DE102008060151A1

DE102008060151A1 - Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit

Info

Publication number: DE102008060151A1
Application number: DE200810060151
Authority: DE
Inventors: Hung Dr. Nguyen-Schäfer; Dirk Blümmel; Oliver Gamm
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit, insbesondere eines Wechseltemperaturwiderstandes, eines Turbinengehäuses (3) an einem Abgasturbolader (1) und/oder eines Abgaskrümmers (2), bei dem das Turbinengehäuse (3) und/oder der Abgaskrümmer (2) zumindest bereichsweise mittels eines Kugelstrahlverfahrens oder mittels eines Laserstrahls oberflächenbehandelt, insbesondere oberflächengehärtet, und anschließend poliert und/oder geschliffen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit, insbesondere zur Erhöhung eines Wechseltemperaturwiderstandes, eines Turbinengehäuses an einem Abgasturbolader und/oder eines Abgaskrümmers.
Abgasturbolader arbeiten bei vergleichsweise hohen Temperaturen, die aufgrund des heißen Abgases bedingt sind. Die Temperaturen erreichen dabei bei Dieselmotoren bis zu 850°C und bei Ottomotoren sogar bis zu 1050°C. Aufgrund der beim Betrieb der Abgasturbolader auftretenden Wechseltemperaturbelastung, insbesondere durch ein Ein- und Ausschalten des Verbrennungsmotors, tritt eine Werkstoffermüdung im plastischen Ausdehnungsbereich auf, welche als sogenannten Low-Cycle-Fatigue (LCF) bezeichnet wird. Bei schnelleren Wechseltemperaturbelastungen mit vergleichsweise kleinen Temperaturunterschieden, findet die Ermüdung hingegen im elastischen Ausdehnungsbereich statt, was als High-Cycle-Fatigue (HCF) bezeichnet wird. Wenn die Lastspiele dabei eine kritische Lastspielzahl überschreiten, ist der Werkstoff nicht mehr in der Lage, die Belastungen aufzunehmen und reagiert darauf mit einer Rissbildung. Bei weiteren Lastspielen pflanzen sich diese Risse fort, bis das Bauteil vollständig versagt. Besonders betroffene Bauteile, insbesondere bei Abgasturboladern, sind beispielsweise ein Abgaskrümmer und ein Turbinengehäuse.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein Verfahren anzugeben, mit welchem die Verschleißfestigkeit von insbesondere Abgasturboladern erhöht werden kann.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Verschleißfestigkeit und insbesondere einen Wechseltemperaturwiderstand an einem hochbelasteten Bauteil, wie beispielsweise einem Turbinengehäuse oder einem Abgaskrümmer, dadurch zu erhöhen, dass diese Bauteile zumindest lokal zunächst mittels eines Kugelstrahlverfahrens oder mittels eines Laserstrahls oberflächengehärtet und anschließend poliert bzw. geschliffen werden. Kern der Erfindung ist es deshalb, die durch Werkstoffermüdung verursachte Rissbildung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zu reduzieren oder vorzugsweise gänzlich zu vermeiden. Die Bauteile, das heißt insbesondere der Abgaskrümmer bzw. lokale Bereiche des Turbinengehäuses, werden deshalb nur lokal, das heißt bereichsweise, an den besonders rissgefährdeten Stellen behandelt. Bei dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren wird dabei das entsprechende Bauteil, bzw. die besonders an dem entsprechenden Bauteil gefährdeten Bereiche, mit harten Kugeln kugelgestrahlt (shot-peening) oder laserbehandelt (laser-shock-peening und anschließend lokal poliert bzw. geschliffen. Beim Kugelstrahlen werden mittels Schleuderer-, Druckluft-, oder Injektor-Strahlanlagen kleine Strahlmittelkörner mit hoher Geschwindigkeit gegen die zu behandelnde Oberfläche, das heißt gegen das Strahlgut, geschleudert. Bedingt durch die hohe Geschwindigkeit und den hohen Luftdruck, welcher bis zu 10 bar betragen kann, wird das Strahlmittel beschleunigt und zum Aufprall auf der zu bearbeitenden Oberfläche gebracht. Durch den Aufprall werden künstliche Fehler ins Atomgitter des Strahlgutes eingebracht, die eine Volumenvergrößerung und damit Druckeigenspannungen hervorrufen. Die so aufgebrachten Druckeigenspannungen können dabei späteren Zugspannungen entgegenwirken und helfen somit mit, eine Rissneigung des derart behandelten Werkstoffes zumindest zu vermindern. In ähnlicher Weise funktioniert dabei die Oberflächenbehandlung mittels eines Laserstrahls, insbesondere mittels einer sogenannten Laserschockbehandlung, die dazu dient, eine Region tiefer Druckeigenspannungen zu erzeugen. Für eine derartige Laserschockverfestigung werden gewöhnlich ein oder mehrere von mit hoher oder niedriger Leistung gepulsten Lasern abgegebene Laserpulse eingesetzt. Sowohl das Kugelstrahlverfahren als auch Laserschockverfahren bewirken dabei einen Eintrag von Druckeigenspannungen in die behandelte Oberfläche. Durch das anschließende Polieren, welches ein glättendes Feinbearbeitungsverfahren ist, werden eventuell auftretende Rauhigkeitsspitzen in der Oberflächenstruktur plastisch und teilplastisch verformt und dadurch geebnet. Hierdurch kann ebenfalls die Rissneigung reduziert werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt einen Abgasturbolader mit entsprechend gefährdeten Bereichen, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden können.
Entsprechend der 1, ist ein Abgasturbolader 1 dargestellt, mit einem angeschlossenen Abgaskrümmer 2. Insbesondere am Übergang zwischen dem Abgaskrümmer 2 und einem Turbinengehäuse 3 des Abgasturboladers 1 treten dabei beim Betrieb des Abgasturboladers 1 hohe Wechseltemperaturbelastungen auf, die auf Dauer zu einer den Abgasturbolader 1 schädigenden Rissbildung führen können. Sind erst einmal Mikrorisse vorhanden, so pflanzen sich diese üblicherweise beim weiteren Betrieb des Abgasturboladers 1 mit den dabei weiterhin auftretenden Wechseltemperaturbelastungen fort und führen schlussendlich zu einer reparaturbedürftigen Schädigung des Abgasturboladers 1 bzw. des Abgaskrümmers 2 oder sogar zu dessen Totalausfall.
Erfindungsgemäß wird deshalb ein Verfahren vorgeschlagen, mit welchem die Verschleißfestigkeit hochbeanspruchter Bauteile, insbesondere hochtemperaturbeanspruchter Bauteile, gesteigert werden kann. Da nicht sämtliche Teile des Turbinengehäuses 3 bzw. des Abgaskrümmers 2 einer gleichstarken Wechseltemperaturbelastung ausgesetzt sind, reicht es oftmals bereits aus, lediglich die höchstbelasteten Stellen 4 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu behandeln. Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt vor, zumindest die hochtemperaturbelasteten Stellen am Abgaskrümmer 2 bzw. am Turbinengehäuse 3 zunächst mittels eines Kugelstrahlverfahrens oder mittels eines Laserstrahlverfahrens oberflächenzuhärten, das heißt Druckeigenspannungen in den Werkstoff einzubringen, und anschließend zu polieren bzw. zu schleifen, um gegebenenfalls eventuell auftretende Oberflächenrauhigkeiten ausgleichen zu können. Sowohl das Kugelstrahlverfahren als auch das Laserstrahlverfahren kann dabei punktgenau eingesetzt werden, so dass auch eine lediglich bereichsweise Behandlung der entsprechenden Bauteile problemlos möglich ist.
Durch das Kugelstrahlverfahren (shot-peening) oder das Laserstrahlverfahren (laser-shock-peening) wird eine Deformation des Atomgitters im bestrahlten Bereich erreicht, was zu einer Volumenzunahme und zum Eintrag einer Druckeigenspannung führt. Diese Druckeigenspannung wirkt dabei einer späteren Zugspannung entgegen, so dass Risse erst dann auftreten können, wenn sowohl die Zugfestigkeit des Werkstoffes überschritten als auch die lokal aufgebrachten Druckeigenspannungen kompensiert worden sind. Eine Rissbildung setzt demnach erst bei deutlich größeren Zugspannungen ein.
Bei dem Kugelstrahlverfahren werden insbesondere Kugeln mit einem Durchmesser von 0,10 mm bis 0,20 mm verwendet, wobei zusätzlich üblicherweise sehr harte Kugeln, das heißt insbesondere Stahlkugeln, zum Einsatz kommen. Die in den bearbeiteten Bereichen aufgebrachte Druckvorspannung beträgt dabei überall von σ_m < 0 N/mm².
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, die Rissbildung bei stark temperaturbelasteten Bauteilen, wie beispielsweise einem Abgaskrümmer 2 oder einem Turbinengehäuse 3 zu verringern und insbesondere die Rissneigung zu minimieren. Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Verfahrens, kann eine derartige Rissbildung sogar gänzlich unterbunden werden, wodurch die Verschleißfestigkeit derart behandelter Bauteile und damit die Lebensdauer derselben deutlich gesteigert werden kann.

