Einstückiges Bauteil sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoff führende Komponente mit einem einstückigen Bauteil mit einem ersten und zweiten Teilbereich.

[0002] Viele Bauteile, welche bewegt werden oder als Anschlag dienen, werden auf Verschleiß beansprucht. Daher existiert eine Notwendigkeit, Bauteile mit möglichst günstigen Verschleißeigenschaften bereitzustellen. Ein verstärkter Verschleiß tritt zudem auf, wenn eine Schmierung im Fall von bewegten Bauteilen oder eine Dämpfung im Fall von Anschlägen nicht ausreichend möglich ist. Ein derartiges Beispiel sind Vorrichtungen zur Einspritzung von Kraftstoff, insbesondere von Benzin, da Benzin sehr schlechte Schmiereigenschaften aufweist. Um beispielsweise bei Benzin-Injektoren eine möglichst hohe Lebensdauer bereitzustellen, werden üblicherweise hoch-verschleißfeste Materialen verwendet, welche insbesondere den Nachteil eines hohen Preises haben. Alternativ können auch Zusatzbauteile, wie z.B. verschleißfeste Buchsen oder dgl., verwendet werden, wodurch allerdings die Teileanzahl steigt und Herstellungs- und Montagekosten erhöht werden. Insofern wäre es wünschenswert, hierzu kostengünstige Alternativen zu haben, weiche die Verschleißproblematik ohne zusätzliche Einzelbauteile und/oder zusätzliche Arbeitsschritte lösen kann.

[0003] Aus der JP 3-232906 A ist bereits ein MIM-Verfahren bekannt, bei dem zunächst ein erster Teilbereich mit Co-Pulver als Binder und eingebetteten WC-Partikeln in einer ersten Form gespritzt, das Teil dann in eine zweite Form gelegt und mit Co-Pulver alleine umspritzt wird. Von einer stoffschlüssigen Verbindung ist aufgrund des gleichen Grundwerkstoffs auszugehen.

[0004] Aus der WO 2009/029993 A1 ist bereits das Herstellen von einstückigen Bauteilen mittels MIM aus AI-Legierungen bekannt, wobei dem ersten oder dem zweiten Teilbereich Hartstoffpartikel, z.B. Al₂0₃, beigesetzt sind, und die beiden Teilbereiche nacheinander gespritzt werden, um dann zu einem Teil gesintert zu werden.

[0005] Das Prinzip, physikalische Eigenschaften aufgrund verschiedener Werkstoffe bei einem per MIM oder PIM hergestellten Bauteil aus mehreren Werkstoffen zu variieren, indem beide Bereiche aus dem gleichen Grundwerkstoff hergestellt werden, wobei der Grundwerkstoff jeweils in mindestens einem oder allen Bereichen jeweils mit unterschiedlichen Zusätzen oder Legierungselementen versetzt wird, ist auch bereits aus den US 2002/0071781 A1 und Metal Powder Report, MPR Publishing Services, Shrewsbury, GB im Artikel "MIM "marries" metals" (Bd. 57, Nr. 3, Seiten 38-42) bekannt. Als Grundwerkstoffe werden darin auch austenitische und ferritische Stähle genannt, ebenso WC zum Variieren der Härteeigenschaften.

Offenbarung der Erfindung

[0006] Die erfindungsgemäße Kraftstoff führende Komponente mit einem einstückigen Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es besonders einfach und kostengünstig und in kürzester Zeit herstellbar ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das einstückige Bauteil einen ersten Teilbereich aus einem Grundwerkstoff und einen zweiten Teilbereich aus dem Grundwerkstoff als Binder mit eingelagerten Hartstoffpartikeln mittels MIM-Technik hergestellt wird. Hierbei wird der zweite Teilbereich an den ersten Teilbereich angespritzt, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Teilbereichen zu erreichen. Somit können der erste und zweite Teilbereich mittels Spritzgießen in einem Spritzwerkzeug hergestellt werden.

[0007] Der Grundwerkstoff ist erfindungsgemäß ein austenitischer oder ferritischer Stahl, insbesondere umfassend Fe und Cr.

[0008] Zu den erwähnten Hartstoffpartikeln sei angemerkt, dass diese allein mit dem Grundwerkstoff zur Bildung des Materials für den zweiten Teilbereich vermischt werden können oder in beliebigen Kombinationen zu einem spritzbaren Metallpulver vermischt werden können.

[0009] Das einstückige Bauteil ist erfindungsgemäß ein Bauteil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Brennkraftmaschine. Besonders bevorzugt ist das einstückige Bauteil ein Kolben oder ein Zylinder oder ein Ventilbauteil, insbesondere ein Ventilsitz oder ein Ventilanschlag oder ein Nadelanschlag. Vorzugsweise ist das einstückige Bauteil ein Teil von Benzin-Injektoren oder Kraftstoffpumpen.

