排氣系統的製作方法
2023-06-28 18:52:01
專利名稱：排氣系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於機動車輛的包括由施有覆層的鋼板製成的部件的排氣系統。
背景技術：
機動車輛中的排氣系統的部件通常由諸如不鏽鋼之類的耐高溫和抗腐蝕的材料製成。通常，這種部件由壁厚高達IOmm的鋼製成。為了滿足由車輛製造商給出的對於排氣系統的使用壽命的保證，需要較高的壁厚。出於外觀的原因，部件通常設置有鎳的基層和鉻
的覆層。此外，已知也會使用設置有鋁覆層的鋼板。雖然覆有鋁的鋼板在抗熱衝擊負荷方面是穩定的，但是它們不足以抵抗諸如廢氣冷凝物之類的滯留的腐蝕液體且不足以抵抗縫隙腐蝕。US-A3, 762，884描述了一種對低合金奧氏體鋼的使用，該低合金奧氏體鋼覆有以火焰噴塗工藝施加的鉻鎳合金並且隨後被轉換成含鉻的鎳鋁層。奧氏體鋼的用途具有高的合金化成本。利用火焰噴塗方法來施加多成分層也是昂貴且能源消耗量大的。因此，對於在用於機動車輛的排氣系統中使用的低成本材料存在不斷的需求，這該低成本材料應不僅適於加工且適用於輕質設計應用，而且也是抗腐蝕的且是抗熱衝擊的。
發明內容
根據本發明，該目的通過根據權利要求1所述的排氣系統來實現。根據本發明的用於機動車輛的排氣系統包括由施有覆層的鋼板製成的部件並且其特徵在於，該鋼板的厚度至多為4.5mm，優選地至多為2.5mm，並且該鋼板由鐵素體不鏽鋼形成，該鐵素體不鏽鋼的鉻含量為10.5%至25%、鑰含量為0%至2.5%、鈦和/或鈮含量每個均為0.1%至1.2%，並且該覆層由鎳構成。鐵素體不鏽鋼是呈現出良好的成形性和良好的抗腐蝕性的廉價的大眾產品。可以以低成本通過已知的卷對卷電鍍系統將鎳覆層施加到鋼板上，並且該鎳覆層同樣呈現出對諸如廢氣冷凝物之類的滯留液體的和對環境影響的良好的抗腐蝕性。選定的鐵素體鋼材與鎳覆層的結合意外地使得能夠製造出價格合適且仍然具有適合於輕型結構的壁厚的機械穩定的部件，該部件仍然滿足機動車輛製造商在保證的使用壽命內在排氣系統的抗腐蝕性方面的要求。在本發明的意圖內，不鏽鋼被理解為意指碳含量至多為1.2%且鉻含量至少為
10.5%的鋼。除非指出不同的基準量，否則所有的百分數都基於重量百分比。由於鈮以與鉭相結合的形式出現，並且這兩種元素具有相同的冶金性能並且很難分離，因此出於本發明的目的，「鈮」意指也包括鈮和鉭的混合物。奧氏體鋼以面心的立方晶格的形式結晶並且通常具有使奧氏體結構穩定的高鎳含量。然而，由於高合金化成本，因此奧氏體鋼的製造是昂貴的。鐵素體鋼以體心的立方晶格的形式結晶並且通常呈現出比奧氏體鋼更好的抗應力腐蝕開裂性。鑰的添加進一步提高了該抗腐蝕性，並且另外使鐵素體結構穩定。根據本發明，因此含鑰的鐵素體鋼被隨意地用於製造施有覆層的鋼板。根據本發明所使用的鋼板還包括鈦和/或鈮，含量每個均為0.1%至1.2%。鈦和/或鈮的添加與游離碳相結合併帶來了更好的焊接性。在從屬權利要求中指出了本發明的有利實施方式，這些有利實施方式可選擇性地進行彼此結合。按照根據本發明的排氣系統的優選實施方式，鋼板的鉻含量處於10.5%至20%的範圍。鉻含量超過20%，特別是在高溫下，會出現向奧氏體晶體結構的轉變。特別優選地，鉻含量處於16%至20%的範圍並且鑰含量總計為0.8%至2.5%。這些鋼種是容易獲得的並且甚至在排氣系統中出現的溫度下，這些鋼種也在鐵素體結構中以穩定的狀態存在。鋼板的碳含量優選地處於0.01%至0.15%的範圍，特別優選地處於0.02%至0.1%
