WO2007036426A1 - Verfahren zum beschichten eines metallischen bauteils - Google Patents

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Dirk Zimmermann
Lutz Enzensperger
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Definitions

  • the invention relates to a method for coating a surface of a metallic component of a valve device for controlling and regulating a fluid volume flow, in particular of an injector housing, with a corrosion protection layer which is cleaned before the coating process and dried after the coating process.
  • Common rail injectors known in practice which are used, for example, in commercial vehicles, comprise components made of working steel, such as 42CrMoS4, which oxidize during storage under atmospheric influence and have an undesirable rust formation.
  • the components of the injectors in particular the Injektorkorper be pickled after a thermal deburring during a so-called phosphating to rid the surface of rust.
  • a disadvantage is that in particular the pickling of the components of the injectors causes pitting, which arises for example by tripping so-called manganese sulfide lines.
  • this pitting leads to impairment of the functionality of an injector, since in the area of material reduction cracks can occur, leading to leaks between a high pressure area and can cause a low pressure region of the injector system.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a method by means of which components of injectors or valve devices for controlling and regulating fluid flow rates can be produced inexpensively, which have a long service life.
  • the corrosion protection layer is prepared by wetting the surface with an aqueous solution containing monomeric silane derivatives, wherein the monomers form polymers during a drying of the component following the wetting.
  • the silane derivatives are preferably siloxane derivatives which are coupled in the region of a valence electron with an organic, preferably polymerizable radical. Furthermore, the central silicon atom has compounds with OH groups in the region of the other three valence electrons.
  • valve devices or common rail injectors With the method according to the invention, the failure rate of valve devices or common rail injectors is reduced in a simple and cost-effective manner and the product quality is improved since components or injector housings are provided with a corrosion protection layer which can be applied without damage to the component ,
  • a variant of the inventive method is shown schematically simplified in the drawing in the form of a block diagram and will be explained in more detail in the following description.
  • the sole figure of the drawing shows a much shortened flow chart of the inventive method.
  • the alkaline cleaner contains surfactants and complexing agents, which represent a silicate-based cleaner skeleton and remove fats and impurities from the surface of the injector housing.
  • the component or the injector housing is immersed in a dip bath which is filled with a high concentrated alkaline cleaning bath containing the same surfactants and complexing agents as the alkaline cleaner of the precleaning step S1 during a second step S2 subsequent to the prepurification step S1 having and characterized by a higher concentration than the cleaner used during the pre-cleaning step Sl.
  • the second cleaning step S2 is carried out at 70 ° C to 85 ° C, preferably at 80 ° C, wherein the component additionally with ultrasound at 30 W / l to 45 W / l, preferably 40 W / l, for 10 s to 180 s, preferably 60 s, is applied.
  • the higher process temperature, the higher concentration of the alkaline cleaner and the ultrasonication of the component during the second step S2 cause surface contaminants of the component, which were not removed during the pre-cleaning step S1, to be removed from the surface of the injector housing due to the increased cleaning performance become.
  • the Injektorgehause is during a third step S3 at a temperature between 15 ° C to 40 ° C, preferably at room temperature, between 30 s to 180 s, preferably 60 s, in a water-filled Spulkaskade with ultrasound between 30 W / l to 45 W / l, preferably 40 W / l, applied and wound.
  • the dip tank is filled with a silane derivatives containing aqueous solution, which is tempered depending on the particular application to a process temperature of 20 ° C to 45 ° C, preferably 35 ° C, and permanently circulated by means of a circulating pump.
  • monomeric silane derivatives accumulate on the metallic surface of the injector housing, which in the present case is made of 42CrMoS4 or 50CrMoS4, due to adhesive surface forces, so that the entire surface of the injector housing is covered by the monomeric silane derivatives during removal from the dip tank.
  • These monomeric silane derivatives have as central atom silicon, which is connected via three valence electrons with OH groups and is connected via the fourth valence electron with an organic, preferably polymerizable radical.
  • step S6 After the coating time of step S5 or the immersion time of the Injektorgehauses the Injektorgehause is present during an induction drying step S6 between 5 s to 50 s, preferably 30 s, constant at about 0.1 kW to 0.6 kW dried, the power set during the induction drying depends very much on the geometry of the Injektorgehauses or the component.
  • the monomeric silane derivatives attached to the surface of the injector housing crosslink to form polymers, the standing water evaporates without damaging the surface layer of the injector housing.
  • the process management is such that the process temperature during the drying step S6 is less than 100 ° C. in order to prevent the water from spraying off the surface of the injector housing.
  • the latter phenomenon may lead to damage of the polymerized silane layer which represents a corrosion protection layer of the component.
  • a cooling step S7 is provided after the drying step S6, during which the component temperature of the now finished coated Injektorgehauses is lowered to about 40 ° C.
  • a visual inspection following the silanization of the injector housing can be carried out with a corresponding part handling by a control person in a simple manner.
  • the cooling time can be reduced to less than 60 s if the injector housing is immersed in cold water immediately after drying and the resulting polymerization of the silane derivatives.
  • the component temperature of the Injektorgehauses drops within about 10 s from below 50 ° C and is cooled during a subsequent vacuum drying to another 20 ° C and dried at the same time.
  • induction drying during the induction drying step S6 is particularly suitable for so-called single-part or small-batch treatment, while for larger batches so-called condenser dryers in which the components are exposed to dried air represent a more suitable alternative.
  • the method according to the invention described above represents a particularly effective possibility for producing corrosion-resistant components for valve devices for controlling and regulating a fluid volume flow or for common-rail injectors, both during storage and in storage assembled state are exposed to corrosive environmental influences.
  • the coating process of the invention which is much more component-sparing and avoids pitting and the like, leads to a reduction in the failure rate and thus to an increase in the service life of common-rail injectors, by means of which fuel for reducing the consumption of diesel internal combustion engines is injected with ever higher pressures in the combustion chamber of the drive units.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines metallischen Bauteils einer Ventilvorrichtung zum Steuern und Regeln eines Fluidvolumenstromes, insbesondere eines Injektorgehäuses, mit einer Korrosionsschutzschicht, welches vor dem Beschichtungsprozess gereinigt und nach dem Beschichtungsprozess getrocknet wird, beschrieben. Die Korrosionsschutzschicht wird durch Benetzen der Oberfläche mit einer wässrigen, monomere Silanderivate enthaltenden Lösung hergestellt, wobei die Monomere während einer sich an die Benetzung anschließenden Trocknung Polymere bilden.

Description

Verfahren zum Beschichten eines metallischen Bauteils
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberflache eines metallischen Bauteils einer Ventilvorrichtung zum Steuern und Regeln eines Fluidvolumenstroms, insbesondere eines Injektorgehauses, mit einer Korrosionsschutzschicht, welches vor dem Beschichtungsprozess gereinigt und nach dem Beschichtungsprozess getrocknet wird.
Aus der Praxis bekannte Common-Rail-Inj ektoren, welche beispielsweise bei Nutzkraftwagen Verwendung finden, umfassen aus Gebrauchsstahlen, wie beispielsweise 42CrMoS4, hergestellte Bauteile, die wahrend der Lagerung unter atmosphärischem Einfluss oxidieren und eine unerwünschte Rostbildung aufweisen .
Zur Vermeidung der Rostbildung werden die Bauteile der Injektoren, insbesondere der Injektorkorper, nach einer thermischen Entgratung wahrend einer so genannten Phosphatierung gebeizt, um die Oberflache von Rost zu befreien. Nachteilig dabei ist jedoch, dass insbesondere das Beizen der Bauteile der Injektoren Lochfraß verursacht, der beispielsweise durch Auslosen so genannter Mangansulfidzeilen entsteht. Dieser Lochfraß fuhrt im Innenbereich eines Injektors, in dem im Betrieb des Injektors der Kraftstoff zwischen einer Kraftstoffzufuhrleitung und Ausspritzoffnungen mit hohen Druckschwankungen gefuhrt wird, zu Beeinträchtigungen der Funktionalitat eines Injektors, da im Bereich der Materialreduzierungen Risse auftreten können, die zu Undichtigkeiten zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich des Injektorsystems fuhren können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfugung zu stellen, mittels welchem Bauteile von Injektoren bzw. Ventilvorrichtungen zum Steuern und Regeln von Fluidvolumenstromen kostengünstig herstellbar sind, die eine hohe Lebensdauer aufweisen.
Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelost.
