EP2925899B1 - Metallischer stahl-werkstoff - Google Patents

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EP2925899B1
EP2925899B1 EP13795241.2A EP13795241A EP2925899B1 EP 2925899 B1 EP2925899 B1 EP 2925899B1 EP 13795241 A EP13795241 A EP 13795241A EP 2925899 B1 EP2925899 B1 EP 2925899B1
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EP
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less
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chromium
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EP2925899A1 (de
EP2925899B8 (de
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Matthias Kuntz
Reinhold Ebner
Stefan Marsoner
Friedrich Muehleder
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP2925899B1 publication Critical patent/EP2925899B1/de
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Definitions

  • the present invention relates to a metallic material.
  • the present invention further relates to a method for producing a metallic material and the use of a metallic material for producing a component in an internal combustion engine.
  • Metallic materials are used in a variety of applications.
  • metallic materials are known as components of an internal combustion engine.
  • high-strength materials such as metallic materials, for example, given by their mechanical properties, as well as by their machinability.
  • cyclic strength and economical workability such as formability, machinability, or weldability may be important.
  • the document US3291655 discloses a process for producing a high creep, ferritic Cr-Mo-V ferritic steel with improved time-break elongation by austenitizing annealing, quenching to form a predominantly bainite structure, and annealing at 620 to 760 ° C with the precipitation of vanadium carbides in finely divided form.
  • the present invention is a metallic steel material according to claim 1.
  • such a metallic material further comprises at least chromium (Cr), molybdenum (Mo) and vanadium (V).
  • Cr chromium
  • Mo molybdenum
  • V vanadium
  • the abovementioned metals may be present, for example, in the form of an alloy, at least partially as pure metals or at least partly as carbides, as explained below.
  • the material may contain other ingredients, which may be necessary for a suitable manufacturing process or for a specific field of application.
  • constituents may be mentioned, for example, in the steel production customary constituents, such as sulfur or phosphorus.
  • such a metallic material has a bainitic basic structure.
  • a bainitic ground structure may be understood to mean such a structure, which may in particular have ferrite phases and cementite phases (Fe 3 C).
  • a bainitic structure on carbon may have supersaturated ferrite crystals present with cubic body-centered crystal lattice.
  • a bainite structure can be recognized on a carbon-supersaturated ferritic mixed crystal optionally with other ingredients such as, in particular, chromium, molybdenum and vanadium, in combination with iron-rich metal carbides such as cementite, wherein a non-limiting typical iron content of the metallic constituents of the carbides is in a range greater than or equal to 50 atomic%.
  • the combination of the mixed crystal and the carbides can in principle be present next to each other, which, however, can often be difficult to recognize.
  • carbide phases are or are provided in the above-described material. These carbidic phases can be at least partially formed by carbide present as molybdenum, vanadium and / or chromium.
  • each of the abovementioned metals may be present as carbide, or individual or a suitable mixture of the abovementioned metals may be present as carbides. It is understood by those skilled in the art that the aforementioned metals need not be fully present as carbides, but also may be included in non-carbidic form in the material.
  • the carbide phases are present at least partially with a diameter which is in a range of less than or equal to 200 nm, in particular in a range of less than or equal to 100 nm.
  • Carbides in this size range are in particular molybdenum and / or vanadium as carbides , In particular, these carbides may be responsible for a hardness increase, as will be explained in detail later. In addition, other carbides may be present which have a larger diameter, for example carbides of iron and / or chromium.
  • the aforementioned material is thus a carbide-hardened steel.
  • the aforementioned steel allows in an especially advantageous manner an increase in the cyclic resistance, in particular an improved fatigue strength and higher toughness, at the same time low-calorific heat treatment.
  • the above-described carbide-hardened steel allows the possibility of combining soft-working with an increase in cyclic-strength.
  • the Carbidaushärtung offers the Possibility of a dimensionally stable strength increase of the steel structure by means of aging or heat treatment at moderate temperatures.
  • a soft bainitic ground structure such as having a hardness in a range of less than 37HRC (Rockwell hardness;
  • the Rockwell hardness of a material results from the penetration depth of a specimen in case of concern a certain fore- and Test load and can be determined, for example, according to DIN EN ISO 6508-1), and high strength increases of up to 10HRC or even more can be achieved via the following carbide precipitations.
  • the above-described material thus allows little effort in an optionally necessary post-processing in the hard state.
  • a post-processing in a hard state can be completely eliminated, which can allow a shortening of the value-added chain for setting the desired component property.
  • a particularly simple and cost-effective production process can be made possible.
  • the above-mentioned material is particularly inexpensive to produce and can also meet future requirements, with a dicheronia can also be given to the specific application requirements.
  • the above-described metallic material or the above-described carbide-hardened steel allows a particularly advantageous use in particularly harsh conditions, such as high temperatures, oxidative atmospheres and high pressures.
