不锈钢在汽车排气系统零件中的运用

韩宗斌

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

0 引言

随着环境污染问题的日益严重，而汽车尾气又是大气污染源之一，极大地威胁着人们的生活，因此受到各国的重视和关注。由于汽车排放标准的逐渐提高且愈加苛刻，促使汽车设计向减轻自身质量、减少燃油消耗、减少废气排放方向发展。不锈钢本身具有优良的性能，对提高汽车性能、设计轻量化、降低成本、减少油耗有着重要的作用。

文中对排气系统的结构及功能作用进行了详细的阐述，并对其使用的不锈钢材料进行了介绍，为不锈钢技术的研究人员提供一定的参考作用。

1 汽车排气系统结构组成

汽车排气系统按从前到后主要由以下部分组成：排气歧管、排气连接管、波纹软管、三元催化器、消声器、尾管、法兰和密封件。排气系统结构布置示意如图1所示。由于排气系统各部分所处的工作温度高低不同，本身结构功能不同，因此，各部分使用的材料也不同。

图1 排气系统结构布置示意

2 不锈钢在汽车排气系统中的运用

汽车排气系统各组成部分的工作环境及功能不同，其在材料选择上也不同。前端靠近发动机的部件，由于在发动机废气排出口处，属于高温区域，要求材料具有高温强度、热疲劳、抗氧化、耐高温氯腐蚀等性能。后端消声器部分，由于远离发动机，温度较低，要求材料具有耐氯腐蚀、耐冷凝水腐蚀等主要性能。对于尾管装饰部分，其可以从车身后部看到，除了要具有耐腐蚀性之外，还要求具有良好的加工成型性及外观光泽。综合考虑制造成本及使用性能因素，表1列出了汽车排气系统各组成部分使用的不锈钢材料。

表1 汽车排气系统各组成部分使用的不锈钢材料

下面将对排气系统各组成部分功能作用及使用的材料进行详细叙述。

2.1 排气歧管

对于传统的发动机，排气歧管采用的是铸铁制造，零件结构质量比较笨重。随着排放和油耗法规的越来越严格，发动机轻量化的设计要求越来越重要，排气歧管由传统的铸铁件向不锈钢转换，采用不锈钢排气歧管可以减轻零件本身质量的50%以上。

排气歧管靠近发动机气缸出口，它的作用是收集发动机各个气缸排出的废气并排出。发动机废气的温度达到700 ℃以上，不锈钢排气歧管要求其材料具备良好的耐高温强度和耐热疲劳特性;由于排气歧管结构形状比较复杂，也要求其材料具有良好的冲压成型加工性和焊接性。

排气歧管使用的不锈钢材料主要有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢两种。用于排气歧管的奥氏体不锈钢材料为SUS304，奥氏体不锈钢具有良好的耐高温强度，但其耐氧化性比较差，容易产生氧化皮剥落。铁素体不锈钢的高温强度不如奥氏体不锈钢，但耐氧化性要强于奥氏体不锈钢，且铁素体不锈钢热膨胀系数小，具有较好的热疲劳稳定性，铁素体不锈钢排气歧管材料主要有SUS409、SUS436，为了提高耐高温强度，可以使用Cr含量高的SUS441、SUS444铁素体不锈钢。不锈钢排气歧管示意如图2所示。

图2 不锈钢排气歧管示意

2.2 排气连接管

排气连接管按布置的位置不同可以分为热端部分和冷端部分。靠近发动机位置连接排气歧管和三元催化器部分的连接管路为热端管路，布置在后端连接消声器部分的管路为冷端管路，排气连接管通过弯管、扩口、缩口和焊接工艺制造，要求材料具有良好的机械加工成型性。排气连接管用的不锈钢材料通常是铁素体不锈钢，常用的是SUH409、SUS436不锈钢材料，由于SUH409性价比较高，排气连接管一般会优先选用SUH409，对耐腐蚀性和耐高温性有更高要求时可以选用SUS436。

