DE102017119076A1

DE102017119076A1 - Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement und Verwendung einer Stahllegierung zur Herstellung

Info

Publication number: DE102017119076A1
Application number: DE102017119076.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Vietoris; Edgar Müller; Helwig Brabander; Olivier Depierreux
Original assignee: Benteler Steel Tube GmbH
Current assignee: Benteler Steel Tube GmbH
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2019-02-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Rohrelement (1) aus einem Hochmanganstahl besteht, zumindest eine erste Zone (10) aufweist, in der das Rohrelement unbearbeitet ist und eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 760 MPa, eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 380 MPa und eine Bruchdehnung A5 von mindestens 45% aufweist und zumindest eine zweite Zone (11) aufweist, in der eine durch Kaltumformung gebildete Anbindung (100) für ein Anschlussbauteil vorliegt und die mindestens eine zweite Zone (11) an einem Ende des Rohrelementes (1) liegt. Zudem betrifft die Erfindung ein Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Rohrelement (1) aus einem Hochmanganstahl besteht, zumindest eine erste Zone (10) aufweist, in der das Rohrelement unbearbeitet ist und eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 760 MPa, eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 380 MPa und eine Bruchdehnung A5 von mindestens 45% aufweist und zumindest eine zweite Zone (11) aufweist, in der eine durch Kaltumformung erzeugte Biegung vorliegt. Schließlich betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Stahllegierung zur Herstellung eines Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelementes (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement sowie die Verwendung einer Stahllegierung zur Herstellung eines Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelementes.
Heutzutage werden Hydraulik- und Pneumatikleitungen beispielsweise aus Rohrelementen aus Baustahl hergestellt. Solche Leitungsrohre besitzen in der Regel maximale Streckgrenzen (Rp0,2) von ca. 355 MPa mit Kerbschlagarbeiten größer oder gleich 27J bei 0° (Standardproben).
Um höhere Betriebsdrücke in den Leitungen zu ermöglichen, ist es erforderlich die Wanddicke der Rohrelemente der Leitung zu vergrößern. Hierdurch wird aber zum einen das Gewicht der Leitung erhöht und zum anderen wird der für den Durchfluss des druckübertragenden Mediums maßgebende Innendurchmesser verringert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Rohrelement zur Verfügung zu stellen, mit dem diese Nachteile ausgeräumt werden können und das dennoch einen sicheren Betrieb einer Hydraulik- oder Pneumatikleitung erlaubt.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe daher gelöst durch ein Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement. Das Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement wird im Folgenden als Rohrelement bezeichnet. Das Rohrelement ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus einem Hochmanganstahl besteht, zumindest eine erste Zone aufweist, in der das Rohrelement unbearbeitet ist und eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 760 MPa, eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 380 MPa und eine Bruchdehnung A5 von mindestens 45% aufweist und zumindest eine zweite Zone aufweist, in der eine durch Kaltumformung gebildete Anbindung für ein Anschlussbauteil vorliegt und die mindestens eine zweite Zone an einem Ende des Rohrelementes liegt.
Als erste und zweite Zonen werden hierbei Teile der Länge des Rohrelementes bezeichnet.
Als Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement wird ein Rohr bezeichnet, das zumindest einen Teil einer Hydraulikleitung oder einer Pneumatikleitung bildet. Das Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement wird im Folgenden auch als Rohrelement oder HPL-Rohrelement bezeichnet. Das erfindungsgemäße Rohrelement stellt insbesondere ein Rohrelement einer Druckleitung dar. Solche Rohrelemente werden beispielsweise in einer Pneumatikleitung integriert, in der Drücke von 2 bis 6 bar oder höhere Drücke von beispielsweise 10 bar herrschen. Auch die in einer Hydraulikleitung zu erwartenden Drücke, von beispielsweise mehr als 100 bar, vorzugsweise mehr als 200 bar, beispielsweise im Bereich von 420 - 500 bar kann das erfindungsgemäß verwendete Rohrelement standhalten.
