WO2013124100A1 - Verfahren zum herstellen eines metallischen bauteils - Google Patents

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Johannes Mueller
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Robert Bosch Gmbh
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C23/00—Extruding metal; Impact extrusion
    • B21C23/001—Extruding metal; Impact extrusion to improve the material properties, e.g. lateral extrusion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/061—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means
    • F02M51/0625—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures
    • F02M51/0664—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures having a cylindrically or partly cylindrically shaped armature, e.g. entering the winding; having a plate-shaped or undulated armature entering the winding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/081—Magnetic constructions
    • H01F2007/085—Yoke or polar piece between coil bobbin and armature having a gap, e.g. filled with nonmagnetic material

Definitions

  • the invention is based on a method for producing a metallic component according to the preamble of claim 1.
  • the invention is further based on a method for producing an injector with such a metallic component according to claim 2.
  • Magnetinjektoren or solenoid valves the For example, in high-pressure fuel injection systems such as the so-called. Common Rail injection system are used, components are provided which are formed of high-strength steel alloys to withstand the relatively high pressure prevailing in the interior of such a Magnetinjektors.
  • Such a component is to couple a magnetic field, which is generated by arranged on the outside of the valve body and the component enclosing magnetic coils in the interior of the injector body to actuate an axially movable in the interior armature of a valve element.
  • a component is designed as a non-magnetic sealing ring to couple the magnetic field lines generated by the magnetic coils in the interior.
  • a method for producing a metal composite component with sections of different magnetization wherein the starting material for producing the composite component is a semi-austenitic steel, which is provided as a cylindrical blank.
  • the blank is made by massive forming in one multistage forming process formed into a desired shape of the composite component and finally subjected in a partial region of a local treatment under heat influence, so that a portion is reduced in its saturation polarization relative to the other adjacent areas.
  • the composite component produced by this method is preferably used for magnetic separation, for example in an injector or fuel injection valve.
  • the method of manufacturing a metallic component having the characterizing features of claim 1 has the advantage that by repeated application of the solid-forming co-channel angle process to a austenitic steel starting material not only a significant increase in the mechanical strength of the starting material for the component but also a significant reduction of the electrical conductivity of the starting material compared to the pre-procedural material state can be achieved. Due to this combination of the two achieved material properties made of this material component is suitable because of its low electrical conductivity suitable for use as a magnetic separation in a Magnetinjektor and there is safe because of its high strength in areas with high internal pressure operable as a sealing ring.
  • Fig. 1 is a partial cross-sectional view of a solenoid valve with a metallic component according to the invention, which is arranged axially between a valve body and an injector of the solenoid valve and radially between a magnetic coil and an interior of the solenoid valve. Description of the embodiment
  • FIGURE shows a highly schematically held partial representation of a magnetic injector 1 for fuel injection systems with an injector body 2 arranged in the upper region of the magnet injector 1 and a valve body 3 arranged in the lower region of the magnet injector 1, the injector body 2 and the valve body 3 respectively in the are formed substantially hollow cylindrical and whose longitudinal center axes extend coaxially to the longitudinal axis 8 of the Magnetinjektors 1.
  • both the injector body 2 at its end portion 20 facing the valve body 3 and the valve body 3 at its end portion 30 facing the injector body 2 each have an outer diameter constriction, which together define a chamber 11 a magnetic coil 4 is received.
  • a magnetic coil 4 is received in the energized state of the solenoid 4 then serves the magnetic field 5 for lifting an armature 6, which serves as an element - not of interest here and not shown in Fig. 1 - valve part together with a rod-shaped anchor needle 7 in coaxial with the longitudinal axis 8 of the Magnetinjektors 1 extending interior 9 of the Magnetinjektors 1 is received axially movable.
  • a erfindungsge- arranged component 10 is arranged in the form of a sealing ring or pressure ring, which is indeed metallic, but non-magnetic, to couple the magnetic field 5 generated by the magnetic coil 4 vortex current loss via the inventive component 10 into the interior 9 of the Magnetinjektors 1.
  • the metallic component 10 is produced by a massive deformation process, a process with which ultrafine-grained microstructures, ie particle sizes in the sub-micrometer range below 1 ⁇ m, can be produced.
  • this massive forming by the so-called. ECAP process, ie Equal Channel Angular Pressing or Gleichkanalwinkelpressen realized.
