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Verfahren zur Verbindung des Ventilkopfes von Ventilen insbesondere für Verbren- nungskraftmaschinen, der aus Wolfram-Schnelldrehstahl besteht, mit einer Ventil- spindel aus einem Material mit niederer Schmelztemperatar.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung des Ventilkopfes von Ventilen insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen mit der Ventilspindel. Der Zweck der Erfindung liegt darin, ein Ventil zu schaffen, bei welchem Kopf und Schaft aus Material verschiedener Eigenschaften bestehen, so dass jeder dieser Teile den schweren Betriebsanforderungen aufs beste genügt.
Das Hauptmerkmal der Erfindung besteht darin, dass der aus Wolframschnelldrehstahl angefertigte Ventilkopf und die aus einem Material mit niederer Schmelztemperatur hergestellte Ventilspindel unter Verwendung des elektrischen Stromes und Ausübung eines sehr hohen Anpressungsdruckes bei einer über der Ausschweisstemperatur für Kohlenstoffstrahl liegenden Temperatur miteinander verschmolzen werden, so dass das verschmolzen Metall von den Eigenschaften des einen der beiden Metalle in jene des anderen Metalles übergeht.
Die Auspuffventile von Verbrennungskraftmaschinen werden beim Betriebe häufig bis auf Rotglut erhitzt. Man hat schon ganze Ventile, also Kopf und Schaft gemeinsam aus Schnelldrehstahl hergestellt, der bekanntlich seine Härte auch bei der erwähnten hohen Temperatur beibehält. Schnellstahl enthält eine erhebliche Menge von Wolfram, deren Betrag für gewöhnlich zwischen 10 und 20% schwankt. Diese Schnellstähle enthalten auch Chrom in einer Menge von etwa 4-5%. Chrom und Wolfram sind teuer, so dass Ventile, deren Kopf und Schaft aus Schnellstahl bestehen, entsprechend teuer sind.
Solche Ventile wurden bisher durch einen teuren Stauchprozess hergestellt, der besonders schwierig, wenn nicht gar undurchführbar, bei Schnellstahl mit einem erheblichen Gehalt von Vanadium wird, weil das Vanadium bewirkt, dass der Schnellstahl seine Härte bei noch höherer Temperatur beibehält, als dies bei Fehlen des Vanadiums möglich wäre. Die Betriebsbedingungen, unter denen die Schäfte oder Spindeln der Ventile arbeiten, sind nicht so, dass sie die Anwendung von Schnellstahl erfordern, vielmehr eher so, dass ihnen durch die Eigenschaften des Kohlenstoffstahles entsprochen wird.
Es sind auch schon Ventile bekannt, bei denen Köpfe aus Nickelstahl und Gusseisen an Spindeln aus Kohlenstoffstahl befestigt sind. Ventile, bei welchen Niekelstahlköpfe an Kohlenstoffstahlspindeln angeschweisst sind, befinden sich im Handel, doch hat man noch niemals Köpfe aus irgend einem Metall an Spindeln durch ein Anschmelzungsverfahren befestigt, noch auch hat man durch irgend ein Verfahren Wolframstahlköpfe an Kohlenstoffstahlspindeln befestigt.
Erfahrungsgemäss können Wolframstahl und Kohlenstoffstahl nicht befriedigend miteinander verschweisst werden. Diese beiden Metalle haben sehr verschiedene Schweisstemperaturen, so verschieden, dass bei der Schweisstemperatur des Wolframstahles der Kohlenstoffstahl im. wesentlichen gasförmig ist.
Der starke Unterschied in den Ausdehnungskoeffizienten zwischen Hoehleistungs-Wolframstahl und
Kohlenstoffstahl macht das gute Verschweissen der beiden Metalle unmöglich. Ein weiterer Umstand, welcher die Schwierigkeiten der Verschweissung oder sonstigen Vereinigung von Schnellst hlen erhöht, liegt darin, dass sowohl der Chrom-wie der Wolframgehalt des Schnellstahles bei der
Schweisstemperatur des letzteren sich so rasch oxydieren, dass sie Krusten bilden, welche nicht bloss die Vereinigung von Schnellstahl mit anderen Stäben, sondern auch von zwei Schnellstahlstücken der gleichen Zusammensetzung miteinander verhindern.
