DE112009002015T5

DE112009002015T5 - Turbolader und Schaufellagerring hierfür

Info

Publication number: DE112009002015T5
Application number: DE112009002015T
Authority: DE
Inventors: Gerald 67240 Schall; Melanie 67098 Gabel
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-09-16
Also published as: DE112009002015B4; JP2012503718A; WO2010036533A2; KR20110057213A; US20110176914A1; CN102149837B; WO2010036533A3; CN102149837A

Abstract

Schaufellagerring zur Turboladeranwendung, insbesondere bei Dieselmotoren, bestehend aus einer Eisenbasislegierung mit austenitischer Grundstruktur mit dendritischen Carbidausscheidungen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaufellagerring für Turboladeranwendungen, insbesondere in einem Dieselmotor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie einen Abgasturbolader mit einem Schaufellagerring gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 5.
Abgasturbolader sind Systeme zur Leistungssteigerung von Kolbenmotoren. Bei einem Abgasturbolader wird die Energie der Abgase zur Leistungssteigerung verwendet. Die Leistungssteigerung resultiert daraus, dass der Gemischdurchsatz pro Arbeitstakt erhöht wird.
Ein Turbolader besteht im Wesentlichen aus einer Abgasturbine mit einer Welle und einem Verdichter, wobei der im Ansaugtrakt des Motors angeordnete Verdichter mit der Welle verbunden ist, und die im Gehäuse der Abgasturbine und dem Verdichter befindlichen Schaufelräder rotieren. Bei einem Turbolader mit variabler Turbinengeometrie sind zusätzlich Verstellschaufeln drehbar in einem Schaufellagerring gelagert und werden mittels eines im Turbinengehäuse des Turboladers angeordneten Verstellrings bewegt.
An die Schaufellagerringe werden extrem hohe Materialanforderungen gestellt. Das den Schaufellagerring bildende Material muss hitzebeständig sein, also auch bei sehr hohen Temperaturen von bis zu etwa 900°C noch eine ausreichende Festigkeit bieten. Ferner muss das Material eine hohe Verschleißbeständigkeit sowie eine entsprechende Oxidationsbeständigkeit aufweisen, so dass die Korrosion bzw. der Verschleiß des Materials vermindert ist, und damit die Beständigkeit des Materials unter den extremen Arbeitsbedingungen gewährleistet bleibt.
Ein derartiger Schaufellagerring ist aus DE 10 2004 062 564 A1 bekannt. Bei dieser Art Schaufellagerring wird, im Gegensatz zu den meist verwendeten ferritischen Werkstoffen, ein austenitischer Werkstoff verwendet, eine Eisenmatrix-Legierung, die einen hohen Schwefelanteil zur Verbesserung der Schmierwirkung des Bauteils aufweist. Durch die spezifische Zusammensetzung wird die Kriechbeständigkeit des Werkstoffes erhöht und damit eine hohe Maßstabilität des Schaufellagerrings bei Temperaturen von über 850°C erzielt.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schaufellagerring gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. einen Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 5 zu schaffen, der eine verbesserte Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit, sowie Korrosionsbeständigkeit aufweist, der sich durch optimale tribologische Eigenschaften auszeichnet und zudem eine verringerte Verschleißanfälligkeit zeigt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 5.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung in Form eines Schaufellagerring bzw. Abgasturboladers umfassend einen ebensolchen Schaufellagerring, bestehend aus einer austenitischen Eisenbasislegierung, wird eine bessere Temperaturbeständigkeit des Materials erzielt. Diese wird durch die in der Eisenbasislegierung enthaltenen dendritischen Carbidausscheidungen noch um ein Vielfaches erhöht. Somit wird ein Schaufellagerring bzw. ein Abgasturbolader bereitgestellt, der den erfindungsgemäßen Schaufellagerring enthält, der eine optimale Temperaturbeständigkeit im Bereich von bis zu 900°C aufweist, ferner hoch warmfest ist, eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufweist und sich darüber hinaus durch sehr gute Gleiteigenschaften bei verminderter Oxidierbarkeit auszeichnet.
