EP2228462A1

EP2228462A1 - Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine Sitzfläche eines Werkstücks, sowie Werkstück mit einer beschichteten Sitzfläche

Info

Publication number: EP2228462A1
Application number: EP10152429A
Authority: EP
Inventors: Dietmar Dr. Schlager
Original assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Current assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2030-02-02
Also published as: CN101829650A; JP5481222B2; DK2228462T3; CN101829650B; JP2010209464A; KR20100101516A; EP2228462B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung (1) auf eine Sitzfläche (2) eines Werkstücks (3), wobei die Sitzfläche (2) innerhalb einer Bohrung (4) im Werkstück (3) in einem vorgegebenen Abstand (L) von einer Eingangsöffnung (5) der Bohrung (4) vorgesehen wird. Erfindungsgemäss wird in einem vorgängigen Verfahrensschritt ein Beschichtungsmaterial (100, 101, 102) auf die Sitzfläche (2) aufgebracht und in einem weiteren Verfahrensschritt die Beschichtung (1) auf der Sitzfläche (2) mittels eines Energiestrahls (6) ausgebildet, indem der Energiestrahl (6) durch die Bohrung (4) hindurch auf die Sitzfläche (2) gerichtet wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Werkstück (3) mit einer erfindungsgemäss beschichteten Sitzfläche (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine Sitzfläche eines Werkstücks, insbesondere auf eine Sitzfläche in einem Düsenkörper einer Einspritzdüse eines Zweitakt-Grossdieselmotors, sowie ein Werkstück, insbesondere Einspritzdüse mit einer beschichteten Sitzfläche gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie.
Es ist wohl bekannt, dass beispielsweise Nadelventile eine Sitzfläche aufweisen, die oft tief in sehr langen dünnen Bohrungen derart vorgesehen ist, dass eine Düsennadel des Ventils, zum Beispiel eine Düsennadel in einem Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit der Sitzfläche funktional zusammenwirken kann. So wirkt zum Beispiel im Fall von Einspritzdüsen die Düsennadel mit der Sitzfläche funktional als Ventil zusammen. Wenn sich die Düsennadel aus dem Ventilsitz heraus hebt, kann Treibstoff aus einem Druckraum in eine sich stromabwärts an den Ventilsitz anschliessende Längsbohrung strömen und von dort über Düsenlöcher in den Brennraum der Bennkraftmaschine gelangen. Wird die Düsennadel wieder in den Ventilsitz zurück bewegt, so wird die Treibstoffzufuhr zu den Düsenlöchern unterbrochen und die Einspritzung des Treibstoffs in den Berennraum beendet.
Dabei werden an die in Rede stehenden Werkstücke wie Einspritzdüsen, Steuerventile für Einspritzkomponenten, wie zum Beispiel Steuerventile für Einspritzpumpen, Sitzflächen in Schmierölbohrungen in Zylindereinsätzen von Verbrennungsmotoren, zum Beispiel in Zweitakt-Grossdieselmotoren usw. oft spezielle Anforderungen hinsichtlich des verwendbaren Materials gestellt. So werden beispielsweise Werkstücke, die in einer aggressiven Umgebung betrieben werden aus korrosionsfesten Materialien hergestellt, so dass die entsprechende Komponente unter anderem gegen hohe Temperaturen oder chemische Angriffe geschützt ist.
Ein prominentes Beispiel einer solchen hoch belasteten Komponente sind Einspritzdüsen für Zweitakt-Grossdieselmotoren, die unter anderem oft mit hochaggressivem Schweröl betrieben werden.
Bei Grossdieselmotoren, die unter anderem als Antriebsaggregate für Schiffe oder zur Stromerzeugung in Stationäranlagen verwendet werden, wird der Brennstoff - typischerweise ist das, wie oben erwähnt ein Schweröl oder ein anderer Dieselbrennstoff - mittels Brennstoffeinspritzdüsen in den Verbrennungsraum eingebracht. Diese Einspritzdüsen umfassen normalerweise einen teilweise in den Verbrennungsraum hineinragenden Düsenkopf, der auch als Zerstäuber bezeichnet wird. Der Düsenkopf ist ein Verschleissteil, das einem hohen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungskollektiv unterliegt. Je nach Grad der Belastung können am Düsenkopf Schäden, beispielsweise Materialabtrag infolge von Korrosion, Erosion und / oder Abrasion auftreten, oder auch Risse, die bis zum Auseinanderbrechen führen können.
