DE102021210978A1 - Ferritic material and combination thereof - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen ferritischen Werkstoff, enthaltend: C: 0,75 bis 1,2 Gew.-%; Cr: 25,5 bis 30,5 Gew.-%; Si: 2,2 bis 2,9 Gew.-%; Mn: 0,2 bis 0,95 Gew.-%; gegebenenfalls eines oder mehrere von Mo: bis 0,5 Gew.-%; Ni: bis 0,5 Gew.-%; Cu: bis 0,5 Gew.-%; wobei es sich bei dem Rest um Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen in der Form von Co, O, N, Ca, P und/oder S handelt, die gegebenenfalls in Anteilen von jeweils <0,3 Gew.-% vorliegen.The present invention relates to a ferritic material containing: C: 0.75 to 1.2% by weight; Cr: 25.5 to 30.5 wt%; Si: 2.2 to 2.9 wt%; Mn: 0.2 to 0.95% by weight; optionally one or more of Mo: up to 0.5% by weight; Ni: up to 0.5% by weight; Cu: up to 0.5% by weight; the remainder being Fe and production-related impurities in the form of Co, O, N, Ca, P and/or S, which may be present in proportions of <0.3% by weight each.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen ferritischen Werkstoff. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Kombination aus dem ferritischen Werkstoff und einem Gegenläufer.The present invention relates to a ferritic material. The present invention also relates to a combination of the ferritic material and a counter-rotor.
An die Werkstoffe für Lagerbuchsen und Dichtringe von Antriebssystemen, wie z.B. Verbrennungsmotoren und Turboladern, werden hohe Materialanforderungen gestellt. Demgemäß müssen die Werkstoffe eine hohe Verschleiß-, Kriech- und Oxidationsbeständigkeit aufweisen und thermisch hoch beanspruchbar sein. Gattungsgemäße Werkstoffe sind in der Regel Metalllegierungen, insbesondere Guss- und Sinterlegierungen.High material requirements are placed on the materials for bearing bushes and sealing rings in drive systems, such as internal combustion engines and turbochargers. Accordingly, the materials must have high wear, creep and oxidation resistance and be able to withstand high thermal loads. Generic materials are usually metal alloys, in particular cast and sintered alloys.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise ein Werkstoff für Lagerbuchsen für Turbolader unter der Bezeichnung PL 33 (MAHLE International GmbH, Stuttgart, Deutschland) mit folgender Materialzusammensetzung (in Gew.-%, gemessen mittels ICP-OES, AAS, Funkenemissionsspektroskopie oder Infrarotabsorption in IR-Zellen) bekannt: C = 1,00 bis 1,40; Si = 1,80 bis 2,10; P = max. 0,06; S = max. 0,04; Cr = 33,0 bis 35,0; Ni = max. 0,50; Mo = 2,00 bis 2,50; Fe = Rest sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen durch andere Elemente. PL 33 ist ein ferritischer Gusswerkstoff mit einem hohen Cr-Gehalt und Sonderkarbiden.From the prior art, for example, is a material for bearing bushes for turbochargers under the designation PL 33 (MAHLE International GmbH, Stuttgart, Germany) with the following material composition (in % by weight, measured by ICP-OES, AAS, spark emission spectroscopy or infrared absorption in IR -cells) known: C = 1.00 to 1.40; Si = 1.80 to 2.10; P = max 0.06; S = max 0.04; Cr = 33.0 to 35.0; Ni = 0.50 max; Mon = 2.00 to 2.50; Fe = remainder as well as production-related impurities from other elements. PL 33 is a ferritic cast material with a high Cr content and special carbides.
Der Werkstoff ist „naturhart“, d.h. er wird nicht wärmebehandelt, wie auch vergleichbare ferritische Legierungen nicht wärmebehandelt werden. PL 33 gilt in den jeweiligen Anwendungen, insbesondere in Turboladern als Buchsenmaterial, als extrem korrosionsbeständig.The material is "naturally hard", i.e. it is not heat-treated, just like comparable ferritic alloys are not heat-treated. PL 33 is considered to be extremely corrosion-resistant in the respective applications, especially in turbochargers as a liner material.
Für Anwendungen bei niedrigeren Temperaturen bzw. bei einer Abgasnachbehandlung werden auch ferritische (wie z.B. 1.4016, 1.4511) oder austenitische (wie z.B. 1.4841, 1.4404) Materialien eingesetzt. Ein Nachteil dieser Legierungen ist jedoch häufig eine geringe Korrosionsbeständigkeit (ferritische Legierungen) oder eine geringe Verschleißbeständigkeit (austenitische Materialien).Ferritic (such as 1.4016, 1.4511) or austenitic (such as 1.4841, 1.4404) materials are also used for applications at lower temperatures or for exhaust gas aftertreatment. However, a disadvantage of these alloys is often low corrosion resistance (ferritic alloys) or low wear resistance (austenitic materials).
