DE112012001811T5 - Turbocharger and component for this - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Bauteil für Turboladeranwendungen, insbesondere in Dieselmotoren, beschrieben, das aus einer Eisenbasislegierung mit ferritischer Grundstruktur besteht, die eine Carbid- und Nitridstruktur enthält.A component is described for turbocharger applications, especially in diesel engines, which consists of a ferritic base iron-based alloy containing a carbide and nitride structure.
Description
Die Erfindung betrifft ein Bauteil für Turboladeranwendungen, insbesondere in einem Dieselmotor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie einen Abgasturbolader mit einem Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7.The invention relates to a component for turbocharger applications, in particular in a diesel engine, according to the preamble of
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.Exhaust gas turbochargers are systems for increasing the performance of piston engines. In an exhaust gas turbocharger, the energy of the exhaust gases is used to increase performance. The increase in performance results from the fact that the mixture throughput per stroke is increased.
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.A turbocharger essentially consists of an exhaust gas turbine with a shaft and a compressor, wherein the compressor arranged in the intake tract of the engine is connected to the shaft, and the impellers located in the housing of the exhaust gas turbine and the compressor rotate. In a turbocharger with variable turbine geometry adjusting vanes are also rotatably mounted in a blade bearing ring and are moved by means of an adjusting ring arranged in the turbine housing of the turbocharger.
An die Bauteile eines Turboladers und insbesondere an dessen Kinematikkomponenten, Waste-Gate-Komponenten oder bei einem VTG-Turbolader auch an dessen VTG-Komponenten, werden extrem hohe Materialanforderungen gestellt. Das Material dieser Bauteile muss hitzebeständig sein, also auch bei sehr hohen Temperaturen von bis zu etwa 900°C noch eine ausreichende Festigkeit und damit Formstabilität bieten. Ferner muss das Material eine hohe Verschleißbeständigkeit sowie eine entsprechende Oxidationsbeständigkeit aufweisen, so dass die Korrosion bzw. der Verschleiß des Materials auch bei den hohen Arbeitstemperaturen von mehreren hundert °C vermindert ist, und damit die Beständigkeit des Materials unter den extremen Arbeitsbedingungen gewährleistet bleibt.Extremely high material requirements are placed on the components of a turbocharger and, in particular, on its kinematics components, wastegate components or, in the case of a VTG turbocharger, also on its VTG components. The material of these components must be heat resistant, so even at very high temperatures of up to about 900 ° C still provide sufficient strength and thus dimensional stability. Furthermore, the material must have a high resistance to wear and a corresponding oxidation resistance, so that the corrosion or wear of the material is reduced even at high working temperatures of several hundred ° C, and thus ensures the resistance of the material under extreme working conditions.
Aus
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil für Turboladeranwendungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. einen Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7 zu schaffen, die eine verbesserte Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit und damit auch eine sehr gute Formstabilität und Warmfestigkeit, sowie Korrosionsbeständigkeit aufweisen, die sich durch optimale tribologische Eigenschaften auszeichnen und zudem eine verringerte Verschleißanfälligkeit zeigen.In contrast, it is an object of the present invention to provide a component for turbocharger applications according to the preamble of
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 7.The object is achieved by the features of
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung in Form eines Bauteils für Turboladeranwendungen bzw. eines Abgasturboladers umfassend ein ebensolches Bauteil, bestehend aus einer Eisenbasislegierung mit ferritischer Grundstruktur, die eine Carbid- und Nitridstruktur enthält, wird eine bessere Temperaturbeständigkeit des Materials und insbesondere verbesserte Gleitverschleißeigenschaften und reduzierte Oxidationsneigung, erzielt. Unter einer Carbidstruktur bzw. Nitridstruktur im Sinne der Erfindung wird dabei eine mikrostrukturelle Carbid-Ausscheidungsphase bzw. Nitrid-Ausscheidungsphase verstanden, die im Korn und an den Korngrenzen der Eisenbasislegierung gebildet ist. Die Carbidstruktur ist insbesondere eine dendritische Mikrostruktur, wodurch auch eine sehr gute Resistenz des Materials und damit des Bauteils gegenüber Verformung und Verschleiß erhalten wird. Somit wird ein Bauteil für Turboladeranwendungen bzw. ein Abgasturbolader, der mindestens ein erfindungsgemäßes