Anwendung von Edelstahl in der Autoabgasanlage
Edelstahl wird seit langem im Automobilbau verwendet, und die am häufigsten verwendeten sind hauptsächlich dekorative Materialien, eines sind dekorative Materialien, hauptsächlich Edelstahlgriffe, Zierleisten, Pedale usw.; das andere sind Abgassysteme, die hauptsächlich auf die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl und die Hochtemperaturbeständigkeit angewendet werden. Darunter macht der Edelstahlverbrauch der Abgasanlage den weitaus größten Anteil aus.
Laut den neuesten Statistiken, die vom chinesischen Verband der Automobilhersteller am 11. Januar veröffentlicht wurden, haben die Automobilproduktion und der Verkauf meines Landes im Jahr 2009 13.791 Millionen bzw. 13.644 Millionen abgeschlossen, was einem Anstieg von 48 % bzw. 46 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Verwendet ein Auto zur Berechnung durchschnittlich 30 kg Edelstahl, verbrauchte die Automobilindustrie 2009 413,700 Tonnen Edelstahl. Dieser Artikel stellt hauptsächlich die Anwendung und Entwicklung von Edelstahl in Automobilabgassystemen vor.
Die Autoabgasanlage besteht aus 7 Komponenten, nämlich dem Abgaskrümmer, dem Vorderrohr, dem flexiblen Rohr, dem Katalysator, dem Mittelrohr, dem Hauptschalldämpfer und dem Endrohr in der Reihenfolge des Abstands vom Motor. Einige Modelle sind auch mit mehreren Katalysatoren und Zusatzschalldämpfern ausgestattet.
Die Betriebstemperatur und Einsatzumgebung jeder Komponente des Abgassystems ist unterschiedlich. In Anbetracht der Herstellungskosten werden verschiedene Materialien aus Edelstahl und anderen Materialien verwendet. Im Hochtemperaturteil (heißen Ende) in der Nähe des Motors sind beispielsweise die Haupteigenschaften, die für die Komponentenmaterialien erforderlich sind, Hochtemperaturfestigkeit, thermische Ermüdungseigenschaften, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Salzkorrosionsbeständigkeit; im motorfernen Teil (kaltes Ende),
Das Material muss beständig gegen Salz- und Abgaskondensationskorrosion sein. Darüber hinaus sollte das am Heck der Karosserie freiliegende Endrohr neben der Korrosionsbeständigkeit auch ein schönes Aussehen haben. Die für die Funktion erforderliche Leistung und die verwendeten Materialien für jede Komponente werden unten im Detail beschrieben.
Auspuffkrümmer
Der Abgaskrümmer ist eine Komponente, die Abgas sammelt, das von jedem Zylinder des Motors abgegeben wird, und es an das Abgasrohr abgibt. Da der Auspuffkrümmer direkt am Motor installiert ist und die Abgastemperatur bis zu etwa 900 °C betragen kann, müssen die verwendeten Materialien eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und Wärmeermüdungseigenschaften aufweisen; Darüber hinaus muss das verwendete Material aufgrund der komplexen Form des Abgaskrümmers auch eine hervorragende Formbarkeit aufweisen.
Gemäß dem Herstellungsverfahren können Auspuffkrümmer aus rostfreiem Stahl in zwei Kategorien unterteilt werden: Eine wird durch Stanzen und Schweißen von Stahlplatten gebildet; Das andere wird durch Biegen und Schweißen von Stahlrohren gebildet. Letzteres umfasst auch die Gehäusestruktur.
Es gibt zwei Arten von Edelstahl, die als Abgaskrümmer verwendet werden, austenitischer Edelstahl und ferritischer Edelstahl. Austenitischer Edelstahl hat eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit, aber da sich der Oxidzunder leicht ablöst, ist seine Oxidationsbeständigkeit nicht so gut wie bei ferritischem Edelstahl. Der für Abgaskrümmer verwendete austenitische Edelstahl umfasst SUS304 (18Cr-8Ni), SUSXM15J1 (18Cr-13Ni-4Si) und so weiter. Obwohl ferritischer rostfreier Stahl andererseits eine gute Oxidationsbeständigkeit aufweist, ist seine Hochtemperaturfestigkeit nicht so gut wie die von austenitischem rostfreiem Stahl.
Aufgrund des geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ferritischem Edelstahl ist dieser jedoch hinsichtlich der thermischen Ermüdungseigenschaften dem austenitischen Edelstahl überlegen. Der in Abgaskrümmern verwendete ferritische Edelstahl umfasst SUH409L (11Cr-Ti-LC), SUS430J1L (18Cr-0.5Cu-Nb-LC, N) usw.
In den letzten Jahren, da die Abgasemissionsvorschriften immer strenger wurden, ist auch die Abgastemperatur auf etwa 950°C angestiegen. Zu diesem Zeitpunkt kann Edelstahl der Serie SUS444 (19Cr-2Mo) verwendet werden. Darüber hinaus wird zur Kostenreduzierung auch Edelstahl SUS429 (15Cr) mit einem geringeren Cr-Gehalt verwendet. Bei einem Abgaskrümmer mit Muffenstruktur besteht das Innenrohr üblicherweise aus austenitischem Edelstahl und das Außenrohr aus ferritischem Edelstahl.
