EP2000550A1

EP2000550A1 - Werkstoff auf Basis einer CrNi-Legierung, Halbzeug, Komponente für einen Verbrennungsmotor, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs und des Halbzeugs

Info

Publication number: EP2000550A1
Application number: EP08154516A
Authority: EP
Inventors: Dietmar Schlager
Original assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Current assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2008-12-10
Also published as: RU2008122858A; JP2014088624A; KR101534536B1; KR20080108013A; JP2008303461A; BRPI0803766A2; CN104674094A; JP5711443B2; CN101319288A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff auf Basis einer CrNi-Legierung zur Herstellung eines Halbzeugs als Ausgangsmaterial für die Bildung einer Komponente (1) eines Verbrennungsmotors, insbesondere Grossdieselmotor, wobei der Werkstoff eine chemische Zusammensetzung der Form

[Cr_xNi_yA_z]N_k mit x+y+z+k = 100% hat,

und die Komponente A_z ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe der chemischen Elemente bestehend aus {La, Ce, Y, Hf, Sc, Si, C, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe, Mn, O, und den Seltenen Erden} ist. Der Cr-Gehalt des Werkstoffs in Gewichtsprozent ist 50% < x < 100%, der Ni-Gehalt des Werkstoffs in Gewichtsprozent ist y > 0% ist, und die Komponente A_z ist mit 0% ≤ z < 50% Gewichtsprozent im Werkstoff enthalten. Erfindungsgemäss ist ein Stickstoffgehalt des Werkstoffs 0.01 % ≤k ≤ 0.1 %- Gewichtsprozent. Die Erfindung betrifft weiter ein Halbzeug aus einem erfindungsgemässen Werkstoff, sowie eine aus dem Halbzeug hergestellte Komponente (1) für einen Verbrennungsmotor. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs mittels eines isostatischen Pressverfahrens.

Description

Die Erfindung betriff einen Werkstoff auf Basis einer CrNi-Legierung zur Herstellung eines Halbzeugs als Ausgangsmaterial für die Bildung einer Komponente eines Verbrennungsmotors, insbesondere Grossdieselmotor, ein Halbzeug aus einem erfindungsgemässen Werkstoff, und eine aus dem Halbzeug hergestellte Komponente für einen Verbrennungsmotor. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs mittels eines isostatischen Pressverfahrens.
Aus geeigneten Metallpulvern können über heiss isostatisches Pressen (Hot Isostatic Pressure = HIP) Halbzeuge als Ausgangsmaterial z.B. für Komponenten von Verbrennungsmotoren, insbesondere für Dieselmotorkomponenten hergestellt werden. Beispiele solcher Motorkomponenten sind unter anderem Vorkammern für Viertaktmotoren, insbesondere Dieselmotoren, im Speziellen Grossdieselmotoren oder Kraftstoffzerstäuber bzw. Kraftstoffdüsenköpfe für Zwei- und Viertaktmotoren aller Art usw..
Dabei können mit den zuvor erwähnten HIP-Prozessen Legierungen hergestellt werden, wie sie schmelzmetallurgisch oder durch andere Verfahren nicht oder nur unter grossem Aufwand hergestellt werden können.
Beispielsweise bei Grossdieselmotoren, die unter anderem als Antriebsaggregate für Schiffe oder zur Stromerzeugung in Stationäranlagen verwendet werden, wird der Brennstoff - typischerweise ist das ein Schweröl oder ein anderer Dieselbrennstoff - mittels Brennstoffeinspritzdüsen in den Verbrennungsraum eingebracht. Diese Einspritzdüsen umfassen normalerweise einen teilweise in den Verbrennungsraum hineinragenden Düsenkopf, der auch als Zerstäuber bezeichnet wird. Der Düsenkopf ist ein Verschleissteil, das einem hohen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungskollektiv unterliegt. Je nach Grad der Belastung können am Düsenkopf Schäden, beispielsweise Materialabtrag infolge von Korrosion, Erosion und / oder Abrasion auftreten, oder auch Risse, die bis zum Auseinanderbrechen führen können.
Die mechanischen Belastungen beruhen auch auf dem hohen Einspritzdruck, der über tausend bar betragen kann. Im Inneren des Düsenkopfs können Materialverluste durch Kavitation und / oder Erosion auftreten. Die thermischen Belastungen beruhen auf den hohen Temperaturen im Brennraum und den enormen Temperaturwechseln zwischen der Verbrennungstemperatur und der Temperatur der frisch zugeführten Spülluft. Auch im Inneren des Düsenkopfs, durch welches der Brennstoff eingebracht wird, führt das intermittierende Einspritzen zu schockartigen Temperaturwechseln. Die chemische Belastung des Düsenkopfs ist hauptsächlich in der Hochtemperatur- oder Heisskorrosion begründet. Die Heisskorrosion, die in erster Linie durch im Brennstoff enthaltenes Vanadium, Natrium und Schwefel verursacht wird, begünstigt die Materialabzehrung und Erosion. Insbesondere die Korrosion ist der Grund dafür, dass ein Düsenkopf bereits nach wenigen tausend Betriebsstunden unbrauchbar sein kann und ersetzt werden muss.
