汽車排氣系統用不銹鋼現狀及發展

1.汽車排氣系統的構成和使用的材料 
    汽車排氣系統從靠近發動機的方向開始,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。 
  1.1排氣歧管 
    排氣歧管是靠近發動機的部分,由于排出氣體的溫度高達900℃,因此要求材料具有良好的抗氧化性、高溫強度和熱疲勞特性。而且,為能進行復雜的形狀加工,還要求材料應具有良好的成形性。采用不銹鋼制作的排氣歧管根據其構造的不同,可以分為兩類。一類是將鋼板沖壓后焊接而成,另一類是將鋼管彎曲后焊接而成,對于后者,還有的使用雙重管構造的鋼管。 
    用作排氣歧管的不銹鋼有奧氏體系不銹鋼和鐵素體系不銹鋼等兩種。奧氏體系不銹鋼具有良好的高溫強度,但由于容易發生氧化皮剝落,因此在抗氧化性方面不如鐵素體系不銹鋼。作為使用的鋼種有SUS304(18Cr-8Ni)和SUS XM15J1(18Cr-13Ni-4Si)。另一方面,鐵素體系不銹鋼雖然抗氧化性好,但高溫強度不如奧氏體系不銹鋼。由于熱膨脹系數小,因此在熱疲勞特性方面有利。作為使用鋼種有SUH409L(11Cr-Ti-LC)和SUS430J1L(18Cr-0.5Cu-Nb-LC,N),但近年來隨著廢氣排放規定的強化,排氣溫度呈高溫化的趨勢,據說有的高達950℃。在這種情況下,可以使用SUS444(19Cr-2Mo)系不銹鋼。另外,作為降低成本的材料,還有的使用了降低Cr量的SUS429(15Cr)系不銹鋼。采用雙重管的排氣歧管通常是內管使用奧氏體系不銹鋼,外管使用鐵素體系不銹鋼。 
  1.2前管 
    前管使用的材料有SHU409L、SUS436L(17Cr-1Mo-LC,N),SUS430J1L等鐵素體系不銹鋼,但在采用中空雙重時,還有的使用奧氏體系不銹鋼作內管。 
    作為今后的發展趨勢,低成本、抗氧化性和熱疲勞特性好的鐵素體系不銹鋼毫無疑問將成為主流。尤其是,由于排氣溫度的高溫化和管子的薄壁化,可以認為將采用高溫性能更好的鋼種,如SUS429級。 
  1.3撓性管 
    撓性管由蛇腹狀的雙重管和用不銹鋼鋼絲網將其包裹起來的外編帶構成。從使用性能來看,要求具有高溫疲勞性,為了做成蛇腹形狀,還要求它具有加工性。尤其是,在寒冷地區為防止道路凍結使用了化雪鹽,因此要求管的外側還應具有耐高溫鹽害腐蝕性。 
    使用的材料主要是SUS304。但是,由于在寒冷地區為防止道路凍結使用了化雪鹽,要求管的外側還應具有耐高溫鹽害腐蝕性,因此使用了添加Si、增加Ni添加量的耐高溫鹽害腐蝕性能更高的SUS XM15J1。最近,開始已使用SUS316L(18Cr-12Ni-2.5No-LC),其價格比SUS XM15J1更便宜,抗晶界腐蝕性比SUS304更高。 
  1.4催化轉換器(催化載體和催化轉換器外殼) 
    為減少汽車排出的廢氣對空氣的污染,安裝了被稱作“催化轉換器”的排氣凈化系統。催化轉換器安裝在排氣歧管下面或底盤下面等,因此要能夠經受住高溫和振動等苛刻條件的考驗。對于催化載體,在使用了鐵素體系不銹鋼箔材制作的金屬載體。使用鐵素體系不銹鋼箔材的原因是它的熱沖擊特性小且熱容量小的緣故。金屬載體由采用不銹鋼鋼箔制作的蜂窩狀型芯和采用不銹鋼鋼板制作的外殼構成。蜂巢上的型芯是把平箔材和波浪狀箔材卷起后通過釬焊等焊接結合而成的。外殼要求具有高溫強度、耐高溫鹽害性加工性。 
