DE102016215905A1

DE102016215905A1 - Eisen-Werkstoff für hochtemperaturfeste Lagerbuchsen, Lagerbuchse aus diesem Werkstoff und Abgasturbolader mit einer solchen Lagerbuchse

Info

Publication number: DE102016215905A1
Application number: DE102016215905.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Thomas; Günter Münch; Alexander Waas
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2018-03-01
Also published as: CN109689909A; US20190218935A1; US11111819B2; WO2018036757A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Eisen-Werkstoff für Lagerbuchsen die im Betrieb stark erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind sowie eine entsprechende hochtemperaturfeste Lagerbuchse und einen zumindest eine solche Lagerbuchse aufweisenden Abgasturbolader. Dabei ist der Eisen-Werkstoff gekennzeichnet durch eine Werkstoffzusammensetzung die außer Eisen zumindest die Legierungsbestandteile Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Nickel, Chrom, Molybdän und Wolfram in bestimmten Mengen aufweist. Diese Werkstoffzusammensetzung gewährleistet eine ausreichende Temperaturfestigkeit und eigenschmierende Eigenschaften bei gleichzeitig guten Bearbeitungseigenschaften und moderatem Preis.

Description

Die Erfindung betrifft einen Eisen-Werkstoff, der sich zum Einsatz für Lagerbuchsen, insbesondere für selbstschmierende Gleitlagerbuchsen, eignet, die im Betrieb hohen Temperaturen bis über 1000°C ausgesetzt sind, sowie eine als Gleitlager ausgeführte Lagerbuchse, die aus diesem Eisen-Werkstoff gefertigt ist und einen Abgasturbolader der, insbesondere in seinem Abgasturbinenbereich, eine solche Lagerbuchse aus diesem Eisen-Werkstoff aufweist.
Die Entwicklung neuer Technologien sowie die Weiterentwicklung entsprechender Vorrichtungen und Verfahren hin zu höherer Leistung und Effizienz bei gleichzeitiger Reduzierung des Resourceneinsatzes, gehen sehr häufig einher mit gesteigerten Anforderungen an die verwendeten Werkstoffen in Bezug auf Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und insbesondere bei Gleitlager-Werkstoffen auch die selbstschmierenden Eigenschaften. Desweiteren spielen beim industriellen Einsatz natürlich auch die Bearbeitbarkeit und der Preis eine bedeutende Rolle.
Einer solchen technologischen Herausforderung, die immer höhere Anforderungen stellt, sind traditionell der Fahrzeugbau und insbesondere die Entwicklung der darin eingesetzten Verbrennungsmotoren unterworfen.
Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und des Schadstoff-Ausstoßes bei gleichbleibender oder sogar gesteigerter Leistung des Verbrennungsmotors werden vermehrt kleinvolumige Motorkonzepte, sogenannte Downsizing-Konzepte, zugrundegelegt, die zur Leistungssteigerung mit Abgasturboladern ausgestattet sind. Hierbei stellen insbesondere bei Otto-Verbrennungsmotoren die vorherrschenden hohen Abgastemperaturen bis über 1000°C eine starke Herausforderung für die in der Abgasturbine eingesetzten Werkstoffe dar.
Das Wirkprinzip eines Abgasturboladers besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
Dazu weist der Abgasturbolader eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluftverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Frischluft-Massenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.
