EP2491160A1 - Method for increasing the strength of components made of steel under cyclic load - Google Patents

Method for increasing the strength of components made of steel under cyclic load

Info

Publication number
EP2491160A1
EP2491160A1 EP10759620A EP10759620A EP2491160A1 EP 2491160 A1 EP2491160 A1 EP 2491160A1 EP 10759620 A EP10759620 A EP 10759620A EP 10759620 A EP10759620 A EP 10759620A EP 2491160 A1 EP2491160 A1 EP 2491160A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component surface
component
strength
nitriding
components
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP10759620A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Becht
Thomas Otten
Heike Langner
Ralf Kuebler
Karl-Otto Englert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2491160A1 publication Critical patent/EP2491160A1/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces

Definitions

  • the invention is based on a method for increasing the strength of components made of steel, in particular of pressurized and / or mechanically highly loaded components of fuel-Einpftzsystemen, under cyclic loading according to the preamble of claim 1.
  • the stress of pressurized and / or mechanically highly loaded components of fuel injection systems ranges from a pure tensile stress to a periodic train-pressure cycling.
  • the cyclic strength of components depends primarily on the structure and strength of the selected steel. Both a change in chemical composition and a heat treatment can influence the structure of steels to meet the stress requirements outlined above. Due to the high alloy element shares and the sometimes very complex heat treatment processes, however, these measures lead to disadvantageous high material and manufacturing costs. Another method for increasing the cyclic resistance is the introduction of residual compressive stresses into the surface, for example by deep rolling or autofrettage. However, this results in process-related restrictions in the component geometry. Furthermore, the nitriding of steels is known as a heat treatment process with a change in the chemical composition in the surface layer. It is used in practice for applications where a high
  • nitriding gas nitriding, salt bath nitriding and plasma nitriding.
  • the usually resulting layers consist of a nitride compound layer on the surface and a nitride diffusion layer in the edge zone of the component.
  • nitriding steels which in addition to a moderate C content also have a high proportion of nitride formers such as Al, V, Cr.
  • nitriding can also increase the fatigue strength, but it does have a thickness of at least
  • the object of the invention is to provide a method by which the cyclic load capacity of schwellbe pipeten components can be increased in a cost effective manner.
  • gas nitriding is used according to the invention for the targeted introduction of a Festtechniksgradientens and a pressure-residual stress profile in the subsequent to the component surface edge layer.
  • the process parameters of gas nitriding such as nitriding temperature and duration, Nitrogen concentration, etc., selected so that on the component surface, a nitride compound layer is applied with a thickness of at most 10 ⁇ .
  • Strength of the components can be significantly increased.
  • the use of unalloyed and low-alloyed materials in combination with process-optimized gas nitriding represents a cost-effective alternative to the conventional measures of increasing the fatigue strength.
  • a bonding layer with a maximum thickness of 10 ⁇ m exhibits resistance to salt spray compared to a non-treated material condition significantly improved without compromising the cyclic strength.
  • the corrosion behavior of a gas-nitrided component according to the invention is equivalent to that of a phosphated component, so that a final coating of the components in the process chain can be dispensed with.
  • the setting of residual compressive stresses (i) at the surface is based on the incorporation of nitrogen in the edge zone.
  • the negative intrinsic stresses from the amount are superimposed by the load voltages which are positive from the amount, so that the locally occurring, resulting operating load is less than with a non-nitrided material state. As a result of this locally reduced In this case, crack initiation or crack propagation on the surface is delayed or even avoided.
  • the fatigue strength of highly stressed components can thus be increased specifically for specific component geometries in a simple and cost-effective manner.
  • pressure and / or train cyclically stressed components of internal combustion engines such as cylinder heads, injector body, pressure accumulator, valve body or the like. Be made more resistant to the threshold loads occurring during operation.
  • a subsequent reduction or removal of the introduced into the components connection layer is not necessary, since this is reduced to a minimum in the inventive, process-optimized gas nitriding.
  • the incorporation of nitrogen in the edge zone is equivalent to a local increase in strength (ii) and hardness.
