专利名称：Egr冷却器用铁素体系不锈钢及egr冷却器的制作方法
技术领域：
本发明涉及作为构成EGR冷却器的部件使用的铁素体系不锈钢及使用该部件构成的EGR冷却器。
背景技术：
以汽车为主的安装有内燃机的车辆中，为了降低排气中的NOx和燃料费的上升，有时采用EGR(Exhaust Gas Recirculation，排气再循环)的方法。其为取出从内燃机排出的排气的一部分，从内燃机的吸气侧再次吸气的技术，主要已在柴油发动机中普及，但近年来也逐渐应用于汽油发动机。在EGR系统中，需要将排气冷却到可循环的温度的装置。这就是EGR冷却器。图1、图2中示意性地例示了一般的EGR冷却器的构造。在由外筒构成的排气通路的一部分上设置用两块隔板隔开的部分，在该部分中构成向冷却水排放热的热交换器。在此，将由隔板隔开的该部分称为“热交换部分”。隔板中设有孔的部位与通气管接合，在热交换部分，排气在通气管中流过。在通气管的周围流过冷却水。通气管有仅由金属制的管构成的类型(图1)，或在管的内部设置有散热片的类型(图2)等。EGR冷却器由外筒、隔板、通气管、或进一步通气管内的称作散热片的金属部件而构成，这些部件通过钎焊来接合。但是，热交换部分入口侧的排气温度有时最高达到800°C 左右、出口侧的温度有时最高达到200°C左右，因此在一般的热交换器的组装中所使用的 Cu焊料耐久性不足。因此，EGR冷却器中适用耐高温氧化性及高温强度优异的Ni焊料(JIS Z3265 的 BNi-5、BNi-6 等)。构成EGR冷却器的金属部件中要求如下的特性。(I)Ni钎焊性良好。(2)对融雪盐的耐腐蚀性良好。这是因为EGR冷却器设置于发动机室内，处于容易附着撒于路面的融雪盐的环境。(3)对LLC(长寿命冷却剂，例如乙二醇)的耐腐蚀性良好。这是因为EGR的冷却水中通常添加有LLC。(4)高温强度和耐高温氧化性良好。这是因为EGR冷却器暴露于高温的排气中。(5)对冷凝水的结露的耐腐蚀性良好。这是因为在EGR冷却器中，运转中在排气出口侧附近容易产生结露，另外，运转后在排气接触部位容易产生结露。现有技术文献专利文献专利文献1 特开平7-292446号公报专利文献2 特开平2003-193205号公报
发明内容
发明所要解决的课题
根据上述特性要求，现在，构成EGR冷却器的金属部件主要使用以SUS304、SUS316 为代表的奥氏体系不锈钢。但是，由于奥氏体系不锈钢的热膨胀系数大，因此高温下生成的氧化鳞片在冷却时剥落而流入发动机内，或容易产生由于反复加热·冷却引起的热疲劳破坏。对高温强度也希望进一步的改善。另外，由于大量含有高价的Ni，因此材料成本也高。另一方面，铁素体系不锈钢的热膨胀系数比奥氏体系钢种小，并且材料成本一般也比奥氏体系钢种便宜。构成排气通路的排气歧管或消声器等多采用铁素体系不锈钢。但是，在实施Ni钎焊的情况下需要将材料暴露在例如iioo°c以上的高温中。在这样的高温下，通常引起铁素体系不锈钢的晶粒粗大化，容易导致韧性的降低。上述专利文献1中公开了钎焊性良好的热交换器用铁素体系不锈钢。但是，对于钎焊性，假设的是Cu钎焊，其意图并不是M钎焊性的改善及此时的晶粒粗大化的抑制。本发明要提供一种适于作为供Ni钎焊的EGR冷却器部件的铁素体系不锈钢及使用该部件的EGR冷却器。用于解决课题的手段上述目的由EGR冷却器部件用铁素体系不锈钢来实现，该不锈钢以质量％计含有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，优选C和N的合计含量为0. 01 %以上，此外根据需要，分别选择性地含有(a)合计4%以下范围的Mo、Cu、V及W的1种以上、(b)合计0.3%以下范围的Ti、Al及&的1种以上、(c)合计5%以下范围的Ni及Co的1种以上、(d)合计0. 