CN101250672B - 用于汽车废气通道部件的铁素体不锈钢和焊接钢管 - Google Patents

Abstract

一种用于汽车废气通道部件的铁素体不锈钢，其按照质量百分比包括，C：不高于0.03％，Si：不高于1％，Mn：不高于1.5％，Ni：不高于0.6％，Cr：10-20％，Nb：不高于0.5％，Ti：0.05-0.3％，Al：高于0.03％至0.12％，Cu：高于1％至2％，V：不高于0.2％，N：不高于0.03％，B：0.0005-0.02％，O：不高于0.01％，且余量为Fe和不可避免的杂质，其组成满足式Nb≥8(C+N)和0.02≤Al-(54/48)0≤0.1。这种钢能够制造具有优异的高温强度和焊接处韧性的汽车废气通道部件，并且在选择合适的制管条件方面提供了更宽范围的自由度。

Description

用于汽车废气通道部件的铁素体不锈钢和焊接钢管

技术领域

本发明涉及一种铁素体不锈钢及其用于汽车废气通道部件，典型用于排气集管、催化转化器壳体(圆筒形管壳)、前管和中心管的焊接管，并且涉及采用此铁素体不锈钢制备的汽车废气通道部件和焊接钢管。

背景技术

要求汽车废气通道部件，例如排气集管、催化转化器壳体、前管和中心管，在超过700℃的高温区域中具有优异的高温抗氧化性和高温强度。作为具有这样的耐高温性的材料，专利文献1和2教导了添加有约1-2质量％Cu的铁素体不锈钢。钢中的Cu在加热时以Cu相析出从而提高了钢的高温强度和热疲劳性能。

大多数上述汽车废气通道部件是通过对焊接钢管进行成型制成。由于近年来在引擎舱内安装的元件数目日益增多，可用于安装废气通道部件的可用空间大小不断减小。这就导致了通过特殊工艺以复杂形状制成的许多废气通道部件。因此要求用于废气通道部件的焊接钢管具有比以前更好的可成型性。

至于用于改善由铁素体不锈钢制备的焊接钢管的可成型性的技术，专利文献3教导加入微量的Al或Ti来增强焊接处的韧性和可二次加工性。然而，本发明人进行的研究表明向上述通过含有1-2％Cu而具有改良高温强度的铁素体不锈钢中加入微量Al或Ti并不能确保通过高频焊接制备的钢管具有足够的韧性。此外，在例如催化转化器壳体的部件中更难以获得足够的韧性，这是因为这种部件是通过对由TIG焊接或激光焊接的钢管进行剧烈的压制加工(挤压或旋压)而制备的。换句话说，已发现按照专利文献3教导的仅仅通过添加微量的Al或Ti不能充分改善由含有约1-2％Cu的铁素体不锈钢制备的焊接钢管的韧性。

另外，由顶锻(upset)量和热量输入决定的钢管制造条件特别容易影响高频焊接管的焊接处韧性。对于含有1-2％Cu的铁素体不锈钢，当制管条件偏离最适宜的条件时，一致地确保良好韧性的难度变得更大。

专利文献1：WO03/004714

专利文献2：JP2006-117985A

专利文献3：JP2005-264269A。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于汽车废气通道部件的铁素体不锈钢，这种铁素体不锈钢是具有优异的高温抗氧化性和高温强度的含有Cu的铁素体不锈钢，其在制管期间形成的焊接处的韧性优异(在本说明书中，“焊接处”定义为包括焊接金属和周围的热影响金属)，并且在选择合适的制管条件方面特别是当进行高频焊接制管时提供了宽广范围的自由度。

本发明人的深入研究揭示了由Cu相析出在高温强度方面增强的铁素体不锈钢的良好的焊接处韧性可通过如下方式有效地获得：组合添加Ti和Al以及进一步严格限定钢中的相对于O(氧)含量的Al含量，从而扩大了在高频焊接制管中适合的制管条件的范围。

