專利名稱：一種汽車排氣系統(tǒng)高溫端部件用鐵素體不銹鋼及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵素體不銹鋼及制造方法，特別涉及一種汽車排氣系統(tǒng)高溫端部件用 鐵素體不銹鋼及制造方法，該不銹鋼具備良好高溫強度、高溫穩(wěn)定性和成型性。
背景技術(shù)：
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車排氣系統(tǒng)用材料越來越受到汽車生產(chǎn)廠商的重視，以 適應(yīng)越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求和不斷降低車身重量和材料成本的需要。鐵素體不銹鋼具有的 節(jié)鎳、抗晶間腐蝕等優(yōu)良耐蝕性能及低的熱膨脹系數(shù)、高的強度等物理和力學(xué)性能等綜合 優(yōu)勢，使鐵素體不銹鋼取代了奧氏體不銹鋼成為汽車排氣系統(tǒng)的首選材料，應(yīng)用較為廣泛。 日本和歐美的汽車廠均從20世紀(jì)80年代起全面采用鐵素體不銹鋼作為制造汽車排氣系 統(tǒng)的材料。汽車排氣系統(tǒng)主要由岐管、前管、柔性管、轉(zhuǎn)換器、中管、消聲器和尾管等組成，其 中，岐管部分使用的鐵素體不銹鋼要求同時具備良好的耐腐蝕性能、高溫性能和成型性能。作為高溫段使用的鐵素體不銹鋼主要可以分為兩類，一類是17Cr不銹鋼，另一類 主要是中低鉻鐵素體不銹鋼，為保證鐵素體不銹鋼具備良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，通 過添加適量的穩(wěn)定化元素Ti或Nb，利用穩(wěn)定化元素固定鋼中N和C，減少鉻與N和C的結(jié) 合形成化合物而造成的局部貧鉻，從而使耐腐蝕性能降低。另外，Nb的添加可以有效提高 高溫強度、抗氧化性能和耐腐蝕性能。目前，對于汽車尾氣系統(tǒng)中的岐管部分，使用的不銹鋼主要是17Cr不銹鋼，如 441,444等，這類不銹鋼含Cr、Nb、Mo等元素較多，具備良好的耐腐蝕性能和高溫強度，但是 成本相對較高，同時，由于合金元素含量較高，增加了成型難度。另外一種應(yīng)用于排氣系統(tǒng) 中岐管部分的鐵素體不銹鋼是中低Cr鐵素體不銹鋼，含13-15% Cr，通過添加Nb，或復(fù)合添 加Nb、Mo等，在保證材料成形性的同時，仍然可以獲得較高的高溫強度，但添加鉬提高了成 本，無鉬的則高溫強度又相對較低。代表產(chǎn)品如NSSC450MS、JFE429等，市場上常見的這類 中低Cr鐵素體不銹鋼成分如表1所示。表1常見15Cr的岐管用不銹鋼成分
_^_
_ 口Chemical composition (wt%)
Λ卑"zO*ι-^-1ιιιιι-1-
__C Si Mn Cr Ti Nb P S Mo N
NSSC450M
0.0100.940.9513.9 0.13 0.3 0.029 0.005 0.5 0.010
JFE429 0.0060.810.4114.50.45 0.020 0.0020.010此外，除上述生產(chǎn)單位提供市場的合金設(shè)計外，通過專利檢索，共檢索到與汽車尾 氣系統(tǒng)用中低鉻不銹鋼相關(guān)發(fā)明專利12項，見表2。表 2(wt%) 通過檢索已經(jīng)公幵的專利看，鉻含量在13-16%應(yīng)用于汽車尾氣排放系統(tǒng)的不銹 鋼，一般通過添加不同合金元素如Mo、Cu、Al及釆用穩(wěn)定化元素Ti或者Nb確保不銹鋼具有 設(shè)計要求的性能。