汽车排气系统用不锈钢现状及发展

1.汽车排气系统的构成和使用的材料 
    汽车排气系统从靠近发动机的方向开始,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。 
  1.1排气歧管 
    排气歧管是靠近发动机的部分,由于排出气体的温度高达900℃,因此要求材料具有良好的抗氧化性、高温强度和热疲劳特性。而且,为能进行复杂的形状加工,还要求材料应具有良好的成形性。采用不锈钢制作的排气歧管根据其构造的不同,可以分为两类。一类是将钢板冲压后焊接而成,另一类是将钢管弯曲后焊接而成,对于后者,还有的使用双重管构造的钢管。 
    用作排气歧管的不锈钢有奥氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢等两种。奥氏体系不锈钢具有良好的高温强度,但由于容易发生氧化皮剥落,因此在抗氧化性方面不如铁素体系不锈钢。作为使用的钢种有SUS304(18Cr-8Ni)和SUS XM15J1(18Cr-13Ni-4Si)。另一方面,铁素体系不锈钢虽然抗氧化性好,但高温强度不如奥氏体系不锈钢。由于热膨胀系数小,因此在热疲劳特性方面有利。作为使用钢种有SUH409L(11Cr-Ti-LC)和SUS430J1L(18Cr-0.5Cu-Nb-LC,N),但近年来随着废气排放规定的强化,排气温度呈高温化的趋势,据说有的高达950℃。在这种情况下,可以使用SUS444(19Cr-2Mo)系不锈钢。另外,作为降低成本的材料,还有的使用了降低Cr量的SUS429(15Cr)系不锈钢。采用双重管的排气歧管通常是内管使用奥氏体系不锈钢,外管使用铁素体系不锈钢。 
  1.2前管 
    前管使用的材料有SHU409L、SUS436L(17Cr-1Mo-LC,N),SUS430J1L等铁素体系不锈钢,但在采用中空双重时,还有的使用奥氏体系不锈钢作内管。 
    作为今后的发展趋势,低成本、抗氧化性和热疲劳特性好的铁素体系不锈钢毫无疑问将成为主流。尤其是,由于排气温度的高温化和管子的薄壁化,可以认为将采用高温性能更好的钢种,如SUS429级。 
  1.3挠性管 
    挠性管由蛇腹状的双重管和用不锈钢钢丝网将其包裹起来的外编带构成。从使用性能来看,要求具有高温疲劳性,为了做成蛇腹形状,还要求它具有加工性。尤其是,在寒冷地区为防止道路冻结使用了化雪盐,因此要求管的外侧还应具有耐高温盐害腐蚀性。 
    使用的材料主要是SUS304。但是,由于在寒冷地区为防止道路冻结使用了化雪盐,要求管的外侧还应具有耐高温盐害腐蚀性,因此使用了添加Si、增加Ni添加量的耐高温盐害腐蚀性能更高的SUS XM15J1。最近,开始已使用SUS316L(18Cr-12Ni-2.5No-LC),其价格比SUS XM15J1更便宜,抗晶界腐蚀性比SUS304更高。 
  1.4催化转换器(催化载体和催化转换器外壳) 
    为减少汽车排出的废气对空气的污染,安装了被称作“催化转换器”的排气净化系统。催化转换器安装在排气歧管下面或底盘下面等,因此要能够经受住高温和振动等苛刻条件的考验。对于催化载体,在使用了铁素体系不锈钢箔材制作的金属载体。使用铁素体系不锈钢箔材的原因是它的热冲击特性小且热容量小的缘故。金属载体由采用不锈钢钢箔制作的蜂窝状型芯和采用不锈钢钢板制作的外壳构成。蜂巢上的型芯是把平箔材和波浪状箔材卷起后通过钎焊等焊接结合而成的。外壳要求具有高温强度、耐高温盐害性加工性。 
