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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, ein Antriebselement einer Hochdruckpumpe sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Antriebselements einer Hochdruckpumpe.
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Hochdruckpumpen weisen für ihren Antrieb unterschiedliche Antriebselemente auf, die im Betrieb mit einer Reibungskraft beaufschlagt werden. Beispiele hierfür sind eine Nockenwelle, ein Nocken, eine Kolbenantriebsrolle oder der Kolben selbst.
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Solche Hochdruckpumpen werden zur Erzeugung von hohen Drücken in Kraftstoffen wie Diesel oder Benzin verwendet, um beispielsweise bei einer Common-Rail-Einspritzung den Kraftstoff im Rail mit einem möglichst hohen Druck bereitstellen zu können. Die bereitgestellten Drücke bewegen sich dabei im Bereich von 400 bar bis 2500 bar.
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Die Hochdruckpumpen sind zumeist als Kolbenpumpen ausgebildet, wobei der Kolben häufig von einer Nockenwelle angetrieben wird, die mechanisch mit der Motorwelle verbunden ist. Dabei bewegt entweder der Nocken den Kolben der Hochdruckpumpe direkt oder es ist zwischen Nocken und Kolben eine Rolle angeordnet, die Kolbenantriebsrolle, die die durch den Nocken ausgeübte Kraft auf den Kolben überträgt.
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In jedem Fall wird bei der Hochdruckpumpe eine Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung umgewandelt. Am Kontaktpunkt der Antriebselemente – Nocken und Kolben beziehungsweise Nocken und Rolle beziehungsweise Rolle und Kolben – wird daher auf die in Kontakt stehenden Antriebselemente eine Reibungskraft ausgeübt. Die Reibungskraft stellt eine mechanische Belastung dar, die zum Verschleiß der in Kontakt stehenden Elemente führt.
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Durch den Verschleiß werden Parameter wie beispielsweise die Hertz‘sche Pressung, die Adhäsion und der Schlupf beeinflusst, so dass zuvor definiert eingestellte Parameter sich über die Zeit verändern. Somit ist im Falle der Hochdruckpumpe auch der Wirkungsgrad nicht konstant, was sich negativ auf die Einspritzparameter im Rail auswirken kann.
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Es ist daher wünschenswert, die mechanischen Parameter der in Kontakt stehenden Elemente über einen möglichst langen Zeitraum weitgehend konstant zu halten.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Hochdruckpumpe vorzuschlagen, bei der die Änderung der mechanischen Parameter im Gebrauch minimiert ist.
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Diese Aufgabe wird mit einer Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Ein Antriebselement einer Hochdruckpumpe sowie ein Verfahren zur Herstellung des Antriebselements sind Gegenstand der Nebenansprüche.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Hochdruckpumpe weist ein Antriebselement auf, das einen Innenbereich und zumindest einen in einem Randbereich angeordneten Teilbereich aufweist, wobei in dem Innenbereich eine Bainit-Phase mit Carbid und in dem Teilbereich ausschließlich eine Martensit-Phase angeordnet ist, wobei die Bainit-Phase und die Martensit-Phase metallisch miteinander verbunden sind.
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Der Teilbereich ist dabei vorteilhaft ein Wirkbereich des Antriebselements der Hochdruckpumpe, der im Betrieb in Kontakt mit einem weiteren Antriebselement kommt und dabei Reibungskräften ausgesetzt ist.
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Ein Antriebselement einer Hochdruckpumpe weist einen Innenbereich und zumindest einen in einem Randbereich angeordneten Teilbereich auf, wobei in dem Innenbereich eine Bainit-Phase mit Carbid und in dem Teilbereich ausschließlich eine Martensit-Phase angeordnet ist, wobei die Bainit-Phase und die Martensit-Phase metallisch miteinander verbunden sind.
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So weist das Antriebselement in dem Teilbereich einerseits die vorteilhafte Härte der Martensit-Phase auf, hat andererseits aber eine höhere Zähigkeit als das sonst spröde Martensit, so dass sich bei Beaufschlagung mit Reibungskraft weniger Risse in dem Antriebselement ausbilden können. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass eine Änderung der mechanischen Parameter des Antriebselementes minimiert ist.
