DE102015219353A1

DE102015219353A1 - Verfahren zum Herstellen eines Ventilstücks für einen Kraftstoffinjektor und Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102015219353A1
Application number: DE102015219353.5A
Authority: DE
Inventors: Lothar Foerster; Thomas Kley; Thomas Nierychlo; Thomas Waldenmaier; Ursula Christmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2017-04-13
Also published as: KR20180059929A; CN108368813A; WO2017059990A1; EP3359804A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Ventilstücks (108) für einen Kraftstoffinjektor (100), mit einem einen Ventilsitz (115) ausbildenden Bereich am Ventilstück (108), wobei das Ventilstück (108) aus einem vorzugsweise gehärtenden Stahl als Grundwerkstoff (119) besteht, dessen Oberfläche im Bereich des den Ventilsitz (115) ausbildenden Bereichs mit einer Kohlenstoffschicht (130) beschichtet ist, die eine größere Härte aufweist wie das Material des Grundwerkstoffs (119). Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass zwischen dem Grundwerkstoff (119) und der Kohlenstoffschicht (130) eine Stützschicht (120) ausgebildet wird, wobei die Härte der Stützschicht (120) mindestens gleich groß ist als die des Grundwerkstoffs (119).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Ventilstücks für einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor, der ein erfindungsgemäßes Ventilstück aufweist.
Ein derartiges, beispielsweise aus der DE 10 2013 225 387 A1 der Anmelderin bekanntes, als Bestandteil eines Kraftstoffinjektors dienendes Ventilstück weist einen Ventilsitz auf, der mit einem Schließglied, beispielsweise in Form einer gehärteten Ventilkugel aus Stahl, zusammenwirkt. Über den Ventilsitz lässt sich der Abfluss von Kraftstoff in einen Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors steuern, um damit ein Öffnen bzw. Schließen einer Düsennadel zu ermöglichen. Aus Verschleißgründen ist es bekannt, das aus Stahl bestehende Grundmaterial eines derartigen Ventilstücks mit einer Kohlenstoffschicht zu beschichten, um den mit dem Ventilglied zusammenwirkenden Bereich des Ventilsitzes am Ventilstück mit einer größeren Härte auszustatten. Eine derartige Kohlenstoffschicht weist üblicherweise prozessbedingt eine Schichtdicke von wenigen Mikrometern, typischerweise ca. 2µm, auf. Eine derartige Schichtdicke ist bei kleinen Partikelgrößen ausreichend, stößt jedoch bei größeren Partikelgrößen an ihre Grenzen. Dies rührt daher, dass es beim Auftreten von relativ großen Partikeln beim Übergang von der Kohlenstoffschicht zum Grundwerkstoff des Ventilstücks zu erhöhten Oberflächenspannungen kommt, da der Grundwerkstoff durch die relativ großen Partikel elastisch-plastisch deformiert wird, während die Kohlenstoffschicht weitgehend starr bleibt. Dies kann zu einem partiellen Abplatzen der Kohlenstoffschicht führen, was wiederum zu einer Kanalbildung und zu unzulässiger Druckunterwanderung am Ventilsitz bzw. zu Undichtheiten führen kann.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Ventilstücks für einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass das Ventilstück insbesondere beim Auftreten von relativ großen Partikeln eine erhöhte Verschleißfestigkeit aufweist. Insbesondere soll ein partielles Abplatzen der Kohlenstoffschicht vom Ventilstück vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Herstellen eines Ventilstücks für einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch eine Stützschicht, die zwischen dem Grundwerkstoff des Ventilstücks und der Kohlenstoffschicht angeordnet ist, einen gleichmäßigeren Härteverlauf am Ventilstück zu ermöglichen, derart, dass die Härte, ausgehend von dem Grundwerkstoff, in Richtung der Kohlenstoffbeschichtung nicht sprunghaft ansteigt. Im Idealfall bewirkt eine derartige Stützschicht einen in etwa kontinuierlichen Härteanstieg von dem Grundwerkstoff in Richtung der Kohlenstoffbeschichtung. Dadurch werden im Übergangsbereich zwischen der Stützschicht und dem Grundwerkstoff des Ventilstücks beim Einwirken von großen Partikeln keine Oberflächenspannungen im Bereich des Grundwerkstoffs erzeugt, die zu einem Lösen bzw. Abplatzen der Kohlenstoffschicht bzw. der Stützschicht führen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Ventilstücks für einen Kraftstoffinjektor sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Stützschicht ist es vorgesehen, dass die Härte der Stützschicht größer ist als die des Grundwerkstoffs. Dadurch wird der Grundwerkstoff besonders gut und wirksam vor plastischen Verformungen durch Partikel geschützt.