Darüber hinaus bleibt der erfindungsgemäße Schaufellagerring formstabil und damit sehr eben.
Ohne an die Theorie gebunden zu sein wird vermutet, dass Carbidausscheidungen in Form von Dendriten die Stabilität des Legierungsmaterials und damit deren Festigkeit aufgrund ihrer einzigartigen Struktur deutlich erhöhen. Der Anteil an Dendriten im erfindungsgemäßen Material beträgt maximal 20 Vol.-%.
Die maximale Verschleißrate des erfindungsgemäßen Schaufellagerrings beträgt bei einer Lagerlast von 10 bis 18 N/mm², einer Gleitgeschwindigkeit von 0,0025 m/s, einer Bauteiltemperatur von 500 bis 900°C, einer Oberflächenrauheit Rz von 6,3, einer Prüfdauer von 500 h, einer Taktfrequenz von 0,2 Hz, einem Verstellwinkel von 45°, einer Reibzahl von 0,28, einem Zapfendurchmesser von 4,77 mm, einer Druckpulsation von > 200 mbar, einem Abgasdruck von > 1,5 bar, bei einem Dieselabgas als Prüfmedium, weniger als 0,08 mm.
Die Bauteilebenheit des erfindungsgemäßen Schaufellagerrings beträgt während eines Thermoschockerprobungslaufes von 300 h weniger als 0,1 mm über einen Umfang von 80 mm.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
So können in einer Ausführungsform durch einen entsprechenden Gehalt an Mangansulfid die tribologischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Schaufellagerrings verbessert werden. Dadurch wird der Verschleiß durch Gleitreibung deutlich vermindert, was die Haltbarkeit des Schaufellagerrings weiter erhöht.
Der Zusatz der Elemente Niob und Vanadium kann dabei die Eisenbasislegierung weiter verbessern. Niob ist ein Carbidbildner bzw. Ferritbildner und erhöht somit die Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit in dem erfindungsgemäßen austenitischen Gefüge. Vanadium hingegen verfeinert das Primärkorn und damit die Gußstruktur. Auch Vanadium ist ein starker Carbidbildner, wodurch der Verschleißwiderstand des Materials erhöht wird. Die Kornverfeinerung führt dabei zu einer höheren dynamischen Flächenpressung. Bevorzugt sind die Komponenten Niob mit 0 bis 3,5 Gew.-% und/oder Vanadium mit 0 bis 3,7 Gew.-% in der Eisenbasislegierung vorhanden. Die Eisenbasislegierung kann neben Eisen weitere Elemente wie z. B. C, Cr, Ni, Mn, Si und N enthalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Eisenbasislegierung nachfolgende Komponenten C: 0,2 bis 0,5 Gew.-%, Cr: 16 bis 22,5 Gew.-%, Ni: 5 bis 14 Gew.-%, Mn: 5 bis 15 Gew.-%, Si ≤ 1,3 Gew.-%, S: < 0,5 Gew.-%, Nb: 0 bis 3,5 Gew.-%, V: 0 bis 3,7 Gew.-%, N: 0,1 bis 0,6 Gew.-% und Fe.
In einer weiteren Ausführungsform zeichnet sich der erfindungsgemäße Schaufellagerring durch eine spezifische Zusammensetzung aus, die die Komponenten:
C: 0,2 bis 0,5 Gew.-%,
Cr: 16 bis 22,5 Gew.-%,
Ni: 5 bis 14 Gew.-%,
Mn: 5 bis 15 Gew.-%,
Si ≤ 1,3 Gew.-%,
S: < 0,5 Gew.-%,
Nb: 0,75 bis 3,5 Gew.-%,
V: 1 bis 3,7 Gew.-%,
N: 0,1 bis 0,6 Gew.-%
und Fe, enthält.
Der Einfluss der einzelnen Elemente auf eine Eisenbasislegierung ist bekannt, jedoch wurde nun überraschend gefunden, dass gerade die beschriebene Kombination einen Werkstoff ergibt, der, wenn zu einem Schaufellagerring verarbeitet, diesem ein besonders ausgewogenes Eigenschaftsprofil verleiht. Durch diese erfindungsgemäße Zusammensetzung wird ein Schaufellagerring mit besonders hoher Warmfestigkeit und Temperaturbeständigkeit erhalten, der sich durch eine überragende Gleiteigenschaft und damit einen besonders geringen Gleitverschleiß auszeichnet. Zudem ist die Korrosionsbeständigkeit minimiert, dies gilt insbesondere auch für die Nasskorrosion.

