-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen mehrlagigen Metallbalg nach
dem Oberbegriff des Patentanspruch 1, insbesondere als flexibles
Leitungselement für
Kfz-Anwendungen, mit wenigstens zwei Metalllagen, nämlich einer
Innenlage und einer die Innenlage umgebenden Außenlage.
-
Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung verschiedene Verfahren zum Herstellen
eines mehrlagigen Metallbalgs.
-
Insbesondere
in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, jedoch auch bei Verbrennungsmotoren
im Allgemeinen sowie bei Großmotoren,
stationären
Motoren und auch Gasturbinenmotoren werden zum Entkoppeln von Schwingungen
bzw. zur Aufnahme von Relativbewegungen regelmäßig Metallbälge eingesetzt. Wenn in diesem
Zusammenhang hohe Drücke
auftreten und bei ausreichender Dichtigkeit dennoch eine hohe Beweglichkeit
gewährleistet
sein soll, kommen mehrlagige Bälge
zum Einsatz, deren Wände
entsprechend aus mehreren im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Metalllagen
gebildet sind.
-
Wenn
derartige Bälge über längere Zeit
Temperaturen größer 600°C ausgesetzt
sind, kann punktuell Diffusionsverschweißung zwischen den Lagen auftreten,
wodurch sich die Funktionseigenschaften der mehrlagigen Bälge (z.
B. die Federrate) verändern.
Zudem treten lokale Spannungskonzentrationen auf, die zu einem Ausfall
des Balgs führen
können.
-
Aus
gleichem Grund können
Bälge aus
aushärtbaren
Werkstoffen (1.4564, 1.4568, 2.4667, 2.4668), bei denen in der Wärmebehandlung
Temperaturen von über
600°C benötigt werden,
nach dem Stand der Technik nur einwandig ausgeführt werden.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Diffusionsverschweißungen zwischen
den einzelnen Lagen mehrlagiger Bälge beim Einwirken der genannten
hohen Temperaturen zu verhindern, um eine Konstanz der Funktionseigenschaften
des Balgs zu gewährleisten
und Ausfällen
entgegenzuwirken. Des Weiteren soll das erhebliche Festigkeits-
und Lebensdauerpotential aushärtbarer
Werkstoffe auch für mehrlagige
Bälge erschlossen
werden.
-
Weiterhin
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anzahl von Verfahren
zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Balgs anzugeben.
-
Die
Erfindung löst
die Aufgaben mittels eines mehrlagigen Metallbalgs mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 sowie mittels eines Verfahrens zum Herstellen
eines mehrlagigen Balgs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9,
des Patentanspruchs 10 oder des Patentanspruchs 11.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen, deren
Wortlaut hiermit durch ausdrückliche
Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, um unnötige Textwiederholungen
zu vermeiden.
-
Erfindungsgemäß ist ein
mehrlagiger Metallbalg, insbesondere als flexibles Leitungselement
für Kfz-Anwendungen,
mit wenigstens zwei Metalllagen, nämlich einer Innenlage und einer
die Innenlage umgebenden Außenlage,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Innenlage und der Außenlage
zumindest in Teilabschnitten des Balgs wenigstens eine Zwischenlage
in Form einer Diffusionsbarriere für das Innenlagenmaterial und/oder
für das
Außenlagenmaterial
angeordnet ist.
-
Ein
erstes erfindungsgemäßes Verfahren zum
Herstellen eines mehrlagigen Balgs ist dadurch gekennzeichnet, dass
ein Metallrohr, welches eine der Me talllagen des Balgs bilden soll,
vor dem Umformen zumindest an seiner mit der anderen Metalllage in
Kontakt tretenden Mantelfläche
mit einer die Zwischenlage bildenden Beschichtung versehen wird.
-
Ein
anderes erfindungsgemäßes Verfahren zum
Herstellen eines mehrlagigen Balgs ist dadurch gekennzeichnet, dass
zunächst
ein erstes Metallrohr zu der Außenlage
des Balgs umgeformt wird, dass anschließend die Außenlage innenseitig mit einer
die Zwischenlage bildenden Beschichtung versehen wird und dass dann
ein zweites Metallrohr innerhalb der Außenlage zu der Innenlage umgeformt
wird. Dabei kann das zweite Metallrohr vor dem Umformen ebenfalls
geeignet beschichtet worden sein.
-
Ein
weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zum
Herstellen eines mehrlagigen Balgs ist dadurch gekennzeichnet, dass
zunächst
die Außenlage
und die Innenlage des Balgs ausgebildet werden und dass anschließend die
Zwischenlage zwischen der Außenlage
und der Innenlage erzeugt wird.
-
Auch
Kombinationen der vorstehend genannten erfindungsgemäßen Verfahrensgestaltungen
sind möglich.
