DE102005037549A1 - Coating for mechanically highly stressed components - Google Patents

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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.A coating is proposed for components at risk of wear, which consists of a first hard wear protection layer (17) and a flexible matching layer (19) arranged thereon.

Description

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.Wear-resistant coatings Today, they are a tried and tested means for long-term durability of tribologically highly loaded surfaces. Is next to the wear protection the coated component also a protection of the uncoated counter body desirable In recent years, the so-called DLC coating (Diamond Like carbon) enforced. Especially in the automotive sector moving components, due to the local forces very much heavily used, but their function only in compliance geometries in the micrometer range and below.

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.So Today, for example, pump pistons in diesel injection systems protected against wear with DLC coatings. In CommonRail systems for Direct injection diesel engines become the nozzle needles for the injectors on the seal seat and, depending on the application, also protected on the needle guide with DLC. At the Seating fit must be the layer system by superimposed oscillatory movements From the fuel system ago multiple loads endure high surface pressures, unfavorable geometries with edge run etc., high switching cycle numbers due to multiple injection and unfavorable environmental conditions by temperatures from the combustion chamber, aggressive gases from the exhaust gas and fuel influences.

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.Around the efficiency to ensure the systems such as modern diesel engines are applied to the geometries of the coated valve or sealing seats ever higher Requirements made. Properties such as angles, angular relationships, Diameter, etc. should be over the entire lifetime are kept very tight. That's it required, on the one hand, the components before coating very accurately to manufacture with shape and position tolerances, which leads to an increase in Lead manufacturing costs, on the other hand, very high demands are made on wear resistance and geometry accuracy of the DLC layer systems used. These requirements can the available standing production and coating processes less and less fair become, the higher the loads increase, for example due to load cycle number and injection pressures.

Aufgabe der ErfindungTask of invention

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.task The invention is a cost effective and reliable in large series To provide usable tribological system, the greater manufacturing tolerances allows and at the same time the reliability with the coating of the invention equipped Increased components. Further It is the object of the invention to represent a tribological system its lifetime spreads within narrow limits and its life therefore reliable predictable.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

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.So far It has been assumed that the extremely sophisticated fine geometry a valve or sealing seat, as for example in diesel injection systems for CommonRail applications the case is, by tightest tolerances in the manufacture of the components to ensure and the applied layer system as precise as possible the fine geometry according to construction to maintain. This requirement applies in particular already in the New condition before inlet of the system. Surprisingly, it has become however, shown that the fine geometry is after enema or after the first 10 to 100 hours of operation relatively free to the real Adjusts environmental conditions. The resulting stable geometry is a complex system of local material properties, layer defects and layer thickness scattering, fine geometry on the coated Component, the pairing to the counter body and the inlet conditions.

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.In the reality It has been shown that the technical possibilities are lacking Stable geometry on the system Valve seat / sealing seat manufacturing technology to manufacture specifically. The result is a very different wear pattern with sometimes significantly reduced lifetimes and performance regarding tightness.

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.According to the invention this Problem solved that the hitherto used, typically 1 .mu.m to 3 .mu.m thick hard DLC wear protection layer is replaced by a multi-layer protective layer, which consists of a first hard DLC wear protection layer and a second matching layer disposed thereon, the less hard and for that has greater flexibility. The flexible matching protection layer can meet the requirements of the valve or Sealing seat to be ideally adjusted. According to the invention rubs the second flexible Adaptive layer decreases in operation faster and allows a smoother and earlier Carrying the entire seat geometry, especially in manufacturing variations or different inlet conditions.

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.In an advantageous embodiment of the coating according to the invention, the flexible matching layer likewise consists of a diamond-like layer (DLC) in which the layer hardness is modified by the choice of suitable coating parameters so that the layer is softer, more flexible and less resistant to wear as the first hard DLC wear protection layer.

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.When Particularly advantageous is 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 made of a mixture of proportionally less hard, diamond-like areas and proportionally more soft, graphitic areas exists.

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.alternative it is also possible the hardness to change the diamond-like areas and thereby the different ones Features of hard wear protection layer and flexible Adjust adjustment layer.

