DE102008009030A1 - Valve needle for a valve of combustion chambers of internal-combustion engines, comprises seat area with a layer sequence of a first adhesive layer, a first wear-protection layer, a second adhesive layer and a second wear-protection layer - Google Patents

Valve needle for a valve of combustion chambers of internal-combustion engines, comprises seat area with a layer sequence of a first adhesive layer, a first wear-protection layer, a second adhesive layer and a second wear-protection layer Download PDF

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Abstract

The valve needle for a valve of combustion chambers of internal-combustion engines, comprises a seat area with a layer sequence of a first adhesive layer (14) designed as metal layer, a first wear-protection layer (16) designed as hard material layer, a second adhesive layer (18) designed as diamond-like carbon layer, and a second wear-protection layer (20). The first wear-protection layer has a layer thickness of 0.6-1.6 mu m. The second wear-protection layer has a layer thickness of 0.4-1.0 mu m. An independent claim is included for a valve with a valve body.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilnadel und ein Ventil mit einem Ventilkörper, in dem ein Sitz ausgebildet ist, und mit einer Ventilnadel, die einen Sitzbereich hat, der in einer Schließposition der Ventilnadel in Anlage ist mit dem Sitz des Ventilkörpers.The The invention relates to a valve needle and a valve with a valve body, in which a seat is formed, and with a valve needle, the has a seating area which is in a closed position of Valve needle in abutment is with the seat of the valve body.

Derartige Ventile werden insbesondere eingesetzt zum Zuführen von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen. Derartige Ventile werden beispielsweise mit Fluid, insbesondere Kraftstoff versorgt, das unter einem sehr hohen Druck steht, so zum Beispiel 2000 bar oder mehr bei Diesel-Brennkraftmaschinen. Derartige Ventile werden beispielsweise mittels Piezoantrieben angetrieben, die ein sehr schnelles Schaltverhalten haben und so mehrere Teileinspritzungen während eines Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine ermöglichen. Je nach Betriebszustand erfolgen beispielsweise bis zu sechs Teileinspritzungen pro Arbeitszyklus des Zylinders.such Valves are used in particular for supplying Fuel in combustion chambers of internal combustion engines. such Valves, for example, with fluid, in particular fuel supplied, which is under a very high pressure, so for example 2000 bar or more in diesel internal combustion engines. Such valves are driven for example by means of piezo drives, which is a very have fast switching behavior and so several partial injections during a work cycle of a cylinder of the internal combustion engine enable. Depending on the operating state, for example up to six partial injections per cycle of the cylinder.

In ihrer Schließstellung liegt die Ventilnadel mit ihrem Sitzbereich an einem Sitz eines Ventilkörpers des Ventils an. Bei jedem Einspritzvorgang wird die Ventilnadel in eine Position entfernt von der Schließposition gesteuert und anschließend wieder in die Schließposition gesteuert. Aufgrund der hohen Kräfte, mit denen die Ventilnadel in ihrem Sitzbereich in den Sitz des Ventilkörpers gedrückt wird, und der während des Betriebs sehr häufigen Bewegungen der Ventilnadel hin und weg von ihrer Schließposition ist die Ventilnadel einem sehr starken Verschleiß ausgesetzt. Beim Schließen des Einspritzventils treten Mikrorelativbewegungen des Sitzbereichs und des Sitzes des Ventilkörpers auf, die auch vor Erreichen der Fließgrenze zu hohen abrasiven Belastungen der Ventilnadel und des Ventilkörpers führen. Dadurch kann sich dann beispielsweise die jeweilige Einspritzmenge pro Arbeitszyklus und die Dichtheit verändern und gegebenenfalls ein Ausfall des Ventils auftreten.In its closed position is the valve needle with its seating area to a seat of a valve body of the valve. At each Injection process, the valve needle is removed to a position controlled by the closed position and then controlled back to the closed position. Due to the high forces, with which the valve needle in its seating area in the seat of the valve body is pressed, and during operation very much frequent movements of the valve needle towards and away from her Closed position, the valve needle is a very strong Exposed to wear. When closing the injector Micro-relative movements of the seat area and the seat of the Valve body on, which also before reaching the yield point To high abrasive loads on the valve needle and the valve body to lead. This can then, for example, the respective Injection quantity per working cycle and the tightness change and If necessary, a failure of the valve occur.

Aus der DE 195 02 568 C1 ist eine harte, amorphe, wasserstofffreie Kohlenstoffschicht offenbart, die ein besonders hohes Elastizitätsmodul beziehungsweise eine hohe Härte aufweist. Die derartige Kohlenstoffschicht zeichnet sich durch ein besonders gutes Reib-Gleit-Verhalten aus.From the DE 195 02 568 C1 discloses a hard, amorphous, hydrogen-free carbon layer, which has a particularly high modulus of elasticity or a high hardness. The carbon layer is characterized by a particularly good friction-sliding behavior.