Als Werkstoff für die Düsenköpfe in Grossdieselmotoren werden heute üblicherweise Stähle oder Legierungen auf Nickel- oder Cobalt-Basis, beispielsweise Stellite 6, verwendet. Mit der Cobalt-Basis-Legierung Stellite 6 lassen sich heute für Düsenköpfe in Grossdieselmotoren vertretbare Bauteilstandzeiten im Hinblick auf Erosion, Abrasion und Kavitation (insbesondere in den Bohrungen des Düsenkopfs) erreichen.
Dabei hat sich gezeigt, dass Legierungen mit hohem Chrom- und Nickelgehalt, bei welchen der Chrom- und Nickelgehalt z.B. um die 50%-Gewichtsprozent beträgt, aber vor allem auch Legierungen mit einem Chromgehalt von mehr als 50%- Gewichtsprozent, wie z.B. Cr/Ni 65/35 Legierungen, die mittels eines oben genannten HIP-Prozesses hergestellt werden, zwar sehr gute Eigenschaften in Bezug auf die oben erwähnten Probleme mit Hochtemperatur- oder Heisskorrosion haben. Solche Werkstoffe mit hohem Chrom-Gehalt und hervorragenden chemischen Eigenschaften in Bezug auf Hochtemperatur- und Heisskorrosion sind zum Beispiel bereits in der EP 1 353 061 offenbart und ausführlich beschrieben.
Gleichzeitig haben diese mittels HIP-Prozessen hergestellten Materialien allerdings eher schlechte Zähigkeitseigenschaften, die sich z.B. in sehr niedrigen Kerbschlagwerten äussern. D.h., diese bekannten Legierungen sind relativ spröde und wenig duktil, woraus bekanntermassen niedrige Kerbschlagwerte resultieren.
Verbesserungsbedarf bei den oben genannten Werkstoffen besteht somit insbesondere im Hinblick auf deren Sprödigkeit bzw. Duktilität. Insbesondere deshalb, weil die Entwicklung im Motorenbau, vor allem im Fall von Zweitakt-Grossdieselmotoren erwarten lässt, dass bei zukünftigen, noch leistungsfähigeren Motoren vor allem auch die mechanischen Belastungsanforderungen speziell für hoch belastete Teile wie die Düsenkopfe oder Vorkammern weiter zunehmen werden. Das heisst, es werden mehr und mehr neue oder modifizierte Materialien benötigt, wobei gleichzeitig jedoch die hervorragenden chemischen Eigenschaften der oben beschriebenen bekannten Materialien in Bezug auf Hochtemperatur- oder Heisskorrosion erhalten bleiben müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Werkstoff und daraus hergestellte Komponenten, insbesondere Komponenten für Motoren, im Speziellen einen Düsenkopf oder eine Vorkammer zur Einspritzung von Kraftstoff vorzuschlagen, der dem hohen Belastungskollektiv im Grossdieselmotor besser gewachsen ist und insbesondere eine hohe Duktilität und damit einhergehend eine im Vergleich mit den bekannten Materialien deutlich erhöhte Kerbschlagarbeit aufweist, wobei der Werkstoff gleichzeitig hervorragende chemischen Eigenschaften in Bezug auf Hochtemperatur- und Heisskorrosion aufweisen soll.
Die diese Aufgabe lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie gekennzeichnet.
Es wird somit ein Werkstoff auf Basis einer CrNi-Legierung zur Herstellung eines Halbzeugs als Ausgangsmaterial für die Bildung einer Komponente (1) eines Verbrennungsmotors, insbesondere Grossdieselmotor, vorgeschlagen, wobei der Werkstoff eine chemische Zusammensetzung der Form

[Cr_XNi_yA_z]N_k mit x+y+z+k = 100% hat,

und die Komponente A_z ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe der chemischen Elemente bestehend aus {La, Ce, Y, Hf, Sc, Si, C, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe, Mn, O, und den Seltenen Erden} ist. Der Cr-Gehalt des Werkstoffs in Gewichtsprozent ist 50% < x < 100%, der Ni-Gehalt des Werkstoffs in Gewichtsprozent ist y > 0% ist, und die Komponente A_z ist mit 0% ≤ z < 50% Gewichtsprozent im Werkstoff enthalten. Erfindungsgemäss ist ein Stickstoffgehalt des Werkstoffs 0.01 % ≤k≤ 0.1 %- Gewichtsprozent.
