DE10000156A1 - Pulvermetallurgisch hergestelltes Preß-Sinter-Formteil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein pulvermetallurgisch hergestelltes Preß-Sinter-Formteil, insbesondere Ventil oder Ventilteil, mit hoher Temperatur- und Verschleißfestigkeit, mit der folgenden Zusammensetzung nach Gewicht: DOLLAR A 0,5% bis 2,0% C; 5,0% bis 16% Mo; 0,2% bis 1,0% P; 0,1% bis 1,4% Mn; 0% bis 5% Cr; 0% bis 5% S; 0% bis 7% W; 0% bis 3% V < 2% andere Elemente, DOLLAR A Rest Fe.

Description

Die Erfindung betrifft ein pulvermetallurgisch hergestelltes Preß-Sinter-Formteil mit hoher Temperatur- und Verschleißfestigkeit, das insbesondere ein Ventil oder Ventilteil für Verbrennungsmotoren ist.

Einlaß- und Auslaßventile für Verbrennungsmotoren müssen hohen Anforderun­ gen an die Temperaturbeständigkeit und Verschleißfestigkeit genügen. Insbe­ sondere bei hochverdichteten modernen Motoren mit Mehrventiltechnik und elektronischer Steuerung ist es zunehmend zum Problem geworden, Materialien zu finden, die den am Auslaß herrschenden hohen Temperaturen auf Dauer ge­ recht werden. Ventile sind entsprechend in der Fertigung immer aufwendiger geworden, was sich auf die Material- und Verarbeitungskosten niedergeschlagen hat.

Für die Fertigung von Ventilkörpern bzw. ganzen Ventilen sind verschiedentlich pulvermetallurgische Verfahren vorgeschlagen worden. Solche pulvermetallur­ gischen Verfahren haben in die Fertigung der Ventilsitzringe vielfach Eingang gefunden, aber sich bei Ventilkörpern oder Ventilen bislang nicht durchsetzen können. Gründe hierfür waren nicht ausreichende Standfestigkeit der Materia­ lien und ein nicht ausreichendes Temperaturverhalten.

Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit herkömmlich gefertigter Ventile wurden besonders belastete Bereiche - insbesondere der Ventilsitz - mit einer induktiven Sitzhärtung oder einer Sitzpanzerung versehen. Hierdurch soll der Verschleiß in akzeptablen Grenzen gehalten werden, wobei zu berücksichtigen ist, daß auch bei dieser Technik Ventiltemperaturen von 800 C°-900 C° nicht überschritten werden sollten. Dies ist aber bei modernen Motoren zunehmend schwerer einzuhalten.

Die konventionelle Herstellung von Ventilen und Ventilkörpern ist insbesondere bei Durchführung einer Sitzpanzerung außerordentlich kompliziert geworden. Ausgehend von einem Stangenabschnitt wird durch Erwärmen, Stauchen, Kalibrieren und Drehen zunächst der Ventilkörper gefertigt, an den durch Reib­ schweißen ein Stangenabschnitt angefügt wird. Weitere Arbeitsschritte um­ fassen das Richten, Drehen, Schleifen und die Auftragsschweißung, Schleifung und Wärmebehandlung zum fertigen Ventil mit Sitzpanzerung. Insbesondere im Bereich der Sitzpanzerung kann es durch die Auftragsschweißung zu Fehlern kommen, mit der Folge einer unerwünscht hohen Ausschußquote.

Lösungen, eine geeignete Sitzpanzerung mit Hilfe pulvermetallurgisch herge­ stellter Panzerungen durchzuführen, haben keinen Serienstatus erlangt. Die Aufbringung der Sitzpanzerung führte nicht zu einer Verminderung der Fehlerquote. Vielmehr erwies sich die pulvermetallurgisch hergestellte Panzerung bei den nachfolgenden Verfahrensschritten als anfällig für Rißbildungen.

Die für eine Sitzpanzerung oder -härtung benötigten Materialien und zusätz­ lichen Verfahrensschritte lassen es wünschenswert erscheinen, Ventile oder zumindest Ventilkörper aus einem einheitlichen Material in möglichst wenigen Schritten herzustellen, wobei das Material die notwendige Verschleißfestigkeit, Standzeit und Wärmeabfuhr gewährleistet.

Verfahren zum Herstellen zumindest der Verschleißschicht hochbelastbarer Sinterteile in Zusammenhang mit der Ventilsteuerung einer Verbrennungskraft­ maschine sind aus der DE 41 04 909 A1 bekannt. Die dort pulvermetallurgisch hergestellten Sinterteile zeichnen sich durch einen hohen Chrom- und Kohlen­ stoffgehalt aus und werden für Nocken zur Ventilsteuerung eingesetzt. Die Ver­ wendung solcher Sinterteile für Ventilkörper ist nicht vorgesehen.

Bei der Herstellung aufwendiger Formteile hat die Pulvermetallurgie gegenüber konventionellen Techniken häufig den Vorteil, daß die Materialeigenschaften optimiert und die Zahl der Bearbeitungsschritte vermindert werden kann. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Ventile und Ventilteile, d. h. Ventilkörper und -schäfte, pulvermetallurgisch aus einem dafür geeigneten Material herzustellen, insbesondere unter Berücksichtigung auch des Ferti­ gungsaufwandes. Dabei soll eine Sitzpanzerung nach Möglichkeit verzichtbar sein und das Ventil bzw. Ventilteil eine zur Temperatursteuerung ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Diese Aufgabe wird mit einem pulvermetallurgisch hergestellten Formteil der eingangs genannten Art gelöst, daß die folgende Zusammensetzung nach Ge­ wicht aufweist:
0,5% bis 2,0% C; 5,0% bis 16% Mo; 0,2% bis 1,0% P; 0,1% bis 1,4% Mn; 0% bis 5% Cr; 0% bis 5% S; 0% bis 7% W; 0% bis 3% V; < 2% andere Elemente und Rest Fe.

Das erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Metallpulver zeichnet sich ins­ besondere durch einen recht hohen Kohlenstoff-, Molybdän- und Phosphorgehalt aus.

Der Kohlenstoff- und Phosphorgehalt bewirken die Ausbildung von temperaturbeständigen und verschleißmindernden Carbid- und Phosphidphasen, die dem Werkstoff die nötige Lebensdauer verleihen. Chrom, Vanadium und Wolfram können zur Variation des Eigenschaftsspektrums hinzugesetzt werden, sind aber insbesondere zur Herstellung von Ventilen und Ventilteilen nicht unbedingt erforderlich. Ein nennenswerter Schwefelgehalt kann, insbesondere bei Vorliegen als MoS₂, als interner Schmierstoff dienen, ist aber bei Ventilen und den Teilen in der Regel nicht erforderlich.

Die erfindungsgemäßen pulvermetallurgisch hergestellten Formteile können nach herkömmlichen Preß-Sinter-Verfahren hergestellt werden. Dazu gehört auch das heiß-isostatische Pressen, obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist. Im Allgemeinen ist eine Verdichtung auf 7,5 g/cm³ ausreichend, wenn auch für zahlreiche Zwecke eine höhere Dichte, insbesondere etwa 7,7 g/cm³ oder mehr sehr vorteilhaft ist. Durch eine Erhöhung der Dichte und die damit einhergehende Verminderung des Porenvolumens ergibt sich auch eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und damit des Temperaturverhaltens. Weiterhin wird dadurch die Standfestigkeit erhöht.

Die erfindungsgemäßen Formteile können aus den entsprechenden Element­ pulvern hergestellt werden. Zumeist ist es allerdings zweckmäßig, fertiglegierte Bestandteile für die Herstellung zu verwenden, beispielsweise eine fertiglegierte Stahlkomponente, einen Phosphor-Molybdän-Stahl, gegebenenfalls MoS₂ und, falls zusätzlich erforderlich, Graphit, jeweils in Pulverform. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von durch Atomisierungsverfahren hergestellten Metallpulvern unregelmäßiger Form, die den daraus hergestellten Preßteil durch Verzahnung einen gewissen inneren Zusammenhalt verleihen können. Zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit, Verminderung des Verschleißes in den Pressen und zur Verbesserung des Zusammenhaltes können übliche Hilfsstoffe zugesetzt werden, beispielsweise Wachs, in einer Menge von bis zu 1 Gew.-%, bezogen auf die Legierungspulver.

Vorzugsweise werden dendritische Pulver eines mittleren Durchmessers von weniger als 150 µm eingesetzt, vorzugsweise weniger als 50 µm. Kohlenstoff wird zweckmäßigerweise als Graphit mit einer mittleren Konrgröße von 10 µm oder weniger zugemischt, wenn nicht bereits ausreichend im fertiglegierten Pulver vertreten. Das PMoFe-Stahlpulver, wie es hier eingesetzt werden kann, ist in der WO-A-91/18123 beschrieben.

Besonders bevorzugt für die Herstellung von Ventilen, Ventilkörpern oder Ventil­ stangen ist eine Pulverzusammensetzung mit 0,5 bis 2,0% Kohlenstoff, 5,0 bis 14% Molybdän, 0,2 bis 1,0% Phosphor, 0,1 bis 1,2% Mangan, maximal 0,50% Chrom und maximal 0,40% Schwefel. Andere Elemente sind in diesem Fall mit weniger als 2% vertreten, der Rest ist Eisen. Die Zusammensetzung bemißt sich nach Gewichtsprozent.

