[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Stahllegierung für Kraftstoffverteiler.
[0002] Der Stahl ist bekannt, so zum Beispiel aus der DE 1483331 A1. Betroffen von der Verwendung
sind Kraftstoffverteiler zur Verteilung von Benzin, Methanol und Dieselkraftstoffen
sowie Kraftstoffgemischen. Mit oben genannten Verteilern müssen derzeit bei Dieselmotoren
Drücke bis zu 1600 bar und bei Benzinmotoren Drücke bis zu 450 bar realisiert werden.
Zudem müssen diese Kraftstoffverteiler dynamischen Drücken widerstehen, eine vergleichsweise
hohe Betriebsfestigkeit mit geringer Ausfallwahrscheinlichkeit aufweisen und gegenüber
den sie durchfließenden Medien werkstoffbeständig sein, was insbesondere eine Beständigkeit
gegen Langzeitkorrosion betrifft. Diese Kraftstoffverteiler werden derzeit sowohl
in zylindrischer Form (common rail) als auch in kugelförmiger Form (common ball) gefertigt
und sind aus geschmiedetem Stahl, geschmiedetem Aluminium, Aluminiumdruckguss, Edelstahl
oder hochfestem Stahl hergestellt.
[0003] Aluminium als Werkstoff für Kraftstoffverteiler ist nur bedingt werkstoffbeständig
und neigt zur Korrosion. Geschmiedeter Stahl ist im Verhältnis zu Aluminium um bis
zu Faktor 3 schwerer. Edelstahl oder hochfester Stahl weisen im Verhältnis zu Gußoder
Schmiedelösungen ein homogeneres Ausgangsmaterial ohne Poren und Einschlüsse auf,
Edelstahl bedeutet jedoch hohe Materialkosten bei vergleichsweise geringen Grundfestigkeiten.
Bei den verwendeten hochfesten Stählen wiederum führt der Wärmeeintrag, den der Werkstoff
während der Herstellung des Kraftstoffverteilers beispielsweise während einer Fügeoperation
erfährt, zu einer Minderung oder einem völligen Verlust an Festigkeit.
[0004] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff zur Herstellung von
Kraftstoffverteilern aufzuzeigen, der den genannten Bauteilanforderungen gerecht wird
und eine kostengünstige und optimierte Fertigung gewährleistet.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Ansprüchen 1 oder 2 gelöst.
[0006] Demnach wird eine Stahllegierung, die im luftvergüteten Zustand eine Zugfestigkeit
Rm von >850 N/mm
2, eine Streckgrenze Rp0,2 von >700 N/mm
2 und eine Dehnung A
5 von >15 % sowie die Legierungsbestandteile (in Gewichtsprozent ausgedrückt) 0,09
bis 0,13 % Kohlenstoff, 0,15 bis 0,30 % Silizium, 1,10-1,60 % Mangan, maximal 0,015
% Phosphor, maximal 0,011 % Schwefel, 1,00-1,60 % Chrom, 0,30-0,60 % Molybdän, 0,02-0,05
% Aluminium und 0,12-0,25 % Vanadium, Rest erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
aufweist, als Werkstoff für Kraftstoffverteiler verwandt. Dabei wird die Stahllegierung
über AC
3 -Temperatur erwärmt, an der Luft abgekühlt und anschließend bei 550 bis 650°C angelassen.
[0007] Alternativ wird vorgeschlagen, eine Stahllegierung, die im luftharten Zustand eine
Zugfestigkeit Rm von >950 N/mm
2, eine Streckgrenze Rp0,2 von >700 N/mm
2 und eine Dehnung A
5 von >14 % sowie die Legierungsbestandteile (in Gewichtsprozent ausgedrückt) 0,09
bis 0,13 % Kohlenstoff, 0,15 bis 0,30 % Silizium, 1,10-1,60 % Mangan, maximal 0,015
% Phosphor, maximal 0,011 % Schwefel, 1,00-1,60 % Chrom, 0,30-0,60 % Molybdän, 0,02-0,05
% Aluminium und 0,12-0,25 % Vanadium, Rest erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
aufweist, als Werkstoff für Kraftstoffverteiler zu verwenden.
[0008] Die erfindungsgemäß zu verwendende Stahllegierung ist ein lufthärtender, schweißbarer
Vergütungsstahl. Aus diesem Stahl wird als Ausgangsmaterial ein Vollstab oder ein
Rohr, welches nahtlos oder geschweißt sein kann, mit dem benötigten Innenund / oder
Außendurchmesser bereitgestellt.
