DE4026065A1

DE4026065A1 - Verfahren zur herstellung eines versorgungsrohres fuer eine fluessigkeit unter hohem druck

Info

Publication number: DE4026065A1
Application number: DE4026065A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Matsumoto
Original assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Current assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Priority date: 1989-08-17
Filing date: 1990-08-17
Publication date: 1991-02-21
Anticipated expiration: 2010-08-18
Also published as: GB2237230B; DE4026065C2; GB9017846D0; JPH0377775A; KR910004265A; GB2237230A; JP2747610B2; US5131583A; KR930002866B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Versorgungsrohr für eine Flüssigkeit unter hohem Druck, das in Rohrleitungen zur Bereitstellung von Flüssigkeiten, die unter hohem Druck stehen, angewendet wird, wie z. B. Kraftstoffzuleitungen für Dieselmotoren oder Hydraulikrohrleitungen für hydraulische Vorrichtungen und im engeren Sinne betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Versorgungsrohres für eine Flüssigkeit unter hohem Druck, das widerstandsfähig gegen einen hohen Innendruck ist, das insbesondere über eine bemerkenswert verbesserte Verschleißfestigkeit gegen einen Dauerinnendruck verfügt, wobei die innere Oberfläche des Rohres mit einer Druckeigenspannung versehen ist.

Zur Herstellung von Druckrohrleitungen zur Versorgung mit einer Flüssigkeit unter hohem Druck, wie z. B. Kraftstoffversorgungsrohre in Dieselmotoren oder Versorgungsrohre für Hydrauliköl in hydraulischen Maschinen, hat man Produkte der gewünschten Größe hergestellt, indem man den Durchmesser eines Stahlrohres aus unlegiertem Stahl, das in JIS G 3455 (STS Stahlrohre) als ein Stahlrohr aus unlegiertem Stahl für Druckrohrleitungen bekannt ist, auf den erforderlichen Rohrdurchmesser durch Kaltziehen reduziert.

Da ein auf diese Weise hergestelltes Rohr jedoch einem hohen Innendruck nur schlecht standhält, insbesondere ist bei andauerndem Hochdruck die Dauerfestigkeit schlecht, ist es üblich geworden, die Druckbeständigkeit zu erhöhen, indem man STS 38 Stahlrohre durch STS 42 Stahlrohre oder STS Stahlrohre durch SUS Stahlrohre, die eine höhere Eigenelastizität und eine höhere Festigkeit aufweisen, ersetzt, oder dadurch, daß man die Widerstandsfähigkeit nur in der Nähe der inneren Umfangsoberfläche durch Softgasnitrisierung oder Aufkohlung verbessert, da die durch den Innendruck im Rohr verursachte Spannung ihr Maximum an der Innenoberfläche erreicht.

Die Mittel zum Ersatz des Rohrmaterials durch Material von höherer Widerstandsfähigkeit steigern die Elastizitätsgrenze und die Zugfestigkeit des Gesamtrohres. Durch diese Problematik ist die Biegebearbeitung zur Bildung eines geformten Produkts schwierig, und weiterhin steigen die Materialkosten an. Andererseits erfordern Mittel zur Verstärkung der inneren Oberfläche hohe Zusatzkosten für die Behandlung der inneren Rohroberfläche. Dieses Härten führt zu einem Verspröden der Innenoberfläche des Rohrs, wodurch es für die Formbearbeitung nach der Härtungsbehandlung der inneren Oberfläche ungeeignet gemacht wird. Somit wird eine Härtungsbehandlung der Innenoberfläche nach der Formung zu einer vorbestimmten Produktform erforderlich. Bei dieser Behandlung wird durch die Hochtemperaturbehandlung eine Verformung hervorgerufen und es ist schwierig, die korrekte Originalform aufrechtzuerhalten, was Überbeanspruchungen bei der Befestigung am Einsatzort, wie z. B. im Verbrennungsmotor, verursacht und möglicherweise zu Rissen in der gehärteten Schicht führt.

