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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilnadelbaugruppe, ein Einspritzventil und ein Kraftstoffeinspritzventil mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit.
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Die insbesondere mit Kraftstoff in Berührung kommenden Komponenten eines Kraftstoffeinspritzventils unterliegen oftmals einer hohen Korrosionsrate. Ursächlich hierfür ist unter anderem das Verschweißen der Kugel mit einem die Kugel und einen Anker verbindenden Verbindungsstift. Zwar sind die Kugel und auch der Verbindungsstift oftmals aus hochkohlenstoffhaltigem Edelstahl mit hohem Chromgehalt, jedoch verbindet sich während des Schweißvorgangs im Randbereich der Kugel das Chrom mit dem Kohlenstoff zu Chromkarbid. Dies reduziert den Gehalt an freiem Chrom und verschlechtert damit die Korrosionseigenschaften des Einspritzventils. Das Kraftstoffeinspritzventil wird damit anfälliger für Korrosion und weist ferner einen höheren Verschleiß auf. Ferner bekannt ist ein Einspritzventil für Abgasnachbehandlung, das eine kolsterisierte Austenit-Kugel hat. Der Verbindungsstift ist hierbei aus Blech geformt, das aus einem weichen Austenit 1.4301 gebildet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Ventilnadelbaugruppe zeichnet sich hingegen durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit und damit durch eine lange Lebensdauer bei hoher Verschleißbeständigkeit, selbst unter korrosiven Bedingungen aus. Hierzu umfasst die Ventilnadelbaugruppe eine Ventilkugel und einen Stift, die durch eine Schweißverbindung miteinander verbunden sind. Die Kugel ist aus einer austenitischen Chrom-Nickel-Legierung gebildet und weist ein Volumeninneres und einen das Volumeninnere umgebenden Randbereich auf. Der Randbereich der Ventilkugel ist dabei kolsterisiert und/oder hoch aufgekohlt, z.B. durch Plasmacarborieren. Additiv dazu weist der Stift ein martensitisches oder ferritisches Material auf.
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Aufgrund der Verwendung einer austenitischen Chrom-Nickel-Legierung (Cr-Ni-Legierung) für die Ventilkugel wird bereits durch das Material eine hohe Korrosionsresistenz eingetragen, da sowohl Chrom als auch Nickel wenig korrosionsanfällig sind. Der Chromgehalt in der austenitischen Chrom-Nickel-Legierung beträgt dabei vorzugsweise 10 bis 30 Masse%. Übliche Dotierungsmaterialien oder weitere Legierungsbestandteile können insbesondere mit insgesamt maximal 5 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse der Cr-Ni-Legierung, in dieser Legierung enthalten sein und umfassen insbesondere Kupfer, Titan, Molybdän, Stickstoff und Schwefel. Der Nickelgehalt in der Cr-Ni-Legierung beträgt insbesondere 5 bis 30 Masse%. Beispielhafte austenitische Cr-Ni-Legierungen umfassen X5CrNi18-10, X4CrNi18-12, X8CrNiS18-9, X2CrNi19-11, X2CrNi18-9, X2CrNi18-10, X6CrNiTi18-10, X6CrNiNb18-10, X3CrNiCu18-9-4, X10CrNi18-8, X5CrNiMo17-12-2, X2CrNiMo17-12-2, X6CrNiMoTi17-12-2, X2CrNiMoN17-13-3, X2CrNiMo18-14-3, X3CrNiMo17-13-3, X2CrNiMoN17-13-5, X1NiCrMoCu25-20-5, X2CrNiMnMoNbN25-18-5-4, X1NiCrMoCuN25-20-7, X1CrNiMoCuN20-18-7 und X1CrNiMoCuN24-22-8. Diese sind aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit besonders vorteilhaft.
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Im das Volumeninnere umgebenden Randbereich, also mindestens an der Oberfläche der Ventilkugel, ist die austenitische Chrom-Nickel-Legierung kolsterisiert und/oder hoch aufgekohlt. Unter Kolsterisieren wird ein Vorgang des Aufkohlens und damit Härtens von austenitischen rostfreien Edelstählen verstanden, der die Korrosionsbeständigkeit des Edelstahls im Wesentlichen nicht beeinträchtigt. Der in hohen Mengen in die Legierung eingetragene Kohlenstoff liegt dabei in Zwischengitterplätzen in gelöster Form vor und bildet damit keine Karbide. Somit wird auch hierdurch ein hohes Maß an Korrosionsbeständigkeit erhalten. Die Härtung der Randschicht dient zudem der Verbesserung der Verschleißfestigkeit.
