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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Formteil und ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Formteils, wobei das beschichtete Formteil im gefertigten Zustand beispielsweise in einem Magnetventil verbaut ist, das wiederum ein Teil einer Einspritzanlage zum Brennstoffeinspritzen in einer Brennkraftmaschine bildet. Ein zentraler Bestandteil dieser Magnetventile bildet die Ventilnadel, an deren einem Ende ein Ankerabschnitt angeordnet ist. Im Betrieb ist insbesondere der Ankerabschnitt Belastungen ausgesetzt, die in der Regel durch ein Anschlagen am Innenpol und durch die geführte Bewegung der Ventilnadel hervorgerufen werden. Typischerweise reicht die Verschleißbeständigkeit des Werkstoffs, aus dem der Ankerabschnitt gefertigt ist, nicht aus, um eine bevorzugt lange Lebensdauer zu garantieren.
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Der Stand der Technik kennt als Beschichtung des Ankerabschnitts Verchromungen, die zugleich als Restluftspalt dienen, um ein magnetisches Anhaften zu reduzieren. Um Keramikbeschichtungen zu realisieren, sind bislang nur Plasmaverfahren bekannt, bei denen in der Regel aufwendige Nachbearbeitungen erforderlich sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Formteils bereitzustellen, mit dem ein wirkungsvoller Schutz des Formteils gewährleistet werden kann und welches dabei möglichst eine Alternative zum Verchromen des Formteils darstellt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Formteils, insbesondere eines beschichteten Formteils für ein Magnetventil, beispielsweise für einen Ankerabschnitt einer Ventilnadel in einem Magnetventil. Dabei wird das Formteil zur Formgebung in einem ersten Verfahrensschritt spritzgegossen und zum Verfestigen in einem zeitlich nach dem ersten Verfahrensschritt durchgeführten zweiten Verfahrensschritt gesintert, wobei das Formteil zeitlich zwischen dem ersten Verfahrensschritt und dem zweiten Verfahrensschritt, d. h. zwischen Spritzgießen und Sintern, in einem ersten Zwischenschritt mit einem eine Keramiksuspension umfassenden Material zumindest teilweise beschichtet wird.
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Gegenüber dem Stand der Technik hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass durch das Beschichten mit dem Material, das die Keramiksuspension umfasst, und das anschließende Sintern eine Keramikschicht entsteht, die verschleißbeständig und magnetisch nicht leitend ist und dadurch beispielsweise dem vergleichsweise gehobenen Anspruchsprofil für die Belastung eines Ankerabschnitts im Magnetventil gerecht wird. Dabei wird insbesondere durch das Sintern ohne großen Aufwand eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Formteil und seiner Beschichtung erreicht, ohne dass ein Nacharbeiten erforderlich ist.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der erste Verfahrensschritt und der zweite Verfahrensschritt ein Teil eines „Metal-Injection-Molding“-Verfahrens sind und die Beschichtung im Rahmen dieses „Metal-Injection-Molding“-Verfahrens erfolgt, d. h. das Beschichten ist Teil des „Metal-Injection-Molding“-Verfahrens. Insbesondere ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt vorgesehen, dass gezielt eine oder mehrere Funktionsflächen, für die beim gefertigten Formteil besondere Belastungen erwartet werden bzw. zu erwarten sind, beschichtet werden. Es ist aber auch erfindungsgemäß vorstellbar, dass das Formteil vollständig beschichtet wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Formteil in einem zeitlich zwischen dem ersten und zweiten Verfahrensschritt stattfindenden zweiten Zwischenschritt entbindert wird, wobei
- – der erste Zwischenschritt zeitlich vor, d. h. wenn das spritzgegossene Formteil ein Grünteil bzw. Grünling ist, oder zeitlich nach, d. h. wenn das spritzgegossene Formteil ein Braunteil bzw. Braunling ist, dem zweiten Zwischenschritt oder
- – der erste Zwischenschritt und der zweite Zwischenschritt gleichzeitig durchgeführt werden. Insbesondere erfolgt das Entbindern, d. h. das Herauslösen eines Binders, insbesondere eines organischen Binders, ohne Beeinflussung der Form und chemischen Reinheit des spritzgegossenen Formteils, angepasst an den jeweiligen Binder. Beispielsweise wird das Entbindern durch eine Flüssigkeitsphasenentbinderung oder eine Lösemittelentbinderung realisiert. Durch das Beschichten des Braunteils bzw. des Braunlings, d. h. durch das Beschichten zeitlich nach dem Entbindern, kann das die Keramiksuspension umfassende Material in den offenporigen Braunling eindringen und dadurch nach dem Sintern in vorteilhafter Weise ein zusätzliche formschlüssige Verbindung mit dem Formteil eingehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in einem zeitlich zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrensschritt durchgeführten dritten Zwischenschritt das Formteil thermisch entbindert wird, wobei
