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Die
Erfindung betrifft eine Ventilnadel und ein Ventil mit einem Ventilkörper,
in dem ein Sitz ausgebildet ist, und mit einer Ventilnadel, die
einen Sitzbereich hat, der in einer Schließposition der
Ventilnadel in Anlage ist mit dem Sitz des Ventilkörpers.
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Derartige
Ventile werden insbesondere eingesetzt zum Zuführen von
Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen. Derartige
Ventile werden beispielsweise mit Fluid, insbesondere Kraftstoff
versorgt, das unter einem sehr hohen Druck steht, so zum Beispiel
2000 bar oder mehr bei Diesel-Brennkraftmaschinen. Derartige Ventile
werden beispielsweise mittels Piezoantrieben angetrieben, die ein sehr
schnelles Schaltverhalten haben und so mehrere Teileinspritzungen
während eines Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine
ermöglichen. Je nach Betriebszustand erfolgen beispielsweise
bis zu sechs Teileinspritzungen pro Arbeitszyklus des Zylinders.
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In
ihrer Schließstellung liegt die Ventilnadel mit ihrem Sitzbereich
an einem Sitz eines Ventilkörpers des Ventils an. Bei jedem
Einspritzvorgang wird die Ventilnadel in eine Position entfernt
von der Schließposition gesteuert und anschließend
wieder in die Schließposition gesteuert. Aufgrund der hohen Kräfte,
mit denen die Ventilnadel in ihrem Sitzbereich in den Sitz des Ventilkörpers
gedrückt wird, und der während des Betriebs sehr
häufigen Bewegungen der Ventilnadel hin und weg von ihrer
Schließposition ist die Ventilnadel einem sehr starken
Verschleiß ausgesetzt. Beim Schließen des Einspritzventils
treten Mikrorelativbewegungen des Sitzbereichs und des Sitzes des
Ventilkörpers auf, die auch vor Erreichen der Fließgrenze
zu hohen abrasiven Belastungen der Ventilnadel und des Ventilkörpers
führen. Dadurch kann sich dann beispielsweise die jeweilige
Einspritzmenge pro Arbeitszyklus und die Dichtheit verändern und
gegebenenfalls ein Ausfall des Ventils auftreten.
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Aus
der
DE 195 02 568
C1 ist eine harte, amorphe, wasserstofffreie Kohlenstoffschicht
offenbart, die ein besonders hohes Elastizitätsmodul beziehungsweise
eine hohe Härte aufweist. Die derartige Kohlenstoffschicht
zeichnet sich durch ein besonders gutes Reib-Gleit-Verhalten aus.
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Aus
der
DE 100 38 954
A1 ist ein Einspritzventil bekannt, dessen Ventilnadel
mit einer metallischen Haftvermittlerschicht und einer darauf aufgebrachten
diamantartigen Verschleißschutzschicht versehen ist. Die
Dicke der Verschleißschutzschicht liegt im Bereich von
0,05 bis zu maximal 4 μm. Aufgrund der wachsenden Anforderungen
an das Ventil beziehungsweise an die Ventilnadel, so z. B. die zunehmende
Anzahl an Teileinspritzungen während eines Arbeitszyklusses
eines Zylinders, sowie ansteigenden Temperaturen und ansteigenden
Drücken und wachsenden Anforderungen an die Gesamtlebensdauer
des Ventils beziehungsweise der Ventilnadel, können unter
Umständen mit einer derartigen Verschleißschutzschicht
diese Anforderungen nicht mehr erfüllt werden.
