渦輪增壓器以及用于該渦輪增壓器的部件的制作方法
【專利摘要】所說明的是一種用于渦輪增壓器應用的部件，特別是在柴油發(fā)動機中，該部件由具有一種鐵素體基礎結構的一種鐵基合金組成，該鐵素體基礎結構包括一種碳化物和氮化物結構。
【專利說明】渦輪增壓器以及用于該渦輪增壓器的部件
[0001]說明書
[0002]本發(fā)明涉及根據權利要求1的前序部分的一種用于渦輪增壓器應用的部件，特別是在柴油發(fā)動機中，并且還涉及根據權利要求7的前序部分的包括一個部件的一種排氣渦輪增壓器。
[0003]排氣渦輪增壓器是旨在提高活塞式發(fā)動機功率的系統(tǒng)。在排氣渦輪增壓器中，排氣的能量被用于提高功率。功率的提高是由于提高每個工作行程的混合氣通過量的結果。
[0004]一個渦輪增壓器主要由帶有一個軸的一個排氣渦輪機和一個壓縮機組成，其中這個安排在發(fā)動機的進氣區(qū)域中的壓縮機被連接到該軸上，并且位于該排氣渦輪機的殼體中的這些葉輪和該壓縮機旋轉。在一個渦輪增壓器具有一個可變渦輪幾何形狀的情況下，多個調節(jié)葉片被額外地可旋轉地安裝在一個葉片支承環(huán)中并且由安排在該渦輪增壓器的渦輪機殼體中的一個調節(jié)環(huán)移動。
[0005]關于渦輪增壓器的這些部件的、并且特別是這些運動學部件的或該渦輪增壓器的廢氣門部件的、或者在VTG渦輪增壓器的情況下還有其VTG部件的材料做出了極高的要求。這些部件的材料必須是耐熱的，即這種材料甚至在非常高的直至大約900°C的溫度仍然必須能提供足夠的強度并且因此具有尺寸穩(wěn)定性。此外，這種材料必須具有高耐磨性并且還具有適當?shù)目寡趸?，以使該材料的腐蝕或磨損在甚至幾百攝氏度的高工作溫度下降低，并且因此在極端工條件下該材料的穩(wěn)定性仍然得到確保。
[0006]DE 10 2004 062 564 Al披露了一種用于渦輪增壓器的具有良好的熱穩(wěn)定性以及低的滑動磨損的葉片支承環(huán)。在這種類型的葉片支承環(huán)中，使用了一種奧氏體材料、一種鐵基合金，該鐵基合金具有高的含硫量用于改善該部件的潤滑作用。由于這種特定的合成，提高了該材料的抗蠕變性能并且因此實現(xiàn)了在850°C以上的溫度下的該葉片支承環(huán)的尺寸穩(wěn)定性的提聞。
[0007]鑒于此，本發(fā)明的一個目的是提供根據權利要求1的前序部分的一種用于渦輪增壓器應用的部件并且還提供根據權利要求7的前序部分的一種渦輪增壓器，該部件和渦輪增壓器具有改善的耐溫性和抗氧化性并且因此還具有非常好的尺寸穩(wěn)定性和高溫強度、并且還具有耐腐蝕性，其突出之處為最佳的摩擦學特性并且額外地示出了降低的對磨損的敏感性。
[0008]該目的是通過權利要求1和權利要求7的特征來實現(xiàn)的。
[0009]該材料的改善的耐溫性并且特別是改善的滑動磨損特性以及降低的朝向氧化的趨勢是通過根據本發(fā)明的以一種用于渦輪增壓器應用的部件或者以包括這樣一種部件的一種排氣渦輪增壓器形式的實施例來實現(xiàn)的，該部件由具有一種鐵素體基礎結構的一種鐵基合金組成，該鐵素體基礎結構包括一種碳化物和氮化物結構。在本發(fā)明的背景中，一種碳化物結構或氮化物結構被理解成是指在此情況下形成在晶粒中的以及形成在該鐵基合金的晶粒邊界處的一種微結構碳化物析出相或氮化物析出相。該碳化物結構特別地是一種枝晶微結構，其結果是還獲得了該材料的并且因此該部件的非常好的抗變形性和耐磨性。因此提供的是一種用于渦輪增壓器應用的部件、或者一種包括至少一個根據本發(fā)明的部件的排氣渦輪增壓器，該部件具有優(yōu)化的高達900°C的耐溫性、還具有高的高溫強度、具有高的耐磨性和耐腐蝕性并且此外其突出之處為非常好的具有降低的朝向氧化的趨勢的滑動特性，特別是在高的工作溫度下。此外，根據本發(fā)明的部件并且因此根據本發(fā)明的排氣渦輪增壓器在長期的工作中還是尺寸穩(wěn)定的。