Bauteil enthält, bereitgestellt, das eine optimale Temperaturbeständigkeit bis zu 900°C aufweist, ferner hochwarmfest ist, eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufweist und sich darüber hinaus durch sehr gute Gleiteigenschaften bei verminderter Oxidationsneigung, insbesondere bei den hohen Arbeitstemperaturen auszeichnet.The inventive design in the form of a component for turbocharger applications or an exhaust gas turbocharger comprising a similar component consisting of an iron-based alloy with ferritic structure containing a carbide and nitride structure, a better temperature resistance of the material and in particular improved Gleitschleleßeigenschaften and reduced tendency to oxidation is achieved , In the context of the invention, a carbide structure or nitride structure is understood to mean a microstructural carbide precipitation phase or nitride precipitation phase which is formed in the grain and at the grain boundaries of the iron-based alloy. The carbide structure is in particular a dendritic microstructure, whereby a very good resistance of the material and thus of the component to deformation and wear is obtained. Thus, a component for turbocharger applications or an exhaust gas turbocharger, which contains at least one component according to the invention provided, which has an optimum temperature resistance up to 900 ° C, is also highly heat-resistant, has high wear and corrosion resistance and, moreover, by very good sliding properties distinguished at reduced oxidation tendency, especially at the high operating temperatures.
Ferner ist das erfindungsgemäße Bauteil und damit der erfindungsgemäße Abgasturbolader, auch im Dauerbetrieb formstabil.Furthermore, the component according to the invention and thus the exhaust gas turbocharger according to the invention, even in continuous operation is dimensionally stable.
Ohne an die Theorie gebunden zu sein wird vermutet, dass das Vorliegen von Carbidausscheidungen sowie Nitridausscheidungen in der ferritischen Eisenbasislegierung die Stabilität des Legierungsmaterials und damit die Stabilität des Bauteils insbesondere gegenüber Reibverschleiß, sowie seine Warmfestigkeit aufgrund dieser einzigartigen Struktur deutlich erhöhen.Without being bound by theory, it is believed that the presence of carbide precipitates and nitride precipitates in the ferritic iron-based alloy significantly increase the stability of the alloy material, and thus the component's stability, particularly against fretting wear, as well as its high temperature strength due to this unique structure.
Beispielsweise zeichnet sich die erfindungsgemäße Eisenbasislegierung, also der das Bauteil bildende ferritische Eisenbasiswerkstoff mit Carbid- und Nitridstruktur, durch eine maximale Gleitverschleißrate von 0,08 mm im Durchmesser bei einer Flächenpressung von 20 MPa, einer Gleitgeschwindigkeit von 0,0025 m/s, einer Bauteiltemperatur etwa 850°C und 2.000.000 Zyklen, also eine außerordentliche Beständigkeit gegenüber Reibverschleiß, aus. Darüber hinaus sind auch die Warmfestigkeit, Formstabilität, sowie die Hochtemperaturperformance verbessert. For example, the iron-based alloy according to the invention, that is, the ferritic iron-base material with carbide and nitride structure forming the component, is characterized by a maximum sliding wear rate of 0.08 mm in diameter with a surface pressure of 20 MPa, a sliding speed of 0.0025 m / s, a component temperature about 850 ° C and 2,000,000 cycles, so an extraordinary resistance to fretting, out. In addition, the heat resistance, dimensional stability, and the high-temperature performance are improved.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.The dependent claims have advantageous developments of the invention to the content.
So können in einer Ausführungsform durch die Verwendung mindestens eines der Elemente Wolfram (W), Titan (Ti) und Niob (Nb) in der ferritischen Eisenbasislegierung, aus dem das erfindungsgemäße Bauteil gebildet ist, die Verschleißeigenschaften des Bauteils, also gerade seine Beständigkeit gegenüber Reibverschleiß, deutlich verbessert werden. Die Elemente W, Ti und Nb bilden im Wesentlichen die Carbidformationen in der Eisenbasislegierung aus, was neben der sehr guten Verschleißperformance auch die Korrosionsbeständigkeit des Materials und damit des erfindungsgemäßen Bauteils erhöht.Thus, in one embodiment, by the use of at least one of the elements tungsten (W), titanium (Ti) and niobium (Nb) in the ferritic iron-base alloy of which the component according to the invention is formed, the wear properties of the component, ie its resistance to frictional wear , be significantly improved. The elements W, Ti and Nb essentially form the carbide formations in the iron-based alloy, which in addition to the very good wear performance also increases the corrosion resistance of the material and thus of the component according to the invention.
