JPWO2008133320A1 - ノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイド部品 - Google Patents

Abstract

タービンへ流れる排気の速度をエンジン回転数に応じて変化させるためのノズルベーンを備えたターボチャージャーにおいて、前記のノズルベーンを構成するための部品であって且つ該タービンに排気を導くための排気ガイドを構成している部品が、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：８．０〜１６．０％、Ｃｒ：１８．０〜２０．０％、Ｎ：０．０４％以下を含有し、かつ下式に従うＤＥ値が５．０〜１２．０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オーステナイト系ステンレス鋼で作製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部品である。

Description

本発明は、タービンへ流れる排気の速度をエンジン回転数に応じて変化させるノズルベーンを備えたターボチャージャーにおいて、そのノズルベーンを構成するための部品であって且つ該タービンに排気を導くための排気ガイドを構成している排気ガイド部品に関する。

ターボチャージャーにはウエストゲイト式のものと、ノズルベーン式のものが良く知られている。ウエ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、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、最近では特にディーゼルエンジンにも搭載されるようになった。後者のノズルベーンを構成するための部品であって、タービンに排気を導くための排気ガイドを構成する部品は、主にステンレス鋼板例えばＳＵＳ３１０Ｓ等の耐熱鋼板を用いて作製されてきた。特殊な例としては、特許文献１には、高クロム高ニッケル材によって、かような排気ガイドアッセンブリを精密鋳造と切削加工を経て作製する発明が記載されている。
図１に、ノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイドを構成する部品の一例を分解図で示した。これらは、ドライブリング１、ドライブレバー２、中間ノズルリング３、ノズルベーン４および外側ノズルリング５などがあり、ノズルベーン４はそれを構成する複数のベーン６と、各ベーン６を支持するベーン軸７とからなっている。これらの部品１〜５は同心的に組立てられてターボチャージャーのタービン上流側に設置されるが、その組立品は、ノズルベーン４の中央開口８を通じてターボチャージャーのタービンに排気を導く排気ガイドを形成する。ノズルベ−ン４の各ベ−ン６は、それらの軸７が一斉に同方向に軸回りが回動することにより、その回動の程度に応じてベ−ン６で囲われる中央開口８の開口面積（開度）を増減させる。エンジンの回転数が低いときは排気量も少なく排気圧も低いが、この状況では、中央開口８の開口面積が広くなり、回転数が増加して排気量が増加すると、開口面積が狭くなるように作動する。したがって、タービンに送り込まれる排気の速度が、かようなノズルベーンを有していると、ノズルベーンを持たない場合に比べて、エンジンの回転数に応じて、回転数が低いときには大きく、高いときには小さくなるように作動する。
これらの部品は、部品ごとに、それらに要求される材料特性が次のように異なる。
〔ドライブリング１とドライブレバー２〕
これらの部品は、アクチュエーターと連動してノズルベーンの開度を精度よく調節させるためのものであり、通常はプレスで打ち抜かれて製造されるが、打抜き面が全てせん断破面となるファインブランキング性（精密打ち抜き加工性）が要求される。また、使用環境では温度が５００℃程度に上昇するため、中温域の高温強度が重要となる。
〔中間ノズルリング３と外側ノズルリング５〕
これらは、両者ともベ−ン軸７をスムースに回転させるための位置決め用穴をもつ。また外側ノズルリング５ではタービンの形状に合わせた形状への穴拡げ加工（バーリング加工）部を中央開口部にもつ。したがって、切削性やプレス成形性が良好であることが要求される。そして、これらは排気ガスの誘導を兼ねる部材でもあるから、約８００℃の高温下にさらされても良好な高温強度と耐酸化性を具備することが要求される。
〔ノズルベーン４〕
ノズルベ−ン４は、排気ガス経路の開口面積をコントロールものである。このため通流する排ガスに常時さらされ、部品の中で最も高い温度（８００〜９００℃）にもさらされる。従って、排気ガスの脈動圧力に耐えられるための高温強度と、高温下でもスムースに稼動するためには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ＳＵＳ３１０Ｓ等の耐熱鋼板が適用されるが、ＳＵＳ３１０Ｓ鋼板は加工性に乏しい。
このように、ノズルベ−ン式ターボチャージャーの排気ガイド部品は、部品ごとに要求される材料特性が異なることから、部品ごとに異なる鋼種を使用し、また成形方法も異なる工程をもつのが通常である。しかし、異なる材料からなる部品でノズルベ−ンをもつ排気ガイドアセンブリを組立てると、部品間で熱膨脹係数の違いや、生成する酸化スケールの程度の違いによって、ノズルベ−ン式ターボチャージャーの本来の機能である排気ガス経路の開口面積のスムースな開度調節に支障を来すおそれがある。排気ガイド部品を全て同一の材料（鋼種）を用いて製造すればこの問題は解決できるが、前記のような個別の特性を同時に且つ十分に満足できる材料は見当たらない。このため、それぞれの要求特性を満足する材料で各部品を製造しているのが実状である。
特許文献１には、Ｐｂ、Ｓｅ、Ｔｅを含有した特殊な高クロム高ニッケルの耐熱鋼からロストワックス鋳造法を用いてターボチャージャーの排気ガイドアッセンブリを製造する発明が記載されている。この発明では、主たる加工は切削や研磨であるので、鋼の成形加工を省略でき、このため、鋼に要求される成形加工性の問題は回避できる。しかし、この鋼は特殊な添加元素を含み且つ精密鋳造を採用するので、特殊な製造プロセスとなり、汎用の製造ラインで排気ガイドを製造するのに比べると量産性に欠けまたコスト増にならざるを得ない。ＳＵＳ３１０Ｓの鋼板を用いる場合には、より一層耐高温酸化性が要求される部品に対しては、その鋼にクロマイジング処理（鋼の表面にクロムを拡散浸透させる処理）等の表面処理を施すことも有益であるが、製造工程が嵩み、コスト高にならざるを得ないという問題がある。このようなクロマイジング処理としては特許文献２に記載されたものがある。
特開２００２−３３２８６２号公報 特開平６−１０１１４号公報