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Vorzugsweise ist der Teilbereich in einem Randbereich des Antriebselements angeordnet. Besonders bevorzugt befindet sich der Teilbereich in einem äußeren Umfangsbereich des Antriebselementes, insbesondere im Wirkbereich des Antriebselements. Denn mit Reibung beaufschlagte Antriebselemente werden zumeist in ihrem Randbereich beziehungsweise, wenn sie rotationssymmetrisch ausgebildet sind, in ihrem Umfangsbereich mit einer Reibungskraft beaufschlagt, so dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die Martensit-Phase mit den besonderen Eigenschaften in diesem Teilbereich angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist in einem Innenbereich des Antriebselementes eine Bainit-Phase angeordnet. Bainit kann vorteilhaft Belastungen wie beispielsweise Torsions- und/oder Biegekräfte aufgrund seiner im Vergleich zu Martensit größeren Zähigkeit vorteilhaft gut aufnehmen und abführen.
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Vorzugsweise ist zwischen der Bainit-Phase und der Martensit-Phase ein Übergangsbereich angeordnet, der ein gradierendes Gemisch aus Bainit und Martensit und Carbiden aufweist.
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Das Antriebselement ist insbesondere ein Exzenter, eine Antriebsrolle, ein Nocken, eine Nockenwelle und/oder ein Kolben einer Hochdruckpumpe.
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Das Antriebselement kann beispielsweise auch ein Ritzel oder ein Zahnrad sein.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Antriebselements einer Hochdruckpumpe weist die folgenden Schritte auf:
- a) Ausbilden des Antriebselements mit wenigsten einem mit Martensit gebildeten Teilbereich;
- b) Anlassen wenigstens des Teilbereiches des Antriebselements.
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Martensit entsteht während eines Umwandlungshärtens aus beispielsweise Stahl und weist eine deutlich größere Härte auf als das Ausgangsmaterial. Es bildet daher ein besonders gut geeignetes Material zur Herstellung von Bauelementen, die später mit Kräften jeglicher Art, beispielsweise Reibungskraft, beaufschlagt werden. Unter „Anlassen“ soll eine Wärmebehandlung des Teilbereichs verstanden werden, um dessen Eigenschaften gezielt zu beeinflussen.
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Bestand zuvor in dem mit Martensit gebildeten Teilbereich die Gefahr, dass sich bei Beanspruchung aufgrund der Druckeigenspannung in der Martensit-Phase Risse ausbilden können, wird dies durch das Anlassen des Teilbereichs und die damit einhergehende Entspannung nun verhindert.
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Bei dem gezielten Anlassen des Teilbereiches wird das Bilden einer großen Anzahl von Carbiden im Bereich von Nanometern um Martensit-Nadeln, die beispielsweise die Martensit-Kristalle bilden, erreicht. Die Carbide bilden sich durch kovalente Bindung der Atome und können sich daher beim Kontakt mit beispielsweise einer metallischen Stahloberfläche tribologisch anders verhalten als eine Martensit-Phase mit darin eingelagertem Kohlenstoff. Die feinen Carbide steigern die Härte des Teilbereiches des Antriebselementes, so dass Parameter wie beispielsweise die Adhäsion, die Hertz‘sche Pressung beziehungsweise der Schlupf an der Kontaktstelle über einen längeren Zeitraum annähernd konstant gehalten werden können.
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Vorteilhaft wird der Teilbereich beim Anlassen auf eine Temperatur von 190 °C bis 210 °C erwärmt. Besonders bevorzugt wird er dabei auf eine Temperatur von etwa 200 °C angelassen. In diesem Temperaturbereich werden vorteilhaft Spannungen in dem Martensitgitter in dem Teilbereich abgebaut.
