減少環(huán)境污染和提高燃油效率是世界汽車制造行業(yè)亟待解決的兩大問題。經(jīng)過100多年的技術(shù)變革,三菱汽車在日本和歐洲推出了汽油缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection,GDI)技術(shù),這項技術(shù)在提高發(fā)動機(jī)輸出功率、增大扭矩及降低燃油消耗和污染物排放方面取得巨大成功,目前已經(jīng)成熟使用在VAG(Audi)、BMW、Mercedes-Benz、GM、Toyota(Lexus)等及眾多國產(chǎn)車系上。
高壓共軌噴油系統(tǒng)是GDI發(fā)動機(jī)的最關(guān)鍵系統(tǒng)。為實現(xiàn)高壓共軌噴油系統(tǒng)缸內(nèi)直噴,需要高壓共軌噴油器(見圖3-4-3)。這種功能和結(jié)構(gòu)復(fù)合的器件承擔(dān)高頻電磁轉(zhuǎn)換、毫秒響應(yīng)、噴油通氣的角色,主要采用電磁不銹鋼制作。電磁不銹鋼不僅具有良好的耐腐蝕和力學(xué)性能,而且具有優(yōu)異的軟磁特性等綜合特性,綜合性能比鐵鈷合金、鐵鎳坡莫合金、電工純鐵、硅鋼等磁性材料優(yōu)異,而且低鉻無鎳、材料成本低,還被大量用于燃油泵、ABS傳感器及懸掛自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、螺線管鐵芯及車載空調(diào)等關(guān)鍵部件,還可用于含腐蝕性流體的電磁閥、電磁泵,還有家電和車載電氣裝置中的電磁開路器、空調(diào)四通閥芯、電磁樞紐等。
這類具有優(yōu)軟磁性的電磁不銹鋼是在410和430基準(zhǔn)不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。國外開發(fā)了眾多牌號的電磁不銹鋼,如美國卡本特公司鉻芯“Chorme Core”8-18FM系列、430FR 及硅芯“Silicon Core”B-FM(FM為易切削)等耐蝕電磁不銹鋼;日本大同特鋼開發(fā)了含13%Cr的MER1F(13.5Cr-0.25Al-Pb)、MER1FA和含18%Cr的MER2F 易切削電磁不銹鋼;日本東北特鋼的“K-M”系列和430F電磁不銹鋼;愛知公司的AUM25(10Cr-3Al-Pb)易削電磁不銹鋼;山陽特鋼的易削電磁不銹鋼QMR1L(7Cr-2Si-0.6Al-Pb)、QMR2L(7Cr-1.2Al-Pb)及QMR5L(15Cr-1Al-1.5Si-Pb);意大利研制的“MG”系列和430F電磁不銹鋼;法國的 Perminox14和Perminox18 系列;德國薩普ZAPP的1.4003、1.4005IL及1.4113IM電磁不銹鋼。
中國對應(yīng)相似牌號為鐵-鉻系耐蝕電磁合金1J116和1J117,與國外相比牌號及類型都較少。以往在國內(nèi)這種成分的不銹鋼通常不被認(rèn)為是一種軟磁材料,以至于此類不銹鋼不在磁性材料標(biāo)準(zhǔn)收錄之列。因無市場需求,走進(jìn)技術(shù)迭代更新很慢的惡性循環(huán)。在汽車GDI時代來臨,這種被埋沒的不銹鋼材料又重新綻放光芒。
經(jīng)過多年的發(fā)展,華新麗華等國內(nèi)企業(yè)在GDI高壓共軌噴油器不銹鋼方面相繼開發(fā)了多個不銹鋼品種和牌號。其中包括純鐵素體電磁不銹鋼、鐵素體-馬氏體雙相電磁不銹鋼、馬氏體電磁不銹鋼和沉淀硬化電磁不銹鋼等。主要牌號有低碳鐵素體型022Cr12(SUS410L)、Y10C17(SUS430F)和馬氏體型 17Cr16Ni2(SUS431)、Cr16Ni5Mo(1.4418)。以上大多為標(biāo)準(zhǔn)牌號,可針對不同客戶需求的軟磁性能調(diào)整成分設(shè)計。