Aus der DE 100 38 954 A1 ist ein Einspritzventil bekannt, dessen Ventilnadel mit einer metallischen Haftvermittlerschicht und einer darauf aufgebrachten diamantartigen Verschleißschutzschicht versehen ist. Die Dicke der Verschleißschutzschicht liegt im Bereich von 0,05 bis zu maximal 4 μm. Aufgrund der wachsenden Anforderungen an das Ventil beziehungsweise an die Ventilnadel, so z. B. die zunehmende Anzahl an Teileinspritzungen während eines Arbeitszyklusses eines Zylinders, sowie ansteigenden Temperaturen und ansteigenden Drücken und wachsenden Anforderungen an die Gesamtlebensdauer des Ventils beziehungsweise der Ventilnadel, können unter Umständen mit einer derartigen Verschleißschutzschicht diese Anforderungen nicht mehr erfüllt werden.From the DE 100 38 954 A1 an injection valve is known, the valve needle is provided with a metallic adhesive layer and a diamond-like wear protective layer applied thereto. The thickness of the wear protection layer is in the range of 0.05 to a maximum of 4 microns. Due to the growing demands on the valve or to the valve needle, such. As the increasing number of partial injections during a working cycle of a cylinder, and increasing temperatures and increasing pressures and growing demands on the overall life of the valve or the valve needle, these requirements may no longer be met with such a wear protection layer.

Aus der WO 01/61182 ist ebenfalls ein Ventil mit einer Ventilnadel bekannt, die mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht beschichtet ist.From the WO 01/61182 Also, a valve with a valve needle is known, which is coated with a diamond-like carbon layer.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ventilnadel und ein Ventil zu schaffen, die beziehungsweise das über eine lange Betriebszeitdauer zuverlässig sind.The The object of the invention is to provide a valve needle and a valve accomplish that over a long period of operation are reliable.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The Task is solved by the characteristics of the independent Claims. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Ventilnadel und ein Ventil mit einer Ventilnadel und mit einem Ventilkörper, in dem ein Sitz ausgebildet ist. Die Ventilnadel hat einen Sitzbereich, der in einer Schließposition der Ventilnadel in Anlage ist mit dem Sitz des Ventilkörpers. Der Ventilkörper ist im Bereich des Sitzes und/oder die Ventilnadel ist im Sitzbereich mit einer Schichtenfolge, insbesondere von innen nach außen bezüglich der Ventilnadel, aus mindestens einer ersten Haftschicht, einer ersten Verschleißschutzschicht und einer zweiten Haftschicht und einer zweiten Verschleißschutzschicht versehen, wobei die erste Verschleißschutzschicht als Hartstoffschicht ausgebildet ist und die zweite Verschleißschutzschicht als diamantartige Kohlenstoffschicht ausgebildet ist.The Invention is characterized by a valve needle and a valve with a valve needle and with a valve body in which a seat is formed. The valve needle has a seating area, in a closed position of the valve needle in plant is with the seat of the valve body. The valve body is in the area of the seat and / or the valve needle is in the seating area with a layer sequence, in particular from the inside out with respect to the valve needle, from at least a first Adhesive layer, a first wear protection layer and a second adhesive layer and a second wear protection layer provided, wherein the first wear protection layer as a hard material layer is formed and the second wear protection layer is formed as a diamond-like carbon layer.

Die Verschleißschutzschichten können so eine Dicke aufweisen, durch die sichergestellt werden kann, dass keine zu hohen Eigenspannungen auftreten, die zu einem Abplatzen der Verschleißschutzschichten führen können. Aufgrund der mehrfach vorhandenen Verschleißschutzschicht kann zum anderen die Ventilnadel beziehungsweise der Ventilkörper auch unter stark abrasiven Bedingungen für eine sehr lange Betriebsdauer geschützt werden.The Wear protection layers can thus have a thickness which can ensure that none are too high Residual stresses occur, leading to a chipping of the wear-resistant layers being able to lead. Due to the multiple existing Wear protection layer can on the other hand, the valve needle or the valve body even under highly abrasive Conditions protected for a very long service life become.

Die Schichtstruktur hat ferner den Vorteil, dass jeweils ggf. dünner ausgebildete Verschleißschutzschichten eine höhere Elastizität und Zähigkeit haben als eine einzige entsprechend dicker ausgebildete Verschleißschutzschicht. Ist die Dicke einer einzigen Verschleißschutzschicht hingegen stark vergrö ßert, so kann sie nur noch äußert geringe Verformungen verkraften, ohne dass es zu einer Rissbildung kommt.The Layer structure also has the advantage that in each case possibly thinner trained wear protection layers a higher Have elasticity and toughness as a single correspondingly thicker wear protection layer. Is the thickness of a single wear protection layer, however greatly increased, it can only be expressed small deformations cope, without causing cracking comes.

Die erste Verschleißschutzschicht ist als Hartstoffschicht ausgebildet. Eine derartige Hartstoffschicht, so z. B. CrN, zeichnet sich typischerweise aus durch eine große Härte und Zähigkeit, sowie einen geringen Verschleißkoeffizienten.The first wear protection layer is designed as a hard material layer. Such a hard material layer, such. B. CrN, is typically characterized by a high hardness and toughness, and a low wear coefficient.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite Verschleißschutzschicht als diamantartige Kohlenstoffschicht ausgebildet ist. Eine derartige diamantartige Kohlenstoffschicht zeichnet sich durch einen sehr hohen Kohlenstoffanteil aus und eine hohe Anzahl an tetragonalen Kohlenstoffbindungen, sogenannter sp3-Verbindungen. Diamantartige Kohlenstoffschichten besitzen diamantähnliche Eigenschaften und weisen so eine große Härte und einen geringen Verschleißkoeffizienten auf.It is particularly advantageous if the second wear protection layer is formed as a diamond-like carbon layer. Such a diamond-like carbon layer is characterized by a very high carbon content and a high number of tetragonal carbon bonds, so-called sp 3 compounds. Diamond-like carbon layers have diamond-like properties and thus have a high hardness and a low wear coefficient.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung steht die Schichtdicke der ersten Verschleißschutzschicht und die Schichtdicke der zweiten Verschleißschutzschicht in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander, wobei das vorgegebene Verhältnis der Schichtdicke der ersten Verschleißschutzschicht zu der Schichtdicke der zweiten Verschleißschutzschicht größer eins ist.In In an advantageous embodiment, the layer thickness of the first Wear protection layer and the layer thickness of the second Wear protection layer in a predetermined ratio to each other, wherein the predetermined ratio of the layer thickness the first wear protection layer to the layer thickness the second wear protection layer larger one is.

