DE102004062564B4

DE102004062564B4 - Schaufellagerring eines Turboladers eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102004062564B4
Application number: DE102004062564A
Authority: DE
Inventors: Roland Ruch; Lutz Steinert; Klaus Dr. Wintrich
Original assignee: Mahle Ventiltrieb GmbH
Current assignee: Mahle Ventiltrieb GmbH
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2024-12-25
Also published as: JP5114207B2; DE102004062564A1; EP1704304B1; EP1704304A1; DE502005006420D1; WO2006066520A1; US20080112815A1; JP2008525630A

Abstract

Schaufellagerring eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie und hierzu in dem Schaufellagerring verstellbaren Turbinenschaufeln eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors, bestehend aus einer austenitischen Eisenmatrix-Legierung mit einem Schwefelanteil zur Erzielung einer Festschmierstoffwirkung an seinen Lagerflächen, gekennzeichnet durch einen Anteil von 1 bis 6 Gewichts-% eines Legierungselementes oder mehrerer dieser Elemente wie Wolfram (W), Cobald (Co), Niob (Nb), Rhenium (Re), Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Vanadium (V), Hafnium (Hf), Yttrium (Y), Zirconium (Zr) und/oder vergleichbar hochschmelzender Legierungselemente.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaufellagerring eines Turboladers mit in dem Schaufellagerring verstellbaren Turbinenschaufeln nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der EP 1 394 364 A1 ist ein Turbolader mit zwei Schaufellagerringen bekannt. Um die Herstellungskosten reduzieren zu können, weist zumindest einer der Schaufellagerringe über seine Flächenumfangsrichtung verteilte, einteilig angeformte Abstandshalter auf, durch die der axiale Abstand der beiden Schaufellagerringe sicherbar ist.
Aus der EP 1 396 620 A1 ist ein weiterer Turbolader mit einem Schaufellagerring bekannt.
Bei modernen Hochleistungsmotoren werden an einen dauerhaft funktionsfähigen Schaufellagerring äußerst hohe Materialanforderungen gestellt. Ein entsprechend geeignetes Material muss einen ausreichenden Kriechwiderstand, eine hohe Maßstabilität, durch die ein thermischer Verzug auch bei hohen Temperaturen an dem Schaufellagerring vermieden wird, eine hohe Verschleißfestigkeit sowie eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit besitzen. Falls es zu Verzug, Kriechen oder einer starken Oxidation eines gattungsgemäßen Schaufellagerringes kommt, so kann dies zum Blockieren der Turbinen-Leitschaufeln führen, das heißt der Turboladerquerschnitt kann nicht mehr an den Fahrzustand des Motors durch eine Leitschaufelverstellung angepasst werden.
Als Schaufellagerringe werden bisher hauptsächlich ferritische Werkstoffe, die einen hohen Anteil an Chrom und Chromkarbiden enthalten, eingesetzt. Bei thermisch höher belasteten Schaufellagerringen werden austenitische Materialien, die Chromkarbide enthalten, verwendet. Eine derartige Legierung enthält beispielsweise folgende Anteile in jeweils Gewichtsprozent angegeben: C = 0,4–0,7, Cr = 18–21, Ni = 12–14, S = 0,2–0,4, Si = 1,8–2,2 mit Rest Eisen und unspezifizierten Legierungsbestandteilen bzw. Verunreinigungen bis zu 3 Eine solche Legierung wird nachfolgend als Legierung·PL 23 bezeichnet.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, gattungsgemäße Schaufellagerringe werkstoffmäßig für einen Einsatz bei extrem hohen Temperaturen funktionssicher auszulegen. Insbesondere wird ein hoher Kriechwiderstand und eine hohe Festigkeit bei Temperaturen von oberhalb 850°C angestrebt. Insbesondere bei derart hohen Temperaturen soll die Beweglichkeit der Turbinenschaufeln in dem gattungsgemäßen Schaufellagerring absolut sichergestellt sein.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen gattungsgemäßen Schaufellagerring mit einer Legierungszusammensetzung nach dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1.
Besonders vorteilhafte Schaufellagerlegierungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei sich die Legierungen nach den Ansprüchen 3 und 4 als eine besonders gute Lösung herausgestellt haben.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die bei leistungsgesteigerten Motoren an insbesondere die Kriechbeständigung und Festigkeit eines Schaufellagerringmaterials gestiegenen Anforderungen durch einen austenitischen Eisenwerkstoff mit einem eine feste Schmierstoffeigenschaft bewirkenden Schwefelanteil zu erfüllen, dem hochschmelzende Legierungselemente zugesetzt sind, wobei diese Legierungselemente einzeln oder bei einem Vorhandensein mehrerer dieser Elemente einen Gewichtsanteil zwischen mindestens einem Gewichtsprozent bis zu sechs Gewichtsprozenten einnehmen sollen.