  • An advantageous application can be seen in internal combustion engines.
  • the above-described material can be used in injection systems, for example a diesel engine. Concrete application examples include the formation of nozzles or injectors, pressure accumulators or high-pressure pumps in injection systems. Because even in such applications occurring conditions, such as high Injection pressures of, for example, 3000 bar, the above-described material can easily withstand cost-effective manufacturability.
  • the above-described material allows the production of mechanically and / or cyclically highly stressable components, an adjustment of previously unavailable property combinations in steels, and thereby a particularly simple and cost-effective production process.
  • the steel material may further comprise at least one further constituent selected from the group consisting of silicon and manganese.
  • the properties of the material in particular with regard to the mechanical resistance or the cyclic resistance, can be further improved.
  • manganese for example, the hardenability, tensile strength and weldability and in principle the processability can be improved, which depending on the application or in particular depending on the production of great advantage. For example, a cooling occurring during the production can be improved due to an enlarged cooling window.
  • Silicon for example, can serve, in particular in the production of the material, to improve the processability and also to serve as a deoxidizer in order to protect the material from negative influence. Another advantage of providing silicon can be seen in that the tensile strength, yield strength and scale resistance of the material can be increased. In principle, silicon can further increase the strength. In addition, silicon as a mixed crystal hardener can further improve the mechanical properties.
  • the material may have a hardness of greater than or equal to 45HRC.
  • the material has a hardness that can not be achieved according to the prior art or only by much more complex manufacturing steps, as these are necessary for the described material.
  • the material in particular with such a high hardness, has a very high mechanical stability or cyclic resistance, so that a particularly wide field of application can be possible.
  • HRC in particular the hardness according to Rockwell can be understood.
  • the Rockwell hardness of a material results from the penetration depth of a test specimen when a given pre-test and test force and can be determined, for example, according to DIN EN ISO 6508-1.
  • the above-described metallic composition is therefore in particular a steel. It also has the potential for carbide precipitation by the elements carbon in combination with chromium, molybdenum and vanadium.
  • To form the material takes place in a further process step b) treating the metallic composition at elevated temperature.
  • the metallic composition can in particular be heated to or above its austenitizing temperature or austenite formation temperature.
  • heating takes place at a temperature in a range of greater than or equal to 950 ° C. up to a temperature in a range of less than or equal to 1100 ° C. This temperature may be maintained for a predetermined period of time, such as typically 15 to 120 minutes.
  • an austenite formation of the metallic composition thus takes place.
  • the metallic composition is cooled at a predetermined cooling rate.
  • the predetermined cooling rate can be selected, for example, as a function of the concrete metallic composition or its percentage composition. In principle, cooling rates which are in a range of greater than or equal to 0.2 K / s to less than or equal to 3 K / s may be suitable for the described metallic composition.
  • a bainitic ground structure is formed.
  • a steel having a hardness in the range of 32 to 40 HRC, for example 35HRC, can be obtained.
  • the further temperature treatment is carried out in particular by the provision of carbon and also chromium, molybdenum and vanadium, a formation of the corresponding metal carbides, in particular carbide or nanoscale Carbidausscheidungen in a range of less than or equal to 200nm, in particular in a range of 100nm.
  • the hardness can be further increased by a range of about 10HRC, so that a material having a hardness of 45HRC or even higher can be obtained.
  • the basic hardness of the bainitic microstructure and the increase in hardness or increase in strength can be adapted to the desired field of application in the method described above.
  • the material or its structure still has sufficient ductility even after curing, so that further strength-increasing technologies, such as autofrettage, can be used.
  • the subject matter of the present invention is furthermore a use of a material designed as described above or of a method configured as described above for producing a component for an internal combustion engine, in particular for producing an injection component.
  • an internal combustion engine can be understood in particular to mean a heat engine which converts the chemical energy of a fuel into mechanical energy via a combustion process.
  • Examples of internal combustion engines are in particular an internal combustion engine, such as a diesel engine or a gasoline engine.
  • injection components such as, for example, nozzles or injectors, high-pressure pumps or pressure accumulators, in particular for a diesel engine, may be mentioned as specific fields of application.
  • the subject of the present invention is furthermore an injection component for an internal combustion engine, comprising a material designed as described above.
  • the present invention is in particular an injection component, such as in particular a nozzle or an injector, a high-pressure pump or a pressure accumulator, which are at least partially, for example completely, formed from the material described above.
  • injection component according to the present invention a pressurized or pressure-loaded component of an injection system, in particular for a Diesel engine can be understood. Due to the outstanding properties of the above-described material in terms of mechanical stability and cyclic strength of the above-described material is particularly suitable for producing an injection component, in particular for a diesel engine.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen metallischen Werkstoff. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Werkstoffs sowie die Verwendung eines metallischen Werkstoffs zum Herstellen eines Bauteils in einer Brennkraftmaschine.
