(57)【要約】  記載されるのは、炭化物及び窒化物構造を備えるフェライトベースの構造を有する鉄ベース合金からなる、特にディーゼルエンジンのターボチャージャ用途用の構成要素である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化物及び窒化物構造を備えるフェライトベースの構造を有する鉄ベース合金からなる、特にディーゼルエンジンのターボチャージャ用途用の構成要素。
【請求項２】
Ｗ、Ｔｉ及びＮｂから選択された元素の少なくとも１つを含む、請求項１に記載のターボチャージャ用途用の構成要素。
【請求項３】
Ｃ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ及びＳｉから選択された元素の少なくとも１つを含む、請求項１又は２に記載のターボチャージャ用途用の構成要素。
【請求項４】
実質的に次の元素、すなわち、
Ｃ：０．１〜０．５重量％、特に０．２５〜０．４重量％、
Ｃｒ：１５〜２２重量％、特に１８〜２０重量％、
Ｍｎ：１．３重量％以下、特に１重量％以下、
Ｓｉ：０．８〜２．１重量％、特に１〜１．８重量％、
Ｎｂ：０．４〜１．３重量％、特に０．６〜１．１重量％、
Ｔｉ：０．２〜０．６重量％、特に０．３〜０．５重量％、
Ｗ：１．８〜３．０重量％、特に２〜２．７重量％、
Ｖ：０．３〜１．０重量％、特に０．５〜０．８重量％、
Ｎ：３重量％以下、特に２重量％以下、
Ｆｅ：１００重量％まで、
を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャ用途用の構成要素。
【請求項５】
実質的にσ相を含まない、請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボチャージャ用途用の構成要素。
【請求項６】
前記構成要素が、運動学構成要素及び／又はウェイストゲート構成要素及び／又はＶＴＧ構成要素、特にＶＴＧ構成要素及び／又はフラップマウント部品である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のターボチャージャ用途用の構成要素。
【請求項７】
炭化物及び窒化物構造を備えるフェライトベースの構造を有する鉄ベース合金からなる少なくとも１つの構成要素を備える、特にディーゼルエンジン用の排気ガスターボチャージャ。
【請求項８】
前記構成要素が、Ｗ、Ｔｉ及びＮｂから選択された元素の少なくとも１つ、特にＣ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ及びＳｉから選択された元素の少なくとも１つを含む、請求項７に記載の排気ターボチャージャ。
【請求項９】
前記構成要素が、実質的に次の元素、すなわち、
Ｃ：０．１〜０．５重量％、特に０．２５〜０．４重量％、
Ｃｒ：１５〜２２重量％、特に１８〜２０重量％、
Ｍｎ：１．３重量％以下、特に１重量％以下、
Ｓｉ：０．８〜２．１重量％、特に１〜１．８重量％、
Ｎｂ：０．４〜１．３重量％、特に０．６〜１．１重量％、
Ｔｉ：０．２〜０．６重量％、特に０．３〜０．５重量％、
Ｗ：１．８〜３．０重量％、特に２〜２．７重量％、
Ｖ：０．３〜１．０重量％、特に０．５〜０．８重量％、
Ｎ：３重量％以下、特に２重量％以下、
Ｆｅ：１００重量％まで、
を含む、請求項７又は８に記載の排気ターボチャージャ。
【請求項１０】
前記構成要素が実質的にσ相を含まない、請求項７〜９のいずれか一項に記載の排気ガスターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部に記載の特にディーゼルエンジンのターボチャージャ用途用の構成要素、及び請求項７の前提部に記載の構成要素を備える排気ガスターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガスターボチャージャは、ピストンエンジンの動力を増大させるように意図されたシステムである。排気ガスターボチャージャでは、動力を増大させるために排気ガスのエネルギが使用される。動力の増大は、作動行程当たりの混合気の処理量の増大の結果である。
【０００３】
ターボチャージャは、実質的に、シャフトとコンプレッサとを有する排気ガスタービンからなり、ここで、エンジンの吸気管に配置されたコンプレッサはシャフトに接続され、排気ガスタービン及びコンプレッサのケーシングに配置されたブレードホイールが回転する。可変タービン形状を有するターボチャージャの場合、調整ブレードがブレード軸受リングに回転可能に追加して取り付けられ、ターボチャージャのタービンケーシングに配置された調整リングによって移動される。
【０００４】
