(57)【要約】  ディーゼルエンジンにおけるターボチャージャに適用されるブレード軸受リングであって、樹枝状炭化物析出物を有するオーステナイト基地組織を含む鉄基合金からなるブレード軸受リングが記載される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にディーゼルエンジンにおけるターボチャージャに適用されるブレード軸受リングであって、樹枝状炭化物析出物を有するオーステナイト基地組織を含む鉄基合金からなるブレード軸受リング。
【請求項２】
硫化マンガンを含む、請求項１に記載のブレード軸受リング。
【請求項３】
さらなる構成成分として０〜３．５重量％のニオブ及び／又は０〜３．７重量％のバナジウムを含む、請求項１又は２に記載のブレード軸受リング。
【請求項４】
以下の構成成分：
Ｃ：０．２〜０．５重量％、Ｃｒ：１６〜２２．５重量％、Ｎｉ：５〜１４重量％、Ｍｎ：５〜１５重量％、Ｓｉ：≦１．３重量％、Ｓ：＜０．５重量％、Ｎｂ：０．７５〜３．５重量％、Ｖ：１〜３．７重量％、Ｎ：０．１〜０．６重量％及びＦｅ
を含む、請求項１に記載のブレード軸受リング。
【請求項５】
σ相を含まない、請求項１に記載のブレード軸受リング。
【請求項６】
ディーゼルエンジン用の排気ターボチャージャであって、樹枝状炭化物析出物を有するオーステナイト基地組織を含む鉄基合金からなるブレード軸受リングを備える排気ターボチャージャ。
【請求項７】
硫化マンガンを含む、請求項６に記載の排気ターボチャージャ。
【請求項８】
さらなる構成要素として０〜３．５重量％のニオブ及び／又は０〜３．７重量％のバナジウムを含む、請求項６又は７に記載の排気ターボチャージャ。
【請求項９】
以下の構成要素：
Ｃ：０．２〜０．５重量％、Ｃｒ：１６〜２２．５重量％、Ｎｉ：５〜１４重量％、Ｍｎ：５〜１５重量％、Ｓｉ：≦１．３重量％、Ｓ：＜０．５重量％、Ｎｂ：０．７５〜３．５重量％、Ｖ：１〜３．７重量％、Ｎ：０．１〜０．６重量％及びＦｅ
を含む、請求項６に記載の排気ターボチャージャ。
【請求項１０】
σ相を含まない、請求項６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におけるターボチャージャに適用されるブレード軸受リングに関し、また、請求項５の前段に係る、ブレード軸受リング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。可変タービンジオメトリを有するターボチャージャでは、加えてブレード軸受リングに調整自在なブレードが回転自在に装着され、これらのブレードは、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動かされる。
【０００４】
ブレード軸受リングは、極めて厳しい材料要件を満たす必要がある。ブレード軸受リングを形成する材料は耐熱性でなければならず、すなわち約９００℃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、材料の腐食又は摩耗が低減し、その結果、極端な動作条件下においても材料の抵抗性がなお確保されるよう、高い耐摩耗性、またそれに対応する耐酸化性も有しなければならない。
【０００５】
このタイプのブレード軸受リングは、独国特許出願公開第１０  ２００４  ０６２  ５６４  Ａ１号明細書により公知である。このタイプのブレード軸受リングでは、主に用いられているフェライト系材料とは対照的にオーステナイト系材料が用いられ、これは、構成部品の潤滑性向上のため高い硫黄分率を有する鉄マトリックス合金である。この特定の組成により材料の耐クリープ性が増加し、従って８５０℃超の温度においても寸法安定性の高いブレード軸受リングが実現される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上に対し、本発明の目的は、耐温度性及び耐酸化性並びに耐食性が向上し、トライボロジー特性が最適であることにより区別され、さらに低い易摩耗性を示す、請求項１の前段に係るブレード軸受リング及び請求項５の前段に係るターボチャージャを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本目的は、請求項１の特徴及び請求項５の特徴によって実現される。
【０００８】
オーステナイト鉄基合金からなるブレード軸受リング又はかかるブレード軸受リングを備える排気ターボチャージャの形態の本発明に係る設計により、より良好な材料の耐温度性が実現される。これはまた、鉄基合金中に含まれる樹枝状炭化物析出物によって倍増する。このようにして、９００℃に至る範囲で最適な耐温度性を有し、さらに極めて耐熱性が高く、高い耐摩耗性及び耐食性を有し、そのうえ極めて良好な滑り特性により区別されるとともに、易酸化性が低下した本発明に係るブレード軸受リング、又はそのブレード軸受リングを含む排気ターボチャージャが提供される。
