(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にディーゼルエンジン用のターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリであって、
炭化物微細組織を含む鉄基合金と、「希土類」のうちの少なくとも１つの元素若しくは１つの化合物及び／又はＹ２Ｏ３の分散体とからなり、前記鉄基合金が、元素ランタン及びハフニウムを含み、合金の全体積に対するそれらの体積分率が合計で最大約２体積％となり、
前記鉄基合金が、以下の構成成分、すなわち、Ｃ：０．０５〜０．３５重量％、Ｃｒ：１７〜２６重量％、Ｎｉ：１５〜２２重量％、Ｃｏ：１５〜２３重量％、Ｍｏ：１〜４重量％、Ｗ：１．５〜４重量％、Ｔａ：１〜３．５重量％、Ｚｒ：０．１〜０．５重量％、Ｈｆ：０．４〜１．２重量％、Ｂ：最大０．２重量％、Ｌａ：最大０．２５重量％、Ｓｉ：最大１重量％、Ｍｎ：１〜２重量％、Ｎｂ：０．５〜２重量％、Ｔｉ：１〜２．５重量％、Ｎ：０．１〜０．５重量％、ＳとＰとの合計：０．０４重量％未満、及びＦｅを含む、
バイパス制御用サブアセンブリ。
【請求項２】
前記鉄基合金が、イットリウムを含む請求項１記載のバイパス制御用サブアセンブリ。
【請求項３】
特にディーゼルエンジン用のターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリであって、
炭化物微細組織を含む鉄基合金と、「希土類」のうちの少なくとも１つの元素若しくは１つの化合物及び／又はＹ２Ｏ３の分散体とからなり、前記鉄基合金が、元素ランタン及びハフニウムを含み、合金の全体積に対するそれらの体積分率が合計で最大約２体積％となり、
前記鉄基合金が、以下の構成成分、すなわち、Ｃ：０．０５〜０．３５重量％、Ｃｒ：１７〜２６重量％、Ｎｉ：１５〜２２重量％、Ｃｏ：１５〜２３重量％、Ｍｏ：１〜４重量％、Ｗ：１．５〜４重量％、Ｔａ：１〜３．５重量％、Ｚｒ：０．１〜０．５重量％、Ｙ２Ｏ３：０．４〜１．５重量％、Ｔｉ：１．５〜３重量％、Ｓｉ：最大１重量％、Ｍｎ：０．８〜２．５重量％、Ｎｂ：０．５〜１．７重量％、Ｎ：０．０５〜０．５重量％、ＳとＰとの合計：０．０５重量％未満、及びＦｅを含む、
バイパス制御用サブアセンブリ。
【請求項４】
前記鉄基合金がσ相を含まない、請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイパス制御用サブアセンブリ。
【請求項５】
ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリを含む排気ターボチャージャであって、
炭化物微細組織を含む鉄基合金と、「希土類」のうちの少なくとも１つの元素若しくは１つの化合物及び／又はＹ２Ｏ３の分散体とからなり、前記鉄基合金が、元素ランタン及びハフニウムを含み、合金の全体積に対するそれらの体積分率が合計で最大約２体積％となるバイパス制御用サブアセンブリを含み、
前記鉄基合金が、以下の構成成分、すなわち、Ｃ：０．０５〜０．３５重量％、Ｃｒ：１７〜２６重量％、Ｎｉ：１５〜２２重量％、Ｃｏ：１５〜２３重量％、Ｍｏ：１〜４重量％、Ｗ：１．５〜４重量％、Ｔａ：１〜３．５重量％、Ｚｒ：０．１〜０．５重量％、Ｈｆ：０．４〜１．２重量％、Ｂ：最大０．２重量％、Ｌａ：最大０．２５重量％、Ｓｉ：最大１重量％、Ｍｎ：１〜２重量％、Ｎｂ：０．５〜２重量％、Ｔｉ：１〜２．５重量％、Ｎ：０．１〜０．５重量％、ＳとＰとの合計：０．０４重量％未満、及びＦｅを含む、
排気ターボチャージャ。
【請求項６】
前記鉄基合金がイットリウムを含む、請求項５記載の排気ターボチャージャ。
【請求項７】
ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリを含む排気ターボチャージャであって、
