DE3221312C2

DE3221312C2 - Stahlrohr und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE3221312C2
Application number: DE3221312A
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: 1986-12-18
Also published as: GB2101639B; AU8446282A; JPS57203766A; CA1185194A; DE3221312A1; FR2507212B1; US4495003A; BR8203335A; AU547140B2; FR2507212A1; GB2101639A; US4458724A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stahlrohr mit geringem Außendurchmesser und einer großen Wanddicke, beispielsweise für die Verwendung als Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohr für eine Dieselkraftmaschine, welches zumindest auf seiner Innenoberfläche mit einer gehärteten Schicht versehen ist. Die gehärtete Schicht (5) ist aus einer Diffusionsschicht (4) gebildet, die eine feste Lösung von Stickstoff enthält, durch Salzbadnitrierung erzeugt wurde und vollständig frei von intermetallischen Verbindungen, wie beispielsweise Fe ↓3N und Fe ↓4N ist. Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rohres beschrieben, welches eine Salzbadnitrierung eines Stahlrohres in einer Schmelze von Natriumcyanid umfaßt, wobei das Rohr während dieser Behandlung in axiale Schwingungen versetzt wird, um eine Diffusionsschicht auszubilden, sowie eine Wärmebehandlung des Rohres in einer Gasatmosphäre, um jegliche Stickstoff-Metallverbindungen auf der Diffusionsschicht zuzusetzen.

Description

— Behandeln des Stahlrohres (1) mittels Salzbadnitrierung in einem Bad von geschmolzenem Natriumcyanid während das Rohr (1) in axialer Richtung in Vibration versetzt wird, wobei eine Diffusionsschicht (4,4') mit einer festen Lösung von Stickstoff an mindestens der inneren Oberfläche (2; 3) des Rohres (1) ausgebildet wird, und

— eine Wärmebehandlung des rohres (1) in einer Gasatmosphäre, um jegliche metallische Stickstoffverbindung zu zersetzen, die auf der Diffusionsschicht durch die Salzbadnitrierung gebildet worden ist, wodurch eine gehärtete Schicht (5,5') an der Oberfläche (2; 3) ausgebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberfläche (2) des Rohres (1) vorher einer eine Nitrierung verhindernden Behändlung unterzogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Nitrierung verhindernde Behandlung durch elektrolytische Abscheidung von Nickel auf der Außenoberfläche (2) erreicht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Gasatmosphäre bei der Wärmebehandlung wenigstens größtenteils Stickstoff eingesetzt wird.

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Die Erfindung betrifft ein Stahlrohr mit einem geringen Außendurchmesser und einer großen Wanddicke, welches auf mindestens der inneren Oberfläche mit einer gehärteten Schicht versehen ist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Stahlrohres.

Stahlrohre der genannten 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- E:nspr:tz rohren für 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-Ein-SDritzrohr 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. Darüber hinaus 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 Gasweichnitrierung, Zementation oder andere Maßnahmen. So sind beispielsweise aus den japanischen Anmeldungen 76 717/54 und 1 04 562/55 Stahlrohre der genannten Art bekannt, die auf der Innenseite der Bohrung durch Zementation oder Gasweichnitrierung behandelt sind. 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.

Aus der DE-OS 28 23 926 is ein Verfahren zum Gasnitrieren von Bauteilen, wie Getriebeteilen, Kurbelwellen oder Teilen von Differentialen aus einem Eisenbasismaterial bekannt, bei dem die Diffusionsschicht durch Gasweichnitrierung mit Ammoniak erzeugt wird. Infolge der Abgabe von Stickstoff entsteht eine sehr weiche und empfindliche Oberflächenschicht aus reinem Eisen («*- Eisen).