In einer weiteren Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Bauteil für Turboladeranwendungen dadurch aus, dass es mindestens eines der Elemente ausgewählt aus: C, W, Cr, Mn, Ti, V, Nb und Si enthält. Die Anwesenheit mindestens eines dieser Elemente ist so zu verstehen, dass ein ebensolches Element oder eine Kombination dieser Elemente zur Herstellung der Eisenbasislegierung verwendet wird, die dann zu dem erfindungsgemäßen Bauteil verarbeitet wird. Die der Eisenbasislegierung zugefügten Elemente können dabei in ihrer ursprünglichen Form, also elementar, zum Beispiel in Form von Einlagerungen oder Ausscheidungsphasen, oder aber in Form ihrer Derivate, also in Form einer Verbindung aus dem entsprechenden Element, z. B. als Metallcarbid oder Metallnitrid, vorliegen, die sich entweder bei Herstellung der Eisenbasislegierung oder aber bei Formung des daraus hergestellten erfindungsgemäßen Bauteils, bilden. Die Anwesenheit der Elemente ist dabei durch herkömmliche analytische Methoden in dem erfindungsgemäßen Bauteil direkt nachweisbar.In another embodiment, the turbocharger application component of the present invention is characterized by including at least one of C, W, Cr, Mn, Ti, V, Nb, and Si. The presence of at least one of these elements is to be understood as meaning that a similar element or a combination of these elements is used to produce the iron-based alloy, which is then processed into the component according to the invention. The elements added to the iron-based alloy can be in their original form, ie elementary, for example in the form of inclusions or precipitation phases, or in the form of their derivatives, ie in the form of a compound from the corresponding element, for. Example, as a metal carbide or metal nitride, are present, which form either in the production of the iron-based alloy or during the formation of the inventive component produced therefrom. The presence of the elements is directly detectable by conventional analytical methods in the component according to the invention.
Das Element Kohlenstoff dient dabei hauptsächlich der Bildung der erfindungsgemäßen Carbidstruktur, also der carbidischen Ausscheidungsphasen und verbessert damit die Festigkeit des Materials sowie die Warmfestigkeit desselben, und damit des erfindungsgemäßen Bauteils für Turboladeranwendungen. Auch das Element Wolfram erhöht, zumeist durch Bildung von carbidischen Strukturen, die Warmfestigkeit und Verschleißbeständigkeit des Materials und trägt zu dessen Zähigkeit bei. Insbesondere durch Kombination von Wolfram mit Chrom und/oder Molybdän kann die Korrosionsbeständigkeit des Materials in sauren Medien, sowie die Heißkorrosionsperformance deutlich verbessert werden. Die Verwendung von Chrom bewirkt dabei eine Erhöhung der Warm-Zugfestigkeit und Zunderbeständigkeit des Materials. Chrom ist zudem ein starker Carbidbildner, so dass somit auch die Verschleißeigenschaften des Materials, und damit des erfindungsgemäßen Bauteils, optimiert werden. Die Verwendung des Elements Chrom in der Eisenbasislegierung, aus der das erfindungsgemäße Bauteil für Turboladeranwendungen gebildet ist, hat noch einen weiteren Vorteil: durch Einwirkung hoher Abgastemperaturen auf das Bauteil bildet das Chrom eine Cr2O3-Deckschicht, also eine oxidische Deckschicht auf dem Bauteil, die die Beständigkeit des Bauteils gegenüber Gleitreibung und Reibverschleiß unter Temperaturbelastung effizient fördert. Die Verwendung von Mangan wirkt desoxidierend. Es bildet den Gammabereich der Eisenbasislegierung weiter aus und erhöht die Streckgrenze und Zugfestigkeit des Materials. Darüber hinaus fördert Mangan die Verschleißfestigkeit des Bauteils insbesondere bei hohen Arbeitstemperaturen. Vanadium verfeinert das Primärkorn der Eisenbasislegierung bei deren Herstellung und verfeinert damit dessen Gußstruktur. Dadurch wird eine hohe Korn-Verfeinerung erzielt, die die Homogenität der Eisenbasislegierung fördert und seine höhere dynamische Flächenpressung des Materials zulässt. In der Eisenbasislegierung, die das erfindungsgemäße Bauteil bildet, wirkt das Element Niob als Carbidbildner