炭化物微細組織を含む鉄基合金と、「希土類」のうちの少なくとも１つの元素若しくは１つの化合物及び／又はＹ２Ｏ３の分散体とからなり、前記鉄基合金が、元素ランタン及びハフニウムを含み、合金の全体積に対するそれらの体積分率が合計で最大約２体積％となるバイパス制御用サブアセンブリを含み、
前記鉄基合金が、以下の構成成分、すなわち、Ｃ：０．０５〜０．３５重量％、Ｃｒ：１７〜２６重量％、Ｎｉ：１５〜２２重量％、Ｃｏ：１５〜２３重量％、Ｍｏ：１〜４重量％、Ｗ：１．５〜４重量％、Ｔａ：１〜３．５重量％、Ｚｒ：０．１〜０．５重量％、Ｙ２Ｏ３：０．４〜１．５重量％、Ｔｉ：１．５〜３重量％、Ｓｉ：最大１重量％、Ｍｎ：０．８〜２．５重量％、Ｎｂ：０．５〜１．７重量％、Ｎ：０．０５〜０．５重量％、ＳとＰとの合計：０．０５重量％未満、及びＦｅを含む、
排気ターボチャージャ。
【請求項８】
前記鉄基合金がσ相を含まない、請求項５〜７のいずれか一項に記載の排気ターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段に係る、特にディーゼルエンジンのターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリに関し、また、請求項１０の前段に係る、ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリを備えた排気ターボチャージャにも関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ターボチャージャは、ピストンエンジンの出力を増加させるためのシステムである。排気ターボチャージャでは、出力を増加させるために排気のエネルギーが用いられる。出力の増加は、作動行程当たりの混合気流量が増加する結果として得られる。
【０００３】
ターボチャージャは、排気タービンであって、シャフトと、エンジンの吸気経路に配置されたコンプレッサであって、シャフトに連結されているコンプレッサとを備える排気タービンと、排気タービンのケーシング内及びコンプレッサ内に位置する回転するブレードホイールとから本質的になる。
【０００４】
多段過給、すなわち少なくとも二段過給が可能で、それにより排気ジェットからさらに多くの出力を生じさせることのできる排気ターボチャージャが公知である。かかる多段排気ターボチャージャは、高度の動的繰返し応力に対する調整部材、正確には、排気ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリ、例えば、特にフラッププレート、レバー又はスピンドルなどを含む特定の構成を有する。
【０００５】
排気ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリは、極めて厳しい材料要件を満たす必要がある。バイパス制御用サブアセンブリの個々の構成部品を形成する材料は耐熱性でなければならず、すなわち少なくとも約８５０℃に至る超高温であってもなお十分な強度を提供しなければならない。さらに、材料は鋳造中、良好な耐粒界破壊性を有しなければならない。材料が耐粒界破壊性を有する場合、結果的に精密鋳造において薄い壁厚であっても複雑な充填構造を実現することができ、これは特に、排気ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリが細密な幾何形状の部品である場合、決定的に重要な基準となる。さらに、過負荷下でも部品が塑性変形を受けず、破壊しないよう、材料は延性が十分に高くなければならない。
【０００６】