Um insbesondere in transienten Betriebsbereichen, also bei sich ändernden Belastungen und Drehzahlen, eine möglichst dynamische Anpassung der Betriebsparameter des Abgasturboladers gewährleisten zu können, werden in der Abgasturbine und im Frischluftverdichter zum Beispiel Bypass-Ventile oder sogenannte Variable Turbinengeometrien (VTG) zur Steuerung der Fluid-Massenströme eingesetzt. Diese weisen zueinander beweglich gelagerte Stellteile auf. Um die geforderte Leichtgängigkeit und Langlebigkeit im Betrieb zu gewährleisten, werden zur Lagerung dieser Stellteile zueinander oder in dem jeweils entsprechenden Gehäuse, in der Regel Lagerbuchsen mit selbstschmierenden Eigenschaften eingesetzt. Beispiele für solche Stellteile sind unter anderem als Schwenk-Klappenventil oder Linearklappenventil ausgeführte Bypass-Ventile wie ein Wastegate- oder Schubumluft-Ventil, verstellbare Turbinengeometrien mit drehbaren Leitschaufeln oder verschiebbaren Leitgittern und verstellbare Einlass-, Auslass- oder Diffusorquerschnitte mit Schiebervorrichtungen.
Beispielhaft sei hier vorab auf den in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Abgasturbolader 100 hingewiesen. Die Haupt-Funktionseinheiten des Abgasturboladers sind die Abgasturbine 20 mit Turbinengehäuse 21, der Frischluftverdichter 30 mit Verdichtergehäuse 31 und die dazwischen angeordnete Lagereinheit 40. In der Lagereinheit 40 ist der Turboladerläufer, bestehend aus Turbinenlaufrad 22, Verdichterlaufrad und Läuferwelle, drehbar gelagert. Das Turbinengehäuse 21 ist aufgeschnitten dargestellt, so dass das Turbinenlaufrad 22 und das im Turbinengehäuse 21 angeordnete Wastegate-Ventil 10 sichtbar ist. Wie aus 2 beispielhaft anhand des dargestellten aufgeschnittenen Turbinengehäuses 21 mit Wastegate-Ventil 10 ersichtlich ist, weist die Kurbelarm-Betätigungsvorrichtung 11 einen im Innenraum des Turbinengehäuses 21 angeordneten Kurbelarm 12 auf, an dem die tellerförmige Ventilklappe 13 angebracht ist. Die Ventilklappe 13 liegt im geschlossenen Zustand des Wastegate-Ventils 10 dichtend auf dem Ventilsitz 14 auf und verschließt so den Bypass-Kanal. Die an den Kurbelarm 12 anschließende Kurbelspindel 15 durchdringt das Turbinengehäuse 21 und ist in der Turbinengehäusewand um ihre Achse drehbar in einer Lagerbuchse 1 gelagert. Außerhalb des Turbinengehäuses 21 ist ein Betätigungshebel 18 an der Kurbelspindel 15 angebracht, an dem wiederum über die Kurbelarm-Betätigungsvorrichtung 11 ein Betätigungsaktuator 19 angreift. Ein Schub-Umluft-Ventil (nicht dargestellt) im Verdichtergehäuse 31 kann prinzipiell den gleichen oder einen ähnlichen Aufbau aufweisen.
Um zugleich die bei der Verbrennung im Verbrennungsmotor entstehende Wärmeenergie mit höheren Wirkungsgraden durch den Abgasturbolader nutzen zu können, werden obendrein die Abgastemperaturen möglichst hoch gehalten. Durch die heißen Abgase, die durch das Turbinengehäuse strömen wird dieses mit einer thermischen Wechselbeanspruchung mit Temperaturen bis über 1000°C beaufschlagt. Diesen Betriebsbedingungen sind auch die jeweiligen Lagerbuchsen ausgesetzt, die bei diesen extremen Belastungen im Betrieb nicht versagen dürfen.

Um diese hohen Anforderungen erfüllen zu können wurden bisher Hitzebeständige spezielle Lager-Werkstoffe eingesetzt, wie zum Beispiel aus der EP 2 029 786 B1 bekannt. Dieser Werkstoffe basiert beispielsweise auf einer austenitische Eisenmatrix-Legierung und weist die Legierungsbestandteile

C	0,4–0,6 Gew.%,
Si	2,9–3,2 Gew.%,
Ni	12,0–22,0 Gew.%,
Cr	18,0–27,0 Gew.%,
Nb	1,4–1,8 Gew.%,
S	0,2–0,5 Gew.%,
W	2,4–2,8 Gew.% und
und den Rest Eisen auf.

