KR20140038472A - Turbocharger and component therefor - Google Patents

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KR20140038472A
KR20140038472A KR1020137034179A KR20137034179A KR20140038472A KR 20140038472 A KR20140038472 A KR 20140038472A KR 1020137034179 A KR1020137034179 A KR 1020137034179A KR 20137034179 A KR20137034179 A KR 20137034179A KR 20140038472 A KR20140038472 A KR 20140038472A
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KR1020137034179A
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Inventor
제랄드 샬
무네베라 컬린
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보르그워너 인코퍼레이티드
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Abstract

특히 디젤 엔진에서의 터보차저 응용을 위한 구성요소를 개시하며, 구성요소는 탄화물 및 질화물 구조를 포함하는 페라이트 베이스 구조를 가진 철계 합금으로 이루어진다.Particularly disclosed is a component for turbocharger applications in diesel engines, the component being made of an iron-based alloy having a ferrite base structure comprising carbide and nitride structures.

Description

터보차저 및 그 구성요소{TURBOCHARGER AND COMPONENT THEREFOR}Turbocharger and its components {TURBOCHARGER AND COMPONENT THEREFOR}

본 발명은, 청구범위 제1항의 전제부에 따른 특히 디젤 엔진에서의 터보차저 응용을 위한 구성요소, 및 청구범위 제7항의 전제부에 따른 구성요소를 포함하는 배기가스 터보차저에 관한 것이다.The present invention relates to an exhaust gas turbocharger comprising a component according to the preamble of claim 1, in particular for a turbocharger application in a diesel engine, and a component according to the preamble of claim 7.

배기가스 터보차저는 피스톤 엔진의 동력을 증가시키기 위한 시스템이다. 배기가스 터보차저에서는, 배기가스의 에너지를 이용하여 동력을 증가시킨다. 동력 증가는 작업 행정당 혼합물의 처리량 증가의 결과이다.An exhaust gas turbocharger is a system for increasing the power of a piston engine. In an exhaust gas turbocharger, the power of the exhaust gas is used to increase power. The increase in power is the result of increased throughput of the mixture per work stroke.

터보차저는 본질적으로 샤프트 및 압축기와 함께 배기가스 터빈으로 이루어지는데, 엔진의 흡입관 내에 배치된 압축기는 샤프트에 연결되며, 배기가스 터빈 및 압축기의 케이싱에 위치한 블레이드 휠들이 회전한다. 가변 터빈 구조를 가진 터보차저의 경우, 조절 블레이드들이 추가로 블레이드 베어링 링에 회전 가능하게 장착되며, 터보차저의 터빈 케이싱 내에 배치된 조절 링에 의해 움직인다.The turbocharger consists essentially of an exhaust gas turbine together with a shaft and a compressor, wherein the compressor disposed in the intake pipe of the engine is connected to the shaft and the blade wheels located in the exhaust turbine and the casing of the compressor rotate. In the case of a turbocharger with a variable turbine structure, the regulating blades are additionally rotatably mounted to the blade bearing ring and are moved by an adjustment ring disposed in the turbine casing of the turbocharger.

터보차저의 구성요소들, 및 특히 터보차저의 동적(kinematics) 구성요소들 또는 웨이스트게이트 구성요소들, 또는 VTG 터보차저의 경우 VTG 구성요소들의 재료에 대한 굉장히 높은 요구들이 있다. 이러한 구성요소들의 재료는 내열성을 가져야 한다. 다시 말하면, 재료는 최대 약 900℃의 매우 높은 온도에서도 충분한 강도 및 그에 따른 치수 안정성을 여전히 가져야 한다. 게다가, 재료는 높은 내마모성과 적절한 내산화성을 가져야 하고, 그에 따라 수백 ℃의 높은 작동 온도에서도 재료의 부식 또는 마모가 감소하여, 극한의 작동 조건 하에서도 재료의 내성을 계속 보장한다.There are very high demands on the material of the turbocharger, and in particular the kinematics or wastegate components of the turbocharger, or in the case of a VTG turbocharger. The material of these components must be heat resistant. In other words, the material should still have sufficient strength and hence dimensional stability even at very high temperatures of up to about 900 ° C. In addition, the material must have high wear resistance and adequate oxidation resistance, thereby reducing corrosion or wear of the material even at high operating temperatures of several hundred degrees Celsius, thereby continuing to ensure the material's resistance even under extreme operating conditions.

DE 10 2004 062 564 A1은 낮은 미끄럼 마모와 양호한 열안정성을 가진 터보차저용 블레이드 베어링 링을 개시한다. 이러한 유형의 블레이드 베어링 링에서는, 오스테나이트 재료, 구성요소의 윤활 작용을 개선하기 위해 높은 황 함량을 가진 철계 합금을 사용한다. 특정한 조성으로 인해, 재료의 휘어짐 내성(creep resistance)이 증가하여, 850℃가 넘는 온도에서 블레이드 베어링 링의 치수 안정성의 증가를 달성한다.DE 10 2004 062 564 A1 discloses a blade bearing ring for a turbocharger with low slip wear and good thermal stability. In this type of blade bearing ring, austenitic materials, iron-based alloys with high sulfur content are used to improve the lubrication of the components. Due to the specific composition, the creep resistance of the material increases, achieving an increase in the dimensional stability of the blade bearing ring at temperatures above 850 ° C.

이러한 관점에서, 본 발명의 목적은, 청구범위 제1항의 전제부에 따른 터보차저 응용을 위한 구성요소, 및 청구범위 제7항의 전제부에 따른 터보차저를 제공하는 데에 있고, 이들은 개선된 내온도성과 내산화성 및 그에 따른 매우 양호한 치수 안정성과 높은 고온 강도 및 내부식성을 가지며, 최적의 마찰 특성을 특징으로 하고, 추가로 마모 민감성의 감소를 나타낸다.In this respect, it is an object of the present invention to provide a component for a turbocharger application according to the preamble of claim 1 and a turbocharger according to the preamble of claim 7 which are improved It has temperature and oxidation resistance and therefore very good dimensional stability and high high temperature strength and corrosion resistance, is characterized by optimum friction properties and further exhibits reduced wear sensitivity.

