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. Al
20
3, 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 Al
2O
3, ZrO
2 und/oder Y
2O
3. 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.
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.
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.
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.