EP2239349A1 - Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse aus einer FeAl-Stahllegierung - Google Patents
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- EP2239349A1 EP2239349A1 EP09005267A EP09005267A EP2239349A1 EP 2239349 A1 EP2239349 A1 EP 2239349A1 EP 09005267 A EP09005267 A EP 09005267A EP 09005267 A EP09005267 A EP 09005267A EP 2239349 A1 EP2239349 A1 EP 2239349A1
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
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- C22C37/00—Cast-iron alloys
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- F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
- F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
- F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
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- F01N2530/00—Selection of materials for tubes, chambers or housings
- F01N2530/06—Aluminium or alloys thereof
Definitions
- the invention relates to an exhaust manifold or a turbocharger housing made of a FeAl steel alloy and the use of FeAl steel alloy for the production of exhaust manifolds or turbocharger housings.
- the exhaust manifold is a component of the exhaust system of internal combustion engines. Screwed directly to the engine, the manifold directs the exhaust into the exhaust.
- the manifold has its name from its usually curved design, since this must divert the exhaust gases from the mostly horizontal engine openings in the downstairs exhaust system. Alloyed cast iron is often used as the material, which meets the high temperatures of the exhaust gases (over 900 ° C). Alternatively, built-in manifolds made of stainless steel are used.
- a challenge in the development of elbows is the consideration of the temperature expansion and the associated stress distribution in the manifold. These voltages are usually so great that they destroy the manifold after a finite number of heating-cooling cycles. Nevertheless, today manifolds are developed that survive several thousand such cycles, which corresponds to a distance of several hundred thousand kilometers.
- the manifold of two-stroke engines ensures that an exhaust gas pressure can build up in the engine. In four-stroke engines, however, it serves as a pure transition.
- a turbocharger serves to increase the performance of piston engines by increasing the mixture throughput per stroke.
- a turbocharger consists of an exhaust gas turbine in the exhaust gas flow, which is connected via a shaft to a compressor in the intake tract. The turbine is set in rotation by the exhaust gas flow of the engine and thus drives the compressor. The compressor increases the pressure in the intake tract of the engine, so that during the intake stroke, a larger amount of air enters the cylinder as in a naturally aspirated engine.
- the said components of the turbocharger are comprised of a housing that communicates directly with the engine and supplies the exhaust gas to the turbine.
- Other types of turbochargers include biturbo and twin turbo, sequential biturbo, Register charging and multi-stage charging as well as turbo compounds.
- a common feature of the aforementioned embodiments of turbochargers for the purposes of the invention is that they all comprise a housing section which serves to guide the hot exhaust gas.
- the FeAl steel alloy used in the present invention is characterized, inter alia, by having a density in the range of 6.3 to 6.5 g / cm 3 , whereas conventional cast steels are about 7.1 to 7.4 g / cm 3 .
- the FeAl steel alloys according to the invention also show a lower thermal conductivity (9 to 18 W / m * K at 100 to 800 ° C) than conventional steels and cast iron (about 30 to 70 W / m * K at 50 to 600 ° C). In addition, they have a significantly higher strength at application temperatures, in particular at temperatures above 500 ° C, than conventional steels same use. FeAl steel alloys also show no scaling up to 1100 ° C and therefore have improved oxidation resistance compared to conventional steels. Overall, the use of FeAl steel grades can reduce exhaust heat loss and component weight, and increase strength and oxidation resistance under operating conditions.
- the proportion of Al in the FeAl steel alloy is preferably 15 to 17% by weight, in particular 16% by weight, since the Fe 3 Al phases which are particularly suitable for the purposes according to the invention are present to a considerable extent in the steel.
- the proportion of B in the FeAl steel alloy is 10 to 100 ppm. Particularly preferred is a combination of said preferred proportions for B and Al.
- the proportion of the elements of group C, Ti, Zr, Si and V is at most 5 wt.%, Wherein the proportion by weight of individual elements in the alloy is at most 1 wt.%.
- a combination with the said preferred proportions for B and / or Al is particularly preferred.
- the mentioned preferred FeAl steel alloys have a high mechanical strength, especially at high temperatures, coupled with excellent oxidation resistance.
- the FeAl steel alloys mentioned are particularly suitable for use in the production of exhaust manifolds or turbocharger housings for internal combustion engines. These uses represent a further aspect of the invention.
- the production of the steel alloy used according to the invention can be carried out by casting.
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer oder ein Turboladergehäuse aus einer FeAl-Stahllegierung und die Verwendung der FeAl-Stahllegierung zur Herstellung von Abgaskrümmern oder Turboladergehäusen. Die erfindungsgemäßen Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse für Verbrennungskraftmaschinen bestehen ganz oder in Teilen aus einer FeAl-Stahllegierung der Zusammensetzung:
(i) 8 - 23 Gew.% Al;
(ii) 0 - 5 Gew.% Cr;
(iii) 0-10 Gew.% ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V, wobei ein Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 2 Gew.% beträgt;
(iv) 0 bis 200 ppm B;
(v) 0-5 Gew.% Nb;
wobei Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen den auf 100 Gew.% verbleibenden Restanteil an der Legierung einnehmen.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer oder ein Turboladergehäuse aus einer FeAl-Stahllegierung und die Verwendung der FeAl-Stahllegierung zur Herstellung von Abgaskrümmern oder Turboladergehäusen.
