新型國產不銹鋼材料在汽車排氣系統中的應用

李博 王堂偉 劉湃 趙玉才 馬建軍

摘要：對汽車排氣系統及其主要零件的腐蝕問題進行了分析，包括腐蝕坑深度與冷凝液pH值、Cl－、SO2－4離子濃度的關系,并主要介紹了一種新型國產不銹鋼409材料在汽車排氣系統的應用。結果表明：該材料具有耐腐蝕性能良好、低成本的優點。

關鍵詞：汽車排氣系統；不銹鋼；耐腐蝕性能

中圖分類號：U469.9 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）02-0064-05

The Application of the New Local Stainless Steel on Automotive Exhaust System

LI Bo，WANG Tang-wei，LIU Pai，ZHAO Yu-cai，MA Jian-jun

（Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd，Shanghai 201201，China）

Abstract: The corrosion problem of automotive exhaust system and its component have been studied in this paper，included the relationship between corrosion depth and pH value，Cl－，SO42－ concentration of condensate.The application of the new local 409 stainless steel on automotive exhaust system has also been introduced.The results show that the new material has the advantage of good corrosion resistance performance and low cost.

Key words: exhaust system；stainless steel；corrosion performance

汽車排氣系統位于車輛底部，連接發動機出氣端與大氣，主要作用是排放發動機產生的廢氣、凈化廢氣、降低噪音。圖1所示為汽車排氣系統結構示意圖，其主要零件包括支架、排氣管、撓性節、中消音器、后消音器、吊鉤、吊耳、尾管等［1］。排氣系統關系到整車的動力、排放、振動噪聲、舒適度等性能。汽車排氣系統的材料需要具有良好的機械性能、溫度、制造工藝、耐腐蝕性等方面的要求。

汽車排氣系統工作環境惡劣，包括發動機及路面的激振以及氣體的高溫、氧化、腐蝕等。尤其對于排氣系統冷端，腐蝕成為最大的售后抱怨問題。因此，為了應對排氣系統惡劣的工作環境，必須使用性能穩定、耐腐蝕性能優良的不銹鋼原材料。表1［2］所示為現階段汽車排氣系統不同零件的工作溫度及常用材料［3］，由表1可見，目前排氣系統使用較多的是日本、韓國進口的409、439、436等材料，其中409材料相對于439、436耐腐蝕性能較差，但439、436材料成本相對較高，考慮A0級、A級車開發中面臨的成本壓力并不適合。可見，開發一種機械性能穩定、耐腐蝕性能良好、成本較低的不銹鋼材料，應用于汽車排氣系統，是目前整車企業十分關注的問題。

寶鋼集團開發的B409M是一種鐵素體不銹鋼材料，通過在SUH409L基礎上采用Nb、Ti雙穩定化處理，可以有效提高不銹鋼的耐腐蝕性能。表2所示為B409M、SUH409L、409DG三種不銹鋼材料的化學成分，可見B409M添加了Nb元素，添加Nb主要是為了提高不銹鋼的高溫強度［4］，但Nb在高溫使用過程中會通過形成Fe2Nb等析出［5］，導致高溫穩定性降低。研究表明，通過復合添加Nb和Ti可阻止MC碳化物的粗化，有效降低Nb在高溫環境中的析出，提高高溫穩定性,改善高溫使用性能。

本文首先在原材料級別對比了B409M與409DG的耐腐蝕性能，并將其用于汽車排氣系統實際產品上，對售后數據從整車級別分析了千輛車故障率（IPTV，incidents per thousand vehicle）。

1 B409M與SUH409L材料腐蝕分析

腐蝕現象本質上具有概率的特性，尤其是孔蝕、縫隙腐蝕以及應力腐蝕破裂等局部腐蝕。汽車消音器的壽命并不取決于腐蝕的平均程度，點腐蝕的最大深度才是消音器壽命的最重要標志，消音器不同部位的點蝕深度分布可按照極值（Gumbel）分布［6，7］進行分析,抽樣中最大點蝕深度的概率S（x）可表述如下：

S（x）=exp{-exp［（x-u）/b］}，-∞

式中：x為最大點蝕深度自變量；u為分布的位置參數，概率密度最大的點蝕深度；b為形狀參數，物理意義為點蝕深度的平均值。由一定周期加速腐蝕試驗中的各20個抽樣中的最大點蝕深度事件，可確定出S（x）函數，并依此確定實際消音器面積下的最大點蝕深度。

對排氣系統售后失效件分析研究表明，零件腐蝕的原因主要是：發動機廢氣在排氣系統冷端溫度降低液化形成冷凝液，含有氯離子、硫離子及硝酸根等成分，具有較強腐蝕性，造成零件從內部腐蝕甚至銹穿。圖2所示為排氣系統零件典型腐蝕表面。本文對4個地區（上海、南京、濟南、濰坊）排氣系統零件冷凝液進行采樣，分析了B409M與409DG兩種材料腐蝕深度與冷凝液pH值、Cl－離子、SO2－4離子濃度的關系。