상기 목적은 청구범위 제1항 및 제7항의 특징부에 의해 달성된다.This object is achieved by the features of claims 1 and 7.

터보차저 응용을 위한 구성요소의 형태의, 또는 이러한 구성요소를 포함하는 배기가스 터보차저의 형태의 본 발명에 따른 실시예에 의해, 재료의 내온도성의 개선 및 특히 미끄럼 마모 특성의 개선 및 산화 경향의 감소를 달성하는데, 구성요소는 탄화물 및 질화물 구조를 포함하는 페라이트 베이스 구조를 가진 철계 합금으로 이루어진다. 본 발명의 맥락에서, 탄화물 구조 또는 질화물 구조는 이 경우 철계 합금의 입자 및 입자 경계에 형성된 미세구조 탄화물 석출상 또는 질화물 석출상을 의미하는 것으로 이해된다. 탄화물 구조는 특히 수지상 미세구조이며, 그 결과로 재료의 그리고 그에 따른 구성요소의 매우 양호한 내변형성 및 내마모성을 또한 달성한다. 그러므로, 터보차저 응용을 위한 구성요소, 또는 본 발명에 따른 적어도 하나의 구성요소를 포함하는 배기가스 터보차저를 제공하고, 이는 최대 900℃의 최적의 내온도성, 높은 고온 강도, 및 높은 내마모성과 내부식성을 가지며, 또한 특히 높은 작동 온도에서의 매우 양호한 미끄럼 특성 및 낮은 산화 경향을 특징으로 한다. 게다가, 본 발명에 따른 구성요소 및 그에 따라 본 발명에 따른 배기가스 터보차저는 또한 장기간 작동 시에 치수상 안정된다.By the embodiment according to the invention in the form of components for turbocharger applications, or in the form of exhaust gas turbochargers comprising such components, the improvement of the temperature resistance of the material and in particular of the sliding wear characteristics and the tendency of oxidation To achieve a reduction of, the component consists of an iron-based alloy having a ferrite base structure, including carbide and nitride structures. In the context of the present invention, a carbide structure or nitride structure is understood in this case to mean a microstructured carbide precipitated phase or nitride precipitated phase formed at the particles and grain boundaries of the iron-based alloy. The carbide structure is in particular dendritic microstructure, as a result also achieving very good deformation and wear resistance of the material and thus of the components. Therefore, there is provided a component for turbocharger applications, or an exhaust gas turbocharger comprising at least one component according to the invention, which has an optimum temperature resistance of up to 900 ° C, high high temperature strength, and high wear resistance and resistance. It is corrosive and is also characterized by very good sliding properties and low oxidation tendency, especially at high operating temperatures. In addition, the components according to the invention and therefore the exhaust gas turbocharger according to the invention are also diesel-water stable in long-term operation.

이론에 얽매임 없이, 페라이트 철계 합금 내의 탄화물 석출물 및 질화물 석출물의 존재는 이러한 고유의 구조로 인해 특히 마찰 마모에 대한 합금 재료의 안정성 및 그에 따른 구성요소의 안정성, 및 고온 강도를 현저히 증가시키는 것으로 추정된다.Without wishing to be bound by theory, it is believed that the presence of carbide precipitates and nitride precipitates in ferritic iron-based alloys significantly increases the stability of the alloying materials, and hence the stability of the components, and the high temperature strength, especially due to friction wear, .

예로서, 본 발명에 따른 철계 합금, 즉 구성요소를 형성하는 탄화물 및 질화물 구조를 가진 페라이트 철계 재료는 20Mpa의 접촉 압력, 0.0025m/s의 미끄럼 속도, 약 850℃의 구성요소 온도, 및 2000000 주기가 주어질 때 직경당 0.08㎜의 최대 미끄럼 마모율, 즉 탁월한 마찰 마모 내성을 특징으로 한다. 또한, 고온 강도, 치수상 안정성, 및 고온 성능이 개선된다.By way of example, ferrous alloys according to the invention, i.e. ferritic ferrous materials with carbides and nitride structures forming the constituent elements, have a contact pressure of 20 MPa, a sliding speed of 0.0025 m / s, a component temperature of about 850 DEG C, Is given a maximum sliding wear rate of 0.08 mm per diameter, that is, excellent friction and wear resistance. In addition, high temperature strength, dimensional stability, and high temperature performance are improved.

종속항들은 본 발명의 유리한 개선들과 관련된다.The dependent claims relate to advantageous improvements of the invention.

따라서, 일 실시예에서, 구성요소의 마모 특성, 즉 구체적으로 마찰 마모 내성은 본 발명에 따른 구성요소를 형성하는 페라이트 철계 합금 내의 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 원소들 중 적어도 하나의 사용에 의해 현저히 개선될 수 있다. W, Ti, Nb 원소들은 철계 합금 내에 탄화물 형성부들을 실질적으로 형성하고, 이는 매우 양호한 마모 성능 외에도, 재료의 그리고 그에 따라 본 발명에 따른 구성요소의 내부식성을 증가시킨다.Thus, in one embodiment, the wear characteristics of the component, i.e. specifically the wear and tear resistance, can be determined by comparing the tungsten (W), titanium (Ti) and niobium (Nb) elements in the ferritic iron- It can be significantly improved by at least one use. The W, Ti, Nb elements substantially form carbide forming parts in the iron-based alloy, which, in addition to very good wear performance, increase the corrosion resistance of the material and thus of the component according to the invention.

