(57)【要約】コバルト、炭素、ケイ素、マンガン、クロムの元素を含み、任意にモリブデン、ニオブ、及びタングステン、並びに任意に少量のアルミニウム、ニッケル、バナジウム、窒素、硫黄及びチタンのうちの１種以上も含む鉄ベース合金。クロム及びコバルトの合わせた量は、全合金の少なくとも１８重量％、より好ましくは少なくとも３４．５重量％、最も好ましくは少なくとも３６重量％である。クロム及びコバルトの合わせた量は、全合金の最大４１．５重量％である。本合金は、熱的に大きく応力を加えられかつ酸化及び／または腐食効果にさらされる機械的部品の例えばターボチャージャノズルリングにおいて使用するのに特に適している。【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄ベース合金の総重量のパーセントとして測定して、
Ｃ：０．２５〜０．６重量％、
Ｓｉ：０．０〜４．０重量％、
Ｍｎ：０．０〜３．０重量％、
Ｃｒ：１４〜２８重量％、及び、
Ｃｏ：２〜１８重量％を含む、鉄ベース合金。
【請求項２】
前記合金の総重量のパーセントとして測定して、
Ｃ：０．２５〜０．６重量％、
Ｓｉ：０．０〜４．０重量％、
Ｍｎ：０．０〜３．０重量％、
Ｃｒ：１９〜２８重量％、
Ｍｏ：１〜３重量％、
Ｎｂ：２〜４重量％、
Ｃｏ：１２〜１８重量％、及び、
Ｗ：２〜４重量％を含む、請求項１に記載の鉄ベース合金。
【請求項３】
Ｃ：０．３５〜０．４５重量％、
Ｓｉ：０．０〜１．０重量％、
Ｍｎ：０．０〜２．０重量％、
Ｃｒ：２１〜２５重量％、
Ｃｏ：１３．５〜１６．５重量％、
Ｍｏ：１．８〜２．２重量％、
Ｎｂ：２．８〜３．２重量％、及び、
Ｗ：２．３〜３．０重量％を含む、請求項１に記載の鉄ベース合金。
【請求項４】
Ｃ：０．４〜０．６重量％、
Ｓｉ：３．０〜４．０重量％、
Ｍｎ：０．０〜２．０重量％、
Ｃｒ：１４．０〜１８．０重量％、
Ｃｏ：６．０〜８．０重量％、
Ｍｏ：１．８〜２．２重量％、
Ｎｂ：１．８〜２．２重量％、
Ｎｉ：０．０〜０．５重量％、及び、
Ｓ：０．０〜０．０３５重量％を含む、請求項１に記載の鉄ベース合金。
【請求項５】
Ｃ：０．２５〜０．３５重量％、
Ｓｉ：３．０〜４．０重量％、
Ｍｎ：１．５〜２．０重量％、
Ｃｒ：１６．０〜２０．０重量％、
Ｃｏ：２．０〜３．０重量％を含み、加えて
Ｎｉ：０．０〜０．５重量％、及び、
Ｓ：０．２〜０．４重量％を含む、請求項１に記載の鉄ベース合金。
【請求項６】
コバルト、炭素、ケイ素、マンガン、クロムの元素を含み、任意に元素としてモリブデン、ニオブ、及びタングステンのうちの少なくとも１種、任意に少量のアルミニウム、ニッケル、バナジウム、窒素、硫黄及びチタンのうちの１種以上も含む鉄ベース合金において、クロムの量は全合金の少なくとも１９重量％、コバルトの量は少なくとも１２重量％、並びにクロム及びコバルトの合わせた量は少なくとも３４．５重量％である、鉄ベース合金。
【請求項７】
コバルト、炭素、ケイ素、マンガン、クロムの元素を含み、任意に元素としてモリブデン、ニオブ、及びタングステンのうちの少なくとも１種、任意に少量のアルミニウム、ニッケル、バナジウム、窒素、硫黄及びチタンのうちの１種以上も含む鉄ベース合金において、クロムの量は全合金の少なくとも１６重量％、コバルトの量は少なくとも２重量％、並びにクロム及びコバルトの合わせた量は少なくとも１８重量％である、鉄ベース合金。
【請求項８】
クロムの量は全合金の少なくとも２１重量％、コバルトの量は少なくとも１３．５重量％、並びにクロム及びコバルトの合わせた量は少なくとも３４．５重量％であり、残りは、鉄及び熱的に大きく応力を加えられかつ酸化及び／または腐食効果にさらされる機械的部品において使用するのに特に適した合金の製造のための冶金学的混和物である、請求項７に記載の鉄ベース合金。
【請求項９】
前記合金は７００℃の温度でアルファ値１４〜１５．５を含む、請求項８に記載の鉄ベース合金。
【請求項１０】
鉄ベース合金の総重量のパーセントとして測定して、重量で、
Ｃ：０．３〜０．５重量％、
Ｓｉ：０．０〜１．５重量％、
Ｍｎ：０．０〜３．０重量％、
Ｃｒ：１９〜２８重量％、
Ｃｏ：１２〜１８重量％、
Ｍｏ：１〜３重量％、
Ｎｂ：２〜４重量％、及び、
Ｗ：２〜４重量％を含む、鉄ベースターボチャージャ構成要素。
【請求項１１】
前記構成要素はノズルリングである、請求項１０に記載の鉄ベースターボチャージャ構成要素。