在已經(jīng)公幵的中Cr鐵素體不銹鋼專利中，除了美國US4726853和日本專利JP4354850以外，其他專利均添加Nb并且添加Ti或&等穩(wěn)定化元素，一方面Nb的添加對 提高高溫強度非常有利，另外一方面雙穩(wěn)定的合金化模式有利于提高材料的耐腐蝕性能， 專利日本專利JP2000303149、JPl 1236650在添加了 Nb、Ti(V)之外還添加了適量Ni，其目 的在于獲得良好的低溫韌性。除此之外日本專利JP7145453A、JP2000303149、及中國專利 CN1683583添加 一定量的Mo，Mo能夠有效的提高材料耐點腐蝕性能和高溫強度，但是添加 Mo的原材料成本較高。日本專利JP4354850復(fù)合添加Al和Mo，該材料能夠獲得優(yōu)異的耐腐 蝕性能，但是僅依靠單獨添加Mo并不能獲得良好、穩(wěn)定的高溫強度。中國專利CN1982492A 采用了 Nb單穩(wěn)定，通過添加高Si含量并復(fù)合添加Mo和W以提高材料高溫強度，耐高溫氧 化性能，其中Mo含量為1. 0-5. 0%，原材料成本非常高。盡管如此，過高的Si不利于在室溫 條件下的成型，特別是對于岐管等成型性要求更高的部件，因此，提高Si含量改善高溫強 度增加了生產(chǎn)加工的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種汽車排氣系統(tǒng)高溫零件用鐵素體不銹鋼及制造方法，用 于制造排氣系統(tǒng)岐管部位，其工作溫度可達(dá)900°C以上，具有優(yōu)良的高溫強度、高溫穩(wěn)定性 和成型性能，滿足汽車排氣溫度不斷提高的要求。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種汽車排氣系統(tǒng)高溫端部件用鐵素體不銹鋼，成份重量百分比為 C 彡 0. 025 %、Si :0. 2 1. 0 %、Mn :0. 2 0. 80 %、Cr :13. 0 15. 0 %、P 彡 0. 03 %、 S 彡 0. 003 %、Ni 彡 0. 3 Nb :6X (C+N) +0. 20 0. 60 Ti :6X (C+N) 0. 2 % 或 10 (C+N)彡 Ti+0. 5Nb 彡 0. 60%,N^O. 015%,C+N^0. 03,W 0. 5-2. 0%U. 0 ^ Nb+ff ^ 2. 8、 其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素，雜質(zhì)元素總量低于0. 05wt%。本發(fā)明的鐵素體不銹鋼化學(xué)成分設(shè)計中C和N 屬于雜質(zhì)元素，需要盡可能降低其含量。目前的常規(guī)冶煉裝備能夠?qū)?C+N) 控制在0. 03%以下，同時C彡0. 025wt%,N彡0. 015wt%。降低碳、氮總量不僅可以提高產(chǎn) 品冷成型性能。由于穩(wěn)定化元素Ti的加入量必須與C、N的含量成一定的關(guān)系，所以C、N元 素的降低也能降低穩(wěn)定化元素加入量，特別是減少Ti含量，從而保證產(chǎn)品表面質(zhì)量和提高 晶間腐蝕性能。Cr 是提高抗氧化性和強度的主要合金元素，同時可以提高高溫強度。Cr提高鋼 的強度，但過高時降低鋼的塑性，對焊接性不利，汽車排氣管高溫端部件冷成型工藝復(fù)雜， 而且焊接為必不可少的加工工藝，所以將Cr含量控制在13. 0 15. 0%之間。Si 加入鋼中起到脫氧和提高高溫強度及高溫氧化性能，適量的硅能夠在不影響 室溫成型性能的前提下使不銹鋼具有優(yōu)異的耐氧化性能，當(dāng)Si含量小于0. 2%的時候， 提高抗氧化性能不明顯，大于時，室溫成型性惡化。不利與產(chǎn)品冷加工，所以需控制在 0. 2% -1%之間。Mn 較弱的奧氏體形成元素，Mn可以抑制不銹鋼中硫的有害作用，提高熱塑性。但 Mn大于0. 80%對提高不銹鋼耐高溫氧化性不利。