Insbesondere wenn zusätzlich die Härte der Stützschicht geringer ist als die der Kohlenstoffschicht wird der Effekt erzielt, dass zumindest drei Härtebereiche ausgebildet werden, deren Härte sich in Richtung des den Ventilsitz ausbildenden Bereichs erhöht: Zunächst der Bereich des Grundwerkstoffs, der die geringste Härte aufweist. An diesen Bereich schließt sich der Bereich der Stützschicht an, die eine größere Härte aufweist als das Material des Grundwerkstoffs, jedoch eine geringere Härte als die Kohlenstoffbeschichtung, und zuletzt die Kohlenstoffbeschichtung, die aufgrund der größten Härte am besten dazu geeignet ist, beim Auftreten von Partikeln eine Deformation des Ventilsitzes zu vermeiden.
Bei Versuchen wurde festgestellt, dass es von Vorteil ist, wenn die Schichtdicke der Stützschicht zwischen 100µm und 500µm, vorzugsweise zwischen 100µm und 300µm beträgt. Positive Versuche wurden beispielsweise dadurch erzielt, wenn bei einem verbindungsschichtfreien Nitrieren die Stützschicht eine Schichtdicke zwischen 160µm bis 190µm und eine Härte zwischen 1000HV und 1200HV aufwies. Eine derartige Stützschicht wurde an einem vergüteten Grundwerkstoff des Ventilstücks aus X40CrMoV5-1 ausgebildet, wobei der Grundwerkstoff – abhängig vom Wärmebehandlungsverfahren – eine Härte von etwa 490HV aufwies.
Weitere positive Versuche wurden bei einer Stützschicht erzielt, die durch Vakuum-Einsatzhärten mit Hochdruckgasabschreckung an dem oben genannten Grundwerkstoff aus X40CrMoV5-1 erzeugt wurden. Dabei betrug die Schichtdicke der Stützschicht ca. 200µm und deren Härte zwischen 800HV und 900HV.
Die Erfindung soll jedoch nicht auf derartige Vakuum-Einsatzhärtverfahren bzw. Nitrierverfahren des Grundwerkstoffs beschränkt sein. Vielmehr können derartige Stützschichten allgemein durch Diffusionsverfahren erzeugt werden.
Sowohl das verbindungsschichtfreie Nitrieren als auch das Vakuum-Einsatzhärten mit Hochdruckabschreckung bietet jedoch den besonderen Vorteil, dass im oberflächennahen Bereich des Grundwerkstoffs Druckeigenspannungen eingebracht werden, wodurch die anschließend aufgebrachte Kohlenstoffschicht vor schädlichen Zugspannungen zusätzlich geschützt wird. Insgesamt gesehen wird durch die beschriebenen Diffusionsverfahren der Grundwerkstoff des Ventilstücks im Bereich des Ventilsitzes dazu veranlasst, seine Randschichthärte zu erhöhen und damit die erfindungsgemäße Stützschicht auszubilden. Anschließend erfolgt die Kohlenstoffbeschichtung der Stützschicht, welche ein Eindringen von Partikeln in die Oberfläche aufgrund ihrer hohen Härte verhindert.
