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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine austenitische auf Eisen basierende Legierung und die Verwendung einer austenitischen auf Eisen basierenden Legierung als ein Auftrags- bzw. Beschichtungsmaterial für ein Metallsubstrat eines Verbrennungsmotors.
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Hintergrund der Erfindung
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Sich hin und her bewegende Motorventile, oder Sitzventile, zur Verwendung in Verbrennungsmotoren sind bekannt. Sitzventile werden sowohl als Einlass- als auch als Auslassventile verwendet. Derartige Ventile können eine aufgetragene Ventilstirnfläche umfassen, die konstruiert ist, um an einem Ventilsitz anzuliegen bzw. anzustoßen. Die aufgetragene Ventilstirnfläche kann Eigenschaften besitzen, die Verschleißbeständigkeit, Hitzebeständigkeit und Thermoschockfestigkeit bzw. Temperaturwechselbeständigkeit über einen breiten Temperaturbereich, der von Raumtemperatur (z. B. ungefähr 75°F) bis zu erhöhten Temperaturen (z. B. 600°C) reicht, umfassen.
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U.S. Patent Nr. 6,248,292 offenbart eine Legierung, die auf eine Ventilstirnfläche aufgetragen ist. Die Legierung umfasst gewichtsmäßig 20–60% Mo, 0,2–3% C, 5–40% Ni, 15–40% Co, 1–10% Cr und den Restbetrag Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
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U.S. Patent Nr. 6,702,905 offenbart eine auf Eisen basierende Legierung, die verwendet werden kann, um einen Ventilsitz zu bilden. Die auf Eisen basierende Legierung weist gewichtsmäßig Folgendes auf: ungefähr 0,005% bis 0,5% Bor, ungefähr 1,2 bis 1,8% Kohlenstoff, ungefähr 0,7% bis 1,5% Vanadium, ungefähr 7 bis 11% Chrom, ungefähr 1% bis ungefähr 3,5% Niob, ungefähr 6% bis 11% Molybdän und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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DE 197 33 306 offenbart eine auf Eisen basierende Legierung, die für thermische Beschichtung der Komponenten verwendet wird, die Reibung ausgesetzt sind. Die Legierung umfasst gewichtsmäßig 15% bis 40% Mangan, 0,1% bis 30% Chrom, 0,1% bis 8% Silizium, 0,1% bis 6% Silizium, 0,1% bis 6% Nickel, weniger als 0,1% Aluminium, weniger als 0,2% Kohlenstoff, weniger als 7% Bor, weniger als 0,05% Schwefel, weniger als 0,05% Phosphor, weniger als 5% Molybdän, weniger als 6% Niob, weniger als 6% Vanadium, weniger als 12% Wolfram und den Restbetrag Eisen.
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Weiterhin seien folgende Druckschriften erwähnt:
DE 1 553 841 befasst sich mit Messerklingen aus korrosionsbeständigen austenitischen Edelstahllegierungen.
US 2006/0163217 A1 bezieht sich auf verschleißbeständige Beschichtungen für Raupenhülsen.
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Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine warmfeste, verschleißbeständige Legierung zu schaffen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Legierung nach Anspruch 1 und eine Auftragsschweißlegierung nach Anspruch 7, sowie durch ein Verfahren zur Hartbeschichtung nach Anspruch 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen offenbart.
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Eine austenitische auf Eisen basierende Legierung wird offenbart, die gewichtsmäßig Folgendes aufweist: ungefähr 0,25% bis ungefähr 0,9% Kohlenstoff, ungefähr 1,5% bis ungefähr 3,5% Bor, ungefähr 1% bis ungefähr 2% Silizium, mindestens ungefähr 20% Chrom, eine Menge von Mangan, die ausreicht um die auf Eisen basierende Legierung mit einer austenitischen Struktur zu versehen und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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Die austenitische auf Eisen basierende Legierung kann als eine Aufpanzerung bzw. Hartbeschichtung für ein Metallsubstrat verwendet werden. Die Hartbeschichtung kann auf das Metallsubstrat durch einen Auftragschweißprozess aufgetragen werden. Die Hartbeschichtung kann die Verschleißbeständigkeit und Hitzebeständigkeit des Metallsubstrates erhöhen.
