專利名稱：Egr冷卻器用鐵素體系不銹鋼及egr冷卻器的制作方法
技術領域：
本發明涉及作為構成EGR冷卻器的部件使用的鐵素體系不銹鋼及使用該部件構成的EGR冷卻器。
背景技術：
以汽車為主的安裝有內燃機的車輛中，為了降低排氣中的NOx和燃料費的上升，有時采用EGR(Exhaust Gas Recirculation，排氣再循環)的方法。其為取出從內燃機排出的排氣的一部分，從內燃機的吸氣側再次吸氣的技術，主要已在柴油發動機中普及，但近年來也逐漸應用于汽油發動機。在EGR系統中，需要將排氣冷卻到可循環的溫度的裝置。這就是EGR冷卻器。圖1、圖2中示意性地例示了一般的EGR冷卻器的構造。在由外筒構成的排氣通路的一部分上設置用兩塊隔板隔開的部分，在該部分中構成向冷卻水排放熱的熱交換器。在此，將由隔板隔開的該部分稱為“熱交換部分”。隔板中設有孔的部位與通氣管接合，在熱交換部分，排氣在通氣管中流過。在通氣管的周圍流過冷卻水。通氣管有僅由金屬制的管構成的類型(圖1)，或在管的內部設置有散熱片的類型(圖2)等。EGR冷卻器由外筒、隔板、通氣管、或進一步通氣管內的稱作散熱片的金屬部件而構成，這些部件通過釬焊來接合。但是，熱交換部分入口側的排氣溫度有時最高達到800°C 左右、出口側的溫度有時最高達到200°C左右，因此在一般的熱交換器的組裝中所使用的 Cu焊料耐久性不足。因此，EGR冷卻器中適用耐高溫氧化性及高溫強度優異的Ni焊料(JIS Z3265 的 BNi-5、BNi-6 等)。構成EGR冷卻器的金屬部件中要求如下的特性。(I)Ni釬焊性良好。(2)對融雪鹽的耐腐蝕性良好。這是因為EGR冷卻器設置于發動機室內，處于容易附著撒于路面的融雪鹽的環境。(3)對LLC(長壽命冷卻劑，例如乙二醇)的耐腐蝕性良好。這是因為EGR的冷卻水中通常添加有LLC。(4)高溫強度和耐高溫氧化性良好。這是因為EGR冷卻器暴露于高溫的排氣中。(5)對冷凝水的結露的耐腐蝕性良好。這是因為在EGR冷卻器中，運轉中在排氣出口側附近容易產生結露，另外，運轉后在排氣接觸部位容易產生結露。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 特開平7-292446號公報專利文獻2 特開平2003-193205號公報
發明內容
發明所要解決的課題
根據上述特性要求，現在，構成EGR冷卻器的金屬部件主要使用以SUS304、SUS316 為代表的奧氏體系不銹鋼。但是，由于奧氏體系不銹鋼的熱膨脹系數大，因此高溫下生成的氧化鱗片在冷卻時剝落而流入發動機內，或容易產生由于反復加熱·冷卻引起的熱疲勞破壞。對高溫強度也希望進一步的改善。另外，由于大量含有高價的Ni，因此材料成本也高。另一方面，鐵素體系不銹鋼的熱膨脹系數比奧氏體系鋼種小，并且材料成本一般也比奧氏體系鋼種便宜。構成排氣通路的排氣歧管或消聲器等多采用鐵素體系不銹鋼。但是，在實施Ni釬焊的情況下需要將材料暴露在例如iioo°c以上的高溫中。在這樣的高溫下，通常引起鐵素體系不銹鋼的晶粒粗大化，容易導致韌性的降低。上述專利文獻1中公開了釬焊性良好的熱交換器用鐵素體系不銹鋼。但是，對于釬焊性，假設的是Cu釬焊，其意圖并不是M釬焊性的改善及此時的晶粒粗大化的抑制。本發明要提供一種適于作為供Ni釬焊的EGR冷卻器部件的鐵素體系不銹鋼及使用該部件的EGR冷卻器。用于解決課題的手段上述目的由EGR冷卻器部件用鐵素體系不銹鋼來實現，該不銹鋼以質量％計含有C 0. 03% 以下、Si 大于 0. 且小于等于 3%、Mn :0. 2%、Cr 25%、Nb 0. 3% 0. 8%、N :0. 03%以下，優選C和N的合計含量為0. 