鍍鋁鋼板NSAIYUS432新日鐵住金汽車排氣管

1.汽車排氣系統(tǒng)的構(gòu)成和使用的材料
   汽車排氣系統(tǒng)從靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的方向開始，由排氣歧管、前管、撓性管、催化轉(zhuǎn)換器、中心管、主消音器和末端管等7個(gè)零部件構(gòu)成。根據(jù)車種的不同，有的安裝了數(shù)個(gè)催化轉(zhuǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)的部分，由于排出氣體的溫度高達(dá)900℃，因此要求材料具有良好的舒緩反應(yīng)性、高溫強(qiáng)度和熱疲勞特性。而且，為能進(jìn)行復(fù)雜的形狀加工，還要求材料應(yīng)具有良好的成形性。采用不銹鋼制作的排氣歧管根據(jù)其構(gòu)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(gòu)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(qiáng)度，但由于容易發(fā)生氧化皮剝落，因此在舒緩反應(yīng)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舒緩反應(yīng)性好，但高溫強(qiáng)度不如奧氏體系不銹鋼。由于熱膨脹系數(shù)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(guī)定的強(qiáng)化，排氣溫度呈高溫化的趨勢，據(jù)說有的高達(dá)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(nèi)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(shí)，還有的使用奧氏體系不銹鋼作內(nèi)管。
   作為今后的發(fā)展趨勢，低成本、舒緩反應(yīng)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(rèn)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?fàn)畹碾p重管和用不銹鋼鋼絲網(wǎng)將其包裹起來的外編帶構(gòu)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(qū)為防止道路凍結(jié)使用了化雪鹽，因此要求管的外側(cè)還應(yīng)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(qū)為防止道路凍結(jié)使用了化雪鹽，要求管的外側(cè)還應(yīng)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。較近，開始已使用SUS316L（18Cr-12Ni-2.5No-LC），其價(jià)格比SUS XM15J1更便宜，抗晶界腐蝕性比SUS304更高。
   1.4催化轉(zhuǎn)換器（催化載體和催化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器”的排氣凈化系統(tǒng)。催化轉(zhuǎn)換器安裝在排氣歧管下面或底盤下面等，因此要能夠經(jīng)受住高溫和振動(dòng)等苛刻條件的考驗(yàn)。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(gòu)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(jié)合而成的。外殼要求具有高溫強(qiáng)度、耐高溫鹽害性加工性。
   對于箔材的要求 是舒緩反應(yīng)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-高等l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）。今后對舒緩反應(yīng)性的要求將會(huì)進(jìn)一步提高。
   對于催化轉(zhuǎn)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(nèi)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M(fèi)o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(tǒng)用材料的演變及今后的發(fā)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(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高，排氣溫度會(huì)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(qiáng)度好，但容易發(fā)生氧化皮剝落，因此在舒緩反應(yīng)性方面不如鐵素體系不銹鋼。另一方面，鐵素體系不銹鋼的舒緩反應(yīng)性好，但高溫強(qiáng)度不如奧氏體系不銹鋼。熱膨脹系數(shù)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(yīng)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(guī)定的強(qiáng)化，為適應(yīng)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(chǔ)上又對經(jīng)濟(jì)性提出了