다른 실시예에서, 터보차저 응용을 위한 본 발명에 따른 구성요소는, C, W, Cr, Mn, Ti, V, Nb, Si로부터 선택된 원소들 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 원소들 중 적어도 하나의 원소의 존재는, 이러한 원소 또는 이러한 원소들의 조합이 이후 본 발명에 따른 구성요소를 형성하기 위해 가공되는 철계 합금을 제조하기 위해 사용됨을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 철계 합금에 추가된 원소들은 여기서 원래 형태로, 즉 원소 형태로, 예컨대 개재물(inclusion) 또는 석출상(precipitation phase)의 형태로, 또는 그 파생물의 형태로, 즉 예컨대 철계 합금의 제조 중에 또는 철계 합금으로 제조된 본 발명에 따른 구성요소를 형성할 때 형성되는 금속 탄화물 또는 금속 질화물로서, 해당 원소의 화합물의 형태로, 존재할 수 있다. 원소들의 존재는 이 경우 종래의 분석 방법들에 의해 본 발명에 따른 구성요소에서 직접 검출될 수 있다.In another embodiment, the component according to the invention for a turbocharger application is characterized in that it comprises at least one of the elements selected from C, W, Cr, Mn, Ti, V, Nb, Si. The presence of at least one of these elements should be understood to mean that such an element or a combination of these elements is then used to produce an iron-based alloy which is then processed to form the component according to the invention. The elements added to the iron-based alloy are here in their original form, ie in elemental form, for example in the form of inclusions or precipitation phases, or in the form of derivatives thereof, i.e. during the production of iron-based alloys or for iron-based alloys. As a metal carbide or metal nitride formed when forming the component according to the present invention prepared in the form, it may exist in the form of a compound of the element. The presence of the elements in this case can be detected directly in the components according to the invention by conventional analytical methods.

탄소(C) 원소는 여기서 주로 본 발명에 따른 탄화물 구조, 즉 탄화물 석출상을 형성하는 역할을 하여, 재료의 강도와 고온 강도 및 그에 따른 터보차저 응용을 위한 본 발명에 따른 구성요소의 강도와 고온 강도를 개선한다. 텅스텐 원소는 또한, 주로 탄화물 구조 형성의 결과로, 재료의 고온 강도 및 내마모성을 증가시키며, 재료의 인성에 기여한다. 크롬 및/또는 몰리브덴과 텅스텐의 조합은 특히 산성 매체 내의 재료의 내부식성 및 고온 부식 성능의 현저한 개선을 가능하게 한다. 여기서 크롬의 사용은 재료의 고온 인장 강도와 내박리성(scaling resistance)을 증가시킨다. 크롬은 또한 강한 탄화물 형성제이므로, 재료의 그리고 그에 따라 본 발명에 따른 구성요소의 마모 특성을 또한 최적화한다. 터보차저 응용을 위한 본 발명에 따른 구성요소를 형성하는 철계 합금 내의 크롬 원소의 사용은 또 다른 이점을 가진다: 구성요소에 작용하는 높은 배기가스 온도 하에서, 크롬은 구성요소 상에 Cr2O3 표면층, 즉 산화물 표면층을 형성하고, 이는 열부하 하의 미끄럼 마찰 및 마찰 마모에 대한 구성요소의 내성을 효율적으로 촉진한다. 망간의 사용은 탈산 효과가 있다. 이는 철계 합금의 감마 영역을 확장시키며, 재료의 항복 강도와 인장 강도를 증가시킨다. 또한, 망간은 특히 높은 작동 온도에서의 구성요소의 내마모성을 촉진한다. 바나듐은 철계 합금의 제조 중에 철계 합금의 주요 입자를 정제하고, 그에 따라 철계 합금의 주조 구조를 정제한다. 이로써, 높은 입자 정제도를 달성하고, 이는 철계 합금의 균질성을 촉진하며, 재료의 더 높은 동적 접촉 압력을 허용한다. 본 발명에 따른 구성요소를 형성하는 철계 합금에 있어서, 니오븀 원소는 탄화물 형성제로 작용하여, 철계 합금의 입자 및 입자 경계에서 탄화물 구조를 촉진한다. 니오븀은 또한 재료의 그리고 그에 따라 터보차저 응용을 위한 본 발명에 따른 구성요소의 고온 강도 및 피로 강도를 증가시킨다. 게다가, 니오븀은 페라이트 형성을 촉진하고, 철계 합금의 감마 영역을 줄이므로, 규제 용량 내에서 사용될 수 있다. 규소는 주조 중에 용융물의 점성을 감소시킴으로써 철계 합금의 주조 특성을 촉진한다. 또한, 본 발명에 따른 재료 내의 규소는 탈산을 촉진하며, 그에 따라 합금에 이러한 원소를 첨가하면, 결정적으로 고온 부식 내성을 개선한다. 그러므로, 원소들을 적절히 선택 및 결합함으로써, 철계 합금의 특성들을 목표한 방식으로 제어할 수 있고, 그에 따라 터보차저 응용을 위한 본 발명에 따른 구성요소 및 그에 따라 본 발명에 따른 배기가스 터보차저는 특히 균형 잡힌 프로필 특성들을 가진다. 추가 원소들 및 화합물들을 철계 합금에 도입할 수 있다.The element (C) here serves primarily to form the carbide structure according to the invention, i.e. the carbide precipitated phase, so that the strength and high temperature strength of the material and thus the strength and high temperature of the components according to the invention for turbocharger applications. Improve strength. Tungsten element also increases the high temperature strength and wear resistance of the material, mainly as a result of carbide structure formation, and contributes to the toughness of the material. The combination of chromium and / or molybdenum and tungsten enables a significant improvement in the corrosion resistance and high temperature corrosion performance of the material, especially in acidic media. The use of chromium here increases the high temperature tensile strength and scaling resistance of the material. Since chromium is also a strong carbide former, it also optimizes the wear characteristics of the material and hence of the component according to the invention. The use of elemental chromium in the iron-based alloy forming components according to the invention for turbocharger applications has another advantage: Under the high exhaust gas temperatures acting on the component, chromium is the Cr 2 O 3 surface layer on the component. That is, it forms an oxide surface layer, which effectively promotes the component's resistance to sliding friction and frictional wear under thermal load. The use of manganese has a deoxidizing effect. This expands the gamma region of the iron-based alloy and increases the yield strength and tensile strength of the material. In addition, manganese promotes wear resistance of components, especially at high operating temperatures. Vanadium refines the major particles of the iron-based alloy during the production of the iron-based alloy, thereby purifying the cast structure of the iron-based alloy. This achieves high particle purity, which promotes homogeneity of the iron-based alloy and allows higher dynamic contact pressures of the material. In the iron-based alloy forming the component according to the present invention, the niobium element serves as a carbide former to promote the carbide structure at the grain and grain boundaries of the iron-based alloy. Niobium also increases the high temperature strength and fatigue strength of the material and thus the component according to the invention for turbocharger applications. In addition, niobium promotes ferrite formation and reduces the gamma area of the iron-based alloy, and thus can be used within a regulated capacity. Silicon promotes the casting properties of iron-based alloys by reducing the viscosity of the melt during casting. In addition, the silicon in the material according to the invention promotes deoxidation and, thus, the addition of such elements to the alloy decisively improves high temperature corrosion resistance. Therefore, by appropriately selecting and combining the elements, it is possible to control the properties of the iron-based alloy in a targeted manner, so that the components according to the invention for turbocharger applications and therefore the exhaust gas turbochargers according to the invention are particularly Have balanced profile properties. Additional elements and compounds may be introduced into the iron base alloy.