01 %以上，此外根據需要，分別選擇性地含有(a)合計4%以下范圍的Mo、Cu、V及W的1種以上、(b)合計0.3%以下范圍的Ti、Al及&的1種以上、(c)合計5%以下范圍的Ni及Co的1種以上、(d)合計0. 2%以下范圍的REM(稀土元素)及Ca的1種以上，剩余部分為Fe及不可避免的雜質。另外，本發明提供一種EGR冷卻器，由上述鋼構成的鋼材擔當構成部件，且具有至少將該部件與其它部件通過M釬焊接合的構造。作為該部件可舉出例如外筒、隔板、通氣管、安裝于通氣管中的散熱片等。另外，提供一種EGR冷卻器，由上述的鋼構成的鋼材擔當與汽車排氣及冷卻水雙方接觸的部件，具有至少將該部件與其它部件通過M釬焊接合的構造。作為與汽車排氣及冷卻水雙方接觸的部件可舉出例如外筒、隔板、通氣管等。發明效果根據本發明，提供M釬焊性及韌性良好的鐵素體系不銹鋼。通過使用該鋼，與部件中使用了奧氏體系不銹鋼的現有的EGR冷卻器相比，實現了高溫強度更高、氧化鱗片的剝落少且材料成本低的EGR冷卻器。
圖1為示意性地例示了 EGR冷卻器構造的圖；圖2為示意性地例示了通氣管內具有散熱片的類型的EGR冷卻器構造的圖。
具體實施例方式如上所述，為了提高EGR冷卻器的耐久性，采用熱膨脹系數更小的鐵素體系鋼種變得有利。但是，在EGR冷卻器的使用環境下，該構成部件有時暴露于700°C以上、最高 800°C左右的高溫。該情況下，特別是防止鐵素體系鋼種的高溫強度降低的對策變得重要。 另外，由于Ni釬焊時要保持1050 1150°C左右的高溫，因此用于抑制晶粒粗大化的成分設計是很重要的。通常，鐵素體系不銹鋼在常溫 600°C左右的中溫區域呈現比奧氏體系不銹鋼高的強度水平。但是，在700°C以上的高溫區域中強度水平大幅降低。作為用于防止這種高溫強度降低的方法，已知添加Nb是有效的。即，通過在鐵素體系不銹鋼中添加0. 2質量％左右的Nb，高溫強度得以顯著改善。由Nb產生的高溫強度的提高，主要是“固溶Nb”在起作用。因此，在高溫用途中所使用的鐵素體系不銹鋼中，為了充分確保固溶Nb的量，通常進行盡量減少C、N含量的成分設計。另一方面，為了抑制鐵素體系不銹鋼的晶粒粗大化，認為固溶Nb也有效地發揮作用。但是，根據發明人等的研究了解到，為了抑制在M釬焊溫度下的晶粒粗大化，添加0.2 質量％左右的Nb是不充分的。使用各種M焊料進行詳細研究的結果表明，重要的是確保 0.3質量％以上的Nb含量。可以認為，由Nb添加產生的對晶粒粗大化的抑制，除了由固溶Nb產生的粗大化抑制作用之外，Nb碳化物、Nb氮化物或Nb碳氮化物(將它們統稱為“Nb碳化物·氮化物”) 產生的束縛效果也有很大貢獻。因此，在本發明的鋼的成分設計中，倒不如確保一定程度的 C、N含量有利。具體地，將C和N的合計含量設定為0.01質量％以上更有效。另外，認為通過充分確保Nb含量，由Fe2Nb (Laves)、或Fe3NbC (M6X)等析出物產生的束縛效果也對晶粒粗大化的抑制有效地發揮作用。通過抑制晶粒的粗大化，特別是對防止低溫韌性的降低有效。對于Nb以外的合金成分而言，可知Mo、Cu、V、W各元素隨著固溶量的增大，也有助于高溫強度的提高。另外，可知Ni、Co對晶粒稍微粗大化的情況下韌性降低的抑制極其有效。另一方面，表明Ti、Al、Zr、REM、Ca在進行Ni釬焊時，具有使鋼材表面的Ni焊料的流動(潤濕性)變差的重要原因。認為這正是由于在Ni釬焊加熱時，在鋼材表面容易形成這些元素的氧化物。但是，如后所述，只要將這些元素的含量限制在適當范圍就沒有問題。本發明是基于這樣的見解而完成的。下面，對各合金成分進行說明。C、N是在與Nb的復合添加中形成Nb碳化物·氮化物的元素。由于這些析出物消耗Nb而固溶Nb減少時，阻礙由固溶Nb產生的高溫強度的提高效果及晶粒粗大化的抑制效果。