Die mechanischen Belastungen beruhen auch auf dem hohen Einspritzdruck, der über tausend bar betragen kann. Im Inneren des Düsenkopfs können Materialverluste durch Kavitation und / oder Erosion auftreten. Die thermischen Belastungen beruhen auf den hohen Temperaturen im Brennraum und den enormen Temperaturwechseln zwischen der Verbrennungstemperatur und der Temperatur der frisch zugeführten Spülluft. Auch im Inneren des Düsenkopfs, durch welches der Brennstoff eingebracht wird, führt das intermittierende Einspritzen zu schockartigen Temperaturwechseln. Die chemische Belastung des Düsenkopfs ist hauptsächlich in der Hochtemperatur- oder Heisskorrosion begründet. Die Heisskorrosion, die in erster Linie durch im Brennstoff enthaltenes Vanadium, Natrium und Schwefel verursacht wird, begünstigt die Materialabzehrung und Erosion. Insbesondere die Korrosion ist der Grund dafür, dass ein Düsenkopf bereits nach wenigen tausend Betriebsstunden unbrauchbar sein kann und ersetzt werden muss.
Als Werkstoff für die Düsenköpfe in Grossdieselmotoren werden daher üblicherweise Stähle oder Legierungen auf Nickel- oder Cobalt-Basis, beispielsweise Stellite 6 verwendet. Mit der Cobalt-Basis-Legierung Stellite 6 lassen sich heute für Düsenköpfe in Grossdieselmotoren vertretbare Bauteilstandzeiten im Hinblick auf Erosion, Abrasion und Kavitation (insbesondere in den Bohrungen des Düsenkopfs) erreichen.
Dabei hat sich gezeigt, dass Legierungen mit hohem Chrom- und Nickelgehalt, bei welchen der Chrom- und Nickelgehalt z.B. um die 50%-Gewichtsprozent beträgt, aber vor allem auch Legierungen mit einem Chromgehalt von mehr als 50%- Gewichtsprozent, wie z.B. Cr/Ni 65/35 Legierungen, die mittels eines sogenannten HIP-Prozesses hergestellt werden, zwar sehr gute Eigenschaften in Bezug auf die oben erwähnten Probleme mit Hochtemperatur- oder Heisskorrosion haben. Solche Werkstoffe mit hohem Chrom-Gehalt und hervorragenden chemischen Eigenschaften in Bezug auf Hochtemperatur- und Heisskorrosion sind zum Beispiel bereits in der EP 1 353 061 offenbart und ausführlich beschrieben.
In der EP 2 000 550 hat die Anmelderin dabei bereits einen verbesserten Werkstoff vorgeschlagen, der insbesondere im Hinblick auf Sprödigkeit bzw. Duktilität deutliche Fortschritte bringt. Insbesondere deshalb, weil die Entwicklung im Motorenbau, vor allem im Fall von Zweitakt-Grossdieselmotoren erwarten lässt, dass bei zukünftigen, noch leistungsfähigeren Motoren vor allem auch die mechanischen Belastungsanforderungen speziell für hoch belastete Teile wie die Düsenkopfe oder Vorkammern weiter zunehmen werden. Das heisst, es werden mehr und mehr neue oder modifizierte Materialien benötigt werden, wobei gleichzeitig jedoch die hervorragenden chemischen Eigenschaften der oben beschriebenen bekannten Materialien in Bezug auf Hochtemperatur- oder Heisskorrosion erhalten bleiben müssen. In der EP 2 000 550 wird daher ein neuer Werkstoff auf Basis einer CrNi-Legierung zur Herstellung eines Halbzeugs als Ausgangsmaterial für die Bildung einer Komponente eines Verbrennungsmotors, insbesondere Grossdieselmotor, vorgeschlagen, wobei der Werkstoff einen Stickstoffgehalt von weniger als 0.1 %- Gewichtsprozent aufweist.
Obwohl der in der EP 2 000 550 vorgeschlagene neue Werkstoff zu deutlich verbesserten Eigenschaften in Bezug auf chemische und physikalische Belastungen der daraus gefertigten Komponenten führt, ist damit bei bestimmten Bauteilen auch ein Kompromiss verbunden.
So gehen gute Korrosionseigenschaften bestimmter Werkstoffe zum Beispiel zu Lasten der Härte. Zum Beispiel im Fall von Einspritzdüsen zum Einspritzen von Brennstoff, sind die Düsenkörper an sich gut gegen chemisch und physikalisch aggressive Umgebungen geschützt. Jedoch zeigen die Sitzflächen, mit denen zum Beispiel die Düsennadeln zusammenwirken, eine ungenügende Härte, was dazu führen kann, dass die entsprechenden Sitzflächen und / oder die Düsennadeln vorzeitig verschleissen, was zu Undichtigkeiten, Ungenauigkeiten bei der Treibstoffdosierung usw. führen kann.