【請求項１２】
前記構成要素はローラーである、請求項１０に記載の鉄ベースターボチャージャ構成要素。
【請求項１３】
前記構成要素はグライドストーンである、請求項１０に記載の鉄ベースターボチャージャ構成要素。
【請求項１４】
重量で、Ｃ：０．４〜０．６重量％、
Ｓｉ：３．０〜４．０重量％、
Ｍｎ：０．０〜２．０重量％、
Ｃｒ：１４．０〜１８．０重量％、
Ｃｏ：６．０〜８．０重量％、
Ｍｏ：１．８〜２．２重量％、
Ｎｂ：１．８〜２．２重量％、
Ｎｉ：０．０〜０．５重量％、及び、
Ｓ：０．０〜０．０３５重量％を含む、鉄ベースターボチャージャ構成要素。
【請求項１５】
重量で、Ｃ：０．２５〜０．３５重量％、
Ｓｉ：３．０〜４．０重量％、
Ｍｎ：１．５〜２．０重量％、
Ｃｒ：１６．０〜２０．０重量％、
Ｃｏ：２．０〜３．０重量％、
Ｎｉ：０．０〜０．５重量％、及び、
Ｓ：０．２〜０．４重量％を含む、鉄ベースターボチャージャ構成要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱的に大きく応力を加えられかつ酸化及び／または腐食ガスにさらされる機械的部品の製造において使用するのに特に適した合金に関する。本発明はまた、排ガスタービンの流入通路中に配置されかつ本発明の合金で形成されたノズルリングを有する、ターボチャージャの排ガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャは、シャフトの一端に取り付けられたタービンホイールを回転させるための原動力ガス（motive gas）として内燃機関から排出される排ガスを使用する。圧縮機ホイールはシャフトの他端に取り付けられ、タービンホイールによって回転して空気を圧縮し、空気は次にエンジンに連通し、それによって、エンジン性能を増大させるためにエンジンに給気を供給する。動作効率を改良するために及び範囲を拡張するために、タービンホイールへの原動力排ガスの流れを制御することが望ましい。これは、タービンホイールへの入口スロート中に枢着され、周縁に間隔を置いて配置された一連のベーンを備えることによって行うことができる。ベーンを枢着することで、タービンホイールへのノズルの面積を変化させることができ、それによってタービンホイールへの排ガスの流れを調節する。構造的に、こうしたベーンはリング状部品に枢着される。この部品をノズルリングと呼ぶ。
【０００３】
ターボチャージャの排ガスタービン中に位置するノズルリングは、動作条件の変動、すなわち、作動媒体の圧力及び温度の上昇または低下によって、過酷な応力にさらされる。使用するタービン及び実際の使用の条件によっては、作動媒体は大きな温度勾配を有することがある。ノズルリングを囲繞するタービン構成要素と比較するとノズルリングはごく小さな質量を有するので、これは比較的に強い熱膨張にさらされる。
【０００４】
さらに、原動力排ガスは極めて腐食性があるので、ノズルリング及びターボチャージャタービン入口スロートの壁は、ベーンの固着または結合を防ぐために高い耐食性のある材料で製造されなければならない。増大しつつある寿命要件（例えば、市販のディーゼル車両の場合、百万マイル）は、向上した耐久性を有する先端材料によってのみ満たすことができる。
【０００５】
"Iron-aluminum alloy for use as thermal-shock resistance material"と称する米国特許第5,411,702号（Nazmy et al）は、わずかに機械的に応力を加えられる構成要素において使用されることを可能にする機械的性質を７００〜８００℃の温度でさえも依然として有する鉄−アルミニウム合金を教示している。同時に、熱サイクル負荷にさらされる熱設備の部品において、例えば、特に、ガスタービンの若しくはターボチャージャのケーシングまたはケーシング部品として或いはノズルリングとして、特にターボチャージャ用に、特に有利に使用できるような優れた耐熱衝撃性を有するものとしてこの合金を説明している。鉄−アルミニウム合金は、原子％で以下の成分を含む：１２〜１８％のアルミニウム；０．１〜１０％のクロム；０．１〜２％のニオブ；０．１〜２％のケイ素；０．１〜５％のホウ素；０．０１〜２％のチタン；１００〜５００ppmの炭素；５０〜２００ppmのジルコニウム；及び残りは鉄。
【０００６】