Das Rohrelement besteht erfindungsgemäß aus einem Hochmanganstahl. Wie weiter unten beschrieben wird, kann das Rohrelement zusätzlich zu dem Grundkörper aus Hochmanganstahl weitere Lagen aufweisen. Als Hochmanganstahl wird insbesondere ein Stahl bezeichnet, der einen Mangangehalt von mindestens 14 Gew.-% Mangan aufweist. Das Gefüge des Hochmanganstahls ist im normalisierten Zustand vorzugsweise Austenit. Bei einem Mangangehalt von mindestens 14 Gew.-% stellt sich das austenitische Gefüge zuverlässig ein. Zudem kann eine gute Kaltzähigkeit durch einen Mangangehalt von mindestens 14 Gew.-% gewährleistet werden. Der Mangangehalt kann beispielsweise bis zu 40 Gew.-% betragen. Ein höherer Mangangehalt würde dazu führen, dass der Stahl seine Fließfähigkeit verliert. Zudem wird die Stahlherstellbarkeit erschwert. Durch das austenitische Gefüge weist der Hochmanganstahl TRIP-Eigenschaften (Transformation Induced Plasticity) auf, durch die eine verformungsinduzierte Martensitbildung erfolgt. Zudem kann der Hochmanganstahl TWIP-Eigenschaften (Twinning Induced Plasticity) aufweisen, durch die bei plastischer Verformung wegen einer relativ geringen Stapelfehlerenergie eine intensive Zwillingsbildung stattfindet. Hierdurch wird der Stahl verfestigt. Insbesondere in dem oder den zweiten Zonen, in denen das Rohrelement kaltumgeformt ist, ist das Gefüge des Rohrelementes zumindest an der Oberfläche martensitisch.
Das Rohrelement weist zumindest eine erste Zone auf, in dem das Rohrelement unbearbeitet ist. Als unbearbeitet wird hierbei der Zustand des Rohrelementes nach der Rohrherstellung bezeichnet. Insbesondere ist das Rohrelement in der ersten Zone nach der Rohrherstellung nicht kaltumgeformt.
Das Rohrelement beziehungsweise der Hochmanganstahl, aus dem das Rohrelement besteht, weist in der ersten Zone eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 760MPa, vorzugsweise mindestens 800MPa, eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 380 MPa, vorzugsweise mindestens 600 MPa und eine Bruchdehnung A5 von mindestens 45%, vorzugsweise mindestens 50% auf. Die genannten mechanischen Kennwerte beziehen sich auf die erste Zone des Rohrelementes im Zustand nach der Herstellung. Die Kennwerte liegen in der ersten Zone vorzugsweise auch nach einer bestimmungsgemäßen Verwendung innerhalb der Betriebsdrücke ohne signifikanten TRIP- oder TWIP-Effekt vor.
Indem das erfindungsgemäße Rohrelement eine Dehngrenze von mindestens 380 MPa und eine Zugfestigkeit von mindestens 760 MPa aufweist und dessen Bruchdehnung A5 bei mindestens 45 % liegt, kann ohne Sicherheitsanforderungen zu verletzen, eine Hydraulik- und/oder Pneumatikleitung geschaffen werden, bei der das Rohrelement eine geringere Wandstärke aufweist. Hierdurch kann das Gewicht der Rohrleitung verringert werden aber dennoch die Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. Alternativ oder zusätzlich kann durch die mechanischen Eigenschaften, die das Rohrelement aufweist, bei gleicher Wandstärke oder auch bei verringerter Wandstärke der Betriebsdruck erhöht werden, ohne dass es zu einer Beschädigung des Rohrelementes kommt. Hierdurch kann die Systemleistung des Hydraulik- oder Pneumatiksystems, in dem das Rohrelement eingesetzt wird, erhöht werden. Indem das Rohrelement eine Zugfestigkeit von mindestens 760 MPa aufweist, kann eine ausreichende Berstfestigkeit gewährleistet werden, die den Beanspruchungen, insbesondere dem hohen Innendruck, der auf das Rohrelement wirken kann, standhalten kann. Insgesamt wird durch die Verwendung eines Hochmanganstahls aufgrund der geringeren Dichte im Vergleich zu herkömmlichen Stahl auch bei gleicher Wandstärke des Rohrelementes eine Gewichtsreduktion erreicht.
Die Bruchdehnung des Rohrelementes liegt erfindungsgemäß in der ersten Zone bei mindestens 45%. Dieser Materialkennwert bezeichnet die Verlängerung der Probe nach dem Bruch bezogen auf die Anfangsmesslänge der Probe. Durch die hohe Bruchdehnung, die an dem Rohrelement vorliegt, ist eine hohe Duktilität gegeben und den Beanspruchungen beim Betrieb des Pneumatik- oder Hydrauliksystems kann daher standgehalten werden. Die Bruchdehnung A5 bezieht sich auf eine Probe, bei der die Anfangslänge der Probe, die einen Rundstab darstellt, fünfmal dem Anfangsdurchmesser der Probe entspricht. L₀ =5 * d₀.