的範圍。低碳含量有利於鋼板的抗腐蝕性。優選地，根據本發明所使用的鋼板的鈦和/或鈮含量每個均為0.1%至1%，特別優選地為0.1%至0.6%。更高的鈦和/或鈮含量將提高合金化成本，但出於在排氣系統中使用的目的，並不導致性能的改善。根據另一優選地 實施方式，根據本發明所使用的鋼板具有相對抗點蝕性，也被稱為抗點蝕當量(Pitting Resistance Equivalent)或PRE值,其被定義為:PRE=%Cr+3 * %MoPRE=I0.5至25。PRE值表示不鏽鋼在含有氯化物的環境中的相對抗點蝕性。PRE值越高，鋼的抗點蝕性就越大。發明人已經發現在腐蝕狀況下，鐵素體鋼板的相對抗點蝕性對鎳覆層的性能產生相當大的影響。該影響是由於在排氣系統的腐蝕環境中在鎳覆層與鐵素體基片之間存在電化學腐蝕電位。因此，通過PRE值，可將覆鎳鋼板分類如下:I)在PRE值小於10.5的情況下，鋼基片不能被認為是不鏽鋼，並且因此這種鋼基片不是根據本發明的鋼基片。2)在PRE值為10.5至17的情況下，鋼基片具有比鎳覆層低的電化學腐蝕電位。因此，鎳覆層是陰極保護的，並且腐蝕將侵襲該鋼基片。這意味著鎳覆層將在較長的時期內保持其表面質量並且將在視覺上保持完整無缺。因此，根據本發明的PRE值為10.5至17的覆鎳鋼板更特別地適於用在排氣系統的可見側上以抵抗外部腐蝕。在這種情況下，鎳覆層優選地具有高緊密度以有效地保護鋼基片免受局部腐蝕的影響。3)PRE為17至19的鋼板呈現出大致對應於鎳覆層的腐蝕電位的電化學腐蝕電位。因此，鎳覆層不再是陰極保護的並且因此將在腐蝕環境中更快地脫色。在鋼基片的孔處的腐蝕侵襲對鎳覆層是不利的。因此，對鎳覆層的緊密度的要求會比在PRE值低於17的不鏽鋼基片的情況下低。4)在鋼板的PRE值為19或更高的情況下，電化學腐蝕電位低於鎳覆層的腐蝕電位。因此，腐蝕將侵襲該鎳覆層，該鎳覆層將在排氣系統的腐蝕狀況下更快地脫色。另一方面，鋼基片是由鎳覆層進行陰極保護的。因此，對於在排氣系統的可見側上的應用，會影響鎳層的額外鈍化。根據本發明的覆鎳鋼板特別地適用於排氣系統領域中的輕型設計應用。因此根據本發明的由鐵素體不鏽鋼形成的鋼板的厚度優選地為0.4mm至2.5_。厚度小於0.4mm的鋼板在大多數情況下是非常不穩定的並且難以加工。由厚度大於2.5mm的鋼板製成的部件由於更高的重量而並不是優選的，並且由壁厚大於4.5mm的鋼板製成的部件太重。特別優選地，鋼板的厚度為0.4mm至1.2mm。已經證明，還甚至可將根據本發明的厚度最多達到1.2mm的鋼板用於製造在保證的使用壽命期間免受腐蝕的機械穩定的排氣系統部件。使用具有這種低壁厚的部件導致相當大的重量節省，並且因此導致較低的燃料消耗。此外，製造排氣系統的材料的成本也較低。優選地通過電沉積將鎳覆層施加到鋼板上。電鍍浴中的沉積是在技術上被證實的，並且可快速地且以較低的成本特別是在具有所需緊密度的卷對卷電鍍線上進行。根據優選實施方式，鋼板上的鎳覆層包括一個或更多個鎳層，這一個或更多個鎳層的總厚度處於3 μ m至20 μ m。層厚小於3 μ m通常並不是足夠緊密的並且易於產生局部腐蝕。層厚度大於20 μ m的層則過於昂貴。可在沒有任何其它的熱處理的情況下加工該覆鎳鋼板。作為選擇，可如現有技術中通常已知的那樣，另外進行擴散處理。一方面，該擴散處理導致改善了鎳覆層的粘附，另一方面，增大了層的密度並由此提高了局部抗腐蝕性。