不锈钢材料在排气系统中的应用

白金成　程琳

摘 要：随着环境的日益恶劣，汽车燃油经济性和排放法规的升级，不锈钢材料更多地用于汽车排气系统零部件的设计。由于排气系统中废气温度较高且易形成热氧化环境，废气中的冷凝液具有腐蚀性能，严重影响排气系统的使用寿命。本文介绍了排气系统构成及使用性能，列举了排气系统材料失效的几种模式，确定了排气系统各零部件的使用材料。

关键词：排气系统；不锈钢材料；应用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.001

0 前言

随着中国汽车工业的快速发展，对汽车用钢的需求不断增加，不锈钢材料得到了广泛的应用。

不锈钢材料因其具有较高的耐热特性、耐腐蚀特性和良好的延展性能，普遍应用于各种汽车零部件，如车身、底盘、排气系统等。据数据显示，近年来汽车不锈钢材料的使用量呈递增趋势。不锈钢材料最开始主要应用在汽车装饰件上，因其具有良好的外观而得到了广泛运用；相较于其他零部件，排气系统用材料更注重性能。本文论述了排气系统构成及材料性能，探讨了排气系统用材料的腐蚀特性，并对排气系统各零部件材料现状进行了说明。

1 排气系统构成及性能要求

排气系统主要由排气歧管、排气管、软连接、催化转化器和消声器等组成，不同零部件对使用材料具有不同的性能要求。排气系统按温度高低可以分为热端和冷端，其中热端部分温度在700℃到900℃左右，主要以高温氧化、高温盐损和高温疲劳失效为主；冷端部分温度在100℃到600℃左右，主要以冷凝液腐蚀失效为主。

近年来，欧洲和日本开发了大量汽车排气系统用低铬和中高铬系列的铁素体不锈钢，生产企业以JFE、NSS、NSSC、POSCO及ARCELOR为主。根据排气系统的使用性能及环境温度进行分类，热端部分主要使用中高温钢种如SUS436L、SUS429、SUS441、SUS434等，冷端部分主要使用中低温钢种如SUH409L、SUS439L、SUS432L等。

2 汽车排气系统腐蚀失效形式分析

2.1 高温氧化和高温热疲劳

高温氧化和高温热疲劳是指材料在高温条件下，其表面氧化并形成微裂纹直至产生局部脱落，造成零部件破坏。热疲劳开裂与循环温差、零部件表面缺陷状态有关，循环温差越大、表面缺陷越尖锐，越易发生热疲劳失效。表面氧化、热疲劳开裂及剥落现象的产生，一般随循环上限温度的增高而加剧。

2.2 高温盐蚀

高温盐蚀一般是由于空气中含盐量较高或因融雪盐作用于高温零部件，从而导致的一种表面腐蚀失效方式。高温盐蚀主要是由高温氧化引起的，因钢材结晶形成氧扩散通道，呈现为晶界氧化形态。腐蚀环境中的钠离子与晶界附近的Cr2O3反应，变成水溶性的Na2CrO4，从而导致了零部件的腐蚀失效。

2.3 冷凝液腐蚀

在汽车排气系统消声器中，尾气中的水分冷凝产生冷凝液，含有NH4+、CO32-、SO32-、 SO42-和Cl-等离子，其中SO32-， SO42-和Cl-等腐蚀性离子使消声器表面产生均匀腐蚀和点蚀，进而导致消声器失效。

2.4 晶间腐蚀

晶间腐蚀是汽车排气系统零部件的失效方式之一，主要发生在管件及不同零部件结合的焊接部位。低铬铁素体不锈钢由于其基体的铬含量较低，当冶炼时不锈钢的碳含量不能达到足够低的程度，这些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。

3 汽车排气系统材料选择

3.1 排气歧管

排气歧管安装在发动机上，其作用是将各气缸的废气导向到排气系统。排气温度高达900°C或者更高，这就要求排气歧管具有优异的抗氧化、高温强度、和热疲劳特性。因排气歧管具有复杂的形状，材料必须具有优良的成形能力。按照制造方法，排气歧管用不锈钢分为两种：一种是通过压力成型和焊接，另一种是通过钣金弯型并焊接。排气歧管不锈钢材料主要为奥氏体不锈钢（SUS304、SUS XM15J1）和铁素体不锈钢（SUH409L、SUS430J1L）。作为更严格的法规要求，排气温度达到了950℃左右，在这种情形下，SUS444系列被使用；低铬的SUS429系列可以作为低成本材料使用。

3.2 前排气管

前排气管位于排气歧管与软连接之间，要求最小化热辐射和阻止排气温度降低以此来阻止下游的催化转化器催化活性降低，同时还具备降低噪声的作用。基于上述原因，薄壁双层管逐渐代替了传统的单层管结构，要求具有耐氧化及热疲劳性能优异的铁素体不锈钢材料，材料牌号主要为SUH409L、SUS436L和SUS430J1L。

3.3 软连接

软连接置于一级催化转化器与二级催化转化器之间，主要用来防止发动机将振动传递到排气系统。软连接一般为波纹状，主要由蛇腹状的双重管和用不绣钢钢丝网编织而成。从使用性能来看，要求具有高温疲劳性；同时因其形状为蛇腹状，还要具有良好的加工性。软连接使用材料主要为SUS304，为适应寒冷地区工况还开发了具有耐高温盐蚀性更高的SUS XM15J1材料。最近已开始使用SUS316L，其价格比SUS XM15J1更便宜，抗晶界腐蚀性比 SUS304 更高。

3.4 催化转化器壳体

催化转化器一般安装在排气歧管后，能起到对汽车排出废气净化的作用。因其连接涡轮增压器，常要经受高温和振动等恶劣条件，催化转化器通常要求具有高强度、耐高温盐害加工性。对于催化转换器外壳，大部分使用SUS430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。为提高氧化皮膜的密封性，还有的添加了少量稀土类金属元素，今后对抗氧化性的要求将会进一步提高。

3.5 消声器

消声器的主要作用是吸收和降低废气噪声，主要由外部壳体和内部管路、隔板、端盖等组成。当汽车短距离行驶时，消声器内部会产生冷凝液，这种冷凝液中含有NH4+、CO32-，SO42-，C1-等会导致腐蚀问题的发生。现阶段，消声器主要使用SUS436L或SUS432，对于外壳和端板，从美观和防蚀措施考虑，有的也使用镀铝不锈钢。

4 结论

随着汽车市场竞争日趋激烈，汽车厂家对不锈钢材料特性的要求也将越来越高。因此，需从使用寿命、加工性能、焊接性能及成本方面综合考虑，推出适合现阶段汽车排气系统用材料，以适应快速发展的中国汽车工业对不锈钢材料的需求。

作者简介：白金成（1989-），男，黑龙江五常人，研究方向：排气系统设计开发。