汽車排氣系統不銹鋼材料的應用

楊偉東 宣奇才

【摘 要】為了開發低成本的汽車排氣系統用鐵素體不銹鋼，合金成分設計及其對耐蝕性能、高溫力學性能的影響研究是十分必要的，本文針對以上關鍵問題進行了系統研究和分析。研究結果表明，汽車排氣系統失效的典型形式是點蝕，Cr當量是保障不銹鋼具有良好耐蝕性能的前提，而Nb的添加，可以在高溫力學性能、抗凝結液腐蝕性能、抗晶間腐蝕等多方面進一步彰顯其優勢。在設計時，平衡性能與成本的要素，靈活選用的不銹鋼材料，既能取得良好的經濟效益，又能為輕量化做出貢獻。

【關鍵詞】汽車排氣系統；不銹鋼材料；應用

引言

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。汽車排氣系統結構，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。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。

1、汽車排氣系統

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，排氣系統關系到整車的動力、排放、振動噪聲、舒適度等性能。汽車排氣系統從靠近發動機的方向開始，依次由排氣歧管、前管、撓性管、催化轉換器、中心管、主消音器和末端管等7個零部件構成。根據車種的不同，有的安裝了數個催化轉換器，有的安裝了副消音器。汽車排氣系統不同部位的工作環境不同，所需要的材料也有不同的性能要求，如高溫端的排氣歧管主要要求高溫下的穩定性、抗高溫氧化、冷熱疲勞及良好的加工性能；而在中溫段的中心管主要要求有耐高溫鹽腐蝕性能和良好的成形性、焊接性；排氣系統尾部不但要求能夠承受內部凝結液腐蝕、晶間腐蝕，外部還要具有耐鹽霧腐蝕性能和良好的焊接性。鐵素體不銹鋼大約占據了美國鋼鐵協會400系列不銹鋼種類的一半。這些鋼種Cr含量在10%-30%之間，并含有一些其他合金元素，特別是Mo。歐洲和日本開發了大量低Cr和中高Cr系列鐵素體不銹鋼，并廣泛應用于汽車排氣系統，不銹鋼用量已近100%。主要生產廠以JFE、NSC、NSSC、POSCO及Arcelor等為代表，國內主要廠商包括太鋼和寶鋼。其中，低Cr系列如409L等，中Cr系列則有SUS429、SUS432L、SUS439L、SUS436L、SUS441等。409系列的低Cr鐵素體不銹鋼，因為兼具經濟性和實用性的優點，使用量約占整個汽車排氣系統材料市場的50%-60%；中Cr鐵素體不銹鋼系列，特別是添加了合金元素Mo的436L等，耐蝕性得到進一步提高。但是由于436含有超過1%的Mo，價格較高，有的廠商在主消聲器下端用436材料，而上端用價格稍微低廉的439材料。

2、汽車排氣系統材料

2.1、排氣歧管

排氣歧管通過鋼片密封墊與發動機相連，是排氣系統中承受溫度最高的部件，汽車高速行駛時排氣歧管溫度高達1000℃。以往采用鑄鐵制作；隨著汽車輕量化的要求，現在主流汽車歧管管道采用厚度2.0mm且抗氧化和抗熱疲勞的不銹鋼管，并在鐵素體不銹鋼中加Nb和Mo來改善熱疲勞特性，進一步提高抗氧化及在使用環境中其材料組織的穩定性。如果汽車歧管中排溫過高，建議使用Ni基合金和奧氏體不銹鋼制作排氣歧管。排氣歧管現主要推薦使用SUS441和SUS444等高性能鋼材。

2.2、波紋管總成

波紋管總成位于排氣歧管與催化器之間，其功能是緩解發動機的振動，具備抗高溫疲勞耐久性，抗腐蝕性能；其形狀為波紋狀，常見結構為三層，波紋壁厚0.15mm～0.2mm，從內向外依次為：內襯管（纏繞管）、波紋管和不銹鋼網或帶，汽車上因控制的NVH性能需要，在波紋管兩側設計避免波紋管總成與排氣系統共振的網狀套，所以，也有4～5層結構的波紋管總成。因波紋管在制作時需要在厚度僅為0.2mm的不銹鋼管上進行焊接及大變形量的鼓凸加工，所以通常采用奧氏體不繡鋼，汽車“三包”后，SUS304是常用的材料，如需要更好的耐久性能，推薦用SUS321或SUS316Ti等。

3、鐵素體不銹鋼的性能及服役壽命

3.1、Cr當量（Cr+3Mo）對鐵素體不銹鋼耐蝕性能的影響

鐵素體不銹鋼在大多情況下均能保持良好的耐腐蝕性能，但前提是必須保證鋼中有足夠的固溶Cr。因此，研究了Cr當量與鐵素體不銹鋼的耐蝕性能關系。在汽車消音器模擬冷凝液中鐵素體不銹鋼的腐蝕是典型的點蝕，研究結果表明，隨Cr當量的增加，鐵素體不銹鋼的表面蝕孔的數量逐漸減少。當Cr當量小于14%時，樣品表面存在明顯的點蝕坑；當Cr當量大于19%時，數量多而且深的點蝕坑逐漸過渡成大面積、數量和深度顯著減少的腐蝕形貌。隨著Cr當量提高，樣品表面的腐蝕坑數量和尺寸逐漸減少。研究結果表明，隨著Cr當量的增加，鐵素體不銹鋼的耐冷凝液點蝕的性能提高，從而可以有效抑制其在冷凝液環境中的局部腐蝕的發生，延長消聲器及尾管等汽車排氣系統中低溫端材料的腐蝕失效。

3.2、耐蝕性能和服役壽命預測

為了研究Nb含量對409系不銹鋼的耐蝕性能，Mazda循環腐蝕試驗的方法被采用，并經Gumbel分布統計方式，計算出不同周期循環試驗后樣品的最大點蝕深度，計算結果顯示，409Ti的點蝕坑最深（5周期0.588mm），而加入Nb的409Ti-0.15%Nb（5周期0.488mm）和409Ti-0.30%Nb（5周期0.453mm）不銹鋼則點蝕坑較淺，這說明Nb的加入，改善了不銹鋼的抗點蝕性能。實際中排氣系統使用的不銹鋼厚度為1.2mm或1mm，假設其銹坑為1mm時，排氣系統發生失效。擬合出三種不銹鋼失效時對應的使用壽命，結果表明，409Ti、409Ti-0.15%Nb和409Ti-0.30%Nb的壽命分別為1233h，1722h和1874h。壽命隨著Nb含量的增加而顯著增加，409Ti-0.15%Nb或409Ti-0.30%Nb的壽命比409Ti的壽命長約40%。這表明409Ti-Nb不銹鋼在冷凝物耐蝕性方面明顯優于409Ti不銹鋼，試驗結果也證實了Nb的添加，對鐵素體不銹鋼使用壽命的益處。

結語

汽車“三包”法規實施后，排氣系統為滿足法規要求，材料的防腐性能全面提升；實際應用中，可以根據排氣系統所處的位置，承擔的功能有區別的靈活的選擇材料，既能提高產品的性能，降低產成本，又能達到節能環保的要求，使汽車輕量化。

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（作者單位：精誠工科汽車系統有限公司底盤研究院工藝開發部）