≤0.03

S≤0.003

Ni≤0.3

6×(C+N)≤Ti≤0.60

Nb0.15～0.35

N≤0.01

C+N≤0.03

其余为Fe和不可避免杂质。

进一步，本发明钢中杂质元素总量低于0.05％。

C和N：本发明钢种属于超低碳氮的铁素体不锈钢，因此在本发明钢中，碳和氮属于杂质元素，需要尽可能降低其含量。目前冶炼设备在保证生产能力的情况下能够比较容易满足将碳和氮控制在总量小于0.03％，同时达到碳量≤0.02wt％、氮量≤0.01wt％的要求。降低碳和氮总量主要是尽可能降低稳定化元素用量，特别是减少Ti的使用，保证产品的表面质量和提高晶间腐蚀性能。

Cr：是提高耐蚀性和强度的主要合金元素。Cr提高不锈钢在氧化性酸中耐蚀性，提高其在氯化物溶液中的耐应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀能力。Cr提高钢的强度，但降低钢的塑性，对焊接性不利。

Mo：是耐点蚀和耐硫化物应力腐蚀性能所必要的元素。Mo可以提高不锈钢钝化膜的稳定性，增强钢中铬的耐蚀作用，提高不锈钢耐各种还原性介质的腐蚀性，Mo对提高不锈钢耐蚀性的有益作用的前提是必须有足够的铬元素。对于低铬不锈钢一般不加Mo。

Si：加入钢中起到脱氧和改善耐蚀性的作用，大于1％，加工和韧性恶化。适量的硅可以使不锈钢具有优异的耐氧化、耐硝酸和硫酸腐蚀。

Mn：弱奥氏体元素，Mn可以抑制不锈钢中硫的有害作用，提高热塑性。但Mn对提高不锈钢耐腐蚀性不利。大于1％，将降低腐蚀性能。

Ti和Nb：Ti和Nb主要用于防止钢中铬和碳结合形成铬碳化物而引起的铬浓度降低导致耐腐蚀性降低，特别是引起晶间腐蚀；Ti还可以与钢中硫结合形成TiC₂S化合物以防止MnS所引起的点蚀。不锈钢中Ti和氮亲和力大于Nb，而Nb与碳亲和力大于Ti。Ti和Nb可以提高不锈钢的室温和高温强度，提高铁素体不锈钢的抗疲劳和冷成型性及焊接性，但对钢的脆性转变温度不利。Ti与氮形成的氮化物(TiN)作为夹杂物会影响钢的表面和内在质量，Nb与氮形成的氮化物(NbN)还会降低钢的热塑性。

Ni：Ni在铁素体不锈钢中属于控制元素，尽可能减少Ni的含量。

P和S：铁素体不锈钢中磷和硫会严重影响不锈钢的耐蚀性和加工性能，必须严格控制，一般希望控制在P≤0.03wt％，S≤0.002wt％。

采用Ti、Nb双稳定，钢中的Ti稳定N因为Ti与N结合作用比Ti与C结合作用强；同样，对于Nb，Nb与C结合作用强于Nb与N的结合作用。这样，Ti、Nb双稳定化钢中的Ti稳定N，Nb稳定C，各自按照氮化物和碳化物化学当量比加入。由Nb和对TiN而言过剩的Ti把C稳定，这就是双稳定化改善Ti单稳定钢的晶间腐蚀性能，即提高铁素体不锈钢在排气系统冷端的耐腐蚀性能。

对于汽车尾气系统用铁素体不锈钢而言，金属中的C、N属于杂质元素，对材料的使用性能如腐蚀性能、成型性能等有不利影响，必须严格控制其含量。低铬的铁素体不锈钢(11-13％Cr)是最早用于汽车尾气排放系统，在合金中添加Ti作为稳定化元素主要是一方面利用其稳定杂质元素C、N，另一方面主要是利用Ti改善该钢种的焊接性能。因为Ti的稳定化对C的固定不如Nb明显，因此，前期的合金设计采用超低含量的C。

采用Ti单稳定，其析出物为TiC，析出温度区间在780-830℃；采用Ti、Nb双稳定，析出物为(TiNb)C，析出温度可以提高到1200℃，这样不仅可以稳定杂质C，同时，高温下的析出可以保证轧制过程中不存在溶质C，确保有利织构形成，提高成型性能。

由于对排放要求的不断提高，汽车的发动机的废气温度也不断提高。Ti单稳定元素作用不能消除消音器部位在高达400-500℃温度下产生碳化物析出，碳化物的析出必然导致晶界品铬，随后产生晶间腐蚀。添加Nb后，双稳定化作用中Nb可以更好地稳定杂质元素C，从而可以避免消音器部位在较高温度下产生碳化物析出，提高腐蚀性能。

当然，采用了Ti和Nb的双稳定，可以更好稳定杂质元素，特别是影响晶间腐蚀性能的C元素。Nb的添加可以放宽钢的冶炼成分中严格的C成分要求，利用Nb稳定化作用来固定多余的C，可以大大提高炼钢的成功率，毕竟对于C小于50ppm或C+N含量小于100ppm炼钢要求还是相当苛刻。适当放宽杂质元素要求到C+N含量小于300ppm，更多是利用Nb的稳定化作用来固定杂质元素，而不是单纯依靠降低杂质元素含量的方式，可以减少炼钢时间并有效提高连钢的成功率，大大降低炼钢成本。