  • Hardness values of up to 1000HV, depending on the alloy composition, can be achieved on the surface.
  • the tensile-to-tensile alternating strength Ow, ZD can be correlated with the static strength R m as follows:
  • the increase in the resistance under alternating load corresponds to approximately half the amount of an increase in strength under static load.
  • Resilience in a marginal zone optimized by nitriding can be quantified according to the FKM guideline as follows:
  • Kv 1, 15 to 1, 25 for smooth / slightly notched components
  • Kv 1, 30 to 2.0 for notched components
  • a further advantage of the gas nitriding according to the invention over other methods of increasing the vibration resistance is that both the increase in strength in the edge zone and the residual stresses at elevated operating temperatures below the nitriding temperature are stable.
  • the improvement of the corrosion behavior (iii), similar to that of a passive layer, is based on the formation of the bonding layer, which consists predominantly of iron nitrides. These ⁇ - and ⁇ '-nitrides represent stable phases with respect to corrosion processes, which significantly slow down the corrosion reactions in aqueous and chloride-containing media compared to an unprotected, metallic bare surface.
  • the thickness of the tie layer determines the amount of corrosion delay.
  • the process control in gas nitriding sets a bonding layer thickness which ensures an optimum between improvement of corrosion resistance on the one hand and increase of vibration strength on the other hand.
  • the steels treated by the process according to the invention belong in particular to the following groups:
  • the nitride diffusion layer is introduced into the component surface with a thickness of at least approximately 0.1 mm, preferably of at least approximately 0.3 mm.
  • the invention also relates to a with the
  • FIG. 2 shows the profile of the hardness and the residual stresses of the exemplary component shown in FIG. 1 as a function of the distance from the component surface.
  • the component 1 shown schematically in FIG. 1 is made of steel and in particular a pressurized and / or mechanically highly loaded component of a fuel injection system.
  • a compressive stress profile is specifically introduced into the component surface, which counteracts the load distribution acting on the component surface during cyclic loading.
  • the compressive residual stresses are introduced into the component surface in a targeted manner by means of gas nitriding of the component 1 by nitriding the component at a nitriding temperature between about 420 ° C. and about 620 ° C. for a nitriding time which depends on the desired target strength to 96 hours, preferably between two and twelve hours.
  • a Nithd diffusion layer 2 which generates the desired increase in strength and the required compressive residual stresses, is introduced both into the component surface or edge zone, and a nitride bonding layer 3 is also applied to the component surface.
  • the generation of the compressive residual stresses in the diffusion layer 2 is based on the deposition (indiffusion) of nitrogen in the edge zone.
  • the bonding layer 3 consists predominantly of iron nitrides which have been deposited on the component surface.
  • the nitriding process parameters such as nitriding temperature and duration, nitrogen concentration, etc., are selected such that the thickness d of the nitride compound layer is at most 10 ⁇ m.
  • the thickness D of the Nithd diffusion layer 2 is significantly larger and is about 0.3 mm in the embodiment shown.
  • the compressive residual stresses ES introduced into the component 1 by the gas nitriding amount to approximately 1000 MPa at the immediate component surface and decrease exponentially with the distance X from the component surface, until at one component depth in this example from about 0.3 mm in tensile residual stresses.
  • a local increase in the cyclic strength properties can also be observed on the component surface, shown here as an increase in the hardness H with values of up to 1000 HV directly at the surface. This locally increased hardness decreases with increasing distance X and reaches in the example at a distance of approx. 0.3 mm from the surface the hardness of the base material.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for increasing the strength of components (1) made of steel, in particular pressurized components of fuel injection systems and/or components of fuel injection systems subjected to high mechanical loads, under cyclic load using residual compressive stresses that are deliberately introduced into the component surface and that counteract the load distribution acting on the component surface during cyclic loads, wherein, according to the invention, a residual compressive stress profile is introduced into the component surface by means of gas nitriding of the component (1) and a nitride bonding layer (3) having a thickness (d) of no more than 10 μm is applied to the component surface during gas nitriding.

Description

Verfahren zum Steigern der Beanspruchbarkeit von Bauteilen aus Stahl unter zyklischer Belastung  Method for increasing the strength of steel components under cyclic loading
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Steigern der Beanspruchbarkeit von Bauteilen aus Stahl, insbesondere von druckführenden und/oder mechanisch hoch belasteten Bauteilen von Kraftstoff-Einsphtzsystemen, unter zyklischer Belastung nach der Gattung des Anspruchs 1 . The invention is based on a method for increasing the strength of components made of steel, in particular of pressurized and / or mechanically highly loaded components of fuel-Einpftzsystemen, under cyclic loading according to the preamble of claim 1.
Die Beanspruchung von druckführenden und/oder mechanisch hoch belasteten Bauteilen von Kraftstoff-Ei nspritzsystemen reicht von einer reinen Zug- Schwellbeanspruchung bis hin zu einer periodischen Zug-Druck- Wechselbeanspruchung. The stress of pressurized and / or mechanically highly loaded components of fuel injection systems ranges from a pure tensile stress to a periodic train-pressure cycling.
Die zyklische Beanspruchbarkeit von Bauteilen hängt vornehmlich von Gefüge und Festigkeit des gewählten Stahles ab. Sowohl durch eine Änderung der chemischen Zusammensetzung als auch durch eine Wärmebehandlung lässt sich die Struktur von Stählen so beeinflussen, dass sie die oben angeführten Beanspruchungsanforderungen erfüllt. Aufgrund der hohen Legierungselementanteile sowie der teilweise sehr aufwendigen Wärmebehandlungsprozesse führen diese Maßnahmen allerdings zu nachteilig hohen Werkstoff- und Fertigungskosten. Ein weiteres Verfahren zur Steigerung der zyklischen Beanspruchbarkeit ist das Einbringen von Druckeigenspannungen in die Oberfläche, beispielsweise durch Festwalzen oder Autofrettage. Hier ergeben sich jedoch verfahrensbedingt Einschränkungen in der Bauteilgeometrie. Weiterhin ist das Nitrieren von Stählen als Wärmebehandlungsverfahren mit Änderung der chemischen Zusammensetzung in der Randschicht bekannt. Es wird in der Praxis für Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe The cyclic strength of components depends primarily on the structure and strength of the selected steel. Both a change in chemical composition and a heat treatment can influence the structure of steels to meet the stress requirements outlined above. Due to the high alloy element shares and the sometimes very complex heat treatment processes, however, these measures lead to disadvantageous high material and manufacturing costs. Another method for increasing the cyclic resistance is the introduction of residual compressive stresses into the surface, for example by deep rolling or autofrettage. However, this results in process-related restrictions in the component geometry. Furthermore, the nitriding of steels is known as a heat treatment process with a change in the chemical composition in the surface layer. It is used in practice for applications where a high
Randschichthärte zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes gefordert ist. Surface hardness is required to increase the wear resistance.
Übliche Verfahren sind das Gasnitrieren, das Salzbadnitrieren sowie das Plasma-Nitrieren. Die dabei üblicherweise entstehenden Schichten bestehen aus einer Nitrid-Verbindungsschicht an der Oberfläche und einer Nitrid- Diffusionsschicht in der Randzone des Bauteils. Beste Ergebnisse in Bezug auf die Härte und die Verschleißfestigkeit werden dabei mit sog. Nitrierstählen erzeugt, die neben einem moderaten C-Gehalt auch einen hohen Anteil an Nitridbildnern wie AI, V, Cr aufweisen. In der Literatur dokumentierte Untersuchungen zeigen, dass durch das Nitrieren auch die Schwingfestigkeit gesteigert werden kann, jedoch wirkt sich die mit einer Dicke von mindestens Common methods are gas nitriding, salt bath nitriding and plasma nitriding. The usually resulting layers consist of a nitride compound layer on the surface and a nitride diffusion layer in the edge zone of the component. Best results in terms of hardness and wear resistance are produced with so-called nitriding steels, which in addition to a moderate C content also have a high proportion of nitride formers such as Al, V, Cr. Studies documented in the literature show that nitriding can also increase the fatigue strength, but it does have a thickness of at least
0,04 mm stark ausgeprägte Verbindungsschicht, die zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit erforderlich ist und einen gewissen Widerstand gegen Korrosion bildet, nachteilig auf die zyklische Beanspruchbarkeit aus. 0.04 mm thick bond coat, which is required to improve wear resistance and provide some resistance to corrosion, is detrimental to cyclic strength.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, durch das die zyklische Belastbarkeit von schwellbeanspruchten Bauteilen auf kostengünstige Weise gesteigert werden kann. The object of the invention is to provide a method by which the cyclic load capacity of schwellbeanspruchten components can be increased in a cost effective manner.
Vorteile der Erfindung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. ADVANTAGES OF THE INVENTION According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1.