Nach der Erfindung wird ein Ventilkopf aus Schnellstahl mit einer Spindel aus Kohlenstoffstahl verschmolzen. Durch das weiter unten erläuterte Schmelzverfahren kann eine Scheibe aus Schnellstahl,
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der nicht bloss Wolfram und Chrom, sondern auch Vanadium enthält, mit einer Spindel aus Kohlenstoffstahl sicher vereinigt werden. Das Verfahren unterscheidet sich grundsätzlich von den bisher als Schweissung bekannten Verfahren, indem die Vereinigung der beiden verschiedenen Metalle bei einer Temperatur geschieht, die weit höher liegt, als diejenige, die für gewöhnlich als die richtige Schweisstemperatur für Kohlenstoffstahl angesehen wird.
Bei dem vorliegenden Verfahren der Vereinigung einer Kohlenstoffstahlspindel mit einer Schnell- stahlseheibe wird die eine Oberfläche der Scheibe mittels einer Kupferelektrode von grosser Masse gekühlt, welche die Hitze sehr rasch von dem die Elektrode berührenden Teile der Scheibe ableitet, während die Kohlenstoffstahlstange in eine Kuperfklemme von grosser Masse eingeklemmt ist, so dass die Wärme aus ihr ebenfalls rasch abgeführt wird. Die Verschmelzung geschieht vermöge Hindurchschiekens eines elektrischen Stromes durch die Kohlenstoffstahlspindel und die Sehnellstahlscheibe, wobei die Stromstärke um ein Mehrfaches so gross ist wie beim elektrischen Schweissen. Der gesamte Schmelzvorgang vollzieht sich in weniger als einer Sekunde.
Während dieser kurzen Zeit werden im wesentlichen 7'9 mm von der Kohlenstoffstahlstange an ihrem Berührungspunkte mit der Scheibe abgeschmolzen. Dieses Abschmelzen der Kohlenstoffstahlspindel lässt einen Punkt der Sehnellstahlseheibe sich bis auf eine über der Schmelztemperatur des Kohlenstoffstahles liegende Temperatur erhitzen. Um den Wolframstahl der Scheibe zur wirklichen Schmelzung zu bringen, ohne die Kohlenstoffstahlspindel zu sehr zu vergasen, lässt man die letztere während des Durchganges des elektrischen Stromes unter einem Drucke von etwa 140 lcglei ? gegen die Scheibe und in sie hinein vorrücken.
Da der elektrische Widerstand anfänglieh am Berührungspunkt zwischen der Oberfläche der Scheibe und dem Ende der Spindel am grössten ist, so wird dieser Punkt zuerst erhitzt, und in Anbetracht des positiven thermischen Widerstandskoeffizienten des Eisenbestandteiles des Metalles fahren die zuerst erhitzten Punkte fort, den grösseren Teil der Energie des für den Schmelzvorgang benutzten elektrischen Stromes aufzunehmen.
Die Bewegung der Spindel gegen die Scheibe während des Stromdurchganges resultiert in der ständigen Darbietung neuer noch ungeschmolzener Teile der Spindel gegen einen einzigen unverändert bleibenden Teil der Scheibe. Die dadurch bedingte Hitzekonzentration führt schliesslich eine Schmelzung der Scheibe am Berührungspunkt mit der Spindel herbei, und die Bewegung der Spindel unter dem erwähnten hohen Drucke bewirkt eine tatsächliche Mischung des geschmolzenen Metalles der Spindel mit dem geschmolzenen Metall der Scheibe.
Die gründliche Vermischung des Metalles der Scheibe und der Spindel wird wirksam dadurch gefördert, dass das geschmolzene Spindelmetall, das ringsum den Schmelzpunkt durch den auf die Spindel wirkenden Druck herausgequetscht wird, in Berührung mit der die Spindel haltenden gekühlten Kupferelektrode kommt und sofort in Form eines den Schmelzungspunkt umhüllenden Ringes erhärtet.
