DE19650736C1 - Verfahren zur Verformung von dickwandigen Bauteilen - Google Patents

Description

Zur Erzeugung von Eigenspannungen mit dem Ziel einer Be­ einflussung der Spannungsverteilung zur besseren Werk­ stoffausnutzung ist es bekannt, dickwandige Zylinder durch Innendruck gezielt plastisch zu verformen (z. B. DE 43 37 517 A1). Dieses auch als Autofrettage bezeichnete Verfahren zur Erhöhung der statischen und dynamischen Be­ lastbarkeit innendruckbeanspruchter dickwandiger hohler Bauteile wird bislang immer nur bei Raumtemperatur ange­ wandt. Die dabei erzielbare Erhöhung der Belastbarkeit ist allerdings für bestimmte metallische Werkstoffe zu gering, um einen Einsatz im Hochdruckbereich sicherzu­ stellen.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur plastischen Verfor­ mung von dickwandigen hohlen metallischen Bauteilen zu schaffen, durch das die Betriebsfestigkeit der Bauteile unter bevorzugt schwellendem Innendruck merklich gestei­ gert werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge­ löst.

Die Erfindung hat erkannt, daß bei einer gezielten pla­ stischen Verformung der inneren Oberflächen von gekühlten hohlen Bauteilen aus bei tiefen Temperaturen eine höhere Streckgrenze als bei Raumtemperatur und/oder eine erhöhte Kaltverfestigung bei tieferen Temperaturen aufweisenden metallischen Werkstoffen bei einer Temperatur unterhalb der Raumtemperatur, insbesondere deutlich unterhalb der Raumtemperatur, und zwar etwa zwischen -50°C und -110°C, sowie mit einem tieftemperaturtauglichen Hoch­ druckfluid die Belastbarkeit der Bauteile bei Raumtempe­ ratur oder bei einer darüber liegenden Temperatur durch die Einstellung eines besonders günstigen Eigenspannungs­ zustands stark verbessert werden kann. In diesem Zusam­ menhang trägt bei als metastabil zu bezeichnenden auste­ nitischen Stählen zusätzlich bei tiefer Temperatur eine stark ausgeprägte Tendenz zur martensitischen Umwandlung in besonderem Maße zu einer weiteren Festigkeitssteige­ rung bei plastischer Kaltverformung bei. Diese Festig­ keitssteigerung bleibt bis zu einer Temperatur von etwa 400°C erhalten, da die eingebrachten Gefügeänderungen, insbesondere die martensitische Phase, stabil bleiben. Somit ist eine deutliche Verbesserung der Ermüdungsfe­ stigkeit bei anschließender Raumtemperaturbeanspruchung unter schwellendem Innendruck erzielbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung der stati­ schen und dynamischen Belastbarkeit innendruckbeanspruch­ ter dickwandiger hohler Bauteile, insbesondere aus Stahl, ist mit Erfolg sowohl bei der Vollautofrettage mit einer vergleichsweise hohen plastischen Verformung der inneren Oberflächen und stärkerer verformungsinduzierter Marten­ sitbildung als auch bei der Grenzautofrettage mit einer demgegenüber geringeren verformungsinduzierten Martensit­ bildung und kleineren Verformungsgraden anwendbar. Darüberhinaus kann die Tieftemperatur-Autofrettage an dickwandigen Bauteilen mit geometrischen Kerben, z. B. in Form von Querbohrungen, angewandt werden. Auch in diesen Fällen wird eine hohe Steigerung der Betriebsfestigkeit erzielt. Interne Versuche haben ergeben, daß die Bruch­ lastspielzahlen quergebohrter Proben im Zeit-Festigkeits- Bereich Werte erreichen, die Proben ohne Querbohrungen im nicht autofrettierten Zustand gleichen. Somit kann durch die Tieftemperatur-Autofrettage die Kerbwirkung durch die Querbohrungen deutlich abgesenkt und die Ermüdungsfestig­ keit verbessert werden.

Die erfindungsgemäße Tieftemperatur-Autofrettage stellt ein technisch vielversprechendes Verfahren dar, das die Möglichkeit bietet, insbesondere Bauteile aus austeniti­ schem Stahl für den Druckbereich bis etwa 2600 bar bei glatten Innenwänden und bis zu 1600 bar bei Bauteilen mit Kerben, das heißt mit Querbohrungen, bei Beanspruchungen mit pulsierendem Innendruck dauerfest einzusetzen, der bislang mit der Raumtemperatur-Autofrettage nicht er­ reichbar war. Der technisch erhöhte Aufwand ist aufgrund der erheblichen Verbesserung des Ermüdungsverhaltens durchaus gerechtfertigt. Ein weiterer Vorteil ist, daß durch die speziellen Gefügeveränderungen und Verformungs­ vorgänge die bei tiefen Temperaturen eingestellten Fe­ stigkeitssteigerungen und Eigenspannungszustände als sehr stabil bei Raumtemperatur anzusehen sind.