2%以下范围的REM(稀土元素)及Ca的1种以上，剩余部分为Fe及不可避免的杂质。另外，本发明提供一种EGR冷却器，由上述钢构成的钢材担当构成部件，且具有至少将该部件与其它部件通过M钎焊接合的构造。作为该部件可举出例如外筒、隔板、通气管、安装于通气管中的散热片等。另外，提供一种EGR冷却器，由上述的钢构成的钢材担当与汽车排气及冷却水双方接触的部件，具有至少将该部件与其它部件通过M钎焊接合的构造。作为与汽车排气及冷却水双方接触的部件可举出例如外筒、隔板、通气管等。发明效果根据本发明，提供M钎焊性及韧性良好的铁素体系不锈钢。通过使用该钢，与部件中使用了奥氏体系不锈钢的现有的EGR冷却器相比，实现了高温强度更高、氧化鳞片的剥落少且材料成本低的EGR冷却器。
图1为示意性地例示了 EGR冷却器构造的图；图2为示意性地例示了通气管内具有散热片的类型的EGR冷却器构造的图。
具体实施例方式如上所述，为了提高EGR冷却器的耐久性，采用热膨胀系数更小的铁素体系钢种变得有利。但是，在EGR冷却器的使用环境下，该构成部件有时暴露于700°C以上、最高 800°C左右的高温。该情况下，特别是防止铁素体系钢种的高温强度降低的对策变得重要。 另外，由于Ni钎焊时要保持1050 1150°C左右的高温，因此用于抑制晶粒粗大化的成分设计是很重要的。通常，铁素体系不锈钢在常温 600°C左右的中温区域呈现比奥氏体系不锈钢高的强度水平。但是，在700°C以上的高温区域中强度水平大幅降低。作为用于防止这种高温强度降低的方法，已知添加Nb是有效的。即，通过在铁素体系不锈钢中添加0. 2质量％左右的Nb，高温强度得以显著改善。由Nb产生的高温强度的提高，主要是“固溶Nb”在起作用。因此，在高温用途中所使用的铁素体系不锈钢中，为了充分确保固溶Nb的量，通常进行尽量减少C、N含量的成分设计。另一方面，为了抑制铁素体系不锈钢的晶粒粗大化，认为固溶Nb也有效地发挥作用。但是，根据发明人等的研究了解到，为了抑制在M钎焊温度下的晶粒粗大化，添加0.2 质量％左右的Nb是不充分的。使用各种M焊料进行详细研究的结果表明，重要的是确保 0.3质量％以上的Nb含量。可以认为，由Nb添加产生的对晶粒粗大化的抑制，除了由固溶Nb产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(将它们统称为“Nb碳化物·氮化物”) 产生的束缚效果也有很大贡献。因此，在本发明的钢的成分设计中，倒不如确保一定程度的 C、N含量有利。具体地，将C和N的合计含量设定为0.01质量％以上更有效。另外，认为通过充分确保Nb含量，由Fe2Nb (Laves)、或Fe3NbC (M6X)等析出物产生的束缚效果也对晶粒粗大化的抑制有效地发挥作用。通过抑制晶粒的粗大化，特别是对防止低温韧性的降低有效。对于Nb以外的合金成分而言，可知Mo、Cu、V、W各元素随着固溶量的增大，也有助于高温强度的提高。另外，可知Ni、Co对晶粒稍微粗大化的情况下韧性降低的抑制极其有效。另一方面，表明Ti、Al、Zr、REM、Ca在进行Ni钎焊时，具有使钢材表面的Ni焊料的流动(润湿性)变差的重要原因。认为这正是由于在Ni钎焊加热时，在钢材表面容易形成这些元素的氧化物。但是，如后所述，只要将这些元素的含量限制在适当范围就没有问题。本发明是基于这样的见解而完成的。下面，对各合金成分进行说明。C、N是在与Nb的复合添加中形成Nb碳化物·氮化物的元素。由于这些析出物消耗Nb而固溶Nb减少时，阻碍由固溶Nb产生的高温强度的提高效果及晶粒粗大化的抑制效果。