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PATENTANWäLTE

BIξMARCKSTR 1 G D- 76133 KARLSRUHE

Mehrlagiger Metallbalg und Verfaren zu dessen Herstellung

B e s c h r e i b u n g

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrlagigen Metallbalg nach dem O- berbegriff des Patentanspruch 1 , insbesondere als flexibles Leitungselement für Kfz-Anwendungen, mit wenigstens zwei Metalllagen, nämlich einer Innenlage und einer die Innenlage umgebenden Außenlage.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung verschiedene Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Metallbalgs.

Insbesondere in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, jedoch auch bei Verbrennungsmotoren im Allgemeinen sowie bei Großmotoren, stationären Motoren und auch Gasturbinenmotoren werden zum Entkoppeln von Schwingungen bzw. zur Aufnahme von Relativbewegungen regelmäßig Metallbälge eingesetzt. Wenn in diesem Zusammenhang hohe Drücke auftreten und bei ausreichender Dichtigkeit dennoch eine hohe Beweglichkeit gewährleistet sein soll, kommen mehrlagige Bälge zum Einsatz, deren Wände entsprechend aus mehreren im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Metalllagen gebildet sind.

Wenn derartige Bälge über längere Zeit Temperaturen größer 600 ⁰ C ausge- setzt sind, kann punktuell Diffusionsverschweißung zwischen den Lagen auftreten, wodurch sich die Funktionseigenschaften der mehrlagigen Bälge (z. B. die Federrate) verändern. Zudem treten lokale Spannungskonzentrationen auf, die zu einem Ausfall des Balgs führen können.

Aus gleichem Grund können Bälge aus aushärtbaren Werkstoffen (1.4564, 1.4568, 2.4667, 2.4668), bei denen in der Wärmebehandlung Temperaturen von über 600 ⁰ C benötigt werden, nach dem Stand der Technik nur einwandig ausgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Diffusionsverschweißungen zwischen den einzelnen Lagen mehrlagiger Bälge beim Einwirken der genannten hohen Temperaturen zu verhindern, um eine Konstanz der Funktionseigenschaften des Balgs zu gewährleisten und Ausfällen entgegenzuwirken. Des Weiteren soll das erhebliche Festigkeits- und Lebensdauerpotential aushärtbarer Werkstoffe auch für mehrlagige Bälge erschlossen werden.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anzahl von Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Balgs anzugeben.

Die Erfindung löst die Aufgaben mittels eines mehrlagigen Metallbalgs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mittels eines Verfahrens zum Herstellen eines mehrlagigen Balgs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9, des Patentanspruchs 10 oder des Patentanspruchs 11.

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

Erfindungsgemäß ist ein mehrlagiger Metallbalg, insbesondere als flexibles Leitungselement für Kfz-Anwendungen, mit wenigstens zwei Metalllagen, nämlich einer Innenlage und einer die Innenlage umgebenden Außenlage, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Innenlage und der Außenlage zumindest in Teilabschnitten des Balgs wenigstens eine Zwischenlage in Form einer Diffusionsbarriere für das Innenlagenmaterial und/oder für das Außenlagenmaterial angeordnet ist.

Ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Balgs ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallrohr, welches eine der Me-

talllagen des Balgs bilden soll, vor dem Umformen zumindest an seiner mit der anderen Metalllage in Kontakt tretenden Mantelfläche mit einer die Zwischenlage bildenden Beschichtung versehen wird.

Ein anderes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Balgs ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein erstes Metallrohr zu der Außenlage des Balgs umgeformt wird, dass anschließend die Außenlage innenseitig mit einer die Zwischenlage bildenden Beschichtung versehen wird und dass dann ein zweites Metallrohr innerhalb der Außenlage zu der Innenla- ge umgeformt wird. Dabei kann das zweite Metallrohr vor dem Umformen ebenfalls geeignet beschichtet worden sein.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Balgs ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Außenlage und die In- nenlage des Balgs ausgebildet werden und dass anschließend die Zwischenlage zwischen der Außenlage und der Innenlage erzeugt wird.

Auch Kombinationen der vorstehend genannten erfindungsgemäßen Verfahrensgestaltungen sind möglich.

