CN101787495A - 用于热管的铁素体不锈钢和钢板，及热管和高温废热回收系统 - Google Patents

用于热管的铁素体不锈钢和钢板，及热管和高温废热回收系统 Download PDF

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Abstract

提供一种用于高温废热回收系统的热管的铁素体不锈钢，其按质量％计包含，16-32％的Cr，最多0.03％的C，最多0.03％的N，最多3％的Si，最多2％的Mn，最多0.008％的S，0-0.3％的Al，以及选自最多0.7％的Nb、最多0.3％的Ti、最多0.5％的Zr和最多1％的V中的至少一种，并可选地包含选自最多3％的Mo、最多3％的W、最多3％的Cu、最多0.1％的Y、最多0.1％的REM(稀土金属)和最多0.01％的Ca中的至少一种，余量的铁和不可避免的杂质，并且它至少满足下面式(1)、式(2)和式(5)：Cr+3(Mo+Cu)≥20...(1)；Cr+3(Si+Mn+Al-Ti)≥20...(2)；0.037{(C+N)/(V+Ti+0.5Nb+0.5Zr)}+0.001≤0.01...(5)。

Description

用于热管的铁素体不锈钢和钢板，及热管和高温废热回收系统
发明背景
技术领域
本发明涉及用于热管的不锈钢和钢板，所述热管用于利用水的蒸发潜热进行热交换，并涉及该热管和包括该热管的高温废热回收系统。
背景技术
近来，为了回收在车辆行驶中以高温排放的发动机废气的热量并将其循环用作车辆的能量源，从而提高车辆的燃料效率，将一种高温废热回收系统投入实际应用。通常使用热交换器进行废热的回收，其用于在废热与冷却水或任何其它热媒之间的热交换；并且作为实现有效率热交换的方法，具有可被称为热管的传热装置的热交换器在车辆等的高温废热回收系统中的应用得到特别关注。
图1所示为一种普通废气通道结构的例子，其包含安装在车辆废气通道中的高温废热回收系统。在很多情况下，如该图所示，废热回收系统位于地板下部转换器的后面。将高温废热回收系统回收的热量有效地用于车辆行驶启动时加热发动机的冷却水和在冬季的空间加热；并且这有助于提高汽油车辆、柴油车辆、混合动力车辆等的燃料效率，并节省其中的电池。
图2示意地显示了热管的原理。
[0.初始状态]
热管10是金属密闭容器，其在真空(最高100Pa)下内部密封有纯水；容器的内部形成液态水的液相部11和空间部12。
[1.加热/冷却状态]
当用废气加热热管10的包括液相部11的部位(加热区)时，液相部11中的水剧烈地蒸发。蒸发是吸热反应，因此该部位可有效地吸收废气的热量。具体讲，大多废热的热能作为蒸发潜热被转移到水蒸汽中(加热)。当用冷却水等冷却热管10的空间部12的一部分(冷却区)时，那么水蒸汽在热管的冷却容器的内表面冷凝，并且冷凝的水返回到液相部11。冷凝是放热反应，因此与水蒸汽的潜热对应的热量被释放并转移到冷却水中(冷却)。因此接收到热量的冷却水得到加热，并用作热水。加热和冷却的循环持续进行，从而实现利用水的蒸发潜热的有效热交换。
专利文献1公开了一种热管型高温废热回收系统。图3示意性地示出了该系统的一部分。它包含其中废气流通的加热区22和其中冷却水31流通的冷却区32；盘状物23在加热区22中平行布置。在相邻的盘状物23之间布置的是钎焊至盘状物23的集热片24。引导废气通过该集热片24。每个盘状物23的两端都与上部集管(蒸汽流动通道)和底部集管(液体回流通道)连接，通过所述集管将加热区22与冷却区32相连接；如前面提及的，盘状物23和集管在真空抽吸后加入水并密封。将能够开启和关闭液体回流通道的模式切换阀33设置在冷却区32的下部。