WO2013000641A1 - VERFAHREN ZUM AUFBRINGEN EINER KORROSIONSFESTEN UND VERSCHLEIßFESTEN SCHICHT AUF EINEM METALLTEIL - Google Patents

VERFAHREN ZUM AUFBRINGEN EINER KORROSIONSFESTEN UND VERSCHLEIßFESTEN SCHICHT AUF EINEM METALLTEIL Download PDF

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heat treatment
metal part
resistant
atmosphere
wear
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PCT/EP2012/059716
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Jochen Straehle
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Robert Bosch Gmbh
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/10—Oxidising
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    • C23C8/14—Oxidising of ferrous surfaces
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    • C23C8/10—Oxidising
    • C23C8/16—Oxidising using oxygen-containing compounds, e.g. water, carbon dioxide
    • C23C8/18—Oxidising of ferrous surfaces

Definitions

  • the invention relates to a method for applying a corrosion-resistant and wear-resistant oxide layer on a metal part, in particular a Fe 3 0 4 layer, on a metal part by a heat treatment, wherein the metal part is exposed for a predetermined time of a given atmosphere.
  • a method for applying a corrosion-resistant and wear-resistant layer to a metal part in which the metal part during a first phase in a gaseous environment with diffused nitrogen at a temperature between 480 ° C - 525 ° C during a Time of up to 10 hours until the metal part reaches a percentage N 2 weight fraction of not more than about 4% in the diffusion layer of the metal part and during a second phase after the supply of nitrogen is stopped, the metal part in a gaseous state Oxidizing environment at a temperature between 505 ° C and 545 ° C is treated such that a magnetite layer is formed, which is distributed on the surface of the metal part with a thickness of 3 - 5 ⁇ .
  • This method is technically complex and requires a large technical equipment for performing the method.
  • the invention has for its object to provide a corrosion-resistant and wear-resistant layer with low production costs on a surface of a metal part.
  • This object is achieved in that the predetermined time for applying the oxide layer, in particular the Fe 3 0 4 layer, less than a minute.
  • This short time allows a heat treatment in which the structure of the metal part is not adversely affected.
  • the hardness of the metal part is not or only insignificantly influenced.
  • the thermal treatment process of approximately 10 hours described in the prior art causes a significant decrease in the hardness of the metal part.
  • at least the tribological advantage of the oxide layer applied to the metal part is at least equalized.
  • already (finished) machined and hardened metal parts such as valve seats or rolling bearing parts, therefore, there are significant advantages over the prior art by the method according to the invention, since the hardness of the metal part remains virtually unchanged.
  • the heat treatment takes place in a gaseous atmosphere under normal ambient air.
  • a high-temperature furnace used for heat treatment in a further embodiment of the invention.
  • Such a heat treatment in a high-temperature furnace has proven to be particularly suitable, since the metal parts to be treated according to the invention are easily adjustable in a high-temperature furnace and the energy required to operate such a high-temperature furnace is manageable.
  • the heat treatment is carried out in a fluid-like atmosphere by acting on the surface of the metal part by means of a hot steam jet.
  • This method has the advantage that the metal part itself is exposed to no or only a (small) local heating and the microstructure, i. the hardness does not change at all. As a result, longer heat treatment times can also be realized in this process if necessary.
  • the heat treatment takes place in an atmosphere with a low oxygen concentration.
  • an atmosphere may be, in further development of the process, an oily or fuel-like atmosphere.
  • This atmosphere can be created by applying a low-oxygen and low-oxygen fuel and / or a test oil on the metal part.
  • the formation of a Fe 3 0 4 layer can be favorably influenced.
  • the heat treatment is carried out in a high-temperature furnace.
  • the heat treatment of the metal parts is produced by an intake program on the mutually beweg gleich striv surfaces of metal parts.
  • the surfaces of the moved-contact metal parts are roughened in order to produce tips that can be plastically deformed.
  • these points or their gradients are designed such that the yield point is exceeded.
  • the hardness is divided by the elastic modulus. The quotient is the lower limit for the average peak slope of the surface.
  • the plastic deformation results in very high temperatures in the contact point, as a result of which a reaction of the metal surface (Fe-containing) with oxygen present takes place and a metal oxide separates out. It is important that the operating conditions, ie the movements of the motion-contacted metal parts to each other, done so quickly in a row during the plastic deformation, so that the temperature reaches a level of between 400 K and 570 K, so that Fe 3 0 4 can form.