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit, insbesondere eines Wechseltemperaturwiderstandes, eines Turbinengehäuses (3) an einem Abgasturbolader (1) und/oder eines Abgaskrümmers (2), bei dem das Turbinengehäuse (3) und/oder der Abgaskrümmer (2) zumindest bereichsweise mittels eines Kugelstrahlverfahrens oder mittels eines Laserstrahls oberflächenbehandelt, insbesondere oberflächengehärtet, und anschließend poliert und/oder geschliffen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Kugelstrahlverfahren Kugeln mit einem Durchmesser von 0,10 bis 0,20 mm verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Kugelstrahlverfahren Stahlkugeln verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den bearbeiteten Bereichen eine mittlere Druckvorspannung von σ_m < 0 N/mm² aufgebracht wird.
Abgasturbolader (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Turbinengehäuse (3), das zumindest bereichsweise mittels eines Kugelstrahlverfahrens oder mittels eines Laserstrahls oberflächenbehandelt, insbesondere oberflächengehärtet, oberflächengehärtet und anschließend poliert und/oder geschliffen ist.
Abgaskrümmer (2), der zumindest bereichsweise mittels eines Kugelstrahlverfahrens oder mittels eines Laserstrahls oberflächenbehandelt, insbesondere oberflächengehärtet, oberflächengehärtet und anschließend poliert und/oder geschliffen ist.