当模式切换阀33处于开启状态(热回收模式)，盘状物23中的水被废气加热时，那么水以沸腾(蒸汽)→冷凝(冷凝液)的循环方式进行循环，从而回收废气中的废热。在许多情况下，将盘状物23成形为具有扁平状，以增加其比表面积和尽可能最小化废气的排放阻力；通常，通过压制具有优良耐热性和优良耐蚀性的不锈钢板来成形盘状物。在许多情况下，供给加热区22的废气的温度由于转换器的催化作用而得到提高，并经常达到800℃或更高。当模式切换阀33处于关闭状态(热切断模式)时，加热区22的材料温度是最高的，推测达到600至900℃的温度范围。
在这种方式下，热管被加热到900℃左右的温度范围，因此它必须由具有优异的高温强度(抗蠕变性、抗高温疲劳性、抗热疲劳性)和优异的抗高温氧化性的材料来形成。另外，它要求优异的可加工性、焊接性和钎焊性。另外，重要的是它必须是廉价的。综合这些要求，目前认为不锈钢是最适于用作热管的材料。专利文献2公开了由不锈钢形成的热管，该不锈钢含有14-27wt％的Cr。
专利文献1：JP-A 2007-327719
专利文献2：JP-A 7-243784
然而，由不锈钢形成的热管在行驶的早期阶段可能会在其内部产生大量氢。各种研究的结果表明，由于氢的产生，其内部压力经常可高于1MPa。在这种情况下，热管应该是严格依法控制的压力容器。为了使作为非常普及的废热回收系统易于使用，期望构建热管内部压力不超过1MPa的高温废热回收系统。
另外，热管内部氢的产生是降低向冷却水的传热效率的危险因素，还是令系统产生过高应力的危险因素；因而这可能成为系统损坏和重大事故的原因。
铁素体不锈钢与奥氏体钢相比具有更小的热膨胀系数，因此在加热和冷却循环中的抗热疲劳性方面是有利的。另外，铁素体不锈钢与奥氏体钢相比具有更小的氢扩散系数，因此有利于将容器内部产生的氢排出系统。此外，铁素体不锈钢通常比奥氏体钢更便宜。不利的方面，铁素体不锈钢的抗高温氧化性、高温强度、耐蚀性等通常低于奥氏体钢。
发明内容
本发明的目的是开发一种铁素体钢类型的铁素体不锈钢，其自然地具有上述优点，当其用于构成热管的容器时，具有稳定防止由氢产生而引起的压力增加的特性，具有足够用于600-900℃温度范围的抗高温氧化性和高温强度，并且具有适合于热管的耐蚀性和Ni钎焊性；并提供一种能够构建广泛普及的热管型废热回收系统的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于高温废热回收系统的热管的铁素体不锈钢，它按质量％包含，16-32％的Cr，最多0.03％的C，最多0.03％的N，最多3％的Si，最多2％的Mn，最多0.008％的S，0(不添加)-0.3％的Al，以及选自最多0.7％的Nb、最多0.3％的Ti、最多0.5％的Zr和最多1％的V中的至少一种，余量的铁和不可避免的杂质，并且它满足下面式(1)、式(2)和式(5)的全部，并满足下面式(3)和式(4)中的至少一个。本发明还提供了一种铁素体不锈钢，其进一步含有选自最多3％的Mo、最多3％的W和最多3％的Cu中的至少一种。铁素体不锈钢还可含有选自最多0.1％的Y、最多0.1％的REM(稀土金属)和最多0.01％的Ca中的至少一种。
Cr+3(Mo+Cu)≥20...(1)
Cr+3(Si+Mn+Al-Ti)≥20...(2)
Ti+Al≤0.05...(3)
Nb≥Ti+Al...(4)
0.037{(C+N)/(V+Ti+0.5Nb+0.5Zr)}+0.001≤0.01...(5)
在式(1)至(5)中，原子符号的位置代入相应元素的含量值，该含量值以质量％计，钢中未添加元素的位置代入0(零)。
本发明还提供了用于热管的铁素体不锈钢板，它由上述钢形成，且具有如JIS R6001：1998中定义的抛光粒度号(polish count)为#100-#800的抛光加工表面，或具有如JIS G4305：2005中表14中定义的HL级抛光加工表面。