在至少一個電鍍鎳層中的磷含量優選地總計至多1%，特別優選地至多0.5%。具有較高磷含量的鎳層通常是過軟的並且會在排氣系統中存在機械和熱負荷的情況下失效。本發明的另一主題 是根據任何一個上述實施方式的覆鎳鋼板作為用於機動車輛的排氣系統中的部件的用途，該鋼板的厚度至多為4.5_，優選地至多為2.5_，並且該鋼板由鉻含量為10.5%至25%、鑰含量為0%至2.5%、鈦和/或鈮含量每個均為0.1%至1.2%的鐵素體不鏽鋼形成。根據優選實施方式，該部件是排氣管道的一部分、排氣管、消聲器的一部分，或廢氣處理裝置的殼體，特別是催化轉換器的殼體或柴油顆粒過濾器的殼體。根據應用，這些部件可被暴露於高達約900 °C的溫度。特別優選地，由覆鎳鋼板製成的部件設置在排氣系統的其中的冷凝物由廢氣的組分形成的區域內。在這種情況下，鎳覆層面對具有腐蝕性的冷凝物。隨後，在這些區域中可以以最優的方式防止任何局部腐蝕和/或由滯留液體所產生的腐蝕。
現在將在下面參考優選的示例性實施方式和附圖描述本發明，其中:圖1示出了包括根據本發明的排氣系統在內的機動車輛的內燃機的示意圖。
具體實施例方式作為示例，圖1示出了機動車輛的內燃機10和設置在下遊的排氣系統12。該排氣系統12具有延伸遠至法蘭14的歧管段16和在下遊鄰接該歧管段16的底部段18，歧管段16和底部段18通過振動解耦裝置20彼此連接。
內燃機10通過具有第一管段22的排氣管鄰接，該第一管段22通向具有氧化催化轉換器的顆粒接收累積器(accumulator) 24。在顆粒接收累積器24的緊下遊，渦輪增壓器26安置在歧管段16中。作為選擇，該顆粒接收累積器24的位置和該渦輪增壓器26的位置也可以互換。同樣設置在歧管段16中，更為具體地設置在顆粒接收累積器24與渦輪增壓器26的下遊的是NOx存儲器28。底部段18包括通向顆粒過濾單元32的長的廢氣管道30。顆粒過濾單元32可以是普通的煤煙過濾器，該顆粒過濾單元32具有董青石(cordierite)構成的基片或過濾器插件34和布置在上遊的氧化催化轉換器38。如果過濾器插件34的上遊部分是適當覆層的，則可省去該氧化催化轉換器38。該顆粒過濾單元32與管段40鄰接，該管段40通向消聲器(未不出)並排出廢氣。排氣系統的於此所述的部件在現有技術中同樣是已知的並且可根據所使用的燃料的種類和該排氣系統的應用區域而改變。該排氣系統的所有部件都暴露於遠高於250°C並且可高達900°C的高溫。由於在排氣系統的工作期間的溫度變動，在部件處存在相當大的交變負荷。此外，在排氣系統的較冷點處，可以觀察到由廢氣的組分所形成的具有高度腐蝕性的冷凝物。此外，在機動車輛的工作期間，排氣系統的可見側也經常暴露於腐蝕環境中，例如在冬季期間受到道路用鹽的作用。因此，要求排氣系統的部件至少在由車輛製造商所保證的使用壽命期間抗腐蝕。但是，同時為了降低燃料消耗，存在對於較低車輛重量的需求。因此，根據本發明，排氣系統12的單個或若干個部件、特別是排氣管道的諸如排氣管22和30之類的一部分、消聲器的一部分或廢氣處理裝置的殼體、特別是氧化催化轉換器38的殼體或顆粒過濾單元24和32的殼體由覆有鎳的鋼板形成，該鋼板的厚度至多為
