Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Hochdruckbauteile aus höchstfesten Stählen - Grundlagen, Potenzial und Bemessungsmethoden

Aufgrund umweltpolitischer Forderungen nach Emissionsreduzierung werden für hochverdichtete Motoren zukünftig effizientere Einspritzsysteme mit einer Betriebsdruckerhöhung von derzeit etwa 2500 auf ca. 4000 bar geplant. Diese Erhöhung ist mit den aktuell eingesetzten Werkstoffen aus Festigkeitsgründen in der gesamten Fertigungskette nicht möglich. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das Potenzial höchstfester duktiler Stähle mit Zugfestigkeiten über 2000 MPa für Hochdrucksysteme bei erhöhten Innendrücken hinsichtlich der Schwingfestigkeit zu untersuchen. In diesem Kontext liegen für solche Stähle derzeit weder allgemein zugängliche Informationen noch anerkannte Bemessungsregeln vor. Für den Allg. Maschinenbau werden daher Grundlagen für die Anwendung solcher Stähle für betriebsfeste Bauteile bereitgestellt. Im experiment. Teil sollen für den höchstfesten Stahl W360 Schwingfestigkeitskennwerte ermittelt und das Ermüdungsverhalten nicht-, teil- und optimal autofrettierter Bauteile untersucht werden. Im analyt. Teil werden Ansätze zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens sowie Konzepte zur Lebensdauerabschätzung für diese Bauteile auf den Bereich höchstfester Stähle erweitert und qualifiziert. Damit wird es möglich, Konstruktionsdetails von Hochdruckanlagen aus höchstfesten Stählen ohne aufwendige Versuchsreihen hinsichtlich der Schwingfestigkeit zu bewerten. Außerdem ergibt sich ein erheblich verbesserter Wissensstand auch für den Allg. Maschinenbau, der besonders für KMU die Möglichkeit schafft, über den Einsatz höchstfester, duktiler Stähle bei steigenden Anforderungen zu entscheiden und damit einen deutlichen Zuwachs an Wettbewerbsfähigkeit zu erzielen. Die Erkenntnisse fließen in Forschung, Lehre und universitäre Weiterbildung ein. Sie werden für die Erweiterung der FKM-Richtlinie Rechn. Festigkeitsnachweis auf höchstfeste Stähle genutzt und können aufgrund der geplanten Transfermaßnahmen (PA-Sitzungen, Tagungen, Veröffentlichungen) direkt von KMU genutzt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des hier dokumentierten Forschungsvorhabens wurden die Grundlagen zur Verwendung von höchstfesten Stählen für nicht autofrettierte bis voll autofrettierte Hochdruckbauteile unter zyklischer Innenhochdruckbelastung geschaffen. Dabei wurde exemplarisch der Stahl X50CrMoV5-3-1 untersucht, der im wärmebehandelten Zustand bei einer Zugfestigkeit von ca. 2250 MPa eine totale Bruchdehnung von über 10 % erreicht. Erkenntnisse zur Einsatz derart höchstfester Stähle sowie Nachweiskonzepte liegen bislang nicht vor.

Experimentell wurden zunächst Werkstoffversuche zur Charakterisierung des statischen und zyklischen Deformationsverhaltens sowie Rissfortschrittsversuche durchgeführt, da entsprechende Werkstoffkennwerte in der Literatur praktisch nicht bekannt sind. Anhand pulsierender Innenhochdruckversuche wurde die Schwingfestigkeit im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich für nicht-, teil und vollautofrettierten bauteilähnliche Proben (Kreuzbohrungsproben) ermittelt. Für die rechnerische Beurteilung der Schwingfestigkeit wurden drei Bewertungskonzepte „Synthetische Wöhlerlinien“, Kerbspannungskonzept“, „Örtliches Konzept“ und „Bruchmechanisches Konzept“ hinsichtlich ihrer Anwendung für Hochdruckbauteile aus höchstfesten Stählen ertüchtigt und mit den Versuchen an den Kreuzbohrungsproben validiert.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens zeigen das Potenzial des Einsatzes höchstfester Stähle bei Hochdruckanlagen auf: eine statische Festigkeitssteigerung ggü. "normal" hochfesten Stählen (z.B. 42CrMo4) wird im Wesentlichen auch für die Ermüdungsfestigkeit wirksam. Für die mit hochdruckbeanspruchten Bauteilen befassten KMU ergibt sich damit die Chance, ihre Wettbewerbsfähigkeit für die Zukunft zu sichern und zu steigern. Die Ergebnisse können als Absicherung zur Erweiterung des Gültigkeitsbereiches aktueller Nachweisrichtlinien (z.B. FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis“ und FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis nichtlinear“) herangezogen werden.