複流排気吸入管を備えた排気ターボチャージャが、独国特許出願公開第１０  ２００７  ０１８  ６１７  Ａ１号明細書により公知である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、本発明の目的は、耐温度性が向上し、且つ材料の鋳造中の良好な耐粒界破壊性により区別される、請求項１の前段に係る、ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリ、及び請求項１０の前段に係るターボチャージャを提供することであった。さらに、バイパス制御用サブアセンブリは、延性が高く、安定性を有し、且つ易摩耗性が低くなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、請求項１の特徴及び請求項１０の特徴によって実現される。
【０００９】
炭化物微細組織を含む鉄基合金と、「希土類」のうちの少なくとも１つの元素若しくは１つの化合物及び／又はＹ２Ｏ３の分散体とからなる、ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリの本発明に係る設計により、最終的に、特に良好な強度及び安定性により区別される、タービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリを提供する材料が実現される。本発明に係る材料の安定性は、特に、材料が高い耐粒界破壊性を有する点で促進される。「希土類」のうちの少なくとも１つの元素及び／又は１つの化合物又はＹ２Ｏ３により、粒界凝集力が高まると推測される。結晶粒界に関して有効な元素であり、且つその製造中においても材料の安定化をもたらすのは、正確にこれらの化学元素であるものと思われる。
【００１０】
理論の関与するところではないが、目的とする用途に対して均衡のとれた特性プロファイル、正確には、極めて良好な延性と共に十分な強度を有するのは、まさに、炭化物微細組織を含む本発明に係る鉄基合金であると推測される。さらに、この材料は、高温、すなわち８７０℃に至る温度の負荷下であっても、高い安定性、従って低い摩耗性を有することにより区別される。
【００１１】
「希土類」のうちの少なくとも１つの元素若しくは１つの化合物及び／又はＹ２Ｏ３を鉄基合金中に分散させることにより、高温条件下での格子すべりが抑制され、ひいてはさらなる材料の安定化がもたらされ、すなわち、粒界破壊が防止され、又は著しく低減されることが分かっている。さらに、「希土類」の元素若しくは化合物及び／又はＹ２Ｏ３の微細分散質は転位固着を強化し、従って材料の鋳造中及び最終的な形態の生成中、材料が安定しているため、複雑な充填構造であっても、壁厚が極薄であっても、製造することができる。
【００１２】
本発明に係るサブアセンブリは、材料の固有の組成と、「希土類」のうちの少なくとも１つの元素若しくは１つの化合物及び／又はＹ２Ｏ３と組み合わせた炭化物微細組織を有する鉄合金における均衡のとれた比率とに起因する、８７０℃に至る耐温度性により区別される。
【００１３】
さらに、本発明に係る、ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリは、長時間破断強度が大幅に向上する。
【００１４】
本発明に係る、ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリとは、高度の動的繰返し応力に対する調整部材の一部である全ての構造部品、特に、フラットプレート、レバー、ブシュ又はスピンドルを意味するものと理解される。本発明に係るバイパス制御用サブアセンブリは、好ましくは、多段又は少なくとも二段排気ターボチャージャにおいて用いられるものである。
【００１５】
用語「希土類」は、元素の周期系において定義「ランタノイド系」のもとにまとめられる全ての元素、すなわち、本質的に、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウムを意味するものと理解される。
【００１６】
用語「元素」は、純粋な化学元素及びその化合物、特にその酸化物の双方を意味するものとして理解されるべきである。
【００１７】
従属請求項は、本発明の有利な発展形態を含む。
【００１８】