本発明は前記のような問題を解決することを課題したものであり、良好な耐高温酸化性および高温強度を有するターボチャージャーの排気ガイド部品を同一のステンレス鋼鋼板から製造性よく製造できるようにして、安価で耐久性に優れた排気ガイド部品を提供しようとするものである。

本発明によれば、タービンへ流れる排気の速度をエンジン回転数に応じて変化させるためのノズルベーンを備えたターボチャージャーにおいて、前記のノズルベーンを構成するための部品であって且つ該タービンに排気を導くための排気ガイドを構成している部品が、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：８．０〜１６．０％、Ｃｒ：１８．０〜２０．０％、Ｎ：０．０４％以下を含有し、かつ下式に従うＤＥ値（式中の元素記号は鋼中のその成分の含有量（質量％）を表す）が５．０〜１２．０を満足するようにこれらの成分を含有し、
ＤＥ値＝Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ＋Ｍｏ−Ｎｉ−０．３Ｃｕ−０．５Ｍｎ−３０（Ｃ＋Ｎ）、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼で作製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部品を提供する。
ここで、前記のオーステナイト系ステンレス鋼は、ＮｂとＴｉの１種または２種を合計で０．０５〜１．０質量％、ＭｏとＣｕの１種または２種を合計で０．５０〜５．０質量％、さらには、ＲＥＭ（Ｙを含む希土類元素）とＣａの１種または２種を合計で０．０１〜０．２０質量を含有することができる。また、本発明に従う排気ガイド部品は、図１に例示したようなドライブリング、ドライブレバー、ノズルリング、ノズルベーンのベーンとその軸の少なくとも１種であることができる。
本発明のノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイド部品は、特殊な製造法や処理を施さなくても制作でき、耐高温酸化性が良好であり、高温強度および高温摺動性（高温耐摩耗性）も良好である。