極めて高い要求が、ターボチャージャの構成要素、特にターボチャージャの運動学構成要素（ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）又はウェイストゲート構成要素、あるいはＶＴＧターボチャージャの場合、同様にそのＶＴＧ構成要素の材料に課せられる。これらの構成要素の材料は、耐熱性でなければならず、すなわち、最高約９００℃の非常に高い温度でも十分な強度、したがって、寸法安定性をなお可能にしなければならない。さらに、数１００℃の高い動作温度でも材料に対する腐食及び摩耗が低減され、したがって、極度の動作条件下で材料の耐性が保証されるように、材料は高い耐摩耗性及び適切な耐酸化性を有しなければならない。
【０００５】
独国特許出願公開第１０２００４０６２５６４Ａ１号明細書は、優れた熱安定性及び低い滑り摩耗を有するターボチャージャ用のブレード軸受リングを開示している。このタイプのブレード軸受リングでは、オーステナイト材料、構成要素の潤滑作用を高めるための高硫黄含量の鉄ベース合金が使用される。特定の組成のため、材料の耐クリープ性が高められ、したがって、ブレード軸受リングの寸法安定性の向上が８５０℃超の温度で達成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記に鑑みて、本発明の目的は、請求項１の前提部に記載のターボチャージャ用途用の構成要素、及び請求項７の前提部に記載のターボチャージャも提供することであり、これらは、改良された耐温度性及び耐酸化性、したがってまた、非常に優れた寸法安定性及び高温強度、及び耐食性も有し、最適なトライボロジー特性によって区別され、さらに摩耗に対する感受性の低減を示す。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１及び請求項７の特徴によって達成される。
【０００８】
材料の耐温度性の向上、特に滑り摩耗特性の向上、及び酸化の傾向の低減は、炭化物及び窒化物構造を備えるフェライトベースの構造を有する鉄ベース合金からなるターボチャージャ用途用の構成要素又はこのような構成要素を備える排気ガスターボチャージャの形態の本発明による実施形態によって達成される。本発明の関連で、炭化物構造又は窒化物構造は、この場合、鉄ベース合金の粒子内にまた粒子境界に形成される微細構造の炭化物析出相又は窒化物析出相を意味すると理解される。炭化物構造は、特に、樹枝状の微細構造であり、その結果、材料、したがって構成要素の非常に優れた変形耐性及び摩耗耐性も獲得される。したがって、ターボチャージャ用途用の構成要素、又は本発明による少なくとも１つの構成要素を備える排気ガスターボチャージャが提供され、排気ガスターボチャージャは、最高９００℃の最適な耐温度性を有し、同様に高い高温強度を有し、高い耐摩耗性及び耐食性を有し、また特に高い動作温度における酸化の傾向の低減による非常に優れた滑り特性によってさらに区別される。さらに、本発明による構成要素、したがって、本発明による排気ガスターボチャージャは、長期運転において寸法的にも安定している。
【０００９】
理論に拘束されることなく、フェライト鉄ベースの合金内の炭化物析出及び窒化物析出の存在は、合金材料の安定性、したがって、特に摩擦摩耗に対する構成要素の安定性、同様に、この特異な構造のためその高温強度を著しく高めることが想定される。
【００１０】
一例として、本発明による鉄ベース合金、すなわち構成要素を形成する炭化物及び窒化物構造を有するフェライト鉄ベースの材料は、２０ＭＰａの接触圧、０．００２５ｍ／ｓの滑り速度、約８５０℃の構成要素温度及び２００００００サイクル、すなわち摩擦摩耗に対する異常な抵抗を前提として直径０．０８ｍｍの最高滑り摩耗速度によって区別される。さらに、高温強度、寸法安定性及び高温性能も改良される。
【００１１】
従属請求項は、本発明の有利な発展形態に関する。
【００１２】
したがって、一実施形態では、構成要素の摩耗特性、すなわち具体的にその摩擦摩耗耐性は、本発明による構成要素が形成されるフェライト鉄ベースの合金内の元素、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）及びニオブ（Ｎｂ）の少なくとも１つを使用することによって著しく改良することができる。元素Ｗ、Ｔｉ及びＮｂは、鉄ベース合金内に実質的に炭化物形成物（ｃａｒｂｉｄｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を形成し、これらの形成物は、非常に優れた摩耗性能に加えて、材料、したがって本発明による構成要素の耐食性も高める。
【００１３】
