JP2013064201A

JP2013064201A - ノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイド

Info

Publication number: JP2013064201A
Application number: JP2012269408A
Authority: JP
Inventors: Sadayuki Nakamura; 定幸中村; Manabu Oku; 学奥; Yoshiaki Hori; 芳明堀
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2013-04-11

Abstract

【課題】
ドライブリング、ドライブレバー、ノズルリングおよびノズルバーンのいずれにも適用可能なフェライト系耐熱ステンレス鋼を提供するものである。
【解決手段】
ノズルベーン式のターボチャージャーを構成する材料のうち、少なくとも一部が質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：０．２〜３．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｃｒ：１２．０〜２０．０％、Ｎｂ：０．８％以下、Ｎ：０．０４％以下を含有し、かつ
Ｎｂ−８（Ｃ＋Ｎ）≧０．１０（1)
Ｃｒ＋Ｓｉ＋Ｍｎ≧１４．０ (2)
の各式を満足するようにこれらの成分を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼で作成されているノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイド。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイドアッセンブリ材料に関する。

従来のウェストゲイト式のターボチャージャーはエンジンの出力改善を主体としていたが、近年開発されたノズルベーン式ターボチャージャーは、出力改善もさることながら、排気ガスのクリーン化にも寄与するため、特にディーゼルエンジンに搭載されるようになった。

ノズルベーン式のターボチャージャーの排気ガイドアッセンブリは、主にステンレス鋼が使用されているが、個々の部品によって要求特性が異なる。
図１に代表的なノズルベーン式のターボチャージャーの排気ガイドアッセンブリを示す。各部品は以下の特性が要求される。
１ドライブリング、２ドライブレバー：
排気圧をコントロールするために、アクチュエータと連動してノズルベーンの開度を制度よく調節させる。使用環境は温度が６００℃程度に上昇するため、高温強度および耐高温酸化性が重要となる。
３ノズルリング―１、５ノズルリング―２：
排気ガスの誘導を兼ね、約８００℃の高温化にさらされるため、高温強度と耐酸化性が要求される。
４ノズルベーン：
排気ガス経路の断面積をコントロールし、タービンの回転数を制御するため、約８００℃の排気ガス温度にさらされる。このため、排気ガスの脈動圧力に耐えられるための高温強度および高温化でスムーズに稼動するための耐高温酸化性が要求される。

これらの要求特性から、一般的にはいずれの部品もＳＵＳ３１０Ｓに代表されるオーステナイト系耐熱ステンレス鋼が用いられる。しかし、オーステナイト系ステンレス鋼は熱膨張係数が大きいため、加熱―冷却を繰り返し受ける部位をスムーズに稼動させるために使用環境を想定した寸法管理が求められる。また、オーステナイト系ステンレス鋼を加熱―冷却すると、高温で生成した酸化スケールとの間の熱膨張差が大きいため、冷却時に酸化スケールの剥離現象が顕著となり寸法制度の悪化が懸念される。このため、特開２００２−３３２８６２に開示されるような高合金や、特開平６−１０１１４に開示されるようなクロマイジング処理（表面にＣｒを拡散浸透させる処理）などを施して高温強度と耐酸化性および耐熱性を両立させているのが現状である。
オーステナイト系耐熱鋼はＮｉなどを多量に含有するため、フェライト系ステンレス鋼に比べて大幅なコストアップとなり、さらには、クロマイジング処理などの表面処理を施すことにより著しいコスト上昇を招いている。
特開２００２−３３２８６２特開平６−１０１１４

本発明は、ドライブリング、ドライブレバー、ノズルリングおよびノズルバーンのいずれにも適用可能なフェライト系耐熱ステンレス鋼を提供するものである。

本発明は、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：０．２〜３．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｃｒ：１２．０〜２０．０％、Ｎｂ：０．８％以下、Ｎ：０．０４％以下を含有し、かつ
Ｎｂ−８（Ｃ＋Ｎ）≧ ０．１０（1)
Ｃｒ＋Ｓｉ＋Ｍｎ ≧ １４．０ (2)
の各式を満足するようにこれらの成分を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼で作成されていることを特徴とする、ノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイドである。
さらにＴｉ，Ｚｒ，ＡｌおよびＶの１種又は２種を合計で０．０５〜０．８％、Ｍｏ，Ｃｕ，およびＷの１種又は２種を合計で０．０５〜４．０％、Ｎｉ，Ｃｏの１種又は２種を合計で０．５〜５．０％、ＲＥＭおよびＣａの１種又は２種以上を合計で０．０１〜０．２％を含有させることもできる。
なお、本発明で言う「排気ガイド」とは、ノズルベーン式ターボチャージャーのドライブリング、ドライブレバー、ノズルリングまたはノズルベーンのいずれかを構成するものである。