Für Anwendungen in Verbrennungsmotoren bzw. bei höheren Temperaturen werden auch austenitische Werkstoffe, wie z.B. die Werkstoffe PL 26 oder PL 29 (MAHLE International GmbH, Stuttgart, Deutschland), verwendet. Auch Werkstoffe auf Nickel- und Kobaltbasis, beispielsweise Triballoy T400, werden verwendet. Derartige Metalllegierungen sind jedoch aufgrund des hohen Anteils an Nickel- und Kobalt sehr teuer und daher oftmals wirtschaftlich uninteressant.Austenitic materials such as the materials PL 26 or PL 29 (MAHLE International GmbH, Stuttgart, Germany) are also used for applications in combustion engines or at higher temperatures. Materials based on nickel and cobalt, such as Triballoy T400, are also used. However, such metal alloys are very expensive due to the high proportion of nickel and cobalt and are therefore often economically uninteresting.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Material für die Lagerung eines Antriebssystems, wie z.B. eines Verbrennungsmotors, eines Turboladers oder eines Elektromotors, welches einerseits steigenden Anforderungen an Temperatur- und Verschleißbeständigkeit genügt und insbesondere eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist, und andererseits wirtschaftlich einsetzbar ist, sowie eine Kombination des Materials mit geeigneten Gegenläufern bereitzustellen.The object of the invention is to provide a material for the bearing of a drive system, such as an internal combustion engine, a turbocharger or an electric motor, which on the one hand meets increasing requirements for temperature and wear resistance and, in particular, has high corrosion resistance, and on the other hand can be used economically, as well as a Provide a combination of the material with suitable counterparts.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1, 7 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matter of
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen ferritischen Werkstoff bereitzustellen, der im Vergleich mit dem Stand der Technik reduzierte Legierungsbestandteile aufweist und dennoch die gleiche Verschleißbeständigkeit und eine akzeptable Korrosionsbeständigkeit erreicht.The present invention is based on the general idea of providing a ferritic material that has reduced alloying components compared to the prior art and still achieves the same wear resistance and acceptable corrosion resistance.
Eine derartige Kombination der Eigenschaften ist insbesondere bei Motorenkomponenten und dort bei Buchsen in Turboladern (TL) und Abgasrückführsystemen (AGR) wünschenswert.Such a combination of properties is particularly desirable for engine components and there for bushings in turbochargers (TL) and exhaust gas recirculation systems (EGR).
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein ferritischer Werkstoff bereitgestellt, der die folgenden Legierungselemente enthält: C: 0,75 bis 1,2 Gew.-%; Cr: 25,5 bis 30,5 Gew.-%; Si: 2,2 bis 2,9 Gew.-%; Mn: 0,2 bis 0,95 Gew.-%; gegebenenfalls eines oder mehrere von Mo: bis 0,5 Gew.-%; Ni: bis 0,5 Gew.-%; Cu: bis 0,5 Gew.-%; wobei es sich bei dem Rest um Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen in der Form von Co, O, N, Ca, P und/oder S handelt, die gegebenenfalls in Anteilen von jeweils <0,3 Gew.-% vorliegen.According to an advantageous embodiment, a ferritic material is provided which contains the following alloying elements: C: 0.75 to 1.2% by weight; Cr: 25.5 to 30.5 wt%; Si: 2.2 to 2.9 wt%; Mn: 0.2 to 0.95% by weight; optionally one or more of Mo: up to 0.5% by weight; Ni: up to 0.5% by weight; Cu: up to 0.5% by weight; the remainder being Fe and production-related impurities in the form of Co, O, N, Ca, P and/or S, which may be present in proportions of <0.3% by weight each.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung enthält der ferritische Werkstoff C: 0,85 bis 1,1 Gew.-%; Cr: 26,5 bis 29,5 Gew.-%; Si: 2,4 bis 2,8 Gew.-%; Mn: 0,3 bis 0,8 Gew.-%; Mo: 0,05 bis 0,5 Gew.-%; Ni: 0,05 bis 0,5 Gew.-%; wobei es sich bei dem Rest um Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen in der Form von Cu, Co, O, N, Ca, P und/oder S handelt, die gegebenenfalls in Anteilen von jeweils <0,3 Gew.