WO2007017346A1 - Beschichtung für mechanisch hochbelastete bauteile - Google Patents

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WO2007017346A1
WO2007017346A1 PCT/EP2006/064344 EP2006064344W WO2007017346A1 WO 2007017346 A1 WO2007017346 A1 WO 2007017346A1 EP 2006064344 W EP2006064344 W EP 2006064344W WO 2007017346 A1 WO2007017346 A1 WO 2007017346A1
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protection layer
coating
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Christian Bayer
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • DLC coating Diamond Like Carbon
  • Diesel engines are protected by the nozzle needles for the injectors on the seal seat and, depending on the application, also on the needle guide with DLC.
  • the layer system has to withstand multiple stresses due to superimposed oscillatory movements from the fuel system due to high levels of vibration
  • the object of the invention is to provide a cost-effective and reliable tribologic system which can be used in large series, which allows greater manufacturing tolerances and at the same time increases the reliability of the components equipped with the coating according to the invention. It is another object of the invention to present a tribological system whose life spreads within narrow limits and whose lifetime is therefore reliably predictable.
  • Diesel injection systems for common rail applications is the case, by ensuring the tightest tolerances in the manufacture of the components and the applied layer system as precisely as possible to maintain the fine geometry according to construction. This requirement applies in particular already in new condition prior to entry of the system. Surprisingly, however, it has been shown that the fine geometry adapts relatively freely to the real ambient conditions after running in or after the first 10 to 100 operating hours.
  • the resulting stable geometry is a complex system of local material properties, layer defects and
  • this problem is solved such that the hitherto used, typically 1 .mu.m to 3 .mu.m thick hard DLC wear protection layer is replaced by a multilayer protective layer consisting of a first hard DLC wear protection layer and a second matching layer which is less hard and for it has a greater flexibility.
  • the flexible Adaptation protection layer can be ideally adapted to the requirements of the valve or sealing seat.
  • the second flexible matching layer rubs off more quickly during operation and allows a more uniform and earlier wearing of the entire seat geometry, in particular in the event of production fluctuations or different inlet conditions.
  • the flexible matching layer also consists of a diamond-like layer (DLC), in which by choosing suitable coating parameters, the layer hardness is modified so that the layer is softer, more flexible and less resistant to wear than the first hard DLC wear protection layer ,
  • DLC diamond-like layer
  • a DLC layer as a hard wear protection layer, consisting of a mixture of hard, diamond-like areas and soft, graphite-like areas, combined with a soft, flexible matching layer also consisting of a DLC layer, which consists of a mixture of proportionately less hard, diamond-like areas and proportionately more soft, graphite-like areas exists.
  • the DLC layers are most comparable in structure to highly cross-linked polymers and therefore have comparatively low modulus of elasticity (220 Gpa). Thus is high hardness combined with high elasticity. DLC coatings can reversibly absorb high loads due to deformation.
  • the tribological behavior of the DLC layers is more similar in this property to the behavior of graphite.
  • a DLC layer on steel achieves a coefficient of friction of 0.1.
  • lower values than 0.02 are possible.
  • the combination according to the invention of a flexible matching protective layer with a hard DLC wear protection layer on a component to be coated in systems that are threatened by wear due to their high stress is particularly advantageous.
  • the flexible matching layer also consists of a diamond-like layer (DLC), in which, by choosing suitable coating parameters, the layer hardness is modified so that the layer is softer, more flexible and less resistant to wear than the first hard DLC wear protection layer.
  • DLC diamond-like layer
  • Particular embodiments of the invention are the use of a DLC layer as a hard wear protection layer, consisting of a mixture of hard, diamond-like Areas and soft, graphitic areas, combined with a soft, flexible matching layer also consisting of a DLC layer consisting of a mixture of proportionally less hard, diamond-like areas and proportionately more soft, graphitic areas.
  • a DLC layer consisting of a mixture of proportionally less hard, diamond-like areas and proportionately more soft, graphitic areas.
  • the proportionate distribution is not varied but the hardness of the diamond-like regions.