本发明还提供了通过如下方式构建的热管：将厚度为0.5-1mm的上述钢的钢材形成的容器抽真空，随后将水引入其中并将其密封，从而在其内部形成液相部和空间部。优选地，作为其内部表面，该容器具有如JIS R6001：1998中定义的抛光粒度号为#100-#800的抛光加工表面，或具有如JIS G4305：2005中表14中定义的HL级抛光加工表面。本发明进一步提供具有上述热管的高温废热回收系统，该热管配置在材料温度达到600-900℃的部位。
根据本发明，可明显减轻不锈钢制造的热管内部压力的增加，该内部压力的增加是由热管内氢的产生而引起的，且使其成为问题。该热管的使用可以低成本实现广泛普及的高温废热回收系统，因此有助于废热回收系统在车辆等中的进一步普及。
附图说明
图1是显示废气通道结构例子的示意图，它包含安装在车辆废气通道中的高温废热回收系统。
图2是示意性地表示热管原理的概念图。
图3是显示传统高温废热回收系统例子的示意图。
图4是显示氢产生测试装置的结构的示意图。
图5是示意性地显示用于氢渗透测试的测试体的元件结构的图。
图6是示意性地显示氢渗透测试装置的结构的图。
图7是说明腐蚀测试方法的图。
具体实施方式
为了阻止热管中的氢产生引起的压力增加，首先必须了解其机理。抽真空后，热管中加入纯水并被密封，因此其中仅存在纯水和该热管(容器)本身的金属。热管内的氢产生是由于构成热管(容器)的金属被水(水蒸汽)氧化而引起的。基本可将该反应视为如下：
xM+yH2O→MxOy+yH2↑
其中M表示金属，x和y分别为系数。
本发明人的研究表明，热管中产生的氢以某种程度穿透热管材料(容器)到达外部。因此，为了降低热管内部的氢产生引起的压力增加，使用如下两种材料中的任一种或任一些构成热管都是有效的。
(i)难以产生氢的材料。
(ii)氢可以容易渗透穿过的材料。
与奥氏体钢不同，铁素体钢在第(ii)点上本质上就近乎良好。因此，重要的是从第(i)点上改善铁素体钢。
关于上述(i)，必须提高构成热管的不锈钢的抗水蒸汽氧化性。当其表面涂覆有致密的Cr2O3膜时，不锈钢可具有增强的抗水蒸汽氧化性。作为实现上述目的的手段，本发明人发现使用下述方法[1]对于铁素体不锈钢是非常有效的，且更优选使用下述方法[2]或[3]。在本发明中，使用了下述[1]，如果需要，可使用下述[2]和[3]中的任一者或二者。
[1]钢的组成包括均在下述范围内的Cr、Si和Mn，且满足下式(2)：
Cr+3(Si+Mn+Al-Ti)≥20...(2)
为了阻止在热管使用时氢产生，积极向铁素体不锈钢中加入均在下述范围内的Cr、Si和Mn是有效的，所述Cr、Si和Mn在600-900℃具有抑制氧化皮生长的作用。Al的添加也是有效的。然而，当钢中含有Ti时，发现由于Ti的氧化而使氢的产生增加。如下文所述，可加入Ti作为固定钢中的C和N的元素，因此在本发明中，控制本发明的铁素体不锈钢的Ti含量特别重要。作为各种研究的结果，本发明人发现为了减少氢产生必须要满足上式(2)。
[2]钢的组成包括均在下述范围内的Y、REM(稀土金属)和Ca。
这些元素具有提高铁素体不锈钢的抗高温氧化性的作用，对于减少氢产生有效。
[3]钢板具有抛光加工表面。
在500-600℃的低氧高湿度环境下，铁素体不锈钢可易于形成保护性差的氧化皮(红氧化皮)，该氧化皮含有Fe2O3作为其主要成分。在将热管加热到最高工作温度和将其冷却至常温的的循环的，热管经常暴露于上述环境下，其中由于产生大量氢，形成红氧化皮的氧化反应可能经常成为问题。本发明人发现，对暴露于上述环境的铁素体不锈钢板表面层预先施加加工应变对于该问题是特别有效的。据此，在500-600℃的中等温度范围下，Cr、Si、Mn和Al可易于扩散到钢板表面层中，因此可以快速形成具有保护性的致密氧化膜以阻止钢板上红氧化皮的形成。
