DE102013006009B3

DE102013006009B3 - Verfahren zum Herstellen eines Balgs und/oder Balg

Info

Publication number: DE102013006009B3
Application number: DE201310006009
Authority: DE
Inventors: Uwe Wild; Immo Gärtner; Klaus Hirth; Jürgen Telatinski
Original assignee: BOA Balg und Kompensatoren Technologie GmbH
Current assignee: Boa Metal Solutions De GmbH
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2033-04-10
Also published as: CN104152657A; US20140299218A1; US9797530B2; JP2014201836A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Balgs aus austenitischem Edelstahl mit erhöhter Druck- und Dauerfestigkeit, wobei eine ein- oder mehrlagige Hülse durch hydraulische Umformung zu einem Balg umgeformt wird. Zur Verbesserung insbesondere der Druckbeständigkeit und Dauerfestigkeit ist vorgesehen, dass der Balg nach der Umformung gereinigt wird und dass anschließend der Balg einer Umgebung mit Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatomen bei Temperaturen zwischen 100°C und 400°C, vorzugsweise 200°C bis 320°C ausgesetzt wird, womit durch Eindiffundieren von Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatomen eine Härtung des Balgs erfolgt. Ein derart geschaffener Balg aus austenitischem Edelstahl mit einer oder mehr Lagen zeichnet sich dadurch aus, dass die Randschicht bis zu einer Einhärttiefe von mindestens 5% der Wandstärke durch die Einlagerung von Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatomen gehärtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Balgs aus austenitischem Edelstahl nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Metallbälge werden zur hermetisch dichten Entkopplung von Bewegungen eingesetzt. Sie bestehen aus Gründen der besseren Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit meist aus austenitischen Edelstählen. Übliche Anforderungen an Bälge betreffen die Beweglichkeit, die Lebensdauer, die Federsteifigkeit und die Druckbeständigkeit der Bälge. Oft soll ein Bewegung oder eine Bewegungskollektiv bestimmter Größe mit einer festgelegten Mindestlebensdauer, also einer gewissen Zahl von Lastspielen, ertragen werden.
Ein elementares Auslegungskriterium für Metallbälge ist die Größe der aufgenommenen Bewegungen. Diese Bewegungsgröße hat direkte Auswirkungen auf den geforderten Bauraum des Wellbalges. Oft soll eine große Bewegung mit hoher Lastpielzahl bei geringer Bauraumforderung erreicht werden.
Für eine große Bewegungsaufnahme sind eine große Wellenhöhe und -Anzahl der Balgwellungen bei möglichst geringer Wandstärke vorteilhaft. Die geringe Wandstärke wirkt insofern vorteilhaft auf die Bewegungsaufnahme, dass die Belastung des Metallbalges meist weggesteuert erfolgt, also die Bewegungsaufnahme durch das anregende System festgelegt werden. Die aufgenommenen Bewegungen äußern sich als Durchbiegungen in den Balgwellen. Die erzeugten Biegespannungen sind umso größer, je größer die Wandstärke des Balges ist.
Mit kleiner werdender Wandstärke sinkt jedoch auch die Druckbeständigkeit der Bälge. Soll ein Balg druckbeständig ausgelegt werden, so ist dieser durch die erforderliche große Wandstärke bei gegebenen Bauraum in seiner Beweglichkeit bzw. seiner Lebensdauer eingeschränkt.
Schließlich wird oft auch eine möglichst geringe Federsteifigkeit der Bälge gefordert. Wie auch für die Lebensdauer, ist eine geringe Wanddicke des Balges auch für eine niedrige Federsteifigkeit des Balges ausschlaggebend.
