专利名称：用于提高处在循环负荷条件下的钢制构件的承压能力的方法
技术领域：
本发明涉及一种权利要求I所述类型的、提高处在循环负荷条件下的钢制构件，尤其是燃油喷射系统的承压构件和/或高机械负荷构件的承压能力的方法。
背景技术：
燃油喷射系统的承压构件和/或高机械负荷构件的应力范围从单纯的脉动拉应 力直至周期性的拉-压交变应力。构件的循环承压能力尤其与所选择的钢的组织结构和强度有关。无论是通过改变化学组成还是通过热处理都可以影响钢的结构，从而满足上述的应力要求。但是，由于高的合金元素含量以及部分地非常复杂的热处理过程，这些措施会导致不利的高的材料成本和制造成本。另一个用于提高循环承压能力的方法是，例如通过强化辊压或自紧法，将残余压应力弓I入表面。但是取决于方法，构件几何形状上有所限制。此外，已知，作为热处理方法，可以对钢进行渗氮处理，改变边缘层的化学组成。该方法在实际中应用，要求高的边缘层硬度以提高耐磨强度。常用的方法是气体渗氮、盐浴渗氮以及等离子渗氮。在此通常形成的层由构件表面上的氮化物连接层和构件边缘区域中的氮化物扩散层构成。在此，关于硬度和磨损强度的最好结果用所谓的渗氮钢生成，其除了具有中等的C含量外还含有高含量的氮化物形成剂，如Al、V、Cr。在文献中记录的试验表明，通过渗氮也可以提高抗振强度，但是该突出的特征在于至少为0. 04mm的厚度的、用于改善耐磨性所需的并且具有一定的抗腐蚀性的连接层会对循环承压能力造成不利影响。
发明内容
本发明的目的是，提供一种方法，通过所述方法可以成本低廉的方式提高脉动负荷构件的循环承压能力。本发明的优点所述目的是根据本发明通过具有权利要求I所述特征的方法实现的。与用于借助至少为0. 04mm的尽可能厚的连接层来提高边缘层硬度的常用气体渗氮不同，根据本发明，采用气体渗氮从而在与构件表面相邻接的边缘层内针对性地引入强度梯度和残余压应力分布。在此，选择气体渗氮的工艺参数，例如渗氮温度和渗氮持续时间、氮浓度等，以确保在构件表面上涂覆厚度最大为10 ii m的氮化物连接层。通过根据本发明的连接层减小的气体渗氮，可以改变钢的边缘层，从而可以显著提高构件的循环承压能力。作为提高抗振强度的传统措施的成本低廉的替代方案，使用非合金化和低合金化的材料连同工艺优化的气体渗氮。此外还表明，与未经处理的材料状态相比，厚度最大为IOym的连接层显著改善了对盐喷雾的耐受性，而不损害循环承压能力。根据本发明气体渗氮的构件的腐蚀特性与磷酸盐处理的构件相当，因此可以在工艺链中取消最后的构件涂覆。
在根据本发明借助最小的连接层提高抗振强度的气体渗氮中，采用下述金属物理基础原理来针对性地调节边缘区域中的特性梯度i、通过在边缘区域内引入氮而调节边缘区域内的残余压应力分布；ii、通过扩散氮形成氮化物而在边缘区域中逐渐提高强度；iii、提高对大气腐蚀或对水性介质(燃油、冷凝物)中腐蚀的耐受性。在表面上调节残余压应力(i)是由于在边缘区域内引入氮。数值上为负的残余应力与数值上为正的负载张应力叠加，从而使所导致的局部出现的工作负载小于未经渗氮的材料状态。由于该局部降低的工作张应力，延迟或者甚至避免了在表面上产生裂纹或裂纹扩大。因此，对于特殊的构件几何形状，可以针对性地以简单且成本低廉的方式提高高负荷构件的抗振强度。由此可以使例如循环承受压力和/或拉力的内燃机组件，如气缸头、 喷射器、蓄压器、阀体等能够抵抗在运行过程中出现的脉动负荷。在此，无需于后期减小或清除被引入到构件内部的连接层，因为其在根据本发明的工艺优化的气体渗氮时已经减小至最低。在边缘区域内引入氮与局部提高强度(ii)和硬度具有同等意义。在此，根据合金组成，表面上的硬度值可以高达1000HV。根据FKM (机械制造研究监察会)准则，原则上拉-压-交变强度0(^与静态强度Rm具有如下关系0 W, ZD = 0. 45Rm对于均质的材料状态，交变负荷条件下承压能力的提高大致相当于在静止应力条件下强度提高量的一半。在针对性地通过渗氮处理进行优化的边缘区域内提高循环承压能力可以根据FKM准则以如下方式量化O w, ZD = Kv 0. 45Rm其中Kv = I. 15至I. 25，对于平滑的/有微小缺口的构件Kv = I. 30 至 2. 0，对于缺口构件。因此，在边缘区域内可以通过连接层减小的气体渗氮针对性地调节非常高的抗振强度特性值。根据构件几何形状和基础材料，可以将在交变负荷条件下的承压能力提高25至100%。因此，根据在运行过程中的负荷的绝对值，可以使用基础强度低于通常用于高压应力构件的高强度钢的材料。通过降低基体硬度额外地减少机械加工成本。与其他提高抗振强度的方法相比，根据本发明的气体渗氮的另一个优点在于，在升高的工作温度但是低于渗氮温度的条件下，无论是边缘区域内的强度提高还是残余应力都是稳定的。与钝化层的改善类似，腐蚀性能(iii)的改善是由于形成主要由铁的氮化物组成的连接层。这些e -氮化物和Y / -氮化物对于腐蚀过程是稳定相，其与未经保护的、金属裸露的表面相比，在水性和含氯的介质中明显地减缓了腐蚀反应。连接层的厚度确定抑制腐蚀的程度。通过在气体渗氮过程中的工艺流程调节连接层的厚度，其在耐腐蚀性的改善与抗振强度的提高之间确保最佳。采用根据本发明的方法处理的钢尤其是属于以下的组
