DE102009016833B3

DE102009016833B3 - Bimetallventil

Info

Publication number: DE102009016833B3
Application number: DE102009016833A
Authority: DE
Inventors: Holger Dr.-Ing. Fellmann
Original assignee: Maerkisches Werk GmbH
Current assignee: Maerkisches Werk GmbH
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2029-04-10
Also published as: EP2262981B1; EP2262981A1; ATE533927T1; WO2010115540A1; DK2262981T3; SG175141A1

Abstract

Bei einem Bimetallventil für einen Verbrennungsmotor mit einem Ventilkörper (3) aus einer Eisen-Basislegierung und einem Hüllkörper (4) im Bereich des Ventiltellers (1) aus einer Kobalt- oder Nickel-Basislegierung liegt die Wärmedehnung des Ventilkörpers deutlich über jener des Hüllkörpers (4). Dabei beträgt die Differenz der Wärmedehnungen α(20°-T) von Ventilkörper (3) und Hüllkörper (4) mindestens 2µm/mK entsprechend der Formel (αVK - αHK) > 2. Ventilkörper (3) und Hüllkörper (4) sind durch Schweißen miteinander verbunden und im Hüllkörper (4) herrscht bei Umgebungstemperatur eine Druckeigenspannung vor, welche dadurch erzeugt ist, dass Ventilkörper (3) und Hüllkörper (4) nach dem Schweißen über die Streckgrenze des Hüllkörpers (4) unter plastischer Verformung desselben erhitzt und nachfolgend abgekühlt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bimetallventil für einen Verbrennungsmotor mit einem Ventilkörper aus einer Eisen-Basislegierung und einem Hüllkörper im Bereich des Ventiltellers aus einer Kobalt- oder Nickel-Basislegierung, wobei die Wärmedehnung des Ventilkörpers deutlich über jener des Hüllkörpers liegt; sie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bimetallventils.
Ein vergleichbarer älterer Vorschlag ( DE 10 2008 018 875 A1 ) betrifft ein Auslassventil aus einem Grundkörper und einem Hüllkörper, welche aus Nickelbasislegierungen mit unterschiedlicher Beständigkeit gegen Heißgaskorrosion bestehen.
Bei einem aus EP 0901565 B1 bekannten Bimetallventil besteht der Ventilkörper aus einer Eisen-Basislegierung; dessen Sitzbereich besteht aus einer Nickel-Basislegierung. Bei der Herstellung des bekannten Bimetallventils ist eine thermomechanische Behandlung unterhalb der Rekristallisationstemperatur wesentlich; sie zielt darauf ab, in der den Sitzbereich bildenden Nickel-Basislegierung die Streckgrenze auf über 1000 MPa anzuheben. Dadurch soll die Korrosionsbeständigkeit des Bimetallventils, insbesondere seine Widerstandsfähigkeit gegen plastische Verformung und Abnutzung im Sitzbereich verbessert werden. Die Ausbildung von Vertiefungen im Sitzmaterial und dessen Abbrennen sollen dadurch vermieden werden.
Ein anderes bekanntes Bimetallventil ( DE 10 2007 047 159 A1 ) besitzt einen Ventilkopf aus einer korrosionsbeständigen Stahllegierung mit einem Gewicht sparenden Al-Anteil von 8–23 Gew.-%.
Ferner ist ein Tellerventil für Verbrennungsmotoren bekannt ( DE 28 56 232 ) mit einer Hartstoffauflage im Sitzbereich und einem aufgespritzten Schutzmantel, welcher wenigstens im Bereich des Ventilkopfs aus einer Grundschicht aus Reinstmetallen und einer Deckschicht aus keramischen Stoffen besteht, wobei die Hartstoffauflage zwischen Grundschicht und Deckschicht eingebettet ist.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Dauerfestigkeit deutlich über jener des bekannten Bimetallventils liegt und bei welchem sich der Verbundkörper aus Ventilkörper und Hüllkörper durch eine besonders hohe Korrosionsbeständigkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß an einem Bimetallventil der eingangs genannten Art gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1 gelöst.