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In vorteilhafter Ausgestaltung wird das Anlassen für einen Zeitraum von 2 min bis 20 min durchgeführt. Vorzugsweise wird dabei ein Zeitraum von 2 min bis 10 min gewählt. Besonders bevorzugt wird das Anlassen für 2 min bis 5 min durchgeführt. Der Zeitraum wird bevorzugt in Abhängigkeit der Anlass-Temperatur gewählt. Je höher die Temperatur, desto kürzer ist vorzugsweise der Zeitraum, in dem angelassen wird.
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Nach dem Anlassen wird der Teilbereich vorteilhaft an der Umgebung auf Raumtemperatur abkühlen gelassen.
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Besonders vorteilhaft wandelt sich in dem genannten Temperaturbereich in der Martensit-Phase verbliebenes Rest-Austenit, das die Ausgangsphase zum Bilden des Martensits bildet, in Martensit um. So verbleibt vorteilhaft kein Rest-Austenit in der Martensit-Phase. Gleichzeitig ist die genannte Zeitspanne besonders bevorzugt, um es dem im Kristallgitter eingelagerten Kohlenstoff zu ermöglichen, aus dem Martensit-Gitter herauszuwandern und sich vorteilhaft um die Martensitnadeln in dem Martensitgitter anzuordnen.
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Besonders bevorzugt wird als Teilbereich ein Randbereich des Antriebselements gewählt. Hier wird insbesondere ein äußerer Umfangsbereich des Antriebselements gewählt. Das Antriebselement wird im Gebrauch vorwiegend im Randbereich, wenn es rotationssymmetrisch ausgebildet ist im Umfangsbereich, mit einer Reibungskraft beaufschlagt. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn als der Teilbereich, in dem die optimierte Martensit-Phase gebildet wird, gerade der Randbereich gewählt wird, der später in Gebrauch mit einer Reibungskraft beaufschlagt werden soll, d.h. ein Wirkbereich des Antriebselements.
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Vorzugsweise erfolgt das Anlassen durch eine induktive Erwärmung. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch eine Laserbestrahlung zum Anlassen gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Bestrahlung mit Elektronen zum Erwärmen des wenigstens einen Teilbereiches auf die Anlasstemperatur möglich.
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Mit dem genannten Verfahren kann vorteilhaft gezielt der Teilbereich erwärmt werden, da bei Abschaltung der Wärmequelle vorzugsweise ein weiterer Eintrag von Energie sofort unterbunden wird.
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Insbesondere bei dem Weg der induktiven Erwärmung wird die Wechselstromfrequenz in der Spule, die zum Induzieren von Wirbelströmen in dem Teilbereich verwendet wird, vorzugsweise so hoch gewählt, dass die Eindringtiefe auf den Randbereich des Antriebselementes begrenzt ist. Somit wird vorteilhaft lediglich der Randbereich, beispielsweise der Umfangsbereich des Antriebselementes, behandelt.
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Es ist vorteilhaft, wenn beim Herstellen des Antriebselementes, das wenigstens einen mit Martensit gebildeten Teilbereich aufweist, die folgenden Schritte durchgeführt werden:
- a1) Formen eines aus Bainit gebildeten Basis-Bauelements;
- a2) Erhitzen zumindest eines Teilbereiches des Basis-Bauelements, bis sich eine Austenit-Phase bildet;
- a3) schnelles Abkühlen wenigstens des Teilbereichs auf eine Temperatur unterhalb einer Martensit-Bildungstemperatur.
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Das Abkühlen erfolgt dabei so schnell, dass sich in dem Randbereich kein Bainit ausbildet. Vorzugsweise erfolgt das Abkühlen so schnell, dass der wenigstens eine Teilbereich auch frei von anderen Phasen ist. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Teilbereich innerhalb von weniger als 6 sec von 800 °C auf 500 °C abgekühlt wird. Insgesamt wird das Antriebselement vorteilhaft bis auf Raumtemperatur herabgekühlt.
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Das Erhitzen des Teilbereiches bis zur Austenit-Phase kann vorteilhaft mittels induktiver Erwärmung, mittels Elektronenbestrahlung oder mittels Laserstrahlung erfolgen.