Vorderrohr
Das vordere Rohr befindet sich zwischen dem Auspuffkrümmer und dem flexiblen Rohr. Um die katalytische Aktivität des nachgeschalteten Katalysators zu gewährleisten, muss die Wärmeabstrahlung des Frontrohres minimiert werden, um ein Absinken der Abgastemperatur zu verhindern. Darüber hinaus muss das Frontrohr auch geräuschmindernd wirken. Aus diesen Gründen verlagert sich das Frontrohr vom traditionellen einlagigen Rohraufbau hin zum dünnwandigen Gehäuseaufbau. Die für das Frontrohr verwendeten Materialien sind ferritischer Edelstahl wie SHU409L, SUS436L (17Cr-1Mo-LC, N) und SUS430J1L.
Wenn die Gehäusestruktur verwendet wird, wird manchmal austenitischer Edelstahl für das Innenrohr verwendet. Auch in Zukunft wird kostengünstiger ferritischer Edelstahl mit hervorragender Oxidationsbeständigkeit und thermischen Ermüdungseigenschaften seinen Status als Hauptmaterial des Vorderrohrs behalten. Um dem Trend steigender Abgastemperaturen und dünnerer Rohrwandungen gerecht zu werden, werden außerdem Stähle mit besserem Hochtemperaturverhalten wie Edelstahl der Güteklasse SUS429 verwendet.
Flexibles Rohr
Das flexible Rohr befindet sich zwischen dem Abgaskrümmer und dem Katalysator, hauptsächlich um zu verhindern, dass die Vibrationen des Motors auf andere Teile des Abgassystems übertragen werden. Der flexible Schlauch besteht aus einer gewellten Hülse und einem Edelstahldrahtgeflecht, das die Hülse umhüllt. Das Material des flexiblen Rohres muss gute Hochtemperatur-Ermüdungseigenschaften aufweisen, und gleichzeitig muss das Material, da es in eine gewellte Form gebracht wird, eine gute Bearbeitbarkeit aufweisen. Darüber hinaus wird Schneeschmelzsalz verwendet, um das Einfrieren von Straßen in kalten Gebieten zu verhindern, so dass die Außenseite des flexiblen Rohrs eine Hochtemperatur-Salzkorrosionsbeständigkeit aufweisen muss.
Derzeit wird für flexible Rohre hauptsächlich SUS304 verwendet. Da jedoch die Außenseite des Rohres in kalten Bereichen gegen Hochtemperatur-Salzkorrosion beständig sein muss, wird auch SUSXM15J1 mit höherer Leistung verwendet. Dieser Stahlsorte wird Si zugesetzt und der Ni-Gehalt erhöht. . Seit kurzem wird auch SUS316L (18Cr-12Ni-2.5Mo-LC), das wirtschaftlicher als SUSXM15J1 ist und eine bessere Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion aufweist als SUS304, verwendet.
Katalysator (Katalysatorträger und Hülle)
Um die Verschmutzung der Luft durch Autoabgase zu reduzieren, ist es notwendig, ein Abgasreinigungssystem namens „Katalysator“ zu installieren. Es kann Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffschadstoffe im Abgas in Kohlendioxid und Wasser umwandeln und Stickoxid (NO)-Schadstoffe in Stickstoff und Sauerstoff umwandeln. Der Konverter besteht aus Katalysator, Hilfskatalysator, Versiegelungsbeschichtung und Katalysatorträger.
Da sich der Katalysator in der Nähe des Abgaskrümmers und unter dem Chassis befindet, muss er den rauen Einsatzbedingungen wie hohen Temperaturen und Vibrationen standhalten. Als Katalysatorträger wurde neben dem Cordierit-Keramikträger auch ein Metallträger aus ferritischer Edelstahlfolie verwendet. Der Grund für die Verwendung von ferritischer Edelstahlfolie ist ihre gute Thermoschockleistung und geringe Wärmekapazität.
Der Metallkatalysatorträger besteht aus einem Wabendorn aus Edelstahlfolie und einem Mantel aus Edelstahlblech. Der Wabendorn wird hergestellt, indem Flachfolie und Wellfolie gewickelt und durch Hartlöten, Schweißen oder dergleichen verbunden werden. Die Schale muss eine gute Hochtemperaturfestigkeit, Hochtemperatursalzkorrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit aufweisen.
Da die Folie eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit aufweisen muss, wird ferritischer rostfreier Fe-Cr-Al-Stahl, wie beispielsweise eine Fe-20Cr-5A1-Legierung, verwendet. Um die Haftung des Oxidfilms zu verbessern, haben einige Stahlsorten auch eine kleine Anzahl von Seltenerdelementen (REM) wie Hf, Sc, Y und Ce hinzugefügt. Der Entwicklungstrend besteht darin, die Oxidationsbeständigkeit von Edelstahlfolien weiter zu verbessern.
