DE102006045749A1

DE102006045749A1 - Ventil und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102006045749A1
Application number: DE102006045749A
Authority: DE
Inventors: Masakuni Toyota Suzuki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2007-04-12
Also published as: US20070069576A1; CN100462602C; JP2007092829A; CN1940359A

Abstract

Das erfindungsgemäße Ventil wird geschlossen, indem ein Kugelteil (12) gegen ein Sitzteil (14) gepresst wird, um eine Fluidströmung zu blockieren, und wird geöffnet, indem das Kugelteil (12) vom Sitzteil (14) getrenmnt wird, um eine Fluidströmung zu ermöglichen. Das Ventil umfasst ein aus einem nichtmagnetischen Metall hergestelltes kugelförmiges Basismaterial (40), eine durch Teniferieren in einem Oberflächenbereich des Basismaterials (40) ausgebildete Zwischenschicht (42) und eine auf der Oberfläche der Zwischenschicht (42) ausgebildete Außenschicht (44) aus einem diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC).

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Ventil, das geschlossen wird, indem ein Kugelteil gegen ein Sitzteil gepresst wird, um eine Fluidströmung zu blockieren, und geöffnet wird, indem das Kugelteil vom Sitzteil getrennt wird, um eine Fluidströmung zu ermöglichen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Ventils.

Bekannt ist es, bei einer hydraulischen automatischen Spannvorrichtung mit einem Kugelrückschlagventil die Oberfläche der Kugel des Kugelrückschlagventils mit diamantähnlichem Kohlenstoff (im Folgenden: DLC als Kurzform für „diamond-like carbon") oder dergleichen zu beschichten (siehe z.B. die JP-A-2003-207001). Die Schicht soll einen Adhäsionsverschleiß zwischen der Kugel und dem ringförmigen Kugelsitz reduzieren. Des Weiteren ist es bekannt, auf die Gleitfläche eines Gleitteils eines hydraulischen Kolbenpumpenmotors eine dünne DLC-Schicht aufzutragen (siehe z.B. die JP-A-2002-31040). Darüber hinaus ist ein Ventilkörper bekannt, der eine aus einem karbonitrierten Metall hergestellte Zwischenschicht aufweist, die auf einem Basismaterial aus Keramik, z.B. Aluminiumoxid, ausgebildet ist. Auf der Oberfläche der Zwischenschicht ist ein Schichtverbund aus harten Karbonschichten und einer Siliziumschicht aufgetragen (siehe z.B. die JP-A-2001-235042). Darüber hinaus ist es bekannt, bei einem Magnetventil den Ventilkörper und den Ventilsitz aus einem nichtmagneti schen, nach einem bestimmten Verfahren gehärteten Material herzustellen (siehe z.B. die JP-A-2001-263526).

Bei einem Ventil mit einem Kugelteil und einem Sitzteil kontaktiert das Kugelteil, wenn es gegen das Sitzteil gepresst wird, um eine Fluidströmung zu blockieren, das Sitzteil linienförmig. Der Kontaktbereich erfährt daher eine hohe Flächenpressung. Des Weiteren gleitet das Kugelteil am Sitzteil oder kollidiert mit diesem, wenn das Ventil geöffnet und geschlossen wird. Wird das Ventil wiederholt geöffnet und geschlossen, erleiden daher das Kugelteil und das Sitzteil einen Verschleiß.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Ventil mit einer längeren Lebensdauer sowie ein Herstellverfahren hierfür zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Ventil und ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 4 bzw. 10. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.

Ein erfindungsgemäßes Ventil wird geschlossen, indem ein Kugelteil gegen ein Sitzteil gepresst wird, um eine Fluidströmung zu blockieren, und geöffnet, indem das Kugelteil vom Sitzteil getrennt wird, um eine Fluidströmung zu ermöglichen. Das Kugelteil weist auf: eine kugelförmige Basis bzw. ein kugelförmiges Basismaterial; eine auf oder in einem Oberflächenbereich des Basismaterials ausgebildete Zwischenschicht; und eine auf der Zwischenschicht vorgesehene Außenschicht, die gegen das Sitzteil gepresst wird, wenn das Ventil geschlossen ist. Die Zwischenschicht weist eine bessere Adhäsion am Basismaterial als an der Außenschicht auf. Die Außenschicht ist als eine dünne Schicht mit einem im Vergleich zur Zwischenschicht niedrigeren Gleitwiderstand ausgebildet.

Erfindungsgemäß ist die Außenschicht des Kugelteils, das gegen das Sitzteil gepresst wird, wenn das Ventil geschlossen ist, als eine dünne Schicht ausgebildet, die einen niedrigeren Gleitwiderstand hat als die Zwischenschicht. Die Außenschicht des Kugelteils besitzt daher bessere Gleiteigenschaften, wodurch der Verschleiß des Kugelteils und des Sitzteils reduziert ist. Des Weiteren weist die Zwischenschicht eine bessere Adhäsion am Basismaterial als an der Außenschicht auf. Sollte die Außenschicht verschleißen oder abblättern, würde daher die Zwischenschicht mit dem Sitzteil in Kontakt treten, wodurch eine ausreichende Verschleißbeständigkeit erhalten wird. Dementsprechend kann die Lebensdauer des Ventils verlängert werden.

Ein anderes erfindungsgemäßes Ventil wird ebenfalls geschlossen, indem ein Kugelteil gegen ein Sitzteil gepresst wird, um eine Fluidströmung zu blockieren, und geöffnet, indem das Kugelteil vom Sitzteil getrennt wird, um eine Fluidströmung zu ermöglichen. Das Kugelteil weist auf: eine Basis bzw. ein Basismaterial aus einem nichtmagnetischen Metall; eine durch Karbonitrieren auf oder in einem Oberflächenbereich des Basismaterials ausgebildete Zwischenschicht; und eine auf der Oberfläche der Zwischenschicht ausgebildete Außenschicht, die diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC) enthält.

Die Außenschicht des Kugelteils, das gegen das Sitzteil gepresst wird, wenn das Ventil geschlossen ist, enthält DLC. Da die aus DLC hergestellte Außenschicht bessere Gleiteigenschaften aufweist als die Zwischenschicht und das Basismaterial, kann ein Verschleiß des Kugelteils und des Sitzteils reduziert werden. Die Außenschicht aus DLC ist auf der Zwischenschicht angeordnet, die durch Nitrokarburieren des aus nichtmagnetischem Metall hergestellten Basismaterials ausgebildet wird. Die Zwischenschicht hat eine gute Adhäsion am und ist härter als das Basismaterial. Sollte die Außenschicht aus DLC verschleißen oder abblättern, würde die harte Zwischenschicht in Kontakt treten mit dem Sitzteil, wodurch eine hohe Verschleißbeständigkeit erhalten werden kann. Dementsprechend kann durch eine Verschleißreduzierung des Kugelteils und des Sitzteils die Lebensdauer des Ventils verlängert werden.

Das Nitrokarburieren kann ein Teniferier- (bzw. Tufftriding-) oder Gasnitrokarburierverfahren sein bzw. umfassen.

In diesem Fall kann die Dicke der Außenschicht dünner sein als die Dicke der Zwischenschicht. Wenn die Dicke der Außenschicht dünn ist, wird das Abblättern der Außenschicht reduziert, wodurch die Lebensdauer des Ventils verlängert werden kann.

Die Dicke der Zwischenschicht und die Dicke der Außenschicht können jeweils so bestimmt werden, dass bei einer Verteilung der Flächenpressung, die das Kugelteil erfährt, wenn das Ventil geschlossen ist, die maximale Belastung – in Richtung der Tiefe des Kugelteils – in einem Innenbereich der Zwischenschicht wirkt. Auf diese Weise kann der Spitzenwert der Flächenpressung bei dieser Verteilung – in Richtung der Tiefe des Kugelteils betrachtet – in dem Innenbereich der Zwischenschicht wirken, die eine gute Adhäsion am Basismaterial aufweist. Daher ist die im Innenbereich der Außenschicht wirkende Flächenpressung relativ niedrig, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Außenschicht und damit ein Abblättern der Außenschicht infolge einer Beschädigung reduziert ist.

Das Sitzteil kann eine Sitzbasis und eine auf der Oberfläche der Sitzbasis ausgebildete Feststoffschmiermittelschicht aufweisen. Unter normalen Betriebsbedingungen des Ventils bildet sich zwischen dem Kugelteil und dem Sitzteil aus einem Fluid, z.B. Arbeitsfluid, ein Schmiermittelfilm. Der Schmiermittelfilm kann aber durch Luftblasen, selbsterregte Schwingungen, etc. zerstört werden. Durch die Ausbildung der Feststoffschmiermittelschicht, z.B. eines Weichmetalls, auf der Oberfläche der Sitzbasis kann daher auch im Falle einer Zerstörung des Schmiermittelfilms ein Festfressen zwischen dem Kugelteil und dem Sitzteil verhindert werden.

Des Weiteren kann. eine mit dem Nitrokarburieren der Zwischenschicht an der Oberfläche der Zwischenschicht entstehende Verbundschicht durch einen geeignetes Verfahren entfernt werden. Durch ein derartiges Verfahren kann verhindert werden, dass die auf der Oberfläche der Zwischenschicht vorgesehene Außenschicht mit der während des Nitrokarburierens erzeugten Verbundschicht abblättert. Daher kann die Adhäsion zwischen der Außenschicht und der Zwischenschicht verbessert werden.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Ventils, das geschlossen wird, indem ein Kugelteil gegen ein Sitzteil gepresst wird, um eine Fluidströmung zu blockieren, und geöffnet, indem das Kugelteil vom Sitzteil getrennt wird, um eine Fluidströmung zu ermöglichen, umfasst die Schritte: Bereitstellen oder Ausbilden eines Basismaterials aus einem nichtmagnetischen Metall; Ausbilden einer Zwischenschicht durch Nitrokarburieren des Oberflächenbereichs des Basismaterials; und Ausbilden einer Schicht aus DLC auf der Oberfläche der Zwischenschicht.

Im Anschluss an das Nitrokarburieren kann ferner ein Verfahren zur Beseitigung einer mit dem Nitrokarburieren (Teniferieren) auf der Oberfläche der Zwischenschicht entstandenen Verbundschicht ausgeführt werden.