因此，本發明中需要將C含量限制在0.03質量％以下，優選為0.025質量％以下。另夕卜，也需要將N含量限制在0. 03質量％以下，優選為0. 025質量％以下。但是，關于N i釬焊時晶粒粗大化的抑制，如上所述，由Nb碳化物 氮化物產生的束縛效果也可有幫助。因此，確保一定程度的C、N含量是有利的。各種研究的結果，優選將 C和N的合計含量設為0. 01質量％以上。對于各元素更優選確保C 0. 005質量％以上、N 0. 005質量％以上。Si是使高溫氧化特性改善的元素。但是，含有過量的Si會使鐵素體相硬質化，成為加工性惡化的重要原因。另外，會使Ni釬焊性(與Ni焊料的潤濕性)惡化。各種研究的結果，將Si含量限制在大于0. 1質量％且小于等于3質量％的范圍，更優選設定為0. 3 質量％ 2. 5質量％的范圍。上限也可以限制在1.5質量％。
Mn是使高溫氧化特性、特別是使耐鱗片剝落性改善的元素。但是，過量添加時則促進高溫下的奧氏體相的生成。本發明中，理想的是設定為在Ni釬焊溫度下不生成奧氏體相的鐵素體單相系的成分組成。各種研究的結果，Mn含量規定在0. 1質量％ 2質量％的范圍。Cr具有使高溫下的耐氧化特性穩定的作用。因此需要確保10質量％以上的Cr含量。但是，含有過量的Cr會阻礙制造性及鋼材的加工性。因此Cr含量被限制在25質量％ 以下的范圍。Nb在本發明中是重要的元素，如上所述，對高溫強度的提高和Ni釬焊時的晶粒粗大化的抑制有效地發揮作用。關于高溫強度的提高，主要是Nb的固溶強化有很大貢獻，但由細微地分散在鐵素體基體中的Nb碳化物·氮化物產生的析出強化對高溫強度的提高也是有效的。關于晶粒粗大化的抑制，與Nb的固溶強化一起，由Nb碳化物 氮化物產生的束縛效果有效地發揮作用。為了充分發揮這些作用，除將C、N含量限制在上述范圍以外，重要的是確保Nb含量為0. 3質量％以上。特別是，要抑制M釬焊時的晶粒粗大化，提高Nb含量是有效的。優選設為0.4%以上或進一步優選設為0.5%以上的Nb含量。但是，Nb含量變多時，對熱加工性及鋼材的表面品質特性帶來不利影響。因此，Nb含量被限制在0.8質量％以下的范圍。Mo、Cu、V、W也是主要通過固溶強化而有助于高溫強度的提高。因此，根據需要可以含有這些元素的1種以上。特別是，確保這些元素的合計含量為0.05質量％以上是更有效的。但是，過量添加這些元素時會對熱加工性帶來不利影響。另外，也成為阻礙低溫韌性的重要原因。各種研究的結果，在添加Mo、Cu、V、W的1種以上的情況下，需要將其合計含量控制在4質量％以下。Ti、Al、&中，Ti、&與C及N結合形成細微析出物并分散在鋼中，由此呈現提高高溫強度的作用。Al呈現改善高溫氧化特性的作用。因此，根據需要可以含有這些元素的 1種以上。但是，這些元素都大量含有時，成為導致熱加工性及表面品質特性降低的重要原因。另外，由于是在鋼材表面形成堅固的氧化膜的元素，因此由于該氧化膜Ni焊料的流動有時變差。作為研究的結果，在添加Ti、Al、&的1種以上的情況下，需要將其合計含量控制在0. 3質量％以下。特別是，將其合計含量設定為0. 03質量％ 0. 3質量％的范圍是有效的，更優選設為0. 03質量％ 0. 25質量％。Ni、Co在由于Ni釬焊晶粒稍微粗大化的情況下，對韌性降低的抑制有顯著效果。 另外，這些元素對高溫強度的提高也有利。因此，根據需要可以含有這些元素的1種以上， 特別是，確保Ni、Co的合計含量為0. 5質量％以上是更有效的。但是，Ni、Co的過量添加導致在高溫區域生成奧氏體相，因此不優選。在添加Ni、Co的1種以上的情況下，需要將Ni 和Co的合計含量控制在5質量％以下的范圍。REM(稀土元素)、Ca與Al同樣是使高溫氧化特性提高的元素，本發明中根據需要可以添加它們的1種以上。