DE102007056144A1

DE102007056144A1 - Exhaust manifold or turbo-supercharger housings, useful in internal combustion engines, comprises iron-aluminum steel alloy composition comprising aluminum, chromium, elements of carbon, titanium, zirconium or vanadium, boron and niobium

Info

Publication number: DE102007056144A1
Application number: DE200710056144
Authority: DE
Inventors: Zacharias Georgeou; Jürgen Dr. Kiese; Martin Schüttenhelm
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-05-20

Abstract

Exhaust manifold or turbo-supercharger housings for internal combustion engines, comprises whole or a part of iron-aluminum steel alloy composition comprising: 8-23 wt.% of aluminum; 0-5 wt.% of chromium; 0-10 wt.% of one or more elements of carbon, titanium, zirconium or vanadium, where the amount of single element is maximum 2 wt.%; 0-200 ppm of boron; and 0-5 wt.% of niobium, where iron and the production-related impurities is present at a quantity of 100 wt.%, based on the remaining portion of the alloy.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer oder ein Turboladergehäuse aus einer FeAl-Stahllegierung und die Verwendung der FeAl-Stahllegierung zur Herstellung von Abgaskrümmern oder Turboladergehäusen.The The invention relates to an exhaust manifold or a turbocharger housing made of a FeAl steel alloy and the use of FeAl steel alloy for the production of exhaust manifolds or Turbocharger housings.

Der Abgaskrümmer ist ein Bauteil der Abgasanlage von Verbrennungsmotoren. Direkt an den Motor angeschraubt, leitet der Krümmer die Abgase in den Auspuff. Seinen Namen hat der Krümmer von seiner üblicherweise gekrümmten Bauform, da dieser die Abgase von den meistens waagerechten Motoröffnungen in den unten liegenden Abgasstrang umleiten muss. Als Material wird oftmals legiertes Gusseisen verwendet, das den hohen Temperaturen der Abgase (über 900°C) gerecht wird. Alternativ werden auch gebaute Krümmer aus Edelstahl eingesetzt.Of the exhaust manifold is a component of the exhaust system of internal combustion engines. Directly screwed to the engine, the manifold directs the exhaust into the exhaust. The manifold has its name from his usual curved Design, as this the exhaust gases from the mostly horizontal engine openings must divert into the downstream exhaust system. As material is Often used alloyed cast iron that withstands the high temperatures of the Exhaust gases (over 900 ° C) becomes. Alternatively, built-in manifolds made of stainless steel are used.

Eine Herausforderung bei der Entwicklung von Krümmern ist die Berücksichtigung der Temperaturausdehnung und der damit verbundenen Spannungsverteilung im Krümmer. Diese Spannungen sind in der Regel so groß, dass sie nach endlich vielen Aufheiz-Abkühlzyklen den Krümmer zerstören. Trotzdem werden heute Krümmer entwickelt, die mehrere tausend solcher Zyklen überstehen, was einer Fahrstrecke von mehreren hunderttausend Kilometer entspricht. Zusätzlich sorgt der Krümmer bei Zweitaktmotoren dafür, dass sich ein Abgasdruck im Motor aufbauen kann. Bei Viertaktmotoren dient er dagegen als reine Überleitung.A The challenge in the development of elbows is the consideration the temperature expansion and the associated stress distribution in the manifold. These tensions are usually so great that they are finitely many Heating-cooling cycles the manifold to destroy. Nevertheless become manifold today designed to survive several thousand such cycles, what a route of several hundred thousand kilometers. Additionally provides the manifold for two-stroke engines, that an exhaust pressure in the engine can build up. For four-stroke engines On the other hand, it serves as a pure transition.

Ein Turbolader (auch Abgasturbolader) dient der Leistungssteigerung von Kolbenmotoren durch Erhöhung des Gemischdurchsatzes pro Arbeitstakt. Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom, die über eine Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt des Motors, so dass während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in den Zylinder gelangt als bei einem Saugmotor. Die genannten Komponenten des Turboladers werden von einem Gehäuse umfasst, das direkt mit dem Motor in Verbindung steht und das Abgas der Turbine zuführt. Weitere Bauarten von Turboladern umfassen Biturbo und Twin Turbo, sequentielle Biturbo, Registeraufladung und mehrstufige Aufladung sowie Turbocompounds. Eine für die Zwecke der Erfindung wesentliche Gemeinsamkeit der genannten Ausführungsformen von Turboladern ist, dass sie alle einen Gehäuseabschnitt umfassen, der zur Führung des heißen Abgases dient.One Turbocharger (also turbocharger) is used to increase performance piston engines by increasing the mixture throughput per stroke. A turbocharger consists of an exhaust gas turbine in the exhaust stream, which is connected via a shaft with a compressor connected in the intake. The turbine is powered by the exhaust flow of the Motors put in rotation and drives so the compressor. Of the Increased compressor the pressure in the intake tract of the engine, so that during the intake stroke a bigger amount Air enters the cylinder than a naturally aspirated engine. The mentioned Components of the turbocharger are covered by a housing that directly connects with communicating with the engine and supplying the exhaust to the turbine. Further Types of turbochargers include biturbo and twin turbo, sequential Biturbo, register charging and multi-stage charging as well as turbo compounds. One for the purposes of the invention substantial commonality of the said embodiments Turbochargers is that they all include a housing section that to the leadership the hot exhaust gas serves.