Nb 很容易與C、N結(jié)合形成NbC和NbN，與C原子親和力更強，一方面固定了間隙 原子C、N有利與提高產(chǎn)品成型性，另一方面Nb的碳氮化物彌散分布是提高產(chǎn)品高溫強度的主要因素之一，當(dāng)使用溫度超過900°C的時候，固溶Nb含量在保證高溫強度方面的效果趨 于明顯，所以除了滿足穩(wěn)定C、N以外，還需要具有一定含量的固溶Nb。所以其含量最低需 滿足6X (C+N)+0. 20%, Nb還可以提高鈍化膜中Cr的濃度，從而改善鋼的耐腐蝕和耐氧化 性能。但是此成分體系下Nb含量過高會導(dǎo)致不銹鋼硬度增高，焊接性能惡化，所以將Nb含 量控制在0.6%以下。Ti 極易與N形成TiN，作為穩(wěn)定化元素添加固定鋼中N原子，一方面提高鋼的抗 氧化性和耐腐蝕性，另一方面 ，TiN的形成溫度非常高，在液態(tài)時候就已經(jīng)大量形成，這有利 與在連鑄的凝固過程中提供更多的形核質(zhì)點，配合合適電磁攪拌工藝能夠保證等軸晶比例 (面積)40 %以上，從這個角度講需保證Ti含量大于6 X (C+N)，但是考慮表面質(zhì)量及生產(chǎn)難 度，Ti含量不超過0. 2%，本發(fā)明為Nb+Ti雙穩(wěn)定化合金設(shè)計，TiN可以在高溫條件下有效的 提高Nb的固溶量，從而提高鋼的高溫強度，同時添加Ti還可以避免在長時間高溫時效的過 程中導(dǎo)致高溫強度下降，從而提高了含Nb鋼高溫強度的穩(wěn)定性，NB、Ti的添加量會顯著的 影響到連鑄坯的冷脆敏感性，所以Nb和Ti的總量需滿足10(C+N) ( Ti+0. 5Nb ( 0. 60%。W 能夠在高溫下形成碳化物，但是，與C的親和力遠(yuǎn)低于Nb，當(dāng)W與Nb、Ti同時添 加的時候，足量的Nb、Ti已經(jīng)足以固定鋼中的C和N，可以使絕大多數(shù)W固溶在基體中，從 而起到顯著提高高溫強度的作用。W可以抑止laves相的析出，避免高溫長時間時效時高溫 強度降低，從而提高高溫強度的穩(wěn)定性。W含量太低時提高高溫強度效果不明顯，含量太高 易造成偏析，加強連鑄坯的冷脆傾向，且成本增加。綜合考慮到其強化效果和原材料成本， 加入量為0. 5 2. Owt %。Ni =Ni在鐵素體不銹鋼中屬于殘余元素，盡可能減少Ni的含量。P和S 鐵素體不銹鋼中磷和硫會嚴(yán)重影響不銹鋼的耐蝕性和加工性能，必須嚴(yán)格 控制，一般要求控制在P彡0. 03wt%, S彡0. 002wt%o本發(fā)明的汽車排氣系統(tǒng)高溫端部件用鐵素體不銹鋼的制造方法，包括如下步驟，1)冶煉、連鑄ilii電j戶-AOD (Argon-Oxygen Decarburization HflJKi^ ) "VOD (Vacuum Oxygen Decarburization真空脫碳)三步法煉鋼，冶煉時Nb、W必須在VOD喂Ti絲之前加入，獲得 滿足成分要求的鋼液；采用電磁攪拌，獲得表面狀態(tài)良好的、等軸晶比例超過40%面積比 的連鑄坯；鑄坯在300°C 400°C以上進(jìn)行表面修磨，修磨后在鑄坯溫度120°C以上送保溫 爐保溫，等待熱軋；2)熱軋板坯加熱溫度1050°C 1150°C，總加熱時間180 300分鐘，熱軋終軋溫度為 800°C 950°C，卷取溫度為 600°C 750°C ；3)熱軋后退火酸洗，退火溫度在850°C 1050°C ；4)冷軋，冷軋壓下率在70%以上；5)冷軋退火酸洗，冷軋退火溫度控制在850°C 1050°C，得到具有良好的室溫力 學(xué)性能、良好成型性能、優(yōu)良的抗高溫氧化性能和較高的高溫強度的鐵素體不銹鋼。進(jìn)一步，連鑄過程中拉速控制在0. 9 1. lm/min,又，喂Ti絲前氧活度低于lOppm。喂絲后經(jīng)過10分鐘以上的電磁攪拌之后再進(jìn)行連鑄，為保證板坯質(zhì)量。
