DE102011087960A1 - Flexibles Metallelement und Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Metallelements - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein flexibles Metallelement, welches in zumindest einem Abschnitt ein flexibles Schlauchleitungselement mit einem Balg und/oder mit einem gewickelten Bereich umfasst, wobei das flexible Metallelement aus einem nichtrostenden Stahl hergestellt ist, wobei das flexible Metallelement eine zumindest teilweise nitrierte (7, 9) Oberfläche (6, 8) aufweist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Metallelements aus nichtrostendem Stahl, welches in zumindest einem Abschnitt ein flexibles Schlauchleitungselement mit einem Balg und/oder mit einem gewickelten Bereich umfasst, wobei das Verfahren das Umformen eines Metallbandes in das flexible Metallelement umfasst, wobei das Verfahren weiterhin einen Nitrierbehandlungsschritt umfasst, in welchem die Oberfläche (6, 8) des flexiblen Metallelements zumindest teilweise nitriert (7, 9) wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein flexibles Metallelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Metallelements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte flexible Metallelemente, wie beispielsweise Schlauchleitungen oder Entkoppelelemente, welche als Bauteile unter anderem im Automobilbau eingesetzt werden und somit hohen Temperaturen in einem meist korrosiven Milieu standhalten müssen, insbesondere im Abgasstrang eines Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, werden üblicherweise zur Erzielung einer hohen Korrosionsbeständigkeit aus nichtrostendem Stahl hergestellt. Auch weist nichtrostender Stahl eine gute Umformbarkeit auf, was im Hinblick auf komplex geformte Abschnitte, wie beispielsweise einen Balgabschnitt oder einen gewickelten Abschnitt eines flexiblen Metallelements, vorteilhaft ist.
  • Jedoch kommt es durch Bewegung eines aus rostfreiem Stahl hergestellten flexiblen Metallelements zu Reibverschleiß, welcher dann zu Undichtigkeit des Metallelements führen und dessen Lebensdauer erheblich reduzieren kann.
  • Insbesondere die Balglagen in einem flexiblen Metallelement, wie beispielsweise in einem Entkoppelelement, weisen an ihren Innenkrempen eine relativ geringe Härte auf. Daher verschleißen diese durch den Reibkontakt beispielsweise mit einem Innengestricke bzw. einem Wickelschlauchliner (Innenliner). Ebenso sind die Außenkrempen betroffen, welche in Reibkontakt mit einer äußeren Geflecht- oder Gestrickummantelung stehen können. Auch der Liner selbst erfährt aufgrund der Reibung seiner ineinandergehakten Bereiche dasselbe Schicksal.
  • Die Verwendung eines Nitrierstahls mit hoher Härte zur Minimierung des Verschleißes, wie er beispielsweise bei der Herstellung von Werkzeugen zum Einsatz kommt, ist zur Herstellung flexibler Metallelemente, die einen Balgabschnitt und/oder einen Wickelschlauchabschnitt aufweisen, aufgrund der schlechten Umformbarkeit nicht bzw. nur schlecht umsetzbar. Zudem ist die Verwendung eines Nitrierstahls auch im Hinblick auf dessen schlechtere Korrosionsbeständigkeit nachteilig.
  • Auch gibt es keine geeigneten Schmiermittel, um den Reibverschleiß zu reduzieren, die bei den regelmäßig auftretenden Temperaturen oberhalb von 400°C einsetzbar sind. Hochtemperaturschmiermittel, welche meist auf Kupfer- oder Aluminiumbasis hergestellt sind, funktionieren in einem Bereich unterhalb von 600°C nur bedingt.
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein flexibles Metallelement und ein Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Metallelements bereitzustellen, mittels welchen bei leichter Herstellbarkeit eine Verminderung des Reibverschleißes erzielt wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein flexibles Metallelement mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Metallelements mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen definiert.