従って、一実施形態において、鉄基合金にホウ素及び／又はジルコニウムを添加することにより、結晶粒界におけるビード状炭化物膜の形成を抑制し、又はその形成を防止することができる。加えて、元素ホウ素により、固相線、すなわち□組織から□組織への転換ラインの低下が実現され、その結果、材料にさらなる安定性、従って強度がもたらされる。
【００１９】
さらなる実施形態において、本発明に係るサブアセンブリは、鉄基合金が、鉄基合金の全重量、すなわち合金全体の全重量に対して約５〜１０重量％の合計分率の元素チタン、タンタル及び炭素（Ｔｉ、Ｔａ、Ｃ）を含む点で区別される。これらの元素により、析出硬度及び材料中の金属間化合物の形成が増加する。特に、析出硬化によってより高い公称強度が実現されるため、材料マトリックスは、弾性より塑性のほうが小さい熱力学的収縮振幅を受ける。その結果、振動強度が高くなり、すなわち負荷下における材料の抵抗性が著しく上昇する。元素チタン、タンタル及び炭素の分率が高過ぎると、すなわち１０重量％より高いと、炭化物生成の二次析出により材料の強度は再び低下する。材料の弾性が再び増加し、従って被加工物の十分な安定性を長期間にわたり確保することができない。構造部品は歪みを被る。Ｔｉ、Ｔａ及びＣ分率が合金の全重量に対して５重量％未満である場合、金属間化合物の安定化分率が低過ぎるため、被加工物の安定性は向上しない。
【００２０】
さらなる実施形態において、本発明に係るサブアセンブリは、鉄基合金が元素ランタン及びハフニウムを含み、それらの体積分率が、合計で合金全体の全体積に対して最大２体積％に達する点で区別される。かかる体積分率の２つの元素により、材料の延性が再び著しく増加する。さらに、粒界及びマトリックス内における凝集率及び接着率が強化され、従って材料の鋳造中における粒界破壊がさらに効果的に防止され、又は破壊が著しく低減される。さらに、元素ランタン及びハフニウムの体積分率が２体積％より高くなると、新たに著しい延性の増加を提供することはできず、従って有益ではない。
【００２１】
さらなる実施形態において、本発明に係るサブアセンブリは、鉄基合金が元素ランタン、ハフニウム、ホウ素、イットリウム及びジルコニウムを含むことを特徴とする。既述のとおり、Ｙ２Ｏ３は極めて耐温度性の高い分散質であり、これは強い転位固着の傾向を有すると同時に被覆層の接着性を向上させ、その結果、耐酸化性までもが増加する。元素ジルコニウムもまた、結晶粒界に関して有効な元素である。ジルコニウムはさらに結晶粒間成長（ｉｎｔｅｒｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｇｒａｉｎ  ｇｒｏｗｔｈ）を低減し、結果的に材料の延性及び長時間破断強度を再び倍増させる。同時にジルコニウムは、結晶粒界において炭化物膜が形成され、それにより材料の不安定性及び結晶粒界の破壊がもたらされ得ることを防止する。ここで驚くことに、元素Ｌａ、Ｈｆ、Ｂ、Ｙ及びＺｒは、正確に組み合わせると、材料マトリックス内の転位傾向を著しく抑制し、それにより被加工物の強度を増加させるため、従って材料の易摩耗性が著しく低減されることが分かった。これは、負荷変動によって引き起こされる破壊に関して、構造部品が大幅な正の遅延を示すことを意味する。結果的に構造部品の有効寿命を再び著しく増加させることができる。
【００２２】
さらなる実施形態において、本発明に係る、ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリは、さらに、高温ガス耐食性能の向上により区別される。これは、本発明に従えば、元素チタン、タンタル、クロム及びコバルトにより達成される。この実施形態において、その総分率は、合金の全重量に対して約２２〜３５重量％となる。含有量が低い場合、すなわち約２２重量％未満の場合、高温ガス耐食性能はそれほど良好に実現することができない。特定の元素の含有量が３５重量％より高い場合、再び逆効果が現れ、高温ガス耐食性能は再び悪化する。
【００２３】