図１はターボチャージャーの排気ガイドを、それを構成する部品に分解して示した分解図である。

ノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイド部品には前記のような特性が要求されるが、要するところ、排気ガスに接する部分では高温強度および高温酸化特性といった耐熱性が必要であり、加えて各部品にはその機能に応じて次のような個別の特性が必要となる。
ノズルリングでは、必要な穴拡げ加工性を維持するためには適度な加工硬化特性が必要となる。ノズルベーンのベーンでは、ウイング状の形状を作り出すための冷鍛加工が施されるので優れた延性が必要となる。ドライブリングとドライブレバーには高温での摺動性が良好でなければならない。
かような諸要求に対してステンレス鋼を適用した場合に、ＳＵＳ３０４に代表される準安定型オーステナイト系ステンレス鋼では、打抜きの加工を施すと加工面に加工誘起マルテンサイトが生成して、その後に穴拡げ加工等を施すと打抜き端面よりクラックが発生しやすくなる。このため、打抜き加工後の加工性（バーリング加工性）に劣る。一方、ＳＵＳ３１０Ｓに代表される安定型オーステナイト系は、変形中に加工誘起マルテンサイトが生成しないので、前記の準安定型のオーステナイト鋼に比べてバーリング加工性は優れるものの、均一伸びが劣る。このために、優れた穴拡げ性は得られない。また、ノズルベーンに要求される冷鍛性においても同様な傾向にあり、前記のように加工誘起マルテンサイトの生成が著しい鋼種や、均一伸びの劣る鋼種では、塑性流動性が劣るのでノズルベーンの製造には適さない。
本発明者らはこのような問題を解決すべく種々の試験検討を行った。その結果、まず、安定型オーステナイト系ステンレス鋼にＳｉを２．０〜４．０質量％添加することで素材の軟質化が維持でき、なおかつ適度な加工硬化特性が得られること、そして伸びが増加するとともに穴拡げ率も向上するので排気ガイド部品の製作に適することがわかった。適量のＳｉを添加することによって積層欠陥エネルギーが下がるので、安定型オーステナイト系ステンレス鋼においても加工硬化指数が上昇することがその主たる理由である。また、このＳｉ添加は、ドライブリングおよびドライブレバーで要求される高温での摺動性をも改善することがわかった。Ｓｉ添加鋼は高温での酸化スケールの生成量が少なく、生成した場合にも耐剥離性に優れたスケールを形成することから、摺動によるスケール剥離や磨耗が少なく、優れた高温摺動性を維持できるからである。
さらには、この種のステンレス鋼に対するＮｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、ＲＥＭおよびＣａの添加は、高温強度や高温酸化特性等を改善することができるが、Ｓｉ添加との兼ね合いで適正に添加させることが必要であることがわかった。すなわち、安定型オーステナイト系へのＳｉ添加は高温域においてδフェライト相の生成を促進させるが、適度なδフェライト相の生成は熱間加工性を改善できるものの、過剰の生成は逆に熱間加工性を低下させ、耳切れ等が発生しやすく、製造性を著しく低下させる。Ｓｉ添加に基づくこの問題は、下式に従うＤＥ値が５．０〜１２．０の範囲に収まるように、これらの元素を含有させることで解決でき、良好な熱間加工性を維持できることがわかった。式中の元素記号は鋼中のその成分の含有量（質量％）を表す。ＤＥ値＝Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ＋Ｍｏ−Ｎｉ−０．３Ｃｕ−０．５Ｍｎ−３０（Ｃ＋Ｎ）。