この合金は、その成分が比較的廉価な金属に限定されかつ戦略的政治的影響とは無関係に入手可能であるという事実によって識別されるが、この合金は、現代的な市販のディーゼルエンジンに期待される長寿命要件も自動車に期待される長寿命要件さえも満たさない。さらに、より高い温度でさえも動作できる部品に対する需要が存在する。
【０００７】
"Variable geometry turbocharger with high temperature insert in turbine throat"と称する米国特許第5,207,565号（Roessler）は、スロートの流れ面積（これを通って原動力排ガスがタービンホイールに連通する）を制御する可変形状機構を有するタービンハウジングを含むターボチャージャを教示している。タービンハウジングは、スロートの１つの壁を規定しかつタービンハウジングの一部分として所定の位置に鋳込まれるインサートを備える。標準的な可鍛鋳鉄と比較して非常に高いニッケル含量を有し、これに基づいて向上した耐食性特性を有して、スロートの面積を変化させるように枢支的に作動するベーンに隣接して非腐食性表面を設けることを確実にするための比較的に高価な高ニッケル含量材料の例えばＤ５Ｂ  ＮＩ−レジスト（D5B NI-RESIST）でインサートを製造してよい。ハウジングの残りを、より高価な耐食性高ニッケル含量材料（これからインサートを製造する）よりも実質的に高価でない標準的な可鍛鋳鉄で製造する。従って、Roesslerはコストの低減を実現するが、ターボチャージャ寿命の増大は実現しない。
【０００８】
従って、熱的に大きく応力を加えられさらに酸化及び／または腐食効果にさらされる熱機械類の長寿命部品の製造に特に適した新規な合金に対する必要が存在する。
また、排ガスタービンの流入通路中に配置されかつ作動媒体をタービンブレードの上に指向する長寿命ノズルリングを有する、ターボチャージャの排ガスタービンに対する必要が存在する。
【発明の開示】
【０００９】
上記の目的を、クロム及びコバルトの合わせた量は、全合金の少なくとも１８重量％、好ましくは少なくとも３４．５重量％、最も好ましくは少なくとも３６重量％、最大４６重量％、好ましくは全合金の４１．５重量％以下であり、残りは、鉄及び熱的に大きく応力を加えられかつ酸化及び／または腐食効果にさらされる機械的部品において使用するのに特に適した合金の製造のための冶金学的に適切な混和物であるという条件で、コバルト、炭素、ケイ素、マンガン、クロムの元素を含み、任意にさらなる元素としてモリブデン、ニオブ、及びタングステン、並びに任意に少量のアルミニウム、ニッケル、バナジウム、窒素、硫黄及びチタンのうちの１種以上も含む鉄ベース合金を使用することで達成する。
【００１０】
本発明の別の態様は、著しく腐食性のガスにさらされる装置及び機械の製造にあり、ここで、機械部品は、コバルト、炭素、ケイ素、マンガン、クロムの元素を含み、さらに任意に元素としてモリブデン、ニオブ、タングステン、ニッケル及び硫黄のうちの少なくとも１種を含む鉄ベース合金、好ましくはステンレス鋼合金から製造され、但し、クロム及びコバルトの合わせた量は、全合金の少なくとも１８重量％、最も好ましくは少なくとも３４．５重量％、最も好ましくは少なくとも３６重量％、全合金の最大４６重量％、好ましくは最大４１．５重量％である。
【００１１】
本発明による合金は、流量可変ターボチャージャにおいてノズルリングとして使用される場合に若干量の酸化を受けるが、ターボチャージャを通過する排ガス中のすす粒子と組み合わせられた酸化物が作用して、ノズルブレードを枢着するための潤滑効果を提供するという程度にのみ酸化が起きるということは、驚くべきである。従って、本発明に従って形成したノズルリング、ガイディングストーン及びローラーは、“自己潤滑”であり、従来技術のノズルリングと比較して結合または詰まり欠陥がより少ない。
【００１２】