Dabei wird insbesondere auf den Schwefelanteil zur Verbesserung der Schmierwirkung durch Bildung von Sulfiden innerhalb des Metallgefüges verwiesen.
Ein weiterer Werkstoff für hitzebeständige Lagerelemente ist aus EP 0 739 994 A1 bekannt, der jedoch auf einem martensitischen Stahl basiert mit den folgenden Legierungsbestandteilen:

C 0,0–0,4 Gew.%,

Si 0,0–2,0 Gew.%,

Mn 0,0–2,0 Gew.%

Ni 0,0–5,0 Gew.%,

Cr 3,5–7,0 Gew.%,

Mo 3,0–15,0 Gew.%,

V 0,5–1,1 Gew.%

Rest Eisen.
Dieser Werkstoff kommt vorzugsweise bei Wälzlagern zum Einsatz und zeichnet sich wohl durch eine gute Hitzebeständigkeit aus, besitzt jedoch keine selbstschmierenden Eigenschaften.

Weiterhin werden als Werkstoffe für Lagerbuchsen Stahlguss-Sonderwerkstoffe eingesetzt, die ein ferritisches oder austenitisches Gefüge aufwiesen, in dem Karbide als Verschleißträger eingelagert sind. Diese sind zum Beispiel unter den Bezeichnungen PL26, PL29 und PL33 bekannt. Pl26 weist beispielsweise die folgenden Legierungsbestandteile auf:

C	0,2–1,0 Gew.%,
Si	1,8–3,5 Gew.%,
Mn	0,5–1,0 Gew.%
Ni	14,0–23,0 Gew.%,
Cr	20,0–30,0 Gew.%,
Mo	1,0–3,0 Gew.%
Nb	1,0–3,0 Gew.%,
S	0,2–1,0 Gew.%,
W	2,0–4,0 Gew.% und
und den Rest Eisen auf.

Die vorgenannten bekannten Werkstoffe weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie schwer Bearbeitbar sind und einen hohen Preis haben, was sie für eine industrielle Großserienproduktion ungeeignet erscheinen lässt. Darüber hinaus kann ein Adhäsionsverschleiß nicht generell verhindert werden, wodurch es zum „Fressen“ zwischen den Reibpartnern und zu erhöhten Verstellkräften kommen kann. Dies ist insbesondere bei den im Automobilbau geforderten langen Lebensdauern mit erhöhtem Ausfallrisiko verbunden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff anzugeben, der eine gute Eignung zur Herstellung von Gleitlagerbuchsen mit selbstschmierenden Eigenschaften, für den Einsatz auch bei stark erhöhten Temperaturen, besitzt und sich gleichzeitig durch einen moderaten Preis und gute Bearbeitbarkeit für eine Großserienproduktion eignet. Weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgaben bestehen darin, eine Lagerbuchse und einen Abgasturbolader anzugeben, die sich durch erhöhte Betriebssicherheit bei langen Lebensdauern und einen moderaten Preis auszeichnen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch einen Eisen-Werkstoff, insbesondere für hochtemperaturfeste Lagerbuchsen, eine Lagerbuchse aus diesem Werkstoff und einen Abgasturbolader mit einer solchen Lagerbuchse, gemäß den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder, sofern es sich nicht um sich gegenseitig ausschließende Alternativen handelt, in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß wird ein Eisen-Werkstoff für hochtemperaturfeste Lagerbuchsen beansprucht, der gekennzeichnet ist durch eine Werkstoffzusammensetzung, die außer Eisen, Fe zumindest folgende Legierungsbestandteile in den Grenzen der angegebenen Mengen in Gewichtsprozent aufweist:

Kohlenstoff, C:	1,5 bis 3,0 Gew.%;
Silizium, Si:	1,0 bis 6,0 Gew.%;
Mangan, Mn:	0,5 bis 7,00 Gew.%;
Nickel, Ni:	12,0 bis 36,0 Gew.%;
Chrom, Cr:	0,2 bis 16,00 Gew.%;
Phosphor, P:	bis 0,25 Gew.%;
Kupfer, Cu:	bis 7,5 Gew.%;
Molybdän, Mo:	0,5 bis 5,0 Gew.% und
Wolfram, W:	0,3 bis 2,0 Gew.%.

