Leitungsteil aus nickelarmem Stahl für eine Abgasanlaqe

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kaltumgeformtes Leitungsteil für eine Abgasanlage insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Balg-, Rohr-, Schlauch- oder Umflechtungselement, aus einem austenitischen nichtrostenden Stahl.

Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung von nickelarmem austenitischen nichtrostenden Stahl zur Herstellung von kaltumgeformten Leitungsteilen der eingangs genannten Art.

Zur Herstellung von kaltumgeformten Leitungsteilen für Abgasanlagen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, werden heutzutage in der Regel nichtrostende austenitische oder auch ferritische Stähle verwendet. Hinsichtlich der Verwendung nichtrostender ferritischer Stähle sei beispielhaft auf die DE 697 23 595 T2 verwiesen.

Austenitische nichtrostende Stähle zeichnen sich bei der Verarbeitung

(Umformung) durch eine gute Verarbeitbarkeit oder Duktilität aus. Letztere ist nicht nur bei glatten, d. h. rohrförmigen gebogenen Leitungen (z. B. bei einer Abgasrückführung) sondern insbesondere auch im Hinblick auf flexible, insbesondere balgartige Leitungsteile (Entkopplungselemente) von Bedeutung. Die genannten Leitungsteile werden bei der Herstellung stark umgeformt, was sich allgemein in einem großen Wert für den Umformungsgrad quantitativ ausdrückt, beispielsweise speziell in einem kleinen Wert für das Verhältnis aus Umformradius und Leitungsteildurchmesser bzw. in einem großen Wert für das Verhältnis aus Balgaußendurchmesser und Balginnendurchmesser. Dabei können vor allem balgartige Leitungsteile aufgrund ihrer Flexibilität einen hohen Ausformungsgrad aufweisen. Maßgeblich ist in diesem Zusammenhang der so genannte A80-Wert für die Bruchdehnung, wobei austenitische nichtrostende Stähle bei Zug eine Längung von mindestens 40% erreichen. Im Vergleich

erreichen ferritische nichtrostende Stähle hier nur eine maximale Längung von etwa 25% oder weniger.

Ein entscheidender Nachteil nickelreicher Stähle, so genannter Standard- Austenite, das heißt austenitischer nichtrostender Stähle mit einem Nickelgehalt von mehr als 8 Gew.-% ist in der explosiven Entwicklung des Nickelpreises in den letzten Jahren zu sehen, die das Erheben kostenmäßig deutlich spürbarer, ständiger ansteigender und zudem längerfristig unkalkulierbarer Legierungszuschläge (LZ) erforderlich macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kaltumgeformtes Leitungsteil der eingangs genannten Art zu schaffen, das kostengünstiger herstellbar ist als Leitungsteile, die unter Verwendung nickelreicher Standard-Austeniten erzeugt werden, und das dabei die Möglichkeit bietet, die guten Verarbeitungs- und Haltbarkeitseigenschaften der genannten herkömmlichen Leitungsteile beizubehalten.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines kaltumgeformten Leitungsteils mit den Eigenschaften des Patentanspruchs 1 sowie mittels einer Verwendung von nickelarmem austenitischen nichtrostenden Stahl gemäß dem Patentanspruch 10.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren Wortlaut hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, um unnötige Textwiederholungen zu vermeiden.

Erfindungsgemäß ist ein kaltumgeformtes Leitungsteil für eine Abgasanlage insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Balg-, Rohr-, Schlauch- oder Umflechtungselement, aus einem austenitischen nichtrostenden Stahl dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Nickelgehalt von weniger als 8 Gew.-% aufweist.

Weiterhin schlägt die Erfindung die Verwendung von nickelarmem austenitischen nichtrostenden Stahl mit einem Nickelgehalt von weniger als 8 Gew.-% zur Herstellung von kaltumgeformten Leitungsteilen für eine

Abgasanlage, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Balg-, Rohr-, Schlauch- oder Umflechtungselementen, vor.

Ein grundlegender Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass erstmals die Verwendung nickelarmer austenitischer nichtrostender Stähle mit einem Nickelgehalt von weniger als 8 Gew.-% und vorzugsweise lediglich 4 bis 5 Gew.-% zur Herstellung der eingangs genannten Leitungsteile vorgeschlagen wird, wogegen in Fachkreisen gegenwärtig aufgrund von Fehleinschätzungen und Vorurteilen eine deutliche Abneigung besteht. Der Anmelderin ist es jedoch aufgrund intensiver Studien gelungen nachzuweisen, dass sich nickelarme austenitische nichtrostende Stähle für die oben genannte Verwendung, das heißt zur Herstellung kaltumgeformter Leitungsteile für eine Abgasanlage eignen.

