CN103827463A - 涡轮增压器以及用于该涡轮增压器的部件 - Google Patents

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Abstract

说明了一种用于涡轮增压器应用的部件，特别是在柴油发动机中，该部件由一种具有铁奥氏体基础结构的铁基合金组成，该奥氏体基础结构包括一种碳化物结构。

Description

涡轮增压器以及用于该涡轮增压器的部件
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的一种用于涡轮增压器应用、特别是柴油发动机中的涡轮增压器应的部件，并且还涉及根据权利要求7的前序部分所述的包括一个部件的一种排气涡轮增压器。
排气涡轮增压器是旨在提高活塞式发动机的功率的系统。在排气涡轮增压器中，排气的能量被用于提高功率。功率的提高是由于提高每个工作冲程中的混合气通过量的结果。
一个涡轮增压器主要由带有一个轴的一个排气涡轮机和一个压缩机组成，其中这个被安排在发动机的进气道中的压缩机被连接到该轴上，并且位于该排气涡轮机的壳体中的这些叶轮和该压缩机进行旋转。在一个涡轮增压器具有可变涡轮几何形状的情况下，多个调节叶片被额外地可旋转地安装在一个叶片支承环中并且由被安排在该涡轮增压器的涡轮机壳体中的一个调节环移动。
关于涡轮增压器的这些部件的、并且特别是该涡轮增压器的运动学部件或废气门部件的、或者在VTG涡轮增压器的情况下还有其VTG部件的材料提出了极高的要求。这些部件的材料必须是耐热的，即，这种材料甚至在非常高的直至大约1000℃或更高的温度下仍然必须能提供足够的强度并且因此提供尺寸稳定性。此外，这种材料必须具有高的耐磨性并且还具有适当的抗氧化性能，以使该材料的腐蚀或磨损甚至在几百摄氏度的高工作温度下也被降低，并且因此在极端工作条件下该材料的耐受性仍然得到确保。
DE10 2004 062 564A1披露了一种用于涡轮增压器的具有良好的热稳定性以及低的滑动磨损的叶片支承环。在这种类型的叶片支承环中，使用了奥氏体材料，这是一种具有高的含硫量以用于改善该部件的润滑作用的铁基合金。由于这种特定的组成，提高了该材料的抗蠕变性能并且因此实现了在850℃以上的温度下该叶片支承环的尺寸稳定性的提高。
鉴于此，本发明的一个目的是提供根据权利要求1的前序部分所述的一种用于涡轮增压器应用的部件并且还提供根据权利要求7的前序部分所述的一种涡轮增压器，该部件和涡轮增压器具有改善的耐温性和抗氧化性能并且因此还具有非常好的尺寸稳定性和高温强度、并且还具有蠕变强度、断裂强度和耐腐蚀性，其突出之处为最佳的摩擦学特性并且额外地展示出降低的磨损敏感性，甚至在高达1020℃的温度下也是如此。
该目的是通过权利要求1和权利要求7的特征来实现的。
该材料的改善的耐温性并且特别是改善的滑动磨损特性及其降低的氧化趋势是通过根据本发明的、处于用于涡轮增压器应用的部件或者包括这样一种部件的排气涡轮增压器的形式的实施例来实现的，该部件由具有一种奥氏体基础结构的铁基合金组成，该奥氏体基础结构包括一种特定的碳化物结构。此外，该材料的蠕变强度还有断裂强度被提高。在本发明的背景中，碳化物结构被理解为在此情况下是指：在晶粒中以及在该奥氏体铁基合金的晶粒边界处形成的一种微结构碳化物析出相。该碳化物结构特别地是一种枝晶微结构，其结果是还实现了该材料的、并且因此该部件的非常好的抗变形性和耐磨性。因此提供了一种用于涡轮增压器应用的部件、或者一种包括至少一个根据本发明的部件的排气涡轮增压器，该部件具有出色的高达1020℃的耐温性、还具有高的高温强度、高的耐磨性、抗氧化性能和耐腐蚀性，并且此外其突出之处为非常好的滑动特性以及非常好的蠕变强度和断裂强度，特别是在高的工作温度下。在此提及的用于涡轮增压器应用的部件的或该排气涡轮增压器的特性在该部件或该涡轮增压器的整个使用寿命期间均被实现，甚至在高达1020℃的温度下的连续工作过程中也是如此。