- – der erste Zwischenschritt zeitlich vor dem zweiten und dem dritten Zwischenschritt oder
- – der erste Zwischenschritt zeitlich zwischen dem zweiten und dem dritten Zwischenschritt
durchgeführt wird. Es hat sich gezeigt, dass mit einer sukzessiven Binderentfernung in vorteilhafter Weise ein schonendes Entbindern bei vergleichsweise kurzen Prozesszeiten möglich ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt das Formteil zumindest teilweise aus einem magnetischen Werkstoff spritzgegossen wird. Dadurch lässt sich ein magnetisches Bauteil realisieren, das sich beispielsweise in ein Magnetventil integrieren lässt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Formteil im ersten Zwischenschritt mittels Tauchen und/oder Siebdruck zumindest teilweise beschichtet wird. Dadurch lässt sich auf einfache und unkomplizierte Weise die Beschichtung wahlweise auf dem Braunling und/oder dem Grünling auftragen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Keramiksuspension eine zirkoniumhaltige Keramiksuspension, insbesondere eine ZrO2-Kearmik, ist. Dadurch lassen sich in vorteilhafter Weise eine vergleichsweise hohe Wärmeausdehnung und ein vergleichsweise hoher Widerstand gegen eine Ausbreitung von Rissen der Zirkonoxid(ZrO2-)Keramik für die Beschichtung des Formteils im ersten Zwischenschritt nutzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Formteil in einem zeitlich nach dem zweiten Verfahrensschritt durchgeführten dritten Verfahrensschritt heißisostatisch gesintert wird. Durch ein heißisostatisches Pressen wird das Formteil nachverdichtet, um den Anteil der Poren im Gefüge des Formteils auf etwa 1% zu reduzieren.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegende Erfindung ist ein beschichtetes Formteil, vorzugsweise ein Formteil für ein Magnetventil und besonderes bevorzugt ein Ankerabschnitt einer Ventilnadel eines Magnetventils, wobei das beschichtete Formteil zumindest teilweise durch Spritzgießen und anschließendes Sintern hergestellt ist, wobei das Formteil zumindest teilweise eine zeitlich vor dem Sintern aufgetragene Beschichtung aufweist, die eine Keramiksuspension umfasst.
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Gegenüber dem Stand der Technik wird auf eine Verchromung verzichtet und stattdessen eine Keramik als Beschichtung genutzt, wobei die Keramikbeschichtung durch das ohnehin erfolgende Sintern gebildet wird. Das erfindungsgemäße Beschichten des Formteils erfolgt insbesondere im Rahmen eines „Metal-Injection-Molding“-Verfahrens. Dadurch wird ohne großen Aufwand eine schutzfähige Beschichtung bereitgestellt, die insbesondere für Formteile bzw. Funktionsflächen der Formteile in einem Magnetventil geeignet sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Formteil eine zumindest teilweise zeitlich vor oder nach einem Entbindern, d. h. auf das als Grünteil oder als Braunling vorliegende Formteil, aufgetragene Beschichtung, die eine Keramiksuspension umfasst, aufweist. Insbesondere bei einem beschichteten Braunling wirken das Formteil und die Beschichtung stoffschlüssig und formschlüssig miteinander.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Formteil einen magnetischen Werkstoff umfasst. Insbesondere ist das beschichtete Formteil ein Teil eines Ankerabschnitts einer Ventilnadel oder der Ankerabschnitt einer Ventilnadel in einem Magnetventil.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch ein Magnetventil zur Brennstoffeinspritzung mit einem Ankerabschnitt einer Ventilnadel gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt im Detail eine Ventilnadel des Magnetventils gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt im Detail ein beschichtetes Formteil in Form eines Ankerabschnitts der Ventilnadel des Magnetventils gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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Das in der 1 beispielhaft dargestellte Magnetventil 101 in der Gestalt eines Einspritzventils für eine Brennstoffeinspritzanlage, beispielsweise für gemischverdichtende fremdgezündete Brennkraftmaschinen, hat einen von einer Magnetspule 1 umgebenen, als Brennstoffeinlassstutzen dienenden Kern 20. Die Magnetspule 1 mit einem Spulenkörper 3 ist z. B. mit einer Kunststoffumspritzung 5 versehen, wobei zugleich ein elektrischer Anschlussstecker 6 mitangespritzt ist.