Dies hat den Vorteil, dass der Verschleiß der als diamantartige Kohlenstoffschicht ausgebildeten zweiten Verschleißschutzschicht besonders gering ist und somit eine besonders lange Haltbarkeit aufweist.This has the advantage that the wear of the diamond-like Carbon layer formed second wear protection layer is particularly low and thus a very long shelf life having.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Verschleißschutzschicht eine Schichtdicke zwischen 0,6 μm bis 1,6 μm auf.In a further advantageous embodiment, the first wear protection layer a layer thickness between 0.6 .mu.m to 1.6 .mu.m.

Ist zusätzlich die Schichtdicke der zweiten Verschleißschutzschicht derart ausgebildet, dass das vorgegebene Verhältnis der Schichtdicke der ersten Verschleißschutzschicht zu der Schichtdicke der zweiten Verschleißschutzschicht größer eins ist, so ist der Verschleiß der zweiten Verschleißschutzschicht besonders gering. Dadurch weist die zweite Verschleißschutzschicht eine besonders lange Haltbarkeit auf.is additionally the layer thickness of the second wear protection layer formed such that the predetermined ratio of Layer thickness of the first wear protection layer to the Layer thickness of the second wear protection layer larger One is, so is the wear of the second wear protection layer especially low. This shows the second wear protection layer a particularly long shelf life.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die zweite Verschleißschutzschicht eine Schichtdicke zwischen 0,4 μm bis 1,0 μm auf.In a further advantageous embodiment, the second wear protection layer a layer thickness between 0.4 .mu.m to 1.0 .mu.m.

Ist die Schichtdicke der ersten Verschleißschutzschicht derart ausgebildet, dass das vorgegebene Verhältnis der Schichtdicke der ersten Verschleißschutzschicht zu der Schichtdicke der zweiten Verschleißschutzschicht größer eins ist, so ist der Verschleiß der zweiten Verschleißschutzschicht besonders gering. Dadurch weist die zweite Verschleißschutzschicht eine besonders lange Haltbarkeit auf.is the layer thickness of the first wear protection layer such formed such that the predetermined ratio of the layer thickness the first wear protection layer to the layer thickness the second wear protection layer larger One is, so is the wear of the second wear protection layer especially low. This shows the second wear protection layer a particularly long shelf life.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die als Hartstoffschicht ausgebildete erste Verschleißschutzschicht als Chrom-Nitrid-Schicht ausgebildet.In a further advantageous embodiment is as a hard material layer formed first wear protection layer as chromium nitride layer educated.

Eine derartige Ausbildung der ersten Verschleißschutzschicht weist eine große Härte und einen geringen Verschleißkoeffizienten insbesondere bei einer Reibung mit Materialien aus Stahl auf. Somit reicht es typischerweise aus, entweder die Ventilnadel oder den Ventilkörper mit der Schichtenfolge zu versehen. Grundsätzlich können aber auch die Ventilnadel und der Ventilkörper mit der Schichtenfolge beschichtet werden.A Such training of the first wear protection layer has a high hardness and a low wear coefficient especially at a friction with steel materials. Consequently it is typically sufficient either the valve needle or the To provide valve body with the sequence of layers. in principle but also the valve needle and the valve body be coated with the layer sequence.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die als diamantartige Kohlenstoffschicht ausgebildete zweite Verschleißschutzschicht als a-C:H-Schicht ausgebildet.In a further advantageous embodiment is as a diamond-like Carbon layer formed second wear protection layer formed as a-C: H layer.

Eine derartige zweite Verschleißschutzschicht, die als amorphe diamantartige Kohlenstoffschicht mit vorgegebenen Wasserstoffanteil ausgebildet ist, zeichnet sich aus durch einen hohen Anteil sp3-Verbindungen, sogenannten tetragonalen Kohlenstoffverbindungen, die diamantähnliche Eigenschaften aufweist, wie eine große Härte und einen geringen Verschleißkoeffizienten.Such a second wear protection layer, which is formed as an amorphous diamond-like carbon layer with predetermined hydrogen content, is characterized by a high proportion sp 3 compounds, so-called tetragonal carbon compounds, which has diamond-like properties, such as a high hardness and a low wear coefficient.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Haftschicht als Metallschicht ausgebildet.In In a further advantageous embodiment, the adhesive layer is as Metal layer formed.