Dieser Ring verhindert das Entweichen von weiteren Teilen des geschmolzenen Spindelmetalles und zwingt dieses Metall dadurch zur Mischung mit den geschmolzenen Teilen des Scheibenmetalles.
Die Wärmeleitung von Wolframstahl ist höher als diejenige von gewöhnlichem Stahl und dies in Verbindung mit der Tatsache, dass der mittlere Teil der Rückenfläche der Scheibe in inniger Berührung mit einer massiven vorzugsweise wassergekühlten und die Wärme von der Unterfläche der Scheibe rasch ableitenden Kupferelektrode steht, verhindert ein vollständiges Durehsehmelzen der Scheibe.
Dadurch, dass die Metalle der Spindel und der Scheibe vollständig ineinander schmelzen, so dass im Gegensatz zur gewöhnlichen Schweissung keine bestimmte Übergangslinie vorhanden ist, wird ein Auseinanderplatzen von Spindel und Scheibe wegen der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Metalle vermieden.
Es hat sich als sehr vorteilhaft bzw. notwendig gezeigt, das oben erwähnte Verfahren in einer inerten Atmosphäre durchzuführen. Der Grund hiefür liegt darin, dass die Wolfram-und Chrombestandteile des Schnellstahles sich bei Zutritt von Luft bei dem Verfahren sehr rasch oxydieren und die Oxyde in das geschmolzene Metall in solchem Masse eindringen, dass die Verbindungsstelle geschwächt wird. Die Oxydation, die bei Luftzutritt an der Oberfläche der Wolframstahlscheibe während der ersten Augenblicke der Erhitzung eintreten würde, bevor noch der sich bildende Ring aus Kohlenstoffstahl als Schutz gegen den Zutritt des Luftsauerstoffes wirken kann, würde bewirken, dass Teilchen von oxydiertem Wolfram und Chrom sich mit dem geschmolzenen Metall mischen und die Verbindung schwächen.
Es ergibt sich so, dass durch die Erfindung ein Gegenstand erzielt wird, der aus einer Scheibe oder einem Kopf von Stahl hoher Schmelztemperatur und einer daran befestigten Spindel oder Stange aus Stahl niedrigerer Schmelztemperatur besteht, die durch Metall verbunden sind, das von den Eigenschaften des einen Metalles in diejenigen des anderen Metalles hinüberwechselt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt die Schnellstahlscheibe für den Ventilkopf, Fig. 2 zeigt den in Form gepressten Ventilkopf, Fig. 3 zeigt Kopf und Spindel in den Elektroden einer Schweissmaschine vor dem Stromdurchgange, Fig. 4 veranschaulicht die Teile nach der Verschmelzung, Fig. 5 ist eine Ansicht des fertigen Ventiles.
Der gemäss Versuchen für Ventilköpfe am besten befundene Schnellstahl enthält ausser Eisen an Kohlenstoff 0-58%, PhosphorO-01%, Mangan in Spuren, Silizium 0'22%, Wolfram 17'10%, Chrom 4'5%, Nickel 0-20% und Vanadium 1%. Die in Fig. 1 dargestellte Scheibe aus diesem Stoff hat vorzugsweise
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werden. Vanadiumhaltiger Schnellstahl ist nur sehr schwierig bearbeitbar. Es hat sich aber gezeigt, dass die Scheibe bei Erhitzung auf 788 C bis 845 C in einem einzigen Arbeitsgange in die Form nach Fig. 2 gebracht werden kann.
Die Wärme darf nicht viel über 845 C steigen, da alsdann das Metall, wenn es durch Berührung mit den Stanzstempeln gekühlt wird, eine gewisse Härtung erfährt, u. zw. in solchem Masse, dass es der unregelmässigen Erhitzung bei der Verschmelzung nicht ohne zu platzen standhalten kann. Wird aber die Erhitzungstemperatur für die Scheibe unter 8450 C gehalten, so wird der Ausglühungszustand des Stahles nicht geändert, und das Metall wird durch die Erhitzung beim Verschmelzen nicht beschädigt.