Die Überwindung der oben genannten Probleme und die Lösung der vorstehenden Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Versorgungsrohres für eine Flüssigkeit unter hohem Druck aus einem Doppelrohrgebilde zur Verfügung gestellt, bei dem man ein äußeres Rohr eng anliegend über den äußeren Umfang eines inneren Rohres paßt, wobei das Verfahren einschließt, daß man ein Doppelrohr herstellt, indem man das innere Rohr mit dem äußeren Rohr, welches einen großeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das innere Rohr hat, eng anliegend zusammenpaßt, während man ein Lötmaterial dazwischenfügt, daß man das Doppelrohr einer Hitzebehandlung und einer nachfolgenden stufenweisen Kühlbehandlung unterzieht, um die inneren und äußeren Rohre komplett zu verbinden und eng anliegend zusammenzupassen, wobei zumindest die innere Oberfläche des inneren Rohres mit einer Druckeigenspannung oder Druckrestspannung (compressive residual stress) versehen wird.

Bei der erfindungsgemäßen Kombination des äußeren Rohres und des inneren Rohres wird ein äußeres Rohr aus einem Material verwendet, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als das innere Rohr. Die Kombination besteht beispielsweise aus kohlenstoffarmem Stahl und kohlenstoffreichem Stahl, Ferritedelstahl und kohlenstoffreichem Stahl oder Aluminium und Kupfer. Die Kombination ist nicht immer auf die oben genannten Beispiele eingeschränkt, sondern jede Kombination aus einem inneren und einem äußeren Rohr kann zur Erzielung eines ähnlichen Effekts verwendet werden, solange das äußere Rohr aus einem Material besteht, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das innere Rohr. Das Verhältnis der Wandstärke zwischen innerem und äußerem Rohr wird in Abhängigkeit von der Materialkombination und des angestrebten Ausmaßes der Eigenspannung ausgewählt. Falls die Wandstärke des inneren Rohres größer ist als die des äußeren Rohres, ist die Eigenzugspannung im äußeren Rohr größer als die Eigendruckspannung, die im inneren Rohr entsteht. Andererseits übertrifft die Druckspannung, falls die Wandstärke des inneren Rohres extrem erniedrigt ist, die Elastizitätsgrenze und die resultierende Eigendruckspannung ist sehr viel niedriger als der erwartete Wert, wobei die Wirkung vermindert wird. Demzufolge bewegt sich das bevorzugte Verhältnis der Wandstärke zwischen innerem Rohr und äußerem Rohr im allgemeinen in einem Bereich von 1:4 bis 1:2. In Abhängigkeit von den Rohrmaterialien kann man geeigneterweise Lötmaterial, das zwischen äußerem Rohr und innerem Rohr eingefügt ist, verwenden, welches aus Kupfer, Messing, Weichlot oder einem ähnlichen anderen Material besteht, das einen Schmelzpunkt hat, der niedriger als der des Rohrmaterials ist. Das Lötmaterial wird zwischen innerem und äußerem Rohr eingebracht, indem man entweder einen Überzug galvanisch herstellt, wie z. B. durch Elektroplattierung, stromlose Plattierung oder Eintauchplattierung, oder aber genauso gut indem man Lötmaterial in Form von extrem dünnem blechähnlichem Lötmaterial verwendet.

Beim Herstellen eines Doppelrohrs unter Verwendung der Rohr- und Lötmaterialien, wie oben beschrieben, wird das innere Rohr eng anliegend in das äußere Rohr eingepaßt, während man das Lötmaterial dazwischenfügt. Danach wendet man üblicherweise eine Ziehbearbeitung an, indem man eine Ziehringanordnung (dice) und einen Kern (plug) zur Reduktion des Durchmessers auf ein Doppelrohr von vorbestimmtem Rohrdurchmesser verwendet. Die Ziehbearbeitung wird bevorzugt in erwärmtem oder heißem Zustand ausgeführt.

Die Wärmebehandlung eines Doppelrohrs, das zu einem vorbestimmten Rohrdurchmesser geformt ist, wird bei Temperaturen ausgeführt, die höher sind als der Schmelzpunkt des verwendeten Lötmaterials, sodaß das Lötmaterial vollständig geschmolzen wird.