Die hohe Wärmeleitfähigkeit der bisher verwendeten Werkstoffe sowohl für Abgaskrümmer als auch die Gehäuse von Turboladern lassen die Abgastemperaturen zu Rasch absinken, was die Abgaswerte verschlechtert beziehungsweise zu erhöhten Schadstoffemissionen führt. Es besteht daher ein Bedürfnis nach Werkstoffen, die sich den besonderen Anforderungen im Bereich der Abgaskrümmer und Turboladergehäuse stellen, aber gegenüber herkömmlichen Werkstoffen einen Gewichtsvorteil bringen und/oder eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit besitzen.The high thermal conductivity the previously used materials for both exhaust manifold and the housing of Turbochargers let the exhaust gas temperatures drop too quickly, which the exhaust emissions deteriorate or increased pollutant emissions leads. There is therefore a need for materials that meet the special requirements in the field the exhaust manifold and turbocharger housing put, but opposite usual Bring materials a weight advantage and / or improved Have thermal conductivity.

Ein Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung von Abgaskrümmern oder Turboladergehäusen für Verbrennungskraftmaschinen, die ganz oder in Teilen aus einer FeAl-Stahllegierung der folgenden Zusammensetzung bestehen:

(i) 8–23 Gew.-% Al;
(ii) 0–5 Gew.-% Cr;
(iii) 0–10 Gew.-% ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V, wobei ein Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 2 Gew.-% beträgt;
(iv) 0 bis 200 ppm B;
(v) 0–5 Gew.-% Nb;

wobei Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen den auf 100 Gew.-% verbleibenden Restanteil an der Legierung einnehmen. Bei Turboladern sind insbesondere die Gehäuseabschnitte aus der FeAl-Stahllegierung geformt, die zur Führung des heißen Abgases dienen.An aspect of the invention is the provision of exhaust manifolds or turbocharger housings for internal combustion engines, which consist wholly or in part of a FeAl steel alloy of the following composition:

(i) 8-23 wt% Al;
(ii) 0-5 wt% Cr;
(iii) 0-10% by weight of one or more elements selected from the group consisting of C, Ti, Zr, Si and V, wherein a weight fraction of individual elements on the alloy is at most 2% by weight;
(iv) 0 to 200 ppm B;
(v) 0-5 wt% Nb;

where Fe and production-related impurities occupy the residual amount of the alloy remaining at 100% by weight. In turbochargers, in particular, the housing sections are formed from the FeAl steel alloy, which serve to guide the hot exhaust gas.

Die erfindungsgemäß verwendete FeAl-Stahllegierung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass sie eine Dichte im Bereich von 6,3 bis 6,5 g/cm³ besitzt, wohingegen konventionelle Gussstähle bei etwa 7,1 bis 7.4 g/cm³ liegen. Die erfindungsgemäßen FeAl-Stahllegierungen zeigen ferner eine geringere Wärmeleitfähigkeit (9 bis 18 W/m·K bei 100 bis 800°C) als konventionelle Stähle und Gusseisen (ca. 30 bis 70 W/m·K bei 50 bis 600°C). Außerdem weisen sie eine deutlich höhere Festigkeit bei Anwendungstemperaturen, insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 500°C, als konventionelle Stähle gleicher Verwendung auf. FeAl-Stahllegierungen zeigen zudem bis 1100°C keinerlei Verzunderung und besitzen demnach eine im Vergleich zu konventionellen Stählen verbesserte Oxidationsbeständigkeit. Insgesamt kann durch den Einsatz von FeAl-Stahllegierungen der Abgaswärmeverlust und das Bauteilgewicht reduziert sowie die Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit unter Betriebsbedingung erhöht werden.The FeAl steel alloy used in the present invention is characterized, inter alia, by having a density in the range of 6.3 to 6.5 g / cm ³ , whereas conventional cast steels are about 7.1 to 7.4 g / cm ³ . The FeAl steel alloys according to the invention also show a lower thermal conductivity (9 to 18 W / m · K at 100 to 800 ° C) than conventional steels and cast iron (about 30 to 70 W / m · K at 50 to 600 ° C). In addition, they have a significantly higher strength at application temperatures, in particular at temperatures above 500 ° C, than conventional steels same use. FeAl steel alloys also show no scaling up to 1100 ° C and therefore have improved oxidation resistance compared to conventional steels. Overall, the use of FeAl steel alloys can reduce exhaust heat loss and component weight, and increase strength and oxidation resistance under operating conditions.

