汽车排气系统用铁素体不锈钢的服役性能

20第35卷第4期2013年7月上海金属SHANGHAIMETALSVO135，NO4JULY，2013汽车排气系统用铁素体不锈钢的服役性能王堂伟赵玉才马建军李博邱群麟刘鹏鹏泛亚汽车技术中心有限公司，上海201201【摘要】汽车排气系统零件在高温和腐蚀性环境中工作，并受到冲击振动。排气系统零件通常用铁素体不锈钢制作，在设计、选材时应注意使零件能经受冷凝液腐蚀、晶间腐蚀、高温腐蚀、高温氧化和高温疲劳。对409、439和436三种常用于汽车排气系统零件的铁素体不锈钢的上述服役性能进行了分析比较。【关键词】汽车排气系统铁素体不锈钢腐蚀高温氧化SERVICEPERFORMANCESOFFERRITICSTAINLESSSTEELSUSEDFORAUTOMOTIVEEXHAUSTSYSTEMWANGTANGWEIZHAOYUCAIMAJIANJUNLIBOQIUQUNLINLIUPENGPENGPANASIATECHNICALAUTOMOTIVECENTERCO，LTD，SHANGHAI201201，CHINA【ABSTRACT】THECOMPONENTSOFAUTOMOTIVEEXHAUSTSYSTEMWEREEXPOSEDTOCORROSIVEENVIRONMENTINOPERATION，ANDSUBJECTEDTOSHOCKGENERALLY，THEEXHAUSTSYSTEMCOMPONENTSWEREMADEOFFERRITICSTAINLESSINDESIGNINGTHEEXHAUSTCOMPONENTSANDSELECTINGTHEMATERIAL，ITSHOULDBECONSIDEREDWHETHERTHECOMPONENTSCOULDRESISTTHECONDITIONSOFCORROSION，INTERERYSTALLINECORROSION，HIGHTEMPERATURECORROSION，HIGHTEMPERATUREOXIDATIONANDHIGHTEMPERATUREFATIGUETHEABOVEMENTIONEDSERVICEPERFORMANCESOFTHREETYPESOFFERRITIESTAINLESSSTEELSSUCHASTYPE409，439AND436INCOMMONUSEFORAUTOMOTIVEEXHAUSTSYSTEMCOMPONENTSWEREANALYZEDANDCOMPARED【KEYWORDS】AUTOMOTIVEEXHAUSTSYSTEM，FERRITIESTAINLESSSTEEL，CORROSION，HIGHTEMPERATUREOXIDATION汽车排气系统处在底盘位置，连接发动机出气端与大气，主要作用是排放废气、净化废气、降低噪音。如图1所示为汽车排气系统结构示意，其主要零件包括歧管、排气管、催化转化器、消音器等。当前汽车排气系统的用材主要为不锈钢。排气系统工作环境恶劣，对材料的作用主要表现在三大方面高温作用、腐蚀作用、冲击振动的机械作用。表1是汽车排气系统主要部件的服役温度范围及对材料的服役特性要求。其中，冷凝液腐蚀、晶问腐蚀、高温腐蚀、高温氧化和高温疲劳是零件设计、材料选用须重点考虑的特性要求。图1汽车排气系统示意图FIG1ILLUSTRATIONOFAUTOMOTIVEEXHAUSTSYSTEM汽车排气系统材料的主要服役特性11冷凝液腐蚀汽车发动机运行时排出高温废气，这些废气作者简介王堂伟，男，材料工程师，主要从事汽车底盘及动力总成集成部件的材料开发和应用，MAILWETALKWELLSINACOB第4期王堂伟等汽车排气系统用铁素体不锈钢的服役性能21工况典型温度材料服役特性750950高温强度高温疲劳热疲劳高温氧化600800高温强度高温疲劳高温强度热疲劳高温腐蚀高温腐蚀10001200400600高温融冷凝液腐蚀晶间腐蚀在冷却过程中会产生冷凝液，该液体中普遍含有腐蚀性离子，因而对排气零部件会产生腐蚀作用。