摘要：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。
关键词：汽车排气系统；不锈钢材料；应用
1导言
虽然新能源汽车是当今汽车产业的风口，引各个互联网企业纷纷抢滩登陆，但搭载汽油，柴油的传统动力发动机的汽车依然是汽车市场的主角，这些搭载传统动力发动机的排气系统仍然要面对耐高温、耐盐腐蚀、耐氧化性的挑战。一台汽车的排气系统用不锈钢28kg左右，而最新汽车“三包”法规中要求排气系统使用寿命提高到3年或行驶6万公里；因此在汽车设计中，排气系统如何选择、使用不同类型的不锈钢，在越来越严格的节能环保要求和汽车轻量化的今天就显的非常重要。
2排气系统构成及性能要求
排气系统主要由排气歧管、排气管、软连接、催化转化器和消声器等组成，不同零部件对使用材料具有不同的性能要求。排气系统按温度高低可以分为热端和冷端，其中热端部分温度在700℃到900℃左右，主要以高温氧化、高温盐损和高温疲劳失效为主；冷端部分温度在100℃到600℃左右，主要以冷凝液腐蚀失效为主。近年来，欧洲和日本开发了大量汽车排气系统用低铬和中高铬系列的铁素体不锈钢，生产企业以JFE、NSS、NSSC、POSCO及ARCELOR为主。根据排气系统的使用性能及环境温度进行分类，热端部分主要使用中高温钢种如SUS436L、SUS429、SUS441、SUS434等，冷端部分主要使用中低温钢种如SUH409L、SUS439L、SUS432L等。
3汽车排气系统腐蚀失效形式分析
3.1高温氧化和高温热疲劳
高温氧化和高温热疲劳是指材料在高温条件下，其表面氧化并形成微裂纹直至产生局部脱落，造成零部件破坏。热疲劳开裂与循环温差、零部件表面缺陷状态有关，循环温差越大、表面缺陷越尖锐，越易发生热疲劳失效。表面氧化、热疲劳开裂及剥落现象的产生，一般随循环上限温度的增高而加剧。
3.2高温盐蚀
高温盐蚀一般是由于空气中含盐量较高或因融雪盐作用于高温零部件，从而导致的一种表面腐蚀失效方式。高温盐蚀主要是由高温氧化引起的，因钢材结晶形成氧扩散通道，呈现为晶界氧化形态。腐蚀环境中的钠离子与晶界附近的Cr2O3反应，变成水溶性的Na2CrO4，从而导致了零部件的腐蚀失效。
3.3冷凝液腐蚀
在汽车排气系统消声器中，尾气中的水分冷凝产生冷凝液，含有NH4+、CO32-、SO32-、SO42-和Cl-等离子，其中SO32-，SO42-和Cl-等腐蚀性离子使消声器表面产生均匀腐蚀和点蚀，进而导致消声器失效。
3.4晶间腐蚀
晶间腐蚀是汽车排气系统零部件的失效方式之一，主要发生在管件及不同零部件结合的焊接部位。低铬铁素体不锈钢由于其基体的铬含量较低，当冶炼时不锈钢的碳含量不能达到足够低的程度，这些焊接部位在冷凝液作用下就会发生焊缝的晶间腐蚀行为，导致零部件失效。
4汽车排气系统材料选择
4.1排气歧管
排气歧管安装在发动机上，其作用是将各气缸的废气导向到排气系统。排气温度高达900°C或者更高，这就要求排气歧管具有优异的抗氧化、高温强度、和热疲劳特性。因排气歧管具有复杂的形状，材料必须具有优良的成形能力。按照制造方法，排气歧管用不锈钢分为两种：一种是通过压力成型和焊接，另一种是通过钣金弯型并焊接。排气歧管不锈钢材料主要为奥氏体不锈钢（SUS304、SUSXM15J1）和铁素体不锈钢（SUH409L、SUS430J1L）。作为更严格的法规要求，排气温度达到了950℃左右，在这种情形下，SUS444系列被使用；低铬的SUS429系列可以作为低成本材料使用。
4.2前排气管