- Der Abgaskrümmer ist ein Bauteil der Abgasanlage von Verbrennungsmotoren. Direkt an den Motor angeschraubt, leitet der Krümmer die Abgase in den Auspuff. Seinen Namen hat der Krümmer von seiner üblicherweise gekrümmten Bauform, da dieser die Abgase von den meistens waagerechten Motoröffnungen in den unten liegenden Abgasstrang umleiten muss. Als Material wird oftmals legiertes Gusseisen verwendet, das den hohen Temperaturen der Abgase (über 900 °C) gerecht wird. Alternativ werden auch gebaute Krümmer aus Edelstahl eingesetzt.
- Eine Herausforderung bei der Entwicklung von Krümmern ist die Berücksichtigung der Temperaturausdehnung und der damit verbundenen Spannungsverteilung im Krümmer. Diese Spannungen sind in der Regel so groß, dass sie nach endlich vielen Aufheiz-Abkühlzyklen den Krümmer zerstören. Trotzdem werden heute Krümmer entwickelt, die mehrere tausend solcher Zyklen überstehen, was einer Fahrstrecke von mehreren hunderttausend Kilometer entspricht. Zusätzlich sorgt der Krümmer bei Zweitaktmotoren dafür, dass sich ein Abgasdruck im Motor aufbauen kann. Bei Viertaktmotoren dient er dagegen als reine Überleitung.
- Ein Turbolader (auch Abgasturbolader) dient der Leistungssteigerung von Kolbenmotoren durch Erhöhung des Gemischdurchsatzes pro Arbeitstakt. Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom, die über eine Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt des Motors, so dass während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in den Zylinder gelangt als bei einem Saugmotor. Die genannten Komponenten des Turboladers werden von einem Gehäuse umfasst, das direkt mit dem Motor in Verbindung steht und das Abgas der Turbine zuführt. Weitere Bauarten von Turboladern umfassen Biturbo und Twin Turbo, sequentielle Biturbo, Registeraufladung und mehrstufige Aufladung sowie Turbocompounds. Eine für die Zwecke der Erfindung wesentliche Gemeinsamkeit der genannten Ausführungsformen von Turboladern ist, dass sie alle einen Gehäuseabschnitt umfassen, der zur Führung des heißen Abgases dient.
- Die hohe Wärmeleitfähigkeit der bisher verwendeten Werkstoffe sowohl für Abgaskrümmer als auch die Gehäuse von Turboladern lassen die Abgastemperaturen zu Rasch absinken, was die Abgaswerte verschlechtert beziehungsweise zu erhöhten Schadstoffemissionen führt. Es besteht daher ein Bedürfnis nach Werkstoffen, die sich den besonderen Anforderungen im Bereich der Abgaskrümmer und Turboladergehäuse stellen, aber gegenüber herkömmlichen Werkstoffen einen Gewichtsvorteil bringen und/oder eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit besitzen.
- Ein Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung von Abgaskrümmern oder Turboladergehäusen für Verbrennungskraftmaschinen, die ganz oder in Teilen aus einer FeAl-Stahllegierung der folgenden Zusammensetzung bestehen:
- (i) 8 - 23 Gew.% Al;
- (ii) 0 - 5 Gew.% Cr;
- (iii) 0 - 10 Gew.% ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V, wobei ein Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 2 Gew.% beträgt;
- (iv) 0 bis 200 ppm B;
- (v) 0 - 5 Gew.% Nb;
- Die erfindungsgemäß verwendete FeAl-Stahliegierung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass sie eine Dichte im Bereich von 6,3 bis 6,5 g/cm3 besitzt, wohingegen konventionelle Gussstähle bei etwa 7,1 bis 7.4 g/cm3 liegen. Die erfindungsgemäßen FeAl-Stahllegierungen zeigen ferner eine geringere Wärmeleitfähigkeit (9 bis 18 W/m*K bei 100 bis 800°C) als konventionelle Stähle und Gusseisen (ca. 30 bis 70 W/m*K bei 50 bis 600°C). Außerdem weisen sie eine deutlich höhere Festigkeit bei Anwendungstemperaturen, insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 500 °C, als konventionelle Stähle gleicher Verwendung auf. FeAl-Stahllegierungen zeigen zudem bis 1100°C keinerlei Verzunderung und besitzen demnach eine im Vergleich zu konventionellen Stählen verbesserte Oxidationsbeständigkeit. Insgesamt kann durch den Einsatz von FeAl-Stahliegierungen der Abgaswärmeverlust und das Bauteilgewicht reduziert sowie die Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit unter Betriebsbedingung erhöht werden.