-
Um
das Auftreten von Diffusionsverschweißungen bei mehrlagigen Metallbälgen zu
verhindern, wird demnach erfindungsgemäß das Ausbilden von Diffusionsbarrieren
zwischen Metalllagen des Balgs vorgeschlagen. In diesem Zusammenhang
sind verschiedene Arten von Diffusionsbarrieren bzw. Zwischenlagen
möglich,
die zudem auch jeweils auf Teilabschnitte des Balgs beschränkt sein
können:
Eine
erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Metallbalgs sieht vor,
dass die Zwischenlage als Oxidschicht ausgebildet ist. Insbesondere
kann es sich bei der Zwischenlage in diesem Zusammenhang um eine
Cr-Oxid-Schicht handeln.
-
Eine
andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Metallbalgs sieht vor,
dass die Zwischenlage als eine weitere Metallbalglage ausgebildet
ist, die jedoch aus einem relativ zu den anderen Metalllagen oxidationsbeständigeren
Werkstoff gebildet ist.
-
Alternativ
oder zusätzlich
kann die Zwischenlage auch als Wolfram- oder Titan/Wolfram-Schicht
ausgebildet sein, welche insbesondere durch Sputtern auf die Innenlage
und/oder die Außenlage
des Balgs aufgebracht ist.
-
Bei
einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Metallbalgs kann die Zwischenlage auch
aus insbesondere galvanisch abgeschiedenem Chrom oder Nickel gebildet
sein.
-
Eine
andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Metallbalgs sieht vor,
dass die Zwischenlage aus wenigstens einer insbesondere chemisch
abgeschiedenen Nickellegierung gebildet ist. Als Nickellegierungen
kommen in diesem Zusammenhang insbesondere Nickel-Phosphor-, Nickel-Phosphor-Wolfram-
oder Eisen-Nickel-Phosphor-Legierungen in Frage, insbesondere in
nanokristalliner Form, das heißt
mit einer Korngröße im Nanometerbereich.
-
Alternativ
oder zusätzlich
kann die Zwischenlage auch als eine intermetallische Eisen-Zink-Phase
ausgebildet sein, welche insbesondere durch Feuerverzinken erhalten
wird.
-
Eine
andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Metallbalgs sieht vor,
dass die Zwischenlage als Carbonitrid-, Nitrid- oder Borid-Randschicht ausgebildet
ist. Bevorzugte Ausgestaltungen umfassen in diesem Zusammenhang
Eisencarbonitrid-, Eisennitrid- oder Eisenborid-Randschrichten,
welche insbesondere durch Nitrieren bzw. Borieren in einem Salzbad
erzeugt werden.
-
Wie
bereits angesprochen, können
zum Ausbilden der Zwischenlage unterschiedliche Werkstoffpaarungen
eingesetzt werden. Beispielsweise kann bei einem dreilagigen Balg
die mittlere Lage (Zwischenlage) aus einem oxidationsbeständigeren Werkstoff
bestehen, beispielsweise Werkstoff 2.4856, gegenüber Werkstoff 1.4571 für die Außen- und
Innenlage.
-
Eine
andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Metallbalgs sieht vor,
dass für
die Außenlage
und/oder für
die Innenlage des Balgs aushärtbare Werkstoffe
(z. B. 2.4668, 2.4667, 1.4564 oder 1.4568) verwendet werden, um
auf diese Weise das Federverhalten des Balgs gezielt beeinflussen
zu können.
Bei der Verwendung von aushärtbaren Werkstoffen
der vorstehend genannten Art tritt herkömmlicherweise das besondere
Problem auf, dass die Werkstoffe bereits bei der Balgherstellung
beim thermischen Aushärten
diffusiv verschweißen.
Das erfindungsgemäße Vorsehen
einer diffusionshemmenden Zwischenlage trägt dazu bei, diese besondere
Problematik zu vermeiden, so dass folglich im Rahmen der vorliegenden
Erfindung auch die wirtschaftlich sinnvolle Herstellung von mehrlagigen
Metallbälgen
aus aushärtbarem
Werkstoff ermöglicht wird.
-
Die
vorliegende Erfindung ist – wie
der Fachmann leicht erkennt – nicht
auf mehrlagige Bälge
mit lediglich einer Innen- und einer Außenlage sowie einer einzigen
Zwischenlage beschränkt,
sondern generell auf mehrlagige Metallbälge mit einer beliebigen Anzahl
von Metalllagen und einer entsprechenden Anzahl von Zwischenlagen
erweiterbar. Die Zwischenlagen können
jeweils auf nur einer von zwei in Kontakt tretenden metallischen
Oberflächen
ausgebildet sein, oder sie können
auf beiden in Kontakt tretenden Metalloberflächen oder sogar als eigenständige Zwischenschicht
ausgebildet sein, wie oben exemplarisch beschrieben.
