新型国产不锈钢材料在汽车排气系统中的应用

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

TheApplicationoftheNewLocalStainlessSteelonAutomotiveExhaustSystem

LIBo,WANGTang-wei,LIUPai,ZHAOYu-cai,MAJian-jun

（PanAsiaTechnicalAutomotiveCenterCo.,Ltd,Shanghai201201,China）

Abstract:Thecorrosionproblemofautomotiveexhaustsystemanditsponenthebeenstudiedinthispaper,includedtherelationshipbetweencorrosiondepthandpHvalue,Cl－,SO42－concentrationofcondensate.Theapplicationofthenewlocal409stainlesssteelonautomotiveexhaustsystemhasalsobeenintroduced.Theresultsshowthatthenewmaterialhastheadvantageofgoodcorrosionresistanceperformanceandlowcost.

Keywords:exhaustsystem；stainlesssteel；corrosionperformance

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、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,incidentsperthousandvehicle）.

1B409M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）等于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.

［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］TakumiUjiro,MakotoKitazawa,SusumuSatoh.CorrosionResistanceofMufflerMaterialsinAutomotiveExhaustGasCondensates［J］.JSocMatSci,1996,l45（11）:1192.

［7］NadarajahS.ReliabilityforExtremeValueDistributions［J］.MathematicalandComputerModelling,2005,42（526）:499.