    对于箔材的要求 是抗氧化性要好,因此使用了Fe-Cr-Al系铁素体不锈钢。具有代表性的钢种是Fe-20Cr-5Al合金。为提高氧化皮膜的密封性,还有的添加了少量Hf、Y、Ce等稀土类金属元素(REM)。今后对抗氧化性的要求将会进一步提高。 
    对于催化转换器的外壳,大部分是使用SUS430(17Cr)系不锈钢,但随着排气温度的升高,目前还有的正在使用SUS430J1L或SUS429系等高温特性更好的铁素体系不锈钢。 
  1.5中心管 
    中心管所用的材料,以前是采用热浸镀铝钢板,由于对管的内外面采取了防湿气腐蚀的措施,因此不锈钢的使用量剧增,主要是使用SUS410(13Cr)系不锈钢、SHU409L和SUS430系不锈钢。 
  1.6主消音器 
    目前主消音器用材料主要是SUS436L,但为了降低成本,减少Mo的SUS432系不锈钢(17Cr-0.5Mo)的使用量正在增加。对于外壳和末端板等,从美观和防腐蚀措施来看,还有的使用镀铝不锈钢。 
  1.7末端管 
    由于末端管的使用温度低,因此从材料的性能来看,使用镀铝钢板就可以了,但是,从图案性的方面来看,有的使用SUS409L和SUS430系等高纯度铁素体系不锈钢,有的则使用奥氏体系的SUS304不锈钢。在对图案有特别要求的情况下,还有的使用镀Cr不锈钢钢管或热浸镀铝不锈钢钢管。 

2.汽车排气系统用材料的演变及今后的发展趋势 
  2.1排气歧管 
    以往,汽车排气歧管使用的氏球墨铸铁,但随着发动机性能的提高,排气温度会上升,且由于对减轻零部件重量的需要,因此不锈钢的使用量正不断增加。 
    排气歧管所用的不锈钢有奥氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢。奥氏体系不锈钢的高温强度好,但容易发生氧化皮剥落,因此在抗氧化性方面不如铁素体系不锈钢。另一方面,铁素体系不锈钢的抗氧化性好,但高温强度不如奥氏体系不锈钢。热膨胀系数小的铁素体系不锈钢在热疲劳特性方面是有利的。因此,铁素体系不锈钢钢种主要可用作排气歧管。 
    初期为适应排气温度为800℃左右的需要,使用的是YUS409D(11Cr-TI)。其后,由于排气规定的强化,为适应排气温度的升高,采用了高温特性好、添加19%Cr-Nb的YUS180(19Cr-Nb)。再后来,由于在高温特性的基础上又对经济性提出了要求,于是开发了优化成分的YUS450-MS(14Cr-0.5Mo-Nb-Ti)。另一方面,近年来随着排气规定的强化,排气温度变得更高,如果达到950℃,以往的材料就无法适应,因此开发了增加Cr和Nb添加量、再添加Mo,以此提高抗氧化性和高温强度的YUS190-EM(19Cr-2Mo-Nb-Ti)。 
    新日铁生产的排气歧管材料(YUS450-MS和YUS190-EM)的特征在于Nb-Ti的混合添加。由此可以提高高温特性,尤其是可以提高热疲劳特性。 
    根据合金元素对铁素体系不锈钢在950℃时0.2%屈服强度的影响可知,Nb、Mo、W和Ta有助于提高屈服强度,尤其是添加少量的Nb,效果更好。另外,Mo和Nb在固溶状态下有助于高温强度化。但是,Nb在高温下长时间使用过程中会析出碳化物和莱夫斯相,固溶Nb会随着时间推移而下降,高温强度也会下降。因此,为抑制这种固溶Nb量的下降造成高温强度下的下降,研究了Nb-Ti混合添加的作用。根据Nb单独添加钢和Nb-Ti混合添加钢在900℃时的0.2%屈服强度随900℃时效变化的曲线可知,Nb-Ti混合添加钢伴随时效的强度下降小。这是由于添加Ti可抑制粗大Nb碳化物(M6C)析出的缘故。 
