DE4221957C1

DE4221957C1 - Verfahren zur Herstellung eines metallischen, dickwandigen Hochdruckrohres

Info

Publication number: DE4221957C1
Application number: DE19924221957
Authority: DE
Inventors: Ruediger Dipl Ing Hahn
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1992-07-02
Filing date: 1992-07-02
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2012-07-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen, dickwandigen Hochdruckrohres gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.

Dieselmotoren werden in vielfältiger Weise als Antriebsaggregat für Kraftfahrzeuge und Schiffe oder zum Antrieb von Generatoren, Pumpen oder dergleichen verwendet. Die Kraftstoffzufuhr zu den einzelnen Zylindern erfolgt über eine Pumpe, wobei Drücke bis zu 1000 bar und darüber erreicht werden und es Bestrebungen gibt, den Einspritzdruck noch weiter heraufzusetzen, um damit die Leistung zu erhöhen und den Rußpartikelanteil im Abgasstrom zu reduzieren. Die Verbindung von der Einspritzpumpe zu den einzelnen Zylindern erfolgt über freiliegende Rohrleitungen, die einem hohen und pulsierenden Innendruck ausgesetzt sind. Die Rohre sind zum Abfangen des statischen Druckes entsprechend dickwandig ausgelegt mit einem D/s-Verhältnis im Bereich von 2,4 bis 4,0. Außerdem weisen sie im Hinblick auf eine hohe Dauerwechselfestigkeit eine möglichst glatte und fehlerfreie Innenoberfläche auf. Der schwellende Innendruck mit Amplitudenschwankungen von 30 bis 1500 bar und einer Frequenz von 10 bis 50 Hz bedeuten für das Rohr eine hohe Wechselbeanspruchung, die dem statischen Innendruck überlagert ist, wobei die daraus resultierende Gesamtspannung zu einer Schädigung und letztendlich zum Bruch eines Rohres führen können. Das Versagen einer solchen Leitung hängt im starken Maße auch davon ab, welche Größe bzw. Orientierung die im Herstellungsprozeß herrührenden Fehler im Oberflächenbereich haben und wie häufig sie auftreten. Als besonders kritisch werden die beim Kaltumformprozeß entstehenden Kerben und Fältelungen angesehen, die im späteren dynamischen Belastungsfall als Crack-Starter wirken und die Lebensdauer des Rohres herabsetzen. Die Entstehung von Kerben und Fältelungen wird insbesondere begünstigt, wenn bei der Abfolge der Kaltumformungen der Anteil der Durchmesserreduktion im Verhältnis zur Wanddickenreduktion besonders groß ist und die Abfolge durch mehrere Hohlzüge abgeschlossen wird. Besonders bei den Hohlzügen ist die Durchmesserreduktion der überwiegende Anteil an der Gesamtumformung und Untersuchungen haben ergeben, daß der im Rohr verbleibende Fehler von den vorhergehenden Umformschritten absolut gesehen größer wird.

Diese Schwierigkeiten kann man beispielsweise dadurch umgehen, daß man solche Rohre über Kaltpilgern oder Kalthämmern herstellt, Verfahren, bei denen die Wandreduktion einen überwiegenden Anteil an der Gesamtverformung hat, was sich günstig im Hinblick auf die Glättung der Innenoberfläche auswirkt. Nachteilig dabei ist, daß die Meterleistung beim Kaltpilgern um ein vielfaches geringer ist im Vergleich zum Kaltziehen und Rohre mit sehr kleinem Durchmesser, d. h. kleiner 10 mm über Kaltpilgern nicht mehr oder nur sehr aufwendig herstellbar sind.

