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℃ 的拉伸(shen)強度(du)大(da)于82.32 MPa、伸(shen)長大(da)于10%;
3. 對(dui)1093℃反復加熱冷卻的氧化抵抗能力(li)比Fe-Cr-A1合金優良(liang);
4. 能夠充分經受鉛和硫的腐蝕。
在美國國內,日本(ben)的各個汽(qi)車廠家對很多既(ji)存的奧氏體(ti)(ti)系(xi)和鐵素體(ti)(ti)系(xi)不銹(xiu)鋼、耐(nai)熱鋼和鎳合金進行試驗,選擇適當的材(cai)料,其中(zhong)鐵素體(ti)(ti)系(xi)的Fe-Cr-Al 合金(18Cr-1A1、13Cr-3Al、15Cr-4Al等(deng))具有優良的耐(nai)氧化(hua)性,但(dan)局部會出現激(ji)烈的氧化(hua)現象,這(zhe)是由空氣中(zhong)的氮的進人引起的。較好的解(jie)決方法是添(tian)加(jia)稀(xi)土類元(yuan)素、Y、Ti等(deng);若鋼中(zhong)添(tian)加(jia)過多鈦(tai),則(ze)耐(nai)氧化(hua)性明顯下降,所(suo)以18Cr-1Al鋼中(zhong)的鈦(tai)含(han)量(liang)為(wei)0.2%最合適,,但(dan)是這(zhe)些Cr-Al鐵素體(ti)(ti)系(xi)不銹(xiu)鋼因為(wei)加(jia)工性、焊接性和高溫強度的劣化(hua),還沒有得到(dao)正式運用。
鐵素體系中(zhong)滿足上述條(tiao)件(jian)的(de)鎳(nie)合金 Inconel 601,當(dang)初有(you)(you)一部分(fen)得(de)到(dao)了(le)適用(yong)(yong),但由于汽車制造(zao)廠家的(de)排氣凈化(hua)系統(tong)性能的(de)提(ti)高和凈化(hua)裝(zhuang)置在設計方面的(de)改良(liang),使(shi)用(yong)(yong)條(tiao)件(jian)得(de)到(dao)了(le)緩和,結果采(cai)用(yong)(yong)了(le)具有(you)(you)綜合適用(yong)(yong)能力的(de)SUS310S不銹(xiu)鋼。
在試驗(yan)各(ge)種(zhong)不(bu)銹鋼(gang)(gang)的(de)(de)過程當中(zhong),其中(zhong)對1966年(nian)開發的(de)(de)耐應力腐蝕斷裂不(bu)銹鋼(gang)(gang)中(zhong)硅含(han)量高(gao)的(de)(de)奧氏(shi)體(ti)不(bu)銹鋼(gang)(gang)18Cr-12Ni-3.5Si-1.5Cu,日(ri)本(ben)國(guo)內的(de)(de)汽車制(zhi)造廠家給(gei)予了一定(ding)評價,耐氧(yang)化性(xing)(xing)(xing)、焊接(jie)性(xing)(xing)(xing)、加工(gong)性(xing)(xing)(xing)、高(gao)溫強度(du)以及成本(ben)等各(ge)個方面都很優良(liang),被用作制(zhi)造溫控(kong)反(fan)應器。圖6.2 表示的(de)(de)是在空氣中(zhong)反(fan)復氧(yang)化試驗(yan)的(de)(de)結果,其中(zhong)含(han)有3.5% Si的(de)(de)奧氏(shi)體(ti)系不(bu)銹鋼(gang)(gang)具有和SUS310S不(bu)銹鋼(gang)(gang)同等的(de)(de)性(xing)(xing)(xing)質。
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(gang),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。
此外(wai),對(dui)使用(yong)高(gao)硅(gui)鋼(gang)制作熱反應器(qi)容器(qi)時,可能(neng)產生的焊(han)接(jie)性(xing)、成(cheng)(cheng)(cheng)形性(xing)也進行了研究,特別是如果所(suo)含(han)硅(gui)多的話,焊(han)接(jie)時可能(neng)會出現(xian)高(gao)溫斷裂,但因為(wei)焊(han)接(jie)金屬部位生成(cheng)(cheng)(cheng)了少(shao)量的δ鐵素,所(suo)以焊(han)接(jie)性(xing)好(hao),而且冷加工成(cheng)(cheng)(cheng)形性(xing)比SUS310S不銹鋼(gang)優良。