Entsprechende Metallschichten zeichnen sich durch gute haftvermittelnde Eigenschaften für die Verschleißschutzschichten aus. Sie gewährleisten eine sehr gute Dauerhaltbarkeit der Verschleißschutzschichten wegen der guten Wärmeleitungseigenschaften von Metallen und einer damit verbundenen verbesserten Wärmeabführung von den Verschleißschutzschichten. Dies ist insbesondere beim Einsatz des Ventils beziehungsweise der Ventilnadel unter hohen Betriebstemperaturen ein wesentlicher Vorteil, da die einzelnen Verschleißschutzschichten besser gegen thermische Zerstörung geschützt sind. Durch die verbesserte Wärmeabführung kann insbesondere im Zusammenhang mit der als diamantartige Kohlenstoffschicht ausgebildeten zweiten Verschleißschutzschicht äußerst wirksam eine Graphitisierung der diamantartigen Kohlenstoffschichten verhindert wer den, das heißt eine Umwandlung der sp3-Kohlenstoffbindung in graphittypische sp2-Kohlenstoffbindungen. So kann auch bei extremen Betriebsbedingungen über eine sehr lange Betriebsdauer der Verschleißschutz gewährleistet werden.Corresponding metal layers are characterized by good adhesion-promoting properties for the wear-resistant layers. They ensure a very good durability of the wear protection layers because of the good heat transfer properties of metals and an associated improved heat dissipation from the wear protection layers. This is a significant advantage in particular when using the valve or the valve needle under high operating temperatures, since the individual wear protection layers are better protected against thermal destruction. Due to the improved heat dissipation, especially in connection with the diamond-like carbon layer formed second wear protection layer extremely graphitization of the diamond-like carbon layers prevented who, that is, a conversion of sp 3 -carbon bond in graphite-typical sp 2 carbon bonds. So even under extreme operating conditions over a very long service life, the wear protection can be guaranteed.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:embodiments The invention are explained below with reference to the schematic drawings. Show it:

1 ein Ventil, 1 a valve,

2a eine Vergrößerung eines Ausschnitts des Ventils gemäß 1 im Bereich einer Spitze einer Ventilnadel, 2a an enlargement of a section of the valve according to 1 in the area of a tip egg ner valve needle,

2b weitere Vergrößerungen der Ventilnadel im Bereich der Ventilspitze, 2 B further enlargements of the valve needle in the region of the valve tip,

3 schematische Darstellung der Schichtenfolge. 3 schematic representation of the layer sequence.

Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.elements the same construction and function are cross-figurative provided with the same reference numerals.

Ein Einspritzventil 1 weist einen Ventilkörper 2 auf mit einer Ausnehmung 3, in die eine Ventilnadel 4 eingebracht ist. Die Ventilnadel 4 hat eine Führung 5, in deren Bereich sie in der Ausnehmung 3 des Ventilkörpers 2 geführt ist. Die Ausnehmung 3 weist ein Sackloch 6 auf von dem eine Düsenöffnung 7 durch den Ventilkörper 2 nach außen geführt ist und durch die das Fluid in den Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine zugemessen wird. In dem Bereich einer Spitze 8 der Ventilnadel 4 hat die Ventilnadel 4 einen Sitzbereich 9, mit dem sie in der in der 1 dargestellten Schließposition mit einem Sitz 10 des Ventilkörpers 2 zur Anlage kommt und so das Sackloch 6 und damit auch die Düsenöffnung 7 von einer Zuführbohrung 11 zum Zuführen von Fluid abdichtet.An injection valve 1 has a valve body 2 on with a recess 3 into which a valve needle 4 is introduced. The valve needle 4 has a leadership 5 in whose area they are in the recess 3 of the valve body 2 is guided. The recess 3 has a blind hole 6 on the one nozzle opening 7 through the valve body 2 is guided to the outside and through which the fluid is metered into the combustion chamber of the cylinder of the internal combustion engine. In the area of a peak 8th the valve needle 4 has the valve needle 4 a seating area 9 with whom she is in the in 1 illustrated closed position with a seat 10 of the valve body 2 comes to the plant and so the blind hole 6 and thus also the nozzle opening 7 from a feed hole 11 for supplying fluid seals.

Die Ventilnadel 4 (in 2a und 2b) ist zumindest in ihrem Sitzbereich 9 mit einer im Folgenden beschriebenen Schichtenfolge beschichtet. Sie kann jedoch auch in einem weitergehenden Bereich, so zum Beispiel in dem gesamten Bereich der typischerweise kegelförmig ausgebildeten Spitze 8 der Ventilnadel 4 oder auch bis hin zu ihrer Führung 5 oder einschließlich ihrer Führung 5, mit der im Folgenden beschriebenen Schichtenfolge beschichtet sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Ventilkörper 2 mit der Schichtenfolge zumindest im Bereich des Sitzes 10 des Ventilkörpers beschichtet sein. Bevorzugt ist jedoch die Ventilnadel 4 mit der Schichtenfolge beschichtet, da dies fertigungstechnisch einfacher ist.The valve needle 4 (in 2a and 2 B ) is at least in her seating area 9 coated with a layer sequence described below. However, it can also be in a wider range, such as in the entire region of the typically cone-shaped tip 8th the valve needle 4 or even to their leadership 5 or including her leadership 5 , be coated with the layer sequence described below. Alternatively or additionally, also the valve body 2 with the layer sequence at least in the area of the seat 10 be coated the valve body. However, the valve needle is preferred 4 coated with the layer sequence, since this is manufacturing technology easier.

