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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines festen
Magnetkreisbauteils nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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In
der 1 ist ein bekanntes Brennstoffeinspritzventil
aus dem Stand der Technik dargestellt, das einen klassischen dreiteiligen
Aufbau eines inneren metallenen Strömungsführungsteils und zugleich Gehäusebauteils
besitzt. Dieses innere Ventilrohr wird aus einem einen Innenpol
bildenden Einlassstutzen, einem nichtmagnetischen Zwischenteil und
einem einen Ventilsitz aufnehmenden Ventilsitzträger gebildet und in der Beschreibung
zu 1 näher
erläutert.
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Aus
der
DE 35 02 287 A1 ist
bereits ein Verfahren zur Herstellung eines hohlzylindrischen metallenen
Gehäuses
mit zwei magnetisierbaren Gehäuseteilen
und einer dazwischen liegenden, die Gehäuseteile magnetisch trennenden,
amagnetischen Gehäusezone
bekannt. Dieses metallene Gehäuse
wird dabei aus einem magnetisierbaren Rohling einstückig bis
auf ein Übermaß im Außendurchmesser
vorbearbeitet, wobei in der Innenwand des Gehäuses in der Breite der gewünschten
mittleren Gehäusezone eine
Ringnut eingestochen wird. Bei rotierendem Gehäuse wird ein nichtmagnetisierbares
Füllmaterial
in die Ringnut unter Erwärmung
des Ringnutbereichs gefüllt
und die Rotation des Gehäuses
bis zur Erstarrung des Füllmaterials
aufrechterhalten. Anschließend
wird das Gehäuse
außen
bis auf das Endmaß des
Außendurchmessers überdreht,
so dass keine Verbindung mehr zwischen den magnetisierbaren Gehäuseteilen
besteht. Ein derart hergestelltes Ventilgehäuse kann z.B. in Magnetventilen
für Antiblockiersysteme
(ABS) von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen.
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Bekannt
sind des weiteren aus der
DE
42 37 405 C2 Verfahren zur Herstellung eines festen Kerns für Einspritzventile
für Brennkraftmaschinen
(
5 des Dokuments). Die Verfahren zeichnen sich
dadurch aus, dass unmittelbar oder über vorherige Umwandlungsprozesse
ein einteiliges hülsenförmiges, magnetisches,
martensitisches Werkstück
bereitgestellt wird, das eine örtliche
Wärmebehandlung
in einem mittleren Abschnitt des magnetischen, martensitischen Werkstücks zur
Umwandlung dieses mittleren Abschnitts in einen nichtmagnetischen,
austenitischen mittleren Abschnitt erfahrt. Alternativ werden bei
der örtlichen
Wärmebehandlung
mittels Laser geschmolzenes Austenit bzw. geschmolzenes Ferrit bildende
Elemente an den Ort der Wärmebehandlung zur
Bildung eines nichtmagnetischen, austenitischen mittleren Abschnitts
des festen Kerns hinzugefügt.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines festen Magnetkreisbauteils mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass auf besonders
einfache und kostengünstige
Art und Weise Gehäuse
mit einer magnetischen Trennung bzw. Magnetkreisbauteile mit lokal
eingestellten magnetischen Eigenschaften insbesondere in Randschichten
großserientechnisch zuverlässig herstellbar
sind.
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Insbesondere
ist durch die Einfachheit der Einzelbauteile nur ein gegenüber den
bekannten Herstellungsverfahren herabgesetzter Aufwand an Spezialwerkzeugen
notwendig.
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Von
Vorteil ist es zudem, dass eine hohe Flexibilität in der Ausgestaltung der
Geometrie des Magnetkreisbauteils selbst, wie z.B. bei Länge, Außendurchmesser,
Abstufungen ermöglicht
ist.
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Von
besonderem Vorteil ist es, dass auf üblicherweise zur Erzeugung
von in ihren Magneteigenschaften geänderten Randschichten notwendige
Beschichtungsverfahren, wie Carbonitrieren, verzichtet werden kann.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Verfahrens möglich.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 ein
Brennstoffeinspritzventil gemäß dem Stand
der Technik mit einem dreiteiligen inneren metallenen Ventilrohr
als Gehäuse, 2 bis 7 schematisch
Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
eines festen Magnetkreisbauteils in Form eines rohrförmigen Gehäuses, 8 einen
schematischen Ausschnitt aus einem Einspritzventil mit einem erfindungsgemäß hergestellten
Gehäuse, 9 bis 13 schematisch Verfahrensschritte
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines festen Magnetkreisbauteils in Form eines Ankerbolzens, 14 einen
schematischen Ausschnitt aus einem Magnetkreis in Tauchankerausführung mit
einem erfindungsgemäß hergestellten
Ankerbolzen und 15 einen schematischen Ausschnitt
aus einem Magnetkreis in Flachankerausführung mit einer erfindungsgemäß hergestellten
Ankerplatte.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Bevor
anhand der 2 bis 15 die
erfindungsgemäßen Verfahrensschritte
des Verfahrens zur Herstellung eines festen Magnetkreisbauteils
beschrieben werden, soll anhand von 1 ein Brennstoffeinspritzventil
des Standes der Technik als ein mögliches Einsatzprodukt für ein erfindungsgemäß hergestelltes
Magnetkreisbauteil näher
erläutert
werden.
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Das
in der 1 beispielsweise dargestellte elektromagnetisch
betätigbare
Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von
gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
hat einen von einer Magnetspule 1 umgebenen, als Brennstoffeinlassstutzen und
Innenpol dienenden rohrförmigen
Kern 2, der beispielsweise über seine gesamte Länge einen
konstanten Außendurchmesser
aufweist. Ein in radialer Richtung gestufter Spulenkörper 3 nimmt
eine Bewicklung der Magnetspule 1 auf und ermöglicht in Verbindung
mit dem Kern 2 einen kompakten Aufbau des Einspritzventils
im Bereich der Magnetspule 1.
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Mit
einem unteren Kernende 9 des Kerns 2 ist konzentrisch
zu einer Ventillängsachse 10 dicht ein
rohrförmiges
metallenes nichtmagnetisches Zwischenteil 12 durch Schweißen verbunden
und umgibt das Kernende 9 teilweise axial. Stromabwärts des Spulenkörpers 3 und
des Zwischenteils 12 erstreckt sich ein rohrförmiger Ventilsitzträger 16,
der fest mit dem Zwischenteil 12 verbunden ist. In dem
Ventilsitzträger 16 ist
eine axial bewegbare Ventilnadel 18 angeordnet. Am stromabwärtigen Ende 23 der
Ventilnadel 18 ist ein kugelförmiger Ventilschließkörper 24 vorgesehen,
an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 25 zum
Vorbeiströmen
des Brennstoffs vorgesehen sind.
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Die
Betätigung
des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise elektromagnetisch.
Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 18 und damit zum Öffnen entgegen
der Federkraft einer Rückstellfeder 26 bzw. zum
Schließen
des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der
Magnetspule 1, dem Kern 2 und einem Anker 27.
Der rohrförmige
Anker 27 ist mit einem dem Ventilschließkörper 24 abgewandten Ende
der Ventilnadel 18 durch beispielsweise eine Schweißnaht fest
verbunden und auf den Kern 2 ausgerichtet. In das stromabwärts liegende,
dem Kern 2 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 16 ist
ein zylinderförmiger
Ventilsitzkörper 29,
der einen festen Ventilsitz 30 aufweist, durch Schweißen dicht
montiert.
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Der
kugelförmige
Ventilschließkörper 24 der Ventilnadel 18 wirkt
mit dem sich in Strömungsrichtung
kegelstumpfförmig
verjüngenden
Ventilsitz 30 des Ventilsitzkörpers 29 zusammen.
An seiner unteren Stirnseite ist der Ventilsitzkörper 29 mit einer
beispielsweise topfförmig
ausgebildeten Spritzlochscheibe 34 fest und dicht durch
eine z. B. mittels eines Lasers ausgebildete Schweißnaht verbunden.
In der Spritzlochscheibe 34 sind wenigstens eine, beispielsweise
vier durch Erodieren oder Stanzen ausgeformte Abspritzöffnungen 39 vorgesehen.
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Um
den Magnetfluss zur optimalen Betätigung des Ankers 27 bei
Bestromung der Magnetspule 1 und damit zum sicheren und
genauen Öffnen
und Schließen
des Ventils zu dem Anker 27 zu leiten, ist die Magnetspule 1 von
wenigstens einem, beispielsweise als Bügel ausgebildeten und als ferromagnetisches
Element dienenden Leitelement 45 umgeben, das die Magnetspule 1 in
Umfangsrichtung wenigstens teilweise umgibt sowie mit seinem einen
Ende an dem Kern 2 und seinem anderen Ende an dem Ventilsitzträger 16 anliegt
und mit diesen z. B. durch Schweißen, Löten bzw. Kleben verbindbar
ist. Ein inneres metallenes Ventilrohr als Grundgerüst und damit
auch Gehäuse
des Brennstoffeinspritzventils bilden der Kern 2, das nichtmagnetische
Zwischenteil 12 und der Ventilsitzträger 16, die fest miteinander verbunden
sind und sich insgesamt über
die gesamte Länge
des Brennstoffeinspritzventils erstrecken. Alle weiteren Funktionsgruppen
des Ventils sind innerhalb oder um das Ventilrohr herum angeordnet.