Die oft verwendeten austenitischen Edelstähle wie z. B. 1.4301, 1.4401, 1.4404, 1.4509, 1.4541, 1.4571, 1.4828 oder Nickelbasislegierungen wie 2.4600, 2.4816 oder 2.4856 und Duplexstähle wie 1.4362 oder 1.4462 zeichnen sich durch ihre hervorragende Umformbarkeit aus. Auf der anderen Seite liegt deren Festigkeit weit unterhalb der mit ferritischen Stählen erreichbaren Festigkeit. Die Verwendung von Bälgen aus austenitischen Edelstählen ist besonders bezüglich ihrer Druckfestigkeit eingeschränkt. Soll eine hohe Druckfestigkeit erreicht werden, muss die Wandstärke des Balgs erhöht werden. Dies führt zu deutlichen Nachteilen in der Dauerfestigkeit und der Steifigkeit der Bälge.
Sollen sehr hohe Druckbeständigkeiten erreicht werden, tritt ein weiteres Problem auf: Metallbälge werden üblicherweise durch hydraulische Umformung mittels Innendruck hergestellt. Ein Druck, welcher das Ausgangsmaterial in den Endzustand bringt, ist auch geeignet, das fertige Produkt später wieder zu verformen. Das heißt, der zur Umformung verwendete Druck muss immer größer sein als der spätere Druck, dem der fertige Balg im Betrieb ausgesetzt wird.
Für einige Anwendungen, z. B. in Einspritzdüsen, sind die geforderten Betriebsdrücke jedoch sehr hoch. Moderne Dieseleinspritzsysteme sind für Betriebsdrücke von über 200 MPa ausgelegt. Solche Drücke können in der Balgherstellung bisher nicht erreicht werden.
Zur Steigerung der Druckbeständigkeit von Bälgen werden nach dem Stand der Technik bereits Metallbälge aus einem härtbaren, meist ferritischen Stahl hergestellt und nach der Herstellung gehärtet und vergütet. Ein Nachteil bei der Verwendung ferritischer Stähle ist die im Vergleich zu austenitischen Stählen geringe Bruchdehnung. Hierdurch kann am Balg nur eine geringe Wellenhöhe erzielt werden. Ein weiteres Ausschlusskriterium ist in vielen Anwendungen die geforderte Korrosionsbeständigkeit, welche die Verwendung austenitischer Stähle notwendig macht.
Eine in der EP 1 985 388 B1 gezeigte Möglichkeit zur Erhöhung der Druckbeständigkeit von Bälgen unter Beibehaltung von beherrschbaren Umformdrücken ist die Verwendung eines Werkstoffes mit zwei metastabilen Zuständen, von denen einer weich und duktil, der andere Zustand sehr hart und hochfest ist. Die Zustandsänderung hierfür wird üblicherweise durch eine spezielle Wärmebehandlung erreicht. Die hierfür verwendeten Stähle sind jedoch teuer in Beschaffung und Verarbeitung. Zudem liegt der weiche, duktile Zustand nur bei hohen Temperaturen vor, welche den Umformprozess erheblich verkomplizieren und damit verteuern.
Eine weitere Schwierigkeit besteht in der Anbindung der so hergestellten Teile an die Umgebung. Zum einen sind die in der EP 1 985 388 B1 beschriebenen Stahlsorten teilweise schlecht oder überhaupt nicht schweißbar, zum anderen werden die nach der Umformung erreichten metastabilen Zustände erst nach dem Verschweißen der Bälge durchgeführt, kann dies zu Wärmeverzug und Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit an den Anschlussteilen führen.
In der genannten Druckschrift ist im Zusammenhang mit den aushärtbaren Werkstoffen eine besonders druckbeständige Balggeometrie mit einer Wellenhöhe, welche geringer als die Wellenlänge ist, beschrieben. Eine solche Geometrie ist jedoch sehr ungünstig für die Bewegungsaufnahme des Balges. Hierbei muss zur Erreichung akzeptabler Lebensdauern bei einer gegebenen Bewegungsforderung ein vergleichsweise langer Balg mit daraus resultierenden großen Bauraumforderungen verwendet werden. Es ist bekannt, die Oberflächengüte eines metallischen Werkstücks durch Einlagerung von Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatomen in einer sehr dünnen Oberflächenschicht von bis zu 35 μm zu erhöhen, um insbesondere eine verbesserte Verschleiß- und Kratzfestigkeit zu erreichen.
