-
Die
Erfindung betrifft ein austenitisches, korrosionsbeständiges
Federstahlblech für Flachdichtungen, ein Verfahren zur
Herstellung eines solchen Federstahlblechs, eine Federstahlblechlage
einer Flachdichtung aus einem solchen Federstahlblech sowie ein
Verfahren zur Herstellung einer solchen Federstahlblechlage.
-
Derzeit
wird für sogenannte Funktionslagen metallischer Zylinderkopfdichtungen
oder anderer Flachdichtungen ganz überwiegend ein austenitisches,
korrosionsbeständiges Federstahlblech aus einem Stahl mit der
Werkstoffnummer 1.4310 nach der europäischen Norm EN 10088-1
verwendet, wenn von diesem Federstahlblech gute Rückfederungseigenschaften
gefordert werden. Unter einer Funktionslage solcher Flachdichtungen
wird eine Federstahlblechlage verstanden, welche mindestens eine
höhenelastische Sicke aufweist, sei es eine sogenannte
Vollsicke mit einem ungefähr kreisbogen- oder trapezförmigen
Querschnitt, oder eine sogenannte Halbsicke mit einem stufenförmigen
Querschnitt.
-
Stähle
mit der Werkstoffnummer 1.4310 haben einen Kohlenstoffgehalt im
Bereich von 0,05 bis 0,15 Gew.%, was es erforderlich macht, im Walzwerk
das letzte Zwischenglühen, d. h. die letzte Wärmebehandlung, vor
dem Walzen des Stahls auf die endgültige Blechdicke bei
Temperaturen von mehr als 900°C durchzuführen,
weil sonst die Gefahr einer Versprödung des Stahls infolge
der Ausscheidung von Chromcarbid besteht. Dies hätte negative
Auswirkungen auf die Korrosionseigenschaften und die Standfestigkeit
einer aus einem solchen Federstahlblech hergestellten Funktionslage – unter
Standfestigkeit ist dabei die Dauerhaltbarkeit der Funktionslage
unter im Betrieb auftretenden dynamischen Druckbeanspruchungen zu
verstehen. Zur Vermeidung dieser Nachteile erfolgt beim letzten
Zwischenglühprozess üblicherweise ein Lösungsglühen
bei 1050°C mit anschließendem schnellen Abkühlen.
Dieser Prozess bringt eine verhältnismäßig
grobe Gefügestruktur (typische Korngröße
im Bereich von 20 μm) mit sich, was für die Umformbarkeit
des Federstahlblechs, z. B. beim Einprägen einer Sicke,
nachteilig ist.
-
Austenitische
korrosionsbeständige Federstähle mit der Werkstoffnummer
1.4310 enthalten 16 bis 19 Gew.% Cr, 6,0 bis 9,5 Gew.% Ni und weniger
als 2,0 Gew.% Mn (neben anderen Legierungsbestandteilen wie z. B.
Si, N, P, S und Mo).
-
Aus
der
EP-1 036 853-A ist
ein austenitisches, korrosionsbeständiges Federstahlblech
für mit Sicken versehene Federstahlblechlagen (Funktionslagen)
von Flachdichtungen bekannt, welches weniger Kohlenstoff, nämlich
höchstens 0,03 Gew.%, enthält als Stähle
mit der Werkstoffnummer 1.4310; dieses bekannte Federstahlblech
enthält 6,0 bis 8,0 Gew.% Ni, 16,0 bis 18,0 Gew.% Cr, höchstens
2,0 Gew.% Mn, höchstens 1,0 Gew.% Si und höchstens
0,20 Gew.% N. Der geringere Kohlenstoffgehalt erlaubt es, das letzte
Zwischenglühen im Walzwerk bei niedrigeren Temperaturen
als bei den Stählen mit der Werkstoffnummer 1.4310 durchzuführen,
da bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,05% bereits bei ca. 900°C
die volle Löslichkeit für Kohlenstoff erreicht
ist. Bei einem geringeren Kohlenstoffgehalt von unter 0,03% liegt
die Temperatur, bei der aller Kohlenstoff in gelöster Form
vorliegt, noch entsprechend niedriger. Somit kann das letzte Zwischenglühen
bei Temperaturen im Bereich zwischen 700 und 900°C durchgeführt
werden, und diese niedrigeren Glühtemperaturen führen
dazu, dass ein deutlich feinkörnigeres Gefüge
erzeugt werden kann.