Entscheidender Vorteil hierbei ist, dass der Legierungszuschlag bei so genannten Low-Nickel-Austeniten mit deutlicher weniger als 8 Gew.-% Nickelgehalt, insbesondere etwa 4 Gew.-%, signifikant kleiner ist als bei den Standard-Austeniten 1.4301 oder 1.4541 , auf deren Zusammensetzung weiter unten anhand der Figur 2 noch genauer eingegangen wird.

Die Anmelderin hat in diesem Zusammenhang erstmals nachgewiesen, dass Low-Nickel-Austenite als Substitut für die genannten Standard-Austenite bei der Herstellung der eingangs genannten Leitungsteile, insbesondere auch für Fahrzeug-Entkoppelelemente in Abgasanlagen in Betracht kommen.

Neben der Temperaturbeständigkeit und der Ermüdungsfestigkeit ist dabei die Korrosionsbeständigkeit, bei Leitungsteilen oder Entkoppelelementen für Abgasanlagen insbesondere die Beständigkeit gegenüber Lochkorrosion, interkristalliner Korrosion und Hochtemperaturoxidation, entscheidend für die Eignung eines Werkstoff zur Verwendung in Abgasanlagen. In diesem Zusammenhang schlagen insbesondere die beigefügten Unteransprüche bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung vor, bei denen sich aufgrund ausgewählter Legierungszusammensetzungen des verwendeten Stahls die Risiken für die genannten Korrosionsarten auch bei Low-Nickel-Austeniten nicht nennenswert von Standard-Austeniten unterscheiden.

Wie bereits angesprochen, ist die im Rahmen der vorliegenden Erfindung entscheidende Frage, inwieweit Low-Nickel-Austenite im Vergleich zu Standard- Austeniten entsprechend gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

Hierzu schlägt die vorliegende Erfindung in diesem Zusammenhang vor, dass der verwendete Stahl einen Chromgehalt von mindestens 16 Gew.-%, vorzugsweise 17 Gew.-% aufweist.

Um speziell das Lochkorrosionsrisiko weiter zu begrenzen, schlägt die vorliegende Erfindung in einer anderen Weiterbildung ebenfalls vor, dass der verwendete Stahl eine möglichst geringe Menge an Schwefel aufweist, wobei der maximale Schwefelgehalt 0,030 Gew.-%, vorzugsweise 0,015 Gew.-% beträgt.

Stickstoff verbessert die Beständigkeit gegenüber Lochkorrosion. Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungsteils sieht daher vor, dass der verwendete Stahl einen Stickstoffgehalt von mehr als 0, 1 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 0,3 Gew.-% aufweist.

Wie bei Standard-Austeniten kann auch bei Low-Nickel-Austeniten das Risiko einer interkristallinen Korrosion (IK-Risiko) durch geringen Kohlenstoffgehalt reduziert werden. Daher sieht eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungsteils vor, dass der verwendete Stahl eine möglichst geringe Menge an Kohlenstoff aufweist, wobei der maximale Kohlenstoffgehalt vorzugsweise 0,03 Gew.-% beträgt.

Hinsichtlich ihrer mechanischen Festigkeit haben die Low-Nickel-Austenite in der Regel eine ähnliche oder sogar etwas höhere Festigkeit als die Standard- Austenite, wobei sich insbesondere die Stickstoff legierten Varianten durch eine deutlich erhöhte Festigkeit auszeichnen.

Die Duktalität von Low-Nickel-Austeniten ist mit derjenigen von Standard- Austeniten vergleichbar, wobei bei Qualitäten mit weniger als 4 Gew.-% Nickelanteil von einer zunehmenden Kaltriss-Empfindlichkeit beim Umformen bzw. Tiefziehen zu rechnen ist. Entsprechend sehen Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Leitungsteils vor, dass der zu seiner Herstellung

verwendete Stahl einen Nickelgehalt von mindestens 4 Gew.-% aufweist, insbesondere 4 bis 5 Gew.-%, wie bereits weiter oben erwähnt.

Auf die erhöhte Festigkeit von Low-Nickel-Austeniten wurde ebenfalls weiter oben bereits hingewiesen. Wenn diese nicht benötigt wird und die Duktalität beim Umformen im Vordergrund steht, kann Nickel im Rahmen der vorliegenden Erfindung prinzipiell teilweise auch durch Kupfer substitutiert werden. Hierbei ist allerdings zu berücksichtigen, dass bei Kupfer legierten 1 %-Ni-Austeniten von einem deutlich verschlechterten Repassivierungsverhalten und einer um einen Faktor 10 bis 100 beschleunigten Korrosionsgeschwindigkeit gegenüber 1.4301 berichtet wird.