为了在表面层形成加工应变，可以使用喷丸、抛光等方法；但在本发明中，抛光适用于大规模大量生产。本发明人的研究表明，将应变引入到自表面层大约50μm的深度可足以实现该目标。为此，可如此处理该钢板以具有如JISR6001：1998中定义的抛光粒度号为#100-#800的抛光加工表面，或具有如JISG4305：2005中表14中定义的HL抛光加工表面。
本发明所涉及的钢优选是这样的钢(铁素体单相钢)，如此设计其组成以在高温下尽可能不形成奥氏体相。而具有在高温下可易于形成奥氏体相的组成的钢是不希望的，因为当贫Cr层形成于覆盖钢的氧化膜正下方的基质中时，则贫Cr部分在高温下可在局部形成奥氏体相，并因此可成为氢扩散的障碍。另外，在该类钢中，当在高温下形成的奥氏体相在冷却时转变为马氏体相时，则该钢可能还存在另一问题，即在常温和高温下由氢脆引起的疲劳寿命的降低。
下面对合金化元素进行说明。在该说明书中，除非特别指出，用于合金元素的“％”是“按质量”。
Cr是赋予不锈钢必需的耐蚀性和抗氧化性的重要合金化成分。为了确保钢在600-900℃下的抗水蒸汽氧化性，需要至少16％的Cr，并且须满足下面式(1)：
Cr+3(Mo+Cu)≥20...(1)
例如，当没有向钢中添加Mo和Cu时，将0(零)代进Mo和Cu的位置，式(1)中单独的Cr就必须占至少20％。
当Cr含量较高时，那么铁素体稳定性较高，因此阻止贫Cr层的形成，而如果形成贫Cr层，则阻止贫Cr层中的奥氏体转变。更优选地，Cr含量至少为18％，并更优选至少为20％，特别是当没有对钢实施上述抛光或初步氧化处理时。然而另一方面，如果Cr含量多于32％，将使钢的可加工性和475℃时的抗脆化性严重劣化。因此，Cr含量在最多32％的范围内。
C和N是提高钢的高温强度，特别是抗蠕变性的元素；但是，当它们以固溶元素存在于钢中时，它们可能会捕获钢中的氢形成以甲烷和氨，因此产生了降低钢的高温强度、韧性和氢渗透性的危险因素。另外，因为C和N是奥氏体形成元素，它们也可能产生在高温下形成奥氏体相的危险因素。在这种情况下，如前所述，该钢也可能具有在贫Cr层中氢渗透性降低和由氢脆引起的疲劳强度降低的问题。因此，该钢优选具有尽可能较低的C含量和较低的N含量。各种研究的结果表明，分别为最高至0.03％的C和N是可接受的。但是为了充分降低钢中固溶C和固溶N的总量(下文中称为“固溶C+N的量”)，使钢满足下面式(5)是重要的，式(5)与钢中Nb、Ti、Zr和V的含量相关，这些元素易于与C和N结合：
0.037{(C+N)/(V+Ti+0.5Nb+0.5Zr)}+0.001≤0.01...(5)
在式(5)中，左边部分是表示具有本发明组成的铁素体不锈钢中固溶C+N量的指标。当钢不满足式(5)时，由该钢形成的热管的耐久性可能大大降低，因为该钢在高温下的抗热疲劳性差。
Si是提高钢的抗氧化性和抗红氧化皮性的元素，因此起到阻止氢产生的作用。另外，它是具有稳定铁素体作用的元素。特别有效地，Si含量至少为0.1％；但是，如果含有太多的Si，则可能会使钢的热延展性劣化，并可能使钢表面形成缺陷，因此产生使钢的生产性和焊接性严重劣化的危险因素。因此，Si含量应限制在最多3％的范围内。
Mn是提高不锈钢的抗氧化皮剥离性的元素，并对阻止在所述钢制成的热管内部由氢的产生所引起的压力增加是有效的。但如果含有太多的Mn，可能会降低钢的韧性；因此，Mn的含量应限制为最多2％。