-
Bei
den in Rede stehenden Flachdichtungen, insbesondere bei solchen
für die Verwendung in der Automobilindustrie, spielen die
Herstellkosten eine immer größere Rolle, weshalb
der Erfindung die Aufgabe zugrunde lag, die Herstellkosten solcher
Flachdichtungen zu senken.
-
Erfindungsgemäß lässt
sich dies, ausgehend von dem sich aus der
EP-1 036 853-A ergebenden
Federstahl, durch ein austenitisches, korrosionsbeständiges
Federstahlblech erreichen, dessen Stahl (zusätzlich zu
einem überwiegenden Anteil von Fe) enthält (in
Gew.%):
C | max.
0,05%, vorzugsweise max. 0,03% |
Si | max.
1,0% |
P | max.
0,045% |
S | max.
0,015% |
Cu | max.
1,0% |
sowie
-
Wegen
des geringen Kohlenstoffgehalts und der damit möglichen
niedrigen Glühtemperatur kann das erfindungsgemäß einzusetzende
Federstahlblech mit einem feinkörnigeren Gefüge
hergestellt werden, und wegen des gegenüber dem Stahl nach
der
EP-1 036 853-A markant
höheren Mangananteils kann der Gehalt an teurem Nickel
reduziert werden (Mangan ist wesentlich billiger als Nickel). Auch
erlaubt die Reduzierung des Kohlenstoffgehalts eine Erhöhung
des Stickstoffgehalts, nämlich bis zu 0,25 Gew.%, was zu
einem zusätzlichen Vorteil (neben der Reduzierung der Herstellkosten)
führt: Wird das Federstahlblech nach dem Umformen, insbesondere
nach dem Prägen einer oder mehrerer Sicken, wärmebehandelt,
führt die Erhöhung des Stickstoffgehalts zu einer
vermehrten Bildung von Chrom-Nitrid und damit zu einer noch ausgeprägteren
Steigerung der Festigkeit der umgeformten Bereiche des Federstahlblechs
(zusätzlich zu der Steigerung der Festigkeit infolge der
beim Umformen erfolgenden Kaltverfestigung des Materials). Dieser
Effekt einer nach dem Umformen erfolgenden Wärmebehandlung
lässt sich dadurch noch weiter steigern, dass der Legierung
in geringerem Umfang noch andere, zur Nitridbildung führende
Legierungsbestandteile zugefügt werden, insbesondere Nb, wobei
bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Federstahlblechs maximal 0,30 Gew.% Nb enthalten.
-
Was
vorstehend bezüglich eines umgeformten Bereichs des Federstahlblechs
in Gestalt einer Sicke ausgeführt wurde, gilt auch für
umgeformte Bereiche anderer Gestalt, insbesondere für einen
Bereich, in dem ein Randbereich des Federstahlblechs um ca. 180° umgefaltet
und auf das Federstahlblech zurückgefaltet wurde; ein solcher
umgefalteter Randbereich wird häufig als sogenannter Stopper
verwendet, durch welchen die maximale Abflachung einer Sicke der
Flachdichtung so begrenzt wird, dass diese im Betrieb durch dynamische
Druckbelastungen nicht zerstört wird. Bei einem solchen
Stopper (Verformungsbegrenzer) könnte der Flansch des umgefalteten
Bereichs einen geschlossenen Ring bilden, es wird jedoch empfohlen,
ihn dadurch zu segmentieren, dass der Flansch vor dem Umfalten von
seinem freien Rand her mit Einschnitten versehen wird. Ebenso wie
bei der Herstellung von Sicken lässt sich das erfindungsgemäße
Federstahlblech wegen seines feinkörnigeren Gefüges
auch bei der Herstellung eines umgefalteten Bereichs besser umformen,
und das feinkörnigere Gefüge führt auch
zu einer erhöhten Dauerhaltbarkeit des umgefalteten Bereichs
insbesondere in der Zone des Biegeradius.