Aus der nicht gattungsbildenden Schrift CH-PS 190 432 ist ein Ver fahren bekannt zum Aufbringen eines Metallüberzuges auf der Innen fläche eines Stahlrohres mit einem einen niedrigeren Schmelzpunkt als Stahl aufweisenden Metall, beispielsweise Kupfer. Dieses Ver fahren soll vorzugsweise angewendet werden für Rohre mit kleinem Innendurchmesser, wenn das ansonsten übliche galvanische Aufbringen von Metallüberzügen Probleme bereitet. Da nicht ausgeschlossen werden kann, daß sich beim Aufschmelzen poröse Stellen bilden, wird eine Nachverdichtung mittels eines Kaltziehprozesses vorgeschlagen, bei dem über einen Hohlzug der äußere Durchmesser verringert wird. Das Problem der Herstellung einer möglichst glatten Innenoberfläche im Hinblick auf eine Steigerung der dynamischen Belastbarkeit wird in der Schrift nicht angesprochen.

Aus der ebenfalls nicht gattungsbildenden Schrift DE-OS 38 23 309 ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallrohren bekannt, deren Innen oberflächen mit Zinn oder mit einer auf Zinn basierenden Legierung be schichtet sind. Die vollständige Zinnbeschichtung soll eine Metallkorro sion verhindern, ebenso eine Segregation, falls es sich um mit Kupfer hart gelötete Metallrohre handelt.

Aus diesem Grunde muß der aufgeschmolzene Metallüberzug rasch abgekühlt werden. Eine Nachbehandlung des gebildeten Metallüberzuges ist nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von metallischen, dickwandigen Hochdruckrohren mit einem D/s-Verhältnis von 2,4 bis 4,0 anzugeben, die eine glatte Innenoberfläche aufweisen und die einem pulsierenden Innendruck von größer 1000 bis 1500 bar standhalten können.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.

Ausgangspunkt der Überlegung ist das Problem, daß die beim Fertigungsprozeß auf der Innenoberfläche des Rohres entstehenden Fältelungen und Kerben so gut wie unvermeidbar sind und deshalb die Anstrengungen darauf gerichtet werden müssen, die Auswirkungen dieser Oberflächenungänzen möglichst gering zu halten. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, unmittelbar vor der Endwärmebehandlung auf die Innenseite des Rohres ein einen niedrigeren Schmelzpunkt als der Rohrwerkstoff aufweisendes Metall oder Metallegierung aus der Gruppe der duktilen Nichteisenmetalle einzubringen und durch Erwärmen im Zuge der Endwärmebehandlung aufzuschmelzen. Als besonders vorteilhaftes Metall hat sich dabei Kupfer herausgestellt. Günstiger im Hinblick auf die Angleichung von Schmelztemperatur und Wärmebehandlungstemperatur sind Kupferlote beispielsweise mit einer Zusammensetzung 86 Gew.-% Cu, 12 Gew.-% Mn und 2 Gew.-% Ni und einer Schmelztemperatur von 990°C im Vergleich zu 1083°C bei reinem Kupfer. Noch besser sind sogenannte Silberlote, beispielsweise mit einer Zusammensetzung 47 Gew.-% Cu, 18 Gew.-% Ag 33 Gew.-% Zn und 2 Gew.-% Sn und einer Schmelztemperatur von 860°C. Durch den hohen Anteil an Silber sind diese Lote aber auch entsprechend teuer. Durch das Aufschmelzen und die Kapillarwirkung dringt das flüssige Metall in die Kerben und Fältelungen ein, so daß nach dem Erkalten die Oberfläche eingeebnet ist. Auf diese Weise können bei einer anschließenden dynamischen Beanspruchung die ehemals freiliegenden Kerben und Fältelungen nicht mehr als Crack-Starter wirken.

Verbessern kann man die Wirkung noch dadurch, daß man an das Aufschmelzen ein Glättprozeß anschließt. Dies kann ein Kaltziehen mit einem zylindrischen Dorn oder mit einem Schulterstopfen sein. Falls wegen der großen Wanddicke kein genügender Druck auf das Innenwerkzeug ausgeübt werden kann, ist ein Glättprozeß auch mittels eines Aufweitzuges über einen Schulterstopfen möglich.