    • Stand der Technik
  • Metallische Werkstoffe werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Beispielsweise sind metallische Werkstoffe als Komponenten einer Brennkraftmaschine bekannt. Eine wesentliche Begrenzung der möglichen Ausnutzung von hochfesten Werkstoffen, wie beispielsweise metallischen Werkstoffen, ist beispielsweise durch ihre mechanischen Eigenschaften gegeben, wie auch durch ihre Bearbeitbarkeit. Insbesondere können die zyklische Beanspruchbarkeit und die wirtschaftliche Bearbeitbarkeit, wie etwa die Umformbarkeit, Zerspanbarkeit oder Schweißbarkeit von Bedeutung sein.
  • Diesbezüglich ist es beispielsweise bekannt, eine zyklische Beanspruchbarkeit durch eine spezielle Härtung eines Werkstoffs, wie insbesondere eines Stahls, mittels Wärmebehandlung zu erreichen. Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Härtungsverfahren weisen jedoch oftmals noch Verbesserungspotenzial auf, insbesondere mit Bezug auf das konkrete Herstellungsverfahren des jeweiligen Werkstoffs, wie insbesondere des Stahls.
  • Das Dokument US3291655 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines warmfesten, ferritischen Cr-Mo-V-Stahles mit hoher Zeitstandfestigkeit und verbesserter Zeitbruchdehnung durch Austenitisierungsglühen, Abschrecken unter Bildung eines überwiegend aus Bainit bestehenden Gefüges und Anlassen bei 620 bis 760°C unter Ausscheidung der Vanadiumcarbide in feinverteilter Form.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein metallischer Stahl-Werkstoff gemäß Anspruch 1.
  • Ein derartiger metallischer Werkstoff umfasst neben Eisen und Kohlenstoff ferner wenigstens Chrom (Cr), Molybden (Mo) und Vanadium (V). Die vorgenannten Metalle können beispielsweise in Form einer Legierung vorliegen, zumindest teilweise als reine Metalle oder auch zumindest teilweise als Carbide, wie dies im Weiteren erläutert ist. Darüber hinaus kann der Werkstoff weitere Bestandteile enthalten, welche etwa für ein geeignetes Herstellungsverfahren oder für ein spezielles Anwendungsgebiet notwendig sein können. Als weitere Bestandteile können beispielsweise genannt werden bei der Stahlherstellung übliche Bestandteile, wie etwa Schwefel oder Phosphor.
    Ferner weist ein derartiger metallischer Werkstoff ein bainitisches Grundgefüge auf. Unter einem bainitischen Grundgefüge kann dabei eine derartige Struktur verstanden werden, die insbesondere Ferritphasen und Zementit-Phasen (Fe3C) aufweisen kann. Insbesondere kann eine Bainitstruktur an Kohlenstoff übersättigte Ferrit-Kristalle aufweisen, die mit kubisch raumzentriertem Kristallgitter vorliegen. In anderen Worten kann eine Bainitstruktur erkannt werden an einem bezüglich Kohlenstoff übersättigten ferritischen Mischkristall gegebenenfalls mit weiteren Bestandteilen wie insbesondere Chrom, Molybden und Vanadium, in Kombination mit eisenreichen Metallcarbiden, wie etwa Zementit, wobei ein nicht beschränkender typischer Eisenanteil der metallischen Bestandteile der Carbide in einem Bereich von größer oder gleich 50 Atom-% besteht. Dabei kann die Kombination des Mischkristalls und der Carbide grundsätzlich nebeneinander vorliegen, was jedoch oftmals nur schwer erkennbar sein kann.
  • Weiterhin liegen in dem vorbeschriebenen Werkstoff carbidische Phasen vor beziehungsweise sind vorgesehen. Diese carbidischen Phasen können dabei zumindest teilweise gebildet werden durch als Carbid vorliegendes Molybden, Vanadium und/oder Chrom. Dabei kann jedes der vorgenannten Metalle als Carbid vorliegen, oder einzelne oder eine geeignete Mischung der vorgenannten Metalle können als Carbide vorliegen. Dabei ist dem Fachmann verständlich, dass die vorgenannten Metalle nicht vollständig als Carbide vorliegen brauchen, sondern ferner auch in nicht carbidischer Form in dem Werkstoff enthalten sein können.
    Dabei liegen die carbidischen Phasen zumindest teilweise mit einem Durchmesser vor, der in einem Bereich von kleiner oder gleich 200nm liegt, insbesondere in einem Bereich von kleiner oder gleich 100 nm. Dabei liegen als Carbide in diesem Größenbereich insbesondere Molybden und/oder Vanadium als Carbide vor. Insbesondere diese Carbide können für eine Härtesteigerung verantwortlich sein, wie dies im Detail später erläutert wird. Darüber hinaus können weitere Carbide vorliegen, die einen größeren Durchmesser aufweisen, beispielsweise Carbide von Eisen und/oder Chrom.