Überraschenderweise hat sich nämlich herausgestellt, dass bei Chrom-Nickel Legierungen mit einem Stickstoff Gehalt unterhalb von ca. 0.1%-Gewichtsprozent Stickstoff, die Kerbschlagarbeit und damit die Duktilität des Werkstoffs bzw. der daraus in einem isostatischen Pressverfahren, die in der Literatur auch als HIP-Verfahren bekannt sind, hergestellten Halbzeuge, in Richtung zu noch niedrigeren Stickstoffkonzentrationen enorm ansteigen. So konnte in Versuchen gezeigt werden, dass unterhalb von ca. 0.1%-Gewichtsprozent die Kerbschlagarbeit in bestimmten Fällen in Form eines Potenzgesetzes als Funktion der Stickstoffkonzentration in Richtung zu noch kleineren Stickstoffkonzentrationen massiv und beinahe sprunghaft ansteigt.
Folgende Kerbschlagarbeiten wurde in Abhängigkeit von der Stickstoffkonzentration an einem NiCr Werkstoff gemessen: 8.84J/m² bei 0.01 %-Gewichtsprozent Stickstoff, 6.3 J/m² bei 0.067%-Gewichtsprozent Stickstoff, 3.37 J/m² bei 0.085%-Gewichtsprozent Stickstoff, 2.1 J/m² bei 0.2%-Gewichtsprozent Stickstoff, 0.98 J/m² bei 0.56%-Gewichtsprozent Stickstoff.
Dabei kann in anderen Fällen der Anstieg der Kerbschlagarbeit als Funktion einer fallenden Stickstoffkonzentration auch einer anderen Gesetzmässigkeit folgen.
Entscheidend ist jedoch, dass die Kerbschlagarbeit immer mehr oder weniger schlagartig bzw. quasi sprunghaft bei den CrNi-Legierungen mit mindestens 50%- Gewichtsprozent Chrom und bei Stickstoffkonzentrationen kleiner als ca. 0.1 %- Gewichtsprozent massiv in Richtung zu kleineren Stickstoffkonzentrationen hin ansteigt.
Das ist umso überraschender, als dass sich bei Stickstoffkonzentrationen oberhalb von ca. 0.1%- Gewichtsprozent Stickstoff die Kerbschlagarbeit in Abhängigkeit von der Stickstoffkonzentration nur wenig ändert, bzw. in Grössenordnungen ändert, die technisch praktisch irrelevant sind, so dass nicht davon auszugehen war, dass kleinste Änderungen in einem so tiefen Konzentrationsbereich unterhalb von nur 0.1 %- Gewichtsprozent Stickstoff noch technisch relevante Änderungen in der Kerbschlagarbeit zur Folge haben könnten.
Somit ist es durch die vorliegende Erfindung erstmals möglich, ausgehend z.B. von den aus der EP 1 353 061 bekannten Werkstoffen, diese durch gezielte Reduzierung des Stickstoffgehalts in Bezug auf die Kerbschlagarbeit, und damit die Duktilität ganz wesentlich zu verbessern, ohne deren hervorragende physikalisch-chemischen Eigenschaften in Bezug auf Hochtemperatur- und Heisskorrosion zu beeinflussen.
Dabei ist die Erfindung nicht nur bei den zuvor genannten Werkstoffen vorteilhaft einsetzbar, sondern führt z.B. auch bei anderen verwandten Werkstoffen zu ähnlich guten Ergebnissen.
In der Praxis beträgt der Stickstoffgehalt eines erfindungsgemässen Werkstoffs 0.01 % ≤k≤ 0.1 %- Gewichtsprozent, insbesondere 0.01 % ≤k≤ 0.05%- Gewichtsprozent, im Speziellen liegt der Stickstoffgehalt bei 0.02%- Gewichtsprozent. Welcher Stickstoffgehalt konkret gewählt wird, hängt dabei insbesondere von den Anforderungen in Bezug auf Kerbschlagarbeit und an die Duktilität des Halbzeugs und der daraus zu fertigenden Komponenten ab.
Es versteht sich, dass allein schon aus wirtschaftlichen Gründen eine nicht zu niedrige Stickstoffkonzentration unterhalb von 0.1%- Gewichtsprozent gewählt wird, wenn die Anforderungen an die Kerbschlagarbeit bzw. an die Duktilität der zu fertigenden Komponente nicht allzu hoch sind, da natürlich die Herstellung eines Werkstoffs mit extrem kleiner Stickstoffkonzentration entsprechend teuerer ist.
