DE102009018610B4

DE102009018610B4 - Gesintertes Maschinenbauteil

Info

Publication number: DE102009018610B4
Application number: DE102009018610A
Authority: DE
Inventors: Daisuke Fukae; Hideaki Kawata
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: US20090269235A1; DE102009018610A1; JP5100487B2; JP2009263722A

Abstract

Gesintertes Maschinenbauteil aus einer Fe-Legierung mit Austenit-Gefüge, hergestellt aus einem Fe-Legierungs-Pulver A, einem Fe-Legierungs-Pulver B, einem Fe-P-Pulver und einem Graphitpulver, wobei das Fe-Legierungs-Pulver A aus 25 bis 45 Massen-% an Cr, 1,0 bis 3,0 Massen-% an Mo, 1,0 bis 3,0 Massen-% an Si, 0,5 bis 1,5 Massen-% an C und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen besteht, wobei das Fe-Legierungs-Pulver B aus 15 bis 35 Massen-% an Cr, 15 bis 30 Massen-% an Ni und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen besteht, und wobei das Fe-P-Pulver aus 10 bis 30 Massen-% an P und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen besteht, durch Mischen von 40 bis 60 Massen-% des Fe-Legierungs-Pulvers B, 1,0 bis 5,0 Massen-% des Fe-P-Pulvers und 1,5 bis 3,5 Massen-% des Graphitpulvers mit dem Fe-Legierungs-Pulver A zu einem gemischten Pulver, Verdichten des gemischten Pulvers zu einem Grünling, und Sintern des Grünlings.

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein gesintertes Maschinenbauteil aus einer Fe-Legierung mit Austenit-Gefüge, welches vorzugsweise z. B. für Turbobauteile von Turboladern und insbesondere für Düsenkörper, die Wärmefestigkeit, Korrosionsfestigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen müssen, verwendet werden kann.
Stand der Technik
Im Allgemeinen ist in einem Turbolader, der an einer Verbrennungskraftmaschine befestigt ist, eine Turbine durch ein Turbinengehäuse drehbar unterstützt, das an einen Abgassammler der Verbrennungskraftmaschine angeschlossen ist, wobei mehrere Leitschaufeln (Düsenschaufeln) drehbar unterstützt sind, derart, dass die Leitschaufeln den Außenumfang der Turbine umgeben. Das durch das Turbinengehäuse strömende Abgas strömt vom Außenumfang der Turbine in die Turbine und wird in Axialrichtung ausgestoßen, wodurch die Turbine in Drehung versetzt wird. Ein Kompressor ist auf der gleichen Welle wie die Turbine vorgesehen und befindet sich an einer Seite, die der Seite mit den Leitschaufeln gegenüberliegt. Der Kompressor wird somit in Drehung versetzt, wobei der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft komprimiert wird.
Die Leitschaufel ist durch ein ringförmiges Teil, das als ”Düsenkörper” oder ”Düsenhalter” bezeichnet wird, drehbar unterstützt. Der Schaft der Leitschaufel durchdringt den Düsenkörper und ist mit einer Verbindungsanordnung verbunden. Durch Antreiben der Verbindungsanordnung wird die Leitschaufel gedreht, wobei ein Grad, mit dem ein Strömungspfad geöffnet ist, eingestellt wird, um Abgas zu erlauben, in die Turbine zu strömen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Turbobauteile, die an einem Turbinengehäuse vorgesehen sein können, wie z. B. ein Düsenkörper (Düsenhalter) und eine Düsenplatte, die am Düsenkörper zu montieren ist.
Da die obenbeschriebenen Turbobauteile für Turbolader einem korrosiven Abgas bei hohen Temperaturen ausgesetzt sein können, muss der Turbolader wärmefest und korrosionsfest sein. Da außerdem der Turbolader eine Leitschaufel gleitend berührt, muss der Turbolader auch verschleißfest sein. Daher wird herkömmlicher Weise ein Hoch-Cr-Stahl, ein verschleißfestes Material, und dergleichen verwendet. Das verschleißfeste Material kann gebildet werden durch Ausführen einer Chromoberflächenbehandlung auf einem SCH22-Typ-Material, wie z. B. durch die JIS (Japanische Industrienormen) spezifiziert ist, um die Korrosionsfestigkeit zu verbessern. Als verschleißfestes Bauteil, das eine überlegende Wärmefestigkeit, Korrosionsfestigkeit und Verschleißfestigkeit aufweist und kostengünstig ist, wurde ein verschleißfestes Bauteil vorgeschlagen, das Karbide enthält, die in einer Grundmasse eines rostfreien Ferritstahls dispergiert sind ( JP 3784003 ).