Weiterhin können, zur Erzielung bestimmter Eigenschaften ggf. zusätzliche Legierungsbestandteile zugefügt sein. Darüber hinaus können unvermeidbare Verunreinigungen in Mengenanteilen, die in Bezug auf die Werkstoffeigenschaften vernachlässigbar sind, enthalten sein.
Die Erfindung basiert dabei auf der Verwendung eines bereits bekannten Grundwerkstoffes aus der Gruppe der austenitischen Gusseisensorten gemäß DIN EN 13835, die sich aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften für eine breite Vielfalt von Anwendungen anbieten und auch als sogenannte Ni-Resist-Werkstoffe bekannt sind. Diese Werkstoffe zeichnen sich unter anderem aus, durch gute Korrosionsbeständigkeit, hohe Zunderbeständigkeit, hohe Warmfestigkeit, gute Temperaturwechselbeständigkeit, hohe Duktilität, gute Verschleißfestigkeit und Kaltzähigkeit.
Diese Werkstoffe wurden nun im Hinblick auf die gestiegenen besonderen Anforderungen weiter verbessert in Bezug auf die Verschleißeigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Zunderbeständigkeit und Warmfestigkeit bei gleichzeitig guter Bearbeitbarkeit. Dies gelingt in überraschender Weise durch Zulegierung von Wolfram (W) zwischen 0,3 und 2,0 Gew.% und Molybdän (Mo) zwischen 0,5 und 5,0 Gew.% bei gleichzeitiger Erhöhung des Chrom-Anteils (Cr) auf bis zu 16 Gew.%.
Durch die Zugabe von Molybdän werden vermehrt Karbide im Werkstoffgefüge ausgebildet, wodurch Verschleißfestigkeit und Warmfestigkeit gesteigert werden. Da sich dies allerdings auch auf die Gießbarkeit und die Bearbeitbarkeit negativ auswirken kann ist auf eine Einhaltung des genannten Mengenanteils zu achten. Der Karbidgehalt des erfindungsgemäßen Eisen-Werkstoffs liegt dann jedenfalls noch unterhalb dem der bisher üblichen Stahlguss-Buchsenwerkstoffe und die Bearbeitbarkeit bleibt gegenüber diesen Stahlguss-Buchsenwerkstoffen auf wesentlich verbessertem Niveau. Die Zugabe von Wolfram erhöht wohl aufgrund seines hohen Schmelzpunktes die Warmfestigkeit. Die Menge muss jedoch begrenzt bleiben, da sonst vermehrt Karbidbildung auftreten kann, die sich wiederum auf die Bearbeitbarkeit negativ auswirken kann. Die Zugabe von Chrom wirkt sich dagegen positiv auf die Widerstandsfähigkeit gegen Heißgaskorrosion aus, wobei darauf zu achten ist, dass Chrom nur in einer Menge zugegeben wird, die die Kohlenstoffausscheidung bei der Erstarrung, die sogenannte Grauerstarrung, nicht zu sehr behindert oder gar verhindert, was sich sonst schädlich auf die Eigenschmier-Eigenschaft des Eisen-Werkstoffes auswirken kann.
Der erfindungsgemäße Eisen-Werkstoff ist so in den Eigenschaften Verschleißfestigkeit, Warmfestigkeit sowie Widerstandsfähigkeit gegen Heißgaskorrasion gegenüber dem Grundwerkstoff der Ni-Resist-Legierungen verbessert, behält jedoch weitgehend seine gegenüber Stahlguss-Buchsenwerkstoffen bessere Bearbeitbarkeit. Das Beruhen auf einer bekannten Ni-Resist-Legierung sowie die vergleichsweise gute Bearbeitbarkeit wirken sich auch auf den Preis positiv aus.

Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Eisen-Werkstoffes besteht in einer weiter verfeinerten Abstimmung der Legierungsbestandteile, wobei die genannten Legierungsbestandteile in den folgenden enger gezogenen Grenzen der angegebenen Mengen in Gewichtsprozent beigegeben werden:

Kohlenstoff, C:	1,5 bis 3,0 %;
Silizium, Si:	1,0 bis 6,0 %;
Mangan, Mn:	1,5 bis 7,00 %;
Nickel, Ni:	12,0 bis 36,0 %
Chrom, Cr:	6,0 bis 12,00 %;
Phosphor, P:	0,05 bis 0,25 %;
Kupfer, Cu:	0,5 bis 7,5 %;
Molybdän, Mo:	2,0–5,0 % und
Wolfram, W:	0,8–2,0 %.