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Bainit ist ein vorteilhaft hartes Material, das jedoch nicht die Härte von Martensit aufweist. Dagegen ist Bainit zäher und kann daher bei Anwendungen bei denen Biegungs- und/oder Torsionskräfte auftreten, diese Kräfte vorteilhaft auffangen, wozu Martensit weniger gut geeignet ist.
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Ein besonders bevorzugtes Antriebselement kann daher hergestellt werden, indem das Antriebselement in seiner Basis aus Bainit gebildet ist und somit Torsions-/Biegungskräfte vorteilhaft gut auffangen kann. Um jedoch einen vorteilhaften Bereich ausbilden zu können, in dem das Antriebselement auch eine hohe Widerstandskraft gegen Reibungskräfte aufweist, wird zumindest der Teilbereich, der später mit den Reibungskräften beaufschlagt werden soll, soweit erhitzt, dass sich die Austenit-Phase bildet. Wird diese Austenit-Phase dann vorteilhaft schnell abgekühlt, dass heißt so schnell, dass die Temperatur-Zeit-Kurve den Bereich, in dem sich Bainit bildet, vorzugsweise nicht durchläuft, bildet sich in dem Teilbereich vorteilhaft die Martensit-Phase aus.
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Somit ist dann ein vorteilhaftes Antriebselement erzeugt worden, das in der Basis vorzugsweise zähes Bainit aufweist und in vorbestimmten Teilbereichen vorteilhaft hartes Martensit aufweist.
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Denn in dem bainitischen Gefüge liegen bei hohen Kohlenstoffgehalten neben dem Bainit harte Primärcarbide vor. Bei der Kontakt-Ermüdungsbeanspruchung können von diesen Carbiden Bruchrisse ausgehen. Dadurch würde die Funktion des Antriebselementes negativ beeinflusst. Daher wird durch die Umwandlung eines Teilbereiches von Bainit in Martensit vorteilhaft erreicht, dass diese primären Carbide im Gefüge nicht mehr vorliegen und ihre härtesteigernde Wirkung von einem anderen Gefüge übernommen wird. Beispielsweise wird gezielt die äußere Randschicht des Antriebselementes auf eine hohe Temperatur erhitzt, so dass die Austenit-Phase entsteht, in der sich die Primärcarbide vorzugsweise vollständig auflösen. Danach folgt das schnelle Abkühlen des Antriebselementes so, dass sich in der Randschicht vorteilhaft das härteste Gefüge Martensit bildet und die inneren Bereiche vorzugsweise bainitisch erhalten bleiben.
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Vorzugsweise wird Schritt S4) beim Anlassen des Teilbereiches des Antriebselementes, in dem die Martensit-Phase gebildet ist, unmittelbar nach Schritt S3), das heißt dem schnellen Abkühlen des Teilbereichs auf die Martensit-Bildungstemperatur, durchgeführt. Vorteilhaft ist dabei, wenn zwischen den beiden Schritten ein Zeitabstand von maximal einer Stunde liegt. Besonders bevorzugt schließt sich das Anlassen jedoch direkt an das Abkühlen an.
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Somit kann vorteilhaft verhindert werden, dass sich Rest-Austenit, das sich eventuell noch im Teilbereich mit der Martensit-Phase befindet, stabilisiert, so dass durch das Anlassen das Rest-Austenit vollständig in Martensit umgewandelt werden kann.
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Zum Formen des Basis-Bauelementes auf Basis von Bainit wird vorteilhaft ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von ≥ 0,5 Gew.-%, insbesondere ≥ 0,7 Gew.-%, mehr insbesondere ≥ 0,8 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 Gew.-% verwendet und in die Form des herzustellenden Antriebselements gebracht. Beispielsweise wird Wälzlagerstahl 100Cr6 verwendet, auch bekannt als Stahl 1.3505.
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Vorzugsweise wird nach dem In-Form-bringen das aus Stahl gebildete Basis-Bauelement vollständig erhitzt, insbesondere auf eine Temperatur, in der die Austenit-Phase vorliegt, und dann langsam auf die Bainit-Bildungstemperatur abkühlt. Das bedeutet, die Temperatur-Zeit-Kurve verläuft vorteilhaft durch den Bereich zwischen 800 °C und 500 °C innerhalb weniger als 6 sec.