Um das Auftreten von Diffusionsverschweißungen bei mehrlagigen Metallbälgen zu verhindern, wird demnach erfindungsgemäß das Ausbilden von Diffusionsbarrieren zwischen Metalllagen des Balgs vorgeschlagen. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Arten von Diffusionsbarrieren bzw. Zwischen- lagen möglich, die zudem auch jeweils auf Teilabschnitte des Balgs beschränkt sein können:

Eine erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Metallbalgs sieht vor, dass die Zwischenlage als Oxidschicht ausgebildet ist. Insbesondere kann es sich bei der Zwischenlage in diesem Zusammenhang um eine Cr-Oxid-Schicht handeln.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Metallbalgs sieht vor, dass die Zwischenlage als eine weitere Metallbalglage ausgebildet ist, die jedoch

aus einem relativ zu den anderen Metalllagen oxidationsbeständigeren Werkstoff gebildet ist.

Alternativ oder zusätzlich kann die Zwischenlage auch als Wolfram- oder Titan- /Wolfram-Schicht ausgebildet sein, welche insbesondere durch Sputtern auf die Innenlage und/oder die Außenlage des Balgs aufgebracht ist.

Bei einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Metallbalgs kann die Zwischenlage auch aus insbesondere galvanisch abgeschiedenem Chrom oder Nickel gebildet sein.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Metallbalgs sieht vor, dass die Zwischenlage aus wenigstens einer insbesondere chemisch abgeschiedenen Nickellegierung gebildet ist. Als Nickellegierungen kommen in diesem Zu- sammenhang insbesondere Nickel-Phosphor-, Nickel-Phosphor-Wolfram- oder Eisen-Nickel-Phosphor-Legierungen in Frage, insbesondere in nanokristalliner Form, das heißt mit einer Korngröße im Nanometerbereich.

Alternativ oder zusätzlich kann die Zwischenlage auch als eine intermetallische Eisen-Zink-Phase ausgebildet sein, welche insbesondere durch Feuerverzinken erhalten wird.

Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Metallbalgs sieht vor, dass die Zwischenlage als Carbonitrid-, Nitrid- oder Borid-Randschicht ausgebildet ist. Bevorzugte Ausgestaltungen umfassen in diesem Zusammenhang Eisen- carbonitrid-, Eisennitrid- oder Eisenborid-Randschrichten, welche insbesondere durch Nitrieren bzw. Borieren in einem Salzbad erzeugt werden.

Wie bereits angesprochen, können zum Ausbilden der Zwischenlage unter- schiedliche Werkstoffpaarungen eingesetzt werden. Beispielsweise kann bei einem dreilagigen Balg die mittlere Lage (Zwischenlage) aus einem oxidationsbeständigeren Werkstoff bestehen, beispielsweise Werkstoff 2.4856, gegenüber Werkstoff 1.4571 für die Außen- und Innenlage.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Metallbalgs sieht vor, dass für die Außenlage und/oder für die Innenlage des Balgs aushärtbare Werkstoffe (z. B. 2.4668, 2.4667, 1 .4564 oder 1 .4568) verwendet werden, um auf diese Weise das Federverhalten des Balgs gezielt beeinflussen zu können. Bei der Verwendung von aushärtbaren Werkstoffen der vorstehend genannten Art tritt herkömmlicherweise das besondere Problem auf, dass die Werkstoffe bereits bei der Balgherstellung beim thermischen Aushärten diffusiv verschweißen. Das erfindungsgemäße Vorsehen einer diffusionshemmenden Zwischenlage trägt dazu bei, diese besondere Problematik zu vermeiden, so dass folglich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch die wirtschaftlich sinnvolle Herstellung von mehrlagigen Metallbälgen aus aushärtbarem Werkstoff ermöglicht wird.

Die vorliegende Erfindung ist - wie der Fachmann leicht erkennt - nicht auf mehrlagige Bälge mit lediglich einer I nnen- und einer Außenlage sowie einer einzigen Zwischenlage beschränkt, sondern generell auf mehrlagige Metallbälge mit einer beliebigen Anzahl von Metalllagen und einer entsprechenden Anzahl von Zwischenlagen erweiterbar. Die Zwischenlagen können jeweils auf nur einer von zwei in Kontakt tretenden metallischen Oberflächen ausgebildet sein, oder sie können auf beiden in Kontakt tretenden Metalloberflächen oder sogar als eigenständige Zwischenschicht ausgebildet sein, wie oben exemplarisch beschrieben.

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

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen mehrlagigen Metallbalg mit einer

Zwischenlage in Form einer Diffusionsbarriere; Figur 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines ersten Herstellungsverfahrens für den mehrlagigen Balg gemäß Figur 1 ; Figur 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines zweiten Herstellungsverfahrens für den mehrlagigen Balg gemäß Figur 1 ; und Figur 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines dritten Herstel- lungsverfahrens für den mehrlagigen Balg gemäß Figur 1 .

