Алюмокремний: чтобы глушитель не ржавел

Речь пойдет о листовой стали с алюмокремниевым покрытием, которую называют AluSil или ASI (от англ. Aluminium-Silicon). Именно из этого материала делают глушители, резонаторы и другие компоненты выхлопной системы массовых современных автомобилей. Что это за материал? Давайте «разберем» его максимально подробно.

Начнем со стальной основы: обычно это низкоуглеродистая холоднокатанная сталь толщиной, как правило, от 0,8 до 1,5 мм, на обе стороны которой наносится слой сплава алюминия и кремния. Почему именно низкоуглеродистые? Низкое содержание углерода (как правило <0.1%) обеспечивает превосходную штампуемость и высокую пластичность, что критически важно для создания сложных деталей выпуска методом гибки и глубокой вытяжки, а также отсутствие проблем со свариваемостью - углерод не образует тугоплавкие карбиды и не способствует закалке в зоне сварки. Могут применятся, например, российские стали марок: 08пс, 08кп, 08Ю, европейские аналоги: DC01, DC03, DC04 или китайские: SPCC, SPCD, SPCE.

В зонах, подверженных более высоким механическим нагрузкам или для уменьшения толщины листа и облегчения конструкции без потери прочности могут применяться легированные стали повышенной прочности. В качестве легирующих элементов в них добавляются Ниобий (Nb), Титан (Ti), Ванадий (V) в очень малых количествах (сотые доли процента). Для особо нагруженных участков, находящихся ближе всего к двигателю (например, приемная труба), где температуры могут стабильно превышать 600-650°C, может использоваться основа из ферритной нержавеющей стали марок AISI 409 или AISI 439. Это хромистые стали (11-17% Cr), которые сами по себе обладают высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью. Но для подавляющего большинства серийных автомобильных глушителей используется именно холоднокатаная низкоуглеродистая сталь.

Также важен выбор стали по способу ее раскисления. Этот параметр напрямую влияет на качество стали и ее способность к глубокой вытяжке. Кипящая сталь (кп) имеет неоднородную структуру, склонна к старению (со временем становится более хрупкой). Не рекомендуется для ответственных деталей и глубокой штамповки. Полуспокойная сталь (пс) широко применяется для деталей средней сложности. Спокойная сталь (сп) - самый качественный и дорогой тип. Имеет однородную химическую состав и структуру, что обеспечивает наилучшую штампуемость и стабильность свойств. Для сложных глушителей используется именно спокойная сталь, часто раскисленная алюминием (по российскому стандарту маркируется буквой Ю).

Алюмокремниевое покрытие наносится на основу горячим методом в непрерывном режиме на производственной линии. Стальная лента проходит через ванну с расплавом Al-Si, после чего охлаждается и калибруется. В качестве покрытия применяется сплав Al-Si, где содержание кремния составляет обычно 8-11%. Толщина покрытия составляет 20-40 мкм с каждой стороны. Кремний в составе необходим для предотвращения образования хрупких интерметаллидных фаз (FeAl₃, Fe₂Al₅) на границе "сталь-покрытие". Без кремния покрытие плохо держалось бы на стали и отслаивалось при гибке. Именно кремний делает покрытие гибким и обеспечивает ему прекрасную адгезию со стальной основой.

Метод нанесения покрытия напоминает горячее цинкование. И оцинкованную сталь пытались использовать в производстве глушителей. Применяли и алюмо-цинковое покрытие. Но именно алюмокремний стал стандартом для массового автопрома благодаря удачному сочетанию своих свойств:

• Высокая термостойкость (до 600°C).
• Превосходная коррозионная стойкость.
• Технологичность (отлично поддается гибке, штамповке и сварке).
• Приемлемая стоимость.

Рассмотрим свойства алюмокремниевой стали подробней. При нагреве алюминий и кремний на поверхности окисляются, образуя очень плотную, сплошную и тугоплавкую оксидную пленку (Al₂O₃ + SiO₂), которая препятствует дальнейшему проникновению кислорода к стальной основе. Это барьерный тип защиты. Покрытие является надежным барьером против агрессивных сред. Конденсат, образующийся внутри глушителя (смесь воды, серной и азотной кислот из выхлопных газов), не может «получить доступ» с стальной основе. В отличие от цинка, алюминий не растворяется в щелочах, что также добавляет стойкости.

Покрытие обладает хорошей адгезией к основе и пластичностью, поэтому не отслаивается и не растрескивается при формовке деталей выпускной системы. Для сварки такого материала применяется контактная точечная и роликовая шовная сварка, но в специальных режимах. Дело в том, что оксидная пленка на поверхности имеет высокое электрическое сопротивление. Приходится использовать повышенные сварочные токи и специальные усилители сжатия электродов, чтобы "пробить" оксидный слой. Часто электроды имеют шаровую рабочую поверхность для создания высокого давления.

Любой материал имеет свои слабые места. Здесь это незащищенные после резки кромки. Именно с них начинается коррозия, так как стальная основа открыта. Ответственные производители обрабатывают кромки специальными герметиками или красками. Не любит покрытие и механических повреждений - глубокая царапина оголит сталь и станет очагом коррозии. Вреден алюмокремниевому покрытию перегрев - если температура в какой-то зоне постоянно превышает 700°C (например, из-за неисправности двигателя или системы зажигания), покрытие начинает разрушаться. Очень важно соблюдение технологии сварки: не проваренный шов не даст прочности, а пережог еще и нарушит целостность защиты.

Подведем итог. Сталь с алюмокремниевым покрытием (AluSil/ASI) — это высокотехнологичный материал, который обеспечивает оптимальное сочетание долговечности, термостойкости и стоимости для массового производства автомобильных выпускных систем. Его барьерная защита эффективно противостоит как высоким температурам, так и химической агрессии, делая современные выхлопные системы значительно более "живучими" по сравнению с прошлыми поколениями выпуска из черной, незащищенной стали. Трубы, глушители, резонаторы из нержавейки еще лучше противостоят температуре и коррозии, но цена на них высока, поэтому применяются они менее широко, в основном на автомобилях высокого класса.