本発明はこのような知見事実に基づいてなされたものであり、良好な耐高温酸化性および高温強度を有するターボチャージャーの排気ガイド部品を、各部品に要求される材料特性を同時に満足できるように、同一鋼種で製造性よく製作可能にしたものである。このように、排気ガイドの部品の全てに適用可能な性質をもつ鋼の成分組成を明らかにした点に本発明の特徴がある。鋼中成分の含有量限定の理由の概要を説明すると、次のとおりである。
Ｃはオーステナイト生成元素であり、鋼の高温強度を上昇させる。しかし、ノズルベーン式ターボチャージャーの排気ガイド部品の使用環境では、Ｃが０．０８質量％を超えるとその環境下での高温域で炭化物を形成しやすく、炭化物が生成すると高温強度が低下してしまう。したがって、Ｃ量は０．０８質量％以下、好ましくは０．０６質量％以下とする。
Ｓｉは前記のように本発明において重要な役割を果たす鋼成分であり、Ｓｉを鋼に添加すると穴拡げ性および高温酸化特性が改善する。このためには、少なくとも２．０質量％以上の添加が必要であるが、過剰な添加はオーステナイト相の安定性を損なうとともに、逆に加工性を悪化させる。したがって、Ｓｉ量は２．０〜４．０質量％とする。
Ｍｎは、２．０質量％を超えて鋼に添加すると、排気ガイド部品の使用環境での高温域で発生する酸化スケール量が増大して該部品の機能を低下させる。したがって、Ｍｎ含有量は２．０質量％以下とする。
Ｎｉはオーステナイト相を安定化させる元素であり、このために少なくとも８．０質量％を含有させるが、高価であると共に、過剰に添加すると適度に必要なδフェライト量を低下させるので、Ｎｉ量は８．０〜１６．０質量％とする。
Ｃｒは高温における耐酸化特性を安定させるので、少なくとも１８．０質量％含有させることが必要である。しかし、過剰に添加すると製造性を損なうとともにδフェライト量を過剰に増大させる。したがって、Ｃｒ量は１８．０〜２０．０質量％とする。
ＴｉとＮｂはいずれも鋼中のＣやＮを炭窒化物として固定し、これらの炭窒化物が鋼中に微細に分散析出することで鋼の高温強度を上昇させるが、ＴｉとＮｂが過剰に添加されると鋼の熱間加工性や表面品質特性を阻害する。したがって、これらの元素の１種または２種を合計で０．０５〜１．０質量％含有させるのがよい。
ＭｏとＣｕは高温強度および高温湿潤下での耐酸化特性を向上させるが、過剰の添加は熱間加工性を阻害する。したがって、ＭｏとＣｕの１種または２種は、合計で０．５０〜５．０質量％含有させるのがよい。
ＲＥＭ（Ｙを含む希土類元素）とＣａは高温での粒界酸化を抑制し、酸化スケールの剥離性を改善する作用を有するが、過剰に添加すると熱間加工性を阻害する。したがって、ＲＥＭとＣａの１種または２種は合計で０．０１〜０．２０質量％含有させるのがよい。
このような鋼の成分含有量において、本発明では前記式に従うＤＥ値が５．０〜１２．０となるようにこれらの成分含有量を調節するのであるが、このＤＥ値を前記の範囲に調節することによって、Ｓｉを添加した場合でも、良好な熱間加工性を維持することができる。一般に安定型オーステナイト系鋼は、熱間圧延の加熱温度においてオーステナイト単相となると高温での変形能が低下し、熱延時に耳切れ等が発生し、製造性が低下する。これを回避するには、熱延温度で少量のδフェライト相が生成するような成分調節を行うのが有益である。しかし、その場合、δフェライト相の生成が少なすぎても、逆に多すぎても熱間加工性が悪くなる。本発明者らは、後記の実施例に示したように、ＤＥ値が５．０〜１２．０であれば、Ｓｉ添加によってδフェライト相の生成が促進される傾向をもつ本発明に従う鋼において、良好な熱間加工性が維持できることを見い出した。すなわち、適量のＳｉ添加とＤＥ値の適正範囲の選定によって、排気ガイド部品に要求される過酷な要求特性を同時にもつ鋼を製造性よく製造できるようにした点に本発明の一つの特徴がある。

