DE102022209916A1 - Workpiece with DLC coating, for example pump piston of a high-pressure fuel pump - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Werkstück, beispielsweise einen Pumpenkolben einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe, mit einer auf seine Oberfläche aufgebrachten DLC-Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die DLC-Beschichtung jeweils eine Vielzahl von in Richtung senkrecht zur Oberfläche im Wechsel aufeinanderfolgenden Schichten CrN und a-C:H aufweist.The invention relates to a workpiece, for example a pump piston of a high-pressure fuel pump, with a DLC coating applied to its surface, characterized in that the DLC coating has a plurality of alternating layers of CrN and a-C:H in the direction perpendicular to the surface .

Description

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik, zum Beispiel aus der DE 10 2009 046 281 B3 und der EP 3 064 810 A , sind bereits Werkstücke mit einer auf ihrer Oberfläche aufgebrachten DLC-Beschichtung bekannt.From the prior art, for example from the DE 10 2009 046 281 B3 and the EP 3 064 810 A , workpieces with a DLC coating applied to their surface are already known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung beruht zunächst auf dem Wunsch, derartige Schichten weiterzuentwickeln und derart zu verbessern, dass günstige Gleiteigenschaften des Werkstücks, wie ein niedriger Reibkoeffizient, bei zugleich geringem Verschleiß an dem Werkstück und an einem Reibpartner des Werkstücks realisiert werden.The present invention is initially based on the desire to further develop such layers and improve them in such a way that favorable sliding properties of the workpiece, such as a low coefficient of friction, are achieved with at the same time low wear on the workpiece and on a friction partner of the workpiece.

Es wird hierfür vorgeschlagen, dass auf einer Oberfläche des Werkstücks eine DLC-Beschichtung aufgebracht ist, die jeweils eine Vielzahl von in Richtung senkrecht zur Oberfläche im Wechsel aufeinanderfolgenden Schichten CrN (Chromnitrid) und a-C:H (wasserstoffhaltiger amorpher Kohlenstoff) aufweist.For this purpose, it is proposed that a DLC coating is applied to a surface of the workpiece, each of which has a large number of alternating layers of CrN (chromium nitride) and a-C:H (hydrogen-containing amorphous carbon) in the direction perpendicular to the surface.

Die Wirkung der Erfindung beruht einerseits darauf, dass a-C:H Schichten während des Betriebs graphitisieren und auf diese Weise eine Schmierung zwischen den Reibpartnern und somit geringe Reibkoeffizienten µ herbeiführen.The effect of the invention is based, on the one hand, on the fact that a-C:H layers graphitize during operation and in this way bring about lubrication between the friction partners and thus low friction coefficients μ.

Allerdings sind a-C:H Schichten aus dem gleichen Grund erheblich verschleißbehaftet. Sind sie selbst bereits verschlissen, können Sie das Werkstück, das mit ihnen beschichtet ist, nicht mehr ohne Weiteres vor Verschleiß schützen.However, a-C:H layers are subject to considerable wear for the same reason. If they themselves are already worn out, you can no longer easily protect the workpiece that is coated with them from wear.

CrN-Schichten sind andererseits sehr verschleißbeständig und insofern vermögen sie auch das Werkstück, das mit ihnen beschichtet ist, sehr gut vor Verschleiß zu schützen. Problematisch ist allerdings, dass in diesem Fall der Verschleiß an den Reibpartnern der entsprechend beschichteten Werkstücke aufgrund der sich ergebenden vergleichsweise hohen Reibkoeffizienten µ sehr hoch ist.On the other hand, CrN layers are very wear-resistant and in this respect they are also able to protect the workpiece that is coated with them very well against wear. The problem, however, is that in this case the wear on the friction partners of the correspondingly coated workpieces is very high due to the resulting comparatively high coefficients of friction μ.

