DE102012018551A1

DE102012018551A1 - Edelstahlrohr mit Randhärtung

Info

Publication number: DE102012018551A1
Application number: DE201210018551
Authority: DE
Inventors: Rolf Blöcher; Rolf Kaufmann; Armin Hawlik
Original assignee: WIKA Alexander Wiegand SE and Co KG
Current assignee: WIKA Alexander Wiegand SE and Co KG
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2014-03-20

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Edelstahlelement, vorzugsweise als Messrohr oder Messmembran ausgeformt, welches aus einem austenitischen Chrom-Nickel Edelstahl gefertigt ist und eine Randzone mit erhöhter Festigkeit und daraus resultierender erhöhter Härte aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf ein Blech oder Rohr, welches in einem Randbereich in einer definierten Tiefe mit einer definierten Festigkeit ausgestattet wird und so hinsichtlich Wechselbelastungen im Dauereinsatz verbessert wird.
Es ist bekannt, Edelstahlrohre durch Autofrettage für Ihren Einsatz hinsichtlich der Lebensdauer und anderen Eigenschaften – welche sich über Zeit und Temperatur nachteilig verändern können – zu optimieren. Bekannt ist weiterhin, dass Stahl härtbar ist, und dass z. B. durch unterschiedlichste Verfahren auch Oberflächen und Randschichten z. B. durch Temperatureinfluss gezielt und begrenzt härtbar sind. Hierzu wird der Werkstoff z. B. in Öfen oder mittels elektrischer Induktion auf bestimmte Temperaturen gebracht, und dann weiterbehandelt. Dies ist aber für Edelstahl so nicht möglich. Auch ist das Aufbringen von zusätzlichen Schichten bekannt, um Edelstahl vor bestimmten Einflüssen zu schützen, so z. B. auch das Lackieren in besonders korrosiven Umgebungen. Solche Aufgabenstellungen stellen sich insbesondere auch für Rohre in Industrieumgebung oder in Messwerken.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Lösung für die Verbesserung der Lebensdauer von Edelstahlelementen in besonderen Anwendungen und eine gleichzeitig eine Verbesserung von Edelstahlblechen oder Rohren unter Hinblick auf den elastischen Dauereinsatz unter Wechselbelastung, insbesondere Wechselbiegung, zu schaffen. Diese Aufgaben werden mit einem Aufbau gelöst, wie in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung beruht auf dem Ansatz, dass ein Materialaufbau geschaffen werden soll, bei dem das Grundmaterial im Inneren weitestgehend unverändert erhalten bleibt.
Erfindungsgemäß weist der hier vorgestellte Materialaufbau, – zum Beispiel an einem Rohr – eine Modifikation auf, bei der die Randschicht des Edelstahlrohrs in Festigkeit und Materialtiefe so verändert wird, sodass die Wechselbelastung oder Biegewechselfestigkeit, sowie die Dauerfestigkeit in Verbindung mit Druckbelastbarkeit um ein Vielfaches höher ist als bei dem Ausgangs-/Grundmaterial.
Hierzu wird ein austenitischer Chrom-Nickel Stahl als Rohr an der Innenfläche und an der Außenfläche in der Festigkeit vorzugsweise so verändert, dass diese eine Härte von 800 bis 1200 HV (Härte Vickers 0,01) hat, welche in einen Randbereich mit einer Schichtstärke von vorzugsweise 2–20 oder maximal 50 μm eingebracht ist.
Der ansonsten als nicht härtbar geltende austenitischer Chrom-Nickelstahl aus der Material-Norm Gruppe 316 erhält hierdurch eine erhöhte Festigkeit, welche sich insbesondere als vorteilhaft ausweist, wenn das Rohr einer besonders großen Anzahl von Biegewechseln ausgesetzt wird.
Der Randschichtaufbau kommt insbesondere dann vorteilhaft zum Einsatz, wenn aus dem oben genannten Material Messrohre oder Membranen für Druckmessgeräte hergestellt werden, die während der Wechselbelastungen zusätzlich unter Druckbelastung stehen.
Messrohre werden zum Beispiel mit wechselnden Drücken beaufschlagt und bewegen sich hierbei analog zu dem beaufschlagten Druck hin und her.
Insbesondere kann ein solches Messrohr auch mit einem elliptischen Querschnitt ausgeführt sein und mit einem Messwerk gekoppelt sein, welches einen Zeiger antreibt. Hierbei sind die Anforderungen zusätzlich erschwert, wenn das Messrohr in einem Manometer an einem Einsatzort mit Vibration montiert ist. Es überschneiden sich hierbei zahlreiche Einflüsse. Einerseits wirken verformende Kräfte auf den Rohrquerschnitt durch die Verformung unter Innendruckbeaufschlagung, weil sich das elliptische Rohr verformt und sich einem runden Querschnitt annähert, andererseits wirken Zugschwell-, Wechsel- und Druckschwellbeanspruchungen auf das Messrohr bei Veränderung des Innendrucks, welche durch Vibrationen der Applikation noch zusätzlich überlagert werden.
Hinsichtlich korrosiver Beständigkeit ist jedoch in vielen Anwendungen nur Edelstahl einsetzbar. Mit einem erfindungsgemäß behandelten Edelstahlelement hat sich eine deutliche Verbesserung der Zeitstandfestigkeit herausgestellt, zusätzlich sind die Belastungen für maximalen Ausschlag und maximaler Oberspannung im Randbereich verbessert.
Alternativ kann ein solcher Schichtaufbau mit gehärteten Membranen aus Edelstahl ein- oder beidseitig vorgesehen sein. Damit lassen sich dann die genannten Vorteile auch z. B. in Messgeräten mit einer Membran erreichen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt den Querschnitt eines Edelstahlrohrs, vorzugsweise mit elliptischem Querschnitt, bei dem die äußere Randschicht vorzugsweise innen und außen modifiziert wurde.
Ein solches Rohr erfährt zum Beispiel Wechselbiegungen, wenn es von innen mit wechselnden Drücken P relativ zum Aussendruck beaufschlagt wird.
2 zeigt den Detailausschnitt A aus 1. Hierbei ist die äußere Randschicht, Materialrandzone S als Bestandteil des Grundmaterials M dargestellt, welche eine höhere Festigkeit hat als das Grundmaterial Edelstahl M des Rohrs selbst.
Die Materialrandzone S mit erhöhter Festigkeit hat vorzugsweise eine Stärke von 2–20 oder 50 μm (μm = Mikrometer = 10 hoch – 6 Meter) und hat eine Härte von 800–1200 Härte Vickers und besitzt dann das 1,5–2 fache der Härte des Grundmaterials.
Die Aufhärtung der Randzone kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass das Materialgefüge in der Randzone mit nichtmetallischen Atomen unter hoher Temperatur angereichert wird oder dass unter Temperatur ein vorhandenes Konzentrationsgefälle nichtmetallischer Atome von innen nach außen weiter verschoben oder verstärkt wird. Das Einbringen kann in gasförmiger Atmosphäre mit einer Mischung von z. B. Kohlenstoff und/oder Stickstoff erfolgen, welche in Konzentration, Druck und Temperatur je nach Vormaterial oder beabsichtigter Randzonenhärtung eingestellt wird.
Bei Verwendung beispielsweise von Kohlenstoff und Stickstoff wird die Prozesszeit durch das gleichzeitige Eindiffundieren von Kohlenstoff und Stickstoff beschleunigt. Durch diese Tatsache kann der Aufkohlungsvorgang bei tieferen Temperaturen (700–800°C) als z. B. bei einem reinen Aufkohlungsverfahren erfolgen; weiterhin wird die Stärke der Einhärtungszone schneller erreicht. Die Haltezeit auf der Härtetemperatur beträgt z. B. 20–25 Minuten. Durch Anreicherung vorzugsweise von Stickstoff wird die Härtetemperatur und die kritische Abkühlgeschwindigkeit herabgesetzt, so dass auch milder abgeschreckt werden kann. Beide Faktoren verringern weiterhin die Gefahr eines Verzugs der Rohrabschnitte. Nach der Wärmebehandlung wird das Werkstück entsprechend den Anforderungen in Wasser, Öl z. B. mit einer Ringbrause abgekühlt oder auch an Luft abgekühlt.
Die Erfindung ist nicht auf die vorhergehenden ausführlichen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie kann in dem Umfang der nachfolgenden Ansprüche modifiziert werden.

