汽车排气系统不锈钢材料的应用

杨伟东 宣奇才

【摘 要】为了开发低成本的汽车排气系统用铁素体不锈钢，合金成分设计及其对耐蚀性能、高温力学性能的影响研究是十分必要的，本文針对以上关键问题进行了系统研究和分析。研究结果表明，汽车排气系统失效的典型形式是点蚀，Cr当量是保障不锈钢具有良好耐蚀性能的前提，而Nb的添加，可以在高温力学性能、抗凝结液腐蚀性能、抗晶间腐蚀等多方面进一步彰显其优势。在设计时，平衡性能与成本的要素，灵活选用的不锈钢材料，既能取得良好的经济效益，又能为轻量化做出贡献。

【关键词】汽车排气系统；不锈钢材料；应用

引言

汽车排气系统位于车辆底部，连接发动机出气端与大气，主要作用是排放发动机产生的废气、净化废气、降低噪音。汽车排气系统结构，其主要零件包括支架、排气管、挠性节、中消音器、后消音器、吊钩、吊耳、尾管等。排气系统关系到整车的动力、排放、振动噪声、舒适度等性能。汽车排气系统的材料需要具有良好的机械性能、温度、制造工艺、耐腐蚀性等方面的要求。

1、汽车排气系统

汽车排气系统位于车辆底部，连接发动机出气端与大气，主要作用是排放发动机产生的废气、净化废气、降低噪音，排气系统关系到整车的动力、排放、振动噪声、舒适度等性能。汽车排气系统从靠近发动机的方向开始，依次由排气歧管、前管、挠性管、催化转换器、中心管、主消音器和末端管等7个零部件构成。根据车种的不同，有的安装了数个催化转换器，有的安装了副消音器。汽车排气系统不同部位的工作环境不同，所需要的材料也有不同的性能要求，如高温端的排气歧管主要要求高温下的稳定性、抗高温氧化、冷热疲劳及良好的加工性能；而在中温段的中心管主要要求有耐高温盐腐蚀性能和良好的成形性、焊接性；排气系统尾部不但要求能够承受内部凝结液腐蚀、晶间腐蚀，外部还要具有耐盐雾腐蚀性能和良好的焊接性。铁素体不锈钢大约占据了美国钢铁协会400系列不锈钢种类的一半。这些钢种Cr含量在10%-30%之间，并含有一些其他合金元素，特别是Mo。欧洲和日本开发了大量低Cr和中高Cr系列铁素体不锈钢，并广泛应用于汽车排气系统，不锈钢用量已近100%。主要生产厂以JFE、NSC、NSSC、POSCO及Arcelor等为代表，国内主要厂商包括太钢和宝钢。其中，低Cr系列如409L等，中Cr系列则有SUS429、SUS432L、SUS439L、SUS436L、SUS441等。409系列的低Cr铁素体不锈钢，因为兼具经济性和实用性的优点，使用量约占整个汽车排气系统材料市场的50%-60%；中Cr铁素体不锈钢系列，特别是添加了合金元素Mo的436L等，耐蚀性得到进一步提高。但是由于436含有超过1%的Mo，价格较高，有的厂商在主消声器下端用436材料，而上端用价格稍微低廉的439材料。

2、汽车排气系统材料

2.1、排气歧管

排气歧管通过钢片密封垫与发动机相连，是排气系统中承受温度最高的部件，汽车高速行驶时排气歧管温度高达1000℃。以往采用铸铁制作；随着汽车轻量化的要求，现在主流汽车歧管管道采用厚度2.0mm且抗氧化和抗热疲劳的不锈钢管，并在铁素体不锈钢中加Nb和Mo来改善热疲劳特性，进一步提高抗氧化及在使用环境中其材料组织的稳定性。如果汽车歧管中排温过高，建议使用Ni基合金和奥氏体不锈钢制作排气歧管。排气歧管现主要推荐使用SUS441和SUS444等高性能钢材。

2.2、波纹管总成

波纹管总成位于排气歧管与催化器之间，其功能是缓解发动机的振动，具备抗高温疲劳耐久性，抗腐蚀性能；其形状为波纹状，常见结构为三层，波纹壁厚0.15mm～0.2mm，从内向外依次为：内衬管（缠绕管）、波纹管和不锈钢网或带，汽车上因控制的NVH性能需要，在波纹管两侧设计避免波纹管总成与排气系统共振的网状套，所以，也有4～5层结构的波纹管总成。因波纹管在制作时需要在厚度仅为0.2mm的不锈钢管上进行焊接及大变形量的鼓凸加工，所以通常采用奥氏体不绣钢，汽车“三包”后，SUS304是常用的材料，如需要更好的耐久性能，推荐用SUS321或SUS316Ti等。

3、铁素体不锈钢的性能及服役寿命

3.1、Cr当量（Cr+3Mo）对铁素体不锈钢耐蚀性能的影响

铁素体不锈钢在大多情况下均能保持良好的耐腐蚀性能，但前提是必须保证钢中有足够的固溶Cr。因此，研究了Cr当量与铁素体不锈钢的耐蚀性能关系。在汽车消音器模拟冷凝液中铁素体不锈钢的腐蚀是典型的点蚀，研究结果表明，随Cr当量的增加，铁素体不锈钢的表面蚀孔的数量逐渐减少。当Cr当量小于14%时，样品表面存在明显的点蚀坑；当Cr当量大于19%时，数量多而且深的点蚀坑逐渐过渡成大面积、数量和深度显著减少的腐蚀形貌。随着Cr当量提高，样品表面的腐蚀坑数量和尺寸逐渐减少。研究结果表明，随着Cr当量的增加，铁素体不锈钢的耐冷凝液点蚀的性能提高，从而可以有效抑制其在冷凝液环境中的局部腐蚀的发生，延长消声器及尾管等汽车排气系统中低温端材料的腐蚀失效。

3.2、耐蚀性能和服役寿命预测

为了研究Nb含量对409系不锈钢的耐蚀性能，Mazda循环腐蚀试验的方法被采用，并经Gumbel分布统计方式，计算出不同周期循环试验后样品的最大点蚀深度，计算结果显示，409Ti的点蚀坑最深（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）不锈钢则点蚀坑较浅，这说明Nb的加入，改善了不锈钢的抗点蚀性能。实际中排气系统使用的不锈钢厚度为1.2mm或1mm，假设其锈坑为1mm时，排气系统发生失效。拟合出三种不锈钢失效时对应的使用寿命，结果表明，409Ti、409Ti-0.15%Nb和409Ti-0.30%Nb的寿命分别为1233h，1722h和1874h。寿命随着Nb含量的增加而显著增加，409Ti-0.15%Nb或409Ti-0.30%Nb的寿命比409Ti的寿命长约40%。这表明409Ti-Nb不锈钢在冷凝物耐蚀性方面明显优于409Ti不锈钢，试验结果也证实了Nb的添加，对铁素体不锈钢使用寿命的益处。

结语

汽车“三包”法规实施后，排气系统为满足法规要求，材料的防腐性能全面提升；实际应用中，可以根据排气系统所处的位置，承担的功能有区别的灵活的选择材料，既能提高产品的性能，降低产成本，又能达到节能环保的要求，使汽车轻量化。

参考文献：

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（作者单位：精诚工科汽车系统有限公司底盘研究院工艺开发部）