不銹鋼在汽車排氣系統零件中的運用

韓宗斌

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著環境污染問題的日益嚴重，而汽車尾氣又是大氣污染源之一，極大地威脅著人們的生活，因此受到各國的重視和關注。由于汽車排放標準的逐漸提高且愈加苛刻，促使汽車設計向減輕自身質量、減少燃油消耗、減少廢氣排放方向發展。不銹鋼本身具有優良的性能，對提高汽車性能、設計輕量化、降低成本、減少油耗有著重要的作用。

文中對排氣系統的結構及功能作用進行了詳細的闡述，并對其使用的不銹鋼材料進行了介紹，為不銹鋼技術的研究人員提供一定的參考作用。

1 汽車排氣系統結構組成

汽車排氣系統按從前到后主要由以下部分組成：排氣歧管、排氣連接管、波紋軟管、三元催化器、消聲器、尾管、法蘭和密封件。排氣系統結構布置示意如圖1所示。由于排氣系統各部分所處的工作溫度高低不同，本身結構功能不同，因此，各部分使用的材料也不同。

圖1 排氣系統結構布置示意

2 不銹鋼在汽車排氣系統中的運用

汽車排氣系統各組成部分的工作環境及功能不同，其在材料選擇上也不同。前端靠近發動機的部件，由于在發動機廢氣排出口處，屬于高溫區域，要求材料具有高溫強度、熱疲勞、抗氧化、耐高溫氯腐蝕等性能。后端消聲器部分，由于遠離發動機，溫度較低，要求材料具有耐氯腐蝕、耐冷凝水腐蝕等主要性能。對于尾管裝飾部分，其可以從車身后部看到，除了要具有耐腐蝕性之外，還要求具有良好的加工成型性及外觀光澤。綜合考慮制造成本及使用性能因素，表1列出了汽車排氣系統各組成部分使用的不銹鋼材料。

表1 汽車排氣系統各組成部分使用的不銹鋼材料

下面將對排氣系統各組成部分功能作用及使用的材料進行詳細敘述。

2.1 排氣歧管

對于傳統的發動機，排氣歧管采用的是鑄鐵制造，零件結構質量比較笨重。隨著排放和油耗法規的越來越嚴格，發動機輕量化的設計要求越來越重要，排氣歧管由傳統的鑄鐵件向不銹鋼轉換，采用不銹鋼排氣歧管可以減輕零件本身質量的50%以上。

排氣歧管靠近發動機氣缸出口，它的作用是收集發動機各個氣缸排出的廢氣并排出。發動機廢氣的溫度達到700 ℃以上，不銹鋼排氣歧管要求其材料具備良好的耐高溫強度和耐熱疲勞特性;由于排氣歧管結構形狀比較復雜，也要求其材料具有良好的沖壓成型加工性和焊接性。

排氣歧管使用的不銹鋼材料主要有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼兩種。用于排氣歧管的奧氏體不銹鋼材料為SUS304，奧氏體不銹鋼具有良好的耐高溫強度，但其耐氧化性比較差，容易產生氧化皮剝落。鐵素體不銹鋼的高溫強度不如奧氏體不銹鋼，但耐氧化性要強于奧氏體不銹鋼，且鐵素體不銹鋼熱膨脹系數小，具有較好的熱疲勞穩定性，鐵素體不銹鋼排氣歧管材料主要有SUS409、SUS436，為了提高耐高溫強度，可以使用Cr含量高的SUS441、SUS444鐵素體不銹鋼。不銹鋼排氣歧管示意如圖2所示。

圖2 不銹鋼排氣歧管示意

2.2 排氣連接管

排氣連接管按布置的位置不同可以分為熱端部分和冷端部分。靠近發動機位置連接排氣歧管和三元催化器部分的連接管路為熱端管路，布置在后端連接消聲器部分的管路為冷端管路，排氣連接管通過彎管、擴口、縮口和焊接工藝制造，要求材料具有良好的機械加工成型性。排氣連接管用的不銹鋼材料通常是鐵素體不銹鋼，常用的是SUH409、SUS436不銹鋼材料，由于SUH409性價比較高，排氣連接管一般會優先選用SUH409，對耐腐蝕性和耐高溫性有更高要求時可以選用SUS436。

