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Werkstoffe Komplexe Metallurgie: Bainitisches Härten

| Autor / Redakteur: Dipl. Ing. Herbert Hans / Thomas Günnel

Damit der Injektor einer modernen Common-Rail-Einspritzanlage den Einspritzdrücken standhält, sind metallurgische Verfahren notwendig. Eine hochwertige Variante ist das sogenannte Bainitische Härten. Die Bearbeitung des Materials im Ofen ist aber komplex.

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Der Bauraum in Vierventil-Dieselmotoren ist knapp. Die Einspritzdüsen müssen daher schlank sein und dennoch hohen Innendrücken standhalten.
Der Bauraum in Vierventil-Dieselmotoren ist knapp. Die Einspritzdüsen müssen daher schlank sein und dennoch hohen Innendrücken standhalten.
(Bosch)

Die Einspritzdrücke in modernen Dieselmotoren sind enorm gestiegen: von 1.000 auf bis zu 2.400 bar in nur zehn Jahren. Nur so lässt sich eine schadstoffarme Verbrennung bei gleichzeitig guter Leistungsentfaltung erreichen. Hinzu kommen mehrere Einspritztakte in hoher Frequenz, was zu einer beträchtlichen Pulsation des Druckniveaus führt. Diese Art der Hochdruck-Einspritzung belastet neben dem Injektor auch die Gehäuse der modernen Einspritzdüsen. Eine zusätzliche Herausforderung ist der geringe Bauraum für die Einspritzdüsen in Vierventil-Dieselmotoren.

Prinzip der Bainit-Bildung durch geeignete Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit.
Prinzip der Bainit-Bildung durch geeignete Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit.
(Stahl-Informations-Zentrum)

Daraus resultiert die Forderung nach sehr schlanken Baueinheiten mit entsprechend hochstabiler Injektor-Wandung. Damit der Düsenhalter dem pulsierenden Innendruck standhält, nutzen Hersteller wie Bosch in Kooperation mit Ipsen ein Verfahren der Metallurgie, das „Bainitisieren“ genannt wird. Der Name geht auf den amerikanischen Metallurgen Edgar C. Bain (1891-1971) zurück. Er beschreibt ein Gefüge, das bei der Wärmebehandlung von kohlenstoffhaltigem Stahl sowohl durch isotherme Umwandlung als auch kontinuierliche Abkühlung entstehen kann. Die Umwandlung erfolgt allerdings nur dann vollständig, wenn unterschiedliche Prozessgrößen, zum Beispiel die Abkühlungsgeschwindigkeit, im engen Temperaturfenster während der Haltezeit im Ofen exakt vorherrschen. Das Gefüge muss beim Bainitisieren in einer Art bananenförmig

gekrümmter Kurve abgekühlt werden. Dabei gilt es, die Bereiche zu vermeiden, in denen Perlit oder Martensit entstehen könnte. Bainitisches Gefüge fällt im Gegensatz zu Martensit nicht glashart und damit extrem spröde aus, sondern besitzt eine hohe Zähigkeit. Zusätzlich eignet sich bainitischer Stahl wegen seiner geringen spezifischen Maßänderung sehr gut für den Einsatz im heißen Zylinderkopf.

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