Die Scheibe gemäss Fig. 2 wird nunmehr mit Sandpapier od. dgl. auf beiden Seiten des mittleren abgeflachten Teiles und nahe dem Umfange der konkaven Seite geputzt. Die Elektroden 3 und 5 stehen beide aus massiven Kupferblöcken, um eine rasche Abführung der Wärme von der Scheibe und der Spindel zu gewährleisten. Die Elektrode 3 ist so gestaltet, dass sie die Wolframstahlscheibe 2 anfänglich nur am Umfange der Scheibe oder doch nahe daran berührt, so dass der Strom anfänglich radial durch die Scheibe fliessen muss, um sie an von der Schmelzstelle entfernten Punkten vorzuheizen. Die Elektrode 5 ist in einer Maschine beweglich und vorzugsweise so ausgestattet, dass sie die Kohlenstoffstahlspindel 4 umfasst, um die Wärme aus ihr gut abzuführen.
Die Elektroden sind mit einer Stromquelle, beispielsweise der Sekundärwirklung eines die Spannung verringernden Transformators verbunden.
Das Ende der Kohlenstoffstahlspindel 4 ist etwas abgerundet, so dass es die Scheibe 2 anfänglich nur an einem Punkte berührt. Nach dem Zusammenstellen der Scheibe 2 und Spindel 4 in der Schmelzmasehine wird eine enge Hülse 6 um die Teile herumgelegt und in den Innenraum der Hülse Wasserstoff oder ein sonstiges inertes Gas durch das Einlassrohr 11 zugeführt. Nunmehr wird ein Abwärtsdruck (etwa 10-100 Atm. ) auf die Spindel ausgeübt. Dieser Druck vermag aber nicht die Scheibe 2 so durch- zubiegen, dass ihr mittlerer Teil die untere Elektrode S berührt. Der Primärkreis des Transformators wird nun geschlossen und der Sekundärstrom durch die Elektroden, Scheibe 2 und Spindel 4 hindurchgeschickt.
Obschon die gesamte Zeit für den Stromdurchgang bei einer Verschmelzung weniger als eine Sekunde beträgt, so ist das Ergebnis dieses Stromdurchganges zunächst eine Erhitzung der ganzen Scheibe 2 bis auf stumpfe Rotglut, wodurch die Scheibe genügend erweicht wird, um dem Drucke der Spindel nachzugeben, und mit ihrem mittleren Teile den Mittelteil der unteren Elektrode innig zu berühren. Sofort nach diesem Ausbiegen der Scheibe 2 wird die Kohlenstoffstahlspindel 4 und die Oberfläche der Wolframstahlscheibe 2, die in inniger Berührung mit der Spindel 4 steht, soweit erhitzt, dass der Kohlenstoffstahl richtig schmilzt und am Berührungspunkte mit der Scheibe etwas vergast.
Die unter Druck gegen die Scheibe gehaltene Spindel schmilzt am Berührungspunkt mit der Scheibe ab, und das geschmolzene Metall wird rundum in Form eines Ringes herausgequetscht. Obschon sofort beim Beginn des Stromdurchganges der Kohlenstoffstahl auf Schmelztemperatur erhitzt wird, so steigt die Temperatur der Wolframscheibe nicht sofort auf den Schmelzpunkt des Wolframstahles. Erst nachdem die Kohlenstoffstahlspindel unter Druck um etwa 7'9 mm gegen die Wolframstahlscheibe und in sie hinein vorgeschoben worden ist, steigt die Temperatur der Scheibe bis zum Schmelzpunkt. Zu dieser Zeit hat sich ein Ring von durch Berührung mit der oberen Kupferelektrode gekühltem Kohlenstoffstahl entsprechend Fig. 4 um den Schmelzpunkt herum gebildet, so dass das geschmolzene Metall der Scheibe nicht bequem entweichen kann und sich mit dem geschmolzenen Metall der Spindel vermischen muss.