-非合金化和低合金化的渗碳钢-非合金化和低合金化的调质钢-时效硬化钢和AFP钢-渗氮钢 -耐热工具钢-高速钢。为了达到所期望的抗振强度提高以及对于大气和水腐蚀的耐受性，优选在高于约420°C，尤其是在480°C与620°C之间的温度下进行热处理，历时取决于所期望的目标强度的渗氮持续时间。渗氮持续时间可以为最多96小时，优选在2与12小时之间。为了最佳地提高循环负荷能力以及构件的耐磨性，将厚度至少为约0. 1_、优选至少为约0. 3mm的氮化物扩散层引入构件的表面中。另一方面，本发明还涉及利用根据本发明的方法制备的构件，该构件具有权利要求5所述的特征。本发明的主题的其他优点和优选的实施方案摘自说明书、附图和权利要求书。下面借助在附图中清楚显示的实施例更详细地阐述本发明。
图I所示为利用根据本发明的方法制备的示例构件；及图2所示为在图I中所示的示例构件的硬度和残余应力与距构件表面的距离的关系图。
具体实施例方式在图I中示意性示出的构件I由钢制成，尤其是燃油喷射系统的承压构件和/或高机械负荷构件。为了提高处在循环负荷条件下的构件I的承压能力，针对性地将残余压应力分布引入构件表面中，该残余压应力分布抵消在循环负荷条件下作用于构件表面上的负荷分配。通过在约420°C与约620°C之间的渗氮温度下对构件进行气体渗氮处理，历时依据所期望的目标强度的渗氮持续时间，借助构件I的气体渗氮针对性地将残余压应力引入构件表面中。渗氮持续时间可以为最多96小时，优选在2与12小时之间。通过气体渗氮，不仅将氮化物扩散层2引入构件表面或构件边缘区域中，该氮化物扩散层产生所期望的强度提高和要求的残余压应力，而且还在构件表面上涂覆氮化物连接层3。在扩散层2中产生残余压应力是由于在边缘区域内引入(渗入)氮。连接层3主要由沉积在构件表面上的铁的氮化物组成。选择渗氮工艺参数，如渗氮温度和渗氮持续时间、氮浓度等，从而使氮化物连接层的厚度d最大为IOy m。与此相反，氮化物扩散层2的厚度D明显更大，并在所示的实施例中约为0. 3mm。如图2所示，通过气体渗氮引入构件I中的残余压应力ES在直接的构件表面上约为lOOOMPa，并且随着距构件表面的距离X的增加以指数方式下降，直至其在本实施例中在约为0. 3mm的构件深度处转变成残余拉应力。此外，在示例构件I中，在构件表面上发现局部提高了循环强度特性，在此显示为直接在表面上高至1000HV的数值的硬度H的提高。该局部提高的硬度随着距离X的增加而下降，并且在本实施例中在距表面的距离为约0. 3mm处达到基础材料的硬 度。
权利要求
1.借助残余压应力提高处在循环负荷条件下的钢制构件(I)，尤其是燃油喷射系统的承压构件和/或高机械负荷构件的承压能力的方法，该残余压应力被针对性地引入构件表面中并且抵消在循环负荷条件下作用在构件表面上的负荷分配，其特征在于，借助气体渗氮处理构件(I)将残余压应力分布引入构件表面中，并且在气体渗氮处理过程中在构件表面上涂覆厚度(d)最大为10 μ m的氮化物连接层(3)。
2.根据权利要求I的方法，其特征在于，在气体渗氮处理过程中将产生残余压应力的氮化物扩散层(2)引入构件表面中。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，将厚度(D)至少为约O.1mm、优选至少为约O.3mm的氮化物扩散层(2)引入构件表面中。
4.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，在气体渗氮处理过程中渗氮温度高于约420°C，优选在约480°C与约620°C之间。
5.钢制构件(I)，尤其是燃油喷射系统的承压构件和/或高机械负荷构件，其中将残余压应力针对性地引入构件表面中，该残余压应力抵消在循环负荷条件下作用在构件表面上的负荷分配，其特征在于，将产生残余压应力的氮化物扩散层(2)引入构件表面中，并在构件表面上涂覆厚度(d)最大为10 μ m的氮化物连接层(3)。
6.根据权利要求5的构件，其特征在于，氮化物扩散层(2)的厚度(D)至少为O.Imm,优选至少为约O. 3mm。
全文摘要
本发明涉及借助残余压应力提高处在循环负荷条件下的钢制构件(1)，尤其是燃油喷射系统的承压构件和/或高机械负荷构件的承压能力的方法，该残余压应力被针对性地引入构件表面中并且抵消在循环负荷条件下作用在构件表面上的负荷分配，其特征在于，借助气体渗氮处理构件(1)将残余压应力分布引入构件表面中，并且在气体渗氮处理过程中在构件表面上涂覆厚度(d)最大为10μm的氮化物连接层(3)。
文档编号C23C8/26GK102666906SQ201080047678
公开日2012年9月12日 申请日期2010年9月23日 优先权日2009年10月21日
发明者A·贝希特, H·朗纳, K-O·恩勒特, R·屈布勒, T·奥滕 申请人:罗伯特·博世有限公司