[0009] Das Halbzeug Vollstab oder Rohr ermöglicht es, einen Kraftstoffverteiler durch zerspanende
Bearbeitung auf Automaten zu fertigen und benötigte Anschlussstutzen anzufügen, beispielsweise
mittels Schweißen. Zudem eignet sich das homogene Material besser für eine mechanische
Bearbeitung als Guss- oder Schmiedeteile. Bei einem Kraftstoffverteiler, der aus Stahlguss
besteht oder als Schmiedeteil ausgebildet ist, müssen nachträglich mechanische Bearbeitungen
des Innenraums des Druckspeichers und der einstückig angeformten Zuleitungsstutzen
vorgenommen werden. Diese Maßnahmen erfordern neben den ohnehin hohen Werkzeugkosten
bei Guss- oder Schmiedekörpem einen zusätzlichen weiteren Fertigungsaufwand. Insbesondere
im Hinblick auf die Werkzeugkosten sind Kraftstoffverteiler aus Guss oder als Schmiedeteile
durchweg nur bei Großserien wirtschaftlich gerechtfertigt. Folglich bewirkt die erfindungsgemäße
Verwendung der vorgeschlagenen Stahllegierung, dass ein entsprechender Kraftstoffverteiler
gewichtsmäßig leichter, fertigungstechnisch einfacher und insgesamt kostengünstiger
herzustellen ist als vergleichbare Kraftstsoffverteiler aus Guss- oder Schmiedehalbzeug.
[0010] Die erfindungsgemäß zur Verwendung vorgeschlagene Stahllegierung erreicht die benötigte
Betriebsfestigkeit besser als Edelstahl. Insbesondere die hohen Schwingfestigkeitskennwerte
des Materials und die gute Kaltzähigkeit heben sich von anderen Stahlsorten ab und
garantieren auch bei einer Dauerbeanspruchung von 10 Millionen Schwingspielen und
Arbeitstemperaturen von bis zu - 40° C, beispielsweise bei einem Kaltstart des Motors
in sehr kalten Gegenden, die geforderte Dichtheit und Betriebssicherheit des Kraftstoffverteilers.
[0011] Insbesondere führen bei der erfindungsgemäßen Verwendung der vorgeschlagenen Stahllegierung
Fügeoperationen im Rahmen der Herstellung des Kraftstoffverteilers, die einen Wärmeeintrag
in das Material bedingen, nicht zu einem nachhaltigen Festigkeitsverlust im Material
an den gefügten Stellen. Gerade die Fügestellen bei bisher aus hochfestem Stahl hergestellten
Kraftstoffverteilern erweisen sich als problematisch. Die beispielsweise mit einer
Schweißoperation in einen hochfesten Stahl eingebrachte Wärme führt zu einer Gefügeumwandlung
im Fügebereich, wodurch die Martensitstruktur des Stahls aufgehoben wird und der Stahl
an Festigkeit verliert. Daher kann es an den Fügestellen zum Bruch des Materials kommen.
[0012] Herkömmlich zur Herstellung von Kraftstoffverteilern eingesetzte Stähle können nach
einer Erwärmung über AC
3-Temperatur nur durch Abschrecken, sei es mittels Öl oder mittels Wasser gehärtet
werden. Diese Härtung ist während einer Fügeoperation schlecht durchführbar. Folglich
ist die durch den Wärmeeintrag hervorgerufene Gefügeumwandlung mit Festigkeitsverlust
ohne eine weitere Wärmebehandlung mit anschließender Härtung eine dauerhafte. Der
erfindungsgemäß zur Herstellung der Kraftstoffverteiler vorgeschlagene Stahl erfährt
zwar durch den Wärmeeintrag während des Fügens auch eine Gefügeumwandlung, härtet
aber an der Luft, so dass sich auch an den gefügten Stellen durch die Luftabkühlung
wieder martensitische Strukturen mit den gewünschten Härtewerten einstellen. Ein kritischer
Festigkeitsverlust in den Fügebereichen tritt erfindungsgemäß gerade nicht auf. Daher
erlaubt die Verwendung der vorgeschlagenen Stahllegierung gerade im Hinblick auf bereits
bisher verwendete Stahlsorten eine konstruktive Freiheit, die aus den Festigkeitsvorteilen
des Materials resultiert.