Um Schäden am Motor insgesamt, einen durch den vorzeitigen Verschleiss des Einspritzventils erhöhten Treibstoffverbrauch oder zum Beispiel eine Erhöhung der Schadstoffe in den Verbrennungsgasen zu vermeiden, müssen die Einspritzdüsen oder zumindest deren betroffenen Komponenten frühzeitig ausgetauscht oder gewartet werden, was natürlich personal- und kostenintensiv ist und, wenn die Verschleissschäden nicht rechtzeitig erkannt werden, können diese Schäden vor allem im Fall von Hochseeschiffen zu einem erheblichen Sicherheitsrisiko werden.
Im Prinzip können diese Probleme dadurch gelöst werden, dass die Sitzflächen mit einer geeigneten Beschichtung versehen werden, so dass der Sitzfläche durch die Beschichtung die geforderten physikalischen und / oder chemischen Eigenschaften vermittelt werden.
Allerdings steht bisher kein Verfahren zur Herstellung oder Beschichtung von Sitzflächen zur Verfügung, die tief unten in langen dünnen Bohrungen vorgesehen werden müssen.
Zur Illustration des Problems soll anhand der Fig. 2a im Folgenden kurz als Beispiel eine Einspritzdüse für einen Zweitakt-Grossdieselmotor betrachtet werden. Zur besseren Unterscheidung des Stands der Technik von der vorliegenden Erfindung werden im Rahmen dieser Anmeldung die Bezugszeichen zu Merkmalen bekannter Werkstücke mit einem Hochkomma versehen, während die Bezugszeichen zu erfindungsgemässen Merkmalen kein Hochkomma tragen.
Die bekannte Einspritzdüse 31' der Fig. 2a umfasst einen Düsenkörper 300' mit einem Düsenkopfs 301', der mit dem Düsenkörper 300' verbunden ist. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Verbindung mittels einer Haltehülse 302', die sich an ihrem unteren Ende zur Längsachse A' der Brennstoffeinspritzdüse 31' hin verjüngt. Die Längsachse A' ist gleichzeitig auch Längsachse A' des Düsenkopfs 301'. Die Haltehülse 302' ist mittels einer Überwurfmutter 303' sowie eines elastischen Elements 304', zum Beispiel eines Sprengrings, am Düsenkörper 300' befestigt. Der Düsenkopf 301' stützt sich in dem sich verjüngenden Teil der Haltehülse 302' ab.
Der Düsenkopf 301' weist eine Längsbohrung 305' auf und im Bereich seines unteren Endes mindestens ein Düsenloch 306', typischerweise z. B. fünf Düsenlöcher 306', die von der Längsbohrung 305' ausgehen und durch welche der Brennstoff in den Brennraum B' austreten kann.
Im Innern des Düsenkörpers 300' ist ein Druckraum 307' vorgesehen, in welchen eine Zuführleitung 308' für den Brennstoff einmündet. Der Druckraum 307' wird in axialer Richtung von einem Ventilsitz 2' begrenzt. Ferner ist im Innern des Düsenkörpers 300' eine Düsennadel 7' angeordnet, die sich im Wesentlichen in Richtung der Längsachse A' erstreckt und die mit dem Ventilsitz 2' zusammenwirkt. In der in Fig. 2a dargestellten Schliessstellung wird die untere Spitze der Düsennadel 7' in den Ventilsitz 2' gedrückt, sodass der Durchlass aus dem Druckraum 307' in die sich stromabwärts anschliessende Längsbohrung 305' verschlossen ist. Die Düsennadel 7' ist in an sich bekannter Weise mittels einer nicht dargestellten Druckfeder federbelastet und gegen den Ventilsitz 2' vorgespannt. In der Offenstellung der Düsennadel 7' ist diese nach oben aus dem Ventilsitz 2' herausgehoben, so dass zwischen dem unteren Ende der Düsennadel 7' und dem Ventilsitz 2' ein Durchlass offen ist, durch welchen der Brennstoff aus dem Druckraum 307' in die Längsbohrung 305' gelangen kann.
Das Volumen zwischen dem Ventilsitz 2' und den Düsenlöchern 306' wird üblicherweise als Sackloch bezeichnet.
Die Längsbohrung 305' ist bei dem hier beschriebenen speziellen Beispiel als im wesentlichen zylindrische Bohrung ausgestaltet, die sich in Richtung der Längsachse A' erstreckt. Der Durchmesser d' der Längsbohrung 305' legt einen Strömungsquerschnitt fest, womit die für die Strömung des Brennstoffs zur Verfügung stehende Querschnittsfläche in der Längsbohrung 305' gemeint ist.