  • the application according to the invention of the flexible matching layer on a hard DLC wear protection layer enables greater manufacturing tolerance and a more uniform contact pattern over the service life of the tribological system.
  • the coating according to the invention can be used particularly advantageously on all wear-prone components.
  • the coating according to the invention can be used on sealing seats of valve needles, nozzle needles, valve pieces, valve plates and valve bolts.
  • These components are used in particular in diesel and gasoline injection systems such as injectors, pumps, fuel valves and diesel solenoid valves for common rail systems in the field of diesel direct injection.
  • Figure 2 the contact zone between the nozzle needle and
  • Figures 3 and 4 the contact zone between the nozzle needle and nozzle needle seat with a coating according to the invention.
  • FIG. 1 shows an injection nozzle 1 with a conical blind hole 2. Based on this example, a possible application of the invention
  • Coating system will be explained.
  • the invention is not limited to this application, but can be used wherever high demands are placed on component accuracy, life and wear resistance.
  • a frusto-conical nozzle needle seat 4 connects.
  • the nozzle needle seat 4 may have a
  • the blind hole 2 need not be conical, but may also be cylindrical.
  • a nozzle needle 5 At the nozzle needle seat 4 is a nozzle needle 5.
  • At its the blind hole 2 end facing the nozzle needle 5 is formed twice frusto-conical.
  • Figure 1 it can be seen clearly that the cone angle of the nozzle needle seat 4 deviates from the cone angles of the nozzle needle 5, so that at the transition of the truncated cones of the nozzle needle 5, a contact zone 6 between the nozzle needle 5 and nozzle needle seat 4 results.
  • Nozzle needle seat 4 is exaggerated in FIG. As a rule, the o. G. Difference smaller than 1 degree and moves in the range of a few minutes of arc.
  • the contact zone is strongly stressed during operation of the internal combustion engine to wear.
  • the contact zone is shown greatly enlarged in injection nozzles according to the prior art. Identical components are provided with the same reference numerals and it is the case with respect to the other figures said accordingly.
  • Figure 2 shows the contact zone 6 between the nozzle needle 5 and nozzle needle seat 4 with a simple DLC coating, as known from the prior art is greatly increased.
  • the ZHI groove 11 serves inter alia to form a first contact zone 13 and a second contact zone 15.
  • the first contact zone 13 is intended together with the
  • Nozzle needle seat 4 ensure the hydraulic seal, while the second contact zone 15 increases the contact area between the nozzle needle seat 4 and nozzle needle 5 and thereby reduces the surface pressure and increases the life.
  • the nozzle needle 5 On the surface of the component to be coated, in this example, the nozzle needle 5, there is an approximately 2 microns thick, hard DLC wear protection layer 17. The construction is designed so that first the first
  • Contact zone 13 comes into contact with the nozzle needle seat 4. This is initially a punctiform contact zone. At higher load or after wear has occurred at the first contact zone 13, an initially point-like contact between the second contact zone 15 and the nozzle needle seat 4 takes place to an increasing extent. As the wear progresses, the point-shaped contact zones form linear contact zones until, finally, a closed circular sealing line has formed.
  • a disadvantage of the previous system is that the hard wear protection layer in the first contact zone 13 can already be completely used up before the desired circular sealing line has formed. As a result, the nozzle needle 5 and nozzle needle seat 4 come into direct contact with each other in the region of the first contact zone 13 and wear out correspondingly quickly.
  • Wear protection layer 17 the time from which the wear protection layer 17 is worn through, move backwards.
  • an increase in the layer thickness narrow limits, since thicker layers increasingly prone to flaking, especially at the edges.
  • FIG. 3 now shows a component according to the invention with a first, hard wear protection layer 17 and an overlaying second, flexible matching layer 19.
  • this matching layer 19 is more flexible and less flexible hard, thus wears much faster and thus allows the entire tribological system after a short break-in time to achieve an advantageously wide contact pattern both in the region of the first contact zone 13 and in the region of the second contact zone 15.
  • FIG. 4 shows a nozzle needle 5 with a coating according to the invention, the geometry of which deviates from the ideal shape due to manufacturing tolerances.
  • a shape error in which at the nozzle needle in the region of the first contact zone 13, a Auf scheme 21 has stopped from the grinding process. Since both the first hard wear protection layer 17 and the overlying second, flexible matching layer 19 are dimensionally faithful, this lay-up 21 remains unchanged even after the coating.
  • the use according to the invention of a flexible matching layer 19 compensates for the negative effect of such a geometric error by first removing the matching layer 19 in the region of the throw-up 21 after running in. This forms a broad contact pattern, which ideally leads to the desired circular sealing line in the region of the first contact zone 13 and the second contact zone 15. Due to the resulting larger contact surface, the sealing forces are distributed more uniformly and the local loads of the wear protection layer 17 and the matching layer 19 are evened out and reduced.
  • the matching layer 19 can now advantageously be selected in its thickness so that typical production-related geometric errors are reliably buffered before the hard wear protection layer 17 comes into engagement. As a result, the wear pattern is fully formed after shrinking before the hard wear protection layer 17 is engaged.
  • the thickness-limited hard wear protection layer 17 is now completely available for the remaining maximum service life.
  • the remaining flexible matching layer 19 is thereby mitverschlissen according to the trained contact pattern.
  • the flexible matching layer 19 in conjunction with a hard wear protection layer 17 is the compensation of production-related angular differences between the sealing seat 4 and the second contact zone 15.
  • the flexible matching layer 19 compensate for these differences in angular dimensions in the design provided by relatively rapid wear until the optimum bearing angle is formed.
  • the matching layer 19 is advantageous because even there, the angular difference between the sealing seat 4 and nozzle needle 5 is crucial for the wear behavior.
  • the claimed in the claims hardness ranges have been measured with a measuring device of the type Fischerscope HlOOC, manufacturer Fischer at a force application of 50 N in 20 seconds and an evaluation for universal plastic hardness.

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Abstract

Es wird eine Beschichtung für verschleißgefährdete Bauteile vorgeschlagen, die aus einer ersten harten Verschleißschutzschicht (17) und einer darauf angeordneten flexiblen Anpassschicht (19) besteht.

Description

Beschichtung für mechanisch hochbelastete Bauteile
Stand der Technik
Verschleißschutzschichten stellen heute ein erprobtes
Mittel dar um die Dauerbelastbarkeit von tribologisch hoch belasteten Oberflächen zu steigern. Ist neben dem Verschleißschutz des beschichteten Bauteils auch ein Schutz des unbeschichteten Gegenkörpers wünschenswert hat sich in den letzten Jahren in zunehmendem Maße die so genannte DLC- Beschichtung (Diamond Like Carbon) durchgesetzt. Insbesondere im Automobilbereich bei bewegten Komponenten, die auf Grund der lokalen Kräfte sehr stark beansprucht werden, aber ihre Funktion nur bei der Einhaltung von Geometrien im Mikrometerbereich und darunter erfüllen können.
So werden heute zum Beispiel Pumpenkolben in Dieseleinspritzsystemen mit DLC-Schichten vor Verschleiß geschützt. In CommonRail-Systemen für direkteinspritzende
Dieselmotoren werden die Düsennadeln für die Einspritzdüsen am Dichtsitz und je nach Anwendung auch an der Nadelführung mit DLC geschützt. Am Dichtsitz muss das Schichtsystem durch überlagerte Schwingbewegungen vom KraftstoffSystem her Mehrfachbelastungen ertragen auf Grund hoher
Flächenpressungen, ungünstiger Geometrien mit Kantenlauf etc., hohe Schaltzykluszahlen durch Mehrfacheinspritzung und ungünstige Umgebungsbedingungen durch Temperaturen vom Brennraum, aggressiven Gasen vom Abgas und Kraftstoffeinflüssen .