2.3 波紋軟管

波紋軟管一般位于排氣歧管與三元催化器之間，其作用主要是為了減振，阻止發動機的振動傳遞到排氣系統其他部件。波紋軟管結構如圖3所示，其由金屬波紋套管及包裹在套管上的不銹鋼絲網編織帶構成，因此，波紋軟管材料要求具有良好的加工成型性。由于溫度比較高，波紋軟管材料還需具有優良的抗高溫疲勞性能和高溫強度。

圖3 波紋軟管結構

由于工作溫度比較高，波紋軟管材料需要選用耐高溫性能好的奧氏體不銹鋼材料。目前，波紋軟管使用的材料一般多為SUS304不銹鋼。現在發動機的排放溫度越來越高，有的可以達到900 ℃以上，SUS304的高溫強度也不能滿足要求，此時可以選用耐高溫穩定性和強度更好的SUS321材料。

2.4 三元催化器

三元催化器起凈化排出尾氣的作用，它將發動機燃燒后排出的一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)和氮氧化物(NO)等有害氣體通過氧化還原作用轉變為無害的二氧化碳(CO)、水(HO)和氮氣(N)。三元催化器主要由催化器載體和催化器殼體組成，三元催化器工作溫度超過800 ℃，因此，要求三元催化器材料要有良好的高溫性能。

三元催化器外殼體，大部分使用的是SUS436、SUS439不銹鋼材料，但隨著排氣溫度的升高，目前還可能使用SUS430J1L或SUS429系等高溫特性更好的鐵素體系不銹鋼。三元催化器載體有陶瓷載體和使用了鐵素體系不銹鋼箔材制作的金屬載體，鐵素體系不銹鋼箔材載體的熱沖擊性能好且熱容量小，金屬載體使用的是Fe-20Cr-5Al鐵素體合金鋼。

2.5 消聲器

消聲器的作用是吸收和降低發動機的排氣噪聲，它主要由殼體、端蓋、內隔板、內管等組成，圖4為消聲器結構。當車輛停駛時，由于排氣溫度降低，消聲器內部會積累排氣廢氣中冷凝下來的腐蝕性水液，因此，消聲器材料要求具有良好的耐腐蝕性能。

圖4 消聲器結構

目前消聲器用的不銹鋼材料主要有SUH409、SUS436，SUS436耐腐蝕性能要優于SUH409。對外觀有更高要求的殼體和端蓋，還可以使用SUH409鍍鋁不銹鋼。

2.6 尾管

尾管位于排氣系統最后端，很多乘用車的尾管具有外觀裝飾作用，有復雜的各種造型，因此，尾管不僅需要美麗的外觀、高耐腐蝕性，還需要具有良好的加工成型性。對于沒有外觀要求的隱藏式尾管，選用SUH409 、SUS436不銹鋼材料就可以滿足使用要求。對于具有外觀裝飾作用的尾管，需要使用SUS304不銹鋼材料，且外觀采用拋光工藝或鍍鋁、鍍Cr工藝，使其具有漂亮的外觀要求。圖5為具有外觀裝飾作用的尾管。

圖5 具有外觀裝飾作用的尾管

2.7 法蘭和密封件

排氣系統各個部件之間通過法蘭連接，法蘭之間增加密封件用以防止漏氣。排氣系統連接法蘭常用的材料是Q235，為了達到輕量化要求，法蘭可以采用SUH409不銹鋼沖壓翻邊法蘭，圖6為不銹鋼沖壓翻邊法蘭。密封件主要有密封環、球形密封圈和平面密封墊等結構形式。密封環用SUS304不銹鋼帶纏繞而成，球形密封圈用SUS304不銹鋼帶纏繞成型后涂覆陶瓷和石墨層，如圖7所示。平面密封墊用SUS304不銹鋼薄片沖壓制造或SUH409不銹鋼薄片中間嵌壓石墨層制造，如圖8所示。

圖6 不銹鋼沖壓翻邊法蘭

圖7 密封環和球形密封圈

圖8 平面密封墊

3 結束語

目前，不銹鋼在汽車排氣系統中的運用已經很成熟，但隨著汽車設計向輕量化、低油耗、高性能方向發展，汽車排氣系統工作的溫度更高，對材料性能要求也更高，會促使不銹鋼材料廠家開發出更多高性能、低成本的新型不銹鋼材料。