關于汽車的引擎、消音器等排氣系統中適用的不銹鋼,伴隨引擎性能提高,特別是對排氣的凈化,排氣溫度有所提高,所以高溫氣體耐用的金屬材料采用的是代替鋁鍍金的不銹鋼。在日本,1968年制定了大氣污染防止法,隨著各種環境標準的制定,對汽車排氣也有所限定,1973年、1975年、1976年此限定更加嚴格,1978年NO,也成為了限制對象。汽車排氣的凈化,有熱反應器方式和催化劑方式,因為當初的限制對象只是HC和CO,NO,并沒成為限制對象,所以使用熱反應器方式,從外部向引擎的排氣中供給經過處理的空氣,使之完全燃燒,變成無害的水、二氧化碳。那時在接近1000℃的高溫中長時間曝露,所以要求高溫下的反復氧化和一定程度的高溫強度。1970年美國的NASA公開招募的反應堆用鐵基合金開發項目的條件是:


1.  982℃、100h的蠕變斷裂強度高于34.3 MPa、伸長大于10%; 


2.  982℃ 的拉(la)伸強(qiang)度大于(yu)82.32 MPa、伸長大于(yu)10%;


3.  對1093℃反復加熱冷卻的氧化抵抗能力(li)比(bi)Fe-Cr-A1合金優良;


4.  能(neng)夠充分經受鉛(qian)和硫的腐蝕(shi)。


 在美(mei)國國內,日本的(de)(de)各個汽車廠家(jia)對很多既存的(de)(de)奧氏體系(xi)和(he)鐵素體系(xi)不銹(xiu)鋼、耐熱鋼和(he)鎳(nie)合金(jin)進行試驗,選擇(ze)適當的(de)(de)材(cai)料(liao),其中鐵素體系(xi)的(de)(de)Fe-Cr-Al 合金(jin)(18Cr-1A1、13Cr-3Al、15Cr-4Al等(deng)(deng))具有優良的(de)(de)耐氧化性(xing)(xing),但局部會(hui)出現激烈的(de)(de)氧化現象,這是(shi)由空氣中的(de)(de)氮的(de)(de)進人引(yin)起的(de)(de)。較(jiao)好(hao)的(de)(de)解決方法是(shi)添加稀土類元素、Y、Ti等(deng)(deng);若鋼中添加過多鈦,則耐氧化性(xing)(xing)明顯(xian)下降,所以18Cr-1Al鋼中的(de)(de)鈦含量為(wei)(wei)0.2%最合適,,但是(shi)這些Cr-Al鐵素體系(xi)不銹(xiu)鋼因為(wei)(wei)加工性(xing)(xing)、焊(han)接(jie)性(xing)(xing)和(he)高溫強度的(de)(de)劣化,還沒(mei)有得到正式運用。


  鐵素體系中滿(man)足(zu)上述條(tiao)件的鎳合金 Inconel 601,當(dang)初有一部分得(de)到(dao)了(le)適(shi)用,但由于汽(qi)車(che)制造(zao)廠家的排氣凈化系統性能的提高和(he)(he)凈化裝置在設(she)計方面的改良,使(shi)用條(tiao)件得(de)到(dao)了(le)緩和(he)(he),結果采(cai)用了(le)具有綜合適(shi)用能力的SUS310S不(bu)銹鋼。


  在試(shi)驗(yan)各(ge)種不(bu)銹鋼(gang)的(de)過程(cheng)當(dang)中,其中對(dui)1966年(nian)開發的(de)耐(nai)應力腐蝕斷裂不(bu)銹鋼(gang)中硅(gui)含量高(gao)的(de)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)不(bu)銹鋼(gang)18Cr-12Ni-3.5Si-1.5Cu,日本國內的(de)汽車制(zhi)造廠家(jia)給予(yu)了一定評(ping)價(jia),耐(nai)氧化性(xing)、焊(han)接性(xing)、加工性(xing)、高(gao)溫(wen)強度以及成本等各(ge)個(ge)方面都(dou)很優良,被用作(zuo)制(zhi)造溫(wen)控反應器。圖6.2 表示的(de)是(shi)在空氣(qi)中反復氧化試(shi)驗(yan)的(de)結果(guo),其中含有3.5% Si的(de)奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)系不(bu)銹鋼(gang)具有和SUS310S不(bu)銹鋼(gang)同等的(de)性(xing)質。


圖 2.jpg


 該高硅含量的奧氏體系不銹鋼,由于添加了Ca、Al等微量元素,耐氧化性有所提高,所以汽車制造商各公司也不再采用310S不銹鋼,這成為了熱反應器的主要制造材料。該鋼作為耐應力腐蝕斷裂性和耐氧化性優良的新的不銹鋼,1977年以SUSXM15J1的名稱被列入JIS之中。


  關于上述高硅奧氏體系不銹鋼,主要在各個不銹鋼公司廣泛進行了提高耐氧化性的研究開發,1974~1977年公布了研究結果,其中關于Si、Cr含量的影響,硅含量的增加,在連續氧化方面,能夠抑制Fe2O3的生成、改善耐氧化性;但在反復氧化方面,如果單獨添加硅的話,不能抑制水銹的剝離。莊司等(1975年)和巖田等(1975年)進行了向引擎排氣中吹進經過處理的空氣,使其再燃燒的試驗,結果證實了為了獲得SUS310S以上的耐氧化性,Cr+Si的含量要超過22%~23%.此外,藤岡等(1974年)對造成19Cr-13Ni-3.5Si鋼氧化的添加鋁、稀土類元素、鈣的影響,進行了討論,證明了這些元素的添加可以提高氧化抵抗能力,特別是稀土類元素和鈣的復合添加的效果很大。而且,之后富士川等(197年)對造成該鋼高溫氧化的鋼中硫含量的影響進行了討論,結果證實了通過降低硫含量可以提高耐氧化性,在低于1200℃的試驗中得出和SUS310S不銹鋼相當的耐氧化性,此外,如果在硫含量低于0.001%的鋼中添加鈣的話,如圖6.3所示,耐氧化性會進一步提高。證實了在這種情況下,鋼中含有Ca-Al-Mg-S組成的金屬間化合物,但如果硫含量增多的話,會產生硫化錳,所以表層MnS的存在是耐氧化性劣化的原因。


圖 3.jpg


  此外(wai),對使用高硅鋼制作熱反應(ying)器(qi)容器(qi)時,可能產生(sheng)(sheng)的焊接(jie)性(xing)(xing)、成(cheng)(cheng)形(xing)性(xing)(xing)也(ye)進(jin)行了研究(jiu),特別是(shi)如果所含硅多的話,焊接(jie)時可能會出現高溫斷裂,但因為(wei)焊接(jie)金屬部位生(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)了少量的δ鐵(tie)素,所以焊接(jie)性(xing)(xing)好,而且冷加(jia)工成(cheng)(cheng)形(xing)性(xing)(xing)比SUS310S不(bu)銹(xiu)鋼優良。