und fördert damit die Carbidstruktur im Korn und an den Korngrenzen der Eisenbasislegierung. Auch werden dadurch die Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit des Materials, und damit auch des erfindungsgemäßen Bauteils für Turboladeranwendungen, erhöht. Niob unterstützt ferner die Ferritbildung und verringert den Gammabereich der Eisenbasislegierung und kann damit regulierend eingesetzt werden. Silizium fördert die Gießbarkeit der Eisenbasislegierung, indem es die Viskosität der Schmelze beim Gießen reduziert. Zudem fördert Silizium in dem erfindungsgemäßen Material die Desoxidation, so dass durch Zulegieren dieses Elements die Beständigkeit gegen Heißkorrosion entscheidend verbessert wird. Somit können durch geeignete Wahl und Kombination der Elemente die Eigenschaften der Eisenbasislegierung gezielt gesteuert werden, so dass das erfindungsgemäße Bauteil für Turboladeranwendungen und damit auch des erfindungsgemäßen Abgasturboladers, ein besonders ausgewogenes Eigenschaftsprofil aufweisen. Weitere Elemente, sowie Verbindungen, können in die Eisenbasislegierung eingefügt werden.The element carbon serves mainly to form the carbide structure according to the invention, ie the carbide precipitation phases and thus improves the strength of the material and the heat resistance thereof, and thus the component according to the invention for turbocharger applications. Also, the element tungsten increases, mostly by formation of carbidischen structures, the heat resistance and wear resistance of the material and contributes to its toughness. In particular, by combining tungsten with chromium and / or molybdenum, the corrosion resistance of the material in acidic media, as well as the hot corrosion performance can be significantly improved. The use of chromium thereby causes an increase in the hot tensile strength and scale resistance of the material. Chromium is also a strong carbide former, so that thus the wear properties of the material, and thus of the component according to the invention, are optimized. The use of the element chromium in the iron-based alloy, from which the component according to the invention is formed for turbocharger applications, has a further advantage: by the effect of high exhaust gas temperatures on the component, the chromium forms a Cr 2 O 3 cover layer, ie an oxidic cover layer on the component which efficiently promotes the resistance of the component to sliding friction and fretting under temperature stress. The use of manganese acts deoxidizing. It further forms the gamma region of the iron-base alloy and increases the yield strength and tensile strength of the material. In addition, manganese promotes the wear resistance of the component, especially at high operating temperatures. Vanadium refines the primary grain of the iron-based alloy during its production and thereby refines its cast structure. This achieves a high grain refinement which promotes the homogeneity of the iron-based alloy and permits its higher dynamic surface pressure of the material. In the iron-base alloy constituting the component of the present invention, the element niobium acts as a carbide former, thereby promoting the carbide structure in the grain and at the grain boundaries of the iron-base alloy. This also increases the heat resistance and creep strength of the material, and thus also the component according to the invention for turbocharger applications. Further, niobium promotes ferrite formation and reduces the gamma region of the iron-base alloy and can thus be used in a regulating manner. Silicon promotes the castability of the iron-based alloy by reducing the viscosity of the melt during casting. In addition, silicon in the material according to the invention promotes deoxidation, so that by adding this element, the resistance to hot corrosion is decisively improved. Thus, by suitable choice and combination of the elements, the properties of the iron-based alloy can be selectively controlled so that the component according to the invention for turbocharger applications and thus also of the exhaust gas turbocharger according to the invention, have a particularly balanced property profile. Other elements, as well as compounds, can be incorporated into the iron-based alloy.