Alternativ ist daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass der Kupfergehalt des verwendeten Stahls möglichst gering gehalten wird, insbesondere kleiner als 1 Gew.-%.

Ein im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundlegender Nickelsubstituent ist Mangan, welches als Austenitbildner fungiert und somit insbesondere auch in der Lage ist, die ferritbildnerischen Eigenschaften des Chroms zu kompensieren. Eine entsprechende Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungsteils sieht daher vor, dass der verwendete Stahl einen Mangangehalt zwischen 5 und 10 Gew.-%, vorzugsweise 6 und 9 Gew.-% sowie höchst vorzugsweise 6,4 bis 7,5 Gew.-% aufweist.

Das Zulegieren von Mangan hat den weiteren Effekt, dass durch einen erhöhten Mangangehalt des Stahls auch eine erhöhte Zugabe von Stickstoff ermöglicht wird. Dies hat wiederum Auswirkungen auf die Verschleißfestigkeit des Austeniten, die durch Zugabe von Stickstoff erhöht wird. Wie bereits erwähnt, weist daher der eingesetzte Stahl vorzugsweise einen Stickstoffgehalt von mehr als 0, 1 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 0,3 Gew.-% auf.

Es hat sich außerdem herausgestellt, dass bei Low-Nickel-Werkstoffen im Gegensatz zum Werkstoff 1.4301 die Bruchlastspielzahl nicht mit zunehmender Korngröße des Werkstoffs abnimmt. Hierin ist ein weiterer Vorteil der Verwendung von Low-Nickel-Austeniten im Rahmen der vorliegenden Erfindung

zu sehen, da entsprechend bei der Korngröße weniger strenge Anforderungen gestellt werden müssen, was sich positiv auf den Preis des Werkstoffs auswirkt.

Auf diese Weise begegnet die vorliegende Erfindung einer ganzen Reihe von Vorurteilen gegenüber Low-Nickel-Austeniten und schlägt in neuartiger Weise deren Verwendung zur Herstellung kaltumgeformter Leitungsteile für Abgasanlagen vor. Die erwähnten Vorurteile gründen unter anderem darauf, dass Billighersteller in der Vergangenheit sehr schlechte Qualitäten von Low- Nickel-Austeniten mit starken Verunreinigungen auf den Markt brachten, so dass es in der Folge bei deren Verwendung zu gravierenden Korrosionsschäden kam. Darüber hinaus macht bei Low-Nickel-Austeniten die Absenkung des Nickelgehalts auf teilweise bis 1 Gew.-% auch ein Absenken des Chromgehalts auf bis zu 13 Gew.-% erforderlich, was generell zu einer verschlechterten Korrosionsbeständigkeit führt. Darüber hinaus führt auch Etikettenschwindel zum falschen Einsatz der Low-Nickel-Austenite und somit zu

Korrosionsschäden. Anwender vertrauten hier aufgrund der ebenfalls unmangetischen Eigenschaften von Low-Nickel-Austenit darauf, dass dieser mit dem Werkstoff 1 .4301 identisch sei.

Im Rahmen eines besonderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schafft diese somit vorzugsweise ein kaltumgeformtes Leitungsteil der eingangs genannten Art, insbesondere für eine Verwendung als Entkopplungselement in der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, wobei sich der eingesetzte Stahl neben einem reduzierten Nickelgehalt von unter 8 Gew.-% durch die folgenden Eigenschaften auszeichnet:

- ausreichender Chromgehalt von mindestens 16 Gew.-%, vorzugsweise 17 Gew.-%, um eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit zu erreichen; ausreichender Nickelgehalt von über 4 Gew.-% zur Vermeidung von Kaltrissgefahr;

- zulegierter Stickstoff (etwa 0,2 bis 0,3 Gew.-%) zur Erhöhung der Nasskorrosionsbeständigkeit; möglichst geringer Schwefelgehalt (≤ 0,015 Gew.-%), ebenfalls zur Verbesserung der Nasskorrosionsbeständigkeit; - geringer Kohlenstoffgehalt (< 0,03 Gew.-%) zur Verbesserung der IK-

Beständigkeit; und

- geringer Kupfergehalt (≤ 1 Gew.-%) zur Vermeidung eines potentiell erhöhten Korrosionsrisikos.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Figur 1 eine vereinfacht schematische Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Leitungsteils in Form eines ringgewellten Balgelements; und

Figur 2 eine Tabelle zur vergleichenden Darstellung der chemischen Zusammensetzung von Standard- und Low-Nickel-Austeniten.

