Application of stainless steel pipes in automobile exhaust pipe assemblies

An automobile’s exhaust system primarily consists of the exhaust manifold, front pipe, flexible pipe, catalytic converter, center pipe, main muffler, and tailpipe. Each component operates in different temperatures and environments, necessitating the use of different stainless steel and other materials.

Stainless Steel Pipes for Automobile Exhaust Systems

Stainless Steel Pipes for Automobile Exhaust Systems

Por exemplo, in high-temperature areas near the engine, exhaust component materials require excellent high-temperature strength, thermal fatigue resistance, high-temperature oxidation resistance, e resistência à corrosão. Areas farther from the engine require resistance to exhaust gas condensation corrosion. Além disso, stainless steel tailpipes exposed at the rear of the vehicle require not only corrosion resistance but also an aesthetically pleasing surface.

A função do coletor de escape é direcionar os gases de escape dos cilindros do motor para o tubo de escape. Como o coletor de escape está montado diretamente no motor e as temperaturas dos gases de escape podem atingir aproximadamente 900°C, o material utilizado deve possuir excelente resistência à oxidação, resistência a altas temperaturas, e resistência à fadiga térmica. Além disso, devido à forma complexa do coletor de escape, o material também deve apresentar boa conformabilidade.

Os coletores de escape em aço inoxidável podem ser classificados em dois tipos com base nos seus métodos de fabrico: um é feito por estampagem de chapas de aço inoxidável e depois soldadas, e o outro é feito por dobragem e soldadura de tubos de aço inoxidável. Este último também inclui a fabricação baseada em manga.

Os aços inoxidáveis utilizados em colectores de escape incluem aços inoxidáveis austeníticos e ferríticos. Os aços inoxidáveis austeníticos oferecem excelente resistência a altas temperaturas, mas a sua resistência à oxidação é inferior à dos aços inoxidáveis ferríticos devido à fácil descamação da camada de óxido. Os aços inoxidáveis austeníticos utilizados em colectores de escape incluem 304 e XM15J1. Enquanto os aços inoxidáveis ferríticos oferecem melhor resistência à oxidação, a sua resistência a altas temperaturas é mais fraca do que a dos aços inoxidáveis austeníticos. No entanto, devido ao seu menor coeficiente de contração térmica, os aços inoxidáveis ferríticos apresentam melhores propriedades de fadiga térmica do que os aços inoxidáveis austeníticos. Os aços inoxidáveis ferríticos utilizados em colectores de escape incluem 409L e 430J1L.

O tubo frontal encontra-se entre o colector de escape e o tubo flexível. Para garantir a atividade catalítica no conversor catalítico a jusante, heat radiation from the front pipe must be minimized to prevent a drop in exhaust gas temperature. Além disso, the front pipe must also provide noise reduction. Portanto, front pipes are shifting from traditional single-layer tube structures to thin-walled sleeve structures. Materials used for front pipes include ferritic stainless steels such as 409L, 436L, and 430J1L. When using a sleeve structure, the inner tube is also made of austenitic stainless steel. Ferritic stainless steel, due to its low cost and excellent oxidation resistance and thermal fatigue properties, will be widely used as the primary material for front pipes. Além disso, to address the trend of rising exhaust temperatures and thinning pipe walls, steel grades with better high-temperature performance, como 429 aço inoxidável, também estão a ser utilizados.

Os tubos flexíveis estão localizados entre o coletor de escape e o catalisador, principalmente para evitar que a vibração do motor seja transmitida para outros componentes do sistema de escape. Os tubos flexíveis são construídos com uma manga ondulada envolta numa malha de fio de aço inoxidável. O material usado para os tubos flexíveis deve apresentar excelente resistência à fadiga a altas temperaturas, e devido à forma ondulada, o material deve também possuir excelente processabilidade. Além disso, em regiões frias, é utilizado sal de degelo para prevenir a formação de gelo nas estradas, por isso, a superfície exterior do tubo flexível deve também ser resistente à corrosão por sal a altas temperaturas. Atualmente, O material principal usado para tubos flexíveis é 304. No entanto, considerando a necessidade de resistência à corrosão do sal a altas temperaturas no exterior da tubagem em regiões frias, o grau de aço XM15J1 de maior desempenho, que incorpora silício e tem um teor de níquel mais elevado, pode ser usado.