研究表明，当使用低品质燃油时，排气冷凝液中的C1一、CO卜、NH、SO、SO，离子含量更高，加剧腐蚀作用。调查和分析显示，目前我国的汽车燃油品质相对较低尤其是硫含量偏高，冷凝液作用下的腐蚀穿孔是造成汽车排气零部件失效的主要原因。所以在开发使用于我国的车型时，排气零部件应重点考虑其耐冷凝液腐蚀性能。冷凝液一般出现在排气系统的低温段如消声器、尾管等。12晶间腐蚀不锈钢的耐蚀性主要依靠铁基体溶解的铬含量来决定，溶解量越高则耐蚀性越高。如果输入一定的热量如焊接输入热，不锈钢晶粒内的碳会迅速向晶界扩散，而使晶界区域聚集了较多的碳，由于碳易结合铬形成碳化物，导致此区域的铁基体溶解的铬含量下降，其耐蚀性因此降低，形成薄弱区域。在腐蚀环境下，未等品内基体的耐蚀性发挥作用，晶界区域就会优先被腐蚀而产生晶间裂纹甚至晶粒脱落，导致材料早期失效。晶间腐蚀也是汽车排气系统零部件的重要失效方式之一，主要发生在管件及不同部件结合等的焊接热影响区，尤其是有冷凝液腐蚀的部位。13高温腐蚀处在汽车底盘位置的排气零部件，除了内部承受冷凝液等腐蚀作用，暴露在外的材料表面还要承受外部环境的腐蚀作用。其腐蚀因素包括大气氧化、环境中腐蚀性离子的作用、潮湿和干燥交替作用、地面尘泥等附着物的作用。排气系统工作时的高温更加剧了这些腐蚀作用。所以对于工况典型温度大于400且暴露在车底环境的排气零部件来说，高温腐蚀作用不可忽视，例如图2所示。高温腐蚀失效一般表现为零件材料均匀腐蚀的锈穿或锈裂。图2排气中管的高温腐蚀现象FIG2HIGHTEMPERATURECORROSIONOCCURREDINMIDDLEEXHAUSTPIPE14高温氧化排气零部件的高温氧化是指在高温下金属材料表面与环境中的氧发生反应而生成金属氧化物的作用。对于排气零部件，在高温腐蚀作用中，包含高温氧化的因素，但更重要的是环境中的CL一、CO、SO一等腐蚀性离子的作用。而在以下情况，环境中腐蚀性离子的作用不明显，零部件主要承受高温氧化作用1使用不久便出现的氧化色；2周围环境较干燥使腐蚀性离子的作用不显著，且工作温度高的零部件如岐管、三元催化器等；3工作温度接近或高于其材料许用温度的零部件。对于采用铁素体不锈钢且暴露在大气环境的排气零部件，如果其温度大于400，上述1的情况容易发生。如果这类零件有外观要求，可以换用镀铝不锈钢或采取涂高温漆的方式。15高温疲劳高温疲劳指高温下，材料因多次交变载荷反复作用下导致的损坏现象。金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度。实际上金属材料并不可能作无限多次22上海金属第35卷交变载荷试验，所以一般规定金属材料经受107次或108次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力为疲劳强度。在高温时，金属随着应力循环次数的增加，疲劳强度不断下降，所以在高温时只有条件疲劳极限，即把在某一规定的循环次数下107次或108次而不断裂时的最大应力作为该疲劳极限下的高温疲劳强度。较容易发生高温疲劳失效的排气零部件通常是温度很高、承受较大排气冲击和振动的零件，如岐管、前管和软管。2典型铁素体不锈钢的主要服役性能分析基于性能和成本的优化考虑，汽车排气系统主要选用铁素体不锈钢材料，而其中409、439、436是具有代表性的三种典型材料。本文实验所用的不锈钢样品就是这三种材料，有7个牌号，来自三家钢厂，分别是中国宝钢牌号B409M、B439M、B436L、日本新日铁牌号NSSC409DG、NSSC436、韩国浦项牌号POSCO409L、POSCO439，表2是这些不锈钢样品的实测化学成分数据。