S是可对钢的热加工性和耐焊接高温开裂抵抗性带来一些负面影响的成分，并且可能成为钢中非正常氧化的起始点。因此，S含量优选尽可能低；其上限被限定为最多0.008质量％。更优选地，S含量为最多0.005质量％。
Nb、Ti、Zr和V起到固定C和N因而降低钢中固溶C和固溶N的量的作用。另外，它们还起到通过其在钢中的碳化物和氮化物的细微分散引起的析出强化而提高铁素体不锈钢高温强度的作用。Al具有提高钢的抗氧化性的作用和降低钢中氢的产生的作用。在本发明中为了获得这些作用，向钢中添加选自最多0.7％的Nb、最多0.3％的Ti、最多0.5％的Zr和最多1％的V中的至少一种。特别地，更优选添加选自0.001-0.7％的Nb、0.005-0.3％的Ti、0.001-0.5％的Zr和0.05-1％的V中的至少一种。向钢中可选地添加最多0.3％的Al。在添加Al的情况下，其含量在0.03-0.3％的范围内更有效。但是，添加Ti和Al应特别注意。一个原因是如上所述Ti可能是氢产生的危险因素。这个问题可通过控制组成以满足上面式(2)而解决。另一原因是Ti和Al可能是劣化钢的钎焊性的危险因素。大部分热管元件是通过钎焊而用于实际应用的；但是当铁素体不锈钢中的Ti和Al含量高时，即使在低氧分压的条件下，在钎焊加热中Ti和Al可能会形成氧化膜，因此降低钢的钎焊性(特别是钢对于钎焊材料的润湿性)。作为详细研究的结果，可通过控制组成以满足下面式(3)和式(4)的至少一个而解决该问题：
Ti+Al≤0.05...(3)
Nb≥Ti+Al...(4)
如上面提到的，为了充分降低钢中固溶C+N的量，该钢必须含有满足式(5)的Nb、Ti、Zr和V中的至少一种。
Mo、W和Cu均是通过固溶强化提高不锈钢的高温强度的元素。在本发明中，不能使用添加大量C和N以提高钢强度的方法，因此在强调钢强度的情况下，优选向钢中添加Mo、W和Cu中的至少一种。另外，Mo和Cu特别具有延迟露点腐蚀的点蚀的产生和成长的作用，其中露点腐蚀是由废气的结露引起的。添加Mo和Cu中的至少一种可使满足式(1)所必需的Cr含量范围变宽(即，可降低其最下限)。在添加Mo、W和Cu中至少一种的情况下，优选将它们控制为：Mo含量最多3％，W含量最多3％和Cu含量最多3％。更有效的是，Mo、W和Cu的含量每种至少为0.1％。
Y、REM(稀土金属)和Ca具有固定S的作用，而S对钢的氧化皮剥离抵抗性有害，由此抑制氧化皮/基材界面上S的富集，并具有减少氧化膜中缺陷密度从而强化氧化膜的作用，因此钢的抗氧化性可大大增强。因此，在本发明中，可向钢中任选地添加这些中的至少一种。但是，这些元素添加太多不仅可能会使钢材太硬，而且也可能会在钢的生产中引起表面缺陷，从而导致生产成本的增加。作为各种研究的结果，在添加这些元素时，优选将它们控制为：Y含量最多0.1％，REM含量最多0.1％和Ca含量最多0.01％。更有效地，向钢中添加选自0.0005-0.1％的Y、0.0005-0.1％的REM和0.0005-0.01％的Ca中的至少一种。
在熔炼不锈钢时，Ni、P、B、Mg等，例如，源自起始材料和粘附在熔炼设备壁表面的沉积物可混入其中。可接受的Ni的范围是最高至0.6％，P的可接受范围是最高至0.05％，B的可接受范围是最高至0.01％，及Mg的可接受范围是最高至0.005％。
在使用铁素体不锈钢生产热管时，首先要根据普通铁素体不锈钢板的生产方法制备具有上述预定组成的不锈钢板；然后将从该钢板中切下的板材成形并焊接成容器，之后将容器抽真空，然后加入纯水。也可使用另一种方法，其中由钢板制成焊接的钢管，或由钢坯形成无缝钢管，并将钢管加工成容器。“加入纯水”的技术意指将已经加入纯水的容器通过焊接或熔化熔合(meltdownfusing)而密封。当容器的壁厚太薄时，该容器难以具有足够的耐久性。另一方面，当壁太厚时，则因氢必须穿透厚壁，氢穿过容器壁的扩散距离可能长，这对于降低容器内部压力是不利的。随着穿过钢材的传热距离增加，钢材的导热阻力会增加，但是这对于基于水蒸汽蒸发潜热的高效热交换不利。作为各种研究的结果，热管的壁厚优选在0.5-1mm的范围内。
