CN101542000B - 喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件，其特征在于，在具备为使流向涡轮的排气速度根据发动机回转数变化的喷嘴叶片的涡轮增压器中，用于构成上述喷嘴叶片的、且构成用于将排气导入该涡轮的排气导向器的部件用包含下述成分的奥氏体系不锈钢制作：以质量％计含有0.08％以下的C、2.0～4.0％的Si、2.0％以下的Mn、8.0～16.0％的Ni、18.0～20.0％的Cr、0.04％以下的N，而且按照下式DE值满足5.0～12.0那样含有这些成分，其余部分是Fe和不可避免的杂质。

Description

喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件
技术领域
本发明涉及在具备使流向涡轮的排气速度根据发动机回转数变化的喷嘴叶片的涡轮增压器中用于构成该喷嘴叶片的部件而且构成用于将排气导入该涡轮的排气导向器的排气导向器部件。 
背景技术
众所周知，对于涡轮增压器有废气旁通阀式(wastegate-type)和喷嘴叶片式(nozzle vane-type)。废气旁通阀式的涡轮增压器以改善发动机的功率为主，而喷嘴叶片式涡轮增压器不只改善功率，同时还有助于排气气体的净化，因而最近特别是也搭载在柴油机上。作为用于构成后者的喷嘴叶片的部件、构成用于将排气导入涡轮的排气导向器的部件主要使用不锈钢钢板例如SUS310S等耐热钢板制作。作为特殊的例子，专利文献1记载了由高铬高镍材料经过精密铸造和切削加工制作相同的排气导向器组件的发明。 
图1以分解图的方式表示了构成喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器的部件的一个例子。它们有驱动环1、驱动柄2、中间喷嘴环3、喷嘴叶片4和外侧喷嘴环5等，喷嘴叶片4由构成它的多个叶片6、支持各叶片6的叶片轴7构成。这些部件1～5同心地组装而设置在涡轮增压器的涡轮的上游侧，该组装件形成通过喷嘴叶片4的中央开口8将排气导入涡轮增压器的涡轮中的排气导向器。喷嘴叶片4的各叶片6利用其轴7都在同方向上进行轴系转动，根据其转动的程度使以叶片6围绕的中央开口8的开口面积(开度)增减。发动机的回转数低时，排气量也小，排气压也低，在这种状况下，中央开口8的开口面积变窄，而回转数增加、排气量增加时，开口面积增大。因此，在具有这样的喷嘴叶片时与不具有喷嘴叶片的场合相比，送入涡轮的排 气的速度根据发动机的回转数而变化，当发动机的回转数低时送入涡轮的排气的速度增大，而当发动机的回转数高时送入涡轮的排气的速度减小。 
这些部件的每个部件对其要求的材料特性有如下不同。 
[驱动环1和驱动柄2] 
这些部件与驱动器联动，用于精度良好地调节喷嘴叶片的开度，通常用压力机冲裁制造，要求有冲裁面全部成为剪切断面(shearface)的精密冲裁性(精密冲裁加工性)。另外，由于在使用环境下温度上升至500℃左右，所以中温区域的高温强度是重要的。 
[中间喷嘴环3和外侧喷嘴环5] 
它们两者都具有用于使叶片轴7平稳回转的位置决定用孔。另外，外侧喷嘴环5在中央开口部具有成为与涡轮形状配合的形状的孔扩展加工(扩孔弯边加工)部。因此要求有良好的切削性或冲压成形性。而且，由于它们也是兼备排气气体导向的构件，所以要求即使暴露在约800℃的高温下也具备良好的高温强度和抗氧化性。 
[喷嘴叶片4] 
喷嘴叶片4控制排气气体通路的开口面积。因此经常暴露在流通的排气气体中，在部件中暴露于最高温度(800～900℃)下。因此要求具有为耐受排气气体的脉动压力的高温强度和为在高温下也能够平稳动作的抗高温氧化性。根据这些要求特性，一般使用SUS310S等的耐热钢板，但是SUS310S钢板加工性不足。 
这样，由于喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件的每个部件要求的材料特性不同，所以每个部件使用不同种类的钢，而且通常成形方法也具有不同的工序。但是，将由不同材料构成的部件组装具有喷嘴叶片的排气导向器组件时，因部件间的热膨胀系数不同和生成的氧化皮的程度不同，作为喷嘴叶片式涡轮增压器的本来功能的排气气体通路的开口面积的平稳开度调节可能受到障碍。如果全部排气导向器部件使用同一材料(钢种类)制造可以解决该问题，但是未找到可以同时而且充分满足上述那样的各种特性的材料。因此其实际状况是， 用满足各自要求特性的材料制造各部件。 