Die Schichtenfolge besteht zumindest aus einer ersten Haftschicht 14, einer ersten Verschleißschutzschicht 16, einer zweiten Haftschicht 18 und einer zweiten Verschleißschutzschicht 20. Die Haftschichten 14, 18 sind so ausgebildet, dass sie ein gutes Haften der Verschleißschutzschichten 16, 20 gewährleisten. Die Haftschichten 14, 18 bestehen bevorzugt aus Metallen, so zum Beispiel Cr, Ti, Al, W. Aber auch andere dem Fachmann bekannte Ausbildungen der jeweiligen Haftschicht sind einsetzbar.The layer sequence consists at least of a first adhesive layer 14 , a first wear protection layer 16 , a second adhesive layer 18 and a second wear protection layer 20 , The adhesive layers 14 . 18 are designed so that they adhere well to the wear protection layers 16 . 20 guarantee. The adhesive layers 14 . 18 are preferably made of metals, such as Cr, Ti, Al, W. However, other known to those skilled in training the respective adhesive layer can be used.

Die erste Haftschicht 14 und die erste Verschleißschutzschicht 16 sind der Ventilnadel 4 zugeordnet, so dass mittels der zweiten Haftschicht 18, die zweite Verschleißschutzschicht 20 gut auf der ersten Verschleißschutzschicht 16 haftet.The first adhesive layer 14 and the first wear protection layer 16 are the valve needle 4 assigned, so that by means of the second adhesive layer 18 , the second wear protection layer 20 good on the first wear protection layer 16 liable.

Die erste Verschleißschutzschicht 16 ist bevorzugt als Hartstoffschicht ausgebildet. Eine derartige Hartstoffschicht zeichnet sich typischerweise durch eine große Härte und große Zähigkeit aus, sowie eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit. Bevorzugt ist die erste Verschleißschutzschicht 16 als Chrom-Nitrid-Schicht (CrN) oder als Titanium-Nitrid-Schicht (TiN) ausgebildet. Grundsätzlich sind aber auch andere dem Fachmann bekannte Hartstoffschichten mit den benannten Eigenschaften einsetzbar.The first wear protection layer 16 is preferably formed as a hard material layer. Such a hard material layer is typically characterized by a high hardness and high toughness, and a particularly high wear resistance. The first wear protection layer is preferred 16 formed as a chromium nitride (CrN) layer or as a titanium nitride (TiN) layer. In principle, however, it is also possible to use other hard material layers known to the person skilled in the art with the named properties.

Die zweite Verschleißschutzschicht 20 ist bevorzugt als diamantartige Kohlenstoffschicht ausgebildet. Sie zeichnet sich durch einen sehr hohen Kohlenstoffanteil aus, wobei die Kohlenstoffatome eine hohe Anzahl an sp3-Verbindungen, sogenannten tetragonalen Kohlenstoffverbindungen, eingehen. Derartige diamantartige Kohlenstoffschichten werden auch als DLC-Schichten, als amorpher, diamantartiger Kohlenstoff a-C:H mit vorgegebenem Wasserstoffanteil bezeichnet. Der Abrasionsverschleißkoeffizient derartiger Schichten liegt dabei unter 1 × 10–15 m3N–1m–1. Die Gleitreibungskoeffizienten dieser Schichten liegen im Trockenlauf bei μ < 0,2 und in dieselgeschmierten Anordnungen deutlich darunter.The second wear protection layer 20 is preferably formed as a diamond-like carbon layer. It is characterized by a very high proportion of carbon, the carbon atoms undergo a high number of sp 3 compounds, so-called tetragonal carbon compounds. Such diamond-like carbon layers are also referred to as DLC layers, as amorphous, diamond-like carbon aC: H with predetermined hydrogen content. The abrasion wear coefficient of such layers is below 1 × 10 -15 m 3 N -1 m -1 . The sliding friction coefficients of these layers are significantly lower in dry running at μ <0.2 and in diesel-lubricated arrangements.

Die Abscheidung derartiger Hartstoffschichten und/oder kohlenstoffhaltiger Verschleißschutzschichten kann beispielweise mittels eines CVD(= chemical vapour deposition)-Prozess erfolgen. Sie kann jedoch auch mittels eines Laserbogenplasma-Prozesses erfolgen. Aber auch andere dem Fachmann bekannte Herstellungsprozesse zur Abscheidung derartiger Verschleißschutzschichten sind einsetzbar.The Deposition of such hard material layers and / or carbonaceous Wear protection layers can, for example by means of a CVD (= chemical vapor deposition) process done. She can, however also be done by means of a laser arc plasma process. But also other manufacturing processes known to those skilled in the art for deposition Such wear protection layers can be used.

In 3 ist eine schematische Darstellung von Schichtenfolgen auf der Ventilnadel 4 dargestellt. Natürlich kann die Schichtenfolge ebenso auf dem Ventilkörper 2 aufgebracht werden.In 3 is a schematic representation of layer sequences on the valve needle 4 shown. Of course, the layer sequence can also be on the valve body 2 be applied.