在不受限于理论的情况下，假定在该奥氏体铁基合金中存在碳化物结构(即，碳化物析出物)相当大地提高了该合金材料的稳定性并且因此提高了该部件的稳定性(特别是对于摩擦磨损而言)并且由于这种独特的结构还提高了它们的高温强度。
举例而言，根据本发明的铁基合金，即形成该部件(并且因此形成根据本发明的部件)的具有碳化物结构的奥氏体铁基材料，其突出之处为在给定的20Mpa的接触压力、0.0025m/s的滑动速度、大约1020℃的部件温度以及2 000 000次循环中直径的最大0.08mm的滑动磨损率，即其突出之处为非常好的耐摩擦磨损性。此外，该铁基合金的并且因此由其形成的该用于涡轮增压器应用中的部件的高温强度、尺寸稳定性、蠕变强度和断裂强度还有抗氧化性能以及高温性能也被提高。
从属权利要求涉及本发明的多个有利发展。
因此，在一个实施例中，通过在用于形成根据本发明的部件的奥氏体铁基合金中使用元素钨(W)、铬(Cr)和铌(Nb)中的至少一种，可以相当大地改善该部件的磨损特性、即确切地说是该部件的耐摩擦磨损性，还以及它的高温强度和耐腐蚀性，即使在高达1020℃的高工作温度下也是如此。在此情况下，这些元素W、Cr和Nb基本上在该奥氏体铁基合金中形成了对本发明而言必不可少的碳化物结构，这除了在高工作温度下非常好的磨损性能外还提高了该材料并且因此根据本发明的部件在高温下的抗氧化性能。
在一个进一步的实施例中，根据本发明的用于涡轮增压器应用的部件的突出之处为，形成该部件的该铁基合金包括至少一种选自以下各项的元素：C、Cr、W、Nb、Mn、V、Ni和Si。存在这些元素中的至少一种应当理解为是指，这样一种元素或这些元素的一种组合被用于生产该铁基合金，然后处理该铁基合金以形成根据本发明的部件。添加到该铁基合金中的这些元素在此可以是以它们的原始形式、即以元素形式(例如以夹杂物或析出相形式的)或者以其衍生物的形式、即以对应元素的化合物的形式(例如金属碳化物或金属氮化物)存在的，这些衍生物是在生产该铁基合金的过程中或者是在形成根据本发明的由该铁基合金生产的部件时形成的。在此情况下在根据本发明的部件中可以通过常规的分析方法直接检测这些元素的存在。
元素碳在此主要用于形成对于本发明而言必不可少的碳化物结构、即碳化物的析出相，并且因此可观地提高了该材料的强度并且还提高了该材料的、因此根据本发明的用于涡轮增压器应用的部件的高温强度。使用铬提高了该材料的高温拉伸强度和抗鳞爆性(scaling resistance)。铬另外是一种强的碳化物构成者(former)，并且因此该材料的因此还有根据本发明的部件的磨损特性也由此被优化。在用于形成根据本发明的用于涡轮增压器应用的部件的奥氏体铁基合金中使用元素铬还具有另一个优点：特别在根据本发明的部件的工作条件下，即在高达1020℃的高排气温度的作用下，铬还在该部件的表面上形成了一个Cr2O3表面层，即一个氧化的表面层，该表面层有效促进了该铁基合金、并且因此根据本发明的该部件在热负载下对于滑动磨损和摩擦磨损的耐受性。元素钨也是一种强的碳化物构成者并且特别地由于碳化物结构的形成而提高了该材料的高温强度和耐磨损性并且有助于提高其韧性。钨与铬的组合并且在适当时进一步添加了钼(Mo)时特别有可能相当大地提高该材料在酸性介质中的耐腐蚀性还有热腐蚀性能。