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.The DLC layers are most likely to be highly cross-linked in structure Compare polymers and therefore have comparatively low modulus of elasticity on (220 Gpa). Thus, high hardness with high elasticity connected. DLC layers can be high Reversibly absorb loads due to deformation.

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.The Tribological behavior of the DLC layers is similar in this property rather the behavior of graphite. A DLC layer on steel, reached a coefficient of friction of 0.1. For other combinations of DLC layers are possible lower than 0.02.

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.Advantageous is the combination according to the invention from a flexible anti-fouling layer with a hard DLC wear protection layer on a component to be coated in systems based on their high stress are threatened by wear. Especially advantageous is the combination according to the invention for components used for the fulfillment their constructively given task a high-precision geometry must have with multiple characteristics, in particular with the known production technology not mass produced can be or for compliance with the required shape and position tolerances disproportionately large manufacturing costs caused.

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.In an expression of the system to be protected The flexible matching layer is also made 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 is wear resistant than the first hard DLC wear protection layer.

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.Special versions The invention relates to the use of a DLC layer as a hard wear protection layer Made 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 proportionately less hard, diamond-like areas and proportionally more soft, graphitic areas. In a second form becomes not the proportionate allocation varies but the hardness the diamond-like areas.

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.In addition is the use of a layer system according to the invention on a component according to the invention advantageous on such systems, in which the permanently stable fine geometry only through the run-in process or after a long period of operation safe is reached. Here possible the application of the invention the flexible matching layer on a hard DLC wear protection layer a greater manufacturing tolerance and a smoother one Wearing pattern over the lifetime of the tribological system.

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.The coating according to the invention can be used particularly advantageously on all wear-prone components. The coating according to the invention may particularly preferably be used on sealing seats of valve pins, nozzle needles, Valve pieces Valve plates and valve pin are used. These components especially used in diesel and petrol injection systems such as injectors, pumps, fuel valves and Diesel solenoid valves for Common rail systems in diesel direct injection.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.Further Advantages and advantageous embodiments of the invention are the following description, the drawing and the claims.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:One embodiment the subject of the invention is shown in the drawing and in the following described. Show it:

1: einen Querschnitt durch eine Sackloch-Einspritzdüse, 1 FIG. 2: a cross section through a blind hole injection nozzle, FIG.

2: die Kontaktzone zwischen Düsennadel und Düsennadelsitz nach dem Stand der Technik, 2 the contact zone between the nozzle needle and the nozzle needle seat according to the prior art,

3 und 4: die Kontaktzone zwischen Düsennadel und Düsennadelsitz mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung. 3 and 4 : the contact zone between the nozzle needle and the nozzle needle seat with a coating according to the invention.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments

In 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.In 1 is an injector 1 with a conical blind hole 2 shown. Based on this For example, a possible application of the coating system according to the invention 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.

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.Over one or more spray holes 3 the fuel, not shown, comes out of the blind hole 2 in the likewise not shown combustion chamber of the internal combustion engine. To the blind hole 2 closes a frusto-conical nozzle needle seat 4 at. The nozzle needle seat 4 may have a cone angle of, for example, 60 °. The blind hole 2 does not have to be conical but can also be cylindrical.

An dem Düsennadelsitz 4 liegt eine Düsennadel 5 auf. An ihrem dem Sackloch 2 zugewandten Ende ist die Düsennadel 5 doppelt kegelstumpfförmig ausgebildet. In 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.At the nozzle needle seat 4 is a nozzle needle 5 on. At her the blind hole 2 facing end is the nozzle needle 5 double frustoconical design. In 1 can be clearly seen that the cone angle of the nozzle needle seat 4 from the cone angles of the nozzle needle 5 deviates, so that at the transition of the truncated cones of the nozzle needle 5 a contact zone 6 between nozzle needle 5 and nozzle needle seat 4 results.

Die Differenz der Kegelwinkel von Düsennadel 5 und Düsennadelsitz 4 ist in 1 übertrieben dargestellt. In der Regel ist die o. g. Differenz kleiner als 1 Grad und bewegt sich im Bereich von wenigen Winkelminuten.The difference of the cone angle of nozzle needle 5 and nozzle needle seat 4 is in 1 exaggerated. In general, the above difference is less than 1 degree and moves in the range of a few angular minutes.