Die Düsennadel 7' ist in der Bohrung 4', die in Fig. 2a aus Platzgründen nur teilweise dargestellt ist, vorgesehen und hat eine Eingangsöffnung 5', durch welche die Düsennadel 7' in die Bohrung 4' einführbar ist. Die Sitzfläche 2' ist von der Eingangsöffnung 5' in einem Abstand L' vorgesehen, wobei die Bohrung 4' selbst einen inneren Durchmesser D' hat, der etwas grösser ist als ein äusserer Durchmesser der Düsennadel 7', so dass die Düsennadel 7' sicher und präzise in der Bohrung 4' geführt wird.
Der Abstand L' ist dabei typischerweise gross gegen den Durchmesser D' der Bohrung 4'. Das heisst, wenn im Rahmen der vorliegenden Anmeldung von einer langen dünnen Bohrung die Rede ist, dann ist damit eine Bohrung gemeint, deren Durchmesser klein im Vergleich zu einer für die Bohrung typischen bzw. wesentlichen Länge ist.
Im Beispiel einer Einspritzdüse gemäss Fig. 2a ist der Abstand L' der Sitzfläche 2' von der Eingangsöffnung 5' beispielsweise im Bereich von L' = 30 mm, während der Durchmesser D' der Bohrung 4' zum Beispiel nur D' =2.5 mm gross ist.
Das heisst, bei einer langen dünnen Bohrung im Sinne der vorliegenden Anmeldung beträgt der Durchmesser der Bohrung z.B. ca. 10% der massgeblichen Länge der Bohrung, wobei natürlich auch deutlich andere Verhältnisse von Durchmesser zu Bohrung möglich sind, je nachdem um welches Werkstück es sich handelt.
An dem zuvor exemplarisch geschilderten Beispiel wird klar, dass es grundsätzlich schwierig ist, die Sitzfläche im Inneren einer langen dünnen Bohrung zu bearbeiten. Wenn die absoluten Abmessungen sogar z.B. im Bereich von nur wenigen Millimetern bis zu wenigen 10 Millimetern liegen, wie beim oben diskutierten Beispiel einer Einspritzdüse, ist ein Beschichten einer Sitzfläche tief im Inneren in einer so dünnen Bohrung bisher überhaupt nicht möglich.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf einer Sitzfläche eines Werkstücks, sowie ein entsprechendes Werkstück vorzuschlagen, so dass die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme mit den Sitzflächen des Werkstücks vermieden werden, und insbesondere höhere Standzeiten und damit kürzere Wartungsintervalle und letztlich auch eine höhere Betriebssicherheit erreicht wird.
Es wird somit speziell ein Verfahren bereitgestellt, mit welchem ein Werkstück, insbesondere eine Düse herstellbar ist, welche in einer dünnen und langen Bohrung, d.h. in einer im Verhältnis zum Durchmesser langen Bohrung, eine Beschichtung auf einer Sitzfläche aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem auf einer Sitzfläche in einer dünnen und langen Bohrung eine Beschichtung herstellbar ist. Insbesondere soll auch ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, mit welchem eine Sitzfläche in einer dünnen und langen Bohrung eines Werkstücks mit einer Beschichtung nachgerüstet werden kann. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Werkstück, insbesondere einen Düsenkörper bereitzustellen, der in einer dünnen und langen Bohrung eine beschichtete Sitzfläche hat.
Die diese Aufgabe lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie gekennzeichnet.
Die abhängigen Ansprüche betreffen besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Es wird somit ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine Sitzfläche eines Werkstücks vorgeschlagen, wobei die Sitzfläche innerhalb einer Bohrung im Werkstück in einem vorgegebenen Abstand von einer Eingangsöffnung der Bohrung vorgesehen wird. Erfindungsgemäss wird in einem vorgängigen Verfahrensschritt ein Beschichtungsmaterial auf die Sitzfläche aufgebracht und in einem weiteren Verfahrensschritt die Beschichtung auf der Sitzfläche mittels eines Energiestrahls ausgebildet, indem der Energiestrahl durch die Bohrung hindurch auf die Sitzfläche gerichtet wird.
Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es erstmals möglich, die Materialeigenschaften eines Basismaterials aus dem ein Werkstück, wie beispielsweise eine Einspritzdüse für einen Zweitakt-Grossdieselmotor gefertigt ist, völlig unabhängig von den Materialanforderungen zu wählen, die an eine zuverlässig funktionierende Sitzfläche tief im Inneren einer langen dünnen Bohrung im Werkstück gefordert sind.
Das wird dadurch erreicht, dass die Sitzfläche tief im Inneren der langen dünnen Bohrung mit einer Beschichtung versehen wird, deren Material je nach Anforderungen an die Eigenschaften der Sitzfläche frei wählbar ist.