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Stahlrohr mit geringem Außendurchmesser und großer Wanddikke sowie einer gehärteten Schicht auf mindestens der inneren Oberfläche zu erhalten, welches verbesserte Festigkeitseigenschaften aufweist, insbesondere erhöhten Widerstand gegen Kavitation durch schnellströmende, unter hohem Druck stehende Flüssigkeiten.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß die gehärtete Schicht aus einer Diffusionsschicht gebildet ist, welche eine feste Lösung von Stickstoff enthält und frei von den intermetallischen Verbindungen Fe₃N und Fe₄N ist, wobei die gehärtete Schicht (5,5') eine Härte von HV 200 bis 260, eine Streckgrenze von 343 bis 392 N/mm² und eine Zugfestigkeit von 412 bis 471 N/mm² aufweist. Vorteilhaft ist dabei die gehärtete Schicht nur auf der Innenoberfläche des Stahlrohres ausgebildet.

Das Verfahren zum Herstellen eines Stahlrohres gemäß dem Anspruch 1 ist duch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

— Behandeln des Stahlrohres mittels Salzbadnitrierung in einem Bad von geschmolzenem Natriumcyanid während das Rohr in axialer Richtung in Vibration vesetzt wird, wobei eine Diffusionsschicht mit einer festen Lösung von Stickstoff an mindestens der inneren Qbefläche des Rohr^pc sus¹¹'*^¹!!- det wird, und

— eine Wärmebehandlung des Rohres in einer Gasatmosphäre, um jegliche metallsiche Stickstoffverbindung zu zersetzen, die auf der Diffusionsschicht durch die Salzbadnitrierung gebildet worden ist, wodurch eine gehärtete Schicht an der Oberfläche ausgebildet wird.

Zweckmäßig wird die Außenoberfläche des Rohres vorher einer eine Nitrierung verhindernden Behandlung unterzogen. Diese Behandlung kann durch elektrolytische Abscheidung von Nickel auf der Außenoberfläche erreicht werden. Als Gasatmosphäre bei der Wärmebehandlung sollte wenigstens größtenteils Stickstoff eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Hinweis auf die Zeichnungen erläutert, in denen

F i g. 1 einen vergrößerten Querschnitt eines Stahlrohres mit einer gehärteten Schicht an seiner Innenoberfläche zeigt;

F i g. 2 eine der F i g. 1 ähnliche Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung darstellt;

F i g. 3 eine Mikrofotografie mit 200facher Verrößerung ist, die einen Querschnitt der Innenoberfläche des Rohres nach Fig. 1 nach der Salzbadnitrierung zeigt; und

schicht zumindest auf der Innenobefläche des Rohres ausgebildet werden kann, um dieses im Betrieb gegen Erosion durch eine Flüssigkeit zu schützen, die durch das Rohr hindurchfließt Die nachfolgende Wärmebe-

handlung 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

ίο 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 Ausführungs-

beispiele der Erfindung beschrieben:

Beispiel 1

Ein aus STS 35 hergestelltes Stahlrohr mit einem Au-Fig.4 eine der Fig.3 ähnliche Mikrofotografie ist, 20 ßendurchmesser von 6,2 mm, einer Wandicke von die jedoch einen Querschnitt durch die Innenobefläche 2,1 mm und einer Länge von 600 mm wurde für 50 Minach der Wärmebehandlung zeigt nuten einer Salzbadnitrierung in einer Schmelze von Fig. 1 stellt ein Stahlrohr 1 mit einer gehärteten Natriumcyanid mit einer Temperatur von 570° C unter-Schicht 5 an seiner Innenoberfläche 3 dar. Um ein sol- worfen, wobei es in axialer Richtung in einem Schwinches, in der F i g. 1 dargestelltes Rohr zu erzeugen, wird 25 gungszustand mit einer Frequenz von 5 Hz und einer die Außenoberfläche 2 des Rohres zuerst in einer Weise 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 Ober

behandelt, daß sie einer Nitrierung widersteht, was beispielsweise durch Aufbringen einer Nickelbeschichtung auf die Außenobefläche 2 oder eines ähnlich geeigneten Materials geschehen kann, worauf das Rohr dann bei einer Tempertur von 570°C bis 58O⁰C 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 Diffusionsschicht 4, die eine feste Lösung von Stickstoff umfaßt. Fig.3 ist eine Mikrofotografie, die einen Querschnitt durch die Innenoberfläche des Rohres nach der Salzbadnitrierung in einem Bereich zeigt, der in F i g. 2

