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1、(10)申请公布号 CN 104152657 A (43)申请公布日 2014.11.19 C N 1 0 4 1 5 2 6 5 7 A (21)申请号 201410299238.9 (22)申请日 2014.04.09 102013006009.5 2013.04.09 DE C21D 8/10(2006.01) F16L 51/02(2006.01) (71)申请人 BOA巴尔格-康帕萨特伦技术有限公 司 地址德国施图滕塞 (72)发明人 K希尔特 J泰拉廷斯基 U维尔德 I加尔特纳 (74)专利代理机构中国国际贸易促进委员会专 利商标事务所 11038 代理人柳冀 (54) 发明名称 。
2、用于制造波纹管的方法和/或波纹管 (57) 摘要 本发明涉及由奥氏体不锈钢构成的、具有提 高的抗压强度和疲劳强度的波纹管的制造方法， 其中将单层或者多层的套管通过液压成型而成 形为波纹管，为了改进尤其是抗压强度和疲劳强 度进行了设计，将波纹管在成形之后清洁，和然后 使波纹管在100和400之间，优选在200至 320的温度经受具有碳原子和/或氮原子的环 境，由此通过扩散进碳原子和/或氮原子进行波 纹管的硬化。这样制成的由奥氏体不锈钢构成的 具有一个或者多个层的波纹管的出众之处在于， 通过碳原子和/或氮原子的掺入使表面层硬化至 壁厚的至少5的淬火深度。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl.。
3、 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104152657 A CN 104152657 A 1/2页 2 1.由奥氏体不锈钢构成的、具有提高的抗压强度和疲劳强度的波纹管的制造方法，其 中将单层或者多层的套管通过液压成型而成形为波纹管，其特征在于，将波纹管在成形之 后清洁，和然后使波纹管在100和400之间，优选在200至320的温度经受具有碳原 子和/或氮原子的环境，由此通过扩散进碳原子和/或氮原子进行波纹管的硬化。 2.根据权利要求1的方法，其特征在于，使波纹管经受包。
4、含碳原子和/氮原子的环境一 至六天，优选三至六天。 3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，使波纹管经受包含含碳化合物和/或含氮 化合物的盐熔体，例如由乙酸钾和/或乙酸钠以及金属盐构成的盐熔体。 4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，使波纹管经受包含碳和/或氮的惰性气体 气氛，稀有气体，例如氩气气氛。 5.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于，使波纹管经受包含碳和/或氮的环 境，直至碳原子和/或氮原子渗入壁厚的至少5的淬火深度。 6.根据权利要求5的方法，其特征在于，使波纹管经受包含碳和/或氮的环境，直至碳 原子和/或氮原子渗入壁厚的至少10的淬火深度，但是不超过50m。 7.根据权。
5、利要求5的方法，其特征在于，使波纹管经受包含碳和/或氮的环境，直至碳 原子和/或氮原子渗入壁厚的至少25的淬火深度，但是不超过100m。 8.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于，波纹管的连接端在有限的长度，优选 在连接端的直径的20至100上不经受包含碳和/或氮的环境。 9.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于，在将波纹管放入包含碳和/或氮的 环境之前在波纹管上焊接单独的连接件。 10.根据权利要求1至7中任一项的方法，其特征在于，对一起放入包含碳和/或氮的 环境中的整体化的连接端或者事先焊接的连接件的表面层进行化学或者机械剥蚀。 11.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于，在隔。