또 다른 실시예에 따르면, 터보차저 응용을 위한 본 발명에 따른 구성요소는 0.1중량% 내지 0.5중량%, 특히 0.25중량% 내지 0.4중량%의 탄소(C), 15중량% 내지 22중량%, 특히 18중량% 내지 20중량%의 크롬(Cr), 1.3중량% 이하, 특히 1중량% 이하의 망간(Mn), 0.8중량% 내지 2.1중량%, 특히 1중량% 내지 1.8중량%의 규소(Si), 0.4중량% 내지 1.3중량%, 특히 0.6중량% 내지 1.1중량%의 니오븀(Nb), 0.2중량% 내지 0.6중량%, 특히 0.3중량% 내지 0.5중량%의 티타늄(Ti), 1.8중량% 내지 3.0중량%, 특히 2중량% 내지 2.7중량%의 텅스텐(W), 0.3중량% 내지 1.0중량%, 특히 0.5중량% 내지 0.8중량%의 바나듐(V), 3중량% 이하, 특히 2중량% 이하의 질소(N), 및 잔여부로서의 철(Fe)을 실질적으로 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 각각의 경우 양(quantity)의 표시는 본 발명에 따른 구성요소를 형성하는 철계 합금의 총 중량과 관련된다. 전술한 바와 같이, 상기 원소들의 존재는, 원소들이 원소 형태로, 또한 철계 합금 내의 그리고 그에 따라 터보차저 응용을 위한 본 발명에 따른 구성요소 내의 원소들의 화합물들 중 하나의 형태로 존재할 수 있음을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 실시예에서, 실질적으로 전술한 원소들은 표시된 양으로 본 발명에 따른 구성요소 내에 존재한다. 이는 불가피한 불순물이 존재할 수 있다는 것을 의미한다(그러나 바람직하게는 철계 합금의 총 중량에 기초하여 2중량% 미만, 특히 1중량% 미만을 차지한다). 이 경우, 불가피한 잔류물들 또는 불순물들은 예컨대 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 세륨(Ce), 붕소(B), 인(P), 황(S)을 포함한다. 개별 원소들의 양은 이 경우 종래의 원소 분석 방법들에 의해 본 발명에 따른 구성요소에서 직접 검출될 수 있다.According to a further embodiment, the components according to the invention for turbocharger applications comprise from 0.1% to 0.5% by weight, in particular from 0.25% to 0.4% by weight of carbon (C), from 15% to 22% by weight, in particular 18% to 20% by weight of chromium (Cr), up to 1.3% by weight, in particular up to 1% by weight of manganese (Mn), 0.8% to 2.1% by weight, in particular 1% to 1.8% by weight of silicon (Si) (Ti), 1.8 to 3.0% (by weight) of titanium oxide, 0.4 to 1.3% by weight, especially 0.6 to 1.1% by weight of niobium (Nb), 0.2 to 0.6% In particular from 2 to 2.7% by weight of tungsten (W), from 0.3 to 1.0% by weight, in particular from 0.5 to 0.8% by weight of vanadium (V), up to 3% by weight, in particular up to 2% Nitrogen (N), and residual iron (Fe). Here, the indication of the quantity in each case relates to the total weight of the iron-based alloy forming the component according to the invention. As mentioned above, the presence of the elements means that the elements may exist in elemental form and also in the form of one of the compounds of the elements in the iron-based alloy and thus in the component according to the invention for turbocharger applications. It should be understood to do. In this embodiment, substantially the above-mentioned elements are present in the components according to the invention in the indicated amounts. This means that inevitable impurities may be present (but preferably occupy less than 2% by weight, in particular less than 1% by weight, based on the total weight of the iron-based alloy). In this case, unavoidable residues or impurities include, for example, aluminum (Al), nickel (Ni), zirconium (Zr), cerium (Ce), boron (B), phosphorus (P), sulfur (S). The amount of individual elements can in this case be detected directly in the component according to the invention by conventional elemental analysis methods.

