WO2020182389A1 - Verfahren zum herstellen eines innendruckbeaufschlagten bauteils - Google Patents

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WO2020182389A1
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tellurium
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Martin Rydlo
Thomas Krug
Michael Madert
Ulrike Dietze
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a
  • the German patent DE 242 658 C discloses a method for producing a free-cutting steel that is readily thermoformable, with a steel with a basic composition of a maximum of one percent carbon, 0.6 to 1.65 percent manganese and sulfur, tellurium, selenium and silicon, the rest at least ninety percent iron, is melted, the content of tellurium and / or selenium being limited to 0.02 to 0.10 percent tellurium and / or selenium, the sulfur content being controlled in such a way that the content of tellurium and / or Selenium does not exceed by weight, but the number of sulfur atoms is measured to be higher than that of selenium and tellurium atoms, and the silicon content is limited to a maximum of 0.05 percent.
  • the German patent application DE 2 152 013 A1 discloses a process for the production of non-alloyed, medium- or high-carbon steels or alloyed steels which contain tellurium, with the others in the molten steel
  • the object of the invention is to improve the strength of a component subjected to internal pressure made of a steel material that is pickled before an electroplating process.
  • the task is in a method for producing a
  • the claimed method can effectively reduce the size of the pickling pits that occur when the steel material is pickled.
  • the internally pressurized component is a machined component.
  • the machined component is provided with a zinc-nickel coating, for example.
  • the component is, for example, a forged part.
  • the steel material is, for example, a ferritic-pearlitic steel material, a heat-treatable steel or a case-hardening steel.
  • Another preferred embodiment of the method is characterized in that the chemical element is tellurium.
  • Tellurium is a
  • tellurium especially the tellurium modification
  • steel is in itself known, but only or mainly to improve the machinability of the steel and / or to homogenize the distribution of manganese sulfides in the steel.
  • tellurium is used in the claimed process to make the ferritic-pearlitic steel material insensitive to pickling and to improve the fatigue strength of the component.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the chemical element is selenium or cerium.
  • Selenium has a greater solubility in MnS than tellurium.
  • Another preferred embodiment of the method is characterized in that the shape of non-metallic inclusions in the ferritic-pearlitic steel material is changed by the modification with the chemical element in a forming process in order to reduce the pickling sensitivity.
  • Hot rolling process can be divided into smaller sections. As a result, the pickling scars, which are undesirable per se, can be significantly reduced, which has a positive effect on the fatigue strength of the component, in particular that is machined.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that twenty to one hundred ppm of tellurium are added to the steel material.
  • the letters ppm stand for parts per million.
  • Another preferred embodiment of the method is characterized in that 0.01-0.06% sulfur is added to the steel material. With these sulfur additions, in particular in combination with the previously claimed tellurium additions, excellent results were achieved in the production of, in particular, machined components within the scope of the present invention.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the component has a high-pressure fuel reservoir
  • the high-pressure fuel reservoir is also referred to as a rail.
  • the rail includes, for example, a longitudinal bore from which several transverse bores extend. The intersections of holes between the longitudinal hole and the transverse holes are particularly sensitive with regard to the pickling scars, which are undesirable in themselves.
  • the invention further relates to a component, in particular a forged part, made of a steel material which is modified with a chemical element in accordance with a method described above in order to reduce the pickling sensitivity of the steel material.
  • the invention also relates to a steel material for producing a component described above.
  • FIG. 1 shows a high-pressure fuel accumulator designed as a forged part with intersecting bores in longitudinal section
  • FIG. 2 shows a Cartesian coordinate diagram with two Wöhler curves
  • FIGS. 3 to 5 are schematic representations of a machined surface of a forged part before, during and after pickling.
  • Figures 6 to 8 similar representations as in Figures 3 to 5, wherein the forged part is formed from a ferritic-pearlitic steel material, which with a chemical element, in particular tellurium, has been modified to reduce the pickling sensitivity of the steel material.
  • a forged part 1 made of a ferritic-pearlitic steel material is shown in longitudinal section.
  • the forged part 1 is a high-pressure fuel reservoir 2 of a fuel injection system
  • the high-pressure fuel reservoir 2 is also referred to as a rail.
  • the rail 2 comprises a housing body 3 with a longitudinal bore 4.
  • Transverse bores 5 to 7 extend from the longitudinal bore 4.