Als besonders vorteilhaft, je nach herzustellender Komponente bzw. je nach Anwendungsbereich beträgt der Chromgehalt des Werkstoffs 52% ≤ x≤ 100%- Gewichtsprozent, insbesondere 52% ≤ x≤ 70%-Gewichtsprozent, im besonderen ca. 65%- Gewichtsprozent, und ist bevorzugt 52% ≤ x≤ 60%- Gewichtsprozent, im Speziellen 54% ≤ x≤ 58%-Gewichtsprozent, wobei der Nickel-Gehalt mindestens 20%- Gewichtsprozent beträgt.
Der jeweilige Anteil der Basiswerkstoffe Cr und Ni hängt dabei im speziellen Fall unter anderem, aber nicht nur, von den Anforderungen in Bezug auf Heisskorrosion und Temperaturbelastung ab, den zu erwartenden chemischen und physikalischen Angriffen und anderen Umweltbedingungen ab, denen die aus dem Werkstoff zu fertigende Komponente im Betriebszustand ausgesetzt sein wird.
Neben Stickstoff kann ein erfindungsgemässer Werkstoff z.B. auch Sauerstoff enthalten, wobei der Sauerstoffgehalt des Werkstoff bevorzugt z.B. 0.01% ≤ O ≤ 0.5%- Gewichtsprozent betragen kann, insbesondere 0.01% ≤ O ≤ 0.2%- Gewichtsprozent, und im Speziellen ca. 0.1 %-Gewichtsprozent ist.
Insbesondere der hohe Chrom-Gehalt des erfindungsgemässen Werkstoffs ist von besonderer Bedeutung für die Resistenz gegenüber intensiven Angriffen durch Hochtemperaturkorrosion, wie sie typischerweise im Verbrennungsraum eines mit Schweröl betriebenen Grossdieselmotors auftreten. Chrom bildet auf der Oberfläche der Düsenköpfe dichte und fest haftende Chromoxidschichten, welche dem Werkstoff eine gute chemische Beständigkeit verleihen. Bedingt durch den hohen Chrom-Gehalt, kann Chrom zudem rasch aus dem Innern des Düsenkopfs an die Oberfläche des Düsenkopfs diffundieren und dort entstandene Verletzungen in der Oxidschicht ausheilen.
Vorzugsweise enthält der Werkstoff mindestens ein reaktives Element aus der Gruppe, die aus den Elementen Lanthan (La), Cer (Ce), Yttrium (Y), Hafnium (Hf), Scandium (Sc) und den Seltenen Erden besteht, wobei der Gehalt an jedem reaktiven Element höchstens 5%- Gewichtsprozent beträgt.
Die Funktion der reaktiven Elemente in dem Werkstoff ist es, die Stabilität der Chromoxidschicht in sich selbst und ihre Anhaftung an dem Düsenkopf in positiver Weise zu beeinflussen. Schon geringe Mengen solcher reaktiver Elemente können das Oxidationsverhalten und insbesondere das Anhaften der Oxidschicht speziell auch bei Temperaturwechselbelastungen deutlich verbessern.
Auch im Hinblick auf die mechanisch technologischen Eigenschaften beträgt der Nickel-Gehalt vorzugsweise mindestens 20%- Gewichtsprozent und insbesondere mindestens 30%- Gewichtsprozent.
Üblicherweise reicht das Vorhandensein eines der reaktiven Elemente in dem erfindungsgemässen Werkstoff aus. Je nach Anwendungsfall kann es jedoch auch vorteilhaft sein, den Werkstoff mit mehreren der reaktiven Elemente herzustellen.
In einem anderen speziellen Ausführungsbeispiel enthält der Werkstoff mindestens ein Element aus der Gruppe, die aus den Elementen Si, C, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe, und Mn besteht, wobei der Gehalt an Si höchstens 1%-Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0.6%- Gewichtsprozent und der Gehalt an C höchstens 1%- Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0.6%-Gewichtsprozent ist und der Gehalt an S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe, und Mn jeweils höchstens 1%- Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0.1 %-Gewichtsprozent ist.
In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Gehalt an jedem reaktiven Element höchstens 1%- Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0,2%- Gewichtsprozent beträgt. Der Gehalt an Kohlenstoff (C) ist dabei in ganz bestimmtem Fällen bevorzugt höchstens 1%- Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0.05%- Gewichtsprozent und der Gehalt an Silizium (Si) höchstens 1%- Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0.5%-Gewichtsprozent.
Der Werkstoff ist dabei ein gasverdüstes Metallpulver, welches Metallpulver bevorzugt eine hauptsächliche Korngrösse von 10µm bis 200µm, insbesondere von 45µm bis 150µm hat. Damit ist gemeint, dass der überwiegende Teil der Pulverkörner eine Grösse von 10 bis 200 Mikrometern, insbesondere 40 bis 150 Mikrometern innerhalb einer Korngrössenverteilung aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Halbzeug aus einem erfindungsgemässen Werkstoff, das als Ausgangswerkstoff zur Herstellung entsprechender Komponenten verwendet wird, wobei das Halbzeug gemäss der vorliegenden Erfindung durch ein heissisostatisches Pressverfahren, auch HIP-Verfahren genannt, erzeugt wird.
Als Komponenten, die aus einem erfindungsgemässen Halbzeug herstellbar sind, kommen insbesondere, aber nicht nur, zum Beispiel Kraftstoffzerstäuber, insbesondere Düsenköpfe für Brennstoffeinspritzdüsen für einen Zweitakt- oder Viertaktmotor, im Speziellen für einen Zweitakt-Grossdieselmotor in Frage. Aber auch eine Vorkammer für einen Viertaktmotor oder eine andere Komponente eines Verbrennungsmotors, insbesondere solche Komponenten, die hohen Temperaturen und / oder Heisskorrosion im Betriebszustand ausgesetzt sind, können sehr vorteilhaft aus einem erfindungsgemässen Halbzeug hergestellt werden.
Für die Praxis besonders wichtig sind Düsenköpfe für Brennstoffeinspritzdüsen zum Einsatz in einer Brennkraftmaschine, insbesondere Grossdieselmotor, die aus einem erfindungsgemässen Halbzeug bzw. einem erfindungsgemässen Werkstoff hergestellt sind.
Wie bereits erwähnt, erweisen sich die beanspruchten Chrom-Basis-Legierungen als besonders widerstandsfähig gegen Korrosion, speziell Heisskorrosion, Erosion, Abrasion, Materialverlust und Kavitation. Ein Düsenkopf, der aus einer solchen Chrom-Basis-Legierung gefertigt ist, kann dem hohen Belastungskollektiv im Grossdieselmotor sehr gut widerstehen. Auch seine mechanische Festigkeit, seine Beständigkeit gegen Rissbildung oder Brüche und seine dauerhafte Widerstandsfähigkeit gegen Pulsationsbelastungen genügen den Anforderungen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Düsenkopf eine Längsbohrung und mindestens ein von der Längsbohrung ausgehendes Düsenloch zum Einbringen von Brennstoff in einen Verbrennungsraum, wobei der Übergang von der Längsbohrung zum Düsenloch verrundet ist, vorzugsweise elektro-chemisch (elysiert). Durch das Verrunden der Übergangsbereiche werden scharfe Kanten im Strömungsweg des Brennstoffs vermieden, wodurch die Strömungsbedingungen optimiert werden.
Der erfindungsgemässe Düsenkopf eignet sich insbesondere für eine Brennstoffeinspritzdüse für eine Brennkraftmaschine, speziell einen Dieselmotor. Besonders geeignet ist der erfindungsgemässe Düsenkopf bzw. die damit versehene Brennstoffeinspritzdüse für Grossdieselmotoren, beispielsweise längsgespülte Zweitakt-Grossdieselmotoren mit Kreuzkopfantrieb oder Viertakt-Grossdieselmotoren.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoff sowie eines Halbzeugs gemäss der vorliegenden Erfindung, wobei der Werkstoff nach einem Gasverdüsungsverfahren hergestellt wird, und als Verdüsungsgas ein Edelgas, insbesondere Argon und / oder Helium verwendet wird und das Halbzeug durch ein heissisostatisches Pressverfahren in einer Prozesskammer erzeugt wird.
Dadurch, dass als Verdüsungsgas bei der Herstellung des pulverförmigen Werkstoffs, anders als bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren, wo in der Regel Stickstoff oder Luft als Verdüsungsgas verwendet wird, ein Edlegas, z.B. Helium oder hochreines Argon verwendet wird, kann der Stickstoffgehalt im Werkstoff auf Konzentrationen unterhalb von 0.1 %-Gewichtsprozent reduziert werden.
Bei der Herstellung des Halbzeugs durch ein heissisostatisches Pressverfahren in einer Prozesskammer wird bevorzugt ein Verfahrensdruck eines Prozessgases in der Prozesskammer grösser als 800 bar, im speziellen grösser als 1000 bar gewählt.