Mit der angegebenen Werkstoffzusammensetzung werden die für den Einsatz bei Turbinengehäusen für Abgasturbolader erforderlichen Materialeigenschaften weiter verbessert und mit höherer Zuverlässigkeit erreicht.
In besonders vorteilhafter Ausführung des erfindungsgemäßen Eisen-Werkstoffes ist, zur Verbesserung von Eigenschmierungs-Eigenschaften des Eisen-Werkstoffes, freier Kohlenstoff im Gefüge des Eisen-Werkstoffs in Form von Lamellengraphit oder Kugelgraphit oder Vermiculargraphit eingelagert. In welcher Form der Graphit eingelagert ist hängt auch von den Anteilen anderer Legierungsbestandteile ab. Der im Gefüge eingelagerte Kohlenstoff wirkt sich jedenfalls vorteilhaft auf die Eigenschmierung des Eisen-Werkstoffes zum Beispiel beim Einsatz für Lagerbuchsen aus.
Die erfindungsgemäße Lagerbuchse für den Einsatz unter Hochtemperaturbedingungen, insbesondere in Abgasturbinen von Abgasturboladern, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse einen Eisen-Werkstoff mit den genannten Anteilen der genannten Legierungsbestandteile gemäß einer der vorgenannten erfindungsgemäßen Ausführungen des Eisen-Werkstoffes aufweist, oder aus einem solchen Eisen-Werkstoff gefertigt ist.
Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader weist eine Abgasturbine, einem Frischluftverdichter und eine Lagereinheit auf, wobei der Abgasturbolader mit zumindest einer beweglichen Stellvorrichtung zur Beeinflussung der die Abgasturbine und/oder den Frischluftverdichter durchfließenden Fluid-Massenströme ausgestattet ist, wobei die Stellvorrichtung mit zumindest einer Lagerbuchse beweglich gelagert ist und wobei die Lagerbuchse einen Eisen-Werkstoff mit den genannten Anteilen der genannten Legierungsbestandteile gemäß einer der vorgenannten erfindungsgemäßen Ausführungen des Eisen-Werkstoffes aufweist, oder aus einem solchen Eisen-Werkstoff gefertigt ist. Die Vorteile eines solchen Abgasturboladers liegen in, durch die eigenschmierenden Eigenschaften des Lagerbuchsenwerkstoffes, reduzierten Betätigungskräften der Stellvorrichtung, geringerem Verschleiß und somit einer verlängerten Lebensdauer des Abgasturboladers.
Eine konkrete Ausführung des erfindungsgemäßen, vorgenannten Abgasturboladers zeichnet sich dadurch aus, dass die zumindest eine Stellvorrichtung ein Wastegate-Ventil, ein Schubumluft-Ventil oder eine verstellbare Turbinengeometrie ist. Es versteht sich, dass der erfindungsgemäße Abgasturbolader auch mehrere der vorgenannten Stellvorrichtungen in Kombination aufweisen kann, wie zum Beispiel ein Wastegate-Ventil in der Abgasturbine und ein Schubumluft-Ventil im Frischluftverdichter oder eine verstellbare Turbinengeometrie in der Abgasturbine und ein Schubumluft-Ventil im Frischluftverdichter. Insbesondere beim Einsatz der erfindungsgemäßen Lagerbuchse zur Lagerung der Kurbelspindel eines Wastegate-Ventils oder zur Lagerung der Betätigungsspindel einer verstellbaren Turbinengeometrie, also im heißen Bereich des Abgasturboladers, wirken sich die verbesserten Materialeigenschaften des erfindungsgemäßen Eisen-Werkstoffes der entsprechenden Lagerbuchsen in Bezug auf Verschleißfestigkeit Hochtemperaturfestigkeit, Temperaturwechselfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit besonders vorteilhaft aus.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lagerbuchse in perspektivischer Darstellung auf der linken Seite der Figur im Halbschnitt und auf der rechten Seite der Figur im Ganzen;
2 Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers in perspektivischer Darstellung mit aufgeschnittenem Turbinengehäuse.