Das Rohrelement weist gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zumindest eine zweite Zone auf, in der eine durch Kaltumformung gebildete Anbindung für ein Anschlussbauteil vorliegt. Die mindestens eine zweite Zone liegt an einem Ende des Rohrelementes. Die zweite Zone wird im Folgenden auch als kaltumgeformter oder umgeformter Bereich bezeichnet. Indem die Anbindung für Anschlussbauteile, wie Schläuche oder Rohre an dem Rohrelement selber ausgebildet ist, ist zum einen die Herstellung vereinfacht und zudem kann aufgrund der Verringerung von Verbindungselementen in der Hydraulik- oder Pneumatikleitung die Zuverlässigkeit der Leitung sichergestellt werden.
Ein Anformen einer Anbindung für Anschlussbauteile ist bei dem erfindungsgemäßen Rohrelement durch Kaltumformung möglich. Dies liegt insbesondere an der guten Umformbarkeit des Hochmanganstahls, aus dem das Rohrelement besteht. Zudem wird dadurch, dass das Anformen durch Kaltumformung erfolgt, eine Phasenumwandlung in Martensit zumindest an der Oberfläche des Rohrelementes in dem Endbereich bewirkt und dadurch eine höhere Berstfestigkeit erzielt. Insbesondere kann durch die höhere Festigkeit, das heißt Berstfestigkeit, höheren Berstdrücken standgehalten werden, wodurch die Sicherheit der Anbindung und der daran angeschlossenen Anschlussbauteilen erhöht wird. Zudem wird durch die Kaltumformung in der zweiten Zone auch die spanende Bearbeitbarkeit der Endbereiche des Rohrelementes, wie beispielsweise ein Gewindeschneiden, verbessert.
Im Folgenden wird im Wesentlichen auf eine zweite Zone, das heißt einen umgeformten Bereich, an einem Ende des Rohrelementes Bezug genommen. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, dass an beide Rohrelementenden durch Kaltumformung jeweils eine Anbindung für ein Anschlussbauteil vorgesehen ist und somit zwei zweite Zonen vorliegen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Umformgrad in zumindest einem Teil der mindestens einen zweiten Zone >10%. Vorzugsweise liegt der Umformgrad bei 10 bis 40%. Aufgrund der Verwendung eines Hochmanganstahls kann dieser Umformgrad mit einer geringen Anzahl von Umformschritten erzielt werden. Somit wird erneut die Herstellung vereinfacht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Kaltumformung in der mindestens einen zweiten Zone an dem mindestens einen Rohrelementende in maximal fünf, bevorzugt maximal drei Umformschritten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anbindung eine Schlauchanbindung oder eine Rohranbindung. Die Schlauchanbindung kann als sogenannter Schlauchnippel ausgestaltet sein. Bei einer Rohranbindung kann eine Aufweitung zum Einbringen eines Rohres und gegebenenfalls zum Einbringen eines Innengewindes an dem Rohrelementende als Anbindung dienen. Alternativ kann ein Aufstauchen als Anbindung dienen. In diesem Fall wird die Wandstärke in dem Anbindungsbereich am Ende des Rohrelementes vergrößert und in diesen Bereich größerer Wandstärke kann ein Innen- oder Außengewinde eingebracht werden. Die teilweise komplexen Geometrien beziehungsweise großen Umformgrade, die für diese Anbindungen notwendig sind, können an dem erfindungsgemäßen Rohrelement, das aus Hochmangan besteht, auf einfache Weise durch Kaltumformung erzeugt werden.
Die Kaltumformung ist vorzugsweise eine spanlose Kaltumformung. Die Umformung des mindestens einen Endes des Rohrelementes, das heißt in der mindestens einen zweiten Zone, kann beispielsweise Aufweiten, Aufstauchen, Bördeln, Profilieren und/oder Rollieren umfassen. Durch Anwendung einer oder mehrerer dieser Umformarten können komplexe Geometrien an dem mindestens einen Ende des Rohrelementes erzeugt werden. Im Gegensatz zu spanenden Verarbeitungen von Rohrelementen zum Ausbilden von Anbindungen für Anschlussbauteile ist zudem die Herstellung vereinfacht.
Gemäß einem Beispiel kann das Außendurchmesserverhältnis AD1 / AD2 zwischen der mindestens einen zweiten Zone und der mindestens einen ersten Zone des Rohrelementes 1,2 bis 2 betragen. Zusätzlich oder alternativ kann das Wanddickenverhältnis WD1 / WD2 zwischen der mindestens einen zweiten Zone und der mindestens einen ersten Zone des Rohrelementes 1 ,2 bis 2 betragen. Es ist aber auch möglich, dass die Vergrößerung des Außendurchmessers ohne Vergrößerung der Wanddicke oder sogar mit einer Verringerung der Wanddicke erfolgt. Die Wanddicke wird auch als Wandstärke des Rohrelementes bezeichnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement. Das Rohrelement ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement aus einem Hochmanganstahl besteht, zumindest eine erste Zone aufweist, in der das Rohrelement unbearbeitet ist und eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 760 MPa, eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 380 MPa und eine Bruchdehnung A5 von mindestens 45% aufweist und das Rohrelemente zumindest eine zweite Zone aufweist, in der eine durch Kaltumformen erzeigte Biegung vorliegt.
