Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse aus einer FeAl-Stahllegierung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer oder ein Turboladergehäuse aus einer FeAl-Stahllegierung und die Verwendung der FeAl-Stahllegierung zur Herstellung von Abgaskrümmern oder Turboladergehäusen.

[0002] Der Abgaskrümmer ist ein Bauteil der Abgasanlage von Verbrennungsmotoren. Direkt an den Motor angeschraubt, leitet der Krümmer die Abgase in den Auspuff. Seinen Namen hat der Krümmer von seiner üblicherweise gekrümmten Bauform, da dieser die Abgase von den meistens waagerechten Motoröffnungen in den unten liegenden Abgasstrang umleiten muss. Als Material wird oftmals legiertes Gusseisen verwendet, das den hohen Temperaturen der Abgase (über 900 °C) gerecht wird. Alternativ werden auch gebaute Krümmer aus Edelstahl eingesetzt.

[0003] Eine Herausforderung bei der Entwicklung von Krümmern ist die Berücksichtigung der Temperaturausdehnung und der damit verbundenen Spannungsverteilung im Krümmer. Diese Spannungen sind in der Regel so groß, dass sie nach endlich vielen Aufheiz-Abkühlzyklen den Krümmer zerstören. Trotzdem werden heute Krümmer entwickelt, die mehrere tausend solcher Zyklen überstehen, was einer Fahrstrecke von mehreren hunderttausend Kilometer entspricht. Zusätzlich sorgt der Krümmer bei Zweitaktmotoren dafür, dass sich ein Abgasdruck im Motor aufbauen kann. Bei Viertaktmotoren dient er dagegen als reine Überleitung.

[0004] Ein Turbolader (auch Abgasturbolader) dient der Leistungssteigerung von Kolbenmotoren durch Erhöhung des Gemischdurchsatzes pro Arbeitstakt. Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom, die über eine Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt des Motors, so dass während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in den Zylinder gelangt als bei einem Saugmotor. Die genannten Komponenten des Turboladers werden von einem Gehäuse umfasst, das direkt mit dem Motor in Verbindung steht und das Abgas der Turbine zuführt. Weitere Bauarten von Turboladern umfassen Biturbo und Twin Turbo, sequentielle Biturbo, Registeraufladung und mehrstufige Aufladung sowie Turbocompounds. Eine für die Zwecke der Erfindung wesentliche Gemeinsamkeit der genannten Ausführungsformen von Turboladern ist, dass sie alle einen Gehäuseabschnitt umfassen, der zur Führung des heißen Abgases dient.

[0005] Die hohe Wärmeleitfähigkeit der bisher verwendeten Werkstoffe sowohl für Abgaskrümmer als auch die Gehäuse von Turboladern lassen die Abgastemperaturen zu Rasch absinken, was die Abgaswerte verschlechtert beziehungsweise zu erhöhten Schadstoffemissionen führt. Es besteht daher ein Bedürfnis nach Werkstoffen, die sich den besonderen Anforderungen im Bereich der Abgaskrümmer und Turboladergehäuse stellen, aber gegenüber herkömmlichen Werkstoffen einen Gewichtsvorteil bringen und/oder eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit besitzen.

[0006] Ein Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung von Abgaskrümmern oder Turboladergehäusen für Verbrennungskraftmaschinen, die ganz oder in Teilen aus einer FeAl-Stahllegierung der folgenden Zusammensetzung bestehen:

(i) 8 - 23 Gew.% Al;

(ii) 0 - 5 Gew.% Cr;

(iii) 0 - 10 Gew.% ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V, wobei ein Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 2 Gew.% beträgt;

(iv) 0 bis 200 ppm B;

(v) 0 - 5 Gew.% Nb;

wobei Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen den auf 100 Gew.% verbleibenden Restanteil an der Legierung einnehmen. Bei Turboladern sind insbesondere die Gehäuseabschnitte aus der FeAl-Stahllegierung geformt, die zur Führung des heißen Abgases dienen.