  • Der vorgenannte Werkstoff ist somit ein carbidgehärteter Stahl. Der vorgenannte Stahl erlaubt in besonders vorteilhafter Weise eine Erhöhung der zyklischen Beanspruchbarkeit, wie insbesondere einer verbesserten Schwingfestigkeit und höheren Zähigkeit, bei gleichzeitig maßänderungsarmer Wärmebehandlung.
    Im Detail erlaubt der vorbeschriebene carbidgehärtete Stahl die Möglichkeit, eine Bearbeitung im weichen Zustand mit einer Erhöhung der zyklischen Beanspruchbarkeit zu verbinden. Die Carbidaushärtung bietet dabei die Möglichkeit einer maßänderungsarmen Festigkeitssteigerung des Stahlgefüges mittels Auslagerung beziehungsweise Wärmebehandlung bei moderaten Temperaturen. Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffs können dabei über die Einstellung eines weichen bainitischen Grundgefüges, etwa mit einer Härte in einem Bereich von kleiner als 37HRC (Härte nach Rockwell; Die Rockwellhärte eines Werkstoffs ergibt sich aus der Eindringtiefe eines Prüfkörpers bei Anliegen einer bestimmten Vor- und Prüfkraft und ist ermittelbar beispielsweise nach DIN EN ISO 6508-1) und über folgende Carbidausscheidungen hohe Festigkeitssteigerungen von bis zu 10HRC oder sogar darüber realisierbar sein.
  • Der vorbeschriebene Werkstoff erlaubt somit einen geringen Aufwand bei einer gegebenenfalls notwendigen Nachbearbeitung im harten Zustand. Insbesondere kann bei der Herstellung eines vorbeschriebenen Werkstoffs eine Nachbearbeitung in einem harten Zustand vollständig entfallen, was eine Verkürzung der Wertschöpfungskette zur Einstellung der gewünschten Bauteileigenschaft ermöglichen kann. Dadurch kann ein besonders einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren ermöglicht werden. Weiterhin ist es möglich, den Werkstoff an ein besonders breites Anwendungsgebiet anpassen zu können.
  • Der vorbenannte Werkstoff ist dabei besonders kostengünstig herstellbar und kann auch zukünftigen Anforderungen gerecht werden, wobei ferner eine Maßschneiderbarkeit an die konkreten Anwendungswünsche gegeben sein kann.
  • Der vorbeschriebene metallische Werkstoff beziehungsweise der vorbeschriebene carbidgehärtete Stahl erlaubt eine besonders vorteilhafte Anwendung bei besonders harschen Bedingungen, wie etwa hohen Temperaturen, oxidativen Atmosphären und hohen Drücken. Eine vorteilhafte Anwendung kann dabei in Brennkraftmaschinen gesehen werden. Insbesondere kann der vorbeschriebene Werkstoff angewendet werden in Einspritzsystemen, beispielsweise eines Dieselmotors. Konkrete Anwendungsbeispiele umfassen das Ausbilden von Düsen beziehungsweise Injektoren, Druckspeichern oder Hochdruckpumpen in Einspritzsystemen. Denn auch bei derartigen Anwendungen auftretenden Bedingungen, wie beispielsweise hohen Einspritzdrücken von beispielsweise 3000bar, kann der vorbeschriebene Werkstoff problemlos bei kostengünstiger Herstellbarkeit standhalten.
    Neben den vorbeschriebenen Vorteilen bezüglich der mechanischen Stabilität beziehungsweise zyklischen Beanspruchbarkeit besitzt der Werkstoff beziehungsweise sein Gefüge auch nach der Aushärtung noch genügend Duktilität, so dass weitere festigkeitssteigernde Technologien, wie etwa Autofrettage, zum Einsatz kommen können.
    Zusammenfassend erlaubt der vorbeschriebene Werkstoff die Herstellung von mechanisch und/oder zyklisch hoch beanspruchbaren Bauteilen, eine Einstellung von bisher nicht verfügbaren Eigenschaftskombinationen bei Stählen, und dabei ein besonders einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren.
  • Der Stahl-Werkstoff kann ferner wenigstens einen weiteren Bestandteil aus der Gruppe bestehend aus Silicium und Mangan aufweisen. Durch das Vorsehen wenigstens eines dieser weiteren Bestandteile können die Eigenschaften des Werkstoffs insbesondere hinsichtlich der mechanischen Beständigkeit beziehungsweise der zyklischen Beanspruchbarkeit noch weiter verbessert werden. Durch das Vorsehen von Mangan, beispielsweise, kann die Härtbarkeit, Zugfestigkeit und Schweißbarkeit und grundsätzlich die Prozessierbarkeit verbessert werden, was je nach Anwendungsfall beziehungsweise insbesondere je nach Herstellung von großem Vorteil sein kann. Beispielsweise kann eine während der Herstellung auftretende Abkühlung aufgrund eines vergrößerten Abkühlfensters verbessert werden. Silizium, beispielsweise, kann insbesondere bei der Herstellung des Werkstoffs dazu dienen, die Verarbeitbarkeit zu verbessern und ferner als Desoxidationsmittel zu dienen um den Werkstoff so vor negativer Beeinflussung zu schützen. Ein weiterer Vorteil des Vorsehens von Silizium kann darin gesehen werden, dass die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zunderbeständigkeit des Werkstoffs erhöht werden kann. Grundsätzlich kann Silizium ferner die Festigkeit erhöhen. Darüber hinaus kann Silizium als Mischkristallhärter die mechanischen Eigenschaften noch weiter verbessern.
  • Erfindungsgemäß weist der Stahl-Werkstoff auf:
    • Kohlenstoff in einem Gehalt von größer oder gleich 0,25Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,4Gew.-%;
    • Chrom in einem Gehalt von größer oder gleich 0,3Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,6Gew.-%;
    • Molybden in einem Gehalt von größer oder gleich 1,5Gew.-% bis kleiner oder gleich 3,2Gew.-%;
    • Vanadium in einem Gehalt von größer oder gleich 0,2Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,6Gew.-%;
    • Silicium in einem Gehalt von größer oder gleich 0Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,35Gew.-%;
    • Mangan in einem Gehalt von größer oder gleich 0Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,35Gew.-%; wobei
    die vorgenannten Bestandteile zusammen in einem Gehalt von kleiner als 100 Gew.-% vorliegen, und wobei sich die weiteren Bestandteile auf Eisen und gegebenenfalls weitere, etwa aus der Stahlherstellung bekannte Bestandteile, wie beispielsweise Phosphor oder Stickstoff, verteilen.
    Überraschenderweise konnte gefunden werden, dass insbesondere in dieser Ausgestaltung die herausragenden Eigenschaften des vorbeschriebenen Werkstoffs, wie insbesondere die mechanische Stabilität, und die zyklische Beanspruchbarkeit, besonders ausgeprägt sein können. Dabei beschreiben die vorgenannten Gehaltsgrenzen insbesondere eine integrale Zusammensetzung, also das Vorhandensein der jeweiligen Mengen der entsprechenden Atome der Substanzen in jeglicher chemischer Verbindung. Somit kann beispielsweise Chrom etwa als Legierungsbestandteil vorliegen, also in nicht carbidischer Form, oder auch zumindest teilweise in Form eines Carbids. Darüber hinaus können weitere, nicht genannte, Bestandteile in dem vorbeschriebenen Werkstoff vorhanden sein, um beispielsweise das Herstellungsverfahren zu optimieren oder eine Anpassung an spezielle Anwendungsgebiete zu ermöglichen.
    Bei einer konkreten Ausführungsform kann es bevorzugt sein, dass der Werkstoff die folgenden Bestandteile aufweist:
    • Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,35Gew.-%;
    • Chrom in einem Gehalt von 0,5Gew.-%;
    • Molybden in einem Gehalt von 3,0Gew.-%;
    • Vanadium in einem Gehalt von 0,45Gew.-%;
    • Silicium in einem Gehalt von 0,3Gew.-%; und
    • Mangan in einem Gehalt von 0,3Gew.-%; wobei
    die vorgenannten Bestandteile zusammen in einem Gehalt von kleiner als 100Gew.-% vorliegen und wobei sich die weiteren Bestandteile auf Eisen und gegebenenfalls weitere, etwa aus der Stahlherstellung bekannte Bestandteile, wie beispielsweise Phosphor oder Stickstoff, verteilen.