专利文献1中记载了由含有Pb、Se、Te的特殊的高铬高镍的耐热钢用失蜡铸造法制造涡轮增压器的排气导向器组件的发明。由于该发明主要的加工是切削和研磨，所以可以省略钢的成形加工，因此，可以回避要求钢的成形加工性的问题。但是，由于该钢含有特殊的添加元素而且采用精密铸造，所以成为特殊的制造工艺，与由通用的制造生产线制造排气导向器相比其大批量生产性差或者不得不增加成本。使用SUS310S钢板的场合，对于更进一步要求抗高温氧化性的部件，对该钢实施渗铬处理(在钢的表面上扩散渗透铬的处理)等表面处理是有益的，但是存在制造工序增多、成本不得不高的问题。作为这样的渗铬处理在专利文献2中有记载。 
专利文献1：特开2002-332862号公报 
专利文献2：特开平6-10114号公报 
本发明的课题在于解决上述那样的问题，由相同的不锈钢钢板制造性良好地制造具有良好的抗高温氧化性和高温强度的涡轮增压器的排气导向器部件，廉价地提供耐久性优良的排气导向器部件。 
发明内容
按照本发明，提供一种喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件，其特征在于，在具备为使流向涡轮的排气速度根据发动机回转数变化的喷嘴叶片的涡轮增压器中，用于构成上述喷嘴叶片的、且构成用于将排气导入该涡轮的排气导向器的部件用包含下述成分的奥氏体系不锈钢制作：以质量％计含有0.08％以下的C、2.0～4.0％的Si、2.0％以下的Mn、8.0～16.0％的Ni、18.0～20.0％的Cr、0.04％以下的N，而且按照下式DE值(式中的元素符号表示钢中该成分的含量(质量％))满足5.0～12.0那样含有这些成分： 
DE值＝Cr+1.5Si+0.5Nb+Mo-Ni-0.3Cu-0.5Mn-30(C+N)，其余是Fe和不可避免的杂质。 
这里，上述奥氏体系不锈钢可以以总计0.05～1.0质量％含有Nb 和Ti的1种或2种，以总计0.50～5.0质量％含有Mo和Cu的1种或2种，进一步，以总计0.01～0.20质量％含有REM(含Y的稀土元素)和Ca的1种或2种。另外，根据本发明的排气导向器部件可以是图1所例示的驱动环、驱动柄、喷嘴环、喷嘴叶片的叶片和其轴的至少1种。 
本发明的喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件即使不实施特殊的制造法和处理也可以制作，其抗高温氧化性良好，高温强度和高温滑动性(高温耐磨损性)也良好。 
附图说明
图1是将涡轮增压器的排气导向器分解为其构成部件表示的分解图。 
具体实施方式
喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件要求上述那样的特性，总的来说，与排气气体接触的部分必须具有所谓高温强度和高温氧化特性的耐热性，此外，各部件根据其功能必须有如下的个别的特性。 
喷嘴环必须具有用于维持必要的孔扩展加工性的适度的加工硬化特性。由于喷嘴叶片的叶片要实施用于做出翼形形状的冷锻加工，所以必须有优良的延展性。驱动环和驱动柄在高温下必须有良好的滑动性。 
对于这样的诸要求使用不锈钢的场合，用以SUS304为代表的亚稳定型奥氏体系不锈钢实施冲裁加工时，加工面上生成加工诱发(work-induced)马氏体，在其后实施孔扩展加工等时，容易从冲裁端面发生裂纹。因此，冲裁加工后的加工性(扩孔弯边加工性)差。另一方面，由于以SUS310S为代表的稳定型奥氏体系在变形中不发生加工诱发马氏体，所以与上述亚稳定型奥氏体钢相比，虽然其扩孔弯边加工性优良，但是均匀延伸差。因此，不能得到优良的孔扩展性。另外，喷嘴叶片所要求的冷锻性也有同样的倾向，上述那样的加工诱 发马氏体生成显著的种类的钢和均匀延伸性差的种类的钢，由于塑性流动性差，所以不适宜于喷嘴叶片的制造。 
本发明人为必须解决这样的问题进行了各种试验研究。其结果表明，首先，在稳定型奥氏体系不锈钢中添加2.0～4.0质量％的Si，可以维持原材料的软质化，而且得到适度的加工硬化特性，另外，在增加延伸性的同时也提高了孔扩展率，因而适宜于排气导向器部件的制作。其主要的理由在于，通过添加适量的Si，因堆垛层错能下降，所以即使稳定型奥氏体系不锈钢的加工硬化指数也上升。另外表明，该添加的Si还可以改善驱动环和驱动柄所要求的高温下的滑动性。这是由于添加Si的钢在高温下氧化皮生成量少，即使生成时也形成抗剥离性优良的氧化皮，所以由滑动造成的氧化皮剥离和磨损小，可以维持优良的高温滑动性。 
