李博 王堂偉 劉湃 趙玉才 馬建軍

摘要：對汽車排氣系統(tǒng)及其主要零件的腐蝕問題進(jìn)行了分析，包括腐蝕坑深度與冷凝液pH值、Cl－、SO2－4離子濃度的關(guān)系,并主要介紹了一種新型國產(chǎn)不銹鋼409材料在汽車排氣系統(tǒng)的應(yīng)用。結(jié)果表明：該材料具有耐腐蝕性能良好、低成本的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：汽車排氣系統(tǒng)；不銹鋼；耐腐蝕性能

中圖分類號：U469.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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

汽車排氣系統(tǒng)位于車輛底部，連接發(fā)動機(jī)出氣端與大氣，主要作用是排放發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的廢氣、凈化廢氣、降低噪音。圖1所示為汽車排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其主要零件包括支架、排氣管、撓性節(jié)、中消音器、后消音器、吊鉤、吊耳、尾管等［1］。排氣系統(tǒng)關(guān)系到整車的動力、排放、振動噪聲、舒適度等性能。汽車排氣系統(tǒng)的材料需要具有良好的機(jī)械性能、溫度、制造工藝、耐腐蝕性等方面的要求。

汽車排氣系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，包括發(fā)動機(jī)及路面的激振以及氣體的高溫、氧化、腐蝕等。尤其對于排氣系統(tǒng)冷端，腐蝕成為最大的售后抱怨問題。因此，為了應(yīng)對排氣系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境，必須使用性能穩(wěn)定、耐腐蝕性能優(yōu)良的不銹鋼原材料。表1［2］所示為現(xiàn)階段汽車排氣系統(tǒng)不同零件的工作溫度及常用材料［3］，由表1可見，目前排氣系統(tǒng)使用較多的是日本、韓國進(jìn)口的409、439、436等材料，其中409材料相對于439、436耐腐蝕性能較差，但439、436材料成本相對較高，考慮A0級、A級車開發(fā)中面臨的成本壓力并不適合?？梢?，開發(fā)一種機(jī)械性能穩(wěn)定、耐腐蝕性能良好、成本較低的不銹鋼材料，應(yīng)用于汽車排氣系統(tǒng)，是目前整車企業(yè)十分關(guān)注的問題。

寶鋼集團(tuán)開發(fā)的B409M是一種鐵素體不銹鋼材料，通過在SUH409L基礎(chǔ)上采用Nb、Ti雙穩(wěn)定化處理，可以有效提高不銹鋼的耐腐蝕性能。表2所示為B409M、SUH409L、409DG三種不銹鋼材料的化學(xué)成分，可見B409M添加了Nb元素，添加Nb主要是為了提高不銹鋼的高溫強(qiáng)度［4］，但Nb在高溫使用過程中會通過形成Fe2Nb等析出［5］，導(dǎo)致高溫穩(wěn)定性降低。研究表明，通過復(fù)合添加Nb和Ti可阻止MC碳化物的粗化，有效降低Nb在高溫環(huán)境中的析出，提高高溫穩(wěn)定性,改善高溫使用性能。

本文首先在原材料級別對比了B409M與409DG的耐腐蝕性能，并將其用于汽車排氣系統(tǒng)實際產(chǎn)品上，對售后數(shù)據(jù)從整車級別分析了千輛車故障率（IPTV，incidents per thousand vehicle）。

1 B409M與SUH409L材料腐蝕分析

腐蝕現(xiàn)象本質(zhì)上具有概率的特性，尤其是孔蝕、縫隙腐蝕以及應(yīng)力腐蝕破裂等局部腐蝕。汽車消音器的壽命并不取決于腐蝕的平均程度，點(diǎn)腐蝕的最大深度才是消音器壽命的最重要標(biāo)志，消音器不同部位的點(diǎn)蝕深度分布可按照極值（Gumbel）分布［6，7］進(jìn)行分析,抽樣中最大點(diǎn)蝕深度的概率S（x）可表述如下：

S（x）=exp{-exp［（x-u）/b］}，-∞

式中：x為最大點(diǎn)蝕深度自變量；u為分布的位置參數(shù)，概率密度最大的點(diǎn)蝕深度；b為形狀參數(shù)，物理意義為點(diǎn)蝕深度的平均值。由一定周期加速腐蝕試驗中的各20個抽樣中的最大點(diǎn)蝕深度事件，可確定出S（x）函數(shù)，并依此確定實際消音器面積下的最大點(diǎn)蝕深度。

對排氣系統(tǒng)售后失效件分析研究表明，零件腐蝕的原因主要是：發(fā)動機(jī)廢氣在排氣系統(tǒng)冷端溫度降低液化形成冷凝液，含有氯離子、硫離子及硝酸根等成分，具有較強(qiáng)腐蝕性，造成零件從內(nèi)部腐蝕甚至銹穿。圖2所示為排氣系統(tǒng)零件典型腐蝕表面。本文對4個地區(qū)（上海、南京、濟(jì)南、濰坊）排氣系統(tǒng)零件冷凝液進(jìn)行采樣，分析了B409M與409DG兩種材料腐蝕深度與冷凝液pH值、Cl－離子、SO2－4離子濃度的關(guān)系。

1.1 腐蝕深度與冷凝水pH值的關(guān)系

為了分析溶液化學(xué)特性對排氣系統(tǒng)零件的腐蝕影響，圖3所示為4個地區(qū)兩種不銹鋼材料的消聲器殼體冷凝液pH值與腐蝕坑深度之間的關(guān)系。由圖3可見，冷凝液pH值與腐蝕深度之間無關(guān)聯(lián)性，分布較為隨機(jī)。但是與409DG相比，3個地區(qū)的pH值范圍內(nèi)，B409M的數(shù)據(jù)點(diǎn)均多分布在腐蝕深度較小的區(qū)域。

