DE3221312A1

DE3221312A1 - Stahlrohr

Info

Publication number: DE3221312A1
Application number: DE19823221312
Authority: DE
Inventors: Naomi Nagoya Aichi Kubo
Original assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Current assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Priority date: 1981-06-08
Filing date: 1982-06-05
Publication date: 1983-01-05
Also published as: GB2101639B; GB2101639A; CA1185194A; AU8446282A; JPS57203766A; US4495003A; FR2507212A1; AU547140B2; US4458724A; FR2507212B1; DE3221312C2; BR8203335A

Description

Die Erfindung betrifft ein Stahlrohr mit einem geringen
Außendurchmesser und einer großen Wanddicke, welches auf mindestens einer Oberfläche mit einer gehärteten Schicht versehen ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahlrohres.
Stahlrohre dieser Art, die typischerweise einen Außendurchmesser von etwa 6,0 bis 15,0 mm und eine Wanddicke von etwa 2,2 bis 5,5 mm haben, werden zur Herstellung von Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohren für diese Kraftmaschinen verwendet.
Es ist beispielsweise gebräuchlich, Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohre für Dieselmotoren durch wiederholtes Erhitzen und Ausziehen rohrförmigen Kohlenstoffstahl-Ausgangsmaterials auf die gewünschten Abmessungen zu erzeugen. Ein Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohr dieser Art, wie es in SAE J970a (Prüfung von Dieselkraftstoff-Einspritzsystemen) und SAE J521b (Verbindungen für Kraftstoff-Einspritzleitungen) spezifiziert ist, hat im wesentlichen gleichmäßige mechanische Eigenschaften über seine endgültige Wanddicke, d.h.
eine Härte von etwa Hv 110 bis 120, eine Streckgrenze von etwa 275 bis 305 N/mm2 und eine Zugfestigkeit von etwa 347 bis 377 N/mm2. Da in den Rohren ein hoher Druck vorherrscht, der oft wechselt, und da die Rohre ständigen Schwingungen ausgesetzt sind, neigt ihre Innenoberfläche dazu, durch Kavitationserosion uneben zu werden. Darüberhinaus neigen herkömmliche Rohre dazu, eine ungenügende Dauerfestigkeit aufzuweisen, und reißen oder brechen daher häufig, wenn sie immer wiederkehrenden Schwingungen ausgesetzt sind.
Es ist daher vorgeschlagen worden, auf der Innenoberfläche der Rohre eine gehärtete Schicht auszubilden durch Gas-Weichnitrierung, Aufkohlung oder andere Maßnahmen. Es ist jedoch schwierig, ein Rohr mit einem geringen Innendurchmesser gleichmäßig über seine gesamte Länge mit einem Gas zu füllen, mit dem Ergebnis, daß die gehärtete Schicht dazu neigt, eine ungenügende Gleichförmigkeit aufzuweisen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Stahlrohr mit geringem Außendurchmesser und großer Wanddicke sowie einer gehärteten Schicht auf mindestens einer seiner Oberflächen zu erhalten, welches verbesserte Festigkeits eigenschaften aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die gehärtete Schicht aus einer Diffusionsschicht gebildet wird, welche eine feste Lösung von Stickstoff enthält und frei von intermetallischen Verbindungen, wie beispielsweise Fe3N und Fe4N ist.
Eine Diffusionsschicht mit einer festen Lösung von Stickstoff wird zumindest an der inneren Wandfläche eines Stahlrohres ausgebildet, in dem das Rohr einer Salzbadnitrierung in einem Bad aus geschmolzenem Natriumcyanid unterworfen wirdj während das Rohr selbst einer axialen Vibration ausgesetzt wird. Eine solche Salzbadnitrierung ist als Tenifer-Verfahren bekannt. Danach wird das Rohr einer Wärmebehandlung in einer Gasatmosphäre unterworfen, durch die jegliche Stickstoff-Metallverbindungen versetzt und von der Diffusionsschicht entfernt werden, wodurch die Diffusionsschicht in eine gehärtete Schicht überführt wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen Figur 1 einen vergrößerten Querschnitt eines Stahlrohres mit einer gehärteten Schicht an seiner Innenoberfläche zeigt; Figur 2 eine der Figur 1 ähnliche Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung darstellt; Figur 3 eine Mikrofotografie mit 200-facher Vergrößerung ist, die einen Querschnitt der Innenoberfläche des Rohres nach Figur 1 nach der Salzbadnitrierung zeigt; und Figur 4 eine der Figur 3 ähnliche Nikrofotografis ist, die jedoch einen Querschnitt durch die Innenoberfläche nach der Wärmebehandlung zeigt.
Figur 1 stellt ein Stahlrohr 1 mit einer gehärteten Schicht 5 an seiner Innenoberfläche 3 dar. Um ein solches, in der Figur 1 dargestelltes Rohr zu erzeugen, wird die Außenoberfläche 2 des Rohres zuerst in einer Weise behandelt, daß sie einer Nitrierung widersteht, was beispielsweise durch Aufbringen einer Nickelbeschichtung auf die Außenoberfläche 2 oder eines ähnlich geeigneten Materials geschehen kann, worauf das Rohr dann bei einer Temperatur von 57000 bis 58000 in eine Salzschmelze aus Natriumcyanid eingetaucht wird, wobei das Rohr axialen Schwingungen unterworfen wird.
Diese Behandlung nach dem sogenannten Tenifer-Verfahren erzeugt an der Innenoberfläche 3 des Rohres eine #iffusionsschicht 4, die eine feste Lösung von Stickstoff umfaßt.
Figur 3 ist eine Mikrofotografie, die einen Querschnitt durch die Innenoberfläche des Rohres nach der Salzbadnitrierung in einem Bereich zeigt, der in Figur 2 durch ein Rechteck gekennzeichnet ist. Das Rohr 1 wird dann einer Wärmebehandlung in einer Gasatmosphäre, beispielsweise aus Stickstoff unterworfen, die eine Temperatur von etwa 60000 bis 75000 hat, wobei eine brüchige Schicht von metallischen Stickstoffverbindungen wie Fe3N oder Fe4N, die während der Salzbadnitrierung auf der Diffusionsschicht 4 ausgebildet worden ist, zersetzt und von dieser entfernt wird. Die Diffusionsschicht 4 wird so in eine gehärtete Schicht 5 mit einer Härte von etwa Hv 200 bis 260 überführt. Figur 4 ist eine Mikrofotografie, die einen Schnitt durch die Innenoberfläche des Rohres nach der Wärmebehandlung zeigt, und zwar im gleichen Bereich, der in Figur 3 dargestellt ist.
Figur 2 zeigt ein Stahlrohr 1 mit gehärteten Schichten 5 und 51 sowohl auf seiner inneren Oberfläche 3 als auch seiner äußeren Oberfläche 2. Die gehärteten Schichten 5 und 5' sind auf ähnliche Weise erzeugt worden, wie oben beschrieben, jedoch mit der Ausnahme, daß die äußere Wandfläche 2 des Rohres keiner eine Nitrierung verhindernden Behandlung unterworfen wurde. Diffusionsschichten 4 und 4' sind sowohl auf der inneren Oberfläche 3 als auch auf der äußeren Oberfläche 2 ausgebildet und in gehärtete Schichten 5 bzw. 5' überführt.
Ein Versetzen des Rohres in axiale Schwingungen während der Salzbadnitrierung erleichtert das Füllen der Innenbohrung des Rohres geringen Durchmessers mit geschmolzenem Natriumcyanid über dessen gesamte Länge, so daß eine gleichmäßige Diffusionsschicht zumindest auf der Innenoberfläche des Rohres ausgebildet werden kann, um dieses im Betrieb gegen Erosion durch eine Flüssigkeit zu schützen, die durch das Rohr hindurchfließt. Die nachfolgende Wärmebehandlung versieht zumindest die Innenoberfläche des Rohres mit einer gleichmäßigen gehärteten Schicht von überlegenen mechanischen Eigenschaften, d.h. mit einer Streckgrenze von etwa 343 bis 392 N/mm2 und einer Zugfestigkeit von etwa 412 bis 471 N/mm2. Das Rohr weist eine bemerkenswert verbesserte Dauerfestigkeit auf ohne Ausbildung von Haarrissen in der Oberfläche des Rohres, sogar wenn es zu einer gewünschten Gestalt gebogen wird.
Im folgenden werden zwei besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben: Beispiel.1 Ein aus STS 35 hergestelltes Stahlrohr mit einem Äußendurchmesser von 6,2 mm, einer Wanddicke von 2,1 mm und einer Länge von 600 mm wurde für 50 Minuten einer Salzbadnitrierung in einer Schmelze von Natriumcyanid mit einer Temperatur von 57000 unterworfen, wobei es in axialer Richtung in einem Schwingungszustand mit einer Frequenz von 5 Hz und einer Amplitude von 5 mm durch einen speziellen Vibrator gehalten wurde. Das Rohr wurde dann bei einer Temperatur von 7200C in einem mit Stickstoffgas gefüllten Ofen für 30 Minuten einer Wärmebehandlung unterzogen. Eine Diffusionsschicht mit einer Tiefe von 0,3 mm wurde sowohl auf der inneren als auf der äußeren Oberfläche des Rohres erzeugt. Das so erhaltene Rohr wies eine Härte von Hv 240, eine Streckgrenze von 384 N/mm2 und einer Zugfestigkeit von 452 N/mm2 auf.
BeisPiel 2 Eine eine Nitrierung verhindernde Schicht aus Nickel mit einer Dicke von 5em wurde galvanisch auf die äußere Wandfläche eines Stahlrohres aus STS 35 aufgebracht, welches ein Außendurchmesser von 15,0 mm, eine Wanddicke von 5,5 mm und eine Länge von 1 100 mm hatte. Das Rohr wurde einer Salzbadnitrierung in einer Schmelze von Natriumcyanid bei einer Temperatur von 57000 für 90 Minuten unterworfen, wobei es in axialer Richtung eine Vibration mit einer Frequenz von 3 Hz und einer Amplitude von 2 mm mittels des in Beispiel 1 verwendeten Vibrators unterworfen wurde. Dann wurde das Rohr für 50 Minuten einer Wärmebehandlung bei 65000 in einem Ofen mit einer Mischgasatmosphäre unterworfen, die 28 H2, 22% CO und 2% C02 enthielt, wobei der Rest aus Stickstoff bestand.
Als Ergebnis wurde eine Diffusionsschicht mit einer Dicke von 0,4 mm, einer Härte von Hv 220, einer Streckgrenze von 361 N/mm2 und einer Zugfestigkeit von 428 N/mm2 erhalten, die nur auf der Innenoberfläche des Rohres ausgebildet war.

Claims

Stahlrohr PatentansPrüche Stahlrohr mit einem geringen Außendurchmesser und einer großen Wanddicke, welches auf mindestens einer Oberfläche mit einer gehärteten Schicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärtete Schicht t5, 5') aus einer Diffusionsschicht (4, 4') gebildet ist, welche eine feste Lösung von Stickstoff enthält und frei von intermetallischen Verbindungen, wie beispielsweise Fe3N und Pe4N ist.
2. Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärtete Schicht (5) nur auf der Innenoberfläche t3) des Stahlrohres t 13 ausgebildet ist.
3. Stahlrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärtete Schicht.(5, 51) eine Härte von Hv 200 bis 260, eine Streckgrenze von 343 bis 392 N/mm2 und eine 2 Zugfestigkeit von 412 bis 471 N/mm2 hat.
4. Verfahren zum Herstellen eines Stahlrohres mit einem geringen Außendurchmesser und einer großen Wanddicke und einer gehärteten Schicht an mindestens einer Oberfläche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte - Behandeln des Stahlrohres (1) mittels Salzbadnitrierung in einem Bad von geschmolzenem Natriumcyanid während das Rohr (i) in axialer Richtung in Vibration versetzt wird, wobei eine Diffusionsschicht (4, 4') mit einer festen Lösung von Stickstoff an mindestens einer Oberfläche (2; 3) des Rohres (1) ausgebildet wird, und - eine Wärmebehandlung des Rohres (1) in einer Gasatmosphäre, um jegliche metallische Stickstoffverbindung zuzusetzen, die auf der Diffusionsschicht durch die Salzbadnitrierung gebildet worden ist, wodurch eine gehärtete Schicht (5, 5') an der Oberfläche (2; 3) ausgebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberfläche (2) des Rohres (1) vorher einer eine Nitrierung verhindernden Behandlung unterzogen wird, wodurch die gehärtete Schicht (5) nur an der Innenoberfläche (3) des Rohres (1) ausgebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Nitrierung verhindernde Behandlung aus einem Galvanisieren der Außenoberfläche (2) mit Nickel besteht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre wenigstens größtenteils aus Stickstoff besteht.