Anders als beim üblichen Gasnitrieren, das zum Erhöhen der Randschichthärte mittels einer möglichst dicken Verbindungsschicht von mindestens 0,04 mm dient, wird erfindungsgemäß das Gasnitrieren zum gezielten Einbringen eines Festigkeitsgradientens und eines Druck-Eigenspannungsprofils in der sich an die Bauteiloberfläche anschließenden Randschicht verwendet. Dabei werden die Prozessparameter des Gasnitrierens, wie z.B. Nitriertemperatur und -dauer, Stickstoffkonzentration etc., so gewählt, dass auf die Bauteiloberfläche eine Nitrid-Verbindungsschicht mit einer Dicke von maximal 10 μηη aufgebracht wird. Unlike the usual gas nitriding, which serves to increase the surface layer hardness by means of a thick connecting layer of at least 0.04 mm, gas nitriding is used according to the invention for the targeted introduction of a Festigkeitsgradientens and a pressure-residual stress profile in the subsequent to the component surface edge layer. The process parameters of gas nitriding, such as nitriding temperature and duration, Nitrogen concentration, etc., selected so that on the component surface, a nitride compound layer is applied with a thickness of at most 10 μηη.
Durch das erfindungsgemäße verbindungsschichtarme Gasnitrieren ist es mög- lieh, die Randschicht von Stählen so zu verändern, dass die zyklische By virtue of the low-bond-strength gas nitriding according to the invention, it is possible to modify the surface layer of steels such that the cyclic
Beanspruchbarkeit der Bauteile signifikant gesteigert werden kann. Die Verwendung von un- und niedriglegierten Werkstoffen in Kombination mit dem pro- zessoptimierten Gasnitrieren stellt eine kostengünstige Alternative zu den herkömmlichen Maßnahmen der Schwingfestigkeitssteigerung dar. Weiterhin hat sich gezeigt, dass eine Verbindungsschicht mit einer Dicke von maximal 10 μηη die Beständigkeit gegen Salzsprühnebel im Vergleich zu einem nicht behandelten Werkstoffzustand signifikant verbessert, ohne die zyklische Beanspruchbarkeit zu beeinträchtigen. Das Korrosionsverhalten eines erfindungsgemäß gasnitrierten Bauteils ist dem eines phosphatierten Bauteiles gleichzusetzen, so dass eine abschließende Beschichtung der Bauteile in der Prozesskette entfallen kann.  Strength of the components can be significantly increased. The use of unalloyed and low-alloyed materials in combination with process-optimized gas nitriding represents a cost-effective alternative to the conventional measures of increasing the fatigue strength. Furthermore, it has been found that a bonding layer with a maximum thickness of 10 μm exhibits resistance to salt spray compared to a non-treated material condition significantly improved without compromising the cyclic strength. The corrosion behavior of a gas-nitrided component according to the invention is equivalent to that of a phosphated component, so that a final coating of the components in the process chain can be dispensed with.
Beim erfindungsgemäßen Gasnitrieren zur Steigerung der Schwingfestigkeit mit minimaler Verbindungsschicht werden folgende metallphysikalische Grundme- chanismen zur gezielten Einstellung eines Eigenschaftsgradientens in der Randzone genutzt: In gas nitriding according to the invention for increasing the fatigue strength with a minimal bonding layer, the following basic metal-physical mechanisms are used for the targeted adjustment of a property gradient in the edge zone:
i. Einstellen eines Druck-Eigenspannungsprofils in der Randzone durch Einlagerung von Stickstoff in der Randzone i. Adjustment of a pressure residual stress profile in the edge zone by incorporation of nitrogen in the edge zone
ii. Graduelle Erhöhung der Festigkeit in der Randzone durch Diffusion von Stickstoff unter Bildung von Nitriden ii. Gradually increasing the strength in the peripheral zone by diffusion of nitrogen to form nitrides
iii. Erhöhung der Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion oder Korrosion in wässrigen Medien (Kraftstoffe, Kondensate) iii. Increasing the resistance to atmospheric corrosion or corrosion in aqueous media (fuels, condensates)
Das Einstellen von Druckeigenspannungen (i) an der Oberfläche beruht auf der Einlagerung von Stickstoff in der Randzone. Die vom Betrag her negativen Eigenspannungen überlagern sich mit den vom Betrag her positiven Lastspannungen, so dass die lokal auftretende, resultierende Betriebsbelastung geringer ist als bei einem nicht nitrierten Werkstoffzustand. Als Folge dieser lokal redu- zierten Betriebsspannung wird die Rissinitiierung oder die Ausbreitung von Rissen an der Oberfläche verzögert oder sogar vermieden. The setting of residual compressive stresses (i) at the surface is based on the incorporation of nitrogen in the edge zone. The negative intrinsic stresses from the amount are superimposed by the load voltages which are positive from the amount, so that the locally occurring, resulting operating load is less than with a non-nitrided material state. As a result of this locally reduced In this case, crack initiation or crack propagation on the surface is delayed or even avoided.
Die Schwingfestigkeit hochbeanspruchter Bauteile kann somit gezielt für spezifische Bauteilgeometrien auf einfache und kostengünstige Weise gesteigert werden. Dadurch können beispielsweise mit Druck und/oder Zug zyklisch beanspruchte Komponenten von Verbrennungsmotoren, wie etwa Zylinderköpfe, Injektorkörper, Druckspeicher, Ventilkörper oder dergl., gegenüber den im Betrieb auftretenden Schwellbelastungen widerstandsfähiger gemacht werden. Hierbei ist ein nachträgliches Reduzieren bzw. ein Abtragen der in die Bauteile eingebrachten Verbindungsschicht nicht notwendig, da diese bei der erfindungsgemäßen, prozessoptimierten Gasnitrierung auf ein Minimum reduziert wird. The fatigue strength of highly stressed components can thus be increased specifically for specific component geometries in a simple and cost-effective manner. As a result, for example, with pressure and / or train cyclically stressed components of internal combustion engines, such as cylinder heads, injector body, pressure accumulator, valve body or the like. Be made more resistant to the threshold loads occurring during operation. In this case, a subsequent reduction or removal of the introduced into the components connection layer is not necessary, since this is reduced to a minimum in the inventive, process-optimized gas nitriding.