Das Metall bzw. die Metallegierung wird vorzugsweise in Form eines Drahtes eingebracht und unter Schutzgas aufgeschmolzen. Die Schichtdicken liegen im Bereich zwischen 5-10 µm, so daß beispielsweise für die Endabmessung 6×2 mm der Durchmesser des Drahtes bei 0,2 mm liegt.

Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin, daß die bekannten und bewährten Umformtechniken beibehalten werden können und das Aufschmelzen im Zuge der Endwärmebehandlung erfolgt, so daß keine zusätzliche Erwärmung erforderlich ist. Das Zusatzmaterial in Form eines Drahtes ist einfach zu beschaffen und ohne Aufwand in das Rohr auch bei großer Länge einführbar. Die zu Crack-Starter neigenden Kerben und Fältelungen werden überdeckt und die Lebensdauer des Rohres wird entsprechend erhöht.

Als Beispiel für das erfindungsgemäße Herstellverfahren ist der Fertigungsablauf eines Rohres der Abmessung 6×2 mm angegeben. (Alle Abmessungsangaben in mm.) Als Rohrwerkstoff wird ein unlegierter C-Stahl mit der Gütebezeichnung St30Al/St30Si verwendet. Als Benetzungsmaterial kommt ein Kupferlot zum Einsatz.

Ausgangsabmessung\|42,4×5,6 mm
Kaltziehen (Stopfenzug)	35,4×4,0 mm
Glühen	900°C-940°C/Schutzgas
Kaltziehen (Stangenzug)	27,7×2,85 mm
Kaltziehen (Stopfenzug)	21,3×2,75 mm
Kaltziehen (Stopfenzug)	15,2×2,70 mm
Glühen	900°C-940°C/Schutzgas
Kaltziehen (Stopfenzug)	11,25×2,47 mm
Glühen	900°C-940°C/Schutzgas
Kaltziehen (Stopfenzug)	8,2×2,15 mm
Glühen	900°C-940°C/Schutzgas
Kaltziehen (Hohlzug)	5,95×2,05 mm
Einlegen des Kupferlotdrahtes @	Endwärmebehandlung 990°C/Schutzgas @	Glätten (Aufweiten)	6,0×2,0 mm
Richten und Teilen

Anhand einer schematischen Zeichnung wird die Erfindung ergänzend beschrieben.

Fig. 1 einen Teillängsschnitt eines kaltgezogenen Rohres entlang der Linie A-A in Fig. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 1,

Fig. 3 wie Fig. 1, jedoch nach dem Aufschmelzen des Benetzungsmittels,

Fig. 4 im vergrößerten Maßstab einen Teilquerschnitt entlang der Linie C-C in Fig. 3,

Fig. 5 wie Fig. 4, jedoch nach der Glättung.

In Fig. 1 ist in einem Teillängsschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 2 und in einem Querschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 1 ein Rohrabschnitt 1 im Zustand nach der letzten Kaltverformung dargestellt. Das Rohr 1, das als Dieseleinspritzrohr Verwendung finden soll, zeichnet sich durch eine entsprechende Wanddicke aus, um den hohen Drücken von 1000 bar und mehr zu widerstehen. Vor der Endwärmebehandlung wird in die Bohrung 2 des Rohres 1 ein Draht 3 aus einem duktilen Nichteisenmetall wie beispielsweise Kupfer eingelegt. Um die erforderliche Aufschmelztemperatur für den Draht 3 an die optimale Glühtemperatur für das Stahlrohr 1 beispielsweise der Güte St30Al/St30Si besser anzugleichen, wird vorzugsweise ein Kupferlot verwendet. Aber auch für dieses Lot kann je nach Zusammensetzung die Schmelztemperatur oberhalb 950° liegen. Da die üblichen Glühtemperaturen für die verwendete Stahlgüte bei 900 bis 940° liegt, muß die Haltezeit entsprechend kurz gewählt werden, damit es nicht zu einer Grobkornbildung kommt. Dies ist zu erreichen durch eine induktive oder konduktive Erwärmung oder einer Kombination beider Erwärmungsarten. Damit das Rohr bei dieser Endwärmebehandlung nicht verzundert, wird die Glühbehandlung vorzugsweise unter Schutzgas durchgeführt. Die für die Durchführung der Endwärmebehandlung erforderlichen Einrichtungen sind hier nicht dargestellt.

Fig. 3 zeigt im gleichen Teillängsschnitt wie Fig. 1 den Rohrabschnitt 1 nach der Endwärmebehandlung. Durch das Aufschmelzen des Drahtes 3 und bedingt durch die Kapillarwirkung hat das Lot die Innenoberfläche 6 der Bohrung 2 gleichmäßig benetzt. Die Dicke der aufgebrachten Schicht 4 ist aus zeichnerischen Gründen hier stark übertrieben, da sie im Bereich zwischen 5 bis 10 µm liegt. Je nach Größe der Bohrung 2 und dem Grad der Benetzbarkeit der Innenoberfläche 6, kann während des Aufschmelzens eine Drehung des Rohres 1 erforderlich sein, damit es infolge der Schwerkraftwirkung nicht zu einer verstärkten Ansammlung der Schicht 4 am Grund der Bohrung 2 kommt.

Fig. 4 zeigt in einem vergrößerten Maßstab einen Teilquerschnitt entlang der Linie C-C in Fig. 3. Auch hier ist die Dicke der Schicht 4 zeichnerisch übertrieben. Diese Darstellung soll zeigen, daß nach dem Aufschmelzen das Kupferlot in die mit Fehlern 5, 5′, 5′′, behaftete Innenoberfläche 6 des Rohres 1 eingedrungen ist. Die Darstellung zeigt aber auch, daß die Oberfläche 7 der aufgeschmolzenen Schicht 4 noch uneben und rauh ist. Dies wird durch eine Glättung beseitigt, wie in Fig. 5 dargestellt. Durch den Druck des beim Glättzug verwendeten Innenwerkzeuges (hier nicht dargestellt) werden die Rauhheitsspitzen der aufgeschmolzenen Schicht 4 eingeebnet und es entsteht eine glatte Oberfläche 8. Durch die erfindungsgemäß aufgebrachte Oberflächenschicht 4 wird verhindert, daß bei den pulsierenden hohen Innendrücken, die unvollkommene Innenoberfläche 6 des Rohres 1 als Crackstarter wirken kann.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines metallischen, dickwandigen Hochdruckrohres mit verhältnismäßig glatter Innenoberfläche und einem D/s-Verhältnis von 2,4 bis 4,0 bei dem ausgehend von einem geschweißten oder nahtlosen Vorrohr durch eine Ab folge von Kaltumformungen und Zwischenwärmebehandlung die ge wünschte Endabmessung erzeugt wird und nach der letzten Kaltum formung eine Endwärmebehandlung erfolgt, wobei die Kaltumformung vorzugsweise ein Ziehen mit Innenwerkzeug ist, dadurch gekennzeichnet,
daß unmittelbar vor der Endwärmebehandlung auf die Innenseite des Rohres ein einen niedrigeren Schmelzpunkt als der Rohrwerk stoff aufweisendes Metall oder Metallegierung aus der Gruppe der duktilen Nichteisenmetalle, eingebracht und durch Erwärmen im Zuge der Endwärmebehandlung aufgeschmolzen wird und nach dem Aufschmelzen ein Glättprozeß mit einem Innenwerkzeug angeschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Glättprozeß ein Kaltziehen mit einem zylindrischen Dorn oder Schulterstopfen eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Glättprozeß ein Kaltaufweiten über einen Schulterdorn ein gesetzt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Kupfer verwendet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallegierung ein Kupferlot verwendet wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallegierung ein Silberlot verwendet wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall bzw. die Metallegierung in Form eines Drahtes eingebracht und unter Schutzgas aufgeschmolzen wird.