さらなる実施形態に従えば、バイパス制御用サブアセンブリは、以下の構成成分、すなわち、Ｃ：０．０５〜０．３５重量％、Ｃｒ：１７〜２６重量％、Ｎｉ：１５〜２２重量％、Ｃｏ：１５〜２３重量％、Ｍｏ：１〜４重量％、Ｗ：１．５〜４重量％、Ｔａ：１〜３．５重量％、Ｚｒ：０．１〜０．５重量％、Ｈｆ：０．４〜１．２重量％、Ｂ：最大０．２重量％、Ｌａ：最大０．２５重量％、Ｓｉ：最大１重量％、Ｍｎ：１〜２重量％、Ｎｂ：０．５〜２重量％、Ｔｉ：１〜２．５重量％、Ｎ：０．１〜０．５重量％、ＳとＰとの合計：０．０４重量％未満、及び鉄を含む特定の鉄基合金組成により区別される。
【００２４】
個々の元素の鉄基合金に対する影響は公知であるが、ここで驚くことに、正確に上記の組み合わせから得られる材料は、ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリの構造部品に加工したとき、それを特に均衡のとれた特性プロファイルを有するものとする材料であることが分かった。本発明に係るこの組成の結果、鋳造中に特に高い耐粒界破壊性を有する構造部品であって、さらに、高い強度と同時に極めて良好な延性値を有することにより区別される構造部品が得られる。固相線は著しく低下する。この構造部品は、「ＬＣＦ破壊」、すなわち負荷変動の作用下における破壊が大きく正に遅延することにより区別され、その結果、構造部品の有効寿命は著しく増加する。
【００２５】
この特定の組成に代えて、バイパス制御用サブアセンブリはまた、以下の構成成分、すなわち、Ｃ：０．０５〜０．３５重量％、Ｃｒ：１７〜２６重量％、Ｎｉ：１５〜２２重量％、Ｃｏ：１５〜２３重量％、Ｍｏ：１〜４重量％、Ｗ：１．５〜４重量％、Ｔａ：１〜３．５重量％、Ｚｒ：０．１〜０．５重量％、Ｙ２Ｏ３：０．４〜１．５重量％、Ｔｉ：１．５〜３重量％、Ｓｉ：最大１重量％、Ｍｎ：０．８〜２．５重量％、Ｎｂ：０．５〜１．７重量％、Ｎ：０．０５〜０．５重量％、ＳとＰとの合計：０．０５重量％未満、及び鉄を含む以下のさらなる特定の鉄基合金組成によっても区別され得る。
【００２６】
このタイプの鉄基合金からなる構造部品はまた、上記に特定した良好な特性によっても区別される。
【００２７】
従って、２種の特定の組成に従い製造した材料は、以下の特性を有する：
【００２８】
【表１】
0005645828.tif 000002
【００２９】
本発明のさらなる実施形態に従えば、本発明に係るバイパス制御用サブアセンブリ又はその鉄基合金はσ相を含まない。これにより材料の脆化が抑制され、その耐久性が高まる。σ相は高硬度の脆性焼結金属相である。これは、原子半径が同じで、差はあっても僅かである体心立方金属と面心立方金属とが互いに合わされるときに生じる。かかるσ相は、その脆化作用のため、またマトリックスのクロムを引き出す特性からも、望ましくない。本発明に係る材料は、σ相を含まない点で区別される。結果的に、材料の脆化が抑制され、その耐久性が高まる。σ相の生成の低減又は回避は、合金材料中のケイ素含有量を１．３重量％未満、好ましくは１重量％未満に下げることで実現される。さらに、オーステナイト生成元素、例えば、マンガン、窒素及びニッケルなどを、適切であるならば組み合わせて用いることが有利である。
【００３０】
本発明に従えば、本発明に係る、ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリがベースとする鉄基合金は、精密鋳造又はＭＩＭ法によって製造されてもよい。それぞれの材料は、従来のＷＩＧプラズマ法及びＥＢ法によって溶接される。熱処理は、約１０３０〜１０５０℃で８時間、真空中で溶体化焼鈍を施すことにより行われる。析出硬化は、約７２０℃で１６時間、バッチ炉で空冷しながら行われる。
【００３１】