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Aus
der
WO 01/61182 ist
ebenfalls ein Ventil mit einer Ventilnadel bekannt, die mit einer
diamantartigen Kohlenstoffschicht beschichtet ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ventilnadel und ein Ventil zu
schaffen, die beziehungsweise das über eine lange Betriebszeitdauer
zuverlässig sind.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch eine Ventilnadel und ein Ventil
mit einer Ventilnadel und mit einem Ventilkörper, in dem
ein Sitz ausgebildet ist. Die Ventilnadel hat einen Sitzbereich,
der in einer Schließposition der Ventilnadel in Anlage
ist mit dem Sitz des Ventilkörpers. Der Ventilkörper
ist im Bereich des Sitzes und/oder die Ventilnadel ist im Sitzbereich mit
einer Schichtenfolge, insbesondere von innen nach außen
bezüglich der Ventilnadel, aus mindestens einer ersten
Haftschicht, einer ersten Verschleißschutzschicht und einer
zweiten Haftschicht und einer zweiten Verschleißschutzschicht
versehen, wobei die erste Verschleißschutzschicht als Hartstoffschicht
ausgebildet ist und die zweite Verschleißschutzschicht
als diamantartige Kohlenstoffschicht ausgebildet ist.
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Die
Verschleißschutzschichten können so eine Dicke
aufweisen, durch die sichergestellt werden kann, dass keine zu hohen
Eigenspannungen auftreten, die zu einem Abplatzen der Verschleißschutzschichten
führen können. Aufgrund der mehrfach vorhandenen
Verschleißschutzschicht kann zum anderen die Ventilnadel
beziehungsweise der Ventilkörper auch unter stark abrasiven
Bedingungen für eine sehr lange Betriebsdauer geschützt
werden.
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Die
Schichtstruktur hat ferner den Vorteil, dass jeweils ggf. dünner
ausgebildete Verschleißschutzschichten eine höhere
Elastizität und Zähigkeit haben als eine einzige
entsprechend dicker ausgebildete Verschleißschutzschicht.
Ist die Dicke einer einzigen Verschleißschutzschicht hingegen
stark vergrö ßert, so kann sie nur noch äußert
geringe Verformungen verkraften, ohne dass es zu einer Rissbildung
kommt.
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Die
erste Verschleißschutzschicht ist als Hartstoffschicht
ausgebildet. Eine derartige Hartstoffschicht, so z. B. CrN, zeichnet
sich typischerweise aus durch eine große Härte
und Zähigkeit, sowie einen geringen Verschleißkoeffizienten.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die zweite Verschleißschutzschicht
als diamantartige Kohlenstoffschicht ausgebildet ist. Eine derartige
diamantartige Kohlenstoffschicht zeichnet sich durch einen sehr
hohen Kohlenstoffanteil aus und eine hohe Anzahl an tetragonalen
Kohlenstoffbindungen, sogenannter sp3-Verbindungen.
Diamantartige Kohlenstoffschichten besitzen diamantähnliche
Eigenschaften und weisen so eine große Härte und
einen geringen Verschleißkoeffizienten auf.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung steht die Schichtdicke der ersten
Verschleißschutzschicht und die Schichtdicke der zweiten
Verschleißschutzschicht in einem vorgegebenen Verhältnis
zueinander, wobei das vorgegebene Verhältnis der Schichtdicke
der ersten Verschleißschutzschicht zu der Schichtdicke
der zweiten Verschleißschutzschicht größer
eins ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass der Verschleiß der als diamantartige
Kohlenstoffschicht ausgebildeten zweiten Verschleißschutzschicht
besonders gering ist und somit eine besonders lange Haltbarkeit
aufweist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Verschleißschutzschicht
eine Schichtdicke zwischen 0,6 μm bis 1,6 μm auf.
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Ist
zusätzlich die Schichtdicke der zweiten Verschleißschutzschicht
derart ausgebildet, dass das vorgegebene Verhältnis der
Schichtdicke der ersten Verschleißschutzschicht zu der
Schichtdicke der zweiten Verschleißschutzschicht größer
eins ist, so ist der Verschleiß der zweiten Verschleißschutzschicht
besonders gering. Dadurch weist die zweite Verschleißschutzschicht
eine besonders lange Haltbarkeit auf.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die zweite Verschleißschutzschicht
eine Schichtdicke zwischen 0,4 μm bis 1,0 μm auf.
