CN103069123A - 歧管用传热体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种歧管用传热体，其能够抑制歧管主体的热疲劳，并且高温强度以及抗氧化性良好。歧管用传热体11的至少一部分是由铁素体系不锈钢形成的。所述铁素体系不锈钢以质量%计含有0.03%以下的C；2.0%以下的Si；2.0%以下的Mn；10%～30%的Cr；0.8%以下的Nb以及0.8%以下的Ti中的至少一种；和0.03%以下的N，剩余部分由Fe或不可避免的杂质构成。另外，按照A值=Nb+Ti-4(C+N)、即(1)式的A值为0.10以上、并且B值=Cr+15Si、即(2)式的B值为18以上的方式调整铁素体系不锈钢的合金成分。

Description

歧管用传热体
技术领域
本发明涉及一种歧管用传热体，其是在将来自发动机的高温排气导向歧管转换器或排气管等的排气歧管中，用于将排气的热传递至歧管主体的歧管用传热体。
背景技术
以往，在排气歧管中，来自发动机的排气通过法兰而流入歧管主体，流入的排气在集合部集合，然后从集合部的流出口流向歧管转换器或排气管等。
在这样的排气歧管中，歧管主体的发动机侧、即上游侧由于法兰的接触面随着发动机的水冷却等而被冷却，因此材料温度难以因来自排气的热传递而上升，但是越到歧管主体的集合部侧、即下游侧，材料温度越会因来自排气的热传递而上升。因此，在歧管主体的下游侧，基于排气歧管的排气除热效果下降；在集合部或集合部附近产生伴随温度上升的热应变，产生所谓热疲劳的破坏。特别是近年来，从低燃烧成本化和环境对策的观点出发，发动机的排气温度倾向于上升，因此抑制歧管主体的热疲劳受到重视。
因此，已知有改善了耐热性的铁素体系不锈钢作为排气歧管的材料(例如参照专利文献1。)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特愿平6-88168号公报(第3-6页、图1)
发明内容
发明所要解决的课题
但是，可以预想到今后由于发动机的进一步改善等，排气温度会进一步上升，因此从如上所述的材料方面提高耐热性是重要的，不仅如此，从排气歧管的结构方面抑制歧管主体的热疲劳也是重要的。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的是提供一种歧管用传热体，其能够抑制歧管主体的热疲劳，并且高温强度以及抗氧化性良好。
用于解决课题的方法
方案1所述的歧管用传热体是位于排气歧管中的流动有来自发动机的排气的歧管主体的至少上游侧、并用于将所述来自发动机的排气的热传递至歧管主体的歧管用传热体，其特征在于，所述歧管用传热体是由如下所述的铁素体系不锈钢形成的，所述铁素体系不锈钢中，至少一部分以质量%计含有0.03%以下的C；2.0%以下的Si；2.0%以下的Mn；10%～30%的Cr；0.8%以下的Nb以及0.8%以下的Ti中的至少一种；和0.03%以下的N，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，同时按照由A值=Nb+Ti-4(C+N)、即(1)式表示的A值为0.10以上、并且由B值=Cr+15Si、即(2)式表示的B值为18以上的方式对铁素体系不锈钢的合金成分进行调整。
方案2所述的歧管用传热体是一种如方案1所述的歧管用传热体，其中，所述铁素体系不锈钢以质量%计含有3.0%以下的Cu、3.0%以下的Mo以及3.0%以下的W中的至少一种。
发明效果
根据本发明，可以通过将排气的热传递至歧管主体从而使排气的温度下降，由此来抑制歧管主体的热疲劳，并且所述歧管用传热体的高温强度以及抗氧化性良好。
附图说明
图1是示出设置了本发明的一个实施方式的歧管用传热体的排气歧管的构成的立体图。
图2是示出上述歧管用传热体的变形例的立体图。
图3是示出上述歧管用传热体的变形例的立体图。
图4是示出上述歧管用传热体的其它变形例的立体图。
图5是示出上述歧管用传热体的其它变形例的立体图。
图6是示出上述歧管用传热体的其它变形例的立体图。
图7是示出用于加热试验的排气歧管以及歧管用传热体的构成的图表。
具体实施方式
以下，参照图1～图6对本发明的一个实施方式的构成进行详细的说明。
图1中，11是歧管用传热体，该歧管用传热体11设置在排气歧管12的歧管主体13上。