In der WO 02/070774 A1 ist ein Verfahren zum Härten von metallischen Werkstücken aufgezeigt, bei dem Fremdatome von einer das Werkstück umgebenden Metallschmelze auf Basis eines niedrig schmelzen Metalls oder einer niedrig schmelzenden Legierung in das zu härtende Werkstück eingebracht werden. Die Druckschrift sieht dafür eine Vielzahl von Fremdatomen, so auch Kohlenstoff- und Stickstoffatome, vor. Bei gasförmigen Fremdatomen sollen diese mit niedriger Geschwindigkeit durch die Metallschmelze perlen und dadurch in das zu härtende Werkstück diffundieren. Die Herstellung, Wartung und Prozesskontrolle der Schmelze ist dabei mit einem hohen Aufwand verbunden. So müssen Druck und Temperatur der Schmelze stets kontrolliert werden, um die beabsichtigte Härtung des Werkstückes zu erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen dauerfesten druckbeständigen Metallbalg aus einem austenitischen Edelstahl zu schaffen, welcher die oben genannten Nachteile in Herstellkosten und Anbindungsproblematik vermeidet und gegenüber einem herkömmlichen Balg Vorteile in der Druckbeständigkeit und der Bewegungsaufnahme bzw. der Dauerfestigkeit bietet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, welches die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Nach der ersten Alternative ist die Verfahrenshandhabung grundsätzlich einfacher als im Stande der Technik, bei der zweiten Alternative wird insbesondere die Temperaturführung und die Gefahr einer Reaktion der durchdiffundierenden Kohlenstoffteilchen oder -träger mit der Schmelze selbst unkritischer. Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung weiterhin einen gattungsgemäßen Balg mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11 vor.
Dabei wird insbesondere eine Verbesserung der Dauerfestigkeit sowohl durch die Steigerung der Dehngrenze als auch durch die Differenz im Gehalt der Fremdatome zwischen Randschicht und Kern verursacht, da Druckspannungen durch die Einlagerung der Kohlenstoff- oder Stickstoffatome in das Metallgitter in der Randschicht entstehen, dadurch eine Volumenzunahme bedingen, während der Werkstückkern, in den weniger oder gar keine Fremdatome eindiffundieren, jedoch seine Größe behält und dem Expansionsdrang der Randschicht Widerstand entgegensetzt.
Metallbälge werden, um eine hohe Bewegungsaufnahme zu gewährleisten, dünnwandig ausgeführt, so dass zum Erreichen der angegebenen Ziele eine geringe Einhärttiefe ausreicht.
Einhärttiefe ist die Tiefe der Balgwandung, gemessen von einer Oberfläche (innen oder außen) her, die eine gegenüber dem Grundwerkstoff um 50 HV 0,01 erhöhte Härte aufweist. Bei einer geringen Wandstärke eines Balges macht die Einhärttiefe ohne weitere besondere Maßnahmen bereits einen beträchtlichen Teil der Wandstärke aus. Dadurch, dass sich insbesondere eine Wegaufnahme des Balges, aber auch eine Druckbelastung, zum allergrößten Teil als Biegebelastung äußert, werden die größten Spannungen nur im gehärteten Bereich erreicht. Hierdurch kann die Druckbeständigkeit eines dünnwandigen Balges durch das Härten des Rands bzw. einer Randschicht erheblich gesteigert werden. Durch die Steigerung der Dehngrenze wird also die Druck- und Dauerfestigkeit des Balges durch das von außen erfolgende Härten erheblich erhöht werden.
