DE102010006800A1

DE102010006800A1 - Aluminium-haltige Eisenlegierung und daraus hergestellter Turbolader

Info

Publication number: DE102010006800A1
Application number: DE201010006800
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. Baßler (FH); Cynthia Dipl.-Ing. Duda
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2011-03-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Aluminium-haltige Eisenlegierung, die zur pulvermetallurgischen Herstellung von Bauteilen für Automobile geeignet ist. Sie enthält:
– 3,8 bis 18,0 Gew.-% Al,
– 9,0 bis 28,0 Gew.-% Cr,
– 0 bis 35 Gew.-% Ni,
– zumindest ein Element aus der Gruppe M1 umfassend Nb, Mn, Mo, W, Si, Ti, wobei die Gesamtheit der Gehalte von Nb, Mn, Mo, W, Si und Ti 4,0 Gew.-% nicht überschreitet, und
– zumindest ein Element aus der Gruppe M2 umfassend C, V, B, Y, Ce, Zr, P, S, N, wobei die Gesamtheit der Gehalte von C, V, B, Y, Ce, Zr, P, S und N 1,0 Gew.-% nicht überschreitet,
– Fe mit einem Anteil, der einem Differenzanteil zum Erhalt von 100 Gew.-% der Aluminium-haltigen Eisenlegierung entspricht.
Ferner werden pulvermetallurgisch aus der Legierung gefertigte Hochtemperatur-Bauteile, die als Automobilkomponenten Einsatz finden und die geeignet sind, in Temperaturbereichen von 900°C bis 1050°C eingesetzt zu werden, offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminium-haltige Eisenlegierung und pulvermetallurgisch aus der Legierung hergestellte Hochtemperatur-Bauteile als Automobilkomponenten, insbesondere als Turbolader oder deren Komponenten.
Typische metallische Hochtemperaturwerkstoffe für Anwendungen von über 900°C sind Werkstoffe auf der Basis von Nickel (Ni) und Eisen (Fe). Üblicherweise sind die Hauptlegierungselemente bei Verwendung einer Eisenbasis Chrom (Cr), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Molybdän (Mo) und weitere, wobei insbesondere die Komponente Aluminium üblicherweise in geringen Gewichtsanteilen nur mit bis zu 2 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtgewichtsanteil der Legierung, vorliegt.
Solche eisenbasierten Legierungen haben für die Anwendung von Bauteilen in sogenannten Hochtemperaturbereichen über 900 oder sogar über 1.000°C keine ausreichende Oxidationsbeständigkeit. In diesem Temperaturbereich sind Deckschichten wie beispielsweise Aluminiumoxid-Deckschichten (Al₂O₃-Deckschichten) für einen ausreichenden Oxidationsschutz erforderlich. Die bekannten Eisenbasislegierungen sind jedoch keine Al₂O₃-Deckschichtbildner, da insbesondere der Aluminiumgehalt zu gering ist.
Weitere oxidische Deckschichten, wie sie von Chrom und Silizium als Cr₂O₃-Deckschicht und SiO₂-Deckschicht gebildet werden, sind nicht ausreichend kompakt; nur eine kompakt ausgebildete Deckschicht stellt eine Diffusionsbarriere für Sauerstoff dar, was insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen von Bauteilen gerade im Automobilbereich erforderlich ist, um das metallische Substrat zu schützen.
Ein gängiges Verfahren zur Darstellung solcher Eisen- oder Nickel basierter Bauteile ist die Schmelzmetallurgie, deren Nachteil jedoch darin besteht, dass eine schmelzmetallurgische Herstellung von Eisenbasislegierungen mit einem zur Erzielung einer gewünschten Deckschicht notwendigen erhöhten Aluminiumanteil schlecht bis nicht durchführbar ist. Im Allgemeinen kommt es bei der schmelzmetallurgischen Verarbeitung derartiger Eisenbasislegierungen mit erhöhtem Aluminiumanteil, also mit einem Anteil von bereits über 2 Gew.-%, zu einem unerwünschten Erstarrungsverhalten mit Seigerungen und Rissbildungen. Es bilden sich nachteilig Aluminiumnitride und niedrig schmelzende Verbindungen an den Korngrenzen aus.
Bauteile, die gerade bei höheren Temperaturen im Automobilbereich zum Einsatz kommen, sind etwa Turbolader wie Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen bzw. deren Komponenten.
Ein solcher Abgasturbolader ist in der DE 10 2004 023 214 A1 offenbart. Der dort offenbarte Abgasturbolader hat pulvermetallurgisch gefertigte Leitschaufelträger, deren Legierungszusammensetzung jedoch nicht dargelegt ist.
