汽车排气系统用铁素体不锈钢腐蚀失效及评价
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1 引言
最近几年，我国汽车工业获得快速发展，2009、2010 年连续两年年汽车产销量第一，特别是 2010 年产 销量超过 1800 万辆，其中乘用车约 1500 万辆。如此空前的产量对汽车用钢提出了更高的需求，其中也包括 不锈钢材料。随着汽车排放等级化及为实现节能而开展的汽车减重等要求的进一步提高，传统排气系统用铸 造金属和镀铝碳钢材料已经不能满足要求，不锈钢材料特别是高性能的铁素体不锈钢材料得到了广泛应用。
第八届（2011）中国钢铁年会论文集
图 4 消声器冷凝液腐蚀形貌（局部穿孔和点蚀坑）
3.4 晶间腐蚀
晶间腐蚀是汽车排气系统零部件的重要失效方式之一，主要发生在管件及不同零部件的结合等的焊接部 位。低铬的铁素体不锈钢由于其基体的铬含量较低（11%~12%Cr），当不锈钢中的碳含量不能达到足够低的 程度，焊接部位在冷凝液作用下就会发生焊缝的晶间腐蚀，导致零部件失效。图 5(a)为低铬不锈钢焊缝晶间 腐蚀实验结果。为了解决低铬不锈钢的焊缝晶间腐蚀问题，通过双稳定微合金化可以改善焊缝的晶间腐蚀， 如图 5(b)所示的 B409M[5]。
催化转换器
壳体
支撑件
1000～1200
高温强度
高温氧化
高温盐损
热冲击
SUH409L SUS429 SUS432L
SUH21 20Cr-5Al Ceramics
中管
消声器 尾管
600～400 高温盐损
400～100 冷凝液腐蚀 晶间腐蚀
SUH409L， SUS439L SUS432L， SUS436L
图 2 SUH409L 及 SUS429 不锈钢 950℃300 周期循环氧化后的表面形貌
3.2 高温盐蚀
高温盐蚀是在沿海地区大气中盐分较高，或者在寒冷地区因为道路除雪的融雪盐作用于高温零部件，导 致的一种表面腐蚀失效。高温盐蚀主要是高温氧化引起的，由于钢的晶界成了氧的扩散通道，高温盐蚀呈现 为晶界氧化的形态。腐蚀环境中的 Na+的存在，与不锈钢表面及晶界附近生成的 Cr2O3 与 Na+反应，变成水 溶性的 Na2CrO4：
Abstract In recent years, with attention paid to global environmental problems, exhaust emission regulations of automotive are enforced in each country to prevent air pollution. With the high requirements for continuous improvement of automobile fuel economy and exhaust gas purification rate, the restriction standard tends to become severer. The parts of automobile exhaust system have been made of ultra-purity ferritic stainless steels(FSS) for low cost and high properties for example of superior heat resistance, small thermal expansion coefficients and corrosive resistance to meet the requirements for lighter weight and stricter regulations for exhaust gas. In this paper, the construction and property requirement of automotive exhaust systems, commonly used stainless steels and corrosion failure evaluation are introduced. Key words ferritic stainless steel(FSS), automobile Exhaust system, corrosion