具体地，通过用于汽车废气通道部件的铁素体不锈钢实现了前述目的，其包括，按照质量百分比，C：不高于0.03％，Si：不高于1％，Mn：不高于1.5％，Ni：不高于O.6％，Cr：10-20％，Nb：不高于0.5％，Ti：0.05-0.3％，Al：高于0.03％至0.12％，Cu：高于1％至2％，V：不高于0.2％，N：不高于0.03％，B：0.0005-0.02％，O：不高于0.01％，任选地Mo、W、Zr和Co中的一种或多种：总量不高于4％，且余量为Fe和不可避免的杂质，组成满足式(1)和(2)

Nb≥8(C+N)                     ......(1)，

0.02≤Al-(54/48)O≤0.1         ......(2)。

式(1)和(2)中的每个元素符号均表示按照质量百分比计算的元素含量的值。

此外，本发明提供了汽车的废气通道部件，典型为排气集管、催化转化器、前管、中心管，以及利用前述钢制成的焊接钢管的其它废气通道。

本发明能够实现具有汽车废气通道部件所要求的耐热性(高温抗氧化性和高温强度)并且表现出优异的焊接处韧性的焊接铁素体不锈钢管。此外，本发明在生产焊接管时在选择适宜的制管条件方面提供了更大的自由度。因此，即使在例如高生产线速度下进行的高频焊接制管的情况下，也能可靠的制造出具有良好的焊接处韧性的高品质钢管。

附图说明

图1是显示高频焊接管的焊接处横截面处观察的金属流实例的显微照片。

图2是显示合适的制管条件比率如何随着有效铝含量(Al-(54/48)O)变化的坐标图。

具体实施方式

现在将说明铁素体不锈钢的组成。

C和N通常对改善蠕变强度和其它高温强度性能有效，但当过量包含时会降低抗氧化性能、可加工性、低温韧性和可焊性。在本发明中，C和N均被限定在不高于0.03质量％的含量。

Si对改善高温抗氧化性有效。而且，在焊接期间Si与大气中的氧结合有助于防止氧进入钢中。然而，当过量含有时，其使硬度增加从而降低可加工性和低温韧性。在本发明中，Si含量限定为不高于1质量％，例如，限定为0.1-0.6质量％。

Mn可改善高温抗氧化性，特别是抗氧化皮剥离(scale peeling)性能。并且与Si类似，在焊接期间它也能与大气中的氧结合有助于防止氧进入钢中。然而，一旦添加过量，Mn会损害可加工性和可焊性。此外，Mn是奥氏体稳定元素，当大量加入时其促进马氏体相的生成从而导致可加工性和其它性能的下降。因此，将Mn含量限定为不高于1.5质量％，优选不高于1.3质量％。例如，可以将其限定为0.1质量％至低于1质量％。

Ni是奥氏体稳定元素。与Mn类似，当过量加入时其促进马氏体相的生成从而使可加工性等下降。允许Ni含量最高为0.6质量％。

Cr稳定铁素体相并且有助于改善抗氧化性，即高温钢的一个重要性能。但是过量的Cr含量会使钢变脆并且降低其抗氧化性。因此Cr含量限定为10-20质量％。优选根据钢的使用温度优化Cr的含量。例如，当需要良好的高温抗氧化性的温度是最高950℃时，Cr的含量优选为16质量％或更大，当该温度为最高900℃时，Cr含量优选为12-16质量％。

Nb是对于在高于700℃的高温区获得良好的高温强度非常有效的元素。认为固溶强化在本发明中的组成中起着主要的作用。此外，Nb具有C和N固定作用，这可有效的防止韧性的降低。在本发明中，通过以满足式(1)的量添加该元素可确保Nb的高温强度的有效改善

Nb≥8(C+N)                         ......(1)

然而，过量的Nb添加会降低可加工性和低温韧性，并且提高对热焊接处裂纹的敏感度。其还会减少下文所述的适宜的制管条件速率。因此，Nb含量限定为不高于0.5质量％。

Ti固定C和N，且通常已知的是，Ti对于改善可成形性和阻止韧性降低有效。然而，在焊接处的情况不同。大部分N以TiN形式固定但是在焊接期间暴露于高温下时，TiN分解并且其中的N立即进入高温区的固溶体。虽然TiN是在接近于钢的凝固点的高温区形成的，但是焊接后非常快的冷却速度使得不可能仅在焊接后冷却时期通过Ti充分固定N。结果，在焊接处N趋于以固溶体形式存在。因此，正如下文所详述的，本发明要求与Ti组合添加Al。为了充分显示Ti的C和N固定效果，Ti的含量必须为0.05质量％或更高。但是过量的Ti添加通过导致生成大量TiN使表面性能劣化，并且对可加工性和低温韧性具有不利影响。Ti的含量因此限定为0.05-0.3质量％。

Al是通常用作脱氧剂和改善高温抗氧化性的元素。然而，本发明中，其作为一种在焊接处固定N的元素其特别重要。正如前述，在焊接后的冷却阶段，不可能仅通过Ti在焊接缝处充分固定N。与Ti不同，Al在低于1000℃的相对低温区域中形成氮化物。因此与Ti一同添加Al，使得能够在焊接后的冷却期间在焊接处有效固定N，从而能减轻焊接处的韧性降低。另外，通过Ti和Al固定N减轻应变实效并且改善焊接处的二次可加工性。

在焊接处，Al不仅固定存在于钢中的N，还直接阻止外部的N和/或O(氧)进入焊接处的钢中。这是重要的，因为在制管期间熔融金属所暴露于其中的气氛(通常用N₂、Ar等保护)夹带有空气，并且当夹带的量大时，气氛中的N和O趋于从焊接处进入钢中引起韧性的降低。然而，在含有适当Al含量的铁素体不锈钢中，钢中的Al能防止N和O从气氛进入钢中。虽然所涉及的机制并不十分清楚，但是基于由本发明钢生产的焊接钢管的焊接处表面层分析发现Al富集的事实，在焊接期间钢中的Al形成的Al₂O₃阻碍了N和O向内部的扩散。

必须建立超过0.03质量％的Al含量以便充分发挥出Al的这种作用，从而扩大在高频焊接制管时选择合适制管条件的自由度范围。然而，当Al含量过多时，在焊接期间大量形成氧化物，并且该氧化物会不利地作为变形裂纹的起点。Al含量的上限因此限定为0.12质量％。

必须相对于钢中的O(氧)含量进一步调节Al含量以满足式(2)

0.02≤Al-(54/48)O≤0.1        ......(2)。

如下述的实施例所证明，在满足式(2)的Al含量范围内，高频焊接制管中选择合适制管条件的自由度的显著提高。“Al-(54/48)O”所代表的Al量是减去与钢中存在的O反应形成Al₂O₃所消耗的Al后焊接处中残留的Al(此处称为“有效Al”)。认为当有效Al量升高到并且高于0.02质量％时，焊接期间气氛中包含的O和有效Al迅速结合，有效阻碍了存在于气氛中的N和O向内部的扩散，从而显著改善了高频焊接制管中选择合适制管条件的自由度。然而，当有效Al的量变为超过0.1质量％时，选择合适制管条件的自由度急剧下降。其原因可能是由于在焊接处形成过量的Al氧化物并成为变形裂纹的起点。

Cu是一种增加高温强度的重要元素。更具体的，本发明利用Cu相(有时称为ε-Cu相)的微细分散地析出来提高强度，特别是在500-700℃下。因此要求Cu的含量高于1质量％。然而由于过大的Cu含量会降低可加工性、低温韧性和可焊性，因此Cu的含量限定在不高于2质量％。

当与Nb和Cu结合加入时，V有助于改善高温强度。并且与Nb共存时，V改善钢的可加工性、低温韧性、抗晶界腐蚀敏感性和焊接处热影响区的韧性。但是由于过量添加会降低可加工性和低温韧性，因此使V的含量不超过0.2质量％。V的含量优选0.01-0.2质量％，更优选0.03-0.15质量％。

B对抑制二次加工脆性有效。认为所涉及机理是晶界处固溶体中氧的减少和/或晶界强化。然而，过多的B添加会降低生产率和可焊性。本发明中，B含量限定为0.0005-0.02质量％。

由于O(氧)会不利地影响焊接处韧性，因此存在于钢中的量优选为最小。为了将前述的有效Al维持在所需水平，还优选保持O的含量尽可能的低。O含量必须保持在0.01质量％或更低并且相对于Al含量要满足式(2)。

Mo、W、Zr和Co对改善具有本发明所限定组成的铁素体不锈钢的高温强度有效。可以根据需要加入其中的一种或多种。然而由于当大量添加时它们对钢的脆化作用，这些元素在添加时的总含量不高于4质量％。添加总量为0.5-4质量％时提供最佳效果。

可以通过采用普通不锈钢的制钢工艺的熔炼法生产前述组成的铁素体不锈钢，随后，通过例如“热轧→退火→酸洗”的工艺将该铁素体不锈钢形成为约1-2.5mm厚的退火薄钢板，随后可以是一个或多个循环的“冷轧→退火→酸洗” 工艺。然而，为了通过Cu相析出获得优异的高温强度，在最终退火中从900℃到400℃的平均冷却速率应优选控制在10-30℃/s。“最终退火”意思是薄钢板生产阶段中进行的最后退火，并且例如是将钢保持在950-1100℃的温度下保温时间0-3分钟的热处理。

将退火薄板(管材料)卷制(roll-folded)成前述的管状，并对这样形成的材料对接接头进行焊接以制造管子，从而获得了焊接钢管。可以通过TIG焊、激光焊、高频焊或各种已知的管焊接方法中的任何方法来进行焊接。根据需要，可对得到的钢管进行热处理和/或酸洗，然后形成废气通道部件。

实施例

表1的铁素体不锈钢是用熔炼法制备的，通过“热轧→退火/酸洗→冷轧→最终退火/酸洗”工艺将每种铁素体不锈钢形成为2.0mm和1.5mm不同厚度的两种退火薄钢板。在1050℃保持1分钟(保温)并然后从900℃到400℃以10-30℃/s的平均冷却速率进行冷却进行所述最终退火。

实施例1：高频焊接制管

在各种条件下使用2.0mm的薄钢板材料进行高频焊接制管。制造的焊接钢管外径为38.1mm并且壁厚为2.0mm。

<适宜制管条件比率>

所获钢管的“适宜制管条件比率(％)”由下述的方法确定。

在高频焊接制管中，人们将导致45°金属流动角的顶锻量和热量输入条件定义为所涉及钢种的“最佳条件”。在对出现如图1(a)所示的金属流动曲线的焊接处横截面腐蚀得到的结构中，将位于钢管外表面向内1/4壁厚处的线(称为“基准线”)与金属流动曲线之间的角定义为θ(见图1(b))，并将钢管中的θ最大值定义为钢管的金属流动角。也就是说，通过从不同金属流动曲线中选择与基准线呈最大角θ的金属流动曲线，来测量金属流动角。“顶锻量”意思是在制管焊接期间薄板边缘在一起的对接量。作为焊接术语，其与“顶锻力”同义。“热量输入”是指高频焊接的电能(＝电流×电压)。

使用每一种钢板在15组焊接条件下进行高频焊接制管，这15组焊接条件是通过在3个级别(-30％，0％，+30％)的“顶锻量”以及5个级别(-40％，-20％，0％，+20％，+40％)的“热量输入”中进行变化。其中的两个0％值代表前述作为标准的“最佳条件”。从在各组焊接条件下得到的钢管上截取长度约1000mm的钢管，浸入5℃水的槽中15分钟，然后立即按照JIS G3459进行压扁实验，其中使焊接处与平面夹板的压缩方向成直角，且压缩后板之间的距离H为压缩前管外直径的1/3。计算全部15组条件中末观察到脆化的百分比，并将其定义为所涉及钢的“适宜制管条件比率(％)”。