另外结果还表明，对这种不锈钢添加Nb、Ti、Mo、Cu、REM和Ca可以改善高温强度和高温氧化特性等，但是必须与添加Si保持均衡而恰当添加。也就是说，虽然向稳定性奥氏体系添加Si可以促进高温区域中δ铁素体相生成、适度的δ铁素体相的生成可以改善热加工性，但是过剩生成反而会使热加工性降低，容易发生边部开裂等，制造性显著降低。结果表明，基于添加Si的这一问题，按照下式将DE值收纳在5.0～12.0的范围内那样含有这些元素就可以解决，可以维持良好的热加工性。式中的元素符号表示钢中该成分的含量(质量％)。DE值＝Cr+1.5Si+0.5Nb+Mo-Ni-0.3Cu-0.5Mn-30(C+N) 
本发明是根据上述发现的事实而完成的，按照可以同时满足各部件要求的材料特性那样，用同一种类钢可以制造性良好地制造具有良好的抗高温氧化性和高温强度的涡轮增压器的排气导向器部件。这样，本发明的特征在于，明确了具有可以适用于全部排气导向器部件的性质的钢的成分组成。以下概要说明钢中成分含量限定的理由。 
C是奥氏体生成元素，可以提高钢的高温强度。但是，在喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件的使用环境下，C超过0.08质量％时，在其环境下的高温区域容易形成碳化物，生成碳化物时，高温强度将 降低。因此，C是在0.08质量％以下，优选在0.06质量％以下。 
如前所述那样，Si在本发明中是起重要作用的钢成分，将Si添加到钢中时，改善了孔扩展性和高温氧化特性。为此必须至少添加2.0质量％以上，但过剩添加将损害奥氏体相的稳定性，同时相反使加工性差。因此，将Si量取为2.0～4.0质量％。 
Mn超过2.0质量％添加到钢中时，在排气导向器部件的使用环境下的高温区域发生的氧化皮量增大，使该部件的功能降低。因此，将Mn含量取为2.0质量％以下。 
Ni是使奥氏体相稳定化的元素，为此至少含有8.0质量％，但Ni是高价的元素，同时由于过剩添加时适度必要的δ铁素体量降低，所以将Ni量取为8.0～16.0质量％。 
由于Cr可以使高温下的抗氧化特性稳定，所以至少必须含有18.0质量％。但是，过剩添加时，损害制造性，同时使δ铁素体量过剩增大。因此将Cr量取为18.0～20.0质量％。 
Ti和Nb都使钢中的C和N形成碳氮化物而被固定，通过这些碳氮化物在钢中微细地分散析出，可以提高钢的高温强度，但是Ti和Nb过剩添加时，损害钢的热加工性和表面质量特性。因此，可以以总计0.05～1.0质量％含有这些元素的1种或2种。 
Mo和Cu可以提高高温强度和高温湿润下的抗氧化特性，但是过剩添加损害热加工性。因此，可以以总计0.50～5.0质量％含有Mo和Cu的1种或2种。 
REM(包括Y的稀土类元素)和Ca具有抑制高温下的晶界氧化、改善氧化皮的剥离性的作用，但过剩添加时，损害热加工性。因此可以以总计0.01～0.20质量％含有REM和Ca的1种或2种。 
对于这样的钢的成分含量，在本发明中按照上述式使DE值成为5.0～12.0那样调节这些成分含量，通过将该DE值调节为上述范围，即使在添加Si的场合，也可以维持良好的热加工性。一般稳定性奥氏体系钢在热轧的加热温度下成为奥氏体单相时，其高温时的变形能降低，热轧时发生边部开裂等，制造性降低。为了避免这一点，在热轧 温度下进行生成少量δ铁素体相的成分调节是有益的。但是此时，δ铁素体相的生成无论是过少或者相反过多，热加工性都变差。如后述的实施例所示那样，本发明人发现，只要DE值是5.0～12.0，通过添加Si，具有促进δ铁素体相生成倾向的根据本发明的钢，就可以维持良好的热加工性。也就是说，本发明的一个特征在于，通过添加适量的Si和选定DE值的恰当范围，就可以制造性良好地制造同时具有排气导向器部件所要求的苛刻的要求特性的钢。 
(实施例) 
表1表示了供试验用的钢的化学成分值和DE值。这些供试验用的钢用30kg钢真空熔炼熔制，将得到的钢锭都锻造成φ15mm的圆棒和厚度30mm的板。得到的圆棒实施1100℃的固溶处理。得到的锻造板由热轧制成厚度4mm的热轧板，由该热轧板制造2种试验用钢板。1种是将该热轧板退火后冷轧至厚度1.5mm，实施最终退火而制成冷轧退火板。热轧条件和退火条件如下。热轧温度：1200℃，热轧板退火：1100℃×均热60秒，最终退火：1100℃×均热30秒。另一种是将该热轧板以与上述相同的条件退火后，切削板表面至厚度3mm，制成厚度3mm的切削热轧板。 