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Somit wird aus einem Basis-Bauelement aus Stahl mit einem hohen Kohlenstoffgehalt durch gezielte Wärmebehandlung vorteilhaft das bainitische Gefüge erzeugt. Gezielte Wärmebehandlung bedeutet dabei, dass das Basis-Bauelement aus Stahl für einen Zeitraum von mehreren Stunden auf einer Temperatur von 180 °C bis 240 °C gehalten wird. Insbesondere wird dabei ein Temperaturbereich von 190 °C bis 230 °C, besonders vorteilhaft 200 °C bis 220 °C gewählt.
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Nach einer solchen Behandlung ist das Basis-Bauelement vorzugsweise vollständig aus dem bainitischen Gefüge gebildet.
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In dem gesamten Herstellungsverfahren hat das Basis-Bauelement vorzugsweise von Anfang an, das heißt von dem Zeitpunkt an, da der Stahl mit dem hohem Kohlenstoffgehalt bereitgestellt wird, seine dem Antriebselement entsprechende Form. Es erfolgen in dem Herstellungsverfahren nach dem Formen des Stahls nur noch vorteilhafte Phasenumwandlungen, um so die Materialqualität vorzugsweise zu verbessern.
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Durch Herstellung eines Basis-Bauelementes mit einem bainitischen Gefüge, nachfolgendes Herstellen einer Martensit-Phase und zuletzt Anlassen der Martensit-Phase zum Entspannen bildet sich insbesondere in dem Bereich des Antriebselementes, der später im Gebrauch mit einer Reibungskraft beaufschlagt werden soll, ein vorteilhafter gradierter Materialverlauf von Martensit zu Bainit hin. Somit können einerseits Reibungskräfte im Bereich der Martensit-Phase vorteilhaft gut aufgenommen werden und andererseits Torsions- und/oder Biegekräfte durch die bainitische Phase im Inneren vorzugsweise gut abgeleitet werden.
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Als Antriebselement werden mit dem genannten Verfahren vorteilhaft ein Kolben, eine Kolbenantriebsrolle, ein Exzenter, ein Nocken, oder eine Nockenwelle hergestellt.
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Es können damit aber auch Zahnräder oder Ritzel hergestellt werden.
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Durch das Verfahren wird vorteilhaft ein gradientenabgestuftes Gefüge hergestellt. Das bedeutet, es wird mittels gezielter Wärmebehandlung ein Gradientenwerkstoff hergestellt, wobei oberflächennahe Bereiche vorzugsweise aus angelassenem Martensit ohne primäre, aus der Schmelze sich bildende Primärcarbide aufgebaut sind. Der Martensit wird mit zunehmender Tiefe vorteilhaft vom Bainit abgelöst. Das Gefüge ist im oberflächennahen Bereich vorzugsweise frei von carbidischen Einschlüssen und daher besonders gut geeignet, um Parameter wie die Hertz‘sche Pressung, die Adhäsion und den Schlupf bevorzugt konstant zu halten.
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Sämtliche in Bezug auf die Vorrichtungen beschriebenen Merkmale sind auch auf das Verfahren anwendbar und umgekehrt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 einen schematischen Längsschnitt in Explosionsdarstellung durch einen Antriebsbereich einer Hochdruckpumpe mit entsprechenden Antrienselementen;
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2 ein Ablaufdiagramm mit Schritten zur Darstellung eines Herstellungsverfahrens eines Antriebselements gemäß 1;
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3 einen kreisförmigen Ausschnitt aus einem der Antriebselementen gemäß 1, der repräsentativ ist für alle in 1 gezeigten Antriebselemente, als Basis-Bauelement aus Stahl;
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4 das Basis-Bauelement aus 3 nach Umwandlung zu einem bainitischen Gefüge;
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5 das Basis-Bauelement aus 4 mit einer im Randbereich gebildeten Martensit-Phase;
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6 ein Temperatur-Zeitdiagramm, das die Umwandlungskurven zum Erzeugen von Martensit beziehungsweise Bainit darstellt;
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7 eine Zeit-Temperatur-Folge bei einem isothermischen Bainitisieren;
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8 eine Anfangs- und Endtemperatur einer Martensitbildung in abhängigkait vom Kohlenstoffgehalt unlegierter Stähle;
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9 das Basis-Bauelement aus 5 als fertiges Antriebselement nach Anlassen der Martensit-Phase im Randbereich;
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10 das Antriebselement aus 7, wobei der Material-Gradientenverlauf noch deutlicher dargestellt ist.
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1 zeigt einen Längsschnitt in Explosionsdarstellung durch einen Antriebsbereich 10 einer Hochdruckpumpe 26. Die Hochdruckpumpe weist Antriebselemente 24 auf, die im Gebrauch mit einer Reibungskraft beaufschlagt sind, beispielsweise eine Nockenwelle 12 mit einem Nocken 14 als Exzenter 16. In jeweils einem Teilbereich 18 der Antriebselemente 24, in 1 schraffiert dargestellt, kommt z.B. der Nocken 14 mit einem anderen, durch den Nocken 14 anzutreibenden Element in Kontakt, so dass in dem Teilbereich 18 eine Reibungskraft auf den Nocken 14 wirkt.
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Das Antriebselement 24 kann auch beispielsweise ein in der Hochdruckpumpe 26 gelagerter Kolben 28 beziehungsweise eine zwischen Nockenwelle 12 und Kolben 28 zwischengelagerte Kolbenantriebsrolle 30 sein.
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Die während der Kraftübertragung besonders beanspruchten Teilbereiche 18 sind auch hier schraffiert gekennzeichnet.
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Sämtliche in 1 dargestellten Antriebselemente 24 sollten in den schraffiert gekennzeichneten Teilbereichen 18 eine besondere Widerstandskraft gegen Reibungskräfte aufweisen, andererseits jedoch auch die Fähigkeit haben, Torsions- beziehungsweise Biegekräfte aufzunehmen und abzufedern.
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Daher ist es vorteilhaft, wenn die in 1 gezeigten Elemente in den Teilbereichen 18, in denen sie Reibungskräften ausgesetzt sind, einen anderen Material-Aufbau aufweisen als in einem Basisbereich 32.
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Daher ist in 2 ein Verfahren dargestellt, mit dem die in 1 gezeigten Antriebselemente 24 für eine Hochdruckpumpe 26 hergestellt werden können.
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3 bis 8 stellen jeweils einen Aufbau zur Realisierung der Verfahrensschritte dar.
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Bei dem Verfahren wird aus einem aus Stahl 34 gebildeten Basis-Bauelement 36 ein Antriebselement 24 erzeugt, das in einem Teilbereich 18 andere Eigenschaften aufweist als in einem Basisbereich 32.
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In 3 ist ein kreisförmiger Ausschnitt aus einem der in 1 gezeigten Antriebselemente 24 dargestellt, der repräsentativ für alle in 1 gezeigten Antriebselemente 24 ist. In dem Ausschnitt ist das Antriebselement 24 aus einem Stahl 34 gebildet, der einen hohen Anteil an Kohlenstoff aufweist. Beispielsweise wird hier ein Wälzlagerstahl 40 verwendet.
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In 3 ist schematisch dargestellt, wie in dem Ausschnitt der Stahl 34 entsprechend einem Schritt S1 vollständig zu einem bainitischen Gefüge 42 umgewandelt wird. Dazu wird der Stahl 34, beispielsweise über eine Widerstandsheizung 44, für einen Zeitraum von mehreren Stunden bei einer Temperatur von etwa 200 °C bis 220 °C bainitisiert.