So kann für das Werkstück an sich z.B. ein Werkstoff auf einer Ni-Basis, einer Cr-Basislegierung, einer Cu-Basis- oder auf Grundlage einer Fe-Basislegierung gewählt werden, das verhältnismässig weich ist aber sehr gute Eigenschaften in Bezug auf Schutz gegen Heissgaskorrosion oder chemische Angriffe bietet. Als Beschichtungsmaterial für die Sitzfläche kann dann zum Beispiel ein deutlich härteres Material gewählt werden, so dass die Sitzfläche gegen permanente mechanische Belastungen besser gegen vorzeitigen Verschleiss z.B. durch Materialabtrag, Kavitation, Erosion, Mikroverschweissung oder Materialermüdung usw. geschützt ist.
In einem anderen Beispiel ist es auch möglich, dass die Beschichtung der Sitzfläche aus einem weicheren Material als das Werkstück an sich gefertigt ist, beispielweise um eine bessere Dichtigkeit an der Sitzfläche zu erreichen oder eine andere gewünschte Materialeigenschaft an der Sitzfläche zu realisieren oder aber es kann beispielsweise auch ein Material aus einer Metallmatrix mit eingelagerten Partikeln, deren Härte gleich oder höher als die der Metallmatrix ist, verwendet werden.
Auch andere Eigenschaften können durch die Beschichtung auf der Sitzfläche optimiert werden. Beispielsweise ist es möglich, dass die Sitzfläche selbst gegen andere korrosiv wirkende Prozesse geschützt werden muss, als z.B. eine Aussenwand des Werkstücks selbst, das einer anderen aggressiven Umgebung mit schädlichen Einwirkungen ausgesetzt wird.
Der Fachmann versteht sofort, dass die vorliegende Erfindung so flexibel ist, dass durch geeignete Wahl des Materials für die Beschichtung auf der Sitzfläche und / oder dadurch, dass beim Beschichtungsprozess selbst bestimmte Beschichtungsbedingungen gezielt ausgewählt werden, wie zum Beispiel die Energiedichte des Energiestrahls oder die Einwirkzeit des Energiestrahls während des Beschichtungsvorgangs, praktisch jede gewünschte Eigenschaft der Beschichtung auf der Sitzfläche gezielt eingestellt werden kann.
Das Beschichtungsmaterial wird dabei vor einem Energieeintrag durch den Energiestrahl, bevorzugt in Form eines Beschichtungspulvers und / oder in Form eines Beschichtungsdrahts, oder in Form von kleinen Stücken eines Beschichtungsdrahts und / oder in Form eines vorgefertigten Beschichtungskörpers zumindest auf einen Teil der Sitzfläche aufgebracht.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Beschichtungsmaterial auch gleichzeitig mit einem Energieeintrag durch den Energiestrahl auf die Sitzfläche aufgebracht werden, d.h. es handelt sich um einen Spezialfall des an sich bekannten Auftragsschweissens.
Insbesondere zur Herstellung eines neuen Werkstücks, z.B. einer neuen Einspritzdüse für einen Zweitakt-Grossdieselmotor, kann nach der Ausbildung der Beschichtung auf der Sitzfläche durch die Beschichtung hindurch eine Funktionsbohrung eingebracht werden, durch die im Betriebszustand zum Beispiel Brennstoff transportiert werden kann.
Besonders bevorzugt kommt als Energiestrahl ein Laserstrahl zur Verwendung, aber auch andere Energiestrahlen wie zum Beispiel ein Elektronenstrahl können in bestimmten Fällen vorteilhaft eingesetzt werden.
Wie mehrfach erwähnt, ist die Sitzfläche in einem erfindungsgemässen Werkstück in einer langen dünnen Bohrung tief im Werkstück vorgesehen, wobei ein kleinster Durchmesser der Bohrung in einem Bereich zwischen der Eingangsöffnung und der Sitzfläche maximal 50% des Abstands, insbesondere maximal 25% des Abstands, und der kleinste Durchmesser der Bohrung bevorzugt maximal 10% des Abstands von der Eingangsöffnung beträgt.
Dabei ist das Werkstück bevorzugt, aber nicht notwendig, ein Düsenkörper einer Düse, insbesondere eine Einspritzdüse eines Zweitakt-Grossdieselmotors, oder ein Sicherheitsventil oder ein Steuerventil für eine Komponente einer Einspritzanlage oder eine Schmierölbohrung in einem Zylindereinsatz.
