Motoruitlaten: De metalen

Iedereen heeft een andere mening over wat het beste metaal is voor het uitlaatsysteem - in verband met de levensduur - voor auto en motor. Dat komt omdat de omstandigheden minstens zo belangrijk zijn. Het maakt veel uit of we in de droge woestijn of in het regenwoud rijden, of we leven in een land- of zeeklimaat of er strooizout op de wegen ligt, er aangekoekt vuil op de uitlaat zit door gebrek aan onderhoud. Korte afstanden of lange afstanden rijden. Stunten of toeren op zondag. Opwarmen en afkoelen bij verschil in uitzettingscoëfficiënt tussen moedermetaal en oppervlakte laag kan de oxidelaag krakeleren. Goede of slechte afstelling van de motor t.a.v brandstof - lucht verhouding, bepaald mede de samenstelling van het uitlaatgas en de chemische belasting van de uitlaat.

Functie van de uitlaat

Het uitlaatsysteem is een apparaat waarmee het rendement van de motor opgevoerd kan worden. De omgeving waarin de uitlaat functioneert is een combinatie van temperaturen, spanningen, en mechanische trillingen in een corrosief milieu. De uitlaat heeft twee functies. De eerste is het afvoeren van uitlaatgassen uit de cilinder in een golf van heet gas door de uitlaat onderdelen naar buiten. De tweede functie is de snelle drukgolf die optreedt wanneer de uitlaatklep wordt geopend. Deze beide golven hebben o.a grote invloed op de instroom van verse brandstof in de cilinder. Controle van uitlaatsysteem is gewenst wegens de veiligheid van de passagiers in de auto. Gaten in het uitlaatsysteem en in de passagiersruimte waar de uitlaatgassen kunnen komen zijn levensgevaarlijk.

Principe van het uitlaatsysteem

Uitlaatspruitstuk

Het uitlaatspruitstuk zit aan elke cilinderkop. Het spruitstuk kan zijn van staal, aluminium, roestvrij staal, of gietijzer.

Zuurstofsensor

Brandstofinjectie's gebruiken een zuurstofsensor om te meten hoeveel zuurstof in het uitlaatgas zit. Hieruit berekent de computer de juiste mengsel voor minimaal brandstofverbruik. De zuurstofsensor wordt aangebracht in of dichtbij uitlaatspruitstuk. Deze afstelling van de motor heeft invloed op de uitlaatgassen en indirect op de standtijd van de uitlaat.

Katalysator

Dit onderdeel zet de gevaarlijke koolmonoxide en koolwaterstoffen om in kooldioxide. Sommige converters ook de schadelijk stikstofoxiden. De katalysator werkt alleen bij hoge temperatuur, de eerste 10 kilometer van het voertuig zijn de uitlaatgassen dus extra schadelijk.

Geluidsdemper

Door de constructie van de geluidsdemper kan de constructeur het gewenste soort geluid realiseren.

Uitlaatpijpen en uitlaatbochten

Het pijpmateriaal is van staal, of van roestvast staal, titanium of gealuminiseerde staal. Gealuminiseerd staal heeft betere weerstand tegen corrosie dan gewoon staal, maar niet beter dan roestvast staal. Nog betere legeringen zoals Inconel zijn het duurst.

Werktemperaturen voor (auto)uitlaat componenten

Metalen voor uitlaatsystemen

Eisen materiaal voor gebruik in uitlaatsysteem

Het hete voorste deel van het uitlaatsysteem (spruitstuk, pijp, katalysator) vereist staalsoorten met hoge "afschilfer" weerstand, d.w.z het vermogen heeft om oscillerende spanningen als gevolg van trillingen bij hoge temperaturen te weerstaan, voldoende kruip- en vermoeiingssterkte, minimale gevoeligheid voor verbrossing en een lage coëfficiënt van thermische uitzetting.

In het "koude" achterste deel is natte corrosie, d.w.z electrochemische corrosie, een belangrijke factor. Condensaat van verbrandingsgassen bevat verdund zwavelzuur en zoutzuur. Dit condensaat, in combinatie met chloride en roetdeeltjes, kan aanzienlijke natte corrosie veroorzaken aan de uitlaatonderdelen.

De meest voorkomende staalsoorten in uitlaatsystemen zijn te verdelen in ferritisch (chroomstaal), verchroomd staal, austenitisch chroom-nikkelstaal, titaniumlegering en gealuminiseerd staal.