6、膜波纹管形式的波纹管的情况 下，在波纹管经受包含碳和/或氮的环境之前使波纹管膜彼此焊接。 12.由奥氏体不锈钢构成的具有一个或者多个层的波纹管，其特征在于，边界层通过碳 原子和/氮原子的掺入而硬化壁厚的至少5的淬火深度。 13.根据权利要求12的波纹管，其特征在于，碳原子和/或氮原子掺入壁厚的至少 10的淬火深度，但是不超过50m。 14.根据权利要求12的波纹管，其特征在于，碳原子和/或氮原子掺入壁厚的至少 25的淬火深度，但是不超过100m。 15.根据权利要求12至14中任一项的波纹管，其特征在于，淬火深度为波纹管的壁厚 的至少80。 16.根据权利要求12至15中任一项的波纹管，其特征。
7、在于，淬火深度在波纹管的整个 壁厚上延伸。 17.根据权利要求12至16中任一项的波纹管，其特征在于，所掺入的碳原子和/或氮 原子的含量从波纹管的壁的外侧向壁的内侧逐渐减小。 18.根据权利要求12至17中任一项的波纹管，其特征在于，波纹管的硬度在淬火深度 上为至少600HV0.01(借助维氏硬度试验测量)。 19.根据权利要求12至18中任一项的波纹管，其特征在于，相对于波纹管波形的高度， 权 利 要 求 书CN 104152657 A 2/2页 3 波纹管波形的长度更大。 20.根据权利要求12至19中任一项的波纹管，其特征在于，任选地每个单个的层的壁 厚小于0.5mm，优选大于0.25m。
8、m。 21.根据权利要求12至20中任一项的波纹管，其特征在于，波纹管的连接端和/或所 焊接的连接件在至少有限的长度上没有碳和/或氮掺入。 22.根据权利要求12至21中任一项的波纹管，其特征在于，连接端和/或单独的焊接 的连接件的厚度减小，例如通过化学或者机械剥蚀。 权 利 要 求 书CN 104152657 A 1/5页 4 用于制造波纹管的方法和 / 或波纹管 0001 本发明涉及一种用于制造由具有提高的抗压强度和疲劳强度的奥氏体不锈钢制 成的波纹管的方法，其中将单层或者多层的套管通过液压成型而成形为波纹管，以及涉及 一种具有一个或者多个层的由奥氏体不锈钢制成的波纹管。 0002 金属波。
9、纹管用于严密密封地隔离运动。出于更好的可变形性和抗腐蚀性它们大多 由奥氏体不锈钢制成。对波纹管的一般要求涉及波纹管的可活动性、寿命、弹簧刚性和抗压 强度。通常，应该承受一定大小的具有给定最小持续时间的运动或者运动组合，即一定数量 的负载循环。 0003 金属波纹管的一个基本设计标准是所吸收的运动的量。所述运动量对所需的伸缩 管的结构空间有直接的影响。通常，应当在小的结构空间需求下实现具有高负载循环数的 大的运动。 0004 为了吸收大的运动，在尽可能小的壁厚下，波纹管波形的大的波形高度和波形数 是有利的。就此而言，小的壁厚有利地影响运动吸收，金属波纹管的负荷大多以路径控制的 方式进行，即运动吸。
10、收通过激发系统确定。所吸收的运动表现为波纹管波形的弯曲。波纹 管的壁厚越大，则所产生的弯曲应力越大。 0005 然而随壁厚变小，波纹管的抗压强度也降低。如果要将波纹管设计成抗压的，则在 给定的结构空间时由于所需的大的壁厚使其可活动性或其寿命受到限制。 0006 最后，通常也要求波纹管具有尽可能小的弹簧刚性。如还对于寿命而言那样，波纹 管的小的壁厚对于波纹管的低的弹簧刚性也是起决定作用的。 0007 通常使用的奥氏体不锈钢例如1.4301、1.4401、1.4404、1.4509、1.4541、1.4571、 1.4828或者镍基合金例如2.4600、2.4816或者2.4856和双相钢例如1.。
11、4362或者1.4462 以其优秀的可变形性著称。另一方面，其强度远比铁素体的钢可达到的强度小。由奥氏体 不锈钢构成的波纹管的使用特别是由于其抗压强度而受到限制。如果要达到高抗压强度， 则波纹管的壁厚必须增大。这导致波纹管的疲劳强度和刚性方面的明显缺点。 0008 如果要达到很高的抗压强度，则会出现另一个问题：金属波纹管通常通过液压成 型借助内压力制造。使原材料达到终态的压力也适合于之后使成品再次变形。这意味着， 用于成形的压力必须始终大于成品波纹管之后在工作中承受的压力。 0009 然而对于一些应用而言，例如在喷油嘴中，所需要的工作压力非常高。现代的柴油 喷油系统设计为用于超过2000巴的工。