別の実施形態では、ターボチャージャ用途用の本発明による構成要素は、Ｃ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ及びＳｉから選択された元素の少なくとも１つを含むという事実によって区別される。これらの元素の少なくとも１つの存在は、このような元素又はこれらの元素の組み合わせが、鉄ベース合金を製造するために使用され、次に、鉄ベース合金が、本発明による構成要素を形成するために加工されることを意味すると理解すべきである。この場合、鉄ベース合金に加えられた元素は、元素の元の形態で、すなわち元素形態で、例えば含有物又は析出相の形態で、又は元素の派生物の形態で、すなわち、対応する元素の化合物の形態で、例えば鉄ベース合金の製造中に、又は合金から製造される本発明による構成要素を形成するときに形成される金属炭化物又は金属窒化物として存在することができる。この場合、元素の存在は、従来の分析方法によって本発明による構成要素に直接検出することができる。
【００１４】
ここで、炭素元素は、主として本発明による炭化物構造、すなわち炭化物析出相を形成するために使用され、したがって、材料、したがって、ターボチャージャ用途用の本発明による構成要素の強度及びその高温強度も改良する。同じくタングステン元素は、大部分炭化物構造の形成の結果として、材料の高温強度及び耐摩耗性を高め、その靭性に寄与する。クロム及び／又はモリブデンとのタングステンの組み合わせは、特に、酸媒体内の材料の耐食性、同様に高温の耐食性能を著しく改良することを可能にする。この場合、クロムの使用は、材料の高温引張強度及びスケール耐性を高める。さらに、クロムは強力な炭化物形成物質であり、したがって材料、したがって本発明による構成要素の摩耗特性がこれによっても最適化される。ターボチャージャ用途用の本発明による構成要素が形成される鉄ベース合金内のクロム元素の使用は、さらに他の利点を有し、すなわち、高い排気ガス温度が構成要素に作用しつつ、クロムは、Ｃｒ２Ｏ３表面層、すなわち酸化物表面層を構成要素に形成し、これにより、熱負荷の下における滑り摩擦及び摩擦摩耗に対する構成要素の耐性が効率的に促進される。マンガンの使用は脱酸素効果を有する。マンガンの使用により、鉄ベース合金のγ領域が拡大され、材料の降伏強度及び引張強度を高める。さらに、マンガンは、特に高い動作温度における構成要素の耐摩耗性を促進する。バナジウムは、鉄ベース合金の製造中に鉄ベース合金の一次粒子を微細化し、したがって、その鋳造組織を微細化する。これにより、高度の粒子改良が達成され、これにより、鉄ベース合金の均質性が促進され、材料のより高い動的接触圧が可能になる。本発明による構成要素を形成する鉄ベース合金では、ニオブ元素は、炭化物形成物質として作用し、したがって、鉄ベース合金の粒子内また粒子境界の炭化物構造を促進する。ニオブはまた、材料、したがってターボチャージャ用途用の本発明による構成要素の高温強度及び疲労強度を高める。さらに、ニオブは、フェライト形成を促進し、鉄ベース合金のγ領域を低減し、したがって、調節的容量（ｒｅｇｕｌａｔｉｖｅ  ｃａｐａｃｉｔｙ）に使用することができる。ケイ素は、鋳造中に溶融物の粘度を低減することによって鉄ベース合金の鋳造特性を促進する。さらに、本発明による材料内のケイ素は、脱酸素を促進し、したがって、合金へのこの元素の添加は、高温耐食性を決定的に改良する。元素を適切に選択して、組み合わせることによって、したがって、鉄ベース合金の特性を目標に合わせて制御することができ、ターボチャージャ用途用の本発明による構成要素、したがって、本発明による排気ガスターボチャージャも、特にバランスした特性プロフィールを有する。別の元素、また化合物も鉄ベース合金に導入することができる。
【００１５】
別の実施形態によれば、ターボチャージャ用途用の本発明による構成要素は、実質的に、０．１〜０．５重量％、特に０．２５〜０．４重量％の炭素（Ｃ）、１５〜２２重量％、特に１８〜２０重量％のクロム（Ｃｒ）、最大１．３重量％、特に最大１重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．８〜２．１重量％、特に１〜１．８重量％のシリコン（Ｓｉ）、０．４〜１．３重量％、特に０．６〜１．１重量％のニオブ（Ｎｂ）、０．２〜０．６重量％、特に０．３〜０．５重量％のチタン（Ｔｉ）、１．８〜３．０重量％、特に２〜２．７重量％のタングステン（Ｗ）、０．３〜１．０重量％、特に０．５〜０．８重量％のバナジウム（Ｖ）、最大３重量％、特に最大２重量％の窒素（Ｎ）、及び残部として鉄（Ｆｅ）の元素を含むという事実によって区別される。量の表示は、それぞれ、ここでは本発明による構成要素が形成される鉄ベース合金の総重量に関する。既述したように、前記元素の存在は、元素が、元素形態でかつ鉄ベース合金内の元素の化合物の１つの形態で、したがって、ターボチャージャ用途用の本発明による構成要素に存在することができることを意味すると理解すべきである。この実施形態では、実質的に、前述の元素は示した量で本発明による構成要素に存在している。このことは、不可避の不純物が存在し得るが、これらの不純物は、鉄ベース合金の総重量に基づき２重量％未満、特に１重量％未満を構成することが好ましいことを意味する。この場合、不可避の残留物又は不純物は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、セリウム（Ｃｅ）、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）を含む。個々の元素の量は、この場合、従来の基本的な分析方法によって本発明による構成要素内に直接検出することができる。