Um die Leistungsfähigkeit der Systeme wie zum Beispiel bei modernen Dieselmotoren zu gewährleisten werden an die Geometrien der beschichteten Ventil- oder Dichtsitze immer höhere Anforderungen gestellt. Eigenschaften wie Winkel, Winkelverhältnisse, Durchmesser etc. sollen über die gesamte Lebensdauer sehr eng eingehalten werden. Dazu ist es erforderlich, zum einen die Bauteile vor Beschichtung sehr genau zu fertigen mit Form- und Lagetoleranzen, die zu einer Erhöhung der Fertigungskosten führen, zum anderen werden sehr hohe Anforderungen an die
Verschleißbeständigkeit und Geometriegenauigkeit der eingesetzten DLC-Schichtsysteme gestellt. Diesen Anforderungen können die zur Verfügung stehenden Fertigungs- und Beschichtungsverfahren immer weniger gerecht werden, je höher die Belastungen zum Beispiel durch Lastspielzahl und Einspritzdrücke steigen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges und zuverlässiges in Großserien einsetzbares tribologisches System bereitzustellen, das größere Fertigungstoleranzen ermöglicht und gleichzeitig die Zuverlässigkeit der mit der erfindungsgemäßen Beschichtung ausgerüsteten Bauteile erhöht. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung ein tribologisches System darzustellen, dessen Lebensdauer innerhalb enger Grenzen streut und dessen Lebensdauer demzufolge zuverlässig vorhersehbar ist. Vorteile der Erfindung
Bisher ist man davon ausgegangen, dass die äußerst anspruchsvolle Feingeometrie eines Ventil- oder Dichtsitzes, wie es zum Beispiel bei
Dieseleinspritzsystemen für CommonRail-Anwendungen der Fall ist, durch engste Toleranzen bei der Herstellung der Bauteile zu gewährleisten ist und das aufgebrachte Schichtsystem möglichst präzise die Feingeometrie gemäß Konstruktion beizubehalten hat. Diese Forderung gilt insbesondere bereits im Neuzustand vor Einlauf des Systems . Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, dass die Feingeometrie sich nach Einlauf oder nach den ersten 10 bis 100 Betriebsstunden relativ frei an die realen Umgebungsbedingungen anpasst. Die sich ergebende stabile Geometrie ist ein komplexes System aus lokalen Materialeigenschaften, Schichtfehlern und
Schichtdickenstreuungen, Feingeometrie an dem beschichteten Bauteil, der Zupaarung zum Gegenkörper und den Einlaufbedingungen .
In der Realität hat sich gezeigt, dass die technischen Möglichkeiten fehlen, um eine stabile Geometrie am System Ventilsitz / Dichtsitz fertigungstechnisch gezielt herzustellen. In der Folge ergibt sich ein stark unterschiedliches Verschleißbild mit teilweise erheblich reduzierten Lebensdauern und Performance bzgl. Dichtheit.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem so gelöst, dass die bisher verwendete, typischerweise 1 μm bis 3 μm dicke harte DLC-Verschleißschutzschicht durch eine mehrlagige Schutzschicht ersetzt wird, die aus einer ersten harten DLC-Verschleißschutzschicht und einer darauf angeordneten zweiten Anpassschicht, die weniger hart ist und dafür eine größere Flexibilität aufweist. Die flexible Anpassschutzschicht kann den Erfordernissen am Ventil- oder Dichtsitz ideal angepasst werden. Erfindungsgemäß reibt sich die zweite flexible Anpassschicht im Betrieb schneller ab und ermöglicht ein gleichmäßigeres und früheres Tragen der gesamten Sitzgeometrie, insbesondere bei Fertigungsschwankungen oder unterschiedlichen Einlaufbedingungen .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beschichtung besteht die flexible Anpassschicht ebenfalls aus einer diamantartigen Schicht (DLC) , bei der durch die Wahl geeigneter Beschichtungsparameter die Schichthärte so modifiziert wird, dass die Schicht weicher, flexibler und weniger verschleißbeständig ist als die erste harte DLC- Verschleißschutzschicht.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung einer DLC-Schicht als harte Verschleißschutzschicht, bestehend aus einer Mischung aus harten, diamantartigen Bereichen und weichen, graphitartigen Bereichen, kombiniert mit einer weichen, flexiblen Anpassschicht ebenfalls bestehend aus einer DLC-Schicht, die aus einer Mischung von anteilsmäßig weniger harten, diamantartigen Bereichen besteht und anteilsmäßig mehr weichen, graphitartigen Bereichen besteht.
Alternativ ist es auch möglich die Härte der diamantartigen Bereiche zu verändern und dadurch die verschiedenen Eigenschaften der harten Verschleißschutzschicht und der flexiblen Anpassschicht einzustellen.
Die DLC-Schichten sind in der Struktur am ehesten mit hochvernetzten Polymeren zu vergleichen und weisen deshalb vergleichsweise geringen E-Modul auf (220 Gpa) . Somit ist hohe Härte mit hoher Elastizität verbunden. DLC-Schichten können hohe Belastungen durch Verformung reversibel aufnehmen.
Das tribologische Verhalten der DLC-Schichten ähnelt in dieser Eigenschaft eher dem Verhalten von Graphit. Eine DLC-Schicht auf Stahl, erreicht einen Reibungskoeffizienten von 0,1. Bei anderen Kombinationen der DLC-Schicht sind geringere Werte als 0,02 möglich.
Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Kombination von einer flexiblen Anpassschutzschicht mit einer harten DLC- Verschleißschutzschicht auf einem zu beschichtenden Bauteil bei Systemen, die auf Grund ihrer hohen Beanspruchung von Verschleiß bedroht sind. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Kombination bei Bauteilen, die für die Erfüllung ihrer konstruktiv vorgegebenen Aufgabe eine hochpräzise Geometrie mit mehrfachen Merkmalen aufweisen müssen, die insbesondere mit der bekannten Fertigungstechnologie großserientechnisch nicht hergestellt werden kann oder die für die Einhaltung der erforderlichen Form- und Lagetoleranzen unverhältnismäßig große Herstellkosten verursacht.
In einer Ausprägung des zu schützenden Systems besteht die flexible Anpassschicht ebenfalls aus einer diamantartigen Schicht (DLC) , bei der durch Wahl geeigneter Beschichtungsparameter die Schichthärte so modifiziert wird, dass die Schicht weicher, flexibler und weniger verschleißbeständig ist als die erste harte DLC- Verschleißschutzschicht .
Besondere Ausführungen der Erfindung sind die Verwendung einer DLC-Schicht als harte Verschleißschutzschicht, bestehend aus einer Mischung aus harten, diamantartigen Bereichen und weichen, graphitartigen Bereichen, kombiniert mit einer weichen, flexiblen Anpassschicht ebenfalls bestehend aus einer DLC-Schicht, die aus einer Mischung von anteilsmäßig weniger harten, diamantartigen Bereichen besteht und anteilsmäßig mehr weichen, graphitartigen Bereichen. In einer zweiten Ausprägung wird nicht die anteilsmäßige Aufteilung variiert, sondern die Härte der diamantartigen Bereiche.
Zusätzlich ist der Einsatz eines erfindungsgemäßen
Schichtsystems auf einem erfindungsgemäßen Bauteil von Vorteil auf solchen Systemen, bei denen die dauerstabile Feingeometrie erst durch den Einlaufprozess oder nach längerer Betriebszeit sicher erreicht wird. Hier ermöglicht die erfindungsgemäße Anwendung der flexiblen Anpassschicht auf einer harten DLC-Verschleißschutzschicht eine größere Fertigungstoleranz und ein gleichmäßigeres Tragbild über die Lebensdauer des tribologischen Sytems .
Die erfindungsgemäße Beschichtung kann besonders vorteilhaft an allen verschleißgefährdeten Bauteilen einsetzen. Besonders bevorzugt kann die erfindungsgemäße Beschichtung an Dichtsitzen von Ventilnadeln, Düsennadeln, Ventilstücken, Ventilplatten und Ventilbolzen eingesetzt werden. Diese Bauteile kommen insbesondere in Diesel- und Benzineinspritzsystemen zum Einsatz wie zum Beispiel bei Injektoren, Pumpen, Kraftstoffventilen und Dieselmagnetventilen für Common-Rail-Systeme im Bereich Dieseldirekteinspritzung.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1: einen Querschnitt durch eine Sackloch- Einspritzdüse,
Figur 2 : die Kontaktzone zwischen Düsennadel und
Düsennadelsitz nach dem Stand der Technik,
Figuren 3 und 4 : die Kontaktzone zwischen Düsennadel und Düsennadelsitz mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine Einspritzdüse 1 mit einem konischen Sackloch 2 dargestellt. Anhand dieses Beispiels soll eine mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen
Beschichtungssystems erläutert werden. Dabei ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern kann überall dort eingesetzt werden, wo hohe Anforderungen an Bauteilgenauigkeit, Standzeit und Verschleißfestigkeit gestellt werden.
Über ein oder mehrere Spritzlöcher 3 gelangt der nicht dargestellte Kraftstoff aus dem Sackloch 2 in den ebenfalls nicht dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine. An das Sackloch 2 schließt sich ein kegelstumpfförmiger Düsennadelsitz 4 an. Der Düsennadelsitz 4 kann einen
Kegelwinkel von beispielsweise 60° haben. Das Sackloch 2 muss nicht konisch sein, sondern kann auch zylindrisch sein. An dem Düsennadelsitz 4 liegt eine Düsennadel 5 auf. An ihrem dem Sackloch 2 zugewandten Ende ist die Düsennadel 5 doppelt kegelstumpfförmig ausgebildet. In Figur 1 ist deutlich zu erkennen, dass der Kegelwinkel des Düsennadelsitzes 4 von den Kegelwinkeln der Düsennadel 5 abweicht, so dass sich an dem Übergang der Kegelstümpfe des Düsennadel 5 eine Kontaktzone 6 zwischen Düsennadel 5 und Düsennadelsitz 4 ergibt.
Die Differenz der Kegelwinkel von Düsennadel 5 und
Düsennadelsitz 4 ist in Figur 1 übertrieben dargestellt. In der Regel ist die o. g. Differenz kleiner als 1 Grad und bewegt sich im Bereich von wenigen Winkelminuten.
Die Kontaktzone wird im Betrieb der Brennkraftmaschine stark auf Verschleiß beansprucht. In Figur 2 wird die Kontaktzone bei Einspritzdüsen nach dem Stand der Technik stark vergrößert dargestellt. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen und es gilt das bezüglich der anderen Figuren Gesagte entsprechend.
Figur 2 zeigt die Kontaktzone 6 zwischen Düsennadel 5 und Düsennadelsitz 4 mit einer einfachen DLC-Beschichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist stark vergrößert.
Am Übergang zwischen den beiden Kegelstümpfen der Düsennadel 5 ist eine sogenannte ZHI-Rille 11 vorgesehen. Die ZHI-Rille dient unter anderem dazu eine erste Kontaktzone 13 und eine zweite Kontaktzone 15 auszubilden. Die erste Kontaktzone 13 soll zusammen mit dem
Düsennadelsitz 4 die hydraulische Abdichtung gewährleisten, während die zweite Kontaktzone 15 die Kontaktfläche zwischen Düsennadelsitz 4 und Düsennadel 5 vergrößert und dadurch die Flächenpressung verringert und die Lebensdauer erhöht. Auf der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils, in diesem Beispiel die Düsennadel 5, befindet sich eine ca. 2 μm dicke, harte DLC-Verschleißschutzschicht 17. Die Konstruktion ist so ausgeführt, dass zuerst die erste
Kontaktzone 13 mit dem Düsennadelsitz 4 in Kontakt kommt. Dabei handelt es sich zunächst um eine punktförmige Kontaktzone. Bei höherer Belastung oder nachdem an der ersten Kontaktzone 13 Verschleiß aufgetreten ist, findet in zunehmendem Maße auch ein zunächst punktförmiger Kontakt zwischen zweiter Kontaktzone 15 und Düsennadelsitz 4 statt. Mit weiter fortschreitendem Verschleiß werden aus den punktförmigen Kontaktzonen linienförmige Kontaktzonen, bis sich schließlich eine geschlossene kreisförmige Dichtlinie gebildet hat.
