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汽车排气系统的不锈钢应用介绍

由于汽车排气管的应用环境非常复杂,常常面临着腐蚀和高温影响,作为汽车用材之一的不锈钢应用又是怎样适应这种环境的呢?本文就来讲下这个问题。

能使不锈钢可以耐腐蚀的主要合金元素是铬,该元素能与氧结合,从而在表不锈钢面形成一种薄且致密的半透明氧化铬保护膜。当氧化性气体的温度不太高时,这层膜能起到有效保护作用,因为氧气在实际温度极限内通过膜的扩散其实非常慢。并且和耐腐蚀性能相同,不锈钢的耐氧化性能也和钢中铬元素含量成正比,在一定温度环境中,铬-铁合金铁的耐剥落性随着铬含量的增加而提高,但在高温与腐蚀的环境下,不锈钢表面的保护膜的保护性能会发生明显的变化。

汽车用不锈钢排气管

因为在汽车排气环境中很多有可能的变化,包括腐蚀环境、温度、合金成分、时间还有运行方式(连续运行与间断运行)等,下面就简单介绍下。

在等温环境中,不锈钢的抗氧化性能由铬元素含量来决定。铬含量小于18%的不锈钢被限制在温度1500°F以下的环境中使用,铬元素含量在18%-20%的不锈钢在1800°F的环境下是可以用的,而在温度高达2000°F时,就至少需要铬含量在25%才能有足够的抗起鳞能力。

但汽车排气环境却是非等温的,这是由于汽车使用状态是典型的周期性的。在加热和冷却的过程中,金属和保护层之间的膨胀不同,导致裂缝和保护铁鳞的脱落,从而使氧化性介质侵蚀暴露出来的不锈钢表面。

不锈钢的抗氧化性能随着镍含量的提高也会有所增强。镍能减小基金属和氧化层之间的不同的膨胀,从而降低冷却过程中基金属和氧化界面上的应力。铁素体不锈钢也有相对降低热膨胀的附加效果,它能减少氧化。

汽车排气系统的自然状态,不管是内部还是外部,都是这样一种可以形成附着力不强和抗氧化的铁鳞的环境。比如通过实验能够得知302不锈钢的氧化性在2000°F(1093℃)的潮湿空气中形成了大量的微粒,但在干燥的空气中,能形成一层保护膜。

在汽车排气环境中,不锈钢的应用经验非常丰富。接下来就讨论下汽车排气环境对于不锈钢应用的分析。

409不锈钢,化学成分中含有10.5%的铬元素和少量的钛元素,开发出来主要是被作为生成消音器。现在409不锈钢能够广泛用在消音器、尾气管和催化转化器上面,但作为催化转化器用在轻型卡车上,在高于小汽车的温度情况下工作时仅有10.5%的含铬量是不够的。

所以为了解决这个问题,汽车生产中选择444型不锈钢,444型不锈钢化学成分中含有18%的铬元素,2%钼加上钶(铌)。该钢种是一种钼/铌稳定型铁素体不锈钢,在较高温度的卡车催化转化器中显示了良好的耐剥落性和蠕变性能。它进而发展成另外一种成分的铌稳定型18铬不锈钢(不含钼),被定义为18Cb。

另一种性能相似的不锈钢是含铝的12Cr和18Cr不锈钢,其中增加了铝和铬的含量,能获得比409型更好的耐氧化性。这两种合金被定义为12SR和18SR,常被用于卡车、消音器和排气管中(在转换器之前),但12SR和18SR也存在一些缺点,就是在焊接方面较为困难。

另一种在高浊排气管领域使用的不错的材料是439型不锈钢,其为18Cr铁素体不锈钢,可以用钛作稳定剂,具有极好的耐氧化性和良好的加工性能。

430型不锈钢含有16%-18%铬,在高温下展示了还不错的抗氧化性,但是钢种中没有稳定化的合金元素,比如铌或钛。因此它的加工性能不如稳定性钢种好,特别是焊接方面。

一些不锈钢加入稀土元素,不过这些在特殊方面的应用,例如用于催化器支承部分的0.0508-0.0762mm的箔。

典型的汽车排气系统部件用不锈钢

部件 典型不锈钢牌号
催化转化器外壳 409
催化转化器外壳(重型) 444,18Cb
岐管 409,439,304L,18Cb
排气管 409,439,444,12SR,18Cb
消音器 409,444
卡车热消音器 18SR
消音器/尾管 409
排气管衬垫 304
“接合骨架”销 409Cb
顶部密封衬垫 409,430
催化转化器支承钢丝 304
氧传感器部件 18Cb,430
挠性导管-卡车排气系统 301,304

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