Das Gehäuse des Katalysators besteht hauptsächlich aus Edelstahl SUS430 (17Cr), aber um den Anstieg der Abgastemperatur zu bewältigen, wurde ferritischer Edelstahl mit besserer Hochtemperaturleistung verwendet, wie z. B. die Serien SUS430J1L und SUS429.
Mittelrohr
Das Zentralrohr verbindet den Katalysator und den Hauptschalldämpfer. Bei einigen Modellen ist auch ein Sekundärschalldämpfer im Mittelrohr verbaut. Die Abgastemperatur an dieser Stelle ist relativ niedrig, daher ist die Hochtemperaturleistung des Mittelrohres nicht sehr hoch, aber die Anforderungen an seine Korrosionsbeständigkeit sehr hoch. Die Korrosionsbeständigkeit der Innenfläche dient hauptsächlich der Korrosion, die durch das Kondenswasser im Abgas verursacht wird, während die Außenfläche der durch das Schneeschmelzsalz verursachten Salzkorrosion widerstehen muss.
Traditionell besteht das Mittelrohr aus aluminisiertem Kohlenstoffstahlblech, aber als Maßnahme zur Korrosionsbeständigkeit an den Innen- und Außenflächen nimmt die Verwendung von Edelstahl schnell zu. Der für das Mittelrohr verwendete Edelstahl ist SUS410 (13Cr), SUH409L und SUS430.
Hauptschalldämpfer
Die Funktion des Hauptschalldämpfers besteht darin, die Geräusche beim Ablassen von Abgas zu absorbieren und zu reduzieren. Es besteht aus einer Schale, einer Innenplatte, einem Innenrohr, einer Endplatte und anderen Teilen. Wenn das Auto über eine lange Strecke fährt, kann die maximale Temperatur des Hauptschalldämpfers aufgrund der Erwärmungswirkung des Abgases etwa 400 ° C erreichen, sodass zu diesem Zeitpunkt keine Feuchtigkeit darin kondensiert.
Wenn das Auto jedoch eine kurze Strecke fährt, steigt die Temperatur des Hauptschalldämpfers nicht an, sodass Feuchtigkeit darin kondensiert. Kondenswasser enthält NH+4, CO23, SO24, Cl- und organische Säuren. Wenn der Motor wiederholt gestartet und gestoppt wird, werden diese Substanzen allmählich konzentriert. Das Auftreten von Kondensat erzeugt eine sehr korrosive und feuchte Umgebung im Schalldämpfer. Andererseits ist die Außenfläche des Schalldämpfers der korrosiven Umgebung von Schneeschmelzsalz ausgesetzt.
Gegenwärtig ist das Hauptschalldämpfermaterial hauptsächlich SUS436L, aber die Verwendung von SUS436J1L (17Cr-0.5Mo) nimmt zu, da die Stahlsorte die zugesetzte Mo-Menge reduziert und somit die Kosten senkt. Aufgrund des schönen Aussehens und der guten Korrosionsbeständigkeit von aluminiertem Edelstahlblech wird es manchmal für Gehäuse und Endplatten verwendet.
Endrohr
Das Endrohr befindet sich hinter dem Hauptschalldämpfer und ist der letzte Auslass des Abgases. Es ist auch ein sichtbarer Teil. Daher muss das Endrohr nicht nur korrosionsbeständig, sondern auch schön sein. Da die Abgastemperatur am Endrohr bereits sehr niedrig ist, reicht es aus, eine aluminisierte Stahlplatte zu verwenden. Aber manchmal aus ästhetischen Gründen werden hochreine ferritische Edelstähle wie SUS409L, SUS430, und SUS436 und austenitischer Edelstahl SUS304 werden ebenfalls verwendet. Wenn besondere Anforderungen an das Aussehen gestellt werden, werden auch die wichtigsten Stahlsorten außer Verchromung oder Schmelztauchaluminium verwendet, und YUS731 hält Hochtemperatur-Salzkorrosion stand.
Die Automobilindustrie ist ein bedeutender Verbraucher von Edelstahl. Seine Anwendungsteile sind hauptsächlich Auspuffanlagen und verschiedene Zierteile. Der Edelstahl der Serie 400 wird hauptsächlich verwendet, und die repräsentativen Stahlsorten sind 409L, 436L, 430 usw.
Die Automobilindustrie hat sich zu einer tragenden Industrie für den Edelstahlverbrauch entwickelt. Angesichts der Tatsache, dass sich Chinas Automobilindustrie noch in einem rasanten Entwicklungsstadium befindet, ist die Rolle von Edelstahl im Automobilbau noch stark gewachsen. Edelstahl hat hervorragende Leistung, Umweltschutz und recycelbare Eigenschaften. Ich glaube, dass in den nächsten Jahren die Automobilindustrie, insbesondere der Einsatz von Edelstahl in Autoabgasanlagen, ein größeres Wachstum hinsichtlich Menge und Stahlsorten aufweisen wird.