Erfindungsgemäß kann die Lebensdauer eines Ventils mit einem Kugelteil und einem Sitzteil verlängert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorgenannten und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnungen, in denen denselben Elementen dieselben Bezugszeichen zugeordnet sind und:
1 schematisch einen Querschnitt eines Magnetventils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 schematisch die Bewegung eines Kugelteils beim Öffnen und Schließen des Magnetventils gemäß der Ausführungsform zeigt;
3 die Struktur des Oberflächenbereichs des Kugelteils gemäß der Ausführungsform zeigt;
4 ein Diagramm zeigt, das die Verteilung der auf einen Oberflächenbereich des Kugelteils gemäß der Ausführungsform in Tiefenrichtung des Kugelteils ausgeübten Flächenpressung angibt; und
5 einen Querschnitt des Sitzteils gemäß der Ausführungsform zeigt.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen ausführlich dargestellt.
1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Magnetventils 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Magnetventil 10 gemäß der Ausführungsform kommt beispielsweise in einer Bremsanlage zur Regelung der auf die Fahrzeugräder ausgeübten Bremskraft zum Einsatz, um den Hydraulikdruck eines Arbeitsfluids, mit dem die zur Erzeugung der Fahrzeugbremskraft verwendeten Radbremszylinder gespeist werden, zu regeln.
Das Magnetventil 10 weist eine Kugel bzw. ein Kugelteil 12 und einen Sitz bzw. ein Sitzteil 14 auf. Das Kugelteil 12 ist kugelförmig ausgebildet und hat einen Durchmesser, der in der Ausführungsform beispielsweise bei etwa mehreren Millimetern liegt. Das Kugelteil 12 ist gegenüber einem in der Mitte des Sitzteils 12 ausgebildeten Einlasskanal 16 an einem Ende eines Schafts bzw. Schaftteils 18 befestigt und abgestützt. Im Einlasskanal 16 ist ein (nicht gezeigter) Filter zum Entfernen von Fremdkörper vorgesehen, die in dem in den Einlasskanal 16 strömenden Fluid enthalten sind.
Das Schaftteil 18 weist einen Kugelteilstützabschnitt 22 und einen Schaftabschnitt 24 auf. Der Kugelteilstützabschnitt 22 ist an einem Ende des Schaftabschnitts 24 befestigt und ragt vom Schaftabschnitt 24 in einen Innenraum 20 des Magnetventils 10. Das Kugelteil 12 ist am Ende des Kugelteilstützabschnitts 22 befestigt. Zwischen dem Kugelteilstützabschnitt 22 und dem Sitzteil 14A ist eine komprimierte Feder 34 angeordnet. Die Feder 34 drückt das Kugelteil 12 durch die Federkraft in eine Richtung weg vom Sitzteil 14. In dem in 1 gezeigten Magnetventil 10 ist das Kugelteil 12 demnach vom Sitzteil 14 getrennt, solange der Elektromagnet 30 nicht mit Strom versorgt wird, d.h. stromlos ist. Das Magnetventil 10 ist daher ein normal oder stromlos offenes Ventil.
An dem anderen Ende des Schaftabschnitts 24 ist ein Kolben 26 befestigt. Der Kolben 26 und das Kugelteil 12 sind somit über den Schaftabschnitt 24 fest und koaxial miteinander verbunden. Am Umfang des Kolbens 26 ist eine den Kolben 26 umfassende Hülse 28 vorgesehen. Der vorstehend erwähnte Elektromagnet 30 ist um die Hülse 28 herum angeordnet. Die Hülse 28 ist über ein Befestigungsteil 32 mit dem Sitzteil 14 verbunden. Der Schaft- abschnitt 24 erstreckt sich durch ein in der Mitte des Befestigungsteils 32 ausgebildetes Loch. An einer Seite des Befestigungsteils 32 ist ein Auslasskanal 36 ausgebildet, über den der Innenraum 20 mit der Außenumgebung kommuniziert.
Wenn der Elektromagnet 30 mit Strom versorgt wird, wirkt eine elektromagnetische Antriebskraft in eine Richtung, in der der Kolben 26 zum Befestigungsteil 32 hin bewegt wird, d.h. in einer Richtung, in der das Kugelteil 12 zum Sitzteil 14 hin bewegt wird. Dabei wird das Kugelteil 12 gegen das Sitzteil 14 gepresst und das Ventil geschlossen, wodurch die Fluidströmung zwischen dem Einlasskanal 16 und dem Auslasskanal 36 unterbrochen wird. Wird der Elektromagnet 30 dagegen nicht mit Strom versorgt, wird das Kugelteil 12 durch die Druckkraft der Feder 34 in einem Abstand vom Sitzteil 14 angeordnet, wodurch das Magnetventil 10 geöffnet ist und Fluid vom Einlasskanal 16 zum Auslasskanal 36 strömen kann. Das Magnetventil 10 wird auf diese Weise geöffnet und geschlossen. Des Weiteren kann die Öffnung des Magnetventils 10, d.h. der Abstand zwischen dem Kugelteil 12 und dem Sitzteil 14, durch eine Regelung des dem Elektromagneten 30 zugeführten Stroms eingestellt werden.
In der Ausführungsform findet das vorstehend dargestellte Magnetventil 10 Verwendung, das in Abhängigkeit von einer elektromagnetischen Antriebskraft, die durch eine Stromversorgung des Elektromagneten 30 erzeugt wird, geöffnet bzw. geschlossen wird. Die Erfindung kann jedoch auch auf ein Ventil übertragen werden, das sich einer anderen Antriebskraft als der elektromagnetischen Antriebskraft bedient, sofern das Ventil geschlossen wird, indem das Kugelteil 12 gegen das Sitzteil 14 gepresst wird, um die Fluidströmung zu blockieren, und geöffnet wird, indem das Kugelteil 12 vom Sitzteil 14 getrennt wird, um eine Fluidströmung zu ermöglichen. Die Erfindung findet beispielsweise auch Anwendung für ein Ventil, das in der Weise angetrieben wird, dass es durch die Umwandlung einer von einem Elektromotor erzeugten Drehbewegung in eine Hin- und Herbewegung des Kugelteils 12 geöffnet und geschlossen wird.
2 zeigt schematisch die beim Öffnen und Schließen des Magnetventils 10 stattfindende Bewegung des Kugelteils 12. In 2 ist diejenige Stellung des Kugelteils 12, in der das Magnetventil 10 geschlossen ist, durch eine volle Linie und diejenige Stellung des Kugelteils 12, in der das Magnetventil 10 geöffnet ist, durch eine gestrichelte Linie angegeben. Es sei angemerkt, dass der Kugelteilstützabschnitt 22 des Schaftteils 18, die Feder 34 und dergleichen im Sinne einer Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt sind.
Wird die Stromversorgung des Elektromagneten 30 gestoppt und das Kugelteil 12 vom Sitzteil 14 getrennt, bewegt sich das Kugelteil 12 in die in 2 durch einen Pfeil B angegebene Richtung weg vom Einlasskanal 16 und Auslasskanal 36. Der Grund dafür liegt darin, dass das Fluid im Innenraum 20 vom Einlasskanal 16 in den Auslasskanal 36 strömt, wie es in 2 durch den gestrichelten Pfeil F angedeutet ist. Das Kugelteil 12 und das Sitzteil 14 gleiten daher aneinander oder kollidieren miteinander an einem Gleitreibungsabschnitt 38. Der Gleitreibungsabschnitt 38 ist in einem Bereich des Sitzteils 14 ausgebildet, der jenseits des Einlasskanals 16, gegenüber dem Auslasskanal 36 in der Nähe eines Dichtungsbereichs liegt, in dem das Kugelteil 12 gegen das Sitzteil 14 geschoben wird und an diesem anliegt, wodurch die Fluidströmung blockiert wird. Das Kugelteil 12 tritt mit dem Sitzteil 14 entlang einer Linie in Kontakt. Der Linienkontaktbereich des Kugelteils 12 erfährt somit eine hohe Flächenpressung. Wenn das Magnetventil 10 geöffnet und geschlossen wird, ergibt sich daher das Problem, dass das Kugelteil 12 auf dem Gleitreibungsabschnitt 38 gleitet oder mit diesem kollidiert und als Folge dessen rasch verschleißt.
Diesem Problem Rechnung tragend ist der äußere Bereich des Kugelteils 12 in der Ausführungsform als eine Schichtstruktur ausgebildet, wie es in 3 gezeigt ist. 3 zeigt den Oberflächenbereich des Kugelteils 12 gemäß der Ausführungsform.
Das Kugelteil 12 umfasst ein kugelförmiges Basismaterial 40, eine auf dem Basismaterial 40 ausgebildete Zwischenschicht 42 und eine auf der Zwischenschicht 42 ausgebildete Außenschicht 44. Das Basismaterial 40 ist aus einem nichtmagnetischen Metall, z.B. Edelstahl, hergestellt. Das Basismaterial 40 kann aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt sein, um zu verhindern, dass das Kugelteil 12 im Fluid enthaltene, winzige Fremdkörper, z.B. Eisenpulver, anzieht, wenn der Elektromagnet 30 mit Strom versorgt wird. Das Basismaterial 40 kann des Weiteren aus Metall hergestellt sein, um die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung, z.B. einer Rissbildung, des Basismaterials 40 zu reduzieren.
In der Ausführungsform wird die Zwischenschicht 42 durch (Tufftriding bzw.) Teniferieren (Salzbadnitrokarburieren) der Oberfläche des Basismaterials 40 erhalten. Durch das Teniferieren des Basismaterials 40 wird auf dem Basismaterial 40 eine Schicht mit einer guten Permeabilität zum Basismaterial 40 geschaffen, welche die Zwischenschicht 42 ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass anstelle des Teniferierens auch Gasnitrokarburieren oder andere Nitrokarburierverfahren angewendet werden können.