本發(fā)明制造方法中，1、冶煉通過電爐-AOD-VOD三步法煉鋼，冶煉時Nb、W在喂Ti絲之前加入，否則會導(dǎo)致連 鑄無法順利進(jìn)行，必須采用電磁攪拌工藝，獲得表面狀態(tài)良好的、等軸晶比例(等軸晶區(qū)面 積/板坯截面面積)超過40 %的連鑄坯，由于C、N含量低且同時添加了 Nb、Ti、W，導(dǎo)致坯 料冷脆敏感性強，所以鑄坯必須在300°C以上進(jìn)行表面修磨，修磨后在120°C以上送保溫爐 保溫，等待加熱軋制。喂絲后經(jīng)過10分鐘以上的電磁攪拌之后再進(jìn)行連鑄，保證板坯質(zhì)量，連鑄過程中 拉速控制在0. 9 1. lm/min。2、熱軋板坯加熱溫度為1050°C 1150°C，總加熱時間180 300分鐘，熱軋終軋溫度為 800°C 950°C，卷取溫度為600°C 750°C。熱軋前首先去除表面氧化皮，然后粗軋，中間坯 再經(jīng)過精軋、冷卻和卷取獲得熱軋板卷。3、冷軋熱軋板卷在冷軋前必須經(jīng)過連續(xù)退火酸洗。熱軋板退火溫度在850°C 1050°C， 退火后通過酸洗清除表面氧化皮。冷軋壓下率必須在70%以上，所以要根據(jù)成品厚度相應(yīng) 調(diào)整熱軋板厚度，否則將影響最終產(chǎn)品的冷加工性能。冷軋壓下量達(dá)到70%以上時有利與提高冷軋板r值，若r值低會使得成型過程出 現(xiàn)開裂等問題，此處與成分相關(guān)性不強，板材需要用在深沖等大變形條件下時一般均需保 證此項，冷軋板軋后需要經(jīng)過冷軋退火酸洗，由于Nb、Ti、W同時添加產(chǎn)生的析出物對退火 再結(jié)晶的影響，冷軋退火溫度必須控制在850°C 1050°C。(由于Nb的添加，形成了大量的 NbC，在退火再結(jié)晶時能夠起到顯著的釘扎晶界，阻止晶粒長大的作用，另外固溶W和Nb也 會起到相同的作用，所以溫度若不達(dá)到850°C以上無法完成再結(jié)晶，材料處于軋硬狀態(tài)，無 法使用，但是當(dāng)溫度過高時晶粒會異常長大。)本發(fā)明的有益效果本發(fā)明與已公開專利創(chuàng)新之處在于，采用了 Nb+Ti雙穩(wěn)定化，不含Mo，添加W作為 強化元素。提高材料的高溫強度。本發(fā)明鋼種的力學(xué)和高溫強度試驗表明，其室溫屈服強度和抗拉強度均高于市場 上常用的15Cr鐵素體不銹鋼，延伸率并無下降。特別是高溫強度明顯優(yōu)于市場上常用的 15Cr鐵素體不銹鋼，且經(jīng)過高溫時效100小時之后，本發(fā)明鋼種仍具有較高強度，非常適合 在汽車排氣系統(tǒng)岐管部分應(yīng)用。根據(jù)檢索資料，目前中低鉻不銹鋼中已經(jīng)有通過Ti和Nb復(fù)合穩(wěn)定化來提高腐蝕 性能，也有通過Nb、Ti雙穩(wěn)定并且添加Mo提高耐腐蝕性能的成熟產(chǎn)品，但是尚無報導(dǎo)在 13 15% Cr鐵素體不銹鋼中通過同時添加Nb、Ti、W提高高溫強度及成形性。鐵素體不銹鋼中添加穩(wěn)定化元素可以有效改善不銹鋼的抗晶間腐蝕性能和高溫 穩(wěn)定性。Nb不僅可以提高耐腐蝕性，也可以提高高溫強度，但是Nb單穩(wěn)定的鐵素體不銹鋼 在900°C以上的強化效果有所減弱。添加Ti則能夠明顯提高900°C以上的高溫強度。而適 量的W與Nb、Ti復(fù)合添加時不易形成碳化物，大多以固溶態(tài)存在，從而可以進(jìn)一步提高高溫 強度。并且在高溫長時間時效后依舊具備較高的高溫強度，能夠提高該材料高溫強度的穩(wěn)定性。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明實施例和對比例的化學(xué)成分見表3。