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Ist
die Schichtdicke der ersten Verschleißschutzschicht derart
ausgebildet, dass das vorgegebene Verhältnis der Schichtdicke
der ersten Verschleißschutzschicht zu der Schichtdicke
der zweiten Verschleißschutzschicht größer
eins ist, so ist der Verschleiß der zweiten Verschleißschutzschicht
besonders gering. Dadurch weist die zweite Verschleißschutzschicht
eine besonders lange Haltbarkeit auf.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die als Hartstoffschicht
ausgebildete erste Verschleißschutzschicht als Chrom-Nitrid-Schicht
ausgebildet.
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Eine
derartige Ausbildung der ersten Verschleißschutzschicht
weist eine große Härte und einen geringen Verschleißkoeffizienten
insbesondere bei einer Reibung mit Materialien aus Stahl auf. Somit
reicht es typischerweise aus, entweder die Ventilnadel oder den
Ventilkörper mit der Schichtenfolge zu versehen. Grundsätzlich
können aber auch die Ventilnadel und der Ventilkörper
mit der Schichtenfolge beschichtet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die als diamantartige
Kohlenstoffschicht ausgebildete zweite Verschleißschutzschicht
als a-C:H-Schicht ausgebildet.
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Eine
derartige zweite Verschleißschutzschicht, die als amorphe
diamantartige Kohlenstoffschicht mit vorgegebenen Wasserstoffanteil
ausgebildet ist, zeichnet sich aus durch einen hohen Anteil sp3-Verbindungen, sogenannten tetragonalen
Kohlenstoffverbindungen, die diamantähnliche Eigenschaften
aufweist, wie eine große Härte und einen geringen
Verschleißkoeffizienten.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Haftschicht als
Metallschicht ausgebildet.
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Entsprechende
Metallschichten zeichnen sich durch gute haftvermittelnde Eigenschaften
für die Verschleißschutzschichten aus. Sie gewährleisten
eine sehr gute Dauerhaltbarkeit der Verschleißschutzschichten
wegen der guten Wärmeleitungseigenschaften von Metallen
und einer damit verbundenen verbesserten Wärmeabführung
von den Verschleißschutzschichten. Dies ist insbesondere
beim Einsatz des Ventils beziehungsweise der Ventilnadel unter hohen
Betriebstemperaturen ein wesentlicher Vorteil, da die einzelnen
Verschleißschutzschichten besser gegen thermische Zerstörung
geschützt sind. Durch die verbesserte Wärmeabführung
kann insbesondere im Zusammenhang mit der als diamantartige Kohlenstoffschicht
ausgebildeten zweiten Verschleißschutzschicht äußerst
wirksam eine Graphitisierung der diamantartigen Kohlenstoffschichten
verhindert wer den, das heißt eine Umwandlung der sp3-Kohlenstoffbindung in graphittypische sp2-Kohlenstoffbindungen. So kann auch bei
extremen Betriebsbedingungen über eine sehr lange Betriebsdauer
der Verschleißschutz gewährleistet werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Ventil,
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2a eine
Vergrößerung eines Ausschnitts des Ventils gemäß 1 im
Bereich einer Spitze einer Ventilnadel,
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2b weitere
Vergrößerungen der Ventilnadel im Bereich der
Ventilspitze,
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3 schematische
Darstellung der Schichtenfolge.
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Elemente
gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend
mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein
Einspritzventil 1 weist einen Ventilkörper 2 auf
mit einer Ausnehmung 3, in die eine Ventilnadel 4 eingebracht
ist. Die Ventilnadel 4 hat eine Führung 5,
in deren Bereich sie in der Ausnehmung 3 des Ventilkörpers 2 geführt
ist. Die Ausnehmung 3 weist ein Sackloch 6 auf
von dem eine Düsenöffnung 7 durch den
Ventilkörper 2 nach außen geführt
ist und durch die das Fluid in den Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine
zugemessen wird. In dem Bereich einer Spitze 8 der Ventilnadel 4 hat
die Ventilnadel 4 einen Sitzbereich 9, mit dem
sie in der in der 1 dargestellten Schließposition
mit einem Sitz 10 des Ventilkörpers 2 zur
Anlage kommt und so das Sackloch 6 und damit auch die Düsenöffnung 7 von einer
Zuführbohrung 11 zum Zuführen von Fluid
abdichtet.