In Fig. 4 ist die Zone, in welcher die beiden Metalle gemischt sind, durch Überkreuzung der Schaffen der Spindel und der Scheibe angedeutet. Dieses geschmolzene Metall ist durch den Druck und die Bewegung der Spindel etwas mechanisch durchgerührt und Schnitte durch fertige Ventile zeigen, dass die beiden Metalle auf eine Dicke von etwa 3'2 mm innig gemischt sind, wobei in den der Scheibe näher liegenden Schichten die Eigenschaften des Wolframstahles und in den anderen Schichten die Eigenschaften des Kohlenstoffstahles vorwiegen.
Der Stahlkopf kommt an der Verschmelzungszone und nahe derselben sehr hart und brüchig aus dem Verfahren. Um ein Wegplatzen der Scheibe um die Schmelzungsstelle herum zu verhindern, werden die nunmehr verschmolzenen Teile in Holzkohle od. dgl. eingepackt, unter Ausschluss der Luft bei einer Temperatur zwischen 829 C und 845 C eine Stunde lang ausgeglüht und dann während zwei oder drei Stunden allmählich bis auf 93 C abgekühlt. Dadurch werden alle durch die Verschmelzung erzeugten inneren Spannungen ausgeglichen.
Damit die Ventile zwecks Ausschleifens und Nachschleifen gedreht werden können, wird in den konkaven Teil des Kopfes ein Schlitz 7 eingefräst. Die Ventile werden dann auf einer Drehbank od. dgl. bis auf wenige Hundertstel Millimeter über ihre endgültige Grösse abgedreht. Die bearbeiteten Ventile werden dann vorzugsweise in einem elektrischen Ofen auf 1094 C bis 11760 C erhitzt. Es ist erwünscht, dass der Umfang des Ventilkopfes mehr als der Mittelteil desselben gehärtet wird. Zu diesem Zweck muss der Umfang rascher als der Mittelteil der Scheibe und rascher als die Kohlenstoffstahlspindel gekühlt werden, da es erwünscht ist, die Spindel weich und zähe zu lassen.
Um den Umfang der Scheibe genügend zu kühlen, können die erhitzten Ventile zwischen Spitzen sehr rasch gedreht werden, während gleich-
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zeitig ein kalter Luftstrom gegen den Umfang des Ventilkopfes gerichtet wird. Es hat sich als zweckmässig gezeigt, den Mittelteil des Kopfes und die Ventilspindel durch Umhüllung mit einer aus Asbest od. dgl. bestehenden Hülse zu schützen, welche Schlitze aufweist, durch die nur ein kleiner Teil des Umfanges der Scheibe herausragt. Der Luftstrom wird gegen den herausragenden Umfang gerichtet.
Das äussere Ende der Ventilspindel nimmt bei 8 den Stoss der Steuermittel auf und erfährt an diesem Punkte zweckmässig eine Einsatzhärtung.
. Nachdem das Ventil so fertig getempert ist, wird es auf genaue Grösse geschliffen. Es hat sieh als richtig gezeigt, etwa 0'12699 1n1n des Metalles um den Sitzteil des Ventiles zu entfernen, weil eine Haut von ungefähr dieser Dicke über die gesamte Oberfläche der Schnellstahlscheibe hin nicht in selbem
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Dadurch ferner, dass ein Stahl mit etwas Vanadium verwendet wird, kann das Ventil bei höheren Temperaturen arbeiten, als sie für Ventile zulässig sind, die völlig aus Schnellstahl bestehen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Verbindung des Ventilkopfes von Ventilen insbesondere für Verbrennungskraftmasehinen, der aus Wolfram-Schnelldrehstahl besteht, mit einer Ventilspindel aus einem Material mit niederer Schmelztemperatur, wie z. B. Kohlenstoffstahl, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkopf und die Ventilspindel unter Verwendung des elektrischen Stromes und Ausübung eines sehr hohen zweckmässig etwa 140 leg pro 1 e betragenden Anpressungsdruckes zwischen den zu vereinigenden Teilen bei einer weit über der gewöhnlichen Anschweisstemperatur für Kohlenstoffstahl liegenden Temperatur miteinander verschmolzen werden, so dass das verschmolzen Metall von den Eigenschaften des einen der beiden Metalle in jene des anderen Metalles allmählich übergeht.