[0010]在不受限于理論的情況下，假定在該鐵素體鐵基合金中存在碳化物析出并且還存在氮化物析出基于這種獨特的結構而相當大地提高了該合金材料的穩(wěn)定性并且因此提高了該部件的穩(wěn)定性(特別是對于摩擦磨損的)并且由于這種獨特的結構還提高了它們的高溫強度。
[0011]通過舉例，根據本發(fā)明的鐵基合金、即形成該部件的具有一種碳化物和氮化物結構的鐵素體鐵基材料的突出之處為在給定20Mpa的接觸壓力、0.0025m / s的滑動速度、大約850°C的部件溫度以及2000000個周期下直徑的最大0.08mm的滑動磨損率，即異常的耐摩擦磨損性。除此之外，還改善了高溫強度、尺寸穩(wěn)定性并且還改善了高溫性能。
[0012]從屬權利要求涉及本發(fā)明的多個有利發(fā)展。
[0013]因此，在一個實施例中，通過在形成根據本發(fā)明的部件的鐵素體鐵基合金中使用元素鎢(W)、鈦(Ti)和鈮(Nb)中的至少一種而可以相當大地改善該部件的磨損特性、即確切地說是該部件的耐摩擦磨損性。這些元素W、Ti和Nb基本上形成了在該鐵基合金中的碳化物結構，這除了非常好的耐磨損性能外還提高了該材料的并且因此根據本發(fā)明的部件的耐腐蝕性。
[0014]在另一個實施例中，根據本發(fā)明的用于渦輪增壓器應用的部件的突出之處為其包括至少一種選自以下的元素:c，W，Cr，Mn，Ti，V，Nb和Si。含有這些元素中的至少一種應當理解為是指這樣一種元素或這些元素的一種組合用于生產該鐵基合金，然后再處理該鐵基合金以形成根據本發(fā)明的部件。添加到該鐵基合金中的這些元素在此可以是以它們的初始形式、即以元素形式(例如以夾雜物或析出相形式的)或者以其衍生物的形式、即以相對應元素的一種化合物形式(例如一種金屬碳化物或金屬氮化物)存在的，該化合物是在生產該鐵基合金的過程中或者是在形成根據本發(fā)明的由該鐵基合金生產的部件時形成的。在此情況下在根據本發(fā)明的部件中可以通過常規(guī)的分析方法直接檢測這些元素的存在。
[0015]元素碳在此主要起到形成根據本發(fā)明的碳化物結構、即碳化物的析出相的作用，并且因此提高了該材料的強度并且還提供了該材料的高溫強度、并且因此提高了根據本發(fā)明的用于渦輪增壓器應用的部件的高溫強度。元素鎢大多由于碳化物結構的形成而同樣提高了該材料的高溫強度和耐磨性并且有助于其韌性。一種鎢與鉻和/或鑰的組合物特別使之有可能相當大地提高該材料在酸性介質中的耐腐蝕性、并且還改善了熱腐蝕性能。在此使用鉻提高了該材料的高溫拉伸強度和抗片落性。鉻額外地是一種強的碳化物構成者，并且因此由此還使得該材料的、并且因此根據本發(fā)明的部件的磨損特性最優(yōu)化。在形成根據本發(fā)明的用于渦輪增壓器應用的部件的鐵基合金中使用元素鉻還具有另一個優(yōu)點:在高的排氣溫度作用在該部件上的情況下，鉻在該部件上形成一種Cr2O3表層、即一種氧化表層，這有效地提升了該部件在熱負荷下的耐滑動摩擦和摩擦磨損性。使用錳具有一種脫氧的效果。