因此，本发明中需要将C含量限制在0.03质量％以下，优选为0.025质量％以下。另夕卜，也需要将N含量限制在0. 03质量％以下，优选为0. 025质量％以下。但是，关于N i钎焊时晶粒粗大化的抑制，如上所述，由Nb碳化物 氮化物产生的束缚效果也可有帮助。因此，确保一定程度的C、N含量是有利的。各种研究的结果，优选将 C和N的合计含量设为0. 01质量％以上。对于各元素更优选确保C 0. 005质量％以上、N 0. 005质量％以上。Si是使高温氧化特性改善的元素。但是，含有过量的Si会使铁素体相硬质化，成为加工性恶化的重要原因。另外，会使Ni钎焊性(与Ni焊料的润湿性)恶化。各种研究的结果，将Si含量限制在大于0. 1质量％且小于等于3质量％的范围，更优选设定为0. 3 质量％ 2. 5质量％的范围。上限也可以限制在1.5质量％。
Mn是使高温氧化特性、特别是使耐鳞片剥落性改善的元素。但是，过量添加时则促进高温下的奥氏体相的生成。本发明中，理想的是设定为在Ni钎焊温度下不生成奥氏体相的铁素体单相系的成分组成。各种研究的结果，Mn含量规定在0. 1质量％ 2质量％的范围。Cr具有使高温下的耐氧化特性稳定的作用。因此需要确保10质量％以上的Cr含量。但是，含有过量的Cr会阻碍制造性及钢材的加工性。因此Cr含量被限制在25质量％ 以下的范围。Nb在本发明中是重要的元素，如上所述，对高温强度的提高和Ni钎焊时的晶粒粗大化的抑制有效地发挥作用。关于高温强度的提高，主要是Nb的固溶强化有很大贡献，但由细微地分散在铁素体基体中的Nb碳化物·氮化物产生的析出强化对高温强度的提高也是有效的。关于晶粒粗大化的抑制，与Nb的固溶强化一起，由Nb碳化物 氮化物产生的束缚效果有效地发挥作用。为了充分发挥这些作用，除将C、N含量限制在上述范围以外，重要的是确保Nb含量为0. 3质量％以上。特别是，要抑制M钎焊时的晶粒粗大化，提高Nb含量是有效的。优选设为0.4%以上或进一步优选设为0.5%以上的Nb含量。但是，Nb含量变多时，对热加工性及钢材的表面品质特性带来不利影响。因此，Nb含量被限制在0.8质量％以下的范围。Mo、Cu、V、W也是主要通过固溶强化而有助于高温强度的提高。因此，根据需要可以含有这些元素的1种以上。特别是，确保这些元素的合计含量为0.05质量％以上是更有效的。但是，过量添加这些元素时会对热加工性带来不利影响。另外，也成为阻碍低温韧性的重要原因。各种研究的结果，在添加Mo、Cu、V、W的1种以上的情况下，需要将其合计含量控制在4质量％以下。Ti、Al、&中，Ti、&与C及N结合形成细微析出物并分散在钢中，由此呈现提高高温强度的作用。Al呈现改善高温氧化特性的作用。因此，根据需要可以含有这些元素的 1种以上。但是，这些元素都大量含有时，成为导致热加工性及表面品质特性降低的重要原因。另外，由于是在钢材表面形成坚固的氧化膜的元素，因此由于该氧化膜Ni焊料的流动有时变差。作为研究的结果，在添加Ti、Al、&的1种以上的情况下，需要将其合计含量控制在0. 3质量％以下。特别是，将其合计含量设定为0. 03质量％ 0. 3质量％的范围是有效的，更优选设为0. 03质量％ 0. 25质量％。Ni、Co在由于Ni钎焊晶粒稍微粗大化的情况下，对韧性降低的抑制有显著效果。 另外，这些元素对高温强度的提高也有利。因此，根据需要可以含有这些元素的1种以上， 特别是，确保Ni、Co的合计含量为0. 5质量％以上是更有效的。但是，Ni、Co的过量添加导致在高温区域生成奥氏体相，因此不优选。在添加Ni、Co的1种以上的情况下，需要将Ni 和Co的合计含量控制在5质量％以下的范围。REM(稀土元素)、Ca与Al同样是使高温氧化特性提高的元素，本发明中根据需要可以添加它们的1种以上。