Die Erfindung umfasst auch einen Kraftstoffinjektor mit einem Ventilstück, das nach einem soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Ein derartiger Kraftstoffinjektor weist insbesondere über die Lebensdauer betrachtet einen relativ geringen Verschleiß an seinem Ventilsitz und somit geringe Undichtigkeiten, auch beim Auftreten von relativ großen Partikeln, auf.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:
1 einen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor einer selbstzündenden Brennkraftmaschine und
2 eine vereinfachte Darstellung des Ventilsitzbereichs an einem Ventilstück bei einem Kraftstoffinjektor gemäß 1 beim Auftreten von unterschiedlich großen Partikeln.
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Der in der 1 dargestellte Kraftstoffinjektor 100 weist ein länglich ausgebildetes Injektorgehäuse 101 auf, in dem in einer Längsachse eine Düsennadel 102 als Einspritzglied zum Freigeben bzw. Verschließen von in der 1 nicht dargestellten Einspritzöffnungen auf- und abbeweglich angeordnet ist. Die Betätigung der Düsennadel 102 erfolgt in an sich bekannter und daher nicht beschriebener, weil auch nicht erfindungswesentlicher Art und Weise über einen Magnetaktor 105, der einen Abfluss von Kraftstoff aus einem Steuerraum 106 steuert, in den die Düsennadel 102 mit ihrem einen Ende eintaucht. Der Steuerraum 106 ist innerhalb eines im Wesentlichen hülsenförmigen Ventilstücks 108 ausgebildet, das in einer gestuften Bohrung 109 im Injektorgehäuse 101 angeordnet ist. Das Ventilstück 108 taucht mit seinem Außenumfang bereichsweise in eine Hochdruckkammer 110 ein, die über einen Kraftstoffzulaufstutzen 111 mit einer nicht dargestellten Hochdruckquelle (Rail) verbunden ist, wobei die Hochdruckquelle den Systemdruck bereitstellt. Hierzu ist in dem Kraftstoffzulaufstutzen 111 ein im Wesentlichen eine runde Querschnittsfläche aufweisender Hochdruckkanal 112 angeordnet, der auf der Hochdruckkammer 110 zugewandten Seite über eine ebenfalls einen runden Querschnitt aufweisende, einen geringeren Querschnitt als der Hochdruckkanal 112 aufweisende Verbindungsbohrung 113 mit der Hochdruckkammer 110 verbunden ist.
Das Ventilstück 108 weist auf der dem Magnetaktor 105 zugewandten Seite eine Durchgangsbohrung 114 auf, die in Richtung eines Niederdruckbereichs des Kraftstoffinjektors 100 in einen kegelförmigen Ventilsitz 115 übergeht. Der Ventilsitz 115 wirkt mit einem beispielsweise kugelförmigen, aus einem gehärteten Stahl bestehenden Schließglied 116 zusammen, das von dem Magnetaktor 105 betätigbar ist und das in der in der 1 dargestellten Stellung auf dem Ventilsitz 115 aufsitzt, um einen Abfluss von Kraftstoff aus dem Steuerraum 106 über die Durchgangsbohrung 114 in den Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors 100 zu vermeiden.
In der 2 ist stark vereinfacht ein Schnitt im Bereich des Ventilsitzes 115 des Ventilstücks 108 dargestellt. Das Ventilstück 108 besteht auf der dem Ventilsitz 115 abgewandten Seite aus einem Grundwerkstoff 119 aus Stahl, insbesondere aus X40CrMoV5-1. Auf diesen Grundwerkstoff 119 des Ventilstücks 108 ist eine erfindungsgemäße Stützschicht 120 aufgebracht. Die Dicke d der Stützschicht 120 beträgt zwischen 100µm und 500µm, vorzugsweise zwischen 100µm und 300µm. Die Stützschicht 120 ist durch ein Diffusionsverfahren ausgebildet, wobei die Härte der Stützschicht 120 beispielsweise, je nach Herstellverfahren, zwischen 800HV und 1200HV beträgt. Demgegenüber beträgt die Härte des vorab gehärteten Grundwerkstoffs des Ventilstücks 108 beispielsweise etwa 490HV.