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Die
Ventilnadel 4 (in 2a und 2b)
ist zumindest in ihrem Sitzbereich 9 mit einer im Folgenden
beschriebenen Schichtenfolge beschichtet. Sie kann jedoch auch in
einem weitergehenden Bereich, so zum Beispiel in dem gesamten Bereich
der typischerweise kegelförmig ausgebildeten Spitze 8 der Ventilnadel 4 oder
auch bis hin zu ihrer Führung 5 oder einschließlich
ihrer Führung 5, mit der im Folgenden beschriebenen
Schichtenfolge beschichtet sein. Alternativ oder zusätzlich
kann auch der Ventilkörper 2 mit der Schichtenfolge
zumindest im Bereich des Sitzes 10 des Ventilkörpers
beschichtet sein. Bevorzugt ist jedoch die Ventilnadel 4 mit
der Schichtenfolge beschichtet, da dies fertigungstechnisch einfacher
ist.
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Die
Schichtenfolge besteht zumindest aus einer ersten Haftschicht 14,
einer ersten Verschleißschutzschicht 16, einer
zweiten Haftschicht 18 und einer zweiten Verschleißschutzschicht 20.
Die Haftschichten 14, 18 sind so ausgebildet,
dass sie ein gutes Haften der Verschleißschutzschichten 16, 20 gewährleisten.
Die Haftschichten 14, 18 bestehen bevorzugt aus
Metallen, so zum Beispiel Cr, Ti, Al, W. Aber auch andere dem Fachmann
bekannte Ausbildungen der jeweiligen Haftschicht sind einsetzbar.
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Die
erste Haftschicht 14 und die erste Verschleißschutzschicht 16 sind
der Ventilnadel 4 zugeordnet, so dass mittels der zweiten
Haftschicht 18, die zweite Verschleißschutzschicht 20 gut
auf der ersten Verschleißschutzschicht 16 haftet.
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Die
erste Verschleißschutzschicht 16 ist bevorzugt
als Hartstoffschicht ausgebildet. Eine derartige Hartstoffschicht
zeichnet sich typischerweise durch eine große Härte
und große Zähigkeit aus, sowie eine besonders
hohe Verschleißbeständigkeit. Bevorzugt ist die
erste Verschleißschutzschicht 16 als Chrom-Nitrid-Schicht
(CrN) oder als Titanium-Nitrid-Schicht (TiN) ausgebildet. Grundsätzlich
sind aber auch andere dem Fachmann bekannte Hartstoffschichten mit
den benannten Eigenschaften einsetzbar.
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Die
zweite Verschleißschutzschicht 20 ist bevorzugt
als diamantartige Kohlenstoffschicht ausgebildet. Sie zeichnet sich
durch einen sehr hohen Kohlenstoffanteil aus, wobei die Kohlenstoffatome
eine hohe Anzahl an sp3-Verbindungen, sogenannten
tetragonalen Kohlenstoffverbindungen, eingehen. Derartige diamantartige
Kohlenstoffschichten werden auch als DLC-Schichten, als amorpher,
diamantartiger Kohlenstoff a-C:H mit vorgegebenem Wasserstoffanteil
bezeichnet. Der Abrasionsverschleißkoeffizient derartiger
Schichten liegt dabei unter 1 × 10–15 m3N–1m–1. Die Gleitreibungskoeffizienten
dieser Schichten liegen im Trockenlauf bei μ < 0,2 und in dieselgeschmierten
Anordnungen deutlich darunter.
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Die
Abscheidung derartiger Hartstoffschichten und/oder kohlenstoffhaltiger
Verschleißschutzschichten kann beispielweise mittels eines
CVD(= chemical vapour deposition)-Prozess erfolgen. Sie kann jedoch
auch mittels eines Laserbogenplasma-Prozesses erfolgen. Aber auch
andere dem Fachmann bekannte Herstellungsprozesse zur Abscheidung
derartiger Verschleißschutzschichten sind einsetzbar.