Bei dieser Anordnung des Ventilrohrs handelt es sich um den klassischen
dreiteiligen Aufbau eines Gehäuses für ein elektromagnetisch
betätigbares
Aggregat, wie ein Ventil, mit zwei ferromagnetischen bzw. magnetisierbaren
Gehäusebereichen,
die zur wirkungsvollen Leitung der Magnetkreislinien im Bereich
des Ankers 27 mittels eines nichtmagnetischen Zwischenteils 12 magnetisch
voneinander getrennt oder zumindest über eine magnetische Drosselstelle
miteinander verbunden sind.
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Das
Einspritzventil ist weitgehend mit einer Kunststoffumspritzung 51 umschlossen,
die sich vom Kern 2 ausgehend in axialer Richtung über die
Magnetspule 1 und das wenigstens eine Leitelement 45 bis
zum Ventilsitzträger 16 erstreckt,
wobei das wenigstens eine Leitelement 45 vollständig axial
und in Umfangsrichtung überdeckt
ist. Zu dieser Kunststoffumspritzung 51 gehört beispielsweise
ein mitangespritzter elektrischer Anschlussstecker 52.
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Mit
den in den 2 bis 7 schematisch angedeuteten
Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
eines festen Magnetkreisbauteils ist es in vorteilhafter Weise möglich, besonders
einfach und kostengünstig
dünnwandige Gehäuse 66 für verschiedenste
Einsatzzwecke, u.a. bevorzugt für
elektromagnetisch betätigbare
Ventile herzustellen, die ein oben beschriebenes dreiteiliges Ventilrohr
ersetzen können.
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In
einem ersten Verfahrensschritt (2) wird
ein z.B. zylinderförmiger
Grundkörper 55 bereitgestellt,
aus dem das Gehäuse 66 gefertigt
werden soll und der aus einem magnetischen bzw. magnetisierbaren
Material besteht und z.B. ferromagnetisch oder ferritisch ist oder
ein martensitisches Materialgefüge
aufweist. Der Grundkörper 55 kann
vorerst massiv ausgebildet sein und beispielsweise für eine besonders
effektive Herstellung vieler Gehäuse 66 aus
langem Stangenmaterial gewonnen werden. Der Werkstoff des Grundkörpers 55 ist
in jedem Fall ein Stahl, der aufgrund seiner Legierungszusammensetzung
Restaustenit und Martensit bildet. Legierungselemente im Werkstoff
sind die austenitstabilisierenden Elemente C, N, Ni und Mn.
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Zur
Erzielung der gewünschten
unterschiedlichen Magneteigenschaften des Magnetkreisbauteils wird
der Grundkörper 55 vollständig einer
Wärmebehandlung
unterzogen, die z.B. mittels Harten, Tiefkühlen in Tiefkühlschränken und/oder
durch ein- oder mehrmaliges Anlassen in Öfen 56 durchgeführt werden
kann (3). Nach dem Härten
kann das Gefüge
auch noch aus Restaustenitanteilen bestehen, welche durch die anschließenden Wärmebehandlungsschritte
in Martensit umgewandelt werden. Alternativ dazu kann das Gefüge auch
aus Ferrit mit eingelagerten Teilchen wie z.B. Carbiden, Nitriden oder
intermetallischen Verbindungen bestehen. Die Wärmebehandlung erfolgt derart,
dass sich im Grundkörper 55 ein
komplett magnetisches martensitisches Materialgefüge bildet
(4).
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Anschließend wird
eine weitere Wärmebehandlung
vorgenommen, die allerdings nur lokal begrenzt ausgeführt wird.
Ein Teilbereich des Grundkörpers 55 wird
dazu z.B. einer Kurzzeitwärmebehandlung
mittels Laser- oder Induktionserwärmung 57 ausgesetzt
(5). Auf diese Weise wird der Werkstoff des Grundkörpers 55 in
dem Teilbereich der zweiten Wärmebehandlung
lokal austenitisiert und homogenisiert und besteht nach dem Abkühlen des Grundkörpers 55 bzw.
der Selbstabschreckung durch das umgebende Material aus martensitischen
Bereichen 58 und dem Teilbereich 59 mit Martensit
und Restaustenit (6). Der Grundkörper 55 besteht nun
aus Zonen mit verschiedenen Gefügen
und magnetischen Eigenschaften.