表27种不锈钢样品的化学成分质量分数TABLE2MEASUREDCHEMICALCOMPOSITIONOFSEVENTYPESOFSTAINLESSSTEELMASSFRACTION对这7个牌号的不锈钢样品进行了冷凝液腐等5项试验，试验数据汇总见表3、4。表5是试蚀、晶间腐蚀、高温循环腐蚀、高温氧化、高温疲劳验方法及主要参数。表37种不锈钢的腐蚀试验数据TABLE3CORROSIONTESTDATAFORSEVENTYPESOFSTAINLESSSTEEL第4期王堂伟等汽车排气系统用铁素体不锈钢的服役性能23在铁素体不锈钢中，C、CR、MO、TI、NB这5个元素对材料耐蚀性、抗氧化性和强度有重要影响。一般说来，随着钢中固溶CR含量的增加，铁素体不锈钢耐蚀性和抗高温氧化性都会提高，另外由于CR的固溶强化作用，材料的强度和高温疲劳抗力也会随其含量增多而提高；C元素易结合CR形成碳化物，降低CR的固溶量，所以C元素越少则不锈钢耐蚀性越好；添加TI、NB则是稳定C元素使之不易与CR结合，间接提高了材料耐蚀性，此外NB还有提高高温强度的作用；MO元素添加到不锈钢中可使材料表面形成致密氧化膜，提高耐蚀性尤其是耐点蚀性和抗高温氧化性。从表2可以看出，宝钢B409M中含有NB元素，这是与其他409不锈钢不同之处。添加NB主要是增强对C元素的稳定作用以提高耐腐蚀性。在铁素体不锈钢冶炼过程中添加的稳定元素通常是TI和NB，只添加一种元素为单稳定化，同时添加RRI和NB称为双稳定化。如图3所示，在RRI单稳定状态下，热影响区的C元素向晶界扩散，伴随着热影响区的冷却，TI元素稳定了部分C元素形成TIC，还有部分C元素没有被稳定而留在晶界区。由于排气系统长期工作在高温状态下，当单稳定化的409不锈钢再次达到高温状态，未被TI元素稳定的C元素在晶界处与CR元素结合生焊接焊接后冷却重新加热至5XOI日NB或_RI、HC或LICOL西图3不锈钢中钛和铌稳定化碳的原理图FIG3ILLUSTRATIONOFTITANIUMANDNIOBIUMSTABILIZINGCARBONINSTAINLESSSTEEL成CRC，降低了晶界区CR元素在铁素体基体中的固溶量，导致晶界区耐蚀性恶化。而在TINB双稳定状态下，热影响冷却后，在晶界区TI和NB元素较彻底地稳定了C元素形成TIC和NBC，即使不锈钢再次达到高温状态，由于晶界区未被稳定的C元素极少，铁素体固溶的CR元素不会损失过多，故晶界区耐蚀性也不会恶化9J。3总结在排气零部件设计、选材中需要重点考虑冷凝液腐蚀、晶问腐蚀、高温腐蚀、高温氧化和高温疲劳这五项服役性能要求。排气系统常用的三种典型铁素体不锈钢材料是409、439和436，其中409材料的耐蚀性、抗高温氧化性和高温疲劳性能低于439及436材料；而439和436材料的耐蚀性、抗高温氧化性和高温疲劳性能都比较高，由于436材料含有MO，性能更优于439材料。宝钢的B409M中含NH和TI，其耐蚀性、抗高温氧化性和高温疲劳性能因此高于其它仅含TI的409材料。参考文献1戴相全，毕洪运，王可宝钢汽车排气系统用不锈钢国产化的应用J汽车工艺与材料，2011454612毕洪运，潘国强，李鑫宝钢汽车排气系统用铁素体不锈钢产品开发J宝钢技术，201126113陈超，尚成嘉，宋欣，等新型汽车排气系统用铁素体不锈钢的冷凝液腐蚀J钢铁，2009，441078814IMT，KITAZAWAM，TOGASHIFCORROSIONOFMUMERMATERIALSINAUTOMOTIVEEXHAUSTGASCONDENSATESJMATERIALSPERFORMANCE，1994，3312495TAKUMIUJIRO，MAKOTOKITAZAWA，SUSUMUSATOHCORROSIONRESISTANCEOFMUMERMATER