Vorteile und Merkmale, die bezüglich des ersten Aspekts der Erfindung beschrieben wurden, gelten - soweit anwendbar - auch für das Rohrelement gemäß dem zweiten Aspekt. Insbesondere sind die Kennwerte und die Vorteile des verwendeten Hochmanganstahls, bei dem Rohrelement gemäß dem zweiten Aspekt gleich denen des Rohrelementes des ersten Aspekts. Die erste Zone(n) des Rohrelementes gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung entspricht von deren Eigenschaften der oder den ersten Zone(n) des Rohrelementes gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
Das Rohrelement gemäß dem zweiten Aspekt unterscheidet sich dadurch von dem Rohrelement des ersten Aspektes, dass in der zweiten Zone des Rohrelementes eine durch Kaltumformung erzeugte Biegung vorliegt. Als zweite Zone wird auch hierbei ein Teil der Länge des Rohrelementes bezeichnet. Die zweite Zone kann an einem der Enden des Rohrelementes oder beabstandet zu den Enden des Rohrelementes liegen. Gemäß einer Ausführungsform sind mehrere zweite Zonen vorgesehen, in denen das Rohrelement jeweils eine Biegung aufweist. Die zweite Zone wird daher im Folgenden auch als Biegung bezeichnet.
Die Biegung des Rohrelementes wird durch eine Kaltumformung des Rohrelementes erzeugt. Indem das Rohrelement aus Hochmanganstahl besteht und daher ein austenitische Gefüge mit TRIP-Eigenschaften (Transformation Induced Plasticity) aufweist, wird durch die Kaltumformung, das heißt das Biegen, eine verformungsinduzierte Martensitbildung hervorgerufen. Zudem kann der Hochmanganstahl TWIP-Eigenschaften (Twinning Induced Plasticity) aufweisen, durch die bei plastischer Verformung wegen einer relativ geringen Stapelfehlerenergie eine intensive Zwillingsbildung stattfindet. Hierdurch wird der Stahl verfestigt. Somit ist bei dem Rohrelement gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, das Gefüge des Rohrelementes in dem gebogenen Bereich daher zumindest an der Oberfläche martensitisch.
Das Biegen durch Kaltumformung ist bei dem erfindungsgemäß verwendeten Hochmanganstahl aufgrund seiner guten Umformbarkeit möglich. Zudem wird dadurch, dass das Biegen durch Kaltumformung erfolgt, eine Phasenumwandlung in Martensit zumindest an der Oberfläche des Rohrelementes in dem Biegebereich bewirkt und dadurch eine höhere Festigkeit erzielt.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Umformgrad in der Biegung mindestens 10%. Als Biegung oder Biegebereich wird der Teilbereich der Länge des Rohrelementes bezeichnet, in dem dieses gebogen ist. Der Umformgrad kann in einem Bereich von 10 bis 40% liegen. Aufgrund der Verwendung eines Hochmanganstahls kann dieser Umformgrad mit einer geringen Anzahl von Umformschritten erzielt werden. Somit wird erneut die Herstellung vereinfacht.
Zudem kann das Rohrelement in der zweiten Zone einen kleinen beziehungsweise engen Biegeradius aufweisen, das heißt stark gebogen sein. Beispielsweise kann der Biegeradius R kleiner als das 1,5-fache des Außendurchmessers des Rohrelementes sein. Durch einen so engen Biegeradius kann zum einen der Bauraum, der für die Hydraulik- oder Pneumatikleitung benötigt wird, reduziert werden. Zudem ist aufgrund der Verfestigung die sich durch die Umformung ergibt, die zyklische Schwellfestigkeit, das heißt die Festigkeit bei zyklischer Schwellbelastung, in dem Biegebereich gegeben. Eine Materialermüdung in diesem Bereich ist daher nicht zu befürchten beziehungsweise die Ermüdungsresistenz ist gesteigert. Besonders bevorzugt ist der Biegeradius R kleiner als das 1,0-fache des Außendurchmessers des Rohrelementes.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Rohrelement nach dem ersten Aspekt mit einer Biegung in einem Teilbereich gemäß dem zweiten Aspekt. Das mindestens eine Rohrelemente nach einem der Aspekte der Erfindung besteht vorzugsweise aus einer Stahllegierung, die außer Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente in Gew.-% umfasst:

Mn 14 - 40

C 0,03 - 0,78

Al 0,03 - 5

Cr < 5.
Mangan wird in einer Menge von >14 Gew.-% zugegeben. Damit kann gewährleistet werden, dass das Gefüge austenitisch ist. Zudem kann die Kaltzähigkeit gewährleistet werden. Ein zu hoher Mangangehalt, das heißt ein Mangangehalt von mehr als 40 Gew.-% würde den Stahl weniger fließbar machen und die Stahlherstellbarkeit wäre erschwert.
Der Stahl, aus dem das mindestens eine Rohrelement besteht, kann vorzugsweise einen Kohlenstoffgehalt von <0,78 Gew.-% aufweisen. Durch einen solch geringen Kohlenstoffgehalt wird verhindert, dass der Stahl beim Schweißen zu spröde und/oder hart wird. Vorzugsweise weist der Stahl aber mindestens 0,03 Gew.-% auf. Hierdurch kann der TRIP-Effekt in dem Stahl, das heißt die TRIP-Eigenschaft des Stahls noch genutzt werden.
Zudem weist der Stahl, aus dem das mindestens eine Rohrelement besteht, beispielsweise maximal 5% Gew.-% Chrom, vorzugsweise maximal 2 Gew.-% Chrom auf. Durch die Zugabe von Chrom in diesen Mengen kann eine Verzunderung des Rohrelementes durch Bildung einer Passivierungsschicht verhindert werden.
Zusätzlich weist der Stahl vorzugsweise Aluminium auf, um die Neigung zur Wasserstoffversprödung zu reduzieren. Aluminium wird aber vorzugsweise in einer Menge von maximal 5 Gew.-% zugegeben. Bei einem höheren Aluminiumgehalt kann Aluminium über eine Nitrid-Abbindung hinaus vorhanden bleiben, was bei der Stahlherstellung störend ist.
Weitere optionale Legierungselemente, die in dem Stahl vorhanden sein können, sind Nb, Ti, und/oder V. Diese Legierungselemente werden, sofern sie zugegeben werden, vorzugsweise in Mengen zugegeben, deren Summe maximal 0,2 Gew.-% beträgt. Hierdurch kann die Kornfeinung in dem Gefüge unterstützt werden, da die Karbide und/oder Nitride dieser Legierungselemente das Kornwachstum begrenzen.
Der Vanadiumgehalt beträgt vorzugsweise maximal 0,2 Gew.-%. Hierdurch werden Karbide oder Nitride gebildet.
Der Niobgehalt beträgt vorzugsweise maximal 0,2 Gew.-%. Hierdurch werden Karbonitride gebildet, wodurch der Stickstoff abgebunden wird.
Der Titangehalt beträgt vorzugsweise maximal 0,1 Gew.-%. Hierdurch werden Nitride gebildet, wodurch der Stickstoff abgebunden wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist das mindestens eine Rohrelement nach einem der Aspekte der Erfindung einen Randentkohlungsbereich bis zu einer Tiefe von < 50µm auf, in dem der Kohlenstoffgehalt um bis zu 5 - 20 %, vorzugsweise um bis zu 8-10% reduziert ist. Durch die randentkohlte Zone wird bei der Kaltumformung in der zweiten Zone ein TRIP-Effekt durch Umwandlung metastabilen Austenits in Martensit in dem randentkohlten Bereich bewirkt. Damit wird der Vorteil erreicht, dass das Rohrelement einfacher spanend bearbeitbar und gleichzeitig weniger verschleißanfällig ist. Es wird insbesondere eine gezielte Verfestigung beziehungsweise Härtesteigerung von beispielsweise 5-10 % erzielt.
Die randentkohle Zone kann durch Glühbehandlung während der Formgebung beziehungsweise zwischen Formgebungsschritten des Rohrelements unter oxidierender Atmosphäre erzeugt werden. Hierbei können die Glühtemperatur und Glühdauer sowie weitere Parameter, wie die Gaszusammensetzung in der Atmosphäre gezielt eingestellt werden, um die Tiefe und die Eigenschaften des Gefüges in der randentkohlten Zone beeinflussen zu können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Rohrelement nach einem der Aspekte der Erfindung zumindest bereichsweise eine weitere Lage auf. Als Lage kann eine Beschichtung, wie beispielsweise eine Zinkschicht bezeichnet werden. Durch ein Verzinken kann ein Korrosionsschutz und Schutz gegen mechanische Beschädigung erzielt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Rohrelement besteht dabei wegen der Verwendung eines Hochmanganstahls im Vergleich zu Vergütungsstählen ähnlicher Festigkeit keinerlei Gefahr von wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion beziehungsweise Wasserstoffversprödung. Insbesondere liegt bei dem erfindungsgemäßen Rohrelement der Betrag von atomarem Wasserstoff bei < 0,5 ppm.
Zusätzlich oder alternativ zu einer Beschichtung kann die weitere Lage auch eine Lage aus einem von Hochmangan abweichenden Material sein, die bei der Rohrherstellung, das heißt vor der Kaltumformung in der zweiten Zone erzeugt wird. Die weitere Lage kann an der Innenseite und/oder Außenseite des Rohrelementes vorgesehen sein.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Rohrelement gemäß einem der Aspekte der Erfindung zumindest in der zweiten Zone zumindest bereichsweise einen durch TRIP-oder TWIP-Effekt aufgehärteten Bereich. Der aufgehärtete Bereich ist somit vorzugsweise das bearbeitete Rohrelementende und/oder die Biegung des Rohrelementes.
Zusätzlich oder alternativ zu der Aufhärtung in der zweiten Zone kann bei vorübergehenden Überdruckzuständen in dem Rohrelement in der ersten Zone durch TRIP- oder TWIP-Effekt die Zugfestigkeit die Zugfestigkeit um wenigstens 5%, vorzugsweise um 20% erhöht sein.
Das mindestens eine Rohrelement kann ein nahtloses oder ein geschweißtes Rohrelement darstellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Stahllegierung zur Herstellung eines Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement. Die Verwendung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung eine Hochmanganlegierung ist, die außer Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente in Gew.-% aufweist:

C: 0,03 - 0,78

Si: 0,03-5

Mn: 14 - 40

S: ≤ 0,03

P: ≤ 0,03

Al: 0,03 - 5

N: < 0,04

Cr: <5

Mo: < 1,5

Cu: < 2,5

V: < 0,5.
Gemäß einer Ausführungsform wird zur Herstellung des Rohrelementes eine Legierung verwendet, die außer Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente in Gew.-% aufweist:

C: 0,1 -0,5

Si: 0,1 - 3

Mn: 15 - 30

S: < 0,001

P: < 0,03

Al: 0,5 - 3

N: < 0,04

Cr: 0,1 - 4

Mo: < 1,5

Cu: < 1

V: < 0,25
Besonders bevorzugt wird als Produkt der Herstellung des Rohrelementes unter Verwendung einer der beschriebenen Hochmanganlegierungen ein Rohrelement gemäß einem der Aspekte der Erfindung erhalten.
Die Erfindung wird im Folgenden erneut unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1: eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrelementes;
2: eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrelementes;
3: eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrelementes;
4: eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrelementes; und
5: eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrelementes.