So weist ein derart hergestellter erfindungsgemäßer Werkstoff folgende Eigenschaften auf:

Mechanische Eigenschaft	Wert	Messverfahren
Zugfestigkeit R_m	> 650 MPa	ASTM E 8M/EN 10002-1; bei erhöhter Temp.: EN 10002-5
Streckgrenze R_{p 0,2}	> 270 MPa	Standardverfahren
Bruchdehnung	> 12%	Standardverfahren
Härte	225–265 HB	ASTM E 92/ISO 6507-1
Längenausdehnungskoeffizient	16–19 K^–1 (20 bis 900°C)	Standardverfahren

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Schaufellagerring frei von Sigma-Phasen. Dies wirkt der Versprödung des Materials entgegen und erhöht dessen Haltbarkeit. Sigmaphasen sind spröde, sintermetallische Phasen hoher Härte. Sie entstehen, wenn ein kubischraumzentriertes und ein kubischflächenzentriertes Metall aufeinandertreffen, deren Atomradien mit nur geringer Abweichung übereinstimmen. Derartige Sigmaphasen sind aufgrund ihrer versprödenden Wirkung und auch wegen der Eigenschaft der Matrix, Chrom zu entziehen, nicht erwünscht. Das erfindungsgemäße Material zeichnet sich dadurch aus, dass es frei ist von Sigmaphasen. Somit wird der Versprödung des Materials entgegengewirkt und dessen Haltbarkeit erhöht. Die Reduzierung bzw. Vermeidung der Bildung von Sigmaphasen wird dadurch erreicht, dass der Siliziumgehalt in dem Legierungsmaterial auf weniger als 1,3 Gew.-% und bevorzugt weniger als 1 Gew.-% abgesenkt wird.
Ferner ist es vorteilhaft, Austenitbildner, wie z. B. Mangan, Stickstoff und Nickel, gegebenenfalls in Kombination, einzusetzen.
Als selbstständig handelbares Objekt definiert Anspruch 5 einen Abgasturbolader, der einen Schaufellagerring, wie bereits beschrieben, umfasst, der aus einer Eisenbasislegierung mit austenitischer Grundstruktur mit dendritischen Carbidausscheidungen besteht.
1 zeigt eine teilweise im Schnitt dargestellte Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Turboladers. In 1 ist ein erfindungsgemäßer Turbolader 1 dargestellt, der ein Turbinengehäuse 2 und ein damit über ein Lagergehäuse 28 verbundenes Kompressorgehäuse 3 aufweist. Die Gehäuse 2, 3 und 28 sind entlang einer Rotationsachse R angeordnet. Das Turbinengehäuse ist teilweise im Schnitt gezeigt, um die Anordnung eines Schaufellagerrings 6 und ein von diesem gebildetes radial äußeres Leitgitter 18 zu verdeutlichen, das eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Verstellschaufeln 7 mit Drehachsen 8 aufweist. Hierdurch werden Düsenquerschnitte gebildet, die je nach der Lage der Verstellschaufeln 7 größer oder kleiner sind und den in der Mitte an der Rotationsachse R gelegenen Turbinenrotor 4 mehr oder weniger mit dem über einen Zuführkanal 9 zugeführten und über einen Zentralstutzen 10 abgeführten Abgas eines Motors beaufschlagen, um über den Turbinenrotor 4 einen auf derselben Welle sitzenden Kompressorrotor 17 anzutreiben.
Um die Bewegung bzw. die Lage der Verstellschaufeln 7 zu steuern, ist eine Betätigungseinrichtung 11 vorgesehen. Diese kann an sich beliebig ausgebildet sein, jedoch weist eine bevorzugte Ausführungsform ein Steuergehäuse 12 auf, das die Steuerbewegung eines an ihr befestigten Stößelgliedes 14 steuert, um dessen Bewegung auf einen hinter dem Schaufellagerring 6 gelegenen Verstellring 5 in eine leichte Drehbewegung desselben umzusetzen. Zwischen dem Schaufellagerring 6 und einem ringförmigen Teil 15 des Turbinengehäuses 2 wird ein Freiraum 13 für die Verstellschaufeln 7 gebildet. Um diesen Freiraum 13 sichern zu können, weist der Schaufellagerring 6 Abstandshalter 16 auf.
Beispiel
Aus den nachfolgenden Elementen wurde nach einem gängigen Verfahren eine Legierung hergestellt, aus der ein erfindungsgemäßer Schaufellagerring gebildet wurde. Die chemische Analyse ergab die nachfolgenden Werte für die Elemente: C: 0,2 bis 0,5 Gew.-%; Cr: 17 bis 21 Gew.-%; Ni: 5,5 bis 10,5 Gew.-%; Mn: 7,5 bis 11 Gew.-%; Si: max. 1 Gew.-%; S: < 0,5 Gew.-%; Nb: 0,75 bis 1,7 Gew.-%; N: 0,1 bis 0,5 Gew.-%; V: 1 bis 1,9 Gew.-%; Rest: Eisen.
Der gemäß diesem Beispiel hergestellte Schaufellagerring zeichnete sich durch eine Zugfestigkeit R_m von 655 MPa aus (ASTM E 8M/EN 10002-1; bei erhöhter Temperatur: EN 10002-5). Die Streckgrenze R_p 0,2 (gemessen nach Standardverfahren) betrug 276 MPa. Die Bruchdehnung des Materials (gemessen nach Standardverfahren) betrug 13,2%. Die Härte des Materials (gemessen nach ASTM E 92/ISO 6507-1) betrug 243 HB. Der Längenausdehnungskoeffizient (gemessen nach Standardverfahren) betrug 17,6 K^–1 (20 bis 900°C). Das Material wurde einer Validierungstestreihe unterworfen, die folgende Tests umfasste:

– Freibewitterungstest
– Klimawechseltest
– Thermoschocktest/Zyklustest – 300 h
– Heißgaskorrosionstest im Spaltofen

Das Bauteil zeichnete sich bei allen Tests durch eine ausgezeichnete Resistenz gegenüber den einwirkenden Kräften aus. Das Material wies somit eine extrem hohe Verschleißbeständigkeit und hervorragende Oxidationsbeständigkeit auf, so dass Korrosion bzw. Verschleiß des Materials unter den angegebenen Bedingungen deutlich vermindert waren, und damit die Beständigkeit des Materials auch über eine lange Zeit gewährleistet blieb.
Thermozyklustest:
Das erfindungsgemäße Bauteil wurde einem Thermozyklustest unterzogen, wobei die Thermoschocks folgendermaßen gefahren wurden:

1. Verwendung feststehender Läufer;
2. 2-ATL-Betrieb;
3. Versuchsdauer: 350 h (ca. 2000 Zyklen);
4. Während des gesamten Versuchs bleibt die Abgasklappe bei den ATL's um 15° geöffnet;
5. Hohe Temperatur: Nennleistungspunkt T3 = 750°C, Massenstrom ATL turbinenseitig: 0,5 kg/s;
6. Niedrige Temperatur: T3 = 100°C, Massenstrom ATL turbinenseitig: 0,5 kg/s;
7. Zyklusdauer: 2 × 5 min. (10 min.);
8. Durchführung von drei Zwischenrissprüfungen.

Bezugszeichenliste

1: Turbolader
2: Turbinengehäuse
3: Kompressorgehäuse
4: Turbinenrotor
5: Verstellring
6: Schaufellagerring
7: Verstellschaufeln
8: Drehachsen
9: Zuführkanal
10: Axialstutzen
11: Betätigungseinrichtung
12: Steuergehäuse
13: Freiraum für Leitschaufeln 7
14: Stößelglied
15: ringförmiger Teil des Turbinengehäuses 2
16: Abstandshalter/Distanznocken
17: Kompressorrotor
18: Leitgitter
28: Lagergehäuse
R: Rotationsachse

Zusammenfassung
Es wird ein Schaufellagerring für Turboladeranwendung bei Dieselmotoren beschrieben, der aus einer Eisenbasislegierung mit austenitischer Grundstruktur mit dendritischen Carbidausscheidungen besteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004062564 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM E 8M/EN 10002-1 [0019]
EN 10002-5 [0019]
ASTM E 92 [0019]
ISO 6507-1 [0019]
ASTM E 8M [0026]
EN 10002-1 [0026]
EN 10002-5 [0026]
ASTM E 92 [0026]
ISO 6507-1 [0026]

Claims

Schaufellagerring zur Turboladeranwendung, insbesondere bei Dieselmotoren, bestehend aus einer Eisenbasislegierung mit austenitischer Grundstruktur mit dendritischen Carbidausscheidungen.
Schaufellagerring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er Mangansulfid enthält.
Schaufellagerring nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er als weitere Komponenten Niob mit 0 bis 3,5 Gew.-% und/oder Vanadium mit 0 bis 3,7 Gew.-% enthält.
Schaufellagerring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er folgende Komponenten enthält: C: 0,2 bis 0,5 Gew.-%, Cr: 16 bis 22,5 Gew.-%, Ni: 5 bis 14 Gew.-%, Mn: 5 bis 15 Gew.-%, Si ≤ 1,3 Gew.-%, S: < 0,5 Gew.-%, Nb: 0,75 bis 3,5 Gew.-%, V: 1 bis 3,7 Gew.-%, N: 0,1 bis 0,6 Gew.-% und Fe.
Schaufellagerring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er frei ist von Sigma-Phasen.
Abgasturbolader für Dieselmotoren umfassend einen Schaufellagerring bestehend aus einer Eisenbasislegierung mit austenitischer Grundstruktur mit dendritischen Carbidausscheidungen.
Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er Mangansulfid enthält.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass er als weitere Komponenten Niob mit 0 bis 3,5 Gew.-% und/oder Vanadium mit 0 bis 3,7 Gew.-% enthält.
Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er folgende Komponenten enthält: C: 0,2 bis 0,5 Gew.-%, Cr: 16 bis 22,5 Gew.-%, Ni: 5 bis 14 Gew.-%, Mn: 5 bis 15 Gew.-%, Si ≤ 1,3 Gew.-%, S: < 0,5 Gew.-%, Nb: 0,75 bis 3,5 Gew.-%, V: 1 bis 3,7 Gew.-%, N: 0,1 bis 0,6 Gew.-% und Fe.
Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er frei ist von Sigma-Phasen.