涡轮增压器以及用于该涡轮增压器的部件的制作方法
【专利摘要】说明了一种用于涡轮增压器应用的部件，特别是在柴油发动机中，该部件由一种具有铁奥氏体基础结构的铁基合金组成，该奥氏体基础结构包括一种碳化物结构。
【专利说明】涡轮增压器以及用于该涡轮增压器的部件
[0001]本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的一种用于涡轮增压器应用、特别是柴油发动机中的涡轮增压器应的部件，并且还涉及根据权利要求7的前序部分所述的包括一个部件的一种排气涡轮增压器。
[0002]排气涡轮增压器是旨在提高活塞式发动机的功率的系统。在排气涡轮增压器中，排气的能量被用于提高功率。功率的提高是由于提高每个工作冲程中的混合气通过量的结果O
[0003]一个涡轮增压器主要由带有一个轴的一个排气涡轮机和一个压缩机组成，其中这个被安排在发动机的进气道中的压缩机被连接到该轴上，并且位于该排气涡轮机的壳体中的这些叶轮和该压缩机进行旋转。在一个涡轮增压器具有可变涡轮几何形状的情况下，多个调节叶片被额外地可旋转地安装在一个叶片支承环中并且由被安排在该涡轮增压器的涡轮机壳体中的一个调节环移动。
[0004]关于涡轮增压器的这些部件的、并且特别是该涡轮增压器的运动学部件或废气门部件的、或者在VTG涡轮增压器的情况下还有其VTG部件的材料提出了极高的要求。这些部件的材料必须是耐热的，即，这种材料甚至在非常高的直至大约1000°C或更高的温度下仍然必须能提供足够的强度并且因此提供尺寸稳定性。此外，这种材料必须具有高的耐磨性并且还具有适当的抗氧化性能，以使该材料的腐蚀或磨损甚至在几百摄氏度的高工作温度下也被降低，并且因此在极端工作条件下该材料的耐受性仍然得到确保。
[0005]DElO 2004 062 564A1披露了一种用于涡轮增压器的具有良好的热稳定性以及低的滑动磨损的叶片支承环。在这种类型的叶片支承环中，使用了奥氏体材料，这是一种具有高的含硫量以用于改善该部件的润滑作用的铁基合金。由于这种特定的组成，提高了该材料的抗蠕变性能并且因此实现了在850°C以上的温度下该叶片支承环的尺寸稳定性的提闻。
[0006]鉴于此，本发明的一个目的是提供根据权利要求1的前序部分所述的一种用于涡轮增压器应用的部件并且还提供根据权利要求7的前序部分所述的一种涡轮增压器，该部件和涡轮增压器具有改善的耐温性和抗氧化性能并且因此还具有非常好的尺寸稳定性和高温强度、并且还具有蠕变强度、断裂强度和耐腐蚀性，其突出之处为最佳的摩擦学特性并且额外地展示出降低的磨损敏感性，甚至在高达1020°C的温度下也是如此。
[0007]该目的是通过权利要求1和权利要求7的特征来实现的。
[0008]该材料的改善的耐温性并且特别是改善的滑动磨损特性及其降低的氧化趋势是通过根据本发明的、处于用于涡轮增压器应用的部件或者包括这样一种部件的排气涡轮增压器的形式的实施例来实现的，该部件由具有一种奥氏体基础结构的铁基合金组成，该奥氏体基础结构包括一种特定的碳化物结构。此外，该材料的蠕变强度还有断裂强度被提高。在本发明的背景中，碳化物结构被理解为在此情况下是指:在晶粒中以及在该奥氏体铁基合金的晶粒边界处形成的一种微结构碳化物析出相。该碳化物结构特别地是一种枝晶微结构，其结果是还实现了该材料的、并且因此该部件的非常好的抗变形性和耐磨性。因此提供了一种用于涡轮增压器应用的部件、或者一种包括至少一个根据本发明的部件的排气涡轮增压器，该部件具有出色的高达1020°C的耐温性、还具有高的高温强度、高的耐磨性、抗氧化性能和耐腐蚀性，并且此外其突出之处为非常好的滑动特性以及非常好的蠕变强度和断裂强度，特别是在高的工作温度下。在此提及的用于涡轮增压器应用的部件的或该排气涡轮增压器的特性在该部件或该涡轮增压器的整个使用寿命期间均被实现，甚至在高达1020°C的温度下的连续工作过程中也是如此。
