不銹鋼材料在排氣系統中的應用

白金成　程琳

摘 要：隨著環境的日益惡劣，汽車燃油經濟性和排放法規的升級，不銹鋼材料更多地用于汽車排氣系統零部件的設計。由于排氣系統中廢氣溫度較高且易形成熱氧化環境，廢氣中的冷凝液具有腐蝕性能，嚴重影響排氣系統的使用壽命。本文介紹了排氣系統構成及使用性能，列舉了排氣系統材料失效的幾種模式，確定了排氣系統各零部件的使用材料。

關鍵詞：排氣系統；不銹鋼材料；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.001

0 前言

隨著中國汽車工業的快速發展，對汽車用鋼的需求不斷增加，不銹鋼材料得到了廣泛的應用。

不銹鋼材料因其具有較高的耐熱特性、耐腐蝕特性和良好的延展性能，普遍應用于各種汽車零部件，如車身、底盤、排氣系統等。據數據顯示，近年來汽車不銹鋼材料的使用量呈遞增趨勢。不銹鋼材料最開始主要應用在汽車裝飾件上，因其具有良好的外觀而得到了廣泛運用；相較于其他零部件，排氣系統用材料更注重性能。本文論述了排氣系統構成及材料性能，探討了排氣系統用材料的腐蝕特性，并對排氣系統各零部件材料現狀進行了說明。

1 排氣系統構成及性能要求

排氣系統主要由排氣歧管、排氣管、軟連接、催化轉化器和消聲器等組成，不同零部件對使用材料具有不同的性能要求。排氣系統按溫度高低可以分為熱端和冷端，其中熱端部分溫度在700℃到900℃左右，主要以高溫氧化、高溫鹽損和高溫疲勞失效為主；冷端部分溫度在100℃到600℃左右，主要以冷凝液腐蝕失效為主。

近年來，歐洲和日本開發了大量汽車排氣系統用低鉻和中高鉻系列的鐵素體不銹鋼，生產企業以JFE、NSS、NSSC、POSCO及ARCELOR為主。根據排氣系統的使用性能及環境溫度進行分類，熱端部分主要使用中高溫鋼種如SUS436L、SUS429、SUS441、SUS434等，冷端部分主要使用中低溫鋼種如SUH409L、SUS439L、SUS432L等。

2 汽車排氣系統腐蝕失效形式分析

2.1 高溫氧化和高溫熱疲勞

高溫氧化和高溫熱疲勞是指材料在高溫條件下，其表面氧化并形成微裂紋直至產生局部脫落，造成零部件破壞。熱疲勞開裂與循環溫差、零部件表面缺陷狀態有關，循環溫差越大、表面缺陷越尖銳，越易發生熱疲勞失效。表面氧化、熱疲勞開裂及剝落現象的產生，一般隨循環上限溫度的增高而加劇。

2.2 高溫鹽蝕

高溫鹽蝕一般是由于空氣中含鹽量較高或因融雪鹽作用于高溫零部件，從而導致的一種表面腐蝕失效方式。高溫鹽蝕主要是由高溫氧化引起的，因鋼材結晶形成氧擴散通道，呈現為晶界氧化形態。腐蝕環境中的鈉離子與晶界附近的Cr2O3反應，變成水溶性的Na2CrO4，從而導致了零部件的腐蝕失效。

2.3 冷凝液腐蝕

在汽車排氣系統消聲器中，尾氣中的水分冷凝產生冷凝液，含有NH4+、CO32-、SO32-、 SO42-和Cl-等離子，其中SO32-， SO42-和Cl-等腐蝕性離子使消聲器表面產生均勻腐蝕和點蝕，進而導致消聲器失效。

2.4 晶間腐蝕

晶間腐蝕是汽車排氣系統零部件的失效方式之一，主要發生在管件及不同零部件結合的焊接部位。低鉻鐵素體不銹鋼由于其基體的鉻含量較低，當冶煉時不銹鋼的碳含量不能達到足夠低的程度，這些焊接部位在冷凝液作用下就會發生焊縫的晶間腐蝕行為，導致零部件失效。

3 汽車排氣系統材料選擇

3.1 排氣歧管

排氣歧管安裝在發動機上，其作用是將各氣缸的廢氣導向到排氣系統。排氣溫度高達900°C或者更高，這就要求排氣歧管具有優異的抗氧化、高溫強度、和熱疲勞特性。因排氣歧管具有復雜的形狀，材料必須具有優良的成形能力。按照制造方法，排氣歧管用不銹鋼分為兩種：一種是通過壓力成型和焊接，另一種是通過鈑金彎型并焊接。排氣歧管不銹鋼材料主要為奧氏體不銹鋼（SUS304、SUS XM15J1）和鐵素體不銹鋼（SUH409L、SUS430J1L）。作為更嚴格的法規要求，排氣溫度達到了950℃左右，在這種情形下，SUS444系列被使用；低鉻的SUS429系列可以作為低成本材料使用。

3.2 前排氣管

前排氣管位于排氣歧管與軟連接之間，要求最小化熱輻射和阻止排氣溫度降低以此來阻止下游的催化轉化器催化活性降低，同時還具備降低噪聲的作用。基于上述原因，薄壁雙層管逐漸代替了傳統的單層管結構，要求具有耐氧化及熱疲勞性能優異的鐵素體不銹鋼材料，材料牌號主要為SUH409L、SUS436L和SUS430J1L。

3.3 軟連接

軟連接置于一級催化轉化器與二級催化轉化器之間，主要用來防止發動機將振動傳遞到排氣系統。軟連接一般為波紋狀，主要由蛇腹狀的雙重管和用不繡鋼鋼絲網編織而成。從使用性能來看，要求具有高溫疲勞性；同時因其形狀為蛇腹狀，還要具有良好的加工性。軟連接使用材料主要為SUS304，為適應寒冷地區工況還開發了具有耐高溫鹽蝕性更高的SUS XM15J1材料。最近已開始使用SUS316L，其價格比SUS XM15J1更便宜，抗晶界腐蝕性比 SUS304 更高。

3.4 催化轉化器殼體

催化轉化器一般安裝在排氣歧管后，能起到對汽車排出廢氣凈化的作用。因其連接渦輪增壓器，常要經受高溫和振動等惡劣條件，催化轉化器通常要求具有高強度、耐高溫鹽害加工性。對于催化轉換器外殼，大部分使用SUS430系不銹鋼，但隨著排氣溫度的升高，目前還有的正在使用SUS430J1L或SUS429系等高溫特性更好的鐵素體系不銹鋼。為提高氧化皮膜的密封性，還有的添加了少量稀土類金屬元素，今后對抗氧化性的要求將會進一步提高。

3.5 消聲器

消聲器的主要作用是吸收和降低廢氣噪聲，主要由外部殼體和內部管路、隔板、端蓋等組成。當汽車短距離行駛時，消聲器內部會產生冷凝液，這種冷凝液中含有NH4+、CO32-，SO42-，C1-等會導致腐蝕問題的發生。現階段，消聲器主要使用SUS436L或SUS432，對于外殼和端板，從美觀和防蝕措施考慮，有的也使用鍍鋁不銹鋼。

4 結論

隨著汽車市場競爭日趨激烈，汽車廠家對不銹鋼材料特性的要求也將越來越高。因此，需從使用壽命、加工性能、焊接性能及成本方面綜合考慮，推出適合現階段汽車排氣系統用材料，以適應快速發展的中國汽車工業對不銹鋼材料的需求。

作者簡介：白金成（1989-），男，黑龍江五常人，研究方向：排氣系統設計開發。