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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines metallischen
Verbundbauteils, insbesondere für ein elektromagnetisches
Ventil 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 erfährt. 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
metallischen Verbundbauteils mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass auf besonders einfache und kostengünstige
Art und Weise eine magnetische Trennung an einem einstückigen,
z. B. hülsenförmigen Verbundbauteil realisierbar
ist, das großserientechnisch zuverlässig herstellbar
ist. Das erfindungsgemäß hergestellte Verbundbauteil
zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens zwei benachbarte Abschnitte
unterschiedlicher Magnetisierung vorliegen, wobei die durch den
zweiten Abschnitt mit gegenüber den ersten Abschnitten
reduzierter Sättigungspolarisation Js gebildete
magnetische Drossel im Verbundbauteil in vorteilhafter Weise unmagnetisch
oder teilmagnetisch in einer Größenordnung ist,
die ideal den Einsatz eines solchen Verbundbauteils in einem elektromagnetischen
Ventil erlaubt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, als Ausgangsmaterial einen semi-austenitischen
nichtrostenden Stahl (z. B. 17-7 PH, 15-8 PH) in Form eines Rohteils für
das spätere Verbundbauteil zu verwenden. Diese Materialien
sind grundsätzlich schwer verformbar bzw. tiefziehbar,
weil sie zur Bildung von Umformmartensit und zur Kaltverfestigung
neigen. Diesen dem Material innewohnenden Mechanismen kann durch die
erfindungsgemäß eingesetzte Temperaturunterstützung
entgegengewirkt werden, so dass sich letztlich benachbarte Abschnitte
unterschiedlicher Sättigungspolarisation an einem Verbundbauteil
zuverlässig darstellen lassen.
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Von
Vorteil ist es zudem, dass eine hohe Flexibilität in der
Ausgestaltung der Geometrie des Verbundbauteils selbst, wie z. B.
bei Länge, Außendurchmesser, Abstufungen ermöglicht
ist.
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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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Von
Vorteil ist es, auf diese Weise Verbundbauteile herzustellen, die
aus mindestens einem magnetischen Abschnitt und mindestens einem
unmagnetischen Abschnitt oder aus mindestens einem magnetischen
Abschnitt und mindestens einem Abschnitt mit teilweise reduzierter
Sättigungspolarisation zusammengesetzt sind.
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Besonders
vorteilhaft ist es, die mehrstufige Wärmebehandlung, also
sämtliche Wärmebehandlungsschritte und einen oder
mehrere Tiefkühlvorgänge für das Rohteil
in einer einzigen Wärmebehandlungsanlage vorzunehmen. Dabei
handelt es sich um eine Anlage, die eine Heißwand-Wärmebehandlungsanlage
und eine Tiefkühleinrichtung in einer Einrichtung vereint.
Durch den Einsatz einer solchen Anlage kann der gesamte Wärmebehandlungszyklus
in einem fortlaufenden Prozess durchgeführt werden; Umchargierungen
sind nicht notwendig.
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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 ein
erfindungsgemäßes Verbundbauteil bestehend aus
drei Abschnitten, 3A und 3B Verfahrensstadien bei
der Herstellung eines metallischen Verbundbauteils und 4 einen
schematischen Ausschnitt aus einem Einspritzventil mit einem erfindungsgemäß hergestellten
Verbundbauteil zur Verdeutlichung einer Einsatzmöglichkeit.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Bevor
anhand der 2 bis 4 die Charakteristik
des erfindungsgemäß hergestellten metallischen
Verbundbauteils 60 beschrieben wird, soll anhand von 1 ein
Brennstoffeinspritzventil des Standes der Technik als ein mögliches
Einsatzprodukt für ein solches Verbundbauteil 60 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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2 zeigt
ein erfindungsgemäß hergestelltes Verbundbauteil 60 bestehend
aus drei Abschnitten 61, 62, 63. Wesentlich
bei diesem Verbundbauteil 60 ist jedoch, dass mindestens
ein gut magnetisierbarer Abschnitt 61 vorgesehen ist, an
den sich unmittelbar einstückig ein zweiter Abschnitt 62 mit
reduzierter Sättigungspolarisation Js anschließt.
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Als
Ausgangsmaterial für das Verbundbauteil 60 wird
ein semi-austenitischer nichtrostender Stahl (z. B. 17-7 PH, 15-8
PH) verwendet. In einem erfindungsgemäßen Verfahren
wird z. B. ein zylindrisches Rohteil 80 aus besagtem Material
bereitgestellt (3A). Dieses Rohteil 80 wird
nachfolgend einerseits in einem mehrstufigen Umformprozess in eine
gewünschte Form des Verbundbauteils 60 umgeformt
und andererseits in erfindungsgemäßer Weise einem
mehrstufigem Wärmebehandlungszyklus unterzogen (3B).