【０００９】
さらに、本発明に係るブレード軸受リングは寸法安定性を保ち、従って極めて平面度が高い。
【００１０】
理論の関与するところではないが、樹枝状晶の形態の炭化物析出物は、その固有の構造により合金材料の安定性、従ってその強度を著しく増加させると推測される。本発明に係る材料中の樹枝状晶の分率は、最大２０体積％に達する。
【００１１】
本発明に係るブレード軸受リングの最大摩耗率は、１０〜１８Ｎ／ｍｍ２の軸受荷重、０．００２５ｍ／ｓの滑り速度、５００〜９００℃の部品温度、６．３の表面粗さＲｚ、５００時間の試験時間、０．２Ｈｚのクロック周波数、４５°の調整角度、０．２８の摩擦係数、４．７７ｍｍのジャーナル径、２００ｍｂａｒ超の圧力脈動、１．５ｂａｒ超の排気圧に対し、且つディーゼル排気を試験媒体としたとき、０．０８ｍｍ未満となる。
【００１２】
３００時間の熱衝撃試験の実行中、本発明に係るブレード軸受リングの部品平面度は、８０ｍｍの周長に対して０．１ｍｍ未満となる。
【００１３】
従属請求項は、本発明の有利な発展形態を含む。
【００１４】
従って、一実施形態において、本発明に係るブレード軸受リングのトライボロジー特性は、対応する硫化マンガン含有量によって改善することができる。結果として、滑り摩擦による摩耗が著しく低減され、従ってブレード軸受リングの耐久性がさらに増加する。
【００１５】
その場合、元素ニオブ及びバナジウムを添加すると、鉄基合金がさらに強化され得る。ニオブは炭化物生成元素又はフェライト生成元素であり、従って本発明に係るオーステナイト組織の耐熱性及び長時間破断強度を増加させる。それに対しバナジウムは、一次結晶粒、従って鋳造組織を微細化する。バナジウムもまた強力な炭化物生成元素であり、その結果、材料の耐摩耗性を増加させる。その場合、結晶粒の微細化により動的表面圧力が高くなる。好ましくは、鉄基合金中に構成成分として０〜３．５重量％のニオブ及び／又は０〜３．７重量％のバナジウムが存在する。鉄基合金は、鉄に加え、例えば、Ｃ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ及びＮなどのさらなる元素を含んでもよい。
【００１６】
好ましい実施形態に従えば、鉄基合金は以下の構成成分、すなわち、Ｃ：０．２〜０．５重量％、Ｃｒ：１６〜２２．５重量％、Ｎｉ：５〜１４重量％、Ｍｎ：５〜１５重量％、Ｓｉ≦１．３重量％、Ｓ：＜０．５重量％、Ｎｂ：０〜３．５重量％、Ｖ：０〜３．７重量％、Ｎ：０．１〜０．６重量％、及びＦｅを含む。
【００１７】
さらなる実施形態において、本発明に係るブレード軸受リングは、以下の構成成分を含む特定の組成により区別される：
Ｃ：  ０．２〜０．５重量％
Ｃｒ：  １６〜２２．５重量％
Ｎｉ：  ５〜１４重量％
Ｍｎ：  ５〜１５重量％
Ｓｉ：  ≦１．３重量％
Ｓ：  ＜０．５重量％
Ｎｂ：  ０．７５〜３．５重量％
Ｖ：  １〜３．７重量％
Ｎ：  ０．１〜０．６重量％
及びＦｅ。
【００１８】
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、ブレード軸受リングに加工したとき、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により、特に高い耐熱性及び耐温度性を有するブレード軸受リングであって、優れた滑り特性、従って特に低い滑り摩耗により区別されるブレード軸受リングが得られる。さらに、耐食性が最小限に抑えられ、これは特に湿食にも該当する。
【００１９】
従って、このように製造された本発明に係る材料は、以下の特性を有する：
【００２０】
【表１】
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【００２１】
本発明のさらなる実施形態に従えば、ブレード軸受リングは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。このタイプの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抽出する特性からも、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。従って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。
【００２２】
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。
【００２３】
請求項５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、樹枝状炭化物析出物を有するオーステナイト基地組織を含む鉄基合金からなるブレード軸受リング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】
【００２４】
