新一代汽车用耐高温铁素体不锈钢合金化机理及关键性能研究

High-efficient combustion of gasoline leads to an temperature increase in hot-end of automobile exhaust system, a new generation of ferritic stainless steel with high-temperature strength, anti-oxidation ability and heat-resistant corrosion, and excellent thermal fatigue resistance is urgently needed. Based on 18Cr-Nb-Mo type widely used stainless steel with excellent formability, this project will focus on developing new type of high-temperature resistant ferritic stainless steel by multi-elemental alloy designing with W, Mo, Ti, Nb and Ce, and investigating its key processing technologies and crucial performances. Cerium oxide scale is introduced to increase the anti-oxidation ability by improving the cohesion with matrix and high-temperature strength is thus enhanced by precipitation hardening of multi-elemental complex structure Laves phase and solid-solution strengthening resulted from high melting-point elements. In this case, the anti-oxidation ability at elevetaed temperature, thermal corrosion and thermal fatigue behaviors are thus improved for this new type of heat-resistant ferritic stainless steel. Moreover, on the basis of the real service environment for simulating the failure behavior, a deep and full understanding of the alloying design and alloying mechanism will be acquired A new generation of ferritic stainless steel for automotive exhaust system at service temperature of 1000-1100 degrees Centigrade will be finally developed. This study has academic and practical engineering values in designing high-quality resource-saving ferrous materials and promoting automotive steel development. Besides, it also has social significance in promoting energy saving and emission reduction and environmental protection for automotive industry.

汽油高效燃烧导致汽车排气系统热端温度升高，迫切需要更高高温强度、抗高温氧化、耐热腐蚀及耐热疲劳性能的新一代铁素体不锈钢材料。本项目拟在18Cr-Nb-Mo型不锈钢基础上，提出以W、Mo、Ti、Nb及Ce为主进行多元合金化设计，开展关键生产工艺及性能研究。依靠复杂多元结构Laves相、高温弥散强化相及高熔点合金元素固溶强化作用提高高温力学性能，引入稀土Ce改善氧化膜与基体结合状态以提高抗氧化性，从而实现新型耐高温铁素体不锈钢高温氧化与热腐蚀行为以及热疲劳性能的改善；在模拟实际服役环境失效行为基础上，全面深入认识合金化方法及机理，最终研发使用温度范围为1000-1100度的汽车排气系统用新一代铁素体不锈钢。开展新型耐高温铁素体不锈钢材料研究，对于资源节约型高品质钢铁材料设计以及推进汽车制造用钢的发展具有重要的学术和工程应用价值，对于促进汽车工业中节能减排及环境保护等也有重要的社会意义。

随着汽车尾气排放标准越来越高，汽油充分燃烧导致汽车排气歧管热端温度也将进一步升高，现有铁素体不锈钢将不能满足高温力学性能和抗氧化性能等要求，有必要研发新一代资源节约型耐热铁素体不锈钢并对其关键性能进行研究。研究内容包括：新型耐高温铁素体不锈钢的合金化设计及机理，新型铁素体不锈钢轧制工艺、力学性能、微观组织、织构与成形性，新型耐高温铁素体不锈钢高温氧化行为及抗氧化机理，新一代耐高温铁素体不锈钢可焊性研究，模拟排气系统内外环境中不锈钢的高温服役行为与规律，新型铁素体不锈钢耐腐蚀性能研究。通过四年的研究，实现了项目预期的研究目标，取得了相应的成果。.基于444(19Cr-2Mo-Nb-Ti)不锈钢提出“多元合金化”及“协同作用”的合金设计思路，综合调控Nb、Ti、Mo、W、Ce等合金元素及其含量并利用这些元素对高温服役性能产生的协同作用，成功设计了新型耐高温铁素体不锈钢。揭示了合金元素W和Ce的添加对新型耐热铁素体不锈钢高温抗氧化性能的影响规律及机理，发现含Cr的Laves相在高温氧化过程中存在“选择性氧化诱导析出”现象。首次明确指出含W和Ce合金化对不锈钢焊接热影响区晶粒生长有明显抑制作用，以W代Mo能有效细化铁素体不锈钢热影响区晶粒尺寸。获得了新型耐热铁素体不锈钢优化的轧制及热处理工艺，建立了其力学性能、微观组织、织构与成形性能之间的联系。阐明了新型耐热铁素体不锈钢中Ce和W的添加对其耐腐蚀性能的影响及规律，设计制造了排气系统热疲劳模拟试验装置，掌握了新型不锈钢在排气系统内外环境下的高温服役行为及规律。.依托本项目，培养了13位研究生，授权2项国家发明专利，在国内外重要期刊发表42篇论文。所取得的成果对于资源节约型高品质低成本钢铁材料的设计以及推进汽车零部件制造用钢的发展具有重要的科学意义和实际工程应用价值，对于促进汽车工业中的节能减排及环境保护有重要的社会意义。