fläche 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 5 μπι wurde galvanisch auf die äu-

durch ein Rechteck gekennzeichnet ist. Das Rohr 1 wird 40 ßere Wandfläche eines Stahlrohres aus STS 35 aufgedann einer Wärmebehandlung in einer Gasatmosphäre, bracht, welches ein Außendurchmesser von 15,0 mm, eibeispielsweise aus Stickstoff unterworfen, die eine Tem- ne Wanddicke von 5,5 mm und eine Länge von 1100 mm peratur von etwa 600⁰C bis 75O⁰C hat, wobei eine brü- hatte. Das Rohr wurde einer Salzbadnitrierung in einer chige Schicht von metallischen Stickstoffverbindungen Schmelze von Natriumcyanid bei einer Temperatur von wie Fe3N oder Fe4N, die während der Salzbadnitrierung 45 570⁰C für 90 Minuten unterworfen, wobei es in axialer auf der Diffusionsschicht 4 ausgebildet worden ist, zer- Richtung eine Vibration mit einer Frequenz von 3 Hz setzt und von dieser entfernt wird. Die Diffusionsschicht und einer Amplitude von 2 mm mittels des in Beispiel 1

4 wird so in eine gehärtete Schicht 5 mit einer Härte von verwendeten Vibrators unterworfen wurde. Dann wuretwa Hv 200 bis 260 überführt F i g. 4 ist eine Mikrofo- de das Rohr für 50 Minuten.einer Wärmebehandlung tografie, die einen Schnitt durch die Innenoberfläche des 50 bei 650⁰C in einem Ofen mit einer Mischgasatmosphäre Rohres nach der Wärmebehandlung zeigt, und zwar im unterworfen, die 28% H₂,22% CO und 2% CO₂ enthielt, gleichen Bereich, der in F i g. 3 dargestellt ist wobei der Rest aus Stickstoff bestand. Als Ergebnis

F i g. 2 zeigt ein Stahlrohr 1 mit gehärteten Schichten wurde eine Diffusionsschicht mit einer Dicke von

5 und 5' sowohl auf seiner inneren Oberfläche 3 als auch 0,4 mm, einer Härte von Hv 220, einer Streckgrenze von seiner äußeren Oberfläche 2. Die gehärteten Schichten 55 361 N/mm² und einer Zugfestigkeit von 428 N/mm² er-5 und 5' sind auf ähnliche Weise erzeugt worden, wie halten, die nur auf der Innenoberfläche des Rohres ausoben beschrieben, jedoch mit der Ausnahme, daß die gebildet war.

äußere Wandfläche 2 des Rohres keiner eine Nitrierung

verhindernden Behandlung unterworfen wurden. Diffusionsschichten 4 und 4' sind sowohl auf der inneren Oberfläche 3 als auch °uf ^^ar suRö,·«« rtUaffiKrtUa ο 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 Diffusions-

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stahlrohr mit einem geringen Außendurchmesser und einer großen Wanddicke, welches auf mindestens der inneren Oberfläche mit einer gehärteten Schicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärtete Schicht (5,5') aus einer Diffusionsschicht (4, 4') gebildet ist, welche eine feste Lösung von Stickstoff enthält und frei von den intermetallsichen Verbindungen FeaN und Fe4N ist, wobei die gehärtete Schicht (5, 5') eine Härte von Hv 200 bis 260, eine Streckgrenze von 343 bis 392 N/ mm² und eine Zugfestigkeit von 412 bis 471 N/mm² aufweist

2 Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärtete Schicht (5) nur auf der Innenoberfläche (3) des Stahlrohres (1) ausgebildet ist

3. Verfahren zum Herstellen eines Stahlrohres gemaß Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte