DE102019203463A1 - Verfahren zum Herstellen eines innendruckbeaufschlagten Bauteils - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines innendruckbeaufschlagten Bauteils (1) aus einem Stahlmaterial, das vor einem Galvanisiervorgang gebeizt wird.Um die Festigkeit des innendruckbeaufschlagten Bauteils (1) aus dem Stahlmaterial zu verbessern, wird das Stahlmaterial mit einem chemischen Element modifiziert, um die Größe von beim Beizen des Stahlmaterials entstehenden Beiznarben zu reduzieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines innendruckbeaufschlagten Bauteils aus einem Stahlmaterial, das vor einem Galvanisiervorgang gebeizt wird.
  • Stand der Technik
  • Aus der deutschen Patentschrift DE 242 658 C ist ein Verfahren zur Herstellung eines gut warmverformbaren Automatenstahls bekannt, wobei ein Stahl mit einer Grundzusammensetzung aus maximal ein Prozent Kohlenstoff, 0,6 bis 1,65 Prozent Mangan sowie Schwefel, Tellur, Selen und Silizium, Rest mindestens neunzig Prozent Eisen, erschmolzen wird, wobei der Gehalt an Tellur und/oder Selen auf 0,02 bis 0,10 Prozent Tellur und/oder Selen begrenzt wird, wobei der Schwefelgehalt derart gesteuert wird, dass er den Gehalt an Tellur und/oder Selen gewichtsmäßig nicht übersteigt, wobei jedoch die Zahl der Schwefelatome höher bemessen wird, als die der Selen- und Telluratome, und wobei der Siliziumgehalt auf höchstens 0,05 Prozent begrenzt wird. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 2 152 013 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von nichtlegierten, mittel- oder hochgekohlten Stählen oder legierten Stählen bekannt, die Tellur enthalten, wobei in die Stahlschmelze enthaltend die anderen Legierungskomponenten und Begleitelemente Tellur und seltene Erdmetalle eingebracht wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Festigkeit eines innendruckbeaufschlagten Bauteils aus einem Stahlmaterial, das vor einem Galvanisiervorgang gebeizt wird, zu verbessern.
  • Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Herstellen eines innendruckbeaufschlagten Bauteils aus einem Stahlmaterial, das vor einem Galvanisiervorgang gebeizt wird, dadurch gelöst, dass das Stahlmaterial mit einem chemischen Element modifiziert wird, um die Größe von beim Beizen des Stahlmaterials entstehenden Beiznarben zu reduzieren. Beim Beizen des Stahlmaterials entstehende Beiznarben sind an sich unerwünscht, aber oft unvermeidbar. Durch das beanspruchte Verfahren kann die Größe der beim Beizen des Stahlmaterials entstehenden Beiznarben wirksam reduziert werden.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das innendruckbeaufschlagte Bauteil ein spanend bearbeitetes Bauteil ist. Durch die spanende Bearbeitung können spezielle Geometriemerkmale, zum Beispiel Bohrungen, mit einer hohen Präzision an beziehungsweise in dem innendruckbeaufschlagten Bauteil realisiert werden. Bei dem Galvanisiervorgang wird das spanend bearbeitete Bauteil zum Beispiel mit einer Zink-Nickel-Beschichtung versehen. Das Beizen vor dem Galvanisiervorgang dient vorteilhaft dazu, das spanend bearbeitete Bauteil zu reinigen und die Oberfläche des spanend bearbeiteten Bauteils für den Galvanisiervorgang zu aktivieren. Durch das Reduzieren der Beizempfindlichkeit des Stahlmaterials kann die Schwingfestigkeit des spanend bearbeiteten Bauteils wirksam erhöht werden. Bei dem Bauteil handelt es sich zum Beispiel um ein Schmiedeteil. Bei dem Stahlmaterial handelt es sich zum Beispiel um ein ferritisch-perlitisches Stahlmaterial, um einen Vergütungsstahl oder um einen Einsatzstahl.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Element Tellur ist. Tellur ist ein chemisches Element aus der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems. Die Verwendung von Tellur, insbesondere die Tellurmodifikation, in Stahl ist an sich bekannt, allerdings nur oder hauptsächlich dazu, um die Zerspanbarkeit des Stahls zu verbessern und/oder die Verteilung von Mangansulfiden in dem Stahl zu homogenisieren. Im Gegensatz dazu wird Tellur in dem beanspruchten Verfahren verwendet, um das ferritisch-perlitische Stahlmaterial unempfindlich beim Beizen zu machen und die Schwingfestigkeit des Bauteils zu verbessern.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Element Selen oder Cer ist. Selen hat im MnS eine größere Löslichkeit als Tellur.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt von nichtmetallischen Einschlüssen in dem ferritisch-perlitischen Stahlmaterial durch die Modifikation mit dem chemischen Element in einem Umformprozess verändert wird, um die Beizempfindlichkeit zu reduzieren.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass durch Tellur modifizierte Mangansulfide in einem Warmwalzprozess in kleinere Abschnitte zerteilt werden. Dadurch können die an sich unerwünschten Beiznarben deutlich verkleinert werden, was sich positiv auf die Dauerschwingfestigkeit des insbesondere spanend bearbeiteten Bauteils auswirkt.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Stahlmaterial zwanzig bis hundert ppm Tellur zugegeben werden. Die Buchstaben ppm stehen für die englischen Begriffe parts per million.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Stahlmaterial 0,01- 0,06% Schwefel zugegeben werden. Mit diesen Schwefelzugaben wurden, insbesondere in Kombination mit den vorab beanspruchten Tellurzugaben, bei der Herstellung von insbesondere spanend bearbeiteten Bauteilen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hervorragende Ergebnisse erzielt.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Kraftstoffhochdruckspeicher mit Bohrungsverschneidungen ist. Der Kraftstoffhochdruckspeicher wird auch als Rail bezeichnet. Das Rail umfasst zum Beispiel eine Längsbohrung, von der mehrere Querbohrungen ausgehen. Die Bohrungsverschneidungen zwischen der Längsbohrung und den Querbohrungen sind im Hinblick auf die an sich unerwünschten Beiznarben besonders empfindlich.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Bauteil, insbesondere Schmiedeteil, aus einem Stahlmaterial, das gemäß einem vorab beschriebenen Verfahren mit einem chemischen Element modifiziert ist, um die Beizempfindlichkeit des Stahlmaterials zu reduzieren.
  • Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Stahlmaterial zum Herstellen eines vorab beschriebenen Bauteils.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
  • Figurenliste
  • Es zeigen:
    • 1 einen als Schmiedeteil ausgeführten Kraftstoffhochdruckspeicher mit Bohrungsverschneidungen im Längsschnitt;
    • 2 ein kartesisches Koordinatendiagramm mit zwei Wöhlerkurven; die
    • 3 bis 5 schematische Darstellungen einer bearbeiteten Oberfläche eines Schmiedeteils vor, während und nach einem Beizen; und die
    • 6 bis 8 ähnliche Darstellungen wie in den 3 bis 5, wobei das Schmiedeteil aus einem ferritisch-perlitischen Stahlmaterial gebildet ist, das mit einem chemischen Element, insbesondere Tellur, modifiziert wurde, um die Beizempfindlichkeit des Stahlmaterials zu reduzieren.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist ein Schmiedeteil 1 aus einem ferritisch-perlitischen Stahlmaterial im Längsschnitt dargestellt. Bei dem Schmiedeteil 1 handelt es sich um einen Kraftstoffhochdruckspeicher 2 eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Kraftfahrzeugs. Der Kraftstoffhochdruckspeicher 2 wird auch als Rail bezeichnet.
  • Das Rail 2 umfasst einen Gehäusekörper 3 mit einer Längsbohrung 4. Von der Längsbohrung 4 gehen Querbohrungen 5 bis 7 aus. An den Übergangsstellen zwischen der Längsbohrung 4 und den Querbohrungen 5 bis 7 ergeben sich Bohrungsverschneidungen 8 bis 10, die sich bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen bezüglich der Dauerschwingfestigkeit als kritisch erwiesen haben.
  • Der Kraftstoffhochdruckspeicher 2 ist im Betrieb in einem Kraftstoffeinspritzsystem innen im Bereich der Längsbohrung 4 und der Querbohrungen 5 bis 7 mit Kraftstoff gefüllt, der mit Hochdruck beaufschlagt ist. Um die hohen Anforderungen im Betrieb des Kraftstoffeinspritzsystems zu erfüllen, wird das Schmiedeteil 1 nach der spanenden Erzeugung der Bohrungen 4 bis 7 in einem Galvanisiervorgang beschichtet. Beim Galvanisieren wird vorteilhaft eine Zink-Nickel-Beschichtung auf das spanend bearbeitete Schmiedeteil 1 aufgebracht.
  • Vor dem Galvanisieren wird die zu beschichtende Oberfläche des Schmiedeteils 1 gebeizt, um die zu beschichtende Oberfläche zu reinigen und zu aktivieren. Das Beizen wird mit einer Säure durchgeführt, zum Beispiel mit Salzsäure. Beim Beizen gelangt auch Säure im Inneren des Gehäusekörpers 3 zu den Bohrungsverschneidungen 8 bis 10.
  • In 2 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer x-Achse 21 und einer y-Achse 22 dargestellt. Auf der x-Achse ist eine Anzahl von Lastwechseln aufgetragen, die in einem Dauerschwingversuch oder Wöhlerversuch an einem Schmiedeteil, wie es in 1 dargestellt ist, durchgeführt werden. Auf der y-Achse 22 ist ein Innendruck eines >Hydraulikmediums in einer geeigneten Druckeinheit aufgetragen.
  • Mit 24 ist in 2 eine Wöhlerkurve eines Schmiedeteils aufgetragen, das nicht gebeizt wurde. Mit 25 ist in 2 eine Wöhlerkurve eines gebeizten Schmiedeteils bezeichnet. Durch einen Pfeil 26 ist angedeutet, dass die Dauerschwingfestigkeit des Schmiedeteils durch das Beizen herabgesetzt wird. Durch ein Rechteck 23 ist in 2 eine Belastung im Betrieb des Schmiedeteils angedeutet.
  • In den 3 bis 5 und 6 bis 8 ist schematisch die Entstehung von Beiznarben beim Beizen, insbesondere im Bereich von Bohrungsverschneidungen (8 bis 10 in 1) veranschaulicht.
  • Die 3 und 6 zeigen eine bearbeitete Oberfläche 30; 40 eines ferritisch-perlitischen Stahlmaterials 18; 28 vor einem Beizen. In den 4 und 7 ist durch Pfeile 29; 49 ein Beizen der bearbeiteten Oberfläche 30; 40 angedeutet. In den 5 und 8 ist die Größe einer beim Beizen entstehenden Beiznarbe 39; 50 durch Doppelpfeile 37, 38; 53, 54 veranschaulicht.
  • Bei dem in den 3 bis 5 dargestellten Stehlmaterial 18 handelt es sich um ein ferritisch-perlitisches Stahlmaterial 18, wobei Ferrit und Perlit durch unterschiedliche Schraffuren 31, 32 angedeutet sind. Das ferritisch-perlitische Stahlmaterial umfasst einen nichtmetallischen Einschluss 33 in Form von Mangansulfid 34.
  • Bei dem in 4 durch die Pfeile 29 angedeuteten Beizvorgang kommt die bearbeitete Oberfläche 30 mit Säure, zum Beispiel mit Salzsäure, in Kontakt. In 5 ist angedeutet, dass aus dem beim Beizen 29 gelösten Mangansulfid 35 und dem gelösten Ferrit 36 eine relativ große Beiznarbe 39 entsteht. Die große Beiznarbe 39 ist verantwortlich für die lokale Spannungskonzentration und für die reduzierte Dauerschwingfestigkeit (25 in 2) des gebeizten und beschichteten Schmiedeteils.
  • In den 6 bis 8 ist Ferrit mit 41 und Perlit mit 42 bezeichnet. Bei dem in 6 verwendeten ferritisch-perlitischen Stahlmaterial 28 wird durch Tellurmodifikation erreicht, dass die nichtmetallischen Einschlüsse 46 bis 48 in Form von Mangansulfid 43 bis 45 beim Warmwalzen des Tellur modifizierten Stahlmaterials 28 in mehrere kleinere Abschnitte unterteilt wurden.
  • In 7 ist angedeutet, dass beim Beizen 49 nur der nichtmetallische Einschluss 46 die Entstehung einer relativ kleinen Beiznarbe 50 durch gelöstes Mangansulfid 51 und gelöstes Ferrit 52 in 8 verursacht. Dadurch wird die lokale Spannungskonzentration reduziert und die Dauerschwingfestigkeit des gebeizten Schmiedeteils kann wirksam erhöht werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 242658 C [0002]
    • DE 2152013 A1 [0002]

Claims (14)

  1. Verfahren zum Herstellen eines innendruckbeaufschlagten Bauteils (1) aus einem Stahlmaterial (28), das vor einem Galvanisiervorgang gebeizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial (28) mit einem chemischen Element modifiziert wird, um die Größe von beim Beizen des Stahlmaterials (28) entstehenden Beiznarben (50) zu reduzieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innendruckbeaufschlagte Bauteil (1) ein spanend bearbeitetes Bauteil ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial (28) ein ferritisch-perlitisches Stahlmaterial (28) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial (28) ein Vergütungsstahl ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial (28) ein Einsatzstahl ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Element Tellur ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Element Selen ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Element Cer ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt von nichtmetallischen Einschlüssen (46-48) in dem Stahlmaterial (28) durch die Modifikation mit dem chemischen Element in einem Umformprozess verändert wird, um die Beizempfindlichkeit (50) zu reduzieren.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stahlmaterial (28) 20 bis 100 ppm Tellur zugegeben werden.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stahlmaterial (28) 0,01 - 0,06% Schwefel zugegeben werden.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) ein Kraftstoffhochdruckspeicher (2) mit Bohrungsverschneidungen (8-10) ist.
  13. Bauteil (1) aus einem Stahlmaterial (28), das gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem chemischen Element modifiziert ist, um die Beizempfindlichkeit des Stahlmaterials (28) zu reduzieren.
  14. Stahlmaterial (28) zum Herstellen eines spanend bearbeiteten Bauteils (1) nach Anspruch 13.
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