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Der
Grundkörper 55 wird
nachfolgend so endbearbeitet, dass ein festes Gehäuse 66 als
Magnetkreisbauteil in einer gewünschten
Geometrie vorliegt. Im Falle eines Einsatzes eines erfindungsgemäß hergestellten
Gehäuses 66 in
einem Brennstoffeinspritzventil kann es von Vorteil sein, das Gehäuse 66 durch
fertigungstechnische Maßnahmen
wie Abstrecken, Rollieren, Rundkneten, Bördeln und/oder Auftulpen spezifisch
auszuformen. Mit dem Gehäuse 66 liegt
ein Bauteil vor, das in einem bekannten Brennstoffeinspritzventil
gemäß 1 die
Summe der Funktionen des Ventilrohrs bestehend aus Kern 2,
Zwischenteil 12 und Ventilsitzträger 16 komplett übernehmen
kann und sich somit auch beispielsweise über die gesamte axiale Länge eines
Brennstoffeinspritzventils erstreckt.
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Der
massive Grundkörper 55 wird
durch fertigungstechnische Maßnahmen
z.B. in eine rohrförmige
Hülsenform
gebracht. Der massive Grundkörper 55 kann
dabei entweder vor oder erst nach der lokalen Wärmebehandlung mit einer inneren
Längsöffnung 60 zur
Bildung des rohrförmigen
Gehäuses 66 versehen
werden (7).
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8 zeigt
einen schematischen Ausschnitt aus einem Brennstoffeinspritzventil
mit einem erfindungsgemäß hergestellten
Gehäuse 66,
das als dünnwandige
Hülse im
Ventil verbaut ist und dabei den Kern 2 und den Anker 27 radial
und in Umfangsrichtung umgibt und dabei selbst von der Magnetspule 1 umgeben
ist. Es wird deutlich, dass der in seinen Magneteigenschaften veränderte und
martensitische und restaustenitische Teilbereich 59 des
Gehäuses 66 im
axialen Erstreckungsbereich eines Arbeitsluftspaltes 70 zwischen
dem Kern 2 und dem Anker 27 liegt, um die Magnetkreislinien
optimal und effektiv im Magnetkreis zu leiten. Anstelle des in 1 gezeigten
bügelförmigen Leitelements 45 ist
das äußere Magnetkreisbauteil
z.B. als Magnettopf 46 ausgeführt, wobei der magnetische
Kreis zwischen dem Magnettopf 46 und dem Gehäuse 66 über ein
Deckelelement 47 geschlossen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es auch, Gehäuse 66 mit größeren Wanddicken
in ihren Magneteigenschaften lokal zu verändern, so dass eine höhere Innendruckbeständigkeit
bei trotzdem minimiertem magnetisch aktiven Bereich zugunsten der
Magnetkraft gewährleistet
ist.
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9 bis 13 zeigen
schematisch Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
eines festen Magnetkreisbauteils in Form eines Ankerbolzens 66'. Die Herstellung
des Ankerbolzens 66' erfolgt
in vergleichbarer Weise wie die zuvor beschriebene Herstellung des
Gehäuses 66 gemäß 7.
In einem ersten Verfahrensschritt (9) wird
ein z.B. dünner
zylinderförmiger
Grundkörper 55' bereitgestellt,
aus dem der Ankerbolzen 66' gefertigt
werden soll und der aus einem magnetischen bzw. magnetisierbaren
Material besteht und z.B. ferromagnetisch oder ferritisch ist oder
ein martensitisches Materialgefüge
aufweist. Der Grundkörper 55' kann beispielsweise
für eine
besonders effektive Herstellung vieler Ankerbolzen 66' aus langem Stangenmaterial
gewonnen werden. Der Werkstoff des Grundkörpers 55' ist in jedem
Fall ein Stahl, der aufgrund seiner Legierungszusammensetzung Restaustenit
und Martensit bildet. Legierungselemente im Werkstoff sind die austenitstabilisierenden
Elemente C, N, Ni und Mn.