錳在該鐵基合金的Y區(qū)域擴展并且增大了該材料的屈服強度和拉伸強度。除此之外，錳提升了該部件的耐磨性，特別是在高的工作溫度下。釩在該鐵基合金的生產過程中細化了該鐵基合金的初生晶粒并且因此細化了該鐵基合金的鑄造結構。這樣實現(xiàn)了高度的晶粒細化，這提升了該鐵基合金的均勻性并且允許該材料具有較高的動態(tài)接觸壓力。在形成根據本發(fā)明的部件的鐵基合金中，元素鈮起到一種碳化物構成者的作用并且因此提升了在該鐵基合金的晶粒中以及在鐵基合金的晶粒邊界處的碳化物結構。銀還提聞了該材料的、并且因此還是根據本發(fā)明的用于渦輪增壓器應用的部件的高溫強度和疲勞強度。鈮此外促進了鐵素體形成并且減少了該鐵基合金的Y區(qū)域，并且因此可以用于調節(jié)能力。硅通過在鑄造過程中降低熔體的黏性而提升該鐵基合金的鑄造特性。除此之外，硅在根據本發(fā)明的材料中促進了脫氧，并且因此將這種元素添加到該合金中果斷地改善了抗熱腐蝕性。通過適合地選擇和組合這些元素，因此可以用一種有目標的方式控制該鐵基合金的特性，這樣使得根據本發(fā)明的用于渦輪增壓器應用的部件并且因此還有根據本發(fā)明的排氣渦輪增壓器具有一種特別平衡的特性分布。其他元素并且以及其他化合物可以被引入到該鐵基合金中。
[0016]根據另一個實施例，根據本發(fā)明的用于渦輪增壓器應用的部件的突出之處為以下事實，即其基本上包括以下元素:按重量計0.1%至0.5%的、按重量計特別是0.25%至
0.4%的碳(C)，按重量計15%至22%的、按重量計特別是18%至20%的鉻(Cr)，按重量計至多1.3%的、按重量計特別是至多1%的錳(Mn)，按重量計0.8%至2.1%的、按重量計特別是1%至1.8%的硅(Si)，按重量計0.4%至1.3%的、按重量計特別是0.6%至1.1%的鈮(Nb)，按重量計0.2%至0.6%的、按重量計特別是0.3%至0.5%的鈦(Ti)，按重量計1.8%至3.0%的、按重量計特別是2%至2.7%的鎢(W)，按重量計0.3%至1.0%的、按重量計特別是0.5%至0.8%的釩(V)，按重量計至多3%的、按重量計特別是至多2%的氮(N)，以及佘量是鐵(Fe)。這些量的指標在各自情況下在此涉及形成根據本發(fā)明的部件的鐵基合金的整體重量。如已經陳述的，含有所述元素應當理解成是指這些元素既可以用元素形式并且還可以用其一種化合物形式存在于該鐵基合金的、并且因此存在于根據本發(fā)明的用于渦輪增壓器應用的部件中的。在此實施例中，上述元素基本上以所指示的量存在于根據本發(fā)明的部件中。這意味著可能存在不可避免的雜質，盡管這些雜質基于該鐵基合金的總計重量、優(yōu)選地占比例按重量計少于2%并且按重量計特別是少于1%。這些不可避免的殘留物或雜質在此情況下包括例如鋁(Al)、鎳(Ni)、鋯(Zr)、鈰(Ce)、硼(B)、磷(P)以及硫
(S)。在此情況下在根據本發(fā)明的部件中可以通過常規(guī)的元素分析方法直接檢測這些單獨元素的量。
[0017]已經出人意料地發(fā)現(xiàn)的是所描述的組合物確實提供了一種材料、即一種鐵基合金，該鐵基合金在其被處理以形成一種用于渦輪增壓器應用的部件時對所述部件提供了一種特別平衡的特性分布。根據本發(fā)明的這種合成提供一種部件，該部件具有特別高的高溫強度、高達900°C的耐溫性、并且因此具有在高溫時的尺寸穩(wěn)定性、并且該部件的突出之處為出色的滑動特性并且因此具有特別低的滑動磨損。除此之外，耐腐蝕性和抗氧化性被最大化，特別是在高的工作溫度(如在一個渦輪增壓器的工作過程中作用在相對應的部件上的)下。
