Titel:

Verfahren zur Herstellung eines lokal borierten oder chromierten Bauteils

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem niedriglegierten Stahlwerkstoff, das zumindest in einem lokal begrenzten Bereich einem Druck und einem Verschleiß ausgesetzt wird.

Das Gebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf Bauteile eines

Einspritzsystems einer Verbrennungskraftmaschine.

Stand der Technik

Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik geht hervor, das Bauteile, die einem Druck und einem Verschleiß ausgesetzt sind zur Steigerung der

Hochdruckfestigkeit eine bainitische oder martensitische Wärmebehandlung erfahren. In der Regel werden die Bauteile aus einem legierten Werkstoff hergestellt. Die notwendige geometrische Präzision dieser Bauteile wird durch eine spanabhebende Hartbearbeitung, wie beispielsweise durch Schleifen erreicht. Sofern der durch die Wärmebehandlung eingestellte Werkstoff zu stand gegenüber Verschleiß nicht ausreicht, wird zur weiteren

Beanspruchbarkeitssteigerung gegen Verschleiß die Oberfläche der Bauteile beschichtet. Dazu eignen sich insbesondere Nitrier-, Kohlenstoff- und galvanische Schichten. Diese Schichten werden in der Regel nach einer Gefüge einstellenden Wärmebehandlung aufgetragen. Zur Verbesserung der

Hochdruckfestigkeit wird die Zähigkeit der Bauteile im Rahmen einer weiteren Wärmebehandlung erhöht. Jedoch wird dabei gleichzeitig die Härte reduziert.

Die Nachteile des zuvor beschriebenen Standes der Technik erwachsen insbesondere durch die hohen Temperaturen beim Beschichten, die die

Bauteilfestigkeit im Grundmaterial herabsetzen. Durch die hohen Temperaturen wird nämlich das zuvor durch die Wärmebehandlung eingestellte Gefüge verändert. Aufgrund der hoch legierten Stahlwerkstoffe beträgt die erzeugte Schichtdicke in der Regel weniger als 25μη"ΐ. Dies liegt insbesondere an der eingeschränkten Diffusion der Beschichtungsatome in den Grundwerkstoff.

Daher bieten diese dünnen Schichten keinen ausreichenden Schutz bei lokaler Belastung, wie beispielsweise bei einem Partikeleinschlag. Bei einem weichen Grundgefüge entstehen demnach Dellen im Grundmaterial. Ferner muss die geometrische Präzision vor der Beschichtung hergestellt werden, da die

Schichten sehr dünn sind und eine Nachbearbeitung daher nur sehr schwer möglich ist.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur

Herstellung eines Bauteils bereitzustellen, wodurch das Bauteil Bereiche mit einer relativ hohen Härte, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit als auch Bereiche mit einer demgegenüber relativ hohen Zähigkeit und Duktilität aufweist.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den nachfolgenden abhängigen Ansprüchen hervor.

Erfindungsgemäß weist das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst erfolgt gemäß Verfahrensschritt a) eine spanabhebende Fertigung des Bauteils in einem nicht wärmebehandelten Zustand. Zur spanabhebenden Fertigung eignet sich insbesondere das Fräsen oder bei rotationssymmetrischen

Bauteilen das Drehen. Dadurch das das Bauteil aus einem niedrig legierten Stahlwerkstoff, der nicht wärmebehandelt ist und somit im weichen Zustand vorliegt, besteht, ist die Fertigung besonders werkzeugschonend und

zeitsparend.

In einem weiteren Verfahrensschritt b) wird das Bauteil mit einem im

Wesentlichen entweder Bor oder Chrom aufweisenden Pulver lokal bedeckt.

Danach erfolgt nach Verfahrensschritt c) die Wärmebehandlung des lokal mit Pulver bedeckten Bauteils. Dadurch kommt es zur lokal begrenzten Diffusion an den mit Pulver bedeckten Bereichen, wobei entweder Boratome aus dem Bor aufweisenden Pulver oder Chromatome aus dem Chrom aufweisenden Pulver in die Randschicht des Bauteils diffundieren. Dies erfolgt bei einer ersten Temperatur, die größer ist als die Austenitisierungstemperatur des niedrig legierten Stahlwerkstoffs. Mit anderen Worten wird das Bauteil in einem lokal begrenzten Bereich entweder boriert oder chromiert. Dadurch wird an der Randschicht des Körpers eine Eisenborid- oder Eisenchromidschicht

ausgebildet.

Daraufhin folgt gemäß Verfahrensschritt d) die Abkühlung des Bauteils auf Raumtemperatur und die Entfernung des Pulvers von der Oberfläche des Körpers. Aufgrund der Pulvereigenschaften und dem Beschichtungsprozess ist die Entfernung des Pulvers besonders einfach, da es beispielsweise mit Druckluft weggeblasen werden kann.

Gemäß Verfahrensschritt e) erfolgt eine erneute Wärmebehandlung des Körpers zur Einstellung entweder eines martensitischen oder eines bainitischen Gefüges bei einer zweiten Temperatur, die geringer ist als die erste Temperatur. Dadurch, dass die zweite Temperatur geringer ist als die erste Temperatur wird die erzeugte Randschicht nicht verändert sondern lediglich das Grundgefüge.

Besonders bevorzugt wird ein bainitisches Gefüge eingestellt, da dieses im Vergleich zum martensitischen Gefüge eine höhere Zähigkeit und im

Randbereich, mit anderen Worten sowohl an den nicht borierten oder

chromierten Oberflächen, als auch unterhalb der Bor- oder Chromschicht, Druck- Eigenspannungen aufweist.

Vorzugsweise wird nach Verfahrensschritt e) eine Umwandlungsbehandlung des martensitischen Gefüges von mindestens einer Stunde bei einer Temperatur von über 200°C vorgenommen. Des weiteren bevorzugt wird nach Verfahrensschritt e) eine Umwandlungsbehandlung des bainitischen Gefüges von mindestens zwei bis zu höchstens sechs Stunden bei einer Temperatur von mindestens 220°C bis zu höchstens 260°C vorgenommen wird. Die Umwandlungsbehandlung führt zu einem beträchtlichen Anstieg der Zähigkeit.

Gemäß einem abschließenden Verfahrensschritt erfolgt eine Feinbearbeitung des Bauteils zur finalen Formgebung. Dazu eignet sich insbesondere das Schleifen, da der Abtrag von sehr hartem Material relativ gering ist. Die

Feinbearbeitung stellt die Geometrie des Bauteils präzise ein und kompensiert den Verzug aufgrund der Wärmebehandlung. Besonders bevorzugt beträgt die erste Temperatur mindestens 850°C bis zu höchsten 950°C. Diese Temperatur führt dazu, dass die Boratome oder die Chromatome in die Randschicht des Körpers eindiffundieren können. Desweiteren bevorzugt beträgt die zweite Temperatur mindestens 840°C bis zu höchstens 870°C. Die Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Temperatur führt dazu, dass die Wärmebehandlung keinen Einfluss auf die borierte oder chromierte Randschicht des Bauteils nimmt. Besonders bevorzugt wird nach Verfahrensschritt f) eine Oberflächenveredelung der entweder borierten oder chromierten lokal begrenzten Bereiche zur Erhöhung der Rissbeständigkeit vorgenommen. Zur Oberflächenveredelung eignet sich insbesondere das mechanische polieren der borierten oder chromierten

Bereiche.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird in einem ersten

Verfahrensschritt ein Ventilkörper für ein Einspritzsystem einer

Verbrennungskraftmaschine spanabhebend gefertigt. Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Haltekörper für ein Einspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine

spanabhebend gefertigt.

Bei dem Ventilkörpern sind es insbesondere die Ventilsitze und bei den

Haltekörper insbesondere die Führungen, die einem hohen Druck und einem hohen Verschleiß sowie einem Partikeleinschlag ausgesetzt sind. Die restlichen

Bereiche des Ventilkörpers oder des Haltekörpers sind im Wesentlichen nur einer Druckbelastung ausgesetzt, so dass es hier besonders vorteilhaft ist wenn durch plastische Verformung Spannungen abgebaut werden können. Dazu eignen sich insbesondere Bereiche mit einem duktilen und zähen Gefüge.