Die Einlagerung des Stickstoffs in der Randzone ist gleichbedeutend mit einer lokalen Erhöhung der Festigkeit (ii) und der Härte. Dabei können an der Oberfläche Härtewerte von bis zu 1000HV, je nach Legierungszusammensetzung, erreicht werden. The incorporation of nitrogen in the edge zone is equivalent to a local increase in strength (ii) and hardness. Hardness values of up to 1000HV, depending on the alloy composition, can be achieved on the surface.
Grundsätzlich kann entsprechend des FKM-Ansatzes die Zug-Druck- Wechselfestigkeit Ow, ZD wie folgt mit der statischen Festigkeit Rm korreliert wer- den: Basically, according to the FKM approach, the tensile-to-tensile alternating strength Ow, ZD can be correlated with the static strength R m as follows:
σνν, ZD = 0,45 Rm σνν, ZD = 0.45 R m
Für homogene Werkstoffzustände entspricht die Erhöhung der Beanspruch- barkeit unter Wechsellast etwa der Hälfte des Betrages einer Festigkeitssteigerung unter statischer Beanspruchung. Die Erhöhung der zyklischen  For homogeneous material states, the increase in the resistance under alternating load corresponds to approximately half the amount of an increase in strength under static load. The increase of the cyclical
Beanspruchbarkeit in einer gezielt durch Nitrieren optimierten Randzone kann nach FKM-Richtlinie wie folgt quantifiziert werden: Resilience in a marginal zone optimized by nitriding can be quantified according to the FKM guideline as follows:
σνν, ZD = Kv 0,45 Rm σνν, ZD = K v 0.45 R m
mit  With
Kv = 1 ,15 bis 1 ,25 für glatte/schwach gekerbte Bauteile Kv = 1 ,30 bis 2,0 für gekerbte Bauteile  Kv = 1, 15 to 1, 25 for smooth / slightly notched components Kv = 1, 30 to 2.0 for notched components
In der Randzone können somit durch das verbindungsschichtarme Gasnitrieren sehr hohe Schwingfestigkeitskennwerte gezielt eingestellt werden. Je nach Bauteilgeometrie und Grundwerkstoff können Steigerungen der Beanspruchbarkeit unter wechselnder Last um 25 bis 100% erreicht werden. Je nach abso- luter Höhe der Belastung im Betrieb kann somit ein Werkstoff verwendet werden, der eine niedrigere Grundfestigkeit aufweist als die üblicherweise für hochdruckbeanspruchte Bauteile verwendeten hochfesten Stähle. Durch Reduzierung der Matrixhärte werden die Kosten für die mechanische Fertigung zusätzlich gesenkt. In the marginal zone, it is thus possible to set very high fatigue strength characteristics by means of low-gas-layer bonding. Depending on the component geometry and the base material, increases in load capacity under changing load can be achieved by 25 to 100%. Depending on the absolute As a result of the amount of stress in operation, it is thus possible to use a material which has a lower basic strength than the high-strength steels normally used for high-pressure-stressed components. By reducing the matrix hardness, the costs for mechanical production are further reduced.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Gasnitrierens gegenüber anderen schwingfestigkeitssteigernden Verfahren liegt darin, dass sowohl die Festigkeitssteigerung in der Randzone als auch die Eigenspannungen bei erhöhten Betriebstemperaturen unterhalb der Nitriertemperatur stabil sind. A further advantage of the gas nitriding according to the invention over other methods of increasing the vibration resistance is that both the increase in strength in the edge zone and the residual stresses at elevated operating temperatures below the nitriding temperature are stable.
Die Verbesserung des Korrosionsverhaltens (iii), ähnlich der einer Passivschicht, beruht auf der Bildung der Verbindungsschicht, welche überwiegend aus Eisennitriden besteht. Diese ε- und γ'-Nitride stellen in Bezug auf Korrosi- onsvorgänge stabile Phasen dar, welche die Korrosionsreaktionen in wässrigen und chloridhaltigen Medien im Vergleich zu einer ungeschützten, metallischen blanken Oberfläche deutlich verlangsamen. Die Dicke der Verbindungsschicht bestimmt das Maß der Korrosionsverzögerung. Durch die Prozessführung beim Gasnitrieren wird eine Verbindungsschichtdicke eingestellt, die ein Optimum zwischen Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit einerseits und Schwing- festigkeitssteigerung andererseits gewährleistet. The improvement of the corrosion behavior (iii), similar to that of a passive layer, is based on the formation of the bonding layer, which consists predominantly of iron nitrides. These ε- and γ'-nitrides represent stable phases with respect to corrosion processes, which significantly slow down the corrosion reactions in aqueous and chloride-containing media compared to an unprotected, metallic bare surface. The thickness of the tie layer determines the amount of corrosion delay. The process control in gas nitriding sets a bonding layer thickness which ensures an optimum between improvement of corrosion resistance on the one hand and increase of vibration strength on the other hand.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Stähle gehören insbesondere zu den folgenden Gruppen: The steels treated by the process according to the invention belong in particular to the following groups:
- un- und niedriglegierte Einsatzstähle - Unalloyed and low alloyed case hardened steels
un- und niedriglegierte Vergütungsstähle  unalloyed and low-alloy tempered steels
ausscheidungshärtende Stähle und AFP-Stähle  precipitation-hardening steels and AFP steels
Nitrierstähle  nitriding
Warmarbeitsstähle  Hot work tool steels
- Schnellarbeitsstähle - High speed steels