Eine Prozesstemperatur des Prozessgases in der Prozesskammer wird in der Praxis grösser als 800°C, bevorzugt ca. 1100°C oder darüber gewählt.
Eine typische Prozessdauer zur Erzeugung des Halbzeugs liegt zwischen 2 Stunden und 5 Stunden, und wird bevorzugt ca. 3 Stunden gewählt.
Auch während des heissisostatischen Pressverfahrens in einer Prozesskammer wird als Prozessgas bevorzugt ein Edelgas, im Speziellen Argon, insbesondere hochreines Argon verwendet, so dass ein nachträgliches Einlagern von Stickstoff in das Halbzeug während des HIP-Prozesses verhindert werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1:: Ein Diagramm zur Abhängigkeit der Kerbschlagarbeit vom Stickstoffgehalt,
Fig. 2:: eine Schnittdarstellung einer Brennstoffeinspritzdüse mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Düsenkopfs.

In Fig. 1 ist exemplarisch für ein Halbzeug, das aus einem CrNi-Werkstoff gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, die Abhängigkeit der Kerbschlagarbeit vom Stickstoffgehalt des Werkstoffs dargestellt. Die Kreise im Diagramm entsprechen Messwerten der Kerbschlagarbeit an verschiedenen Proben mit dem jeweils an der Abszisse angegeben Gehalt an Stickstoff. Die zughörige Kerbschlagarbeit ist an der Ordinate abgetragen. Die fünf Proben, die den fünf Kreisen im Diagramm entsprechen, unterscheiden sich im wesentlichen durch die auf der Abszisse angegebenen Werte der Stickstoffkonzentration. Ansonsten waren die Proben chemisch nahezu identisch mit einem Chromgehalt von mehr als 50%- Gewichtsprozent.
Nach dem aus dem Stand der Technik oberhalb von 0.1 %-Gewichtsprozent Stickstoff bekannten Verhalten der Kerbschlagarbeit als Funktion des Stickstoffgehalts, war bei kleinen Konzentrationen des Stickstoffgehalts unterhalb von 0.1 %-Gewichtsprozent eine Abhängigkeit der Kerbschlagarbeit vom Stickstoffgehalt zu erwarten, wie er der Geraden G entspricht.
D.h., es war zu erwarten, dass sich bei Stickstoffkonzentrationen unterhalb von ca. 0.1%- Gewichtsprozent Stickstoff die Kerbschlagarbeit nur noch unwesentlich erhöht, die Duktilität sich also nur noch unwesentlich verbessert.
Daher war es bisher klar, dass eine weitere Absenkung des Stickstoffgehalts im Werkstoff keine relevante Verbesserung mit sich bringen würde. Ganz davon abgesehen, dass der Zusammenhang der Kerbschlagarbeit mit der Stickstoffkonzentration praktisch nicht bekannt war.
Die drei darstellungsgemäss links im Diagramm liegenden Punkte, die erfindungsgemässe Proben mit einem Stickstoffgehalt von weniger als 0.1%-Gewichtsprozent repräsentieren, belegen jedoch eindrucksvoll, dass die erfindungsgemässen Halbzeuge eine viel grössere Kerbschlagarbeit aufweisen, als ausgehend von den bekannten Werkstoffe, die Stickstoffgehalte von über 0.1 %- Gewichtsprozent aufweisen, zu erwarten war, und die Kerbschlagarbeit zu kleinen Stickstoffkonzentrationen hin ungefähr der Kurve K folgt und nicht, wie bisher vermutet, der Geraden G.
Somit ist der Anstieg der Kerbschlagarbeit unterhalb von 0.1 %-Gewichtsprozent Stickstoffanteil bei den erfindungsgemässen Proben völlig überraschend viel stärker und folgt beim Beispiel der Fig. 1 einem Potenzgesetz in Abhängigkeit von der Stickstoffkonzentration und nicht einem flachen linearen Anstieg wie bisher immer vermutet werden musste.
Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Brennstoffeinspritzdüse eines Grossdieselmotors, speziell eines Zweitakt-Grossdieselmotors mit Längsspülung. Die Brennstoffeinspritzdüse 2 umfasst ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Düsenkopfs 1, 11, der an einem Düsenkörper 5 befestigt ist. Vorzugsweise ist der Düsenkopf 1, 11 - wie dargestellt - lösbar mit dem Düsenkörper 5 verbunden, so dass der Düsenkopf 1, 11 separat austauschbar ist, das heisst, ohne dass die gesamte Brennstoffeinspritzdüse 2 ausgetauscht werden muss.