实施例1：
按照普通铁素体不锈钢板的生产方法，在真空熔炼炉中熔炼生产如表1所示的钢(每种30kg)，将其热轧，退火，酸洗，冷轧和最终退火，由此生产厚度为1.0mm的冷轧退火酸洗钢材(样品材料)，其中酸洗加工为JIS G4305：2005中表14中定义的No.2D。
Figure GSA00000014322200101
《氢产生测试》
将每个10mm×50mm×1.0mm的氢产生试样从每种样品材料中切下。将它们分为两组，其中一组试样的板表面为No.2D酸洗加工表面，而另外一组为#400干抛光加工表面。所有试样的切边都为#600干抛光加工表面。
图4示意性地显示了此处使用的氢产生测试装置的构造。将试样放入石英管中，该石英管设置在电炉中。通过安装在其上的石英盖将石英管与外界隔离。但是，将容纳在石英保护管中的铠装热电偶插入上述石英管中，以测量样品周围的温度。将
Figure GSA00000014322200111
管与石英管连接，并将该Pyrex管与真空泵和纯水槽连接。石英管、石英盖、Pyrex管和石英保护管均通过磨口(lapping)彼此间相互连接，使用真空油脂适当地增加了磨口部分的气密性。开始时，所有的阀门(A-D)都关闭。
首先，在常温下仅打开阀门D。在该步骤中，在阀门C和D之间的管中充入大约30mL的纯水。接下来，再次关闭阀门D。然后，启动真空泵，打开阀门B，将石英管抽真空，之后打开阀门A并测量压力。当抽真空到1Pa时，关闭阀门B。之后打开阀门C。在该阶段，保留在阀门C和D之间的纯水经Pyrex管导入石英管中。随着被强烈地吸入真空，保留在管C-D的几乎所有水到达试样的附近。
之后，通过电炉加热石英管的内部。使用铠装热电偶进行监视，使石英管内的温度保持在600℃或800℃。在温度保持在600℃或800℃的10小时测试期间，监视压力的变化，由经过10小时时刻的压力变化可计算出样品表面单位时间和单位面积的氢产生速度。经过10小时时刻的氢产生速度为最多1.0×10-6mol/(h·cm2)的样品被确定为具有在真实热管中将内部压力增加降低为最多10kPa的性能。因此，经过10小时时刻的氢产生速度为最多1.0×10-6mol/(h·cm2)的样品被评定为优(即对降低氢产生有效)，而氢产生速度超过该范围的那些样品被评定为差(对降低氢产生无效)。结果如表2所示。
供参考，在表2中也显示了在保持600℃温度经过1小时时刻的每个样品的氢产生速度数据，其采用与上文相同的评价标准。
《氢渗透测试，钎焊性评价》
图5示意性地显示了用于氢渗透测试的测试体的部件构成。由测试材料形成的部件是钢板(两个)和盘状物(四个)。盘状物由压制形成，其外形尺寸为大约100mm(长)×30mm(宽)×5mm(高)。在图5中，与盘状物的长度相比，夸大描绘了盘状物的宽度和高度。在每个盘状物的底部制有两个孔，通过装在孔上的连接管将一个盘状物的内部空间与相邻的盘状物的内部空间相联接。通过将1/2英寸的SUS310S管压平而制成该连接管。通过连接管连接的两个盘状物间的距离是8mm。将中间的两个盘状物结合形成袋状物(bag)。侧面的盘状物由钢板覆盖。安装在测试体一端的钢板的中心制有孔，通过该孔将氢气引入测试体中。使用Ni基钎焊材料(BNi-5)将这些部件接合(brad)和焊接，从而构成测试体。将接合部气密地密封以防止气体从此泄露。在真空炉中实施钎焊，真空钎焊条件如下：压力为1Pa，钎焊温度为1175℃，从常温升温至钎焊温度的加热时间为2小时，在钎焊温度的保温时间是30分钟。