表１に供試した鋼の化学成分値およびＤＥ値を示した。これらの鋼は、３０ｋｇの真空溶解で溶製し、得られた鋼塊はいずれもφ１５ｍｍの丸棒と厚み３０ｍｍの板に鍛造した。得られた丸棒は１１００℃の溶体化処理を施した。得られた鍛造板は熱間圧延で厚み４ｍｍの熱延板とし、その熱延板から二種の試験用の鋼板を製造した。一方は、該熱延板を焼鈍後、厚み１．５ｍｍまでの冷間圧延し、最終焼鈍を施して冷延焼鈍板とした。熱延条件と焼鈍条件は次のとおりである。熱延温度：１２００℃、熱延板焼鈍：１１００℃×均熱６０秒、最終焼鈍：１１００℃×均熱３０秒。他方のものは、該熱延板を前記と同じ条件で焼鈍後、厚み３ｍｍにまで板表面を切削し、厚み３ｍｍの切削熱延板とした。
これらの「丸棒」、「冷延焼鈍板」および「切削熱延板」から所要の試験片を作製して、それぞれ次の試験に供した。
（１）丸棒は高温引張り試験に供した。すなわち、得られた丸棒から、平行部の直径が１０ｍｍの試験片に加工し、これらを、１０００℃で１０／ｓの歪速度における高速引張り試験と、ＪＩＳＧ０５６に準拠した８００℃の高温引張り試験に供した。前者の高速引張り試験では、（試験前試料の断面積−試験後試料の断面積）／試験前試料の断面積の値（熱間引張り断面減少率）をもって熱間加工性を評価した。熱間引張り断面減少率が低いほど熱間加工性が良好である。後者の高温引張り試験では、その温度での引張り強さの値で高温強度を評価した。
（２）冷延焼鈍板は、打抜き穴の穴拡がり性試験と高温耐酸化性の試験に供した。すなわち、該冷延焼鈍板から９０ｍｍ角の試験片を作製し、この試験片の中央に直径１０ｍｍの穴を打抜き加工で形成し、この打抜き穴に、開き角度が３００°の円錐ポンチを、シワ押え圧力が４４ｋＮで挿入する穴拡がり性試験を室温で行ない、穴拡げ部の先端縁にクラックが発生した時点で、ポンチの挿入を中断し、その時点での穴径を測定した。そして、（試験後穴径Ｄｘ−試験前穴径Ｄｏ）／試験前穴径Ｄｏの比で打抜き加工後の穴拡がり性（バーリング加工性）を評価した。この穴拡がり率が高いほど、打抜き加工後の穴拡がり性に優れる。
また、該冷延焼鈍板の全面を＃４００の研磨材を用いて研磨し、「水蒸気を加えて露点を＋６０℃に調整した大気雰囲気において９００℃で２５分間の加熱」−「その雰囲気で室温に１０分間の冷却」を１サイクルとして、これを１０００サイクル実施し、試験前と試験後の質量変化を表面積で除した値をもって、高温耐酸化性を評価した。その値の絶対値が小さいほど高温耐酸化性に優れる。すなわち、負の値が大きければ酸化量が増大したことを意味しており、また正の値が大きくなったときには酸化スケールが剥離した現象が起きたことを意味する。
（３）切削熱延板は高温摺動性試験に供した。すなわち、３ｍｍ厚みの該切削熱延板から１０ｍｍ×２０ｍｍのベース板を切り出し、表面を＃１０００の研磨材で研磨した。また、同じく３ｍｍ厚みの該切削熱延板から１０ｍｍ（短辺）×１１ｍｍ（長辺）の摺動板を切り出し、その短辺側の一方の辺にテーパー加工を施した。テーパー加工は、その辺の板厚中心部が外方に突き出す凸縁となるように（断面で見て、Ｒ＝１．５ｍｍの凸曲面をもつように）切削加工し、その表面を＃１０００の研磨材で研磨した。そして、この摺動板のテーパー加工辺を前記のベース板と直角に接触させる。具体的には、水平に置いたベース板の中央部に、摺動板のテーパー加工した辺がベース板上を摺動できるように、垂直に載せる。試験は、両板を８００℃で１時間均熱したあと、その温度で、ベース板に載せた摺動板に対して垂直方向に２Ｎの荷重を加えながら、１ストロークが１０ｍｍの距離を６秒／ストロークの速度で往復１０００回摺動させた。試験後の摺動板について、ベース板と線接触した摺動部の表面の粗度を触針式の表面粗さ計を用いて測定し、その粗度（Ｒａ）をもって高温磨耗量の評価指針とした。Ｒａが大きい程高温摺動性が悪く、例えばＲａが１．０μｍを超えると、排気ガイド部品に要求される高温摺動性が得られない。
これらの試験結果を表２に示した。