2.3 波纹软管

波纹软管一般位于排气歧管与三元催化器之间，其作用主要是为了减振，阻止发动机的振动传递到排气系统其他部件。波纹软管结构如图3所示，其由金属波纹套管及包裹在套管上的不锈钢丝网编织带构成，因此，波纹软管材料要求具有良好的加工成型性。由于温度比较高，波纹软管材料还需具有优良的抗高温疲劳性能和高温强度。

图3 波纹软管结构

由于工作温度比较高，波纹软管材料需要选用耐高温性能好的奥氏体不锈钢材料。目前，波纹软管使用的材料一般多为SUS304不锈钢。现在发动机的排放温度越来越高，有的可以达到900 ℃以上，SUS304的高温强度也不能满足要求，此时可以选用耐高温稳定性和强度更好的SUS321材料。

2.4 三元催化器

三元催化器起净化排出尾气的作用，它将发动机燃烧后排出的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NO)等有害气体通过氧化还原作用转变为无害的二氧化碳(CO)、水(HO)和氮气(N)。三元催化器主要由催化器载体和催化器壳体组成，三元催化器工作温度超过800 ℃，因此，要求三元催化器材料要有良好的高温性能。

三元催化器外壳体，大部分使用的是SUS436、SUS439不锈钢材料，但随着排气温度的升高，目前还可能使用SUS430J1L或SUS429系等高温特性更好的铁素体系不锈钢。三元催化器载体有陶瓷载体和使用了铁素体系不锈钢箔材制作的金属载体，铁素体系不锈钢箔材载体的热冲击性能好且热容量小，金属载体使用的是Fe-20Cr-5Al铁素体合金钢。

2.5 消声器

消声器的作用是吸收和降低发动机的排气噪声，它主要由壳体、端盖、内隔板、内管等组成，图4为消声器结构。当车辆停驶时，由于排气温度降低，消声器内部会积累排气废气中冷凝下来的腐蚀性水液，因此，消声器材料要求具有良好的耐腐蚀性能。

图4 消声器结构

目前消声器用的不锈钢材料主要有SUH409、SUS436，SUS436耐腐蚀性能要优于SUH409。对外观有更高要求的壳体和端盖，还可以使用SUH409镀铝不锈钢。

2.6 尾管

尾管位于排气系统最后端，很多乘用车的尾管具有外观装饰作用，有复杂的各种造型，因此，尾管不仅需要美丽的外观、高耐腐蚀性，还需要具有良好的加工成型性。对于没有外观要求的隐藏式尾管，选用SUH409 、SUS436不锈钢材料就可以满足使用要求。对于具有外观装饰作用的尾管，需要使用SUS304不锈钢材料，且外观采用抛光工艺或镀铝、镀Cr工艺，使其具有漂亮的外观要求。图5为具有外观装饰作用的尾管。

图5 具有外观装饰作用的尾管

2.7 法兰和密封件

排气系统各个部件之间通过法兰连接，法兰之间增加密封件用以防止漏气。排气系统连接法兰常用的材料是Q235，为了达到轻量化要求，法兰可以采用SUH409不锈钢冲压翻边法兰，图6为不锈钢冲压翻边法兰。密封件主要有密封环、球形密封圈和平面密封垫等结构形式。密封环用SUS304不锈钢带缠绕而成，球形密封圈用SUS304不锈钢带缠绕成型后涂覆陶瓷和石墨层，如图7所示。平面密封垫用SUS304不锈钢薄片冲压制造或SUH409不锈钢薄片中间嵌压石墨层制造，如图8所示。

图6 不锈钢冲压翻边法兰

图7 密封环和球形密封圈

图8 平面密封垫

3 结束语

目前，不锈钢在汽车排气系统中的运用已经很成熟，但随着汽车设计向轻量化、低油耗、高性能方向发展，汽车排气系统工作的温度更高，对材料性能要求也更高，会促使不锈钢材料厂家开发出更多高性能、低成本的新型不锈钢材料。