In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelementes 1 gezeigt, das im Folgenden kurz als Rohrelement 1 bezeichnet wird. Das Rohrelement 1 stellt ein Rohrelement 1 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung dar. Das Rohrelement 1 weist in der dargestellten Ausführungsform eine erste Zone 10 auf, die einen unbearbeiteten Bereich des Rohrelementes 1 bildet. In der dargestellten Ausführungsform ist die erste Zine 10 ein gerader Bereich. In der ersten Zone 10ist der Durchmesser des Rohrelementes 1 konstant und dessen Längsachse wird durch eine Gerade bildet. An einem Ende des Rohrelementes 1 ist eine zweite Zone 11 gebildet. Insbesondere ist in der zweiten Zone 11 eine Anbindung 100 für ein Anschlussbauteil (nicht gezeigt) eingearbeitet. Die Anbindung 100 stellt in der gezeigten Ausführungsform eine Schlauchanbindung in Form eines sogenannten Schlauchnippels dar. Die Anbindung 100 umfasst in der dargestellten Ausführungsform einen Absatz 101, in dem der Außendurchmesser AD1 gegenüber dem Außendurchmesser AD2 der ersten Zone 10, das heißt des nicht umgeformten Bereiches des Rohrelementes 1 vergrößert ist. Zudem ist in Richtung des Endes des Rohrelementes 1 bei der dargestellten Ausführungsform eine Verringerung des Außendurchmessers in Form einer Nut 104 vorgesehen. Die Anbindung 100 ist durch Kaltumformung des Endes des Rohrelementes 1 gebildet. Hierbei werden maximal 5, vorzugsweise maximal 3, Umformschritte zur Erzeugung der Anbindung 100 benötigt. In einer Ausführungsform weist das Verhältnis AD1 / AD2, das heißt des größten Außendurchmessers AD1 in der zweiten Zone zu dem Außendurchmesser AD2 in der ersten Zone 10 des Rohrelementes 1, Werte im Bereich von 1,2 bis 2 auf. Auch das Wanddickenverhältnis WD1 / WD2, das heißt der Wanddicke WD1 im Bereich des größten Außendurchmessers AD1 in der zweiten Zone 11 zu der Wanddicke WD2 in der ersten Zone 10 des Rohrelementes 1, liegt beispielsweise im Bereich von 1,2 bis 2.
Die Kontur der Anbindung 100 wird durch Kaltumformung, beispielsweise durch Aufweiten, Einziehen, Börderln, Aufstauchen, Rollieren und/oder Prägen, erzeugt. Hierbei kann die Anzahl, Größe und Anordnung der Lippen, der Durchmesser des Lippenabsatzes 101 sowie der Nutaufstauchung der Nut 104 von den gezeigten abweichen.
In der 2 ist eine zweite Ausführungsform eines Rohrelementes 1 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Zone durch eine Aufweitung des einen Endes des Rohrelementes 1 gebildet, das heißt die Anbindung 100 wird durch eine Aufweitung 102 gebildet. Der Außendurchmesser AD1 in dem Bereich der Aufweitung 102 ist größer als der Außendurchmesser AD2 des Rohrelementes 1 in der ersten Zone 10. Das Verhältnis AD1/AD2 kann beispielsweise im Bereich von 1,2 - 2 liegen. Das Wanddickenverhältnis WD1 / WD2, das heißt der Wanddicke WD1 in der Aufweitung 102 zu der Wanddicke WD2 der ersten Zone 10 des Rohrelementes 1, liegt beispielsweise bei 1. Die Aufweitung 102 kann insbesondere zur Anbindung eines Rohres mit Außengewinde (nicht gezeigt) verwendet werden. Hierzu kann in der Innenseite der Aufweitung 102 ein Innengewinde (nicht gezeigt) eingebracht werden. Die eigentliche Aufweitung 102 wird allerdings vorzugsweise mit einem spanlosen Kaltumformverfahren erzeugt. Diese Art der Endenbearbeitung, bei der das Ende des Rohrelementes 1 oder die Enden des Rohrelementes 1 aufgeweitet werden, ist insbesondere für Hochdruckanwendungen von Vorteil.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrelementes 1 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um ein Rohrelement 1 gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Insbesondere ist in dieser Ansicht ein Teil eines Rohrelementes 1 gezeigt, bei dem eine zweite Zone 11 in Form einer Biegung 105 eingebracht ist, das heißt, das Rohrelement 1 über einen Teil seiner Länge gebogen ist. Der Biegungsradius R beträgt in dieser Ausführungsform beispielsweise das 1,5-fache des Außendurchmessers 1,5*AD.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrelementes nach dem zweiten Aspekt gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist das Rohrelement 1 über dessen Länge mehrfach mit geringen Biegeradien gebogen. Insbesondere weist das Rohrelement 1 zwei zweite Zonen 11 in Form von Biegungen 105 auf. Die Enden des Rohrelementes 1 sind in der gezeigten Ausführungsform nicht kaltumgeformt, insbesondere weisen diese Enden keine angearbeitete Anbindung 100 auf. Vielmehr ist an jedem der Enden des Rohrelementes 1 jeweils ein Schneidring 2 aufgebracht, über den weitere Bauteile, wie Rohre (nicht gezeigt) angebunden werden können.