-
Weitere
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigt:
-
1 einen
Längsschnitt
durch einen mehrlagigen Metallbalg mit einer Zwischenlage in Form
einer Diffusionsbarriere;
-
2 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
eines ersten Herstellungsverfahrens für den mehrlagigen Balg gemäß 1;
-
3 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
eines zweiten Herstellungsverfahrens für den mehrlagigen Balg gemäß 1;
und
-
4 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
eines dritten Herstellungsverfahrens für den mehrlagigen Balg gemäß 1.
-
1 zeigt
einen mehrlagigen Metallbalg 1, wie er insbesondere als
flexibles Leitungselement für Kfz-Anwendungen
zum Einsatz kommt, beispielsweise als Entkopplungselement in Abgasanlagen,
als Dehnkörper
im Krümmerbereich
oder dergleichen. Der mehrlagige Balg 1 weist wenigstens
zwei metallische Balglagen auf, nämlich eine Innenlage 2 und eine
Außenlage 3,
wobei die Außenlage 3 die
Innenlage 2 umgibt.
-
Wie
der Fachmann erkennt, ist der mehrlagige Metallbalg 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung jedoch nicht auf das Vorhandensein genau einer Innenlage 2 und
einer Außenlage 3 beschränkt; vielmehr
kann der Balg auch als vielwandiger Balg ausgebildet sein und entsprechend
mehr metallische Balglagen aufweisen, was vorliegend aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht explizit dargestellt ist.
-
Zwischen
der Innenlage 2 und der Außenlage 3 ist eine
Zwischenlage 4 in Form einer Diffusionsbarriere angeordnet
bzw. ausgebildet, welche das Material der Innenlage 2 und
das Material der Außenlage 3 diffusionshindernd
voneinander trennt.
-
Gemäß der Darstellung
in 1 ist die Zwischenlage 4 vollflächig zwischen
der Innenlage 2 und der Außenlage 3 des mehrlagigen
Balgs 1 ausgebildet, ohne dass die vorliegende Erfindung
hierauf beschränkt
wäre. Vielmehr
kann alternativ auch vorgesehen sein, dass die Zwischenlage 4 nur
in Teilabschnitten des Balgs 1 zwischen der Innenlage 2 und der
Außenlage 3 vorgesehen
ist.
-
Bei
der Innenlage 2 und der Außenlage 3 handelt
es sich in der Regel um metallische Balglagen aus demselben Material,
insbesondere Stahl, mit vorzugsweise derselben Materialdicke d,
wobei d beispielsweise 0,3 mm betragen kann.
-
Die
Zwischenlage 4 dient – wie
bereits ausgeführt – als Diffusionsbarriere
und soll verhindern, dass es im Betrieb beim Auftreten von hohen
Temperaturen im Bereich von über
600°C zu
einem punktuellen Verschweißen
von Innenlage 2 und Außenlage 3 des
Balgs 1 kommt. Zu diesem Zweck kann die Zwischenlage 4 beispielsweise
als Oxidschicht ausgebildet sein, insbesondere als Chromoxid (Cr-Oxid). Die
Schichtdicke d' der
Zwischenlage 4 kann in diesem Zusammenhang größer oder
gleich 1 μm
sein.
-
Im
Zuge einer anderen Ausgestaltung kann die Zwischenlage 4 auch
als eine andere Metallbalglage ausgebildet sein, die entsprechend
relativ zu der Innenlage 2 und/oder der Außenlage 3 aus
einem oxidationsbeständigeren
Werkstoff gebildet ist.
-
Alternativ
kann die Zwischenlage 4 auch als Wolfram- oder Titan/Wolfram-Schicht ausgebildet sein,
die insbesondere durch Sputtern aufgebracht ist und deren Schichtdicke
d' wenige Mikrometer (μm) beträgt.
-
Im
Zuge einer anderen Ausgestaltung ist die Zwischenlage 4 aus
insbesondere galvanisch abgeschiedenem Chrom oder Nickel gebildet.
-
Eine
andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Zwischenlage aus wenigstens
einer insbesondere chemisch abgeschiedenen Nickellegierung gebildet
ist, die vorzugsweise eine Korngröße s im nanokristallinen Bereich
aufweist, das heißt
1 nm ≤ s ≤ 1000 nm.
Verwendung finden können
in diesem Zusammenhang insbesondere Nickel-Phosphor-, Nickel-Phospor-Wolfram-
oder Eisen-Nickel-Phosphor-Legierungen.
-
Alternativ
kann die Zwischenlage 4 auch als eine intermetallische
Eisen-Zink-Phase
ausgebildet sein, wie sie insbesondere durch Feuerverzinken erhaltbar
ist, wobei in diesem Zusammenhang eine vollständige Zinkumwandlung erforderlich
ist.