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Bauteil für Turboladeranwendungen dadurch aus, dass es im Wesentlichen die Elemente Kohlenstoff (C) mit 0,1 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere mit 0,25 bis 0,4 Gew.-%, Chrom (Cr) mit 15 bis 22 Gew.-%, insbesondere mit 18 bis 20 Gew.-%, Mangan (Mn) mit maximal 1,3 Gew.-%, insbesondere mit maximal 1 Gew.-%, Silizium (Si) mit 0,8 bis 2,1 Gew.-%, insbesondere mit 1 bis 1,8 Gew.-%, Niob (Nb) mit 0,4 bis 1,3 Gew.-%, insbesondere mit 0,6 bis 1,1 Gew.-%, Titan (Ti) mit 0,2 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere mit 0,3 bis 0,5 Gew.-%, Wolfram (W) mit 1,8 bis 3,0 Gew.-%, insbesondere mit 2 bis 2,7 Gew.-%, Vanadium (V) mit 0,3 bis 1,0 Gew.-%, insbesondere mit 0,5 bis 0,8 Gew.-%, Stickstoff (N) mit maximal 3 Gew.-%, insbesondere mit maximal 2 Gew.-% und Eisen (Fe) als Rest, enthält. Die jeweiligen Mengenangaben beziehen sich dabei auf das Gesamtgewicht der Eisenbasislegierung, aus der das erfindungsgemäße Bauteil gebildet ist. Wie bereits ausgeführt ist die Anwesenheit der genannten Elemente so zu verstehen, dass sie sowohl elementar als auch in Form einer ihrer Verbindungen in der Eisenbasislegierung, und damit in dem erfindungsgemäßen Bauteil für Turboladeranwendungen, vorliegen können. In dieser Ausführungsform sind in dem erfindungsgemäßen Bauteil im Wesentlichen die oben genannten Elemente in den angegebenen Mengen enthalten. Dies bedeutet, dass unvermeidbare Verunreinigungen vorhanden sein können, die aber vorzugsweise weniger als 2 Gew.-% und insbesondere weniger als 1 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Eisenbasislegierung ausmachen. Die unvermeidbaren Rückstände oder Verunreinigungen enthalten dabei beispielsweise Aluminium (Al), Nickel (Ni), Zirkonium (Zr), Cer (Ce), Bor (B), Phosphor (P) und Schwefel (S). Die Mengen der einzelnen Elemente können dabei mittels herkömmlicher elementaranalytischer Methoden direkt in dem erfindungsgemäßen Bauteil nachgewiesen werden. According to a further embodiment, the component according to the invention for turbocharger applications is characterized in that it essentially contains the elements carbon (C) at 0.1 to 0.5 wt.%, In particular at 0.25 to 0.4 wt. , Chromium (Cr) with 15 to 22 wt .-%, in particular with 18 to 20 wt .-%, manganese (Mn) with a maximum of 1.3 wt .-%, in particular with at most 1 wt .-%, silicon (Si ) with 0.8 to 2.1 wt .-%, in particular with 1 to 1.8 wt .-%, niobium (Nb) with 0.4 to 1.3 wt .-%, in particular with 0.6 to 1 , 1 wt .-%, titanium (Ti) with 0.2 to 0.6 wt .-%, in particular with 0.3 to 0.5 wt .-%, tungsten (W) with 1.8 to 3.0 % By weight, in particular with 2 to 2.7% by weight, vanadium (V) with 0.3 to 1.0% by weight, in particular with 0.5 to 0.8% by weight, of nitrogen ( N) with a maximum of 3 wt .-%, in particular with a maximum of 2 wt .-% and iron (Fe) as the remainder. The respective amounts are based on the total weight of the iron-based alloy from which the component according to the invention is formed. As already stated, the presence of said elements is to be understood as being able to be present both elementally and in the form of one of their compounds in the iron-based alloy, and thus in the component according to the invention for turbocharger applications. In this embodiment, the abovementioned elements are essentially contained in the amounts specified in the component according to the invention. This means that unavoidable impurities may be present, but are preferably less than 2% by weight, and more preferably less than 1% by weight, based on the total weight of the iron-based alloy. The unavoidable residues or impurities thereby include, for example, aluminum (Al), nickel (Ni), zirconium (Zr), cerium (Ce), boron (B), phosphorus (P) and sulfur (S). The amounts of the individual elements can be detected directly by means of conventional elemental analytical methods in the component according to the invention.