像碳、铬和钨一样，铌也是一种碳化物构成者并且因此促进了该奥氏体铁基合金的、在晶粒中以及在晶粒边界处的、对本发明而言必不可少的碳化物结构。此外，它有助于提高该铁基合金的、并且因此用于形成该用于涡轮增压器应用的部件的高温强度和蠕变强度。铌进一步促进了奥氏体结构并且减少了根据本发明的铁基合金的γ区域，并且因此可以用于调节方式(regulatory fashion)。使用锰具有脱氧效果。锰使该奥氏体铁基合金的γ区域扩展并且增大了该材料的屈服强度和拉伸强度。除此之外，锰提升了该部件的耐磨性，特别是在高的工作温度下。钒在根据本发明的铁基合金的生产过程中细化了该铁基合金的初生晶粒并且因此细化了该铁基合金的铸造结构。这样实现了高度的晶粒细化，这提升了该铁基合金的均质性并且允许该材料具有更高的动态接触压力。镍使该奥氏体结构稳定并且使得有可能实现该铁基合金的高温稳定性还有热气体性能。此外，镍使面心立方结构稳定，而使得在面心立方相中可以出现无缝的固溶体结构。此外，通过添加镍也明确地在高于600℃时提高了高温强度。同时，元素镍与铬和钼相结合改进了在酸性介质中的耐腐蚀性。硅通过降低在铸造过程中熔体的黏性而提升该铁基合金的铸造特性。除此之外，硅在根据本发明的材料中促进了脱氧，并且因此将这种元素添加到该合金中决定性地改善了抗热腐蚀性。通过适当地选择和组合这些元素，因此可以用一种有针对性的方式控制该铁基合金的特性，而使得根据本发明的用于涡轮增压器应用的部件并且因此还有根据本发明的排气涡轮增压器具有一种特别平衡的特性分布。其他元素还以及其他化合物可以被引入到该铁基合金中。
根据另一个实施例，根据本发明的用于涡轮增压器应用的部件的突出之处在于，即它基本上包含以下元素：按重量计0.1％至0.5％、特别地按重量计0.25％至0.4％的碳(C)，按重量计20％至28％、特别地按重量计24％至26％的铬(Cr)，按重量计至多1.3％、特别地按重量计至多1％的锰(Mn)，按重量计0.5％至1.8％、特别地按重量计0.7％至1.5％的硅(Si)，按重量计0.5％至2.0％、特别地按重量计0.8％至1.5％的铌(Nb)，按重量计0.8％至4.0％、特别地按重量计1.0％至3.5％的钨(W)，按重量计0至1.8％、特别地按重量计0％至1.5％的钒(V)，按重量计20％至28％、特别地按重量计24％至26％的镍(Ni)，以及余量的铁(Fe)。这些量的指示值在本文中各自是关于用于形成根据本发明的部件的该铁基合金的总重量。如已经陈述的，存在所述元素应当理解成是指，这些元素既能以元素形式存在并且还能以其一种化合物的形式存在于该铁基合金中、并且因此存在于根据本发明的用于涡轮增压器应用的部件中。在此实施例中，上述元素基本上以所指示的量存在于根据本发明的部件中。这意味着可能存在不可避免的杂质，但这些杂质基于该铁基合金的总重量而言优选地占到按重量计少于2％并且特别地按重量计少于1％。这些不可避免的残留物或杂质在此情况下涵盖了例如铝(Al)、锆(Zr)、铈(Ce)、硼(B)、磷(P)以及硫(S)。在此情况下在根据本发明的部件中可以通过常规的元素分析方法直接检测这些单独元素的量。
已经出人意料地发现，准确地由所描述的组合提供了一种材料、即一种铁基合金，该铁基合金在被处理以形成用于涡轮增压器应用的部件时向所述部件提供了一种特别平衡的特性分布。根据本发明的这种组成提供了以下部件，该部件具有特别高的高温强度、高达1020℃的耐温性、并且因此具有在高温下的尺寸稳定性，并且该部件的突出之处为出色的滑动特性并且因此具有特别低的滑动磨损。此外，蠕变强度和断裂强度、耐腐蚀性和抗氧化性能被最大化，特别是在高的工作稳定下，例如一个涡轮增压器的运行过程中作用在对应部件上的。