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Das Metallsubstrat kann beispielsweise ein Ventil für einen Verbrennungsmotor aufweisen. Die austenitische auf Eisen basierende Legierung kann als eine Hartbeschichtung auf der Ventilsitzfläche des Ventils vorgesehen sein. Die austenitische auf Eisen basierende Legierung, die auf die Ventilsitzfläche aufgetragen wird, kann die Warmhärte, die Verschleißbeständigkeit wesentlich verbessern und die Betriebsdauer des Ventils verlängern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorangegangenen und andere Merkmale der Erfindung werden dem Fachmann des Gebietes bei Berücksichtigung der folgenden Beschreibung der Erfindung und der begleitenden Zeichnungen offensichtlich werden, in denen zeigt:
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1 eine Darstellung einer schematischen Schnittansicht einer Ventilanordnung für einen Verbrennungsmotor gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Schnittansicht eines Ventilkopfes eines Ventils der 1; und
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3 eine Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens der Bildung einer Hartbeschichtung an einem Ventil gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Darstellung von mikroskopischen Aufnahmen der Kristallstruktur einer auf Eisen basierenden Legierung im Gusszustand und nachdem sie 100 Stunden lang 600°C ausgesetzt wurde;
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5 eine Darstellung von mikroskopischen Aufnahmen der Kristallstruktur einer auf Eisen basierenden Legierung im Gusszustand und nachdem sie 1000 Stunden lang 600°C ausgesetzt wurde.
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Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine austenitische auf Eisen basierende Legierung. Mit austenitisch ist gemeint, dass die auf Eisen basierende Legierung bei Raumtemperatur (z. B. ungefähr 75°F) eine austenitische Struktur aufweist. Die austenitische Struktur weist eine feste Lösung von einem oder mehr Elementen in einem kubisch-flächenzentrierten Eisen (d. h. Gammaeisen) auf.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die austenitische auf Eisen basierende Legierung gewichtsmäßig Folgendes aufweisen: ungefähr 0,25% bis ungefähr 0,9% Kohlenstoff, ungefähr 1,5% bis ungefähr 3,5% Bor, ungefähr 1% bis ungefähr 2% Silizium, zumindest 20% Chrom, eine Menge an Mangan die wirksam ist, um die auf Eisen basierende Legierung mit einer austenitischen Struktur zu versehen und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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Der Kohlenstoff ist ein Austenitbildner und kann mit Metallen (z. B. Fe) in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung in einer festen Lösung (solid solution) verbunden werden. Der Kohlenstoff kann ebenfalls die Härte, die Zugfestigkeit und die Streckgrenze ebenso wie die Verschleißbeständigkeit der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung erhöhen. Der Minimumkohlenstoffgehalt der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung, der notwendig ist, um sowohl die Stabilität der austenitischen Struktur zu gewähren als auch die Härte, die Stärke und die Verschleißfähigkeit der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung zu verbessern, ist mindestens ungefähr 0,25 Gewichts-% Kohlenstoff. Während der Gewichtsprozentsatz des Kohlenstoffs in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung zunimmt, kann die austenitische auf Eisen basierende Legierung potentiell anfälliger für Versprödung werden und kann mit einer extrem hohen Härte versehen werden. Der Kohlenstoff kann in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung bis zu ungefähr 0,9 Gewichts-% vorgesehen sein, um die Anfälligkeit für Versprödung und extreme Härte der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung abzuschwächen.
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Bor, das eine sehr niedrige Löslichkeit in Eisen besitzt, kann verwendet werden, um ein hohes Niveau an Warmhärte zu erreichen. Man glaubt, dass geringe Mengen von Bor potentiell die Stärke und Kornfeinung der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung durch Bildung von Metallboriden verbessert, die stabiler als Metallkarbide sind. Ein Übermaß an Bor kann jedoch die Zähigkeit der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung vermindern. Die Menge an Bor, die notwendig ist, um die Warmhärte und Stärke der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung zu verbessern, kann mindestens ungefähr 1,5 Gewichts-% sein. Das Bor kann in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung bis zu ungefähr 3,5 Gewichts-% vorgesehen sein, ohne dass die Zähigkeit der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung wesentlich herabgesetzt wird.
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Das Silizium kann eine Erhöhung der Stärke und der Oxidationsbeständigkeit der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung erzeugen. Das Silizium kann in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung in einer Menge von mindestens ungefähr 1 Gewichts-% vorhanden sein. Der Siliziumgehalt sollte ungefähr 2 Gewichts-% nicht überschreiten, da Silizium bei Mengen über ungefähr 2 Gewichts-% die Stärke und Zähigkeit der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung potentiell herabsetzen kann.
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Chrom verleiht der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung eine erwünschte Kombination von Korrosionsbeständigkeit, Härtbarkeit, Verschleißbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Chrom kann in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung in einer Menge von mindestens ungefähr 20 Gewichts-% enthalten sein. Beispielsweise kann die auf Eisen basierende Legierung gewichtsmäßig ungefähr 20% bis ungefähr 35% Chrom enthalten.
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Das Mangan ist ein Austenitbildner und in Kombination mit Kohlenstoff und anderen potentiell enthaltenen Austenit bildenden Legierungselementen (d. h. Austenitbildnern) versieht es die austenitische auf Eisen basierende Legierung der vorliegenden Erfindung mit seiner austenitischen Struktur. Das Mangan kann ebenfalls die Stärke und die Ziehbarkeit bzw. Duktilität der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung erhöhen. Mangan ist in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung in einer Menge vorhanden, die wirksam ist, um die austenitische auf Eisen basierende Legierung mit einer austenitischen Struktur zu versehen. Diese Menge kann variieren, und zwar abhängig von der Menge anderer Austenitbildner, die in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung enthalten sind. Wo nur zufällige Mengen (z. B. weniger als ungefähr 0,25 Gewichts-%) anderer Austenitbildner, wie zum Beispiel Nickel, Kobalt und Kupfer, in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung vorhanden sind, ist beispielsweise die Menge an Mangan, die erforderlich ist, um die austenitische auf Eisen basierende Legierung mit ihrer austenitischen Struktur zu versehen, mindestens ungefähr 18 Gewichts-% der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wo nur zufällige Mengen anderer Austenitbildner enthalten sind, kann die austenitische auf Eisen basierende Legierung gewichtsmäßig ungefähr 18% bis ungefähr 30% Mangan enthalten, um die austenitische auf Eisen basierende Legierung mit seiner austenitischen Struktur zu versehen.
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Die austenitische auf Eisen basierende Legierung kann weniger als ungefähr 18% Mangan umfassen, so lange andere Austenitbildner, wie beispielsweise Nickel, Kobalt und Kupfer, Mangan ersetzen. Austenitbildner, wie zum Beispiel Nickel, Kobalt und Kupfer, sind typischerweise teurer als Mangan und erhöhen, wenn sie in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung verwendet werden, wesentlich die Kosten der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung. Es ist daher wünschenswert, die Mengen dieser Austenitbildner in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung zu minimieren.
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In einem Aspekt der Erfindung kann die auf Eisen basierende Legierung gewichtsmäßig weniger als ungefähr 5% dieser anderen Austenitbildner (z. B. Nickel, Kobalt und Kupfer) umfassen. In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die austenitische auf Eisen basierende Legierung im Wesentlichen frei von Nickel, Kobalt und Kupfer. Mit im Wesentlichen frei ist in diesem Aspekt gemeint, dass die austenitische auf Eisen basierende Legierung kein Nickel, Kobalt und Kupfer enthält, außer kleinen Mengen, die in der auf Eisen basierenden Legierung in Form von Verunreinigungen enthalten sein können, und die die austenitische Struktur der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung materiell nicht beeinträchtigen.