  • bore intersections 8 to 10 result which have been found to be critical in investigations carried out within the scope of the present invention with regard to the fatigue strength.
  • the high-pressure fuel reservoir 2 is in operation in one
  • the forged part 1 is coated in an electroplating process after the machining of the bores 4 to 7.
  • electroplating it is advantageous to have a zinc-nickel coating on the machined
  • the surface to be coated of the forged part 1 is pickled in order to clean and activate the surface to be coated.
  • Pickling is carried out with an acid, for example hydrochloric acid. During the pickling process, acid also reaches the inside of the housing body 3
  • FIG. 2 shows a Cartesian coordinate diagram with an x-axis 21 and a y-axis 22. A number of load changes are plotted on the x-axis, which in a fatigue test or Wöhler test on one Forged part, as shown in Figure 1, are performed. An internal pressure of a hydraulic medium in a suitable pressure unit is plotted on the y-axis 22.
  • a Wöhler curve of a forged part that has not been pickled is plotted at 24 in FIG. With 25 in Figure 2 is a Wöhler curve of a pickled
  • Fatigue strength of the forged part is reduced by pickling.
  • a load during operation of the forged part is indicated in FIG. 2 by a rectangle 23.
  • Figures 3 and 6 show a machined surface 30; 40 of a ferritic-pearlitic steel material 18; 28 before pickling.
  • Figures 4 and 7 is indicated by arrows 29; 49 pickling the machined surface 30; 40 indicated.
  • Figures 5 and 8 the size of a pickling scar 39; 50 by double arrows 37, 38; 53, 54 illustrated.
  • the steel material 18 shown in FIGS. 3 to 5 is a ferritic-pearlitic steel material 18, ferrite and pearlite being indicated by different hatches 31, 32.
  • the ferritic-pearlitic steel material comprises a non-metallic inclusion 33 in the form of
  • the treated surface 30 comes into contact with acid, for example with hydrochloric acid.
  • acid for example with hydrochloric acid.
  • FIG. 5 it is indicated that the manganese sulfide 35 dissolved during pickling 29 and the dissolved ferrite 36 result in a relatively large pickling scar 39.
  • the large pickling scar 39 is responsible for the local stress concentration and for the reduced fatigue strength (25 in FIG. 2) of the pickled and
  • FIGS. 6 to 8 ferrite is designated by 41 and pearlite by 42.
  • ferritic-pearlitic steel material 28 used in FIG. 6 is designated by 41 and pearlite by 42.
  • Tellurium modification achieves that the non-metallic inclusions 46 to 48 in the form of manganese sulfide 43 to 45 were divided into several smaller sections during the hot rolling of the tellurium modified steel material 28.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines innendruckbeaufschlagten Bauteils (1) aus einem Stahlmaterial, das vor einem Galvanisiervorgang gebeizt wird. Um die Festigkeit des innendruckbeaufschlagten Bauteils (1) aus dem Stahlmaterial zu verbessern, wird das Stahlmaterial mit einem chemischen Element modifiziert, um die Größe von beim Beizen des Stahlmaterials entstehenden Beiznarben zu reduzieren.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Herstellen eines innendruckbeaufschlagten Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
innendruckbeaufschlagten Bauteils aus einem Stahlmaterial, das vor einem Galvanisiervorgang gebeizt wird.