Aus GB 2 319 782 A ist es bei der Herstellung gesinterter Maschinenbauteile bekannt, ein erstes Fe-Legierungspulver, dem Kohlenstoff mit einem Minimalgehalt zugegeben wird, um Karbide mit den Legierungselementen Molybdän, Vanadium, Wolfram und anderen vorhandenen stark karbidbildenden Elementen zu bilden, und ein zweites Legierungspulver aus austenitischem Stahl zu einer Ausgangspulvermischung mit bis zu 1,0 Massen-% freien Kohlenstoff zu mischen. Die Ausgangspulvermischung wird zu einem Grünling verdichtet und gesintert.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
In den letzten Jahren bestand ein Trend zur Erhöhung der Drehzahl von Verbrennungskraftmaschinen und zur Erhöhung ihrer Ausgangsleistung. Daher wird für Turbobauteile von Turboladern ein verschleißfestes Element mit weiter verbesserter Wärmefestigkeit, Korrosionsfestigkeit und Verschleißfestigkeit sowie Hochtemperaturfestigkeit benötigt. Die Bauteile von Turboladern sind typischerweise aus einem wärmefesten austenitischen Material gefertigt. Andererseits ist ein Turbobauteil für einen Turbolader, das in JP 3784003 offenbart ist, aus einem ferritischen Material gefertigt. In diesem Fall weist das Turbobauteil einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als die umgebenden Elemente auf, wodurch der Entwurf des Turbobauteils für die praktische Verwendung schwierig ist. Das Turbobauteil muss daher einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das umgebende austenitische wärmefeste Material aufweisen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein verschleißfestes gesintertes Maschinenbauteil zu schaffen, das die obenerwähnten Anforderungen erfüllt.
Die vorliegende Erfindung schafft ein gesintertes Maschinenbauteilaus einer Fe-Legierung mit Austenit-Gefüge, welches die Merkmale des Patentanspruches aufweist.
Das gesinterte Maschinenbauteil der vorliegenden Erfindung enthält das Fe-Legierung-Pulver A, welches eine wesentliche Menge an Elementen zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit aufweist, wobei das Fe-Legierung-Pulver B weich ist und die Kompressibilität des Fe-Legierung-Pulvers A verbessert. Die Legierungselemente werden in das Fe-Legierung-Pulver A und das Fe-Legierung-Pulver B verteilt und gemeinsam zugefügt, wodurch die Kompressibilität des Rohpulvers verbessert wird. Um den Sinterkörper zu verdichten, wird die Verflüssigungstemperatur des gemischten Pulvers des Fe-Legierung-Pulvers A und des Fe-Legierung-Pulvers B reduziert, so dass beim Sintern ein flüssiger Zustand hergestellt wird. Daher werden P und C in Form eines Fe-P-Pulvers bzw. des Graphitpulvers verwendet, wobei das Fe-P-Pulver und das Graphitpulver mit dem Fe-Legierung-Pulver A und dem Fe-Legierung-Pulver B gemischt werden, wobei ein gemischtes Pulver gebildet wird. Im Folgenden werden die Gründe für die Beschränkung der obigen Mengen und Funktionen der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der folgenden Beschreibung bezeichnet das Symbol ”%” jeweils ”Massen-%”.
Cr:
Cr verbessert die Wärmefestigkeit und die Korrosionsfestigkeit einer Grundmasse, wobei Cr auch die Verschleißfestigkeit verbessert, wenn es mit C in Karbiden kombiniert wird. Um eine Grundmasse durch solche Wirkungen von Cr gleichmäßig zu verbessern, wird Cr dem gemischten Pulver in Form eines Fe-Legierung-Pulvers zugefügt. Wenn die Menge an Cr in dem Fe-Legierung-Pulver A kleiner als 25% ist und die Menge an Cr im Fe-Legierung-Pulver B kleiner als 15% ist, ist die Ausfällungsmenge von Cr-Karbiden klein, wobei die Verschleißfestigkeit unzureichend sein wird und die Wärmefestigkeit und Korrosionsfestigkeit einer Grundmasse herabgesetzt sind. Wenn andererseits die Menge an Cr in dem Fe-Legierung-Pulver A größer als 45% ist, ist die Kompressibilität des Rohpulvers stark herabgesetzt. Die Obergrenze der Menge an Cr im Fe-Legierung-Pulver A muss daher gleich 45% sein. Um das Fe-Legierung-Pulver B so zu bilden, dass es weich ist, muss die Obergrenze der Menge an Cr im Fe-Legierung-Pulver B gleich 35% sein. Dementsprechend wird die Menge an Cr im Fe-Legierung-Pulver A auf 25 bis 45% festgelegt und die Menge an Cr im Fe-Legierung-Pulver B auf 15 bis 35% festgelegt. Da das Fe-Legierung-Pulver B weicher sein muss als das Fe-Legierung-Pulver A muss die Menge an Cr im Fe-Legierung-Pulver B kleiner sein als die Menge an Cr in Fe-Legierung-Pulver A.