Figur 1 zeigt einen mehrlagigen Metallbalg 1 , wie er insbesondere als flexibles Leitungselement für Kfz-Anwendungen zum Einsatz kommt, beispielsweise als Entkopplungselement in Abgasanlagen, als Dehnkörper im Krümmerbereich oder dergleichen. Der mehrlagige Balg 1 weist wenigstens zwei metallische Balglagen auf, nämlich eine Innenlage 2 und eine Außenlage 3, wobei die Außenlage 3 die Innenlage 2 umgibt.

Wie der Fachmann erkennt, ist der mehrlagige Metallbalg 1 gemäß der vorlie- genden Erfindung jedoch nicht auf das Vorhandensein genau einer Innenlage 2 und einer Außenlage 3 beschränkt; vielmehr kann der Balg auch als vielwandi- ger Balg ausgebildet sein und entsprechend mehr metallische Balglagen aufweisen, was vorliegend aus Gründen der übersichtlichkeit nicht explizit dargestellt ist.

Zwischen der Innenlage 2 und der Außenlage 3 ist eine Zwischenlage 4 in Form einer Diffusionsbarriere angeordnet bzw. ausgebildet, welche das Material der Innenlage 2 und das Material der Außenlage 3 diffusionshindernd voneinander trennt.

Gemäß der Darstellung in Figur 1 ist die Zwischenlage 4 vollflächig zwischen der Innenlage 2 und der Außenlage 3 des mehrlagigen Balgs 1 ausgebildet, ohne dass die vorliegende Erfindung hierauf beschränkt wäre. Vielmehr kann alternativ auch vorgesehen sein, dass die Zwischenlage 4 nur in Teilabschnit- ten des Balgs 1 zwischen der Innenlage 2 und der Außenlage 3 vorgesehen ist.

Bei der Innenlage 2 und der Außenlage 3 handelt es sich in der Regel um metallische Balglagen aus demselben Material, insbesondere Stahl, mit vorzugsweise derselben Materialdicke d, wobei d beispielsweise 0,3 mm betragen kann.

Die Zwischenlage 4 dient - wie bereits ausgeführt - als Diffusionsbarriere und soll verhindern, dass es im Betrieb beim Auftreten von hohen Temperaturen im Bereich von über 600 ⁰ C zu einem punktuellen Verschweißen von Innenlage 2 und Außenlage 3 des Balgs 1 kommt. Zu diesem Zweck kann die Zwischenlage

4 beispielsweise als Oxidschicht ausgebildet sein, insbesondere als Chromoxid (Cr-Oxid). Die Schichtdicke d' der Zwischenlage 4 kann in diesem Zusammenhang größer oder gleich 1 μm sein.

Im Zuge einer anderen Ausgestaltung kann die Zwischenlage 4 auch als eine andere Metallbalglage ausgebildet sein, die entsprechend relativ zu der Innenlage 2 und/oder der Außenlage 3 aus einem oxidationsbeständigeren Werkstoff gebildet ist.

Alternativ kann die Zwischenlage 4 auch als Wolfram- oder Titan/Wolfram- Schicht ausgebildet sein, die insbesondere durch Sputtern aufgebracht ist und deren Schichtdicke d ¹ wenige Mikrometer (μm) beträgt.

Im Zuge einer anderen Ausgestaltung ist die Zwischenlage 4 aus insbesondere galvanisch abgeschiedenem Chrom oder Nickel gebildet.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Zwischenlage aus wenigstens einer insbesondere chemisch abgeschiedenen Nickellegierung gebildet ist, die vorzugsweise eine Korngröße s im nanokristallinen Bereich aufweist, das heißt 1 nm < s ≤ 1000 nm. Verwendung finden können in diesem Zusammenhang insbesondere Nickel-Phosphor-, Nickel-Phospor-Wolfram- oder Eisen-Nickel- Phosphor-Legierungen.

Alternativ kann die Zwischenlage 4 auch als eine intermetallische Eisen-Zink- Phase ausgebildet sein, wie sie insbesondere durch Feuerverzinken erhaltbar ist, wobei in diesem Zusammenhang eine vollständige Zinkumwandlung erforderlich ist.

Im Rahmen einer nicht abschließenden Aufzählung ist weiterhin auch möglich, dass die Zwischenlage 4 als Carbonitrid-, Nitrid- oder Borid-Randschicht ausgebildet ist, insbesondere als Eisencarbonitrid-, Eisennitrid- oder Eisenborid- schicht, wobei die entsprechende Randschicht insbesondere durch Nitrieren bzw. Borieren im Salzbad erzeugt wird.