Durch die erfindungsgemäße Vorsehung von einer Vielzahl von in Richtung senkrecht zur Oberfläche im Wechsel aufeinanderfolgenden Schichten CrN und a-C:H erhält die DLC-Schicht als Ganzes die hohe Verschleißbeständigkeit des Materials CrN bei. Dem überlagert sich jedoch die graphitisierende Wirkung der a-C:H Schichten während des Betriebs und infolgedessen ist eine Schmierung und ein geringer Reibkoeffizient µ zwischen den Reibpartnern gleichzeitig gewährleistet.Due to the provision according to the invention of a large number of CrN and a-C:H layers alternating in the direction perpendicular to the surface, the DLC layer as a whole maintains the high wear resistance of the CrN material. However, this is superimposed by the graphitizing effect of the a-C:H layers during operation and as a result, lubrication and a low coefficient of friction μ between the friction partners are guaranteed at the same time.

Insgesamt ist also eine Beschichtung erfunden worden, die günstige Gleiteigenschaften des Werkstücks bei zugleich geringem Verschleiß an dem Werkstück und an einem Reibpartner des Werkstücks realisiert.Overall, a coating has been invented that achieves favorable sliding properties of the workpiece with at the same time low wear on the workpiece and on a friction partner of the workpiece.

Die Schichten CrN und a-C:H sind vorzugsweise sehr dünn, z.B. ist die Dicke, die jede einzelne Schicht senkrecht zur Oberfläche aufweist, nicht größer als 0,5 µm oder nicht größer als 0,1 µm, beispielsweise nicht größer als 0,1 µm und nicht kleiner als 0,01 µm.The CrN and a-C:H layers are preferably very thin, for example the thickness that each individual layer has perpendicular to the surface is not greater than 0.5 μm or not greater than 0.1 μm, for example not greater than 0.1 μm and not smaller than 0.01 µm.

Es ist eine Vielzahl der jeweiligen CrN bzw. a-C:H Schichten vorgesehen, wobei die Vielzahl beispielsweise nicht kleiner als 3 ist, insbesondere nicht kleiner als 5 oder nicht kleiner als 8. (Also in Summe nicht weniger als 6, 10 bzw. 16 Schichten.)A large number of the respective CrN or a-C:H layers are provided, the number being, for example, not smaller than 3, in particular not smaller than 5 or not smaller than 8. (So in total not less than 6, 10 or 16 layers .)

Das Werkstück kann ein Substrat aus Stahl aufweisen und es kann vorgesehen sein, dass in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks zwischen dem Substrat und der DLC-Beschichtung eine Cr-Schicht angeordnet ist, die die Haftung der DLC Schicht auf dem Stahlsubstrat verbessert. Vorzugsweise hat die Cr-Schicht eine Dicke senkrecht zur Oberfläche von 0,05 µm bis 0,2 µm. An Stelle einer Cr.Schicht kann es sich auch um eine Titanschicht handeln.The workpiece can have a substrate made of steel and it can be provided that a Cr layer is arranged between the substrate and the DLC coating in the direction perpendicular to the surface of the workpiece, which improves the adhesion of the DLC layer to the steel substrate. Preferably, the Cr layer has a thickness perpendicular to the surface of 0.05 μm to 0.2 μm. Instead of a Cr layer, it can also be a titanium layer.

Bei dem Werkstück kann es sich beispielsweise um den Pumpenkolben einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe handeln, wie sie unten exemplarisch noch genauer beschrieben wird.The workpiece can be, for example, the pump piston of a high-pressure fuel pump, as described in more detail below as an example.

Nachfolgend werden eine beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

  • 1 zeigt eine vereinfachte schematisierte Darstellung eines Kraftstoffsystems mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine.
  • 2 zeigt schematisch die Oberflächenbeschichtung des Pumpenkolbens, im Teil a) im Neuzustand; im Teil b) im verschlissenen Zustand
Example embodiments of the invention are explained below with reference to the drawing.
  • 1 shows a simplified schematic representation of a fuel system with a high-pressure fuel pump for an internal combustion engine.
  • 2 shows schematically the surface coating of the pump piston, in part a) in new condition; in part b) in worn condition

