Verfahren zum Nitrieren eines Bauteils eines Kraftstoffeinspritzsvstems

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nitrieren eines hochdruckbelasteten, aus einem legierten Stahl bestehenden Bauteils eines Kraftstoffeinspritzsystems.

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 102 56 590 AI ist bekannt, dass eine

Einspritzdüse eines Kraftstoffeinspritzsystems sehr widerstandsfähig wird, wenn die Einspritzdüse einen nitrierten Zustand aufweist. Dabei erhöhen sich vor allem die Korrosionsbeständigkeit und der Verschleißwiderstand. Auf das

Nitrierverfahren an sich wird in dieser Schrift jedoch nicht eingegangen.

Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift WO 2001/042528 AI ein Verfahren zum Nitrieren einer Einspritzdüse bekannt. Das bekannte Nitrierverfahren weist in einem ersten Schritt ein Nitrocarburierverfahren in einem Salzbad auf und danach in einem zweiten Schritt ein Gasnitrierverfahren bei einer Temperatur zwischen 520°C und 580°C bei niedrigem Nitrierpotential bzw. niedriger

Nitrierkennzahl (im Bereich zwischen 0,08 und 0,5), also im sogenannten a- Bereich des Lehrer-Diagramms.

Die Belastungen der Bauteile eines Kraftstoffeinspritzsystems mit unter sehr hohem Druck stehendem Kraftstoff können - speziell im Bereich von

Drosselstellen - zu einer sehr hohen Kavitationsbelastung dieser Bauteile führen. Selbst bei den mit oben beschriebenem Nitrierverfahren behandelten Bauteilen kann dies zu größeren Kavitationsschäden führen.

Offenbarung der Erfindung

Demgegenüber minimiert das erfindungsgemäße Nitrierverfahren die durch die hohe Druckbelastung hervorgerufenen Kavitationsschäden, indem die Duktilität (Zähigkeit) unter der Materialoberfläche der Bauteile durch das Nitrierverfahren weiter gesteigert wird. Zusätzlich wirkt sich das Nitrierverfahren positiv auf die Schwellfestigkeit aus. Dadurch wird die Lebensdauer bzw. die Dauerfestigkeit der Bauteile gesteigert.

Dazu weist das Verfahren zum Nitrieren eines hochdruckbelasteten, aus einem legierten Stahl bestehenden Bauteils eines Kraftstoffeinspritzsystems folgende Verfahrensschritte auf:

- Aktivieren des Bauteils in anorganischer Säure,

- Voroxidieren des Bauteils in sauerstoffhaltiger Atmosphäre zwischen 380°C und 420°C,

- Nitrieren des Bauteils zwischen 520°C und 570°C bei einer hohen ersten

Nitrierkennzahl K _N, i im ε-Nitrid-Bereich,

- Nitrieren des Bauteils zwischen 520°C und 570°C bei einer niedrigen zweiten Nitrierkennzahl K _N,2 im γ'-Nitrid-Bereich.

Durch das Aktivieren wird der Widerstand des Bauteils gegen das Eindiffundieren des Stickstoffs verringert. Dieser Schritt erhöht also die Nitrierbarkeit des Bauteils. Das anschließende Voroxidieren führt dazu, dass das Bauteil im Betrieb eine höhere Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Das eigentliche Nitrieren wird in zwei Schritte unterteilt, bei denen vorzugsweise ammoniakhaltiges Gas verwendet wird:

- Ein erster Nitrierschritt mit einer ersten Nitrierkennzahl K _N, i im ε-Nitrid-Bereich dient der Stickst off auf nähme des Bauteils und damit der Erhöhung der Härte des Bauteils, sowohl in der sogenannten Verbindungsschicht an der Oberfläche des Bauteils als auch in der darunter liegenden Diffusionsschicht. - Ein zweiter Nitrierschritt mit einer zweiten Nitrierkennzahl K _N,2 im γ'-Nitrid- Bereich führt dazu, dass die Verbindungsschicht nicht zu dick wird. Die

Verbindungsschicht besitzt zwar eine hohe Härte, ist aber gleichzeitig sehr spröde und damit auch sehr anfällig gegenüber Kavitationsbelastungen.