Hierdurch wird es möglich, die Bälge bei gleicher Druckbeständigkeit noch dünnwandiger auszuführen. Durch die dünnwandigere Ausführung kann die Lebensdauer bzw. die zulässige Bewegungsaufnahme der Bälge bei Erhaltung der Druckbeständigkeit massiv gesteigert werden. Andererseits kann bei Beibehaltung der Lebensdauerforderung und der Wandstärke die Druckbeständigkeit erheblich erhöht werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass der Balg ein bis sechs Tage, vorzugsweise drei bis sechs Tage der Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome enthaltenden Umgebung ausgesetzt wird. Der Balg kann insbesondere bei Arbeiten mit einer Inertgasatmosphäre einer Kohlenstoff- und/oder Stickstoff enthaltenden Argongasatmosphäre ausgesetzt werden. In bevorzugter Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Balg einer Kohlenstoff- und/oder Stickstoff enthaltenen Umgebung ausgesetzt wird, bis Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome auf eine Einhärttiefe von mindestens 5% der Wandstärke eingedrungen sind. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass entweder der Balg einer Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenen Umgebung ausgesetzt wird, bis Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome auf eine Einhärttiefe von mindestens 10% der Wandstärke eingedrungen sind, jedoch bis auf nicht mehr als auf 50 μm oder aber der Balg einer Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenen Umgebung ausgesetzt wird, bis Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome auf eine Einhärttiefe von mindestens 25% der Wandstärke eingedrungen sind, jedoch bis auf nicht mehr als auf 100 μm.
Bevorzugte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Balgs zeichnen sich dadurch aus, dass der Gehalt von eingelagerten Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatomen von der Außenseite der Wandung des Balgs zum Inneren der Wandung hin abnimmt und/oder durch eine gegenüber der Höhe der Balgwellen größere Länge der Balgwellen.
Die Eigenschaften des fertigen Balges lassen sich dabei über die Wandstärke, Einhärttiefe und die erzielte Oberflächenhärte einstellen. Als besonders vorteilhaft für die Druckbeständigkeit ist die Wahl einer Materialstärke, welche eine Durchhärtung der Balgwand ermöglicht. Hierbei werden die Fremdatome über den gesamten Materialquerschnitteingelagert. Hierdurch lassen sich große Druckbeständigkeiten erreichen – die Lebensdauer bei Schwingbelastung nimmt jedoch gegenüber einem Balg gleicher Geometrie und Wandstärke nur geringfügig zu, oder sogar ab. Grund hierfür ist die Zunahme der Empfindlichkeit gegenüber der Oberflächenrauheit des Balges. Da hierbei die Volumenzunahme aufgrund der aufgenommenen Fremdatome über den gesamten Querschnitt erfolgt, können keine Druckeigenspannungen in der Oberflächenschicht gebildet werden, welche vorteilhaft für die Lebensdauer des Balges wären.
Eine Steigerung der Lebensdauer ist dennoch zusammen mit einer Steigerung der Druckbeständigkeit möglich, da der Einfluss der Wandstärke noch größer auf die Lebensdauer wirkt als auf die Druckbeständigkeit. Mittels einer Durchhärtung des Materials kann die Wandstärke bei Steigerung der Druckbeständigkeit immer noch soweit reduziert werden, dass eine Steigerung der Lebensdauer möglich wird. Ein besonders vorteilhafter Nebeneffekt ist hierbei, dass die Federsteifigkeit des Balges durch die reduzierte Wandstärke verringert wird.
Besonders vorteilhaft für die Dauerfestigkeit bei Erreichung einer großen Druckbeständigkeit ist das Durchhärten über die gesamte Wandstärke oder auch nur beinahe bis zum Kern, sofern trotz der Durchhärtung ein von der Randschicht bis zum Kern abnehmender Kohlenstoffgehalt vorliegt. So bleiben die für die Dauerfestigkeit vorteilhaften Druckspannungen erhalten und es wird gleichzeitig eine hohe Druckbeständigkeit erreicht.