[0010] Das erfindungsgemäße einstückige Bauteil wird vorzugsweise in Anwendungen eingesetzt, in welchen das einstückige Bauteil bewegt wird oder als Anschlag dient. Hierbei kann ein Einsatz beispielsweise in Kolbenpumpen, in Spaltventilen, in Injektoren, in anderen mechanischen Ventilen möglich sein. Weiterhin bevorzugt ist ein Einsatz in Kraftstoff führenden Komponenten, insbesondere für Kraftstoffe mit schlechten Schmiereigenschaften, beispielsweise Komponenten für Benzinmotoren, möglich. Dabei kommt insbesondere eine Verwendung als Einspritzventil, Zumessventil, Mengenregelventil, Mengensteuerventil oder Kraftstoffpumpen in Frage.

[0011] Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

[0012] Die Hartstoffpartikel sind vorzugsweise Oxide, insbesondere Al₂O₃, ZrO₂ und/oder Y₂O₃. Alternativ sind die Hartstoffpartikel Carbide, insbesondere Titan-Carbid oder Wolfram-Carbid oder Niob-Carbid oder Tantal-Carbid. Weiter alternativ sind die Hartstoff-Partikel Nitride, insbesondere Titan-Nitrid.

[0013] Vorzugsweise liegt ein Volumenanteil der Hartstoffpartikel im Material für den zweiten Teilbereich in einem Bereich von 5 Vol.-% bis 20 Vol.-%, und beträgt besonders bevorzugt 10 Vol.-%.

Zeichnung

[0014] Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1

eine schematische Schnittansicht eines einstückigen Bauteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 2

eine schematische Schnittansicht eines einstückigen Bauteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 3

eine schematische Schnittansicht eines einstückigen Bauteils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 4

eine schematische Schnittansicht eines einstückigen Bauteils gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 5

eine schematische Schnittansicht eines einstückigen Bauteils gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Figur 6

eine schematische Schnittansicht eines einstückigen Bauteils gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

[0015] Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 1 ein einstückiges Bauteil 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail erläutert.

[0016] Das einstückige Bauteil 1 umfasst einen ersten Teilbereich 2 aus einem Grundwerkstoff und einen zweiten Teilbereich 3 aus einem Material, welches den Grundwerkstoff als Binder und eingelagerte Hartstoffpartikel umfasst. Dabei ist eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Teilbereich 2 und dem zweiten Teilbereich 3 ausgebildet. Das einstückige Bauteil 1 wird dabei mittels 2-Komponenten-MIM-Spritzgießen hergestellt, wobei in einem ersten Schritt zuerst der erste Teilbereich 2 und in einem zweiten Schritt der zweite Teilbereich 3 an den ersten Teilbereich 2 angespritzt wird.

[0017] Durch die Verwendung der MIM-Technik können Metallpulver spritzgegossen werden, wobei vorzugsweise für den Grundwerkstoff ein austenitischer oder ferritischer Stahl verwendet wird und für das Material des zweiten Teilbereichs 3 der relativ kostengünstige Grundwerkstoff als Binder mit zusätzlich eingelagerten Hartstoffpartikeln verwendet werden kann. Hierdurch kann ein kostengünstiger Binder für die Hartstoffpartikel, welche z.B. geeignete Oxide oder Carbide oder Nitride sind, verwendet werden.

[0018] Das in Figur 1 gezeigte einstückige Bauteil ist dabei ein Kolben für eine Kolbenmaschine und weist die verschleißfeste Schicht an einem Außenumfang des Kolbens auf. Da der zweite Teilbereich 3 die äußere Schicht bildet, ergibt sich eine hohe Robustheit gegenüber einem Reibverschleiß und somit eine lange Lebensdauer. Weiterhin führt die Reduzierung der Reibung auch zu einer geringeren Wärmeentwicklung mit entsprechenden Vorteilen.

[0019] Figur 2 zeigt als alternatives einstückiges Bauteil einen Zylinder, bei dem der zweite Teilbereich 3 die Lauffläche des Zylinders bildet.

[0020] Die Figuren 3 bis 5 zeigen alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche als Injektoren oder Schaltventile verwendet werden können. Dabei bildet der zweite Teilbereich 3 jeweils einen Ventilsitz: in Figur 3 für ein Kugelventil, in Figur 4 für ein Kegelventil und in Figur 5 für ein Flachsitzventil. Bei dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei sowohl der Ventilsitz als einstückiges Bauteil mit erstem und zweiten Teilbereich 2, 3 gebildet, als auch das Ventilschließglied 6, welches einen ersten Teilbereich 7 und einen zweiten Teilbereich 8 als Ventilschließfläche aufweist. Die Doppelpfeile in den Figuren 3 bis 5 deuten dabei jeweils die Bewegungsrichtung der Ventilglieder an. Es wäre jedoch auch denkbar, dass beispielsweise das Flachsitzventil 5 als Schieberventil ausgebildet ist.