1. Verwendung einer Stahllegierung bestehend aus folgenden Legierungsbestandteilen (in
Gewichtsprozent ausgedrückt):
C |
0,09-0,13 |
Si |
0,15-0,30 |
Mn |
1,10-1,60 |
P |
maximal 0,015 |
S |
maximal 0,011 |
Cr |
1,00-1,60 |
Mo |
0,30-0,60 |
Al |
0,02-0,05 |
V |
0,12-0,25 |
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Kraftstoffverteiler
im luftvergüteten Zustand mit einer Zugfestigkeit Rm von >850 N/mm
2, einer Streckgrenze Rp0,2 von >700 N/mm
2 und einer Dehnung A
5 von>15 %.
2. Verwendung einer Stahllegierung bestehend aus folgenden Legierungsbestandteilen (in
Gewichtsprozent ausgedrückt):
C |
0,09-0,13 |
Si |
0,15-0,30 |
Mn |
1,10-1,60 |
P |
maximal 0,015 |
S |
maximal 0,011 |
Cr |
1,00-1,60 |
Mo |
0,30-0,60 |
Al |
0,02-0,05 |
V |
0,12-0,25 |
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Kraftstoffverteiler
im luftharten Zustand mit einer Zugfestigkeit Rm von >950 N/mm
2, einer Streckgrenze Rp0,2 von >700 N/mm
2 und einer Dehnung A
5 von>14 %.
3. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung von zylinderförmigen
Kraftstoffverteilern.
4. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung von kugelförmigen
Kraftstoffverteilern.
1. Use of a steel alloy consisting of the following alloying components (expressed in
percentage by weight):
C |
0.09-0.13 |
Si |
0.15-0.30 |
Mn |
1.10-1.60 |
P |
maximum 0.015 |
S |
maximum 0.011 |
Cr |
1.00-1.60 |
Mo |
0.30-0.60 |
Al |
0.02-0.05 |
V |
0.12-0.25 |
the rest is comprised of iron and impurities resulting from steel production melting
as material for fuel distributor in air-tempered condition, Rm tensile strength >850
N/mm
2, apparent Rp0.2 yielding point >700 N/mm
2 and A
5 elongation >15%.
2. Use of a steel alloy consisting of the following alloying components (expressed in
percentage by weight):
C |
0.09-0.13 |
Si |
0.15-0.30 |
Mn |
1.10-1.60 |
P |
maximum 0.015 |
S |
maximum 0.011 |
Cr |
1.00-1.60 |
Mo |
0.30-0.60 |
Al |
0.02-0.05 |
V |
0.12-0.25 |
the rest is comprised of iron and impurities resulting from steel production melting
as material for fuel distributor in air-hardened condition, Rm tensile strength >950
N/mm
2, apparent Rp0.2 yielding point >700 N/mm
2 and A
5 elongation >14%.
3. Use of a steel alloy as per Claim 1 or 2 for production of cylindrical fuel distributors.
4. Use of a steel alloy as per Claim 1 or 2 for production of spherical fuel distributors.
1. Utilisation d'un alliage à l'acier composé des éléments suivants (valeurs exprimées
en pourcentage du poids) :
C |
0,09 à 0,13 |
Si |
0,15 à 0,30 |
Mn |
1,10 à 1,60 |
P |
max. 0,015 |
S |
max. 0,011 |
Cr |
1,00 à 1,60 |
Mo |
0,30 à 0,60 |
Al |
0,02 à 0,05 |
V |
0,12 à 0,25 |
le reste se compose de fer et d'impuretés issues du processus de fusion en tant que
matériaux pour le distributeur de carburant en état trempé à l'air et revenu, avec
une résistance à la traction Rm >850 N/mm
2, une limite d'allongement Rp 0,2 >700 N/mm
2 et un allongement à la rupture A
5 >15 %.
2. Utilisation d'un alliage à l'acier composé des éléments suivants (valeurs exprimées
en pourcentage du poids) :
C |
0,09 à 0,13 |
Si |
0,15 à 0,30 |
Mn |
1,10 à 1,60 |
P |
max. 0,015 |
S |
max. 0,011 |
Cr |
1,00 à 1,60 |
Mo |
0,30 à 0,60 |
Al |
0,02 à 0,05 |
V |
0,12 à 0,25 |
le reste se compose de fer et d'impuretés issues du processus de fusion en tant que
matériaux pour le distributeur de carburant en état trempé à l'air, avec une résistance
à la traction Rm >950 N/mm
2, une limite d'allongement Rp 0,2 de >700 N/mm
2 et un allongement à la rupture A
5>14 %.
3. Utilisation d'un alliage à l'acier selon la prétention 1 ou 2 en vue de la fabrication
de distributeurs cylindriques de carburant.
4. Utilisation d'un alliage à l'acier selon la prétention 1 ou 2 en vue de la fabrication
de distributeurs sphériques de carburant.