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Mit einem unteren Kernende 10 des Kerns 20 ist konzentrisch zu einer Ventillängsachse 11 dicht ein rohrförmiges, metallenes Zwischenteil 12 beispielsweise durch Schweißen verbunden und übergreift dabei mit einem oberen Zylinderabschnitt 14 das Kernende 10 teilweise axial. Der Spulenkörper 3 übergreift teilweise den Kern 20 und den oberen Zylinderabschnitt 14 des Zwischenteils 12. Das Zwischenteil 12 ist an seinem dem Kern 20 abgewandten Ende mit einem unteren Zylinderabschnitt 18 versehen, der einen rohrförmigen Düsenträger 19 übergreift und mit diesem beispielsweise durch Schweißen dicht verbunden ist. In das stromabwärts liegende Ende des Düsenträgers 19 ist in einer konzentrisch zu der Ventillängsachse 11 verlaufenden Durchgangsbohrung 20‘ ein zylinderförmiger Ventilsitzkörper 21 durch Schweißen dicht montiert. Der Ventilsitzkörper 21 weist der Magnetspule 1 zugewandt einen festen Ventilsitz 22 auf, stromabwärts dessen im Ventilsitzkörper 21 z. B. zwei Abspritzöffnungen 23 ausgebildet sind. Stromabwärts der Abspritzöffnungen 23 hat der Ventilsitzkörper 21 eine sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig erweiternde Aufbereitungsbohrung 24.
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In eine konzentrisch zu der Ventillängsachse 11 verlaufende abgestufte Strömungsbohrung 25 des Kerns 20 ist zur Einstellung der Federkraft einer Rückstellfeder 26 eine rohrförmige Einstellbuchse 27 eingepresst. Die Rückstellfeder 26 liegt mit ihrem einen Ende an einer dem Ventilsitzkörper 21 zugewandten unteren Stirnseite 28 der Einstellbuchse 27 an. Die Einpresstiefe der Einstellbuchse 27 in die Strömungsbohrung 25 des Kerns 20 bestimmt die Federkraft der Rückstellfeder 26 und beeinflusst damit auch die dynamische, während des Öffnungs- und des Schließhubes des Ventils angegebene Brennstoffmenge. Mit ihrem der Einstellbuchse 27 abgewandten Ende stützt sich die Rückstellfeder 26 an einem Halteabsatz 30 eines rohrförmigen, z. B. konzentrisch zu der Ventillängsachse 11 angeordneten Betätigungsteiles 32 ab. Das Betätigungsteil 32 weist eine Längsöffnung 34 auf, die dem Kern 20 zugewandt in den Halteabsatz 30 übergeht.
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Eine Ventilnadel 58 gemäß dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ebenfalls in 2 gezeigt.