图6示意性地显示了氢渗透测试装置的构成。图6中的测试体在其高度方向(在叠层方向)进行了夸大绘制。将测试体设置在电炉中。通过接合在测试体上的1/4英寸SUS316管，将氢气从氢气产生单元引入测试体内部。首先，通过真空泵将测试体内部抽真空至1Pa。当阀门Y关闭时，阀门X打开，将氢气从氢气产生单元引入测试体内部，并当测试体内部压力变为高于120kPa时，关闭阀门X。因此，将具有高于约120kPa的氢分压的氢气密封在测试体内部。接下来，将电炉加热，并使其中的测试体保持在800℃。当保持在800℃时，监视测试体内部的压力变化；并由在压力为100kPa时(即氢气分压约为100kPa时)的压力变化计算出氢渗透速度。然后，用氢渗透速度值除以暴露于由测试材料构成的四个盘状物和两个钢板的内部气氛的部分的表面积得到测试材料的单位时间和单位面积的氢渗透速度。氢也可能渗透进入除了存在于炉内的这些测试材料部件之外的其它部件(部分1/4英寸管和连接管)；但是，除这些测试材料部件外的其它部件的表面积与测试材料的表面积相比足够小，通过除测试材料部件之外的其它部件的氢渗透可忽略。
以上述方式测量的氢渗透速度为至少1.0×10-9mol/(h·cm2·Pa1/2)的样品被确定为具有在真实热管中将内部压力增加降低为最多10kPa的性能，其基于根据上述测试方法测量的样品中氢产生速度最多为1.0×10-6mol/(h·cm2)的条件。因此，氢渗透速度为至少1.0×10-9mol/(h·cm2·Pa1/2)的样品被评为优(认为对增加氢渗透有效)，而氢渗透速度低于该范围的那些样品为差(认为对增加氢渗透无效)。
由于在抽真空中蒸汽通过接合部分泄漏，钎焊不良的样品不可能具有预定的真空度，因此不能在氢渗透测试中进行测试。因此，通过如下方法评价样品的钎焊性：能具有预定真空度的样品为优(即具有优良的钎焊性)；而其它的被评定为差(即具有差的钎焊性)。
结果如表2所示。
《腐蚀测试》
根据其中模拟废气结露环境的测试实现腐蚀测试；该测试方法的要点如图7所示。特别地，从每种测试材料上切下25mm×70mm的测试试样；对其表面进行#400干抛光加工，对切边进行#600干抛光加工；将其在800℃下热处理10小时以制备腐蚀试样。模拟的冷凝水的组成如图7的附表所示。将腐蚀试样设置在竖直加热炉和置于其下的装有模拟的冷凝水的水槽之间，以这种方式该试样可以在两者之间上下往复运动，并受到50次加热和浸渍循环，其中一个循环包括“在350℃的炉中保持6分钟(包括约1分钟的均热时间)→炉外冷却7分钟(试样温度，不高于100℃)→将试样下部的20mm浸渍在模拟的冷凝水中1分钟→在空气中干燥10分钟(为了液体中的成分冷凝)”。然后，将试样在30℃和80％RH的恒温恒湿器中保持2000小时，在其中均热后，依据使用光学显微镜的焦点深度法来测量在试样中形成的腐蚀孔的最大腐蚀深度。如果该测试方法中的最大腐蚀深度大于0.8mm，则会具有这样的可能性：由试样形成的热管的盘状物部分在暴露于车辆废气结露气氛下15年后可能被腐蚀成具有通孔，即使假设钢板厚1mm，而1mm的厚度已是计划用于车辆热管的最大厚度。因此，在本测试中最大腐蚀深度为最高0.8mm的样品被评定为优(即具有优良的耐蚀性)，且其它的被评定为差(即具有差的耐蚀性)。
结果如表2所示。
表2
如表2所示，本发明所有样品在所有测试项目中都具有优良的结果。特别是，认为通过抛光将应变引入其表面层的样品，在大约600℃的中等温度范围内的加热的初始阶段能快速形成保护性氧化皮，并使得在600℃下经过1小时时的氢从所述样品的产生速度降低。因此，在开始使用热管的初始阶段，这些样品能呈现出更稳定的抑制氢产生的作用。