對比鋼種為目前市場上普遍使用的 429和NSSC450MS，其中429為單獨添加Nb，NSSC450MS為復(fù)合添加Nb和Mo。表 3 由實驗室冶煉如表3實施例所示成分組成的50kg鋼錠，從鋼錠上取沖擊試樣測試 鑄坯韌脆轉(zhuǎn)變溫度，結(jié)果如表4所示。表4 當(dāng)坯料溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度之后就會出現(xiàn)冷脆裂紋，考慮生產(chǎn)中板坯運輸過程 中還有一定的降溫，所以制定本成分體系下修磨溫度為300°C以上，120°C以上進(jìn)入加熱爐。各實施例成分的板坯經(jīng)經(jīng)熱軋，熱軋板退火(退火溫度850°C 1050°C )，冷軋 (冷軋壓下量75% )，冷軋板退火(退火溫度850°C 1050°C )，工藝參數(shù)如表5所示，得到 的冷軋退火板性能如表6所示，其中，力學(xué)性能檢測屈服強度、抗拉強度、延伸率、硬度和成型性(r值)。室溫成型性能以材料拉伸r值作為評價依據(jù)。表 5
^ 熱軋加熱 在爐時間終軋溫度卷取溫度熱軋板退火冷軋板退火 __溫度。C Min__'C__V__溫度°C__溫度。C
實施例 1 1050 180 800 600 8501050
實施例 2 1050 200 800 600 9001000
實施例 3 1050 250 800 600 960850
實施例 4 1100 200 900 670 1050900
實施例 5 1150 180 950 700 1050850
實施例 6 1100 200 900 700 9801000
實施例 7 1050 200 850 600 950950
實施例 8 1100 280 900 650 1000980
實施例 9 1150 180 950 750 10501050表6
I-1-H-1-1-1-1-1-1
_900°C 時效 Rel Rm 硬度 ,士 900 C^ A (%) , , R 值IOOh 后 (MPa) (MPa) (Hv) C02(MPa) ________O02(MPa)
實施例 1 295 483 35.0 141 1.35 2422
實施例 2 302 495 34.5 148 1.35 2924
實施例 3 309 505 32.5 155 1.40 2925
實施例 4 290 485 35.5 150 1.30 2521
實施例 5 299 498 33.5 149 1.30 2824
實施例 6 295 490 35.0 145 1.45 3026
實施例 7 290 495 36.0 140 1.35 2723
實施例 8 310 505 33.0 154 1.50 3127
實施例 9 311 510 32.5 158 1.45 3330
==對 hp 例Γ_====Π===_Γ_”
J 丨力 285 465 36.5 135 1.58 1612
(JFE429)________
對卜卜儂丨
J “ 297 471 34.0 160 1.28 2420
NSSC450MS________對于汽車排氣系統(tǒng)用鋼來說，在900°C的σα2越高越好，如果大于22MPa，則可以說是高溫強度優(yōu)異。由表6可以看出，與常見的429鐵素體不銹鋼(15Cr)相比，室溫屈服 強度和抗拉強度有所提高，但是延伸率與其相當(dāng)。實施例在900°C的σ ^ 2均高于429，其中W含量較低的實施例σ α2與NSS450MS相 當(dāng)。同時，可以看出，在900°C時效100小時以后，429不銹鋼的σ Q 2降至12MPa，NSSC450MS 降至20MPa，但是，各實施例σα2值較高，均在20Mpa以上，高溫強度的穩(wěn)定性優(yōu)于對比鋼 種。另外，本發(fā)明r值均在1.3以上，具備良好的冷成型性能，是制作汽車排氣系統(tǒng)中岐管 和前管高溫端零件的理想材料。綜上所述，本發(fā)明生產(chǎn)得到的汽車尾氣系統(tǒng)用鐵素體不銹鋼的高溫強度及高溫強度穩(wěn)定性有明顯改善，可以提高汽車尾氣系統(tǒng)的使用壽命，且容易制造，常規(guī)鐵素體不銹鋼 產(chǎn)線均可生產(chǎn)該鋼種。