Besonders vorteilhaft für die Lebensdauer hat sich in Versuchen die Härtung einer Schicht des Balgs erwiesen, wobei der Kern des Materials weitgehend unverändert blieb. Durch die ungleichmäßige Verteilung der Fremdatome können sich in der Randschicht Druckspannungen ausbilden, welche die Lebensdauer positiv beeinflussen. Beträgt die Einhärttiefe (gemessen vom Rand bis zu der Härte, die 50 HV oberhalb der Härte des Grundwerkstoffs liegt) mehr als 10% der Materialstärke, kann bereits wohl eine deutliche Steigerung der Druckbeständigkeit als auch eine erhebliche Steigerung der Dauerfestigkeit beobachtet werden.
In überraschender Weise ergibt sich eine große Steigerung der Biegewechselfestigkeit insbesondere bei einem dünnwandigen Balg. Da nur der gehärtete Bereich den größten Spannungen ausgesetzt ist, wohingegen die Spannungen im unbehandelten Kern weitaus geringer sind, wird der plastische Bereich des Werkstoffes erst bei deutlich erhöhten Biegeverformungen erreicht. Hierdurch können auch dynamisch viel größere Festigkeiten erreicht werden, als nur durch ein Unterbinden von Mikrorissen, wie es vom Stand der Technik bekannt ist. Mit Anfordern der größten Biegespannungen bei der Bewegungsaufnahme des Balges in der Randschicht, ist die Verfestigung der Randschicht bei einem verbleibenden zähen Kern besonders vorteilhaft. Ursache hierfür sind die erzeugten Druckspannungen und die erhöhte Dehngrenze des Werkstoffes in der Randschicht.
Durch diese Steigerung der Biegewechselfestigkeit können Balggeometrien gewählt werden, welche bisher weniger für die Aufnahme von Bewegungen geeignet waren, jedoch sehr druckbeständig sind.
Ein anmeldungsgemäß ausgestalteter druckbeständiger Balg mit einer Geometrie, bei der die Wellenhöhe des Balges kleiner ist als die Wellenlänge, kann durch die Randschichthärtung besonders gut auf die Bewegungsaufnahme hin optimiert werden. Die durch die im Randschichtbereich gegenüber dem Kern höhere Kohlenstoffeinbringung verursachten Druckspannungen erhöhen die Dauerfestigkeit des Balges, er kann also bei gleicher Geometrie größere Bewegungen aufnehmen. Durch die gesteigerte Festigkeit des Materials ist auch die Druckbeständigkeit gegenüber unbehandeltem austenitischem Edelstahl deutlich verbessert.
Die Anbindung von Bälgen an andere Konstruktionsteile erfolgt üblicherweise mittels einer Schweißverbindung. Gehärteter, kohlenstoffreicher bzw. stickstoffreicher Stahl ist oft nur mit viel Aufwand verschweißbar, je nach Kohlenstoff- oder Stickstoffgehalt auch vollkommen ungeeignet zum Schweißen.
Bei erfindungsgemäßer Härtung eines Balgs aus austenitischem Edelstahl nur in der Randschicht liegt der Gesamtkohlenstoffgehalt in einem durchaus schweißbaren Bereich. Die Wandung des Balges wird beim Schweißen aufgeschmolzen, wodurch sich der Kohlenstoff in der Schmelze verteilt und verdünnt wird. Durch den kohlenstoffarmen Kernbereich ist eine gute Anbindung des randschichtgehärteten Balges möglich. Zwar ist der Schweißnahtbereich dann weniger fest als das angrenzende Material, jedoch kann die Schweißnaht in einen wenig belasteten Bereich gelegt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Anbindung des Balges, wenn eine Schweißbarkeit nach der Kohlenstoffdiffusion nicht mehr gegeben sein sollte, besteht darin, Anschlussteile bereits vor der Behandlung an den Balg zu verschweißen. Hierbei hat das Anschlussteil üblicherweise eine größere Wandstärke als der Balg. So kann das Anschlussteil anschließend mit der Umgebung verschweißt werden, da sich die Kohlenstoffatome oder mehrere geeignete Fremdatome, wie insbesondere Stickstoffatome beim Aufschmelzen auf sehr viel mehr Material verteilen.