Vorteile der Erfindung
Bei dem erfindungsgemaßen Verfahren zum Beschichten eines metallischen Bauteils einer Ventilvorrichtung zum Steuern und Regeln eines Fluidvolumenstromes, insbesondere eines Injek- torgehauses, mit einer Korrosionsschutzschicht, welches vor dem Beschichtungsprozess gereinigt und nach dem Beschich- tungsprozess getrocknet wird, wird die Korrosionsschutzschicht durch Benetzen der Oberflache mit einer wassrigen, monomere Silanderivate enthaltenden Losung hergestellt, wobei die Monomere wahrend einer sich an die Benetzung anschließenden Trocknung des Bauteils Polymere bilden.
Eine derart hergestellte Korrosionsschutzschicht ist kostengünstig und beiznarbenfrei auf der Oberflache eines metallischen Bauteils applizierbar und nur mit geringem Aufwand in bereits bestehende Fertigungsabläufe eingliederbar. Bei den Silanderivaten handelt es sich vorzugsweise um Siloxanderiva- te, welche im Bereich eines Valenzelektrons mit einem organischen, vorzugsweise polymerisierbaren Rest gekoppelt sind. Des Weiteren weist das zentrale Siliziumatom im Bereich der anderen drei Valenzelektronen Verbindungen mit OH-Gruppen auf .
Mit dem erfindungsgemaßen Verfahren wird die Ausfallrate von Ventilvorrichtungen bzw. Common-Rail-Inj ektoren auf einfache und kostengünstige Art und Weise gesenkt und die Produktqua- litat verbessert, da Bauteile bzw. Injektorengehause mit einer Korrosionsschutzschicht versehen werden, die ohne Bau- teilschadigungen aufbringbar ist.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar. Ze ichnung
Eine Variante des erfindungsgemaßen Verfahrens ist in der Zeichnung in Form eines Blockschaltbildes schematisch vereinfacht wiedergegeben und wird in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein stark verkürztes Ablaufschema des erfindungsgemaßen Verfahrens .
Beschreibung des Ausfuhrungsbeispiels
In einem in der Figur dargestellten ersten Schritt Sl wird ein nicht naher gezeigtes Bauteil bzw. ein Inj ektorgehause eines Common-Rail-Injektors wahrend eines Vorreinigungsschrittes mit einem mit Wasser verdünnten alkalischen Reiniger bei einer Temperatur kleiner als 40 °C, vorzugsweise bei Raumtemperatur, in einem Tauchbad über einen vordefiniertem Zeitraum von 10 s bis 180 s, vorzugsweise 60 s, gereinigt. Dabei enthalt der alkalische Reiniger Tenside und Komplexbildner, welche ein Reinigergerust auf Silikatbasis darstellen und an der Oberflache des Injektorgehauses befindliche Fette und Verunreinigungen ablosen.
Daran anschließend wird das Bauteil bzw. das Injektorgehause wahrend eines sich an den Vorreinigungsschritt Sl anschließenden zweiten Schrittes S2 in ein Tauchbad getaucht, welches mit einem hoher konzentrierten alkalischen Reinigungsbad be- fullt ist, das die selben Tenside und Komplexbildner wie der alkalische Reiniger des Vorreinigungsschrittes Sl aufweist und durch eine höhere Konzentration als der wahrend des Vorreinigungsschrittes Sl verwendete Reiniger gekennzeichnet ist. Der zweite Reinigungsschritt S2 wird bei 70 °C bis 85 °C, vorzugsweise bei 80 °C, durchgeführt, wobei das Bauteil zusatzlich mit Ultraschall mit 30 W/l bis 45 W/l, vorzugsweise mit 40 W/l, für 10 s bis 180 s, vorzugsweise 60 s, beaufschlagt wird.
Die höhere Prozesstemperatur, die höhere Konzentration des alkalischen Reinigers und das Beaufschlagen des Bauteils mit Ultraschall wahrend des zweiten Schrittes S2 bewirken, dass Oberflachenverunreinigungen des Bauteils, die wahrend des Vorreinigungsschrittes Sl nicht entfernt wurden, aufgrund der erhöhten Reinigungsleistung von der Oberflache des Injektor- gehauses abgelost werden.
Daran anschließend wird das Injektorgehause wahrend eines dritten Schrittes S3 bei einer Temperatur zwischen 15 °C bis 40 °C, vorzugsweise bei Raumtemperatur, zwischen 30 s bis 180 s, vorzugsweise 60 s, in einer mit Wasser befullten Spulkaskade mit Ultraschall zwischen 30 W/l bis 45 W/l, vorzugsweise 40 W/l, beaufschlagt und gespult.