本発明に従って形成したノズルリング、ガイディングストーン及びローラーのさらに驚くべき有利な特性は、それらの熱膨張率（アルファ値）は７００℃で約１４〜約１５．５であるという点である。これは、高温用途において使用するフェライト系合金はアルファ値約１１．５を有するが、高温用途において使用するオーステナイト系合金はアルファ値約１７．５を有するという点で利点となる。一般に、異なる熱膨張率を有する諸部品を同じ装置において使用して、例えば、滑りを促進し、結合を防ぐことが望ましい。従って、ターボチャージャを設計する場合に、どの部品がフェライト系であり、どの部品がオーステナイト系であるかを知って、その結果、適切なアルファ値を有するノズルリングを選択できることが必要である。本発明の合金は、７００℃でアルファ値１４〜１５．５、好ましくは約１４．５〜１５を有するので、このような合金から形成する部品は、オーステナイト系またはフェライト系合金から形成する部品と組み合わせて使用できる可能性があり、依然として十分な滑りを提供する。すなわち、本発明によるノズルリングを、ターボチャージャ材料に特に配慮することなく任意のターボチャージャにおいて使用できる。
【００１３】
本合金は、微細結晶粒構造、金属間相発達、酸化コバルトの形成、及び改良されたトライボロジー特性を特徴とする。
本鉄ベース合金は、好ましくは、Ｃ：０．２５〜０．６重量％、Ｓｉ：０．０〜４．０重量％、Ｍｎ：０．０〜３．０重量％、Ｃｒ：１４〜２８重量％、及びＣｏ：２〜１８重量％を含む。
【００１４】
本鉄ベース合金は、より好ましくは、Ｃ：０．３５〜０．４５重量％、Ｓｉ：０．０〜１．０重量％、Ｍｎ：０．０〜２．０重量％、Ｃｒ：２１〜２５重量％、Ｃｏ：１３．５〜１６．５重量％を含み、加えてＭｏ：１．８〜２．２重量％、Ｎｂ：２．８〜３．２重量％、及びＷ：２．３〜３．０重量％を含む。
【００１５】
本発明による鉄ベース合金は、他に、Ｃ：０．４〜０．６重量％、Ｓｉ：３．０〜４．０重量％、Ｍｎ：０．０〜２．０重量％、Ｃｒ：１４．０〜１８．０重量％、Ｃｏ：６．０〜８．０重量％を含んでよく、加えてＭｏ：１．８〜２．２重量％、Ｎｂ：１．８〜２．２重量％、Ｎｉ：０．０〜０．５重量％、及びＳ：０．０〜０．０３５重量％を含む。
【００１６】
さらに、本発明による鉄ベース合金は、Ｃ：０．２５〜０．３５重量％、Ｓｉ：３．０〜４．０重量％、Ｍｎ：１．５〜２．０重量％、Ｃｒ：１６．０〜２０．０重量％、Ｃｏ：２．０〜３．０重量％を含んでよく、加えてＮｉ：０．０〜０．５重量％、及びＳ：０．２〜０．４重量％を含む。
【００１７】
熱処理に関しては、焼ならし焼戻し鋼のうち最大１０％のフェライトを含むマルテンサイト系構造が好ましい。本発明の範囲に含まれるのは、合金の総重量のパーセントとして測定して、Ｃ：０．２５〜０．６重量％、Ｓｉ：０．０〜４．０重量％、Ｍｎ：０．０〜３．０重量％、Ｃｒ：１４〜２８重量％、及びＣｏ：２〜１８重量％を含む鉄ベース合金であり；ここで、Ｃ及び（存在する場合には）Ｎの総濃度は約１．２％以下であり；合金の残りは、鉄並びに機能している間に過酷な熱応力及び酸化または腐食効果にさらされる機械部品の製造のための冶金学的に適切な混和物を含む。
【００１８】
本鉄ベース合金を機械中に組み込む方法は、少なくとも１つの機械部品を本鉄ベース合金から製造することと、これを取り付けて、過酷な熱応力及び酸化または腐食効果の条件下で機能させることと、を含む。
【００１９】
本発明によれば、過酷な熱サイクリングの条件下で及び腐食性環境中で機能する機械部品の製造方法は、合金の総重量のパーセントとして測定して、Ｃ：０．３５〜０．４５重量％、Ｓｉ：０．０〜１．０重量％、Ｍｎ：０．０〜２．０重量％、Ｃｒ：２１〜２５重量％、Ｃｏ：１３．５〜１６．５重量％、Ｍｏ：１．８〜２．２重量％、Ｎｂ：２．８〜３．２重量％、Ｗ：２．３〜３．０重量％を最も好ましくは含む鉄ベース合金から機械部品を形成することと；任意に機械部品を焼戻すことと；さらに任意に機械部品の表面の少なくとも一部分に硬化層を形成することと；を含む。
【００２０】
機械部品の少なくとも一部分の表面に窒化物層を形成することによって、または、機械部品の少なくとも一部分の表面に炭窒化物層を形成することによって、硬化層を製造してよい。さらに、硬化層を、アルミニウムベース炭化物層、チタンベース炭化物層、アルミニウムベース窒化物層、チタンベース窒化物層、アルミニウムベース酸化物層、またはチタンベース酸化物層として気相成長（ＰＶＤまたはＣＶＤ）させてよい。機械部品が少なくとも部分的に硬質材料のコーティングを備える場合、特に好都合な（すなわち、低い）摩擦値を達成できる。しかしながら、特定の用途の例えばターボチャージャ用ノズルリングの場合、硬化層を全く必要としないことが分かった。
【００２１】