Zum Erreichen der gewünschten Schwingfestigkeitssteigerung und Beständigkeit gegenüber atmosphärischer und wässriger Korrosion ist eine thermische Behandlung bei Temperaturen oberhalb von ca. 420°C, insbesondere zwischen 480 °C und 620 °C, für eine von der erwünschten Zielfestigkeit abhängige Nitrierdauer bevorzugt. Die Nitrierdauer kann bis zu 96 Stunden, vorzugsweise zwischen zwei und zwölf Stunden betragen. Zur optimalen Steigerung der zyklischen Belastbarkeit sowie der Verschleißbeständigkeit der Bauteile wird die Nitrid-Diffusionsschicht mit einer Dicke von mindestens ca. 0,1 mm, bevorzugt von mindestens ca. 0,3 mm, in die Bauteiloberfläche eingebracht. Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein mit dem To achieve the desired increase in fatigue strength and resistance to atmospheric and aqueous corrosion is a thermal treatment at temperatures above about 420 ° C, in particular between 480 ° C and 620 ° C, for a nitriding time dependent on the desired target strength. The nitration time can be up to 96 hours, preferably between two and twelve hours. For optimal increase of the cyclic load capacity and the wear resistance of the components, the nitride diffusion layer is introduced into the component surface with a thickness of at least approximately 0.1 mm, preferably of at least approximately 0.3 mm. The invention also relates to a with the
erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil mit den Merkmalen von Anspruch 5. Component according to the invention manufactured with the features of claim 5.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfin- dung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Further advantages and advantageous embodiments of the subject matter of the invention can be taken from the description, the drawing and the claims.
Zeichnungen Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung stark schematisiert wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Drawings The invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment which is shown very schematically in the drawing. Show it:
Fig. 1 ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Beispielbauteil; und 1 shows a sample component produced by the method according to the invention; and
Fig. 2 den Verlauf der Härte und der Eigenspannungen des in Fig. 1 gezeigten Beispielbauteils in Abhängigkeit des Abstands von der Bauteiloberfläche. 2 shows the profile of the hardness and the residual stresses of the exemplary component shown in FIG. 1 as a function of the distance from the component surface.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles Description of the embodiment
Das in Fig. 1 schematisch gezeigte Bauteil 1 ist aus Stahl und insbesondere ein druckführendes und/oder mechanisch hoch belastetes Bauteil eines Kraftstoff- Einspritzsystems. Um die Beanspruchbarkeit des Bauteils 1 unter zyklischer Belastung zu steigern, ist in die Bauteiloberfläche gezielt ein Druckeigenspan- nungsprofil eingebracht, welches der bei zyklischer Belastung an der Bauteiloberfläche wirkenden Lastverteilung entgegenwirkt. Die Druck- Eigenspannungen sind mittels Gasnitrierens des Bauteils 1 gezielt in die Bau- teiloberfläche eingebracht, indem das Bauteil bei einer Nitriertemperatur zwischen ca. 420 °C und ca. 620 °C für eine von der erwünschten Zielfestigkeit abhängige Nitrierdauer gasnitriert wird Die Nitrierdauer kann bis zu 96 Stunden, vorzugsweise zwischen zwei und zwölf Stunden betragen. Durch das Gasnitrieren sind sowohl in die Bauteiloberfläche bzw. -randzone eine Nithd-Diffusionsschicht 2, welche die gewünschte Festigkeitserhöhung und die erforderlichen Druck-Eigenspannungen erzeugt, eingebracht, als auch auf die Bauteiloberfläche eine Nitrid-Verbindungsschicht 3 aufgebracht. Die Erzeugung der Druck-Eigenspannungen in der Diffusionsschicht 2 beruht auf der Ein- lagerung (Eindiffusion) von Stickstoff in der Randzone. Die Verbindungsschicht 3 besteht überwiegend aus Eisennitriden, die auf der Bauteiloberfläche abgelagert wurden. Die Nitrier-Prozessparameter, wie z.B. Nitriertemperatur und - dauer, Stickstoffkonzentration etc., sind so gewählt, dass die Dicke d der Nitrid- Verbindungsschicht maximal 10 μηη beträgt. Demgegenüber ist die Dicke D der Nithd-Diffusionsschicht 2 deutlich größer und beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel ca. 0,3 mm. The component 1 shown schematically in FIG. 1 is made of steel and in particular a pressurized and / or mechanically highly loaded component of a fuel injection system. To the strength of the component 1 under cyclic In order to increase load, a compressive stress profile is specifically introduced into the component surface, which counteracts the load distribution acting on the component surface during cyclic loading. The compressive residual stresses are introduced into the component surface in a targeted manner by means of gas nitriding of the component 1 by nitriding the component at a nitriding temperature between about 420 ° C. and about 620 ° C. for a nitriding time which depends on the desired target strength to 96 hours, preferably between two and twelve hours. By gas nitriding, a Nithd diffusion layer 2, which generates the desired increase in strength and the required compressive residual stresses, is introduced both into the component surface or edge zone, and a nitride bonding layer 3 is also applied to the component surface. The generation of the compressive residual stresses in the diffusion layer 2 is based on the deposition (indiffusion) of nitrogen in the edge zone. The bonding layer 3 consists predominantly of iron nitrides which have been deposited on the component surface. The nitriding process parameters, such as nitriding temperature and duration, nitrogen concentration, etc., are selected such that the thickness d of the nitride compound layer is at most 10 μm. In contrast, the thickness D of the Nithd diffusion layer 2 is significantly larger and is about 0.3 mm in the embodiment shown.