本発明によれば、コストアップに繋がるクロマイジング処理を行うことなく、高温強度と耐高温酸化性、使用中の寸法変化の少ないノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイドが得られる。

ノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイドアッセンブリとして要求される材料特性のうち、熱膨張係数を小さく抑えるためにはフェライト系ステンレス鋼を適用することが好ましい。そこで、要求特性を満足するべく種々の実験を行った。フェライト系ステンレス鋼はＣｒ含有量が多くなるにしたがって高温酸化特性が向上するが、高Ｃｒになるにしたがって加工性が低下する。そこで、低Ｃｒ鋼の高温酸化特性を改善すべく実験を重ねた結果、低Ｃｒ鋼においてもＳｉおよびＭｎを複合添加し、Ｃｒとの合計で１４質量％以上とすることで高温酸化特性を維持できるとともに、高温での摺動性も確保できることが明らかとなった。

一方、高温強度に関して、フェライト系ステンレス鋼の高温強度を改善すべく種々の実験を行った。低ＣｒのＳｉおよびＭｎ複合添加鋼においてＮｂを添加すると高温強度を著しく改善するとともに、高温での耐摩耗性も確保できることが明らかとなった。その必要量（いずれも質量％）は、
Ｎｂ−８（Ｃ＋Ｎ） (1)
の式において、０．１０以上が必要であることを見出した。この理由は、Ｎｂの炭窒化物の分散も高温強度および耐高温磨耗性に有効ではあるが、さらに固溶Ｎｂの量が０．１質量％以上が必要であることによる。

また、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｗ，ＮｉおよびＣｏの添加についても、各元素の固溶量にしたがって高温強度を上昇させることが明らかとなった。さらに、Ａｌ，ＲＥＭおよびＣａについても、高温酸化性を改善するとともに、高温での摺動性も確保できることを明らかにし、本発明に至った。
以下本発明における限定理由を詳細に述べる。

Ｃ：０．０８％以下
Ｃはフェライト系ステンレス鋼において高温強度を上昇させるが、Ｎｂとの複合添加においては、Ｎｂ炭化物を生成しＮｂ固溶量を低下させ、逆に高温強度を低下させる。したがって、０．０８％以下とする。
Ｓｉ：０．２〜３．０％
本発明において重要な元素であり、添加するにしたがって高温酸化特性を改善させる。しかし、過剰な添加はフェライト相を硬質化させ、加工性を悪化させる。したがって、０．２〜３．０％とする。

Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｍｎも本特許において重要な元素であり、Ｓｉと同様に添加することで高温酸化特性、特に耐スケール剥離性を改善させる。しかし、過剰に添加すると高温でオーステナイト相の生成を助長するため、０．２〜２．０％とする。
Ｃｒ：１２．０〜２０．０％
Ｃｒは高温における耐酸化特性を安定させる。しかし、過剰に添加すると製造性及び加工性を阻害する。したがって、本発明では１２．０〜２０．０％とする。
さらに、Ｃｒと共にＳｉおよびＭｎを複合添加することでさらに高温酸化特性が改善される。その範囲は、Ｃｒ，Ｓｉ, Ｍｎの合計で１４以上である。

Ｎｂ：０．８％以下およびＮｂ−８（Ｃ＋Ｎ）≧０．１０
Ｎｂも本発明において重要な元素であり、ＣやＮを炭窒化物として固定し、鋼中に微細分散析出することで高温強度を上昇させるとともに、炭窒化物を生成しなかったＮｂは固溶して固溶強化を起こすことにより高温強度を上昇させる効果があるため、下限はＮｂ−８（Ｃ＋Ｎ）≧０．１（いずれも質量％）とする。しかし、過剰の添加は熱間加工性や表面品質特性を阻害するので、Ｎｂ含有量の上限は０．８％とする。

Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｖ：１種又は２種以上の合計で０．０５〜０．８％
Ｔｉ，ＺｒおよびＶはＣやＮを炭窒化物として固定し、鋼中に微細分散析出することで高温強度を上昇させる。また、Ａｌは高温酸化特性を改善する。しかし、何れも過剰に添加すると熱間加工性や表面品質特性を阻害する。したがって、１種又は２種以上の合計で０．０５〜０．８％とする。
Ｍｏ，Ｃｕ，Ｗ：１種又は２種の合計で０．５〜５．０％
Ｍｏ，ＣｕおよびＷも高温強度を改善する。しかし、過剰な添加は熱間加工性を阻害するため、１種又は２種の合計で０．５〜５．０％とする。

ＲＥＭ，Ｃａ：１種又は２種以上の合計で０．０１〜０．２％
ＲＥＭおよびＣａはＡｌと同様に高温の耐酸化性を向上させる。しかし、過剰に添加すると低温靭性などの低下により製造性が悪化する。したがって、１種又は２種以上の合計で０．０１〜０．２％とする。

