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Verschleißschutzschichten
stellen heute ein erprobtes Mittel dar um die Dauerbelastbarkeit
von tribologisch hoch belasteten Oberflächen zu steigern. Ist neben
dem Verschleißschutz
des beschichteten Bauteils auch ein Schutz des unbeschichteten Gegenkörpers wünschenswert
hat sich in den letzten Jahren in zunehmendem Maße die so genannte DLC-Beschichtung (Diamond
Like Carbon) durchgesetzt. Insbesondere im Automobilbereich bei
bewegten Komponenten, die auf Grund der lokalen Kräfte sehr
stark beansprucht werden, aber ihre Funktion nur bei der Einhaltung
von Geometrien im Mikrometerbereich und darunter erfüllen können.
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So
werden heute zum Beispiel Pumpenkolben in Dieseleinspritzsystemen
mit DLC-Schichten vor Verschleiß geschützt. In
CommonRail-Systemen für
direkteinspritzende Dieselmotoren werden die Düsennadeln für die Einspritzdüsen am Dichtsitz
und je nach Anwendung auch an der Nadelführung mit DLC geschützt. Am
Dichtsitz muss das Schichtsystem durch überlagerte Schwingbewegungen
vom Kraftstoffsystem her Mehrfachbelastungen ertragen auf Grund
hoher Flächenpressungen,
ungünstiger Geometrien
mit Kantenlauf etc., hohe Schaltzykluszahlen durch Mehrfacheinspritzung
und ungünstige Umgebungsbedingungen
durch Temperaturen vom Brennraum, aggressiven Gasen vom Abgas und Kraftstoffeinflüssen.
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Um
die Leistungsfähigkeit
der Systeme wie zum Beispiel bei modernen Dieselmotoren zu gewährleisten
werden an die Geometrien der beschichteten Ventil- oder Dichtsitze
immer höhere
Anforderungen gestellt. Eigenschaften wie Winkel, Winkelverhältnisse,
Durchmesser etc. sollen über
die gesamte Lebensdauer sehr eng eingehalten werden. Dazu ist es
erforderlich, zum einen die Bauteile vor Beschichtung sehr genau
zu fertigen mit Form- und Lagetoleranzen, die zu einer Erhöhung der
Fertigungskosten führen,
zum anderen werden sehr hohe Anforderungen an die Verschleißbeständigkeit
und Geometriegenauigkeit der eingesetzten DLC-Schichtsysteme gestellt.
Diesen Anforderungen können
die zur Verfügung
stehenden Fertigungs- und Beschichtungsverfahren immer weniger gerecht
werden, je höher
die Belastungen zum Beispiel durch Lastspielzahl und Einspritzdrücke steigen.
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Aufgabe der
Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein kostengünstiges und zuverlässiges in
Großserien
einsetzbares tribologisches System bereitzustellen, das größere Fertigungstoleranzen
ermöglicht
und gleichzeitig die Zuverlässigkeit
der mit der erfindungsgemäßen Beschichtung
ausgerüsteten
Bauteile erhöht. Weiter
ist es Aufgabe der Erfindung ein tribologisches System darzustellen,
dessen Lebensdauer innerhalb enger Grenzen streut und dessen Lebensdauer
demzufolge zuverlässig
vorhersehbar ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Bisher
ist man davon ausgegangen, dass die äußerst anspruchsvolle Feingeometrie
eines Ventil- oder Dichtsitzes, wie es zum Beispiel bei Dieseleinspritzsystemen
für CommonRail-Anwendungen
der Fall ist, durch engste Toleranzen bei der Herstellung der Bauteile
zu gewährleisten
ist und das aufgebrachte Schichtsystem möglichst präzise die Feingeometrie gemäß Konstruktion
beizubehalten hat. Diese Forderung gilt insbesondere bereits im
Neuzustand vor Einlauf des Systems. Überraschenderweise hat sich
jedoch gezeigt, dass die Feingeometrie sich nach Einlauf oder nach
den ersten 10 bis 100 Betriebsstunden relativ frei an die realen
Umgebungsbedingungen anpasst. Die sich ergebende stabile Geometrie
ist ein komplexes System aus lokalen Materialeigenschaften, Schichtfehlern
und Schichtdickenstreuungen, Feingeometrie an dem beschichteten
Bauteil, der Zupaarung zum Gegenkörper und den Einlaufbedingungen.
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In
der Realität
hat sich gezeigt, dass die technischen Möglichkeiten fehlen, um eine
stabile Geometrie am System Ventilsitz/Dichtsitz fertigungstechnisch
gezielt herzustellen. In der Folge ergibt sich ein stark unterschiedliches
Verschleißbild
mit teilweise erheblich reduzierten Lebensdauern und Performance
bzgl. Dichtheit.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Problem so gelöst,
dass die bisher verwendete, typischerweise 1 μm bis 3 μm dicke harte DLC-Verschleißschutzschicht
durch eine mehrlagige Schutzschicht ersetzt wird, die aus einer
ersten harten DLC-Verschleißschutzschicht
und einer darauf angeordneten zweiten Anpassschicht, die weniger
hart ist und dafür
eine größere Flexibilität aufweist.
Die flexible Anpassschutzschicht kann den Erfordernissen am Ventil- oder
Dichtsitz ideal angepasst werden. Erfindungsgemäß reibt sich die zweite flexible
Anpassschicht im Betrieb schneller ab und ermöglicht ein gleichmäßigeres
und früheres
Tragen der gesamten Sitzgeometrie, insbesondere bei Fertigungsschwankungen
oder unterschiedlichen Einlaufbedingungen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beschichtung
besteht die flexible Anpassschicht ebenfalls aus einer diamantartigen Schicht
(DLC), bei der durch die Wahl geeigneter Beschichtungsparameter
die Schichthärte
so modifiziert wird, dass die Schicht weicher, flexibler und weniger verschleißbeständig ist
als die erste harte DLC-Verschleißschutzschicht.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung einer DLC-Schicht
als harte Verschleißschutzschicht,
bestehend aus einer Mischung aus harten, diamantartigen Bereichen
und weichen, graphitartigen Bereichen, kombiniert mit einer weichen, flexiblen
Anpassschicht ebenfalls bestehend aus einer DLC-Schicht, die aus
einer Mischung von anteilsmäßig weniger
harten, diamantartigen Bereichen besteht und anteilsmäßig mehr
weichen, graphitartigen Bereichen besteht.
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Alternativ
ist es auch möglich
die Härte
der diamantartigen Bereiche zu verändern und dadurch die verschiedenen
Eigenschaften der harten Verschleißschutzschicht und der flexiblen
Anpassschicht einzustellen.
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Die
DLC-Schichten sind in der Struktur am ehesten mit hochvernetzten
Polymeren zu vergleichen und weisen deshalb vergleichsweise geringen E-Modul
auf (220 Gpa). Somit ist hohe Härte
mit hoher Elastizität
verbunden. DLC-Schichten können hohe
Belastungen durch Verformung reversibel aufnehmen.
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Das
tribologische Verhalten der DLC-Schichten ähnelt in dieser Eigenschaft
eher dem Verhalten von Graphit. Eine DLC-Schicht auf Stahl, erreicht
einen Reibungskoeffizienten von 0,1. Bei anderen Kombinationen der
DLC-Schicht sind geringere Werte als 0,02 möglich.
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Vorteilhaft
ist die erfindungsgemäße Kombination
von einer flexiblen Anpassschutzschicht mit einer harten DLC-Verschleißschutzschicht
auf einem zu beschichtenden Bauteil bei Systemen, die auf Grund
ihrer hohen Beanspruchung von Verschleiß bedroht sind. Besonders vorteilhaft
ist die erfindungsgemäße Kombination
bei Bauteilen, die für
die Erfüllung
ihrer konstruktiv vorgegebenen Aufgabe eine hochpräzise Geometrie
mit mehrfachen Merkmalen aufweisen müssen, die insbesondere mit
der bekannten Fertigungstechnologie großserientechnisch nicht hergestellt
werden kann oder die für
die Einhaltung der erforderlichen Form- und Lagetoleranzen unverhältnismäßig große Herstellkosten
verursacht.
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In
einer Ausprägung
des zu schützenden Systems
besteht die flexible Anpassschicht ebenfalls aus einer diamantartigen
Schicht (DLC), bei der durch Wahl geeigneter Beschichtungsparameter
die Schichthärte
so modifiziert wird, dass die Schicht weicher, flexibler und weniger
verschleißbeständig ist als
die erste harte DLC-Verschleißschutzschicht.
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Besondere
Ausführungen
der Erfindung sind die Verwendung einer DLC-Schicht als harte Verschleißschutzschicht, bestehend
aus einer Mischung aus harten, diamantartigen Bereichen und weichen, graphitartigen
Bereichen, kombiniert mit einer weichen, flexiblen Anpassschicht
ebenfalls bestehend aus einer DLC-Schicht, die aus einer Mischung
von anteilsmäßig weniger
harten, diamantartigen Bereichen besteht und anteilsmäßig mehr
weichen, graphitartigen Bereichen. In einer zweiten Ausprägung wird
nicht die anteilsmäßige Aufteilung
variiert, sondern die Härte
der diamantartigen Bereiche.
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Zusätzlich ist
der Einsatz eines erfindungsgemäßen Schichtsystems
auf einem erfindungsgemäßen Bauteil
von Vorteil auf solchen Systemen, bei denen die dauerstabile Feingeometrie
erst durch den Einlaufprozess oder nach längerer Betriebszeit sicher
erreicht wird. Hier ermöglicht
die erfindungsgemäße Anwendung
der flexiblen Anpassschicht auf einer harten DLC-Verschleißschutzschicht
eine größere Fertigungstoleranz
und ein gleichmäßigeres
Tragbild über
die Lebensdauer des tribologischen Sytems.
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Die
erfindungsgemäße Beschichtung
kann besonders vorteilhaft an allen verschleißgefährdeten Bauteilen einsetzen.
Besonders bevorzugt kann die erfindungsgemäße Beschichtung an Dichtsitzen
von Ventilnadeln, Düsennadeln,
Ventilstücken,
Ventilplatten und Ventilbolzen eingesetzt werden. Diese Bauteile
kommen insbesondere in Diesel- und Benzineinspritzsystemen zum Einsatz
wie zum Beispiel bei Injektoren, Pumpen, Kraftstoffventilen und
Dieselmagnetventilen für
Common-Rail-Systeme im Bereich Dieseldirekteinspritzung.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
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Ein
Ausführungsbeispiel
des Gegenstands der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und
im Folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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1:
einen Querschnitt durch eine Sackloch-Einspritzdüse,
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2:
die Kontaktzone zwischen Düsennadel
und Düsennadelsitz
nach dem Stand der Technik,
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3 und 4:
die Kontaktzone zwischen Düsennadel
und Düsennadelsitz
mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
eine Einspritzdüse 1 mit
einem konischen Sackloch 2 dargestellt. Anhand dieses Beispiels
soll eine mögliche
Anwendung des erfindungsgemäßen Beschichtungssystems
erläutert werden.
Dabei ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern
kann überall
dort eingesetzt werden, wo hohe Anforderungen an Bauteilgenauigkeit,
Standzeit und Verschleißfestigkeit
gestellt werden.
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Über ein
oder mehrere Spritzlöcher 3 gelangt der
nicht dargestellte Kraftstoff aus dem Sackloch 2 in den
ebenfalls nicht dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine.
An das Sackloch 2 schließt sich ein kegelstumpfförmiger Düsennadelsitz 4 an.
Der Düsennadelsitz 4 kann
einen Kegelwinkel von beispielsweise 60° haben. Das Sackloch 2 muss
nicht konisch sein, sondern kann auch zylindrisch sein.
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An
dem Düsennadelsitz 4 liegt
eine Düsennadel 5 auf.
An ihrem dem Sackloch 2 zugewandten Ende ist die Düsennadel 5 doppelt
kegelstumpfförmig ausgebildet.
In 1 ist deutlich zu erkennen, dass der Kegelwinkel
des Düsennadelsitzes 4 von
den Kegelwinkeln der Düsennadel 5 abweicht,
so dass sich an dem Übergang
der Kegelstümpfe
des Düsennadel 5 eine
Kontaktzone 6 zwischen Düsennadel 5 und Düsennadelsitz 4 ergibt.
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Die
Differenz der Kegelwinkel von Düsennadel 5 und
Düsennadelsitz 4 ist
in 1 übertrieben dargestellt.