Dadurch, dass nach Anspruch 1 die Differenz der Wärmedehnungen von Ventilkörper und Hüllkörper einen Mindestwert von 2 μm/mK übersteigt, wird sichergestellt, dass beim Erhitzen des Bimetallventils die Streckgrenze des Hüllkörpers, der die geringere Wärmedehnung aufweist, überschritten wird, wodurch mit dem nachfolgenden Abkühlen auf Umgebungstemperatur eine Druckeigenspannung im Hüllkörper erzeugt wird. Diese Druckeigenspannung ist die Voraussetzung dafür, dass unter Betriebsbedingungen das Ventil im Dauerfestigkeitsbereich zwischen einerseits der Streckgrenze zum oberen Temperaturbereich hin und andererseits der Stauchgrenze zum unteren Temperaturbereich hin belastet wird. Dadurch, dass der Hüllkörper in einem Temperaturbereich etwa zwischen 100 und 300°C unter Druckeigenspannung steht, wird unter höheren Betriebstemperaturen das Ventil unter Zugeigenspannungen nur im Dauerfestigkeitsbereich unterhalb der Streckgrenze belastet.
Die hierbei im Hüllkörper bei Belastungsbeginn vorherrschende Druckeigenspannung wird also erst mit zunehmender Temperatur abgebaut, bevor dann die Zugeigenspannungsphase beginnt. Das erfindungsgemäße Bimetallventil zeichnet sich daher durch eine deutlich gesteigerte Standfestigkeit aus.
Im einfachsten Fall kann der Hüllkörper im wesentlichen als Umfangsring ausgebildet sein, d. h. einen Umfangsring mit Sitzbereich umfassen. Auch bei dieser Ausführung ergibt sich eine Belastung des Umfangsrings im Sinne der vorliegenden Erfindung, d. h. im unteren Temperaturbereich zwischen 100 und 300°C herrscht im Umfangsring Druckeigenspannung vor. Allerdings weiß der Fachmann, dass im Falle einer Reduzierung des Hüllkörpers auf einen Umfangsring keine so weitgehend korrosionssichere Lösung für ein Bimetallventil geschaffen werden kann wie dies auf einen Hüllkörper zutrifft, der den Ventilteller derart einhüllt, dass er diesen im Bereich des Ventilbodens, des Ventilumfangs und des Ventilsitzes umfasst.
Bezüglich der stofflichen Zusammensetzung der Eisen-Basislegierung, der Nickel-Basislegierung und der Kobalt-Basislegierung wird auf die Unteransprüche verwiesen. Die dort beschriebenen Werkstoffe sind unter den genannten Bezeichnungen auf dem Markt erhältlich; es kommen aber auch andere vergleichbare Werkstoffe für den Hüllkörper in Frage, welche eine Bruchdehnung (A5) und eine Brucheinschnürung (Z) von jeweils wenigstens 35% aufweisen.
Um Rissbildung vorzubeugen, ist es ratsam, den Hüllkörper nicht zu überdimensionieren. Im Bereich des Ventilbodens kommen zweckmäßigerweise für die Stärke des Hüllkörpers Werte bis zu 12 mm in Frage, in den übrigen Bereichen des Hüllkörpers Stärken von weniger als 5 mm.
Bei einer Ausführungsform eines Hüllkörpers aus einer Nickel-Basislegierung mit einem Sitzbereich aus einer Kobalt-Basislegierung ist vorteilhafterweise anzustreben, dass auch der Sitzbereich nicht nur der Umfangsbereich unter Druckeigenspannung im Sinne der Lehre der vorliegenden Erfindung steht.
Die Erzeugung der Druckeigenspannung ist sowohl in qualitativer als auch in quantitativer Hinsicht das Ergebnis des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens. Dabei wird ein Verbundkörper aus Ventilkörper und Hüllkörper auf über 450°C bis zum Erreichen der Streckgrenze des Hüllkörpers erhitzt und nach weiterem Erhitzen auf eine um wenigstens 100°C höhere Temperatur wieder auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die nach dem weiteren Erhitzen erreichte höhere Temperatur, welche die Ausgangstemperatur für die nachfolgende Abkühlungsphase darstellt, liegt vorteilhaft zwischen 600 und 800°C. Bei diesem Erhitzen des Verbundkörpers aus Ventilkörper und Hüllkörper ist zweckmäßig darauf zu achten, dass die Streckgrenze zwar erreicht, aber praktisch nicht überschritten wird. Dadurch wird der Heißrissempfindlichkeit der den Hüllkörper bildenden Nickel-Basislegierung Rechnung getragen.
Nach der verfahrensgemäßen Abkühlungsphase stellt sich im Hüllkörper eine Druckeigenspannung ein, die vorteilhaft bis zu 200 MPa beträgt. Ein durch das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt einstellbarer Bereich der Druckeigenspannung liegt zwischen 50 und 150 MPa, d. h. er liegt damit deutlich über der zu beachtenden Stauchgrenze.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung mit den 1–4 näher erläutert. Es zeigt
1: von einem Bimetallventil die Ansicht des Ventiltellers
2: einen teilweisen Axialschnitt gemäß Ausschnitt II der 1
3: einen schematischen Querschnitt durch eine Bimetallscheibe aus Grundkörper und Umfangsring und
4: ein Eigenspannungsdiagramm zu 3
1 zeigt einen Ventilteller 1 in der Ansicht mit abgetrenntem Ventilschaft in Verlängerung seiner Achse 2. Ein zentraler Ventilkörper 3 des Ventiltellers 1 ist im Bereich seines größten Umfangs umhüllt von einem Hüllkörper 4, welcher gemäß 2 einen Bodenbereich 5, einen Umfangsbereich 6 und einen Sitzbereich 7 umfasst. Innerhalb des Sitzbereichs 7 kann ein Sitzring 8aus einem anderen Werkstoff als der restliche Hüllkörper aufgeschweißt sein, wie in 2 dargestellt.
Der Ventilkörper 3 besteht aus einer Eisen-Basislegierung, der Hüllkörper aus einer Kobalt- oder Nickel-Basislegierung. Die eingesetzten Ventilwerkstoffe sind so ausgewählt, dass die Wärmedehnung des Ventilkörpers mindestens um den Betrag 2 μm/mK über jener des Hüllkörpers liegt. Vorteilhaft kommt als Werkstoff für die Eisen-Basislegierung ein austhenitischer Ventilstahl, beispielsweise unter der Bezeichnung SNCRW in Frage. Als Hüllkörperwerkstoff eignet sich als Nickel-Basislegierung beispielsweise Nimonic80A, als Kobalt-Basislegierung beispielsweise Stellite6. Im Falle eines Hüllkörpers aus einer Nickel-Basislegierung kommt als geeigneter Werkstoff für den Sitzring 8 der besonderen Härte und Korrosionsbeständigkeit wegen eine Kobalt-Basislegierung in Frage.
3 zeigt im Halbschnitt einen scheibenförmigen Grundkörper 11 mit Umfangsring 12. Dabei handelt es sich um ein Modell einer Bimetallscheibe, welche idealisiert einen Ventilteller darstellt, wobei der Grundkörper 11 den Ventilkörper 3 in 1 und der Umfangsring 12 dem Umfangsbereich 6 bzw. dem Hüllkörper 4 in 1 entspricht.