12、作压力。这样的压力在波纹管制造中迄今为止尚不 能达到。 0010 为了提高波纹管的抗压强度，根据现有技术已由可硬化的大多为铁素体的钢制造 金属波纹管并且在制造之后进行硬化和调质。使用铁素体钢的不利之处在于与奥氏体钢相 比的小的断裂伸长率。由此仅可以在波纹管上达到很小的波形高度。另一个排除标准是在 许多应用时所需的抗腐蚀性，这使得使用奥氏体钢成为必要。 0011 在EP1 985 388 B1中说明的用于在保持可控制的成形压力的情况下提高波纹管 的抗压强度的可能性是使用具有两种亚稳状态的材料，其中一种状态是柔软和可延展的， 而另一种状态非常坚硬和高强度的。为此状态的改变通常通过特殊的热处理实现。。
13、然而为 说 明 书CN 104152657 A 2/5页 5 此所使用的钢在采购和加工方面是昂贵的。此外，柔软的可延展的状态仅仅在高温下存在， 这使成形过程显著复杂化并因此增加成本。 0012 另一个难点在于这样制造的部件在其周围的连接。一方面在EP 1 985 388 B1中 描述的钢材类型部分地难于或者完全不可焊接，另一方面在成形后所达到的亚稳状态只有 在焊接波纹管之后才实施，这可能导致在连接件上的热变形和对抗腐蚀性的损害。 0013 在所提及的文献中关于可时效硬化的材料，描述了一种特别抗压的波纹管几何结 构，其具有比波长小的波形高度。然而这种几何结构对于波纹管的运动吸收而言非常不利。 在。
14、此为了在给定的运动要求下达到可接受的寿命必须使用相对长的并由此导致的大的结 构空间要求的波纹管。已知的是，金属工件的表面质量通过将碳原子和/或氮原子掺入非 常薄的最多至35m的表面层而得到提高，以尤其达到更好的抗磨损性和抗刻划性。 0014 本发明的任务在于，由奥氏体不锈钢获得抗疲劳的、抗压的金属波纹管，所述金属 波纹管避免了上述在制造成本和连接问题方面的缺点，并且相对于常规的波纹管提供在抗 压强度和运动吸收或者疲劳强度方面的优点。 0015 根据本发明，该任务通过这样的方法得到解决，所述方法的特征在于，将波纹管在 成形之后进行清洁，和在于然后使波纹管在100和400之间，优选在200和320。
15、之间 的温度经受具有碳原子和/或氮原子的环境，由此通过扩散进碳原子和/或氮原子进行波 纹管的硬化。为了解决该任务，本发明此外对这种类型的波纹管进行设计，使碳原子和/或 氮原子以壁厚的至少5的淬火深度掺入波纹管材料中。 0016 在此尤其不仅通过提高延伸限度，而且通过外来原子在表面层和中心的含量的差 异产生对疲劳强度的改进，因为在表面层中通过将碳原子或氮原子掺入金属晶格产生压应 力，由此造成体积增加，而工件核心(其中较少或者根本没有扩散进外来原子)则保持其尺 寸并对表面层的膨胀倾向产生阻力。 0017 为了保证高运动吸收，将金属波纹管制作为薄壁的，从而小的淬火深度足以达到 给定目的。 0018 。
16、淬火深度是从表面(内或外)开始测量的波纹管壁的深度，所述表面具有相对基 体材料提高50HV0.01的硬度。在波纹管小的壁厚的情况下，淬火深度不需要其它特别的措 施已经构成壁厚的重要的一部分。通过尤其是波纹管的行程吸收以及压力负荷最大程度上 表现为弯曲负荷，使得仅仅在已硬化的区域中达到最大应力。借此可以使薄壁波纹管的抗 压强度通过边界和边界层的硬化得到显著提高。因此，通过提高延伸限度由从外部的硬化 显著提高波纹管的抗压强度和疲劳强度。 0019 由此可能的是，在相同的抗压强度下仍将波纹管制造成薄壁的。通过薄壁的制造 可以在保持抗压强度的情况下大幅度提高波纹管的寿命或允许的运动吸收。另一方面在保 。
17、持寿命要求和壁厚的情况下显著提高抗压强度。 0020 根据发明的方法的优选的实施方案设计为，使得波纹管经受包含碳原子和/或氮 原子的环境一至六天，优选三至六天，其中尤其使波纹管经受包含含碳化合物和/或含氮 化合物的盐熔体，例如由乙酸钾和/或乙酸钠以及金属盐构成的盐熔体，或者使波纹管经 受包含碳和/或氮的惰性气体气氛，例如氩气气氛。在优选的改进方案中设计为，使得波纹 管经受包含碳和/或氮的环境，直至碳原子和/或氮原子渗入壁厚的至少5的淬火深度。 此外可以设计为，使得或者使波纹管经受包含碳和/或氮的环境，直至碳原子和/或氮原子 说 明 书CN 104152657 A 3/5页 6 渗入壁厚的至少1。
