Aplicación de acero inoxidable en el sistema de escape de automóviles
El acero inoxidable se ha utilizado en la fabricación de automóviles durante mucho tiempo, y los más utilizados son principalmente materiales decorativos, uno son materiales decorativos, principalmente mangos de acero inoxidable, tiras decorativas, pedales, etc.; el otro son los sistemas de escape, que se aplican principalmente a la resistencia a la corrosión del acero inoxidable, rendimiento de resistencia a altas temperaturas. Entre ellos, el consumo de acero inoxidable del sistema de escape representa la gran mayoría.
Según las últimas estadísticas publicadas por la Asociación de Fabricantes de Automóviles de China el 11 de enero, la producción y las ventas de automóviles de mi país en 2009 completaron 13.791 millones y 13.644 millones respectivamente, un aumento del 48% y 46% interanual. Si un automóvil usa un promedio de 30 kg de acero inoxidable para calcular, la industria automotriz en 2009 consumió 413,700 toneladas de acero inoxidable. Este artículo presenta principalmente la aplicación y el desarrollo del acero inoxidable en los sistemas de escape de los automóviles.
El sistema de escape del automóvil se compone de 7 componentes, que son el colector de escape, el tubo delantero, el tubo flexible, el convertidor catalítico, el tubo central, el silenciador principal y el tubo de escape en orden de distancia desde el motor. Algunos modelos también están equipados con varios convertidores catalíticos y silenciadores auxiliares.
La temperatura de servicio y el entorno de uso de cada componente del sistema de escape es diferente. Teniendo en cuenta el costo de fabricación, se utilizarán diferentes materiales de acero inoxidable y otros materiales. Por ejemplo, en la parte de alta temperatura (extremo caliente) cerca del motor, las principales características requeridas para los materiales componentes son resistencia a alta temperatura, características de fatiga térmica, resistencia a la oxidación a alta temperatura y resistencia a la corrosión por sal; mientras que en la parte alejada del motor (extremo frío),
Se requiere que el material sea resistente a la sal y a la corrosión por condensación de los gases de escape. Además, el tubo de escape expuesto en la parte trasera de la carrocería debe tener un aspecto hermoso además de ser resistente a la corrosión. El rendimiento requerido de la función y los materiales utilizados para cada componente se describen en detalle a continuación.
Colector de escape
El colector de escape es un componente que recoge los gases de escape descargados de cada cilindro del motor y los descarga al tubo de escape. Debido a que el colector de escape está instalado directamente en el motor y la temperatura de los gases de escape puede llegar a los 900 °C, los materiales utilizados deben tener una excelente resistencia a la oxidación, resistencia a altas temperaturas y propiedades de fatiga térmica; además, debido a la forma compleja del colector de escape, el material utilizado también debe tener una formabilidad excelente.
Según el método de fabricación, los colectores de escape de acero inoxidable se pueden dividir en dos categorías: una está formada por estampado y soldadura de placas de acero; el otro se forma doblando y soldando tubos de acero. Este último también incluye la estructura de la carcasa.
Hay dos tipos de acero inoxidable utilizados como colectores de escape, acero inoxidable austenítico y acero inoxidable ferrítico. El acero inoxidable austenítico tiene una excelente resistencia a altas temperaturas, pero debido a que la cascarilla de óxido es fácil de despegar, su resistencia a la oxidación no es tan buena como la del acero inoxidable ferrítico. El acero inoxidable austenítico utilizado para los colectores de escape incluye SUS304 (18Cr-8Ni), SUSXM15J1 (18Cr-13Ni-4Si), etc. Por otro lado, aunque el acero inoxidable ferrítico tiene una buena resistencia a la oxidación, su resistencia a altas temperaturas no es tan buena como la del acero inoxidable austenítico.
Sin embargo, debido al pequeño coeficiente de expansión térmica del acero inoxidable ferrítico, es superior al acero inoxidable austenítico en términos de características de fatiga térmica. El acero inoxidable ferrítico utilizado en los colectores de escape incluye SUH409L (11Cr-Ti-LC), SUS430J1L (18Cr-0.5Cu-Nb-LC, N), etc.
En los últimos años, a medida que las regulaciones sobre emisiones de gases de escape se han vuelto cada vez más estrictas, la temperatura de los gases de escape también ha aumentado a unos 950 ° C. En este momento, se puede utilizar acero inoxidable de la serie SUS444 (19Cr-2Mo). Además, para reducir costos, también se utiliza acero inoxidable SUS429 (15Cr) con un contenido de cr más bajo. En un colector de escape con estructura de manguito, el tubo interior suele estar hecho de acero inoxidable austenítico y el tubo exterior está hecho de acero inoxidable ferrítico.
