商用车SCR系统用不锈钢的腐蚀性研究

李明轩，尚成嘉

（1.北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083；2.北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083）

0 引言

随着人们对环保的呼声越来越高，对汽车尾气排放的限制也越来越严格。对于使用柴油机的商用车来说，氮氧化物尾气净化系统已经成为了必须的配置。作为净化尾气最有效的系统之一，选择性催化还原系统（SCR）被越来越广泛地应用在商用车上。SCR系统的工作原理是通过尿素在高温下分解形成氨气并与尾气中的NOx反应来达到净化尾气的效果，如反应方程式1～6所示。

在SCR系统中，尿素会形成氨气和氰酸等副产物。因此，在工作过程中，SCR系统的材料不仅受到尿素分解产物的腐蚀，同时还会受到高温的汽车尾气循环加热导致的高温疲劳作用，二者的共同腐蚀作用不可忽视。由于汽车排气系统复杂的工作环境，通常使用不锈钢材料来满足其严苛的要求。奥氏体不锈钢曾被广泛地应用在汽车排气系统中，但其价格较高，不利于成本控制。大量研究表明，铁素体不锈钢也有着优良的性能，Ti、Nb、Mo等合金元素的加入赋予了铁素体不锈钢更好的耐腐蚀能力和高温性能。

以下主要研究SCR系统中的不锈钢的尿素腐蚀行为，对比了几种常用的不锈钢材料（T436L、T439M、T441铁素体不锈钢和T304奥氏体不锈钢）的耐腐蚀能力，并探究了其腐蚀机理，为SCR系统的优化选材提供理论基础。

1 试验材料及方法

为了通过模拟试验来研究SCR系统的腐蚀行为，采用了4种常用的不锈钢材料，其化学成分如表1所示。试样尺寸为15 mm×100 mm×1.5 mm。试验前，试样用丙酮清洗干净，并吹干。

表1 不锈钢材料的化学成分Table 1 The chemical composition of stainless steel materials

通过实验室搭建设备（如图1所示）来模拟实际SCR系统的工作环境，设备由电源、变压器、PLC（可编程逻辑控制器）控制终端、样品台、蠕动泵和尿素罐组成。

图1 实验装置Figure 1 The experimental equipment

试验中试样的两端被夹在两个电极上，通过焦耳效应进行循环加热，热电偶直接焊接在样品上，通过PLC来设置温度，尿素溶液通过蠕动泵控制滴在样品上，调整流速保证尿素能充分分解。根据实际的工作环境，为了保证尿素的充分分解，加热温度范围被设定在350～600℃。从温度设定上可以看出，实验环境要比实际的工作环境更加苛刻，目的是为了在短时间内得到明显的腐蚀效果。

2 试验结果与讨论

2.1 腐蚀形貌表征

在200 h试验结束后，通过扫描电子显微镜（SEM）对试样表面进行观察，试样表面氧化产物的SEM图像见图2。

图2 四种不锈钢试样表面氧化产物的SEM图像Figure 2 SEM images of oxidation products on four kinds of stainless steel samples

由图2可见，试验后试样表面受到严重的氧化腐蚀。奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的氧化层形貌有明显的不同，T304的氧化产物为层状的氧化物，并且在表面可以看到明显的裂纹，这容易导致氧化层的开裂和脱落；而铁素体不锈钢的氧化产物则厚度更加均匀，表面多孔，但T436L不锈钢试样表面的氧化产物非常均匀致密。

通过X射线衍射（XRD）对氧化产物的化学成分进行测定，结果如图3所示。由图3可以看出，4种不锈钢试样氧化产物的成分基本一致，腐蚀产物大部分为Fe和Cr的氧化物。

图3 4种不锈钢试样氧化产物的XRD分析Figure 3 XRD analysis of oxidation products of four kinds of stainless steel samples

随后，将试样切开并对其横截面进行观察。图4为光学显微镜下T304试样的横截面形貌。腐蚀区域主要分为氧化层和内部腐蚀，而根据腐蚀形貌断定，内部腐蚀主要为晶内腐蚀和晶间腐蚀。

图 4 光学显微镜下T304试样的横截面形貌Figure 4 The cross-section morphology of T304 sample under optical microscope

2.2 抗腐蚀性能对比

在试验过程中，由于氧化层的剥落，试样会随着腐蚀变得越来越薄。因此，试验前后需要分别测量试样的厚度以计算出腐蚀过程中试样氧化层的剥落厚度。另外，通过显微镜下试样横截面的腐蚀形貌可以分别测得尿素喷洒中心区域氧化层的厚度以及内部腐蚀区域的深度，通过腐蚀深度的对比来评价不同不锈钢试样的耐腐蚀能力，腐蚀深度统计如图5所示。由图5可以看出，T436L和T441表现出最强的耐腐蚀能力。Mo（钼）对提高T436L的耐腐蚀能力起着不可忽略的作用，研究表明，Mo可以通过抑制氧的扩散并且提高反应激活能来提高抗氧化能力。另一方面，Nb（铌）可以在氧化层和金属基体界面处形成拉夫斯相，阻止阳离子扩散到氧化层，同时也抑制了氧离子进入不锈钢中。因此，T441不锈钢的优良性能可以归因于其较高的Nb含量。

图5 试验后试样腐蚀深度对比Figure 5 Comparison of corrosion depth among samples after test

另外，从图5中还可以看到，在整个腐蚀过程中氧化层的剥落几乎占据了80%的总腐蚀深度。因此，高温氧化作用在SCR系统腐蚀中占据主导地位，而随着氧化层剥落失去保护作用，尿素分解产物会进一步腐蚀不锈钢基体，导致腐蚀的加剧。可以看出，T304不锈钢的氧化层更加疏松，更加容易剥落。由于试验中热疲劳的温度波动，因此氧化层的剥落与不锈钢和氧化层的热膨胀率有关，热膨胀率差别越大，氧化层附着能力越低，而金属通常有着更高的热膨胀率，Fe和Cr的氧化物在350～600℃下的热膨胀率为12×10-6℃-1，而奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢在350～600℃下的热膨胀率分别为17.3×10-6℃-1和12×10-6℃-1，较高的热膨胀率导致奥氏体不锈钢的热疲劳性能较差。尿素分解形成的富氨环境导致渗氮效应的形成，其表现为内部腐蚀中的晶间腐蚀行为，晶间腐蚀导致晶界的贫铬而容易导致材料的开裂，但4种不锈钢试样内部腐蚀深度的差异不是很大。总体来说，适用于SCR系统的材料应该表现出较好的耐高温性能和抵抗氮化的能力。

3 结语

（1） SCR系统中材料的腐蚀主要为高温氧化和渗氮导致的晶间腐蚀和晶内腐蚀，其中高温氧化占据主导地位，热疲劳加剧了腐蚀的进程，导致严重的氧化层剥落。

（2） 4种不锈钢材料的耐腐蚀能力由大到小的顺序依次为T436L＞T441＞T439M＞T304，铁素体不锈钢的性能总体上要优于奥氏体不锈钢。对于SCR系统来说，使用的不锈钢材料需要具有较强的耐高温腐蚀能力和耐晶间腐蚀的能力。

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