Durch das erfindungsgemäße Nitrierverfahren werden neben der Reduktion der Dicke der spröden Verbindungsschicht vor allem die Nitrideinlagerungen entlang der Korngrenzen in der Diffusionsschicht gegenüber den bekannten

Nitrierverfahren reduziert. Dadurch werden die Korngrenzen weniger

bruchempfindlich, was die Zähigkeit und damit die Robustheit gegenüber Kavitationsangriff, sowie die Schwellfestigkeit des Bauteils erhöht.

Vorteilhafterweise liegt die erste Nitrierkennzahl K _N, i zwischen 1 und 10, vorzugsweise zwischen 2 und 8. Die erste Nitrierkennzahl K _N, i ist also vergleichsweise hoch. Dadurch befindet man sich im Lehrer-Diagramm bei Temperaturen zwischen 520°C und 570°C im Wesentlichen im ε-Nitrid-Bereich, welcher eine hohe Stickstoffaufnahme des aktivierten und vom Nitriergas umströmten Bauteils sicherstellt.

Weiterhin vorteilhafterweise liegt die zweite Nitrierkennzahl K _N,2 zwischen 0,2 und 0,4. Die zweite Nitrierkennzahl K _N,2 ist also vergleichsweise niedrig. Dadurch wird ein tiefes Eindiffundieren eines hohen Stickstoffgehalts in das Bauteil behindert. Es erhöht sich vorwiegend der Stickstoffgehalt in der Verbindungsschicht; im Grundwerkstoff steigt der Stickstoffmassenanteil auf nicht mehr als etwa 6%. Die Zähigkeit des Bauteils bleibt somit weitestgehend erhalten.

In einer vorteilhaften Ausführung weist ein Bauteil, das nach dem

erfindungsgemäßen Verfahren nitriert wurde, an seiner Oberfläche einen Massenanteil des Stickstoffs zwischen 11% und 25% auf. Dies sorgt für eine sehr harte, kavitations-, verschleiß- und korrosionsbeständige Oberfläche des Bauteils.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist ein Bauteil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nitriert wurde, in einer ersten Tiefe ti von 10 μηι zu der Oberfläche des Bauteils einen Massenanteil des Stickstoffs zwischen 3% und 8% auf. Der vergleichsweise starke Abfall des Massenanteils des Stickstoffs bereits in 10 μηι Bauteiltiefe führt zu einer vergleichsweise hohen Zähigkeit des Bauteils trotz der hohen Oberflächenhärte. In etwa dieser Bauteiltiefe befindet sich auch der Übergang von der Verbindungs- zur Diffusionsschicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist ein Bauteil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nitriert wurde, in einer zweiten Tiefe t ₂ von 15 μηι zu der Oberfläche des Bauteils einen Massenanteil des Stickstoffs zwischen 2% und 7% auf. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Zähigkeit des Bauteils im Vergleich zu bekannten Nitrierverfahren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist ein Bauteil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nitriert wurde, in einer dritten Tiefe t ₃ von 20 μηι zu der Oberfläche des Bauteils einen Massenanteil des Stickstoffs zwischen 2% und 6% auf. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Zähigkeit des Bauteils im Vergleich zu bekannten Nitrierverfahren.

Ab dieser Bauteiltiefe verläuft der Stickstoffanteil asymptotisch bis zum Ende der Diffusionszone, um dann zum Ende der Diffusionszone relativ abrupt auf den im Grundwerkstoff bereits enthaltenen Stickstoffanteil abzufallen. Üblicherweise reicht die Diffusionszone dabei bis etwa 500 μηι ins Bauteilinnere. Der

Stickstoffanteil ist ab der dritten Tiefe is so weit abgesenkt, dass sich nur noch wenige Nitrideinlagerungen bilden. Die notwendige Zähigkeit des Werkstoffs ist somit ab dieser Bauteiltiefe gegeben.