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Der kohlenstoffhaltige Stahl 34 wandelt sich dabei zu dem in 4 gezeigten Bainit 46 um. Das Wärmebehandeln des Basis-Bauelementes 36 erfolgt derart, dass sich Bainit 46 im gesamten Basis-Bauelement 36 bildet, und zwar durch Abkühlen des Basis-Bauelementes 36 als Ganzes. Dabei wird, wie in 4 gezeigt, n einem zweiten Schritt S2 lediglich ein Teilbereich 18 des Basis-Bauelements 36, nämlich der Randbereich 48 am Umfangsbereich 50 lokal erhitzt, bis in dem Teilbereich 18 eine Temperatur erreicht ist, bei der eine Austenit-Phase 52 vorliegt. Der Teilbereich 18 entspricht einem späteren Wirkbereich 53 des Antriebselementes 24.
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Das Erhitzen des Teilbereiches 18 kann einerseits durch induktive Erwärmung über eine Induktionsspule 54, aber auch durch Bestrahlung mit Laserstrahlen 55 aus einem Laser 56 beziehungsweise mit Elektronen 58 aus einer Elektronenquelle 59 erfolgen.
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Nach Erhitzen auf eine Temperatur, die einer in 6 gezeigten Austenit-Phase 52 entspricht, wird der Teilbereich 18 in einem Schritt S3 so schnell abgekühlt, dass sich Martensit 60 ausbilden kann. Der Ausschnitt des Antriebselements 24 weist danach, wie in 5 gezeigt, einen Teilbereich 18 aus Martensit 60 auf.
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In 6 ist das Temperatur-Zeit-Diagramm zur Bildung von Martensit 60 und Bainit 46 gezeigt. Auf der vertikalen Achse ist dabei die Temperatur T in °C aufgetragen, auf der horizontalen Achse die Zeit t. Die Kurven 1 und 2 zeigen Abkühlungskurven einer Austenit-Phase. Herrscht eine Temperatur oberhalb von 800 °C vor, liegt die Austenit-Phase vor. Die Temperaturgrenze zur Austenit-Phase ist mit A gekennzeichnet. Soll nun ein bainitisches Gefüge 42 erzeugt werden, wird die Austenit-Phase so schnell auf Bainitisiertemperatur abgekühlt, dass die Abkühlungskurve 2 keine anderen Phasenbereiche – beispielsweise eine Perlit-Phase 45 oder eine Bainit-Phase 64 durchläuft. Dann erfolgt ein mehrstündiges Halten des Basis-Bauelements 36 bei der Bainitisiertemperatur. Es bildet sich das bainitische Gefüge 42.
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Erfolgt die Abkühlung eben so schnell, durchläuft die Abkühlungskurve 1 den Austenit-Bereich bis unter die Martensit-Bildungstemperatur MStart.
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Dem in 6 gezeigten Diagramm folgend, wird demgemäß der Teilbereich 18 so schnell abgekühlt, dass die Abkühlungskurve die Bainit-Phase 64 nicht durchläuft. Somit bildet sich das in 5 am Umfangsbereich 50 dargestellte Martensit 60 aus. Martensit 60 ist durch ein Kristallgitter gebildet, in dem Kohlenstoff eingelagert ist. Dadurch ergeben sich Verspannungen im Kristallgitter. Die in 6 eingezeichnete Linie der Martensit-Bildungstemperatur MStart für die Abkühlungskurve 1 ist typisch für die Austenitisierungstemperatur von etwa 860 °C. Wird die Austenitisierungstemperatur wesentlich erhöht, lösen sich mehr bis alle Primärcarbide in der Austenitmatrix. Der Kohlenstoffgehalt im Austenit wird dadurch erhöht. Die Folge ist das Absenken der Martensit-Bildungstemperatur MStart auf die Martensit-Bildungstemperatur MStart für die Abkühlungskurve 2.
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Dies ist auch in 8 gezeigt.
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7 zeigt eine Zeit-Temperatur-Folge bei einem isothermischen Bainitisieren. Dabei ist eine Umwandlung beispielhaft für Stahl 100Cr6 über die Zeit dargestellt.
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Da das Erhitzen in Schritt S2 nur im Umfangsbereich 50 erfolgt, bildet sich auch nur hier Martensit 60 aus, während in einem Innenbereich 62 weiterhin eine Bainit-Phase 64 angeordnet ist.