与这些相反，不满足式(1)的样品B2-B7耐蚀性差；不满足式(2)的样品B1、B2和B6在落入热管最大的极限温度范围内的800℃时具有大的氢产生速度。不满足式(3)和式(4)的样品B1至B4钎焊性差。
实施例2
《加热/冷却循环耐久性测试》
使用表1中样品A1-A3、B6和B7的0.8mm厚的冷轧退火钢板(#400干抛光加工钢板)，构建了如图3所示的高温废热回收系统的热管(盘状物23)。此处使用的加热方法包括，从外部气体燃烧器将高温气体引入到集热片24中。对该系统进行2000次的加热/冷却循环测试，其中一个循环包括“1.在冷却剂(水)循环的情况下加热5分钟→2.在冷却剂循环停止的情况下继续加热5分钟→3.停止冷却剂循环和加热5分钟”。在冷却剂循环的情况下进行加热的步骤1中的热管温度为大约400℃，在冷却剂循环停止的情况下进行加热的步骤2中大约为800℃，在冷却步骤3中为100-200℃；在该循环中，系统未被结露腐蚀。在加热/冷却循环测试后，将系统拆除，对盘状物23的部件进行颜色检查，以确定损坏是否出现。结果，在由本发明样品A1-A3形成的盘状物23中没有检测到损坏。与此相反，由于其中存在大量的固溶C+N，因此，由不满足式(5)的样品B6或B7形成的盘状物23具有遍布整个钢板的缺陷。

Claims (7)

1.一种用于高温废热回收系统的热管的铁素体不锈钢，其按质量％计包括，16-32％的Cr，最多0.03％的C，最多0.03％的N，最多3％的Si，最多2％的Mn，最多0.008％的S，0(不添加)-0.3％的Al，以及选自最多0.7％的Nb、最多0.3％的Ti、最多0.5％的Zr和最多1％的V中的至少一种，余量为铁和不可避免的杂质，并且它满足下面式(1)、式(2)和式(5)的全部，并满足下面式(3)和式(4)中的至少一个：
Cr+3(Mo+Cu)≥20...(1)
Cr+3(Si+Mn+Al-Ti)≥20...(2)
Ti+Al≤0.05...(3)
Nb≥Ti+Al...(4)
0.037{(C+N)/(V+Ti+0.5Nb+0.5Zr)}+0.001≤0.01...(5)
其中，在式(1)至(5)中，原子符号的位置代入相应元素的含量值，该含量值为质量％的形式，钢中未添加元素的位置代入0(零)。
2.如权利要求1所述的用于热管的铁素体不锈钢，其还含有选自最多3％的Mo、最多3％的w和最多3％的Cu中的至少一种。
3.如权利要求1或2所述的用于热管的铁素体不锈钢，其还含有选自最多0.1％的Y、最多0.1％的REM(稀土金属)和最多0.01％的Ca中的至少一种。
4.一种用于热管的铁素体不锈钢板，其由权利要求1-3中任一项的钢制成，并且具有如JIS R6001：1998中定义的抛光粒度号为#100-#800的抛光加工表面，或具有如JIS G4305：2005中表14中定义的HL抛光加工表面。
5.一种用于高温废热回收系统的热管，其通过如下步骤构成：将由权利要求1-3中任一项中的钢的钢材制成的容器抽真空，该容器具有0.5-1mm的厚度，随后将水引入其中并将其密封，从而在其内部形成液相部和空间部。
6.一种用于高温废热回收系统的热管，其通过如下步聚构成：将由权利要求1-3中任一项中的钢的钢材制成的容器抽真空，该容器具有0.5-1mm的厚度，作为其内部表面，该容器具有如JIS R6001：1998中定义的抛光粒度号为#100-#800的抛光加工表面，或具有如JIS G4305：2005中表14中定义的HL抛光加工表面，随后将水引入其中并将其密封，从而在其内部形成液相部和空间部。
7.一种具有权利要求5或6所述热管的高温废热回收系统，该热管配置在材料温度达到600-900℃的部位。
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