新型国产不锈钢材料在汽车排气系统中的应用

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摘要：对汽车排气系统及其主要零件的腐蚀问题进行了分析，包括腐蚀坑深度与冷凝液pH值、Cl－、SO2－4离子浓度的关系,并主要介绍了一种新型国产不锈钢409材料在汽车排气系统的应用。结果表明：该材料具有耐腐蚀性能良好、低成本的优点。

关键词：汽车排气系统；不锈钢；耐腐蚀性能

中图分类号：U469.9 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）02-0064-05

The Application of the New Local Stainless Steel on Automotive Exhaust System

LI Bo，WANG Tang-wei，LIU Pai，ZHAO Yu-cai，MA Jian-jun

（Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd，Shanghai 201201，China）

Abstract: The corrosion problem of automotive exhaust system and its component have been studied in this paper，included the relationship between corrosion depth and pH value，Cl－，SO42－ concentration of condensate.The application of the new local 409 stainless steel on automotive exhaust system has also been introduced.The results show that the new material has the advantage of good corrosion resistance performance and low cost.

Key words: exhaust system；stainless steel；corrosion performance

汽车排气系统位于车辆底部，连接发动机出气端与大气，主要作用是排放发动机产生的废气、净化废气、降低噪音。图1所示为汽车排气系统结构示意图，其主要零件包括支架、排气管、挠性节、中消音器、后消音器、吊钩、吊耳、尾管等［1］。排气系统关系到整车的动力、排放、振动噪声、舒适度等性能。汽车排气系统的材料需要具有良好的机械性能、温度、制造工艺、耐腐蚀性等方面的要求。

汽车排气系统工作环境恶劣，包括发动机及路面的激振以及气体的高温、氧化、腐蚀等。尤其对于排气系统冷端，腐蚀成为最大的售后抱怨问题。因此，为了应对排气系统恶劣的工作环境，必须使用性能稳定、耐腐蚀性能优良的不锈钢原材料。表1［2］所示为现阶段汽车排气系统不同零件的工作温度及常用材料［3］，由表1可见，目前排气系统使用较多的是日本、韩国进口的409、439、436等材料，其中409材料相对于439、436耐腐蚀性能较差，但439、436材料成本相对较高，考虑A0级、A级车开发中面临的成本压力并不适合。可见，开发一种机械性能稳定、耐腐蚀性能良好、成本较低的不锈钢材料，应用于汽车排气系统，是目前整车企业十分关注的问题。

宝钢集团开发的B409M是一种铁素体不锈钢材料，通过在SUH409L基础上采用Nb、Ti双稳定化处理，可以有效提高不锈钢的耐腐蚀性能。表2所示为B409M、SUH409L、409DG三种不锈钢材料的化学成分，可见B409M添加了Nb元素，添加Nb主要是为了提高不锈钢的高温强度［4］，但Nb在高温使用过程中会通过形成Fe2Nb等析出［5］，导致高温稳定性降低。研究表明，通过复合添加Nb和Ti可阻止MC碳化物的粗化，有效降低Nb在高温环境中的析出，提高高温稳定性,改善高温使用性能。

本文首先在原材料级别对比了B409M与409DG的耐腐蚀性能，并将其用于汽车排气系统实际产品上，对售后数据从整车级别分析了千辆车故障率（IPTV，incidents per thousand vehicle）。

1 B409M与SUH409L材料腐蚀分析

腐蚀现象本质上具有概率的特性，尤其是孔蚀、缝隙腐蚀以及应力腐蚀破裂等局部腐蚀。汽车消音器的寿命并不取决于腐蚀的平均程度，点腐蚀的最大深度才是消音器寿命的最重要标志，消音器不同部位的点蚀深度分布可按照极值（Gumbel）分布［6，7］进行分析,抽样中最大点蚀深度的概率S（x）可表述如下：

S（x）=exp{-exp［（x-u）/b］}，-∞

式中：x为最大点蚀深度自变量；u为分布的位置参数，概率密度最大的点蚀深度；b为形状参数，物理意义为点蚀深度的平均值。由一定周期加速腐蚀试验中的各20个抽样中的最大点蚀深度事件，可确定出S（x）函数，并依此确定实际消音器面积下的最大点蚀深度。

对排气系统售后失效件分析研究表明，零件腐蚀的原因主要是：发动机废气在排气系统冷端温度降低液化形成冷凝液，含有氯离子、硫离子及硝酸根等成分，具有较强腐蚀性，造成零件从内部腐蚀甚至锈穿。图2所示为排气系统零件典型腐蚀表面。本文对4个地区（上海、南京、济南、潍坊）排气系统零件冷凝液进行采样，分析了B409M与409DG两种材料腐蚀深度与冷凝液pH值、Cl－离子、SO2－4离子浓度的关系。

1.1 腐蚀深度与冷凝水pH值的关系

为了分析溶液化学特性对排气系统零件的腐蚀影响，图3所示为4个地区两种不锈钢材料的消声器壳体冷凝液pH值与腐蚀坑深度之间的关系。由图3可见，冷凝液pH值与腐蚀深度之间无关联性，分布较为随机。但是与409DG相比，3个地区的pH值范围内，B409M的数据点均多分布在腐蚀深度较小的区域。