    Dabei ist die vorbeschriebene integrale Zusammensetzung des Werkstoffs insbesondere ermittelbar durch eine Funkenspektralanalyse. Aus der Funkenspektralanalyse beziehungsweise Spektralanalyse ist dabei in an sich bekannter Weise ein Verfahren zu verstehen, bei welchem die einzelnen Atome, insbesondere Metallatome, angeregt werden und die entsprechend ausgesendeten Spektrallinien untersucht werden, wobei anhand der Intensität die Menge beziehungsweise anhand der Wellenlänge die Art der Atome ermittelbar ist.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung kann der Werkstoff eine Härte von größer oder gleich 45HRC aufweisen. Insbesondere in dieser Ausgestaltung weist der Werkstoff eine Härte auf, die gemäß dem Stand der Technik nicht oder nur durch wesentlich aufwändigere Herstellungsschritte, als diese für den beschriebenen Werkstoff notwendig sind, erreichbar sein können. Darüber hinaus weist der Werkstoff insbesondere mit einer derartig großen Härte eine sehr hohe mechanische Stabilität beziehungsweise zyklische Beanspruchbarkeit auf, so dass ein besonders breites Anwendungsgebiet möglich sein kann. Dabei kann unter HRC insbesondere die Härte nach Rockwell verstanden werden. Die Rockwellhärte eines Werkstoffs ergibt sich dabei aus der Eindringtiefe eines Prüfkörpers bei Anliegen einer bestimmten Vor- und Prüfkraft und ist ermittelbar beispielsweise nach DIN EN ISO 6508-1.
    Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Werkstoffs wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Verwendung sowie der erfindungsgemäßen Einspritzkomponente verwiesen.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten metallischen Werkstoffs, aufweisend die Verfahrensschritte:
    1. a) Bereitstellen einer metallischen Zusammensetzung aufweisend wenigstens die Bestandteile Eisen, Kohlenstoff, Chrom, Molybden, Vanadium, und gegebenenfalls Silizium und gegebenenfalls Mangan, wobei die Zusammensetzung aufweist:
      • Kohlenstoff in einem Gehalt von größer oder gleich 0,25Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,4Gew.-%;
      • Chrom in einem Gehalt von größer oder gleich 0,3Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,6Gew.-%;
      • Molybden in einem Gehalt von größer oder gleich 1,5Gew.-% bis kleiner oder gleich 3,2Gew.-%;
      • Vanadium in einem Gehalt von größer oder gleich 0,2Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,6Gew.-%;
      • Silicium in einem Gehalt von größer oder gleich 0Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,35Gew.-%; und
      • Mangan in einem Gehalt von größer oder gleich 0Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,35Gew.-%, wobei die vorgenannten Bestandteile zusammen in einem Gehalt von kleiner als 100 Gew.-% vorliegen, und wobei sich die weiteren Bestandteile auf Eisen und gegebenenfalls Phosphor und gegebenenfalls Stickstoff verteilen;
    2. b) Behandeln der metallischen Zusammensetzung mit einer Temperatur, die größer oder gleich der Austenitisierungstemperatur ist;
    3. c) Abkühlen der metallischen Zusammensetzung mit einer vorbestimmten Abkühlrate;
    4. d) Behandeln des unter Verfahrensschritt c) erhaltenen Produkts mit einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 400°C; und
    5. e) Abkühlen des unter Verfahrensschritt d) erhaltenen Produkts.
    Das vorbeschriebene Verfahren beruht insbesondere auf der Einstellung eines bainitischen Grundgefüges mit anschließender Carbidausscheidung bei einer zweistufigen Temperaturbehandlung beziehungsweise Auslagerung bei moderaten Temperaturen mit jeweiligem anschließendem Abkühlen.
    Hierzu wird in einem ersten Verfahrensschritt a) eine metallische Zusammensetzung, wie in Anspruch 5 angegeben, bereitgestellt. Dies kann im Wesentlichen mit einem aus der Stahlherstellung bekannten Verfahren realisierbar sein. Im Detail kann das an sich bekannte Elektrostahlverfahren Anwendung finden, bei welchem die jeweiligen Bestandteile mit der geeigneten Zusammensetzung insbesondere in einem Lichtbogenofen eingeschmolzen werden.
  • Die vorbeschriebene metallische Zusammensetzung ist somit insbesondere ein Stahl. Sie hat ferner das Potential zu einer Carbidausscheidung durch die Elemente Kohlenstoff in Kombination mit Chrom, Molybden und Vanadium.
    Um den Werkstoff auszubilden erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt b) ein Behandeln der metallischen Zusammensetzung unter erhöhter Temperatur. Dabei kann die metallische Zusammensetzung insbesondere auf oder über ihre Austenitisierungstemperatur beziehungsweise Austenitbildungstemperatur erhitzt werden. Für die vorliegende metallische Zusammensetzung erfolgt dabei ein Erhitzen auf eine Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 950°C bis zu einer Temperatur in einem Bereich von kleiner oder gleich 1100°C. Diese Temperatur kann dabei für einen vorbestimmten Zeitraum, wie für typischerweise 15 bis 120 min beibehalten werden. Während des Verfahrensschritts b) erfolgt somit eine Austenitbildung der metallischen Zusammensetzung.