In der Regel ist die o. g. Differenz kleiner als 1 Grad und bewegt
sich im Bereich von wenigen Winkelminuten.
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Die
Kontaktzone wird im Betrieb der Brennkraftmaschine stark auf Verschleiß beansprucht.
In 2 wird die Kontaktzone bei Einspritzdüsen nach dem
Stand der Technik stark vergrößert dargestellt. Gleiche
Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen und es gilt
das bezüglich
der anderen Figuren Gesagte entsprechend.
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2 zeigt
die Kontaktzone 6 zwischen Düsennadel 5 und Düsennadelsitz 4 mit
einer einfachen DLC-Beschichtung, wie sie aus dem Stand der Technik
bekannt ist stark vergrößert.
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Am Übergang
zwischen den beiden Kegelstümpfen
der Düsennadel 5 ist
eine sogenannte ZHI-Rille 11 vorgesehen. Die ZHI-Rille
dient unter anderem dazu eine erste Kontaktzone 13 und
eine zweite Kontaktzone 15 auszubilden. Die erste Kontaktzone 13 soll
zusammen mit dem Düsennadelsitz 4 die
hydraulische Abdichtung gewährleisten,
während
die zweite Kontaktzone 15 die Kontaktfläche zwischen Düsennadelsitz 4 und
Düsennadel 5 vergrößert und
dadurch die Flächenpressung
verringert und die Lebensdauer erhöht.
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Auf
der Oberfläche
des zu beschichtenden Bauteils, in diesem Beispiel die Düsennadel 5,
befindet sich eine ca. 2 μm
dicke, harte DLC-Verschleißschutzschicht 17.
Die Konstruktion ist so ausgeführt, dass
zuerst die erste Kontaktzone 13 mit dem Düsennadelsitz 4 in
Kontakt kommt. Dabei handelt es sich zunächst um eine punktförmige Kontaktzone.
Bei höherer
Belastung oder nachdem an der ersten Kontaktzone 13 Verschleiß aufgetreten
ist, findet in zunehmendem Maße
auch ein zunächst
punktförmiger Kontakt
zwischen zweiter Kontaktzone 15 und Düsennadelsitz 4 statt.
Mit weiter fortschreitendem Verschleiß werden aus den punktförmigen Kontaktzonen linienförmige Kontaktzonen,
bis sich schließlich
eine geschlossene kreisförmige
Dichtlinie gebildet hat.
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Nachteilig
bei dem bisherigen System ist, dass die harte Verschleißschutzschicht
in der ersten Kontaktzone 13 bereits vollständig aufgebraucht
sein kann, bevor sich die gewünschte
kreisförmige
Dichtlinie gebildet hat. Dies führt
dazu, dass Düsennadel 5 und
Düsennadelsitz 4 im
Bereich der ersten Kontaktzone 13 direkt miteinander in
Kontakt kommen und entsprechend schnell verschleißen.
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Durch
eine Erhöhung
der Dicke der harten Verschleißschutzschicht 17 lässt sich
der Zeitpunkt, ab dem die Verschleißschutzschicht 17 durchgerieben
ist, nach hinten verschieben. Allerdings sind einer Erhöhung der
Schichtdicke enge Grenzen gesetzt, da dickere Schichten zunehmend
zum Abplatzen, vor allem an den Kanten, neigen.
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3 zeigt
nun ein erfindungsgemäßes Bauteil
mit einer ersten, harten Verschleißschutzschicht 17 und
einer darüber
liegenden zweiten, flexiblen Anpassschicht 19. Diese Anpassschicht 19 ist erfindungsgemäß flexibler
und weniger hart, verschleißt
damit deutlich schneller und ermöglicht
es somit dem gesamten tribologischen System bereits nach kurzer
Einlaufzeit ein vorteilhaft breites Tragbild sowohl im Bereich der
ersten Kontaktzone 13 als auch im Bereich der zweiten Kontaktzone 15 zu
erzielen.
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Die
Geometrien der Düsennadeln 5 von
Figur zwei und drei sind gleich, so dass auch bei der Düsennadel 5 von 3 konstruktiv
sichergestellt ist, dass die hydraulische Abdichtung im Bereich
der ersten Kontaktzone 13 erfolgt.