In 5 ist schließlich eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrelementes 1 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um ein Rohrelement 1 nach dem dritten Aspekt der Erfindung. Insbesondere ist an beide Enden des Rohrelementes 1 jeweils eine zweite Zone 11 gebildet, in der das Rohrelement 1 aufgestaucht ist. Diese Aufstauchungen 103 bilden die Anbindungen 100. Im Inneren der Aufstauchungen 103 können Innengewinde (nicht gezeigt) für die Anbindung weiterer Bauteile, beispielsweise Rohre (nicht gezeigt) eingebracht sein. Über die Länge weist das Rohrelement 1 eine weitere zweite Zone 11 in Form einer Biegung 105 auf, in dem das Rohrelement 1 durch Biegen kaltumgeformt ist. Bei dieser Ausführungsform können die Enden des Rohrelementes 1 so bearbeitet sein, dass das Verhältnis der Durchmesser AD2 in der zweiten Zone an den Enden des Rohrelementes 1, das heißt an den Aufstauchungen 103 zu dem Durchmesser AD1 an der ersten Zone 10 beispielsweise 1,2-2 beträgt.
Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich eine Reihe von Vorteilen erzielen.
Insbesondere können Hydraulik- oder Pneumatikleitungen, die aus mindestens einem Rohrelement gemäß der Erfindung bestehen, bei höheren Betriebsdrücken als herkömmliche Hydraulik- oder Pneumatikleitungen mit gleicher Wandstärke betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Wandstärke des oder der Rohrelemente reduziert werden, so dass ein Leichtbaupotential besteht. Aufgrund der hohen Streckgrenze und Zugfestigkeit des aus Hochmanganstahl bestehenden Rohrelementes der Hydraulik- oder Pneumatikleitungen ist aber weiterhin die erforderliche Sicherheit gegeben.
Insbesondere kann mit dem Hochmanganstahl im normalisierten Zustand eine Zugfestigkeit von beispielsweise Rm ~ 800 MPa erreicht werden, die somit ca. 200-300 MPa höher ist als die Zugfähigkeit eines Standardstahls, beispielsweise E355+N, die bei Rm ~ 490-630 MPa liegt. Dennoch weist der Hochmanganstahl eine hohe Bruchdehnung A5 von beispielsweise 50% auf. Weiterhin lässt sich der Hochmanganstahl sehr gut umformen. Somit können die zur Anbindung von Bauteilen notwendigen Anbindungen an den Rohrelementenden und/oder die Biegung des Rohrelementes in zumindest einem Teilbereich über dessen Länge auf einfache Weise erzeugt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Rohrelement können engere Biegeradien realisiert werden, beispielsweise R < 1 AD oder < 1,5 AD als bei herkömmliche Rohrelementen von Hydraulik- oder Pneumatikleitungen und damit ist für die Leitung ein kleinerer Bauraum ausreichend.
Zudem wird ein Leichtbau durch Wanddickenreduktion aber auch durch geringere Dichte des Materials des Rohrelementes (ca. 7,36 statt 7,85 g/cm³) ermöglicht.
Weiterhin können bis zum +30% höhere Betriebsdrücke dank der höheren Festigkeit der Rohrelemente in den Hydraulik- oder Pneumatikleitungen realisiert werden.
Vorzugsweise ist die Zähigkeit des Rohrelementes auch bei sehr tiefen Temperaturen gegeben (z.B. bei -196°C). Somit liefert die Erfindung gut umformbare Hydraulik-Pneumatik-Rohre auch für Tiefsttemperatureinsatz.
Mit der vorliegenden Erfindung können beispielsweise Schlauchnippel an dem Rohrelement angeformt sein. Diese können unterschiedliche Designs aufweisen. Das mühsame und kostenintensive Herstellen dieser Schlauchnippel durch spanende Verarbeitung eines Vollmaterials oder eine Herstellung in sehr vielen Umformschritten kann entfallen. Erfindungsgemäß können max. 3 Umformschritte ausreichen. Mit der vorliegenden Erfindung können komplexe Geometrien, das heißt Geometrien, die bezüglich der Anzahl und Größe von Lippen / Lippenabsatz / Nutaufstauchungen mit entsprechend hohen Umformgraden gefertigt werden sollen auf einfache Weise hergestellt werden. Auch Aufweitungen von Rohrenden zwecks Anbindung zu Anschlussbauteilen, insbesondere in Hochdruckanwendungen, können auf einfache Weise hergestellt werden. Die Wanddicke bei diesen Anwendungen beträgt in der Regel WD 6-10mm.
Alternativ oder zusätzlich zu einem Rohrelement mit Schlauchnippeln oder Aufweitungen, kann beispielsweise ein Hochdruckleitungsrohr / HPL-Rohr mit sehr engen Biegeradien in der Größenordnung von < 1 AD oder <1,5*AD durch Kaltumformung hergestellt werden. Diese Hochdruckleitungen / HPL-Rohre konnten bislang nur aus Baustahl hergestellt werden.
Zudem wird durch die Kaltumformung, insbesondere das Biegen zumindest eines Teils des Rohrelementes, die Ermüdungsbruchgefahr im Betrieb durch Verfestigung beim Biegen, aber auch während der Wechselschwellbeanspruchung des Rohrelementes, reduziert. Dies insbesondere durch den TRIP-Effekt und TWIP-Effekt, das heißt die Innenrandzonenaufhärtung durch Phasenwechsel. Vorzugsweise wird auch bei vorübergehenden Überdruckzuständen im Rohrelement durch TRIP- oder TWIP-Effekt die Zugfestigkeit zumindest in der nicht durch Kaltumformung ausgebildete Biegung oder Anbindung, das heißt in der ersten Zone oder den ersten Zonen um wenigstens 5% vorzugsweise um wenigstens 10% und insbesondere 20% erhöht, so dass das Rohrelement diesen kritischen Zuständen standhält. Dies wird erzielt, da bei Überdruck das Gefüge umgewandelt wird und somit dem diese Umwandlung auslösenden Überdruck entgegengewirkt wird. Somit kann die Sicherheit gegen Versagen gesteigert werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die hohe Duktilität und Verformbarkeit sowie die Druckbeständigkeit des Hochmanganstahls vorteilhaft genutzt.
Bezugszeichenliste