Mo:
Mo verbesserte die Wärmefestigkeit und Korrosionsfestigkeit einer Grundmasse, wobei Mo ferner die Verschleißfestigkeit verbessert, wenn es mit C in Karbiden kombiniert wird. Wenn Mo dem gemischten Pulver in Form eines reinen Metallpulvers (Molybdänpulver) zugegeben wird, wird Mo nicht leicht gleichmäßig in der gesamten Grundmasse dispergiert, da Mo während des Sinterns langsam dispergiert. Mo wird daher vorzugsweise dem gemischten Pulver in Form eines Fe-Legierung-Pulvers zugegeben. Diesbezüglich wird im Herstellungsverfahren für gesinterte Maschinenbauteile der vorliegenden Erfindung Mo dem Fe-Legierungs-Pulver A zugegeben und feststoff-gelöst. Wenn die Menge an Mo im Fe-Legierungs-Pulver A kleiner als 1,0% ist, sind die Wirkungen von Mo zur Verbesserung der Wärmefestigkeit und der Korrosionsfestigkeit einer Grundmasse unzureichend. Wenn andererseits die Menge an Mo im Fe-Legierungs-Pulver A größer als 3,0% ist, werden die Wirkungen von Mo nicht effektiv erreicht. Dementsprechend wird die Menge an Mo im Fe-Legierungs-Pulver A auf 1,0 bis 3,0% festgelegt.
Si:
Das Fe-Legierungs-Pulver A enthält eine große Menge an Cr, das im Vergleich zum Fe-LegierungsPulver B leicht oxidierbar ist, weshalb es effektiv ist, Si als Deoxidationsmittel bei der Herstellung des Fe-Legierungs-Pulvers A zuzugeben. Außerdem verbessert Si die Sinterbarkeit. Es wird daher eine geeignete Menge Si zum Fe-Legierungs-Pulver zugegeben und feststoff-gelöst. Wenn die Menge an Si im Fe-Legierungs-Pulver A kleiner als 1,0% ist, sind die Wirkungen von Si unzureichend. Wenn andererseits die Menge an Si im Fe-Legierungs-Pulver A größer als 3,0% ist, ist die Härte des Fe-Legierungs-Pulvers A deutlich erhöht, wodurch die Kompressibilität des Rohpulvers stark herabgesetzt wird. Dementsprechend wird die Menge an Si in Fe-Legierungs-Pulver A auf 1,0 bis 3,0% festgelegt. Wenn Si in das Fe-Legierungs-Pulver B zugegeben und feststoff-gelöst wird, ist die Härte des Fe-Legierungs-Pulvers A erhöht, wodurch die Wirkung der Verbesserung der Kompressibilität des Fe-Legierungs-Pulvers herabgesetzt wird. Daher wird Si nicht in das Fe-Legierungs-Pulver B zugegeben und feststoff-gelöst. Da Si als Deoxidationsmittel bei der Herstellung des Pulvers verwendet werden kann, braucht nicht mehr als 1,0% an Si im Fe-Legierungs-Pulver B als Verunreinigung enthalten sein.
Ni:
Ni dispergiert in einer Grundmasse und hat somit die Wirkung einer Feststoff-Lösungs-Verstärkung, wobei Ni die Grundmasse austenitisiert, und Ni die Hochtemperaturfestigkeit der verschleißfesten Bauteile verbessert. Um die Gesamtheit der Grundmasse durch die Wirkungen von Ni gleichmäßig zu verbessern, wird Ni vorzugsweise dem gemischten Pulver in Form eines Fe-Legierungs-Pulvers zugegeben. Wenn Ni in das Fe-Legierungs-Pulver zugegeben und feststoff-gelöst wird, wird die Härte des Fe-Legierungs-Pulvers nicht wesentlich erhöht. Diesbezüglich wird dem Herstellungsverfahren für gesinterte Maschinenbauteile der vorliegenden Erfindung Ni in das Fe-Legierungs-Pulver B zugegeben und feststoff-gelöst. Wenn die Menge an Ni in Fe-Legierungs-Pulver B kleiner als 15% ist, wird die Hochtemperaturfestigkeit eines Sinterkörpers unzureichend sein und die Korrosionsfestigkeit des Sinterkörpers ist herabgesetzt. Wenn andererseits die Menge an Ni größer als 30% ist, wird die Hochtemperaturfestigkeit des Sinterkörpers nicht weiter verbessert. Dementsprechend wird die Menge an Ni im Fe-Legierungs-Pulver B auf 15 bis 30% festgelegt.