歧管主体13具备安装在发动机14上的法兰15、和与该法兰15连接的管状的管状体16。
法兰15大致形成为矩形，在宽度方向的大致中央部以互相间隔的方式形成有沿长度方向而排列的2个以上、例如4个圆形的流入口17。这些流入口17与发动机14的未图示的排出口连通。另外，在法兰15的宽度方向的两端部附近，分别沿长度方向互相间隔地形成有8个圆形的螺栓孔18。法兰15通过在与发动机14直接接触的状态下使未图示的螺栓螺合于螺栓孔18而被固定。
管状体16由冲压成型得到的位于上下的第1冲压材19以及第2冲压材20构成。该管状体16为所谓的Monaka结构(モナカ構造)，其具有对应于流入口17的数量的2个以上、例如4个筒状的管状部23、24、25、26和使这些管状部23、24、25、26集合为一个整体的集合部27。另外，管状部23、24、25、26的一端分别与流入口17连接，另一端与集合部27连接，由此来集合排气。
管状部23、24、25、26中位于外侧的管状部23、26具有从流入口17向下游侧大致呈直线状延伸的直线管部28、和从该直线管部28大致向垂直方向弯曲而连接于集合部27的弯曲管部29。
另外，管状部23、24、25、26中位于内侧的管状部24、25具有从流入口17向集合部27大致呈直线状延伸的直线管部30。
集合部27具有用于集合管状部23、24、25、26的下游侧、即另一端的集合管部32、和形成于该集合管部32的下面的圆形的流出口33。在该流出口33上连接有未图示的歧管转换器或排气管。
在歧管主体13内，流入口17与管状部23、24、25、26和集合部27形成了来自发动机14的排气的流路。即，歧管主体13内的排气流路由从上游侧向下游侧依次所设置的流入口17、管状部23、24、25、26和集合管部32以及流出口33构成。
歧管用传热体11按照位于歧管主体13的上游侧的方式设置在流入口17上，在排气流路中与来自发动机14的排气接触。
歧管用传热体11具有与流入口17的周边一体化连接的4个棒状的传热部34，这些传热部34大致形成为大体上垂直交叉的十字状。另外，歧管用传热体11是在对法兰15进行冲压加工时，利用冲裁与流入口17同时形成的。
歧管用传热体11是由如下所述的铁素体系不锈钢形成的，该铁素体系不锈钢中，以质量%计含有0.03%以下的C；2.0%以下的Si；2.0%以下的Mn；10%～30%的Cr；0.8%以下的Nb以及0.8%以下的Ti中的至少一种；和0.03%以下的N，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，同时按照A值=Nb+Ti-4(C+N)、即(1)式的A值为0.10以上、并且B值=Cr+15Si、即(2)式的B值为18以上的方式对铁素体系不锈钢的合金成分进行调整。
此处，对构成该铁素体系不锈钢的各合金成分以及这些合金成分的含量进行说明。需要说明的是，各合金成分的含量如没有特别说明则为质量%。
通常情况下，C(碳)以及N(氮)是对于提高蠕变强度等高温强度而有效的元素，但若超过0.3%而过剩含有，则氧化特性、加工性、低温韧性以及熔接性下降。因此，C的含量以及N的含量分别为0.03%以下。
Si(硅)是对于提高高温氧化特性而有效的元素，但若超过2.0%而过剩含有，则硬度上升，加工性以及低温韧性下降。因此，Si的含量为2.0%以下。
Mn(锰)是对于提高高温氧化特性、特别是氧化层剥离性而有效的元素。但若超过2.0%而过剩含有，则加工性以及熔接性下降。另外，Mn是奥氏体稳定化元素，因此若大量添加则易生成马氏体相，会导致热疲劳特性以及加工性下降。因此，Mn的含量为2.0%以下。
Cr(铬)是为了使铁素体相稳定化，同时提高对于高温材料而言重要的抗氧化性而有效的元素。为了充分发挥这些作用，优选含有10%以上的Cr。另一方面，若超过30%而过剩含有，则会导致脆化和加工性劣化。因此，Cr的含量为10%以上且30%以下。
另外，对于影响抗氧化性的Si以及Cr，按照由B值=Cr+15Si、即(2)式所示的B值为18以上的方式调整Si以及Cr的含量，由此即使在排气环境下，抗氧化性也变得良好。因此，关于上述的Si以及Cr的含量，按照(2)式的B值为18以上的方式来调整Si以及Cr的含量。
Nb(铌)以及Ti(钛)是对于提高高温强度而有效的元素，但其与C或N的亲和力强，过多添加容易形成导致加工性及低温韧性下降的析出物。因此，Nb的含量以及Ti的含量分别为0.8%以下，并且含有0.8%以下的Nb以及0.8%以下的Ti中的至少一种。
另外，对于影响高温强度的C、N、Nb以及Ti，按照A值=Nb+Ti-4(C+N)、即(1)式所示的A值为0.10以上的方式调整含量，由此即使在排气的高温环境下，高温强度也变得良好。因此，关于上述的C、N、Nb以及Ti的含量，按照(1)式的A值为0.10以上的方式来调整C、N、Nb以及Ti的含量。
Mo(钼)以及W(钨)是对于通过固溶强化而可提高高温强度而有效的元素，因此通过含有Mo和W能够提高高温强度，因而优选。但是，若超过3.0%而过剩含有，则形成碳化物或Laves相而导致阻碍高温强度及低温韧性。因此，根据需要含有Mo以及W，在含有Mo和W的情况下，Mo的含量以及W的含量为3.0%以下。
对于Cu(铜)，利用ε-Cu相的微细分散析出现象可提高600℃前后的强度，提高热疲劳特性，另外，在超过850℃的高温区域，利用Cu的固溶强化能够提高高温强度，因此通过含有Cu能够提高高温强度，因而优选。但是，若超过3.0%而过剩含有，则会降低加工性、低温韧性以及熔接性。因此，根据需要含有Cu，在含有Cu的情况下，Cu的含量为3.0%以下。
并且，歧管用传热体11由如上进行了调整的铁素体系不锈钢形成，因此在来自发动机14的排气通过流入口17时，能够夺去排气的热，同时能够将夺来的热传递至歧管主体13。因此能够使流经歧管主体13的排气的温度低于从发动机14排出时的温度，能够抑制因高温排气而导致的集合部27或集合部27附近等的材料温度的上升，因此可防止由温度上升引起的热应变等的产生，从而能够从排气歧管12的结构方面来抑制歧管主体13的热疲劳。需要说明的是，由于能够降低排气的温度，因此能够防止与集合部27的流出口33连接的歧管转化器等的催化剂的劣化。
另外，歧管用传热体11由如上进行了调整的铁素体系不锈钢形成，因此不仅能够抑制歧管主体13的热疲劳，高温强度以及抗氧化性也是良好的。因此，能够抑制由于暴露在排气中而导致的歧管用传热体11自身的热疲劳以及异常氧化。
需要说明的是，在上述的一个实施方式中，歧管用传热体11设置在所谓的Monaka结构的排气歧管12上，但并不限于这样的构成，也能够适用于Monaka结构以外的排气歧管、例如使管道弯曲而形成为管状体的所谓的管结构的排气歧管等。
对于歧管用传热体11而言，无需歧管用传热体11整体均由如上进行了调整的铁素体系不锈钢形成，只要至少一部分由如上进行了调整的铁素体不锈钢形成即可。
歧管用传热体11是在对法兰15进行冲压加工时利用冲裁与流入口17同时形成的，并且为与流入口17的周边连接为一个整体这样的构成，但并不限于这样的构成，也可以是将与法兰15分别形成的歧管用传热体以接合的方式安装于流入口17这样的构成。
另外，歧管用传热体11并不限于设置在流入口17这样的构成，只要位于歧管主体13的至少上游侧即可，也可以设置在例如管状体16的内部。
进一步，歧管用传热体11并不限于整体位于歧管主体13的上游侧这样的构成，只要位于歧管主体13的至少上游侧即可，例如也可以构成为歧管用传热体11的一部分位于歧管主体13的下游侧或歧管主体13外。
歧管用传热体11大致为十字状的形状，但并不限于这样的构成，其形状能够适当设计为图2～图6所示的变形例的形状等。
图2以及图3所示的歧管用传热体41由2片略呈矩形的传热板42形成。这些传热板42上，从一个端部的大致中央到传热板42的大致中心形成有直线状的切口部43。这样的2片传热板42能够通过切口部43以互为大致垂直的状态啮合。另外，歧管用传热体41具有由啮合的2片传热板42所形成的4个传热部44。这4个传热部44大致垂直地交差。
另外，歧管用传热体41按照位于歧管主体13的管状部23、24、25、26的直线管部28、30内的方式设置在第1冲压材19与第2冲压材20之间。
进一步，在对第1冲压材19和第2冲压材20进行熔接而形成管状体16时，歧管用传热体41按照各传热部44的前端部与管状部23、24、25、26的内周部接触的方式熔接于第1冲压材19以及第2冲压材20，从而进行安装。