これら以外の残部は実質的にＦｅで構成すればよいが、一般にステンレス鋼への混入が許容される元素として以下のようなものを挙げることができる。許容範囲も併せて示す。
Ｐ：０.０４％以下、Ｓ：０.０３％以下好ましくは０.００５％以下、Ｎｉ：０.６％以下好ましくは０.２５質量％以下。

表1に本発明例および比較例における供試鋼の化学成分およびＮｂ−８(Ｃ+Ｎ)、Ｃｒ＋Ｍｎ＋Ｓｉ他の計算値を示す。これらの鋼は、３０ｋｇの真空溶解で溶製した。得られた鋼魂はφ１５ｍｍの丸棒および３０ｍｍｔの板に鍛造し、丸棒は８００〜１１００℃の溶体化処理を施した。板は熱間圧延で４ｍｍｔの熱延板とし、焼鈍後、１．５ｍｍｔまでの冷間圧延と８００〜１１００℃の最終焼鈍を施して冷延焼鈍板とした。

得られた丸棒は、５ｍｍ角×５０ｍｍ長さの熱膨張測定用試験片に加工後、室温から７００℃までの平均熱膨張係数を求めた。また、平行部φ１０ｍｍの高温引張り試験片に加工後、ＪＩＳＧ０５６に準拠した７００℃の高温引張り試験を実施し、０．２％耐力を測定した。

一方、冷延焼鈍板は、高温酸化試験は全面を＃４００研磨し、大気＋６０℃飽和水蒸気の雰囲気において９００℃で２５分加熱―室温で１０分冷却を１０００サイクル施し、試験前と試験後の質量変化を表面積で除した。また、高温摺動性は１０ｍｍ×２０ｍｍの試験片に加工後、表面に＃６００研磨を施し、７００℃に加熱後０．１Ｎ/ｍｍ^２の圧力をかけ、ストロークを１ｍｍ、速度を１ｍｍ／秒の摺動を1万回実施し、試験後の摺動面の粗さを測定した。粗さは、Ｒａで評価し、０．５μｍ未満をＡ、０．５〜１．０μｍをＢ、１．０μｍを超えるものをＣとして判定した。

これらの評価結果を表２に示す。Ｂ１は熱膨張係数が小さいものの、Ｎｂ−８（Ｃ＋Ｎ）の値が０．１未満であるため高温強度が低く、Ｃｒ＋Ｓｉ＋Ｍｎの値が１４未満のため高温酸化特性および高温摺動性が劣る。また、Ｂ２もＮｂが添加されていないため高温強度が低く、高温酸化特性および高温摺動性も劣ることがわかる。さらに、Ｂ３〜Ｂ５はオーステナイト系のため高温強度は高いものの熱膨張係数が高く、Ｂ３およびＢ５は高温酸化特性および高温摺動性も劣る。

一方、発明鋼のＡ１〜Ａ１０鋼は、熱膨張係数が小さく、Ｎｂ−８（Ｃ＋Ｎ）の値が０．１以上であるため高温強度も高く、さらに、Ｃｒ＋Ｓｉ＋Ｍｎの値が１４以上のため高温酸化特性および高温摺動性が優れることがわかる。

本発明によれば、ドライブリング、ドライブレバー、ノズルリングおよびノズルベーンのいずれも適用可能なフェライト系耐熱ステンレス鋼を提供するものである。

ノズルベーン式ターボチャージャーの構成を示す図である。

１ドライブリング
２ドライブレバー
３ノズルリング―１
４ノズルベーン
５ノズルリング―２

Claims

ノズルベーン式により排気ガイドの過給量を自在に調整するためのノズルベーン式ターボチャージャーであって、ターボチャージャーを構成する材料のうち、少なくとも一部が質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：０．２〜３．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｃｒ：１２．０〜２０．０％、Ｎｂ：０．８％以下、Ｎ：０．０４％以下を含有し、かつ
Ｎｂ−８（Ｃ＋Ｎ）≧ ０．１０ (1)
Ｃｒ＋Ｓｉ＋Ｍｎ ≧ １４．０ (2)
の各式を満足するようにこれらの成分を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼で作成されていることを特徴とする、ノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイド。
さらにＴｉ，Ｚｒ，ＡｌおよびＶの１種又は２種を合計で０．０５〜０．８％を含有していることを特徴とする、請求項１に記載のノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイド。
さらにＭｏ，Ｃｕ，およびＷの１種又は２種を合計で０．０５〜４．０質量％含有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載のノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイド。
さらにＮｉ，Ｃｏの１種又は２種を合計で０．５〜５．０％含有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイド。
さらにＲＥＭおよびＣａの１種又は２種以上を合計で０．０１〜０．２％を含有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイド。
当該部材はドライブリング、ドライブレバー、ノズルリングまたはノズルベーンのいずれかを構成するものである、請求項１〜５に記載のノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイド。