DE102019209639A1

DE102019209639A1 - Bauteil für einen Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren

Info

Publication number: DE102019209639A1
Application number: DE102019209639.5A
Authority: DE
Inventors: Torsten Trossmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2021-01-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil für einen Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren, das einen metallischen Grundwerkstoff (2) und eine mindestens abschnittsweise auf dem Grundwerkstoff (2) angeordnete erste Beschichtung (4, 8) umfasst,wobei die erste Beschichtung (4) mindestens ein Oxid mindestens eines Ventilmetalls umfasst oder wobei die erste Beschichtung (8) eine keramische Beschichtung ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil für einen Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie einen Injektor für Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren.
Ventilkörper von Injektoren für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren unterliegen hohen Festigkeitsanforderungen aufgrund hoher Einspritzdrücke, und werden üblicherweise aus hochfesten und weitestgehend korrosionsbeständigen martensitischen Chromstählen hergestellt. Ein dauerhaft hoher Korrosionsschutz insbesondere bei wasserhaltigen Kraftstoffen oder Kraftstoffgemischen oder bei der Einspritzung von Wasser-Kraftstoffemulsionen, kann jedoch nicht gewährleistet werden. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit zur brennraumseitigen Kondensation von säurehaltigen Abgasen, die ebenfalls zur Korrosion der Ventilkörper beitragen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Bauteil für einen Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren zeichnet sich hingegen durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit auch unter stark korrosiven Bedingungen aus. Das Risiko und die Geschwindigkeit einer korrosionsbedingten Rissbildung, die an die parallel ablaufenden, gekoppelten Teilreaktionen der Auflösung des Materials im Riss, also der anodischen Teilreaktion, und einer kathodischen Teilreaktion an der freien Oberfläche des korrodierenden Materials, gebunden sind, werden minimiert.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Bauteil einen metallischen Grundwerkstoff und eine mindestens abschnittsweise auf dem Grundwerkstoff angeordnete erste Beschichtung umfasst. Der metallische Grundwerkstoff ist im Einzelnen nicht beschränkt, sofern er den Festigkeitsanforderungen unter bestimmungsgemäßem Gebrauch des Bauteils genügt. Die erste Beschichtung umfasst mindestens ein Oxid mindestens eines Ventilmetalls oder eine keramische Beschichtung. Die keramische Beschichtung kann z.B. ebenfalls mindestens ein Oxid eines Ventilmetalls umfassen, wird aber als solche, also als bereits vollständig keramisch ausgebildete Beschichtung spezifisch aufgetragen, während sich ein Oxid eines Ventilmetalls auch erst nach und nach bilden kann, z.B. während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Bauteils.
Die erste Beschichtung kann dabei in Form einer oder mehrere Lagen vorliegen. Vorteilhafterweise wird die erste Beschichtung durch mindestens ein Oxid mindestens eines Ventilmetalls gebildet, wobei auch Mischungen von zwei oder mehreren Oxiden von Ventilmetallen in der ersten Beschichtung vorhanden sein können. Ventilmetalle sind als Isolatoren aus der Halbleitertechnik bekannt und werden beispielsweise für Kondensatoren eingesetzt. Ventilmetalle zeichnen sich dadurch aus, dass sie sehr rasch mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff defektarme Oxide geringer Löslichkeit und geringer Elektronenleitfähigkeit, und bei hohen Potenzialen auch geringer Leitfähigkeit von Metallkationen bzw. deren Leerstellen (Lochleitung) bilden. Gemäß einer ersten Alternative der vorliegenden Erfindung werden für die erste Beschichtung diese Oxide der Ventilmetalle eingesetzt.
Die erste Beschichtung bedeckt den Grundwerkstoff mindestens abschnittsweise und insbesondere in den Bereichen, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Bauteils korrosiven Bedingungen unterliegen. Somit kann auch der gesamte Grundwerkstoff des Bauteils mit einer ersten Beschichtung beschichtet sein, was die Herstellung des Bauteils vereinfacht.
Durch die erfindungsgemäße erste Beschichtung wird eine Potenzialabsenkung im Bereich der einem Medium zugewandten Anteile eines Anrisses (Rissmund) am Bauteil erzielt. Durch die damit einhergehende Absenkung der Potenzialdifferenz zur Rissspitze wird einer Erhöhung der Rissfortschrittsgeschwindigkeit entgegengewirkt und die Bildung eines zum Bauteilversagen führenden Langrisses unterbunden. Durch die erste Beschichtung werden elektrisch isolierenden Sperrschichten geringer lonenleitfähigkeit gebildet. Dies wird durch die Verwendung mindestens eines Oxids eines Ventilmetalls bzw. durch eine keramische erste Beschichtung erzielt. Der weitere Verbrauch der durch Korrosion gebildeten Elektronen an der an dem Anriss angrenzenden Oberfläche wird durch die Impedanz der Grenzschicht behindert und bleibt damit auf den Bereich des Rissmundes beschränkt. Gleichzeitig wird auch der Stofftransport der zur Aufrechterhaltung der Korrosion relevanten Spezies zur Rissspitze vermindert. Hieraus ergibt sich eine Verminderung des Korrosionspotenzials am zu schützenden Grundwerkstoff. Hieraus resultiert eine vollständige Unterbindung oder eine technisch als Lebensdauerverlängerung nutzbare Verlangsamung korrosionsinduzierter Rissbildungen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Grundwerkstoff ausgewählt aus martensitischen Chromstählen, aus ferritischen Chromstählen oder aus austenitischen Chrom-Nickel-Stählen. Hierunter sind martensitische Chromstähle und ferritische Chromstähle aufgrund der hohen mechanischen Festigkeiten besonders bevorzugt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung mindestens ein Oxid mindestens eines Ventilmetalls umfasst und das Bauteil ferner eine zweite Beschichtung umfasst. Die zweite Beschichtung ist dabei zwischen dem Grundwerkstoff und der ersten Beschichtung angeordnet und umfasst mindestens ein Ventilmetall. Durch diese Ausführungsform wird eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit erzielt, da, sofern die erste Beschichtung fehlerhaft ist, und somit ein Oxidationsmittel, wie z.B. Sauerstoff, durch die erste Beschichtung tritt, das Ventilmetall der zweiten Beschichtung oxidiert. Wie bereits vorstehend dargelegt, werden durch diese Oxidationsreaktion defektarme Oxide geringer Löslichkeit und geringer Elektronenleitfähigkeit, und bei hohen Potenzialen auch geringer ionischer Leitfähigkeit, gebildet, was die Fortführung einer korrosionsbedingten Rissbildung durch Blockierung der elektrochemischen Teilreaktionen der Korrosion, reduziert.
Aufgrund der sehr guten antikorrosiven Wirkung, umfasst die keramische Beschichtung ein Oxid, ein Nitrid, ein Carbid oder ein Borid eines Ventilmetalls oder Mischungen daraus. Ein Oxid, Nitrid, in Carbid oder Borid eines p-halbleitenden Ventilmetalls ist hierunter besonders bevorzugt, um den Transport von Kationenleerstelle zum metallischen Grundwerkstoff bzw. von Sauerstoffleerstellen der dem Medium zugewandten Grenzfläche der Beschichtung zu reduzieren.
Besonders bevorzugt ist das Ventilmetall ausgewählt aus Aluminium, Tantal, Titan, Niob, Hafnium, Zirkon, Mischungen dieser Metalle und Legierungen dieser Metalle, da sich die vorstehend gelisteten Metalle durch eine besonders hohe antikorrosive Wirkung, und dabei durch eine gute Verfügbarkeit und geringe Toxizität auszeichnen.
Ferner vorzugsweise umfasst die erste Beschichtung mindestens ein Element, ausgewählt aus Platin, Palladium und Indium. Die vorstehend genannten Elemente sind Edelmetalle, die erfindungsgemäß zur Dotierung der ersten Beschichtung eingesetzt werden und hierbei eine Reduktion des für die Korrosion benötigten Korrosionsmittels herbeiführen, so dass die antikorrosive Wirkung der ersten Beschichtung verbessert wird. Da das korrosive Medium insbesondere an der Oberfläche der ersten Beschichtung angreift, ist es ferner auch im Hinblick auf die Kosten der ersten Beschichtung von Vorteil, dass Platin und/oder Palladium und/oder Indium, und hierunter insbesondere Platin und/oder Palladium, auf einer äußeren Oberfläche der ersten Beschichtung angeordnet sind.
Vorteilhafterweise liegt das Element hierbei partikelförmig oder in Form einer dritten Beschichtung vor, wobei die Schichtdicke der dritten Beschichtung insbesondere weniger als 1 µm beträgt. Bei der Schichtdicke handelt es sich um eine durchschnittliche Schichtdicke. Eine partikelförmige Verteilung kann beispielsweise eine inselförmige Anordnung des oder der Elemente sein. Die dritte Beschichtung kann als durchgehende Schicht dieser Edelmetalle erhalten werden.
Eine maximale Reduktion an Oxidationsmittel bei minimalem Einsatz an Edelmetall kann vorteilhafterweise dadurch erzielt werden, dass der Anteil an dem Element, bezogen auf die Gesamtmasse an Element und erster Beschichtung, weniger als 1 Masse% und insbesondere weniger als 0,3 Masse% beträgt. Werden zwei oder mehrere Elemente in Kombination eingesetzt, so bezieht sich dieser Anteil auf die Summe der eingesetzten Elemente, bezogen auf die Gesamtmasse an diesen Elementen und der ersten Beschichtung.
Zur Verbesserung der antikorrosiven Wirkung bei gleichzeitig materialsparender Herstellung und hoher mechanischer Stabilität, beträgt die Schichtdicke der ersten Beschichtung mehr als 1 µm bis 200 µm, insbesondere mehr als 1 µm bis 20 µm und insbesondere mehr als 1 µm bis 10 µm.
Vorzugsweise ist das Bauteil ausgebildet als Ventilsitz, Gehäuse oder Anker. Diese Bauteile kommen hauptsächlich mit korrosiven Medien in Kontakt und werden daher erfindungsgemäß vorteilhafterweise vor Korrosion geschützt.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren beschrieben, der mindestens ein wie vorstehend dargelegtes Bauteil umfasst. Aufgrund des sehr gut vor Korrosion und insbesondere vor korrosionsbedingter Rissbildung bzw. Rissfortschreitung geschützten erfindungsgemäßen Bauteils, zeichnet sich auch der erfindungsgemäße Injektor durch eine reduzierte Korrosionsneigung aus. Der erfindungsgemäße Injektor weist somit eine lange Lebensdauer auf.
Ferner erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für einen Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren beschrieben. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren einen Schritt des mindestens abschnittsweisen Ausbildens einer ersten Beschichtung auf einem metallischen Grundwerkstoff des Bauteils, wobei die erste Beschichtung mindestens ein Oxid mindestens eines Ventilmetalls umfasst oder wobei die erste Beschichtung eine keramische Beschichtung ist.
In Bezug auf die Definitionen, Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Bezug genommen auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Bauteil. Ferner wird angeführt, dass das erfindungsgemäße Verfahren dazu geeignet ist, das erfindungsgemäße Bauteil herzustellen.
Erfindungsgemäß wird unter dem Ausbilden einer ersten Beschichtung sowohl das Aufbringen einer ersten Beschichtung auf einen vorgesehenen Abschnitt des metallischen Grundwerkstoffs wie auch das Aufbringen eines Vorläufers der ersten Beschichtung, verstanden, wobei der Vorläufer in einem weiteren Verfahrensschritt mindestens teilweise in die erste Beschichtung umgewandelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung eines Bauteils für einen Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren, das durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit auch unter stark korrosiven Bedingungen gekennzeichnet ist. Durch das Ausbilden der ersten Beschichtung auf dem Grundwerkstoff, die den Grundwerkstoff in den Bereichen vorzugsweise vollständig zumindest bedeckt, die direkt mit einem korrosiven Medium in Verbindung stehen, werden das Risiko und die Geschwindigkeit einer korrosionsbedingten Rissbildung reduziert. Das Verfahren ist einfach, ohne hohen technischen Aufwand umsetzbar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Verfahren ferner ein Anordnen einer zweiten Beschichtung auf dem Grundwerkstoff vor dem Ausbilden der ersten Beschichtung. Insbesondere umfasst die zweite Beschichtung ein Ventilmetall bzw. ist aus mindestens einem Ventilmetall gebildet. Das Ventilmetall unterstützt die antikorrosiven Eigenschaften der ersten Beschichtung. Auch kann die erste Beschichtung aus der zweiten Beschichtung hervorgehen, indem das oder die Ventilmetalle unter bestimmungsgemäßem Gebrauch des Bauteils oder aber durch gezielte Oxidation in ein Oxid bzw. in Oxide der entsprechenden Ventilmetalle umgewandelt wird.
Insbesondere vorteilhaft kann das Ausbilden der ersten Beschichtung durch bestimmungsgemäßen Gebrauch des Bauteils oder durch einen gezielten Oxidationsprozess erfolgt. Die Anwendung eines Oxidationsprozesses hat dabei den Vorteil, dass die Schichtdicke der auszubildenden ersten Beschichtung sehr gut steuerbar ist.
Das Ausbilden der ersten Beschichtung und/oder das Anordnen der zweiten Beschichtung kann vorzugsweise durch PVD, CVD, ALD, Sputtern, Aufdampfen, Spritzen, chemisches oder elektrochemisches Beschichten, Cladding, Löten, Schweißen, Drucken oder ein Sol-Gel-Verfahren ausgeführt werden.
Durch gezielte Auswahl eines oder mehrerer der vorstehend genannten Beschichtungsverfahren können die Schichtdicke und die Zusammensetzung der ersten Beschichtung und/oder der zweiten Beschichtung gezielt gesteuert werden. Eine mittels ALD bereitgestellte Beschichtung weist eine besonders dünne Schichtdicke auf.
Das Verfahren kann weiter vorteilhaft einen Schritt des Einbringens oder Aufbringens mindestens eines Elements, ausgewählt aus Platin, Palladium und Indium, in oder auf eine äußere Oberfläche der ersten Beschichtung umfassen. Dies bedeutet, dass das Element z.B. als Dotierungselement in der ersten Beschichtung vorhanden sein kann oder aber auf einer der Umgebung des Bauteils zugewandten Oberfläche angeordnet sein kann. Das oder die erfindungsgemäß eingesetzten Elemente führen eine Reduktion des für die Korrosion benötigten Korrosionsmittels herbei, so dass die antikorrosive Wirkung der ersten Beschichtung verbessert wird.
Hierzu ist es insbesondere von Vorteil, wenn das Element partikelförmig oder in Form einer dritten Beschichtung vorliegt, wobei die Schichtdicke der dritten Beschichtung insbesondere weniger als 1 µm beträgt und/oder wobei der Anteil an dem Element, bezogen auf die Gesamtmasse an Element und erster Beschichtung weniger als 1 Masse% beträgt. Diese geringen Schichtdicken bzw. geringen Mengen sind ausreichend, um die antikorrosive Wirkung des Bauteils zu verbessert und tragen ferner zur kosteneffizienten Herstellung des Bauteils bei. Werden zwei oder mehrere der Elemente verwendet, so bezieht sich der Anteil an Element auf die Summe aller Elemente.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 ein Bauteil für einen Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 ein Bauteil für einen Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren gemäß einer zweiten Ausführungsform,
3 ein Schema veranschaulichend die vorteilhaften Effekte des Bauteils aus 1 und
4 ein Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren gemäß einer dritten Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind nur die erfindungswesentlichen Merkmale gezeigt. Alle übrigen Merkmale sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bzw. Bauteile.
Im Detail zeigt 1 ein Bauteil 1 für einen Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Bauteil umfasst einen metallischen Grundwerkstoff 2, der insbesondere ausgewählt ist aus martensitischen Chromstählen, aus ferritischen Chromstählen oder aus austenitischen Chrom-Nickel-Stählen.
Auf dem Grundwerkstoff 2 ist eine zweite Beschichtung 3 angeordnet, die in dieser Ausführungsform eine Oberfläche 6 des Grundwerkstoffs 2 vollständig bedeckt. Die zweite Beschichtung 3 umfasst mindestens ein Ventilmetall, das insbesondere ausgewählt ist aus Aluminium, Tantal, Titan, Niob, Hafnium, Zirkon, Mischungen dieser Metalle und Legierungen dieser Metalle.
Auf der zweiten Beschichtung 3 ist eine erste Beschichtung 4 angeordnet. Die erste Beschichtung 4 ist mindestens abschnittsweise auf dem Grundwerkstoff 2 angeordnet und deckt im vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl den Grundwerkstoff 2 als auch eine Oberfläche 7 der zweiten Beschichtung 3 vollständig ab. Die erste Beschichtung 3 umfasst dabei mindestens ein Oxid mindestens eines Ventilmetalls.
Das Ventilmetall der ersten Beschichtung 4 kann dabei vorteilhafterweise ebenso wie das Ventilmetall der zweiten Beschichtung 3 ausgewählt sein aus Aluminium, Tantal, Titan, Niob, Hafnium, Zirkon, Mischungen dieser Metalle und Legierungen dieser Metalle.
Die erste Beschichtung 3 umfasst zudem mindestens ein Element 5, ausgewählt aus Platin, Palladium und Indium. Das Element 5 liegt in partikulärer Form verteilt in der ersten Beschichtung 3 vor. Insbesondere liegt das Element 5 an der der Umgebung zugewandten Oberfläche der ersten Beschichtung 3 vor. Durch das Element 5 kann eine antikorrosive Wirkung des Bauteils 1 verbessert werden.
Die erste Beschichtung 4 kann beispielsweise durch Oxidation der Oberfläche 7 der zweiten Beschichtung 3 in Wasser oder durch Oxidation während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Bauteils ausgebildet werden. Alternativ dazu kann das Oxid eines Ventilmetalls auch vor dem Aufbringen auf die zweite Beschichtung 3 vorliegen und sodann appliziert werden.
Geeignete Verfahren zum Ausbilden der ersten Beschichtung 4 und/oder zum Anordnen der zweiten Beschichtung 3 umfassen PVD, CVD, ALD, Sputtern, Aufdampfen, Spritzen, chemisches oder elektrochemisches Beschichten, Cladding, Löten, Schweißen, Drucken und die Anwendung eines Sol-Gel-Verfahrens.
Die Gesamtschichtdicke S der ersten Beschichtung 4 und der zweiten Beschichtung 3 beträgt insbesondere mehr als 1 µm bis 200 µm, wobei die Gesamtschichtdicke S senkrecht zur Schichtanordnung gemessen wird.
Bei Anwendung von ALD beträgt die Gesamtschichtdicke S vorzugsweise nicht mehr als 20 nm, um einer Defektbildung effektiv vorzubeugen. Bei mehrlagiger Ausbildung der ersten Beschichtung 4 oder der zweiten Beschichtung, ist eine Kombination von p-Halbleitern und n-Halbleitern zur Verbesserung der Sperrwirkung bevorzugt.
Wie weiter unten mit Bezug auf 3 beschrieben ist, zeichnet sich das Bauteil 1 durch eine hohe antikorrosive Wirkung aus. Insbesondere werden eine Rissbildung sowie eine Rissweiterleitung verhindert bzw. deutlich reduziert. Das Vorsehen des Elements 5 führt dazu, dass das Oxidationsmittel (in den meisten Fällen Sauerstoff) katalytisch umgesetzt und damit nicht mehr für die die Rissbildung unterstützenden Reaktionen zur Verfügung steht.
2 zeigt ein Bauteil 10 für einen Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Bauteil 10 unterscheidet sich von Bauteil 1 aus 1 dadurch, dass auf der Oberfläche 6 des Grundwerkstoffs 2 eine erste Beschichtung 8 angeordnet ist, die eine keramische Beschichtung ist. Die keramische Beschichtung weist insbesondere eine Porosität von weniger als 1 µm²/cm² auf. Die Porosität kann mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie im freien Korrosionspotenzial aus dem Abgleich der frequenzabhängigen komplexen Impedanz mit der zugehörigen Impedanz der physiko-chemischen Ersatzschaltung einer porösen Elektrode ermittelt werden.
Zudem liegt das Element 5 in Form einer durchgehenden Schicht vor, die vorzugsweise mittels ALD auf die Oberfläche 9 der ersten Beschichtung 8 aufgebracht wurde und eine Schichtdicke von weniger als 20 nm aufweist.
Auch das Bauteil 10 zeichnet sich durch sehr gute antikorrosive Eigenschaften und insbesondere durch eine verminderte Korrosionsrissbildung und Weiterleitung einer Rissbildung aus.
3 ist ein Schema zur Veranschaulichung der vorteilhaften Effekte des Bauteils 1 aus 1.
In 3 ist das Bauteil 1 aus 1 mit einem Riss 11 dargestellt. Der Riss 11 umfasst eine Rissspitze 13 und einen Rissmund 14. Die durchgezogenen und darüber hinaus gestrichelten Pfeile stellen einen Elektronenfluss aus dem Riss 11 am Grundwerkstoff 2 an die Oberfläche 12 der ersten Beschichtung 4 dar. An der Oberfläche 12 der ersten Beschichtung 4 bzw. in deren Umgebung erfolgt eine Reaktion eines Oxidationsmittels, wie z.B. Sauerstoff aus der Luft, wie z.B.: $O_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-} \to 2 H_{2} O$
(kathodische Teilreaktion)
Wie nachstehend veranschaulicht wird, bewirkt eine Hemmung der vorstehenden kathodischen Teilreaktion auch eine Reduktion der anodischen Teilreaktion im Riss 11, bei der der metallische Grundwerkstoff 2 unter Abgabe von Elektronen in Richtung des durchgezogenen Pfeils und darüber hinaus durch die zweite Beschichtung 3 und die erste Beschichtung 4 in Richtung des gestrichelten Pfeils oxidiert wird.
Durch die erste Beschichtung 4 und die zweite Beschichtung 3 wird eine sogenannte elektrisch isolierende Sperrschicht mit geringer lonenleitfähigkeit gebildet, wodurch eine korrosionsbedingte Rissbildung bzw. Rissfortbildung unterbunden wird. Zudem wird der weitere Verbrauch der durch Korrosion gebildeten Elektronen durch die Impedanz der Grenzschicht zwischen erster Beschichtung 4 und zweiter Beschichtung 3 behindert. Gleichzeitig wird auch der Stofftransport, der zur Aufrechterhaltung der Korrosion relevanten Spezies von Metallionen zum Rissmund bzw. kritischer Anionen zur Risspitze am Grundwerkstoff 2 behindert. Hieraus folgt eine Verminderung des Korrosionspotenzials am zu schützenden Grundwerkstoff 2 woraus eine Reduktion des Schädigungsfortschritts lokaler Korrosionsarten, wie z.B. Lochkorrosion und interkristalline Korrosion sowie eine vollständige Unterbindung oder zumindest eine deutliche Verlangsamung einer korrosionsinduzierten Rissbildung resultiert.
4 zeigt einen Injektor 100 für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren gemäß einer dritten Ausführungsform. Insbesondere dargestellt ist ein Einspritzventil, das für das Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist, im Schnitt. Hierzu umfasst das Einspritzventil einen Ventilsitz 101, eine Ventilkugel 102, einen Anker 104 und einen die Ventilkugel 102 und den Anker 104 verbindenden Stift 1033, einen so genannten Verbindungsstift. Der Stift 103 und Teile der Ventilkugel 102 sind durch ein Gehäuse 105 umgeben.
Der Stift 103 und die Ventilkugel 102 sind insbesondere durch eine Schweißverbindung miteinander verbunden.
Insbesondere der Ventilsitz 101 und Gehäuse 105 kommen mit korrodierenden Medien, wie z.B. mit unverbranntem Kraftstoff, Kraftstoff-Wasser-Gemisch, Wasser, Luft und kondensierten Abgasen in Verbindung und neigt daher zu Korrosion. Das Ventilsitz 101 und Gehäuse 105 sind ein Bauteil im Sinne der vorliegenden Erfindung und umfasst einen metallischen Grundwerkstoff 2 und eine mindestens abschnittsweise auf dem Grundwerkstoff 2 angeordnete erste Beschichtung 4, 8, wobei die erste Beschichtung 4 mindestens ein Oxid mindestens eines Ventilmetalls umfasst, so dass das Bauteil beispielsweise wie das Bauteil 1 aus 1 ausgebildet ist, oder wobei die erste Beschichtung 8 eine keramische Beschichtung ist und das Bauteil somit wie das Bauteil 10 aus 2 ausgebildet ist. Folglich ergeben sich die für die Bauteile der ersten und zweiten Ausführungsform dargelegten vorteilhaften Effekte auch für den Injektor 100 aus 4. Der Injektor 100 zeichnet sich damit durch sehr gute antikorrosive Eigenschaften, eine geringe Neigung zur korrosionsbedingten Rissbildung und Fortbildung des Risses aus.

Claims

Bauteil für einen Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren umfassend: - einen metallischen Grundwerkstoff (2) und - eine mindestens abschnittsweise auf dem Grundwerkstoff (2) angeordnete erste Beschichtung (4, 8), wobei die erste Beschichtung (4) mindestens ein Oxid mindestens eines Ventilmetalls umfasst oder wobei die erste Beschichtung (8) eine keramische Beschichtung ist.
Bauteil nach Anspruch 1, wobei der metallische Grundwerkstoff (2) ausgewählt ist aus martensitischen Chromstählen, aus ferritischen Chromstählen oder aus austenitischen Chrom-Nickel-Stählen.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Beschichtung (4) mindestens ein Oxid mindestens eines Ventilmetalls umfasst und wobei das Bauteil (1) ferner eine zweite Beschichtung (3) umfasst, wobei die zweite Beschichtung (3) zwischen dem metallischen Grundwerkstoff (2) und der ersten Beschichtung (4) angeordnet ist und mindestens ein Ventilmetall umfasst.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die keramische Beschichtung ein Oxid, ein Nitrid, ein Carbid oder ein Borid eines Ventilmetalls oder Mischungen daraus, insbesondere ein Oxid, ein Nitrid, ein Carbid oder ein Borid eines p-halbleitenden Ventilmetalls umfasst.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventilmetall ausgewählt ist aus Aluminium, Tantal, Titan, Niob, Hafnium, Zirkon, Mischungen dieser Metalle und Legierungen dieser Metalle.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Beschichtung (4, 8) und insbesondere eine äußere Oberfläche (12) der ersten Beschichtung, mindestens ein Element (5), ausgewählt aus Platin, Palladium und Indium, umfasst.
Bauteil nach Anspruch 6, wobei das Element (5) partikelförmig oder in Form einer dritten Beschichtung vorliegt, wobei die Schichtdicke der dritten Beschichtung insbesondere weniger als 1 µm beträgt.
Bauteil nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Anteil an dem Element (5), bezogen auf die Gesamtmasse an Element (5) und erster Beschichtung (4, 8) weniger als 1 Masse% beträgt.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke der ersten Beschichtung (4, 8) mehr als 1 µm bis 200 µm, insbesondere mehr als 1 µm bis 20 µm beträgt und insbesondere mehr als 1 µm bis 10 µm beträgt.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet als Ventilsitz, Gehäuse oder Anker.
Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren umfassend mindestens ein Bauteil (1, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1, 10) für einen Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren umfassend einen Schritt des mindestens abschnittsweisen Ausbildens einer ersten Beschichtung (4, 8) auf einem metallischen Grundwerkstoff (2) des Bauteils (1, 10), wobei die erste Beschichtung (4) mindestens ein Oxid mindestens eines Ventilmetalls umfasst oder wobei die erste Beschichtung (8) eine keramische Beschichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Beschichtung (4) mindestens ein Oxid mindestens eines Ventilmetalls umfasst und wobei das Verfahren ferner ein Anordnen einer zweiten Beschichtung (3) auf dem metallischen Grundwerkstoff (2) vor dem Ausbilden der ersten Beschichtung (4) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Ausbilden der ersten Beschichtung (4) durch bestimmungsgemäßen Gebrauch des Bauteils oder durch einen Oxidationsprozess erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Ausbilden der ersten Beschichtung (4, 8) und/oder das Anordnen der zweiten Beschichtung (3) durch PVD, CVD, ALD, Sputtern, Aufdampfen, Spritzen, chemisches oder elektrochemisches Beschichten, Cladding, Löten, Schweißen, Drucken oder ein Sol-Gel-Verfahren ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, umfassend einen Schritt des Einbringens oder Aufbringens mindestens eines Elements (5), ausgewählt aus Platin, Palladium und Indium, in die erste Beschichtung (8) oder auf eine äußere Oberfläche (9) der ersten Beschichtung (8).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Element (5) partikelförmig oder in Form einer dritten Beschichtung vorliegt, wobei die Schichtdicke der dritten Beschichtung insbesondere weniger als 1 µm beträgt und/oder wobei der Anteil an dem Element (5), bezogen auf die Gesamtmasse an Element (5) und erster Beschichtung (4, 8), weniger als 1 Masse% beträgt.