Eine erfindungsgemäß erreichbare, erhöhte Kriechbeständigkeit des Schaufellagerringwerkstoffes bedingt bei höheren Temperaturen eine hohe Maßstabilität der Schaufellagerringe. Durch die Festschmierstoffwirkung, die von dem Schwefelanteil innerhalb der Legierung ausgeht, besteht eine gute Schmierung an insbesondere der Kontaktfläche zwischen dem Schaufellagerring und einer in diesem gelagerten Turbinenschaufel. Bei einem erfindungsgemäßen Materialeinsatz wird ein Blockieren der Turbinenschaufeln, das heißt der Leitschaufeln, bei hohen Temperaturen sicher vermieden.
In der Zeichnung sind einige Eigenschaftsdiagramme für erfindungsgemäße Schaufellagerringmaterialien angegeben. Die in den einzelnen Diagrammen angegebenen Kurven betreffen so weit sie mit A bezeichnet sind, einen Werkstoff nach Anspruch 3 und soweit sie mit B bezeichnet sind, einen Werkstoff nach Anspruch 4.
Erläuterung zu den einzelnen Diagrammen
1a, 1b Diese Diagramme zeigen das Kriechverhalten der Legierungen A und B bei einer stufenförmigen Belastung eine Probe in Schritten von 2 MPa, einer Haltedauer von 35 sec und bei einer Messung der Kriechrate in den letzten 5 sec der Haltedauer und zwar in Teil a für ein Kriechverhalten bei 700°C und in Teil b für ein Kriechverhalten bei 900°C.
2 In diesem Diagramm sind aufgetragen der Elastizitätsmodul E sowie der Schubmodul G der Legierungen A und B in Abhängigkeit der Temperatur.
3 Dieses Diagramm zeigt den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Legierungen A und B in Abhängigkeit der Temperatur.
4 Bei diesem Diagramm ist in der Ordinate die Warmhärte (in HV10) in Abhängigkeit der Temperatur bei den Legierungen A und B aufgetragen.
5 Auf der Ordinate ist die Härte (in HB 2,5/187,5) der Legierungen A und B nach einer Auslagerung von jeweils 2 Stunden und einer Luftabkühlung in Abhängigkeit der Temperatur gezeigt.
6 Diese Fig. enthält eine Tabelle in der für die Legierungen A und B jeweils bei Raumtemperatur angegeben sind Werte für ρ = Dichte, λ = Wärmeleitfähigkeit, R_p02 = Dehngrenze, R_m = Zugfestigkeit, E = Elastizitätsmodul.
Alle in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Form miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Schaufellagerring eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie und hierzu in dem Schaufellagerring verstellbaren Turbinenschaufeln eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors, bestehend aus einer austenitischen Eisenmatrix-Legierung mit einem Schwefelanteil zur Erzielung einer Festschmierstoffwirkung an seinen Lagerflächen, gekennzeichnet durch einen Anteil von 1 bis 6 Gewichts-% eines Legierungselementes oder mehrerer dieser Elemente wie Wolfram (W), Cobald (Co), Niob (Nb), Rhenium (Re), Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Vanadium (V), Hafnium (Hf), Yttrium (Y), Zirconium (Zr) und/oder vergleichbar hochschmelzender Legierungselemente.
Schaufellagerring nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgende Legierungszusammensetzung mit Angaben der einzelnen Legierungselemente jeweils in Gewichts-% C = 0,4–0,6 Cr = 18–27 Nb = 1,4–1,8 Ni = 12–22 S = 0,2–0,5 Si = 2,9–3,2 W = 2,4–2,8 Rest = Eisen Verunreinigungen bzw. unspezifizierte Legierungselemente bis zu 3 Gewichts-%.
Schaufellagerring nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die folgende Legierungszusammensetzung mit Angaben der einzelnen Legierungselemente jeweils in Gewichts-% C = 0,4–0,6 Cr = 18,5–20,5 Nb = 1,4–1,8 Ni = 12,5–14 S = 0,25–0,45 Si = 2,9–3,15 W = 2,4–2,8 Rest = Eisen Verunreinigungen bzw. unspezifizierte Legierungselemente bis zu 3 Gewichts-%.
Schaufellagerring nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die folgende Legierungszusammensetzung mit Angaben der einzelnen Legierungselemente jeweils in Gewichts-% C = 0,4–0,6 Cr = 24,5–26,5 Nb = 1,4–1,8 Ni = 19,5–21,5 S = 0,25–0,45 Si = 2,9–3,15 W = 2,4–2,8 Rest = Eisen Verunreinigungen bzw. unspezifizierte Legierungselemente bis zu 3 Gewichts-%.