前排气管位于排气歧管与软连接之间，要求最小化热辐射和阻止排气温度降低以此来阻止下游的催化转化器催化活性降低，同时还具备降低噪声的作用。基于上述原因，薄壁双层管逐渐代替了传统的单层管结构，要求具有耐氧化及热疲劳性能优异的铁素体不锈钢材料，材料牌号主要为SUH409L、SUS436L和SUS430J1L。
4.3软连接
软连接置于一级催化转化器与二级催化转化器之间，主要用来防止发动机将振动传递到排气系统。软连接一般为波纹状，主要由蛇腹状的双重管和用不绣钢钢丝网编织而成。从使用性能来看，要求具有高温疲劳性；同时因其形状为蛇腹状，还要具有良好的加工性。软连接使用材料主要为SUS304，为适应寒冷地区工况还开发了具有耐高温盐蚀性更高的SUSXM15J1材料。最近已开始使用SUS316L，其价格比SUSXM15J1更便宜，抗晶界腐蚀性比SUS304更高。
4.4催化转化器壳体
催化转化器一般安装在排气歧管后，能起到对汽车排出废气净化的作用。因其连接涡轮增压器，常要经受高温和振动等恶劣条件，催化转化器通常要求具有高强度、耐高温盐害加工性。对于催化转换器外壳，大部分使用SUS430系不锈钢，但随着排气温度的升高，目前还有的正在使用SUS430J1L或SUS429系等高温特性更好的铁素体系不锈钢。为提高氧化皮膜的密封性，还有的添加了少量稀土类金属元素，今后对抗氧化性的要求将会进一步提高。
4.5消声器
消声器的主要作用是吸收和降低废气噪声，主要由外部壳体和内部管路、隔板、端盖等组成。当汽车短距离行驶时，消声器内部会产生冷凝液，这种冷凝液中含有NH4+、CO32-，SO42-，C1-等会导致腐蚀问题的发生。现阶段，消声器主要使用SUS436L或SUS432，对于外壳和端板，从美观和防蚀措施考虑，有的也使用镀铝不锈钢。
5材料的实际应用
5.1消声器壳体材料的灵活应用
如果消声器壳体全部使用含Cr量高的材料，防锈蚀性当然会很好，但是成本也会成倍增加；在实际设计中，我们可以根据零部件功能、作用灵活选用。比如，消声器布置成上下壳体结构而不是由一块板卷成圆筒状；每一块根据功能合理使用不同规格的材料，即下壳体用料比上壳体好，内层比外层好：
表4某消声器壳体材料组合
从以上对比可以看出，这种材料组合即能保证零部件的防腐蚀性，满足性能要求，又能降低生产成本，起到节能环保的作用。
5.1排气管法兰
传统的排气管法兰是8mm，10mm厚度的Q235钢材，由铸造加工而成，为提高防腐性能，非加工面要求发黑或达克罗处理；现在也可用3mm厚的SUH409L的钢板冲压而成，轻量化设计，提高生产效率，并且防腐能力提升，不再另需要表面处理。
5.2排气管吊钩
排气管上用于装配橡胶吊耳的支架用直径10mm，12mm的Q235圆柱制造，为提高防腐性能，要求达克罗处理；现在可用相同直径，厚度1.5mm的SUH409L的钢管制造。空心钢管支架优点：重量减轻，防腐性能提高，减少达克罗处理；空心钢管散热优于钢柱。
6结语
汽车“三包”法规实施后，排气系统为满足法规要求，材料的防腐性能全面提升；实际应用中，可以根据排气系统所处的位置，承担的功能有区别的灵活的选择材料，既能提高产品的性能，降低产成本，又能达到节能环保的要求，使汽车轻量化。
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论文作者:张晓日
论文发表刊物:《基层建设》2017年第35期
论文发表时间:2018/3/23
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