18、0的淬火深度，但是不超过50m，或者使波纹管经受包含碳和/或氮的 环境，直至碳原子和/或氮原子渗入壁厚的至少25的淬火深度，但是不超过100m。 0021 根据发明的波纹管的优选的实施方案的出众之处在于，所掺入的碳原子和/或氮 原子的含量从波纹管的壁的外侧向壁的内部逐渐减少，和/或波纹管波形的长度相对于波 纹管波形的高度更长。 0022 在此，成品波纹管的性能能够通过壁厚、淬火深度和所达到的表面硬度进行调整。 对于抗压强度特别有利的是材料强度的选择，其使波纹管壁的淬硬成为可能。在这种情况 下外来原子遍布整个材料掺入横截面。由此能够达到大的抗压强度然而在振动负荷 下，寿命相对于相同几何结构和壁厚。
19、的波纹管仅仅略微增加，或者甚至减少。对此的原因是 针对波纹管的表面粗糙度的敏感性增加。因为在这种情况下由于所吸收的外来原子而在整 个横截面上产生体积增大，表面层中可能不形成固有应力，这对于波纹管的寿命而言是有 利的。 0023 尽管如此，寿命的提高与提高抗压强度一起实现也是可能的，因为壁厚对寿命的 影响比对抗压强度更大。借助材料的淬硬可以在增大抗压强度的情况下还总是大体上减小 壁厚，使得可能增加寿命。在这种情况下，特别有利的副作用在于，波纹管的弹簧刚性通过 减小的壁厚而减小。 0024 在达到大的抗压强度时，对于疲劳强度而言特别有利的是淬硬在整个壁厚上或者 甚至几乎直至核心，只要尽管淬硬还是存。
20、在，由边界层直至核心减小的碳含量。因此保持对 于疲劳强度有利的压应力，且同时达到高抗压强度。 0025 对于寿命而言已通过实验证明特别有利的是将波纹管的层硬化，其中材料的核心 很大程度上保持不变。通过外来原子的不均匀分布可以在表面层中产生压应力，所述压应 力对寿命产生积极影响。如果淬火深度(从边缘开始测量至高出基体材料硬度50HV的硬 度)大于材料厚度的10，则肯定已经可以观察到抗压强度的明显提高以及疲劳强度的显 著提高。 0026 以令人惊讶的方式尤其是在薄壁的波纹管的情况下产生大幅提高的交替弯曲强 度。因为仅仅硬化的区域经受最大的应力，而未处理的核心中的应力小得多，材料的塑性区 域只有在弯。
21、曲变形明显增大时才达到。由此也可以实现比仅仅通过阻止微小裂痕大得多的 动态强度，如由现有技术已知那样)。由于在波纹管吸收运动时表面层中的最大弯曲应力的 要求，在保持韧性的中心的情况下对表面层进行加强是特别有利的。对此的原因在于在表 面层中材料的延伸限度的提高和所产生的压应力。 0027 通过这样的提高交替弯曲强度可以选择迄今为止不太适合用于吸收运动但是非 常抗压的波纹管几何结构。 0028 具有其中波纹管的波形高度小于波形长度的几何结构的根据本申请设计的抗压 的波纹管可以通过表面层硬化对运动吸收进行特别好的优化。通过在表面层区域中相对于 核心更高的碳引入造成的压应力提高了波纹管的疲劳强度，它因。
22、此可以在相同的几何结构 的情况下吸收更大的运动。通过提高的材料强度也使抗压强度相对于未处理的奥氏体不锈 钢明显改进。 0029 波纹管与其它结构部件的连接通常借助焊接实现。经硬化的富含碳或富含氮的钢 通常仅采用高成本才是可焊接的，视碳含量或氮含量而定也可能彻底不适合焊接。 说 明 书CN 104152657 A 4/5页 7 0030 在由奥氏体不锈钢制成的波纹管的根据本发明的硬化的情况下，仅在表面层中总 碳含量处于完全可焊接的范围内。波纹管的壁在焊接时熔化，由此碳在熔体中分布和稀释。 通过贫碳的核心区域使良好地连接边界层硬化的波纹管成为可能。虽然焊缝区域因此比相 邻的材料更不牢固，但是焊缝可。
23、以位于较少负载的区域内。 0031 当在碳扩散之后不再可以进行焊接时，另一个用于连接波纹管的可能性在于，在 对波纹管进行处理之前就已经焊接连接部件。在这种情况下连接部件通常具有比波纹管更 大的壁厚。这样连接部件随后可以与周围环境焊接，因为碳原子或者多种适合的外来原子， 例如尤其是氮原子在熔化时分布在多得多的材料上。 0032 此外可能的是，将经硬化的边界层在碳掺入之后再次从连接件上机械或者化学地 分离。关于这一点，连接件可以就其而言容易地与波纹管的周围焊接。这样的焊缝仅为紧 密接缝，其仅满足密封功能，但是不必然起力传递的作用。 0033 波纹管在其周围的连接的另一种可能的形式是放弃焊接工艺本身。