-
Im
Rahmen einer nicht abschließenden
Aufzählung
ist weiterhin auch möglich,
dass die Zwischenlage 4 als Carbonitrid-, Nitrid- oder
Borid-Randschicht ausgebildet ist, insbesondere als Eisencarbonitrid-,
Eisennitrid- oder Eisenboridschicht, wobei die entsprechende Randschicht
insbesondere durch Nitrieren bzw. Borieren im Salzbad erzeugt wird.
-
Die 2 bis 4 zeigen
schematisch verschiedene Verfahren zur Herstellung des mehrlagigen
Metallbalgs 1 gemäß 1.
-
In 2 ist
ein glattzylindrisches Metallrohr 5 dargestellt, aus welchem
eine der Metalllagen 2, 3 (vgl. 1)
des mehrlagigen Metallbalgs durch Umformen gebildet wird. Gemäß der Darstellung
in 2 wird das Metallrohr 5 vor dem Umformen
zumindest an einer seiner Mantelflächen 5a, 5b mit
einer hinreichend duktilen Beschichtung versehen, welche nach dem
Umformen die Zwischenlage 4 (vgl. 1) bildet.
Ob speziell die innere Mantelfläche 5a oder
die äußere Mantelfläche 5b beschichtet
wird, hängt
insbesondere davon ab, ob das Metallrohr 5 anschließend als
Innenlage 2 oder als Außenlage 3 des Metallbalgs 1 (vgl. 1)
Verwendung finden soll. Folglich wird im Falle einer Verwendung
des Metallrohrs 5 als Innenlage dessen äußere Mantelfläche 5b beschichtet,
wohingegen bei einer Verwendung des Metallrohrs 5 als Außenlage
die innere Mantelfläche 5a beschichtet
wird. Der Beschichtungsvorgang selbst ist in 2 mittels
Pfeilen P1 (für
die äußere Mantelfläche 5b)
bzw. mittels Pfeilen P2 (für
die innere Mantelfläche 5a)
symbolisiert.
-
Nach
dem Beschichten P1, P2 wird das Metallrohr 5 umgeformt
und als Innen- bzw.
Außenlage des
mehrlagigen Metallbalgs 1 gemäß 1 verwendet.
Bei einer Verwendung des Metallbalgs als Innenlage erfolgt das Umformen
zweckmäßigerweise
erst nach Einbringen des Metallrohrs 5 in die bereits ausgeformte
Außenlage,
was dem Fachmann an sich bekannt ist.
-
3 zeigt
eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens zum Herstellen des
mehrlagigen Metallbalgs 1 gemäß 1. Gemäß der Darstellung
in 1 erfolgt zunächst
der Umformvorgang zum Ausbilden der Außenlage 3, welche
anschließend
auf ihrer Innenseite beschichtet wird, um die Zwischenlage 4 (vgl. 1)
auszubilden. Der Beschichtungsvorgang selbst ist in 3 mittels
Pfeilen P3 symbolisiert.
-
Anschließend wird
ein gegebenenfalls beschichtetes Glattrohr gemäß 2 in die
bereits ausgeformte Außenlage 3 gemäß 3 eingebracht
und dort zwecks Herstellung der Innenlage umgeformt, was in 3 nicht
explizit dargestellt ist.
-
Schließlich zeigt
die 4 ein weiteres Verfahren zum Herstellen des mehrlagigen
Metallbalgs 1 gemäß 1.
Gemäß der Darstellung
in 4 werden zunächst
die Innenlage 2 und die Außenlage 3 balgartig
ausgeformt, und anschließend
wird die Zwischenlage 4, welche in 4 nicht
dargestellt ist, direkt zwischen der Innenlage 2 und der
Außenlage 3 erzeugt,
was mittels des Pfeils P4 symbolisiert ist, beispielsweise durch
Oxidation im Bereich zwischen Innenlage 2 und Außenlage 3.
Es sei angemerkt, dass in 4 der Abstand
zwischen Innenlage 2 und Außenlage 3 aus Darstellungsgründen stark übertrieben
gezeichnet ist.
-
Auf
diese Weise weist der mehrlagige Metallbalg 1 gemäß 1 zwischen
seiner Innenlage 2 und seiner Außenlage 3 eine als
Diffusionsbarriere für
das jeweilige Lagenmaterial dienende Zwischenlage 4 auf,
so dass es bei Verwendung des Metallbalgs 1 auch bei hohen
Temperaturen zu keinem Verschweißen der Balglagen und einer
entsprechend eingeschränkten
Verwendbarkeit des gesamten Balgs kommt.
-
Außerdem ermöglicht die
Zwischenlage 4 die Verwendung von aushärtbaren Werkstoffen zur Herstellung
mehrlagiger Metallbälge.