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Das rohrförmige Betätigungsteil 32 besteht aus einem rohrförmig ausgebildeten, dem Kern 20 zugewandten und mit dem Kern 20 sowie der Magnetspule 1 zusammenwirkenden Ankerabschnitt 36 und einem sich dem Ventilsitzkörper 21 zugewandt erstreckenden rohrförmigen Ventilhülsenabschnitt 38. Nahe ihres dem Ankerabschnitt 36 abgewandten Endes 39 ist in der Längsöffnung 34 des Betätigungsteils 32 ein Boden 40 ausgebildet. Der Boden 40 unterteilt die Längsöffnung 34 des Betätigungsteils 32 in einen dem Kern 20 zugewandten, eine Verlängerung der Strömungsbohrung 25 des Kerns 20 bildenden sacklochförmigen Strömungsabschnitt 42 sowie einen im Vergleich zu dem Strömungsabschnitt 42 nur eine geringe axiale Erstreckung aufweisenden Sacklochabschnitt 44. An dem Ende 39 des Ventilhülsenabschnittes 38 ist das Betätigungsteil 32 mit einem z. B. kugelförmigen Ventilschließgliedabschnitt 46 mittels einer Schweißverbindung 48 verbunden. Um eine möglichst gute Verbindung und eine exakte Zentrierung des kugelförmigen Ventilschließgliedabschnittes 46 gegenüber dem Betätigungsteil 32 zu erzielen, hat der Ventilhülsenabschnitt 38 des Betätigungsteiles 32 an seinem Ende 39 dem Halteabsatz 30 abgewandt eine stirnseitige, z. B. kalottenförmig ausgebildete Anlagefläche 49. Ventilhülsenabschnitt 38 und Ventilschließgliedabschnitt 46 haben in der Regel einen geringeren Durchmesser als der Ankerabschnitt 36. Der beispielsweise kugelförmige Ventilschließgliedabschnitt 46 weist an seinem Umfang z. B. vier Abflachungen 50 auf, die das Strömen des Brennstoffs in Richtung des Ventilsitzes 22 des Ventilsitzkörpers 21 erleichtern. Zwischen dem Boden 40 des Sacklochabschnittes 44 und dem Ventilschließgliedabschnitt 46 ist ein Hohlraum 52 gebildet, in dem sich die bei der Herstellung der Schweißverbindung 48 z. B. mittels Laserschweißen entstehenden Schweißspritzer ansammeln. Diese Schweißspritzer können aus dem Hohlraum 52 nicht austreten und z. B. zu dem Ventilsitz 22 gelangen, so dass die Funktion des Ventils nicht gestört wird.
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In Richtung der Ventillängsachse 11 zwischen dem Ankerabschnitt 36 und dem Boden 40 des Betätigungsteils 32 ist eine Mehrzahl von durch die Wandung des Ventilhülsenabschnittes 38 hindurchgehenden Öffnungen 56 vorgesehen. Diese Öffnungen 56 ermöglichen ein Strömen des Brennstoffs durch die Strömungsbohrung 25 des Kerns 20 und durch die Längsöffnung 34 des Betätigungsteils 32 in Richtung des Ventilsitzes 22 des Ventilsitzkörpers 21.
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Das aus dem Ankerabschnitt 36 und dem Ventilhülsenabschnitt 38 bestehende Betätigungsteil 32 und ggf. auch der Ventilschließgliedabschnitt 46 der Ventilnadel 58 sind durch Spritzgießen und anschließendes Sintern hergestellt. Dieses auch als Metal-Injection-Molding (MIM) bezeichnete Verfahren umfasst die Herstellung von Formteilen 66 wie dem in 3 dargestellten Formteil 66, welches insbesondere zur Herstellung der Ventiladel 58 bzw. des Ankerabschnitts 36 der Ventilnadel geeignet ist, aus einem Metallpulver mit einem Bindemittel, z. B. einem Kunststoffbindemittel, beispielsweise auf konventionellen Kunststoffspritzgießmaschinen, und das nachfolgende Entfernen des Bindemittels und Sintern des verbleibenden Metallpulvergerüstes. Die Zusammensetzung des Metallpulvers kann dabei auf einfache Weise auf optimale magnetische Eigenschaften des aus Ankerabschnitt 36 und Ventilhülsenabschnitt 38 bestehenden Betätigungsteils 32 oder des Ventilschließgliedabschnittes 46 abgestimmt werden. Schwefel und/oder Kohlenstoff in dem Metallpulver, die sich negativ auf eine eventuelle Schweißverbindung 48 zwischen Ventilschließgliedabschnitt 46 und Ventilhülsenabschnitt 38 auswirken, können vermieden werden. Zunächst wird das Metallpulver mit dem als Bindemittel verwendeten Kunststoff in einer Mischvorrichtung gemischt und homogenisiert. Dieses Gemisch wird nun in einer Granuliervorrichtung zu einem Granulat aufbereitet und in an sich bekannter Art und Weise mittels einer Kunststoffspritzgießmaschine zu einem Formteil 66 weiterverarbeitet. Aus dem spritzgegossenen Formteil 66 werden anschließend die Bestandteile des Kunststoffbindemittels durch thermische Verfahren beispielsweise unter Schutzgaseinfluss entfernt. Das verbleibende Materialgerüst des Formteils 66 besteht nun zu ca. 60 Volumenprozent aus Metall. Um die Dichte des Formteils 66 zu erhöhen, wird das Formteil 66 beispielsweise unter Schutzgaseinfluss in einer Sintervorrichtung gesintert. Der Sintervorgang kann aber auch unter Wasserstoffeinfluss oder in einem Vakuum vorgenommen werden. Bei Bedarf kann das Formteil 66 dann durch heißisostatisches Pressen nachverdichtet werden, um den Anteil der Poren im Gefüge des Formteils 66 (d.h. des späteren Ankerabschnitts 36, des späteren Betätigungsteils 32 bzw. der späteren Ventilnadel 58) auf etwa 1% zu reduzieren.