Corrosion Failure and Evaluation of Ferritic Stainless Steels for Automotive Exhaust System
Bi Hongyun1,2 Li xin1,2
(1. State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels(Baosteel Group),Shanghai, 201900； 2. Baoshan Iron & steel Co.,Ltd., Shanghai, 201431)
汽车排气系统用铁素体不锈钢腐蚀失效及评价
3.1 高温氧化和高温热疲劳
高温氧化和热疲劳失效是指在高温下材料表面氧化并形成微裂纹，裂纹尖端继续氧化甚至局部脱落，从 而导致零部件的加速破坏。热疲劳开裂与循环温差、零件表面缺陷状态和材料有关。循环温差越大、表面缺 口越尖锐，就越容易发生热疲劳。表面氧化、热疲劳开裂及剥落现象随循环上限温度的增高而加剧。低温下 表面氧化物主要开裂成微细裂纹，随着循环上限温度的提高（如超过 600℃），裂纹明显加长形成细长直至 粗长的主裂纹，热疲劳抗力较差。图 2 为高温氧化及热疲劳失效表面特征。
图 1 汽车排气系统组成示意图
表 1 汽车排气系统不同部位性能要求及推荐钢种
零部件 温度/℃ 特性要求
主要钢种
歧管
前管
软管
950～750 高温强度 热疲劳 高温氧化 成型性
SUS429 SUS441 SUS434
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ800～600 高温强度 热疲劳 高温盐蚀 成型性
SUS304 SUS321 SUSXM15J1 （0CR19Ni13）
汽车排气系统用铁素体不锈钢腐蚀失效及评价1
毕洪运 1,2 李 鑫 1,2
（1．汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室（宝钢集团），上海 201900； 2．宝山钢铁股份有限公司，上海 200431)
摘 要 最近几年，随着对全球环境问题的关注，各国都对汽车尾气排放要求给予高度重视以减低对环境的危害。 随着汽车燃油的经济性和汽车尾气排放的等级化要求不断提高，排放标准变得更为严厉。因铁素体不锈钢具有良好 的耐氧化性、低的热膨胀系数、高的抗腐蚀性能及更为经济的成本，更多用于汽车排气系统零部件。本文介绍了汽 车排气系统的构成、各部件的性能要求、常用不锈钢品种及汽车用不锈钢的腐蚀失效。 关键词 铁素体不锈钢 汽车排气系统 腐蚀
毕洪运，高级工程师，hybi@
第八届（2011）中国钢铁年会论文集
术的快速提高，使铁素体不锈钢中的 C+N 含量已经可以控制在 200ppm 以内，有利改善了铁素体不锈钢的 腐蚀性能，再加上铁素体不锈钢固有的高导热性和低的热膨胀性能，使铁素体不锈钢在汽车排气系统中的应 用得到进一步提高。
3O2+4Cr=2Cr2O3 2Cr2O3+8NaCl+4H2O+3O2＝4Na2CrO4+8HCl 当其在常温下溶于水时，在钢的氧化皮附近的脱 Cr 层就会曝露出来并再次氧化。如此反复导致了零部 件的腐蚀失效（见图 3）。
图 3 前管高温盐蚀表面形貌
3.3 冷凝液腐蚀
汽车发动一段时间内，尾气中的水分在消音器部位冷却凝结产生冷凝液，其中普遍含有 NH4+, CO32-,SO32-, SO42-和 Cl-等离子。SO32-，SO42-和 Cl-等腐蚀性离子将对排气系统冷端部件（消声器和尾管）产 生均匀腐蚀和点蚀等，导致了零部件失效，即为冷凝液腐蚀（图 4）。汽车长距离行驶后由于排气系统零部 件温度的升高，冷凝液将会蒸发散失，冷凝液腐浓缩。汽车重新发动后再次形成冷凝液。如此反复，腐蚀不 断加剧。
汽车排气系统用铁素体不锈钢腐蚀失效及评价