In einer vorteilhaften Ausführung ist das Bauteil ein Düsenkörper eines

Kraftstoff! njektors zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei der Kraftstoff! njektor eine Düsennadel aufweist, die längsbeweglich in dem Düsenkörper geführt ist. Aufgrund des hohen Drucks und der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs in dem Kraftstoffinjektor und dort speziell im Düsenkörper eignet sich eben gerade der Düsenkörper für ein erfindungsgemäßes Nitrierverfahren. Beispielsweise an den

Einspritzöffnungen des Düsenkörpers, welche in den Brennraum der

Brennkraftmaschine münden, besteht unter Umständen eine sehr hohe

Kavitationsbelastung. Aufgrund der gesteigerten Schwellfestigkeit des Düsenkörpers durch das erfindungsgemäße Nitrierverfahren können dadurch hervorgerufene Kavitationsschäden minimiert oder sogar gänzlich vermieden werden.

Zeichnungen

Fig.l zeigt ein Lehrer-Diagramm, in dem die Nitrierkennzahl K _N über der

Nitriertemperatur T aufgetragen ist, wobei ein Bereich für einen Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer zweiten Nitrierkennzahl K _N,2 gekennzeichnet ist.

Fig.2 zeigt ein Diagramm, in dem der Massenanteil des Stickstoffs eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nitrierten Bauteils in Abhängigkeit der Bauteiltiefe.

Fig.3 zeigt schematisch einen Teil eines Kraftstoff! njektors, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Beschreibung

Fig.l zeigt ein Lehrer-Diagramm: Es werden die verschiedenen Zustandsphasen des Systems Eisen-Stickstoff eines Bauteils in Abhängigkeit der Temperatur T und der Nitrierkennzahl K _N gezeigt. Die Nitrierkennzahl K _N ist logarithmisch über der Nitriertemperatur T aufgetragen. Die Nitrierdauer ist im Lehrer-Diagramm nicht angegeben, üblicherweise liegt sie jedoch in einem Bereich zwischen 1 Stunde und 100 Stunden.

Die Nitrierkennzahl K _N ist definiert als

_ p(NH ₃ )

Dabei sind p(NH ₃ ) der Partialdruck des Ammoniaks und p(H ₂ ) der Partialdruck des Wasserstoffs. Der Partialdruck ist jeweils der Druck in einem idealen

Gasgemisch, der einer einzelnen Gaskomponente zugeordnet ist. Das heißt, der Partialdruck entspricht dem Druck, den die einzelne Gaskomponente bei alleinigem Vorhandensein im betreffenden Volumen ausüben würde. Der Partialdruck wird üblicherweise dann anstelle der Massenkonzentration verwendet, wenn das Diffusionsverhalten des gelösten Gases betrachtet wird.

Die Zustandsphasen des Systems Eisen-Stickstoff werden unterteilt in einen ε- Nitrid-Bereich, einen γ-Nitrid-Bereich, einen γ'-Nitrid-Bereich und einen a-Nitrid- Bereich. ε-Nitride weisen sehr hohe Stickstoffmassenanteile auf und sind in der Regel an der Oberfläche des nitrierten Bauteils zu finden, der sogenannten Verbindungsschicht oder der darunter liegenden Diffusionsschicht. Der γ'-Nitrid- Bereich weist ebenfalls einen hohen Stickstoffanteil auf, allerdings mit mehr Ordnung der Stickstoffatome als im ε-Nitrid-Bereich. Der γ'-Nitrid-Bereich ist ebenfalls in der Verbindungs- und Diffusionsschicht zu finden. Sowohl der ε- Nitrid-Bereich als auch der γ'-Nitrid-Bereich sind vergleichsweise hart und spröde. Bei sehr hohen Temperaturen, jedoch außerhalb des

erfindungsgemäßen Nitrierverfahrens, treten auch γ-Nitride auf, die sehr hohe Stickstoffkonzentrationen aufweisen. Der α-Nitrid-Bereich weist eine

vergleichsweise niedrige Stickstoffkonzentration auf und ist vergleichsweise zäh. a-Nitrid-Bereiche sind üblicherweise in der Diffusionsschicht und im

Grundwerkstoff zu finden.