Weiterhin ist es möglich, die gehärtete Randschicht nach der Kohlenstoffeinlagerung vom Anschlussstück mechanisch oder chemisch wieder zu entfernen. Daraufhin kann das Anschlussstück seinerseits problemlos mit der Umgebung des Balges verschweißt werden. Eine solche Schweißnaht ist nur eine Dichtnaht, die nur Dichtfunktion erfüllt, aber keine Kraftübertragung bewirken muss.
Eine weitere mögliche Form der Anbindung des Balges an seine Umgebung ist der Verzicht auf den Schweißprozess an sich. Die Anbindung an die Umgebung kann mittels Kraft- oder Formschluss bzw. Kleben, Hart- oder Weichlöten erfolgen.
Dieses Verfahren kann nicht nur bei bekannten zylindrischen Wellbälgen angewendet werden. Eine weitere Variante eines Balges ist der Membranbalg. Dieser besteht zum einen aus mehreren Kreisringen, welche mit einem Wellprofil versehen und an ihren Außen- und Innenkanten ziehharmonikaartig miteinander verschweißt sind. Besonders sinnvoll ist solch einem aus mehreren verschweißten Membranen gefertigten Balg, die einzelnen Balgmembranen schon von dem Einlagerungsprozesse miteinander verschweißen. So werden die verbesserten Eigenschaften des gehärteten Materials durch den Schweißprozess nicht mehr beeinträchtigt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Bezeichnung in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines üblichen gewellten Balges mit größerer Wellenhöhe als Wellbreite und mit Verdeutlichung der gehärteten Randschichten;
2 einen Teillängsschnitt durch einen Balg mit größerer Wellenbreite als Wellenhöhe;
3 einen Schnitt durch einen Membranbalg;
4 ein Diagramm des Härteverlaufs eines Balgs bei Härtung des Randbereichs der Wand;
5 einen Schnitt durch einen Balg der 1 bei Druckbeaufschlagung mit Darstellung der Einwirkung der Druckspannungen;
6 einen Schnitt entlang A-A der 5 durch den Scheitel der Balgwelle mit Darstellung des Spannungsverlaufs durch die Balgwandung; und
7 den Härteverlauf über die Wandung eines durchgehärteten Balgs.
Ein Metallbalg 1, wie er in einem Teillängsschnitt in der 1 dargestellt ist, weist Wellungen seiner Wandung mit Wellenbergen 2, Wellentälern 3 und mit diese verbindenden Wellenflanken 4 auf. Bei diesem Balg ist die Höhe der Wellen größer als deren Länge. Bei der Herstellung erfolgt die Härtung der Balgwandung in der in der allgemeinen Beschreibung dargestellten Weise von innen und von außen her in einer gleichen gemeinsamen Atmosphäre. Beim Ausführungsbeispiel der 1 sind lediglich die inneren und äußeren Randschichten 5 gehärtet, wie zeichnerisch veranschaulicht ist.
Die Einhärttiefe der Randschicht ist mit jeweils ca. 20% der Wandstärke dargestellt. Als Einhärttiefe wird die Tiefe der gehärteten Randschicht bezeichnet, bei der die Härte der Randschicht 50 HV 0,01 – gemessen mittels Härteprüfung nach Vickers – über der Grundhärte des Grundwerkstoffs liegt.