Die Kontaktzone wird im Betrieb der Brennkraftmaschine stark auf Verschleiß beansprucht. In 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.The contact zone is strongly stressed during operation of the internal combustion engine to wear. In 2 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.

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. 2 shows the contact zone 6 between nozzle needle 5 and nozzle needle seat 4 with a simple DLC coating, as known from the prior art is greatly enlarged.

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.At the transition between the two truncated cones of the nozzle needle 5 is a so-called ZHI groove 11 intended. Among other things, the ZHI groove serves as a first contact zone 13 and a second contact zone 15 train. The first contact zone 13 should together with the nozzle needle seat 4 ensure the hydraulic seal, while the second contact zone 15 the contact surface between nozzle needle seat 4 and nozzle needle 5 increases and thereby reduces the surface pressure and increases the life.

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.On the surface of the component to be coated, in this example, the nozzle needle 5 , is an approximately 2 microns thick, hard DLC wear protection layer 17 , The construction is designed so that first the first contact zone 13 with the nozzle needle seat 4 comes into contact. This is initially a punctiform contact zone. At higher load or after at the first contact zone 13 Wear has occurred, is increasingly an initially punctiform contact between the second contact zone 15 and nozzle needle seat 4 instead of. As the wear progresses, the point-shaped contact zones form linear contact zones until, finally, a closed circular sealing line has formed.

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.A disadvantage of the previous system is that the hard wear protection layer in the first contact zone 13 already completely used up before the desired circular sealing line has formed. This causes that nozzle needle 5 and nozzle needle seat 4 in the area of the first contact zone 13 come into direct contact with each other and wear out quickly.

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.By increasing the thickness of the hard wear protection layer 17 can be the time from which the wear protection layer 17 is rubbed, move backwards. However, an increase in the layer thickness narrow limits, since thicker layers increasingly prone to flaking, especially at the edges.

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. 3 now shows an inventive component with a first, hard wear protection layer 17 and an overlying second flexible matching layer 19 , This adaptation layer 19 is more flexible according to the invention and less hard, thus wears much faster and thus allows the entire tribological system after a short break-in time an advantageously wide contact pattern both in the region of the first contact zone 13 as well as in the area of the second contact zone 15 to achieve.

Die Geometrien der Düsennadeln 5 von Figur zwei und drei sind gleich, so dass auch bei der Düsennadel 5 von 3 konstruktiv sichergestellt ist, dass die hydraulische Abdichtung im Bereich der ersten Kontaktzone 13 erfolgt.The geometries of the nozzle needles 5 by figure two and three are the same, so even at the nozzle needle 5 from 3 is structurally ensured that the hydraulic seal in the region of the first contact zone 13 he follows.

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.In figure four is a nozzle needle 5 represented with a coating according to the invention, whose geometry deviates from the ideal shape due to manufacturing tolerances. As an example, a shape error is shown in which at the nozzle needle in the region of the first contact zone 13 an abandon 21 from the grinding process has stopped. Because both the first hard wear protection layer 17 as well as the overlying second flexible matching layer 19 true to form, this Aufwurf remains 21 retained unchanged after coating.

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.This results in the Aufwurf 21 premature wearing of the nozzle needle 5 on the nozzle needle seat 4 and a strong edge elevation with the result of a massively reinforced layer wear. By the inventive use of a flexible matching layer 19 the negative effect of such a geometry error is compensated for by the fact that the matching layer is the first one after shrinking 19 in the area of the throw-up 21 erodes. As a result, a broad contact pattern is formed, which is ideally the desired circular sealing line in the region of the first contact zone 13 and the second contact zone 15 leads.

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.The resulting larger contact surface distributes the sealing forces more evenly 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 be advantageously chosen in thickness so that typical production-related geometric errors are safely buffered before the hard wear protection layer 17 engages. As a result, the wear pattern is fully formed after shrinking before the hard wear protection layer 17 engages.

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.As a result, there is now the limited in their thickness hard wear protection layer 17 completely available for the remaining maximum life. The remaining flexible matching layer 19 is thereby mitverschlissen according to the trained contact pattern.