1.1 腐蝕深度與冷凝水pH值的關系

為了分析溶液化學特性對排氣系統零件的腐蝕影響，圖3所示為4個地區兩種不銹鋼材料的消聲器殼體冷凝液pH值與腐蝕坑深度之間的關系。由圖3可見，冷凝液pH值與腐蝕深度之間無關聯性，分布較為隨機。但是與409DG相比，3個地區的pH值范圍內，B409M的數據點均多分布在腐蝕深度較小的區域。

1.2 腐蝕深度與冷凝液Cl－濃度的關系

對不銹鋼而言，Cl－離子的點蝕作用對其鈍化膜破壞的影響很大，通常被認為是消音器殼體腐蝕銹穿的主要原因。然而圖4表明冷凝水中Cl－離子濃度與腐蝕坑深度也未呈現關聯性；腐蝕深度未出現隨Cl－離子濃度升高而增大的情況，即使在Cl－離子濃度很低的情況下，也有腐蝕穿孔問題發生。

1.3 腐蝕深度與冷凝液SO2－4 濃度的關系

燃油中硫含量也是影響排氣系統環境腐蝕性的關鍵因素，由圖5可見，腐蝕冷凝液中SO2－4 濃度與腐蝕深度無關聯性，分布也較為隨機，但是與409DG相比，B409M在4個地區的數據點均多分布在腐蝕深度相對較小的區域。

由圖3~5圖可見，B409M、409DG兩種材料腐蝕坑深度并未與pH值、Cl－離子、SO2－4 濃度呈明顯數學關系，而是分布較為隨機，原因在于不同冷凝液樣本的腐蝕環境（如：汽油品質、駕駛習慣、車輛行駛里程、工況等）不同。但仍可見B409M材料的耐腐蝕性能明顯優于409DG。

2 不同材料汽車排氣系統售后數據分析

在分析比較了不銹鋼材料耐腐蝕性能的基礎上，本文將B409M不銹鋼材料應用于某汽車排氣系統，并比較了409DG、SUH409、B409M三種不銹鋼材料排氣系統的耐腐蝕性能。圖6所示分別為三種排氣系統的售后IPTV值。由圖6可見，2009年至今該車型使用B409M作為排氣系統材料，其IPTV值明顯降低，耐腐蝕性能明顯優于409DG以及 SUH409L兩種進口不銹鋼材料。

3 結果分析討論

本文在原材料級別以及汽車排氣系統實際產品上對比了B409M與409DG的耐腐蝕性能，可見B409M不銹鋼材料的汽車排氣系統具有耐腐蝕性能良好、低成本的優點，其原因主要有以下兩點：

（1）Ti＋Nb雙穩定化處理

圖7所示分別為寶鋼集團針對409不銹鋼中只添加Ti的單穩定化和409不銹鋼添加Nb、Ti的雙穩定化機理示意圖。

可見，在Ti單穩定狀態下，熱影響區的C元素向晶界擴散，伴隨著熱影響區的冷卻，Ti元素穩定了部分C元素形成TiC，還有部分C元素沒有被穩定而留在晶界區。由于排氣系統長期工作在高溫狀態下，當單穩定化的409不銹鋼再次達到高溫狀態，未被Ti元素穩定的C元素在晶界處與Cr元素結合生成Cr23C6，降低了晶界區Cr元素在鐵素體基體中的固溶量，導致晶界區耐蝕性惡化。而在Ti＋Nb雙穩定狀態下，熱影響冷卻后，在晶界區Ti和Nb元素較徹底的穩定了C元素形成TiC和NbC，即使不銹鋼再次達到高溫狀態，由于晶界區未被穩定的C元素極少，鐵素體固溶的Cr元素不會損失過多，故晶界區耐蝕性也不會惡化。

（2）優化的金相組織

圖8所示為三種不銹鋼材料金相組織，由此可見，由于含碳量、貴金屬Cr、Nb成份的不同，以及金相組織的均勻性和晶粒大小的影響，使B409M材料具有優良的耐腐蝕性能。

4 結 論

本文對汽車排氣系統及其主要零件的腐蝕問題進行了分析，主要包括腐蝕坑深度與冷凝液pH值、Cl－、SO2－4 離子濃度的關系。并比較了三種不同材料的耐腐蝕性能。其主要結論如下：

（1）B409M、409DG兩種不銹鋼材料的腐蝕坑深度并未與冷凝液pH值、Cl－離子、SO2－4 濃度呈明顯數學關系，而是分布較為隨機，原因在于不同冷凝液樣本的腐蝕環境不同。但B409M材料的耐腐蝕性能明顯優于409DG及SUH409L。

（2）應用B409M不銹鋼材料的汽車排氣系統具有耐腐蝕性能良好、低成本的優點，可以有效降低排氣系統IPTV值，解決排氣系統售后抱怨問題。

參考文獻：

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