  • Erfindungsgemäß wird ein flexibles Metallelement bereitgestellt, welches in zumindest einem Abschnitt ein flexibles Schlauchleitungselement mit einem Balg und/oder mit einem gewickelten Bereich (Wickelschlauchabschnitt) umfasst, wobei das flexible Metallelement aus einem nichtrostenden Stahl hergestellt ist, und wobei das flexible Metallelement eine zumindest teilweise nitrierte Oberfläche aufweist. Durch die erfindungsgemäße Konfiguration kann aufgrund der Verwendung von nichtrostendem Stahl einerseits die gute Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit und andererseits ein minimierter Reibverschleiß gewährleistet werden, da durch die Nitrierbehandlung der Oberfläche des flexiblen Metallelements dessen Härte deutlich erhöht wird. Beispielsweise führt das Nitrieren der Oberfläche im Bereich des Balgs zu einer Erhöhung der Steifigkeit um 10% verglichen zu einem Balg mit nicht nitrierter Oberfläche. Vergleichbare Vorteile ergeben sich auch bei Wickelschläuchen bzw. Wickelschlauchabschnitten. Besonders vorteilhaft ist darüber hinaus, dass diese Reibverschleißverminderung nicht nur bei niedrigen sondern auch bei höheren Temperaturen erzielt wird, denn beispielsweise Titannitride, Aluminiumnitride oder Chromnitride, die durch die Nitrierbehandlung des rostfreien Stahls je nach dessen Zusammensetzung gebildet werden, sind noch bei Temperaturen oberhalb von 1000°C stabil, wie sie in Abgasanlagen auftreten können.
  • Die angesprochene Veränderung der Steifigkeit führt darüber hinaus insbesondere bei Bälgen zu einer Veränderung des Resonanzverhaltens des Metallelements, welcher Effekt sich auch gezielt zur Vermeidung von Resonanzbeeinflussungen einsetzen lässt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die gesamte Oberfläche des flexiblen Metallelements nitriert.
  • Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform ist der nichtrostende Stahl ein Cr-Stahl, insbesondere X5CrNi 18-10, X6CrNiTi 18-10, X6CrNiMoTi 17-12-2, X2CrNiMo 17-12-2 oder X2CrNi 19-11. Der nichtrostende Stahl bietet vor allem eine gute Umformbarkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit, was vor allem im Automobilbereich, in dem Bauteile oft einem korrosiven Millieu ausgesetzt sind, vorteilhaft ist.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das flexible Metallelement eine flexible Schlauchleitung oder ein Entkoppelelement, vorzugsweise zur Verwendung im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor.
  • Vorzugsweise ist der Balg an einem inneren Umfang mit einer Auskleidung, insbesondere mit einem Innengestrick oder Innenliner, versehen, welche für eine definierte Strömungsführung innerhalb des Balgs sorgt. In diesem Zusammenhang können sowohl Balg als auch Liner eine nitrierte Oberfläche aufweisen, ohne dass die Erfindung auf eine solche Kombination beschränkt wäre.
  • Darüber hinaus ist der Balg gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform an einem äußeren Umfang mit einer Ummantelung, insbesondere mit einer Gestrickummantelung oder einem Geflecht, versehen, welche eine axiale Längung des Balgs begrenzt und den Balg auch vor äußeren Schadenseinflüssen schützt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Abschnitt des flexiblen Metallelements, vorzugsweise zumindest der Balgabschnitt, mehrlagig ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform entsteht der Vorteil, dass die dann zwischen den einzelnen Lagen befindliche Nitridschicht einer Diffusionsverschweißung bei hohen Temperaturen zwischen den Lagen bei hohen Temperaturen entgegenwirkt.
  • Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Metallelements aus nichtrostendem Stahl bereitgestellt, welches in zumindest einem Abschnitt ein flexibles Schlauchleitungselement mit einem Balg und/oder mit einem gewickelten Bereich (Wickelschlauchabschnitt) umfasst, wobei das Verfahren das Umformen eines Metallbandes in das flexible Metallelement umfasst, und wobei das Verfahren weiterhin einen Nitrierbehandlungsschritt umfasst. Die Herstellung des flexiblen Metallelements wird durch die Verwendung von nichtrostendem Stahl aufgrund dessen guter Umformbarkeit vereinfacht. Gleichzeitig wird durch den zusätzlichen Schritt der Nitrierbehandlung die Oberfläche des nichtrostenden Stahls gehärtet, was seinen Verschleißwiderstand und somit die Lebensdauer des fertigen Metallelements deutlich erhöht.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Nitrierbehandlungsschritt vor dem Umformen des Metallbandes durchgeführt.
  • Alternativ kann der Nitrierbehandlungsschritt auch gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel nach dem Umformen des Metallbandes durchgeführt werden.
  • Vorzugsweise umfasst der Nitrierbehandlungsschritt eine Stickstoffbehandlung bei einer Temperatur höher als 1000°C, insbesondere bei 1050°C, ein Plasmanitrieren bei einer Temperatur höher als 500°C, insbesondere bei 550°C, eine Stickstoffbeaufschlagung unter Druck, oder ein Badnitrierverfahren, insbesondere ein Salzbadnitrierverfahren, Dabei kann beim Anwenden einer Stickstoffbehandlung bei einer Temperatur oberhalb von 1000°C je nach Zeitdauer, z. B. über 3, 6, 9, 12, etc. Stunden die Randhärte des Metallelements unterschiedlich stark erhöht werden. Wird eine Stickstoffbeaufschlagung unter Druck durchgeführt, kann vorteilhafterweise die Zeit der Behandlung und/oder die Temperatur während der Behandlung verringert werden.
