1、前言
随着社会发展的需要，人们认识到必须制定更加严格的尾气排放标准对环境进行保护以及通过减轻车身重量降低燃油消耗。由于不锈钢具有优良的耐蚀性、耐热性及良好的综合性能，因此，用于尾气排放系统的材料已经从普通铸造金属和镀铝碳钢板发展到了不锈钢，并从一般性能的不锈钢进一步发展到高性能的特殊不锈钢。
图1 409L在消音器中的典型腐蚀分析
2、消音器的工作特点
消音器受到内部冷凝液，外部融雪盐的腐蚀，腐蚀环境恶劣，因此，该段对材料耐腐蚀的要求是主要的。尤其是下部分受到冷凝液的直接接触腐蚀，上半部分受到冷凝液蒸汽的腐蚀，下半部分较上半部分腐蚀环境更为恶劣。典型的消音器用409L材料的腐蚀见图1（a、b、c、d）。
材料存在着孔蚀和晶间腐蚀。能谱分析结果主要是废气中凝聚的硫酸腐蚀，而同样的零件在日本使用未发生孔蚀。消声器壳体使用436铁素体不锈钢，未产生孔蚀等情况。
3、太钢消音器用铁素体不锈钢的开发历程
3.1 409L的开发历程
3.1.1 工艺的优化
太钢从上世纪末开始用AOD生产汽车消音器用不锈钢409L，但由于成品C、N较高且波动较大，对性能产生较大影响；2004年，全部使用VOD进行生产，产品C、N控制较好，稳定性得到提升，产品性能大幅提升，得到用户的认可。
3.1.2 稳定化元素的优化
为防止在使用过程中出现晶间腐蚀问题，该钢种需要加入稳定化元素固定钢中的C、N，最初409L采用Ti单稳定，不但容易析出TiN，影响表面质量，同时在使用过程中仍会出现晶间腐蚀现象，随着对Nb-Ti双稳定认识的深入，通过钢中Ti固定N，Nb固定C，避免了晶间腐蚀的出现，见图2。
图2 Nb-Ti双稳定与晶间腐蚀关系
3.2 439M的开发
3.2.1 油品现状
由于我国与国外油品中硫含量的差异（见图3），在消音器部位，国外使用409L能够满足耐蚀性能的要求，而在我国，尤其是消音器下半部分，409L已经无法满足在规定的公里数内不出现腐蚀的要求，因此需要将该部位切换成耐蚀性能更好的高铬或者436L等含钼材料，以使耐蚀性能大大提高，寿命周期延长。但又出现另外的问题，由于汽车行业竞争日趋激烈，车厂使用高性能低成本的材料成为一种方向，耐蚀性能优异的436L不锈钢由于价格昂贵而限量使用，汽车排气系统采用的材料主要为409L，同时要求达到3年或6万公里寿命保质期。由于我国燃油硫含量偏高，实际使用过程中消声器在4万公里左右经常发生腐蚀破坏。因此急需开发一种适合我国油品条件的新型汽车排气系统用经济型铁素体不锈钢，此材料的耐蚀性能优于409L，成本上要低于436L不锈钢。
图3 我国(上)及日本(下)的汽油含硫量
3.2.2 材料设计
考虑到消音器腐蚀环境的特点，在钢中增加铬含量和加入少量钼，同时为使其具有良好的加工性能，实现Nb-Ti双稳定，通过在实验室中生产出不同成分的样品，在模拟冷凝液中进行腐蚀测试，结果见图4。
图4 不同化学成分对耐蚀性能的影响
可以看到，在11%~17%Cr范围内，Cr提高铁素体不锈钢的耐冷凝液腐蚀性能，含量超过17%之后，其作用不再明显；适量的Mo在Cr17型不锈钢的作用比较明显。根据综合性能对比，设计出了有自主知识产权的439M经济型铁素体不锈钢。
3.2.3 化学成分和典型性能
典型的铁素体不锈钢的化学成分和力学性能见表1。
3.2.4 腐蚀试验
(1) 晶间腐蚀测试
试验方法：GB4334.5-2000不锈钢硫酸—硫酸铜腐蚀试验方法。试样状态：原始态，1200℃×5min、水淬。结果：无晶间腐蚀裂纹倾向，见图5。
图5 晶间腐蚀结果
(2) 模拟冷凝液试验
① 冷凝液分析
通过对消音器内表面剥离锈层，对其进行XRD分析，锈层中除了含有铁、铬的氧化物和FeO（OH）外，还含有铁的硫酸盐，这说明汽油中的硫在消音器内表面最终是以硫酸根的形式存在，并直接参与冷凝液的腐蚀过程。
② 模拟冷凝液设计
日本的JFE在模拟排气系统腐蚀试验中，对溶液浓度均有参考标准规定溶液中各离子成分，见表2。
但结合我国实际油品条件，在对我国排气管的腐蚀破坏中对腐蚀物进行详细的分析，还需要对SO4 等离子浓度进行调整，尽可能反映出我国实际的腐蚀液状况。
③腐蚀试验方法
试验方法如图6所示。目前该方法能够有效地反映出腐蚀的状况。腐蚀结果见图7。
图6 JFE冷凝液腐蚀试验方法
图7 不同不锈钢在冷凝液中不同周期的腐蚀结果
同时通过采用机制分布函数对最大腐蚀深度的统计，预测出不同钢种的使用寿命，通过车厂的试验及路况测试，达到了预期的使用寿命。
4、结论
(1) 由于汽车工业的飞速发展以及人们对铁素体不锈钢优点的认识逐渐加强，促进了对汽车排气系统用铁素体不锈钢的开发力度，产品质量得到各种车系的认可，促进了国产化率，2009年总开发量突破10万吨，市场占有率在60%以上。
(2) 太钢通过工艺的不断完善，消音器用不锈钢实物质量达到国际先进水平，替代进口，为振兴民族汽车工业发展做出了贡献。
( 3 ) 通过合作开发具有自主知识产权的439M，提升了国内汽车排气系统消音器用不锈钢的研发水平，开创了科研院校、生产单位和车厂合作的模式，形成了“产学研”的完美结合。
作者：刘春来