  • the run-in program is preferably carried out in an oily atmosphere or a fuel-like atmosphere and is therefore particularly suitable for the components of a fuel injection system to be described below.
  • the warm-up times of fuel injectors are a few minutes. This time must be considered as run-in time.
  • the operating parameters of the fuel injector large, that is, for example, high pressure, high fuel temperature, high speed and high injection number to reach the required operating temperature in the switching valve.
  • Parameters are set so that form the advantageous oxide layer can. Under these operating conditions, only a few seconds to a maximum of one minute is sufficient.
  • the heat treatment is carried out in all of the stated methods for a time of less than 25 seconds, more preferably for a time of approximately 5 seconds, as specified concretely to the corresponding method.
  • This period is useful for all heat treatments in the different atmospheres.
  • Such a period of time or such a short treatment time is sufficient to significantly reduce the wear on the metal part.
  • in all methods is the
  • Heat treatment at a temperature between 400 K and 570 K For example, in a heat treatment for 5 seconds at 570 K in normal atmosphere, a reduction in wear of up to 50% can be represented. With such a reduced short annealing time, the microstructure of the metal part does not change, so that the hardness of the metal part remains unaffected. As a result, the wear reduction and the hardening process, which are otherwise contrary to each other and exert negative influences on each other, are no longer adversely affected each other
  • At least the areas of the metal part to be coated are cleaned before the heat treatment. This removes residues from processing or preservation, which can negatively affect the heat treatment. Especially in the heat treatment by exposure to a steam jet cleaning only needs to be done locally. Such a cleaning is to be carried out in particular in a heat treatment in a gaseous atmosphere in a high-temperature furnace.
  • a Fe 3 0 4 layer thickness of 10nm to 3 ⁇ is produced with all methods. Such a layer thickness is sufficient for producing a corrosion-resistant and wear-resistant layer on the respective metal part.
  • layer thicknesses are possible within the scope of the invention, it should be noted that too thick a layer runs the risk of splitting off, while a layer that is too thin would possibly expose metallic surfaces during removal and promote adhesion wear. It is basically the case that the spinel oxide Fe 3 0 4 (magnetite) protects the surface more strongly from wear than the more abrasive rhombohedral oxide Fe 2 O 3 (hematite).
  • the corrosion-resistant and wear-resistant layers of components of a fuel injection system in particular valves and / or fuel injectors and / or fuel pumps applied.
  • a fuel injection system is preferably installed on internal combustion engines, in particular self-igniting internal combustion engines.
  • these metallic components are suitable for the application of the method according to the invention due to their small size and their intended conditions of use.
  • the inventive method can also be applied to any other metallic parts such as rolling bearing parts or other valves.
  • the inventive method in particular when using the intake program, the special technical effect that with no or only an insignificant influencing the hardness of the surface of the metal part by the short heat treatment in a comparatively low temperature range in the specified atmospheres with the surface a sufficiently thick oxide layer is provided. This effect was surprising to the skilled person.
  • FIG. 1 is a perspective view of heat-treated contact points of components of a fuel injection system
  • Figure 2 in diagram form as a function of an annealing time and an annealing temperature achievable wear depths
  • Figure 3 is a flow chart for determining and implementing a suitable run-in program
  • the illustrated in Figure 1 components of a fuel injection system are a piston 1 and a piston sleeve 2, wherein the piston sleeve 2 cooperates with a throttle plate 3. These components are part of a control valve with which fuel is metered into a control space of a fuel injector of the fuel injection system.
  • the piston for example, by a piezoelectric actuated actuator of the fuel injector and reciprocated between an open position and a closed position.
  • the piston 1 normally does not touch the throttle plate 3, while the piston sleeve 2 rests movably on the throttle plate 3.
  • the piston sleeve 2 is guided together with the other components in a fuel injector and can perform a rotational movement and at least a slight lateral movement relative to the throttle plate 3. Accordingly, at the contact area a wear area 4, which is eliminated by the inventive method for applying a corrosion-resistant and wear-resistant Fe 3 0 4 layer on the throttle plate 3 and / or the piston sleeve 2.