Das in 1 gezeigte Beispiel einer erfindungsgemäßen Lagerbuchse 1 besteht aus einem erfindungsgemäßen Eisen-Werkstoff 2. Form und Dimensionierung einer solchen Lagerbuchse können je nach konstruktiver Anforderung variieren. Das dargestellte Beispiel kann zum Beispiel als Lagerbuchse für die Drehlagerung einer Kurbelspindel eines Wastegate-Ventils im Abgasturbolader eingesetzt werden.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 100 mit aufgeschnittenem Turbinengehäuse 21 dargestellt. Die Schnittdarstellung erlaubt dabei einen Einblick in den Aufbau und die Lagerung des Wastegate-Ventils 10 mit der Kurbelarm-Betätigungseinrichtung 11 und dem Betätigungsaktuator 19. Wie bereits einleitend beschrieben weist der Abgasturbolader eine Abgasturbine 20, einen Frischluftverdichter 30 und ein Lagereinheit 40 auf. Die Abgasturbine 20 ist mit einem Wastegate-Ventil 10 ausgestattet und der Abgasmassestrom AM ist mit Pfeilen angedeutet. Der Frischluftverdichter 30 weist beispielsweise ein Schub-Umluftventil (nicht dargestellt) auf. In der Regel weist ein gebräuchlicher Abgasturbolader 100, wie in 2 dargestellt, einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Turbinengehäuse 21, ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Verdichtergehäuse 31 und zwischen Turbinengehäuse 21 und Verdichtergehäuse 31 eine Lagereinheit 40 auf einer gemeinsamen Turboladerachse nebeneinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden. Der sogenannte Turboladerläufer 50 des Abgasturboladers 100 besteht aus dem Turbinenlaufrad 22, dem Verdichterlaufrad (nicht dargestellt) sowie der Läuferwelle (nicht dargestellt). Eine weitere Baueinheit des Abgasturboladers 100 stellt der Turboladerläufer 50 dar, der eine Läuferwelle (nicht dargestellt), ein in dem Turbinegehäuse 21 angeordnetes Turbinenlaufrad 22 mit einer Laufradbeschaufelung und ein in dem Verdichtergehäuse 31 angeordnetes Verdichterlaufrad (nicht dargestellt) mit einer Laufradbeschaufelung aufweist. Das Turbinenlaufrad 22 und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden der gemeinsamen Läuferwelle angeordnet und mit diesen drehfest verbunden. Die Läuferwelle erstreckt sich in Richtung der Turboladerachse axial durch die Lagereinheit 40 und ist in dieser, mittels Radiallagern und einem Axiallager, axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse 51, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse 51 in der Turboladerachse liegt, also mit dieser zusammenfällt. Der Turboladerläufer 50 rotiert im Betrieb um die Läuferdrehachse 51 der Läuferwelle.
Die Läuferdrehachse 51 und gleichzeitig die Turboladerachse sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt und kennzeichnen die axiale Ausrichtung des Abgasturboladers 100.
Wie aus 2 beispielhaft anhand des dargestellten aufgeschnittenen Turbinengehäuses 21 mit Wastegate-Ventil 10 ersichtlich ist, weist die Kurbelarm-Betätigungsvorrichtung 11 einen im Innenraum des Turbinengehäuses 21 angeordneten Kurbelarm 12 auf, an dem die tellerförmige Ventilklappe 13 angebracht ist. Die Ventilklappe 13 liegt im geschlossenen Zustand des Wastegate-Ventils 10 dichtend auf dem Ventilsitz 14 auf und verschließt so den Bypass-Kanal. Die an den Kurbelarm 12 anschließende Kurbelspindel 15 durchdringt das Turbinengehäuse 21 und ist in der Turbinengehäusewand um ihre Achse drehbar in einer erfindungsgemäßen Lagerbuchse 1, die aus einem erfindungsgemäßen Eisen-Werkstoff 2 gefertigt ist, gelagert. Außerhalb des Turbinengehäuses 21 ist ein Betätigungshebel 18 an der Kurbelspindel 15 angebracht, an dem wiederum über weitere Übertragungselemente der Kurbelarm-Betätigungsvorrichtung 11 ein Betätigungsaktuator 19 angreift. Ein Schub-Umluft-Ventil (nicht dargestellt) im Verdichtergehäuse 31 kann prinzipiell den gleichen oder einen ähnlichen Aufbau aufweisen.
Es versteht sich, dass der erfindungsgemäße Abgasturbolader nicht auf das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern auch andere Ausführungsformen zum Beispiel mit variablen Turbinengeometrien (VTG) und/oder mit verstellbaren Verdichter-Eintrittsöffnungen und/oder verstellbaren Verdichter-Diffusoren und/oder verstellbaren Turbinen-Austrittsöffnungen umfasst. Dabei kann der erfindungsgemäße Eisen-Werkstoff überall dort vorteilhaft zum Einsatz kommen, wo Stellteile bewegt werden und daraus resultierend entsprechende Lagerstellen, insbesondere Lagerbuchsen erforderlich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2029786 B1 [0010]
EP 0739994 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 13835 [0021]