Dann setzt man in Abhängigkeit von der Kombination der verwendeten Rohrmaterialien die Bedingungen für die nachfolgende Kühlbehandlung fest. So wird beispielsweise bei der Kombination von kohlenstoffarmem Stahl und kohlenstoffreichem Stahl die Behandlung bevorzugt bei einer Kühlgeschwindigkeit von weniger als 20°C/min ausgeführt. Falls die Abkühlgeschwindigkeit zu groß ist, wird der Temperaturunterschied zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr erhöht, wodurch die Temperatur erniedrigt wird, bei der die Druckspannung im inneren Rohr anfängt aufzutreten zusammen mit der Schrumpfung des äußeren Rohres, wodurch die angestrebte Wirkung vermindert wird. Daher ist es wünschenswert, die Kühlgeschwindigkeit zu reduzieren.

Wenn ein Doppelrohr, das durch eng anliegendes Anpassen des inneren Rohres und des äußeren Rohres mittels Lötmaterial hergestellt ist, der Wärmebehandlung unterzogen wird, wird der Spalt zwischen innerem und äußerem mittels Lötmaterial eng anliegend zusammengepaßten Rohr als Folge des Ausdehnungsunterschieds zwischen äußerem und innerem Rohr, der durch die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verursacht wird, leicht vergrößert, und das Lötmaterial wird geschmolzen und dehnt sich in den Spalt aus. Wenn dann das Rohr der stufenweisen Abkühlbehandlung unterzogen wird, koaguliert das Lötmaterial zuerst, um das innere und das äußere Rohr miteinander zu verbinden. Wenn die Temperaturen weiter erniedrigt werden, schreitet die Schrumpfung sowohl im inneren als auch im äußeren Rohr fort. Da das äußere Rohr eine größere Schrumpfung hervorruft als das innere Rohr, umschließt das äußere Rohr das innere Rohr fest unter Bildung eines Doppelrohrs, bei dem im inneren Rohr eine Druckspannung zurückbleibt, wobei der Wert der Spannung insbesondere an der inneren Oberfläche ein Maximum erreicht. Im allgemeinen erreicht die Spannung infolge des Innendrucks (Zugspannung) ihr Maximum an der inneren Oberfläche des Rohres und die Spannung konzentriert sich auf Kerbdefekte oder Risse, die leicht an der inneren Oberfläche entstehen können, insbesondere während des Herstellungsvorganges eines Rohres mit kleinem Durchmesser, wodurch leicht die Gefahr der Zerstörung hervorgerufen wird. Beim erfindungsgemäßen Doppelrohr kann man das voranbeschriebene Problem durch Anbringen einer Druckspannung an der inneren Oberfläche vermeiden.

Fig. 1 ist ein Graph, der die Verteilung der Eigenspannung in einem erfindungsgemäßen Produkt darstellt, wobei der Abstand von der inneren Oberfläche (mm) auf der Abszisse und die Eigenspannung (kp/mm²) auf der Ordinate aufgetragen sind, und

Fig. 2 ist ein Graph, der einen theoretischen Wert einer für die Anwendung von 1000 kp/cm² Innendruck berechneten Verteilung der Spannung darstellt, wobei der Abstand von der inneren Oberfläche (mm) auf der Abszisse und die Spannung (kp/mm²) auf der Ordinate aufgetragen sind.

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Beispiele erläutert.

Beispiel

Ein Stahlrohr mit 0,1% Kohlenstoffgehalt, das einen äußeren Durchmesser von 9,5 mm und einen inneren Durchmesser von 6,1 mm aufweist (STS 35, Wärmeausdehnungskoeffizient: 11,5×10^-6/°C wurde als äußeres Rohr verwendet, während ein unlegiertes Stahlrohr mit 0,4% Kohlenstoffgehalt, das einen äußeren Durchmesser von 5,5 mm und einen inneren Durchmesser von 4,3 mm aufweist (STKM 16A, thermischer Ausdehnungskoeffizient: 1,75×10^-6/°C) und an der äußeren Oberfläche mit einem galvanischen Kupferüberzug bis zu einer Dicke von 6 µm versehen war, als inneres Rohr verwendet wurde. Das innere Rohr wurde in das äußere Rohr gesteckt, und es wurde ein Doppelrohr, das einen äußeren Durchmesser von 6 mm und einen inneren Durchmesser von 2 mm aufwies, durch Reduzierung des Durchmessers geformt, indem man es einer Ziehbehandlung unter Verwendung eines Ziehrings und eines Kerns unterzog. Nachfolgend wurde das Doppelrohr einer Wärmebehandlung bei 1120°C für 10 Minuten in einem elektrischen Ofen, der eine nicht-oxidative Atmosphäre enthielt, ausgesetzt und dann wurde es einer stufenweisen Abkühlbehandlung bis auf die Raumtemperatur bei einer Abkühlgeschwindigkeit von 20°C/min unterzogen, um ein Doppelrohrprodukt herzustellen, das innere und äußere Rohre aufweist, die vollständig verbunden und eng anliegend zusammengepaßt sind.