權(quán)利要求
一種汽車排氣系統(tǒng)高溫端部件用鐵素體不銹鋼，成份重量百分比為C≤0.025％、Si0.2～1.0％、Mn0.2～0.80％、Cr13.0～15.0％、P≤0.03％、S≤0.003％、Ni≤0.3％、Nb10×(C+N)+0.20～0.60％、Ti6×(C+N)～0.2％或10(C+N)≤Ti+0.5Nb0.60％、N≤0.015％、C+N≤0.03、W 0.5～2.0％、1.0≤Nb+W≤2.8、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素，雜質(zhì)元素總量低于0.05％。
2.如權(quán)利要求1所述的汽車排氣系統(tǒng)高溫端部件用鐵素體不銹鋼的制造方法，包括如 下步驟，1)冶煉、連鑄通過電爐-AOD-VOD三步法煉鋼，冶煉時Nb、W必須在VOD喂Ti絲之前加入，獲得滿足 成分要求的鋼液；采用電磁攪拌，獲得表面狀態(tài)良好的、等軸晶比例超過40%面積比的連 鑄坯；鑄坯在300°C 400°C以上進(jìn)行表面修磨，修磨后在鑄坯溫度120°C以上送保溫爐保 溫，等待熱軋；2)熱軋板坯加熱溫度1050°C 1150°C，總加熱時間180 300分鐘，熱軋終軋溫度為800°C 950°C，卷取溫度為600°C 750°C ；3)熱軋后退火酸洗，退火溫度在850°C 1050°C；4)冷軋，冷軋壓下率在70%以上；5)冷軋退火酸洗，冷軋退火溫度控制在850°C 1050°C，得到具有良好的室溫力學(xué)性 能、良好成型性能、優(yōu)良的抗高溫氧化性能和較高的高溫強度的鐵素體不銹鋼。
3.如權(quán)利要求2所述的汽車排氣系統(tǒng)高溫端部件用鐵素體不銹鋼的制造方法，其特征 是，連鑄過程中拉速控制在0. 9 1. lm/min。
4.如權(quán)利要求2所述的汽車排氣系統(tǒng)高溫端部件用鐵素體不銹鋼的制造方法，其特征 是，喂Ti絲前氧活度低于lOppm。
5.如權(quán)利要求2所述的汽車排氣系統(tǒng)高溫端部件用鐵素體不銹鋼的制造方法，其特征 是，喂絲后經(jīng)過10分鐘以上的電磁攪拌之后再進(jìn)行連鑄。
全文摘要
一種汽車排氣系統(tǒng)高溫端部件用鐵素體不銹鋼及其制造方法，成份重量百分比為C≤0.025％、Si0.2～1.0％、Mn0.2～0.80％、Cr13.0～15.0％、P≤0.03％、S≤0.003％、Ni≤0.3％、Nb6×(C+N)+0.20～0.60％、Ti6×(C+N)～0.2％或10(C+N)≤Ti+0.5Nb≤0.60％、N≤0.015％、C+N≤0.03、W 0.5-2.0％、1.0≤Nb+W≤2.8、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素，雜質(zhì)元素總量低于0.05wt％。本發(fā)明采用了Nb+Ti雙穩(wěn)定化，不含Mo，添加W作為強化元素，提高材料的高溫強度，高溫穩(wěn)定性和成型性能，滿足汽車排氣溫度不斷提高的要求。
文檔編號B21B37/74GK101845603SQ20091004829
公開日2010年9月29日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者李鑫, 畢洪運 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司