一种以此方式生产的并且用于形成根据本发明的部件的材料因此具有以下特性：
Figure BDA0000482366830000051
根据本发明的另一个实施例，这个用于涡轮增压器应用的部件基本上不含σ相。这尤其适用于根据本发明的部件在高达1000℃以及甚至高达1020℃时的运行。这样有效地抵抗了该材料的脆化，其结果是提高了该部件的耐久性。σ相是具有高硬度的脆的金属间相。它们在原子半径相匹配而只具有微小差异的体心立方金属与面心立方的金属相互撞击时产生。这种类型的σ相是不希望的，因为它们具有脆化作用并且还因为铁基质具有去除铬的特性。根据本发明的铁基合金并且因此还有根据本发明的部件基本上不含σ相，这样使得在此不会出现所述的不希望的效果。减少或防止σ相的形成具体是通过对根据本发明的铁基合金的元素进行有针对性的选择来控制的、并且特别地是通过使该合金材料中的硅含量为按重量计至多1.8％并且优选地按重量计至多1.5％(在各自情况下基于该铁基合金的总重量)来实现。
因此根据本发明描述的是一种用于涡轮增压器应用的部件，该部件的突出之处为出色的磨损性能，即在甚至高达1020℃的高温下的高的耐滑动磨损性，高的高温强度还以及尺寸稳定性，并且此外其突出之外为优异的抗氧化性能、蠕变强度和断裂强度以及耐腐蚀性。借助于这些出色的特性，根据本发明的部件是特别适用于这些用于涡轮增压器应用的、暴露于高达1020℃高温中和/或高水平的摩擦中的部件。示例性的部件包括动力学部件、废气门部件以及VTG部件，并且特别是VTG部件和阀瓣安装件。
可以通过常规的工艺来生产和处理该奥氏体铁基合金以形成根据本发明的用于涡轮增压器应用的部件。为了确保尺寸稳定性，可以在900℃下进行时效退火大约2小时，随后进行空气冷却，以便产生二次析出物。可以用TIG、等离子和EB焊接工艺来焊接该材料。
作为一个可以独立对待的目的，权利要求7限定了包括至少一个如已经描述的部件的一种排气涡轮增压器，该部件由具有一种奥氏体基础结构的铁基合金组成并且包括一种碳化物结构。
这个根据本发明的部件的这些有利实施例在根据本发明的排气涡轮增压器的实施例中也是适用的。
图1示出了根据本发明的一个排气涡轮增压器的以截面局部示出的透视图。图1示出了根据本发明的一个涡轮增压器1，该涡轮增压器具有一个涡轮机壳体2和一个压缩机壳体3，该压缩机壳体通过一个轴承壳体28而连接到该涡轮机壳体上。这些壳体2、3和28是沿着一条旋转轴线R安排的。该涡轮机壳体以截面被局部地示出，以展示一个叶片支承环6和一个径向的外部引导栅18的安排，该引导栅是由所述环形成的并且具有多个调节叶片7，这些调节叶片分布在圆周上并且具有多个旋转轴8。以此方式，形成了多个喷嘴截面，这些喷嘴截面根据这些调节叶片7的位置而是较大或较小的、并且利用来自发动机的排气在较大或较小的程度上作用于涡轮机转子4(该涡轮机转子被定位在旋转轴线R的中心)上，所述排气是经由一个供应管道9提供的并经由一个中央连接件10而被排出，以便通过该涡轮机转子4来驱动位于同一个轴上的一个压缩机转子17。
为了控制这些调节叶片7的移动或位置，提供了一个致动装置11。这可以按照任何希望的方式来进行设计，但一个优选的实施例具有一个控制壳体12，该控制壳体控制被固定在其上的一个挺杆构件14的控制移动，以便将所述挺杆构件在一个调节环5(被定位在该叶片支承环6之后)上的移动转化成该调节环的一种轻微的旋转运动。在叶片支承环6与涡轮机壳体2的一个环形部分15之间形成了用于这些调节叶片7的一个自由空间13。为了能够确保这个自由空间13，该叶片支承环6具有多个隔离件16。
根据本发明还描述了一种具有奥氏体基础结构的铁基合金，该奥氏体基础结构包括一种碳化物结构并且具体地基本上包括以下元素：