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Der Restbetrag der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung kann aus Eisen, zufälligen Verunreinigungen und Verdünnungsmitteln bestehen. Die zufälligen Verunreinigungen können Spurenmengen (z. B. bis zu je 0,4%) von Schwefel, Stickstoff, Phosphor und/oder Sauerstoff enthalten. Die zufälligen Verunreinigungen können ebenfalls Karbid bildende Legierungselemente, wie zum Beispiel Molybdän, Titan, Vanadium und Wolfram und andere Austenitbildner, wie zum Beispiel Nickel, Kobalt und Kupfer, enthalten. Diese Elemente können in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung in einer Menge vorhanden sein, die wirksam ist, um die Verschleißfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung zu verbessern, ohne die Stabilität der austenitischen Struktur ungünstig zu beeinflussen. Die zufälligen Verunreinigungen können noch weitere Elemente, wie zum Beispiel Calcium, Blei, Niob, Aluminium und Zinn umfassen, und zwar in Mengen (z. B. weniger als ungefähr 0,4 Gewichts-%), die die Korrosions-, Verschleiß-, Härte- und die austenitischen Eigenschaften der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung nicht nachteilig beeinflussen. Die Verdünnungsmittel können Spurenmengen von Elementen enthalten, die von einer Basislegierung zu der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung diffundieren, wenn die austenitischen auf Eisen basierende Legierung als eine Hartbeschichtung für die Basislegierung verwendet wird.
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Ein Beispiel einer speziellen austenitischen auf Eisen basierenden Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst gewichtsmäßig ungefähr 0,25% bis ungefähr 0,9% Kohlenstoff, ungefähr 1,5% bis ungefähr 3,5% Bor, ungefähr 1% bis ungefähr 2% Silizium, mindestens ungefähr 18% Mangan, mindestens ungefähr 20% Chrom und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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Ein weiteres Beispiel einer speziellen austenitischen auf Eisen basierenden Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst gewichtsmäßig ungefähr 0,25% bis ungefähr 0,9% Kohlenstoff, ungefähr 1,5% bis ungefähr 3,5% Bor, ungefähr 1% bis ungefähr 2% Silizium, ungefähr 18% bis ungefähr 30% Mangan, ungefähr 20% bis ungefähr 35% Chrom und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen enthält.
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Noch ein weiteres Beispiel einer speziellen austenitischen auf Eisen basierenden Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung kann im Wesentlichen gewichtsmäßig bestehen aus ungefähr 0,25% bis ungefähr 0,9% Kohlenstoff, ungefähr 1,5% bis ungefähr 3,5% Bor, ungefähr 1% bis ungefähr 2% Silizium, ungefähr 18% bis ungefähr 30% Mangan, ungefähr 20% bis ungefähr 35% Chrom und den Restbestand, der Eisen und zufällige Verunreinigungen enthält.
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Die austenitische auf Eisen basierende Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist widerstandsfähig gegenüber Verschleiß und Korrosion und behält ihre austenitische Kristallstruktur bei Temperaturen bei, die von ungefähr 400°C bis ungefähr 900°C reichen. Darüber hinaus besitzt die austenitische auf Eisen basierende Legierung eine Warmhärte und einen Hochtemperaturermüdungswiderstand, der zulässt, dass sie in Hartbeschichtungsanwendungen, wie zum Beispiel einer Hartbeschichtung für ein Metallsubstrat einer Verbrennungsmotorkomponente, verwendet wird. Wenn sie als eine Hartbeschichtung für ein Metallsubstrat verwendet wird, kann die austenitische auf Eisen basierende Legierung die Warmhärte ebenso wie den Widerstand des Metallsubstrats gegenüber Verschleiß, Korrosion und Wärme wesentlich erhöhen.