对于这种构成的歧管用传热体41而言，在直线管部28、30内，传热部44在排气的流动方向上为面状，因此可以充分确保能够与排气接触的面积，能够有效地夺去排气的热。另外，各传热部44的前端与管状部23、24、25、26的内周部接触，因此能够有效地将从排气夺来的热传递至管状部23、24、25、26。因此，能够有效地降低排气的温度、能够抑制歧管主体13的热疲劳。
另外，传热部44在排气的流动方向上为面状，因此能够充分确保排气的流路的开口面积，使得歧管用传热体41难以成为对排气的流动的阻碍。
图4所示的歧管用传热体46具有4个与法兰15的流入口17连接、并大致垂直交差的传热部47。这些传热部47具有与流入口17的周边连接的棒状的基部48、和从该基部48向下游侧突出的扇状的突出部49。
这样的歧管用传热体46具有从基部48向下游侧突出的突出部49，因此可以充分确保能够与通过的排气接触的面积，易夺去排气的热。另外，基部48与流入口17的周边连接，因此容易将由突出部49夺来的排气的热传递至歧管主体13。因此，能够有效降低排气的温度、能够抑制歧管主体13的热疲劳。
另外，歧管用传热体46的棒状的基部48与流入口17的周边连接，并且扇状的突出部49从该基部48向下游侧突出，因此能够充分确保流入口17的开口面积，难以成为排气流动的阻碍。
图5所示的歧管用传热体51具有设置在流入口17的1个棒状的传热部52，并形成为一字状。即，传热部52按照将流入口17横截的方式而设置。
歧管用传热体51是在对法兰15进行冲压加工时，利用冲裁与流入口17同时形成的。因此，歧管用传热体51能够以简单的构成而容易形成。
图6所示的歧管用传热体54具有8个交差的棒状的传热部55。这些传热部55从歧管用传热体54的中心部以放射状延伸，并与流入口17的周边连接。
这样的歧管用传热体54能够在对法兰15进行冲压时，利用冲裁与流入口17同时形成。
另外，歧管用传热体54中，2个以上的传热部55交差而从中央部以放射状延伸，因此与图5所示的构成相比，可以较大地确保能够与排气接触的面积，更容易夺去排气的热，同时能够利用各传热部55将从排气夺来的热传递至多个方向，因此热的传递作用良好，能够有效地降低排气的温度。
实施例
以下对实施例以及比较例进行说明。
首先，使用表1示出的合金成分的铁素体系不锈钢来形成歧管用传热体。
[表1]
Figure BDA00002826985100081
钢种A～钢种J是使用了满足上述规定的铁素体系不锈钢的实施例。
钢种K是使用了A值=Nb+Ti-4(C+N)、即(1)式所示的A值小于0.10、且B值=Cr+15Si、即(2)式所示的B值小于18的铁素体系不锈钢的比较例。
钢种L是使用了(1)式所示的A值小于0.10且(2)式所示的B值为18以上的铁素体系不锈钢的比较例。
钢种M是使用了(1)式所示的A值为0.10以上且(2)式所示的B值小于18的铁素体系不锈钢的比较例。
并且，对于这些实施例以及比较例，为了评价高温强度而进行在900℃的高温拉伸试验，为了评价抗氧化性而在水蒸气量为10%的气氛中进行900℃-200小时的连续氧化试验。这些高温拉伸试验以及连续氧化试验的结果示于表2。
需要说明的是，在高温拉伸试验中，测定了在900℃的0.2%屈服强度，将20N/mm2以上的结果表示为◎；将15N/mm2以上且小于20N/mm2的结果表示为○；将10N/mm2以上且小于15N/mm2的结果表示为△；将小于10N/mm2的结果表示为×；只要为10N/mm2以上则可评价为高温强度良好。
另外，在连续氧化试验中，测定了在10%水蒸气气氛中900℃连续氧化试验后的氧化增量，将1mg/cm2以下的结果表示为◎；将超过1mg/cm2且10mg/cm2以下的结果表示为○；将超过10mg/cm2且20mg/cm2以下的结果表示为△；将超过20mg/cm2的结果表示为×；只要为20mg/cm2以下则可评价为未产生异常氧化、抗氧化性良好。
[表2]
Figure BDA00002826985100091
如表2所示，(1)式的A值为0.10以上且(2)式的B值为18以上的钢种A～钢种J的实施例中，除了900℃的0.2%屈服强度高达10N/mm2以上、高温强度优异之外，其900℃-200小时的氧化增量低至20mg/cm2以下、抗氧化性也优异。
另一方面，(1)式的A值小于0.10且(2)式的B值小于18的钢种K的比较例中，除了900℃的0.2%屈服强度低于10N/mm2、高温强度不佳之外，其900℃-200小时的氧化增量高达超过20mg/cm2、抗氧化性也不佳。