Als Beschichtungsmaterial kommt im Prinzip jedes Material in Frage, mit welchem sich eine gewünschte Eigenschaft der Beschichtung auf der Sitzfläche einstellen lässt. Bevorzugt kommt als Beschichtungsmaterial zum Beispiel eine Kobalt-Basislegierung, und / oder eine Chrom-Basislegierung und / oder eine Nickel-Basislegierung und / oder eine Eisen-Basislegierung in Frage.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Werkstück in welchem eine Sitzfläche innerhalb einer Bohrung in einem vorgegebenen Abstand von einer Eingangsöffnung der Bohrung vorgesehen ist, wobei auf der Sitzfläche eine Beschichtung ausgebildet ist, die mittels eines durch die Bohrung hindurch auf die Sitzfläche gerichteten Energiestrahls aus einem Beschichtungsmaterial hergestellt ist.
Im speziellen kann durch die Beschichtung hindurch eine Funktionsbohrung vorgesehen sein.
Ein kleinster Durchmesser der Bohrung beträgt in einem Bereich zwischen der Eingangsöffnung und der Sitzfläche maximal 50% des Abstands, insbesondere maximal 25% des Abstands, und der kleinste Durchmesser der Bohrung kann bevorzugt maximal 10% des Abstandes der Sitzfläche von der Eingangsöffnung betragen.
Da die Eigenschaften der Beschichtung auf der Sitzfläche praktisch beliebig flexibel einstellbar sind, kann beispielsweise eine Härte der Beschichtung verschieden von einer Härte des Werkstücks und/ oder eine Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung kann verschieden von einer Korrosionsbeständigkeit des Werkstücks und / oder jede andere Eigenschaft der Beschichtung kann sich von der entsprechenden Eigenschaft des Werksstücks unterscheiden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a - 1 c:: ein erfindungsgemässes Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf einer Sitzfläche;
Fig. 2a - 2d:: ein erfindungsgemässes Verfahren zur Nachrüstung einer Einspritzdüse mit einer Sitzflächenbeschichtung;
Fig. 3a - 3d:: ein erfindungsgemässes Verfahren zur Herstellung einer Einspritzdüse mit einer Sitzflächenbeschichtung.

Anhand der Fig. 1 a bis 1 c wird ein erstes einfaches Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Erzeugung einer Beschichtung 1 auf einer Sitzfläche 2 in einer langen dünnen Bohrung 4 eines Werkstücks 3 exemplarisch erläutert. Das Werkstück 3 der Fig. 1 ist ein teilweise im Schnitt dargestelltes Steuerventil 3 einer Komponente eines Einspritzsystems für einen Zweitakt-Grossdieselmotor. Die Sitzfläche 2 dient im zusammengesetzten Zustand des Steuerventils 3 zur Abstützung einer entlang der Achse A beweglichen Ventilnadel, die erst nach Aufbringen der Beschichtung 1 auf den Ventilsitz 2 in das Steuerventil 3 eingesetzt wird. Bei der Bohrung 4 gemäss Fig. 1a - 1c handelt es sich um eine dünne lange Bohrung im Sinne der Anmeldung. Im vorliegenden Fall hat die Bohrung einen Durchmesser von 3.5 mm und die Sitzfläche 2 ist von der Eingangsöffnung 5 in einem Abstand L von ca. 25 mm tief in der Bohrung angeordnet. Das heisst, der kleinste Durchmesser D der Bohrung, der im vorliegenden Fall entlang der Achse A konstant ist, beträgt nur ca. 14% des Abstands L der Sitzfläche 2 von der Eingangsöffnung 5.
In einem vorgängigen Verfahrensschritt ist gemäss Fig. 1a ein Beschichtungspulver 100, 101 auf die Sitzfläche 2 in einer solchen vorgegeben Menge aufgebracht, dass die Beschichtung 1 in der vorgegeben Dicke und Geometrie auf der Sitzfläche 2 erzeugbar ist. In einem weiteren Verfahrensschritt wird gemäss Fig. 1b ein Energiestrahl 6, der im vorliegenden Fall ein sehr feiner Laserstrahl 6 ist, der einen Durchmesser hat, der kleiner als der Durchmesser D der Bohrung 4 ist, von einem Laser 600 erzeugt und durch die Bohrung 4 hindurch auf die Sitzfläche 2 gerichtet.
Durch den Energieeintrag durch den Laserstrahl 6 wird das Beschichtungspulver 100 erhitzt, dadurch ganz oder teilweise angeschmolzen oder aufgeschmolzen, so dass sich schliesslich auf der Sitzfläche 2 die Beschichtung 2 ausbildet, z.B. aufgrund von Bildung einer schmelzmetallurgischen Verbindung oder eines Anhaftens der Schicht.
In Fig. 1 c ist die fertige Beschichtung 1 auf der Sitzfläche 2 zu sehen, die eventuell, falls notwendig, noch nachbearbeitet werden muss, um einen sicheren Sitz der nicht gezeigten Ventilnadel auf der Beschichtung 1 zu gewährleisten.
