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[防腐蚀设计] SUS439M在汽车排气系统防腐中的应用研究

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发表于 2020-7-3 11:21:55 | 显示全部楼层 |阅读模式

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SUS439M在汽车排气系统防腐中的应用研究

余 勇,黄 平,范梅梅 (重庆长安汽车股份有限公司,重庆 401120)


【中国汽车材料网】摘 要:
通过晶间腐蚀试验、电化学试验、循环腐蚀试验,对SUS439M材料的腐蚀特性进行研究。采用静态中性盐雾试验、搭载实车路试试验,对SUS439M材料进行防腐性能研究和评价,并对路试试验后的点蚀坑深度进行测量和分析。结果表明,SUS439M能够满足长安某低端车型的防腐设计要求。

关键词:SUS439M;腐蚀特性;中性盐雾试验;路试试验;汽车排气系统
0 引言
汽车排气系统服役环境复杂恶劣,很容易发生腐蚀,一些部件甚至会腐蚀失效。国内油品质量较差,含硫量较高,由于燃烧而生成含有NH4+、CO32-、SO42-和有机酸等浓缩的强腐蚀性冷凝液,且排气管的温度比较高,更加速了排气系统的腐蚀[1]。用户的使用习惯、车辆的使用环境、道路融雪盐、汽车排气系统材料及结构等都是诱发腐蚀的重要因素。汽车排气系统的防腐问题一直是难点,整车强化腐蚀试验锈蚀严重,且售后锈蚀严重,三包索赔和维修频发。
长安某低端车型排气系统材料主要为SUS409不锈钢,售后锈蚀较为严重。造成汽车排气系统锈蚀的原因众多,但用户因素、油品质量、使用环境等为客观存在现实,无法控制,需从消声器本身设计着手,从源头上减少锈蚀的发生。因此,在某新开发车型中,为提升防腐性能,计划将材料全面升级为SUS436L不锈钢,但成本大幅增加。
新型铁素体不锈钢Nb-Ti(铌-钛)双稳定439(下文简称SUS439M)具有良好的耐腐蚀性能、成型性能、焊接性能和较低的成本[2]。为了在提升防腐性能的同时,又不增加太多成本,对SUS439M的防腐性能进行了研究。
以长安某低端车型排气系统为例,选取低温端前消声器总成进行SUS439M的防腐性能研究,为排气系统防腐材料的开发提供依据。
1 试验样件与方法
采用SUS409、SUS439M、SUS436L 3种材料制作长安某低端车型排气系统前消声器总成(包括筒体、缓冲管、端盖)样件,如图1所示。
从实验室测试和路试试验两个方面进行了研究。通过晶间腐蚀试验、电化学试验、循环腐蚀试验,研究了材料的腐蚀特性。采用GB/T 10125—2012《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》中的中性盐雾试验法(NSS试验)测试样件的耐静态中性盐雾腐蚀性,试验后按照GB/T 6461—2002《金属基体上金属和其他无机覆盖层经腐蚀试验后的试样和试件的评级》的要求进行检查,并判断其能否满足防腐设计要求。在重庆西部汽车试验场进行路试试验,对经过路试的样件进行切割,除锈之后观察不同部位的腐蚀形式和腐蚀情况,并进行点蚀坑深度的测量和分析。
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图 1 前消声器总成示意图

Figure 1 The scheme of front muffler assembly


2 试验结果与讨论
2.1 材料腐蚀特性研究
2.1.1 晶间腐蚀试验
采用双环电化学再活化(DL-EPR)测量方法,对SUS409、SUS439M、SUS436L 3种材质试样进行晶间腐蚀敏感性评估。3种试样的活化电流Ia、再活化电流Ir、再活化率Ra如表1所示。
表1 试样DL-EPR测试的各项参数

Table 1 DL-EPR test parameters of the samples

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由表1数据可知,3种材质试样的再活化率由大到小依次为:SUS409>SUS439M>SUS436L。再活化率Ra的数值越大,晶间腐蚀的敏感性越高。因此3种材料晶间腐蚀敏感性由高到低依次为:SUS409>SUS439M>SUS436L。
2.1.2 电化学试验
根据GB/T 17899.9—1999《不锈钢点蚀电位测量方法》测试SUS409、SUS439M、SUS436L 3种试样的平均点蚀电位,结果如表2所示。
表2 3种材料的平均点蚀电位对比

Table 2 Average pitting potential contrast among three materials

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由表2数据可知,点蚀电位由高到低依次为:SUS436L>SUS439M>SUS409。点蚀电位是用来确定薄板金属的耐点蚀能力的参数。对于不锈钢材质而言,点蚀电位越高,抗点蚀能力越强。由此可知,3种材料的抗点蚀能力由高到低依次为:SUS436L>SUS439M>SUS409。
2.1.3 循环腐蚀试验
采用Mazda法进行循环腐蚀试验,pH为8.0[3]。经Gumbel分布统计方式计算出的最大点蚀坑深度如表3所示。
表3 最大点蚀坑深度
Table 3 Maximum corrosion pit depth

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由表3数据可知,最大点蚀坑深度由大到小依次为:SUS409>SUS439M>SUS436L,由此可知,3种材料的耐腐蚀性能由高到低依次为:SUS436L> SUS439M>SUS409。
通过以上试验结果可知,3种材料的耐腐蚀能力由高到低依次为:SUS436L>SUS439M>SUS409。SUS439M和SUS436L的耐腐蚀性能均优于SUS409,均可达到提升防腐性能的作用,接下来对比SUS439M和SUS436L 2种材料的耐腐蚀性能的差异,对其能否满足汽车排气系统防腐蚀设计要求进行验证。
2.2 静态中性盐雾试验
按GB/T 10125—2012对SUS439M(8#)和SUS436L(9#)样件进行1 000 h的中性盐雾试验,在480 h、720 h和1 000 h 3个时间点分别观察样件的锈蚀情况,并按GB/T 6461—2002进行评级,由于样件为不锈钢材料,且表面无任何涂镀层,因此试验仅评价了基体金属的缺陷面积,缺陷面积越大,锈蚀就越严重,则评定等级越低。试验结果如表4所示。
表4 样件的中性盐雾试验结果
Table 4 Results of the samples’ neutral salt spray test