P:
P und C erzeugen beim Sintern eine Fe-P-C-Flüssigphase und erleichtem somit die Verdichtung eines Sinterkörpers. Somit kann ein Dichteverhältnis von 90% oder höher erreicht werden. Um eine Verflüssigung beim Sintern zu erleichtern und somit einen Sinterkörper zu verdichten, wird P dem gemischten Pulver in Form eines Fe-P-Legierungspulvers zugegeben. Wenn die Menge an P im Fe-P-Pulver kleiner als 10% ist, wird die flüssige Phase nicht in ausreichender Weise erzeugt, wobei die Dichte eines Sinterkörpers nicht verbessert wird. Wenn andererseits die Menge an P größer als 30% ist, wird die Härte des Fe-P-Pulvers deutlich erhöht, wodurch die Kompressibilität des Fe-P-Pulvers stark herabgesetzt wird.
Wenn die Menge des Fe-P-Pulvers im gemischten Pulver kleiner als 1,0% ist, wird eine flüssige Phase nicht in ausreichender Weise erzeugt, wodurch eine Verdichtung nicht in ausreichender Weise durchgeführt wird und ein Dichteverhältnis kleiner als 90% sein wird. Wenn andererseits die Menge des Fe-P-Legierungs-Pulver größer als 5,0% ist, wird zu viel flüssige Phase erzeugt, wodurch ein Grünling beim Sintern verformt werden kann. In diesem Fall beträgt die maximale Menge an P in der Gesamtzusammensetzung 1,5%. Wie oben beschrieben worden ist, wird 1,0 bis 5,0% eines Fe-P-Legierungs-Pulvers, das 10 bis 30% an P enthält, einem gemischten Pulver zugefügt.
C:
C kann eine Verflüssigungstemperatur senken, wodurch beim Sintern eine Fe-P-C-Flüssigphase erzeugt wird und eine Verdichtung eines Sinterkörpers erleichtert wird. Außerdem verbessert C die Verschleißfestigkeit, wenn es mit Cr oder Mo in Karbiden kombiniert wird. Im Fall des Zugebens der Gesamtmenge an C in Form eines Graphitpulvers enthält ein Fe-Legierungs-Pulver Cr und Mo, die feststoff-gelöst sind, in der Fe-Grundmasse, wobei das Fe-Legierungs-Pulver zu hart ist, wobei die Kompressibilität des Fe-Legierungs-Pulvers herabgesetzt ist. Das Verwenden einer großen Menge des Graphitpulvers bewirkt ferner ein Herabsetzen der Kompressibilität des gemischten Pulvers. Es wird daher eine Teilmenge an C dem gemischten Pulver in Form eines Fe-Legierungs-Pulvers zugegeben, wobei die Restmenge an C dem gemischten Pulver in Form eines Graphitpulvers zugegeben wird. Da in diesem Fall das Fe-Legierungs-Pulver B weich sein muss, wird eine Teilmenge von C in das Fe-Legierungs-Pulver A zugegeben und feststoff-gelöst. Wenn eine Teilmenge von C dem gemischten Pulver in Form eines Fe-Legierungs-Pulvers A zugegeben wird, fallen Cr und Mo im Fe-Legierungs-Pulver A als Karbide im Fe-Legierungs-Pulver A aus, wobei die Mengen an Cr und Mo, die in der Grundmasse des Fe-Legierungs-Pulvers A feststoff-gelöst sind, herabgesetzt werden und die Kompressibilität des Fe-Legierungs-Pulvers A verbessert wird. Außerdem wird durch Zugeben der Restmenge an C zu dem gemischten Pulver in Form eines Graphitpulvers die Kompressibilität des gemischten Pulvers verbessert. Wenn die Menge an C im Fe-Legierungs-Pulver A kleiner als 0,5% ist, werden die Mengen an Cr und Mo, die im Fe-Legierungs-Pulver A feststoff-gelöst sind, erhöht, wobei die Härte des Fe-Legierungs-Pulvers A zunimmt und die Kompressibilität des Fe-Legierungs-Pulvers A abnimmt. Wenn andererseits die Menge an C größer als 1,5% ist, ist die Menge an Karbiden, die im Fe-Legierungs-Pulver A ausfallen, zu groß, wodurch die Härte des Fe-Legierungs-Pulvers A erhöht wird. Daher wird die Menge an C im Fe-Legierungs-Pulver A auf 0,5 bis 1,5% festgelegt.
Eine gewisse Menge an C, die zur Bildung von Karbiden von Cr und Mo erforderlich ist, wird in das Fe-Legierungs-Pulver A zugegeben und feststoff-gelöst, wobei die restliche Menge an C dem gemischten Pulver in Form eines Graphitpulvers zugefügt wird. Ein Teil des Graphitpulvers wird verwendet, um Oxidschichten auf den Oberflächen der Fe-Legierungs-Pulver-Partikel während des Sinterns zu reduzieren, weshalb eine zusätzliche Menge des Graphitpulvers dem gemischten Pulver zugefügt werden muss. Da ungefähr 0,2% Graphit für die Reduktion während des Sinterns verwendet werden muss, wird die Menge des Graphitpulvers vorzugsweise auf 0,5% oder mehr festgelegt. Wenn andererseits das Graphitpulver im Übermaß zugegeben wird, wird die Grundmasse spröde. Außerdem wird die Ausfällungsmenge der Karbide erhöht, wobei gepaarte Materialien, wie z. B. Schaufeln, abgenutzt werden können, und die Cr-Menge in der Grundmasse wird herabgesetzt, wodurch die Wärmefestigkeit und die Korrosionsfestigkeit verringert werden. Dementsprechend wird die Obergrenze für die Menge des Graphitpulvers auf 3,5% festgelegt.