Wie in Fig. 2 gezeigt, betragen die durch das Gasnitrieren in das Bauteil 1 eingebrachten Druck-Eigenspannungen ES ungefähr 1000 MPa an der unmittelba- ren Bauteiloberfläche und nehmen mit dem Abstand X von der Bauteiloberfläche exponentiell ab, bis sie in diesem Beispiel in einer Bauteiltiefe von ca. 0,3 mm in Zugeigenspannungen übergehen. Im Beispielbauteil 1 ist außerdem an der Bauteiloberfläche eine lokale Erhöhung der zyklischen Festigkeitseigenschaften festzustellen, hier dargestellt als Erhöhung der Härte H mit Werten von bis zu 1000 HV direkt an der Oberfläche. Diese lokal erhöhte Härte nimmt mit zunehmendem Abstand X ab und erreicht in dem Beispiel in einem Abstand von ca. 0,3 mm von der Oberfläche die Härte des Grundwerkstoffes. As shown in FIG. 2, the compressive residual stresses ES introduced into the component 1 by the gas nitriding amount to approximately 1000 MPa at the immediate component surface and decrease exponentially with the distance X from the component surface, until at one component depth in this example from about 0.3 mm in tensile residual stresses. In the example component 1, a local increase in the cyclic strength properties can also be observed on the component surface, shown here as an increase in the hardness H with values of up to 1000 HV directly at the surface. This locally increased hardness decreases with increasing distance X and reaches in the example at a distance of approx. 0.3 mm from the surface the hardness of the base material.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren zum Steigern der Beanspruchbarkeit von Bauteilen (1 ) aus Stahl, insbesondere von druckführenden und/oder mechanisch hoch belasteten Bauteilen von Kraftstoff-Einsphtzsystemen, unter zyklischer Belastung mithilfe von Druckeigenspannungen, die gezielt in die Bauteiloberfläche eingebracht werden und die der bei zyklischer Belastung an der Bauteiloberfläche wirkenden Lastverteilung entgegenwirken, 1 . A method for increasing the strength of components (1) made of steel, in particular of pressurized and / or mechanically highly loaded components of fuel-Einpftzsystemen under cyclic load using compressive residual stresses, which are selectively introduced into the component surface and at cyclic loading at the Counteract component surface acting load distribution,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass ein Druck-Eigenspannungsprofil mittels Gasnitrierens des Bauteils (1 ) in die Bauteiloberfläche eingebracht wird und dass beim Gasnitrieren auf die Bauteiloberfläche eine Nitrid-Verbindungsschicht (3) mit einer Dicke (d) von maximal 10 μηη aufgebracht wird.  in that a pressure residual stress profile is introduced into the component surface by means of gas nitriding of the component (1) and that a nitride compound layer (3) having a thickness (d) of not more than 10 μm is applied during gas nitriding onto the component surface.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass beim 2. The method according to claim 1, characterized in that at
Gasnitrieren eine Nitrid-Diffusionsschicht (2), welche die Druck- Eigenspannungen erzeugt, in die Bauteiloberfläche eingebracht wird.  Gas nitriding a nitride diffusion layer (2), which generates the compressive residual stresses is introduced into the component surface.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrid- Diffusionsschicht (2) mit einer Dicke (D) von mindestens ca. 0,1 mm, bevorzugt von mindestens ca. 0,3 mm, in die Bauteiloberfläche 3. The method according to claim 2, characterized in that the nitride diffusion layer (2) with a thickness (D) of at least about 0.1 mm, preferably of at least about 0.3 mm, in the component surface
eingebracht wird.  is introduced.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Nitriertemperatur beim Gasnitrieren oberhalb von ca. 420 °C, insbesondere zwischen ca. 480 °C und ca. 620 °C, liegt.  characterized in that the nitriding temperature in gas nitriding above about 420 ° C, in particular between about 480 ° C and about 620 ° C, is located.
5. Bauteil (1 ) aus Stahl, insbesondere druckführendes und/oder mechanisch hoch belastetes Bauteil von Kraftstoff-Ei nspritzsystemen, wobei in die Bauteiloberfläche Druckeigenspannungen gezielt eingebracht sind, welche der bei zyklischer Belastung an der Bauteiloberfläche wirkenden 5. component (1) made of steel, in particular pressure-leading and / or mechanically highly loaded component of fuel injection systems Ei, wherein in the component surface compressive stresses are deliberately introduced, which which acts on the component surface during cyclic loading
Lastverteilung entgegenwirken,  Counteract load distribution,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass eine die Druck-Eigenspannungen erzeugende Nitrid- Diffusionsschicht (2) in die Bauteiloberfläche eingebracht und eine Nitrid- a nitride diffusion layer (2) generating the compressive residual stress is introduced into the component surface and a nitride
Verbindungsschicht (3) mit einer Dicke (d) von maximal 10 μηη auf die Bauteiloberfläche aufgebracht sind. Connecting layer (3) having a thickness (d) of a maximum of 10 μηη are applied to the component surface.
6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrid- Diffusionsschicht (2) eine Dicke (D) von mindestens 0,1 mm, bevorzugt von mindestens ca. 0,3 mm, aufweist. 6. Component according to claim 5, characterized in that the nitride diffusion layer (2) has a thickness (D) of at least 0.1 mm, preferably of at least about 0.3 mm.
EP10759620A 2009-10-21 2010-09-23 Method for increasing the strength of components made of steel under cyclic load Ceased EP2491160A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200910045878 DE102009045878A1 (en) 2009-10-21 2009-10-21 Method for increasing the strength of steel components under cyclic loading
PCT/EP2010/064062 WO2011047930A1 (en) 2009-10-21 2010-09-23 Method for increasing the strength of components made of steel under cyclic load