标准，更好为汽车工业发展服务。
5 结论
（1）汽车排气系统零部件的腐蚀失效是客观存在的，高温端失效主要包括高温氧化、热疲劳及高温盐蚀， 低温端腐蚀以冷凝液腐蚀为主。
国际上从 20 世纪 70 年代开始就针对汽车尾气排放提出了严格的强制措施，促进了不锈钢在汽车排气系 统中的采用[1，2]。日本、美国、欧洲等广泛采用了不锈钢制作汽车排气系统。主要材料为 304 不锈钢。20 世 纪 90 年代开始，随着不锈钢冶炼技术的进步，特别是 EF+AOD+VOD 三步法冶炼超纯铁素体不锈钢冶炼技
根据汽车零部件的失效形式，目前汽车主机厂普遍采用涉及零部件用钢的材料力学性能、组织、腐蚀性 能和成型性的检验及加工性、成品路试验证等测试手段，目的就是确保材料使用的可靠性。由于汽车产品普 遍采用零部件性能缺陷的召回制度，且汽车产品生产线生产产量又非常高，如果因为材料质量问题导致的产 品召回，将会给主机厂和零部件供应商造成巨大的经济损失，因此，材料检验一直受到高度重视。任何一种 新材料的试用推广往往需要一年甚至更长时间才能完成上述的各项检验，以确定材料的是否可以被采用。目 前，涉及材料的腐蚀检验方法主要有高温循环氧化、高温盐损、冷凝液腐蚀、CCT 腐蚀及晶间腐蚀试验等。 针对汽车用不锈钢材料的腐蚀评价方法，除高温氧化及晶间腐蚀实验等普遍认可国标如高温氧化实验采用国 标 GB/T 13303—91《钢的抗氧化性能测定方法》，晶间腐蚀采用国标 GB/T 4334.5《不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀 试验方法》。其他腐蚀实验方法主要来源于汽车主机厂及零部件公司的企业标准，还没有统一的国家标准。 随着我国汽车工业的发展，特别是随着汽车用不锈钢材料国产化的推进，亟待尽快建立统一的材料检测检验
SUH409L SUS439L SUS432L SUS436L
3 汽车排气系统主要腐蚀失效形式
汽车排气系统包括从高温歧管到低温尾管等主要部件。排气歧管和前管靠近引擎的高温区，服役温度在 700~900℃，要求所用的材料特性主要是高温强度、高温抗氧化及热疲劳特性和耐高温盐蚀性。中管、消音 器及尾管离引擎相对较远，使用温度在 600~100℃，需要材料有良好的耐盐蚀和耐冷凝液腐蚀性。
SUH409L 因其具有较好的耐腐蚀性和较低的生产成本，成为汽车特别是经济型轿车的首选。普遍为国 外厂家接受的 SUH409L 铁素体不锈钢，在国内汽车排气系统应用过程中频繁发生冷部件腐蚀失效，给汽车 用户和主机厂带来的一定的损失。通过对汽车消声器的分析发现，汽车排气系统消声器的工作环境比较复杂， 一方面，由于燃油而生成含有 NH4+、CO32-、SO42-、有机酸等浓缩的腐蚀性强的冷凝液,且排气管的温度比 较高，因此腐蚀环境严酷；另一方面，用于排气系统高温端的材料因为高温氧化、、疲劳及盐蚀等也会发生 不同程度的失效。因此，汽车排气系统用钢的耐腐蚀性受到了零部件厂及主机厂的高度重视。
2 汽车排气系统组成、主要钢种及性能要求
汽车排气系统主要由排气歧管、前管、转换器、中管、消音器和尾管等组成(图 1)[3]，不同部位对材料 有不同性能要求。排气系统材料的服役环境可大体分为低温端（中管、消音器、尾管）和中高温端（前管、 歧管）。前者主要以冷凝液腐蚀失效为主；而中高温端以高温氧化、高温疲劳及高温盐损等失效为主。同时， 对材料的成形性能也提出了较高要求。表 1 给出了汽车排气系统部件的服役温度范围及对材料性能的要求 [4] 。
图 5 焊缝局部晶间腐蚀失效（焊缝及断面腐蚀形貌）
4 汽车排气系统用钢常用腐蚀失效评价方法
如同汽车用钢板认证一样，汽车排气系统零部件用钢均需要通过汽车主机厂和零部件供应商的材料认 证、加工认证及汽车路试认证等相关认证流程，其中材料只有满足了抗腐蚀性、成型性、加工及路试寿命周 期模拟试验才可以批量使用。随着汽车工业发展，汽车材料使用寿命要求也不断提高，美国汽车排气系统零 部件的使用寿命要求已经从 1980 年的 2 年 4 万公里增加到现在的 6 年 10 万公里。目前，国内汽车排气系统 用零部件的寿命要求还停留在相对较低的阶段，普遍采用的是 3 年 6 万里这个级别。
