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盖世汽车新材料:汽车排气系统用钢简介

2019-12-23
摘要:汽车的排气系统由哪几个部分组成?各部分工况有什么差别?用的钢铁材料都一样吗?让我们一起去了解一下吧!

  汽车的排气系统由哪几个部分组成?各部分工况有什么差别?用的钢铁材料都一样吗?让我们一起去了解一下吧!

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  一、汽车排气系统组成:

  汽车排气系统主要由排气歧管、前管、换流器、柔性管、中管、消音器和尾管组成。

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  二、用钢要求:

  排气系统上的零部件使用环境主要分为低温端(中管、消音器、尾管)和中高温端(前管、歧管)。低温端主要使用耐冷凝液腐蚀钢铁材料。高温端使用耐高温氧化、高温疲劳及高温盐蚀的钢铁材料为主。

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  三、汽车排气系统主要用铁素体不锈钢:

  铁素体不锈钢广泛应用于汽车尾气排放系统,目前主要使用低铬和中高铬系列的超纯铁素体不锈钢。在过去的30年中,欧洲和日本大量开发铁素体不锈钢并广泛应用于汽车尾气排放系统中,使汽车排气系统用不锈钢达到100%。目前,在日本和欧洲已经形成了低铬和中高铬系列的汽车排气系统用铁素体不锈钢。

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  汽车排放系统用铁素体不锈钢主要生产厂以宝钢、太钢、JFE、NSS、NSSC、POSCO 及 ARCELOR 等为代表。

  钢种包括两类,一类是低铬系列如SUH409L 等,还有一类是中铬系列如SUS429,SUS432L,SUS439L,SUS436L,SUS441 等。

  按照使用环境温度来说,其中用于低温——中温用不锈钢主要产品如SUH409L、SUS439L、SUS432L,SUS436L 等,用于中高温的钢种主要有SUS436L、SUS429、SUS441,SUS434 等。

  其中409系列的低铬铁素体不锈钢因为兼具经济性和实用性的优点,使用最为广泛,低铬的409 铁素体不锈钢使用量约占到全部汽车排气系统使用量的50~60%左右。

  中铬的铁素体不锈钢系列特别是添加了耐腐蚀合金 Mo 的 SUS436L 等不锈钢耐蚀性进一步提高。中铬的 SUS439 不锈钢因为具有比 409L 更好的耐腐蚀性能及比 436L 更低的制造成本,更受到主机厂青睐。

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  四、选材不当容易出现的问题:

  汽车排气系统零部件涵盖了包括从高温岐管到低温尾管等主要部件。排气歧管和前管使用部位靠近引擎的高温部,使用温度区间在700~900℃,所要求的材料特性主要是高温强度、高温抗氧化及热疲劳特性、耐氧化性和耐高温盐蚀性。排气系统的中管、消音器及尾管,在距离引擎相对较远的部位,使用温度区间在600~100℃,需要材料有良好的耐盐蚀和耐冷凝液腐蚀性。

  4.1 高温氧化和高温热疲劳

  汽车排气系统零部件高温氧化和热疲劳是高温促使材料表面氧化并在表面形成微裂纹,裂纹尖端继续氧化,甚至局部脱落,加速氧化和热疲劳破坏。

  热疲劳裂纹与循环温差、零件表面缺口状态和材料有关。循环温差越大、表面缺口越尖锐,就越容易发生热疲劳。

  表面热疲劳氧化及剥落现象随循环上限温度的增高而愈加显著,表面氧化物的开裂也愈加严重.低温下表面氧化物主要开裂成微细裂纹,随着循环上限温度的提高,裂纹明显加长形成细长主裂纹,直至粗长主裂纹,一般高循环温度下(超过 600℃)材料热疲劳抗力较差。

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  两种不锈钢950℃300 周期循环氧化后的表面形貌

  4.2 高温盐蚀

  汽车排气系统高温盐蚀主要是在靠近沿海地区及寒冷地区发生,因为大气中盐分较高及冬季道路除雪的融雪盐作用于排气系统高温零部件,导致的一种表面腐蚀失效。

  高温盐蚀发生的机理主要是高温氧化引起的,由于钢的晶界成了氧的扩散通道,高温盐蚀呈现为晶界氧化的形态。而腐蚀环境中的Na+的存在,会显著促进铁素体不锈钢的高温盐蚀腐蚀,导致排气系统高温端零部件失效。

  其腐蚀失效是高温氧化在不锈钢表面及晶界附近生成的 Cr2O3与Na+反应,变成水溶性的 Na2CrO4,当其在常温下溶于水时,在钢的氧化皮附近的脱 Cr 层就会曝露出来并在此氧化。如此反复下去,不锈钢材料的盐蚀行为导致了零部件的腐蚀失效。其失效反应如下:

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  汽车排气系统前管高温盐蚀表面形貌

  4.3冷凝液腐蚀

  汽车发动后一段时间内,尾气中的水分经过汽车排气系统在消音器部位冷却凝结产生冷凝液。汽车排气凝聚液中普遍含有NH4+,CO3 2-,SO32-,SO4 2-和Cl-等离子。SO32-,SO4 2-和Cl-等腐蚀离子的冷凝液将对排气系统冷端(消声器和尾管)部位产生如均匀腐蚀和点蚀等腐蚀,导致了零部件失效。

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  排气系统消声器冷凝液腐蚀形貌(局部穿孔)

  4.4晶间腐蚀

  晶间腐蚀也是汽车排气系统零部件的主要失效方式之一,主要发生在零部件的焊接部位。汽车排气系统中的管件及不同零部件的结合等都是采用焊接加工的连接方式。对于低铬的铁素体不锈钢由于其基体的铬含量较低(11~12%Cr),当冶炼时不锈钢的碳含量不能达到足够低的程度,零部件的焊接部位在冷凝液作用下就会发生焊缝的晶间腐蚀行为,导致零部件失效。

  五、排气系统用不锈钢的认证:

  如同汽车用钢板认证一样,汽车排气系统零部件也需要满足必要的认证要求才可应用。如美国汽车排气系统零部件的使用寿命已经从1980年的2年4 万公里增加到目前的6年10万公里。目前,国内汽车排气系统用零部件还停留在寿命相对较低的阶段,普遍采用的是3年6万里这个级别。

  汽车排气系统零部件用钢的使用均需要通过汽车主机厂和零部件供应商的材料认证、加工认证及汽车路试认证等相关认证流程,材料只有满足了抗腐蚀性、成型性、加工及路试寿命周期模拟试验才可以批量使用。国内汽车排气系统超纯铁素体不锈钢可供货的钢厂有宝钢和太钢。

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