胡光辉，丁吉民，左炜晨，张利

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽车排气系统不锈钢材料的应用

胡光辉，丁吉民，左炜晨，张利

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

根据汽车排气系统位置、功能的不同，有区别的选择不锈钢的材料，使排气系统各段能够达到汽车 “三包”使用寿命的要求。在设计时，平衡性能与成本的要素，灵活选用的不锈钢材料，既能取得良好的经济效益，又能为轻量化做出贡献。

排气系统；不锈钢；消声器；汽车“三包”

CLC NO.: U465.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-120-03

引言

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。

1、汽车排气系统材料

图1 排气系统各段组成Fig.1 Automotive exhaust system components

汽车排气系统主要分为8段（见图1），分别为排气歧管、前段管、波纹管、催化转化器、排气管路、辅消声器、主消声器和排气尾管。按照其所处的位置和使用性能，每一段对不锈钢材料都有不同的要求。一方面国Ⅴ排放标准在中国的全面实施，GB 18352.6-2016轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)也已经发布，北京等个别城市明确要求2018.01.01日施行国Ⅵ（京Ⅵ）；另一方面，新汽车“三包”规定提高了使用寿命；因此，对排气系统用不锈钢的高温耐腐蚀性能提出了更高的要求，下图是典型排气系统主要组成部分。

1.1 排气歧管

排气歧管通过钢片密封垫与发动机相连，是排气系统中温度最高的部件，汽车高速行驶时排气温度高达1000℃。以往采用铸铁制作；随着汽车轻量化的要求，现在主流汽车歧管管道采用厚度2.0mm且抗氧化和抗热疲劳的不锈钢管，并在铁素体不锈钢中加Nb 和Mo来改善热疲劳特性，进一步提高抗氧化及在使用环境中其材料组织的稳定性。如果汽车歧管中排温过高，建议使用Ni基合金和奥氏体不锈钢制作排气歧管。排气歧管现主要推荐使用SUS 441和SUS 444等高性能钢材。

图2 排气歧管Fig.2 Exhaust manifold

1.2 波纹管总成

波纹管总成位于排气歧管与催化器之间，其功能是缓解发动机的振动，具备抗高温疲劳耐久性，抗腐蚀性能；其形状为波纹状，常见结构为三层，波纹壁厚0.15mm～0.2mm，从内向外依次为：内衬管（缠绕管）、波纹管和不锈钢网或带，汽车上因控制的NVH性能需要，在波纹管两侧设计设计避免波纹管总成与排气系统共振的网状套，所以，也有4～5层结构的波纹管总成。因波纹管在制作时需要在厚度仅为0.2mm的不锈钢管上进行焊接及大变形量的鼓凸加工，所以通常采用奥氏体不绣钢，汽车“三包”后，SUS304是常用的材料，如需要更好的耐久性能，推荐用SUS321或SUS316Ti等。

表1 波纹管总成材料Tab.1 Flexible pipe materials

1.3 催化转化器TWC（壳体、载体、涂层）

汽车排放的有害物质，主要有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOX）、铅化合物、硫化合物等。目前最有效的治理方法是对汽车尾气在排放前进行催化净化，其基本原理是通过催化剂的作用，把汽车尾气中的CO、HC、NO 同时氧化-还原为二氧化碳（CO）、氮气（N2）和水蒸气（H2O），故称为三元催化器（TWC：Three-way catalytic converter）。

载体：三效催化器的载体主要有颗粒载体、陶瓷和金属蜂窝载体三种，随着三效催化剂对贵金属分散度、热稳定性的要求不断提高，汽车尾气净化主要使用堇青石蜂窝陶瓷载体（2MgO.2Al2O3.5SiO2）。孔截面为正方形，六边形蜂巢截面的载体也已经研发成功，载体有600cpsi/4mil（每平方英寸600目，壁厚为4英寸，下同），400 cpsi /6 mil,600 cpsi/3 mil,900 cpsi /2 mil等规格。

涂层（活性材料）：起催化作用的活性材料均匀涂覆在载体孔壁的表面上，是加速汽车排气氧化—还原反应，提高净化效率的根本因素，其关键在于配方及其涂覆工艺。活性材料一般为Pt（铂），Pd（钯），铑（Rh）三种贵金属，同时还有助催化剂成分的铯（Se）镧（La）镨（Pr）钕（Nd）等稀土成分。贵金属材料以极细的颗粒状散布在以γ-AL2O3为主的疏松的催化剂涂层表面，而涂层则涂在作为催化剂骨架的蜂窝状陶瓷载体上。排气系统的催化转化器中使用按一定比例的Pt, Pd, Rh贵金属配方，具体的贵金属使用量要根据发动机原始排放情况、催化器布置型式及布置位置等决定。随着600 cpsi /3mil，900cpsi/2mil等规格的薄壁载体的研发，高标准汽油的大面积推广和催化器厂家分层涂敷等技术的使用，载体中贵金属的使用呈下降趋势，催化器的成本也呈下降趋势。