1 zeigt ein Kraftstoffsystem 1 für eine weiter nicht dargestellte Brennkraftmaschine in einer vereinfachten schematischen Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 2 wird im Betreib des Kraftstoffsystems 1 Kraftstoff über eine Saugleitung 4 mittels einer Vorförderpumpe 6 und einer Niederdruckleitung 8 über einen Einlassstutzen 20 einer als Kolbenpumpe ausgeführten Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 zugeführt. Dem Einlassstutzen 20 ist ein Einlassventil 14 fluidisch nachgeordnet. Fluidisch zwischen dem Einlassstutzen 20 und dem Einlassventil 14 befindet sich ein Niederdruckbereich 28 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10. Stromabwärts des Einlassventils 14 befindet sich ein Förderraum 16 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10. Druckpulsationen in dem Niederdruckbereich 28 können mittels einer Druckdämpfervorrichtung gedämpft werden. Das Einlassventil 14 kann über eine hier als elektromagnetischer Aktor 30 ausgebildete Betätigungseinrichtung zwangsweise geöffnet werden. Die Betätigungseinrichtung und damit das Einlassventil 14 sind über eine Steuereinheit 32 ansteuerbar. 1 shows a fuel system 1 for an internal combustion engine, not shown, in a simplified schematic representation. During operation of the fuel system 1, fuel is supplied from a fuel tank 2 via a suction line 4 by means of a pre-feed pump 6 and a low-pressure line 8 via an inlet port 20 to a high-pressure fuel pump 10 designed as a piston pump. An inlet valve 14 is fluidically arranged downstream of the inlet port 20. Fluidly between the inlet port 20 and the inlet valve 14 there is a low pressure region 28 of the high fuel pressure pump 10. Downstream of the inlet valve 14 there is a delivery chamber 16 of the high-pressure fuel pump 10. Pressure pulsations in the low-pressure area 28 can be dampened by means of a pressure damper device. The inlet valve 14 can be forcibly opened via an actuating device designed here as an electromagnetic actuator 30. The actuating device and thus the inlet valve 14 can be controlled via a control unit 32.

Ein Pumpenkolben 18 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 kann mittels eines vorliegend als Nockenscheibe ausgeführten Antriebs 36 entlang einer in Längsrichtung LA verlaufenden Längsachse, zu der der Pumpenkolben 18 axial symmetrisch ist, auf und ab bewegt werden, was in der 1 durch einen Doppelpfeil 40 dargestellt ist. Fluidisch zwischen dem Förderraum 16 und einem Auslassstutzen 35 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 ist ein Auslassventil 37 angeordnet, das zu dem Auslassstutzen 35 und einem weiter stromabwärts liegenden Hochdruckspeicher 45 („Rail“) hin öffnen kann. Fluidisch zwischen dem Auslassventil 37 und dem Auslassstutzen 35 ist infolgedessen ein Hochdruckbereich 29 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 erstreckt.A pump piston 18 of the high-pressure fuel pump 10 can be moved up and down by means of a drive 36, which is designed as a cam disk, along a longitudinal axis running in the longitudinal direction LA, to which the pump piston 18 is axially symmetrical, which is in the 1 is shown by a double arrow 40. An outlet valve 37 is arranged fluidly between the delivery chamber 16 and an outlet port 35 of the high-pressure fuel pump 10, which can open towards the outlet port 35 and a high-pressure accumulator 45 (“rail”) located further downstream. As a result, a high-pressure region 29 of the high-pressure fuel pump 10 extends fluidly between the outlet valve 37 and the outlet port 35.

Über ein Druckbegrenzungsventil 22, das bei Überschreiten eines Grenzdrucks im Hochdruckbereich 29 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 bzw. in dem mit diesem kommunizierenden Hochdruckspeicher 45 öffnet, sind der Hochdruckbereich 29 und der Niederdruckbereich 28 unmittelbar miteinander verbunden. Das Druckbegrenzungsventil 22 ist als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildet und kann zum Niederdruckbereich 28 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 hin öffnen. Auf diese Weise ist der durch die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 im Hochdruckspeicher 45 erzeugbare Druck limitiert. Ein Gehäuse 12 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 ist schematisch mittels einer gestrichelten Linie angegeben.The high-pressure area 29 and the low-pressure area 28 are directly connected to one another via a pressure relief valve 22, which opens when a limit pressure in the high-pressure area 29 of the high-pressure fuel pump 10 or in the high-pressure accumulator 45 communicating with it is exceeded. The pressure relief valve 22 is designed as a spring-loaded check valve and can open towards the low-pressure region 28 of the high-pressure fuel pump 10. In this way, the pressure that can be generated by the high-pressure fuel pump 10 in the high-pressure accumulator 45 is limited. A housing 12 of the high-pressure fuel pump 10 is indicated schematically by a dashed line.