Wiederum daran anschließend wird das Bauteil wahrend eines vierten Schrittes S4 in einer weiteren mit Wasser befullten Spulkaskade bei einer Temperatur zwischen 15 °C bis 40 °C, vorzugsweise bei Raumtemperatur, zwischen 30 s bis 180 s, vorzugsweise 60 s gespult, bevor das Bauteil in ein Tauchbecken für 20 s bis 70 s, vorzugsweise 50 s bis 60 s, getaucht wird. Das Tauchbecken ist mit einer Silanderivate enthaltenden wassrigen Losung befullt, die in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles auf eine Prozesstemperatur von 20 °C bis 45 °C, vorzugsweise 35 °C, temperiert ist und permanent mittels einer Umwälzpumpe umgewalzt wird.
Wahrend des Eintauchvorgangs lagern sich an der metallischen Oberflache des Injektorgehauses, welches vorliegend aus 42CrMoS4 oder 50CrMoS4 hergestellt ist, monomere Silanderivate aufgrund adhäsiver Oberflachenkrafte an, so dass die gesamte Oberflache des Injektorgehauses bei der Entnahme aus dem Tauchbecken von den monomeren Silanderivaten bedeckt ist.
Diese monomeren Silanderivate weisen als Zentralatom Silizium auf, das über drei Valenzelektronen mit OH-Gruppen in Verbindung steht und über das vierte Valenzelektron mit einem organischen, vorzugsweise polymerisierbaren Rest verbunden ist.
Nach Ablauf der Beschichtungszeit des Schrittes S5 bzw. der Tauchzeit des Injektorgehauses wird das Injektorgehause vorliegend wahrend eines Induktionstrocknungsschrittes S6 zwischen 5 s bis 50 s, vorzugsweise 30 s, konstant bei etwa 0,1 kW bis 0,6 kW getrocknet, wobei die eingestellte Leistung wahrend der Induktionstrocknung sehr stark von der Geometrie des Injektorgehauses bzw. des Bauteils abhangt. Wahrend des Induktionstrocknungsschrittes S6 vernetzen sich die an der Oberflache des Injektorgehauses anheftenden monomeren Silanderivate zu Polymeren, wobei das wahrend der Vernetzung ent- stehende Wasser verdampft, ohne die Oberflachenschicht des Injektorgehauses zu beschädigen.
Dabei ist die Prozessfuhrung derart, dass die Prozesstemperatur wahrend des Trocknungsschrittes S6 kleiner als 100 °C ist, um ein Abspritzen des Wassers von der Oberflache des In- jektorgehauses zu vermeiden. Letztgenanntes Phänomen fuhrt unter Umstanden zu einer Beschädigung der eine Korrosionsschutzschicht des Bauteils darstellenden auspolymerisierten Silanschicht .
Die auf der Oberflachenschicht des Injektorgehauses angeordneten und vor der Trocknung monomeren Silanderivate vernetzten sowohl mit in der gleichen Ebene als auch in Bezug auf die Oberflache des Injektorgehauses jeweils darüber oder darunter benachbart angeordneten weiteren Silanderivaten, so dass durch die Vernetzung der monomeren Silanderivate eine dreidimensionale Polymerschicht entsteht, die auf der Oberflache des Injektorgehauses gut haftet und die Oberflache gegenüber Umwelteinflüssen sicher abschirmt.
Um ein Handling des getrockneten Injektorgehauses zu verbessern, ist nach dem Trocknungsschritt S6 ein Kuhlungsschritt S7 vorgesehen, wahrend dem die Bauteiltemperatur des nunmehr fertig beschichteten Injektorgehauses auf ca. 40 °C abgesenkt wird. Bei einer solchen Bauteiltemperatur ist eine sich an die Silanierung des Injektorgehauses anschließende Sichtkontrolle mit entsprechendem Teilehandling von einer Kontrollperson auf einfache Art und Weise durchfuhrbar. Dabei besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass durch die Trocknung aufgeheizte Injektorgehause mittels einer Handelsüblichen Standardkuhlung in einem luftdurchstromten Kuhltunnel innerhalb von drei bis fünf Minuten von einer Bauteiltemperatur von 100 °C auf unter 40 °C abzukühlen.
Die Abkuhlzeit ist auf unter 60 s reduzierbar, wenn das In- jektorgehause direkt nach der Trocknung und der dabei stattfindenden Polymerisation der Silanderivate in kaltes Wasser eingetaucht wird. Bei einer solchen Vorgehensweise sinkt die Bauteiltemperatur des Injektorgehauses innerhalb von ca. 10 s auf unter 50 °C ab und wird wahrend einer sich daran anschließenden Vakuumtrocknung um weitere 20 °C abgekühlt und gleichzeitig getrocknet.