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Die Figuren 2 bis 4 zeigen schematisch verschiedene Verfahren zur Herstellung des mehrlagigen Metallbalgs 1 gemäß Figur 1.

In Figur 2 ist ein glattzylindrisches Metallrohr 5 dargestellt, aus welchem eine der Metalllagen 2, 3 (vgl. Figur 1) des mehrlagigen Metallbalgs durch Umformen gebildet wird. Gemäß der Darstellung in Figur 2 wird das Metallrohr 5 vor dem Umformen zumindest an einer seiner Mantelflächen 5a, 5b mit einer hinreichend duktilen Beschichtung versehen, welche nach dem Umformen die Zwischenlage 4 (vgl. Figur 1) bildet. Ob speziell die innere Mantelfläche 5a oder die äußere Mantelfläche 5b beschichtet wird, hängt insbesondere davon ab, ob das Metallrohr 5 anschließend als Innenlage 2 oder als Außenlage 3 des Metallbalgs 1 (vgl. Figur 1 ) Verwendung finden soll. Folglich wird im Falle einer Verwendung des Metallrohrs 5 als Innenlage dessen äußere Mantelfläche 5b beschichtet, wohingegen bei einer Verwendung des Metallrohrs 5 als Außenla- ge die innere Mantelfläche 5a beschichtet wird. Der Beschichtungsvorgang selbst ist in Figur 2 mittels Pfeilen P1 (für die äußere Mantelfläche 5b) bzw. mittels Pfeilen P2 (für die innere Mantelfläche 5a) symbolisiert.

Nach dem Beschichten P1 , P2 wird das Metallrohr 5 umgeformt und als Innen- bzw. Außenlage des mehrlagigen Metallbalgs 1 gemäß Figur 1 verwendet. Bei einer Verwendung des Metallbalgs als Innenlage erfolgt das Umformen zweckmäßigerweise erst nach Einbringen des Metallrohrs 5 in die bereits ausgeformte Außenlage, was dem Fachmann an sich bekannt ist.

Figur 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens zum Herstellen des mehrlagigen Metallbalgs 1 gemäß Figur 1. Gemäß der Darstellung in Figur 1 erfolgt zunächst der Umformvorgang zum Ausbilden der Außenlage 3, welche anschließend auf ihrer Innenseite beschichtet wird, um die Zwischenlage 4 (vgl. Figur 1 ) auszubilden. Der Beschichtungsvorgang selbst ist in Figur 3 mit- tels Pfeilen P3 symbolisiert.

Anschließend wird ein gegebenenfalls beschichtetes Glattrohr gemäß Figur 2 in die bereits ausgeformte Außenlage 3 gemäß Figur 3 eingebracht und dort zwecks Herstellung der Innenlage umgeformt, was in Figur 3 nicht explizit dar- gestellt ist.

Schließlich zeigt die Figur 4 ein weiteres Verfahren zum Herstellen des mehrlagigen Metallbalgs 1 gemäß Figur 1. Gemäß der Darstellung in Figur 4 werden zunächst die Innenlage 2 und die Außenlage 3 balgartig ausgeformt, und an- schließend wird die Zwischenlage 4, welche in Figur 4 nicht dargestellt ist, direkt zwischen der Innenlage 2 und der Außenlage 3 erzeugt, was mittels des Pfeils P4 symbolisiert ist, beispielsweise durch Oxidation im Bereich zwischen Innenlage 2 und Außenlage 3. Es sei angemerkt, dass in Figur 4 der Abstand zwischen Innenlage 2 und Außenlage 3 aus Darstellungsgründen stark über- trieben gezeichnet ist.

Auf diese Weise weist der mehrlagige Metallbalg 1 gemäß Figur 1 zwischen seiner Innenlage 2 und seiner Außenlage 3 eine als Diffusionsbarriere für das jeweilige Lagenmaterial dienende Zwischenlage 4 auf, so dass es bei Verwen- düng des Metallbalgs 1 auch bei hohen Temperaturen zu keinem Verschweißen der Balglagen und einer entsprechend eingeschränkten Verwendbarkeit des gesamten Balgs kommt.

Außerdem ermöglicht die Zwischenlage 4 die Verwendung von aushärtbaren Werkstoffen zur Herstellung mehrlagiger Metallbälge.

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