Stand der Technik
Aus der deutschen Patentschrift DE 242 658 C ist ein Verfahren zur Herstellung eines gut warmverformbaren Automatenstahls bekannt, wobei ein Stahl mit einer Grundzusammensetzung aus maximal ein Prozent Kohlenstoff, 0,6 bis 1,65 Prozent Mangan sowie Schwefel, Tellur, Selen und Silizium, Rest mindestens neunzig Prozent Eisen, erschmolzen wird, wobei der Gehalt an Tellur und/oder Selen auf 0,02 bis 0,10 Prozent Tellur und/oder Selen begrenzt wird, wobei der Schwefelgehalt derart gesteuert wird, dass er den Gehalt an Tellur und/oder Selen gewichtsmäßig nicht übersteigt, wobei jedoch die Zahl der Schwefelatome höher bemessen wird, als die der Selen- und Telluratome, und wobei der Siliziumgehalt auf höchstens 0,05 Prozent begrenzt wird. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 2 152 013 Al ist ein Verfahren zur Herstellung von nicht legierten, mittel- oder hochgekohlten Stählen oder legierten Stählen bekannt, die Tellur enthalten, wobei in die Stahlschmelze enthaltend die anderen
Legierungskomponenten und Begleitelemente Tellur und seltene Erdmetalle eingebracht wird. Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die Festigkeit eines innendruckbeaufschlagten Bauteils aus einem Stahlmaterial, das vor einem Galvanisiervorgang gebeizt wird, zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Herstellen eines
innendruckbeaufschlagten Bauteils aus einem Stahlmaterial, das vor einem Galvanisiervorgang gebeizt wird, dadurch gelöst, dass das Stahlmaterial mit einem chemischen Element modifiziert wird, um die Größe von beim Beizen des Stahlmaterials entstehenden Beiznarben zu reduzieren. Beim Beizen des Stahlmaterials entstehende Beiznarben sind an sich unerwünscht, aber oft unvermeidbar. Durch das beanspruchte Verfahren kann die Größe der beim Beizen des Stahlmaterials entstehenden Beiznarben wirksam reduziert werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch
gekennzeichnet, dass das innendruckbeaufschlagte Bauteil ein spanend bearbeitetes Bauteil ist. Durch die spanende Bearbeitung können spezielle Geometriemerkmale, zum Beispiel Bohrungen, mit einer hohen Präzision an beziehungsweise in dem innendruckbeaufschlagten Bauteil realisiert werden. Bei dem Galvanisiervorgang wird das spanend bearbeitete Bauteil zum Beispiel mit einer Zink-Nickel-Beschichtung versehen. Das Beizen vor dem
Galvanisiervorgang dient vorteilhaft dazu, das spanend bearbeitete Bauteil zu reinigen und die Oberfläche des spanend bearbeiteten Bauteils für den
Galvanisiervorgang zu aktivieren. Durch das Reduzieren der Beizempfindlichkeit des Stahlmaterials kann die Schwingfestigkeit des spanend bearbeiteten Bauteils wirksam erhöht werden. Bei dem Bauteil handelt es sich zum Beispiel um ein Schmiedeteil. Bei dem Stahlmaterial handelt es sich zum Beispiel um ein ferritisch-perlitisches Stahlmaterial, um einen Vergütungsstahl oder um einen Einsatzstahl.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Element Tellur ist. Tellur ist ein
chemisches Element aus der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems. Die Verwendung von Tellur, insbesondere die Tellurmodifikation, in Stahl ist an sich bekannt, allerdings nur oder hauptsächlich dazu, um die Zerspanbarkeit des Stahls zu verbessern und/oder die Verteilung von Mangansulfiden in dem Stahl zu homogenisieren. Im Gegensatz dazu wird Tellur in dem beanspruchten Verfahren verwendet, um das ferritisch-perlitische Stahlmaterial unempfindlich beim Beizen zu machen und die Schwingfestigkeit des Bauteils zu verbessern.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Element Selen oder Cer ist. Selen hat im MnS eine größere Löslichkeit als Tellur.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt von nichtmetallischen Einschlüssen in dem ferritisch-perlitischen Stahlmaterial durch die Modifikation mit dem chemischen Element in einem Umformprozess verändert wird, um die Beizempfindlichkeit zu reduzieren.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass durch Tellur modifizierte Mangansulfide in einem
Warmwalzprozess in kleinere Abschnitte zerteilt werden. Dadurch können die an sich unerwünschten Beiznarben deutlich verkleinert werden, was sich positiv auf die Dauerschwingfestigkeit des insbesondere spanend bearbeiteten Bauteils auswirkt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Stahlmaterial zwanzig bis hundert ppm Tellur zugegeben werden. Die Buchstaben ppm stehen für die englischen Begriffe parts per million.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Stahlmaterial 0,01- 0,06% Schwefel zugegeben werden. Mit diesen Schwefelzugaben wurden, insbesondere in Kombination mit den vorab beanspruchten Tellurzugaben, bei der Herstellung von insbesondere spanend bearbeiteten Bauteilen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hervorragende Ergebnisse erzielt. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Kraftstoffhochdruckspeicher mit
Bohrungsverschneidungen ist. Der Kraftstoffhochdruckspeicher wird auch als Rail bezeichnet. Das Rail umfasst zum Beispiel eine Längsbohrung, von der mehrere Querbohrungen ausgehen. Die Bohrungsverschneidungen zwischen der Längsbohrung und den Querbohrungen sind im Hinblick auf die an sich unerwünschten Beiznarben besonders empfindlich.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Bauteil, insbesondere Schmiedeteil, aus einem Stahlmaterial, das gemäß einem vorab beschriebenen Verfahren mit einem chemischen Element modifiziert ist, um die Beizempfindlichkeit des Stahlmaterials zu reduzieren.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Stahlmaterial zum Herstellen eines vorab beschriebenen Bauteils.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 einen als Schmiedeteil ausgeführten Kraftstoffhochdruckspeicher mit Bohrungsverschneidungen im Längsschnitt;
Figur 2 ein kartesisches Koordinatendiagramm mit zwei Wöhlerkurven; die
Figuren 3 bis 5 schematische Darstellungen einer bearbeiteten Oberfläche eines Schmiedeteils vor, während und nach einem Beizen; und die
Figuren 6 bis 8 ähnliche Darstellungen wie in den Figuren 3 bis 5, wobei das Schmiedeteil aus einem ferritisch-perlitischen Stahlmaterial gebildet ist, das mit einem chemischen Element, insbesondere Tellur, modifiziert wurde, um die Beizempfindlichkeit des Stahlmaterials zu reduzieren.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Schmiedeteil 1 aus einem ferritisch-perlitischen Stahlmaterial im Längsschnitt dargestellt. Bei dem Schmiedeteil 1 handelt es sich um einen Kraftstoffhochdruckspeicher 2 eines Kraftstoffeinspritzsystems eines
Kraftfahrzeugs. Der Kraftstoffhochdruckspeicher 2 wird auch als Rail bezeichnet.
Das Rail 2 umfasst einen Gehäusekörper 3 mit einer Längsbohrung 4. Von der Längsbohrung 4 gehen Querbohrungen 5 bis 7 aus. An den Übergangsstellen zwischen der Längsbohrung 4 und den Querbohrungen 5 bis 7 ergeben sich Bohrungsverschneidungen 8 bis 10, die sich bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen bezüglich der Dauerschwingfestigkeit als kritisch erwiesen haben.
Der Kraftstoffhochdruckspeicher 2 ist im Betrieb in einem
Kraftstoffeinspritzsystem innen im Bereich der Längsbohrung 4 und der
Querbohrungen 5 bis 7 mit Kraftstoff gefüllt, der mit Hochdruck beaufschlagt ist. Um die hohen Anforderungen im Betrieb des Kraftstoffeinspritzsystems zu erfüllen, wird das Schmiedeteil 1 nach der spanenden Erzeugung der Bohrungen 4 bis 7 in einem Galvanisiervorgang beschichtet. Beim Galvanisieren wird vorteilhaft eine Zink-Nickel-Beschichtung auf das spanend bearbeitete
Schmiedeteil 1 aufgebracht.
Vor dem Galvanisieren wird die zu beschichtende Oberfläche des Schmiedeteils 1 gebeizt, um die zu beschichtende Oberfläche zu reinigen und zu aktivieren.
Das Beizen wird mit einer Säure durchgeführt, zum Beispiel mit Salzsäure. Beim Beizen gelangt auch Säure im Inneren des Gehäusekörpers 3 zu den
Bohrungsverschneidungen 8 bis 10.
In Figur 2 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer x-Achse 21 und einer y-Achse 22 dargestellt. Auf der x-Achse ist eine Anzahl von Lastwechseln aufgetragen, die in einem Dauerschwingversuch oder Wöhlerversuch an einem Schmiedeteil, wie es in Figur 1 dargestellt ist, durchgeführt werden. Auf der y- Achse 22 ist ein Innendruck eines >Hydraulikmediums in einer geeigneten Druckeinheit aufgetragen.
Mit 24 ist in Figur 2 eine Wöhlerkurve eines Schmiedeteils aufgetragen, das nicht gebeizt wurde. Mit 25 ist in Figur 2 eine Wöhlerkurve eines gebeizten
Schmiedeteils bezeichnet. Durch einen Pfeil 26 ist angedeutet, dass die
Dauerschwingfestigkeit des Schmiedeteils durch das Beizen herabgesetzt wird. Durch ein Rechteck 23 ist in Figur 2 eine Belastung im Betrieb des Schmiedeteils angedeutet.
In den Figuren 3 bis 5 und 6 bis 8 ist schematisch die Entstehung von
Beiznarben beim Beizen, insbesondere im Bereich von
Bohrungsverschneidungen (8 bis 10 in Figur 1) veranschaulicht.
Die Figuren 3 und 6 zeigen eine bearbeitete Oberfläche 30; 40 eines ferritisch- perlitischen Stahlmaterials 18; 28 vor einem Beizen. In den Figuren 4 und 7 ist durch Pfeile 29; 49 ein Beizen der bearbeiteten Oberfläche 30; 40 angedeutet. In den Figuren 5 und 8 ist die Größe einer beim Beizen entstehenden Beiznarbe 39; 50 durch Doppelpfeile 37, 38; 53, 54 veranschaulicht.
Bei dem in den Figuren 3 bis 5 dargestellten Stehlmaterial 18 handelt es sich um ein ferritisch-perlitisches Stahlmaterial 18, wobei Ferrit und Perlit durch unterschiedliche Schraffuren 31, 32 angedeutet sind. Das ferritisch-perlitische Stahlmaterial umfasst einen nichtmetallischen Einschluss 33 in Form von
Mangansulfid 34.
Bei dem in Figur 4 durch die Pfeile 29 angedeuteten Beizvorgang kommt die bearbeitete Oberfläche 30 mit Säure, zum Beispiel mit Salzsäure, in Kontakt. In Figur 5 ist angedeutet, dass aus dem beim Beizen 29 gelösten Mangansulfid 35 und dem gelösten Ferrit 36 eine relativ große Beiznarbe 39 entsteht. Die große Beiznarbe 39 ist verantwortlich für die lokale Spannungskonzentration und für die reduzierte Dauerschwingfestigkeit (25 in Figur 2) des gebeizten und
beschichteten Schmiedeteils. In den Figuren 6 bis 8 ist Ferrit mit 41 und Perlit mit 42 bezeichnet. Bei dem in Figur 6 verwendeten ferritisch-perlitischen Stahlmaterial 28 wird durch
Tellurmodifikation erreicht, dass die nichtmetallischen Einschlüsse 46 bis 48 in Form von Mangansulfid 43 bis 45 beim Warmwalzen des Tellur modifizierten Stahlmaterials 28 in mehrere kleinere Abschnitte unterteilt wurden.
In Figur 7 ist angedeutet, dass beim Beizen 49 nur der nichtmetallische Einschluss 46 die Entstehung einer relativ kleinen Beiznarbe 50 durch gelöstes Mangansulfid 51 und gelöstes Ferrit 52 in Figur 8 verursacht. Dadurch wird die lokale Spannungskonzentration reduziert und die Dauerschwingfestigkeit des gebeizten Schmiedeteils kann wirksam erhöht werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines innendruckbeaufschlagten Bauteils (1) aus einem Stahlmaterial (28), das vor einem Galvanisiervorgang gebeizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial (28) mit einem chemischen Element modifiziert wird, um die Größe von beim Beizen des Stahlmaterials (28) entstehenden Beiznarben (50) zu reduzieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
innendruckbeaufschlagte Bauteil (1) ein spanend bearbeitetes Bauteil ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial (28) ein ferritisch-perlitisches Stahlmaterial (28) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial (28) ein Vergütungsstahl ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial (28) ein Einsatzstahl ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das chemische Element Tellur ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Element Selen ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Element Cer ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gestalt von nichtmetallischen Einschlüssen (46- 48) in dem Stahlmaterial (28) durch die Modifikation mit dem chemischen Element in einem Umformprozess verändert wird, um die Beizempfindlichkeit (50) zu reduzieren.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass dem Stahlmaterial (28) 20 bis 100 ppm Tellur zugegeben werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass dem Stahlmaterial (28) 0,01 - 0,06% Schwefel zugegeben werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) ein Kraftstoffhochdruckspeicher (2) mit Bohrungsverschneidungen (8-10) ist.
13. Bauteil (1) aus einem Stahlmaterial (28), das gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem chemischen Element modifiziert ist, um die Beizempfindlichkeit des Stahlmaterials (28) zu reduzieren.
14. Stahlmaterial (28) zum Herstellen eines spanend bearbeiteten Bauteils (1) nach Anspruch 13.
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