-
Die Erfindung betrifft ein gewalztes 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 Materialkosten eine immer größere Rolle, weshalb durch die vorliegende Erfindung ein Federstahlblech der eingangs definierten Art vorgeschlagen wird, welches geringere Materialkosten als das sich aus der
EP 1 036 853 A ergebende Federstahlblech erforderlich macht und dennoch gut umformbar ist.
-
Dies lässt sich mit einem Federstahlblech mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreichen.
-
Aus der
DE 20 2006 004 013 U1 ergibt sich zwar ein austenitisches, korrosionsbeständiges Federstahlblech für Flachdichtungen mit einem maximalen Kohlenstoffanteil von 0,15 Gew.%, jedoch offenbart dieses Dokument keinerlei Wärmebehandlung und regt schon wegen der im Abschnitt [0012] beschriebenen bevorzugten Ausführungsform mit 0,10% C nicht dazu an, für den Legierungsbestandteil Kohlenstoff maximal die Hälfte dieses Legierungsbestandteils, nämlich maximal 0,05% C, zu verwenden. Außerdem wird im Abschnitt [0006] dieses Dokuments auf austenitische Federstähle nach der europäischen Norm EN10088-2-1.4310 verwiesen, die zwar 0,05 bis 0,15% C enthalten können, im Mittel jedoch gleichfalls ca. 0,10% C enthalten und vor dem Walzen einem letzten Zwischenglühprozess unterzogen werden, bei dem es sich üblicherweise um ein Lösungsglühen bei 1.050°C handelt, damit der Kohlenstoff in Lösung geht und dadurch ein Brüchig werden des Stahls vermieden wird.
-
Schließlich ergibt sich aus der
JP 11-293405 A ein gewalztes korrosionsbeständiges Federstahlblech mit einer austenitischen Phase, unter anderem für die Herstellung metallischer Dichtungen, wobei der Stahl bis zu 0,10% C, 12 bis 18% Cr, 5 bis weniger als 10% Mn, 1 bis 7% Ni, bis zu 3% Si, bis zu 2% Cu und 0,02 bis 0,15% N enthält; nach dem Abschnitt [0003] dieses Dokuments soll jedoch eine Wärmebehandlung gerade vermieden werden, und im ganzen Dokument ist auch nirgends von einem Lösungsglühen des Stahls vor dem Walzen die Rede, wodurch gemäß der vorliegenden Erfindung der im Stahl enthaltene Kohlenstoff in Lösung gehen soll, um ein feinkörniges Gefüge zu erzielen, welches die Umformbarkeit des erfindungsgemäßen Federstahlblechs verbessert. Vielmehr befasst sich die
JP 11-293405 A mit der Erzielung einer großen Härte des sich aus diesem Dokument ergebenden Stahls.
-
Wegen des geringen Kohlenstoffgehalts und der damit möglichen niedrigen Glühtemperatur kann das erfindungsgemäße Federstahlblech mit einem feinkörnigeren Gefüge hergestellt sowie verhältnismäßig leicht umgeformt 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 Festigkeitskiasse (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% |