Ferner ist in der DE 10 2007 56 114 A1 ein Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse aus einer FeAl-Stahllegierung offenbart. Die Stahllegierung setzt sich zusammen aus 8 bis 23 Gew.-% Aluminium (Al), 0 bis 5 Gew.-% Chrom (Cr), 0 bis 10 Gew.-% einer Gruppe aus Elementen, die Kohlenstoff (C), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Silizium (Si) und Vanadium (V) mit bis zu 2 Gew.-% enthält. Auch Bor ist mit bis zu 200 ppm enthalten, ferner Niob mit bis zu 5 Gew.-%. Der verbleibende Restanteil wird durch Eisen repräsentiert. Der Chromanteil dieser Legierung ist relativ gering mit lediglich bis zu 5%, was sich entsprechend auf das Hochtemperaturverhalten des Werkstoffs auswirkt.
In der DE 102 03 37 6 C2 hingegen ist eine Komponente für Turbolader und ein Herstellungsverfahren dafür offenbart, wobei die Legierung, aus der die Turbokomponente gefertigt ist, einen sehr hohen Chromanteil von 23,8 bis 44 Gew.-% enthält. Aluminium hingegen fehlt völlig und steht insofern zur Deckschichtbildung nicht zur Verfügung.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, eine Aluminium-haltige Eisenlegierung zu schaffen, die als Werkstoff für die Anwendung in Bauteilen für Automobile, gerade auch im Hochtemperaturbereich von über 900°C, geeignet und in einer Fertigungsroute ökonomisch darstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Legierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Aufgabe der Herstellung von Hochtemperaturbauteilen als Automobilkomponenten wird durch die Verwendung der Aluminium-haltigen Legierung gemäß Anspruch 4 gelöst.
Die grundlegende Aufgabe der Schaffung von Hochtemperatur-Automobilbauteilen, die ein geeignetes Werkstoffverhalten gerade in Bereichen von über 900°C aufweisen, wird mit dem Hochtemperatur-Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Aluminium-haltige Eisenlegierung offenbart, die zur pulvermetallurgischen Herstellung von Bauteilen für Automobile geeignet ist.
Auf Grund ihrer Zusammensetzung kann diese Eisen basierte Legierung es leisten, in Temperaturbereichen oberhalb 900°C, sogar oberhalb 1.000°C bis etwa 1.050°C, mit ausreichender Oxidationsbeständigkeit eingesetzt zu werden. Diese Oxidationsbeständigkeit ergibt sich vorteilhaft durch den ausreichend hohen Gehalt an Aluminium in der Legierung, der mindestens bei 3,8 Gew.-% liegt und bis zu 18 Gew.-% betragen kann, so dass in der Verbindung mit Eisen und Chrom bei Vorhandensein von Sauerstoff oxidische Deckschichten aus Al₂O₃, aber auch aus Mischungen mit Cr₂O₃ und weiteren Oxidbildnern geschaffen werden.
Die erfindungsgemäße Legierung lässt sich in der pulvermetallurgischen Verarbeitung, durch Metallpulverspritzgießverfahren darstellen; die Formgebung in diesem Verfahren sollte einen Sinterschritt aufweisen, der wegen der hohen Reaktivität des Al mit Sauerstoff bevorzugt unter Schutzgas oder unter Vakuum durchzuführen ist. Derart lassen sich sehr filigrane oder auch dünnwandige Automobilbauteile wie Turbolader, beziehungsweise Turboladerkomponenten, formen.
Von Vorteil ist, dass die Pulvermetallurgie mehr Gestaltungsfreiraum bezüglich der Legierungszusammensetzung als die Schmelzmetallurgie besitzt. Das Sintern kann je nach Zusammensetzung des Pulvers unter Sauerstoff, Schutzgas oder Vakuum stattfinden
Durch das pulvermetallurgische Herstellungsverfahren ergibt sich im Vergleich zu mechanischem Legieren, das andernfalls möglich ist, um Legierungen mit höherem Aluminiumgehalt zu erreichen, eine günstige und ökonomische Darstellbarkeit einer oxidationsbeständigen Eisenbasislegierung, deren Funktionalität gerade im Hochtemperaturbereich in den genannten Temperaturbereichen von 900 oder sogar von 1000 bis 1.050°C gewährleistet ist. Die vielfach verwendeten Nickel-Basiswerkstoffe können durch die erfindungsgemäße Aluminium-Eisen-Legierung vorteilhaft Kosten senkend ersetzt werden.
Der vorteilhaft hohe Gehalt an Chrom trägt zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit und auch der Korrosionsbeständigkeit des Materials bei; ferner steht der hohe Chromgehalt zur Verfügung, um entsprechende Oxide an der Oberfläche auszubilden.
Es wird vorgeschlagen, eine Legierung zu schaffen, die erfindungsgemäß