Tubo delantero
El tubo delantero está ubicado entre el colector de escape y el tubo flexible. Para asegurar la actividad catalítica del convertidor catalítico aguas abajo, la radiación de calor del tubo delantero debe minimizarse para evitar que disminuya la temperatura de los gases de escape. Además, el tubo delantero también debe tener el efecto de reducir el ruido. Por estas razones, el tubo frontal está cambiando de la estructura tradicional de tubo de una sola capa a la estructura de carcasa de paredes delgadas. Los materiales utilizados para el tubo frontal son acero inoxidable ferrítico como SHU409L, SUS436L (17Cr-1Mo-LC, N) y SUS430J1L.
Cuando se adopta la estructura de la carcasa, a veces se utiliza acero inoxidable austenítico para el tubo interior. En el futuro, el acero inoxidable ferrítico de bajo costo con excelente resistencia a la oxidación y propiedades de fatiga térmica continuará manteniendo su condición de material principal del tubo frontal. Además, para hacer frente a la tendencia al aumento de la temperatura de los gases de escape y al adelgazamiento de la pared del tubo, se utilizarán aceros con un mejor rendimiento a altas temperaturas, como el acero inoxidable de grado SUS429.
Tubo flexible
El tubo flexible está ubicado entre el colector de escape y el catalizador, principalmente para evitar que la vibración del motor se transmita a otras partes del sistema de escape. El tubo flexible está compuesto por una manga corrugada y una trenza de malla de alambre de acero inoxidable que envuelve la manga. El material de la tubería flexible debe tener buenas características de fatiga a alta temperatura y, al mismo tiempo, debido a que tiene una forma corrugada, el material debe tener una buena trabajabilidad. Además, la sal para derretir la nieve se usa para evitar la congelación de la carretera en áreas frías, por lo que se requiere que el exterior de la tubería flexible tenga resistencia a la corrosión por sal a alta temperatura.
En la actualidad, el material utilizado para las tuberías flexibles es principalmente SUS304. Sin embargo, considerando que el exterior de la tubería debe ser resistente a la corrosión salina a alta temperatura en áreas frías, también se utiliza SUSXM15J1 con mayor rendimiento. Este grado de acero se agrega con Si y aumenta el contenido de Ni. . Recientemente, también se ha comenzado a utilizar SUS316L (18Cr-12Ni-2.5Mo-LC), que es más económico que SUSXM15J1 y tiene mejor resistencia a la corrosión intergranular que SUS304.
Convertidor catalítico (soporte y carcasa del catalizador)
Para reducir la contaminación del aire por los gases de escape de los automóviles, es necesario instalar un sistema de purificación de gases de escape llamado "convertidor catalítico". Puede convertir el monóxido de carbono y los contaminantes de hidrocarburos de los gases de escape en dióxido de carbono y agua, y convertir los contaminantes de óxido de nitrógeno (NO) en nitrógeno y oxígeno. El convertidor está compuesto por un catalizador, un catalizador auxiliar, un revestimiento de sellado y un soporte de catalizador.
Dado que el convertidor catalítico está ubicado cerca del colector de escape y debajo del chasis, debe poder resistir el entorno de servicio severo, como las altas temperaturas y las vibraciones. Para el soporte del catalizador, además del soporte cerámico de cordierita, también se utilizó un soporte metálico hecho de una hoja de acero inoxidable ferrítico. La razón para utilizar láminas de acero inoxidable ferrítico es su buen comportamiento frente al choque térmico y su pequeña capacidad calorífica.
El portador de catalizador metálico está compuesto por un mandril de panal hecho de lámina de acero inoxidable y una carcasa hecha de placa de acero inoxidable. El mandril de panal se fabrica enrollando una hoja plana y una hoja corrugada y uniéndolas mediante soldadura fuerte, soldadura o similares. La cáscara debe tener buena resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión por sales a altas temperaturas y procesabilidad.