    對于箔材的要求 是抗氧化性要好,因此使用了Fe-Cr-Al系鐵素體不銹鋼。具有代表性的鋼種是Fe-20Cr-5Al合金。為提高氧化皮膜的密封性,還有的添加了少量Hf、Y、Ce等稀土類金屬元素(REM)。今后對抗氧化性的要求將會進一步提高。 
    對于催化轉換器的外殼,大部分是使用SUS430(17Cr)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。 
  1.5中心管 
    中心管所用的材料,以前是采用熱浸鍍鋁鋼板,由于對管的內外面采取了防濕氣腐蝕的措施,因此不銹鋼的使用量劇增,主要是使用SUS410(13Cr)系不銹鋼、SHU409L和SUS430系不銹鋼。 
  1.6主消音器 
    目前主消音器用材料主要是SUS436L,但為了降低成本,減少Mo的SUS432系不銹鋼(17Cr-0.5Mo)的使用量正在增加。對于外殼和末端板等,從美觀和防腐蝕措施來看,還有的使用鍍鋁不銹鋼。 
  1.7末端管 
    由于末端管的使用溫度低,因此從材料的性能來看,使用鍍鋁鋼板就可以了,但是,從圖案性的方面來看,有的使用SUS409L和SUS430系等高純度鐵素體系不銹鋼,有的則使用奧氏體系的SUS304不銹鋼。在對圖案有特別要求的情況下,還有的使用鍍Cr不銹鋼鋼管或熱浸鍍鋁不銹鋼鋼管。 

2.汽車排氣系統用材料的演變及今后的發展趨勢 
  2.1排氣歧管 
    以往,汽車排氣歧管使用的氏球墨鑄鐵,但隨著發動機性能的提高,排氣溫度會上升,且由于對減輕零部件重量的需要,因此不銹鋼的使用量正不斷增加。 
    排氣歧管所用的不銹鋼有奧氏體系不銹鋼和鐵素體系不銹鋼。奧氏體系不銹鋼的高溫強度好,但容易發生氧化皮剝落,因此在抗氧化性方面不如鐵素體系不銹鋼。另一方面,鐵素體系不銹鋼的抗氧化性好,但高溫強度不如奧氏體系不銹鋼。熱膨脹系數小的鐵素體系不銹鋼在熱疲勞特性方面是有利的。因此,鐵素體系不銹鋼鋼種主要可用作排氣歧管。 
    初期為適應排氣溫度為800℃左右的需要,使用的是YUS409D(11Cr-TI)。其后,由于排氣規定的強化,為適應排氣溫度的升高,采用了高溫特性好、添加19%Cr-Nb的YUS180(19Cr-Nb)。再后來,由于在高溫特性的基礎上又對經濟性提出了要求,于是開發了優化成分的YUS450-MS(14Cr-0.5Mo-Nb-Ti)。另一方面,近年來隨著排氣規定的強化,排氣溫度變得更高,如果達到950℃,以往的材料就無法適應,因此開發了增加Cr和Nb添加量、再添加Mo,以此提高抗氧化性和高溫強度的YUS190-EM(19Cr-2Mo-Nb-Ti)。 
    新日鐵生產的排氣歧管材料(YUS450-MS和YUS190-EM)的特征在于Nb-Ti的混合添加。由此可以提高高溫特性,尤其是可以提高熱疲勞特性。 
    根據合金元素對鐵素體系不銹鋼在950℃時0.2%屈服強度的影響可知,Nb、Mo、W和Ta有助于提高屈服強度,尤其是添加少量的Nb,效果更好。另外,Mo和Nb在固溶狀態下有助于高溫強度化。但是,Nb在高溫下長時間使用過程中會析出碳化物和萊夫斯相,固溶Nb會隨著時間推移而下降,高溫強度也會下降。因此,為抑制這種固溶Nb量的下降造成高溫強度下的下降,研究了Nb-Ti混合添加的作用。根據Nb單獨添加鋼和Nb-Ti混合添加鋼在900℃時的0.2%屈服強度隨900℃時效變化的曲線可知,Nb-Ti混合添加鋼伴隨時效的強度下降小。這是由于添加Ti可抑制粗大Nb碳化物(M6C)析出的緣故。 