此外，采用了Ti和Nb的双稳定，更多利用Nb的稳定化作用来代替Ti的作用稳定杂质元素。这样可以降低Ti稳定化元素的添加。因为过高Ti稳定化元素添加在高温条件下产生的TiN会影响连铸坯表面质量。添加Nb后通过表面质量改善来降低修磨率可以祢补因添加稳定化元素Nb的提高的材料成本。

通过电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三步法炼钢并进行喂钛丝处理后就可以获得满足成分要求的钢液。通过控制拉速、电磁搅拌等工艺参数使钢液经过连铸获得连铸坯，连铸坯要进行缓冷并带温(修磨温度大于250度)进行表面修磨，修磨后带温送加热炉加热并保温一定时间进行热轧。热轧首先进行粗轧并去表面氧化皮，粗轧坯经过精轧、冷却和卷取获得热轧板卷。热轧板卷经过退火酸洗后进行冷轧加工。冷轧加工要确保一定的轧制压下率，有利于获得好的综合力学性能。冷轧板轧后需要经过冷轧退火，使冷轧不锈钢可以充分再结晶，获得综合性能满足要求的冷轧不锈钢产品。

本发明的有益效果：

本发明钢采用低碳氮设计路线，但总的碳氮含量及碳、氮各自的含量均较中国专利CN1182458有更宽的范围，如C≤0.025％，N≤0.015％，C+N≤0.030％，该成分设计可以较中国专利CN1182458更容易冶炼，可以大大提高冶炼的成功率，并可以有效降低生产成本。

铁素体不锈钢中添加稳定化元素可以有效改善不锈钢的抗晶间腐蚀性能和高温稳定性。Ti不仅可以稳定不锈钢中的N和C，而且对焊接有利；Nb除了可以稳定不锈钢中的N和C，提高耐腐蚀性，同时对提高高温稳定性有利。

Ti和Nb的双稳定不仅提高耐腐蚀性能，提高连铸坯的表面质量，同时双稳定也改善了材料的综合力学性能。

添加稳定化元素时Ti按照6X(C+N)添加，Nb按照Ti的1.5至2.0倍左右添加，可以收到良好效果。经过对本发明钢种成品进行的力学和腐蚀性能检验，各项性能优于单稳定的低铬铁素体不锈钢。

具体实施方式

表3所示为本发明实验钢种的化学成分。

其中，实施例1-8为本发明钢种，对比例1～3为目前汽车中普遍使用的铁素体不锈钢尾气系统用钢。

表3  本发明钢和现有同类铁素体不锈钢的化学成分，wt％

表4为本发明钢和对比例钢的力学性能和晶间腐蚀性能比较。其中，力学性能检测屈服强度、抗拉强度、延伸率、硬度和成型性(r值)。腐蚀性能测定耐晶间腐蚀和均匀腐蚀性能，耐晶间腐蚀以Cu-CuSO₄-16％H₂SO₄沸腾溶液浸泡24小时后，试样弯曲180度弯曲试样经过10倍放大的体视显微镜观察无晶间裂纹视为合格。试样的均匀腐蚀采用表5的浓缩液实验成分，试样加热到400℃保温5小时，然后将试样浸泡在80℃的冷凝液中，待冷凝液完全蒸发后，清洗试样和烧杯，重复进行10个周期，测量试样失重，比较不同合金的耐腐蚀性能。

表 4本发明实施例用钢和对比例用钢的力学性能和腐蚀性能比较

表5 试验用冷凝液成分(单位：10^-4％)

从表4的结果可以看出，本发明的铁素体不锈钢具有同对比钢种相当的强度、硬度和成型性，本发明钢种的延伸率还优于对比钢种，这主要是双稳定化可以更好地固定碳氮，避免大型Cr的碳化物析出，影响材料的使用性能。另外，本发明钢种具有比单一稳定的铁素体不锈钢更好的耐晶间腐蚀性能和均匀腐蚀性能，主要是添加Nb可以比Ti更好地固定金属中的碳，避免金属Cr碳化物在晶间析出，引起晶间腐蚀失效。

本发明钢种和制造方法生产汽车尾气系统用铁素体不锈钢的抗晶间腐蚀和均匀腐蚀性能有明显改善，可以提高汽车尾气系统的使用寿命。

Claims (2)

1.一种汽车尾气排放系统用铁素体不锈钢，其化学成分质量百分比为：

C　　≤0.02

Si   ≤1.0

Mn   ≤1.0

Cr   10.5～12.0

P    ≤0.03

S    ≤0.003

Ni   0.3

6×(C+N)≤Ti　≤0.60

Nb　　0.15～0.35

N     ≤0.01

C+N   ≤0.03

其余为Fe和不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的汽车尾气排放系统用铁素体不锈钢，其特征是，杂质元素总量低于0.05％。