Wie oben beschrieben worden ist, weist das Fe-Legierungs-Pulver A eine Zusammensetzung auf, die aus 25 bis 45% an Cr, 1,0 bis 3,0% an Mo, 1,0 bis 3,0% an Si, 0,5 bis 1,5% an C und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen besteht, wobei das Fe-Legierungs-Pulver B eine Zusammensetzung aufweist, die aus 15 bis 35% an Cr, 15 bis 30% an Ni und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen besteht. Wenn die Menge des Fe-Legierungs-Pulvers B kleiner als 40% bezüglich des Fe-Legierungs-Pulvers A ist, ist die Wirkung zur Verbesserung der Kompressibilität des Rohpulvers unzureichend. Außerdem wird die Menge an Ni in einem gesinterten Maschinenbauteil unzureichend sein, wobei die Hochtemperaturfestigkeit unzureichend ist. Wenn andererseits die Menge des Fe-Legierungs-Pulvers B größer als 60% ist, ist die Menge an Fe-Legierungs-Pulver A unzureichend, wodurch die Verschleißfestigkeit eines Sinterkörpers unzureichend sein wird. Dementsprechend wird die Menge des Fe-LegierungsPulvers B bezüglich des Fe-Legierungs-Pulvers A auf 40 bis 60% festgelegt.
Daher wird bei der Herstellung der gesinterten Maschinenbauteile der vorliegenden Erfindung das Rohpulver ein gemischtes Pulver, in dem 40 bis 60% an Fe-Legierungs-Pulver B dem Fe-Legierungs-Pulver A zugefügt wird, wobei 1,0 bis 5,0% des Fe-P-Legierungs-Pulvers und 1,5 bis 3,5% des Graphitpulvers ebenfalls zugegeben werden. Das Fe-P-Legierungs-Pulver besteht aus 10 bis 30% P und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
Das gemischte Pulver mit der obenerwähnten Zusammensetzung wird mittels eines typischen pulvermetallurgischen Verfahrens zu einer vorgegebenen Form verdichtet und bei 1.100 bis 1.300°C gesintert. Somit besteht die Gesamtzusammensetzung aus 16,9 bis 40,2 Massen-% an Cr, 6 bis 18 Massen-% an Ni, 0,3 bis 1,8 Massen-% an Mo, 0,3 bis 1,8 Massen-% an Si, 0,1 bis 1,5 Massen-% an P, 2 bis 5,2 Massen-% an C und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen. Als Ergebnis wird ein gesintertes Maschinenbauteil mit einer metallischen Struktur erhalten, in der feinkörnige Karbide in einer Austenit-Grundmasse dispergiert sind. Ein gesintertes Maschinenbauteil, das mit dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, weist ein Dichteverhältnis von 95% oder mehr auf, da beim Sintern ein Flüssigkeitsschwund auftritt. Die Oxidation von Poren und eine Lochkorrosion werden reduziert, wobei die Korrosionsfestigkeit des gesinterten Maschinenbauteils weiter verbessert wird. Da die Grundmassestruktur eine Austenit-Struktur ist, weist das gesinterte Maschinenbauteil eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit und Korrosionsfestigkeit auf und weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten äquivalent zu demjenigen eines wärmefesten austenitischen Stahls auf. Feinkörnige Cr-Karbide sind in der Grundmasse dispergiert, wobei die Verschleißfestigkeit und die Korrosionsfestigkeit des gesinterten Maschinenbauteils verbessert werden. Anders als bei einem Material, in welchem Cr-Karbide an Korngrenzen ausgefällt sind, wie z. B. bei einem Hoch-Chrom-Gussstahl, sind die feinkörnigen Cr-Karbide innerhalb der Kristallkörner ausgefällt, wodurch die Verschleißfestigkeit und die Korrosionsfestigkeit in ausreichender Weise erreicht werden.
