Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Stahllegierung für Kraftstoffverteiler.
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.
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.
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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Ansprüchen 1 oder 2 gelöst.
Demnach wird eine Stahllegierung, die im luftvergüteten Zustand eine Zugfestigkeit Rm von >850 N/mm2, eine Streckgrenze Rp0,2 von >700 N/mm2 und eine Dehnung A5 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 AC3 -Temperatur erwärmt, an der Luft abgekühlt und anschließend bei 550 bis 650°C angelassen.
Alternativ wird vorgeschlagen, eine Stahllegierung, die im luftharten Zustand eine Zugfestigkeit Rm von >950 N/mm2, eine Streckgrenze Rp0,2 von >700 N/mm2 und eine Dehnung A5 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.
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.
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.
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.
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.
Herkömmlich zur Herstellung von Kraftstoffverteilern eingesetzte Stähle können nach einer Erwärmung über AC3-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.