同時に、本発明による合金は、優れた耐熱衝撃性によって識別され、従って、熱サイクル負荷にさらされる熱設備の部品において、例えば、特に、ガスタービンの若しくはターボチャージャのケーシングまたはケーシング部品として或いはノズルリングとして、特にターボチャージャ用に、特に有利に使用できる。熱応力にもかかわらず、排ガス流れに対する優れた耐食性及び改良された耐久性が理由となって、本鉄ベース合金は、ターボチャージャノズルリング、ガイディングストーン及びローラーを製造する際に使用するのに好都合である。
【００２２】
下記の発明の詳細な説明がより良く理解され、その結果、従来技術に対する本寄与をより十分に了解できるように、前述の部分において、より関連がありかつ重要な本発明の特徴をかなり広く略述した。本発明の追加の特徴は、本発明の請求の範囲の主題を形成する下文で説明されよう。開示する概念及び特定の具体例を、本発明の同じ目的を実行するために、他の圧縮機ホイールを修正または設計するための基礎として容易に利用できることは当業者であれば了解されるはずである。また、このような同等の構造は、添付の請求の範囲において述べる本発明の精神及び範囲から逸脱することがないことは当業者であれば理解できるはずである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、熱的に大きく応力を加えられかつ酸化及び／または腐食効果にさらされる機械的部品の製造において使用するのに特に適した合金に関する。本発明はまた、特に、排ガスタービンの流入通路中に配置されかつ本発明の合金で形成されたノズルリングを有する、ターボチャージャの排ガスタービンに関する。本発明はさらに、本発明による合金で形成されたターボチャージャにおいて使用するためのガイディングストーン及びローラーに関する。
【００２４】
周知のように、ターボチャージャは、排ガス流れからエネルギーを回収し、このエネルギーを使用して給気を圧縮してエンジンに送り、それによってエンジンの発生出力を増大させるように設計された装置である。ターボチャージャハウジングは、基本的には、中央（または軸受）ハウジング、中央ハウジングの一端に取り付けられたタービンハウジング、及び中央ハウジングの対向する端に取り付けられた圧縮機ハウジングを備える。ターボチャージャ中央ハウジング内部に回転可能に支持されているのは、シャフトである。シャフトの一端は、タービンハウジング中に延在し、タービンホイールは、タービンハウジング内部で回転するためにシャフトのタービン端に取り付けられる。エンジンによって排出される排ガスは、タービンホイールを回転させるための原動力ガスとして役立つ。特に、タービンハウジング入口中に受け入れられる排ガスは、タービンホイールを取り囲み周縁に延在するボリュート中に排出される。タービンホイールを通過し、これに回転を与えた後に、排ガスは、タービンハウジング出口を通して排気管中に排出される。
【００２５】
シャフトの他端は圧縮機ハウジング中に延在する。圧縮機ホイールは、シャフトで回転させるためにシャフトの圧縮機端に取り付けられる。タービンホイールによってシャフトに与えられた回転は圧縮機ホイールを回転させ、それによって入口を通して空気を引き、加圧空気がタービンホイールを通過する時にこの加圧空気を増大させる。与圧された空気を次に、エンジンに給気を供給するために管路中に排出する。
【００２６】
ターボチャージャの性能を改良するために及び／または動作範囲を拡張するために、タービンホイールへの原動力排ガスの流れを制御することが望ましい。これは、タービンホイールへの入口スロート中に枢着され、周縁に間隔を置いて配置された一連のベーンを備えることによって行うことができる。ベーンを枢着することで、タービンホイール中へのノズルの面積を変化させることができ、それによってタービンホイールへの排ガスの流れを調節する。構造的に、こうしたベーンは、軸方向に延在する枢着ピンに取り付けられ、このピンは、ノズルリングと呼ぶリング状部品を通って延在し、この中に枢着支持される。本発明は、このようなノズルリングの製造において使用するために特に適合させた特性を有する合金に関する。ベーンの角度の制御は、スロート面積のノズル面積を増大させるかまたは減少させ、それによってスロートを通りタービンホイールに至る原動力排ガスの流れを制御する。ベーン及び作動機構の詳細は従って例えば米国特許第4,659,29号に見い出すことができ、これらは本発明の部分を形成しないので、本明細書において詳細に開示しない。