Insbesondere für Ventilkörper empfiehlt es sich, das Flüssigphasen-Sinterver­ fahren anzuwenden. Der fertige Ventilkörper sollte eine Dichte von wenigstens 7,7 g/cm³ aufweisen.

Gegenüber dem eingangs beschriebenen konventionellen Fertigungsverfahren für komplette Ventile ergibt sich für die erfindungsgemäßen pulvermetallurgisch hergestellten Formteile eine deutliche Verminderung der Verarbeitungsschritte. Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Ventiles aus einem separat gefertigten Ventilkörper und einem Stangenabschnitt stellen sich die Schritte wie folgt dar:

Zunächst Pressen, Sintern und Anlassen des Ventilkörpers, danach Bereitstellen des Stangenabschnittes, Fügen von Ventilkörper und Stangenabschnitt, etwa in einem Reibschweißverfahren, Richten, Drehen, Schleifen und Wärmebehandeln des fertigen Ventils. Die deutliche Verminderung der Zahl der Produktionsschritte erhöht die Fertigungsgenauigkeit und vermindert die Fehlerwahrscheinlichkeit. Des weiteren läßt sich durch die verminderte Anzahl von Fertigungsschritten flexibler auf sich verändernde Systemanforderungen reagieren.

Die erfindungsgemäßen Ventile bzw. Ventilkörper zeigen eine hohe Ver­ schleißfestigkeit auch bei den hohen Temperaturen und Belastungen im Ventil­ trieb insbesondere für Auslaßventile.

Was Ventile anbetrifft, kann das komplette Ventil aus den vorstehend beschrie­ benen Werkstoffen bestehen. Es ist aber auch möglich und bevorzugt, nur den Ventilkörper aus diesem Werkstoff zu erstellen und den Schaft aus einem konventionellen Werkstoff zu fertigen. Bei separater Fertigung des Ventilkörpers und der Ventilstange kann die Geometrie zum Fügen von Ventilkopf und Ventilschaft weiter variiert werden. Bei formschlüssigen Fügeverfahren (Preßpassung) können alle bekannten Schweißverfahren eingesetzt werden. Bei einer stumpfen Passung ist in der Regel ein Reibschweißverfahren erforderlich.

Soweit die Erfindung Ventilkörper betrifft, haben diese gegenüber herkömm­ lichen Ventilkörpern den Vorteil, daß sie aus einem einheitlichen Material be­ stehen, d. h. nicht einer lokalen Modifizierung bedürfen, um sie den besonderen Gegebenheiten eines Kolbenauslasses eines Verbrennungsmotors anzupassen. Dies bringt neben produktionstechnischen Vorteilen eine geringere Stör- und Schadensanfälligkeit des Produktes sowohl in der Herstellungs- als auch in der Betriebsphase.

Es versteht sich, daß die erfindungsgemäßen Preß-Sinter-Formkörper auch andere Formkörper als Ventile, Ventilkörper oder Ventilschäfte sein können. Für Teile, die selbstschmierend ausgelegt sind, kann die zur Fertigung verwandte Pulverzusammensetzung einen Anteil an MoS₂-Anteil enthalten, der dem Werk­ stoff bis zu 5 Gew.-% Schwefel zuführt. Insbesondere geeignet sind Schwefel­ gehalte von bis zu 3,0 Gew.-% des Werkstoffes.

Eine besonders vorzugte Variante erfindungsgemäßer Ventile sind Ventilkörper, die eine zentrale Ausnehmung aufweisen, in die der Ventilschaft formschlüssig eingefügt und verschweißt ist. Zur Fügung kann im Grunde genommen jede übliche Form des Schweißens verwandt werden. Derartige Ventile erlauben es, einen pulvermetallurgisch gefertigten Ventilkörper mit einem konventionell oder pulvermetallurgisch gefertigten Schaft zu verbinden. Dieses Fertigungsverfahren bietet den Vorteil, daß der pulvermetallurgisch gefertigte Körper mit einem üblichen, von dritter Seite bezogenen und ausgerüsteten Schaft problemlos verbunden werden kann. Dies gilt naturgemäß auch für pulvermetallurgisch gefertigte Ventilschäfte.