Bei den gesinterten Maschinenbauteilen der vorliegenden Erfindung können die Wärmefestigkeit, die Korrosionsfestigkeit, die Verschleißfestigkeit und die Hochtemperaturfestigkeit verbessert werden, wobei ein gesintertes Maschinenbauteil mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten äquivalent zu demjenigen eines wärmefesten austenitischen Stahls erhalten wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine seitliche Schnittansicht, die ein Turbobauteil einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Draufsicht, die ein Turbobauteil einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Die 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 ist eine seitliche Schnittansicht, die einen Teil eines Turboladers für eine Verbrennungskraftmaschine zeigt, wobei 1 ein Bezugszeichen 2 zeigt, das einen Düsenkörper bezeichnet. Eine Turbine 3 ist durch ein (in der Figur nicht gezeigtes) Lager in der Mitte des Düsenkörpers 2 drehbar unterstützt. Ein Endabschnitt der Turbine 3 an einer Seite gegenüberliegend einer Seite mit Leitschaufeln ist mit einem (in der Figur nicht gezeigten) Kompressor verbunden.
Der Düsenkörper 2 in der obenerwähnten Anordnung ist ein Beispiel eines verschleißfesten Bauteils der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt ist, weist der Düsenkörper 2 eine Ringform auf und ist an seinem Umfang mit mehreren Lagerlöchern 2a versehen. Das Lagerloch 2a unterstützt einen Schaft 5 der Leitschaufel 4 drehbar. Ein Verbindungselement 6 (in 2 ist nur ein Stück gezeigt) ist an einem Endabschnitt des Schafts 5 an der gegenüberliegenden Seite der Leitschaufel 4 befestigt. Wenn jedes Verbindungselement 6 gleichmäßig angetrieben wird, werden die Leitschaufeln 4 gedreht, wobei die Menge an Abgas, die vom Außenumfang in die Turbine 3 strömt, eingestellt wird. Zusätzlich zum obenbeschriebenen Düsenkörper 2 enthält das verschleißfeste Bauteil der vorliegenden Erfindung ein Bauteil, das bei Bedarf am Düsenkörper montiert werden kann, wie z. B. eine Düsenplatte, wobei dieses Bauteil aus der obenbeschriebenen gesinterten Legierung gefertigt ist.
BEISPIELE
Erstes Beispiel
Im Folgenden werden praktische Beispiele der vorliegenden Erfindung genauer beschrieben. In der folgenden Beschreibung steht jedes der Symbole ”%” für ”Massen-%”. Ein Fe-Legierungs-Pulver A (Fe-Legierungs-Pulver, das im japanischen Patent Nr. 3784003 offenbart ist), ein Fe-Legierungs-Pulver B, ein Fe-20P-Legierungs-Pulver und ein Graphitpulver wurden hergestellt. Das Fe-Legierungs-Pulver A bestand aus 30% an Cr, 2% an Mo, 2% an Si und 1% C, und das Fe-Legierungs-Pulver B bestand aus 25% an Cr, 20% an Ni und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, und das Fe-20P-Pulver enthielt 20% an P. Eine Menge von 30 bis 70% des Fe-Legierungs-Pulvers B wurde dem Fe-Legierungs-Pulver A hinzugefügt, wobei 2,5% an Fe-20P-Pulver und 2,7% an Graphitpulver hinzugegeben wurden, wobei ein gemischtes Pulver erhalten wurde. Das gemischte Pulver wurde bei einem Verdichtungsdruck von 600 MPa in eine Tablettenform mit einem Außendurchmesser von 10 mm und einer Höhe von 10 mm verdichtet, wobei ein Grünling erhalten wurde. Der Grünling wurde bei 1.200°C über 60 Minuten in einer zerfallenen Ammoniakgasatmosphäre gesintert, wobei die Proben mit den Nummern 1 bis 5 gebildet wurden. Andererseits wurde kein Fe-Legierungs-Pulver B zugegeben, jedoch wurden 2,5% des Fe-20P-Pulvers und 1,0% des Graphitpulvers zu dem obenerwähnten Fe-Legierungspulver A zugegeben, wobei ein Rohpulver hergestellt wurde. Durch Verwenden dieses Rohpulvers als herkömmliches Material (Material, das im japanischen Patent Nr. 3784003 offenbart ist) wurde eine Probe Nr. 6 in derselben Weise wie oben erwähnt hergestellt. Ein Rohblockmaterial eines Hoch-Chrom-Gussstahls wurde in die obenerwähnte Form gebracht, wodurch eine Probe Nr. 7 hergestellt wurde. Der Hoch-Chrom-Gussstahl bestand aus 34% an Cr, 2% an Mo, 0,2% an Ni, 2% an Si, 1,2% an C und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