    Weiterhin erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt c) ein Abkühlen der metallischen Zusammensetzung mit einer vorbestimmten Abkühlrate. Die vorbestimmte Abkühlrate kann beispielsweise gewählt werden in Abhängigkeit der konkret gewählten metallischen Zusammensetzung beziehungsweise deren prozentualer Zusammensetzung. Grundsätzlich können für die beschriebene metallische Zusammensetzung Abkühlraten geeignet sein, die in einem Bereich von größer oder gleich 0,2K/s bis kleiner oder gleich 3K/s liegen. Bei diesem Verfahrensschritt c) erfolgt eine Bildung eines bainitischen Grundgefüges. Dabei kann ein Stahl erhalten werden, der bereits eine Härte in einem Bereich von 32 bis 40 HRC, beispielsweise 35HRC aufweist.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt eine weitere Temperaturbehandlung des erhaltenen Produkts mit einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 400°C, insbesondere in einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 450°C bis kleiner oder gleich 600°C, beispielsweise für einen Bereich von mehr als einer Stunde, beispielsweise für zwei Stunden. Durch die weitere Temperaturbehandlung erfolgt insbesondere durch das Vorsehen von Kohlenstoff und ferner Chrom, Molybden und Vanadium eine Bildung von den entsprechenden Metallcarbiden, insbesondere von Carbidphasen beziehungsweise von nanoskaligen Carbidausscheidungen in einem Bereich von kleiner oder gleich 200nm, insbesondere in einem Bereich von 100nm. Dadurch kann die Härte weiter gesteigert werden um einen Bereich von ungefähr 10HRC, so dass ein Werkstoff erzielbar ist, der eine Härte von 45HRC oder sogar darüber aufweist.
  • Anschließend erfolgt gemäß Verfahrensschritt e) ein weiteres Abkühlen des fertiggestellten Werkstoffs.
  • Mittels geringfügiger Änderungen in der Wahl der chemischen Zusammensetzung der metallischen Zusammensetzung sowie insbesondere der Parameter der Wärmebehandlungen beziehungsweise der Behandlung unter erhöhter Temperatur sowie des Abkühlens kann bei dem vorbeschriebenen Verfahren die Grundhärte des bainitischen Gefüges sowie die Härtesteigerung beziehungsweise Festigkeitssteigerung an das gewünschte Anwendungsgebiet angepasst werden.
  • Beispielsweise besitzt der Werkstoff beziehungsweise sein Gefüge auch nach der Aushärtung noch genügend Duktilität, so dass weitere festigkeitssteigernde Technologien, wie etwa Autofrettage, zum Einsatz kommen können.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff, der erfindungsgemäßen Verwendung sowie der erfindungsgemäßen Einspritzkomponente verwiesen.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Verwendung eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Werkstoffs oder eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zum Herstellen einer Einspritzkomponente.
  • Durch die herausragenden Eigenschaften des vorbeschriebenen Werkstoffs hinsichtlich mechanischer Stabilität sowie zyklischer Beanspruchbarkeit ist der vorbeschriebene Werkstoff insbesondere zum Herstellen eines derartigen Bauteils geeignet, welches unter harschen Bedingungen betrieben wird. Insbesondere ist der vorgenannte Werkstoff beziehungsweise das vorgenannte Verfahren damit geeignet, um ein Bauteil für eine Brennkraftmaschine herstellen zu können. Unter einer Brennkraftmaschine kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Wärmekraftmaschine verstanden werden, die über einen Verbrennungsvorgang die chemische Energie eines Kraftstoffes in mechanische Energie umwandelt. Beispiele für Brennkraftmaschinen sind dabei insbesondere ein Verbrennungsmotor, wie etwa ein Dieselmotor oder ein Ottomotor. Insbesondere können als konkrete Anwendungsgebiete Einspritzkomponenten, wie beispielsweise Düsen beziehungsweise Injektoren, Hochdruckpumpen oder Druckspeicher, insbesondere für einen Dieselmotor, genannt werden.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff, dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Einspritzkomponente verwiesen.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Einspritzkomponente für eine Brennkraftmaschine, aufweisend einen wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Werkstoff. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Einspritzkomponente, wie insbesondere eine Düse beziehungsweise ein Injektor, eine Hochdruckpumpe oder ein Druckspeicher, die zumindest teilweise, beispielsweise vollständig, aus dem vorstehend beschriebenen Werkstoff ausgebildet sind. Insbesondere kann unter dem Begriff Einspritzkomponente im Sinne der vorliegenden Erfindung ein druckführendes oder druckbelastetes Bauteil einer Einspritzanlage, insbesondere für einen Dieselmotor verstanden werden. Durch die herausragenden Eigenschaften des vorbeschriebenen Werkstoffs hinsichtlich mechanischer Stabilität sowie zyklischer Beanspruchbarkeit ist der vorbeschriebene Werkstoff insbesondere zum Herstellen einer Einspritzkomponente insbesondere für einen Dieselmotor geeignet.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einspritzkomponente wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff, dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Verwendung verwiesen.