놀랍게도, 정확하게 전술한 조합이, 터보차저 응용을 위한 구성요소를 형성하도록 가공될 때 상기 구성요소에 특히 균형잡힌 프로필 특성들을 제공하는 재료, 즉 철계 합금을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 본 발명에 따른 이러한 조성은, 특히 높은 고온 강도, 최대 900℃의 내온도성, 및 그에 따른 고온에서의 치수 안정성을 가지며, 탁월한 미끄럼 특성 및 그에 따른 특히 낮은 미끄럼 마모를 특징으로 하는 구성요소를 제공한다. 또한, 해당 구성요소 상의 터보차저의 작동 중에, 특히 높은 작동 온도에서 내부식성 및 내산화성이 최대화된다.Surprisingly, it has been found that the precisely described combination provides a material, i.e. an iron-based alloy, which gives the component particularly balanced profile properties when processed to form a component for a turbocharger application. This composition according to the invention provides a component which is characterized by a particularly high high temperature strength, a high temperature resistance of up to 900 DEG C and, therefore, dimensional stability at high temperatures, and an excellent sliding property and consequently a particularly low sliding wear . In addition, corrosion and oxidation resistance are maximized during the operation of the turbocharger on that component, especially at high operating temperatures.

그러므로, 이런 방식으로 제조되며 본 발명에 따른 구성요소를 형성하는 재료는 하기 특성들을 가진다.Therefore, the material produced in this way and forming the component according to the invention has the following properties.

Figure pct00001
Figure pct00001

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 터보차저 응용을 위한 구성요소는 실질적으로 시그마상이 없다. 이는 최대 900℃에서의 본 발명에 따른 구성요소의 작동에 특히 적용된다. 이는 효과적으로 재료의 취화에 대항하며, 그 결과로 구성요소의 내구성을 증가시킨다. 시그마상은 높은 경도의 취성 금속간 상이다. 이들은 단지 약간의 차이를 가지고 매칭되는 원자 반경을 가진 체심입방 금속 및 면심입방 금속이 서로 부딪칠 때 발생한다. 이러한 유형의 시그마상은 취성화 효과를 갖기 때문에 그리고 또한 크롬을 인출하는 철 매트릭스의 특성으로 인해 바람직하지 않다. 그러므로, 여기에 설명된 바람직하지 않은 효과들이 나타나지 못하도록, 본 발명에 따른 철계 합금에는 그리고 그에 따라 본 발명에 따른 구성요소에는 실질적으로 시그마상이 없다. 시그마상 형성의 감소 또는 방지는 특히 철계 합금의 원소들의 목표한 선택에 의해 제어되며, 특히 합금 재료 내의 규소 함량이 각각의 경우 철계 합금의 총 중량에 기초하여 2.1중량% 이하, 바람직하게는 1.8중량% 이하라는 점에서 달성된다.According to another embodiment of the invention, the components for the turbocharger application are substantially free of sigma. This applies in particular to the operation of the components according to the invention at up to 900 ° C. This effectively counteracts embrittlement of the material, and consequently increases the durability of the component. Sigma phase is a high hardness brittle intermetallic phase. These occur only when the body centered cubic metal and the face centered cubic metal having a matching atomic radius collide with each other with only slight differences. This type of sigma phase is undesirable because it has a brittleness effect and also because of the properties of the iron matrix to draw chromium. Therefore, to avoid the undesirable effects described herein, the iron-based alloy according to the invention and thus the component according to the invention are substantially free of sigma phases. The reduction or prevention of sigma phase formation is in particular controlled by the desired selection of the elements of the iron-based alloy, in particular the silicon content in the alloying material being in each case up to 2.1% by weight, preferably 1.8% based on the total weight of the iron-based alloy Achieved in terms of% or less

그러므로, 탁월한 마모 성능, 즉 최대 900℃의 높은 온도에서도 높은 미끄럼 마모 내성, 높은 고온 강도, 및 치수 안정성을 특징으로 하며, 추가로 탁월한 내산화성과 내부식성을 특징으로 하는 터보차저 응용을 위한 구성요소를 본 발명에 따라 설명한다. 이러한 탁월한 특성들에 의해, 본 발명에 따른 구성요소는 최대 900℃의 높은 온도 및/또는 높은 마찰 수준에 노출되는 터보차저 응용을 위한 구성요소에 특히 적합하다. 예시적인 구성요소들은 동적 구성요소, 웨이스트게이트 구성요소, 및 VTG 구성요소, 특히 VTG 구성요소 및 플랩 장착 부품을 포함한다.Therefore, components for turbocharger applications featuring excellent wear performance, high slip wear resistance, high temperature strength, and dimensional stability even at high temperatures of up to 900 DEG C, and further characterized by excellent oxidation resistance and corrosion resistance Will be described according to the present invention. These excellent properties make the component according to the invention particularly suitable for components for turbocharger applications which are exposed to high temperatures and / or high friction levels of up to 900 ° C. Exemplary components include dynamic components, waste gate components, and VTG components, particularly VTG components and flap mount components.

철계 합금은 종래의 공정들에 의해 터보차저 응용을 위한 본 발명에 따른 구성요소를 형성하도록 제조 및 가공될 수 있다. 치수 안정성을 보장하기 위해, 이차 석출물들을 생성하도록, 시효-어닐링(age-annealing)이 약 2 시간 동안 900℃에서 수행되고, 이어서 공기 냉각이 수행될 수 있다. 재료는 TIG, 플라즈마, EB 용접 공정들에 의해 용접될 수 있다.Iron-based alloys can be manufactured and processed to form components according to the invention for turbocharger applications by conventional processes. To ensure dimensional stability, age-annealing may be performed at 900 ° C. for about 2 hours, followed by air cooling, to produce secondary precipitates. The material may be welded by TIG, plasma, EB welding processes.

독립적으로 다루어질 수 있는 목적으로서, 청구범위 제7항은, 페라이트 베이스 구조를 가진 철계 합금으로 이루어지며, 탄화물 및 질화물 구조를 포함하는, 전술한 바와 같은, 적어도 하나의 구성요소를 포함하는 배기가스 터보차저를 정의한다.As an object that can be handled independently, claim 7 consists of an iron-based alloy with a ferrite base structure and comprises at least one component as described above, comprising a carbide and nitride structure. Define the turbocharger.