Diese Proben wurden bei einer Temperatur im Bereich von 700 bis 900°C über 100 Stunden in einer Luftatmosphäre erhitzt, wobei die Gewichtszunahmen derselben nach dem Erhitzen gemessen wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Jede Probe wurde auf 800°C erhitzt, wobei die Zugfestigkeit (Hochtemperaturfestigkeit) und der Wärmeausdehnungskoeffizient gemessen wurden. Diese Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
(1) Wirkungen der Menge des Fe-Legierungs-Pulvers B
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wiesen die Proben Nm. 1 bis 5, die das Fe-Legierungs-Pulver B enthalten, Gewichtszunahmen aufgrund von Oxidation auf, die näherungsweise dieselben waren wie diejenige der Probe Nr. 6 eines herkömmlichen Materials. Die Proben Nm. 1 bis 5 waren somit in der Oxidationsfestigkeit ausgezeichnet. Die Probe Nr. 1, die weniger als 40% an Fe-Legierungs-Pulver B enthielt, wies eine kleinere Hochtemperaturfestigkeit auf als die Probe Nr. 6 des herkömmlichen Materials. Andererseits waren in den Proben Nm. 2 bis 5, die mehr als 30% an Fe-Legierungs-Pulver B enthielten, die Hochtemperaturfestigkeiten verbessert und waren höher als diejenige der Probe Nr. 6 des herkömmlichen Materials. In der Probe Nr. 5, die mehr als 60% an Fe-Legierungs-Pulver B enthielt, war die Hochtemperaturfestigkeit herabgesetzt. In den Proben Nm. 2 bis 5, die mehr als 30% an Fe-Legierungs-Pulver B enthielten, waren die Grundmassen vollständig austenitisiert, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten näherungsweise gleich waren. Durch Zugeben von 40 bis 60% an Fe-Legierungs-Pulver B zu dem herkömmlichen Fe-Legierungs-Pulver A wird dementsprechend die Hochtemperaturfestigkeit verbessert, wobei die Grundmassezusammensetzung vollständig austenitisiert wird, ohne Beeinträchtigung der Oxidationsfestigkeit.
Zweites Beispiel
Es wurde Fe-Legierungs-Pulver B mit einer in Tabelle 2 gezeigten Zusammensetzung hergestellt. Anschließend wurden 50% an Fe-Legierungs-Pulver B, 2,5% an Fe-20P-Pulver und 2,7% an Graphitpulver zu dem Fe-Legierungs-Pulver A im ersten Beispiel hinzugefügt, wobei diese zu einem gemischten Pulver gemischt wurden. Das gemischte Pulver wurde verdichtet und in derselben Weise wie im ersten Beispiel gesintert, wobei die Proben Nm. 8 bis 18 gebildet wurden. In diesen Proben wurden die Gewichtszunahmen aufgrund von Oxidation, die Zugfestigkeit (Hochtemperaturfestigkeit) und der Wärmeausdehnungskoeffizient in derselben Weise wie im ersten Beispiel gemessen. Diese Ergebnisse und die Ergebnisse der Probe Nr. 3 im ersten Beispiel sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
(1) Wirkungen der Cr-Menge im Fe-Legierungs-Pulver B
Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, war in der Probe Nr. 8, die weniger als 15% an Cr im Fe-Legierungs-Pulver B enthielt, die Gewichtszunahme aufgrund von Oxidation groß. Mit zunehmender Cr-Menge wurde die Gewichtszunahme verringert und die Oxidationsfestigkeit verbessert. Wenn die Cr-Menge im Fe-Legierungs-Pulver B klein ist, kann die Menge an Cr, die in einer Grundmasse feststoff-gelöst ist, nachdem das Cr Karbide gebildet hat, unzureichend sein, wobei die Oxidationsfestigkeit herabgesetzt ist. In den Versuchen, die bei 700°C ausgeführt wurden, war dann, wenn die Cr-Menge im Fe-Legierungs-Pulver B 15% oder mehr betrug, die Wirkung der Verbesserung der Oxidationsfestigkeit groß. In den Versuchen, die bei 800°C oder 900°C ausgeführt wurden, war dann, wenn die Cr-Menge im Fe-Legierungs-Pulver B 20% oder mehr betrug, die Wirkung der Verbesserung der Oxidationsfestigkeit groß. Wenn die Cr-Menge im Fe-Legierungs-Pulver B zwischen 10 und 40% betrug, wies jede Probe eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit auf. In diesem Fall war in der Probe Nr. 13, die 40% an Cr enthielt, die Härte des Fe-Legierungs-Pulvers B erhöht, wobei die Kompressibilität des Rohpulvers herabgesetzt war und die Hochtemperaturfestigkeit verringert war. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten waren näherungsweise gleich, wenn die Cr-Menge im Fe-Legierungs-Pulver B zwischen 10 und 40% betrug. Wenn dementsprechend die Cr-Menge im Fe-Legierungs-Pulver B gleich 15 bis 35% ist, vorzugsweise 20 bis 35%, werden eine ausgezeichnete Oxidationsfestigkeit und Hochtemperaturfestigkeit und ein vorgegebener Wärmeausdehnungskoeffizient erreicht.