表２の結果から、ＤＥ値が５未満のＢ２およびＢ５と、ＤＥ値が１２を超えるＢ３では、熱間引張り断面減少率および室温穴拡がり率が、ＤＥ値５〜１２のものに比べて、いずれも低いことがわかる。したがって、排気ガイド部品をこれらの鋼板で製作しようとしても、製造性と成形性が悪いので適さない。また、Ｓｉ含有量か２．０質量％未満のＢ１、Ｂ２およびＢ４は、高温引張り強度が、Ｓｉ量２．０〜４．０質量％のものに比べて、いずれも低く、さらに高温耐酸化性が悪い（繰返し酸化試験重量変化が大きい）。したがって、これらの鋼板で排気ガイド部品を製作しても要求特性が得られない。これに対して、ＤＥ値が５〜１２の範囲にあるＡ１〜Ａ１０ではＳｉ量が２．０〜４．０質量％でありながら熱間引張り断面減少率および室温穴拡がり率が高く、且つ高温引張り強度および高温耐酸化性も良好であり、高温摺動性も良好である（高温磨耗量が少ない）。したがって、排気ガイドを構成している各部品に要求される材料特性を同時に満足することができ、製造性や成形性も良好である。このため同一鋼種でこれら各部品の全てを製作しても、要求特性を同時に満足できる排気ガイドアッセンブリが得られる。

Claims (5)

1. タービンへ流れる排気の速度をエンジン回転数に応じて変化させるためのノズルベーンを備えたターボチャージャーにおいて、前記のノズルベーンを構成するための部品であって且つ該タービンに排気を導くための排気ガイドを構成している部品が、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：８．０〜１６．０％、Ｃｒ：１８．０〜２０．０％、Ｎ：０．０４％以下を含有し、かつ下式に従うＤＥ値が５．０〜１２．０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オーステナイト系ステンレス鋼で作製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部品。
   ＤＥ値＝Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ＋Ｍｏ−Ｎｉ−０．３Ｃｕ−０．５Ｍｎ−３０（Ｃ＋Ｎ）
2. オーステナイト系ステンレス鋼は、ＮｂとＴｉの１種または２種を合計で０．０５〜１．０％さらに含有している請求項１のノズルベ−ン式ターボチャージャーの排気ガイド部品。
3. オーステナイト系ステンレス鋼は、ＭｏとＣｕの１種または２種を合計で０．５０〜５．０質量％さらに含有している請求項１または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部品。
4. オーステナイト系ステンレス鋼は、ＲＥＭ（Ｙを含む希土類元素）とＣａの１種または２種を合計で０．０１〜０．２０質量％さらに含有している請求項１ないし３のいずれか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部品。
5. 排気ガイド部品は、ドライブリング、ドライブレバー、ノズルリング、ノズルベーンのベーンとその軸からなる請求項１ないし４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部品。

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