最近几年，我国汽车工业获得快速发展，2009、2010 年连续两年年汽车产销量第一，特别是 2010 年产 销量超过 1800 万辆，其中乘用车约 1500 万辆。如此空前的产量对汽车用钢提出了更高的需求，其中也包括 不锈钢材料。随着汽车排放等级化及为实现节能而开展的汽车减重等要求的进一步提高，传统排气系统用铸 造金属和镀铝碳钢材料已经不能满足要求，不锈钢材料特别是高性能的铁素体不锈钢材料得到了广泛应用。
第八届（2011）中国钢铁年会论文集
图 4 消声器冷凝液腐蚀形貌（局部穿孔和点蚀坑）
3.4 晶间腐蚀
晶间腐蚀是汽车排气系统零部件的重要失效方式之一，主要发生在管件及不同零部件的结合等的焊接部 位。低铬的铁素体不锈钢由于其基体的铬含量较低（11%~12%Cr），当不锈钢中的碳含量不能达到足够低的 程度，焊接部位在冷凝液作用下就会发生焊缝的晶间腐蚀，导致零部件失效。图 5(a)为低铬不锈钢焊缝晶间 腐蚀实验结果。为了解决低铬不锈钢的焊缝晶间腐蚀问题，通过双稳定微合金化可以改善焊缝的晶间腐蚀， 如图 5(b)所示的 B409M[5]。
催化转换器
壳体
支撑件
1000～1200
高温强度
高温氧化
高温盐损
热冲击
SUH409L SUS429 SUS432L
SUH21 20Cr-5Al Ceramics
中管
消声器 尾管
600～400 高温盐损
400～100 冷凝液腐蚀 晶间腐蚀
SUH409L， SUS439L SUS432L， SUS436L
图 2 SUH409L 及 SUS429 不锈钢 950℃300 周期循环氧化后的表面形貌
3.2 高温盐蚀
高温盐蚀是在沿海地区大气中盐分较高，或者在寒冷地区因为道路除雪的融雪盐作用于高温零部件，导 致的一种表面腐蚀失效。高温盐蚀主要是高温氧化引起的，由于钢的晶界成了氧的扩散通道，高温盐蚀呈现 为晶界氧化的形态。腐蚀环境中的 Na+的存在，与不锈钢表面及晶界附近生成的 Cr2O3 与 Na+反应，变成水 溶性的 Na2CrO4：
Abstract In recent years, with attention paid to global environmental problems, exhaust emission regulations of automotive are enforced in each country to prevent air pollution. With the high requirements for continuous improvement of automobile fuel economy and exhaust gas purification rate, the restriction standard tends to become severer. The parts of automobile exhaust system have been made of ultra-purity ferritic stainless steels(FSS) for low cost and high properties for example of superior heat resistance, small thermal expansion coefficients and corrosive resistance to meet the requirements for lighter weight and stricter regulations for exhaust gas. In this paper, the construction and property requirement of automotive exhaust systems, commonly used stainless steels and corrosion failure evaluation are introduced. Key words ferritic stainless steel(FSS), automobile Exhaust system, corrosion