【図１】部分的に断面で図示した、本発明に係るターボチャージャの斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、部分的に断面で図示した、本発明に係るターボチャージャの斜視図を示す。図１は、タービンケーシング２と、それと軸受ケーシング２８を介して連結されたコンプレッサケーシング３とを有する本発明に係るターボチャージャ１を図示する。ケーシング２、３及び２８は、回転軸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と、それによって形成される半径方向外側のガイドブレードカスケード１８であって、外周にわたり配設され、且つ回転軸８を有する複数の調整ブレード７を有するガイドブレードカスケード１８との構成を明確にするため、部分的に断面図として示される。従ってノズル部が形成され、それらは調整ブレード７の位置に応じて大きく、又は小さくなり、且つ回転軸Ｒ上で中心に位置するタービンロータ４に対し、エンジン排気の給気ダクト９を介した供給及び中心連結部品１０を介した排出に伴いより大きく、又はより小さく作用し、それによりタービンロータ４を介して、それと同じシャフト上に取り付けられたコンプレッサロータ１７が駆動される。
【００２６】
調整ブレード７の動作又は位置を制御するため、作動装置１１が提供される。これは、それ自体は任意の所望の設計であってよいが、好ましい実施形態は制御ケーシング１２を有し、それが、そこに固定されたタペット部材１４の制御動作を制御し、それによりブレード軸受リング６の後ろ側に位置する調整リング５に対するタペット部材１４の動きが、前記調整リングの小さい回転運動に変換される。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との間には、調整ブレード７用の自由空間１３が形成される。この自由空間１３が保護手段となり得るように、ブレード軸受リングはスペーサ１６を有する。
【実施例】
【００２７】
本発明に係るブレード軸受リングを形成した合金は、以下の元素から従来の方法によって製造した。化学分析から、各元素について以下の値が得られた：Ｃ：０．２〜０．５重量％；Ｃｒ：１７〜２１重量％；Ｎｉ：５．５〜１０．５重量％；Ｍｎ：７．５〜１１重量％；Ｓｉ：最大１重量％；Ｓ：＜０．５重量％；Ｎｂ：０．７５〜１．７重量％；Ｎ：０．１〜０．５重量％；Ｖ：１〜１．９重量％；残り：鉄。
【００２８】
この例に従い製造したブレード軸受リングは、６５５ＭＰａの引張り強さＲｍ（ＡＳＴＭ  Ｅ  ８Ｍ／ＥＮ  １０００２−１；高温：ＥＮ  １０００２−５）により区別された。降伏点Ｒｐ  ０．２（標準方法により計測）は２７６ＭＰａとなった。材料の破断点伸び（標準方法により計測）は１３．２％となった。材料の硬度（ＡＳＴＭ  Ｅ  ９２／ＩＳＯ  ６５０７−１により計測）は２４３ＨＢとなった。線膨張率（標準方法により計測）は１７．６Ｋ−１（２０〜９００℃）となった。材料は、以下の試験を含む一連の検証試験に供した：
−  屋外暴露試験
−  促進耐候性試験
−  熱衝撃試験／サイクル試験−３００時間
−  核分裂炉における高温ガス腐食試験
【００２９】
この構成部品は、全ての試験において作用する力に対する良好な抵抗性により区別された。従って、材料が極めて高い耐摩耗性及び優れた耐酸化性を有したため、特定の条件下における材料の腐食又は摩耗が著しく低減され、ひいては長時間にわたっても材料の抵抗性がなお確保された。
【００３０】
熱サイクル試験：
本発明に係る構成部品を熱サイクル試験に供した。熱衝撃は以下のとおり操作した：
１．  固定型ロータを使用；
２．  二段ターボチャージャ作動；
３．  試験時間：３５０時間（約２０００サイクル）；
４．  全試験時間中、ターボチャージャの排気フラップは１５°に開放したままとする；
５．  高温：公称出力点Ｔ３＝７５０℃、タービン側のターボチャージャ質量流量：０．５ｋｇ／ｓ；
６．  低温：Ｔ３＝１００℃、タービン側のターボチャージャ質量流量：０．５ｋｇ／ｓ；
７．  サイクル時間：２×５分（１０分）；
８．  ３回の中間割れ試験の実行
【符号の説明】
【００３１】
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  回転軸
９  給気ダクト
１０  軸方向連結部品
１１  作動装置
１２  制御ケーシング
１３  ガイドブレード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の環状部分
１６  スペーサ／間隔保持ボス
１７  コンプレッサロータ
１８  ガイドブレードカスケード
２８  軸受ケーシング
Ｒ  回転軸
【図１】
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【国際調査報告】
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