DE112009002021T5

DE112009002021T5 - Turbolader und Verstellring hierfür

Info

Publication number: DE112009002021T5
Application number: DE112009002021T
Authority: DE
Inventors: Gerald 67240 Schall; Melanie 67098 Gabel
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-09-21
Publication date: 2011-07-28
Also published as: WO2010036591A3; CN102149911A; JP2012503744A; WO2010036591A2; US20110171008A1; KR20110063664A

Abstract

Verstellring zur Turboladeranwendung, insbesondere in Dieselmotoren, bestehend aus einer Eisenbasislegierung mit austenitischer Grundstruktur und dendritischen Carbidausscheidungen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstellring, für Turboladeranwendungen, insbesondere in einem Dieselmotor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie einen Abgasturbolader mit einem Verstellring 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 den Verstellring werden extrem hohe Materialanforderungen gestellt. Das den Verstellring bildende Material muss hitzebeständig sein, also auch bei sehr hohen Temperaturen von bis zu etwa 900°C noch eine ausreichende Festigkeit zeigen. 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. Diese physikalischen Eigenschaften des Materials sollen sich auch im Bauteil, also dem Verstellring widerspiegeln.
Hitzebeständige Materialien für Abgasturbolader bzw. deren Einzelkomponenten sind aus EP 1 396 620 A1 bekannt. Als geeignet wird hier ein Material angesehen, das eine spezifische Zusammensetzung aufweist, wobei die Oberfläche der Komponenten mit einer Chromcarbidschicht beschichtet sein kann und das Material einen geringen Anteil an kleinen, nichtmetallischen Einschlüssen, aufweist. Hiermit soll eine Hitzebeständigkeit des Turboladers bzw. dessen Einzelkomponenten von bis zu 700°C oder mehr erzielt werden.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verstellring gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. einen Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 5 bereitzustellen, der eine verbesserte Temperatur- und Oxidationsbeständigleit, sowie Korrosionsbeständigkeit bei extremen Temperaturen, und auch eine entsprechende Nasskorrosionsbeständigkeit, 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 eines Verstellrings bzw. eines Abgasturboladers, umfassend einen ebensolchen Verstellring, wird eine bessere Temperaturbeständigkeit des Bauteils erzielt. Diese wird durch die in der Eisenbasislegierung enthaltenen dendritischen Carbidausscheidungen, also eine in der Eisenbasislegierung enthaltene Carbidmikrostruktur mit starker Verästelung der M23C6-Carbidstruktur und ferner Einlagerungen von Stickstoff in Form von Nitridstrukturen, noch um ein Vielfaches erhöht. Somit wird ein Verstellring bzw. ein Abgasturbolader bereitgestellt, der den erfindungsgemäßen Verstellring enthält, der eine optimal Temperaturbeständigkeit im Bereich von bis zu 900°C aufweist, ferner hoch warmfest ist, eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufweist und sich darüber hinaus noch durch sehr gute Gleiteigenschaften bei verminderter Oxidierbarkeit auszeichnet.
Darüber hinaus bleibt der erfindungsgemäße Verstellring formstabil und damit sehr eben, zeichnet sich also durch eine hohe Festigkeit des ihn bildenden Materials aus.