  • Besonders bevorzugt ist das flexible Metallelement eine flexible Schlauchleitung oder ein Entkoppelelement, wie bereits ausgeführt wurde. Höchst vorzugsweise handelt es sich um ein abschnittweise balgartiges Element, das auf seiner Innenseite einen Linerabschnitt aufweist. Balg und/oder Liner können der vorgeschlagenen Nitrierbehandlung unterzogen worden sein.
  • Vorzugsweise wird als nichtrostender Stahl ein Cr-Stahl, insbesondere X5CrNi 18-10, X6CrNiTi 18-10, X6CrNiMoTi 17-12-2, X2CrNiMo 17-12-2 oder X2CrNi 19-11, verwendet. Bevorzugte Werkstoffnummern sind in diesem Kontext 1.4301, 1.4541, 1.4571, 1.4404 und 1.4306.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung; hierbei zeigt
  • 1 ein flexibles Metallelement gemäß einer Ausführungsform;
  • 2 eine Detailansicht eines Abschnitts des in 1 dargestellten flexiblen Metallelements; und
  • 3 eine Detailansicht eines Abschnitts eines alternativen erfindungsgemäßen flexiblen Metallelements.
  • 1 zeigt ein flexibles Metallelement 1 in Form eines flexiblen Schlauchleitungselements 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das flexible Schlauchleitungselement 2 weist einen Abschnitt mit einem Balg 3 auf, welcher mit einer Vielzahl von Innenkrempen 4 und einer entsprechenden Vielzahl von Außenkrempen 5 versehen ist. Insbesondere die Innenkrempen 4, welche mit einem Innenliner oder Innengestricke (nicht dargestellt) in Kontakt stehen können, und die Außenkrempen 5, welche mit einer Geflecht- oder Gestrickummantelung (nicht dargestellt) in Kontakt stehen können, sind durch diesen Kontakt während der Bewegung des flexiblen Schlauchleitungselements 2 einer hohen Reibungsbeanspruchung ausgesetzt.
  • Das flexible Schlauchleitungselement 2 ist in der Ausführungsform aus nichtrostendem Cr-Stahl hergestellt.
  • 2 zeigt eine Detailansicht eines Abschnitts des in 1 dargestellten flexiblen Metallelements 1, wobei der Abschnitt in 1 durch „X” gekennzeichnet ist. Wie in dieser Detailansicht erkennbar ist, ist die gesamte Oberfläche des flexiblen Schlauchleitungselements 2 mittels einer Nitrierbehandlung gehärtet worden, so dass die äußere Oberfläche 6 des flexiblen Metallelements 1 mit einer ersten Nitridschicht 7, hier aufgrund des verwendeten Cr-Stahls eine Chromnitridschicht, und die innere Oberfläche 8 des flexiblen Metallelements 1 mit einer zweiten Nitridschicht 9, welche hier ebenfalls eine Chromnitridschicht ist, versehen ist.
  • Die Nitrierbehandlung kann vor dem Umformen des Metallbandes oder auch am fertigen Bauteil, d. h. am fertigen flexiblen Leitungselement 2, durchgeführt werden. Hierzu eignen sich verschiedene Nitrierverfahren, wie beispielsweise Badnitrieren oder Plasmanitrieren. In diesem Zusammenhang sei jedoch angemerkt, dass beim Anwenden des Plasmanitrierens die Plasmabeaufschlagung nicht zu stark sein sollte, da ansonsten ein Verbiegen des Metallbandes oder ein Verformen des flexiblen Metallelements 1 bzw. des flexiblen Schlauleitungselements 2 auftreten kann. Das flexible Schlauchleitungselement 2 zeigt aufgrund seiner veränderten Oberflächeneigenschaften im Vergleich zu einem unbehandelten Schlauchleitungselement eine Erhöhung der Steifigkeit um ca. 10%, was sich auch in einer Erhöhung der Eigenfrequenz niederschlägt.