[0009]在不受限于理论的情况下，假定在该奥氏体铁基合金中存在碳化物结构(即，碳化物析出物)相当大地提高了该合金材料的稳定性并且因此提高了该部件的稳定性(特别是对于摩擦磨损而言)并且由于这种独特的结构还提高了它们的高温强度。
[0010]举例而言，根据本发明的铁基合金，即形成该部件(并且因此形成根据本发明的部件)的具有碳化物结构的奥氏体铁基材料，其突出之处为在给定的20Mpa的接触压力、0.0025m/s的滑动速度、大约1020°C的部件温度以及2 000 000次循环中直径的最大
0.08mm的滑动磨损率，即其突出之处为非常好的耐摩擦磨损性。此外，该铁基合金的并且因此由其形成的该用于涡轮增压器应用中的部件的高温强度、尺寸稳定性、蠕变强度和断裂强度还有抗氧化性能以及高温性能也被提高。
[0011]从属权利要求涉及本发明的多个有利发展。
[0012]因此，在一个实施例中，通过在用于形成根据本发明的部件的奥氏体铁基合金中使用元素钨(W)、铬(Cr)和铌(Nb)中的至少一种，可以相当大地改善该部件的磨损特性、即确切地说是该部件的耐摩擦磨损性，还以及它的高温强度和耐腐蚀性，即使在高达1020°C的高工作温度下也是如此。在此情况下，这些元素W、Cr和Nb基本上在该奥氏体铁基合金中形成了对本发明而言必不可少的碳化物结构，这除了在高工作温度下非常好的磨损性能外还提高了该材料并且因此根据本发明的部件在高温下的抗氧化性能。
[0013]在一个进一步的实施例中，根据本发明的用于涡轮增压器应用的部件的突出之处为，形成该部件的该铁基合金包括至少一种选自以下各项的元素:c、Cr、W、Nb、Mn、V、Ni和Si。存在这些元素中的至少一种应当理解为是指，这样一种元素或这些元素的一种组合被用于生产该铁基合金，然后处理该铁基合金以形成根据本发明的部件。添加到该铁基合金中的这些元素在此可以是以它们的原始形式、即以元素形式(例如以夹杂物或析出相形式的)或者以其衍生物的形式、即以对应元素的化合物的形式(例如金属碳化物或金属氮化物)存在的，这些衍生物是在生产该铁基合金的过程中或者是在形成根据本发明的由该铁基合金生产的部件时形成的。在此情况下在根据本发明的部件中可以通过常规的分析方法直接检测这些元素的存在。
[0014]元素碳在此主要用于形成对于本发明而言必不可少的碳化物结构、即碳化物的析出相，并且因此可观地提高了该材料的强度并且还提高了该材料的、因此根据本发明的用于涡轮增压器应用的部件的高温强度。使用铬提高了该材料的高温拉伸强度和抗鳞爆性(scaling resistance)。铬另外是一种强的碳化物构成者(former),并且因此该材料的因此还有根据本发明的部件的磨损特性也由此被优化。在用于形成根据本发明的用于涡轮增压器应用的部件的奥氏体铁基合金中使用元素铬还具有另一个优点:特别在根据本发明的部件的工作条件下，即在高达1020°C的高排气温度的作用下，铬还在该部件的表面上形成了一个Cr2O3表面层，即一个氧化的表面层，该表面层有效促进了该铁基合金、并且因此根据本发明的该部件在热负载下对于滑动磨损和摩擦磨损的耐受性。元素钨也是一种强的碳化物构成者并且特别地由于碳化物结构的形成而提高了该材料的高温强度和耐磨损性并且有助于提高其韧性。