2 zeigt schematisch die Oberflächenbeschichtung des Pumpenkolbens 18, im Teil a) im Neuzustand; im Teil b) im verschlissenen Zustand. 2 shows schematically the surface coating of the pump piston 18, in part a) in new condition; in part b) in worn condition.

Der Pumpenkolben 18 weist ein massives Substrat 80 auf, das im Beispiel aus Stahl besteht. Auf dem Substrat 80 ist im Beispiel eine 0,1 µm dicke Chromschicht 81 aufgebracht, auf der wiederum eine DLC-Beschichtung aufgebracht ist, die im Wechsel beispielsweise jeweils 5 aufeinanderfolgenden CrN-Schichten 87 und a-C:H-Schichten 85 aufweist, deren Dicke pro Schicht 0,05µm beträgt. Die Gesamtdicke der DLC-Schicht beträgt also 0,5 µm.The pump piston 18 has a solid substrate 80, which in the example consists of steel. In the example, a 0.1 μm thick chrome layer 81 is applied to the substrate 80, on which a DLC coating is in turn applied, which alternately has, for example, 5 successive CrN layers 87 and a-C:H layers 85, the thickness of which per Layer is 0.05µm. The total thickness of the DLC layer is therefore 0.5 µm.

Im Neuzustand (Teil a)) ist die DLC-Schicht und die abschließende a-C:H-Schicht 85 als Außenfläche (in der 2a oben) noch intakt und vermindert wie oben beschrieben den Reibkoeffizient µ zwischen dem Werkstück und einem Reibpartner.When new (part a)), the DLC layer and the final aC:H layer 85 are the outer surface (in the 2a above) is still intact and, as described above, reduces the coefficient of friction µ between the workpiece and a friction partner.

Ist die Kraftstoff-Hochdruckpumpe jedoch bereits gelaufen (Teil b)) und hat der Pumpenkolben 18 sich bereits beispielsweise an einer Laufbuchse des Pumpengehäuses gerieben, ist ein hier winklig einwirkender Verschleiß 90 an der DLC-Schicht und an der abschließenden a-C:H-Schicht 85 als Außenfläche (in der 2b oben) und an darunterliegenden Schichten aufgetreten.However, if the high-pressure fuel pump has already been running (part b)) and the pump piston 18 has already rubbed against a liner of the pump housing, for example, there is angular wear 90 on the DLC layer and on the final aC:H layer 85 as an external surface (in the 2 B above) and on underlying layers.

Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung kommt in diesem Stadium darin zum Ausdruck, dass in diesem Stadium sowohl eine Schmierung zwischen den Reibpartnern und somit ein geringer Reibkoeffizienten µ zwischen den Reibpartnern durch die offenliegenden a-C:H-Schicht sichergestellt ist, als auch eine hohe Verschleißbeständigkeit der DLC-Schicht bzw. des Pumpenkolbens 18 gegeben ist, gerade aufgrund der an der Oberfläche offenliegenden CrN-Schichten 87.The advantageous effect of the invention is expressed at this stage in the fact that at this stage both lubrication between the friction partners and thus a low friction coefficient μ between the friction partners is ensured by the exposed a-C:H layer, as well as a high wear resistance of the DLC -Layer or the pump piston 18 is given, precisely because of the CrN layers 87 exposed on the surface.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102009046281 B3 [0001]DE 102009046281 B3 [0001]
  • EP 3064810 A [0001]EP 3064810 A [0001]

Claims (6)