  • Um ein flexibles Metallelement 1 in Form eines flexiblen Schlauchleitungselements 2 wie es in 1 dargestellt ist, herzustellen, wird ein Metallband aus nichtrostendem Stahl einer Stickstoffbehandlung, wie beispielsweise Plasmanitrieren oder Nitrocarbonitrieren (Salzbadnitrieren), unterzogen, so dass die gesamte Oberfläche mit einer dünnen verschleißfesten Randschicht überzogen ist. Um die Prozessdauer zu verkürzen, kann das Nitrieren beispielsweise unter erhöhtem Druck erfolgen. Alternativ kann die Stickstoffbehandlung auch nach dem Umformen des Metallbands durchgeführt werden. Ebenfalls alternativ kann die Oberfläche des Metallbands oder des fertigen Bauteils auch nur partiell nitriert werden, beispielsweise lediglich in den Bereichen, die einem verstärkten Reibverschleiß unterliegen. Nach der Stickstoffbehandlung wird das Metallband dann durch einen Umformungsprozess in die gewünschte Form gebracht. Das so hergestellte flexible Metallelement 1 weist eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit, eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit, eine verbesserte Kriechbeständigkeit und eine verringerte Neigung zur Bildung von Grobkorn auf.
  • 3 zeigt eine Detailansicht eines anderen Metallelements 1' nach Art eines Wickelschlauchs. Auch hier weist die äußere Oberfläche 6' eine erste Nitridschicht 7' und die innere Oberfläche 8' eine zweite Nitridschicht 9' auf. Die Herstellung erfolgt grundsätzlich so, wie oben für die 1 und 2 beschrieben. Selbstverständlich können die Gegenstände der 1 und 2 bzw. 3 auch gemeinsam bei einem flexiblen Metallelement Verwendung finden.

Claims (13)

  1. Flexibles Metallelement (1), welches in zumindest einem Abschnitt ein flexibles Schlauchleitungselement (2) mit einem Balg (3) und/oder mit einem gewickelten Bereich umfasst, wobei das flexible Metallelement (1) aus einem nichtrostenden Stahl hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Metallelement (1) eine zumindest teilweise nitrierte Oberfläche (6, 8) aufweist.
  2. Flexibles Metallelement (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Oberfläche (6, 8) des flexiblen Metallelements (1) nitriert ist.
  3. Flexibles Metallelement (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtrostende Stahl ein Cr-Stahl, insbesondere X5CrNi 18-10, X6CrNiTi 18-10, X6CrNiMoTi 17-12-2, X2CrNiMo 17-12-2 oder X2CrNi 19-11, ist.
  4. Flexibles Metallelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Metallelement (1) eine flexible Schlauchleitung oder ein Entkoppelelement ist.
  5. Flexibles Metallelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Balg (3) an einem inneren Umfang mit einer Auskleidung, insbesondere mit einem Innenliner oder Innengestrick, versehen ist, welche Auskleidung vorzugsweise den gewickelten Bereich umfasst.
  6. Flexibles Metallelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Balg (3) an einem äußeren Umfang mit einer Ummantelung, insbesondere mit einer Geflecht- oder Gestrickummantelung, versehen ist.
  7. Flexibles Metallelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt des flexiblen Metallelements (1) mehrlagig ausgebildet ist.
  8. Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Metallelements (1) aus nichtrostendem Stahl, welches in zumindest einem Abschnitt ein flexibles Schlauchleitungselement (2) mit einem Balg (3) und/oder mit einem gewickelten Bereich umfasst, wobei das Verfahren das Umformen eines Metallbandes in das flexible Metallelement (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin einen Nitrierbehandlungsschritt umfasst, in welchem die Oberfläche (6, 8) des flexiblen Metallelements (1) zumindest teilweise nitriert wird.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nitrierbehandlungsschritt vor dem Umformen des Metallbandes durchgeführt wird.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nitrierbehandlungsschritt nach dem Umformen des Metallbandes durchgeführt wird.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Nitrierbehandlungsschritt eine Stickstoffbehandlung bei einer Temperatur größer als 1000°C, insbesondere bei 1050°C, ein Plasmanitrieren bei einer Temperatur größer als 500°C, insbesondere bei 550°C, eine Stickstoffbeaufschlagung unter Druck, oder ein Badnitrierverfahren, insbesondere ein Salzbadnitrierverfahren, umfasst.
  12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Metallelement (1) eine flexible Schlauchleitung oder ein Entkoppelelement ist, vorzugsweise für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor.
  13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als nichtrostender Stahl ein Cr-Stahl, insbesondere X5CrNi 18-10, X6CrNiTi 18-10, X6CrNiMoTi 17-12-2, X2CrNiMo 17-12-2 oder X2CrNi 19-11, verwendet wird.
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