Figur 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes kaltumgeformtes Leitungsteil für eine Abgasanlage insbesondere eines Kraftfahrzeugs in Form eines ringgewellten Balgelements 1. Es sei jedoch angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf balgartige, d. h. ring- oder wendelgewellte Leitungsteile beschränkt ist, sondern insbesondere auch glatte, rohrförmige Leitungsteile umfasst.

Die Balgwellen mit Wellenbergen 2 und Wellentälern 3 sind aus Gründen der übersichtlichkeit nur im rechten Teil der Figur teilweise dargestellt. Das Leitungsteil 1 besteht aus ein einem nichtrostenden austenitischen Stahl mit einer Wanddicke W zwischen 0, 1 und 1 ,0 mm. Das Leitungsteil 1 weist Anschlussenden 4, 5 auf, mit denen es mit weiteren Bestandteilen der

Abgasanlage verbindbar ist, was vorliegend nicht weiter dargestellt ist. Das dargestellte Leitungsteil 1 wurde bei seiner Herstellung relativ stark (kalt) umgeformt, was sich im Falle des dargestellten Balgelements 1 zweckmäßiger Weise durch das Verhältnis Da/Di von Außendurchmesser Da und Innendurchmesser Di als Maß für die vorgenommene (Kalt-)Umformung quantitativ charakterisieren lässt, wobei das genannte Verhältnis zudem nur geringfügig vom absoluten Durchmesser des Leitungsteils 1 abhängt. Je stärker demnach das Verhältnis Da/Di von dem Wert 1 für ein glattes, d. h. ungewelltes Leitungsteil abweicht, desto größer ist das Ausmaß der Umformung und desto wichtiger werden die im Rahmen der vorliegenden Erfindung angestellten Betrachtungen und die daraus abgeleiteten merkmalsmäßigen An- bzw.

Vorgaben betreffend einen zu verwendenden Werkstoff. Bevorzugte Werte liegen im Bereich Da/Di > 1 ,30, vorzugsweise Da/Di > 1 ,35; dabei sind auch ovale Querschnitte möglich.

Alternativ zu den vorstehenden Ausführungen kann bei einer nicht explizit gezeigten glatten, d. h. ungewellten Rohrleitung auf das Verhältnis aus einem relativ zur Längsachse L des Leitungsteils 1 gemessenen Rohrbiegeradius r und einem Durchmesser D (in Figur 1 jeweils nicht gezeigt) des Leitungsteils 1 abgestellt werden. Dieses Verhältnis hängt in der Praxis von der Wandstärke W ab und ist erfindungsgemäß insbesondere kleiner als 2, vorzugsweise kleiner als 1 ,5, das heißt r/D < 2 bzw. r/D < 1 ,5.

Wie der Fachmann dem Vorstehenden entnimmt, ist die vorliegende Erfindung demnach nicht auf Balgelemente, insbesondere nicht auf ringgewellte Balgelemente beschränkt. Vielmehr kann es sich bei dem kaltumgeformten

Leitungsteil 1 auch um ein Rohr-, Schlauch- oder Umflechtungselement handeln, sofern dieses entsprechende Biegungen, Umformungen oder dergleichen aufweist.

Die Besonderheit des Leitungselements 1 gemäß Figur 1 besteht nun darin, dass der nichtrostende austenitische Stahl, aus dem das Leitungsteil 1 hergestellt ist, einen Nickelgehalt aufweist, der weniger als 8 Gew.-% beträgt. Auf diese Weise lässt sich bei der Herstellung des Leitungsteils 1 in Bezug auf die Materialkosten eine erhebliche Kostenersparnis realisieren, da die Verwendung von Nickel gegenwärtig die Erhebung eines ständig im Steigen begriffenen Legierungszuschlags (LZ) erforderlich macht. Um das Leitungsteil 1 keiner erhöhten Kaltrissgefahr auszusetzen, liegt der Nickelgehalt jedoch vorzugsweise bei ≥ 4 Gew.-%.

Weitere Zusammensetzungseigenschaften austenitischer nichtrostender Stähle, die bei der Herstellung des Leitungsteils 1 Verwendung finden können, ergeben sich aus der Tabelle gemäß Figur 2.