Nachteilig bei dem bisherigen System ist, dass die harte Verschleißschutzschicht in der ersten Kontaktzone 13 bereits vollständig aufgebraucht sein kann, bevor sich die gewünschte kreisförmige Dichtlinie gebildet hat. Dies führt dazu, dass Düsennadel 5 und Düsennadelsitz 4 im Bereich der ersten Kontaktzone 13 direkt miteinander in Kontakt kommen und entsprechend schnell verschleißen.
Durch eine Erhöhung der Dicke der harten
Verschleißschutzschicht 17 lässt sich der Zeitpunkt, ab dem die Verschleißschutzschicht 17 durchgerieben ist, nach hinten verschieben. Allerdings sind einer Erhöhung der Schichtdicke enge Grenzen gesetzt, da dickere Schichten zunehmend zum Abplatzen, vor allem an den Kanten, neigen.
Figur 3 zeigt nun ein erfindungsgemäßes Bauteil mit einer ersten, harten Verschleißschutzschicht 17 und einer darüber liegenden zweiten, flexiblen Anpassschicht 19. Diese Anpassschicht 19 ist erfindungsgemäß flexibler und weniger hart, verschleißt damit deutlich schneller und ermöglicht es somit dem gesamten tribologischen System bereits nach kurzer Einlaufzeit ein vorteilhaft breites Tragbild sowohl im Bereich der ersten Kontaktzone 13 als auch im Bereich der zweiten Kontaktzone 15 zu erzielen.
Die Geometrien der Düsennadeln 5 von Figur zwei und drei sind gleich, so dass auch bei der Düsennadel 5 von Figur 3 konstruktiv sichergestellt ist, dass die hydraulische Abdichtung im Bereich der ersten Kontaktzone 13 erfolgt.
In Figur vier ist eine Düsennadel 5 mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung dargestellt, deren Geometrie auf Grund von Fertigungstoleranzen von der idealen Form abweicht. Als Beispiel ist hier ein Formfehler dargestellt, bei dem an der Düsennadel im Bereich der ersten Kontaktzone 13 ein Aufwurf 21 vom Schleifprozess stehen geblieben ist. Da sowohl die erste harte Verschleißschutzschicht 17 als auch die darüber liegende zweite, flexible Anpassschicht 19 formtreu sind, bleibt dieser Aufwurf 21 auch nach der Beschichtung unverändert erhalten.
Dadurch kommt es am Aufwurf 21 zu einem vorzeitigen Tragen der Düsennadel 5 auf dem Düsennadelsitz 4 und einer starken Kantenüberhöhung mit der Folge eines massiv verstärkten
Schichtverschleißes. Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer flexiblen Anpassschicht 19 wird die negative Auswirkung eines solchen Geometriefehlers dadurch ausgeglichen, dass sich nach dem Einlaufen zuerst die Anpassschicht 19 im Bereich des Aufwurfs 21 abträgt. Dadurch bildet sich ein breites Tragbild aus, das Idealerweise zu der gewünschten kreisförmigen Dichtlinie im Bereich der ersten Kontaktzone 13 und der zweiten Kontaktzone 15 führt. Durch die dadurch entstehende größere Kontaktfläche verteilen sich die Dichtkräfte gleichmäßiger und die lokalen Belastungen der Verschleißschutzschicht 17 und der Anpassschicht 19 werden vergleichmäßigt und reduziert. Die Anpassschicht 19 kann in ihrer Dicke nun vorteilhaft so gewählt werden, dass typische fertigungstechnisch bedingte Geometriefehler sicher abgepuffert werden, bevor die harte Verschleißschutzschicht 17 in Eingriff kommt. In der Folge ist nach dem Einlaufen das Tragbild vollständig ausgebildet, bevor die harte Verschleißschutzschicht 17 in Eingriff kommt.