【００２７】
当業者であれば容易に了解できるように、スロートを通る原動力ガスの流れを有効に制御し、ベーンとスロートの壁との間のクリアランスを注意深く制御しなければならない。また容易に了解できるように、スロートを通って連通する原動力排ガスは、超高温で、極めて腐食性がある。従って、ノズルリングを極めて耐食性のある材料で製造しなければならない。また、ノズルリングに対向するタービンハウジングによって規定されるスロート壁は同じ腐食性のガスにさらされるので、この壁の少なくとも露出される表面を、好ましくは本発明の非常に耐食性のある材料で製造すべきである。
【００２８】
本発明に関するステンレス鋼は、鋳鋼、鍛造鋼、または圧延鋼とすることができるが、鋳鋼が好ましい。鋳込部品は、温度が変化した時に形状の本質的に等長的な変化を受けるという利点を有する（すなわち、これらは等長的に膨張及び収縮する）。これは、鋳込部品は主としてランダムな微細構造及び均一で微視的な硬質粒子分布、例えば、炭化物分布、並びに等しく均一な軟質マトリックス形状を有するという事実が理由である。この種類の微細構造は摩擦表面で特に有利であり、特に表面を不十分にまたは不満足に及び／または不完全に潤滑剤でコーティングした場合、これは摩擦の力及び材料の摩耗の両方を低減する。すべり軸受、シリンダブッシング、ピストンリング及び滑り摩擦による過酷な応力にさらされる同様の機械部品は従って、主に鋳込または焼結材料、特に鉄ベース合金から製造される。
【００２９】
本合金は、腐食性条件下で使用するのに特に好都合であり、というのは、低減された炭素含量及び高く均一なクロム濃度は、窒素及びモリブデンの元素と共に、表面不動態層を安定化することによって、摩擦応力にもかかわらず相乗作用的に材料の耐食性をもたらすことが見い出された。熱応力にもかかわらず、排ガス流れに対する優れた耐食性及び改良された耐久性が理由となって、本鉄ベース合金は、ターボチャージャノズルリングを製造する際に使用するのに好都合である。見い出されたように、前述の合金で製造されたノズルリングが少なくとも部分的に硬質材料のコーティングを備える場合、特に好都合な（すなわち、低い）摩擦値を達成できる。
【００３０】
ここから本発明の合金の元素成分を検討すると、クロム（Ｃｒ）は、鋼材料の硬化能を改良し、炭化物の球状化焼なましを加速し、５nm以上の酸化クロム層を生成するフェライト形成元素である。Ｃｒは、耐食性を改良するために及びマルテンサイト系ベースを得るために必要な元素であり、１９〜２８重量％、好ましくは２１〜２５重量％の範囲内で加えられる。Ｃｒ含量が１９重量％未満である場合、マルテンサイト系構造がオーステナイト系相中に形成され、２８％を超える場合、δフェライトの量は増大し、従って、延性、耐浸食性、耐食性は十分ではなく、靱性は低下する。特に、少なくとも１４％の含量が好ましく、より好ましくは１４〜２８％の範囲内である。
【００３１】
例えば内燃機関中のプランジャピストンまたはピストンリングの場合と同様に、部品がさらに腐食性の応力にさらされた場合に、容積移送用媒体、凝縮物またはその他同様なものの結果として、合金中に高クロム含量を提供することが必要である。しかしながら、部品の適切な機能を得るために必要な材料の他の特性は、クロムを含むことで不利な影響を受けてはならない。
【００３２】
炭素（Ｃ）は、構造をマルテンサイト系にすることによって熱処理による金属の硬化能を改良するために及び靱性を増大させるために必要な元素であり、同時に、炭素は、材料の強度及び硬さを増大させ、耐浸食性を改良するために有効な元素である。しかしながら、含量が０．２５％未満である場合、上記の効果を十分に実現することができず、というのは、マルテンサイト系相はオーステナイト系マトリックスにとって代わられるからであり、誘起されるマルテンサイト系相の局所的な発生によって硬化された領域は、耐浸食性を改良するために有効である。一方、含量が０．６％を超える場合、Ｃｏ及びＣｒ含量との釣り合いに依存してある程度変化してよいが、炭化物の比率及び特にＣｒ炭化物の比率は増大し、この結果、材料の耐食性は実質的に低下し、さらに高温での割れの発生の危険が増大する。従って、耐浸食性及び応力強度の両方を考慮して、炭素含量は好ましくは０．２５〜０．６％の範囲内、より好ましくは０．３５〜０．４５％、０．４〜０．６％または０．２５〜０．３５％の範囲内である。