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In 3 ist
eine schematische Darstellung von Schichtenfolgen auf der Ventilnadel 4 dargestellt. Natürlich
kann die Schichtenfolge ebenso auf dem Ventilkörper 2 aufgebracht
werden.
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Dargestellt
sind drei Ausgestaltungen der Schichtenfolge. In allen drei Ausgestaltungen
ist auf der Ventilnadel 4 zunächst die erste Haftschicht 14 auf
die Ventilnadel 4 aufgebracht. Die Ventilnadel 4 ist
typischerweise aus Schnellarbeitsstahl gefertigt und weist bereits
ohne Schichtenfolge eine hohe Festigkeit auf. Der Ventilkörper 2 ist
typischerweise aus Einsatzstahl gefertigt, dass besonders an der Ventilkörper-Oberfläche
besonders hart ausgebildet ist.
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Die
erste Haftschicht 14 ist bevorzugt wenige Hundertstel bis
Zehntel μm dick, typischerweise 0,25 μm dick und
zeichnet sich durch besonders gute haftvermittelnde Eigenschaften
für die erste Verschleißschutzschicht 16 aus,
zur Beschichtung zumindest des Sitzbereiches 9 der Ventilnadel 4.
Derartig ausgebildete Haftschichten sind typischerweise nicht als Verschleißschutzschicht
ausgebildet und somit nicht geeignet, als eine derartige Verschleißschutzschicht verwendet
zu werden.
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Die
drei Ausgestaltungen der Schichtenfolge unterscheiden sich im Folgenden
durch unterschiedlich ausgebildete Schichtdicken S1 und S2. Die Schichtenfolge
zeichnen sich dadurch aus, dass die Schichtdicke S2 der zweiten
Verschleißschutzschicht 20 kleiner der Schichtdicke
S1 der ersten Verschleißschutzschicht 16 ist.
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Zwischen
der ersten und zweiten Verschleißschutzschicht 16 und 20 ist
die zweite Haftschicht 18 aufgebracht, die wie die erste
Haftschicht 14 bevorzugt wenige Hundertstel bis Zehntel μm
dick ist und sich auszeichnet durch besonders gute haftvermittelnde
Eigenschaften für die zweite Verschleißschutz schicht 20 zur
Beschichtung auf der ersten Verschleißschutzschicht 16.
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Weisen
die Haftschichten 14, 18 eine gute Wärmeleitfähigkeit
auf, so wird auch bei einer hohen thermischen Belastung, wie sie
bei Brennkraftmaschinen vorkommt, zuverlässig eine Graphitisierung der
zweiten Verschleißschutzschicht 20 vermieden. So
kann es von Vorteil sein auch zum Erreichen von weniger dicken aber
auch von sehr dicken Gesamtschichtdicken eine Vielzahl von Haftschichten
und Verschleißschutzschichten vorzusehen, um so die thermische
Belastung der einzelnen Verschleißschutzschicht gering
zu halten.