Dargestellt sind drei Ausgestaltungen der Schichtenfolge. In allen drei Ausgestaltungen ist auf der Ventilnadel 4 zunächst die erste Haftschicht 14 auf die Ventilnadel 4 aufgebracht. Die Ventilnadel 4 ist typischerweise aus Schnellarbeitsstahl gefertigt und weist bereits ohne Schichtenfolge eine hohe Festigkeit auf. Der Ventilkörper 2 ist typischerweise aus Einsatzstahl gefertigt, dass besonders an der Ventilkörper-Oberfläche besonders hart ausgebildet ist.Shown are three embodiments of the layer sequence. In all three embodiments is on the valve needle 4 first, the first adhesive layer 14 on the valve needle 4 applied. The valve needle 4 is typically made of high-speed steel and has high strength even without a layer sequence. The valve body 2 is typically made of case-hardened steel, which is particularly hard, especially on the valve body surface.

Die erste Haftschicht 14 ist bevorzugt wenige Hundertstel bis Zehntel μm dick, typischerweise 0,25 μm dick und zeichnet sich durch besonders gute haftvermittelnde Eigenschaften für die erste Verschleißschutzschicht 16 aus, zur Beschichtung zumindest des Sitzbereiches 9 der Ventilnadel 4. Derartig ausgebildete Haftschichten sind typischerweise nicht als Verschleißschutzschicht ausgebildet und somit nicht geeignet, als eine derartige Verschleißschutzschicht verwendet zu werden.The first adhesive layer 14 is preferably a few hundredths to tenths of a micron thick, typically 0.25 microns thick and is characterized by particularly good adhesion-promoting properties for the first wear protection layer 16 out, at least for coating of the seating area 9 the valve needle 4 , Such formed adhesive layers are typically not formed as a wear protection layer and thus not suitable to be used as such a wear protection layer.

Die drei Ausgestaltungen der Schichtenfolge unterscheiden sich im Folgenden durch unterschiedlich ausgebildete Schichtdicken S1 und S2. Die Schichtenfolge zeichnen sich dadurch aus, dass die Schichtdicke S2 der zweiten Verschleißschutzschicht 20 kleiner der Schichtdicke S1 der ersten Verschleißschutzschicht 16 ist.The three configurations of the layer sequence differ in the following by differently formed layer thicknesses S1 and S2. The layer sequence is characterized in that the layer thickness S2 of the second wear protection layer 20 smaller than the layer thickness S1 of the first wear protection layer 16 is.

Zwischen der ersten und zweiten Verschleißschutzschicht 16 und 20 ist die zweite Haftschicht 18 aufgebracht, die wie die erste Haftschicht 14 bevorzugt wenige Hundertstel bis Zehntel μm dick ist und sich auszeichnet durch besonders gute haftvermittelnde Eigenschaften für die zweite Verschleißschutz schicht 20 zur Beschichtung auf der ersten Verschleißschutzschicht 16.Between the first and second wear protection layer 16 and 20 is the second adhesive layer 18 Applied as the first adhesive layer 14 preferably a few hundredths to tenths of a micron thick and is characterized by particularly good adhesion-promoting properties for the second wear protection layer 20 for coating on the first wear protection layer 16 ,

Weisen die Haftschichten 14, 18 eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, so wird auch bei einer hohen thermischen Belastung, wie sie bei Brennkraftmaschinen vorkommt, zuverlässig eine Graphitisierung der zweiten Verschleißschutzschicht 20 vermieden. So kann es von Vorteil sein auch zum Erreichen von weniger dicken aber auch von sehr dicken Gesamtschichtdicken eine Vielzahl von Haftschichten und Verschleißschutzschichten vorzusehen, um so die thermische Belastung der einzelnen Verschleißschutzschicht gering zu halten.Assign the adhesive layers 14 . 18 a good thermal conductivity, so even at a high thermal load, as occurs in internal combustion engines, reliable graphitization of the second wear protection layer 20 avoided. Thus, it may be advantageous to provide a plurality of adhesive layers and wear protection layers to achieve less thick but also very thick total layer thicknesses, so as to keep the thermal load of the individual wear protection layer low.