由这些“圆棒”、“冷轧退火板”和“切削热轧板”制作所要的试样，分别供如下试验。 
(1)圆棒供高温拉伸试验。即，由得到的圆棒加工成平行部直径是10mm的试样，将其供给1000℃下10/s的应变速度的高速拉伸试验和根据JISG056的800℃的高温拉伸试验。在前者的高速拉伸试验中，用(试验前试样的断面积-试验后试样的断面积)/试验前试样的断面积的值(高温拉伸断面减少率)评价热加工性。高温拉伸断面减少率越低，热加工性越良好。在后者的高温拉伸试验中，以该温度下的抗拉强度的值评价高温强度。 
(2)冷轧退火板供冲裁孔的孔扩展性试验和高温耐氧化性试验。即，由该冷轧退火板制作90mm见方的试样，在该试样的中央以冲裁加工形成直径10mm的孔，在室温下将开口角度300°的圆锥冲头以44kN 防皱压力插入该冲裁孔中，进行孔扩展性试验，在孔扩展部的前端边部发生裂纹时，停止冲头的插入，测定此时的孔径。而且以(试验后的孔径Dx-试验前的孔径Do)/试验前的孔径Do的比评价冲裁加工后的孔扩展性(扩孔弯边加工性)。该孔扩展率越高，冲裁加工后的孔扩展性越优良。 
另外，用#400研磨材料研磨该冷轧退火板的整个面，以“在添加水蒸气使露点调整到+60℃的大气气氛中在900℃下加热25分钟”-“在该气氛中冷却10分钟至室温”作为1个循环，使其实施1000次循环，用以表面积除以试验前和试验后的质量变化的值评价高温抗氧化性。该值的绝对值越小，高温抗氧化性越优良。即，如果负的值大，就意味着氧化量增大，另外，正的值大时，意味着发生氧化皮剥离的现象。 
(3)切削热轧板供高温滑动性试验。即，从3mm厚的该切削热轧板切出10mm×20mm的底板，用#1000研磨材料研磨表面。另外，同样从3mm厚的该切削热轧板切出10mm(短边)×11mm(长边)的滑动板，对短边侧的1个边实施楔形加工。楔形加工是使其边的板厚中心部成为向外突出的凸缘那样(从断面看，具有R＝1.5mm的凸曲面那样)进行切削加工，用#1000研磨材料研磨该表面。而且，使该滑动板的楔形加工的边与上述底板以直角接触。具体地说，按照滑动板的楔形加工的边可以在底板上滑动那样将该滑动板的楔形加工的边垂直载置在水平放置的底板的中央部上。试验时将两板在800℃下均热1小时后，在该温度下，向相对于载置在底板上的滑动板的垂直方向上施加2N的负荷，同时以1冲程10mm的距离、6秒/冲程的速度往复滑动1000次。对于试验后的滑动板用触针式的表面粗糙度测量仪测定与底板线接触的滑动部的表面的粗糙度，用该粗糙度(Ra)作为高温磨损量的评价准则。Ra越大，高温滑动性越差，例如Ra超过1.0μm时，不能得到排气导向器部件要求的高温滑动性。 
将这些试验结果示于表2。
表1 
供试验用钢的化学成分 
  
No. C Si Mn Ni Cr N Nb Ti Mo Cu REM Ca DE值
A1 0.031 3.52 0.75 13.54 18.92 0.020 - - - - - - 8.8
A2 0.040 3.30 0.81 13.05 18.75 0.021 0.11 - - - - - 8.5
A3 0.025 2.95 0.71 12.87 18.15 0.025 - 0.31 - - - - 7.9
A4 0.052 2.85 0.85 9.30 18.09 0.024 0.13 - 0.85 - - - 11.3
A5 0.045 3.85 1.55 15.64 18.04 0.018 0.08 0.15 - - - - 5.6
A6 0.025 2.25 0.79 10.52 19.54 0.024 0.35 - - 1.62 - - 10.2
A7 0.032 2.62 0.82 10.62 19.06 0.021 0.21 - - - 0.013 - 10.5
A8 0.028 2.97 0.99 11.03 19.18 0.031 0.18 - - - - 0.005 10.4
A9 0.037 2.03 0.76 10.38 18.92 0.022 0.16 - 1.03 0.82 - - 10.0
A10 0.041 2.89 0.88 10.88 19.08 0.024 0.22 - - - 0.011 0.004 10.3
B1 0.062 0.49 0.78 8.05 18.07 0.026 - - - - - - 7.7