Fig.l zeigt einen schraffierten Bereich 12, der im Wesentlichen im γ'-Nitrid- Bereich liegt, mit einer Temperatur T im Bereich zwischen ca. 520°C und 570°C und mit einer Nitrierkennzahl K _N im Bereich zwischen ca. 0,2 und 0,4. Dieser schraffierte Bereich kennzeichnet im erfindungsgemäßen Nitrierverfahren den Verfahrensschritt mit der niedrigen zweiten Nitrierkennzahl K _N,2 .

Fig.2 zeigt ein Diagramm, in dem der Massenanteil des Stickstoffs„Mass-% of N" eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nitrierten Bauteils über der Bauteiltiefe„t [μηι]" aufgetragen ist. Dabei verläuft die Bauteiltiefe t senkrecht zur Oberfläche und der Massenanteil des Stickstoffs ist für einen Bereich

angegeben, der mit mindestens 1 mm Abstand zur nächsten Kante oder zum nächsten Konturübergang liegt. Die Kurve„MAX" stellt den maximalen und die Kurve„MIN" den minimalen Massenanteil des Stickstoffs des behandelten Bauteils dar. In Fig.2 ist zu erkennen, dass die stickstoffhaltige Verbindungsschicht eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Bauteils nur etwa 5 μηι bis 10 μηι stark ist und danach die Diffusionsschicht beginnt. Die Diffusionsschicht kann bis über 500 μηι in die Bauteiltiefe reichen, was aber aus Darstellungsgründen in der Fig.2 nicht gezeigt ist.

Fig.3 zeigt schematisch einen Teil eines Kraftstoff! njektors 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Der Kraftstoff! njektor 1 weist einen Düsenkörper 4 auf, in dem ein Druckraum 2 ausgebildet ist. Der Druckraum 2 ist mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff gefüllt und wird beispielsweise von einem nicht dargestellten Common Rail oder einer nicht dargestellten

Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems gespeist. Im Druckraum 2 ist eine Düsennadel 3 längsbeweglich angeordnet. Die Düsennadel 3 öffnet und schließt durch ihre Längsbewegung im Düsenkörper 4 ausgebildete

Einspritzöffnungen 5 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Der Düsenkörper 4 ist speziell im Bereich der Einspritzöffnungen 5 Kavitationsrisiken ausgesetzt. Um die

Kavitationsresistenz des Düsenkörpers 4 zu erhöhen, wird das

erfindungsgemäße Nitrierverfahren eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Nitrieren eines hochdruckbelasteten, aus einem legierten Stahl bestehenden Bauteils eines Kraftstoffeinspritzsystems, beispielsweise des Düsenkörpers 4, besteht aus folgenden Verfahrensschritten:

1) Aktivieren des Bauteils in anorganischer Säure.

2) Voroxidieren des Bauteils in sauerstoffhaltiger Atmosphäre zwischen 380°C und 420°C.

3) Nitrieren des Bauteils zwischen 520°C und 570°C bei einer hohen ersten Nitrierkennzahl K _N ,i im ε-Nitrid-Bereich, vorzugsweise mit 1 < K _N ,i ^ 10.

4) Nitrieren des Bauteils zwischen 520°C und 570°C bei einer niedrigen zweiten Nitrierkennzahl K _N , ₂ im γ'-Nitrid-Bereich, vorzugsweise mit 0,2 < K _N , ₂ ^ 0,4.

Dadurch stellt sich für das Bauteil ein Massenanteil des Stickstoffs in

Abhängigkeit der Bauteiltiefe t ein, wie er in Fig.2 gezeigt ist.