Debido a que se requiere que la lámina tenga una excelente resistencia a la oxidación, se utiliza acero inoxidable ferrítico Fe-Cr-Al, como la aleación Fe-20Cr-5A1. Para mejorar la adhesión de la película de óxido, algunos grados de acero también han agregado una pequeña cantidad de elementos de tierras raras (REM) como Hf, Sc, Y y Ce. Su tendencia de desarrollo es mejorar aún más la resistencia a la oxidación de la hoja de acero inoxidable.
La carcasa del convertidor catalítico utiliza principalmente acero inoxidable SUS430 (17Cr), pero para hacer frente al aumento de la temperatura de los gases de escape, se ha utilizado acero inoxidable ferrítico con mejor rendimiento a altas temperaturas, como las series SUS430J1L y SUS429.
Tubo central
El tubo central conecta el catalizador y el silenciador principal. Algunos modelos también tienen un silenciador secundario instalado en el tubo central. La temperatura de los gases de escape en esta ubicación es relativamente baja, por lo que el rendimiento a alta temperatura del tubo central no es muy alto, pero los requisitos para su resistencia a la corrosión son muy altos. La resistencia a la corrosión de la superficie interior se debe principalmente a la corrosión causada por el agua condensada en los gases de escape, mientras que la superficie exterior tiene que resistir la corrosión causada por la sal de fusión de la nieve.
Tradicionalmente, el tubo central está hecho de una placa de acero al carbono aluminizado, pero como medida para resistir la corrosión en las superficies interior y exterior, la aplicación de acero inoxidable está aumentando rápidamente. El acero inoxidable utilizado para el tubo central es SUS410 (13Cr), SUH409L y SUS430.
Silenciador principal
La función del silenciador principal es absorber y reducir el ruido al expulsar los gases de escape. Se compone de una carcasa, un panel interior, un tubo interior, un panel final y otras partes. Cuando el automóvil conduce una larga distancia, debido al efecto de calentamiento de los gases de escape, la temperatura máxima del silenciador principal puede alcanzar los 400 ℃, por lo que la humedad no se condensará en este momento.
Pero cuando el automóvil conduce una distancia corta, la temperatura del silenciador principal no aumenta, por lo que la humedad se condensará en él. El agua condensada contiene NH + 4, CO23, SO24, Cl- y ácidos orgánicos. Cuando el motor se arranca y se detiene repetidamente, estas sustancias se concentran gradualmente. La aparición de condensado crea un ambiente muy corrosivo y húmedo dentro del silenciador. Por otro lado, la superficie exterior del silenciador está expuesta al ambiente corrosivo de la sal para derretir la nieve.
En la actualidad, el material principal del silenciador es principalmente SUS436L, pero el uso de SUS436J1L (17Cr-0.5Mo) está aumentando porque el grado de acero reduce la cantidad de Mo agregado y, por lo tanto, reduce el costo. En vista de la hermosa apariencia y la buena resistencia a la corrosión de la placa de acero inoxidable aluminizado, a veces se usa para carcasas y paneles finales.
Tubo de escape
El tubo de escape se encuentra detrás del silenciador principal y es la salida final de los gases de escape. También es una parte visible. Por lo tanto, el tubo de escape no solo debe ser resistente a la corrosión, sino también hermoso. Dado que la temperatura de los gases de escape en el tubo de escape ya es muy baja, basta con utilizar una placa de acero aluminizado. Pero a veces, por motivos estéticos, los aceros inoxidables ferríticos de alta pureza como SUS409L, SUS430, y también se utilizan SUS436 y acero inoxidable austenítico SUS304. Cuando existen requisitos especiales de apariencia, también se utilizan los principales grados de acero distintos del cromado o el revestimiento de aluminio por inmersión en caliente, y el YUS731 puede resistir la corrosión salina a alta temperatura.
La industria automotriz es un gran consumidor de acero inoxidable. Su aplicación incluye principalmente sistemas de escape y diversas piezas decorativas. El acero inoxidable de la serie 400 se utiliza principalmente y los tipos de acero representativos son 409L, 436L, 430, etc.
La industria del automóvil se ha convertido en una industria pilar para el consumo de acero inoxidable. En vista del hecho de que la industria del automóvil de China aún se encuentra en una etapa de rápido desarrollo, el papel del acero inoxidable en la fabricación de automóviles aún tiene un gran desarrollo. El acero inoxidable tiene un excelente rendimiento, protección ambiental y características reciclables. Creo que en los próximos años, la industria automotriz, especialmente la aplicación del acero inoxidable en los sistemas de escape de los automóviles, tendrá un mayor crecimiento en términos de cantidad y variedades de acero.