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由表4可以看出,试验480 h后,8#和9#样件均已产生5%面积的锈蚀,到试验720 h后腐蚀情况并未加重,两个样件的锈蚀面积完全相同。随着试验的进一步进行,1 000 h后锈蚀情况有所加重,8#样件锈蚀面积为9%,9#样件锈蚀面积为7%,8#样件的锈蚀情况更加严重,但相差并不明显。从以上结果可知:
(1) 在中性盐雾试验720 h内,SUS439M前消声器总成(8#样件)与SUS436L前消声器总成(9#样件)的防腐性能相当。
(2) 在中性盐雾试验1 000 h时,SUS439M前消声器总成的防腐性能稍弱于SUS436L前消声器总成,但也能满足长安某车型的防腐设计要求。
2.3 路试试验
2.3.1 路试情况
将SUS439M样件搭载于长安某车型上进行路试试验,试验情况如表5所示。
表5 路试试验情况
Table 5 Conditions of the road test

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路试试验后,消声器外表面覆盖了泥土和灰尘,很难看出具体的腐蚀程度,且内表面也覆盖了碳灰和油污,因此必须对样件进行清洗。采用软刷将消声器表面浮灰刷掉,并用丙酮浸泡除去油污后,用酒精擦净、吹干,再进行观察和分析。由于点蚀穿孔造成的消声器失效问题是排气系统失效的最主要问题之一,因此,将路试试验后的排气系统前消声器总成切割开,对其内部的腐蚀情况进行评价分析。
2.3.2 点蚀坑深度测量与分析
缓冲管是整个消声器中与腐蚀性气体和冷凝液接触最多的位置,其遭受到的腐蚀程度相对来说也会更加严重,而且其内外壁均遭受到腐蚀,因此选择缓冲管进行测量评价。
图2为路试后切取的前消声器总成样品。将缓冲管分为1#,2#,3#,4# 4个部分进行点蚀深度的测量。
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图2 路试后前消声器总成样品

Figure 2 Front muffler assembly sample after the road test


采用去离子水、浓硝酸和氢氟酸配制的除锈液进一步除锈,以对点蚀坑进行测量。使用深度计对点蚀坑深度进行测量,精度为0.001 mm。对SUS439M和SUS436L两种材料的样件进行对比评价,每个缓冲管测试2组数据。缓冲管不同位置最大点蚀坑深度如表6所示。
表6 两种材质缓冲管不同位置最大点蚀坑深度
Table 6 Maximum corrosion pit depth at different positions of buffer tanks with two materials mm

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从表6可以看出,1#位置腐蚀情况较轻,点蚀坑很少,除锈后的样品表面很干净。2#、3#位置腐蚀情况比较严重,但从数据来看点蚀坑深度不大。2#和3#位置的腐蚀比较严重可能是由于在该部位有吸音棉的原因,吸音棉可能会减缓气体的流动,使缓冲管更容易受到气体的腐蚀,且吸音棉会导致气体凝结在缓冲管上,进一步加剧腐蚀。由表6还可看出,SUS436L缓冲管的点蚀情况明显轻于SUS439M缓冲管。
缓冲管腐蚀情况如图3所示,从中也可以看出:点蚀坑深度虽然不大,但部分位置点蚀坑分布比较密集,点蚀坑直径很大,且SUS439M比SUS436L锈蚀更为严重。
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图3 缓冲管腐蚀情况

Figure 3 Corrosion condition of bufler tubes


上述测试结果表明,SUS439M样品和SUS436L样品的锈蚀情况都比较轻微,SUS439M的锈蚀程度相对而言更重一些,其防腐性能比SUS436L差,这也与材料腐蚀特性的研究结果一致。但从62 500 km路试试验的结果来看,SUS439M样件也能满足长安某低端车型3 a、6万km,无功能性腐蚀、无锈蚀穿孔的防腐设计要求。
3 结语
针对新型铁素体不锈钢SUS439M在汽车排气系统防腐开发中的应用研究,开展了一系列试验,得到以下结论:
(1) 在静态中性盐雾试验方面,SUS439M能够满足长安某低端车型的防腐设计要求。
(2) 在路试试验方面,SUS439M能够满足长安某低端车型3 a、6万km,无功能性腐蚀、无锈蚀穿孔的防腐设计要求。
(3) 在成本方面,SUS439M比SUS436L便宜2 000元/t左右,材料升级成本可大幅降低。
(4) 本研究中的路试试验为可靠性路试试验,与用户实际使用情况下的腐蚀环境存在较大差异,下一步将搭载实车进行整车强化腐蚀试验,开展进一步研究。
参考文献
[1]颜海涛,李鑫,毕洪运,等.汽车消声器的腐蚀失效分析[J].理化检验(物理分册),2008(3):43-46.
[2]覃怀鹏,陈海涛,郎宇平,等. 439M铁素体不锈钢点蚀诱发机理[J].钢铁,2015(9):91-96.

[3]李明轩,陈二虎,王学林,等.汽车排气系统用新型低成本铁素体不锈钢[A].中国汽车工程学会汽车防腐蚀老化分会第二届学术年会论文集[C],四川成都:中国汽车工程学会,2016.
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