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In einem Aspekt der Erfindung kann das Metallsubstrat ein Motorventil für eine Ventilanordnung eines Verbrennungsmotors aufweisen. 1 stellt eine beispielhafte Motorventilanordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Das Motorventil 12 weist einen stabförmigen Ventilschaft 20 auf, der eine Ventilspitze 22 und einen Ventilkopf 24 miteinander verbindet. Der Ventilschaft 20 kann einstückig mit dem Ventilkopf 24 und der Ventilspitze 22 gebildet sein. Der Ventilschaft 20 umfasst ebenfalls eine ringförmige Nut 30 benachbart zu der Ventilspitze 22.
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Das Ventil 12 kann aus einem oder mehr Basismetallen gebildet werden. Die Metalle können ausgewählt werden, je nach dem, ob das Ventil 12 ein Einlass- oder ein Auslassventil ist. Im Allgemeinen kann ein rostfreier Stahl verwendet werden, um ein Auslassventil zu bilden, während ein kohlenstoffhaltiger bzw. Karbonstahl verwendet werden kann, um ein Einlassventil zu bilden.
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Ein Beispiel eines rostfreien Stahls, der verwendet werden kann, um ein Auslassventil zu bilden ist rostfreier Stahl AISI Nr. 21-2 PH. Ein Beispiel eines Karbonstahls, der das Einlassventil bilden kann, ist Karbonstahl AISI Nr. 1541.
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Andere Metalle, die in der Technik für Ventilbildung bekannt sind, können verwendet werden um das Ventil oder zumindest einen Teil des Ventils 12 der vorliegenden Erfindung zu bilden. Zum Beispiel kann AISI Nr. 4140 Stahl verwendet werden, um die Ventilspitze 22 gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden.
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Das Ventil 12 kann in einer Ventilführung 30 eines Motorblocks 32 positioniert sein. Der Ventilschaft 20 erstreckt sich durch die Ventilführung 30 und ist betätigbar, um sich relativ zu der Ventilführung 30 hin und her zu bewegen. Eine Ventilfeder 34 erstreckt sich um den Ventilschaft 20 herum. Die Ventilfeder 34 steht mit einer Federrückhaltevorrichtung 36 in Eingriff, die in der Nut 30 befestigt ist. Die Federrückhaltevorrichtung 36 überträgt den Druck von der Feder 34 auf den Ventilkopf 24, um das Ventil 12 zu einer geschlossenen Position gegen einen Ventilsitz 40 zu drücken.
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Ein Ventilstößel 50 steht in Eingriff mit der Ventilspitze 22. Eine Verschiebung des Ventilstößels 50 bewirkt, dass der Ventilkopf 24 von dem Ventilsitz 40 innerhalb des Motorzylinders zu einer offenen Position verschoben wird. Der Druck von der Feder 34 kann den Ventilkopf 24 zwingen wieder aufzusetzen.
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Ebenfalls mit Bezug auf 2 besitzt der Ventilkopf 24 allgemein eine Scheibenform und umfasst eine ringförmige Außenoberfläche 60. Die ringförmige Außenoberfläche 60 ist abgeschrägt, um eine ringförmige Ventilstirnfläche 62 zu bilden, die während der Bewegung des Ventils 12 in Eingriff mit dem Ventilsitz 40 steht.
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Die Ventilstirnfläche 62 umfasst eine Hartbeschichtung, die an das Basismetall der Ventilstirnfläche 62 fusionsgebondet ist. Die Hartbeschichtung wird durch Auftragen der austenitischen auf Eisen basierende Legierung der Vorliegenden Erfindung auf das Basismetall der Ventilstirnfläche 62 gebildet. Eine Hartbeschichtung, die aus der austenitischen auf Eisen basierende Legierung der vorliegenden Erfindung gebildet ist, besitzt eine höhere Warmhärte, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit als das Basismetall des Ventils 12 und kann die maximale Warmhärte, den maximalen Korrosionswiderstand, den maximalen Verschleißwiderstand und die Betriebsdauer des Ventils 12 wesentlich verbessern.