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Typischerweise
ist die zweite Verschleißschutzschicht 20 dem
Sitzbereich 9 der Ventilnadel 4 und/oder dem Sitz 10 des
Ventilkörpers 2 zugeordnet und stellt somit typischerweise
den am meisten beanspruchten Bereich der Ventilnadel 4 und/oder
des Ventilkörpers 2 dar, insbesondere während
eines Einsatzes des Ventils 1 und/oder der Ventilnadel 4. Faktoren,
die zu einer derartig hohe Beanspruchung der Ventilnadel 4 im
Sitzbereich 9 und/oder Sitz 10 des Ventilkörpers 2 führen,
sind beispielsweise die hohen Schließkräfte, so
z. B. 1000 N, mit denen die Ventilnadel 4 im Sitzbereich 9 auf
den Sitz 10 des Ventilkörpers 2 gedrückt
wird. Weitere Faktoren sind beispielsweise die hohen Betriebstemperaturen
und die hohe Fließgeschwindigkeit des Fluids, insbesondere
wenn im Fluid enthaltene Partikel, so z. B. Metallpartikel und/oder
Verunreinigungen, auf die in einer nicht in Schließposition
befindlichen Ventilnadel 4 wirken. Diese Faktoren haben
typischerweise eine hohe abrasive und/oder adhäsive Verschleißwirkung auf
die Ventilnadel 4 und/oder den Ventilkörper 2 und somit
auf die zweite Verschleißschutzschicht 20. Gerade
im Sitzbereich 9 der Ventilnadel 4 und/oder im Sitz 10 des
Ventilkörpers kann die zweite Verschleißschutzschicht 20 derart beansprucht
sein, dass diese abplatzt oder verschlissen wird. Insbesondere während
des Einlaufens eines neuen Ventils 1, ist der Sitzbereich 9 der
Ventilnadel 4 und/oder der Sitz 10 des Ventilkörpers 2 besonders
stark beansprucht. Dies kann sogar bis zu einem Komplettabtrag der zweiten
Verschleißschutzschicht 20 führen. Bei
komplett abgetragener zweiter Verschleißschutzschicht 20 wirkt
die unter der zweiten Verschleißschutzschicht 20 befindliche
als Hartstoffschicht ausgebildete erste Verschleißschutzschicht 16 als
weiterer Verschleißschutz der Ventilnadel 4 und/oder
des Ventilkörpers 2. Die erste Verschleißschutzschicht 16 weist
eine derart harte und zugleich zähe Eigenschaft auf, dass
ein weiterer Verschleiß der ersten Verschleißschutzschicht 16 nahezu
gestoppt wird, so dass im Sitzbereich 9 der Ventilnadel 4 und/oder
im Sitz 10 des Ventilkörpers 2 ein Durchbrechen
der noch vorhandenen Schichtenfolge auf die Oberfläche der
Ventilnadel 4 und/oder auf die Oberfläche des Ventilkörpers 2 verhindert
wird und somit eine sehr lange Betriebsdauer des Ventils 1 gewährleistet
wird.
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Der
Verschleiß der zweiten Verschleißschutzschicht 20 ist
umso geringer, je größer die Schichtdicke S1 der
ersten Verschleißschutzschicht 16 gegenüber
der Schichtdicke S2 der zweiten Verschleißschutzschicht 20 ist.
Besonders vorteilhaft ist ein Verhältnis, bei der die Schichtdicke
S1 der ersten Verschleißschutzschicht 16 zur Schichtdicke
S2 der zweiten Verschleißschutzschicht 20 größer
eins ist. Ein derartiges Verhältnis hat zur Folge, dass
der Verschleiß der zweiten Verschleißschutzschicht 20 insbesondere
beim Einsatz der Ventilnadel 4 besonders gering ist und
das Ventil 1 beziehungsweise die Ventilnadel 4 eine
besonders hohe Haltbarkeit aufweist. Dabei hat sich gezeigt, dass
der Verschleiß der zweiten Verschleißschutzschicht 20 bei
einer Schichtdicke S1 der ersten Verschleißschutzschicht 16 zwischen
0,6 μm bis 1,6 μm und einer Schichtdicke S2 der
zweiten Verschleißschutzschicht 20 zwischen 0,4 μm
bis 1,0 μm besonders gering ist.
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Grundsätzlich
können neben der ersten und zweiten Haftschicht 14, 18 und
der ersten und der zweiten Verschleißschutzschicht 16, 20 noch
weitere Haftschichten und weitere Verschleißschutzschichten
vorgesehen sein. Durch entsprechende Prozessführung bei
der Abscheidung der Haftschichten und der Verschleißschutzschichten
kann auch ein allmählicher Übergang von der jeweiligen
Haftschicht zu der Verschleißschutzschicht und umgekehrt
erfolgen. Dadurch können dann auch im Bereich des Übergangs
entsprechend angepasste tribologische Eigenschaften sichergestellt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19502568
C1 [0004]
- - DE 10038954 A1 [0005]
- - WO 01/61182 [0006]