Gleiches gilt für den Balg der 2, bei dem die Wellenhöhe h kleiner als die Wellenlänge 1 ist. Ansonsten sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Auch hier sind lediglich die Randschichten in der erfindungsgemäßen Weise gehärtet. Bei Funktionselementen, wie Einspritzventilen, wird bevorzugt ein solcher Balg eingesetzt. Die 3 zeigt einen andersartigen Balg, bei dem die Erfindung ebenfalls anwendbar ist. Es handelt sich hierbei um einen Membranbalg 6. Dieser weist einzelne ringförmige Membrane 7 auf, die in ihrem Ringbereich flach gewellt sind. Zur Schaffung des Balgs 6 sind mehrere solcher gewellter Ringmembrane 7 an ihren äußeren Rändern und ihren inneren Rändern miteinander verbunden, insbesondere stoffschlüssig durch Schweißen. Weiterhin sind Anschlusselemente 8 vorhanden, die aus einem Rohrstutzen 8.1 und einem Flanschteil 8.2 bestehen, welches im äußeren Randbereich vom Rohrstutzen 8.1 fort konturiert und jeweils mit dem äußeren Bereich der benachbarten Membran 7 in der gleichen Weise verbunden ist.
Die 4 zeigt ein Diagramm des Härteverlaufs über die Wandstärke bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines lediglich im Randbereich 5 gehärteten Balgs 1. Das Material des Balgs ist ein Stahl mit einer Grundhärte von ca. 250 HV 0,01 – gemessen mittels Härteprüfung nach Vickers –. Der Balg wurde erfindungsgemäß von innen nach außen mit einer Einhärttiefe T von jeweils ca. 20% der Wandstärke gehärtet. Es zeigt sich, dass die Mikrohärte über ca. 5% der Wandstärke, gemessen von der jeweiligen Oberfläche des Balgs 1, bei mehr als 700 HV 0,01 liegt und bis zu einer Einhärttiefe von 10% Wandstärke noch über 600 HV 0,01 liegt.
Damit erfolgt die Härtung mit einer Einhärttiefe im Randbereich, in dem bei Druckbeaufschlagung die höchsten Spannungen auftreten, wie dies in den 5 und 6 verdeutlicht ist. Die 5 zeigt eine Welle eines druckbelasteten Balgs 1, wobei durch Pfeile P die einwirkende Druckbeaufschlagung dargestellt sind. Eine solche Druckbeaufschlagung führt zu einem Spannungsverlauf, wie er im in der 6 dargestellten Schnitt A-A der 5 wiedergegeben ist, wo ersichtlich ist, dass die größten Biegespannungen in der Einhärttiefe der Randschicht liegen. Dieser Spannungsverlauf ist sowohl bei Außendruckbeaufschlagung als auch bei Stauchung des Balgs gültig. Die Spannungen im unbehandelten Kern sind viel geringer als im gehärteten Bereich bzw. der Einhärttiefe.
Die 7 veranschaulicht schließlich den Härteverlauf über die Wandstärke eines durchgehärteten Balges, bei dem also die niedrigste Härte – etwa in der Mitte der Wandung – 50 HV 0,01 über der Grundhärte des Werkstoffs liegt. Hier zeigt sich, dass über etwa 10% der Wandungsstärke die Mikrohärte aufgrund der erfindungsgemäßen Härtung etwa konstant ist und bei über 900 HV 0,01 liegt und dann linear kontinuierlich bis zum Mittelbereich absinkt.
Bezugszeichenliste

1: Metallbalg
2: Wellenberge
3: Wellentäler
4: Wellenflanken
5: Randschichten
6: Membranbalg
7: Membrane
8: Anschlusselemente
8.1: Rohrstutzen
8.2: Flanschteil
h: Wellenhöhe
l: Wellenlänge
P: Pfeil
T: Einhärttiefe

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Balgs aus austenitischem Edelstahl mit erhöhter Druck- und Dauerfestigkeit, wobei eine ein- oder mehrlagige Hülse durch hydraulische Umformung zu einem Balg umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Balg nach der Umformung gereinigt wird und dass anschließend der Balg einer Umgebung, – aus einer Kohlenstoff- und/oder Stickstoff enthaltenden Inertgasatmosphäre oder – aus einer Kohlenstoff- und/oder Stickstoffverbindungen enthaltenden Salzschmelze aus Kalium- und/oder Natriumazetat bei Temperaturen zwischen 100°C und 400°C, vorzugsweise 200°C bis 320°C ausgesetzt wird, womit durch Eindiffundieren von Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatomen eine Härtung des Balgs erfolgt.