본 발명에 따른 구성요소의 유리한 실시예들은 또한 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 실시예들에서 적용 가능하다.Advantageous embodiments of the component according to the invention are also applicable in embodiments of the exhaust gas turbocharger according to the invention.

도 1은 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 부분 절개 사시도를 도시한다.1 shows a partially cutaway perspective view of an exhaust gas turbocharger according to the invention.

도 1은 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 부분 절개 사시도를 도시한다. 도 1은 터빈 케이싱(2), 및 베어링 케이싱(28)을 통해 터빈 케이싱에 연결된 압축기 케이싱(3)을 구비한 본 발명에 따른 터보차저(1)를 도시한다. 케이싱들(2, 3, 28)은 회전축(R)을 따라 배치된다. 터빈 케이싱은 블레이드 베어링 링(6) 및 반경방향 외부 가이드 격자(18)의 배치를 보여주기 위해 부분 단면도로 도시되는데, 가이드 격자는 상기 링에 의해 형성되며, 회전축(8)들을 가지며 원주 상에 분포되는 복수의 조절 블레이드(7)를 구비한다. 이런 방식으로, 조절 블레이드(7)들의 위치에 따라 더 커지거나 더 작아지는 노즐 횡단면들이 형성되어, 엔진으로부터의 배기가스와 함께 회전축(R)의 중심에 위치하는 터빈 로터(4) 상에 더 크거나 더 작게 작용하되, 상기 배기가스는 공급 덕트(9)를 통해 공급되고, 중앙 연결 부품(10)을 통해 토출되어, 터빈 로터(4)를 이용하여 동일한 샤프트에 안착된 압축기 로터(17)를 구동한다.1 shows a partially cutaway perspective view of an exhaust gas turbocharger according to the invention. 1 shows a turbocharger 1 according to the invention with a turbine casing 2 and a compressor casing 3 connected to the turbine casing via a bearing casing 28. The casings 2, 3, 28 are arranged along the axis of rotation R. The turbine casing is shown in partial cross-sectional view to show the placement of the blade bearing ring 6 and the radially outer guide grating 18, which is formed by the ring and has a shaft of rotation 8 and is distributed circumferentially. A plurality of adjustment blades 7 are provided. In this way, nozzle cross sections which become larger or smaller depending on the position of the regulating blades 7 are formed, which are larger on the turbine rotor 4 which is located in the center of the axis of rotation R with the exhaust gas from the engine. Or smaller, the exhaust gas is supplied through a supply duct 9, discharged through a central connecting element 10, and the compressor rotor 17 seated on the same shaft using the turbine rotor 4. Drive.

조절 블레이드(7)들의 운동 또는 위치를 제어하기 위해 구동 장치(11)가 구비된다. 이는 임의의 바람직한 방식으로 설계될 수 있지만, 바람직한 실시예는 제어 케이싱(12)을 포함하고, 제어 케이싱은 이에 체결된 태핏 부재(14)의 제어 운동을 제어하여, 블레이드 베어링 링(6)의 후방에 위치한 조절 링(5)에 대한 상기 태핏 부재의 운동을 조절 링의 작은 회전 운동으로 변환한다. 조절 블레이드(7)들을 위한 자유 공간(13)이 블레이드 베어링 링(6)과 터빈 케이싱(2)의 환상 부분(15) 사이에 형성된다. 이러한 자유 공간(13)을 확보할 수 있도록, 블레이드 베어링 링(6)은 스페이서(16)들을 구비한다.A drive device 11 is provided for controlling the movement or position of the adjusting blades 7. It can be designed in any desired manner, but the preferred embodiment includes a control casing 12, which controls the control movement of the tappet member 14 fastened thereto, so that the rear of the blade bearing ring 6 is controlled. The movement of the tappet member relative to the control ring 5 located in the control ring 5 is converted into a small rotational movement of the control ring. Free space 13 for the regulating blades 7 is formed between the blade bearing ring 6 and the annular portion 15 of the turbine casing 2. To ensure this free space 13, the blade bearing ring 6 has spacers 16.

실시예Example

달리 명시되지 않은 한, 개별 원소들의 양의 표시는 각각의 경우 철계 합금의 총 중량과 관련된다.Unless otherwise specified, the indication of the amount of individual elements is in each case related to the total weight of the iron-based alloy.

터보차저 응용을 위한 본 발명에 따른 복수의 구성요소, 구체적으로 플랩 샤프트, 플랩 플레이트, 부시를 형성한 철계 합금은 일반적인 공정에 의해 하기 원소들로 제조되었다. 화학 분석은 원소들을 위한 하기 값들을 산출하였다: C: 0.25중량% 내지 0.4중량%, Cr: 18중량% 내지 20중량%, Mn: 1중량% 미만, Si: 1중량% 내지 1.8중량%, Nb: 0.6중량% 내지 1.1중량%, Ti: 0.3중량% 내지 0.5중량%, W: 2중량% 내지 2.7중량%, V: 0.5중량% 내지 0.8중량%, N: 3중량% 이하, 및 잔여부로서의 철(Fe). 또한, Al, Ni, Zr, Ce, B, P, S의 불가피한 잔류물들이 1중량% 미만의 비율로 미량 발견되었다.A plurality of components according to the invention for turbocharger applications, in particular iron-based alloys with flap shafts, flap plates, bushes, have been produced from the following elements by a general process. The chemical analysis yielded the following values for the elements: C: 0.25 wt% to 0.4 wt%, Cr: 18 wt% to 20 wt%, Mn: less than 1 wt%, Si: 1 wt% to 1.8 wt% : 0.6% to 1.1% by weight, Ti: 0.3% to 0.5% by weight, W: 2% to 2.7% by weight, V: 0.5% to 0.8% by weight, N: 3% by weight or less, and remaining portions Iron (Fe). In addition, trace amounts of unavoidable residues of Al, Ni, Zr, Ce, B, P and S were found in a ratio of less than 1% by weight.