钨与铬的组合并且在适当时进一步添加了钥(Mo)时特别有可能相当大地提高该材料在酸性介质中的耐腐蚀性还有热腐蚀性能。像碳、铬和钨一样,铌也是一种碳化物构成者并且因此促进了该奥氏体铁基合金的、在晶粒中以及在晶粒边界处的、对本发明而言必不可少的碳化物结构。此外，它有助于提高该铁基合金的、并且因此用于形成该用于涡轮增压器应用的部件的高温强度和蠕变强度。铌进一步促进了奥氏体结构并且减少了根据本发明的铁基合金的Y区域，并且因此可以用于调节方式(regulatoryfashion)。使用锰具有脱氧效果。锰使该奥氏体铁基合金的Y区域扩展并且增大了该材料的屈服强度和拉伸强度。除此之外，锰提升了该部件的耐磨性，特别是在高的工作温度下。钒在根据本发明的铁基合金的生产过程中细化了该铁基合金的初生晶粒并且因此细化了该铁基合金的铸造结构。这样实现了高度的晶粒细化，这提升了该铁基合金的均质性并且允许该材料具有更高的动态接触压力。镍使该奥氏体结构稳定并且使得有可能实现该铁基合金的高温稳定性还有热气体性能。此外，镍使面心立方结构稳定，而使得在面心立方相中可以出现无缝的固溶体结构。此外，通过添加镍也明确地在高于600°C时提高了高温强度。同时，元素镍与铬和钥相结合改进了在酸性介质中的耐腐蚀性。硅通过降低在铸造过程中熔体的黏性而提升该铁基合金的铸造特性。除此之外，硅在根据本发明的材料中促进了脱氧，并且因此将这种元素添加到该合金中决定性地改善了抗热腐蚀性。通过适当地选择和组合这些元素，因此可以用一种有针对性的方式控制该铁基合金的特性，而使得根据本发明的用于涡轮增压器应用的部件并且因此还有根据本发明的排气涡轮增压器具有一种特别平衡的特性分布。其他元素还以及其他化合物可以被引入到该铁基合金中。
[0015]根据另一个实施例，根据本发明的用于涡轮增压器应用的部件的突出之处在于，即它基本上包含以下元素:按重量计0.1%至0.5%、特别地按重量计0.25%至0.4%的碳(C)，按重量计20%至28%、特别地按重量计24%至26%的铬(Cr)，按重量计至多1.3%、特别地按重量计至多1%的锰(Mn)，按重量计0.5%至1.8 %、特别地按重量计0.7%至
1.5%的硅(Si)，按重量计0.5%至2.0 %、特别地按重量计0.8%至1.5%的铌(Nb)，按重量计0.8%至4.0 %、特别地按重量计1.0 %至3.5%的钨(W)，按重量计O至1.8%、特别地按重量计O %至1.5 %的钒(V)，按重量计20 %至28 %、特别地按重量计24 %至26 %的镍(Ni)，以及余量的铁(Fe)。这些量的指示值在本文中各自是关于用于形成根据本发明的部件的该铁基合金的总重量。如已经陈述的，存在所述元素应当理解成是指，这些元素既能以元素形式存在并且还能以其一种化合物的形式存在于该铁基合金中、并且因此存在于根据本发明的用于涡轮增压器应用的部件中。在此实施例中，上述元素基本上以所指示的量存在于根据本发明的部件中。这意味着可能存在不可避免的杂质，但这些杂质基于该铁基合金的总重量而言优选地占到按重量计少于2%并且特别地按重量计少于1%。这些不可避免的残留物或杂质在此情况下涵盖了例如铝(Al)、锆(Zr)、铈(Ce)、硼⑶、磷⑵以及硫
(S)。在此情况下在根据本发明的部件中可以通过常规的元素分析方法直接检测这些单独元素的量。
