[发明专利]汽车排气系统装置中使用的铁素体不锈钢

说明书

本发明涉及汽车排气系统装置中使用的，具有优良常温可成形性和高温强度的铁素体不锈钢。

在当前生产的汽车中，随着发动机输出功率和性能的提高，排气温度也变得越来越高了。因此，汽车排气系统装置上使用的钢材需要进一步提高高温强度。

作为通过将铌Nb加入铁素体不锈钢中改进高温强度以满足上述要求的技术，例如，在日本未审专利刊物(公开)No.3-294417中公开了一种技术，将碳和氮的含量不超过0.03％再加入0.1％到1％的铌的铁素体不锈钢在1,100到1,250℃的温度范围内退火处理。另外，在日本未审专利刊物(公开)No.5-331551中也公开了一种方法，将含碳量不超过0.02％、含氮量不超过0.03％，再加入0.4％到1％的铌的铁素体不锈钢在1,100到1,200℃的温度范围内进行完工退火(Finish annealing)。正如这些先有技术所公开的，为了使碳和氮的含量相对较高的铁素体不锈钢有高的高温强度，需要加入较多的铌，结果，再结晶温度非常高，必须在1,100℃温度以上进行退火。

另一方面，例如，在日本未审专利刊物(公开)No.6-248394中描述了一种排气系统装置用的铁素体不锈钢。该文献所述的不锈钢，其铬含量在一特定范围内，除了碳和氮以外，将作为稳定元素的铌和钛的含量控制在特定范围内，同时补充加入硅、钼和镍，以提高坯件的高温耐盐水腐蚀能力，这是一种改进汽车的前管、中管等的焊接热影响区抗晶间腐蚀能力的工艺。但是，由于该文献所述方法加入大量的硅、铌和钼，因而除了常温可成形性差以外，不免带来钢的再结晶温度较高的问题，需要作高温完工退火。另一方面，为与上述文献有相同目的而开发的日本未审专利刊物(公开)No.6-184705，和说明排气消音器材料的日本未审专利刊物(公开)No.3-264652，都通过加入铌和钛将碳和氮(C+N)的含量控制在低的水平。但是，由于加入大量的铌且由于(C+N)值仍然高，所以现有技术中的上述问题依然存在。

美国专利说明书No.4,834,808公开了一种汽车排气系统装置使用的铁素体不锈钢。尽管该专利将铌和钛一起应用，但不能保证C+N的值低，因为钢中氮含量高。因此，由于加入的铌的量不多而使固溶铌的量少，且高温强度低的问题仍未解决。此外，美国专利说明书No.4,964,926虽然表明为了保证其高温强度而有高的硅含量，但未指出依靠C+N含量的降低使固溶铌的量提高。日本未审专利刊物(公开)No.5-821356公开的牌号为YUS450-MS的钢种是市场上可以买到的汽车排气系统的材料，具有良好的高温强度。这种材料的组分构成中，除了含14％铬、0.020％碳加氮(C+N)、0.1％钛和0.3％铌以外，还加入1％的钼。该项技术加进铌是为了提高高温强度，果然不错，但是通过加入钼达到铌和钼的固溶效应和通过控制铌的碳氮化物析出物的形态以确保固溶铌的量更为直接。单独加入铌会析出可能长大的Fe₃Nb₃C粗颗粒。(这说明每个碳原子要消耗3个铌原子)。相反，如果再加入钛，则析出物变成(Ti,Nb)C型，因此，只要钢在高温下保温时间长些，铌的固溶体量的下降便得到抑制。此外，钼不会形成碳化物和氮化物，有效地利用钼的固溶体以提高汽车排气系统环境下的高温强度。在这一意义上，此技术是新型的。但由于钢中含大量铬和钼，这种钢的最大问题是其常温下可成形性很差。此外，由于合金成本高，所以这种钢缺乏实用性。

除了上述几篇专利外，还有许多专利是针对汽车排气系统用铁素体不锈钢的。但是还不知道有那种在排气系统上用的，除含极少量C+N外还含少量硅和一起加入的铌和钛，不含昂贵钼元素，在最佳组分设计基础上各组分得到良好平衡，高温强度好，常温可成形性佳，又比较经济的钢种。

为了得到良好的常温可成形性，金属结构件一定要完全重结晶。当采用加入铌来提高高温强度时，钢的再结晶温度升高，因此，为了有好的常温可成形性和高温强度，供再结晶的退火温度必须高，但这样高的退火温度会提高能耗和生产成本。

本发明的发明人已详细研究了钢的组分，在加入少量铌的情况下，用提高铌的固溶体量来改善高温强度，而再结晶温度并没有多大提高。因此，本发明人发现了可以通过阻止铌的碳氮化物的形成确保改善高温强度所需的铌的固溶体量，即使在靠限制碳和氮的含量在极低的水平加入少量铌并还一起加入钛来固定它们的情况下。