Y10C17(SUS430F)為提高鉻含量至16%~18%成為全鐵素體不銹鋼,是從430基準(zhǔn)鐵素體衍生出來的牌號。通過提高硫含量形成短棒狀和球狀MnS已促使車削屑碎斷不纏繞,提高車削性。因含有很多降低軟磁性能的元素,其磁性能自然沒有022Cr12高,但仍能保證廣泛應(yīng)用作噴油器鐵芯等部件。
17Cr16Ni2(SUS431)通常用作高壓油泵外殼,是一種高強(qiáng)度馬氏體不銹鋼,由于馬氏體不如鐵素體對提高軟磁性能有幫助,其磁性能比鐵素體低很多。高壓油泵不銹鋼首先滿足高溫強(qiáng)度,其次為軟磁性能。油泵內(nèi)壓力20兆帕要求油泵殼體具有很高的高溫強(qiáng)度,通過QT熱處理組織為回火馬氏體,屈服強(qiáng)度高達(dá)900~1000兆帕完全可以滿足要求。為降低材料成本,從高鎳Cr16Ni5Mo逐漸替換為低鎳的17Cr16Ni2。
共軌油管、噴油器導(dǎo)管、分油管通常選用06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼管。此類部件必須選擇順磁性奧氏體不銹鋼,防止管套部件的磁場對內(nèi)部鐵芯運動部件阻礙和干擾。06Cr19Ni10經(jīng)過矯直、彎曲、切削冷變形后,產(chǎn)生磁性,機(jī)加工誘發(fā)馬氏體相變,因加工程度而異,馬氏體含量增加,磁導(dǎo)率呈不同程度增大,通過增加鎳含量以保證奧氏體不銹鋼無磁性。此類部件對純凈度要求高,特別需煉鋼控制極低的S/P含量,防止夾雜物缺陷導(dǎo)致高壓燃油泄漏。之前選用經(jīng)過淬火一回火調(diào)質(zhì)處理的碳素鋼和合金鋼,后被奧氏體不銹鋼逐漸代替,雖奧氏體不銹鋼材料成本較高,但不需要淬火一回火調(diào)質(zhì)熱處理高能耗成本,全生命周期內(nèi)總成本反而較低。
廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)結(jié)合GDI缸內(nèi)直噴技術(shù)對提高燃燒效率和減少污染物排放可謂相得益彰。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)將排氣歧管的一部分廢氣送回至進(jìn)氣歧管再到氣缸,廢氣對進(jìn)氣量的稀釋降低燃燒速度,延長滯燃期,降低最高燃燒溫度,同時最高壓力形成過程放緩。由于不具備生產(chǎn)NO,的高溫高壓條件,從而達(dá)到減少NO,排放量的目的。EGR電磁閥是實現(xiàn)廢氣再循環(huán)的關(guān)鍵部件,電子控制單元(ECU)根據(jù)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)工況來控制EGR電磁閥的開合,精確控制廢氣循環(huán)通量和時機(jī)。這里不得不提的是EGR電磁閥芯不銹鋼,這種不銹鋼首先具備優(yōu)異的軟磁性能,才能精確地電磁控制。閥芯置于高溫且腐蝕性很強(qiáng)的廢氣蒸汽中,須有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、抗氧化性和耐腐蝕性。另外,冷成型性和高溫釬焊性也需要滿足要求。華新麗華還開發(fā)出應(yīng)用于EGR閥芯的不銹鋼019Cr19Mo2NbTi(SUS444)、019Cr18MoTi(SUS436L),鉬改良性022Cr18NbTi(SUS441)不銹鋼。特別地,在成分設(shè)計上降低碳和氮含量,添加鉬提高耐點腐蝕性。經(jīng)過三步EAF-AOD-VOD精確控制成分并提高鋼水純凈度,碳、氮及鉻含量精確控制鈮和鈦穩(wěn)定化元素配比,以提高抗晶間腐蝕性。在連鑄結(jié)晶器外施加電磁攪拌器,增加連鑄坯原始等軸晶率,抑制成分偏析和中心縮孔等缺陷。
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