2.5mm並且由鉻含量為10.5%至25%、鑰含量為0%至2.5%、且鈦和/或鈮含量每個均為0.1%至1.2%的鐵素體不鏽鋼形成。對於鋼種的劃分，參照DIN EN 10020:2007-03。可以以低成本通過已知的卷對卷電鍍系統將鎳覆層施加到鋼板上，呈具有所需緊密度的一個或更多個層的形式，並且該鎳覆層意外地既呈現出對諸如冷凝物之類的滯留液體的良好的抗腐蝕性，又呈現出對環境影響的良好的抗腐蝕性。對於鎳覆層而言，可以使用如在現有技術中已知的電鍍浴一樣的電鍍浴。例如，適用的電鍍浴為利用鎳鹽，特別是處於酸性溶液(pH為4到5)中、特別是處於硼酸中的硫酸鎳和氯化鎳進行電鍍浴。根據優選實施方式，鐵素體鋼板的鉻含量處於10.5%到20%的範圍。作為這種鋼的示例，可提及鋼種1.4512。 特別優選地，鉻含量處於16%到20%的範圍，並且鑰含量總計處於0.8%與2.5%之間。鋼種1.4526和鋼種1.4513為這些鋼的示例。根據本發明的鋼板的碳含量優選地處於0.01%到0.15%的範圍，特別優選地為
0.02% 至 0.08%ο在上述實施方式中，優選地，根據本發明所使用的鋼板的鈦和/或鈮含量每個均為0.1%至1%，特別優選地每個均為0.1%至0.6%。
根據特別優選的實施方式，根據本發明的所使用的鋼板具有相對抗點蝕性(PRE值)，該抗點蝕性被定義為PRE=%Cr+3*%Mo，該PRE值從10.5至高達25並且包括25，優選從
10.5至約19。在PRE值的該範圍，鎳覆層或者是陰極保護的且將保持視覺上的完整性，或者在鋼基片處的腐蝕不受鎳覆層的負面影響。根據更為有利的優選實施方式，根據本發明的鐵素體不鏽鋼形成的鋼板的厚度為
0.4mm 至 1.2mm。優選地，鋼板在兩側上都設置有鎳覆層。然而，就成本效率而言，在所有的實施方式中也可僅在鋼板的在安裝狀況中受到排氣系統中的腐蝕侵襲的側部上施加鎳覆層。可利用已知的成形技術和/或焊接方法來處理覆鎳鋼板以形成排氣系統的部件，而無需任何其它的熱處理。根據另一實施方式，可額外地如在現有技術中通常已知的那樣執行擴散處理。首先，該擴散處理導致改善了鎳覆層的粘附，其次，該擴散處理增大了層的密度並由此提高了局部抗腐蝕性。由覆鎳鋼板製成的部件優選地設置在排氣系統內的其中的冷凝物由廢氣的組分形成的區域中。則可以最適宜的方式減少在這些區域中的任何局部腐蝕和/或由滯留的液體所產生的腐蝕。
_0] 鹽霧試驗中的人工老化研究為了檢測根據本發明的覆鎳鋼板與無覆層的鋼板相比較的抗腐蝕性，進行人工老化試驗。為此，首先將尺寸為IOOmmX IOOmm的不同的試驗樣本保持在室溫下或者加熱到300°C至500°C的溫度3.5小時，隨後利用氯化鈉溶液(在蒸餾水中NaCl的重量百分比為5%)對這些試驗樣本噴淋4小時。隨後使試驗樣本在溫度為20°C至40°C且空氣溼度為70%至95%的交變冷凝環境中經歷4小時。隨後，模擬溫度為20°C且空氣溼度為65%的室內氣候12.5小時。重複進行這四部處理循環若干次。隨後就腐蝕部位對試驗樣本進行視覺檢查。所述老化試驗對應於排氣系統的部件在約4年的時間段內在正常的操作狀況下的負載。檢測了等級為1.4510,1.4512和1.4509 (DIN EN 10088-2)的鐵素體不鏽鋼的三塊鋼板和一塊等級為1.4301 (DIN EN 10088-2 ;AISI304)的奧氏體不鏽鋼的無覆層的鋼板，以卷對卷電鍍線的方式為每塊鋼板覆鎳。鎳層的總厚度總計為約3μπι至ΙΟμπι。下表中 表明了鹽霧試驗的結果。表
權利要求
1.一種用於機動車輛的排氣系統，包括由施有覆層的鋼板製成的部件，其特徵在於，所述鋼板的厚度至多為4.5mm並且所述鋼板由鐵素體不鏽鋼形成，所述鐵素體不鏽鋼的鉻含量為10.5%至25%、鑰含量為0%至2.5%、鈦和/或鈮含量每個均為0.1%至1.2%，並且所述覆層由鎳構成。