【００３３】
ケイ素（Ｓｉ）は、集合組織の変化の遅延を加速し、鋼材料の硬化能を改良する元素である。Ｓｉは、フェライトを形成するために及び微泡の発生を減少させるために必要な元素であり、通常は最大１．５％加えられる。約０．２重量％未満では、鋳込脱酸素反応は、著しく低減する（従って、鋳込むために不活性ガス条件を必要とする）。Ｓｉを過剰に加えることはδフェライトを増大させ、材料の靱性を低下することが周知であるが、本発明においてはＳｉ成分は、それにもかかわらず最大４％もの高さとしてよい。標準オーステナイト系合金中のＳｉ含量は、通常１％以下である。特に、１具体例においては、０．２〜０．６％の範囲が好ましい。
【００３４】
マンガン（Ｍｎ）は鋼材料の硬化能を改良する元素である。Ｍｎは、Ｓｉの場合の脱酸素剤としてのみならず、これと組み合わせて、ＭｎＳを形成することによって溶融金属中のＳを安定化することでＳの偏析を防ぐための試剤として作用する。さらに、熱処理後に、Ｍｎはマルテンサイトの強度及び靱性を増大させる（後ほど説明するように、Ｎｉに取って代わるかまたは補う）。Ｍｎ含量が０．１％未満である場合、上記の効果はほとんど実現されず、これが３％を超える場合、これは残存しているオーステナイトの量を増大させ、溶融金属の流れ特性を減少させ、強度を低下する。特に、少なくとも０．２５％の含量は好ましく、より好ましくは０．５〜２．０％の範囲内である。
【００３５】
ニッケル（Ｎｉ）は従来、マルテンサイト系マトリックス中のオーステナイトを安定化し、硬化能並びに熱処理後の強度及び靱性を改良するために使用されている。しかしながら、本発明の合金中に、Ｎｉは、全ての具体例において存在するわけではない。
【００３６】
モリブデン（Ｍｏ）は、鋼材料を焼戻し軟化に対して耐性があるようにし、炭素と結合して炭化モリブデンを生成する元素である。粒子径５０nm〜３００nmの範囲を有する微細粒子状炭化モリブデンを、安定に析出させ、マトリックス中に分布することを可能にするために、モリブデンの含量は１．１重量％以上であることが必要である。このような微細粒子状炭化モリブデンの存在は耐磨耗性を改良し、水素からの遮蔽という前述の効果を発揮する表面硬さを提供する。Ｍｏは、マルテンサイトの耐食性及び強度を改良するために、並びに熱処理によって生じる脆化を防ぐために有効な成分である。しかしながら、加えた量が０．５％未満である場合、Ｍｏはほとんど有効ではなく、添加剤量が３．０％を超える場合、靱性は低下し、脆性（brittlement）は増大し、従って、加える量は最大３．０％でなければならない。従って、本発明においては、Ｍｏ含量を１〜３重量％の範囲に限定した。範囲は好ましくは１．８％〜２．２％である。高い硬さ及び強度を得るために、モリブデンに加えてバナジウムを使用できる。しかしながら、Ｍｏは必ずしも全ての具体例において存在するわけではない。
【００３７】
少なくとも０．１重量％の窒素（Ｎ）含量によって、摩擦摩耗は著しく低減し、最も好都合な値は合金中の窒素約０．２重量％の場合に見い出された。しかしながら、過剰な窒化窒素（nitrogen nitride）は、靱性及び耐食性を達成する。従って、存在する場合、Ｎ含量を０．０５〜０．２０％の範囲に限定した。窒素含量が理由となって、特に微細な結晶粒の微細構造もまたもたらされ、結晶粒の成長は高い硬さ温度においてでさえも大きく防がれる。
【００３８】
Ｎｂ及びＷを炭化物形成元素として含んでよく、しかしながらこれらは両方とも本発明による合金を形成するために絶対に不可欠というわけではない。しかしながら、Ｎｂは、好ましくは１．８〜３．２重量％の量で存在し、最も好ましい濃度はそれぞれ１．８〜２．２重量％、２．８〜３．２重量％の範囲内である。Ｗは、２．３〜３．０重量％の量で存在してよい。合金は１種以上の追加の強力な炭化物形成元素の例えばＶ、Ｔｉ、Ｈｆ、及びＺｒ、合計で最大０．２％までを含むことができる。好ましくは下限として０．０２％は追加の元素の場合に望ましい。バナジウム（Ｖ）は、結晶境界表面に析出して、結晶性粒子のサイズの増大を阻害し、炭素と結合して微細粒子状炭化バナジウムを生成する元素である。
【００３９】
残りは、Ｆｅ並びにＰ、Ｓ、Ａｓ、Ｓｂ、及びその他同様なものを含む随伴する不純物からなる。しかしながら、上記の元素が延性及び靱性を低下させるので、不純物はできる限り少ないのが望ましい。Ｐの含量は好ましくは最大０．０２５％、Ｓの含量は好ましくは最大０．０１５％である。