  • Figure 2 shows the depth of wear, which in a Reib melt over a period of about 4 hours on a not according to the invention with a Fe 3 0 4 layer on the contact area between, for example, the throttle plate 3 and the piston sleeve 2 provided test pattern as a function of the annealing time for set different tempering temperatures.
  • the depth of wear after an annealing time of 5 seconds, depending on the tempering temperature (400 k or 570 K) has a value between 0.25 ⁇ and 0.5 ⁇ .
  • a depth of wear At an annealing time of 10 seconds, depending on the tempering temperature (400 k or 570 K) 0.35 ⁇ to 1, 5 ⁇ wear depth achieved, while at an annealing time of 20 seconds depending on the annealing temperature (400 k or 570 K) a depth of wear from 0.4 ⁇ to 0.85 ⁇ is achieved.
  • FIG. 3 shows a flow chart for defining and implementing a suitable run-in program
  • the temperature in the contact area is made e.g. obtained experimentally obtained data 6 or from wear tests 7.
  • a valve for example a switching valve in a fuel injector, it can be assumed:
  • v injection number, c1 and c2 are constants).
  • those parameters p, n, v are to be determined in which the temperatures are between 400 K and 570 K.
  • the desired oxidation layer thickness is set.
  • the equation d C - -jk - t - 0.34 ⁇ ⁇ t Bniiller (C, k material-specific parameters,
  • the estimated after the Abiauf suits 8 oxidation time 9 is used directly in the next procedural step 10 to estimate the speed of movement or speed of the metal parts to each other.
  • a rather slow rotational speed is expedient, since the surface has sufficient time to build up the oxide layer before the layer is destroyed again by an impact.
  • This speed is used again to estimate the other DL parameters (pressure, speed, fuel temperature) in the first step 5.
  • the speed would be about 150 rpm.
  • a certain warm-up time is required or useful, which is determined after completion of the process step 10 in the expiry point 1 1. This is composed of the different specific heat and heat conduction. Typically, the warm-up times of fuel are! injectors at a few minutes. This time must be considered as run-in time.
  • the DL parameters found in step 8 must be set so that the advantageous oxide layer can be formed. As a result, under these operating conditions determined in this way, the run-in program 12 is performed in just a few seconds up to a maximum of one minute.

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Abstract

Verfahren zum Aufbringen einer korrosionsfesten und verschleißfesten Oxidschicht, insbesondere einer Fe3O4-Schicht, auf einem Metallteil durch eine Wärmebehandlung, wobei das Metallteil für eine vorgegebene Zeit einer vorgegebenen Atmosphäre ausgesetzt wird. Erfindungsgemäß wird an einer Oberfläche eines Metallteils eine korrosionsfeste und verschleißfeste Schicht mit geringem Herstellungsaufwand erzeugt. Dies wird dadurch erreicht, dass die vorgegebene Zeit weniger als eine Minute beträgt.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Aufbringen einer korrosionsfesten und verschleißfesten Schicht auf einem Metallteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer korrosionsfesten und verschleißfesten Oxidschicht auf ein Metallteil, insbesondere einer Fe304-Schicht, auf ein Metallteil durch eine Wärmebehandlung, wobei das Metallteil für eine vorgegebene Zeit einer vorgegebenen Atmosphäre ausgesetzt wird.
Stand der Technik
Aus der DE 698 15 051 T2 ist ein Verfahren zum Aufbringen einer korrosionsfesten und verschleißfesten Schicht auf ein Metallteil bekannt, bei dem das Metallteil während einer ersten Phase in einer gasförmigen Umgebung mit diffundiertem Stickstoff bei einer Temperatur zwischen 480 °C - 525 °C während einer Zeit von bis zum 10 Stunden behandelt wird, bis das Metallteil einen prozentualen N2-Gewichtsanteil von nicht mehr als etwa 4 % in der Diffusionsschicht des Metallteils erreicht und während einer zweiten Phase, nachdem die Zuführung von Stickstoff unterbrochen wurde, das Metallteil in einer gasförmigen Oxidierenden Umgebung bei einer Temperatur zwischen 505 °C und 545 °C derart behandelt wird, dass eine Magnetitschicht gebildet wird, die auf der Oberfläche des Metallteils mit einer Dicke von 3 - 5 μηη verteilt ist.
Dieses Verfahren ist verfahrenstechnisch aufwendig und es bedarf einer großen technischen Gerätschaft zur Durchführung des Verfahrens. Zudem besteht die Gefahr einer nachteiligen Beeinflussung der Struktur der Metallteile durch die lange thermische Oberflächenbeeinflussung bei hohen Tempertemperaturen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einer Oberfläche eines Metallteils eine korrosionsfeste und verschleißfeste Schicht mit geringem Herstellungsaufwand aufzubringen.
Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die vorgegebene Zeit zum Aufbringen der Oxidschicht, insbesondere der Fe304-Schicht, weniger als eine Minute beträgt. Diese geringe Zeit ermöglicht eine Wärmebehandlung, bei der das Gefüge des Metallteils nicht nachteilig beeinflusst wird. Dadurch wird insbesondere die Härte des Metallteils nicht oder nur unwesentlich beeinflusst. Das zum Stand der Technik erläuterte thermische Behandlungsverfahren von angenähert 10 Stunden bewirkt dagegen eine deutliche Abnahme der Härte des Metallteils. Dadurch wird beim Stand der Technik letztendlich der tribologische Vorteil der auf das Metallteil aufgebrachten Oxidschicht zumindest egalisiert. Besonders für bereits (fertig) bearbeitete und gehärtete Metallteile wie beispielsweise Ventilsitze oder Wälzlagerteile bestehen somit durch das erfindungsgemäße Verfahren deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, da die Härte des Metallteil quasi unverändert bleibt.
In Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Wärmebehandlung in einer gasförmigen Atmosphäre bei normaler Umgebungsluft. Eine solche Atmosphäre herrscht in einem in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zur Wärmebehandlung eingesetzten Hochtemperaturofen. Eine solche Wärmebehandlung in einem Hochtemperaturofen hat sich als besonders geeignet erwiesen, da die erfindungsgemäß zu behandelnden Metallteile einerseits problemlos in einen Hochtemperaturofen einstellbar sind und der Energieaufwand zum Betreiben eines solchen Hochtemperaturofens überschaubar ist.
In einer alternativen weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Wärmebehandlung in einer fluidförmigen Atmosphäre durch eine Beaufschlagung der Oberfläche des Metallteils mittels eines heißen Wasserdampfstrahls. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das Metallteil selbst keiner beziehungsweise nur einer (geringen) örtlichen Erhitzung ausgesetzt ist und sich das Gefüge, d.h. die Härte überhaupt nicht ändert. Dadurch können bei diesem Verfahren gegebenenfalls auch längere Wärmebehandlungszeiten realisiert werden.
In Weiterbildung der Erfindung werden nicht zu beschichtende Bereiche des Metallteils während der Beaufschlagung mit dem Wasserdampfstrahl abgedeckt. Dies ist bei einem derartigen Verfahren problemlos möglich und kann beispielsweise durch entsprechende Masken aus einem metallischen oder nichtmetallischen Werkstoff realisiert werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Wärmebehandlung in einer Atmosphäre mit geringer Sauerstoffkonzentration. Eine solche Atmosphäre kann in weiterer Fortbildung des Verfahrens eine ölförmige Atmosphäre oder eine kraftstoffförmige Atmosphäre sein. Diese Atmosphäre kann durch Aufbringen von einem wasserarmen und sauerstoffarmen Kraftstoff und/oder ein Prüföl auf das Metallteil geschaffen werden. Dadurch kann die Bildung einer Fe304-Schicht vorteilhaft beeinflusst werden. Hier zeigt sich bereits nach beispielsweise 5 Sekunden bei einer Tempertemperatur von 570 K ein vorteilhaftes Reibverhalten. Vorteilhaft wird die Wärmebehandlung in einem Hochtemperaturofen durchgeführt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Wärmebehandlung der Metallteile durch ein Einlaufprogramm an den miteinander bewegkontaktierten Oberflächen von Metallteilen erzeugt. Dabei sind wiederum in weiterer Ausgestaltung die Oberflächen der bewegkontaktierten Metallteile zur Erzeugung von Spitzen, die sich plastisch ver- formen können, aufgeraut. Je nach der Ausgangstemperatur, die beispielsweise durch ein Medium, beispielsweise Kraftstoff, gegeben ist, das mit den bewegungskontaktie- ren Metallteilen in Berührung kommt, sind diese Spitzen bzw. deren Gradienten so gestaltet, dass die Fließgrenze überschritten wird. Als Anhaltwert wird dazu die Härte durch das Elastizitätsmodul geteilt. Der Quotient ist die untere Grenze für die mittlere Spitzensteigung der Oberfläche. Des Weiteren wird bei diesem Verfahren berücksichtigt, dass je nach Spitzensteigung bei plastischer Verformung sich auch entsprechende Temperaturen ausbilden können. Je nach der Ausgangstemperatur müssen die Spitzen mehr oder weniger steil sein. Durch die plastische Verformung entstehen sehr hohe Temperaturen in der Kontaktstelle, so dass dadurch eine Reaktion der Metallober- fläche (Fe-haltig) mit vorhandenem Sauerstoff stattfindet und sich ein Metalloxid abscheidet. Wichtig ist dabei, dass die Betriebsbedingungen, d.h. die Bewegungen der bewegungskontaktierten Metallteile zueinander, so schnell hintereinander während der plastischen Verformung erfolgen, so dass die Temperatur ein Niveau von zwischen 400 K und 570 K erreicht, damit sich Fe304 ausbilden kann. Das Einlaufprogramm wird bevorzugt in einer ölförmigen Atmosphäre oder eine kraftstoffförmigen Atmosphäre durchgeführt und eignet sich daher besonders für die nachfolgend noch ausgeführten Komponenten eines Kraftstoffeinspritzsystems.
Eine Auslegung eines solchen Einlaufprogramms erfolgt beispielsweise folgendermaßen: Zunächst wird die Temperatur im Kontaktbereich aus z.B. experimentell gewonnenen Daten oder aus Verschleißversuchen berechnet. Für ein Ventil, beispielsweise ein Schaltventil in einem Kraftstoffinjektor kann angenommen werden:
T = Kraftstoff + - lj · n■ v■ c2 (p=Systemdruck, n=Motordrehzahl, v=Einspritzzahl, c1 und c2 sind Konstanten). Dabei sind diejenigen Parameter p, n, v zu ermitteln, bei denen die Temperaturen zwischen 400 und 570K liegen, b) Für die Schichtdicke der Fe304-Schicht kann die bekannte Gleichung d = C · k - t « 0,34 · · t Bniauf (C, k materialspezifische Größen,
Figure imgf000005_0001
t=Zeit) zur Abschätzung der benötigten Einlaufzeit verwendet werden. Dabei ist die „gewünschte" Schichtdicke einzusetzen. Eine Schichtdicke von etwa 100 nm würde bei einer Temperatur von T=570 K etwa nach 0,4 Sekunden erreicht. Hier ist allerdings zu beachten, dass die Konstanten stark streuen können. Im Zweifelsfall müs- sen Vorexperimente durchgeführt werden, um die Zeit der Oxidbildung zu untersuchen (beispielsweise mit verschiedenen Drehzahlen). c) Die Oxidationszeit wird unmittelbar genutzt, um die Drehzahl oder die Bewegungsgeschwindigkeit der Metallteile zueinander abzuschätzen. In diesem Fall ist eine eher langsame Drehzahl zielführend, da die Oberfläche ausreichend Zeit zur Verfügung hat, um die Oxidschicht aufzubauen, bevor die Schicht wieder durch einen Einschlag zerstört wird. Diese Drehzahl wird verwendet, um wieder unter Punkt a) die anderen DL-Parameter (Druck, Drehzahl, Kraftstofftemperatur) abzuschätzen. In diesem oben aufgeführten Beispiel würde die Drehzahl etwa bei 150 U/min liegen. d) Durch die thermische Trägheit des Systems ist eine bestimmte Warmlaufzeit erforderlich beziehungsweise sinnvoll. Diese setzt sich aus den verschiedenen spezifischen Wärmen und Wärmeleitungen zusammen. Typischerweise liegen die Warmlaufzeiten von Kraftstoffinjektoren bei einigen Minuten. Diese Zeit muss als Einlaufzeit berücksichtigt werden. Während dieser Warmlaufphase ist es vorteilhaft, die Betriebsparameter des Kraftstoffinjektors groß zu wählen, also beispielsweise hoher Druck, hohe Kraftstofftemperatur, hohe Drehzahl und hohe Einspritzzahl, um die erforderliche Betriebstemperatur im Schaltventil zu errei- chen. Ist die Temperatur erreicht, müssen die unter b) gefundenen DL-
Parameter eingestellt werden, damit sich die vorteilhafte Oxidschicht ausbilden kann. Unter diesen Betriebsbedingungen sind nur wenige Sekunden bis hin zu maximal einer Minute ausreichend.
In Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Wärmebehandlung bei allen angegebenen Verfahren während einer Zeit von weniger als 25 Sekunden, ganz bevorzugt während einer Zeit von angenähert 5 Sekunden, wie dies konkret zu dem entsprechenden Verfahren angegeben ist. Diese Zeitspanne ist für alle Wärmebehandlungen in den verschiedenen Atmosphären sinnvoll anwendbar. Eine solche Zeitspanne bzw. eine solche kurze Behandlungszeit reicht aus, um den Verschleiß an dem Metallteil deutlich zu reduzieren. Dabei beträgt wiederum in weiterer Ausgestaltung bei allen Verfahren die
Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 400 K und 570 K. Beispielsweise ist bei einer Wärmebehandlung während einer Zeit von 5 Sekunden bei 570 K in Normalatmosphäre eine Verschleißminderung von bis zu über 50% darstellbar. Bei einer solchermaßen reduzierten kurzen Temperzeit ändert sich das Gefüge des Metallteils nicht, so dass die Härte des Metallteils unbeeinflusst bleibt. Dadurch werden die Verschleißminderung und der Härteprozess, die ansonsten konträr gegenüber stehen und negative Einflüsse aufeinander ausüben, nicht mehr gegenseitig nachteilig beeinflusst
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden zumindest die zu beschichtenden Be- reiche des Metallteils vor der Wärmebehandlung gereinigt. Somit werden Rückstände von der Bearbeitung oder Konservierung, die sich bei der Wärmebehandlung negativ auswirken können, entfernt. Insbesondere bei der Wärmebehandlung durch Beaufschlagung mit einem Wasserdampfstrahl braucht die Reinigung nur örtlich zu erfolgen. Eine solche Reinigung ist insbesondere bei einer Wärmebehandlung in einer gasförmi- gen Atmosphäre in einem Hochtemperaturofen vorzunehmen.
In Weiterbildung der Erfindung wird mit allen Verfahren eine Fe304-Schichtdicke von 10nm bis 3μηι erzeugt. Eine solche Schichtdicke reicht für eine Herstellung einer korrosionsfesten und verschleißfesten Schicht auf den jeweiligen Metallteil aus. Wenn auch im Rahmen der Erfindung andere Schichtstärken möglich sind, ist zu beachten, dass eine zu dicke Schicht Gefahr läuft, abzuplatzen, während eine zu dünne Schicht bei einem Abtrag unter Umständen metallische Flächen freilegen und den Adhäsionsverschleiß begünstigen würde. Dabei ist es grundsätzlich so, dass das Spinell-Oxid Fe304 (Magnetit) die Oberfläche stärker vor Verschleiß schützt als das mehr abrasive rhombohedrische Oxid Fe203 (Hämatit).
In Weiterbildung der Erfindung werden die korrosionsfesten und verschleißfesten Schichten an Komponenten eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere an Ventilen und/oder Kraftstoffinjektoren und/oder Kraftstoffpumpen aufgebracht. Ein solches Kraftstoffeinspritzsystem wird bevorzugt an Brennkraftmaschinen, insbesondere selbstzündenden Brennkraftmaschinen verbaut. Besonders diese metallischen Bauteile eignen sich zur Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer bestimmungsgemäßen Einsatzbedingungen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch an beliebigen anderen metallischen Teilen wie Wälzlagerteilen oder sonstigen Ventilen angewendet werden.