Anhand der Fig. 2a bis 2d soll im Folgenden schematisch erläutert werden, wie mit Hilfe der Erfindung eine an sich bekannte Einspritzdüse 31' für einen Zweitakt-Grossdieselmotor mit einer Beschichtung 1 nachgerüstet werden kann.
In Fig. 2a ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Einspritzdüse 31' teilweise und im Schnitt schematisch dargestellt. Die Fig. 2a wurde bereits eingehend weiter oben beschrieben, so dass mit der Beschreibung der Fig. 2b fortgefahren wird.
Zur Anwendung eines erfindungsgemässen Verfahrens wurde gemäss Fig. 2b aus der Einspritzdüse 31' zunächst die Düsennadel 7' entfernt.
In Fig. 2c, die den hier interessieren Bereich um die Sitzfläche 2 etwas deutlicher im Detail zeigt, wurde durch die Bohrung 4 hindurch ein vorgefertigter Beschichtungskörper 102 aus einem Beschichtungsmaterial 100 auf die Sitzfläche 2 aufgelegt. Da es sich spätestens jetzt bei der Einspritzdüse 3, 31 bereits um ein Werkstück 3 gemäss der vorliegenden Erfindung handelt, und nicht mehr um eine aus dem Stand der Technik bekannte Einspritzdüse 31', werden ab jetzt alle Bezugszeichen ohne Hochkomma verwendet, da sich die entsprechenden Merkmale auf eine erfindungsgemässe Einspritzdüse 3, 31 beziehen.
In Fig. 2d ist die Fertigstellung der Sitzfläche 1 gerade abgeschlossen. Der Laser steht unmittelbar vor der Abschaltung. Der Beschichtungskörper 102 wurde durch den Laserstrahl 6 vom Laser 600 in einem vorgegeben Erhitzungsverfahren derart erhitzt, dass der Beschichtungskörper 102 zuverlässig mit der Sitzfläche 2 verbunden wurde und so eine Beschichtung 1 gemäss der vorliegenden Erfindung auf der Sitzfläche 2 bildet. Somit ist ein an sich bekanntes Einspritzventil erfolgreich mit einer erfindungsgemässen Sitzbeschichtung 1 nachgerüstet worden.
Anhand der Fig. 3a bis 3d soll schliesslich noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Verfahrens schematisch erläutert werden, mit welchem eine Einspritzdüse 3, 31 der vorliegenden Erfindung neu hergestellt werden kann.
In Fig. 3a ist ein Rohling eines Düsenkopfes 301 teilweise und im Schnitt schematisch dargestellt. Der Rohling des Düsenkopfes 301 hat eine Sacklochbohrung 4, an deren darstellungsgemäss unterem Ende im Abstand L von einer Eingangsöffnung 5 eine Sitzfläche 2 derart vorgesehen ist, dass sich die Sitzfläche 2 über den gesamten Querschnitt der Sacklochbohrung 4 erstreckt. In die Bohrung 4 wurde ein Beschichtungspulver 100, 101 eingebracht, das die Sitzfläche 2 bedeckt. Der Laser 600 wurde soeben erst eingeschaltet und erwärmt mit dem Laserstrahl 6 durch die Bohrung 4 hindurch das Beschichtungsmaterial 100, 101, wodurch sich eine Beschichtung 1 auf der Sitzfläche 2 ausbildet. In Fig. 3b wurde der Laser 600 bereits abgeschaltet, weil die Beschichtung 1 auf der Sitzfläche 2 fertig ausgebildet ist.
Damit im fertigen Zustand die Einspritzdüse 31 ihre Funktion erfüllen kann, wird gemäss Fig. 3c mittels eines geeigneten Bohrgerätes durch die Bohrung 4 hindurch eine Längsbohrung 305 in Form einer Sacklochbohrung durch die Beschichtung 1 und die Sitzfläche 2 hindurch eingebracht.
Schliesslich werden in den Düsenkopf 301 von aussen noch Düsenlöcher 306, wie in Fig. 3d schematisch dargestellt, eingebracht, so dass im Betriebszustand Brennstoff über die Längsbohrung 305 und die Düsenlöcher 306 in an sich bekannter Weise durch die Einspritzdüse 301 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
Durch ein erfindungsgemässes Werkstück 3, zum Beispiel in Form einer Düse 31 können bisher nicht erreichbare Standzeiten realisiert werden, was insbesondere unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten von grosser Bedeutung ist.
Der erfindungsgemässe Düsenkopf eignet sich einerseits somit unter anderem insbesondere für zukünftige Generationen von Grossdieselmotoren, die noch leistungsfähiger sind und noch höhere Anforderungen an die Belastbarkeit der Düsenköpfe stellen. Anderseits können auch bereits sich im Betrieb befindliche Komponenten gemäss der Erfindung nachgerüstet werden.