(2) Wirkungen der Ni-Menge im Fe-Legierungs-Pulver B
Wie in 2 gezeigt ist, waren dann, wenn die Ni-Menge im Fe-Legierungs-Pulver B 10 bis 35% betrug, die Gewichtszunahmen aufgrund von Oxidation gleich, wobei ausgezeichnete Oxidationsfestigkeiten erhalten wurden. Andererseits war in der Probe Nr. 14, die 10% an Ni im Fe-Legierungs-Pulver B enthielt, die Hochtemperaturfestigkeit nicht verbessert (siehe das Ergebnis der Probe Nr. 6 in der ersten Ausführungsform). In den Proben, die 15% oder mehr an Ni enthielten, wurden die Hochtemperaturfestigkeiten verbessert. In der Probe Nr. 18, die 35% an Ni enthielt, war jedoch die Hochtemperaturfestigkeit herabgesetzt. In der Probe Nr. 14, die 10% an Ni im Fe-Legierungs-Pulver B enthielt, war die Grundmassenstruktur nicht vollständig austenitisiert, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient klein war. Andererseits waren in den Proben, die 15% oder mehr an Ni enthielten, die Wärmeausdehnungskoeffizienten näherungsweise gleich. Wenn dementsprechend die Ni-Menge im Fe-Legierungs-Pulver B 15 bis 30% beträgt, werden eine ausgezeichnete Oxidationsfestigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und ein vorgegebener Wärmeausdehnungskoeffizient erreicht.
Drittes Beispiel
Als Nächstes wurden 50% an Fe-Legierungs-Pulver B vom ersten Beispiel, das Fe-20P-Pulver und das Graphitpulver zu dem Fe-Legierungs-Pulver A vom ersten Beispiel hinzugefügt, wobei diese zu einem gemischten Pulver gemischt wurden. Die Mengen an Fe-20P-Pulver und an Graphitpulver wurden variiert, wie in Tabelle 3 gezeigt ist. Das gemischte Pulver wurde in derselben Weise wie im ersten Beispiel verdichtet und gesintert, wobei Proben Nm. 19 bis 31 gebildet wurden. In diesen Proben wurden die Gewichtszunahmen aufgrund von Oxidation, die Zugfestigkeit (Hochtemperaturfestigkeit) und der Wärmeausdehnungskoeffizient in derselben Weise wie im ersten Beispiel gemessen. Diese Ergebnisse und die Ergebnisse der Probe Nr. 3 im ersten Beispiel sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3
(1) Wirkungen der Menge an Graphitpulver
Wie in Tabelle 3 gezeigt ist, wurde mit zunehmender Menge an Graphitpulver die Menge an Chromkarbiden, die in der Grundmasse ausgefällt wurden, erhöht, wobei die Cr-Menge in der Grundmasse verringert wurde, und wobei die Oxidationsfestigkeit herabgesetzt wurde. Die Gewichtszunahmen aufgrund von Oxidation lagen innerhalb eines praktikablen Bereichs. In der Probe Nr. 27, die 4% an Graphitpulver enthielt, war die Kompressibilität des Pulvers herabgesetzt, wobei die Probe nicht geformt werden konnte. Die Probe Nr. 19, die 0,3% an Graphitpulver enthielt, wies eine kleine Hochtemperaturfestigkeit auf. Mit zunehmender Menge an Graphitpulver wurde die Hochtemperaturfestigkeit verbessert. Die Probe Nr. 19, die 0,3% an Graphitpulver enthielt, wies einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Andererseits waren in den Proben, die 0,5% oder mehr an Graphitpulver enthielten, die Grundmassestrukturen im Wesentlichen vollständig austenitisiert, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten erhöht waren. Dementsprechend wird die Untergrenze der Menge an Graphitpulver vorzugsweise auf 0,5% (stärker bevorzugt 0,8%) festgelegt, wobei die Obergrenze der Menge an Graphitpulver vorzugsweise auf 3,5% festgelegt wird.
(2) Wirkungen der Menge an Fe-P-Legierungs-Pulver
Wie in Tabelle 3 gezeigt ist, wurde in der Probe Nr. 28, die kein Fe-P-Legierungs-Pulver enthielt, keine flüssige Phase erzeugt, wobei die Dichte eines Sinterkörpers nicht erhöht war, und wobei die Oxidationsfestigkeit und die Hochtemperaturfestigkeit extrem herabgesetzt waren. Andererseits wurden in den Proben, die 0,5% oder mehr an Fe-P-Legierungs-Pulver enthielten, Fe-P-Flüssigphasen erzeugt, wobei die Dichten der Sinterkörper verbessert waren, und wobei die Oxidationsfestigkeiten und die Hochtemperaturfestigkeiten verbessert waren. In der Probe Nr. 31, die 10% an Fe-P-Legierungs-Pulver enthielt, wurde zu viel flüssige Phase erzeugt, wobei der Sinterkörper verformt wurde und die Probe nicht geformt werden konnte. Wenn dementsprechend die Menge an Fe-P-Legierungs-Pulver in einem Bereich von 0,5 bis 5% liegt, kann ein zufriedenstellender Sinterkörper hergestellt werden.