– 3,8 bis 18,0 Gew.-% Al,
– 9,0 bis 28,0 Gew.-% Cr,
– 0 bis 35 Gew.-% Ni,
– zumindest ein Element aus der Gruppe M1 umfassend Nb, Mn, Mo, W, Si, Ti, wobei die Gesamtheit der Gehalte von Nb, Mn, Mo, W, Si und Ti 4,0 Gew.-% nicht überschreitet, und
– zumindest ein Element aus der Gruppe M2 umfassend C, V, B, Y, Ce, Zr, P, S, N, wobei die Gesamtheit der Gehalte von C, V, B, Y, Ce, Zr, P, S und N 1,0 Gew.-% nicht überschreitet, und
– Fe mit einem Anteil, der einem Differenzanteil zum Erhalt von 100 Gew.-% der Aluminium-haltigen Eisenlegierung entspricht, enthält. Daneben können unvermeidliche Spuren weiterer Elemente auftreten.

Diese Legierung ist geeignet zur pulvermetallurgischen Herstellung von Hochtemperatur-Bauteilen als Automobilkomponenten, die geeignet sind, in Temperaturbereichen von 900°C bis 1050°C eingesetzt zu werden, wobei das Hochtemperatur-Bauteil ein Turbolader oder eine Komponente desselben sein kann.
In bevorzugter Legierungszusammensetzung liegt der Ni-Gehalt bei 0%, bzw. es sind nur noch unvermeidbaren Spuren an Ni vorhanden. Neben den guten Werkstoffeigenschaften der Legierung können hier auch die Legierungskosten gesenkt werden, da auf vergleichsweise teures Nickel verzichtet wird.
Die pulvermetallurgische Herstellung kann vorteilhaft ein Metallpulverspritzgießverfahren sein, das einen Sinterschritt aufweist, um der hohen Reaktivität von Aluminium mit Sauerstoff Rechnung zu tragen.
Eine alternative Zusammensetzung der Legierung kann Aluminium mit einem vorteilhaft erhöhten Gehalt im Bereich von 5,0 bis 18,0 Gew.-% aufweisen, auch der Chromgehalt kann erhöht werden und im Bereich von 18,0 bis 28,0 Gew.-% vorliegen.
Eine noch weitere Alternative sieht eine Legierungszusammensetzung vor, die einen Gehalt an

– Al im Bereich von 5,0 bis 10,0 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 8,0 bis 10,0 Gew.-%,
– Cr im Bereich von 24,0 bis 26,0 Gew.-%,
– Ni im Bereich von 18,0 bis 22,0 Gew.-%, insbesondere Ni im Bereich von 19,0 bis 22,0 Gew.-%,
– C nicht bei über 0,2 Gew.-%,
– P nicht bei über 0,045 Gew.-%,
– S nicht bei über 0,015 Gew.-%