(1)式的A值小于0.10且(2)式的B值为18以上的钢种L的比较例中，900℃的0.2%屈服强度低于10N/mm2、高温强度不佳，但其900℃-200小时的氧化增量低至20mg/cm2以下、抗氧化性优异。
(1)式的A值为0.10以上且(2)式的B值小于18的钢种M的比较例中，900℃的0.2%屈服强度高达10N/mm2以上、高温强度优异，但其900℃-200小时的氧化增量高达超过20mg/cm2、抗氧化性不佳。
接着，如图7所示，使用所谓的Monaka结构的排气歧管，设置了由上述各实施例以及比较例的铁素体系不锈钢形成的歧管用传热体，进行了排气歧管的加热试验。
排气歧管中，管状体使用了SUS430J1L/2mmt的冲压品。另外，法兰分别使用表1所示的各钢种/3.0mmt，并以十字状进行冲裁从而形成歧管用传热体。进一步，作为参考例，将法兰冲裁为圆形，在未设置歧管用传热体的情况下也进行了加热试验。
在加热试验中，使用了电加热式的加热装置，使排气歧管的流入口侧的气体温度为1100℃，送风量按照在各管状部中为1.5m3/分钟的方式进行调整。另外，对于法兰的冷却而言，按照对SUS304制的连接块进行水冷却使法兰的材料的温度为340℃的方式调整水量。
并且，在排气歧管的集合部对材料温度以及排气的温度进行测定。另外，使用钢种E、H、J的实施例以及钢种K的比较例，在加热试验的条件下连续运转100小时，对于连续运转后的歧管用传热体进行因连续加热而导致的变形以及异常氧化的程度的调查。其结果示于表3。
需要说明的是，材料温度以及排气温度的测定中的ΔT是实施例以及比较例的测定温度与参考例的测定温度的差。即，ΔT=测定温度-参考例的测定温度。另外，在变形的调查中，将确认到因变形而产生纵向挠曲的结果表示为×，将未特别确认到变形的结果表示为○。进一步，在异常氧化的调查中，将因异常氧化而产生厚度变薄的结果表示为×，将未特别确认到厚度变薄的结果表示为○。
[表3]
Figure BDA00002826985100111
如表3所示，对实施例以及比较例的结果与参考例的结果进行比较，通过设置歧管用传热体，排气歧管的集合部处的材料温度下降，同时排气歧管的集合部处的排气温度下降，实施例以及比较例均示出了优异的除热性。
另外，作为实施例的钢种E、H、J在连续运转100小时后，未确认到由于变形和异常氧化而导致龟裂及厚度变薄，显示出了优异的高温强度以及抗氧化性，同时虽表3中虽未示出，但在连续运转100小时后，与参考例相比，排气的温度下降50℃左右，除热性良好。
另一方面，作为比较例的钢种K在连续运转100小时后，一部分因变形和异常氧化而缺损，连续运转100小时后，未发现排气的温度相比于参考例降低50℃左右，除热性下降。
工业实用性
在将来自发动机的高温排气导入歧管转化器或排气管等的排气歧管中，本发明能够作为用于将排气的热传递至歧管主体的歧管用传热体来利用。
符号说明
11 歧管用传热体
12 排气歧管
13 歧管主体
14 发动机
41 歧管用传热体
46 歧管用传热体
51 歧管用传热体
54 歧管用传热体

Claims (2)

1.一种歧管用传热体，其是位于排气歧管中的流动有来自发动机的排气的歧管主体的至少上游侧、并用于将所述来自发动机的排气的热传递至歧管主体的歧管用传热体，其特征在于，
所述歧管用传热体是由如下所述的铁素体系不锈钢形成的，所述铁素体系不锈钢中，以质量%计，至少一部分含有0.03%以下的C；2.0%以下的Si；2.0%以下的Mn；10%～30%的Cr；0.8%以下的Nb以及0.8%以下的Ti中的至少一种；和0.03%以下的N，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，同时按照下述(1)式所示的A值为0.10以上、并且下述(2)式所示的B值为18以上的方式对铁素体系不锈钢的合金成分进行调整，
(1)式：A值=Nb+Ti-4(C+N)；
(2)式：B值=Cr+15Si。
2.如权利要求1所述的歧管用传热体，其特征在于，所述铁素体系不锈钢以质量%计含有3.0%以下的Cu、3.0%以下的Mo以及3.0%以下的W中的至少一种。
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