-% vorliegen.In an advantageous development of the solution according to the invention, the ferritic material C contains: 0.85 to 1.1% by weight; Cr: 26.5 to 29.5 wt%; Si: 2.4 to 2.8 wt%; Mn: 0.3 to 0.8% by weight; Mo: 0.05 to 0.5% by weight; Ni: 0.05 to 0.5 wt%; the remainder being Fe and production-related impurities in the form of Cu, Co, O, N, Ca, P and/or S, which may be present in proportions of <0.3% by weight each.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird eine Kombination aus einem Lager und einem Gegenläufer bereitgestellt, wobei das Lager aus einem erfindungsgemäßen ferritischen Werkstoff ausgebildet ist und der Gegenläufer aus einem martensitischen oder austenitischen Material auf Fe-Basis ausgebildet ist.According to a further advantageous embodiment, a combination of a bearing and a counter-rotor is provided, the bearing being made from a ferritic material according to the invention and the counter-rotor being made from a martensitic or austenitic material based on Fe.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird eine Kombination aus einem Lager und einem Gegenläufer bereitgestellt, wobei das Lager aus einem erfindungsgemäßen ferritischen Werkstoff ausgebildet ist und der Gegenläufer aus einem nitrierten, carbonitrierten, kolsterisierten oder borierten Material auf Fe-Basis ausgebildet ist.According to a further advantageous embodiment, a combination of a bearing and a counter-rotor is provided, wherein the bearing is made of a ferritic material according to the invention and the counter-rotor is made of a nitrided, carbonitrided, Kolsterized or borated Fe-based material.
Bevorzugt wird das Material mittels Gussverfahren, wie z.B. Schleuder- oder Feingießen, oder Sinterverfahren hergestellt. Bevorzugt ist auch eine Herstellung von Bauteilen mittels eines additiven oder generativen Verfahrens, wie z.B. selektivem Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen und Laserauftragsschmelzen. Je nach Art der Herstellung und damit unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeit bei der Erstarrung kann es zu Unterschieden im Gefüge des erfindungsgemäßen Werkstoffs kommen.The material is preferably produced by means of casting processes, such as centrifugal or investment casting, or sintering processes. Manufacturing components by means of an additive or generative process, such as selective laser melting, electron beam melting and laser deposition melting, is also preferred. Depending on the type of production and thus different cooling rates during solidification, there may be differences in the structure of the material according to the invention.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention result from the dependent claims, from the drawings and from the associated description of the figures with reference to the drawings.
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.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred exemplary embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference symbols referring to identical or similar or functionally identical components.
Dabei zeigen, jeweils schematisch
-
1 einen Buchsenprüfkörper, der für tribologische Versuche und Korrosionsversuche verwendet wird, -
2 eine Welle (Gegenläufer), die für die tribologischen Versuche verwendet wird, -
3 einen Buchsenprüfstand, der für die tribologischen Versuche verwendet wird, -
4(a) eine detaillierte Darstellung des inneren Aufbaus des Buchsenprüfstands von3 , -
4(b) eine schematische Darstellung einer Verkippung der Welle durch die aufgebrachte Querkraft auf das Buchse/Welle-System, -
5 Ergebnisse von Verschleißtests bei 250°C und 500°C, -
6 Ergebnisse von Korrosionstests bei 50°C für 24 Stunden und bei Raumtemperatur (RT) für 20 Tage, -
7 Zusammensetzungen von Prüfkondensaten (Korrosionsmedien), die bei den Korrosionstests verwendet worden sind, und -
8 Schliffbilder nach einem Korrosionsversuch.
-
1 a bush test body used for tribological tests and corrosion tests, -
2 a shaft (counter-rotor), which is used for the tribological tests, -
3 a bushing test bench used for the tribological tests, -
4(a) a detailed representation of the internal structure of the socket test bench from3 , -
4(b) a schematic representation of a tilting of the shaft due to the transverse force applied to the bushing/shaft system, -
5 Results of wear tests at 250°C and 500°C, -
6 results of corrosion tests at 50°C for 24 hours and at room temperature (RT) for 20 days, -
7 Compositions of test condensates (corrosion media) used in the corrosion tests, and -
8th Micrographs after a corrosion test.