2.根據權利要求1所述的排氣系統，其特徵在於，所述鋼板的鉻含量處於10.5%至20%的範圍。
3.根據權利要求1或2所述的排氣系統，其特徵在於，所述鋼板的鉻含量處於16%至20%的範圍並且鑰含量為0.8%至2.5%。
4.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統，其特徵在於，所述鋼板的鈦和/或鈮含量每個均為0.1%至0.6%。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統，其特徵在於，所述鋼板的碳含量處於0.01%至0.15%的範圍。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統，其特徵在於，所述鋼板具有由PRE=%Cr+3 * %Mo定義的PRE=IO至25的抗點蝕性。
7.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統，其特徵在於，所述鋼板的厚度為0.4mm 至 2.5mm。
8.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統，其特徵在於，所述鋼板的厚度至多為2.5mm,特別地為0.4mm至1.2mm。
9.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統，其特徵在於，所述鎳覆層包括一個或更多個鎳層，所述一個或更多個鎳層的總覆層厚度為3 μ m至20 μ m。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統，其特徵在於，所述鎳覆層中的磷含量總計至多1%。
11.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統，其特徵在於，所述施有鎳覆層的鋼板是經擴散處理的。
12.根據權利要求1至11中的任一項所述的施有鎳覆層的鋼板作為用於機動車輛的排氣系統中的部件的應用，其特徵在於，所述鋼板的厚度至多為4.5_，特別地至多為2.5mm,並且所述鋼板由鐵素體不鏽鋼形成，所述鐵素體不鏽鋼的鉻含量為10.5%至25%，鑰含量為0%至2.5%，鈦和/或鈮含量每個均為0.1%至1.2%。
13.根據權利要求12所述的用途，其特徵在於，所述部件是排氣管道的一部分、排氣管、消聲器的一部分或廢氣處理裝置的殼體，特別是催化轉換器的殼體或柴油機顆粒過濾器的殼體。
14.根據權利要求12或13所述的用途，其特徵在於，所述施有覆層的鋼板設置在所述排氣系統內並且所述施有覆層的鋼板暴露於滯留液體的腐蝕，所述鎳覆層面向所述滯留液體。
全文摘要
本發明涉及一種用於機動車輛的具有由施有覆層的鋼板製成的部件的排氣系統。該鋼板的厚度至多為4.5mm並且該鋼板由鐵素體不鏽鋼形成，該鐵素體不鏽鋼的鉻含量為10.5%至25%、鉬含量為0%至2.5%、鈦和/或鈮含量每個均為0.1%至1.2%。該鋼板的覆層由鎳構成。
文檔編號F01N13/16GK103244251SQ20131005167
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月16日 優先權日2012年2月10日
發明者赫爾穆特·維澤爾, 烏韋·特勒格爾, 穆罕默德·亞西爾 申請人:佛吉亞排放控制技術德國有限公司