Zusammenfassend tritt mit den erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere bei Anwendung des Einlaufprogramms, der besondere technische Effekt auf, dass bei keiner oder nur einer unwesentlichen Beeinflussung der Härte der Oberfläche des Metallteils durch die kurze Wärmebehandlung in einem vergleichsweise geringen Temperaturbereich bei in den angegebenen Atmosphären die Oberfläche mit einer hinreichend dicken Oxidschicht versehen wird. Dieser Effekt war für den Fachmann überraschend.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 in einer perspektivischen Darstellung wärmebehandelte Kontaktstellen von Komponenten eines Kraftstoffeinspritzsystems,
Figur 2 in Diagrammform in Abhängigkeit einer Temperzeit und einer Tempertemperatur erreichbare Verschleißtiefen und
Figur 3 ein Ablaufdiagramm zur Festlegung und Durchführung eines geeigneten Einlaufprogramms
Die in Figur 1 darstellten Komponenten eines Kraftstoffeinspritzsystems sind ein Kolben 1 und eine Kolbenhülse 2, wobei die Kolbenhülse 2 mit einer Drosselplatte 3 zusammenwirkt. Diese Komponenten sind Teil eines Steuerventils, mit dem in einen Steuerraum eines Kraftstoffinjektors des Kraftstoffeinspritzsystems einzubringender Kraftstoff zugemessen wird. Dabei wird der Kolben 1 beispielsweise von einem Piezo- aktor des Kraftstoffinjektors betätigt und zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung hin und her bewegt.
Der Kolben 1 berührt die Drosselplatte 3 normalerweise nicht, während die Kolbenhülse 2 auf der Drosselplatte 3 beweglich aufliegt. Die Kolbenhülse 2 ist zusammen mit den weiteren Bauteilen in einem Kraftstoffinjektorgehäuse geführt und kann eine Drehbewegung und eine zumindest geringe seitliche Bewegung gegenüber der Drosselplatte 3 ausführen. Entsprechend ergibt sich an dem Kontaktbereich ein Verschleißbereich 4, der durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbringen einer korrosionsfesten und verschleißfesten Fe304-Schicht auf der Drosselplatte 3 und/oder der Kolbenhülse 2 eliminiert wird.
Figur 2 zeigt die Verschleißtiefe, die sich in einem Reibversuch über eine Zeitspanne von ca. 4 Stunden an einem nicht erfindungsgemäß mit einer Fe304-Schicht auf den Kontaktbereich zwischen beispielsweise der Drosselplatte 3 beziehungsweise der Kolbenhülse 2 versehen Prüfmuster in Abhängigkeit der Temperzeit für verschiedene Tempertemperaturen einstellt.
Die Verschleißtiefe weist nach einer Temperzeit von 5 Sekunden je nach der Tempertemperatur (400 k oder 570 K) einen Wert zwischen 0,25 μηη und 0,5 μηη auf. Bei einer Temperzeit von 10 Sekunden werden je nach der Tempertemperatur (400 k oder 570 K) 0,35 μηη bis 1 ,5 μηη Verschleißtiefe erreicht, während bei einer Temperzeit von 20 Sekunden je nach der Tempertemperatur (400 k oder 570 K) eine Verschleißtiefe von 0,4 μηη bis 0,85 μηη erreicht wird.
Die zuvor an einer Komponente eine Kraftstoffeinspritzsystems dargestellten Gegebenheiten sind auf beliebige andere zueinander bewegte Bauteile mit oder ohne Zusatz von einer Flüssigkeit während des normalen Betriebs übertragbar.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Festlegung und Durchführung eines geeigneten Einlaufprogramms
In einem ersten Schritt 5 wird die Temperatur im Kontaktbereich aus z.B. experimentell gewonnenen Daten 6 oder aus Verschleißversuchen 7 berechnet. Für ein Ventil, beispielsweise ein Schaltventil in einem Kraftstoffinjektor kann angenommen werden:
T = Kraftstoff + \ - n - v - c2 (p=Systemdruck, n=Motordrehzahl,
Figure imgf000008_0001
v= Einspritzzahl, c1 und c2 sind Konstanten). Dabei sind diejenigen Parameter p, n, v zu ermitteln, bei denen die Temperaturen zwischen 400 K und 570 K liegen.