[0018]一種以此方式生產的并且形成根據本發(fā)明的部件的材料因此具有以下特性:
[0019]
【權利要求】
1.一種用于渦輪增壓器應用的部件，特別是在柴油發(fā)動機中，該部件由具有一種鐵素體基礎結構的一種鐵基合金組成，該鐵素體基礎結構包括一種碳化物和氮化物結構。
2.如權利要求1所述的用于渦輪增壓器應用的部件，該部件包括至少一種選自以下的元素:W, Ti和Nb。
3.如權利要求1或2所述的用于渦輪增壓器應用的部件，該部件包括至少一種選自以下的元素:C, W, Cr，Mn，Ti，V，Nb 和 Si。
4.如以上權利要求之一所述的用于渦輪增壓器應用的部件，其中，該部件基本上包括以下元素: C:按重量計0.1%至0.5%，按重量計特別是0.25%至0.4%， Cr:按重量計15%至22%，按重量計特別是18%至20%， Mn:按重量計≤1.3%,按重量計特別是≤1%, S1:按重量計0.8%至2.1%，按重量計特別是1%至1.8%， Nb:按重量計0.4%至1.3%，按重量計特別是0.6%至1.1%， T1:按重量計0.2%至0.6%，按重量計特別是0.3%至0.5%， W:按重量計1.8%至3.0%，按重量計特別是2%至2.7%， V:按重量計0.3%至1.0%，按重量計特別是0.5%至0.8%， N:按重量計≤ 3%,按重量計特別是≤ 2%,以及 Fe:按重量計添加至100%。
5.如以上權利要求之一所述的用于渦輪增壓器應用的部件，其中，該部件基本上不含σ相。
6.如以上權利要求之一所述的用于渦輪增壓器應用的部件，其中，該部件是一個運動學部件和/或一個廢氣門部件和/或一個VTG部件，特別是一個VTG部件和/或一個閥瓣安裝件。
7.一種排氣渦輪增壓器，特別是用于柴油發(fā)動機的，該排氣渦輪增壓器包括至少一個由一種鐵基合金組成的部件，該鐵基合金具有一種鐵素體基礎結構的，該鐵素體基礎結構包括一種碳化物和氮化物結構。
8.如權利要求7所述的排氣渦輪增壓器，其中，該部件包括至少一種選自以下的元素:W, Ti和Nb，并且特別是至少一種選自以下的元素:C, W，Cr，Mn，Ti，V，Nb和Si。
9.如權利要求7或8所述的排氣渦輪增壓器，其中，該部件基本上包括以下元素: C:按重量計0.1%至0.5%，按重量計特別是0.25%至0.4%， Cr:按重量計15%至22%，按重量計特別是18%至20%， Mn:按重量計≤1.3%,按重量計特別是≤1%, S1:按重量計0.8%至2.1%，按重量計特別是1%至1.8%， Nb:按重量計0.4%至1.3%，按重量計特別是0.6%至1.1%， T1:按重量計0.2%至0.6%，按重量計特別是0.3%至0.5%， W:按重量計1.8%至3.0%，按重量計特別是2%至2.7%， V:按重量計0.3%至1.0%，按重量計特別是0.5%至0.8%， N:按重量計≤ 3%,按重量計特別是≤ 2%,以及 Fe:按重量計添加至100%。
10.如權利要求7至9 之一所述的排氣渦輪增壓器，其中，該部件基本上不含O相。
【文檔編號】F01D25/24GK103534458SQ201280022878
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年5月24日 優(yōu)先權日:2011年6月7日
【發(fā)明者】G·沙爾, M·庫林 申請人:博格華納公司