Corrosion Failure and Evaluation of Ferritic Stainless Steels for Automotive Exhaust System
Bi Hongyun1,2 Li xin1,2
(1. State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels(Baosteel Group),Shanghai, 201900； 2. Baoshan Iron & steel Co.,Ltd., Shanghai, 201431)
汽车排气系统用铁素体不锈钢腐蚀失效及评价
3.1 高温氧化和高温热疲劳
高温氧化和热疲劳失效是指在高温下材料表面氧化并形成微裂纹，裂纹尖端继续氧化甚至局部脱落，从 而导致零部件的加速破坏。热疲劳开裂与循环温差、零件表面缺陷状态和材料有关。循环温差越大、表面缺 口越尖锐，就越容易发生热疲劳。表面氧化、热疲劳开裂及剥落现象随循环上限温度的增高而加剧。低温下 表面氧化物主要开裂成微细裂纹，随着循环上限温度的提高（如超过 600℃），裂纹明显加长形成细长直至 粗长的主裂纹，热疲劳抗力较差。图 2 为高温氧化及热疲劳失效表面特征。
图 1 汽车排气系统组成示意图
表 1 汽车排气系统不同部位性能要求及推荐钢种
零部件 温度/℃ 特性要求
主要钢种
歧管
前管
软管
950～750 高温强度 热疲劳 高温氧化 成型性
SUS429 SUS441 SUS434
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ800～600 高温强度 热疲劳 高温盐蚀 成型性
SUS304 SUS321 SUSXM15J1 （0CR19Ni13）
汽车排气系统用铁素体不锈钢腐蚀失效及评价1
毕洪运 1,2 李 鑫 1,2
（1．汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室（宝钢集团），上海 201900； 2．宝山钢铁股份有限公司，上海 200431)
摘 要 最近几年，随着对全球环境问题的关注，各国都对汽车尾气排放要求给予高度重视以减低对环境的危害。 随着汽车燃油的经济性和汽车尾气排放的等级化要求不断提高，排放标准变得更为严厉。因铁素体不锈钢具有良好 的耐氧化性、低的热膨胀系数、高的抗腐蚀性能及更为经济的成本，更多用于汽车排气系统零部件。本文介绍了汽 车排气系统的构成、各部件的性能要求、常用不锈钢品种及汽车用不锈钢的腐蚀失效。 关键词 铁素体不锈钢 汽车排气系统 腐蚀
毕洪运，高级工程师，hybi@
第八届（2011）中国钢铁年会论文集
术的快速提高，使铁素体不锈钢中的 C+N 含量已经可以控制在 200ppm 以内，有利改善了铁素体不锈钢的 腐蚀性能，再加上铁素体不锈钢固有的高导热性和低的热膨胀性能，使铁素体不锈钢在汽车排气系统中的应 用得到进一步提高。
3O2+4Cr=2Cr2O3 2Cr2O3+8NaCl+4H2O+3O2＝4Na2CrO4+8HCl 当其在常温下溶于水时，在钢的氧化皮附近的脱 Cr 层就会曝露出来并再次氧化。如此反复导致了零部 件的腐蚀失效（见图 3）。
图 3 前管高温盐蚀表面形貌
3.3 冷凝液腐蚀
汽车发动一段时间内，尾气中的水分在消音器部位冷却凝结产生冷凝液，其中普遍含有 NH4+, CO32-,SO32-, SO42-和 Cl-等离子。SO32-，SO42-和 Cl-等腐蚀性离子将对排气系统冷端部件（消声器和尾管）产 生均匀腐蚀和点蚀等，导致了零部件失效，即为冷凝液腐蚀（图 4）。汽车长距离行驶后由于排气系统零部 件温度的升高，冷凝液将会蒸发散失，冷凝液腐浓缩。汽车重新发动后再次形成冷凝液。如此反复，腐蚀不 断加剧。
汽车排气系统用铁素体不锈钢腐蚀失效及评价
标准，更好为汽车工业发展服务。
5 结论
（1）汽车排气系统零部件的腐蚀失效是客观存在的，高温端失效主要包括高温氧化、热疲劳及高温盐蚀， 低温端腐蚀以冷凝液腐蚀为主。
国际上从 20 世纪 70 年代开始就针对汽车尾气排放提出了严格的强制措施，促进了不锈钢在汽车排气系 统中的采用[1，2]。日本、美国、欧洲等广泛采用了不锈钢制作汽车排气系统。主要材料为 304 不锈钢。20 世 纪 90 年代开始，随着不锈钢冶炼技术的进步，特别是 EF+AOD+VOD 三步法冶炼超纯铁素体不锈钢冶炼技
根据汽车零部件的失效形式，目前汽车主机厂普遍采用涉及零部件用钢的材料力学性能、组织、腐蚀性 能和成型性的检验及加工性、成品路试验证等测试手段，目的就是确保材料使用的可靠性。由于汽车产品普 遍采用零部件性能缺陷的召回制度，且汽车产品生产线生产产量又非常高，如果因为材料质量问题导致的产 品召回，将会给主机厂和零部件供应商造成巨大的经济损失，因此，材料检验一直受到高度重视。任何一种 新材料的试用推广往往需要一年甚至更长时间才能完成上述的各项检验，以确定材料的是否可以被采用。目 前，涉及材料的腐蚀检验方法主要有高温循环氧化、高温盐损、冷凝液腐蚀、CCT 腐蚀及晶间腐蚀试验等。 针对汽车用不锈钢材料的腐蚀评价方法，除高温氧化及晶间腐蚀实验等普遍认可国标如高温氧化实验采用国 标 GB/T 13303—91《钢的抗氧化性能测定方法》，晶间腐蚀采用国标 GB/T 4334.5《不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀 试验方法》。其他腐蚀实验方法主要来源于汽车主机厂及零部件公司的企业标准，还没有统一的国家标准。 随着我国汽车工业的发展，特别是随着汽车用不锈钢材料国产化的推进，亟待尽快建立统一的材料检测检验
SUH409L SUS439L SUS432L SUS436L
3 汽车排气系统主要腐蚀失效形式
汽车排气系统包括从高温歧管到低温尾管等主要部件。排气歧管和前管靠近引擎的高温区，服役温度在 700~900℃，要求所用的材料特性主要是高温强度、高温抗氧化及热疲劳特性和耐高温盐蚀性。中管、消音 器及尾管离引擎相对较远，使用温度在 600~100℃，需要材料有良好的耐盐蚀和耐冷凝液腐蚀性。
SUH409L 因其具有较好的耐腐蚀性和较低的生产成本，成为汽车特别是经济型轿车的首选。普遍为国 外厂家接受的 SUH409L 铁素体不锈钢，在国内汽车排气系统应用过程中频繁发生冷部件腐蚀失效，给汽车 用户和主机厂带来的一定的损失。通过对汽车消声器的分析发现，汽车排气系统消声器的工作环境比较复杂， 一方面，由于燃油而生成含有 NH4+、CO32-、SO42-、有机酸等浓缩的腐蚀性强的冷凝液,且排气管的温度比 较高，因此腐蚀环境严酷；另一方面，用于排气系统高温端的材料因为高温氧化、、疲劳及盐蚀等也会发生 不同程度的失效。因此，汽车排气系统用钢的耐腐蚀性受到了零部件厂及主机厂的高度重视。
2 汽车排气系统组成、主要钢种及性能要求
汽车排气系统主要由排气歧管、前管、转换器、中管、消音器和尾管等组成(图 1)[3]，不同部位对材料 有不同性能要求。排气系统材料的服役环境可大体分为低温端（中管、消音器、尾管）和中高温端（前管、 歧管）。前者主要以冷凝液腐蚀失效为主；而中高温端以高温氧化、高温疲劳及高温盐损等失效为主。同时， 对材料的成形性能也提出了较高要求。表 1 给出了汽车排气系统部件的服役温度范围及对材料性能的要求 [4] 。
图 5 焊缝局部晶间腐蚀失效（焊缝及断面腐蚀形貌）
4 汽车排气系统用钢常用腐蚀失效评价方法
如同汽车用钢板认证一样，汽车排气系统零部件用钢均需要通过汽车主机厂和零部件供应商的材料认 证、加工认证及汽车路试认证等相关认证流程，其中材料只有满足了抗腐蚀性、成型性、加工及路试寿命周 期模拟试验才可以批量使用。随着汽车工业发展，汽车材料使用寿命要求也不断提高，美国汽车排气系统零 部件的使用寿命要求已经从 1980 年的 2 年 4 万公里增加到现在的 6 年 10 万公里。目前，国内汽车排气系统 用零部件的寿命要求还停留在相对较低的阶段，普遍采用的是 3 年 6 万里这个级别。