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Die austenitische auf Eisen basierende Legierung kann auf das Basismetall der Ventilstirnfläche 62 aufgebracht werden unter Verwendung eines Auftragschweißprozesses, um eine Hartauftragschweißung zu bilden. Beispiele für Auftragschweißprozesse, die verwendet werden können, um die austenitische auf Eisen basierende Legierung aufzutragen, umfassen SMAW-Schweißen (SMAW = Shielded Metal Arc Welding), Schweißen mit offenem Lichtbogen bzw. Open-Arc-Schweißen, Metallschutzgasschweißen, Wolfram-Inertgasschweißen, PTA-Schweißen (PTA = Plasma-Transferred-Arc), autogenes Schweißen und Laserschweißen.
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3 ist ein schematisches Flussdiagramm, das ein Verfahren 100 zur Bildung einer Hartbeschichtung auf eine Ventilstirnfläche eines Motorventils unter Verwendung eines Auftragschweißprozesses darstellt. In dem Verfahren ist bei 110 ein Motorventil vorgesehen. Das Motorventil kann beispielsweise durch Warmschmieden oder Kaltverformung eines Metalls, wie zum Beispiel eines rostfreien Stahls, eines Karbonstahls oder eines Stahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, in die Form eines Motorventils, wie zum Beispiel des Motorventils, das mit Bezug auf 1 gezeigt und beschrieben wurde, geformt werden.
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Bei 120 ist eine austenitische auf Eisen basierende Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen. In einem Aspekt der Erfindung kann die austenitische auf Eisen basierende Legierung gewichtsmäßig Folgendes umfassen: ungefähr 0,25% bis ungefähr 0,9% Kohlenstoff, ungefähr 1,5% bis ungefähr 3,5% Bor, ungefähr 1% bis ungefähr 2% Silizium, mindestens ungefähr 20% Chrom, eine Menge an Mangan, die wirksam ist, um die auf Eisen basierende Legierung mit einer austenitischen Struktur zu versehen, und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die austenitische auf Eisen basierende Legierung gewichtsmäßig Folgendes umfassen: ungefähr 0,25% bis ungefähr 0,9% Kohlenstoff, ungefähr 1,5% bis ungefähr 3,5% Bor, ungefähr 1% bis ungefähr 2% Silizium, mindestens ungefähr 18% Mangan, mindestens ungefähr 20% Chrom und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die austenitische auf Eisen basierende Legierung gewichtsmäßig ungefähr Folgendes umfassen: ungefähr 0,25% bis ungefähr 0,9% Kohlenstoff, ungefähr 1,5% bis ungefähr 3,5% Bor, ungefähr 1% bis ungefähr 2% Silizium, mindestens ungefähr 18% bis ungefähr 30% Mangan, mindestens ungefähr 20% bis ungefähr 35% Chrom und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die austenitische auf Eisen basierende Legierung gewichtsmäßig im Wesentlichen aus dem Folgenden bestehen: ungefähr 0,25% bis ungefähr 0,9% Kohlenstoff, ungefähr 1,5% bis ungefähr 3,5% Bor, ungefähr 1% bis ungefähr 2% Silizium, ungefähr 18% bis ungefähr 30% Mangan, ungefähr 20% bis ungefähr 35% Chrom und dem Rest, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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Die austenitische auf Eisen basierende Legierung kann in verschiedenen Formen, wie zum Beispiel als eine Gussstange, als Draht oder als ein Pulver vorgesehen sein. Die spezifische Form, in der die auf Eisen basierende Legierung vorgesehen wird, wird von dem spezifischen Schweißprozess abhängen, der verwendet wird, um die austenitische auf Eisen basierende Legierung auf der Ventilstirnfläche aufzutragen. Wo beispielsweise Plasmalichtbogenschweißen verwendet wird, um die austenitische auf Eisen basierende Legierung anzubringen, kann die austenitische auf Eisen basierende Legierung in Form von Pulver vorgesehen sein. Im Gegensatz dazu kann, wo SMAW-Schweißen verwendet wird, um die austenitische auf Eisen basierende Legierung auf die Ventilstirnfläche aufzutragen, die austenitische auf Eisen basierende Legierung in Form einer Gussstange oder eines Drahtes vorgesehen sein.