Claims

Eisen-Werkstoff (2), insbesondere für hochtemperaturfeste Lagerbuchsen (1), gekennzeichnet durch eine Werkstoffzusammensetzung, die außer Eisen, Fe, zumindest folgende Legierungsbestandteile in den Grenzen der angegebenen Mengen in Gewichtsprozent, Gew.%, aufweist: Kohlenstoff, C: 1,5 bis 3,0 Gew.%; Silizium, Si: 1,0 bis 6,0 Gew.%; Mangan, Mn: 0,5 bis 7,00 Gew.%; Nickel, Ni: 12,0 bis 36,0 Gew.% Chrom, Cr: 0,2 bis 16,00 Gew.%; Phosphor, P: bis 0,25 Gew.%; Kupfer, Cu: bis 7,5 Gew.%; Molybdän, Mo: 0,5 bis 5,0 Gew.% und Wolfram, W: 0,3 bis 2,0 Gew.%.
Eisen-Werkstoff (2) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die genannten Legierungsbestandteile in den Grenzen der angegebenen Mengen in Gewichtsprozent, Gew.%: Kohlenstoff, C: 1,5 bis 3,0 Gew.%; Silizium, Si: 1,0 bis 6,0 Gew.%; Mangan, Mn: 1,5 bis 7,00 Gew.%; Nickel, Ni: 12,0 bis 36,0 Gew.% Chrom, Cr: 6,0 bis 12,00 Gew.%; Phosphor, P: 0,05 bis 0,25 Gew.%; Kupfer, Cu: 0,5 bis 7,5 Gew.%; Molybdän, Mo: 2,0–5,0 Gew.% und Wolfram, W: 0,8–2,0 Gew.%.
Eisen-Werkstoff (2) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung von Eigenschmierungs-Eigenschaften des Eisen-Werkstoffes, freier Kohlenstoff im Gefüge des Eisen-Werkstoffs in Form von Lamellengraphit oder Kugelgraphit oder Vermiculargraphit eingelagert ist.
Lagerbuchse (1) für den Einsatz unter Hochtemperaturbedingungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse (1) einen Eisen-Werkstoff (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweist oder aus einem solchen Eisen-Werkstoff gefertigt ist.
Abgasturbolader (100) mit einer Abgasturbine (20), einem Frischluftverdichter (30) und einer Lagereinheit (40), wobei der Abgasturbolader (100) zumindest eine bewegliche Stellvorrichtung zur Beeinflussung der die Abgasturbine (20) und/oder den Frischluftverdichter (30) durchfließenden Fluid-Massenströme aufweist, die mit zumindest einer Lagerbuchse (1) gemäß Anspruch 4 beweglich gelagert ist.
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Stellvorrichtung ein Wastegate-Ventil (10), ein Schubumluft-Ventil oder eine verstellbare Turbinengeometrie ist.