Decennia lang is koolstofstaal gebruikt voor uitlaatsystemen. Staal heeft echter een slechte weerstand tegen corrosie bij strooizout en condenswater in de uitlaat. De uitlaten uit koolstofstaal hebben een korte levensduur. De corrosieweerstand van koolstofstaal kan sterk worden verbeterd door verchromen en het aanbrengen van thermisch aangebracht aluminium (gealuminiseerd staal).

Veel gebruikt austenitisch roestvast staal, zoals type 304, corrodeert bij blootstelling aan ureum ontledingsproducten bij hogere temperaturen. Beter is type 316, het zoutwater bestendige roestvast staal. Door toevoeging van weinig Titaan worden de laseigenschappen verbeterd en ontstaat respectievelijk type 321, de laskwaliteit van type 304 en type 347, de laskwaliteit van type 316

Praktische temperatuur grenzen voor titanium legering toepassing is ongeveer 300 ° C. Commercieel-zuiver titanium is gebruikt voor uitlaatsystemen voor 2-takt motoren decennia lang. Voor gewichtsbesparing zijn deze systemen gemaakt met 0,50 mm wanddikte. Het lassen van titanium vraagt ervaring en vakmanschap. Er zijn weinig bedrijven die het beheersen. De schade door een mislukte las is moeilijk of niet te herstellen wegens "verontreinigingen" van buitenaf die bij de lastemperaturen in het metaal dringen, dezelfde verontreinigingen die overigens ook de oorzaak van het mislukken van de las zijn.

Invloed van belangrijke legeringselementen op austenitisch roestvast staal

• Chroom: Essentieel is het vormen van een passieve chroomoxide film op het roestvaststaal.
• Nikkel: Stabiliseert de austenietstructuur, verbetert de mechanische eigenschappen en bewerkbaarheidt. verhoogt de weerstand tegen stress-corrosie (scheurvorming). Minimaliseren van de afbrokkeling van oppervlak oxiden door de temperatuurcycli.
• Mangaan: Reageert met zwavel en vormt mangaansulfide die de corrosiebestendigheid van het staal vergroot o.a. door verbetering van de hechting van de oxidelaag op het bases materiaal.
• Molybdenum: In combinatie met chroom zeer effectief voor stabilisatie van de beschermende oxidelaag en een gunsige invloed op de weerstand tegen aantasting door chloriden. Verhoogt de weerstand tegen pitting en spleetcorrosie.
• Koolstof: Verhoogt de sterkte maar verlaagt de taaiheid in ferritisch staal. Schadelijk voor de corrosiebestendigheid door reacties met chroom tot chroomcarbiden.
• Stikstof: Verbetert pitting weerstand in austenitische staal.
• Aluminium: Verbetert de oxidatiebestendigheid bij hogere temperaturen.
• Niobium en Titanium: Stabilisatoren worden gebruikt om bij voorkeur samen met koolstof en stikstof om de vorming van chroomcarbiden en nitriden te beperken. Dit vermindert het gevaar van interkristalijne corrosie.

Corrosie van het uitlaatsysteem

Corrosie in het voorste hete deel van het uitlaatsysteem

In het hete deel van het uitlaatsysteem wordt het materiaal blootgesteld aan thermische cycli met hoge temperaturen wat leidt tot ernstige droge corrosie.

De oxyden hebben andere thermische uitzettingscoëfficiënten dan die van de metalen waaruit zij zijn gevormd. Een oxide die zich vormt kan door afschuifkrachten hechting verliezen met het moedermateriaal wanneer deze wordt afgekoeld en verhit. Het metaal wordt dan niet meer beschermd door een dichte oxidehuid, de losse "schilfers" oxidehuid kunnen bovendien leiden tot verstopping van de katalysator.

Corrosie in het koude einde van het uitlaatsysteem

In het het koude deel van de uitlaat produceert verbrandingsgas in combinatie met condensvorming zwavelzuur en zoutzuur. Deze condens, in combinatie met chloride-ionen en de neerslag van roetdeeltjes, leiden tot een aanzienlijke natte corroderende werking op de inwendige delen van de uitlaat.

Roestvast staalsoorten zoals ferritisch, austenitisch en mangaan bevattend austenitisch staal worden gebruikt voor optimale combinatie van eigenschappen in het achterste (koude)deel van de uitlaat. De weerstand van de staalkwaliteiten tegen putcorrosie speelt hier een hoofdrol.