[0007] Die erfindungsgemäß verwendete FeAl-Stahliegierung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass sie eine Dichte im Bereich von 6,3 bis 6,5 g/cm³ besitzt, wohingegen konventionelle Gussstähle bei etwa 7,1 bis 7.4 g/cm³ liegen. Die erfindungsgemäßen FeAl-Stahllegierungen zeigen ferner eine geringere Wärmeleitfähigkeit (9 bis 18 W/m*K bei 100 bis 800°C) als konventionelle Stähle und Gusseisen (ca. 30 bis 70 W/m*K bei 50 bis 600°C). Außerdem weisen sie eine deutlich höhere Festigkeit bei Anwendungstemperaturen, insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 500 °C, als konventionelle Stähle gleicher Verwendung auf. FeAl-Stahllegierungen zeigen zudem bis 1100°C keinerlei Verzunderung und besitzen demnach eine im Vergleich zu konventionellen Stählen verbesserte Oxidationsbeständigkeit. Insgesamt kann durch den Einsatz von FeAl-Stahliegierungen der Abgaswärmeverlust und das Bauteilgewicht reduziert sowie die Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit unter Betriebsbedingung erhöht werden.

[0008] Vorzugsweise liegt der Anteil von Al an der FeAl-Stahllegierung bei 15 bis 17 Gew.%, insbesondere bei 16 Gew.%, da hier im Stahl die für die erfindungsgemäßen Zwecke besonders geeigneten Fe₃Al-Phasen in erheblichem Umfang vorliegen.

[0009] Weiterhin ist bevorzugt, wenn der Anteil von B an der FeAl-Stahllegierung bei 10 bis 100 ppm liegt. Insbesondere bevorzugt ist eine Kombination der genannten bevorzugten Anteile für B und Al.

[0010] Schließlich beträgt der Anteil der Elemente der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V maximal 5 Gew.%, wobei der Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 1 Gew.% beträgt. Eine Kombination mit den genannten bevorzugten Anteilen für B und/oder Al ist besonders bevorzugt.

[0011] Die genannten bevorzugten FeAl-Stahllegierungen weisen eine hohe mechanische Festigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, gepaart mit einer exzellenten Oxidationsbeständigkeit auf.

[0012] Aufgrund der chemischen und mechanischen Eigenschaften eignen sich die genannten FeAl-Stahllegierungen besonders für die Verwendung zur Herstellung von Abgaskrümmern oder Turboladergehäusen für Verbrennungskraftmaschinen. Diese Verwendungen stellen einen weiteren Aspekt der Erfindung dar.

[0013] Die Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Stahllegierung kann durch Gießen erfolgen.

Ansprüche

1. Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse für Verbrennungskraftmaschinen, bestehend ganz oder in Teilen aus einer FeAl-Stahllegierung der Zusammensetzung

(i) 8 - 23 Gew.% Al;

(ii) 0 - 5 Gew.% Cr;

(iii) 0 -10 Gew.% ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V, wobei ein Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 2 Gew.% beträgt;

(iv) 0 bis 200 ppm B;

(v) 0 - 5 Gew.% Nb;
wobei Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen den auf 100 Gew.% verbleibenden Restanteil an der Legierung einnehmen.

2. Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil von Al an der FeAl-Stahilegierung bei 15 bis 17 Gew.% liegt.

3. Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil von Al an der FeAl-Stahllegierung bei 16 Gew.% liegt.

4. Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil von B an der FeAl-Stahllegierung bei 10 bis 100 ppm liegt.

5. Abgaskrümmer oder Turboladergehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil der Elemente der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V bei maximal 5 Gew.% liegt, wobei der Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 1 Gew.% beträgt.

6. Verwendung einer FeAl-Stahllegierung der Zusammensetzung

(i) 8 - 23 Gew.% Al;

(ii) 0 - 5 Gew.% Cr;

(iii) 0 - 10 Gew.% ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V, wobei ein Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 2 Gew.% beträgt;

(iv) 0 bis 200 ppm B;

(v) 0 - 5 Gew.% Nb;
wobei Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen den auf 100 Gew.% verbleibenden Restanteil an der Legierung einnehmen, zur Herstellung von Abgaskrümmern oder Turboladergehäusen für Verbrennungskraftmaschinen.

7. Verwendung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil von Al an der FeAl-Stahllegierung bei 15 bis 17 Gew.% liegt.

8. Verwendung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil von Al an der FeAl-Stahllegierung bei 16 Gew.% liegt.

9. Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil von B an der FeAl-Stahllegierung bei 10 bis 100 ppm liegt.

10. Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil der Elemente der Gruppe C, Ti, Zr, Si und V bei maximal 5 Gew.% liegt, wobei der Gewichtsanteil einzelner Elemente an der Legierung maximal 1 Gew.% beträgt.