【００１６】
驚くべきことに、記載した組み合わせにより、ターボチャージャ用途用の構成要素を形成するために加工されるときに、特にバランスした特性プロフィールを前記構成要素に設ける材料、すなわち鉄ベース合金が正確に提供されることが確認されている。本発明によるこの組成により、特に高い高温強度、最高９００℃の耐温度性、したがって、高温における寸法安定性を有し、傑出した滑り特性、したがって特に低い滑り摩耗によって区別される構成要素が提供される。さらに、耐食性及び耐酸化性は、ターボチャージャの動作中に対応する構成要素に作用するときに、特に高い動作温度において最大となる。
【００１７】
このようにして製造され、かつ本発明による構成要素が形成される材料は、したがって、次の特性を有する。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
本発明の別の実施形態によれば、ターボチャージャ用途用の構成要素は、実質的にσ相を含まない。このことは、特に、本発明による構成要素の最高９００℃の動作に当てはまる。このことは、材料の脆化を有効に抑制し、その結果、構成要素の耐久性が高められる。σ相は、高硬度の脆性の金属間相である。σ相は、原子半径がごく僅かな差で整合する体心立方金属及び面心立方金属が互いに衝突するときに生じる。このタイプのσ相は、脆化効果をもち、またクロムを引き出す鉄マトリックスの特性のため望ましくない。本発明による鉄ベース合金、したがって本発明による構成要素も、ここに記載した望ましくない効果が現れることがないように、実質的にσ相を含まない。σ相の形成の低減又は防止は、制御される。特に、鉄ベース合金の元素の目標に合わせた選択によって、特に、合金材料内のケイ素含量が、それぞれ鉄ベース合金の総重量に基づき最大２．１重量％、好ましくは最大１．８重量％であることにより達成される。
【００２０】
したがって、本発明に従って記載しているのは、傑出した摩耗性能、すなわち最高９００℃の高温においても高い滑り摩耗耐性、高い高温強度、同様に寸法安定性によって、さらに優れた耐酸化性及び耐食性によって区別されるターボチャージャ用途用の構成要素である。これらの傑出した特性によって、本発明による構成要素は、最高９００℃の高温及び／又は高水準の摩擦にさらされるターボチャージャ用途用のそれらの構成要素に特に適切である。例示的な構成要素は、運動学構成要素、ウェイストゲート構成要素及びＶＴＧ構成要素、特にＶＴＧ構成要素及びフラップマウント部品を備える。
【００２１】
鉄ベース合金は、従来の工程によってターボチャージャ用途用の本発明による構成要素を形成するために製造しかつ加工することができる。寸法安定性を保証するために、二次析出を生成するために、エージングアニーリングを約２時間、９００℃で実施することができ、続いて空気冷却が行われる。材料は、ＴＩＧ、プラズマ及びＥＢ溶接工程によって溶接することができる。
【００２２】
独立して取り扱うことができる対象物として、請求項７は、既述したように、少なくとも１つの構成要素を備える排気ガスターボチャージャを規定しており、構成要素は、フェライトベースの構造を有する鉄ベース合金からなり、炭化物及び窒化物構造を備える。
【００２３】
本発明による構成要素の有利な実施形態は、本発明による排気ガスターボチャージャの実施形態にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による排気ガスターボチャージャの部分断面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、タービンケーシング２と、軸受ケーシング２８を介してタービンケーシング２に接続されるコンプレッサケーシング３とを有する本発明によるターボチャージャ１を示している。ケーシング２、３と２８は、回転軸線Ｒに沿って配置される。タービンケーシングは、ブレード軸受リング６及び半径方向外側の案内格子１８の配置を示すために部分的に断面で示されており、案内格子１８は、前記リングによって形成され、また円周にわたって分布されかつ回転軸８を有する複数の調整ブレード７を有する。このようにして、ノズル断面が形成され、ノズル断面は、調整ブレード７の位置に応じてより大きく又はより小さく、かつエンジンからの排気ガスにより、回転軸線Ｒの中心に位置決めされたタービンロータ４に多少とも作用し、前記排気ガスは、タービンロータ４を使用して同一のシャフトに載置されたコンプレッサロータ１７を駆動するために、供給ダクト９を介して供給されかつ中央の接続片１０を介して放出される。