An dem resultierenden doppelwandigen Rohrprodukt wurde die Eigenspannung mittels Röntgenbeugung gemessen. Fig. 1 zeigt die Verteilung. Weiterhin zeigt Fig. 2 den theoretischen Wert der Verteilung der Spannung in jedem Abschnitt der Rohrwand unter der Annahme, daß ein Innendruck von 1000 kp/cm² ausgeübt wird. Weiterhin ergab die Messung des statischen Berstdrucks mittels eines hydraulischen Druckprüfers ein Ergebnis von 4430 kp/cm².

Vergleichsbeispiel

Auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 wurde für ein STS 35 Stahlrohr mit 6 mm äußerem Durchmesser und 2 mm innerem Durchmesser der statische Berstdruck gemessen. Das Ergebnis für den Berstdruck betrug 3700 kg/cm² und der theoretische Wert der Spannungsverteilung in jedem Abschnitt der Rohrwandung unter der Annahme, daß 1000 kp/cm² Innendruck auf die Innenoberfläche des Rohrs ausgeübt wurden, wird in Fig. 2 gezeigt.

Da man ein Doppelrohr herstellt, indem man ein äußeres Rohr und ein inneres Rohr eng anliegend zusammenpaßt, während ein Lötmaterial dazwischengetan wird, wobei das Material für das äußere Rohr einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das innere Rohr hat und das Doppelrohr einer Hitzebehandlung und dann einer stufenweisen Abkühlungsbehandlung unterzogen wird, kann erfindungsgemäß auf der inneren Oberfläche ohne einen zusätzlichen Einzelschritt eine Eigendruckspannung hervorgerufen werden. Hierdurch werden bemerkenswerte Effekte erhalten. Zum Beispiel kann man durch geeignete Auswahl von Materialkombinationen für die äußeren und inneren Rohre und des Lötmaterials ein Rohr erhalten, das über eine große Widerstandsfähigkeit gegen hohen Innendruck verfügt. Die Spannung an der inneren Oberfläche auf den Innendruck kann im Vergleich mit gewöhnlichen Rohren niedrig gehalten werden. Das Maximum der Spannung kann an der Innenseite der Rohrwandung unter Verringerung der Defektbildung ausgebildet werden. Somit kann der Widerstand gegen Zerstörung, insbesondere die Dauerfestigkeit gegen Dauerinnendruck, bemerkenswert verbessert werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Versorgungsrohres für eine Flüssigkeit unter hohem Druck in einer Doppelrohranordnung, bei dem man ein äußeres Rohr eng anliegend über dem äußeren Umfang eines inneren Rohres anbringt, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
Man formt ein Doppelrohr, indem man ein inneres Rohr mit einem äußeren Rohr, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das innere Rohr, eng anliegend zusammenpaßt, wobei man ein Lötmaterial dazwischenfügt, und
unterwirft das Doppelrohr einer Hitzebehandlung und dann einer stufenweisen Kühlbehandlung, um das innere Rohr und das äußere Rohr in enger Passung komplett miteinander zu verbinden, wobei die innere Oberfläche des inneren Rohres mit einer Druckeigenspannung versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wandstärke zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr im Bereich von 1:4 bis 1:2 liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelztemperatur des Lötmaterials niedriger ist als diejenige des inneren Rohrs und des äußeren Rohrs.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Lötmaterial als galvanischen Überzug oder in Form eines extrem dünnen Blechmaterials aufbringt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die eng anliegende Passung des inneren Rohrs durch eine Ziehbehandlung, bei der man eine Ziehringanordnung (dice) und einen Kern (plug) benutzt, erreicht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ziehbehandlung in erwärmtem oder heißem Zustand ausführt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die stufenweise Abkühlbehandlung bei einer Abkühlgeschwindigkeit von weniger als 20°C/min ausführt.