Typischerweise ist die zweite Verschleißschutzschicht 20 dem Sitzbereich 9 der Ventilnadel 4 und/oder dem Sitz 10 des Ventilkörpers 2 zugeordnet und stellt somit typischerweise den am meisten beanspruchten Bereich der Ventilnadel 4 und/oder des Ventilkörpers 2 dar, insbesondere während eines Einsatzes des Ventils 1 und/oder der Ventilnadel 4. Faktoren, die zu einer derartig hohe Beanspruchung der Ventilnadel 4 im Sitzbereich 9 und/oder Sitz 10 des Ventilkörpers 2 führen, sind beispielsweise die hohen Schließkräfte, so z. B. 1000 N, mit denen die Ventilnadel 4 im Sitzbereich 9 auf den Sitz 10 des Ventilkörpers 2 gedrückt wird. Weitere Faktoren sind beispielsweise die hohen Betriebstemperaturen und die hohe Fließgeschwindigkeit des Fluids, insbesondere wenn im Fluid enthaltene Partikel, so z. B. Metallpartikel und/oder Verunreinigungen, auf die in einer nicht in Schließposition befindlichen Ventilnadel 4 wirken. Diese Faktoren haben typischerweise eine hohe abrasive und/oder adhäsive Verschleißwirkung auf die Ventilnadel 4 und/oder den Ventilkörper 2 und somit auf die zweite Verschleißschutzschicht 20. Gerade im Sitzbereich 9 der Ventilnadel 4 und/oder im Sitz 10 des Ventilkörpers kann die zweite Verschleißschutzschicht 20 derart beansprucht sein, dass diese abplatzt oder verschlissen wird. Insbesondere während des Einlaufens eines neuen Ventils 1, ist der Sitzbereich 9 der Ventilnadel 4 und/oder der Sitz 10 des Ventilkörpers 2 besonders stark beansprucht. Dies kann sogar bis zu einem Komplettabtrag der zweiten Verschleißschutzschicht 20 führen. Bei komplett abgetragener zweiter Verschleißschutzschicht 20 wirkt die unter der zweiten Verschleißschutzschicht 20 befindliche als Hartstoffschicht ausgebildete erste Verschleißschutzschicht 16 als weiterer Verschleißschutz der Ventilnadel 4 und/oder des Ventilkörpers 2. Die erste Verschleißschutzschicht 16 weist eine derart harte und zugleich zähe Eigenschaft auf, dass ein weiterer Verschleiß der ersten Verschleißschutzschicht 16 nahezu gestoppt wird, so dass im Sitzbereich 9 der Ventilnadel 4 und/oder im Sitz 10 des Ventilkörpers 2 ein Durchbrechen der noch vorhandenen Schichtenfolge auf die Oberfläche der Ventilnadel 4 und/oder auf die Oberfläche des Ventilkörpers 2 verhindert wird und somit eine sehr lange Betriebsdauer des Ventils 1 gewährleistet wird.Typically, the second wear protection layer 20 the seating area 9 the valve needle 4 and / or the seat 10 of the valve body 2 associated and thus typically provides the most stressed area of the valve needle 4 and / or the valve body 2 in particular during use of the valve 1 and / or the valve needle 4 , Factors leading to such a high stress on the valve needle 4 in the seating area 9 and / or seat 10 of the valve body 2 lead, for example, the high closing forces, such. B. 1000 N, with which the valve needle 4 in the seating area 9 on the seat 10 of the valve body 2 is pressed. Other factors are, for example, the high operating temperatures and the high flow rate of the fluid, especially when contained in the fluid particles, such. As metal particles and / or impurities, which in a not in the closed position valve needle 4 Act. These factors typically have a high abrasive and / or adhesive wear effect on the valve needle 4 and / or the valve body 2 and thus on the second wear protection layer 20 , Especially in the seating area 9 the valve needle 4 and / or in the seat 10 of the valve body, the second wear protection layer 20 be claimed so that it is chipped or worn. In particular, during the entry of a new valve 1 , is the seating area 9 the valve needle 4 and / or the seat 10 of the valve body 2 particularly stressed. This can even up to a complete removal of the second wear protection layer 20 to lead. With completely removed second wear protection layer 20 the acts under the second wear protection layer 20 located as a hard material layer formed first wear protection layer 16 as further wear protection of the valve needle 4 and / or the valve body 2 , The first wear protection layer 16 has such a hard and at the same time tough property that further wear of the first wear protection layer 16 is almost stopped, so in the sitting area 9 the valve needle 4 and / or in the seat 10 of the valve body 2 a breakthrough of the remaining layer sequence on the surface of the valve needle 4 and / or on the surface of the valve body 2 is prevented and thus a very long service life of the valve 1 is guaranteed.

Der Verschleiß der zweiten Verschleißschutzschicht 20 ist umso geringer, je größer die Schichtdicke S1 der ersten Verschleißschutzschicht 16 gegenüber der Schichtdicke S2 der zweiten Verschleißschutzschicht 20 ist. Besonders vorteilhaft ist ein Verhältnis, bei der die Schichtdicke S1 der ersten Verschleißschutzschicht 16 zur Schichtdicke S2 der zweiten Verschleißschutzschicht 20 größer eins ist. Ein derartiges Verhältnis hat zur Folge, dass der Verschleiß der zweiten Verschleißschutzschicht 20 insbesondere beim Einsatz der Ventilnadel 4 besonders gering ist und das Ventil 1 beziehungsweise die Ventilnadel 4 eine besonders hohe Haltbarkeit aufweist. Dabei hat sich gezeigt, dass der Verschleiß der zweiten Verschleißschutzschicht 20 bei einer Schichtdicke S1 der ersten Verschleißschutzschicht 16 zwischen 0,6 μm bis 1,6 μm und einer Schichtdicke S2 der zweiten Verschleißschutzschicht 20 zwischen 0,4 μm bis 1,0 μm besonders gering ist.The wear of the second wear protection layer 20 is the smaller, the greater the layer thickness S1 of the first wear protection layer 16 opposite the layer thickness S2 of the second wear protection layer 20 is. Particularly advantageous is a ratio at which the layer thickness S1 of the first wear protection layer 16 to the layer thickness S2 of the second wear protection layer 20 is greater than one. Such a ratio has the consequence that the wear of the second wear protection layer 20 especially when using the valve needle 4 is particularly low and the valve 1 or the valve needle 4 has a particularly high durability. It has been shown that the wear of the second wear protection layer 20 at a layer thickness S1 of the first wear protection layer 16 between 0.6 μm to 1.6 μm and a layer thickness S2 of the second wear protection layer 20 between 0.4 .mu.m to 1.0 .mu.m is particularly low.