【００２６】
調整ブレード７の運動又は位置を制御するために、作動装置１１が設けられる。作動装置は、任意の所望の方法で設計してもよいが、好ましい実施形態は制御ケーシング１２を有し、この制御ケーシングは、それに締結されたタペット部材１４の制御運動を制御して、ブレード軸受リング６の背後に配置された調整リング５における前記タペット部材の運動を、前記調整リングの僅かな回転運動に変換する。調整ブレード７用の自由空間１３が、ブレード軸受リング６とタービンケーシング２の環状部分１５との間に形成される。この結果、ブレード軸受リング６がスペーサ１６を有するように、この自由空間１３を確保できる。
【００２７】
特定しない限り、個々の元素の量の表示は、それぞれ鉄ベース合金の総重量に関する。
【００２８】
ターボチャージャ用途用の本発明による複数の構成要素、具体的にフラップシャフト、フラッププレート及びブッシュが形成された鉄ベース合金を、通常の方法によって次の元素から製造した。化学分析から、元素について以下の値が得られた。Ｃ：０．２５〜０．４重量％、Ｃｒ：１８〜２０重量％、Ｍｎ：１重量％未満、Ｓｉ：１〜１．８重量％、Ｎｂ：０．６〜１．１重量％、Ｔｉ：０．３〜０．５重量％、Ｗ：２〜２．７重量％、Ｖ：０．５〜０．８重量％、Ｎ：３重量％以下、及び残部としてＦｅ。さらに、Ａｌ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｂ、Ｐ及びＳの不可避の残留物が、１重量％未満の割合で微量に確認された。
【００２９】
この実施例に従って製造された構成要素は、次の特性によって区別された。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
材料は、次の試験を含む一連の検証試験を受けた。
−野外の耐候試験
−気候変化試験
−熱衝撃試験／サイクル試験−３００時間
−分解炉内での高温ガス腐食試験
−ＤＩＮ  ＥＮ  ＩＳＯ  ３６５１−２準拠のシュトラウス試験
−摩擦計での振動摩擦摩耗試験：動作温度（９００℃）におけるブッシュ／シャフト。
【００３２】
それぞれの構成要素は、すべての試験において、作用力に対する傑出した耐性によって区別された。したがって、材料は、極めて高い耐摩耗性及び傑出した耐酸化性を有しており、この結果、材料に対する腐食及び摩耗／摩擦摩耗が提示した状態下で著しく低減され、したがって、材料、したがって材料から形成された構成要素の耐性は、長時間にわたって保証されたままであった。
【００３３】
熱サイクル試験：
本発明による構成要素（シャフト／ブッシュ）を熱サイクル試験にかけた。この試験では、以下のように熱衝撃試験を実施した。
１．静止ロータの使用、
２．２−ＥＧＴ操作、
３．試験時間：３５０時間（約２０００サイクル）、
４．試験の全体にわたって、ＥＧＴの排気ガスフラップは１５°開放したままにした、
５．高温：公称馬力点Ｔ３＝７５０℃、タービン側の質量流量ＥＧＴ：０．５ｋｇ／ｓ、
６．低温：Ｔ３＝１００℃、タービン側の質量流量ＥＧＴ：０．５ｋｇ／ｓ、
７．サイクル時間：２×５分（１０分）、
８．３回の中間亀裂試験の実施。
【００３４】
次の荷重収集データ（ｌｏａｄ  ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ）を前提として、本発明によるそれぞれの構成要素（シャフト／ブッシュ）は、９００℃の構成要素温度において、低い高温酸化、すなわち最大４０μｍ、特に最大３５μｍの酸化速度によって区別された。
【００３５】
【表３】
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【００３６】
ここに示した結果は、本発明による構成要素が最高９００℃の温度範囲のターボチャージャ用途に理想的には適していることを示す。
【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
３  コンプレッサケーシング
４  タービンロータ
５  調整リング
６  ブレード軸受リング
７  調整ブレード
８  枢支軸
９  供給ダクト
１０  軸方向接続片
１１  作動装置
１２  制御ケーシング
１３  案内ブレード７用の自由空間
１４  タペット部材
１５  タービンケーシング２の環状部
１６  スペーサ／スペーサカム
１７  コンプレッサロータ
１８  案内格子
２８  軸受ケーシング
Ｒ  回転軸線
【図１】
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【国際調査報告】
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2014523501.tif 000008
2014523501.tif 000009