   要求，于是開發(fā)了優(yōu)化成分的YUS450-MS（14Cr-0.5Mo-Nb-Ti）。另一方面，近年來隨著排氣規(guī)定的強(qiáng)化，排氣溫度變得更高，如果達(dá)到950℃，以往的材料就無法適應(yīng)，因此開發(fā)了增加Cr和Nb添加量、再添加Mo，以此提高舒緩反應(yīng)性和高溫強(qiáng)度的YUS190-EM（19Cr-2Mo-Nb-Ti）。
   新日鐵生產(chǎn)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(jù)合金元素對鐵素體系不銹鋼在950℃時(shí)0.2%屈服強(qiáng)度的影響可知，Nb、Mo、W和Ta有助于提高屈服強(qiáng)度，尤其是添加少量的Nb，效果更好。另外，Mo和Nb在固溶狀態(tài)下有助于高溫強(qiáng)度化。但是，Nb在高溫下長時(shí)間使用過程中會(huì)析出碳化物和萊夫斯相，固溶Nb會(huì)隨著時(shí)間推移而下降，高溫強(qiáng)度也會(huì)下降。因此，為舒緩這種固溶Nb量的下降造成高溫強(qiáng)度下的下降，研究了Nb-Ti混合添加的作用。根據(jù)Nb單獨(dú)添加鋼和Nb-Ti混合添加鋼在900℃時(shí)的0.2%屈服強(qiáng)度隨900℃時(shí)效變化的曲線可知，Nb-Ti混合添加鋼伴隨時(shí)效的強(qiáng)度下降小。這是由于添加Ti可舒緩粗大Nb碳化物（M6C）析出的緣故。
   具有高溫強(qiáng)度的14Cr系Nb單獨(dú)添加鋼和Nb-Ti混合添加鋼在約束率變化后熱疲勞試驗(yàn)的結(jié)果表明，在高標(biāo)準(zhǔn)約束的情況下，Nb-Ti混合添加鋼有時(shí)高溫強(qiáng)度低，熱疲勞壽命比Nb單獨(dú)添加鋼的短。但是，當(dāng)約束為50%時(shí)，Nb-Ti混合添加鋼的熱疲勞
   壽命會(huì)大大延長，超過Nb單獨(dú)添加鋼的熱疲勞壽命�？梢哉J(rèn)為這是由于當(dāng)約束率降低時(shí)，熱疲勞強(qiáng)度在總體上會(huì)提高，由于延長在高溫下的保持時(shí)間，如果是在采用上述Nb-Ti混合添加鋼，它能通過添加Ti舒緩Nb碳化物的析出，使高溫下熱疲勞強(qiáng)度下降變小的緣故。
   實(shí)際汽車排氣系統(tǒng)零部件材料會(huì)因周圍部件的影響而在約束狀態(tài)下承受反復(fù)的熱滯后，所以其熱疲勞特性是很重要的，但在實(shí)際中是無法獲得高標(biāo)準(zhǔn)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(fā)展趨勢是，排氣溫度將繼續(xù)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(fù)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(jié)果表明，在有鹽化物共存的條件下，容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕。為舒緩在這種環(huán)境下發(fā)生點(diǎn)腐蝕，有效的辦法是添加Cr和Mo，基于這一點(diǎn)考慮，目前正在加快材料的開發(fā)。
   作為內(nèi)外面都處于嚴(yán)酷腐蝕環(huán)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。較初采用的是高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(shí)際消音器用材料在腐蝕環(huán)境下評價(jià)的發(fā)展，提出了各種與之相應(yīng)的不銹鋼評價(jià)試驗(yàn)法。新日鐵提出了半浸漬加熱循環(huán)試驗(yàn)法（下稱NSC試驗(yàn)法）。采用這種方法能對接近實(shí)際環(huán)境下的消音器用材料耐蝕性進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果可知，添加Cr和Mo能有效地舒緩不銹鋼在冷凝液中發(fā)生局部腐蝕，于是開發(fā)了YUS436S（17Cr-1.2Mo-Ti）。該鋼的特征是通過優(yōu)化Cr和Mo的添加量，舒緩了決定消音器壽命的點(diǎn)腐蝕的發(fā)生和擴(kuò)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**率的普通鋼生產(chǎn)工序（采用串列式軋機(jī)冷軋-連續(xù)退火-酸洗）就能生產(chǎn)出。目前，YUS436S正被廣泛用作排氣系統(tǒng)用零部件。
   較近，由于降低成本的需要，正重新看待實(shí)際消音器的腐蝕環(huán)境，隨之液正在進(jìn)行相應(yīng)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�？墒褂肶US409D、YUS436S和YUS432等鍍鋁鋼板（NSAIYUS409D、NSAIYUS436S、NSAIYUS432）。
   3.結(jié)束語
   本文就汽車排氣系統(tǒng)用不銹鋼零部件的發(fā)展概況進(jìn)行了介紹。可以預(yù)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(shí)間，因此目前的內(nèi)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(fèi)、保護(hù)環(huán)境毫無疑問是汽車廠家理應(yīng)承擔(dān)的社會(huì)使命。為完成這一使命，汽車廠家對生產(chǎn)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(tǒng)的不銹鋼化已基本實(shí)現(xiàn)，但今后將采用性能更高且價(jià)格更低的材料。另外，兩輪摩托車排氣系統(tǒng)的不銹鋼化今后也將進(jìn)一步發(fā)展。