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In 3 ist im Detail der Ankerabschnitt 36 der Ventilnadel 58 des Magnetventils 101 als Beispiel eines erfindungsgemäßen Formteils 66 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wie er in den 1 und 2 dargestellt ist. Um die Verschleißbeständigkeit des Ankerabschnitts 36 zu erhöhen, ist es vorgesehen, den Ankerabschnitt 36, also das Formteil 66 bzw. einen Teil der Ventilnadel 58, zumindest teilweise mit einem eine Keramiksuspension umfassenden Material zu beschichten. Insbesondere wird der Ankerabschnitt 36 und damit das Formteil 66 in Bereichen beschichtet, die gegenüber anderen Bereichen am Ankerabschnitt 36 erhöhten Belastungen, die beispielsweise durch ein im Betrieb des Magnetventils 101 stattfindenden Anschlagen oder die Führung des Ankerabschnitts 36 entstehen, ausgesetzt sind. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Formteil 66 bzw. der Ankerabschnitt 36 zumindest teilweise im Sinne des Metal-Injection-Molding(MIM)-Verfahrens in einem ersten Verfahrensschritt zur Formgebung spritzgegossen wird und in einem zweiten Verfahrensschritt zur Konsolidierung bzw. zum Verfestigen des spritzgegossenen Ankerabschnitts 36 (bzw. Formteils 66) gesintert wird. Das Beschichten mit einem Material 2, das eine Keramiksuspension umfasst, wird vorzugsweise zeitlich zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrensschritt, also zeitlich zwischen dem Spritzgießen und dem Sintern, in einem ersten Zwischenschritt durchgeführt. Denkbar ist es dabei, dass das Beschichten mittels Tauchen oder Siebdruck realisiert wird. Durch das Beschichten des Formteils 66 bzw. des Ankerabschnitts 36, das bzw. der vorzugsweise zumindest teilweise aus einem magnetischen Werkstoff im ersten Verfahrensschritt spritzgegossen wird, entsteht mit dem anschließenden Sintern eine stoffschlüssig an das Formteil 66 bzw. den Ankerabschnitt 36 gebundene Keramikschicht, die in vorteilhafter Weise verschleißbeständig und magnetisch nichtleitend ist. Dabei ist es weiterhin vorgesehen, dass in einem zeitlich zwischen dem ersten Verfahrensschritt und dem zweiten Verfahrensschritt durchgeführten zweiten Zwischenschritt das Formteil 66 entbindert wird. Vorzugweise wird der zweite Zwischenschritt zeitlich vor dem ersten Zwischenschritt durchgeführt und/oder der der zweite Zwischenschritt zeitlich nach dem ersten Zwischenschritt durchgeführt, d. h. es wird der Braunling und/oder der Grünling im MIM-Verfahren mit einem die Keramiksuspension umfassenden Material 2 beschichtet. Wird der Braunling beschichtet, kann das die Keramiksuspension umfassende Material 2 in den offenporigen Braunling eindringen und dadurch vorteilhafterweise eine zusätzliche formschlüssige Verbindung eingehen. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass mit dem MIM-Verfahren eine komplexe Struktur realisierbar ist, die wiederum ohne großen Aufwand vollständig oder teilweise beschichtet werden kann. Insbesondere wird durch das Sintern im zweiten Verfahrensschritt eine stoffschlüssige Verbindung realisiert, die eine im Wesentlichen spannungsfreie Beschichtung ermöglicht. Darüber hinaus ist es möglich, durch das MIM-Verfahren, in das als erster Zwischenschritt das zumindest teilweise Beschichten zwischengeschaltet ist, auf kostenintensive und ungenaue Verfahren zum Beschichten von Formteilen 66, insbesondere der Ankerteile bzw. Ankerabschnitte 36 für Magnetventile 101, wie z.B. ein Plasmaverfahren, zu verzichten.