Claims

Edelstahlelement für den Dauereinsatz unter Wechselbiegungen, wobei – das Edelstahlelement aus einem austenitischen Chrom-Nickelstahl hergestellt ist, – die Materialrandzone des Edelstahlelement mit erhöhter Festigkeit ausgestattet ist, – die Härte der Materialrandzone mindestens 500 Härte Vickers oder das 1,5 bis 2 fache des Grundmaterials der Ausgangshärte des Grundmaterials besitzt, – und wobei die Materialrandzone mit erhöhter Festigkeit eine Stärke von 2–50 um besitzt.
Edelstahlelement nach Anspruch 1, wobei das Edelstahlelement rohrförmig geformt ist.
Edelstahlelement nach Anspruch oder 2, wobei das rohrförmige Edelstahlelement oval oder elliptisch geformt ist.
Edelstahlelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Edelstahlelement innen und außen, bzw. beidseitig mit einer Materialrandzone ausgestattet ist, welche eine erhöhte Festigkeit und eine erhöhte Härte aufweist.
Edelstahlelement nach Anspruch 1 oder 4, wobei das Edelstahlelement eine plattenförmige Membran ist.
Edelstahlelement nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei das rohrförmige Edelstahlelement an einem Ende verschlossen und insbesondere zugeschweisst ist, und an dem anderen Ende ein gewindeförmiger Druckanschluss ausgebildet ist.
Edelstahlelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Edelstahlelement von einer Seite mit Umgebungsdruck beaufschlagbar ist, und von der anderen Seite über den Druckanschluss mit einem Messdruck oder Prozessdruck beaufschlagbar ist.
Edelstahlelement nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 7, wobei das Edelstahlelement mit seinem verschlossene, insbesondere zugeschweissten Ende an ein Messwerk gekoppelt ist, welches einen Zeiger vor einer Skala antreibt.
Edelstahlelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Edelstahlelement mit einer Materialrandzone ausgestattet ist, welche eine erhöhte Festigkeit und eine erhöhte Härte aufweist, welche unter Temperatur, Druck und Zeit in einer Atmosphäre erzielt worden ist, die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthält.
Edelstahlelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Edelstahlelement mit einer Materialrandzone ausgestattet ist, welche eine erhöhte Härte von 800–1200 Härte Vickers hat oder welche 2–20 um stark ist.
Druckmessssystem, bestehend aus einem Gehäuse, einem Druckanschluss, einem Messwerk mit einem Zeiger und einer Skala, und einem elastischen Rohr, welches mit dem Druckanschluss druckdicht verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Rohr aus einem austenitischen Chrom-Nickel Edelstahl ist, das elastische Rohr eine Randschicht mit erhöhter Festigkeit besitzt, die elastische Randschicht am Rohr innen und außen eingebracht ist, die Härte der elastischen Randschicht am Rohr zwischen 800–1200 Härte Vickers beträgt, und dass die elastische Randschicht am Rohr innen und außen eingebracht ist und eine Stärke von 2–35 μm hat.