Verfahren nach der ersten Alternative des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff- und/oder Stickstoff enthaltene Inertgasatmosphäre eine Edelgasatmosphäre ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Balg ein bis sechs Tage, vorzugsweise drei bis sechs Tage der Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome enthaltenden Umgebung ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Balg einer Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenen Umgebung ausgesetzt wird, bis Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome auf eine Einhärttiefe von mindestens 5% der Wandstärke eingedrungen sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Balg der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Umgebung ausgesetzt wird, bis Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome auf eine Einhärttiefe von mindestens 10% der Wandstärke eingedrungen sind, jedoch bis auf nicht mehr als auf 50 μm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Balg einer Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Umgebung ausgesetzt wird, bis Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome auf eine Einhärttiefe von mindestens 25% der Wandstärke eingedrungen sind, jedoch bis auf nicht mehr als auf 100 μm.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlussenden des Balgs über eine endliche Länge, vorzugsweise über 20% bis 100% des Durchmessers der Anschlussenden nicht der Kohlenstoff- und/oder Stickstoff enthaltenden Umgebung ausgesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen des Balgs in die Kohlenstoff- und/oder Stickstoff enthaltende Umgebung an den Balg separate Anschlussstücke angeschweißt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächenschichten von mit in die Kohlenstoff- und/oder Stickstoff enthaltende Umgebung eingebrachten einstückigen Anschlussenden oder vorab angeschweißter Anschlussstücken chemisch oder mechanisch abgetragen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Balg in Form eines Membranbalges Balgmembranen miteinander verschweißt werden, bevor der Balg der Kohlenstoff- und/oder Stickstoff enthaltenden Umgebung ausgesetzt wird.
Balg aus austenitischem Edelstahl mit einer oder mehr Lagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht bis zu einer Einhärttiefe von mindestens 5% der Wandstärke durch die Einlagerung von Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatomen gehärtet ist.
Balg nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome in einer Einhärttiefe von mindestens 10% der Wandstärke, jedoch nicht mehr als 50 μm eingelagert sind.
Balg nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff und/oder Stickstoffatome in einer Einhärttiefe von mindestens 25% der Wandstärke, jedoch nicht mehr als 100 μm eingelagert sind.
Balg nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhärttiefe zumindest 80% der Wandungsstärke des Balgs beträgt.
Balg nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhärttiefe sich über die gesamte Wandstärke des Balgs erstreckt.
Balg nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt von eingelagerten Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatomen von der Außenseite der Wandung des Balgs zum Inneren der Wandung hin abnimmt.
Balg nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des Balgs über die Einhärttiefe mindestens 600 HV 0,01 (gemessen mittels Härteprüfung nach Vickers) beträgt.
Balg nach einem der Ansprüche 11 bis 17, gekennzeichnet durch eine gegenüber der Höhe der Balgwellen größere Länge der Balgwellen.
Balg nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke, gegebenenfalls jeder einzelnen Lage, weniger als 0,5 mm, vorzugsweise mehr als 0,25 mm beträgt.
Balg nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlussenden des Balgs und/oder angeschweißter Anschlussstücke über zumindest eine endliche Länge keine Kohlenstoff- und/oder Stickstoffeinlagerungen aufweisen.
Balg nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlussenden und/oder separat angeschweißter Anschlussstücke in ihrer Stärke reduziert sind, wie durch chemische oder mechanische Abtragung.