Dadurch steht nun die in ihrer Dicke limitierte harte Verschleißschutzschicht 17 vollständig für die verbleibende maximale Lebensdauer zur Verfügung. Die verbliebene flexible Anpassschicht 19 wird dabei entsprechend dem ausgebildeten Tragbild mitverschlissen.
Ein weiterer vorteilhafter Einsatz der flexiblen Anpassschicht 19 in Verbindung mit einer harten Verschleißschutzschicht 17 ist der Ausgleich von fertigungstechnisch bedingten Winkeldifferenzen zwischen Dichtsitz 4 und der zweiten Kontaktzone 15. In diesem Fall kann die flexible Anpassschicht 19 diese Winkeldifferenzen im konstruktiv vorgesehenen Maße durch verhältnismäßig raschen Verschleiß ausgleichen, bis sich damit der optimal tragende Winkel ausbildet.
Auch bei einfachen Dichtsitzgeometrien ohne eine nicht dichtende zweite Kontaktzone 15, die lediglich zur
Vergrößerung der Kontaktfläche dient, ist die Anpassschicht 19 vorteilhaft, da auch dort die Winkeldifferenz zwischen Dichtsitz 4 und Düsennadel 5 entscheidend für das Verschleißverhalten ist. Die in den Patentansprüchen beanspruchten Härtebereiche sind mit einem Messgerät vom Typ Fischerscope HlOOC, Hersteller Firma Fischer bei einer Kraftaufbringung von 50 N in 20 Sekunden und einer Auswertung auf plastische Universalhärte gemessen worden.
Bezugszeichenliste zu R. 311740 (Dreiss-Az.: 0607 2038L)
1 Einspritzdüse
2 Sackloch
3 Spritzloch
4 Düsennadelsitz
5 Düsennadel 6 Kontaktzone
7 Kante zwischen Sackloch und Düsen
Düsennadelsitz
9 -
11 ZHI-Rille 13 erste Kontaktzone
15 zweite Kontaktzone
17 harte DLC-VerschleißSchutzschicht
19 flexible Anpassschicht
21 Aufwurf

Claims

Ansprüche
1. BeSchichtung für ein mechanisch hochbelastetes Bauteil mit einer harten Verschleißschutzschicht (17), dadurch gekennzeichnet, dass auf der harten Verschleißschutzschicht (17) eine flexible Anpassschicht (19) vorgesehen ist.
2. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die harte Verschleißschutzschicht (17) aus Diamond- Like-Carbon (DLC) besteht.
3. Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die harte Verschleißschutzschicht (17) eine Dicke von bis zu 3 μm aufweist.
4. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die harte Verschleißschutzschicht (17) eine Härte von bis zu 20-70 GPa vorzugsweise über 30 GPa aufweist.
5. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die harte
Verschleißschutzschicht (17) einen Elastizitätsmodul von bis zu 200-350 GPa aufweist.
6. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Anpassschicht (19) aus Diamond-Like-Carbon (DLC) besteht.
7. BeSchichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Anpassschicht (19) eine Dicke von bis zu 5 μm aufweist.
8. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Anpassschicht
(19) eine Härte von bis zu 10-30 GPa aufweist.
9. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Anpassschicht (19) einen Elastizitätsmodul von bis zu 100-200 GPa aufweist.
10. Dichtsitz, insbesondere einer Ventilnadel, einer Düsennadel, eines Ventilstücks, einer Ventilplatte und/oder eines Ventilbolzens, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einer Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche versehen ist.
11. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, dass sie an Bauteilen in Diesel- und Benzineinspritzsystemen eingesetzt wird, wie zum Beispiel bei Injektoren, Pumpen, Kraftstoffventilen und Dieselmagnetventilen für CommonRail-Systeme im Bereich Dieseldirekteinspritzung.
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