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2491160A1 true EP2491160A1 (en) 2012-08-29

Family

ID=43569208

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP10759620A Ceased EP2491160A1 (en) 2009-10-21 2010-09-23 Method for increasing the strength of components made of steel under cyclic load

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP2491160A1 (en)
CN (1) CN102666906A (en)
DE (1) DE102009045878A1 (en)
WO (1) WO2011047930A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015213068A1 (en) 2015-07-13 2017-01-19 Robert Bosch Gmbh Process for nitriding a component

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002047554A (en) * 2000-07-28 2002-02-15 Sumitomo Metal Mining Co Ltd Nitride-layer-coated austenitic iron-base alloy
EP1686295A1 (en) * 2003-10-27 2006-08-02 Riken Corporation Three piece-combined oil ring

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3495590B2 (en) * 1997-06-30 2004-02-09 アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 Gears subjected to soft nitriding and method for producing the gears
US20020104587A1 (en) * 2001-02-02 2002-08-08 Leo Medeiros Method for nitriding suspension components
JP2007077411A (en) * 2005-09-09 2007-03-29 Daido Steel Co Ltd Machine structural component having excellent fatigue strength and wear property, and method for producing the same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002047554A (en) * 2000-07-28 2002-02-15 Sumitomo Metal Mining Co Ltd Nitride-layer-coated austenitic iron-base alloy
EP1686295A1 (en) * 2003-10-27 2006-08-02 Riken Corporation Three piece-combined oil ring

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of WO2011047930A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102009045878A1 (en) 2011-04-28
CN102666906A (en) 2012-09-12
WO2011047930A1 (en) 2011-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102011006294B4 (en) Process for producing a hardened, coated metal component
DE102011002730B4 (en) Method for producing a corrosion-resistant spring, and corrosion-resistant spring produced therefrom
DE102004041234A1 (en) Wear resistant coating and method of making same
EP3645756B1 (en) Martensitic hardening steel and its use, in particular for producing a screw
DE102013010024B4 (en) Structural component for a motor vehicle and method for producing such a structural component
CN1274812A (en) High-strength screw
WO2019170507A1 (en) Bimetallic screw with martensitically hardenable steel
DE102012216117A1 (en) Method for producing a self-tapping screw
CH666288A5 (en) STEEL DIE, METHOD FOR THE PRODUCTION AND USE THEREOF.
DE102005045290A1 (en) Method for producing camshaft for IC engine with cams and cam bearings clamped onto a tubular shaft via forging through high internal pressure
WO2011047930A1 (en) Method for increasing the strength of components made of steel under cyclic load
WO2014044417A1 (en) Chain element and method for the production thereof
DE102015204656A1 (en) Layer formation for rolling bearing components
EP3538676B1 (en) Method for the heat treatment of a workpiece consisting of a high-alloy steel
WO2014044420A1 (en) Chain element, chain stud and method for the production thereof
DE102010015389B4 (en) Spring wire, spring with it and manufacturing process therefor
DE202014007106U1 (en) Stainless steel drilling screw made of duplex steel
DE102020004685A1 (en) Process for producing a surface-treated solid component from a steel material and such a component
WO2008052851A1 (en) Deep-drawn machine component, particularly a motor element, with at least one hardened bearing surface or guide surface
DE102008034399A1 (en) Production of metal matrix composite coatings comprises applying layer of aluminum or aluminum alloy powder containing non-metallic particles, quenching and then allowing specified repose times at room temperature and elevated temperature
EP3963121B1 (en) Method for coating a mechanically highly loaded surface of a component, and coated component itself
EP2813720B1 (en) bearing system
LU101954B1 (en) Process for producing a friction-optimized zinc coating on a steel component
EP4107413A1 (en) Sliding element, in particular piston ring, and method for producing same
DE112014005584T5 (en) Piston ring and heat treatment process

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20120521

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK SM TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20170412

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R003

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN REFUSED

18R Application refused

Effective date: 20181001