Claims (10)

  1. Metallischer Stahl-Werkstoff, aufweisend wenigstens Eisen, Kohlenstoff, Chrom, Molybden und Vanadium, wobei der Werkstoff ein bainitisches Grundgefüge aufweist, und wobei ferner carbidische Phasen vorgesehen sind, die zumindest teilweise gebildet werden durch als Carbid vorliegendes Molybden, Vanadium und/oder Chrom, wobei die carbidischen Phasen zumindest teilweise einen Durchmesser in einem Bereich von kleiner oder gleich 200nm aufweisen, wobei der Werkstoff aufweist:
    - Kohlenstoff in einem Gehalt von größer oder gleich 0,25Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,4Gew.-%;
    - Chrom in einem Gehalt von größer oder gleich 0,3Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,6Gew.-%;
    - Molybden in einem Gehalt von größer oder gleich 1,5Gew.-% bis kleiner oder gleich 3,2Gew.-%;
    - Vanadium in einem Gehalt von größer oder gleich 0,2Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,6Gew.-%;
    - Silicium in einem Gehalt von größer oder gleich 0Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,35Gew.-%; und
    - Mangan in einem Gehalt von größer oder gleich 0Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,35Gew.-%,
    wobei die vorgenannten Bestandteile zusammen in einem Gehalt von kleiner als 100 Gew.-% vorliegen, und wobei sich die weiteren Bestandteile auf Eisen und gegebenenfalls Phosphor und gegebenenfalls Stickstoff verteilen.
  2. Stahl-Werkstoff nach Anspruch 1, wobei der Werkstoff ferner wenigstens einen weiteren Bestandteil aus der Gruppe bestehend aus Silicium und Mangan aufweist.
  3. Stahl-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Werkstoff aufweist:
    - Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,35Gew.-%;
    - Chrom in einem Gehalt von 0,5Gew.-%;
    - Molybden in einem Gehalt von 3,0Gew.-%;
    - Vanadium in einem Gehalt von 0,45Gew.-%;
    - Silicium in einem Gehalt von 0,3Gew.-%; und
    - Mangan in einem Gehalt von 0,3Gew.-%.
  4. Stahl-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Werkstoff eine Härte von größer oder gleich 42 HRC, insbesondere größer oder gleich 45HRC, aufweist.
  5. Verfahren zum Herstellen eines Stahl-Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend die die Verfahrensschritte:
    a) Bereitstellen einer metallischen Zusammensetzung aufweisend wenigstens die Bestandteile Eisen, Kohlenstoff, Chrom, Molybden, Vanadium, und gegebenenfalls Silizium und gegebenenfalls Mangan, wobei die Zusammensetzung aufweist:
    - Kohlenstoff in einem Gehalt von größer oder gleich 0,25Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,4Gew.-%;
    - Chrom in einem Gehalt von größer oder gleich 0,3Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,6Gew.-%;
    - Molybden in einem Gehalt von größer oder gleich 1,5Gew.-% bis kleiner oder gleich 3,2Gew.-%;
    - Vanadium in einem Gehalt von größer oder gleich 0,2Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,6Gew.-%;
    - Silicium in einem Gehalt von größer oder gleich 0Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,35Gew.-%; und
    - Mangan in einem Gehalt von größer oder gleich 0Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,35Gew.-%,
    wobei die vorgenannten Bestandteile zusammen in einem Gehalt von kleiner als 100 Gew.-% vorliegen, und wobei sich die weiteren Bestandteile auf Eisen und gegebenenfalls Phosphor und gegebenenfalls Stickstoff verteilen;
    b) Behandeln der metallischen Zusammensetzung mit einer Temperatur, die größer oder gleich der Austenitisierungstemperatur ist;
    c) Abkühlen der metallischen Zusammensetzung mit einer vorbestimmten Abkühlrate, wobei eine Bildung eines bainitischen Grundgefüges erfolgt;
    d) Behandeln des unter Verfahrensschritt c) erhaltenen Produkts mit einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 400°C, wobei eine Bildung von Carbidausscheidungen in einem Bereich von kleiner oder gleich 200nm erfolgt; und
    e) Abkühlen des unter Verfahrensschritt d) erhaltenen Produkts.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei Verfahrensschritt b) durchgeführt wird in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 950°C bis kleiner oder gleich 1100°C.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei Verfahrensschritt d) durchgeführt wird in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 450°C bis kleiner oder gleich 600°C.
  8. Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, wobei bei Verfahrensschritt c) eine Abkühlrate in einem Bereich von größer oder gleich 0,2K/s bis kleiner oder gleich 3K/s verwendet wird.
  9. Verwendung eines Stahl-Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Herstellen eines Bauteils für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einer Einspritzkomponente.
  10. Einspritzkomponente für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Dieselmotor, aufweisend einen Stahl-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
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