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Bei 130 kann die vorgesehene austenitische auf Eisen basierende Legierung auf die Ventilstirnfläche durch Verwendung eines konventionellen Schweißprozesses, wie zum Beispiel Lichtbogenschweißen (z. B. Plasma-Pulver bzw. PTA, SMAW und Wolfram-Inert-Gas), autogenes Schweißen und Laserschweißen aufgetragen werden. Beispielweise kann ein Pulver der austenitischen auf Eisen basierende Legierung auf die Ventilstirnfläche plasmageschweißt werden unter Verwendung eines inerten Schutzgases (z. B. Ar) oder einer Mischung aus inerten Schutzgasen (z. B. Ar und N).
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Die austenitische auf Eisen basierende Legierung, die auf die Ventilstirnfläche durch Schweißen aufgetragen wird, kann mit dem Basismetall verschmelzen, das die Ventilstirnfläche bildet. Als eine Folge der Verschmelzung und des speziellen Schweißprozesses wird die Zusammensetzung der verschmolzenen austenitischen auf Eisen basierende Legierung, die die Hartauftragsschweißung bildet, leicht unterschiedlich sein zu der Zusammensetzung der austenitischen auf Eisen basierende Legierung vor dem Schweißen. Wenn beispielsweise ein Stickstoffschutzgas während des Schweißens verwendet wird, kann der Gewichtsprozentsatz des Stickstoffes in der Hartauftragsschweißung potentiell größer sein als der Gewichtsprozentsatz des Stickstoffs in der vorgesehenen austenitischen auf Eisen basierende Legierung. Ferner können zumindest einige der Elemente in dem Basismetall potentiell in die Hartauftragschweißlegierung diffundieren, um die Zusammensetzung der Schweißauflage leicht zu modifizieren. Zumindest Teile der Zusammensetzung der austenitischen auf Eisen basierende Legierung werden daher von den speziellen Prozessen abhängig sein, die verwendet werden, um die Legierung und die spezielle Zusammensetzung der Schweißung anzubringen.
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Optional kann nachfolgend auf das Schweißen der austenitischen auf Eisen basierende Legierung auf das Ventil die so gebildete Hartauftragschweißung zusätzlichen Prozessen unterworfen werden, um die Endoberflächen und die mechanischen Eigenschaften der Hartbeschichtung zu modifizieren. Zum Beispiel kann die Hartbeschichtung maschinell bzw. spanend bearbeitet oder abgeschliffen werden, um die Endoberfläche der Hartbeschichtung zu verbessern. Überdies kann die Hartbeschichtung zum Spannungsabbau angelassen bzw. getempert werden, um die mechanischen Eigenschaften (z. B. Festigkeit und Härte) der Hartbeschichtung zu verbessern. Zusätzlich kann die Hartbeschichtung nitriert werden, um die Härte der Hartbeschichtung zu modifizieren. Es wird erkannt werden, dass noch andere Prozesse verwendet werden können, um weiterhin auf die Eigenschaften der Hartbeschichtung einzuwirken.
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Das folgende Beispiel ist eingeschlossen, um verschiedene Aspekte der Erfindung darzustellen. Fachleute sollten im Hinblick auf die vorliegende Offenbarung erkennen, das viele Veränderungen in den spezifischen Aspekten, die offenbart sind, gemacht werden können, und dennoch ein gleiches oder ähnliches Ergebnis erreicht wird, ohne von dem Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
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BEISPIELE
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Proben einer austenitischen auf Eisen basierenden Legierung sind vorgesehen, die im Wesentlichen gewichtsmäßig aus Folgendem bestehen: ungefähr 0,5% Kohlenstoff, ungefähr 1,5% bis ungefähr 3,5% Bor, ungefähr 1% bis ungefähr 2% Silizium, ungefähr 18% bis ungefähr 30% Mangan, ungefähr 20% bis ungefähr 35% Chrom und dem Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst. Die Proben umfassen ebenfalls 0,2% Stickstoff, um Stickstoffverdünnung von einem Basismetall während eines Schweißprozesses zu simulieren.