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Um die im Randbereich 48 angeordnete Martensit-Phase 66 zu entspannen, wird der Randbereich 48 in Schritt S4 angelassen, beispielsweise wieder durch Verwendung einer Induktionsspule 54, eines Lasers 56 oder durch Beaufschlagung mit Elektronen 58 oder in einem Glühofen. Das Anlassen erfolgt dabei vorzugsweise in einem Zeitraum zwischen 2 min und 30 min bei einer Temperatur zwischen 190 °C und 210 °C. Durch das Anlassen werden nicht nur die Verspannungen im Kristallgitter des Martensits 60 abgebaut, zusätzlich wird auch restliches Austenit 68 abgebaut beziehungsweise in den Martensit 60 umgewandelt. Damit Rest-Austenit 68 abgebaut werden kann, wird der Schritt des Anlassens vorteilhaft weniger als eine Stunde nach der Erzeugung der Martensit-Phase 66 durchgeführt.
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In 9 ist das so hergestellte Antriebselement 24 dargestellt, das im Innenbereich 62 ein bainitisches Gefüge 42 aufweist, während im Umfangsbereich 50 eine Martensit-Phase 66 mit Martensit-Kristallen 70 und Carbiden 72 angeordnet ist, die die Martensit-Kristalle 70 umgeben.
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10 zeigt eine detailliertere Darstellung des Antriebselementes 24 aus 9. Im Randbereich 48 – verdeutlicht durch eine gestrichelte Abtrennung – befindet sich die reine Martensit-Phase 66 mit Martensit-Kristallen 70 und Carbiden 72. Nach innen hin folgt ein Übergangsbereich 74, in dem die Martensit-Kristalle 70, die Carbide 72 sowie Bainit 46 gemeinsam vorliegen. Dabei weist dieser Bereich einen Gradienten in der Materialverteilung auf, das bedeutet von außen nach innen wird der Gewichtsanteil an Martensit 66 geringer, während der Gewichtsanteil an Bainit 46 steigt. Im Innenbereich 62, ebenfalls abgetrennt durch eine gestrichelte Linie, liegt dann die reine Bainit-Phase 64 vor.
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Ein Antriebselement 24, das einen solchen Gradientenwerkstoff aufweist, ist im Randbereich 48 hart ausgebildet und kann Reibbelastungen gut widerstehen, während es gleichzeitig im Inneren zähe Eigenschaften hat und somit Torsions- und/oder Biegebelastungen gut aufnehmen kann.
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Ein solches Antriebselement 24 ist gut geeignet zur Anwendung in den genannten Hochdruckpumpen 26, die zum Beaufschlagen von Kraftstoff mit hohem Druck für Common-Rail-Anwendungen verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antriebsbereich
- 12
- Nockenwelle
- 14
- Nocken
- 16
- Exzenter
- 18
- Teilbereich
- 24
- Antriebselement
- 26
- Hochdruckpumpe
- 28
- Kolben
- 30
- Kolbenantriebsrolle
- 32
- Basisbereich
- 34
- Stahl
- 36
- Basis-Bauelement
- 40
- Wälzlagerstahl
- 42
- bainitisches Gefüge
- 44
- Widerstandsheizung
- 45
- Perlit-Phase
- 46
- Bainit
- 48
- Randbereich
- 50
- Umfangsbereich
- 52
- Austenit-Phase
- 53
- Wirkbereich
- 54
- Induktionsspule
- 55
- Laserstrahl
- 56
- Laser
- 58
- Elektronen
- 59
- Elektronenquelle
- 60
- Martensit
- 62
- Innenbereich
- 64
- Bainit-Phase
- 66
- Martensit-Phase
- 68
- Austenit
- 70
- Martensit-Kristall
- 72
- Carbid
- 74
- Übergangsbereich
- A
- Austenit-Phase
- MStart
- Martensit-Bildungstemperatur
- S1
- Bilden Bainit im Stahl
- S2
- Erhitzen des Teibereiches
- S3
- Bilden von Martensit durch schnelles Abkühlen
- S4
- Anlassen