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Die Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Ventilnadelbaugruppe wird ferner dadurch verbessert, dass der Stift ein martensitisches oder ferritisches Material aufweist.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Zur weiteren Verbesserung der Verschleißbeständigkeit, und damit zur Erhöhung der Langzeitstabilität der Ventilnadelbaugruppe, erstreckt sich der Randbereich der Ventilkugel in radialer Richtung von der Oberfläche der Ventilkugel bis zu 0,1 mm in das Volumeninnere der Ventilkugel und insbesondere bis zu 0,05 mm in das Volumeninnere der Ventilkugel. Dies bedeutet, dass ausgehend von einer unkolsterisierten bzw. nicht hoch aufgekohlten Ventilkugel das Kolsterisieren bzw. Aufkohlen derart durchgeführt wurde, dass bis zu 0,1 mm und insbesondere bis zu 0,05 mm der Ventilkugel, gemessen von der Oberfläche der Ventilkugel in radialer Richtung der Ventilkugel, kolsterisiert bzw. aufgekohlt wurden. Der kolsterisierte/aufgekohlte Bereich ist der Randbereich und zählt damit nicht zum Volumeninneren der Ventilkugel.
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Weiter vorteilhaft im Lichte einer Verbesserung der Verschleißeigenschaften erstreckt sich der Randbereich der Ventilkugel in radialer Richtung von der Oberfläche der Ventilkugel mindestens 0,005 mm, insbesondere mindestens 0,01 mm in das Volumeninnere. Hieraus ergibt sich, dass der das Volumeninnere umgebende Randbereich der Ventilkugel, gemessen in radialer Richtung der Ventilkugel insbesondere eine Dicke von mindestens 0,005 mm bis insbesondere 0,1 mm und insbesondere eine Dicke von mindestens 0,01 mm bis insbesondere 0,05 mm aufweist. Der kolsterisierte bzw. (hoch) aufgekohlte Randbereich ist damit vorzugsweise maximal 0,1 mm dick, was die Kosten für die Herstellung der Ventilkugel reduziert. Unter diesem Aspekt ist eine Dicke des Randbereichs von maximal 0,05 mm weiter bevorzugt. Vorzugsweise ist der Randbereich dabei mit einer konstanten Dicke ausgebildet.
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Vorzugsweise beträgt der Kohlenstoffgehalt des Randbereichs der Ventilkugel in radialer Richtung von der Oberfläche der Ventilkugel bis zu 2 µm in das Volumeninnere etwa 1,5 bis 3,5 Masse%, in radialer Richtung von der Oberfläche der Ventilkugel von mehr als 2 µm bis zu 5 µm in das Volumeninnere etwa 1 bis 3 Masse%, in radialer Richtung von der Oberfläche der Ventilkugel von mehr als 5 µm bis zu 15 µm in das Volumeninnere etwa 0,5 bis 2,5 Masse% und in radialer Richtung von der Oberfläche der Ventilkugel von mehr als 15 µm bis zu 30 µm in das Volumeninnere etwa 0,1 bis 1,5 Masse%. Dies trägt zur weiteren Verbesserung der Verschleißbeständigkeit bei. Der Kohlenstoffanteil nimmt insbesondere von der Oberfläche der Ventilkugel in Richtung des Volumeninneren ab.
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Zur weiteren Stabilisierung der Ventilnadelbaugruppe im Hinblick auf die Korrosionseigenschaften beträgt ein Kohlenstoffanteil des Volumeninneren der Ventilkugel weniger als 0,15 Masse% und insbesondere weniger als 0,1 Masse%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse des Volumeninneren der Ventilkugel. Der Kohlenstoffanteil entspricht dabei einem Kohlenstoffanteil, der nicht durch die Kolsterisierung und/oder Aufkohlung sondern mit der ursprünglichen austenitischen Chrom-Nickel-Legierung eingetragen wurde.
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Aus vorstehend genannten Gründen ist das martensitische Material des Stifts vorteilhafterweise ausgewählt aus: X4CrNiMo16-5-1, X39CrMo17-1, X30CrMoN15-1, X22CrNi17-2, X17CrNi16-2, X38CrMoV15, X50CrMoV12, X39Cr13, X46Cr13, X20Cr13 und X30Cr13. Diese Werkstoffe sind auch unter den Werkstoffbezeichnungen 1.4418, 1.4122, 1.4108, 1.4044, 1.4057, 1.4117, 1.4116, 1.4031, 1.4034, 1.4021 und 1.4028 bekannt.
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Insbesondere vorteilhaft im Lichte einer Verbesserung der Korrosionseigenschaften der Ventilnadelbaugruppe ist das ferritische Material X5CrNiCuNb16-4.