Figur 2 zeigt einen Vergleich der chemischen Zusammensetzung von Standard- und Low-Nickel-Austeniten, wobei die Mengen der einzelnen Bestandteile in Gew.-% der Schmelzanalyse angegeben sind. Die erste Tabellenspalte

bezeichnet die Stahlsorte, wobei in den beiden oberen Blöcken Werkstoffe gemäß der Norm DIN EN 10088 und im unteren Block Werkstoffe der 200er Serie der amerikanischen AISI-Norm angegeben sind. Die weiteren Tabellenspalten - mit Ausnahme der letzten Tabellenspalte - geben Gew.-%- Bereiche bzw. maximale Gew.-% für verschiedene chemische Elemente an, nämlich (von links nach rechts) Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Schwefel (S), Stickstoff (N), Chrom (Cr), Nickel (Ni) sowie sonstige Elemente, wie Kupfer (Cu), Titan (Ti) oder Molybdän (Mo).

Die letzte Tabellenspalte liefert eine Kenngröße zur Ermittlung der Beständigkeit gegenüber Lochkorrosion, die gemäß der Wirksummenformel

PRE = Cr + 3,3 Mo + 30 N

(Legierungselemente jeweils in Gew.-%) ermittelt wird. PRE steht hierbei für Pitting Resistance Equivalent und gibt den Widerstand gegen Lochkorrosion an. Mit anderen Worten: Je größer der Wert der letzten Tabellenspalte, desto unempfindlicher ist der betreffende Werkstoff gegenüber Lochkorrosion.

In der Tabelle gemäß Figur 2 sind drei nichtrostende austenitische

Stahlwerkstoffe mit relativ niedrigem Nickelgehalt gekennzeichnet (*, **), die sich aufgrund ihrer Eigenschaften, wie Duktilität bei der Verarbeitung, Korrosionsbeständigkeit (auch bei hohen Temperaturen innerhalb einer Abgasanlage) oder Festigkeit, für die erfindungsgemäße Verwendung besonders eignen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um den Austenit AISI 201 LN (markiert mit **) mit einem Nickelgehalt zwischen 4 und 5 Gew.-%, einem Chromgehalt von 16 bis 17,5 Gew.-% zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit, einem Mangangehalt zwischen 6,4 und 7,5 Gew.-%, einem Stickstoffgehalt von 0, 1 bis 0,25 Gew.-% zur Erreichung einer besseren Nasskorrosionsbeständigkeit sowie nur geringen Anteilen an Kohlenstoff, Schwefel und Kupfer, um allgemein eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten.

Weiterhin kann auch der Austenit AISI 216L im Zuge der vorliegenden Erfindung bevorzugt Verwendung finden. Verglichen mit dem Austenit AISI 201 LN weist der Austenit AISI 216L einen höheren Nickelgehalt und einen höheren

Chromgehalt auf (5 bis 7 Gew.-% bzw. 17,5 bis 22 Gew.-%). Entsprechend ist auch der Mangananteil erhöht (7,5 bis 9,0 Gew.-%), so dass in verstärktem Maße Stickstoff zulegiert werden kann (0,25 bis 0,5 Gew.-%). Zusätzlich enthält der Austenit 216L noch Molybdän in einem Anteil von 2 bis 3 Gew.-%. Insbesondere aufgrund des Molybdängehalts und des relativ hohen

Stickstoffgehalts weist der Austenit 216L gemäß der weiter oben erläuterten Wirksummenformel einen besonders hohen PRE-Wert auf, wie sich unmittelbar aus der Tabelle in Figur 2 ergibt.

Alternativ kann auch der Standard-Austenit 1.4371 im Rahmen der vorliegenden Erfindung Verwendung finden. Die Zusammensetzung entspricht hier in etwa derjenigen des AISI 201 LN.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Werkstoff auswah I im Rahmen der vorliegenden Erfindung keinesfalls auf die markierten Werkstoffe in der Tabelle gemäß Figur 2 beschränkt sind. Vielmehr können insbesondere alle Low-Nickel-Austenite der AISI 200er Serie (unterer Block der Tabelle in Figur 2) alternativ zueinander als Werkstoffe zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kaltumformleitungsteils verwendet werden.

Weiterhin sind im oberen Block der Tabelle gemäß Figur 2 noch einige Standard-Austenite mit „normalem" Nickelgehalt im Bereich von 8 bis 13,5 Gew.-% angeführt, die sich jedoch in nachteiliger weise durch einen erhöhten Legierungszuschlag aufgrund des relativ hohen Nickelgehalts auszeichnen und somit einen entsprechenden Kostennachteil besitzen, der durch die vorliegende Erfindung vermieden wird.