Auf die Stützschicht 120 ist eine Kohlenstoffschicht 130 aufgebracht, deren Härte wiederum größer ist als die Härte der Stützschicht 120. Die Dicke D der Kohlenstoffschicht 130 beträgt beispielsweise etwa 2µm.
In der 2 ist darüber hinaus das Verhalten einer derartigen Stützschicht 120 bzw. einer Kohlenstoffschicht 130 im Bereich des Ventilsitzes 115 beim Auftreten von Partikeln 1a, 1b dargestellt, wenn diese beispielsweise beim Schließen des Schließglieds 116 zwischen dem Schließglied 116 und dem Ventilsitz 115 des Ventilstücks 108 eingeklemmt werden. Während das Partikel 1a eine verhältnismäßig geringe Partikelgröße aufweist, weist das Partikel 1b eine relativ große Partikelgröße auf. Insbesondere erkennt man, dass das Partikel 1a lediglich bereichsweise in die Kohlenstoffschicht 130 eindringt, während das Partikel 1b das Material der Stützschicht 120 deformiert und diese dabei bis in das Material des Grundwerkstoffs 119 verdrängt. Jedoch wird durch die soweit beschriebene Stützschicht 120 ein Abplatzen der Kohlenstoffschicht 130 von dem Material des Grundwerkstoffs 119 des Ventilstücks 108 vermieden. Idealerweise nimmt die Härte des Materials des Ventilstücks 108, beginnend von dem Material des Grundwerkstoffs 119, in Richtung der Kohlenstoffschicht 130 stetig bzw. insbesondere nicht sprunghaft zu.
Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 100 bzw. das Ventilstück 108 können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt oder modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht darin, zwischen dem Grundmaterial des Ventilstücks 108 und der Kohlenstoffschicht 130 eine zusätzliche Stützschicht 120 auszubilden, die ein Abplatzen der Kohlenstoffschicht 130 beim Einwirken von Partikeln 1a, 1b verhindert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013225387 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Ventilstücks (108) für einen Kraftstoffinjektor (100), mit einem einen Ventilsitz (115) ausbildenden Bereich am Ventilstück (108), wobei das Ventilstück (108) aus einem vorzugsweise gehärtenden oder vergüteten Stahl als Grundwerkstoff (119) besteht, dessen Oberfläche im Bereich des den Ventilsitz (115) ausbildenden Bereichs mit einer Kohlenstoffschicht (130) beschichtet ist, die eine größere Härte aufweist als das Material des Grundwerkstoffs (119), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Grundwerkstoff (119) und der Kohlenstoffschicht (130) eine Stützschicht (120) ausgebildet wird, wobei die Härte der Stützschicht (120) mindestens gleich groß ist wie die des Grundwerkstoffs (119).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte der Stützschicht (120) größer ist als die des Grundwerkstoffs (119).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte der Stützschicht (120) geringer ist als die der Kohlenstoffschicht (130).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (d) der Stützschicht (120) zwischen 100µm und 500µm, vorzugsweise zwischen 100µm und 300µm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der Stützschicht (120) durch ein Diffusionsverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der Stützschicht (120) durch Vakuum-Einsatzhärten mit anschließender Hochdruckgasabschreckung oder durch Nitrieren des Grundwerkstoffs (119) des Ventilstücks (108) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen der Stützschicht (120) in dem oberflächennahen Bereich des Grundwerkstoffs (119) Druckeigenspannungen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (D) der Kohlenstoffschicht (130) zwischen 1µm und 3µm, vorzugsweise etwa 2µm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundwerkstoff für das Ventilstück (108) X40CrMoV5-1 Stahl verwendet wird.
Kraftstoffinjektor (100), aufweisend ein Ventilstück (108), das nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.