    具有高温强度的14Cr系Nb单独添加钢和Nb-Ti混合添加钢在约束率变化后热疲劳试验的结果表明,在100%约束的情况下,Nb-Ti混合添加钢有时高温强度低,热疲劳寿命比Nb单独添加钢的短。但是,当约束为50%时,Nb-Ti混合添加钢的热疲劳寿命会大大延长,超过Nb单独添加钢的热疲劳寿命。可以认为这是由于当约束率降低时,热疲劳强度在总体上会提高,由于延长在高温下的保持时间,如果是在采用上述Nb-Ti混合添加钢,它能通过添加Ti抑制Nb碳化物的析出,使高温下热疲劳强度下降变小的缘故。 
    实际汽车排气系统零部件材料会因周围部件的影响而在约束状态下承受反复的热滞后,所以其热疲劳特性是很重要的,但在实际中是无法获得100%约束率,因此在约束率低的情况下Nb-Ti混合添加对提高热疲劳特性非常有效。 
    作为今后的发展趋势是,排气温度将继续升高,因此需要高温度和热疲劳特性更好的材料。另外,由于排气歧管具有复杂的形状,因此希望提高成形性,使加工变得更加容易。 
  2.2主消音器 
    各种不锈钢耐冷凝水腐蚀性的比较结果表明,在有盐化物共存的条件下,容易发生点腐蚀。为抑制在这种环境下发生点腐蚀,有效的办法是添加Cr和Mo,基于这一点考虑,目前正在加快材料的开发。 
    作为内外面都处于严酷腐蚀环境下的主消音器用材料,以往使用的是热浸镀铝钢板和SUS410L及YUS409D,但目前正采用耐蚀性更高的不锈钢予以替代。最初采用的是高Cr、耐蚀性好的YUS180和减少Si含量、提高加工性的YUS180S。 
    其后,随着实际消音器用材料在腐蚀环境下评价的发展,提出了各种与之相应的不锈钢评价试验法。新日铁提出了半浸渍加热循环试验法(下称NSC试验法)。采用这种方法能对接近实际环境下的消音器用材料耐蚀性进行评价。结果可知,添加Cr和Mo能有效地抑制不锈钢在冷凝液中发生局部腐蚀,于是开发了YUS436S(17Cr-1.2Mo-Ti)。该钢的特征是通过优化Cr和Mo的添加量,抑制了决定消音器寿命的点腐蚀的发生和扩大,另外为固定碳化物,不选择添加Nb,而是选择添加Ti,因此采用高效率的普通钢生产工序(采用串列式轧机冷轧-连续退火-酸洗)就能生产出。目前,YUS436S正被广泛用作排气系统用零部件。 
    最近,由于降低成本的需要,正重新看待实际消音器的腐蚀环境,随之液正在进行相应的材料选择,有的已开始使用YUS432(17Cr-0.5Mo-Ti)。 
    出于美观和防腐的需要,有的外壳或末端板采取镀铝处理。可使用YUS409D、YUS436S和YUS432等镀铝钢板(NSAIYUS409D、NSAIYUS436S、NSAIYUS432)。 
3.结束语 
    本文就汽车排气系统用不锈钢零部件的发展概况进行了介绍。可以预测被称作新一代汽车革命的燃料电池汽车的普及尚需一段时间,因此目前的内燃式汽车仍占主要地位。在这种情况下,净化汽车排出的废气、减轻车身重量、降低燃料费、保护环境毫无疑问是汽车厂家理应承担的社会使命。为完成这一使命,汽车厂家对生产汽车用原材料特性的要求必将越来越高。虽然可以说汽车排气系统的不锈钢化已基本实现,但今后将采用性能更高且价格更低的材料。另外,两轮摩托车排气系统的不锈钢化今后也将进一步发展。(来源:中国废旧物资网) 

[2007-1-9]

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