Der Düsenkopf 1, 11 weist eine Längsbohrung 3 auf, sowie mehrere, beispielsweise fünf, Düsenlöcher 4, von denen in Fig. 1 nur zwei dargestellt sind. Die Düsenlöcher 4 gehen jeweils von der Längsbohrung 3 aus und erstrecken sich von dort in radialer, leicht nach unten geneigter Richtung. Im Betrieb wird der Brennstoff, üblicherweise ein Schweröl oder ein anderer Dieselbrennstoff, in an sich bekannter Weise intermittierend an den Arbeitszyklus des Grossdieselmotors angepasst unter Hochdruck durch die Längsbohrung 3 und die Düsenlöcher 4 in den nicht näher dargestellten Verbrennungsraum eingespritzt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht der Düsenkopf 1, 11 aus einem Werkstoff, der eine Chrom-Basis-Legierung ist, welche ein reaktives Element umfasst, wobei der Chromgehalt grösser als 50%- Gewichtsprozent, und der Stickstoffgehalt ca. 0.2%- Gewichtsprozent Stickstoff ist. Als reaktives Element eignet sich ein Element aus der Gruppe der Seltenen Erde Metalle oder ein ähnliches Metall. Geeignet sind insbesondere Lanthan (La), Cer (Ce), Yttrium (Y), Hafnium (Hf), Scandium (Sc). Vorzugsweise weist der Werkstoff einen hohen Nickel-Anteil von 20% bis 50% bezogen auf das Gewicht auf, unter anderem auch um eine bessere Bearbeitbarkeit zu gewährleisten..
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt der Nickel-Gehalt der Legierung über 45%- Gewichtsprozent und als reaktives Element ist Lanthan mit einem Gewichtsanteil von weniger als 0,1%- Gewichtsprozent enthalten. Abgesehen von üblichen Verunreinigung ist der Rest Chrom.
Es ist natürlich auch möglich, dass der Werkstoff mehr als ein reaktives Element umfasst. Vorzugsweise ist jedes reaktive Element mit höchstens 1%-Gewichtsprozent, speziell höchstens 0,2%- Gewichtsprozent bezogen auf das Gewicht enthalten.
Das Halbzeug bzw. der erfindungsgemässe Düsenkopf 1, 11 wird vorzugsweise mittels einem heissisostatischen Pressverfahren (HIP: hot isostatic pressing) hergestellt.
Zur Herstellung werden die Ausgangswerkstoffe - hier also Chrom, Nickel und Lanthan als reaktives Element - zur Reduzierung des Stickstoffgehalts im Werkstoff mittels hochreinem Argon zu Pulver verdüst. Die Korngrösse des Pulver liegt bei diesem Ausführungsbeispiel grösstenteils zwischen 45 und 150 Mikrometer. Durch heissisostatisches Pressen wird aus dem Metallpulver ein Rohling beziehungsweise ein Halbzeug, z.B. eine Stange, hergestellt. Aus dem Rohling wird durch mechanische, üblicherweise spanende Bearbeitungsmethoden der Düsenkopf 1, 11 angefertigt. Die Längsbohrung 3 sowie die Düsenlöcher 4 werden gebohrt. Vorzugsweise werden dann die Übergangsbereiche (Kanten) zwischen der Längsbohrung 3 und den Düsenlöchern 4 abgerundet. Diese Kanten werden vorzugsweise elektro-chemisch verrundet (elysiert).
Die Prozessparameter für das heissisostatische Pressen können für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden.
Der erfindungsgemässe Werkstoff bzw. der daraus hergestellte Düsenkopf 1, 11 weist eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Heisskorrosion und den damit verbundenen Materialverlust auf, wobei aufgrund des niedrigen Stickstoffgehalts gleichzeitig eine hohe Kerbschlagarbeit und damit verbunden eine deutlich gesteigerte Duktilität des Materials erzielt ist.
Dadurch werden bisher nicht erreichbare enorme Standzeiten erreicht, was natürlich unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ein grosser Vorteil ist.
Der erfindungsgemässe Düsenkopf eignet sich einerseits somit insbesondere für zukünftige Generationen von Grossdieselmotoren, die noch leistungsfähiger sind und noch höhere Anforderungen an die Belastbarkeit der Düsenköpfe stellen. Anderseits können auch bereits sich im Betrieb befindliche Motoren mit Komponenten nachgerüstet werden, die aus einem Werkstoff bzw. Halbzeug der vorliegenden Erfindung hergestellt sind.