Grundsätzlich können neben der ersten und zweiten Haftschicht 14, 18 und der ersten und der zweiten Verschleißschutzschicht 16, 20 noch weitere Haftschichten und weitere Verschleißschutzschichten vorgesehen sein. Durch entsprechende Prozessführung bei der Abscheidung der Haftschichten und der Verschleißschutzschichten kann auch ein allmählicher Übergang von der jeweiligen Haftschicht zu der Verschleißschutzschicht und umgekehrt erfolgen. Dadurch können dann auch im Bereich des Übergangs entsprechend angepasste tribologische Eigenschaften sichergestellt werden.Basically, in addition to the first and second adhesive layer 14 . 18 and the first and second wear protection layers 16 . 20 even more adhesive layers and further wear protection layers can be provided. By appropriate process control in the deposition of the adhesive layers and the wear protection layers can also be a gradual transition from the respective adhesive layer to the wear protection layer and vice versa. As a result, appropriately adapted tribological properties can then be ensured even in the region of the transition.

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  • - WO 01/61182 [0006] WO 01/61182 [0006]

Claims (8)

Ventilnadel (4) für ein Ventil (1), die einen Sitzbereich (9) hat mit einer darauf aufgebrachten Schichtenfolge aus mindestens einer ersten Haftschicht (14), einer ersten Verschleißschutzschicht (16), einer zweiten Haftschicht (18) und einer zweiten Verschleißschutzschicht (20), wobei die erste Verschleißschutzschicht (16) als Hartstoffschicht ausgebildet ist und die zweite Verschleißschutzschicht (20) als diamantartige Kohlenstoffschicht ausgebildet ist.Valve needle ( 4 ) for a valve ( 1 ), which have a seating area ( 9 ) has a layer sequence of at least one first adhesive layer ( 14 ), a first wear protection layer ( 16 ), a second adhesive layer ( 18 ) and a second wear protection layer ( 20 ), wherein the first wear protection layer ( 16 ) is formed as a hard material layer and the second wear protection layer ( 20 ) is formed as a diamond-like carbon layer. Ventilnadel (4) nach Anspruch 1, bei der die Schichtdicke der ersten Verschleißschutzschicht (16) und die Schichtdicke der zweiten Verschleißschutzschicht (20) in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander stehen, wobei das vorgegebene Verhältnis der Schichtdicke der ersten Verschleißschutzschicht (16) zu der Schichtdicke der zweiten Verschleißschutzschicht (20) größer eins ist.Valve needle ( 4 ) according to claim 1, wherein the layer thickness of the first wear protection layer ( 16 ) and the layer thickness of the second wear protection layer ( 20 ) are in a predetermined relationship to each other, wherein the predetermined ratio of the layer thickness of the first wear protection layer ( 16 ) to the layer thickness of the second wear protection layer ( 20 ) is greater than one. Ventilnadel (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die erste Verschleißschutzschicht (16) eine Schichtdicke zwischen 0,6 μm bis 1,6 μm aufweist.Valve needle ( 4 ) according to one of the preceding claims, in which the first wear protection layer ( 16 ) has a layer thickness between 0.6 microns to 1.6 microns. Ventilnadel (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die zweite Verschleißschutzschicht (20) eine Schichtdicke zwischen 0,4 μm bis 1,0 μm aufweist.Valve needle ( 4 ) according to one of the preceding claims, in which the second wear protection layer ( 20 ) has a layer thickness between 0.4 .mu.m to 1.0 .mu.m. Ventilnadel (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die als Hartstoffschicht ausgebildete erste Verschleißschutzschicht (16) als Chrom-Nitrid-Schicht ausgebildet ist.Valve needle ( 4 ) according to one of the preceding claims, in which the first wear protection layer formed as a hard material layer ( 16 ) is formed as a chromium-nitride layer. Ventilnadel (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die als diamantartige Kohlenstoffschicht ausgebildete zweite Verschleißschutzschicht (20) als a-C:H-Schicht ausgebildet ist.Valve needle ( 4 ) according to one of the preceding claims, in which the second wear-resistant layer formed as a diamond-like carbon layer ( 20 ) is formed as aC: H layer. Ventilnadel (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Haftschicht als Metallschicht ausgebildet ist.Valve needle ( 4 ) according to any one of the preceding claims, wherein the adhesive layer is formed as a metal layer. Ventil mit einem Ventilkörper (2), in dem ein Sitz (10) ausgebildet ist, und mit einer Ventilnadel (4) gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, die einen Sitzbereich (9) hat, der in einer Schließposition der Ventilnadel (4) in Anlage ist mit dem Sitz (10) des Ventilkörpers (2), wobei der Ventilkörper (2) zumindest im Bereich des Sitzes (10) und/oder die Ventilnadel (4) zumindest in dem Sitzbereich (9) mit der Schichtenfolge ausgebildet ist.Valve with a valve body ( 2 ), in which a seat ( 10 ) is formed, and with a valve needle ( 4 ) according to claims 1 to 8, comprising a seating area ( 9 ), which in a closed position of the valve needle ( 4 ) is in contact with the seat ( 10 ) of the valve body ( 2 ), wherein the valve body ( 2 ) at least in the area of the seat ( 10 ) and / or the valve needle ( 4 ) at least in the seating area ( 9 ) is formed with the layer sequence.
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