1.2 腐蝕深度與冷凝液Cl－濃度的關(guān)系

對不銹鋼而言，Cl－離子的點(diǎn)蝕作用對其鈍化膜破壞的影響很大，通常被認(rèn)為是消音器殼體腐蝕銹穿的主要原因。然而圖4表明冷凝水中Cl－離子濃度與腐蝕坑深度也未呈現(xiàn)關(guān)聯(lián)性；腐蝕深度未出現(xiàn)隨Cl－離子濃度升高而增大的情況，即使在Cl－離子濃度很低的情況下，也有腐蝕穿孔問題發(fā)生。

1.3 腐蝕深度與冷凝液SO2－4 濃度的關(guān)系

燃油中硫含量也是影響排氣系統(tǒng)環(huán)境腐蝕性的關(guān)鍵因素，由圖5可見，腐蝕冷凝液中SO2－4 濃度與腐蝕深度無關(guān)聯(lián)性，分布也較為隨機(jī)，但是與409DG相比，B409M在4個地區(qū)的數(shù)據(jù)點(diǎn)均多分布在腐蝕深度相對較小的區(qū)域。

由圖3~5圖可見，B409M、409DG兩種材料腐蝕坑深度并未與pH值、Cl－離子、SO2－4 濃度呈明顯數(shù)學(xué)關(guān)系，而是分布較為隨機(jī)，原因在于不同冷凝液樣本的腐蝕環(huán)境（如：汽油品質(zhì)、駕駛習(xí)慣、車輛行駛里程、工況等）不同。但仍可見B409M材料的耐腐蝕性能明顯優(yōu)于409DG。

2 不同材料汽車排氣系統(tǒng)售后數(shù)據(jù)分析

在分析比較了不銹鋼材料耐腐蝕性能的基礎(chǔ)上，本文將B409M不銹鋼材料應(yīng)用于某汽車排氣系統(tǒng)，并比較了409DG、SUH409、B409M三種不銹鋼材料排氣系統(tǒng)的耐腐蝕性能。圖6所示分別為三種排氣系統(tǒng)的售后IPTV值。由圖6可見，2009年至今該車型使用B409M作為排氣系統(tǒng)材料，其IPTV值明顯降低，耐腐蝕性能明顯優(yōu)于409DG以及 SUH409L兩種進(jìn)口不銹鋼材料。

3 結(jié)果分析討論

本文在原材料級別以及汽車排氣系統(tǒng)實際產(chǎn)品上對比了B409M與409DG的耐腐蝕性能，可見B409M不銹鋼材料的汽車排氣系統(tǒng)具有耐腐蝕性能良好、低成本的優(yōu)點(diǎn)，其原因主要有以下兩點(diǎn)：

（1）Ti＋Nb雙穩(wěn)定化處理

圖7所示分別為寶鋼集團(tuán)針對409不銹鋼中只添加Ti的單穩(wěn)定化和409不銹鋼添加Nb、Ti的雙穩(wěn)定化機(jī)理示意圖。

可見，在Ti單穩(wěn)定狀態(tài)下，熱影響區(qū)的C元素向晶界擴(kuò)散，伴隨著熱影響區(qū)的冷卻，Ti元素穩(wěn)定了部分C元素形成TiC，還有部分C元素沒有被穩(wěn)定而留在晶界區(qū)。由于排氣系統(tǒng)長期工作在高溫狀態(tài)下，當(dāng)單穩(wěn)定化的409不銹鋼再次達(dá)到高溫狀態(tài)，未被Ti元素穩(wěn)定的C元素在晶界處與Cr元素結(jié)合生成Cr23C6，降低了晶界區(qū)Cr元素在鐵素體基體中的固溶量，導(dǎo)致晶界區(qū)耐蝕性惡化。而在Ti＋Nb雙穩(wěn)定狀態(tài)下，熱影響冷卻后，在晶界區(qū)Ti和Nb元素較徹底的穩(wěn)定了C元素形成TiC和NbC，即使不銹鋼再次達(dá)到高溫狀態(tài)，由于晶界區(qū)未被穩(wěn)定的C元素極少，鐵素體固溶的Cr元素不會損失過多，故晶界區(qū)耐蝕性也不會惡化。

（2）優(yōu)化的金相組織

圖8所示為三種不銹鋼材料金相組織，由此可見，由于含碳量、貴金屬Cr、Nb成份的不同，以及金相組織的均勻性和晶粒大小的影響，使B409M材料具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。

4 結(jié) 論

本文對汽車排氣系統(tǒng)及其主要零件的腐蝕問題進(jìn)行了分析，主要包括腐蝕坑深度與冷凝液pH值、Cl－、SO2－4 離子濃度的關(guān)系。并比較了三種不同材料的耐腐蝕性能。其主要結(jié)論如下：

（1）B409M、409DG兩種不銹鋼材料的腐蝕坑深度并未與冷凝液pH值、Cl－離子、SO2－4 濃度呈明顯數(shù)學(xué)關(guān)系，而是分布較為隨機(jī)，原因在于不同冷凝液樣本的腐蝕環(huán)境不同。但B409M材料的耐腐蝕性能明顯優(yōu)于409DG及SUH409L。

（2）應(yīng)用B409M不銹鋼材料的汽車排氣系統(tǒng)具有耐腐蝕性能良好、低成本的優(yōu)點(diǎn)，可以有效降低排氣系統(tǒng)IPTV值，解決排氣系統(tǒng)售后抱怨問題。

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