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In
Figur vier ist eine Düsennadel 5 mit
einer erfindungsgemäßen Beschichtung
dargestellt, deren Geometrie auf Grund von Fertigungstoleranzen
von der idealen Form abweicht. Als Beispiel ist hier ein Formfehler
dargestellt, bei dem an der Düsennadel im
Bereich der ersten Kontaktzone 13 ein Aufwurf 21 vom
Schleifprozess stehen geblieben ist. Da sowohl die erste harte Verschleißschutzschicht 17 als
auch die darüber
liegende zweite, flexible Anpassschicht 19 formtreu sind,
bleibt dieser Aufwurf 21 auch nach der Beschichtung unverändert erhalten.
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Dadurch
kommt es am Aufwurf 21 zu einem vorzeitigen Tragen der
Düsennadel 5 auf
dem Düsennadelsitz 4 und
einer starken Kantenüberhöhung mit
der Folge eines massiv verstärkten
Schichtverschleißes.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer
flexiblen Anpassschicht 19 wird die negative Auswirkung
eines solchen Geometriefehlers dadurch ausgeglichen, dass sich nach
dem Einlaufen zuerst die Anpassschicht 19 im Bereich des
Aufwurfs 21 abträgt.
Dadurch bildet sich ein breites Tragbild aus, das Idealerweise zu
der gewünschten
kreisförmigen Dichtlinie
im Bereich der ersten Kontaktzone 13 und der zweiten Kontaktzone 15 führt.
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Durch
die dadurch entstehende größere Kontaktfläche verteilen
sich die Dichtkräfte
gleichmäßiger und
die lokalen Belastungen der Verschleißschutzschicht 17 und
der Anpassschicht 19 werden vergleichmäßigt und reduziert. Die Anpassschicht 19 kann
in ihrer Dicke nun vorteilhaft so gewählt werden, dass typische fertigungstechnisch
bedingte Geometriefehler sicher abgepuffert werden, bevor die harte Verschleißschutzschicht 17 in
Eingriff kommt. In der Folge ist nach dem Einlaufen das Tragbild
vollständig ausgebildet,
bevor die harte Verschleißschutzschicht 17 in
Eingriff kommt.
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Dadurch
steht nun die in ihrer Dicke limitierte harte Verschleißschutzschicht 17 vollständig für die verbleibende
maximale Lebensdauer zur Verfügung. Die
verbliebene flexible Anpassschicht 19 wird dabei entsprechend
dem ausgebildeten Tragbild mitverschlissen.
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Ein
weiterer vorteilhafter Einsatz der flexiblen Anpassschicht 19 in
Verbindung mit einer harten Verschleißschutzschicht 17 ist
der Ausgleich von fertigungstechnisch bedingten Winkeldifferenzen
zwischen Dichtsitz 4 und der zweiten Kontaktzone 15.
In diesem Fall kann die flexible Anpassschicht 19 diese Winkeldifferenzen
im konstruktiv vorgesehenen Maße
durch verhältnismäßig raschen
Verschleiß ausgleichen,
bis sich damit der optimal tragende Winkel ausbildet.
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Auch
bei einfachen Dichtsitzgeometrien ohne eine nicht dichtende zweite
Kontaktzone 15, die lediglich zur Vergrößerung der Kontaktfläche dient, ist
die Anpassschicht 19 vorteilhaft, da auch dort die Winkeldifferenz
zwischen Dichtsitz 4 und Düsennadel 5 entscheidend
für das
Verschleißverhalten
ist.
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Die
in den Patentansprüchen
beanspruchten Härtebereiche
sind mit einem Messgerät
vom Typ Fischerscope H100C, Hersteller Firma Fischer bei einer Kraftaufbringung
von 50 N in 20 Sekunden und einer Auswertung auf plastische Universalhärte gemessen
worden.
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- 1
- Einspritzdüse
- 2
- Sackloch
- 3
- Spritzloch
- 4
- Düsennadelsitz
- 5
- Düsennadel
- 6
- Kontaktzone
- 7
- Kante
zwischen Sackloch und Düsennadelsitz Düsennadelsitz
- 9
-
- 11
- ZHI-Rille
- 13
- erste
Kontaktzone
- 15
- zweite
Kontaktzone
- 17
- harte
DLC-Verschleißschutzschicht
- 19
- flexible
Anpassschicht
- 21
- Aufwurf