Es wurde überraschend gefunden, dass gerade die beschriebene Kombination einen Werkstoff, also eine Eisenbasislegierung, ergibt, die, wenn sie zu einem Bauteil für Turboladeranwendungen verarbeitet wird, diesem ein besonders ausgewogenes Eigenschaftsprofil verleiht. Durch diese erfindungsgemäße Zusammensetzung wird ein Bauteil mit besonders hoher Warmfestigkeit, eine Temperaturbeständigkeit bis zu 900°C und damit Formstabilität bei hoher Temperatur, erhalten, das sich durch überragende Gleiteigenschaften und damit einen besonders geringen Gleitverschleiß auszeichnet. Zudem ist die Korrosionsbeständigkeit sowie Oxidationsbeständigkeit, insbesondere bei hohen Arbeitstemperaturen, wie sie bei Betrieb eines Turboladers auf das entsprechende Bauteil wirken, maximiert.It has surprisingly been found that it is precisely the combination described that produces a material, ie an iron-based alloy, which, when processed into a component for turbocharger applications, gives it a particularly balanced property profile. By means of this composition according to the invention, a component with particularly high hot strength, a temperature resistance of up to 900 ° C. and thus dimensional stability at high temperature is obtained, which is distinguished by outstanding sliding properties and thus a particularly low sliding wear. In addition, the corrosion resistance and oxidation resistance, especially at high operating temperatures, as they act when operating a turbocharger on the corresponding component, maximized.
So weist ein derart hergestellter Werkstoff, aus dem das erfindungsgemäße Bauteil gebildet ist, folgende Eigenschaften auf:
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Bauteil für Turboladeranwendungen im Wesentlichen frei von Sigma-Phasen. Dies gilt insbesondere für den Betrieb des erfindungsgemäßen Bauteils bis 900°C. Dadurch wird effektiv der Versprödung des Materials entgegengewirkt, wodurch die Haltbarkeit des Bauteils erhöht wird. Sigma-Phasen sind spröde, intermetallische Phasen hoher Härte. Sie entstehen, wenn ein kubischraumzentriertes und ein kubischflächenzentriertes Metall aufeinander treffen, deren Atomradien mit nur geringer Abweichung übereinstimmen. Derartige Sigma-Phasen sind aufgrund ihrer versprödenden Wirkung und auch wegen der Eigenschaft der Eisenmatrix Chrom zu entziehen, nicht erwünscht. Die erfindungsgemäße Eisenbasislegierung und damit auch das erfindungsgemäß Bauteil sind im Wesentlichen frei von Sigma-Phasen, so dass die hier beschriebenen unerwünschten Effekte ausbleiben. Die Reduzierung bzw. Vermeidung der Bildung von Sigma-Phasen wird insbesondere durch gezielte Auswahl der Elemente der Eisenbasislegierung gesteuert und insbesondere dadurch erreicht, dass der Siliziumgehalt in dem Legierungsmaterial maximal 2,1 Gew.-% und vorzugsweise maximal 1,8 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Eisenbasislegierung, beträgt.According to another embodiment of the invention, the component is substantially free of sigma phases for turbocharger applications. This applies in particular to the operation of the component according to the invention up to 900 ° C. This effectively counteracts the embrittlement of the material, thereby increasing the durability of the component. Sigma phases are brittle, intermetallic phases of high hardness. They arise when a cubic space-centered and a cubic-surface-centered metal meet whose atomic radii coincide with only slight deviation. Such sigma phases are undesirable because of their embrittling effect and also because of the property of the iron matrix to remove chromium. The iron-based alloy according to the invention and thus also the component according to the invention are essentially free of sigma phases, so that the unwanted effects described here are omitted. The reduction or avoidance of the formation of sigma phases is controlled in particular by targeted selection of the elements of the iron-based alloy and is achieved in particular by the silicon content in the alloying material being not more than 2.1% by weight and preferably not more than 1.8% by weight. , in each case based on the total weight of the iron-based alloy.