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.Another advantageous use of the flexible matching layer 19 in conjunction with a hard wear protection layer 17 is the compensation of production-related angular differences between the seat 4 and the second contact zone 15 , In this case, the flexible matching layer 19 compensate for these angular differences in constructive measures provided by relatively rapid wear, until it forms the optimum bearing angle.

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.Even with simple sealing seat geometries without a non-sealing second contact zone 15 , which merely serves to increase the contact area, is the matching layer 19 advantageous, since there is the angular difference between the sealing seat 4 and nozzle needle 5 is crucial for the wear behavior.

Die in den Patentansprüchen beanspruchten Härtebereiche sind mit einem Messgerät vom Typ Fischerscope H100C, Hersteller Firma Fischer bei einer Kraftaufbringung von 50 N in 20 Sekunden und einer Auswertung auf plastische Universalhärte gemessen worden.The in the claims stressed hardness ranges are with a measuring device of the type Fischerscope H100C, manufacturer Fischer with a force application measured from 50 N in 20 seconds and an evaluation on universal plastic hardness Service.

11
Einspritzdüseinjection
22
Sacklochblind
33
Spritzlochspiracle
44
DüsennadelsitzNozzle needle seat
55
Düsennadelnozzle needle
66
Kontaktzonecontact zone
77
Kante zwischen Sackloch und Düsennadelsitz Düsennadelsitzedge between blind hole and nozzle needle seat nozzle needle seat
99
1111
ZHI-RilleZHI-groove
1313
erste Kontaktzonefirst contact zone
1515
zweite Kontaktzonesecond contact zone
1717
harte DLC-Verschleißschutzschichthardness DLC wear protection layer
1919
flexible Anpassschichtflexible matching layer
2121
Aufwurfrecast

Claims (11)

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.Coating for a mechanically highly stressed component with a hard wear protection layer ( 17 ), characterized in that on the hard wear protection layer ( 17 ) a flexible matching layer ( 19 ) is provided. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die harte Verschleißschutzschicht (17) aus Diamond-Like-Carbon (DLC) besteht.Coating according to claim 1, characterized in that the hard wear protection layer ( 17 ) consists of Diamond-Like-Carbon (DLC). Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die harte Verschleißschutzschicht (17) eine Dicke von bis zu 3 μm aufweist.Coating according to claim 1 or 2, characterized in that the hard wear protection layer ( 17 ) has a thickness of up to 3 microns. 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.Coating according to one of the preceding claims, characterized in that the hard wear protection layer ( 17 ) has a hardness of up to 20-70 GPa, preferably above 30 GPa. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die harte Verschleißschutzschicht (17) einen Elastizitätsmodul von bis zu 200-350 GPa aufweist.Coating according to one of the preceding claims, characterized in that the hard wear protection layer ( 17 ) has a modulus of elasticity of up to 200-350 GPa. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Anpassschicht (19) aus Diamond-Like-Carbon (DLC) besteht.Coating according to one of the preceding claims, characterized in that the flexible matching layer ( 19 ) consists of Diamond-Like-Carbon (DLC). Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Anpassschicht (19) eine Dicke von bis zu 5 μm aufweist.Coating according to one of the preceding claims, characterized in that the flexible matching layer ( 19 ) has a thickness of up to 5 microns. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Anpassschicht (19) eine Härte von bis zu 10-30 GPa aufweist.Coating according to one of the preceding claims, characterized in that the flexible matching layer ( 19 ) has a hardness of up to 10-30 GPa. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Anpassschicht (19) einen Elastizitätsmodul von bis zu 100-200 GPa aufweist.Coating according to one of the preceding claims, characterized in that the flexible matching layer ( 19 ) has a Young's modulus of up to 100-200 GPa. 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.Sealing seat, in particular a valve needle, a Nozzle needle, a valve piece, a valve plate and / or a valve pin, characterized in that it is provided with a coating according to one of the preceding claims is. 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.Coating according to one of the preceding claims, characterized Characterized that they are used on components in diesel and gasoline injection systems such as injectors, pumps, fuel valves and diesel solenoid valves for Common Rail systems for diesel direct injection.
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