Onderhoud roestvaststaal

Er wordt onderscheid gemaakt tussen chemische of droge corrosie en elektrochemische of natte corrosie. Hoe snel roestvaststaal roest hangt af van het chroomgehalte. Chroom vormt een beschermende laag chromoxide (dichroomtrioxide). Bij voldoende zuurstof herstelt bij beschadiging de chromoxidelaag zichzelf door oxidatie door zuurstof uit de lucht. Bij aangekoekte verontreinigen op het oppervlak kunnen zuurstof arme plaatsen ontstaan, waar de aantasting doorgaat omdat de chromoxidelaag zich niet kan herstellen (putcorrosie).

Heeft men RVS mechanisch bewerkt of gebeitst, dan verdwijnt de oxidelaag plaatselijk en het duurt enige tijd voordat deze zich hersteld. Wanneer verontreiniging roestvaststaal bedekt en afsluit van de lucht, vormt zich daar geen passieve chroomoxidelaag.
Door chemische oppervlaktebehandelingen als beitsen of elektrolytisch polijsten wordt het chroomgehalte in de oppervlaktelaag dichter, waardoor de oxidehuid meer bescherming geeft tegen corrosie. Het zogenaamde passiviseren van een roestvaststalen oppervlak.

In de handel zijn talloze producten voor het onderhouden en poetsen van roestvaststalen voorwerpen. Waarbij de chroomoxidelaag zich herstelt.

Beitsen

Passief maken dus herstellen van de oxide huid gebeurt op industriële schaal door beitsen, dat is onderdompeling in een zuurbad. Eerst ontvet men het product, daarna beitst men het in een mix van salpeter- en fluorzuur (of handmatig met beitspasta voor een plaatselijke beschadiging) en daarna grondig afspoelen.

Vervuiling door vreemd materiaal

Verontreinigingen op het oppervlak van metalen kunnen corrosie veroorzaken, waarbij ijzerdeeltjes, vuil en organische verontreinigingen worden bedoeld. Op de plaats van ijzervervuiling, beschermt de oxidefilm niet meer en ontstaat plaatselijke (meestal) putvormige corrosie.

Op een ruw oppervlak kunnen zich stoffen vasthechten die corrosie veroorzaken. De maximale weerstand tegen corrosie wordt verkregen op een glad gepolijst en schoon oppervlak. Corrosieve vervuiling zijn corrosieproducten zoals een gloeihuid, walshuid, smeedhuid, giethuid, aanloopkleuren en lasverkleuring.

Slijpen, borstelen en polijsten

Voor de corrosiebescherming van roestvast staal is het belangrijk een passieve oxidehuid te vormen en het oppervlak tijdig te reinigen van roest en andere verontreinigingen. Bij de verwerking van roestvaststaal ontstaat een gloeihuid, walshuid en lasverkleuringen. Deze vervuilingen zijn mechanisch te verwijderen middels slijpen, borstelen, polijsten, stralen of chemisch met beitsen (en passiveren) of met elektrolytisch polijsten.

Stralen

Stralen, beter gritstralen of korrelstralen, wordt uitgevoerd met straalmiddelen die niet schadelijk zijn voor het roestvast staal. Staalgrit of koperslak worden niet gebruikt. Straalmiddelen die wel toepassing vinden zijn: roestvast staalgrit, glasparels of keramische parels.

Beitsen en passiveren van roestvast staal

Het beitsen van roestvast staal in verdund zuur heeft tot doel het verwijderen van tijdens warmtebehandelingen ontstane oxiden (gloeihuid, walshuid, smeedhuid, aanloopkleuren). Dit kan ook mechanisch door stralen of slijpen, maar vooral voor grotere vlakken of voorwerpen wordt aan beitsen meestal de voorkeur gegeven. Er zijn vele recepten voor beitsmiddelen, slechts enkele worden toegepast. Deze zijn gebaseerd op zwavelzuur, salpeterzuur, zoutzuur en/of waterstoffluoride (fluorwaterstofzuur). Elk roestvast staalsoort kan anders reageren op een beitsmiddel.

Door het beitsen of verspanen is de passieve chroomoxidehuid van het roestvaststaal verdwenen. Deze dunne laag herstelt zichzelf. Door chemisch passiveren kan de oxidehuid snel en gecontroleerd hersteld worden.

Inleiding tot corrosie in automotive uitlaatdemper

De belangrijkste reden van de korte levensduur van de uitlaat is vanwege corrosie en vermoeidheid, meestal een combinatie van beide. Ongeveer 80% van de storing door corrosie en de rest is door vermoeidheid. Enkele corrosie mechanismen beïnvloeden zijn als volgt:

• Inwendige corrosie als gevolg van zuur condenswater.
• Externe corrosie te wijten aan pekel gebruikt op wegen.
• Statische belastingen als gevolg van verwarming en koeling cycli (laag-cyclus vermoeidheid).
• Trillingen van de motor (high cycle fatigue).