Ohne an die Theorie gebunden zu sein wird vermutet, dass Carbidausscheidungen in Form von Dendriten die Stabilität der Eisenbasislegierung dadurch erhöhen, dass sie feine Verästelungen im Mikrogefüge des Werkstoffes bilden, die eine Stützwirkung ausüben, so dass damit die Festigkeit des Materials und damit die Festigkeit des erfindungsgemäßen Verstellrings, aufgrund dessen einzigartiger Struktur, deutlich erhöht wird. Die Einlagerungen des Elements Stickstoff in Form von Nitridstrukturen erhöhen dabei zusätzlich die Verschleißperformance und Korrosionsbeständigkeit.
Die maximale Verschleißrate des erfindungsgemäßen Verstellrings beträgt dabei bei einer Lagerlast von etwa 40 N/mm², einer Gleitgeschwindigkeit von 0,0025 m/s, einer Bauteiltemperatur von etwa 500 bis 900°C, einer Oberflächenrauheit Rz von 6,3, einer Prüfdauer von 500 Stunden, einer Taktfrequenz von 0,2 Hz, einem Verstellwinkel von 45°, einer Reibzahl von 0,28, einem Zapfendurchmesser von 4,7 mm, einer Druckpulsation von mehr als 200 mbar, einem Abgasdruck von mehr als 1,5 bar, bei einem Dieselabgas als Prüfmedium, weniger als 0,14 mm.
Die Werkstoffebenheit des erfindungsgemäßen Verstellrings beträgt während eines Thermoschock-Zyklustests mit einer Prüfzeit von 300 Stunden weniger als 0,14 mm bei einem Umfang am Durchmesser von 80 mm.
Das Material des erfindungsgemäßen Verstellrings weist eine Carbidhärte der dendritischen Carbidausscheidungen von 450 HV1 auf. Dieser sehr hohe Wert gewährleistet die Formbeständigkeit und hohen Verschleißwiderstand des Materials.
Das Material des erfindungsgemäßen Verstellrings lässt sich mittels herkömmlicher Schweißverfahren, wie WIG, Plasma- und auch EB-Verfahren schweißen.
Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt. In einer Ausführungsform zeichnet sich der Verstellring durch eine spezifische Zusammensetzung aus, die die Komponenten C: 0,4 bis 1,7 Gew.-%, Cr: 23 bis 43 Gew.-%, Ni: 5 bis 15 Gew.-%, Mn: 8 bis 16 Gew.-%, Si: ≤ 1,3 Gew.-%, Mo: 0,45 bis 4 Gew.-%, W: 0,3 bis 3,1 Gew.-% und Fe enthält.
Der Einfluss der einzelnen Elemente auf eine Eisenbasislegierung ist bekannt, jedoch wurde nun überraschend gefunden, dass gerade die beschriebene Zusammensetzung einen Werkstoff ergibt, der, wenn er zu einem Verstellring verarbeitet wird, ein besonders ausgewogenes Eigenschaftsprofil aufweist. Durch diese erfindungsgemäße Zusammensetzung wird ein Verstellring mit besonders hoher Warmfestigkeit und Temperaturbeständigkeit, sogar bis 900°C, erhalten, der sich durch sehr gute Gleiteigenschaften und damit einen sehr geringen Gleitverschleiß bzw. Verschleiß durch Abnutzung, auszeichnet. Zudem ist die Korrosionsbeständigkeit verbessert, dies gilt insbesondere auch für die Nasskorrosion. Der Werkstoff und damit der erfindungsgemäße Verstellring ist zudem sehr gut formstabil, das Material weist demnach eine hohe Festigkeit und Formbeständigkeit auf.
Diese Eigenschaften können noch verbessert werden. Hierfür sieht eine Ausführungsform vor, dass der erfindungsgemäße Verstellring aus einem Material besteht, das folgende Elemente enthält: C: 0,6 bis 1,5 Gew.-%, Cr: 26 bis 38 Gew.-%, Ni: 5 bis 13 Gew.-%, Mn: 10 bis 14,5 Gew.-%, Si: ≤ 1 Gew.-%, Mo: 0,75 bis 3,5 Gew.-%, W: 0,5 bis 2,6 Gew.-% und Fe.
Ein derart hergestellter Verstellring zeigt neben der hohen Warmfestigkeit von bis zu 900°C noch einmal deutlich verbesserte Gleiteigenschaften. Der Gleitverschleiß ist hier minimiert. Zudem sind hier die Korrosionsbeständigkeit und insbesondere auch die Oxidationsbeständigkeit, maximiert. Diese Eigenschaften treten neben die sehr gute Formstabilität und Formbeständigkeit des erfindungsgemäßen Verstellrings bei hohen Temperaturen.