Somit wird erfindungsgemäß ein Bauteil für Turboladeranwendungen beschrieben, das sich durch eine ausgezeichnete Verschleißperformance, also eine hohe Gleitverschleißbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen von bis zu 900°C, eine hohe Warmfestigkeit sowie Formstabilität und ferner durch eine exzellente Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Durch diese hervorragenden Eigenschaften ist das erfindungsgemäße Bauteil insbesondere für solche Bauteile für Turboladeranwendungen geeignet, die hohen Temperaturen von bis zu 900°C und/oder hohen Reibungen ausgesetzt sind. Beispielhafte Bauteile umfassen Kinematikkomponenten, Waste-Gate-Komponenten und VTG-Komponenten, und insbesondere VTG-Komponenten sowie Klappenträgerteile.Thus, a component for turbocharger applications is described according to the invention, which is characterized by excellent wear performance, ie a high sliding wear resistance even at high temperatures of up to 900 ° C, high heat resistance and dimensional stability and also by excellent oxidation resistance and corrosion resistance. By this excellent Properties, the component according to the invention is particularly suitable for such components for turbocharger applications that are exposed to high temperatures of up to 900 ° C and / or high friction. Exemplary components include kinematic components, waste gate components and VTG components, and in particular VTG components and flap support members.
Die Herstellung und Verarbeitung der Eisenbasislegierung zu dem erfindungsgemäßen Bauteil für Turboladeranwendungen kann mittels herkömmlicher Verfahren erfolgen. Zur Gewährleistung der Formstabilität kann bei 900°C für etwa 2 Stunden und anschließendes Abkühlen an Luft ein Alterungsglühen durchgeführt werden um Sekundärausscheidungen zu generieren. Das Material kann mittels WIG, Plasma- und EB-Schweißverfahren geschweißt werden.The production and processing of the iron-based alloy into the component according to the invention for turbocharger applications can be carried out by means of conventional methods. To ensure dimensional stability, an aging anneal can be performed at 900 ° C for about 2 hours followed by cooling in air to generate secondary precipitates. The material can be welded by TIG, plasma and EB welding.
Als selbstständig handelbares Objekt definiert Anspruch 7 einen Abgasturbolader, der mindestens ein Bauteil, wie bereits beschrieben, umfasst, das aus einer Eisenbasislegierung mit ferritischer Grundstruktur besteht und eine Carbid- und Nitridstruktur enthält.As an independently tradeable object, claim 7 defines an exhaust gas turbocharger comprising at least one component as already described, which consists of an iron-based alloy with ferritic basic structure and contains a carbide and nitride structure.
Die vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bauteils finden auch Anwendung in den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abgasturboladers.The advantageous embodiments of the component according to the invention are also used in the embodiments of the exhaust gas turbocharger according to the invention.
Um die Bewegung bzw. die Lage der Verstellschaufeln
– Beispiel –- Example -
Sofern nicht anderweitig angegeben, beziehen sich die Mengenangaben der einzelnen Elemente jeweils auf das Gesamtgewicht der Eisenbasislegierung.Unless otherwise indicated, the quantities of each element refer to the total weight of the iron-based alloy.
Aus den nachfolgenden Elementen wurde nach einem gängigen Verfahren eine Eisenbasislegierung hergestellt, aus der mehrere erfindungsgemäße Bauteile für Turboladeranwendungen, nämlich Klappenwelle, Klappenteller und Buchse, gebildet wurden. Die chemische Analyse ergab die nachfolgenden Werte für die Elemente: C: 0,25 bis 0,4 Gew.-%, Cr: 18 bis 20 Gew.-%, Mn: weniger als 1 Gew.-%, Si: 1 bis 1,8 Gew.-%; Nb: 0,6 bis 1,1 Gew.-%, Ti: 0,3 bis 0,5 Gew.-%, W: 2 bis 2,7 Gew.-%, V: 0,5 bis 0,8 Gew.-%, N: ≤ 3 Gew.-%, und Fe als Rest. Daneben wurden in Spuren unvermeidbare Rückstände von Al, Ni, Zr, Ce, B, P und S mit einem Anteil von weniger als 1 Gew.-% gefunden.From the following elements, an iron-based alloy was made by a common method, from which several components of the invention for turbocharger applications, namely damper shaft, flap plate and bushing were formed. The chemical analysis gave the following values for the elements: C: 0.25 to 0.4 wt%, Cr: 18 to 20 wt%, Mn: less than 1 wt%, Si: 1 to 1 , 8% by weight; Nb: 0.6 to 1.1 wt.%, Ti: 0.3 to 0.5 wt.%, W: 2 to 2.7 wt.%, V: 0.5 to 0.8 wt In addition, traces of unavoidable residues of Al, Ni, Zr, Ce, B, P and S were found in trace amounts of less than 1% by weight ,