[0016]已经出人意料地发现，准确地由所描述的组合提供了一种材料、即一种铁基合金，该铁基合金在被处理以形成用于涡轮增压器应用的部件时向所述部件提供了一种特别平衡的特性分布。根据本发明的这种组成提供了以下部件，该部件具有特别高的高温强度、高达1020°C的耐温性、并且因此具有在高温下的尺寸稳定性，并且该部件的突出之处为出色的滑动特性并且因此具有特别低的滑动磨损。此外，蠕变强度和断裂强度、耐腐蚀性和抗氧化性能被最大化，特别是在高的工作稳定下，例如一个涡轮增压器的运行过程中作用在对应部件上的。
[0017]一种以此方式生产的并且用于形成根据本发明的部件的材料因此具有以下特
性:
[0018]
【权利要求】
1.一种用于涡轮增压器应用的部件，特别是在柴油发动机中，该部件由具有一种奥氏体基础结构的一种铁基合金组成，该奥氏体基础结构包括一种碳化物结构。
2.如权利要求1所述的用于涡轮增压器应用的部件，该部件包括至少一种选自以下的元素:W、Cr和Nb。
3.如权利要求1或2所述的用于涡轮增压器应用的部件，该部件包括至少一种选自以下的元素:C、W、Cr、Mn、N1、V、Nb 和 Si。
4.如以上权利要求之一所述的用于涡轮增压器应用的部件，其特征在于，该部件基本上包括以下元素: C:按重量计0.1%至0.5%、特别地按重量计0.25%至0.4%， Cr:按重量计20%至28%、特别地按重量计24%至26%， Mn:按重量计≤1.3%,特别地按重量计≤1%, S1:按重量计0.5%至1.8%、特别地按重量计0.7%至1.5%， Nb:按重量计0.5%至2.0%、特别地按重量计0.8%至1.5%， N1:按重量计20%至28%、特别地按重量计24%至26%， W:按重量计0.8%至4.0%、特别地按重量计1.0%至3.5%, V:按重量计O至1.8%、特别地按重量计O至1.5%，以及 Fe:按重量计添加至100%。
5.如以上权利要求之一所述的用于涡轮增压器应用的部件，其特征在于，该部件基本上不含σ相。
6.如以上权利要求之一所述的用于涡轮增压器应用的部件，其特征在于，该部件是一个运动学部件和/或一个废气门部件和/或一个VTG部件，特别地是一个VTG部件和/或一个阀瓣安装件。
7.一种排气涡轮增压器，特别地用于柴油发动机，该排气涡轮增压器包括至少一个由一种铁基合金组成的部件，该铁基合金具有一种奥氏体基础结构的，该奥氏体基础结构包括一种碳化物结构。
8.如权利要求7所述的排气涡轮增压器，其中，该部件包括至少一种选自以下的元素:W、Cr和Nb,并且特别是至少一种选自以下的元素:C、W、Cr、Mn、N1、V、Nb和Si。
9.如权利要求7或8所述的排气涡轮增压器，其特征在于，该部件基本上包括以下元素: C:按重量计0.1%至0.5%、特别地按重量计0.25%至0.4%， Cr:按重量计20%至28%、特别地按重量计24%至26%， Mn:按重量计≤1.3%、特别地按重量计≤1%, S1:按重量计0.5%至1.8%、特别地按重量计0.7%至1.5%， Nb:按重量计0.5%至2.0%、特别地按重量计0.8%至1.5%， N1:按重量计20%至28%、特别地按重量计24%至26%， W:按重量计0.8%至4.0 %、特别地按重量计1.0%至3.5%， V:按重量计O至1.8%、特别地按重量计O至1.5%，以及 Fe:按重量计添加至100%。
10.如权利要求7至9之一所述的排气涡轮增压器，其特征在于，该部件基本上不含O相。
【文档编号】F02B37/22GK103827463SQ201280046887
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年10月15日 优先权日:2011年10月20日
【发明者】G·沙尔, I·迪特里希, M·加贝尔, M·库林 申请人:博格华纳公司