特别是，确保REM、Ca的合计含量为0. 01质量％以上是更有效的。但是，大量添加时由于韧性降低等使制造性降低。因此，在添加REM、Ca的1种以上的情况下，需要将其合计含量控制在0. 2质量％以下的范围。确认具有以上组成的铁素体系不锈钢对于对融雪盐的耐腐蚀性、对LLC的耐腐蚀性、及对冷凝水的耐腐蚀性，与现有EGR冷却器中所使用的奥氏体系钢种相比，处于没有问题的水平。对于排气环境下的高温强度(0.2%屈服强度)及耐鳞片剥离性而言，与奥氏体系钢种相比也得到改善。上述组成的铁素体系不锈钢利用通常的方法制成钢板，并加工成构成EGR冷却器的外筒、隔板、通气管、安装于通气管中的散热片等部件。这些部件通过Ni钎焊而接合，构成EGR冷却器。不一定用本发明的钢构成EGR冷却器的全部构成部件。但是，由本发明的钢构成的部件充分确保了对LLC的耐腐蚀性，并且同时改善了排气环境下的高温氧化特性和对M钎焊时的晶粒粗大化的抗性以及润湿性。因此，特别是与汽车排气及冷却水双方接触且实施了 M钎焊的部件使用本发明的钢是有效的。作为这样的部件可举出例如外筒、隔板、通气管。实施例熔炼表1所示化学组成的钢，将得到的钢块热锻成圆棒及板，由此加工成直径 15mm的圆棒和板厚30mm的板。将保持温度设定在1000 1100°C的范围内对圆棒实施固溶处理。板通过热轧制成板厚4mm的热轧板，对其实施退火后通过冷轧使板厚为1. 5mm，接着将保持温度设定在1000 1100°C的范围内实施最终退火。另外，B4、B5为奥氏体系不锈钢。表 权利要求
1.一种EGR冷却器部件用铁素体系不锈钢，以质量％计，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、剩余部分为Fe及不可避免的杂质。
2.权利要求1所述的铁素体系不锈钢，其中，以合计4%以下的范围还含有Mo、Cu、V及 W的1种以上。
3.权利要求1或2所述的铁素体系不锈钢，其中，以合计0.3%以下的范围还含有Ti、 Al及&的1种以上。
4.权利要求1 3中任一项所述的铁素体系不锈钢，其中，以合计5%以下的范围还含有Ni及Co的1种以上。
5.权利要求1 4中任一项所述的铁素体系不锈钢，其中，以合计0.2%以下的范围还含有REM(稀土元素)及Ca的1种以上。
6.权利要求1 5中所述的铁素体系不锈钢，其中，C及N的合计含量为0.01质量％ 以上。
7.—种EGR冷却器，其中，由权利要求1 6中任一项所述的钢构成的钢材担当构成部件，具有至少将该部件与其它部件通过M钎焊接合的构造。
8.—种EGR冷却器，其中，由权利要求1 6中任一项所述的钢构成的钢材担当与汽车排气及冷却水双方接触的部件，且具有至少将该部件与其它部件通过M钎焊接合的构造。
全文摘要
本发明提供一种适于作为供Ni钎焊的EGR冷却器部件的铁素体系不锈钢及使用该部件的EGR冷却器。使用以质量％计，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，此外根据需要，分别选择性地含有(a)合计4％以下范围的Mo、Cu、V及W的1种以上、(b)合计0.3％以下的范围的Ti、Al及Zr的1种以上、(c)合计5％以下范围的Ni及Co的1种以上、(d)0.2％以下范围的REM(稀土元素)及Ca的1种以上，剩余部分为Fe及不可避免的杂质的铁素体系不锈钢，得到具有通过Ni钎焊接合的构造的EGR冷却器。
文档编号C22C38/58GK102471840SQ20098016062
公开日2012年5月23日 申请日期2009年7月27日 优先权日2009年7月27日
发明者中村定幸, 堀芳明, 奥学 申请人:日新制钢株式会社