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Die Vickershärte (HV10) von jeder Probe (Beispiele 1–15) im Gusszustand wurde gemäß ASTM E18 und DIN 50133 gemessen. Die Härte (HV10) von jeder Probe wurde dann nach Alterung oder Wärmebehandlung der Proben bei 600°C für verschiedene Zeitdauern gemessen. Mikroskopische Aufnahmen der Kristallstruktur der Proben der Legierung im Gusszustand und nach Alterung bei 600°C für verschiedene Zeitdauern wurden ebenfalls erhalten. Die 600°C simuliert die maximal erwartete Temperatur einer Ventilsitzfläche während der Wartung. Die Härtemessung im Gusszustand und die Härtemessung gealtert oder wärmebehandelt für jede Probe zu den verschiedenen Einwirkungszeiten wurden in der folgenden Tabelle verglichen. TABELLE VICKERSHÄRTE
Beispiel | Härte der Legierung im Gusszustand | Einwirkungsstunden von 600°C | Härte nach der Einwirkung von 600°C |
1 | 447 | 8 | 459 |
2 | 444 | 24 | 450 |
3 | 450 | 48 | 450 |
4 | 450 | 72 | 446 |
5 | 436 | 96 | 442 |
6 | 445 | 168 | 451 |
7 | 500 | 192 | 497 |
8 | 504 | 336 | 504 |
9 | 501 | 408 | 516 |
10 | 513 | 504 | 509 |
11 | 492 | 600 | 512 |
12 | 516 | 696 | 505 |
13 | 500 | 792 | 505 |
14 | 505 | 936 | 519 |
15 | 498 | 1008 | 523 |
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Die Tabelle zeigt, dass Alterung der Proben bei 600°C für unterschiedliche Zeitdauern nicht die Härte der Proben ungünstig beeinflusst und dass die Härte der Legierung über die 1000 Stunden Grenze hinaus stabil bleibt. Tatsächlich hatten die Proben, die über längere Zeitdauern hinweg gealtert wurden (Beispiel 14), im Wesentlichen die gleiche Differenz in der Härte (im Gusszustand zur Härte nach der Einwirkung) wie Proben, die über eine kürzere Zeitdauer (Beispiel 1) gealtert wurden. Dieses Verhalten ist für eine Legierung mit relativ niedrigem Kohlenstoffgehalt (z. B. 0,5%) einzigartig. Zusätzlich ist das Härteniveau, das durch die Einwirkung von 600°C erreicht wird, bemerkenswert, verglichen mit der Härte von auf Kobalt basierenden Stellit-Legierungen. Auf Kobalt basierende Stellit-Legierungen besitzen eine Härte im Bereich von 420 HV bis 480 HV und benötigen einen viel höheren Kohlenstoffgehalt, um ihre Härte beizubehalten.
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4 und 5 zeigen mikroskopische Aufnahmen der Kristallstruktur einer ersten Probe und einer zweiten Probe einer auf Eisen basierenden Legierung im Gusszustand und nach Wärmebehandlung bei 600°C für jeweils 100 Stunden und 1000 Stunden. Der Vergleich mikroskopischer Aufnahmen im Gusszustand und nach der Einwirkung jeder Probe zeigt, dass die Mikrostruktur der auf Eisen basierenden Legierung nicht nach 100 Stunden und nach 1000 Stunden zerfällt. Das Fehlen des Zerfalls der auf Eisen basierenden Legierung nach der Alterung über 1000 Stunden qualifiziert diese Legierung sowohl für Anwendungen mit geringer Beanspruchung als auch für Anwendungen mit hoher Beanspruchung. Typische Motortestdauern betragen 300–500 Stunden für ein Automobil und 1000 Stunden für einen Schwerlastwagen.
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Aus der obigen Beschreibung der Erfindung werden Fachleute Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen entnehmen. Solche Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Fachkönnens sollen durch die angehängten Ansprüche abgedeckt werden.