Vorzugsweise liegt der Anteil von Al an der FeAl-Stahllegierung bei 15 bis 17 Gew.-%, insbesondere bei 16 Gew.-%, da hier im Stahl die für die erfindungsgemäßen Zwecke besonders geeigneten Fe₃Al-Phasen in erheblichem Umfang vorliegen.The proportion of Al in the FeAl steel alloy is preferably from 15 to 17% by weight, in particular 16% by weight, since the Fe ₃ Al phases which are particularly suitable for the purposes according to the invention are present to a considerable extent in the steel.

Weiterhin ist bevorzugt, wenn der Anteil von B an der FeAl-Stahllegierung bei 10 bis 100 ppm liegt. Insbesondere bevorzugt ist eine Kombination der genannten bevorzugten Anteile für B und Al.Farther is preferred when the proportion of B on the FeAl steel alloy is 10 to 100 ppm. Particularly preferred is a combination of mentioned preferred shares for B and Al.

Schließlich beträgt der Anteil der Elemente der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V maximal 5 Gew.-%, wobei der Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 1 Gew.-% beträgt. Eine Kombination mit den genannten bevorzugten Anteilen für B und/oder Al ist besonders bevorzugt.Finally, the proportion the elements of group C, Ti, Zr, Si and V at most 5 wt .-%, wherein the proportion by weight of individual elements in the alloy is at most 1 Wt .-% is. A combination with said preferred proportions for B and / or Al is particularly preferred.

Die genannten bevorzugten FeAl-Stahllegierungen weisen eine hohe mechanische Festigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, gepaart mit einer exzellenten Oxidationsbeständigkeit auf.The mentioned preferred FeAl steel alloys have a high mechanical Strength, especially at high temperatures, coupled with a excellent oxidation resistance on.

Aufgrund der chemischen und mechanischen Eigenschaften eignen sich die genannten FeAl-Stahllegierungen besonders für die Verwendung zur Herstellung von Abgaskrümmern oder Turboladergehäusen für Verbrennungskraftmaschinen. Diese Verwendungen stellen einen weiteren Aspekt der Erfindung dar.by virtue of The chemical and mechanical properties of the mentioned FeAl steel alloys are suitable especially for the use for the production of exhaust manifolds or turbocharger housings for internal combustion engines. These Uses represent a further aspect of the invention.

Die Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Stahllegierung kann durch Gießen erfolgen.The Preparation of the invention used Steel alloy can by casting respectively.

Claims

exhaust manifold or turbocharger housing for internal combustion engines, consisting wholly or in part of a FeAl steel alloy of composition (i) 8-23 Wt% Al; (ii) 0-5 Wt.% Cr; (iii) 0-10 % By weight of one or more elements selected from the group C, Ti, Zr, Si and V, wherein a weight ratio of individual elements of the alloy is maximum 2 wt .-% is; (Iv) 0 to 200 ppm B; (v) 0-5 Wt% Nb; where Fe and production-related impurities take up the residual amount of the alloy remaining at 100% by weight.

exhaust manifold or turbocharger housing according to claim 1, characterized in that the proportion of Al is at the FeAl steel alloy at 15 to 17 wt .-%.

exhaust manifold or turbocharger housing according to claim 2, characterized in that the proportion of Al on the FeAl steel alloy at 16 wt .-% is.

exhaust manifold or turbocharger housing according to one of the preceding claims, characterized that the proportion of B in the FeAl steel alloy at 10 to 100 ppm is.

exhaust manifold or turbocharger housing according to one of the preceding claims, characterized, that the proportion of elements of group C, Ti, Zr, Si and V at a maximum of 5% by weight, the weight proportion of individual Elements of the alloy is at most 1 wt .-%.

Use of a FeAl steel alloy of the composition (I) 8-23% by weight al; (ii) 0-5 Wt.% Cr; (iii) 0-10 % By weight of one or more elements selected from the group C, Ti, Zr, Si and V, wherein a weight ratio of individual elements of the alloy is maximum 2 wt .-% is; (Iv) 0 to 200 ppm B; (v) 0-5 Wt% Nb; where Fe and production-related impurities occupy the residual amount of the alloy remaining at 100% by weight, for the production of exhaust manifolds or turbocharger housings for internal combustion engines.

Use according to claim 6, characterized that the proportion of Al in the FeAl steel alloy at 15 to 17 % By weight.

Use according to claim 7, characterized the proportion of Al in the FeAl steel alloy is 16% by weight lies.

Use according to one of Claims 6 to 8, characterized that the proportion of B in the FeAl steel alloy at 10 to 100 ppm is.

Use according to one of claims 6 to 9, characterized, that the proportion of elements of group C, Ti, Zr, Si and V at a maximum of 5% by weight, the weight proportion of individual Elements of the alloy is at most 1 wt .-%.