Die erfindungsgemäßen Preß-Sinter-Formkörper werden aus dem vorgemisch­ ten bzw. fertiglegierten Pulver wie folgt hergestellt. Zunächst wird der Rohling aus dem Pulver unter Zuhilfenahme eines üblichen Wachses als Gleitmittel unter üblichen Preßdrücken zu Formlingen mit einer ausreichenden Dichte verpreßt. Der Preßdruck liegt dabei zweckmäßigerweise zwischen 500 und 900 MPa. Nach dem Pressen wird das Produkt zunächst unter einer Wasserstoff-Stickstoff-Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 750°C entwachst und anschließend in einen Ofen bei einer Temperatur von mehr als 900°C, vorzugsweise mehr als 1000°C, bis zu 1150°C, gesintert. Drücke und Temperaturen hängen dabei im wesentlichen von der gewünschten Dichte des Formteils und von der Zusammensetzung des Metallpulvers ab. Nach dem Abkühlen werden die Teile angelassen und den erforderlichen Nachbehandlungsschritten unterworfen.

Wie erwähnt, ist es für die Herstellung von Ventilen für Verbrennungsmotoren besonders bevorzugt, Ventilkörper und Ventilschaft in getrennten Arbeitsschritten herzustellen und anschließend zu fügen. Der Ventilkörper wird dabei pulvermetallurgisch hergestellt, der Schaftstumpf kann konventionell oder pulvermetallurgisch gefertigt sein. Bei dieser Konstellation können Körper und Schaft durch Reibschweißen miteinander verbunden werden, bevorzugt ist jedoch das formschlüssige Einfügen des Schaftes in eine paßgenaue Ausnehmung des Körpers mittels eines im unteren Bereich des Schaftes paßgenau ausgeformten Überganges- bzw. Paßstückes. Stamm und Körper werden dann zum kompletten Ventil gefügt verschweißt und nachbearbeitet.

Fig. 1 zeigt einen Ventilkörper 1, der pulvermetallurgisch gefertigt ist und zur stumpfen Verbindung mit einem Schaft 4 vorgesehen ist.

Fig. 2 zeigt einen Ventilkörper und ein Schaftende, wie sie zu einem erfin­ dungsgemäßen Ventil gefügt werden können. Der Ventilkörper 1 ist pulver­ metallurgisch gefertigt und zeigt in seinem Zentrum die Aufnahme 2 für das Paßstück 3 des Schaftes 4. Schaft und Körper werden durch Schweißen mitein­ ander verbunden.

Beispiel

Für einen erfindungsgemäßen Sinterkörper wurde Metallpulver der folgenden chemischen Zusammensetzung nach Gewicht verwandt:
0,9% Kohlenstoff, 8,2% Molybdän, 4,8% Wolfram, 1,4% Vanadium, 0,42% Phosphor, 3,2% Chrom und 1,2% Schwefel.

Andere Elemente waren zu etwa 1,9% vertreten, der Rest war Eisen.

Es wurde ein Sinterkörper aus gesintertem Molybdän-Phosphor-Stahl einer Dichte von 6,9 g/cm³ erhalten. Der Formkörper zeigte bei hoher Oberflächenbelastung eine gute Verschleißbeständigkeit und im Gefüge feinverteilte, verschiedene Carbide in einer angelassenen martensitischen Matrix mit eingelagertem Festschmierstoff.

Claims (12)

1. Pulvermetallurgisch hergestelltes Preß-Sinter-Formteil mit hoher Temperatur- und Verschleißfestigkeit, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung nach Gewicht:
0,5% bis 2,0% C; 5,0% bis 16% Mo; 0,2% bis 1,0% P; 0,1% bis 1,4% Mn; 0% bis 5% Cr; 0% bis 5% S; 0% bis 7% W; 0% bis 3% V < 2% andere Elemente;
Rest Fe.

2. Preß-Sinter-Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Dichte von wenigstens 7,5 g/cm³ aufweist.

3. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Metallpulver hergestellt ist, das zumindest teilweise fertiglegiert ein­ gesetzt wurde.

4. Formteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus­ gangspulver fertiglegiertes PMoFe-Pulver enthält.

5. Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ausgangspulver in atomisiertem Zustand eingesetzt wurde.

6. Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung nach Gewicht:
0,5% bis 2,0% C; 5,0% bis 14% Mo; 0,2% bis 1,0% P; 0,1% bis 1,2% Mn
max. 0,5% Cr
max. 0,4% S
< 2% andere Elemente
Rest Fe.

7. Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Formteil ein Ventil, ein Ventilkörper oder ein Ventilschaft ist.

8. Formteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Ventilkörper mit konventionell oder pulvermetallurgisch hergestelltem und an­ gefügtem Schaft ist.

9. Formteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Ventil­ körper und Ventilschaft formschlüssig gefügt sind.

10. Formteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft in den Ventilkörper eingepaßt ist.

11. Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Dichte von wenigstens 7,7 g/cm³.

12. Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es durch Flüssigphasensintern verdichtet ist.