So offenbart die vorliegende Erfindung eine Legierung, die eine ideal ausgebildete Deckschicht bereitstellt, die Aluminiumoxid Al₂O₃ aufweist und die dadurch eine notwendige Diffusionsbarriere für Sauerstoff darstellt und das metallische Substrat schützt. Die Deckschicht kann sich auf Grund des hohen Aluminiumgehalts auf geeignete Weise ausbilden, da der Gehalt, die Diffusionsgeschwindigkeit und die Affinität zu Sauerstoff die Deckschichtausbildung bestimmen und Gehalte von über 5% Aluminium geeignet sind, die notwendige Al₂O₃-Deckschicht auszubilden. Derartige Deckschichten haben ein stabiles parabolisches Wachstum, eine vergleichsweise geringe Wachstumsrate und dampfen nicht maßgeblich ab. Für die Bildung der Al₂O₃-Deckschicht auf einer Eisenbasis ist ein Aluminiumgehalt von wenigstens 3,8 Gew.-%, vorzugsweise von 5 Gew.-%, und auch ein entsprechender Chromanteil erforderlich. Bei der vorgeschlagenen Hochtemperaturverwendung, die bei über 1.000°C liegen kann, sind über 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, an Aluminium geeignet, um ein stabiles Eisen-Chrom-Aluminium-System auszubilden, wobei die erfindungsgemäße pulvermetallurgische Darstellung der Legierung es ermöglicht, qualitativ hochwertige und kostengünstig fertigbare Bauteile auf Eisenbasis bereit zu stellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004023214 A1 [0007]
DE 10200756114 A1 [0008]
DE 10203376 C2 [0009]

Claims

Aluminium-haltige Eisenlegierung, geeignet zur pulvermetallurgischen Herstellung von Bauteilen für Automobile, enthaltend: – 3,8 bis 18,0 Gew.-% Al, – 9,0 bis 28,0 Gew.-% Cr, – 0 bis 35 Gew.-% Ni, – zumindest ein Element aus der Gruppe M1 umfassend Nb, Mn, Mo, W, Si, Ti, wobei die Gesamtheit der Gehalte von Nb, Mn, Mo, W, Si und Ti 4,0 Gew.-% nicht überschreitet, und – zumindest ein Element aus der Gruppe M2 umfassend C, V, B, Y, Ce, Zr, P, S, N, wobei die Gesamtheit der Gehalte von C, V, B, Y, Ce, Zr, P, S und N 1,0 Gew.-% nicht überschreitet, – Fe mit einem Anteil, der einem Differenzanteil zum Erhalt von 100 Gew.-% der Aluminium-haltigen Eisenlegierung entspricht, sowie unvermeidliche Spuren.
Aluminium-haltige Eisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an – Al im Bereich von 5,0 bis 18,0 Gew.-% und von – Cr im Bereich von 18,0 bis 28,0 Gew.-% Cr liegt.
Aluminium-haltige Eisenlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an – Al im Bereich von 5,0 bis 10,0 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 8,0 bis 10,0 Gew.-%, – Cr im Bereich von 24,0 bis 26,0 Gew.-%, – Ni im Bereich von 18,0 bis 22,0 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 19,0 bis 22,0 Gew.-%, – C nicht bei über 0,2 Gew.-%, – P nicht bei über 0,045 Gew.-%, – S nicht bei über 0,015 Gew.-% liegt und wobei die Gesamtheit der Gehalte von Nb, Mn, Mo, W, Si und Ti 3,8 Gew.-% nicht überschreitet, umfassend einen Gehalt an Si im Bereich von 1,5 bis 2,5 Gew.-% und an Mn bis zu 2,0 Gew.-%.
Verwendung der Aluminium-haltigen Eisenlegierung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3 zur pulvermetallurgischen Herstellung von Hochtemperatur-Bauteilen als Automobilkomponenten, die geeignet sind, in Temperaturbereichen von 900°C bis 1050°C eingesetzt zu werden.
Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochtemperatur-Bauteil ein Turbolader oder ein Teil eines Turboladers ist.
Verwendung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die pulvermetallurgische Herstellung ein Metallpulverspritzgießverfahren ist, das einen Sinterschritt aufweist.
Hochtemperatur-Automobilbauteil, geeignet für den Einsatz in Temperaturbereichen von 900°C bis zu 1050°C, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochtemperatur-Automobilbauteil aus einer Aluminium-haltigen Eisenlegierung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3 pulvermetallurgisch gefertigt ist.