Claims

Werkstoff auf Basis einer CrNi-Legierung zur Herstellung eines Halbzeugs als Ausgangsmaterial für die Bildung einer Komponente (1) eines Verbrennungsmotors, insbesondere Grossdieselmotor, wobei der Werkstoff eine chemische Zusammensetzung der Form

[Cr_xNi_yA_z]N_k mit x+y+z+k = 100% hat,

und die Komponente A_z ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe der chemischen Elemente bestehend aus {La, Ce, Y, Hf, Sc, Si, C, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe, Mn, O, und den Seltenen Erden} ist, wobei der Cr-Gehalt des Werkstoffs in Gewichtsprozent 50% < x < 100% ist, der Ni-Gehalt des Werkstoffs in Gewichtsprozent y > 0% ist, und die Komponente A_z mit 0% ≤ z < 50% Gewichtsprozent im Werkstoff enthalten ist,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Stickstoffgehalt des Werkstoffs 0.01 % ≤k≤ 0.1 %- Gewichtsprozent ist.
Werkstoff nach Anspruch 1, wobei der Stickstoffgehalt des Werkstoff 0.01 % ≤k≤ 0.05%- Gewichtsprozent beträgt, im Speziellen 0.02%-Gewichtsprozent ist.
Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Chromgehalt des Werkstoff 52% ≤ x≤ 100%- Gewichtsprozent beträgt, insbesondere 52% ≤ x≤ 70%- Gewichtsprozent, insbesondere ca. 65%-Gewichtsprozent ist, und bevorzugt 52% ≤ x≤ 60%- Gewichtsprozent, im Speziellen 54% ≤ x≤ 58%- Gewichtsprozent beträgt.
Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Nickel-Gehalt mindestens 20%- Gewichtsprozent beträgt.
Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Sauerstoffgehalt des Werkstoff 0.01 % ≤ O ≤ 0.5%- Gewichtsprozent beträgt, insbesondere 0.01% ≤ O ≤ 0.2%- Gewichtsprozent, im Speziellen ca. 0.1%- Gewichtsprozent ist.
Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher mindestens ein reaktives Element aus der Gruppe enthält, die aus den Elementen La, Ce, Y, Hf, Sc und den Seltenen Erden besteht, wobei der Gehalt an jedem reaktiven Element höchstens 5%- Gewichtsprozent beträgt, insbesondere weniger als 1%- Gewichtsprozent, im Speziellen weniger als 0.1 %- Gewichtsprozent beträgt.
Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher mindestens ein Element aus der Gruppe enthält, die aus den Elementen Si, C, S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe, und Mn besteht, wobei der Gehalt an Si höchstens 1%- Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0.6%-Gewichtsprozent und der Gehalt an C höchstens 1%- Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0.6%- Gewichtsprozent ist und der Gehalt an S, P, Al, Zr, B, Mo, Fe, und Mn jeweils höchstens 1%- Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0.1 %- Gewichtsprozent ist.
Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Werkstoff ein gasverdüstes Metallpulver ist, welches Metallpulver bevorzugt eine hauptsächliche Korngrösse von 10µm bis 200µm, insbesondere von 45µm bis 150µm hat.
Halbzeug aus einem Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug durch ein heissisostatisches Pressverfahren erzeugt ist.
Komponente für einen Verbrennungsmotor, insbesondere Grossdieselmotor, hergestellt aus einem Halbzeug nach Anspruch 9.
Komponente nach Anspruch 10, wobei die Komponente (1) ein Kraftstoffzerstäuber (11), insbesondere ein Düsenkopf (11) einer Brennstoffeinspritzdüse (2) für einen Zweitakt- oder Viertaktmotor, im Speziellen für einen Zweitakt-Grossdieselmotor, eine Vorkammer (1) für einen Viertaktmotor oder eine andere Komponente (1) eines Verbrennungsmotors ist.
Düsenkopf nach einem der Ansprüche 10 oder 11, mit einer Längsbohrung (3) und mindestens einem von der Längsbohrung (3) ausgehendem Düsenloch (4) zum Einbringen von Brennstoff in einen Verbrennungsraum, wobei der Übergang von der Längsbohrung zum Düsenloch verrundet ist, vorzugsweise elektro-chemisch verrundet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Werkstoff nach einem Gasverdüsungsverfahren hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdüsungsgas ein Edelgas, insbesondere Argon und / oder Helium verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einem Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug durch ein heissisostatisches Pressverfahren in einer Prozesskammer erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Verfahrensdruck eines Prozessgases in der Prozesskammer grösser als 800 bar, bevorzugt grösser als 1000 bar gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei eine Prozesstemperatur des Prozessgases in der Prozesskammer grösser als 800°C, bevorzugt ca. 1100°C gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei eine Prozessdauer zur Erzeugung des Halbzeugs zwischen 2 h und 5 h, bevorzugt ca. 3 h gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei als Prozessgas ein Edelgas, im Speziellen Argon, insbesondere hochreines Argon verwendet wird.