1: Rohrelement
10: erste Zone
11: zweite Zone
100: Anbindung
101: Absatz
102: Aufweitung
103: Aufstauchung
104: Nut
105: Biegung
2: Schneidring
AD: Außendurchmesser
WD: Wanddicke
R: Biegeradius

Claims

Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (1) aus einem Hochmanganstahl besteht, zumindest eine erste Zone (10) aufweist, in der das Rohrelement (1) unbearbeitet ist und eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 760 MPa, eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 380 MPa und eine Bruchdehnung A5 von mindestens 45% aufweist und zumindest eine zweite Zone (11) aufweist, in der eine durch Kaltumformung gebildete Anbindung (100) für ein Anschlussbauteil vorliegt und die mindestens eine zweite Zone (11) an zumindest einem Ende des Rohrelementes (1) liegt.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Umformgrad in zumindest einem Teil der mindestens einen zweiten Zone (11) >10% beträgt.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung (100) eine Schlauchanbindung oder eine Rohranbindung ist.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltumformung Aufweiten, Aufstauchen, Bördeln, Profilieren und/oder Rollieren mindestens eines der Enden des mindestens einen Rohrelementes (1) umfasst.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltumformung in der mindestens einen zweiten Zone (11) in maximal fünf, bevorzugt drei Umformschritten erfolgt.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Außendurchmesserverhältnis AD1 / AD2 zwischen der mindestens einen zweiten Zone (11) und der mindestens einen ersten Zone (10) des Rohrelementes (1) 1,2 bis 2 beträgt.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wanddickenverhältnis WD1 / WD2 zwischen der mindestens einen zweiten Zone (11) und der mindestens einen ersten Zone (10) des Rohrelementes (1) 1,2 bis 2 beträgt.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (1) aus einem Hochmanganstahl besteht, zumindest eine erste Zone (10) aufweist, in der das Rohrelement unbearbeitet ist und eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 760 MPa, eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 380 MPa und eine Bruchdehnung A5 von mindestens 45% aufweist und zumindest eine zweite Zone (11) aufweist, in der eine durch Kaltumformung erzeugte Biegung (105) vorliegt.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformgrad in der Biegung (105) mindestens 10% beträgt.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeradius R in der Biegung (105) kleiner als das 1,5fache des Außendurchmessers (AD) des Rohrelementes (1), insbesondere kleiner als das 1-fache des Außendurchmessers (AD) ist.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zumindest eine Anbindung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rohrelement (1) aus einer Stahllegierung besteht, die außer Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente in Gew.-% umfasst: Mn 14 - 40 C 0,03 - 0,78 Al 0,03 - 5 Cr < 5.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung weiterhin mindestens ein Mikrolegierungselement aus der Gruppe Nb, Ti, V umfasst und die Summe der Mikrolegierungselemente maximal 0,2% beträgt.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rohrelement einen Randentkohlungsbereich bis zu einer Tiefe von < 50µm aufweist, in dem der Kohlenstoffgehalt um bis zu 5 - 20 %, vorzugsweise um bis zu 8-10% reduziert ist.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (1) zumindest bereichsweise eine weitere Lage aufweist.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (1) in zumindest in der zweiten Zone (11) zumindest bereichsweise einen durch TRIP-Effekt aufgehärteten Bereich umfasst.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rohrelement (1) ein nahtloses oder ein geschweißtes Rohrelement darstellt.
Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei vorübergehenden Überdruckzuständen im Rohrelement (1) zumindest in der ersten Zone (10) durch TRIP- oder TWIP-Effekt die Zugfestigkeit um wenigstens 5%, bevorzugt um wenigstens 20% erhöht ist.
Verwendung einer Stahllegierung zur Herstellung eines Hydraulik- oder Pneumatikleitungsrohrelementes (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung eine Hochmanganlegierung ist, die außer Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente in Gew.-% aufweist: C: 0,03 - 0,78 Si: 0,03 - 5 Mn: 14 - 40 S: ≤ 0,03 P: ≤ 0,03 Al: 0,03 - 5 N: < 0,04 Cr: <5 Mo: < 1,5 Cu: < 2,5 V: < 0,5