Werkstück, beispielsweise Pumpenkolben (18) für eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe (10), mit einer auf seine Oberfläche aufgebrachten DLC-Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die DLC-Beschichtung jeweils eine Vielzahl von in Richtung senkrecht zur Oberfläche im Wechsel aufeinanderfolgenden Schichten CrN und a-C:H (87, 85) aufweist.Workpiece, for example pump piston (18) for a high-pressure fuel pump (10), with a DLC coating applied to its surface, characterized in that the DLC coating has a plurality of alternating layers of CrN and aC in the direction perpendicular to the surface :H (87, 85). Werkstück nach Anspruch 1, wobei die aufeinanderfolgenden Schichten CrN und a-C:H (87, 85) eine Dicke senkrecht zur Oberfläche aufweisen, die jeweils nicht größer als 0,1 µm ist, beispielsweise nicht größer als 0,5 µm und nicht kleiner als 0,01 µm ist, insbesondere nicht größer als 0,1 µm und nicht kleiner als 0,01 µm ist.workpiece Claim 1 , where the successive layers CrN and aC:H (87, 85) have a thickness perpendicular to the surface, which is each not greater than 0.1 μm, for example not greater than 0.5 μm and not smaller than 0.01 μm , in particular not larger than 0.1 µm and not smaller than 0.01 µm. Werkstück nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vielzahl nicht kleiner als 3 ist, insbesondere nicht kleiner als 5 oder nicht kleiner als 8.workpiece Claim 1 or 2 , where the plurality is not smaller than 3, in particular not smaller than 5 or not smaller than 8. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Werkstück ein Substrat (80) aus Stahl aufweist, und dass in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks zwischen dem Substrat (80) und der DLC-Beschichtung eine Cr-Schicht (81) oder eine Titanschicht angeordnet ist.Workpiece according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the workpiece has a substrate (80) made of steel, and that a Cr layer (81) or a titanium layer is arranged between the substrate (80) and the DLC coating in the direction perpendicular to the surface of the workpiece. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dicke der Cr-Schicht (81) oder der Titanschicht senkrecht zur Oberfläche 0,05 µm bis 0,2 µm beträgt.Workpiece according to one of the Claims 1 until 4 , where the thickness of the Cr layer (81) or the titanium layer perpendicular to the surface is 0.05 µm to 0.2 µm. Kraftstoff-Hochdruckpumpe (10) für ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einem Einlass (11) zur Zuführung von Kraftstoff, mit einem Auslass (34) zur Ausgabe von verdichtetem Kraftstoff, mit einem Pumpengehäuse (12), einem im Pumpengehäuse angeordneten Förderraum (16), mit einem im Pumpengehäuse (12) längs einer Längsrichtung (LA) verschiebbaren Pumpenkolben (18), der den Förderraum (16) begrenzt, mit einem zwischen dem Einlass (20) und dem Förderraum (16) angeordneten Einlassventil (14), das zum Förderraum (16) hin öffnet, mit einem zwischen dem Förderraum (16) und dem Auslass (35) angeordneten Auslassventil (37), das vom Förderraum (16) weg öffnet, mit einem Hochdruckbereich (29), der fluidisch zwischen dem Auslassventil (20) und dem Auslass (34) erstreckt ist, mit einem Niederdruckbereich (28), der fluidisch zwischen dem Einlass (11) und dem Einlassventil (14) erstreckt ist, wobei der Pumpenkolben (18) als Werkstück nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.High-pressure fuel pump (10) for a fuel system for an internal combustion engine, with an inlet (11) for supplying fuel, with an outlet (34) for dispensing compressed fuel, with a pump housing (12), a delivery chamber (16) arranged in the pump housing ), with a pump piston (18) which can be displaced in the pump housing (12) along a longitudinal direction (LA) and which delimits the delivery chamber (16), with an inlet valve (14) arranged between the inlet (20) and the delivery chamber (16), which opens towards the conveying chamber (16), with an outlet valve (37) arranged between the conveying chamber (16) and the outlet (35), which opens away from the conveying chamber (16), with a high-pressure area (29) which is fluidly connected between the outlet valve ( 20) and the outlet (34), with a low pressure region (28) which extends fluidly between the inlet (11) and the inlet valve (14), the pump piston (18) being designed as a workpiece according to one of the preceding claims .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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