  • a round rod which is formed from an austenitic steel alloy and having the outer diameter of the desired sealing ring, first annealed and then through a tunnel or channel, which has a 90 ° bend due to its angled L-shaped course, below the material-specific annealing temperature by means of a press stem fed eight times in succession along the process-specific process route B c or pulled through and brought to an ultrafine-grained microstructure.
  • the process route B c is one of several possible routes and, in contrast to other process routes A, B A and C, characterized in that the austenitic steel round bar after each pass through 90 ° in the same direction about the longitudinal axis of the round rod is turned.
  • the desired sealing ring shape of the component 10 is realized by machining processes by boring such a mass-formed round rod along its cylindrical central axis and sawing or possibly eroding the tube thus formed into rings of the appropriate thickness each deburred and sanded on the inside to achieve a sufficiently good and christenigenbondsbehaftete surface.
  • the austenitic steel round rod experiences shearing strain, which leads to successive grain refining of the starting material processed or pressed in this way.
  • This grain refining is achieved by the fact that the repeated transformation of the starting material successively more and more dislocations are introduced into the microstructure of the starting material, which successively to polygon walls, small-angle grain boundaries and finally also partly to large angle grain boundaries arrange Grain sizes down to the range of 300 nm can be achieved.
  • Hall-Petch relationship it holds that material states with a small grain size and thus a high proportion of grain-near atoms are harder than states with a large grain size. Accordingly, the high dislocation density and ultrafine-grained microstructure of the material state induced by the repeated ECAP process thus leads to a significant increase in the strength of the austenitic steel alloy compared to its initial state.
  • Alloy is performed, then produced austenitic steel member 10 is suitable for use in a Magnetinjektor 1, where the component 10 as a metallic sealing ring axially between the injector body 2 and the valve body 3 and radially between the under atmospheric pressure solenoid 4 and the other hand is arranged under high pulsating internal pressure of more than 2 kbar standing interior 9 with the armature 6 received therein, on the one hand as a high-strength formed component, the high pulsating internal pressures is exposed, the high pressure load was permanent and on the other hand to reduce the magnetic separation Wrbelstrompate in the material of the component 10 when coupling a magnetic field generated by the magnetic coil 5 in the interior 9 for actuating the armature 6 received there.
  • a Magnetinjektor 1 where the component 10 as a metallic sealing ring axially between the injector body 2 and the valve body 3 and radially between the under atmospheric pressure solenoid 4 and the other hand is arranged under high pulsating internal pressure of more than 2 k
  • the starting material for the component 10 is formed from a manganese-stabilized austenitic steel having a high nitrogen and carbon content.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils (10), insbesondere für einen Injektor (1). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Ausgangsmaterial zum Herstellen des metallischen Bauteils (10) eine voll-austenitische Stahl-Legierung ist, welche als zylindrisches Rohteil bereitgestellt wird und nachfolgend in einem massivumformenden Gleichkanalwinkelpressprozess umgeformt wird, indem das Rohteil mindestens achtmal hintereinander gemäß Prozessroute (Bc) dem Gleichkanalwinkelpressprozess unterworfen wird. Das dadurch erzielte Ausgangsmaterial für das Bauteil (10) weist sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine signifikant niedrige elektrische Leitfähigkeit auf. Durch abschließendes Zerspanen erhält das Bauteil (10) eine Ringform zum Einsatz in einem Magnetinjektor (1), wo das Bauteil (10) als metallischer Dichtring axial zwischen einem Injektorkörper (2) und einem Ventilkörper (3) und radial zwischen einer Magnetspule (4) und einem Innenraum (9) angeordnet ist, um das Magnetfeld (5) der Magnetspule (4) in den Innenraum (9) auf einen darin aufgenommenen Anker (6) wirbelstromverlustarm einzukoppeln.

Description

Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils
Beschreibung
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils nach der Gattung des Patentanspruchs 1. Die Erfindung geht ferner aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Injektors mit einem derartigen metallischen Bauteil gemäß Patentanspruch 2. In Magnetinjektoren bzw. Magnetventilen, die beispielsweise in Hochdruckkraftstoffeinspritz- systemen wie dem sog. Common-Rail-Einspritzsystem eingesetzt werden, sind Bauteile vorgesehen, die aus hochfesten Stahllegierungen gebildet sind, um dem relativ hohen Druck standzuhalten, der im Innenraum eines derartigen Magnetinjektors herrscht. Eine weitere Funktion eines derartigen Bauteils besteht darin, ein Magnetfeld, das von an der Außenseite des Ventilkörpers angeordneten und das Bauteil umschließenden Magnetspulen erzeugt wird, in den Innenraum des Injektorkörpers einzukoppeln, um einen im Innenraum axial beweglich angeordneten Anker eines Ventilelements zu betätigen. Dazu ist ein derartiges Bauteil als nichtmagnetischer Dichtring ausgebildet, um die von den Magnetspulen erzeugten Magnetfeldlinien in den Innenraum einzukoppeln. Da die üblichen hochfesten Vergütungs- stähle jedoch ferromagnetisch sind, werden bei diesem Stand der Technik zur Herstellung eines derartigen Bauteils relativ teure Stahllegierungen wie beispielsweise Alloy 718 oder DSA 760 verwendet, um die physikalischen Voraussetzungen bzw. Materialeigenschaften der hohen Festigkeit und der niedrigen magnetischen Permeabilität zu erfüllen, die für den Betrieb eines aus einer derartigen Stahllegierung ausgebildeten Bauteils in einem Magnetin- jektor erforderlich sind. Nachteilig bei diesem Stand der Technik sind somit die relativ hohen Kosten, die bei der Beschaffung eines derartigen Ausgangsmaterials anfallen.
Aus der DE 10 2008 040 550 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundbauteils mit Abschnitten unterschiedlicher Magnetisierung bekannt, wobei das Aus- gangsmaterial zum Herstellen des Verbundbauteils ein semi-austenitischer Stahl ist, der als zylindrisches Rohteil bereitgestellt wird. Das Rohteil wird durch Massivumformung in einem mehrstufigen Umformprozeß in eine gewünschte Form des Verbundbauteils umgeformt und abschließend in einem Teilbereich einer lokalen Nachbehandlung unter Wärmeeinfluß unterzogen, so dass ein Abschnitt in seiner Sättigungspolarisation gegenüber den angrenzend anderen Bereichen herabgesetzt ist. Das durch dieses Verfahren hergestellte Verbundbauteil wird bevorzugt zur magnetischen Trennung beispielsweise in einem Injektor bzw. Brennstoffeinspritzventil eingesetzt.
Vorteile der Erfindung Das Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass sich durch wiederholte Anwendung des massivumformenden Gleichkanalwinkelprozesses auf ein Ausgangsmaterial aus voll- austenitischem Stahl nicht nur eine deutliche Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Ausgangsmaterials für das Bauteil, sondern auch eine signifikante Reduktion der elektri- sehen Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials im Vergleich zum präprozeduralen Werkstoffzustand erzielen lässt. Aufgrund dieser Kombination der beiden erzielten Materialeigenschaften ist das aus diesem Material gefertigte Bauteil wegen seiner niedrigen elektrischen Leitfähigkeit geeignet für den Einsatz als magnetische Trennung in einem Magnetinjektor und ist dort wegen seiner hohen Festigkeit in Bereichen mit hohem Innendruck sicher als Dichtring betreibbar. Im Unterschied zum Stand der Technik, bei dem zum Zweck der magnetischen Trennung demgegenüber für ein entsprechendes Bauteil teure hochfeste Legierungen wie z.B. Alloy 718 oder DSA 760 verwendet werden, ist es gemäß der Erfindung möglich, verhältnismäßig preiswerte austenitische Stahllegierungen als Ausgangsmaterial zu verwenden, das zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit und zur Verringerung der elektrischen Leitfä- higkeit wiederholt umgeformt wird. Im Gegensatz zu einem anders gelagerten Stand der Technik, bei dem ein semi-austenitischer Stahl zunächst einem lediglich formgebenden Massivumformungsverfahren unterworfen wird, woran sich danach eine lokale Wärmebehandlung anschließt, um einen Abschnitt des Verbundbauteils nichtmagnetisch auszubilden, wird demgegenüber gemäß der Erfindung ein derartiger separater und somit aufwendiger Prozessschritt eingespart. Da erfindungsgemäß bei jedem Prozessdurchgang dieselbe Umformprozedur stereotyp wiederholt wird, ist die Fertigung kostengünstig durchführbar. Dabei ist es für die auf dem Gebiet der Massivumformung tätige und mit der Festigkeit von Werkstoffen befasste Fachwelt überraschend, dass sich durch die Massivumformung von austeni- tischen Stahllegierungen mittels Gleichkanalwinkelpressen neben der deutlichen Steigerung der Festigkeit des bearbeiteten Materials auch eine signifikante Absenkung der elektrischen Leitfähigkeit des bearbeiteten Materials im Vergleich zur Leitfähigkeit des Startmaterials erzielen lässt.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und in der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in einer stark schematisch gehaltenen Ansicht: Fig. 1 eine Querschnittansicht eines Magnetventils in Teildarstellung mit einem erfindungsgemäß hergestellten metallischen Bauteil, das axial zwischen einem Ventilkörper und einem Injektorkörper des Magnetventils und radial zwischen einer Magnetspule und einem Innenraum des Magnetventils angeordnet ist. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die einzige Figur zeigt in einer stark schematisch gehaltenen Teildarstellung einen Magnetinjektor 1 für Kraftstoffeinspritzsysteme mit einem im oberen Bereich des Magnetinjektors 1 angeordneten Injektorkörper 2 und einem im unteren Bereich des Magnetinjektors 1 ange- ordneten Ventilkörper 3, wobei der Injektorkörper 2 und der Ventilkörper 3 jeweils im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet sind und deren Längsmittelachsen koaxial zur Längsachse 8 des Magnetinjektors 1 verlaufen.
Im Übergangsbereich zwischen dem Injektorkörper 2 und dem Ventilkörper 3 weisen sowohl der Injektorkörper 2 an seinem dem Ventilkörper 3 zugewandten Endabschnitt 20 als auch der Ventilkörper 3 an seinem dem Injektorkörper 2 zugewandten Endabschnitt 30 jeweils eine Außendurchmesserverengung auf, welche zusammen eine Kammer 1 1 definieren, in der eine Magnetspule 4 aufgenommen ist. Im bestromten Zustand der Magnetspule 4 dient das dann von ihr erzeugte Magnetfeld 5 zum Anheben eines Ankers 6, der als Element eines - hier nicht weiter interessierenden und in Fig. 1 nicht dargestellten - Ventilteils zusammen mit einer stangenförmigen Ankernadel 7 im koaxial zur Längsachse 8 des Magnetinjektors 1 verlaufenden Innenraum 9 des Magnetinjektors 1 axial beweglich aufgenommen ist.
Zwischen den einander zugewandten Endabschnitten 20, 30 des Injektorkörpers 2 und des Ventilkörpers 3 ist in axialer Erstreckungsrichtung des Magnetinjektors 1 ein erfindungsge- mäß hergestelltes Bauteil 10 in der Form eines Dichtrings bzw. Druckrings angeordnet, das zwar metallisch, jedoch nichtmagnetisch ausgebildet ist, um das von der Magnetspule 4 erzeugte Magnetfeld 5 wirbelstromverlustarm über das erfindungsgemäße Bauteils 10 in den Innenraum 9 des Magnetinjektors 1 einzukoppeln.
Das metallische Bauteil 10 wird erfindungsgemäß hergestellt durch ein Massivumformungsverfahren, ein Verfahren, mit dem ultrafeinkörnige Mikrostrukturen, d.h. Korngrößen im Sub- mikrometerbereich unterhalb 1 μηι herstellbar sind. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird diese Massivumformung durch den sog. ECAP-Prozeß, d.h. Equal Channel Angular Pressing bzw. Gleichkanalwinkelpressen, realisiert. Dabei wird als Ausgangsmaterial ein Rundstab, der aus einer austenitischen Stahllegierung gebildet ist und den Außendurchmesser des gewünschten Dichtrings aufweist, zunächst weichgeglüht und dann durch einen Tunnel bzw. Kanal, der aufgrund seines gewinkelten L-förmigen Verlaufs einen 90° - Knick aufweist, unterhalb der materialspezifischen Weichglühtemperatur mittels eines Press- stempeis achtmal hintereinander entlang der prozessspezifischen Prozessroute Bc durchge- presst bzw. durchgezogen und auf eine ultrafeinkörnige Mikrostruktur gebracht.