Dabei ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf spezielle Anwendungen in Grossdieselmotoren beschränkt, sondern die Erfindung kann überall dort erfolgreich eingesetzt werden, wo in langen dünnen Bohrungen im Sinne der vorliegenden Erfindung Sitzflächen mit Beschichtungen versehen werden müssen, die bestimmte Funktionen zu erfüllen haben.

Claims

Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung (1) auf eine Sitzfläche (2) eines Werkstücks (3), wobei die Sitzfläche (2) innerhalb einer Bohrung (4) im Werkstück (3) in einem vorgegebenen Abstand (L) von einer Eingangsöffnung (5) der Bohrung (4) vorgesehen wird, und ein kleinster Durchmesser (D) der Bohrung (4) in einem Bereich zwischen der Eingangsöffnung (5) und der Sitzfläche (2) maximal 50% des Abstands (L) beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorgängigen Verfahrensschritt ein Beschichtungsmaterial (100, 101, 102) auf die Sitzfläche (2) aufgebracht wird und in einem weiteren Verfahrensschritt die Beschichtung (1) auf der Sitzfläche (2) mittels eines Energiestrahls (6) ausgebildet wird, indem der Energiestrahl (6) durch die Bohrung (4) hindurch auf die Sitzfläche (2) gerichtet wird, wobei als Energiestrahl (6) ein Laserstrahl (6) oder ein Elektronenstrahl (6) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der kleinste Durchmesser (D) der Bohrung (4) in einem Bereich zwischen der Eingangsöffnung (5) und der Sitzfläche (2) maximal 25% des Abstands (L), und der kleinste Durchmesser (D) der Bohrung (4) bevorzugt maximal 10% des Abstands (L) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Beschichtungsmaterial (100) vor einem Energieeintrag durch den Energiestrahl (6), in Form eines Beschichtungspulvers (101) und / oder in Form eines Beschichtungsdrahts (101) und / oder in Form eines vorgefertigten Beschichtungskörpers (102) zumindest auf einen Teil der Sitzfläche (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei nach der Ausbildung der Beschichtung (1) auf der Sitzfläche (2), durch die Beschichtung (1) hindurch eine Funktionsbohrung (7) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (3) ein Düsenkörper einer Düse (31), insbesondere eine Einspritzdüse (31) eines Zweitakt-Grossdieselmotors, oder ein Sicherheitsventil oder ein Steuerventil für eine Komponente einer Einspritzanlage oder eine Schmierölbohrung in einem Zylindereinsatz ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Beschichtungsmaterial (100, 101, 102) eine Kobalt-Basislegierung und /oder eine Nickel-Basislegierung und / oder eine Chrom-Basislegierung und / oder eine Eisen-Basislegierung ist.
Werkstück (3) in welchem eine Sitzfläche (2) innerhalb einer Bohrung (4) in einem vorgegebenen Abstand (L) von einer Eingangsöffnung (5) der Bohrung (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Sitzfläche (2) eine Beschichtung (1) ausgebildet ist, die mittels eines durch die Bohrung (4) hindurch auf die Sitzfläche (2) gerichteten Energiestrahls (6) aus einem Beschichtungsmaterial (100, 101, 102) hergestellt ist.
Werkstück nach Anspruch 7, wobei durch die Beschichtung (1) hindurch eine Funktionsbohrung (7) vorgesehen ist.
Werkstück nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei ein kleinster Durchmesser (D) der Bohrung (4) in einem Bereich zwischen der Eingangsöffnung (5) und der Sitzfläche (2) maximal 50% des Abstands (L), insbesondere maximal 25% des Abstands (L), und der kleinste Durchmesser (D) der Bohrung (4) bevorzugt maximal 10% des Abstands (L) beträgt.
Werkstück nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Werkstück (3) ein Düsenkörper einer Düse (31), insbesondere einer Einspritzdüse (31) eines Zweitakt-Grossdieselmotors oder ein Sicherheitsventil oder ein Steuerventil für eine Komponente einer Einspritzanlage oder eine Schmierölbohrung in einem Zylindereinsatz ist.
Werkstück nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Beschichtungsmaterial (100, 101, 102) eine Kobalt-Basislegierung und /oder eine Nickel-Basislegierung und / oder eine Eisen-Basislegierung ist.
Werkstück nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei eine Härte der Beschichtung (1) verschieden von einer Härte des Werkstücks (3) ist.
Werkstück nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei eine Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung (1) verschieden von einer Korrosionsbeständigkeit des Werkstücks (3) ist.