Somit weist ein derart hergestellter Werkstoff, und damit der erfindungsgemäße Verstellring, folgende Eigenschaften auf:

Mechanische Eigenschaften	Wert	Messverfahren
Zugfestigkeit R_m	> 795 MPa	ASTM E 8M/EN 10002-1; bei erhöhter Temp.: EN 10002-5
Streckgrenze R_p0 _, ₂	> 650 MPa	Standardverfahren
Bruchdehnung	> 5%	Standardverfahren
Härte	300 bis 385 HB	ASTM E 92/ISO 6507- 1
Längenausdehnungskoeffizient	16 bis 19 K^–1 (20 bis 900°C)	Standardverfahren

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erfindungsgemäße Verstellring, bzw. das ihn bildende Material, die Eisenbasislegierung, frei von Sigmaphasen. Sigmaphasen sind spröde, intermetallische 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 demnach gemäß dieser weiteren vorteilhaften Ausführungsform dadurch aus, dass es frei ist von Sigmaphasen. Dies wirkt der Versprödung des Materials entgegen und erhöht dessen Haltbarkeit. Die Reduzierung bzw. die Vermeidung 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 hier vorteilhaft, Austenitbildner wie z. B. Mangan, Stickstoff und Nickel, gegebenenfalls in Kombination, einzusetzen.
Als selbständig handelbares Objekt definiert Anspruch 5 einen Abgasturbolader, der einen Verstellring, wie bereits beschrieben, umfasst, der aus einer austenitischen Grundstruktur besteht und dendritische Carbidausscheidungen aufweist bzw. enthält.
1 zeigt eine teilweise im Schnitt dargestellte Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers. In 1 ist der erfindungsgemäße 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 Bewegungen 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 Verstellring gebildet wurde. Die chemische Analyse ergab die nachfolgenden Werte für die Elemente: C: 0,7 bis 1,2 Gew.-%; Cr: 27 bis 33 Gew.-%; Ni: 7 bis 11 Gew.-%; Mn: 10 bis 14 Gew.-%; Si: max. 1 Gew.-%; Mo: 0,75 bis 1,7 Gew.-%; W: 0,5 bis 1,5 Gew.-%; Rest: Eisen.
Der gemäß diesem Beispiel hergestellte Verstellring zeichnete sich durch eine Zugfestigkeit R_m von 805 MPa aus (ASTM E 8M/EN 10002-1; bei erhöhter Temperatur: EN 10002-5). Die Streckgrenze R_p 0,2 (gemessen nach Standardverfahren) betrug 661 MPa. Die Bruchdehnung des Materials (gemessen nach Standardverfahren) betrug 5,2%. Die Härte des Materials (gemessen nach ASTM E 92/ISO 6507-1) betrug 364 HB. Der Längenausdehnungskoeffizient (gemessen nach Standardverfahren) betrug 17,8 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 Verstellschaufeln 7
14: Stößelglied
15: ringförmiger Teil des Turbinengehäuses 2
16: Abstandshalter/Distanznocken
17: Kompressorrotor
18: Leitgitter
28: Lagergehäuse
R: Rotationsachse

ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Verstellring für Turboladeranwendungen, insbesondere in 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

EP 1396620 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM E 8M/EN 10002-1 [0019]
EN 10002-5 [0019]
ASTM E 92/ISO 6507- 1 [0019]
ASTM E 8M/EN 10002-1 [0025]
EN 10002-5 [0025]
ASTM E 92/ISO 6507-1 [0025]

Claims

Verstellring zur Turboladeranwendung, insbesondere in Dieselmotoren, bestehend aus einer Eisenbasislegierung mit austenitischer Grundstruktur und dendritischen Carbidausscheidungen.
Verstellring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er folgende Komponenten enthält: C: 0,4 bis 1,7 Gew.-%, Cr: 23 bis 43 Gew.-%, Ni: 5 bis 15 Gew.-%, Mn: 8 bis 16 Gew.-%, Si: ≤ 1,3 Gew.-%, Mo: 0,45 bis 4 Gew.-%, W: 0,3 bis 3,1 Gew.-% und Fe.
Verstellring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er folgende Komponenten enthält: C: 0,6 bis 1,5 Gew.-%, Cr: 26 bis 38 Gew.-%, Ni: 5 bis 13 Gew.-%, Mn: 10 bis 14,5 Gew.-%, Si: ≤ 1 Gew.-%, Mo: 0,75 bis 3,5 Gew.-%, W: 0,5 bis 2,6 Gew.-% und Fe.
Verstellring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenbasislegierung frei ist von Sigmaphasen.
Abgasturbolader, insbesondere für Dieselmotoren umfassend einen Verstellring bestehend aus einer Eisenbasislegierung mit austenitischer Grundstruktur und dendritischen Carbidausscheidungen.
Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellring folgende Komponenten enthält: C: 0,4 bis 1,7 Gew.-%, Cr: 23 bis 43 Gew.-%, Ni: 5 bis 15 Gew.-%, Mn: 8 bis 16 Gew.-%, Si: ≤ 1,3 Gew.-%, Mo: 0,45 bis 4 Gew.-%, W: 0,3 bis 3,1 Gew.-% und Fe.
Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellring folgende Komponenten enthält: C: 0,6 bis 1,5 Gew.-%, Cr: 26 bis 38 Gew.-%, Ni: 5 bis 13 Gew.-%, Mn: 10 bis 14,5 Gew.-%, Si: ≤ 1 Gew.-%, Mo: 0,75 bis 3,5 Gew.-%, W: 0,5 bis 2,6 Gew.-% und Fe.
Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Verstellrings frei ist von Sigmaphasen.