【００４０】
機械部品の好適な具体例は、その外側表面の少なくとも一部分の表面に硬化層を備えるノズルリングを含み、ここで、硬化層は、ＰＶＤによって形成されたチタンベース炭化物層；ＰＶＤによって形成されたチタンベース窒化物層；ＰＶＤによって形成されたチタンベース酸化物層；ＣＶＤによって形成されたチタンベース炭化物層；ＣＶＤによって形成されたチタンベース窒化物層；及びＣＶＤによって形成されたチタンベース酸化物層からなる群から形成される。硬化層は、少なくとも０．０５mm、好ましくは少なくとも０．２mmの厚さを有する窒化物層を含む。
【００４１】
機械部品の他の具体例は、ガイディングストーン及びローラーを含む。
本発明による合金は、７００℃を超える温度及び１０００〜１０５０℃もの高さの温度での機械的強度の点でのみならず、耐熱衝撃性の点で、従来技術による同等に使用可能な合金よりも優れている。従って、本発明による合金は、熱設備の構成要素のための材料として特に有利に使用でき、少なくとも７００℃〜８００℃の温度で依然として比較的に高い機械的強度を有し、ガスタービンケーシングと同様に強い熱サイクル負荷にさらされる。
【実施例】
【００４２】
実施例１
ノズルリングを、標準的な手法を使用して製造したが、使用した合金は以下の組成（全てのパーセントは全合金の重量％である）を有する本発明による合金だった。
合金Ａ
Ｃ：０．４重量％、
Ｓｉ：０．６〜１．０重量％、
Ｍｎ：０〜２．０重量％、
Ｃｒ：２１〜２５重量％、
Ｍｏ：１．８〜２．２重量％、
Ｎｂ：２．８〜３．２重量％、
Ｃｏ：１１．５〜１６．５重量％、
Ｗ：２．２〜３．０重量％。
合金Ｂ
Ｃ：０．４〜０．６重量％、
Ｓｉ：３．０〜４．０重量％、
Ｍｎ：０．０〜２．０重量％、
Ｃｒ：１４．０〜１８．０重量％、
Ｃｏ：６．０〜８．０重量％、
Ｍｏ：１．８〜２．２重量％、
Ｎｂ：１．８〜２．２重量％、
Ｎｉ：０．０〜０．５重量％、
Ｓ：０．０〜０．０３５重量％。
合金Ｃ
Ｃ：０．２５〜０．３５重量％、
Ｓｉ：３．０〜４．０重量％、
Ｍｎ：１．５〜２．０重量％、
Ｃｒ：１６．０〜２０．０重量％、
Ｃｏ：２．０〜３．０重量％、
Ｎｉ：０．０〜０．５重量％、
Ｓ：０．２〜０．４重量％。
【００４３】
合金（４６〜５０ＨＲＣ）は、１１５０〜１１８０℃で１時間焼なましした溶液であり、次に７００℃で２時間硬化した。生成物は以下の特性を有した。
結晶粒構造：マトリックス（トライボロジー的に非常に良好）中に３〜４相を有し、超高微細結晶粒を有する混粒鋼
硬さ：３２〜３５ＨＲＣ
熱膨張率：（アルファ値）１５×１０-6未満
動的試験：市販のトラックの公称値の１００％で１５００時間実行中に問題無し。試験２：１０００℃で７時間（パスカルレンジ（pascar range））、ノズルリングは新しく見え、検出可能な機械的歪みはなかった。
ブレーキ試験：イヴェコ・ユーロテック・エンジン・テスト・セル（アーボン、ＣＨ）（Iveco EuroTech Engine Test Cell (Arbon, CH)）−良好
粒子がより少ない
試験合金Ａにおいて観察された結果は、トリバロイ  ４００、ＰＬ  ３４及びＧＶ  ００６（プロイコ、ドイツ）（Tribaloy 400, PL 34及びGV 006 (Pleuco, Germany)）を用いて行った結果よりも優れていた。
【００４４】
同じ手順及び試験を、以下の合金を用いて実行した。
ターボチャージャノズルリングを、自動車またはトラック産業に適した具体例に関して本明細書において非常に詳細に説明してきたが、新規な合金及び本合金を使用した機械部品の製造方法は、多数の他の用途の例えばタービンエンジン、動力装置等での使用に適していることは容易に明瞭になろう。本発明を、その好ましい形式において自動車内燃用ターボチャージャノズルリングに関して特に説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、好ましい形式の本開示を１例としてのみ行い、構造の詳細及び組合せの構成の多くの変化を用いてよいことは理解されよう。
【００４５】
今や本発明は説明された。
【国際調査報告】
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