    具有高溫強度的14Cr系Nb單獨添加鋼和Nb-Ti混合添加鋼在約束率變化后熱疲勞試驗的結果表明,在100%約束的情況下,Nb-Ti混合添加鋼有時高溫強度低,熱疲勞壽命比Nb單獨添加鋼的短。但是,當約束為50%時,Nb-Ti混合添加鋼的熱疲勞壽命會大大延長,超過Nb單獨添加鋼的熱疲勞壽命。可以認為這是由于當約束率降低時,熱疲勞強度在總體上會提高,由于延長在高溫下的保持時間,如果是在采用上述Nb-Ti混合添加鋼,它能通過添加Ti抑制Nb碳化物的析出,使高溫下熱疲勞強度下降變小的緣故。 
    實際汽車排氣系統零部件材料會因周圍部件的影響而在約束狀態下承受反復的熱滯后,所以其熱疲勞特性是很重要的,但在實際中是無法獲得100%約束率,因此在約束率低的情況下Nb-Ti混合添加對提高熱疲勞特性非常有效。 
    作為今后的發展趨勢是,排氣溫度將繼續升高,因此需要高溫度和熱疲勞特性更好的材料。另外,由于排氣歧管具有復雜的形狀,因此希望提高成形性,使加工變得更加容易。 
  2.2主消音器 
    各種不銹鋼耐冷凝水腐蝕性的比較結果表明,在有鹽化物共存的條件下,容易發生點腐蝕。為抑制在這種環境下發生點腐蝕,有效的辦法是添加Cr和Mo,基于這一點考慮,目前正在加快材料的開發。 
    作為內外面都處于嚴酷腐蝕環境下的主消音器用材料,以往使用的是熱浸鍍鋁鋼板和SUS410L及YUS409D,但目前正采用耐蝕性更高的不銹鋼予以替代。最初采用的是高Cr、耐蝕性好的YUS180和減少Si含量、提高加工性的YUS180S。 
    其后,隨著實際消音器用材料在腐蝕環境下評價的發展,提出了各種與之相應的不銹鋼評價試驗法。新日鐵提出了半浸漬加熱循環試驗法(下稱NSC試驗法)。采用這種方法能對接近實際環境下的消音器用材料耐蝕性進行評價。結果可知,添加Cr和Mo能有效地抑制不銹鋼在冷凝液中發生局部腐蝕,于是開發了YUS436S(17Cr-1.2Mo-Ti)。該鋼的特征是通過優化Cr和Mo的添加量,抑制了決定消音器壽命的點腐蝕的發生和擴大,另外為固定碳化物,不選擇添加Nb,而是選擇添加Ti,因此采用高效率的普通鋼生產工序(采用串列式軋機冷軋-連續退火-酸洗)就能生產出。目前,YUS436S正被廣泛用作排氣系統用零部件。 
    最近,由于降低成本的需要,正重新看待實際消音器的腐蝕環境,隨之液正在進行相應的材料選擇,有的已開始使用YUS432(17Cr-0.5Mo-Ti)。 
    出于美觀和防腐的需要,有的外殼或末端板采取鍍鋁處理。可使用YUS409D、YUS436S和YUS432等鍍鋁鋼板(NSAIYUS409D、NSAIYUS436S、NSAIYUS432)。 
3.結束語 
    本文就汽車排氣系統用不銹鋼零部件的發展概況進行了介紹。可以預測被稱作新一代汽車革命的燃料電池汽車的普及尚需一段時間,因此目前的內燃式汽車仍占主要地位。在這種情況下,凈化汽車排出的廢氣、減輕車身重量、降低燃料費、保護環境毫無疑問是汽車廠家理應承擔的社會使命。為完成這一使命,汽車廠家對生產汽車用原材料特性的要求必將越來越高。雖然可以說汽車排氣系統的不銹鋼化已基本實現,但今后將采用性能更高且價格更低的材料。另外,兩輪摩托車排氣系統的不銹鋼化今后也將進一步發展。(來源:中國廢舊物資網) 

[2007/1/9]

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