본 실시예에 따라 제조된 구성요소들은 하기 특성들을 특징으로 하였다:The components produced according to this embodiment were characterized by the following characteristics:

Figure pct00002
Figure pct00002

재료는 하기 시험들을 포함한 일련의 유효성 시험을 거쳤다.The material went through a series of validation tests, including the following tests.

- 야외 풍화 시험Outdoor weathering test

- 기후 변화 시험Climate change test

- 열충격 시험/주기 시험 - 300 시간Thermal shock test / cycle test-300 hours

- 분해로 내의 고온-가스 부식 시험-Hot-gas corrosion test in cracking furnace

- DIN EN ISO 3651-2에 따른 스트라우스 시험-Strauss test according to DIN EN ISO 3651-2

- 마찰계의 진동 마찰 마모 시험: 작동 온도(900℃)에서의 부시/샤프트Vibration friction wear test of friction system: bush / shaft at operating temperature (900 ℃)

각각의 구성요소는 모든 시험에서 작용력에 대한 탁월한 내성을 특징으로 하였다. 그러므로, 재료는 굉장히 높은 내마모성과 탁월한 내산화성을 가졌고, 그에 따라 지시된 조건 하에서 재료에 대한 부식 및 마모/마찰 마모가 현저히 감소하였고, 그 결과 재료의 그리고 그에 따른 재료로 형성된 구성요소의 내성이 장기간에 걸쳐 보장되었다.Each component was characterized by excellent resistance to effort in all tests. Therefore, the material has very high abrasion resistance and excellent oxidation resistance, thereby significantly reducing the corrosion and wear / abrasion of the material under the indicated conditions, and consequently the resistance of the material and of the components formed of the material to the long term Guaranteed throughout.

열주기 시험:Heat cycle test:

본 발명에 따른 구성요소들(샤프트/부시)은 열주기 시험을 거쳤고, 여기서 열충격이 다음과 같이 이행되었다:The components (shaft / bush) according to the invention have been subjected to thermal cycle testing, where the thermal shock is implemented as follows:

1. 정지 로터들의 사용;1. use of stationary rotors;

2. 2-EGT 작동;2. 2-EGT operation;

3. 시험 지속시간: 350 시간(약 2000 주기);3. Duration of test: 350 hours (about 2000 cycles);

4. 시험 내내, EGT들의 배기가스 플랩이 15°개방 유지된다;4. Throughout the test, the exhaust flaps of the EGTs remain 15 ° open;

5. 고온: 정격 전력점 T3 = 750℃, 터빈측의 질량 유동 EGT: 0.5kg/s;5. High temperature: rated power point T3 = 750 ° C., mass flow EGT at turbine side: 0.5 kg / s;

6. 저온: T3 = 100℃, 터빈측의 질량 유동 EGT: 0.5kg/s;6. Low temperature: T3 = 100 占 폚, mass flow EGT on the turbine side: 0.5 kg / s;

7. 주기 지속시간: 2X5분(10분);7. Cycle duration: 2 × 5 minutes (10 minutes);

8. 3번의 중간 크랙 시험이 수행된다.8. Three intermediate crack tests are performed.

하기 부하 집단이 주어질 때, 본 발명에 따른 각각의 구성요소(샤프트/부시)는 낮은 고온 산화, 즉 900℃의 구성요소 온도에서의 40㎛ 이하, 특히 35㎛ 이하의 산화율을 특징으로 하였다.Given the following load groups, each component (shaft / bush) according to the present invention was characterized by low high temperature oxidation, i.e. an oxidation rate of less than or equal to 40 [mu] m, especially less than or equal to 35 [mu] m at component temperatures of 900 [deg.] C.

Figure pct00003
Figure pct00003

여기 나타낸 결과들은 본 발명에 따른 구성요소가 최대 900℃의 온도 범위에서의 터보차저 응용에 이상적으로 적합하다는 것을 입증한다.The results presented here demonstrate that the components according to the invention are ideally suited for turbocharger applications in the temperature range up to 900 ° C.

도면 부호 목록List of reference marks

1 터보차저1 turbocharger

2 터빈 케이싱2 turbine casing

3 압축기 케이싱3 compressor casing

4 터빈 로터4 turbine rotor

5 조절 링5 adjustable ring

6 블레이드 베어링 링6 blade bearing ring

7 조절 블레이드7 adjustable blades

8 피벗축8 pivot axis

9 공급 덕트9 supply duct

10 축방향 연결 부품10 axial connection parts

11 구동 장치11 drive unit

12 제어 케이싱12 control casing

13 조절 블레이드(7)들을 위한 자유 공간13 Free space for the adjustable blades (7)

14 태핏 부재14 tappet member

15 터빈 케이싱(2)의 환상 부분15 annular part of the turbine casing (2)

16 스페이서/스페이서 캠16 spacer / spacer cam

17 압축기 로터17 compressor rotor

18 가이드 격자18 guide grid

28 베어링 케이싱28 bearing casing

R 회전축R axis of rotation

Claims (10)