Die gemäß diesem Beispiel hergestellten Bauteile zeichneten sich durch folgende Eigenschaften aus:
Das Material wurde einer Validierungstestreihe unterworfen, die folgende Tests umfasste:
- – Freibewitterungstest
- – Klimawechseltest
- – Thermoschocktest/Zyklustest-300 h
- – Heißgaskorrosionstest im Spaltofen
- – Strauss-Test nach DIN EN ISO 3651-2
- – Schwingungsreibverschleißprüfung am Tribometer: Buchse/Welle unter Betriebstemperatur (900°C)
- - Natural weathering test
- - Climate change test
- - Thermal shock test / cycle test-300 h
- - Hot gas corrosion test in cracking furnace
- - Strauss test according to DIN EN ISO 3651-2
- - Vibration wear test on the tribometer: bushing / shaft below operating temperature (900 ° C)
Das jeweilige 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/Reibungsverschleiß des Materials unter den angegebenen Bedingungen deutlich vermindert waren, und damit die Beständigkeit des Materials und damit auch des daraus gebildeten Bauteils auch über eine lange Zeit gewährleistet blieb.The respective component was distinguished in all tests by an excellent resistance to the forces acting on. The material thus had extremely high wear resistance and excellent oxidation resistance, so that corrosion or wear / friction wear of the material were significantly reduced under the specified conditions, and thus ensures the durability of the material and thus the component formed therefrom over a long time remained.
Thermozyklustest:Thermal cycle test:
Die erfindungsgemäßen Bauteile (Welle/Buchse) wurden 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.
- 1. using fixed runners;
- 2. 2-ATL operation;
- 3. Duration of the test: 350 h (about 2000 cycles);
- 4. Throughout the experiment, the exhaust flap remains open at the ATL's by 15 °;
- 5. High temperature: rated power point T3 = 750 ° C, mass flow ATL turbine side: 0.5 kg / s;
- 6. Low temperature: T3 = 100 ° C, mass flow ATL turbine side: 0.5 kg / s;
- 7. Cycle time: 2 × 5 min. (10 min.);
- 8. Execution of three intermediate crack tests.
Bei nachfolgendem Lastenkollektiv zeichnete sich das jeweilige erfindungsgemäße Bauteil (Welle/Buchse) durch eine geringe Hochtemperaturoxidation, also eine Oxidationsrate von maximal 40 μm, insbesondere von maximal 35 μm bei einer Bauteiltemperatur von 900°C aus:
Die hier angegebenen Ergebnisse belegen, dass das erfindungsgemäße Bauteil bestens geeignet ist für Turboladeranwendungen in einem Temperaturbereich von bis zu 900°C.The results given here prove that the component according to the invention is best suited for turbocharger applications in a temperature range of up to 900 ° C.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Turboladerturbocharger
- 22
- Turbinengehäuseturbine housing
- 33
- Kompressorgehäusecompressor housing
- 44
- Turbinenrotorturbine rotor
- 55
- Verstellringadjusting
- 66
- SchaufellagerringNozzle ring
- 77
- Verstellschaufelnadjusting blades
- 88th
- Schwenkachsenswiveling axes
- 99
- Zuführkanalfeed
- 1010
- AxialstutzenAxialstutzen
- 1111
- Betätigungseinrichtungactuator
- 1212
- Steuergehäusecontrol housing
- 1313
-
Freiraum für Leitschaufeln
7 Free space for vanes7 - 1414
- Stößelgliedplunger member
- 1515
-
ringförmiger Teil des Turbinengehäuses
2 annular part of theturbine housing 2 - 1616
- Abstandshalter/DistanznockenSpacer / spacer cams
- 1717
- Kompressorrotorcompressor rotor
- 1818
- Leitgitterguide grid
- 2828
- Lagergehäusebearing housing
- RR
- Rotationsachseaxis of rotation
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