Die Zwischenschicht 42 weist eine gute Adhäsion am Basismaterial 40 auf und ist härter als das Basismaterial 40. Die Härte wird beispielsweise durch eine Härteprüfung nach Vickers geschätzt. Die Adhäsion wird geschätzt durch das Messen der Last, die zu dem Zeitpunkt, in dem sich an der Oberfläche des Ku gelteils 12 ein Riss bildet, auf den Kugelteil 12 wirkt. Es wird davon ausgegangen, dass die Adhäsion umso besser ist, je höher die gemessene Last ist. Ein bevorzugtes Messverfahren für die Last ist beispielsweise ein Pressverfahren. Bei dem Pressverfahren wird das Kugelteil 12 unter einer vorgegebenen Last auf das Sitzteil 14 gepresst. Gemessen wird dabei die Last, die ausgeübt wird, wenn der das Sitzteil 14 kontaktierende Bereich des Kugelteils 12 einen Riss erleidet. In diesem Fall muss der Kontaktbereich immer dann beobachtet werden, wenn die auf den Kugelteil 12 aufgebrachte Last um einen vorgegebenen Wert erhöht wird. Bildet sich kein Riss in dem Kontaktbereich, wird die Last weiter erhöht. Bildet sich ein Riss, wird die zu diesem Zeitpunkt aufgebrachte Last als Schätzwert verwendet.
Es sei angemerkt, dass anstelle des vorgenannten Pressverfahrens ein Kugel/Scheiben-Verfahren oder ein Ritzverfahren verwendet werden kann. Bei dem Kugel/Scheiben-Verfahren wird eine Scheibe mit einer bestimmten Oberflächenrauheit in Drehung gesetzt und das Kugelteil 12 gegen die drehende Scheibe gepresst. Immer dann, wenn die auf das Kugelteil 12 ausgeübte Last um einen vorgegebenen Wert erhöht wird, wird der Bereich beobachtet, an dem das Kugelteil 12 die Scheibe kontaktiert. Diejenige Last, die dann vorhanden ist, wenn sich ein Riss bildet, wird als Schätzwert verwendet. Bei dem Ritzverfahren wird auf den auf einem Tisch oder dergleichen befindlichen Kugelteil 12 eine Last aus zwei gegensinnigen Richtungen und parallel zu der Oberfläche, auf der sich das Kugelteil 12 befindet, aufgebracht. Dann wird das Kugelteil 12 mit einer bestimmten Last in einer Richtung parallel zu der Oberfläche, auf der sich das Kugelteil 12 befindet, und senkrecht zur Richtung der Last verkratzt und die Rissbildung an der Oberfläche des Kugelteils 12 beobachtet.
Die Außenschicht 44 ist aus einem Material mit einem niedrigen Gleitwiderstand, z.B. diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC), gebildet. DLC weist eine gute Verschleißbeständigkeit auf, wodurch der Verschleiß des Kugelteils reduziert und die Lebensdauer des Magnetventils 10 verlängert werden kann. DLC ist in dieser Hinsicht ein bevorzugtes Material. Die Außenschicht 44 wird gebildet, indem durch ein Beschichtungsverfahren, z.B. Ionenplattieren, DLC auf die Oberfläche der Zwischenschicht 42 aufgetragen wird. Die Gleiteigenschaften lassen sich beispielsweise über den Haftreibungskoeffizienten schätzen. Bei dem Kugelteil gemäß der Ausführungsform ist der Haftreibungskoeffizient der Außenschicht 44 kleiner als derjenige der Zwischenschicht 42. Alternativ dazu können die Gleiteigenschaften auf der Grundlage des Haftreibungskoeffizienten und des Gleitreibungskoeffizienten oder ferner unter Berücksichtigung anderer Faktoren umfassend geschätzt werden.
Durch des Teniferieren zur Ausbildung der Zwischenschicht 42 entsteht an der Oberfläche der Zwischenschicht 42 gleichzeitig eine Verbundschicht. Eine derartige Verbundschicht lässt sich durch ein geeignetes Verfahren, z.B. eine Grundier- oder Vorbehandlungsverfahren vor der Ausbildung der Außenschicht 44 auf der Oberfläche der Zwischenschicht 42, entfernen. Hierdurch lässt sich verhindern, dass die Außenschicht 44 zusammen mit der gleichzeitig produzierten Verbundschicht abblättert, und die Adhäsion zwischen der Außenschicht 44 und der Zwischenschicht 42 verbessern.
In der Ausführungsform ist die Dicke der Außenschicht 44 kleiner als die Dicke der Zwischenschicht 42. Die Dicke der Zwischenschicht 42 liegt beispielsweise im Bereich von 20 bis 40 μm, während die Dicke der Außenschicht 44 beispielsweise im Bereich von 2 bis 3 μm liegt. Wird die Dicke der Außenschicht 44 dünner als vorstehend angegeben eingestellt, kann ein Abblättern der Außenschicht reduziert werden.
4 ist ein Diagramm, das die Verteilung der Flächenpressung im Außen bereich des Kugelteils 12 in Richtung der Tiefe des Kugelteils 12 zeigt. Wie es in 4 gezeigt ist, wirkt in der Ausführungsform die maximale Flächenpressung in der Verteilung der Flächenpressung in Tiefenrichtung des Kugelteils im Innenbereich der Zwischenschicht 42, die eine gute Adhäsion am Basismaterial 40 aufweist. Um zu erreichen, dass der Spitzenwert der Flächenpressung auf den Innenbereich der Zwischenschicht 42 wirkt, kann für die Verteilung der Flächenpressung in Tiefenrichtung des Kugelteils beispielsweise die Hertz-Gleichung verwendet werden.