In einem nächsten gegebenenfalls parallel ablaufenden Abiaufschritt 8 wird die gewünschte Oxidationsschichtdicke festgelegt. Zur Bestimmung der Schichtdicke der Fe304-Schicht kann die Gleichung d = C - -Jk - t ~ 0,34 · · t Bniauf (C, k materialspezifische Größen,
Figure imgf000009_0001
t=Zeit) zur Abschätzung der benötigten Einlaufzeit verwendet werden. Dabei ist die „gewünschte" Schichtdicke einzusetzen. Eine Schichtdicke von etwa 100 nm würde bei einer Temperatur von T=570 K etwa nach 0,4 Sekunden erreicht. Hier ist allerdings zu beachten, dass die Konstanten stark streuen können. Im Zweifelsfall müssen Vorexperimente durchgeführt werden, um die Zeit der Oxidbildung zu untersuchen (beispielsweise mit verschiedenen Drehzahlen).
Die nach Durchführung des Abiaufschritts 8 abgeschätzte Oxidationszeit 9 wird im nächsten Verfahrensablaufschritt 10 unmittelbar genutzt, um die Bewegungsgeschwindigkeit oder die Drehzahl der Metallteile zueinander abzuschätzen. Im Ausführungsbeispiel ist eine eher langsame Drehzahl zielführend, da die Oberfläche ausreichend Zeit zur Verfügung hat, um die Oxidschicht aufzubauen, bevor die Schicht wieder durch einen Einschlag zerstört wird. Diese Drehzahl wird verwendet, um wieder im ersten Schritt 5 die anderen DL-Parameter (Druck, Drehzahl, Kraftstofftemperatur) abzuschätzen. In diesem oben aufgeführten Beispiel würde die Drehzahl etwa bei 150 U/min liegen.
Durch die thermische Trägheit des Systems ist eine bestimmte Warmlaufzeit erforderlich beziehungsweise sinnvoll, die nach Durchführung des Verfahrensablaufschritts 10 im Ablaufpunkt 1 1 bestimmt wird. Diese setzt sich aus den verschiedenen spezifischen Wärmen und Wärmeleitungen zusammen. Typischerweise liegen die Warmlaufzeiten von Kraftstoff! njektoren bei einigen Minuten. Diese Zeit muss als Einlaufzeit berücksichtigt werden. Während dieser Warmlaufphase ist es vorteilhaft, die Betriebsparameter des Kraftstoff! njektors groß zu wählen, also beispielsweise hoher Druck, hohe Kraftstofftemperatur, hohe Drehzahl und hohe Einspritzzahl, um die erforderliche Betriebstemperatur im Schaltventil zu erreichen. Ist die Temperatur erreicht, müssen die im Abiaufschritt 8 gefundenen DL-Parameter eingestellt werden, damit sich die vorteilhafte Oxidschicht ausbilden kann. Als Ergebnis wird dann unter diesen so bestimmten Betriebsbedingungen das Einlaufprogramm 12 in nur wenige Sekunden bis hin zu maximal einer Minute durchgeführt.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Aufbringen einer korrosionsfesten und verschleißfesten Oxidschicht, insbesondere einer Fe304-Schicht, auf ein Metallteil durch eine Wärmebehandlung, wobei das Metallteil für eine vorgegebene Zeit einer vorgegebenen Atmosphäre ausgesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeit weniger als eine Minute beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch"! ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einer gasförmigen Atmosphäre bei normaler Umgebungsluft erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einem Hochtemperaturofen erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einer fluidförmigen Atmosphäre durch Beaufschlagung der Oberfläche des Metallteils mittels eines heißen Wasserdampfstrahls erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass nicht zu beschichtende Bereiche des Metallteils während der Beaufschlagung mit dem Wasserdampfstrahl abgedeckt werden.
6. Verfahren nach Anspruch"! ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einer Atmosphäre mit geringer Sauerstoffkonzentration erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einer ölförmigen Atmosphäre erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einer kraftstoffformigen Atmosphäre erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung durch ein Einlaufprogramm miteinander bewegungskontaktierter Oberflächen von Metallteilen erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der bewegungskontaktierten Me tallteile zur Erzeugung von Spitzen aufgeraut werden.
1 1 . Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung während einer Zeit von weniger als 25 Sekunden, ganz bevorzugt während einer Zeit von 5 Sekunden erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 400 K bis 570 K erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Fe304-Schichtdicke von 10 nm bis 3 μηη erzeugt wird.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die zu beschichtenden Bereiche des Metallteils vor der Wärmebehandlung gereinigt werden.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die korrosionsfesten und verschleißfesten Schichten an Komponenten eines Kraftstoffeinspritzsystems erzeugt werden.
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