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Die
mehrstufige Wärmebehandlung des Rohteils 80 erfolgt
in einer Wärmebehandlungsanlage 90. In idealer
Weise werden sämtliche Wärmebehandlungsschritte
und Tiefkühlvorgänge für das Rohteil 80 in
einer einzigen Wärmebehandlungsanlage 90 vorgenommen.
Dabei handelt es sich um eine Anlage 90, die eine Heißwand-Wärmebehandlungsanlage
und eine Tiefkühleinrichtung in einer Einrichtung vereint.
Dabei dient diese Anlage 90 mit ihrer Atmosphäre
entweder der konvektiven Wärmebehandlung und durch Zufuhr
eines Kühlmittels dem Tiefkühlen. Durch den Einsatz
einer solchen Anlage 90 kann der gesamte Wärmebehandlungszyklus
in einem fortlaufenden Prozess durchgeführt werden; Umchargierungen
sind nicht notwendig.
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Durch
die gezielte erfindungsgemäße Wärmebehandlung
des Rohteils 80 aus einem semi-austenitischen nichtrostenden
Stahl kann dieser Werkstoff unterschiedliche Gefügezustände
annehmen und die magnetischen Eigenschaften ändern, was
für das herzustellende Verbundbauteil 60 ausgenutzt wird.
Durch eine zweistufige Wärmebehandlung können
diese Werkstoffe, die im geglühten Zustand nicht magnetisierbar
sind, in besonderer Weise magnetisierbar gemacht werden. Der erste
Wärmebehandlungsschritt ist eine Konditionierung, der zweite
Wärmebehandlungsschritt wird als Aushärtung bezeichnet.
Durch eine zwischengeschaltete Tiefkühlung und/oder eine
abschließende Tiefkühlung kann der magnetisierbare
Anteil weiter maximiert werden. Die Konditionierung erfolgt bei
einer Temperatur von 760°C bis 950°C über
10 bis 90 min. Das Aushärten wiederum erfolgt bei einer
Temperatur von 200°C bis 600°C über 60
bis 90 min. Die zwischengeschaltete Tiefkühlung und/oder
abschließende Tiefkühlung wird idealerweise in
einem Temperaturbereich von –60°C bis –120°C über
eine Zeit von ca. 120 bis 480 min vorgenommen. Die Temperatur kann
beim Tiefkühlen auch noch niedriger gewählt werden,
wobei bei –196°C eine Untergrenze gegeben ist.
Durch die optimierte Temperaturwahl beim Konditionieren und Aushärten
sowie den oder die Tiefkühlvorgänge ist eine maximale
Sättigungspolarisation Js = 0,9
.... 1,5 T erreichbar, da der Restaustenitanteil bestmöglich minimiert
wird.
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Nach
dem letzten Umformprozess und dem vorbeschriebenen Wärmebehandlungszyklus
erfolgt nochmals eine Nachbehandlung unter Wärmeeinfluss.
Diese Nachbehandlung kann unterschiedliche Wärmebehandlungsschritte
umfassen, z. B. eine Ofenwärmebehandlung und/oder einen
induktiven Glühvorgang, insbesondere in einem Teilbereich
zur lokalen Wärmebehandlung, um den Abschnitt 62 des herzustellenden
Verbundbauteils 60 zu definieren. Die abschließende
lokale Wärmebehandlung wird in der Weise vollzogen, dass
sich das Verbundbauteil 60 aus mindestens einem magnetischen
Abschnitt 61 (Sättigungspolarisation Js = 0,9 .... 1,5 T) und mindestens einem
nicht magnetisierbaren Abschnitt 62 (Sättigungspolarisation
Js = 0 T) zusammensetzt oder dass sich das
Verbundbauteil 60 aus mindestens einem magnetischen Abschnitt 61 (Sättigungspolarisation
Js = 0,9 .... 1,5 T) und mindestens einem Abschnitt 62 mit
teilweise reduzierter Sättigungspolarisation (Sättigungspolarisation
Js = 0,01 .... 0,3 T) zusammensetzt.
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4 zeigt
einen schematischen Ausschnitt aus einem Brennstoffeinspritzventil
mit einem erfindungsgemäßen Verbundbauteil 60,
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 mittlere Abschnitt 62 des
Verbundbauteils 60 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 metallische Verbundbauteil 60 ist nicht nur als Ventilhülse
in einem elektromagnetischen Ventil einsetzbar, sondern z. B. auch
als Kern 2.
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Die
Erfindung ist keinesfalls auf den Einsatz in Brennstoffeinspritzventilen
oder Magnetventilen für Antiblockiersysteme beschränkt.
Die erfindungsgemäß hergestellten Verbundbauteile 60 sind
allgemein in Aggregaten einsetzbar, bei denen Zonen unterschiedlichen
Magnetismus aufeinanderfolgend erforderlich sind.
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Das
erfindungsgemäße Verbundbauteil 60 ist
nicht nur mit zwei oder drei aufeinander folgenden Abschnitten herstellbar,
sondern auch mit mehr als drei Abschnitten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3502287
A1 [0003]
- - DE 4237405 C2 [0004]