C：按重量计0.1％至0.5％、特别地按重量计0.25％至0.4％，
Cr：按重量计20％至28％、特别地按重量计24％至26％，
Mn：按重量计≤1.3％、特别地按重量计≤1％，
Si：按重量计0.5％至1.8％、特别地按重量计0.7％至1.5％，
Nb：按重量计0.5％至2.0％、特别地按重量计0.8％至1.5％，
Ni：按重量计20％至28％、特别地按重量计24％至26％，
W：按重量计0.8％至4.0％、特别地按重量计1.0％至3.5％，
V：按重量计0至1.8％、特别地按重量计0至1.5％，以及
Fe：按重量计添加至100％。
这样的铁基合金的突出之处在于高的高温强度、良好的耐腐蚀性、蠕变强度和断裂强度，还有抗氧化性以及在连续工作过程中在甚至约1000℃的高温下低的磨损率。这样的奥氏体材料特别适合于永久暴露于高温和高摩擦水平中的部件，例如像用于涡轮增压器应用的部件，但本发明不局限于此。
-实例-
除非另外指明，否则这些单独的元素的量的指示值在各自情况下是关于该铁基合金的总重量。
用于形成根据本发明的用于涡轮增压器应用的多个部件(确切地说是瓣轴、瓣板和衬套)的一种铁基合金是由以下元素通过一种常用的方法来生产的。对于这些元素通过化学分析得到以下值：C：按重量计0.25％至0.4％，Cr：按重量计24％至26％，Mn：按重量计小于1％，Si：按重量计0.7％至1.5％，Nb：按重量计0.8％至1.5％，W：按重量计1.0％至3.5％，V：按重量计0至1.5％，Ni：按重量计24％至26％，以及余量的Fe。此外，可以找到微量的具有按重量计少于1％的比例的不可避免的残留物Al、Zr、Ce、B、P和S。
这些根据此实例生产的部件的突出之处为以下特性：
Figure BDA0000482366830000081
Figure BDA0000482366830000091
该材料经受一个确认试验系列，该试验系列包括以下试验：
-露天耐候试验
-气候变化试验
-热冲击试验/热循环试验-300h
-裂解炉中的热气体腐蚀试验
-根据DIN EN ISO3651-2的施特劳斯(Strauss)试验
-摩擦计上的振动摩擦磨损试验：工作温度(1020℃)下的衬套/轴
相应部件在所有试验中的突出之处为对于作用力的出色的抵抗性。该材料因此具有极其高的耐磨性和出色的抗氧化性能(最大氧化率：30μm)，这样使得在指出的条件下相当大地减少了该材料的腐蚀和磨损/摩擦磨损，并且因此在长时间内还仍然确保了该材料的并且因此还有由该材料形成的部件的耐受性、还有蠕变强度和断裂强度。
热循环试验：
根据本发明的这些部件(轴/衬套)经受一项热循环试验，在该试验中热冲击是如下进行的：
1.使用多个稳态转子；
2.2-EGT运行;
3.试验持续时间：350h(大致2000个循环)；
4.在整个试验期间，这些EGT的排气瓣保持打开15°；
5.高温：额定功率点T3＝750℃，EGT在涡轮机侧的质量流：0.5kg/s；
6.低温：T3＝100℃，EGT在涡轮机侧的质量流：0.5kg/s；
7.循环的持续时间：2x5min.(10min.)；
8.进行三次中间裂纹试验。
给定以下负荷集合，根据本发明的相应部件(轴/衬套)的突出之处为低的高温氧化，即在部件温度1020℃时至多40μm的、特别地至多30μm的氧化率：
参数 结果
承载负荷 10N/mm2至18N/mm2
滑动速度 0.0025m/s
部件温度 700℃-1020℃
表面粗糙度 Rz6.3
试验介质 奥托(Otto)排气
试验持续时间 500h
时钟频率 0.2Hz
调节角 45°
摩擦值 ＜0.18
轴颈直径 4.7mm