Von der grundsätzlichen Wirkungsweise her ist das Verfah­ ren nicht auf Bauteile aus austenitischem Stahl be­ schränkt. Prinzipiell ist das Verfahren auch auf Bauteile aus anderen metallischen Werkstoffen anwendbar, sofern diese Werkstoffe bei tiefen Temperaturen eine höhere Streckgrenze als bei Raumtemperatur besitzen und/oder eine erhöhte Kaltverformung bei tieferen Temperaturen aufweisen. Der Effekt der Festigkeitssteigerung durch verformungsinduzierte martensitische Umwandlung kann zu­ sätzlich bei metastabil austenitischen Stählen genutzt werden.

Je nach gewünschtem Verformungsgrad können entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 2 die Bauteile bei einem In­ nendruck zwischen etwa 2500 bar und etwa 5700 bar mit einem Hochdruckfluid beaufschlagt werden. In Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie und den jeweiligen Werkstoffen können dann die geeigneten Innendrücke eingeleitet wer­ den.

Nach Anspruch 3 wird als Hochdruckfluid bevorzugt ein bis -100°C tieftemperaturtaugliches Fluid, insbesondere eine Mischung aus einem Silikonöl und Pentan, verwendet. Eine derartige Mischung läßt die Übertragung höchster Drücke bei tiefsten Temperaturen zu (5700 bar bei -100°C). Außerdem ermöglicht eine derartige Mischung eine ausrei­ chende Schmierung der notwendigen Hochdruckpumpen und be­ sitzt auch im Vergleich mit Fluiden ohne Ölanteil ein deutlich geringeres Gefahrenpotential.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnun­ gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im schematischen Querschnitt eine Vorrichtung zur Tieftemperatur-Autofrettage von Bauteilen in Form von Rohrproben und

Fig. 2 bis 4 verschiedene Wöhlerkurven für mit schwellen­ dem Innendruck ermüdete dickwandige Rohre ohne und mit Querbohrungen bei Raumtemperatur sowie nach Autofrettage bei Raumtemperatur und bei tiefen Temperaturen.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Tieftemperatur- Autofrettage von Bauteilen 2 in Form von Rohrproben dar­ gestellt. Die Vorrichtung 1 befindet sich in einer Klima­ kammer 3, die bis -100°C gezielt temperierbar ist. Die Klimakammer 3 kann von einer wärmeisolierenden Schicht 4 umgeben sein, die aus einer Isolierwand oder einem Vakuum bestehen kann.

In der Klimakammer 3 befindet sich ein örtlich fixierter Rahmen 5 mit einer Basis 6 und zwei endseitig von der Ba­ sis 6 vertikal nach oben ragenden Schenkeln 7, 8. Die Schenkel 7, 8 sind von sich horizontal erstreckenden, ko­ axial zueinander ausgerichteten Gewindebohrungen 9 durch­ zogen. In die Gewindebohrungen 9 sind Spannbolzen 10, 11 verdrehbar und dadurch axial verlagerbar eingesetzt.

Der im Schenkel 7 gelagerte Spannbolzen 10 besteht aus Vollmaterial und besitzt an dem zum anderen Schenkel 8 gerichteten Ende einen Dichtkonus 12.

Der andere Spannbolzen 11 ist in Längsrichtung von einem Kanal 13 durchzogen, der über ein Hochdruckrohr 14 mit einem Hochdruckfluid, welches bis -100°C tieftemperatur­ tauglich ist, beaufschlagt werden kann. Auch dieser Spannbolzen 11 besitzt an dem zum anderen Schenkel 7 ge­ richteten Ende einen Dichtkonus 12.

Die Dichtkonen 12 der Spannbolzen 10, 11 fassen in die endseitigen Mündungen 15 von in den Bauteilen 2 befindli­ chen Bohrungen 16. In die jeweils gegenüberliegenden Mün­ dungen 17 der Bohrungen 16 der Bauteile 2 fassen Dicht­ konen 18 eines mit einem Längskanal 19 versehenen Brückenbolzens 20.

Durch entsprechende Verlagerung der Spannbolzen 10, 11 in den Schenkeln 7, 8 können mithin die Bauteile 2 zwischen den Spannbolzen 10, 11 und dem Brückenbolzen 20 dicht verspannt werden.

Nach dem Verspannen der Bauteile 2 werden die Oberflächen ihrer Bohrungen 16 durch Autofrettage behandelt, das heißt, sie werden mit dem Hochdruckfluid beaufschlagt mit dem Ziel, daß die Bauteile 2 bei Einsatz unter Hochdruck eine hohe statische und dynamische Belastbarkeit besit­ zen.