以这种方式计算得到的适宜制管条件比率为60％或更高的钢种被认为是能够可靠的制备具有汽车废气通道部件所要求的优异焊接处韧性的高频焊接钢管的钢，而与季节(温度)无关。

<焊接处转变温度>

包括焊接处的测试试样截取自在“最佳条件”下由每一钢种制成的高频焊接钢管。通过在Charpy冲击测试仪中对试样组进行冲击试验使得落锤击打焊接处来确定试样的转变温度。将焊接处转变温度为0℃或更低的钢评定为“好”。

实施例2：激光焊接制管

使用1.5mm的薄钢板材料进行激光焊接制管。制造的焊接钢管外径为65mm且壁厚1.5mm。焊接条件为焊接处的后焊道宽度约与壁厚大致相同(范围在1.5-2.0mm)。

<焊接处转变温度>

包括焊接处的测试试样截取自每个焊接钢管并且通过由上述方法进行冲击试验来确定转变温度。将那些焊接处转变温度为0℃或更低的钢评定为“好”。

实施例3：高温强度测量

对由表1中的钢制备的2.0mm薄钢板材料进行高温拉伸试验。将900℃下0.2％屈服强度为17MPa或更高的评定为G(好)，而将低于17MPa的评定为P(差)。

得到的结果如表2所示，与此同时图2显示了在本发明的钢和No.21-24对比钢中适宜制管条件比率如何随有效铝含量(Al-(54/48)O)变化。

表2

下划线：不能接受的

从表2可以看出，组成在本发明定义范围内的铁素体不锈钢(本发明钢)在高频焊接制管中都表现出60％或更高的适宜制管条件比率。它们具有优异的焊接处转变温度和高温强度，从而证实了它们适用于在制造期间经受苛刻加工的废气通道部件。应特别注意的是通过优化Al含量和O(氧)含量之间的关系以满足式(2)(见图2)，从而显著提高了选择适宜制管条件的自由度。

相反的，对比钢No.21和22的Al含量低，因此不能获得式(2)所定义的足够的有效Al含量。据认为这使得不可能在焊接期间充分阻止空气中的N和O的进入，导致适宜制管条件比率和焊接处低温韧性较差。相反，对比钢No.23和24的Al含量过高，引起在焊接处大量形成Al氧化物。据认为这是韧性低的原因。No.25由于Nb和Cu的含量过低从而高温强度差。No.26由于过多的Ti含量从而低温韧性差。由于钢的过多O(氧)含量，尽管No.27满足式(2)，其焊接处低温韧性和适宜制管条件比率都降低。由于过多的Nb含量，No.28的适宜制管条件比率低。虽然No.29满足式(2)，但是太少量的Al使其在适宜制管条件比率和焊接处低温韧性方面比本发明钢差。

Claims (5)

1. 一种用于汽车废气通道部件的铁素体不锈钢，其以质量百分比计包含，C：不高于0.03％，Si：不高于1％，Mn：不高于1.5％，Ni：不高于0.6％，Cr：10-20％，Nb：不高于0.5％，Ti：0.05-0.3％，Al：高于0.03％至0.12％，Cu：高于1％至2％，V：不高于0.2％，N：不高于0.03％，B：0.0005-0.02％，O：不高于0.01％，且余量为Fe和不可避免的杂质，该组成满足式(1)和(2)

Nb≥8(C+N)                             ......(1)，

0.02≤Al-(54/48)O≤0.1                 ......(2)。

2. 如权利要求1所述的用于汽车废气通道部件的铁素体不锈钢，还包括总量不高于4％的Mo、W、Zr和Co中的一种或多种。

3. 由权利要求1或2的钢制造的焊接钢管。

4. 一种汽车废气通道部件，其是通过形成由权利要求1或2的钢制造的焊接钢管而制成。

5. 如权利要求4所述的汽车废气通道部件，其是排气集管、催化转化器壳体、前管或中心管。

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