贵金属催化剂中：CO/HC被氧化，NO被还原；铑、钯：将NO还原成氮；钯、铂：将 CO/HC氧化成水和二氧化碳；通过催化剂的作用，三元催化器内发生以下反应：

氮氧化物（NOX）的还原：

一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）的氧化：

从以上反应可知：汽车尾气中催化净化过程主要发生的是氧化-还原反应。Shlatter等根据汽车尾气发生的氧化-还原反应，定义了Shlatter常数“S”：

S的倒数为R，称为氧化-还原率，当R= 1时，CO、HC、NO反应到达化学计量比（Stoichiometry of reaction）即等量点，此时，空燃比V（空气）/V（燃料）（A/F）= 14.7, CO、NO的转化率达到最优化，三种尾气都有很高的转化率，催化剂转化效率随空燃比的变化称为催化剂的空燃比特性。

三效催化器是蜂窝型载体、氧化铝涂层、贵金属活性组份、稀土氧化物等各种助剂构成的复杂体系，各组成功能不同，相互协调，使催化剂具有良好的性能和较长的使用寿命。

排气系统催化转化器（TWC）安装在排气歧管内或排气歧管后的排气管路上，由于载体的正常工作温度在850℃～950℃，因此提高催化器的使用寿命一直是一项重要课题。目前，汽车上广泛采用的催化剂载体是用堇青石制成的蜂窝陶瓷载体。对于催化器的封装壳体，由于总是工作在高温、热冲击和高温耐盐腐蚀性条件下，所以主要使用SUS 439、SUS436材料。

表2 三元催化器材料Tab.2 Three-way catalytic main materials

1.4 消声器壳体

消声器一般布置在排气系统末端，也叫冷端，主要是降低尾气噪音。在汽车长时间行驶时，尾气温度达200℃左右，汽油燃烧后产生的水以水蒸气存在尾气中，消声器不会产生凝结液；而在低温或停车后，排气管温度降低，消声器内会聚集大量积水；凝结液中含有、、CI-有机酸，经过化验凝结液pH值为8～9，呈弱碱性，这种凝结液对不锈钢消声器有腐蚀作用。将搜集的凝结液加热后，pH值随加热温度的升高而降低；高速连续行驶的车，因其消声器内、CI-逐渐浓缩而诱发局部腐蚀。我们在选择消声器的钢材时，重点是要选择抗腐蚀性能优异的不锈钢，延长消声器的使用寿命，同时兼顾壳体成型的延展性；SUH 409、SUS 409L、SUS 430等不锈钢因抗腐蚀性能差，无法满足腐蚀要求，汽车“三包”规定后主要使用SUS 439、SUS436 和SUS441作为消声器壳体主要材料，材料中Cr的含量越来越高，提高防腐能力。

总之，在节能环保和汽车轻量化的满足的基础上，排气系统要解决高温下的材料防腐能力和耐热疲劳性能；下表是排气系统材料使用总结：

表3 排气系统组成和主要材料Tab.3 Exhaust system components and main materials

2、材料的实际应用

2.1 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Tab.3 Muffler shells materials

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。

2.2 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。

2.3 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。

3、总结

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。

[1] 汽车排气管用铁素体不锈钢的性能发展[J].宝山钢铁股份有限公司研究院,1998.

[2] 汽车排气系统材料的现状及发展[J].汽车工艺与材料,1997.

[3] 刘峥王建昕.汽车发动机原理教程[M]. 清华大学出版社.2001.09.

[4] 家用汽车产品修理、更换、退货责任规定.

[5] GB/T 29632—2013 家用汽车产品三包主要零件种类范围及三包凭证.

The Use of Stainless Steel for Automotive Exhaust System

Hu Guanghui, Ding Jimin, Zuo Huicchen, Zhang Li
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

According to the location and different function of the automotive exhaust system, there are different choice of stainless steel materials,so that the exhaust system components to meet the service life requirements of the Repair, replacement and return warranty of automobile.

In the design, the need to balance performance and cost, select the stainless steel materials, both to meet the exhaust system requirements, but also achieve good economic benefits and lightweight design for better fuel economy.

Exhaust System; Stainless Steel; Muffler; Repair; replacement and return warranty of automobile

U465.6

A

1671-7988 (2017)10-120-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.040

胡光辉（1981—），男，本科，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。主要从事乘用车进、排气系统工作。