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Zur
Erzielung der gewünschten
unterschiedlichen Magneteigenschaften des Magnetkreisbauteils wird
der Grundkörper 55' vollständig einer
Wärmebehandlung
unterzogen, die z.B. mittels Härten, Tiefkühlen in
Tiefkühlschränken oder
durch ein- oder mehrmaliges
Anlassen in Öfen 56 durchgeführt werden
kann (10). Nach dem Härten kann
das Gefüge
auch noch aus Restaustenitanteilen bestehen, welche durch die anschließenden Wärmebehandlungsschritte
in Martensit umgewandelt werden. Alternativ dazu kann das Gefüge auch
aus Ferrit mit eingelagerten Teilchen wie z.B. Carbiden, Nitriden oder
intermetallischen Verbindungen bestehen. Die Wärmebehandlung erfolgt derart,
dass sich im Grundkörper 55' ein komplett
magnetisches martensitisches Materialgefüge bildet (11).
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Anschließend wird
eine weitere Wärmebehandlung
vorgenommen, die ausschließlich
an der Oberfläche
in den Randbereichen des Grundkörpers 55' zu einer Veränderung
der magnetischen Eigenschaften führen
soll. Die Oberfläche
des Grndkörpers 55' wird dazu einer
Kurzzeitwärmebehandlung
mittels Laser- oder Induktionserwärmung 57 ausgesetzt (12).
Auf diese Weise wird der Werkstoff des Grundkörpers 55' an der Oberfläche lokal
austenitisiert und homogenisiert und besteht nach dem Abkühlen des
Grundkörpers 55' bzw. der Selbstabschreckung
durch das umgebende Material aus einem inneren martensitischen Bereich 58' und einem äußeren Randbereich 59' mit Martensit
und Restaustenit (13). Der Grundkörper 55' bzw. der Ankerbolzen 66' besteht nun
aus Zonen mit verschiedenen Gefügen
und magnetischen Eigenschaften.
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Wenn
nötig,
wird der der Grundkörper 55' nachfolgend
so endbearbeitet, dass ein fester Ankerbolzen 66' als Magnetkreisbauteil
in einer gewünschten
Geometrie vorliegt. 14 zeigt einen schematischen
Ausschnitt aus einem Magnetkreis in Tauchankerausführung mit
einem erfindungsgemäß hergestellten
Ankerbolzen 66',
der durch einen die Magnetspule 1 umhüllenden Magnettopf 46 taucht und
dort beweglich verschiebbar ist. Bei Tauchankermagnetkreisen kann
mit einem Ankerbolzen 66',
bei dem der äußere Randbereich 59' Restaustenitanteile aufweist,
die Dynamik und die Magnetkraft des Magnetventils verbessert werden.
Auf Beschichtungsverfahren, wie Carbonitrieren, kann verzichtet
werden.
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In 15 ist
ein schematischer Ausschnitt aus einem Magnetkreis in Flachankerausführung mit einer
erfindungsgemäß hergestellten
Ankerplatte 66'' dargestellt.
Das Herstellungsprinzip ist wiederum mit den vorbeschriebenen Verfahrensschritten
zur Herstellung des Gehäuses 66 bzw.
des Ankerbolzens 66' vergleichbar.
Die lokale zweite Wärmebehandlung erfolgt
in der Weise, dass an einer Seite des flachen plattenförmigen Grundkörpers eine
Kurzzeitwärmebehandlung
mittels Laser- oder Induktionserwärmung vorgenommen wird. Auf
diese Weise wird der Werkstoff des Grundkörpers an dieser Seite lokal austenitisiert
und homogenisiert und besteht nach dem Abkühlen des Grundkörpers bzw.
der Selbstabschreckung durch das umgebende Material aus einem martensitischen
Bereich 58'' und einem der
Magnetspule 1 zugewandten Randbereich 59'' mit Martensit und Restaustenit.
Die Ankerplatte 66'' besteht nun
aus Zonen mit verschiedenen Gefügen
und magnetischen Eigenschaften.
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Mit
einer solchen Ankerplatte 66'' kann in Flachankermagnetkreisen
ein Zusatzluftspalt erzeugt werden. Dieser Zusatzluftspalt im Randbereich 59'' kann eingesetzt werden, um ein
Kleben der Ankerplatte 66'' an dem Magnettopf 46 zu
verhindern, um einen definierten Restluftspalt im Magnetkreis einzustellen
oder um als Luftspalt mit Verschleißschutz zu dienen.
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Die
Erfindung ist keinesfalls auf den Einsatz in Brennstoffeinspritzventilen
oder Magnetventilen für
Antiblockiersysteme beschränkt,
sondern betrifft alle elektromagnetisch betätigbaren Ventile unterschiedlicher
Anwendungsgebiete und allgemein alle festen Gehäuse in Aggregaten, bei denen
Zonen unterschiedlichen Magnetismus aufeinanderfolgend erforderlich
sind.