B2 0.068 0.81 1.59 20.50 25.45 0.027 - - - - - - 2.5
B3 0.036 3.32 0.78 9.22 18.90 0.024 - - - - - - 12.5
B4 0.045 1.75 0.76 13.18 18.52 0.022 0.14 - - - - - 5.6
B5 0.036 2.75 0.89 16.52 18.12 0.021 0.12 - - - - - 3.7
表2  供试验用钢的特性例 
Figure G2008800003106D00091
由表2的结果可以看出，DE值低于5的B2和B5及DE值超过12的B3与DE值是5～12的试样相比，其高温拉伸断面减少率和室温孔扩展率都低。因此，即使想由这些钢板制作排气导向器部件，由于制造性和成形性差而不合适。另外，Si含量低于2.0质量％的B1、B2和B4与Si含量2.0～4.0质量％的试样相比，其高温抗拉强度都低，而且高温抗氧化性也差(反复氧化试验的重量变化大)。因此，即使由这些钢板制作排气导向器部件，也不能得到要求的特性。与此相对， DE值在5～12的范围内的A1～A10其Si量是2.0～4.0质量％，同时其高温拉伸断面减少率和室温孔扩展率高，而且高温抗拉强度和高温抗氧化性也良好，高温滑动性也良好(高温磨损量小)。因此，可以同时满足构成排气导向器的各部件所要求的材料特性，制造性和成形性也良好。因此即使用同一种类钢制作其全部各部件，也可以得到能够同时满足要求特性的排气导向器组件。

Claims (9)

1.一种喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件，其特征在于，在具备为使流向涡轮的排气速度根据发动机回转数变化的喷嘴叶片的涡轮增压器中，用于构成上述喷嘴叶片的、且构成用于将排气导入该涡轮的排气导向器的部件用包含下述成分的奥氏体系不锈钢制作：以质量％计含有0.08％以下的C、2.0～4.0％的Si、2.0％以下的Mn、8.0～16.0％的Ni、18.0～20.0％的Cr、0.04％以下的N，而且按照下式DE值满足5.0～12.0那样含有这些成分，其余是Fe和不可避免的杂质，
DE值＝Cr+1.5Si+0.5Nb+Mo-Ni-0.3Cu-0.5Mn-30(C+N)。
2.根据权利要求1所述的喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件，其特征在于，奥氏体系不锈钢还以总计0.05～1.0质量％含有Nb和Ti的1种或2种。
3.根据权利要求1或2所述的喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件，其特征在于，奥氏体系不锈钢还以总计0.50～5.0质量％含有Mo和Cu的1种或2种。
4.根据权利要求1或2所述的喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件，其特征在于，奥氏体系不锈钢还以总计0.01～0.20质量％含有REM和Ca的1种或2种，所述REM包括Y。
5.根据权利要求3所述的喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件，其特征在于，奥氏体系不锈钢还以总计0.01～0.20质量％含有REM和Ca的1种或2种，所述REM为包括Y的稀土元素。
6.根据权利要求1或2所述的喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件，其特征在于，排气导向器部件包含驱动环、驱动柄、喷嘴环、喷嘴叶片的叶片和其轴。
7.根据权利要求3所述的喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件，其特征在于，排气导向器部件包含驱动环、驱动柄、喷嘴环、喷嘴叶片的叶片和其轴。
8.根据权利要求4所述的喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件，其特征在于，排气导向器部件包含驱动环、驱动柄、喷嘴环、喷嘴叶片的叶片和其轴。
9.根据权利要求5所述的喷嘴叶片式涡轮增压器的排气导向器部件，其特征在于，排气导向器部件包含驱动环、驱动柄、喷嘴环、喷嘴叶片的叶片和其轴。
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