24、。在周围的连接 可以借助力锁合(Kraftschluss)或型锁合或者粘结、硬焊或者软焊来进行。 0034 这种方法可以不仅仅在已知的圆柱形的波形波纹管的情况下使用。波纹管的另一 种变型是隔膜波纹管(Membranbalg)。所述隔膜波纹管一方面由多个圆环组成，所述圆环配 备有波形轮廓并且在其外边缘和内边缘上手风琴状地彼此焊接。特别有意义的是这样的由 多个焊接的膜制成的波纹管，单个的波纹管膜已经由掺入工艺彼此焊接。这样硬化材料的 改进的性质不再受到焊接工艺的损害。 0035 本发明的其它优点和特征由权利要求和由下文的附图在本发明的实施例中参考 附图标记详细阐述。其中： 0036 图1显示了常规。
25、波形的波纹管的部分的横截面，所述波纹管具有比波形宽度大的 波形高度和说明了经硬化的边界层； 0037 图2显示了具有比波形高度大的波形宽度的波纹管的部分纵截面； 0038 图3显示了隔膜波纹管的横截面； 0039 图4显示了在硬化壁的边缘区域时，波纹管的硬度分布图； 0040 图5显示了图1的波纹管在受到压力载荷时的横截面，示出了压应力的影响； 0041 图6显示了沿着图5的A-A线穿过波纹管波形的波顶的横截面，示出了穿过波纹 管壁的应力分布；和 0042 图7显示了淬硬的波纹管的壁上的硬度分布。 0043 金属波纹管1，如同在图1的部分横截面中所示，具有其壁的波形，它具有波峰2、 波谷3和与。
26、之相连的波面4。在这种波纹管的情况下，波的高度大于其长度。在制造时，波 纹管壁的硬化以在概括性描述中示出的方式从内部和从外部开始在相同的共同气氛中进 行。在图1的实施例中仅对内部和外部的表面层5进行硬化，如图示所阐明。 0044 边界层的淬火深度以各自约20的壁厚示出。经硬化的表面层的厚度计为淬火 深度，其中边界层的硬度50HV0.01借助维氏硬度试验测量超过基体材料的基础硬 度。 0045 相同的情况也适用于图2的波纹管，其中波形高度h小于波形长度1。此外，相同 的部件以相同的附图标记表示。在此也仅以根据发明的方式对边界层进行硬化。在功能元 件，如喷油阀的情况下优选使用这样的波纹管。图3显示。
27、了另一类波纹管，其中本发明同样 说 明 书CN 104152657 A 5/5页 8 是可使用的。在此是隔膜波纹管6。其具有单个的环形的膜7，所述膜在其环形区域内平面 地形成波形。为了制造波纹管6，将多个这样形成波形的环形膜7在其外边缘和其内边缘上 彼此连接，尤其是由材料决定地通过焊接连接。此外存在连接元件8，它由套管8.1和凸缘 件8.2组成，所述凸缘件8.2在外边缘区域内由套管8.1向前构成轮廓并且各自与相邻的 膜7的外区域以相同的方式连接。 0046 图4显示了仅在边缘区域5经硬化的波纹管1的优选实施例的壁厚上的硬度分布 图。波纹管的材料是具有约250HV0.01借助维氏硬度试验测量的基。
28、础硬度的钢。 波纹管根据发明由内向外以各自约为壁厚的20的淬火深度T进行硬化。其显示，壁厚的 约5上(从波纹管1的各个表面测量)的显微硬度大于700HV0.01，且直到10壁厚的淬 火深度上仍超过600HV0.01。 0047 由此在边缘区域内以淬火深度进行硬化，其中在压力负载时出现最大的应力，如 图5和6中所说明。图5显示了压力负荷的波纹管1的波形，其中由箭头P表示产生影响 的压力负载。这种压力负载产生应力分布，如图6中示出的图5的横截面A-A中所描述，其 中显而易见的是，最大的弯曲应力位于表面层的淬火深度内。该应力分布不仅在外压力负 载时，也在波纹管压缩时有效。未处理的核心内的应力比硬化区域或者淬火深度内小得多。 0048 最后，图7阐明了淬硬的波纹管的壁厚上的硬度分布，其中最低的硬度大约在 壁的中间在材料的基础硬度之上50HV0.01。在此显示，在壁厚的约10上显微硬度由 于根据发明的硬化大致保持恒定并大于900HV0.01，并且然后线性连续下降直至中间区域。 说 明 书CN 104152657 A 1/3页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104152657 A 2/3页 10 图3 图4 说 明 书 附 图CN 104152657 A 10 3/3页 11 图5 图6 图7 说 明 书 附 图CN 104152657 A 11 。