[0021] Figur 6 zeigt eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Idee bei einem einstückigen Anschlag 10, welcher einen ersten Teilbereich 11 und einen zweiten härteren Teilbereich 12 aufweist. Der Anschlag 10 begrenzt dabei eine Bewegung des Ventilglieds 13 in Richtung des Pfeils A. Dabei schlägt der Anschlag 10 mit dem zweiten Teilbereich 12 an einen Gegenanschlag 14 an, wobei der Gegenanschlag 14 ebenfalls aus einem ersten und zweiten Teilbereich entsprechend der erfindungsgemäßen Idee hergestellt sein kann.

[0022] Somit kann erfindungsgemäß ein kostengünstig herstellbares einstückiges Bauteil bereitgestellt werden, welches mittels eines 2-Komponenten-MIM-Spritzgieß-Verfahrens hergestellt wird. Für Benzin-Anwendungen wird bevorzugt als Grundwerkstoff für alle beschriebenen Ausführungsbeispiele ein austenistischer oder ferritischer Stahl, basierend auf Eisen und Chrom, mit einem Gewichtsanteil von 13% Chrom verwendet.

Ansprüche

1. Kraftstoff führende Komponente mit einem einstückigen Bauteil,
wobei das einstückige Bauteil ein bewegtes Teil ist oder als Anschlag dient in einer Komponente, wie Einspritzventil, Zumessventil, Mengenregelventil, Mengensteuerventil oder Kraftstoffpumpe, und
wobei das Bauteil umfasst:

- einen ersten Teilbereich (2) aus einem Grundwerkstoff, und

- einen zweiten Teilbereich (3) aus dem Grundwerkstoff als Binder mit eingelagerten Hartstoffpartikeln,

- wobei der Grundwerkstoff ein austenitischer oder ferritischer Stahl ist, insbesondere ein Stahl umfassend Eisen und Chrom, und zwischen dem ersten Teilbereich (2) und dem zweiten Teilbereich (3) eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet ist, da der zweite Teilbereich (3) an den ersten Teilbereich (2) mittels MIM-Spritzgießens angespritzt ist, und die Hartstoffpartikel im zweiten Teilbereich (3) Oxide oder Carbide oder Nitride sind.

2. Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel Al₂O₃ oder ZrO₂ oder Y₂O₃ sind.

3. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel Titan-Carbid oder Wolfram-Carbid oder Niob-Carbid oder Tantal-Carbid oder Titan-Nitrid sind.

4. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das einstückige Bauteil als Kolben oder Zylinder oder Ventilsitz oder Anschlag verwendet wird.

Claims

1. Fuel-conducting component comprising a one-piece part, wherein the one-piece part is a moving part or serves as a stop in a component such as an injection valve, metering valve, quantity regulating valve, quantity control valve or fuel pump and
the part comprises:

- a first subregion (2) composed of a base material and

- a second subregion (3) composed of the base material as binder with embedded hard material particles,

- where the base material is an austenitic or ferritic steel, in particular a steel comprising iron and chromium, and a substance-to-substance bond has been formed between the first subregion (2) and the second subregion (3) as a result of which the second subregion (3) being moulded onto the first subregion (2) by means of MIM injection moulding and the hard material particles in the second subregion (3) are oxides or carbides or nitrides.

2. Component according to Claim 1, characterized in that the hard material particles are Al₂O₃ or ZrO₂ or Y₂O₃.

3. Component according to either of the preceding claims, characterized in that the hard material particles are titanium carbide or tungsten carbide or niobium carbide or tantalum carbide or titanium nitride.

4. Component according to any of the preceding claims, characterized in that the one-piece part is used as piston or cylinder or valve seat or stop.

Revendications

1. Composant transportant du carburant comportant un élément en une seule pièce,
l'élément en une seule pièce étant une partie mobile ou servant de butée dans un composant, comme une soupape d'injection, une soupape de dosage, une soupape de régulation de débit, une soupape de commande de débit ou une pompe à carburant, et
l'élément comprenant :

- une première zone partielle (2) composée d'un matériau de base, et

- une deuxième zone partielle (3) composée d'un matériau de base en tant que liant avec des particules de matériau dur incorporées,

- le matériau de base étant un acier austénitique ou ferritique, en particulier un acier comprenant du fer et du chrome, et une liaison par correspondance de matières étant formée entre la première zone partielle (2) et la deuxième zone partielle (3), puisque la deuxième zone partielle (3) est moulée par injection sur la première zone partielle (2) au moyen d'un moulage par injection MIM, et les particules de matériau dur dans la deuxième zone partielle (3) étant des oxydes ou des carbures ou des nitrures.

2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules de matériau dur sont Al₂O₃ ou ZrO₂ ou Y₂O₃.

3. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules de matériau dur sont du carbure de titane ou du carbure de tungstène ou du carbure de niobium ou du carbure de tantale ou du nitrure de titane.

4. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément en une seule pièce est utilisé en tant que piston ou cylindre ou siège de soupape ou butée.

Zeichnung