压力脉动 ＞200巴
排气压力 1.5巴
磨损率 ＜0.10mm
这些在此指示的结果验证了根据本发明的部件在高达1020℃温度范围内完美地适合用于涡轮增压器应用。
参考符号列表
1    涡轮增压器
2    涡轮机壳体
3    压缩机壳体
4    涡轮机转子
5    调节环
6    叶片支承环
7    调节叶片
8    枢转轴
9    供应管道
10   轴向连接件
11   致动装置
12   控制壳体
13   用于导向叶片7的自由空间
14   挺杆构件
15   涡轮机壳体2的环形部分
16   隔离件/隔离件凸轮
17   压缩机转子
18   引导栅
28   轴承壳体
R    旋转轴线

Claims (10)

1.一种用于涡轮增压器应用的部件，特别是在柴油发动机中，该部件由具有一种奥氏体基础结构的一种铁基合金组成，该奥氏体基础结构包括一种碳化物结构。
2.如权利要求1所述的用于涡轮增压器应用的部件，该部件包括至少一种选自以下的元素：W、Cr和Nb。
3.如权利要求1或2所述的用于涡轮增压器应用的部件，该部件包括至少一种选自以下的元素：C、W、Cr、Mn、Ni、V、Nb和Si。
4.如以上权利要求之一所述的用于涡轮增压器应用的部件，其特征在于，该部件基本上包括以下元素：
C：按重量计0.1％至0.5％、特别地按重量计0.25％至0.4％，
Cr：按重量计20％至28％、特别地按重量计24％至26％，
Mn：按重量计≤1.3％，特别地按重量计≤1％，
Si：按重量计0.5％至1.8％、特别地按重量计0.7％至1.5％，
Nb：按重量计0.5％至2.0％、特别地按重量计0.8％至1.5％，
Ni：按重量计20％至28％、特别地按重量计24％至26％，
W：按重量计0.8％至4.0％、特别地按重量计1.0％至3.5％，
V：按重量计0至1.8％、特别地按重量计0至1.5％，以及
Fe：按重量计添加至100％。
5.如以上权利要求之一所述的用于涡轮增压器应用的部件，其特征在于，该部件基本上不含σ相。
6.如以上权利要求之一所述的用于涡轮增压器应用的部件，其特征在于，该部件是一个运动学部件和/或一个废气门部件和/或一个VTG部件，特别地是一个VTG部件和/或一个阀瓣安装件。
7.一种排气涡轮增压器，特别地用于柴油发动机，该排气涡轮增压器包括至少一个由一种铁基合金组成的部件，该铁基合金具有一种奥氏体基础结构的，该奥氏体基础结构包括一种碳化物结构。
8.如权利要求7所述的排气涡轮增压器，其中，该部件包括至少一种选自以下的元素：W、Cr和Nb，并且特别是至少一种选自以下的元素：C、W、Cr、Mn、Ni、V、Nb和Si。
9.如权利要求7或8所述的排气涡轮增压器，其特征在于，该部件基本上包括以下元素：
C：按重量计0.1％至0.5％、特别地按重量计0.25％至0.4％，
Cr：按重量计20％至28％、特别地按重量计24％至26％，
Mn：按重量计≤1.3％、特别地按重量计≤1％，
Si：按重量计0.5％至1.8％、特别地按重量计0.7％至1.5％，
Nb：按重量计0.5％至2.0％、特别地按重量计0.8％至1.5％，
Ni：按重量计20％至28％、特别地按重量计24％至26％，
W：按重量计0.8％至4.0％、特别地按重量计1.0％至3.5％，
V：按重量计0至1.8％、特别地按重量计0至1.5％，以及
Fe：按重量计添加至100％。
10.如权利要求7至9之一所述的排气涡轮增压器，其特征在于，该部件基本上不含σ相。
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