Ein erfindungsgemäßer ferritischer Werkstoff mit der folgenden Zusammensetzung wurde durch Schmelzen eines Gemischs der folgenden Legierungsbestandteile hergestellt: C: 0,93 Gew.-%; Cr: 27,76 Gew.-%; Si: 2,52 Gew.-% ; Mn: 0,78 Gew.-%; Mo: 0,17 Gew.-%; Ni: 0,26 Gew.-%; Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen. Aus dem erhaltenen ferritischen Werkstoff wurden mittels eines Sandguss-Verfahrens zylindrische Körper mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Länge von 73 mm hergestellt und anschließend wurden aus diesen zylindrischen Körpern durch Bearbeiten Buchsen als Prüfkörper hergestellt (bezüglich der Abmessungen der Buchsen vgl. die
Die Verschleißbeständigkeit des erhaltenen Prüfkörpers aus dem erfindungsgemäßen ferritischen Werkstoff sowie eines Prüfkörpers aus PL33 (Gussmaterial) wurde mit dem nachstehend beschriebenen Buchsenprüfstand mit den folgenden Parametern gemessen:The wear resistance of the test specimen obtained from the ferritic material according to the invention and a test specimen made from PL33 (cast material) was measured using the bush test bench described below with the following parameters:
Gegenläufer: Wellenmaterial 1.4841 (Wärmebehandlungszustand: warmgewalzt und lösungsgeglüht, bezüglich der Abmessungen vgl. die
Messtemperaturen: 250 °C und 500 °C
Spiel zwischen Welle und Buchsen bei Raumtemperatur: 0,15 mm
Drehwinkel der Welle in den Buchsen: 50°
Querkraft: 10 N
Lastwechselfrequenz: 4 Hz
Umgebende Atmosphäre: Luft
Lastwechselanzahl: 1 MillionCounter-rotor: Shaft material 1.4841 (heat treatment condition: hot-rolled and solution-annealed, for dimensions cf
Measurement temperatures: 250 °C and 500 °C
Clearance between shaft and bushings at room temperature: 0.15 mm
Angle of rotation of the shaft in the bushings: 50°
Lateral force: 10 N
Load change frequency: 4 Hz
Ambient atmosphere: air
Number of load changes: 1 million
Bei dem Buchsenprüfstand handelt es sich um eine Entwicklung der Fa. MAHLE, die aufgrund der gewonnenen Erfahrungen kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert wurde. Bei diesem Prüfstand werden die Belastungen, welche an der Lagerung im Abgasturbolader auftreten, simuliert. Der Prüfaufbau auf diesem Prüfstand befindet sich in einem Ofen, in dem Bauteiltemperaturen bis 1000 °C getestet werden können. Es können auch die Frequenz und in begrenztem Maße der Drehwinkel der Welle in der Buchse variiert werden. Ferner lässt sich die Atmosphäre des Ofens einstellen. Die Ergebnisse ermöglichen eine Beurteilung des Verschleißverhaltens verschiedener Werkstoffpaarungen von Buchsen- und Wellenmaterialien. Der detaillierte Aufbau des für die tribologischen Versuche verwendeten Buchsenprüfstands ist in den
Es wurden jeweils vier Versuche je Werkstoffpaarung und Parametersatz durchgeführt. Nach den Versuchen wurden die Bauteile mittels eines 3D-Profilometers (VR3200, Firma Keyence) vermessen. Die Ergebnisse der Verschleißtests sind in der
Ferner wurden mit dem gleichen ferritischen Werkstoff wie für die Verschleißversuche und mit dem Werkstoff PL33 auch Korrosionsversuche durchgeführt. Dabei wurden die Korrosionsmedien gemäß VDA 230-211 als K1.2 und K2.2 gewählt (vgl. die
Durch Ätzen mit einer Lösung aus 50 ml Ethanol und 7,5 ml Salpetersäure wurden ferner Schliffbilder erzeugt (vgl. die
Der erfindungsgemäße ferritische Werkstoff zeigte bei den vorstehend beschriebenen Korrosionsversuchen nach VDA 230-211 nur einen geringen Korrosionsabtrag (Masseverlust) und nur sehr geringe Korrosionsspuren auf der Oberfläche (vgl. die
Der erfindungsgemäße ferritische Werkstoff eignet sich beispielsweise als wirtschaftlicher Ersatz für Werkstoffe mit hohem Chromgehalt, wie z.B. PL33, da insbesondere das Verschleißverhalten im Verschleißversuch vergleichbar war. Zudem eignet sich der erfindungsgemäße Werkstoff auch für die Beschichtung thermisch, mechanisch und chemisch hoch beanspruchter Bauteile.The ferritic material according to the invention is suitable, for example, as an economical replacement for materials with a high chromium content, such as PL33, since the wear behavior in the wear test in particular was comparable. In addition, the material according to the invention is also suitable for coating thermally, mechanically and chemically highly stressed components.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R163 | Identified publications notified |