- Vorzugsweise liegt der Anteil von Al an der FeAl-Stahllegierung bei 15 bis 17 Gew.%, insbesondere bei 16 Gew.%, da hier im Stahl die für die erfindungsgemäßen Zwecke besonders geeigneten Fe3Al-Phasen in erheblichem Umfang vorliegen.
- Weiterhin ist bevorzugt, wenn der Anteil von B an der FeAl-Stahllegierung bei 10 bis 100 ppm liegt. Insbesondere bevorzugt ist eine Kombination der genannten bevorzugten Anteile für B und Al.
- Schließlich beträgt der Anteil der Elemente der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V maximal 5 Gew.%, wobei der Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 1 Gew.% beträgt. Eine Kombination mit den genannten bevorzugten Anteilen für B und/oder Al ist besonders bevorzugt.
- Die genannten bevorzugten FeAl-Stahllegierungen weisen eine hohe mechanische Festigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, gepaart mit einer exzellenten Oxidationsbeständigkeit auf.
- Aufgrund der chemischen und mechanischen Eigenschaften eignen sich die genannten FeAl-Stahllegierungen besonders für die Verwendung zur Herstellung von Abgaskrümmern oder Turboladergehäusen für Verbrennungskraftmaschinen. Diese Verwendungen stellen einen weiteren Aspekt der Erfindung dar.
- Die Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Stahllegierung kann durch Gießen erfolgen.
Claims (10)
- Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse für Verbrennungskraftmaschinen, bestehend ganz oder in Teilen aus einer FeAl-Stahllegierung der Zusammensetzung(i) 8 - 23 Gew.% Al;(ii) 0 - 5 Gew.% Cr;(iii) 0 -10 Gew.% ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V, wobei ein Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 2 Gew.% beträgt;(iv) 0 bis 200 ppm B;(v) 0 - 5 Gew.% Nb;
wobei Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen den auf 100 Gew.% verbleibenden Restanteil an der Legierung einnehmen. - Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil von Al an der FeAl-Stahilegierung bei 15 bis 17 Gew.% liegt. - Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil von Al an der FeAl-Stahllegierung bei 16 Gew.% liegt. - Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil von B an der FeAl-Stahllegierung bei 10 bis 100 ppm liegt. - Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil der Elemente der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V bei maximal 5 Gew.% liegt, wobei der Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 1 Gew.% beträgt. - Verwendung einer FeAl-Stahllegierung der Zusammensetzung(i) 8 - 23 Gew.% Al;(ii) 0 - 5 Gew.% Cr;(iii) 0 - 10 Gew.% ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V, wobei ein Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 2 Gew.% beträgt;(iv) 0 bis 200 ppm B;(v) 0 - 5 Gew.% Nb;
wobei Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen den auf 100 Gew.% verbleibenden Restanteil an der Legierung einnehmen, zur Herstellung von Abgaskrümmern oder Turboladergehäusen für Verbrennungskraftmaschinen. - Verwendung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil von Al an der FeAl-Stahllegierung bei 15 bis 17 Gew.% liegt. - Verwendung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil von Al an der FeAl-Stahllegierung bei 16 Gew.% liegt. - Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil von B an der FeAl-Stahllegierung bei 10 bis 100 ppm liegt. - Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil der Elemente der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V bei maximal 5 Gew.% liegt, wobei der Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 1 Gew.% beträgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP09005267A EP2239349A1 (de) | 2009-04-10 | 2009-04-10 | Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse aus einer FeAl-Stahllegierung |
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EP09005267A EP2239349A1 (de) | 2009-04-10 | 2009-04-10 | Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse aus einer FeAl-Stahllegierung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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EP2239349A1 true EP2239349A1 (de) | 2010-10-13 |
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EP09005267A Withdrawn EP2239349A1 (de) | 2009-04-10 | 2009-04-10 | Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse aus einer FeAl-Stahllegierung |
Country Status (1)
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0652297A1 (de) * | 1993-11-08 | 1995-05-10 | ABB Management AG | Eisen- Aluminium-Legierung und Verwendung dieser Legierung |
US6436339B1 (en) * | 1999-12-14 | 2002-08-20 | Philip J. Maziasz | Cast B2-phase iron-aluminum alloys with improved fluidity |
-
2009
- 2009-04-10 EP EP09005267A patent/EP2239349A1/de not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
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---|---|---|---|---|
EP0652297A1 (de) * | 1993-11-08 | 1995-05-10 | ABB Management AG | Eisen- Aluminium-Legierung und Verwendung dieser Legierung |
US6436339B1 (en) * | 1999-12-14 | 2002-08-20 | Philip J. Maziasz | Cast B2-phase iron-aluminum alloys with improved fluidity |
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