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Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität der Ventilnadelbaugruppe ist das martensitische oder ferritische Gefüge gehärtet. Der Härtungsvorgang kann nach Festlegung des Materials für das martensitische oder ferritische Gefüge entsprechend ausgewählt werden.
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Ebenfalls vorteilhaft ist, um die mechanische Beständigkeit des Stifts und damit auch der Ventilnadelbaugruppe zu erhöhen, das gehärtete martensitische Gefüge kaltumgeformt und kaltverfestigt.
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Ferner erfindungsgemäß werden auch ein Einspritzventil, insbesondere ein Magneteinspritzventil, und hierunter insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil, das vorteilhaft als Benzineinspritzventil ausgebildet ist, beschrieben. Die erfindungsgemäßen Einspritzventile zeichnen sich aufgrund der Verwendung der erfindungsgemäßen Ventilnadelbaugruppe durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit und damit auch durch eine lange Lebensdauer und niedrige Verschleißrate aus.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Einspritzventils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
- 2 eine vergrößerte Schnittansicht der für das Einspritzventil aus 1 verwendeten Ventilnadelbaugruppe.
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Hierbei beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt ein Einspritzventil 10, das insbesondere als Magneteinspritzventil für das Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist, im Schnitt. Hierzu umfasst das Einspritzventil 10 eine Ventilnadelbaugruppe 1, die eine Ventilkugel 2, einen Anker 4 und einen die Ventilkugel 2 und den Anker 4 verbindenden Stift 3, einen so genannten Verbindungsstift, umfasst. Der Stift 3 und Teile der Ventilkugel 2 sind durch ein Gehäuse 5 umgeben.
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Der Stift 3 und die Ventilkugel 2 sind durch eine Schweißverbindung 8 miteinander verbunden, die insbesondere aus 2 hervorgeht.
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Die in 1 gezeigte Ventilnadelbaugruppe 1 ist in vergrößerter Schnittansicht in 2 dargestellt.
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Die Ventilkugel 2 ist aus einer austenitischen Chrom-Nickel-Legierung gebildet, die insbesondere einen Chromanteil von 17 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse der Chrom-Nickel-Legierung, aufweist. Diese austenitische Chrom-Nickel-Legierung bildet ein Volumeninneres 7 der Ventilkugel 2, das von einem Randbereich 6 umgeben ist. Hierbei erstreckt sich der Randbereich 6 der Ventilkugel 2 in radialer Richtung von einer Oberfläche 9 der Ventilkugel 2 mindestens 0,005 mm und insbesondere mindestens 0,01 mm in das Volumeninnere 7 der Ventilkugel 2. Vorzugsweise beträgt eine Dicke D des das Volumeninnere 7 umgebenden Randbereichs 6 der Ventilkugel 2 insbesondere 0,005 mm bis 0,1 mm. Hierbei wird die Dicke D in radialer Richtung der Ventilkugel 2 von der Oberfläche 9 der Ventilkugel 2 in Richtung des Volumeninneren 7 gemessen. Die Dicke D des Randbereichs 6 ist vorteilhafterweise konstant und somit gleichmäßig dick ausgebildet.
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Das Volumeninnere 7 und der Randbereich 6 sind unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung. Vielmehr ist der Randbereich 6 der Ventilkugel 2 kolsterisiert und/oder hoch aufgekohlt.
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Vorzugsweise beträgt der Kohlenstoffgehalt des Randbereichs 6 der Ventilkugel 2 in radialer Richtung von der Oberfläche 9 der Ventilkugel 2 bis zu 2 µm in das Volumeninnere 7 etwa 1,5 bis 3,5 Masse%, in radialer Richtung von der Oberfläche 9 der Ventilkugel 2 von mehr als 2 µm bis zu 5 µm in das Volumeninnere 7 etwa 1 bis 3 Masse%, in radialer Richtung von der Oberfläche 9 der Ventilkugel 2 von mehr als 5 µm bis zu 15 µm in das Volumeninnere 7 etwa 0,5 bis 2,5 Masse% und in radialer Richtung von der Oberfläche 9 der Ventilkugel 2 von mehr als 15 µm bis zu 30 µm in das Volumeninnere 7 etwa 0,1 bis 1,5 Masse%.
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In der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform weist der Stift 3 ein martensitisches oder ferritisches Material auf, das insbesondere ausgewählt ist aus X4CrNiMo16-5-1, X39CrMo17-1, X30CrMoN15-1, X22CrNi17-2, X17CrNi16-2, X38CrMoV15, X50CrMoV12, X39Cr13, X46Cr13, X20Cr13 und X30Cr13, und das vorzugsweise gehärtet ist, so dass die Ventilnadelbaugruppe nicht nur durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit, sondern auch durch eine sehr gute mechanische Stabilität ausgezeichnet ist.