Des Weiteren bevorzugt wird gemäß Verfahrensschritt c) eine Eisenborid- oder Eisenchromidschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 30μηι bis zu höchstens Ι ΟΟμηη an der Randschicht des Bauteils erzeugt. Diese, gegenüber der Schichtdicke von hochlegierten Stählen, erheblich dickere Schicht wird aufgrund eines geringen Gehalts von Legierungselementen der niedrig legierten

Stähle hervorgerufen. Die Boratome bilden beim Eintritt in die Randschicht des Körpers im Wesentlichen Eisenborid vom Typ Fe ₂ B mit einer Härte von 1500 bis 2000HV. Vorzugsweise wird als niedrig legierter Stahlwerkstoff 10006 verwendet.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.

Ausführungsbeispiele

Es zeigen:

Figur 1 eine vereinfachte schematische Schnittansicht eines

Ventilkörpers, das die jeweiligen erfindungsgemäßen

Verfahrensschritte durchläuft, und

Figur 2 ein nach dem Verfahren gemäß Figur 1 hergestellten

Ventilkörper.

Nach Figur 1 beginnt das erfindungsgemäße Verfahren mit einem ersten Verfahrensschritt a, einer spanabhebenden Fertigung eines Ventilkörpers 1 aus dem Werkstoff 10006 in einem nicht wärmebehandelten Zustand.

Gemäß einem Verfahrensschritt b wird der Ventilkörper 1 lokal mit einem im Wesentlichen Bor aufweisenden Pulver 2 bedeckt. Die lokale Bedeckung mit Pulver beschränkt sich dabei auf den Ventilsitz 3.

In einem Verfahrensschritt c wird eine Wärmebehandlung des lokal mit dem Pulver 2 bedeckten Ventilkörpers 1 bei einer ersten Temperatur von 910°C vorgenommen. Dabei kommt es zur lokal begrenzten Diffusion von Boratomen aus dem Bor aufweisenden Pulver 2 in die Randschicht des Ventilkörpers 1 , insbesondere in die Randschicht der zu borierenden Fläche des Ventilsitzes 3. Dadurch wird eine Eisenboridschicht 5 mit einer Schichtdicke von bis zu Ι ΟΟμηη an der Randschicht des Ventilsitzes 3 erzeugt.

Gemäß eines nächsten Verfahrensschrittes d wird der Ventilkörper 1 auf Raumtemperatur abgekühlt und das Pulvers wird entfernt. Nach einem Verfahrensschritt e wird der Ventilkörper 1 zur Einstellung eines bainitischen Gefüges 4 erneut wärmebehandelt. Dabei beträgt eine zweite Temperatur 840°C und ist somit geringer als die zum Borieren benötigte

Temperatur.

Gemäß einem Verfahrensschritt f wird eine Umwandlungsbehandlung von sechs Stunden bei einer Temperatur von 220°C bis 260°C vorgenommen. Dies erhöht die Zähigkeit des bainitischen Gefüges 4 in einem höherem Maße als die Härte abgesenkt wird.

In einem Verfahrensschritt g wird eine spanabhebende Feinbearbeitung durch Schleifen des Ventilkörpers 1 zur finalen Formgebung vorgenommen.

Abschließend wird nach Verfahrensschritt h eine Oberflächenveredelung der lokal begrenzten, borierten Bereiche vorgenommen. Dabei wird die

Oberflächenveredelung durch mechanische Bearbeitung erzeugt.

Gemäß Figur 2 weist der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Ventilkörper 1 ein angelassenes und somit zähes bainitisches Grundgefüge 4 auf. Der Ventilsitz 3 des Ventilkörpers 1 ist boriert und weist eine

Eisenboridschicht 5 mit einer Schichtdicke von bis zu Ι ΟΟμηη auf. Dadurch weist der Ventilkörper 1 einen ersten Bereich, im Ventilsitz 3, mit einer hohen Härte, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit als auch einen zweiten Bereich mit einer demgegenüber relativ hohen Zähigkeit und Duktilität auf.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, anstelle eines Ventilkörpers 1 auch andere Bauteile, insbesondere für ein Einspritzsystem einer

Verbrennungskraftmaschine, herzustellen. Denkbar ist beispielsweise auch die Herstellung eines Haltekörpers. Ferner ist es auch denkbar die Bauteile anstatt zu borieren, zu chromieren. Dazu wird ein Chrom aufweisendes Pulver verwendet, das während der Wärmebehandlung des Bauteils eine

Eisenchromidschicht erzeugt.

Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener

Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.