Wie vorstehend erwähnt, wird erreicht, dass die Flächenpressung auf die Außenschicht 44 kleiner ist als die Flächenpressung auf den Innenbereich der Zwischenschicht 42. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit, dass die Außenschicht 44 von der Zwischenschicht 42 abblättert, selbst dann reduziert, wenn die Außenschicht 44 aus einem Material ausgebildet ist, das die Tendenz hat, sich relative leicht abzulösen, wie z.B. DLC. Des Weiteren kann für die Außenschicht 44 ein Material verwendet werden, das eine hohe Härte und gute Gleiteigenschaften aufweist.
Des Weiteren ist die Flächenpressung auf das Basismaterial 40 relativ kleiner als die Flächenpressung auf den Innenbereich der Zwischenschicht 42. Da die Zwischenschicht 42 härter ist als das Basismaterial 40, lässt sich daher verhindern, dass das Basismaterial 40 zerstört wird.
5 zeigt einen Querschnitt des Sitzteils 14 in der Ausführungsform. Das Sitzteil 14 weist ein Sitzbasismaterial 46 und eine auf der Oberfläche des Sitzbasismaterials 46 ausgebildete Feststoffschmiermittelschicht 48 auf. Die Feststoffschmiermittelschicht 48 ist beispielsweise eine Schicht aus einem weichen Metall, wie z.B. Silber oder Blei. In der Ausführungsform wird die Feststoffschmiermittelschicht 48 durch ein Beschichtungsverfahren, z.B. Ionenplattieren, mit einer Di cke von z.B. 1 bis 2 μm auf der Oberfläche des Sitzbasismaterials 46 ausgebildet.
Wird das Magnetventil 10 unter normalen Bedingungen benutzt, bildet sich durch ein Fluid, z.B. das Arbeitsfluid, ein Schmiermittelfilm zwischen dem Kugelteil 12 und dem Sitzteil 14. Der Schmiermittelfilm kann aber aus dem einen oder anderen Grund, z.B. durch das Auftreten von Luftblasen, durch selbstinduzierte Schwingungen, etc. zerstört werden. Durch die Ausbildung der Feststoffschmiermittelschicht 48 auf der Oberfläche des Sitzbasismaterials 46, wie vorstehend erwähnt, kann aber Festfressen oder dergleichen zwischen dem Kugelteil 12 und dem Sitzteil 14 auch dann verhindert werden, wenn der Schmiermittelfilm zerstört wird. Außerdem kann die Feststoffschmiermittelschicht 48 eher auf dem Sitzteil 14 als auf dem Kugelteil 12 vorgesehen werden, um die Dicke der Feststoffschmiermittelschicht 48 zu reduzieren, da die Gleitfläche auf dem Sitzteil 14 größer ist als die Gleitfläche auf dem Kugelteil 12. Die Feststoffschmiermittelschicht 48 auf dem Sitzteil 14 minimiert des Weiteren die Wahrscheinlichkeit einer Riefenbildung, wenn das Sitzteil 14 während der Montage in das Magnetventil 10 eingepresst wird.
Wie vorstehend erwähnt, ist in der Ausführungsform die aus DLC hergestellte Außenschicht 44 des Kugelteils 12, das gegen das Sitzteil 14 gepresst wird, auf der durch Teniferieren des Basismaterials 40 ausgebildeten Zwischenschicht 42 ausgebildet. Daher hat die Außenschicht 44 bessere Gleiteigenschaften als die Zwischenschicht 42, wodurch ein Verschleiß des Kugelteils 12 und des Sitzteils 14 reduziert sind. Die Zwischenschicht 42 weist, wie vorstehend erwähnt, eine gute Adhäsion am Basismaterial 40 sowie eine hohe Härte auf. Sollte die Außenschicht 44 abblättern oder verschleißen, würde daher die Zwischenschicht 42 in Kontakt treten mit dem Sitzteil 14, wodurch sich eine ausreichende Verschleißbeständigkeit erhalten lässt. Dementsprechend lässt sich die Lebensdauer des Ventils erhöhen.
Infolge der höheren Verschleißbeständigkeit des Kugelteils lässt sich die Flächenpressung des Kugelteils 12 reduzieren. Dementsprechend lässt sich die Baugröße des Magnetventils 10 verkleinern, indem der Durchmesser des Sitzteils, an dem das Kugelteil 12 gegen das Sitzteil 14 gepresst wird, reduziert wird.
Obwohl die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen dargestellt wurde, sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung in keiner Weise auf die beispielhaften Ausführungsformen oder Ausgestaltungen beschränkt ist. Obwohl die verschiedenen Elemente der beispielhaften Ausführungsformen in verschiedenen beispielhaften Kombinationen und Gestaltungen gezeigt sind, liegen andere Kombinationen und Gestaltungen mit mehreren, wenigeren oder nur einem einzigen Element ebenfalls innerhalb des in den Ansprüchen definierten erfindungsgemäßen Konzepts.

