含铌铁素体不锈钢在汽车排气系统的应用前景

无锡不锈钢板厂家无锡汉能不锈钢2020年8月20日讯  近年来，许多国家对汽车提出了更高的要求，一方面要提高燃气的热效率，减少废气的排放；另一方面要减轻汽车自身的重量，提高行驶速度。这对汽车排气系统提出了更高的要求。汽车排气系统所用的材料从最早使用的铸铁、碳钢、镀铝碳钢发展到目前使用的不锈钢。其中，铁素体不锈钢凭借其优良的性能和不含或少含镍的低廉成本受到关注。铁素体不锈钢与镀铝碳钢相比，具有更好的耐腐蚀性能；与奥氏体不锈钢相比，不仅具有更好的耐高温性能，而且具有冷加工硬化倾向较低、热膨胀系数小、导热系数大等特点，已成为汽车排气系统首选的材料。

随着汽车尾气排放标准的要求越来越严格，汽车尾气的排放温度也越来越高，对排气系统的高温机械性能、耐腐蚀性能提出了更加严格的要求。同时，汽车排气系统由歧管、前管、柔性管、转换器、中心管、消声器和尾管构成，不同部位对材料的要求各有不同。由于汽车排气系统主要由管件连接，且连接部位的形状不尽相同，因此，必须对管件进行弯曲、缩径、扩管等加工，故要求汽车排气系统用钢要具有良好的成型性。其次，汽车排气系统前端的高温部件，最高温度可达900益，为材料腐蚀最严重的部位；中心管以后温度在600益左右；尾管出口处的温度在100益~300益之间，因此，要求材料具有一定的抗高温氧化性。另外，由于汽车经常处于发动和停止的反复运行状态，故又要求材料具有良好的耐高温疲劳性。再次，由于汽车排气系统暴露在外，且离路面较近，易受外界环境介质的侵蚀，且消音器在短程行驶中有冷凝液析出，对内壁造成点蚀，故应选用耐蚀性好的材料。

当前，国际上轿车排气系统基本采用不锈钢制造，其中，铁素体不锈钢因其良好的综合性能，在排气系统中得到广泛的应用。而含铌铁素体不锈钢的研究与开发是近20年间冶金和材料科学领域的重大技术进步。20世纪80年代，国际上冶金材料专家，对铌在改善传统铁素体不锈钢的成型性（尤其是深冲性能）、耐蚀性等方面进行了许多研究。结果证明，加入少量铌元素是赋予铁素体不锈钢良好深冲性的有效方式之一，还可改善铁素体不锈钢的耐蚀性，提高钢的抗氧化、高温强度和抗蠕变性能，使铁素体不锈钢在汽车排气系统中获得广泛应用。

最新研究表明，铌不仅仅是简单的稳定化元素，可改变铁素体不锈钢的表面质量，还可以防止应变时效、降低和消除敏化（即钛/铌在铁素体晶界固定碳和氮，防止碳化铬形成，避免晶界贫铬造成晶界腐蚀）。此外，铌的加入还可以改善铁素体不锈钢的其他性能，如抗晶间腐蚀、抗蠕变、抗氧化等，从而使铁素体不锈钢具有相当或优于奥氏体不锈钢的性能，因此得到了广泛的应用。

为尽快实现汽车排气系统用不锈钢国产化，国内产、学、研、用相关单位组成了联合攻关组。其主要工作目标是开发适合于中国目前油品条件下的经济型汽车排气系统用铁素体不锈钢系列材料，不断提高产品实物质量，最终实现完全国产化。

首先，该攻关组对目前国内燃油的油品特性进行了调查，对排气系统失效部位的腐蚀产物进行了分析，并对SUH409L、436L等材料进行冷凝液的腐蚀实验评价。在此基础上，该攻关组提出了能够模拟实际工况条件下，汽车排气系统用钢的标准方案；就几种典型汽车排气系统用铁素体不锈钢的耐蚀性、焊接性、成型性及耐高温性能等进行全面评价；综合研究、开发汽车新型材料，并在工厂进行试制；开展新材料成型性研究，焊接、腐蚀性能评价；对上述新材料的冶炼、连铸及热、冷加工工艺进行研究，最终实现工业化批量生产，并在奔腾B50、红旗等车型排气系统实际应用和跑车上进行试验和相应的分析、评价。

研究结果表明，汽车排气系统失效部位集中在消声器位置，且局部腐蚀类型为点蚀。加入铌后，平均腐蚀速率明显降低，极大地改善了铁素体不锈钢平均耐腐蚀性能。

汽车行业的繁荣推动了车用材料研究与开发的进程。据了解，一般汽车排气系统平均用钢约20千克/辆。按2015年国内年产2410万辆汽车计，年新增汽车需要的排气系统用不锈钢就超过48万吨。同时，中国不锈钢行业快速发展所面临着镍资源严重缺乏的问题。考虑到现代铁素体不锈钢的特点和优势，铁素体不锈钢在中国汽车工业的应用前景非常乐观。中国发展现代铁素体不锈钢势在必行。

现代铁素体不锈钢的发展离不开先进的冶金技术和微合金化金属学的研究。以往的研究表明，铌在汽车排气系统中具有突出的作用。因此，在今后的工作中，进一步研究铌对于排气系统用不锈钢性能的提高原理和相应的工艺措施，进而开发出新型的含铌车用排气系统不锈钢，对于提升排气系统的性能具有重要的理论和实际意义。含铌铁素体不锈钢兼具优良的成型性、经济性、耐蚀性、抗氧化性等特点，除汽车排气系统以外，在很多领域可替代奥氏体不锈钢，发展前景十分广阔。因此，汽车排气系统用含铌铁素体不锈钢的开发将推动现代铁素体不锈钢的研发与应用的进程。