Dabei ist die Prozessroute Bc eine von mehreren möglichen Routen und ist, im Unterschied zu anderen Prozessrouten A, BA und C, dadurch charakterisiert, dass der Rundstab aus austenitischem Stahl nach jedem Durchgang um jeweils 90° in derselben Richtung um die Längsachse des Rundstabs gedreht wird. Im Anschluß an insgesamt acht ECAP- Durchgänge wird die gewünschte Dichtringform des Bauteils 10 durch spanende Bearbeitungsverfahren realisiert, indem ein derart massivumgeformter Rundstab entlang seiner zylindrischen Mittelachse ausgebohrt wird und das dadurch gebildete Rohr in Ringe der pas- senden Dicke gesägt oder eventuell erodiert wird, welche jeweils entgratet und innenseitig geschliffen werden, um eine ausreichend gute und druckeigenspannungsbehaftete Oberfläche zu erzielen.
Durch den achtmal wiederholt durchgeführten Preßvergang gemäß dem ECAP-Prozeß er- fährt der Rundstab aus austenitischem Stahl eine Scherdehnung, die zu einer sukzessive Kornfeinung des solchermaßen bearbeiteten bzw. gepressten Ausgangsmaterials führt. Diese Kornfeinung kommt dadurch zustande, dass durch das wiederholte Umformen des Ausgangsmaterials sukzessive mehr und mehr Versetzungen in die Mikrostruktur des Ausgangsmaterials eingebracht werden, die sich sukzessive zu Polygonwänden, Kleinwinkel- korngrenzen und schließlich zum Teil auch zu Großwinkelkorngrenzen anordnen, wobei Korngrößen bis hinunter in den Bereich von 300 nm erzielbar sind. Gemäß der sog. Hall- Petch-Beziehung gilt, dass Werkstoffzustände mit kleiner Korngröße und somit hohem Anteil korngrenznaher Atome härter sind als Zustände mit großer Korngröße. Danach führt die hohe Versetzungsdichte und ultrafeinkörnige Mikrostruktur des durch den wiederholt durchge- führten ECAP-Prozess herbeigeführten Materialzustands somit zu einer deutlichen Erhöhung der Festigkeit der austenitischen Stahl-Legierung gegenüber ihrem Ausgangszustand.
Gleichzeitig stellt sich dabei in einem für den Fachmann, der auf dem Fachgebiet der Massivumformungsprozesse tätig ist und sich mit der Festigkeit von Werkstoffen befasst, überraschenden Zusatzeffekt eine signifikante Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit der austeni- tischen Stahl-Legierung gegenüber ihrem präprozeduralen Ausgangszustand ein. Aufgrund dieser Kombination der durch den ECAP-Prozeß bewirkten prozedurspezifischen physikalischen Eigenschaften der hohen Festigkeit und der niedrigen elektrischen Leitfähigkeit, die sich ergeben, wenn gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung der massivumformende ECAP-Prozeß entlang der prozessspezifischen Route Bc wiederholt an einer austenitischen Stahl-Legierung durchgeführt wird, ist das danach hergestellte Bauteil 10 aus austenitischem Stahl geeignet für den Einsatz in einem Magnetinjektor 1 , wo das Bauteil 10 als metallischer Dichtring axial zwischen dem Injektorkörper 2 und dem Ventilkörper 3 und radial zwischen der unter Atmosphärendruck stehenden Magnetspule 4 und dem demgegenüber unter hohem pulsierenden Innendruck von über 2 kbar stehenden Innenraum 9 mit dem darin aufgenommenen Anker 6 angeordnet ist, um einerseits als hochfest ausgebildetes Bauteil, das hohen pulsierenden Innendrücken ausgesetzt ist, der hohen Druckbelastung dauerhaft standzuhalten und andererseits zur magnetischen Trennung Wrbelstromverluste im Material des Bauteils 10 beim Einkoppeln eines von der Magnetspule erzeugten Magnetfelds 5 in den Innenraum 9 zum Betätigen des dort aufgenommenen Ankers 6 zu verringern.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Ausgangsmaterial für das Bauteil 10 aus einem Mangan-stabilisierten austenitischen Stahl mit einem hohen Stickstoff- und Kohlenstoff-Anteil gebildet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils, insbesondere für einen Injektor, mittels Massivumformen, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial zum Herstellen des metallischen Bauteils (10) eine voll-austenitische Stahl-Legierung ist, welche als zylindrisches Rohteil bereitgestellt wird und nachfolgend in einem massivumformenden Gleichkanalwinkelpressprozess umgeformt wird, indem das Rohteil mindestens achtmal hintereinander gemäß Prozessroute Bc dem Gleichkanalwinkelpressprozess unterworfen wird.
2. Verfahren zur Herstellung eines Injektors mit einem metallischen Bauteil (10), das gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt wird.
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