减少环境污染和提高燃油效率是世界汽车制造行业亟待解决的两大问题。经过100多年的技术变革,三菱汽车在日本和欧洲推出了汽油缸内直喷(gasoline direct injection,GDI)技术,这项技术在提高发动机输出功率、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,目前已经成熟使用在VAG(Audi)、BMW、Mercedes-Benz、GM、Toyota(Lexus)等及众多国产车系上。


  高压共轨喷油系统是GDI发动机的最关键系统。为实现高压共轨喷油系统缸内直喷,需要高压共轨喷油器(见图3-4-3)。这种功能和结构复合的器件承担高频电磁转换、毫秒响应、喷油通气的角色,主要采用电磁不锈钢制作。电磁不锈钢不仅具有良好的耐腐蚀和力学性能,而且具有优异的软磁特性等综合特性,综合性能比铁钴合金、铁镍坡莫合金、电工纯铁、硅钢等磁性材料优异,而且低铬无镍、材料成本低,还被大量用于燃油泵、ABS传感器及悬挂自动调节系统、螺线管铁芯及车载空调等关键部件,还可用于含腐蚀性流体的电磁阀、电磁泵,还有家电和车载电气装置中的电磁开路器、空调四通阀芯、电磁枢纽等。


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  这类具有优软磁性的电磁不锈钢是在410和430基准不锈钢基础上发展起来的。国外开发了众多牌号的电磁不锈钢,如美国卡本特公司铬芯“Chorme Core”8-18FM系列、430FR 及硅芯“Silicon Core”B-FM(FM为易切削)等耐蚀电磁不锈钢;日本大同特钢开发了含13%Cr的MER1F(13.5Cr-0.25Al-Pb)、MER1FA和含18%Cr的MER2F 易切削电磁不锈钢;日本东北特钢的“K-M”系列和430F电磁不锈钢;爱知公司的AUM25(10Cr-3Al-Pb)易削电磁不锈钢;山阳特钢的易削电磁不锈钢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电磁不锈钢;法国的 Perminox14和Perminox18 系列;德国萨普ZAPP的1.4003、1.4005IL及1.4113IM电磁不锈钢。


 中国对应相似牌号为铁-铬系耐蚀电磁合金1J116和1J117,与国外相比牌号及类型都较少。以往在国内这种成分的不锈钢通常不被认为是一种软磁材料,以至于此类不锈钢不在磁性材料标准收录之列。因无市场需求,走进技术迭代更新很慢的恶性循环。在汽车GDI时代来临,这种被埋没的不锈钢材料又重新绽放光芒。


  经过多年的发展,华新丽华等国内企业在GDI高压共轨喷油器不锈钢方面相继开发了多个不锈钢品种和牌号。其中包括纯铁素体电磁不锈钢、铁素体-马氏体双相电磁不锈钢、马氏体电磁不锈钢和沉淀硬化电磁不锈钢等。主要牌号有低碳铁素体型022Cr12(SUS410L)、Y10C17(SUS430F)和马氏体型 17Cr16Ni2(SUS431)、Cr16Ni5Mo(1.4418)。以上大多为标准牌号,可针对不同客户需求的软磁性能调整成分设计。


  Y10C17(SUS430F)为提高铬含量至16%~18%成为全铁素体不锈钢,是从430基准铁素体衍生出来的牌号。通过提高硫含量形成短棒状和球状MnS已促使车削屑碎断不缠绕,提高车削性。因含有很多降低软磁性能的元素,其磁性能自然没有022Cr12高,但仍能保证广泛应用作喷油器铁芯等部件。


  17Cr16Ni2(SUS431)通常用作高压油泵外壳,是一种高强度马氏体不锈钢,由于马氏体不如铁素体对提高软磁性能有帮助,其磁性能比铁素体低很多。高压油泵不锈钢首先满足高温强度,其次为软磁性能。油泵内压力20兆帕要求油泵壳体具有很高的高温强度,通过QT热处理组织为回火马氏体,屈服强度高达900~1000兆帕完全可以满足要求。为降低材料成本,从高镍Cr16Ni5Mo逐渐替换为低镍的17Cr16Ni2。


  共轨油管、喷油器导管、分油管通常选用06Cr19Ni10奥氏体不锈钢管。此类部件必须选择顺磁性奥氏体不锈钢,防止管套部件的磁场对内部铁芯运动部件阻碍和干扰。06Cr19Ni10经过矫直、弯曲、切削冷变形后,产生磁性,机加工诱发马氏体相变,因加工程度而异,马氏体含量增加,磁导率呈不同程度增大,通过增加镍含量以保证奥氏体不锈钢无磁性。此类部件对纯净度要求高,特别需炼钢控制极低的S/P含量,防止夹杂物缺陷导致高压燃油泄漏。之前选用经过淬火一回火调质处理的碳素钢和合金钢,后被奥氏体不锈钢逐渐代替,虽奥氏体不锈钢材料成本较高,但不需要淬火一回火调质热处理高能耗成本,全生命周期内总成本反而较低。


  废气再循环(EGR)技术结合GDI缸内直喷技术对提高燃烧效率和减少污染物排放可谓相得益彰。废气再循环系统将排气歧管的一部分废气送回至进气歧管再到气缸,废气对进气量的稀释降低燃烧速度,延长滞燃期,降低最高燃烧温度,同时最高压力形成过程放缓。由于不具备生产NO,的高温高压条件,从而达到减少NO,排放量的目的。EGR电磁阀是实现废气再循环的关键部件,电子控制单元(ECU)根据发动机缸内工况来控制EGR电磁阀的开合,精确控制废气循环通量和时机。这里不得不提的是EGR电磁阀芯不锈钢,这种不锈钢首先具备优异的软磁性能,才能精确地电磁控制。阀芯置于高温且腐蚀性很强的废气蒸汽中,须有优良的高温强度、抗氧化性和耐腐蚀性。另外,冷成型性和高温钎焊性也需要满足要求。华新丽华还开发出应用于EGR阀芯的不锈钢019Cr19Mo2NbTi(SUS444)、019Cr18MoTi(SUS436L),钼改良性022Cr18NbTi(SUS441)不锈钢。特别地,在成分设计上降低碳和氮含量,添加钼提高耐点腐蚀性。经过三步EAF-AOD-VOD精确控制成分并提高钢水纯净度,碳、氮及铬含量精确控制铌和钛稳定化元素配比,以提高抗晶间腐蚀性。在连铸结晶器外施加电磁搅拌器,增加连铸坯原始等轴晶率,抑制成分偏析和中心缩孔等缺陷。



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