Claims

Ventil, das geschlossen wird, indem ein Kugelteil (12) gegen ein Sitzteil (14) gepresst wird, um eine Fluidströmung zu unterbrechen, und geöffnet wird, indem das Kugelteil (12) vom Sitzteil (14) getrennt wird, um eine Fluidströmung zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass: das Kugelteil (12) ein kugelförmiges Basismaterial (40), eine auf dem oder im Oberflächenbereich des Basismaterials (40) ausgebildete Zwischenschicht (42) und eine auf der Zwischenschicht (42) vorgesehene, dünne Außenschicht (44), die mit dem Sitzteil (14) in Kontakt steht, wenn das Ventil geschlossen ist; und die Zwischenschicht (42) eine höhere Adhäsion am Basismaterial (40) als an der dünnen Außenschicht (44) aufweist, und die dünne Außenschicht (44) als eine dünne Schicht ausgebildet ist, die gegenüber der Zwischenschicht (42) einen kleineren Gleitwiderstand aufweist.
Ventil gemäß Anspruch 1, wobei der Reibungskoeffizient der dünnen Außenschicht (44) kleiner ist als der Reibungskoeffizient der Zwischenschicht (42).
Ventil gemäß Anspruch 1, wobei die Verschleißbeständigkeit der dünnen Außenschicht (44) höher ist als die Verschleißbeständigkeit der Zwischenschicht (42).
Ventil, das geschlossen wird, indem ein Kugelteil (12) gegen ein Sitzteil (14) gepresst wird, um eine Fluidströmung zu unterbrechen, und geöffnet wird, indem das Kugelteil (12) vom Sitzteil (14) getrennt wird, um eine Fluidströmung zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelteil (12) ein kugelförmiges Basismaterial (40) aus einem nicht magnetischen Metall, eine in einem Oberflächenbereich des Basismaterials (40) durch Nitrokarburieren ausgebildete Zwischenschicht (42) und eine auf der Zwischenschicht (42) ausgebildete dünne Außenschicht (44) aus einem diamantähnlichen Kohlenstoff aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zwischenschicht (42) durch Teniferieren ausgebildet wird.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dicke der dünnen Außenschicht (44) kleiner ist als die Dicke der Zwischenschicht (42).
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Dicke der Zwischenschicht (42) und die Dicke der dünnen Außenschicht (44) jeweils so bestimmt werden, dass bei einer Verteilung der Flächenpressung, die das Kugelteil (12) erfährt, wenn das Ventil geschlossen ist, die maximale Flächenpressung in Richtung der Tiefe des Kugelteils (12) betrachtet auf einen Innenbereich der Zwischenschicht (42) wirkt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Sitzteil (14) ein Sitzbasismaterial (46) und eine auf dem Sitzbasismaterial (46) ausgebildete Feststoffschmiermittelschicht (48) aufweist.
Ventil gemäß Anspruch 5, wobei die Zwischenschicht (42) eine Schicht ist, die durch das Teniferieren gefolgt von einem Prozess zur Entfernung einer während des Teniferierens auf der Oberfläche der Zwischenschicht (42) erzeugten Verbundschicht ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Ventils, das eine Fluidströmung blockiert, indem ein Kugelteil (12) gegen ein Sitzteil (14) gepresst wird, und eine Flu idströmung ermöglicht, indem das Kugelteil (12) vom Sitzteil (14) getrennt wird, mit den Schritten: Ausbilden eines Basismaterials (40) des Kugelteils aus einem nichtmagnetischen Metall; Ausbilden einer Zwischenschicht (42) durch Nitrokarburieren des Oberflächenbereichs des Basismaterials (40); und Ausbilden einer Schicht aus einem diamantähnlichen Kohlenstoff auf der Oberfläche der Zwischenschicht (42).
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Nitrokarburieren Teniferieren umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei dem Teniferieren ein Prozess zur Entfernung einer während des Teniferierens auf der Oberfläche der Zwischenschicht (42) erzeugten Verbundschicht folgt.