특히 디젤 엔진에서의 터보차저 응용을 위한 구성요소로,
상기 구성요소는 탄화물 및 질화물 구조를 포함하는 페라이트 베이스 구조를 가진 철계 합금으로 이루어진, 터보차저 응용을 위한 구성요소.
Especially for turbocharged applications in diesel engines,
Wherein said component is made of an iron-based alloy having a ferrite base structure comprising carbide and nitride structures.
제1항에 있어서, 상기 구성요소는 W, Ti, Nb로부터 선택된 원소들 중 적어도 하나를 포함하는, 터보차저 응용을 위한 구성요소.The component of claim 1, wherein the component comprises at least one of elements selected from W, Ti, Nb. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구성요소는 C, W, Cr, Mn, Ti, V, Nb, Si로부터 선택된 원소들 중 적어도 하나를 포함하는, 터보차저 응용을 위한 구성요소.The component of claim 1 or 2, wherein the component comprises at least one of elements selected from C, W, Cr, Mn, Ti, V, Nb, Si. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구성요소는 하기 원소들을 실질적으로 포함하는, 터보차저 응용을 위한 구성요소.
C: 0.1중량% 내지 0.5중량%, 특히 0.25중량% 내지 0.4중량%,
Cr: 15중량% 내지 22중량%, 특히 18중량% 내지 20중량%,
Mn: 1.3중량% 이하, 특히 1중량% 이하,
Si: 0.8중량% 내지 2.1중량%, 특히 1중량% 내지 1.8중량%,
Nb: 0.4중량% 내지 1.3중량%, 특히 0.6중량% 내지 1.1중량%,
Ti: 0.2중량% 내지 0.6중량%, 특히 0.3중량% 내지 0.5중량%,
W: 1.8중량% 내지 3.0중량%, 특히 2중량% 내지 2.7중량%,
V: 0.3중량% 내지 1.0중량%, 특히 0.5중량% 내지 0.8중량%,
N: 3중량% 이하, 특히 2중량% 이하, 및
Fe: 최대 100중량%.
The component as claimed in claim 1, wherein the component comprises substantially the following elements.
C: 0.1% to 0.5% by weight, in particular 0.25% to 0.4% by weight,
Cr: 15% to 22% by weight, in particular 18% to 20% by weight,
Mn: 1.3 wt% or less, especially 1 wt% or less,
Si: 0.8% to 2.1% by weight, in particular 1% to 1.8% by weight,
Nb: 0.4% to 1.3% by weight, in particular 0.6% to 1.1% by weight,
Ti: 0.2% to 0.6% by weight, in particular 0.3% to 0.5% by weight,
W: 1.8% to 3.0% by weight, in particular 2% to 2.7% by weight,
V: 0.3% to 1.0% by weight, in particular 0.5% to 0.8% by weight,
N: 3 wt% or less, especially 2 wt% or less, and
Fe: up to 100% by weight.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구성요소는 실질적으로 시그마상이 없는, 터보차저 응용을 위한 구성요소.The component of claim 1, wherein the component is substantially free of sigma. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구성요소는 동적 구성요소 및/또는 웨이스트게이트 구성요소 및/또는 VTG 구성요소, 특히 VTG 구성요소 및/또는 플랩 장착 부품인, 터보차저 응용을 위한 구성요소.6. Turbocharger application according to any one of claims 1 to 5, wherein the component is a dynamic component and / or a waste gate component and / or a VTG component, in particular a VTG component and / Component for. 특히 디젤 엔진을 위한 배기가스 터보차저로,
상기 터보차저는 탄화물 및 질화물 구조를 포함하는 페라이트 베이스 구조를 가진 철계 합금으로 이루어진 적어도 하나의 구성요소를 포함하는, 배기가스 터보차저.
Especially as exhaust turbocharger for diesel engine,
Wherein said turbocharger comprises at least one component of an iron-based alloy having a ferrite base structure comprising a carbide and nitride structure.
제7항에 있어서, 상기 구성요소는 W, Ti, Nb로부터 선택된 원소들 중 적어도 하나, 및 특히 C, W, Cr, Mn, Ti, V, Nb, Si로부터 선택된 원소들 중 적어도 하나를 포함하는, 배기가스 터보차저.8. The device of claim 7, wherein the component comprises at least one of elements selected from W, Ti, Nb, and in particular at least one of elements selected from C, W, Cr, Mn, Ti, V, Nb, Si. Exhaust gas turbocharger. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 구성요소는 하기 원소들을 실질적으로 포함하는, 배기가스 터보차저.
C: 0.1중량% 내지 0.5중량%, 특히 0.25중량% 내지 0.4중량%,
Cr: 15중량% 내지 22중량%, 특히 18중량% 내지 20중량%,
Mn: 1.3중량% 이하, 특히 1중량% 이하,
Si: 0.8중량% 내지 2.1중량%, 특히 1중량% 내지 1.8중량%,
Nb: 0.4중량% 내지 1.3중량%, 특히 0.6중량% 내지 1.1중량%,
Ti: 0.2중량% 내지 0.6중량%, 특히 0.3중량% 내지 0.5중량%,
W: 1.8중량% 내지 3.0중량%, 특히 2중량% 내지 2.7중량%,
V: 0.3중량% 내지 1.0중량%, 특히 0.5중량% 내지 0.8중량%,
N: 3중량% 이하, 특히 2중량% 이하, 및
Fe: 최대 100중량%.
The exhaust gas turbocharger according to claim 7 or 8, wherein the component substantially comprises the following elements.
C: 0.1% to 0.5% by weight, in particular 0.25% to 0.4% by weight,
Cr: 15% to 22% by weight, in particular 18% to 20% by weight,
Mn: 1.3 wt% or less, especially 1 wt% or less,
Si: 0.8% to 2.1% by weight, in particular 1% to 1.8% by weight,
Nb: 0.4% to 1.3% by weight, in particular 0.6% to 1.1% by weight,
Ti: 0.2% to 0.6% by weight, in particular 0.3% to 0.5% by weight,
W: 1.8% to 3.0% by weight, in particular 2% to 2.7% by weight,
V: 0.3% to 1.0% by weight, in particular 0.5% to 0.8% by weight,
N: 3 wt% or less, especially 2 wt% or less, and
Fe: up to 100% by weight.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구성요소는 실질적으로 시그마상이 없는, 배기가스 터보차저.10. An exhaust gas turbocharger according to any one of claims 7 to 9, wherein the component is substantially sigma-phase.
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