1.2 腐蚀深度与冷凝液Cl－浓度的关系

对不锈钢而言，Cl－离子的点蚀作用对其钝化膜破坏的影响很大，通常被认为是消音器壳体腐蚀锈穿的主要原因。然而图4表明冷凝水中Cl－离子浓度与腐蚀坑深度也未呈现关联性；腐蚀深度未出现随Cl－离子浓度升高而增大的情况，即使在Cl－离子浓度很低的情况下，也有腐蚀穿孔问题发生。

1.3 腐蚀深度与冷凝液SO2－4 浓度的关系

燃油中硫含量也是影响排气系统环境腐蚀性的关键因素，由图5可见，腐蚀冷凝液中SO2－4 浓度与腐蚀深度无关联性，分布也较为随机，但是与409DG相比，B409M在4个地区的数据点均多分布在腐蚀深度相对较小的区域。

由图3~5图可见，B409M、409DG两种材料腐蚀坑深度并未与pH值、Cl－离子、SO2－4 浓度呈明显数学关系，而是分布较为随机，原因在于不同冷凝液样本的腐蚀环境（如：汽油品质、驾驶习惯、车辆行驶里程、工况等）不同。但仍可见B409M材料的耐腐蚀性能明显优于409DG。

2 不同材料汽车排气系统售后数据分析

在分析比较了不锈钢材料耐腐蚀性能的基础上，本文将B409M不锈钢材料应用于某汽车排气系统，并比较了409DG、SUH409、B409M三种不锈钢材料排气系统的耐腐蚀性能。图6所示分别为三种排气系统的售后IPTV值。由图6可见，2009年至今该车型使用B409M作为排气系统材料，其IPTV值明显降低，耐腐蚀性能明显优于409DG以及 SUH409L两种进口不锈钢材料。

3 结果分析讨论

本文在原材料级别以及汽车排气系统实际产品上对比了B409M与409DG的耐腐蚀性能，可见B409M不锈钢材料的汽车排气系统具有耐腐蚀性能良好、低成本的优点，其原因主要有以下两点：

（1）Ti＋Nb双稳定化处理

图7所示分别为宝钢集团针对409不锈钢中只添加Ti的单稳定化和409不锈钢添加Nb、Ti的双稳定化机理示意图。

可见，在Ti单稳定状态下，热影响区的C元素向晶界扩散，伴随着热影响区的冷却，Ti元素稳定了部分C元素形成TiC，还有部分C元素没有被稳定而留在晶界区。由于排气系统长期工作在高温状态下，当单稳定化的409不锈钢再次达到高温状态，未被Ti元素稳定的C元素在晶界处与Cr元素结合生成Cr23C6，降低了晶界区Cr元素在铁素体基体中的固溶量，导致晶界区耐蚀性恶化。而在Ti＋Nb双稳定状态下，热影响冷却后，在晶界区Ti和Nb元素较彻底的稳定了C元素形成TiC和NbC，即使不锈钢再次达到高温状态，由于晶界区未被稳定的C元素极少，铁素体固溶的Cr元素不会损失过多，故晶界区耐蚀性也不会恶化。

（2）优化的金相组织

图8所示为三种不锈钢材料金相组织，由此可见，由于含碳量、贵金属Cr、Nb成份的不同，以及金相组织的均匀性和晶粒大小的影响，使B409M材料具有优良的耐腐蚀性能。

4 结 论

本文对汽车排气系统及其主要零件的腐蚀问题进行了分析，主要包括腐蚀坑深度与冷凝液pH值、Cl－、SO2－4 离子浓度的关系。并比较了三种不同材料的耐腐蚀性能。其主要结论如下：

（1）B409M、409DG两种不锈钢材料的腐蚀坑深度并未与冷凝液pH值、Cl－离子、SO2－4 浓度呈明显数学关系，而是分布较为随机，原因在于不同冷凝液样本的腐蚀环境不同。但B409M材料的耐腐蚀性能明显优于409DG及SUH409L。

（2）应用B409M不锈钢材料的汽车排气系统具有耐腐蚀性能良好、低成本的优点，可以有效降低排气系统IPTV值，解决排气系统售后抱怨问题。

参考文献：

［1］ Makio Gunji，Atshushi Miyazaki，Takaaki Toyooka.High formability ERW Stainless steel Pipes for Automotive Exhaust System［J］.Kawazaki Technical Report，2001，33（4）: 165-169.

［2］ 毕洪运，潘国强，李鑫. 宝钢汽车排气系统用铁素体不锈钢产品开发［J］. 宝钢技术，2011，（2）: 6-11.

［3］ 戴相全，毕洪运，王可. 宝钢汽车排气系统用不锈钢国产化的应用［J］.汽车工艺与材料，2011，（4）: 54-61.

［4］ 颜海涛，毕洪运,李鑫，等. Nb对0Cr11铁素体不锈钢组织和性能的影响［J］. 钢铁，2009，44（1）: 59-63.

［5］ 藤田展弘，大村圭一，佐藤次. 自排部品用高耐［J］. 新日技，1996，361: 20-24.

［6］ Takumi Ujiro，Makoto Kitazawa，Susumu Satoh. Corrosion Resistance of Muffler Materials in Automotive Exhaust Gas Condensates［J］.J Soc Mat Sci，1996，l45（11）:1192.

［7］ Nadarajah S. Reliability for Extreme Value Distributions［J］. Mathematical and Computer Modelling，2005，42（526）:499.