Para reduzir a poluição do ar dos gases de escape automóveis, é também necessário um sistema de purificação de gases de escape chamado catalisador. Converte monóxido de carbono e poluentes hidrocarbonetos dos gases de escape em dióxido de carbono e água, e óxidos de azoto em azoto e oxigénio. O conversor consiste num catalisador, um co-catalisador, um revestimento de vedação, e um portador catalisador.

Como o catalisador está localizado perto do coletor de escape e sob o chassis, deve ser capaz de suportar ambientes de corrosão severos, como altas temperaturas e vibrações. Além de suportes cerâmicos, Os suportes metálicos feitos de folha de aço inoxidável ferrítico também são utilizados. A folha de aço inoxidável ferrítico é usada devido à sua excelente resistência a choques térmicos e baixa capacidade térmica. O suporte metálico do catalisador consiste num núcleo de favo de mel feito de folha de aço inoxidável e numa carcaça feita de chapa de aço inoxidável. O núcleo de favo de mel é fabricado enrolando folha plana e ondulada e unindo-as utilizando métodos como brasagem ou soldadura. A carcaça exterior deve possuir excelente resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão por sais a altas temperaturas, e processabilidade.

A carcaça do conversor catalítico é fabricada principalmente de 430 aço inoxidável, mas para lidar com o aumento das temperaturas dos gases de escape, aços inoxidáveis ferríticos com melhor desempenho a altas temperaturas, como 430J1L e 429 séries, estão agora a ser utilizados.

O tubo central liga o conversor catalítico ao silenciador principal. Alguns modelos também instalam um silenciador secundário no tubo central. As temperaturas dos gases de escape são relativamente baixas nesta área, portanto, os requisitos de desempenho a altas temperaturas são menos rigorosos, mas a resistência à corrosão é muito exigente. A resistência à corrosão interna e externa visa principalmente a corrosão causada pela água condensada nos gases de escape, enquanto a superfície deve resistir à corrosão por sal causada pelo sal de degelo. Tradicionalmente, o tubo central era feito de aço carbono aluminizado, mas o uso de aço inoxidável para combater a corrosão da superfície interna está a aumentar rapidamente. Os aços inox utilizados para tubos centrais incluem 410, 409L, e 430.

O silenciador principal absorve e reduz o ruído de escape. Consiste numa carcaça exterior, painéis interiores, tubo interior, e painéis finais. During extended driving, the exhaust heats the main muffler, atingindo temperaturas de cerca de 400°C. Durante este período, a humidade não condensa. No entanto, durante períodos de condução mais curtos, a temperatura do silenciador principal mantém-se constante, permitindo que a humidade condense. A água condensada contém substâncias como NH₄⁺, CO₂⁻, SO₂⁻, Cl⁻, e ácidos orgânicos. Estas substâncias concentram-se gradualmente durante repetidos arranques e paragens do motor. A presença de condensado cria um ambiente altamente corrosivo, ambiente húmido dentro do silenciador. Além disso, a superfície do escape está exposta ao ambiente corrosivo do sal de descongelamento.

Atualmente, o escape principal é feito principalmente de 436L, mas o uso do 436J1L está a aumentar porque este grau de aço inoxidável requer menos molibdénio, reduzindo assim custos.

O tubo de escape, localizado atrás do escape principal, é a saída final do escape e um componente visível. Portanto, deve ser tanto resistente à corrosão quanto esteticamente atraente. Como as temperaturas dos gases de escape na área do tubo de escape historicamente são baixas, o aço revestido a alumínio é suficiente. No entanto, por razões estéticas, aços inoxidáveis ferríticos de alta pureza como o 409L, 430, e 436, bem como austeníticos 304 aço inoxidável, são por vezes utilizados. Quando a estética é particularmente exigente, também são utilizadas ligas de aço cromadas ou revestidas a alumínio por imersão a quente, enquanto o YUS731 é resistente à corrosão por sal a altas temperaturas.

A indústria automóvel é um grande utilizador de aço inoxidável, principalmente em sistemas de escape e componentes decorativos. 400 são utilizados principalmente aços inoxidáveis de série, com tipos representativos incluindo 409L, 436L, e 430.