Die Fig. 2 zeigt in internen Versuchen ermittelte Wöh­ lerkurven für mit schwellendem Innendruck ermüdete dick­ wandige Rohrproben 2 ohne Querbohrung bei Raumtemperatur RT, ermittelt für das Ausgangsmaterial, und nach einer Autofrettage AF bei Raumtemperatur RT sowie bei -50°C. Die Autofrettage AF bei -50°C ist beispielsweise durch eine Vollautofrettage durchgeführt worden. Dabei wurden zur Kompensation des temperaturabhängigen Anteils der Festigkeit konstante Verformungen eingestellt, um den reinen Werkstoffeffekt zu bestimmen. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Drücke bei den verschiedenen Tempe­ raturen. Durch die hohen plastischen Verformungen konnte bei tiefer Temperatur eine sehr hohe Festigkeitssteige­ rung durch verstärkte Kaltverfestigung und verformungsin­ duzierter Martensitbildung eingestellt werden. Dabei bil­ det sich ein günstiger Eigenspannungszustand aus. Die an­ schließend durchgeführten Ermüdungsversuche bei Raumtem­ peratur RT zeigten eine Erhöhung des Dauerfestigkeits­ drucks (nach 10⁷ Lastwechsel) um 1060 bar, also eine Steigerung um ca. 60%. Ebenso ist festgestellt worden, daß die Lebensdauer im Zeitfestigkeitsbereich deutlich erhöht wurde. Hier sind Steigerungen bis zu einem Faktor 80 möglich.

Die in internen Versuchen ermittelten Wöhlerkurven gemäß Fig. 3 lassen insbesondere die Ergebnisse bei an Rohr­ proben 2 durchgeführten Grenzautofrettagen erkennen. Hierbei wurden die auftretenden Verformungen auf 3% an der Rohrinnenwand reduziert, so daß an der Rohraußenseite die 0,2% Dehngrenze erreicht bzw. leicht überschritten wurde. Hierdurch konnte zusätzlich eine Verringerung der notwendigen Autofrettagedrücke erreicht werden. Durch eine gleichzeitige Absenkung der Temperatur auf bis zu - 110°C gelang es durch Nutzung der bei tiefer Temperatur besonders wirksamen Kaltverfestigung (ohne nennenswerte Martensitbildung), die Belastbarkeit bei anschließender Raumtemperaturbeanspruchung deutlich zu erhöhen. Hier konnte eine Erhöhung des Dauerfestigkeitsdrucks um 790 bar erzielt werden. Die Steigerung der Lebensdauer im Zeitfestigkeitsbereich beträgt einen Faktor 7 gegenüber dem Ausgangszustand, wobei jedoch anzumerken ist, daß ge­ genüber einer Autofrettagetemperatur von -90°C keine weitere Steigerung mehr beobachtet wurde.

Die Fig. 4 zeigt schließlich Wöhlerkurven als Ergebnis einer Autofrettage AF bei Versuchen an Rohrproben 2 mit einer Querbohrung. Es wurden Autofrettage AF und Ermü­ dungsversuche an dickwandigen Rohren 2 mit Querbohrungen mit einem Querbohrungsverhältnis 0,25 durchgeführt. Die bei den untersuchten Temperaturen und Raumtemperaturen RT und -90°C eingestellten Versuchsparameter waren die gleichen, wie bei der Grenzautofrettage dickwandiger Rohre ohne Querbohrungen.

Die im anschließenden Ermüdungsversuch bei Raumtemperatur RT ermittelten Lebensdauern zeigen eine hohe Steigerung der Betriebsfestigkeit. Die Bruchlastspielzahl im Zeitfestigkeitsbereich erreichte dabei Werte, die gleich deren bei Proben ohne Querbohrung im nicht autofrettier­ ten Zustand sind.

Claims (3)

1. Verfahren zur gezielten plastischen Verformung von dickwandigen, insbesondere zylindrischen, hohlen Bau­ teilen (2) aus bei tiefen Temperaturen eine höhere Streckgrenze als bei Raumtemperatur und/oder eine er­ höhte Kaltverfestigung bei tieferen Temperaturen auf­ weisenden metallischen Werkstoffen, bei welchem die inneren Oberflächen (8) der gekühlten Bauteile (2) bei einer Temperatur zwischen etwa -50°C und etwa -110°C mit einem tieftemperaturtauglichen Hochdruck­ fluid beaufschlagt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Bauteile (2) mit einem Innendruck zwischen etwa 2500 bar und etwa 5700 bar mit dem Hochdruckfluid beaufschlagt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem als Hochdruckfluid ein bis -100°C tieftemperaturtaug­ liches Fluid, insbesondere eine Mischung aus einem Silikonöl und Pentan, verwendet wird.