Die vorbeschriebene Induktionstrocknung wahrend des Indukti- onstrocknungsschrittes S6 ist besonders bei einer so genannten Einzelteil- bzw. Kleinchargenbehandlung besonders geeignet, wahrend bei größeren Chargen so genannte Kondenstrock- ner, bei welchen die Bauteile mit getrockneter Luft beaufschlagt werden, eine geeignetere Alternative darstellen.
Das vorbeschriebene erfindungsgemaße Verfahren stellt eine besonders effektive Möglichkeit zur Herstellung korrosionsbeständiger Bauteile für Ventilvorrichtungen zum Steuern und Regeln eines Fluidvolumenstromes bzw. für Common-Rail- Injektoren dar, die sowohl wahrend der Lagerung als auch in montiertem Zustand korrosiven Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.
Das im Vergleich zu phosphatbasierenden Beizprozessen erheblich bauteilschonendere erfindungsgemaße Beschichtungsverfah- ren, bei dem Lochfraß und dergleichen vermieden wird, fuhrt zu einer Reduzierung der Ausfallrate und damit zu einer Erhöhung der Lebensdauer von Common-Rail-Injektoren, mittels welchen Brennstoff zur Verbrauchsreduzierung von Dieselbrenn- kraftmaschinen mit immer höheren Drucken in den Brennraum der Antriebsaggregate eingespritzt wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Beschichten einer Oberflache eines metallischen Bauteils einer Ventilvorrichtung zum Steuern und Regeln eines Fluidvolumenstromes, insbesondere eines In- jektorgehauses, mit einer Korrosionsschutzschicht, welches vor dem Beschichtungsprozess gereinigt und nach dem Beschichtungsprozess getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht durch Benetzen der Oberflache mit einer wassrigen, monomere Silanderiva- te enthaltenden Losung hergestellt wird, wobei die Monomere wahrend einer sich an die Benetzung anschließenden Trocknung des Bauteils Polymere bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Oberflache des Bauteils mit einem alkalischen Reinigungsbad, das Tenside und Komplexbildner aufweist, wahrend eines Reinigungsschritts (S2) bei 70 °C bis
85 °C, vorzugsweise bei 80 °C, gereinigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil wahrend des Reinigungsschritts (S2) zusatzlich mit Ultraschall mit 30 W/l bis 45 W/l, vorzugsweise mit 40 W/l, beaufschlagt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung 10 s bis 180 s, vorzugsweise 60 s, andauert .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reinigungsschritt (S2) ein Vorreinigungsschritt (Sl) mit einem gegenüber dem Reinigungsschritt verwendeten alkalischen Reiniger mit Wasser verdünntem alkalischen Reiniger bei einer Temperatur kleiner als 40 °C, vorzugsweise bei Raumtemperatur, vorgeschaltet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Reinigungsschritt bei einer Temperatur zwischen 15 °C bis 40 °C, vorzugsweise bei Raumtemperatur, zwischen 30 s bis 180 s, vorzugsweise 60 s, in einer mit Wasser befullten Spulkaskade mit Ultraschall zwischen 30 W/l bis 45 W/l, vorzugsweise 40 W/l, beaufschlagt und gespult wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Spulschritt (S3) bei einer Temperatur zwischen 15 °C bis 40 °C, vorzugsweise bei Raumtemperatur, zwischen 30 s bis 180 s, vorzugsweise 60 s, in einer weiteren Spulkaskade in Wasser gespult wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflache des Bauteils für 20 s bis 70 s, vorzugsweise 50 s bis 60 s, in einem Tauchbe- cken mit den Silanderivaten bei 20 °C bis 45 °C, vorzugsweise bei 35 °C, benetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Benetzen mit den Silanderivaten wahrend eines Induktionstrocknungsschrittes (S6) 5 s bis
50 s bei 0,1 kW bis 0,6 kW getrocknet wird und die monomeren Silanderivate Polymere bilden, wobei die Trocknungstemperatur solange unterhalb 100 °C gehalten wird, bis wenigstens annähernd das gesamte Wasser aus der SiIa- ne enthaltenden Oberflachenschicht des Bauteils abgedampft ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach der Trocknung auf eine Temperatur kleiner als 40 °C abgekühlt wird.
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