特別是，確保REM、Ca的合計含量為0. 01質量％以上是更有效的。但是，大量添加時由于韌性降低等使制造性降低。因此，在添加REM、Ca的1種以上的情況下，需要將其合計含量控制在0. 2質量％以下的范圍。確認具有以上組成的鐵素體系不銹鋼對于對融雪鹽的耐腐蝕性、對LLC的耐腐蝕性、及對冷凝水的耐腐蝕性，與現有EGR冷卻器中所使用的奧氏體系鋼種相比，處于沒有問題的水平。對于排氣環境下的高溫強度(0.2%屈服強度)及耐鱗片剝離性而言，與奧氏體系鋼種相比也得到改善。上述組成的鐵素體系不銹鋼利用通常的方法制成鋼板，并加工成構成EGR冷卻器的外筒、隔板、通氣管、安裝于通氣管中的散熱片等部件。這些部件通過Ni釬焊而接合，構成EGR冷卻器。不一定用本發明的鋼構成EGR冷卻器的全部構成部件。但是，由本發明的鋼構成的部件充分確保了對LLC的耐腐蝕性，并且同時改善了排氣環境下的高溫氧化特性和對M釬焊時的晶粒粗大化的抗性以及潤濕性。因此，特別是與汽車排氣及冷卻水雙方接觸且實施了 M釬焊的部件使用本發明的鋼是有效的。作為這樣的部件可舉出例如外筒、隔板、通氣管。實施例熔煉表1所示化學組成的鋼，將得到的鋼塊熱鍛成圓棒及板，由此加工成直徑 15mm的圓棒和板厚30mm的板。將保持溫度設定在1000 1100°C的范圍內對圓棒實施固溶處理。板通過熱軋制成板厚4mm的熱軋板，對其實施退火后通過冷軋使板厚為1. 5mm，接著將保持溫度設定在1000 1100°C的范圍內實施最終退火。另外，B4、B5為奧氏體系不銹鋼。表 權利要求
1.一種EGR冷卻器部件用鐵素體系不銹鋼，以質量％計，包含C 0. 03%以下、Si 大于 0. 且小于等于 3%、Mn :0. 2%、Cr 25%、Nb :0. 3% 0. 8%、N :0. 03% 以下、剩余部分為Fe及不可避免的雜質。
2.權利要求1所述的鐵素體系不銹鋼，其中，以合計4%以下的范圍還含有Mo、Cu、V及 W的1種以上。
3.權利要求1或2所述的鐵素體系不銹鋼，其中，以合計0.3%以下的范圍還含有Ti、 Al及&的1種以上。
4.權利要求1 3中任一項所述的鐵素體系不銹鋼，其中，以合計5%以下的范圍還含有Ni及Co的1種以上。
5.權利要求1 4中任一項所述的鐵素體系不銹鋼，其中，以合計0.2%以下的范圍還含有REM(稀土元素)及Ca的1種以上。
6.權利要求1 5中所述的鐵素體系不銹鋼，其中，C及N的合計含量為0.01質量％ 以上。
7.—種EGR冷卻器，其中，由權利要求1 6中任一項所述的鋼構成的鋼材擔當構成部件，具有至少將該部件與其它部件通過M釬焊接合的構造。
8.—種EGR冷卻器，其中，由權利要求1 6中任一項所述的鋼構成的鋼材擔當與汽車排氣及冷卻水雙方接觸的部件，且具有至少將該部件與其它部件通過M釬焊接合的構造。
全文摘要
本發明提供一種適于作為供Ni釬焊的EGR冷卻器部件的鐵素體系不銹鋼及使用該部件的EGR冷卻器。使用以質量％計，含有C0.03％以下、Si大于0.1％且小于等于3％、Mn0.1％～2％、Cr10％～25％、Nb0.3％～0.8％、N0.03％以下，此外根據需要，分別選擇性地含有(a)合計4％以下范圍的Mo、Cu、V及W的1種以上、(b)合計0.3％以下的范圍的Ti、Al及Zr的1種以上、(c)合計5％以下范圍的Ni及Co的1種以上、(d)0.2％以下范圍的REM(稀土元素)及Ca的1種以上，剩余部分為Fe及不可避免的雜質的鐵素體系不銹鋼，得到具有通過Ni釬焊接合的構造的EGR冷卻器。
文檔編號C22C38/58GK102471840SQ20098016062
公開日2012年5月23日 申請日期2009年7月27日 優先權日2009年7月27日
發明者中村定幸, 堀芳明, 奧學 申請人:日新制鋼株式會社