請求項１０は、独立して取り扱うことのできる項として、既述のとおり、排気ターボチャージャのタービンケーシングにおけるバイパス制御用サブアセンブリであって、炭化物微細組織を含む鉄基合金と、「希土類」のうちの少なくとも１つの元素若しくは１つの化合物及び／又はＹ２Ｏ３の分散体とからなるサブアセンブリを含む排気ターボチャージャを定義する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】一実施形態における本発明に係るターボチャージャの部分図を示す。
【図２】ターボチャージャの調節フラップのフラッププレートの上面図を示す。
【図３】調節フラップの固定レバー及びスピンドルの上面図を示す。
【図４】固定レバーとフラッププレートとから構成される調節フラップの上面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は、一実施形態における本発明に係るターボチャージャ１の部分図を示し、コンプレッサ、コンプレッサケーシング、コンプレッサシャフト、軸受ケーシング及び軸受装置については、並びにその他のあらゆる従来の部品についてもまた、これ以上詳しく説明する必要はない。二段排気吸入管は、ここでは図示されない。排気吸入管は、排気吸入管から分岐してタービンケーシング２の排気口５に通じる複流バイパス管４を備える。バイパス管４は、開閉用の調節フラップ６を有する。
【００３４】
図２は、ターボチャージャ１の調節フラップ６のフラッププレート９の上面図を示し、このフラッププレート９は、この実施形態では円形であるが、一般には平坦領域１１も有し得る。フラッププレート９は、その上面に楕円形の固定ほぞ部１０をさらに有し、これはフラッププレート９に偏心して取り付けられ、且つほぞ部１０上には固定ヘッド１４が配置される。
【００３５】
図３は、調節フラップ６の固定レバー８及びスピンドル１３の上面図を示す。固定レバー８は自由端７でスピンドル１３に固定される。スピンドル１３は作動部材と角度をなして連結される。作動部材は調節フラップ６を作動させるためのものであり、これ以上詳しくは説明しない。図３に示されるとおり、固定レバー８は平板形状の設計であり、スピンドル１３に対して自在に選択可能な角度□（ここでは１３０°）に向けられる。固定レバー８は、その自由端１５の領域に受け凹部１６を有し、その形状は、フラッププレート９の固定ほぞ部１０の楕円形状に対応するよう、ここでは楕円形である。
【００３６】
図４は、固定レバー８とフラッププレート９とから構成される調節フラップ６の上面図を示す。図４は装着された調節フラップ６を示し、ここでは固定ほぞ部１０が受け凹部１６に配置され、その構成体が固定ヘッド１４によって固定される。さらに、図４は、２つの破線の半円１７及び１８によって複流バイパス管４の管の位置を示し、これらの２本の管１７及び１８は、隔壁１９によって分けられている。さらに、第１の管１７の中心が点Ｍ１によって示され、第２の管１８の中心が点Ｍ２によって示される。線Ｍｎは固定ヘッド１４の中心を表し、寸法Ａ及びＢは、フラッププレート９を固定レバー８に偏心して取り付けた幾何学的構成から生じるレバーアームを示す。
【符号の説明】
【００３７】
１  ターボチャージャ
２  タービンケーシング
４  バイパス管
５  排気口
６  調節フラップ／ウェイストゲートフラップ
７  スピンドル１３の自由端
８  固定レバー
９  フラッププレート
１０  フラッププレート９の固定ほぞ部
１１  フラッププレート９の平坦領域
１３  スピンドル
１４  固定ヘッド
１５  バイパスレバー８の自由端
１６  受け凹部
１７  バイパス管の第１の管
１８  バイパス管の第２の管
１９  隔壁
Ｍ１、Ｍ２  中心
Ｍｎ  固定ヘッドの中心
Ａ、Ｂ  レバーアーム
Ｌ  固定レバー８の長手方向軸
□  スピンドル１３とＬとの間の角度
【図１】
0005645828.tif 000003
【図２】
0005645828.tif 000004
【図３】
0005645828.tif 000005
【図４】
0005645828.tif 000006