-
Wie
sich aus dem Vorstehenden ergibt, ist Gegenstand der Erfindung auch
ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Federstahlblechs, wobei der Stahl vor dem Walzen auf die endgültige
Blechdicke bei Temperaturen von höchstens 900°C,
vorzugsweise bei Temperaturen von 700 bis 900°C, wärmebehandelt
wird.
-
Gegenstand
der Erfindung ist ferner eine Federstahlblechlage einer Flachdichtung,
welche mindestens einen umgeformten Bereich in Gestalt einer Sicke
oder eines umgefalteten Bereichs aufweist und aus einem erfindungsgemäßen
Federstahlblech besteht.
-
Schließlich
ist Gegenstand der Erfindung noch ein Verfahren zur Herstellung
einer solchen Federstahlblechlage einer Flachdichtung, bei dem die
Blechlage nach dem Umformen einer eine Erhöhung der Festigkeit bewirkenden
Wärmebehandlung unterworfen wird. Eine solche Wärmebehandlung
kann vorzugsweise bei relativ niedrigen Temperaturen unterhalb 350°C
erfolgen, als Temperaturbereich kommt jedoch der Bereich von 200
bis 450°C in Frage.
-
Führt
eine solche Wärmebehandlung aufgrund einer Erhöhung
des Stickstoffgehalts und/oder anderer, die Bildung von Chrom-Nitrid
fördernder Legierungsbestandteile zu einer deutlichen Steigerung
der Festigkeit, kann von einem erfindungsgemäßen
Federstahlblech geringerer Festigkeit (insbesondere der Festigkeitsklasse
C 1150) als Ausgangsmaterial ausgegangen werden, wenn bei der Herstellung
der Federstahlblechlage ein hoher Umformgrad erforderlich ist, z.
B. bei der Herstellung der vorstehend erwähnten Stopper. Andererseits
ermöglicht es die deutliche Steigerung der Festigkeit durch
die erwähnte Wärmebehandlung, bei einer erfindungsgemäßen
Federstahlblechlage mit mindestens einer Sicke eine höhere
Rückfederungskraft der gepressten Sicke zu erreichen, und
zwar im Vergleich zu einer Federstahlblechlage gleicher Blechdicke und
gleicher Sickengeometrie, wenn von einem Stahl mit der gleichen
Festigkeitsklasse (insbesondere C 1300) ausgegangen wird wie bei
den bislang üblicherweise verwendeten Federstählen
mit der Werkstoffnummer 1.4310. Bezüglich der Definition
der Festigkeitsklassen, wie beispielsweise C 1150 und C 1300, wird
verwiesen auf die Tabelle 19 der EN 10088-2.
-
Die
beigefügte Zeichnung zeigt einen Schnitt durch einen Teil
einer Federstahlblechlage einer Zylinderkopfdichtung als Beispiel
für eine erfindungsgemäße Federstahlblechlage.
-
Eine
Federstahlblechlage 10 weist eine Brennraumöffnung 12 auf,
deren Zentrum bei eingebauter Zylinderkopfdichtung mit einer Brennkammerachse 14 zusammenfällt.
Die Federstahlblechlage 10 hat um die Brennraumöffnung 12 herum
eine Abdichtsicke 16 sowie einen kreisringförmigen
sogenannten Stopper 18, durch den die Abflachung der Abdichtsicke 16 beim
Einbau der Zylinderkopfdichtung und im Motorbetrieb auf ein für
die Dauerhaltbarkeit der Sicke noch zulässiges Maß begrenzt
wird. Zur Herstellung des Stoppers 18 wurde ein wie vorstehend
beschrieben segmentierter ringförmiger, innerer Randbereich
der Federstahlblechlage 10 umgefaltet, d. h. auf die Blechlage
selbst zurückgefaltet, so dass sich ein unterbrochener
kreisringförmiger Flansch 18a ergibt.
-
Besonders
bevorzugt wird ein erfindungsgemäßes Federstahlblech
mit der folgenden chemischen Zusammensetzung (zusätzlich
zu einem überwiegenden Anteil von Fe):
C | 0,02% |
N | 0,2% |
Mn | 6,7% |
P | 0,025% |
S | 0,002% |
Si | 0,24% |
Cr | 17,1% |
Ni | 3,6% |
Nb | 0,1% |
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1036853
A [0005, 0007, 0008]