Condens in de leidingen

Vocht in uitlaatgas als bijproduct van verbranding. Korte afstanden met de auto verkort de levensduur van het uitlaatsysteem. Bij het afkoelen van de uitlaat condenseert waterdamp in de leidingen. Bij korte reizen heeft het water geen kans door warmte te verdampen in het systeem en de leidingen roesten. Minimaal 25 km rijden per keer om condenscorrosie te voorkomen. Indien strooizout (pekel) op de wegen in de winter, moet om de paar weken de auto gewassen worden, waarbij onderkant met water schoon te spuiten. De motor na het wassen “warm rijden” tot het water in de leidingen is verdampt..

Huidige toestand

Ook roestvast staal is niet corrosiebestendig in een agressieve omgeving. De levensduur van een uitlaat is korter in vergelijking met andere delen van de auto. Ferritisch roestvrij staal met een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, zoals AISI types 409 en 439 heeft de voorkeur, maar het probleem van de ferritische soorten is dat zij moeilijker te lassen zijn, omdat ze gevoelig is voor korrelgroei bij lastemperaturen en vatbaar voor putcorrosie.

Aluminium geplateerd of gealuminiseerd staal, gevolgd door poedercoating kan geen hoge temperaturen en natte corrosie langere tijd weerstaan, maar aluminium poedercoating vertoont een corrosieweerstand hoger dan die van de bestaande coating.

Superlegering Inconel

Voor de meest veeleisende toepassingen wordt Inconel gebruikt, een austenitisch nikkel-chroom superlegering met grote sterkte bij extreme temperaturen en grote weerstand tegen corrosie. Vanwege het bestand zijn tegen hoge temperatuur kan Inconel betrouwbaar zijn onder bepaalde omstandigheden waar de andere metalen falen. Inconel maakt gewichtsreducerende ontwerpen mogelijk door dunnere wanddiktes, het metaal is echter duur.

Veel toegepast voor dure uitlaten is Inconel-625, een legering met 58% nikkel, 22% chroom, 9% Molybdeen, 5% ijzer, 3,5% niobium, 1% Cobalt. Het is goed lasbaar (Tig lassen) Goede vervormbaarheid in gegloeide toestand en het heeft een lagere thermische uitzetting dan de rvs soorten. De vloeigrens van deze legering bij 650 °C is circa 345 MPa, en bij 870 ° C circa 276 MPa.

De roestvast staal, T 304 en de laskwaliteit T 321 worden vaker toegepast voor uitlaten van motoren dan de superlegering Inconel. De dunwandige Inconel uitlaten zijn kwetsbaar en worden gemakkelijk beschadigd en ze zijn duur, een enkele "U" bocht van 2-inch diameter, 0,032-inch wand Inconel buis kost circa Euro 200, terwijl dezelfde bocht in type 321-roestvrij Euro 65 is.

Nickelsulfide NiS op roestvaststaal type 304

De zwarte aanslag op roestvaststaal Type 304 (circa 10% Chroom en circa 8% nikkel) is nikkelsulfide. Nickelsulfide is zwart. Het kan bij regelmatig inhaleren kanker veroorzaken. De reactie tussen nikkel en zwavel dampen in het temperatuurgebied 480 ° -640 ° C, vormt twee lagen. De buitenste laag is compact polykristallijn NiS, de binnenste laag is poreus. Het neerslaan van vaste zwarte nikkelsulfide verloopt als volgt::

• Ni(aq) + H2S(aq) → NiS(s) + 2 H

Reactie van nikkel met zijn omgeving

Nikkel-metaal reageert niet met de lucht onder atmosferische omstandigheden. Bij hogere temperaturen vindt er een reactie plaats tussen nikkelmetaal en zuurstof, en ontstaat er Nikkeloxide.

• 2Ni(s) + O2(g) → 2NiO(s)

Reactie van nikkel met halogenen

Nikkel-metaal reageert langzaam met fluorgas. De reacties tussen nikkelmetaal en chloor, broom en jodium verlopen als volgt:

• Ni (s) + Cl2 (g) → NiCl2 (s) [geel]
• Ni (s) + Br2 (g) → NiBr2 (s) [geel]
• Ni (s) + I2 (g) → NiI2 (s) [zwart]

Reactie nikkel met zuren

Nikkelmetaal lost langzaam op in verdund zwavelzuur wat gepaard gaat met de reactie:

• Ni (s) + H2SO4 (aq) → Ni (aq) + SO4(aq) + H2 (g)