奥氏体不锈钢在新能源汽车排气系统中高温抗氧化性能的基础研究

引言：

随着节能减排政策的深入推进，新能源汽车尤其是混合动力和燃料电池车型快速发展，对动力系统所用金属材料在高温和腐蚀环境下的服役性能提出了严苛要求。排气系统作为连接发动机与尾气净化模块的关键部位，需长期在 600～900^∘ C 的高温与含氧、含水汽及部分酸性成分气氛中工作。奥氏体不锈钢因其晶体结构稳定、元素扩散速度低、氧化膜致密连续等特点，成为新能源动力系统中高温部件的首选材料之一。相比铁素体和马氏体不锈钢，奥氏体钢在高温下更能保持优异的力学性能和抗腐蚀能力。本文选取典型奥氏体不锈钢（如 304、310S 等）作为研究对象，分析其在模拟排气系统服役环境中的高温抗氧化行为，并探讨其抗氧化膜的形成机制和稳定性。

1. 奥氏体不锈钢的材料组成与特性

奥氏体不锈钢是以奥氏体组织为主的高合金钢，典型合金元素包括 Cr（ 16%～25% ）、Ni（ 8%～20% ）及 Mo 、Si、Nb 等。高铬含量赋予其良好的抗氧化能力，镍的加入稳定奥氏体相结构，提高高温强度与延展性。

以 304 不锈钢为例，其常规成分为 18Cr-8Ni 型；而 310S 则在此基础上进一步提高 Cr 和 Ni 含量，使其在高温氧化条件下具备更优异的热稳定性和氧化膜形成能力。不同牌号的不锈钢在相近使用环境中表现出不同的抗氧化行为，主要受控于其表层氧化膜的厚度、成分及致密程度。

2. 高温抗氧化行为与机制分析

2.1 氧化膜形成过程

在高温氧化条件下，奥氏体不锈钢表面首先形成一层富 Cr 的氧化膜（ ：Cr₂O₃ ），其稳定性强、致密性高，是主要的抗氧化保护层。当氧分压较高或温度进一步升高时，Ni、Fe 等元素也会参与氧化反应，在Cr₂O₃ 表层生成 NiO 和 Fe₂O₃ 等复合氧化物层。研究表明，当 Cr 含量超过 18% 时，形成连续 Cr₂O₃ 层的能力大大增强，可有效抑制氧进一步向基体扩散。

2.2 温度对抗氧化性的影响

在 700～900^∘ ° C 范围内，奥氏体不锈钢表面氧化膜厚度随温度升高而快速增长。初期 （<20h） 氧化过程以界面反应控制为主，膜层均匀致密；随后则以扩散控制为主，膜层出现疏松区。以 310S 钢为例，在850^∘ C 连续氧化 100 h 后，氧化膜厚度达 10μm ，仍未出现穿透基体的剥落现象，说明其具备良好的高温抗氧化稳定性。

2.3 气氛因素的耦合效应

排气系统中的氧化气氛除氧气外，还含有水汽、 SO₂ 、 NO_x 等活性气体。水汽在高温下促使氧化膜微裂纹加速扩展，使 Cr₂O₃ 膜层更易剥落或分层； SO₂ 则可能与 Cr 形成挥发性 Cr0₃ ，破坏膜层连续性。因此，在含水汽或硫气氛中，奥氏体钢的抗氧化能力有所降低，但 310S 等高合金钢仍能保持较好稳定性。

3. 合金元素对抗氧化性能的影响

3.1 铬（Cr）

Cr 是 形 成 保 护 性 Cr₂O₃ 氧 化 膜 的 关 键 元 素。 当 Cr 含 量 在

16%～25% 之间时，其形成致密、附着力强的氧化膜效果最佳。Cr 含量不足将导致氧化膜不连续，降低抗氧化性能。

3.2 镍（Ni）

Ni 的加入稳定奥氏体相结构，减少热膨胀不均和氧化膜剥落风险。Ni 还可抑制Fe 氧化生成的疏松 Fe₂O₃ ，提高氧化膜的整体致密性。

3.3 硅（Si）与钼（Mo）

Si 有助于形成致密的 SiO₂ 薄膜，在高温下封堵氧化路径，提升整体氧化膜阻隔效果。 Mo 则能在高温硫化气氛中提供一定耐硫腐蚀能力，改善奥氏体钢在排气系统中长期服役的耐蚀性。

4. 高温服役性能与失效分析

奥氏体不锈钢在新能源汽车排气系统中服役时，常面临多种高温失效机制，其典型失效模式主要包括氧化膜剥落、晶间腐蚀以及热疲劳裂纹等。其中，氧化膜剥落是最常见的失效现象，主要由于长期高温暴露下的热应力、冷热循环作用或腐蚀介质侵蚀导致表层保护性 Cr₂O₃ 氧化膜脱落，致使基体金属暴露于恶劣环境中，加速氧化进程。晶间腐蚀通常出现在材料未充分固溶处理或碳含量偏高的情况下，沿晶界析出的Cr 碳化物造成局部贫铬区域，显著降低不锈钢的耐蚀能力。而在长期高温交变载荷作用下，奥氏体不锈钢还易产生热疲劳微裂纹，这些裂纹逐步扩展，最终引发结构破坏。针对上述失效问题，通过选用高稳定性的奥氏体不锈钢（如 310S、HR3C），优化焊接工艺和热处理参数，以及增加表面抗氧化涂层等技术措施，可显著提升材料在高温环境中的服役稳定性，延长排气系统的整体使用寿命。

结束语：

奥氏体不锈钢因其优异的高温抗氧化性能和良好的组织稳定性，成为新能源汽车排气系统中理想的关键材料之一。其在高温环境下的氧化行为主要受合金元素配比、氧化气氛及实际服役条件的综合影响，尤其是 Cr 和 Ni 含量的合理设计，对于实现抗氧化性与结构强度的协同提升至关重要。未来的研究应进一步聚焦于 Cr-Ni-Mn 系或低Ni 经济型奥氏体钢的开发，以在保障性能的前提下降低材料成本，同时构建多气氛耦合下的长期服役寿命预测模型，增强材料服役可靠性。此外，还需积极推进激光熔覆、陶瓷涂层等新型表面强化技术的工程化应用，以显著提升奥氏体不锈钢在极端高温工况下的抗氧化寿命与服役安全性。

参考文献：

[1] 刘玉龙，黄超 . 奥氏体不锈钢在高温环境中的抗氧化行为研究 [J]. 材料科学与工程学报，2022（06）： 87-91.

[2]王强. 不锈钢表面氧化膜的形成机理及其抗氧化性能分析[J].热处理技术与装备 ， 2021（11）： 33-37.

[3] 李建国. 高温合金材料在汽车排气系统中的应用进展[J]. 机械工程材料 ， 2023（04）： 21-25.

[4]GB/T 13305-2008《金属高温氧化试验方法》

[5]ASTM A240/A240M-22《奥氏体不锈钢板材技术标准》