Das Modell gemäß 3 liegt dem Eigenspannungsdiagramm gemäß 4 zugrunde. 4 zeigt über der Temperatur T aufgetragen die temperaturabhängige Vergleichsspannung SigVT für den Außendurchmesser des Grundkörpers 11 bzw. den Innendurchmesser des Umfangsrings 12. Dieser Durchmesser Di beträgt für das Modellbeispiel 290 mm; der Außendurchmesser des Umfangsrings Da sei 300 mm. Als Werkstoffe wurden gewählt für den Grundkörper 11 die Eisen-Basislegierung X26CrNiW2010, für den Umfangsring 12 die Nickel-Basislegierung IN625.
Die über der Temperatur aufgetragenen Vergleichseigenspannungswerte SigVT bedeuten auf der positiven Seite der Nulllinie Zugspannungswerte, auf deren negativen Seite Druckspannungswerte. Die obere Grenzkurve Sig1 Rp0,2 bedeutet den Verlauf der Streckgrenze, die untere Grenzkurve Sig2 Rp0,2 bedeutet den Verlauf der Stauchgrenze. Zwischen den beiden Grenzkurven befindet sich der Arbeitsbereich des Bimetallscheibenmodells, d. h. mit zunehmender Temperatur wird die Eigenspannung bis zum Erreichen der Nulllinie abgebaut und die Spannung im Durchmesser Di setzt sich dann als Zugspannung fort bis zum Erreichen der Streckgrenze Sig1. Als Beispiel sind drei konkrete Arbeitskurven S1, S2 und S3 angegeben, welche abhängig vom Aufbau der Druckeigenspannung bei der Herstellung der Bimetallscheibe bzw. übertragen auf den Erfindungsgegenstand des Bimetallventils wählbar sind.
Nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist vorgesehen, dass Ventilkörper 3 und Hüllkörper 4 einen Verbundrohling – im Modell repräsentiert durch die Bimetallscheibe 11, 12 – bilden, der auf etwa 450°C bis zum Erreichen der Streckgrenze des Hüllkörpers 4 erhitzt wird und dass nach weiterem Erhitzen auf eine um wenigstens 100°C höhere Temperatur die Abkühlungsphase erfolgt.
Am Beispiel der 4 endet die Aufheizkurve A mit Erreichen der Streckgrenze Sig1 etwa bei T1 = 450°C. Durch weiteres Erhitzen gelangt man im Diagramm nach rechts längs der Grenzkurve für die Streckgrenze Sig1 zu einer der Abkühlungskurven S1, S2 oder S3. Am Beispiel der Abkühlungskurve S2 ergibt sich als Ausgangspunkt für die Abkühlung eine Temperatur von T2 = 700°C. Die Abkühlung erfolgt unter elastischer Verformung mit Zugeigenspannung bis zum Erreichen der Nulllinie bei ca. 160°C und darunter als Druckeigenspannung bis zur Umgebungstemperatur bei ca. –90 N/mm² Druckeigenspannung. Die erreichten Werte gelten dann entsprechend der Vorbehandlung der Bimetallscheibe bzw. an einem entsprechend behandelten Bimetallventil nach dem gewählten verlauf der Abkühlungskurve S1, S2, S3. Deren Auswahl ergibt sich je nach Verlauf der werkstoffabhängigen Aufheizkurve A, welche bei T1 (450°C) die Streckgrenze Sig1 erreicht, um danach bei weiterem Aufheizen entlang der Grenzkurve Sig1 bis zum Erreichen einer Höchsttemperatur z. B. T2 (700°C) der Abkühlungskurve S2 zu folgen.
Es versteht sich von selbst, dass der Vergleich der Kurvenverläufe für die Eigenspannungen gemäß 4 mit entsprechenden Verlaufskurven bei einem Bimetallventil Unterschiede aufzeigen wird, z. B. je nach dem, welche Materialen eingesetzt werden und wie das Bimetallventil im einzelnen dimensioniert und ausgestaltet ist, z. B. ob ein geschlossener Hüllkörper vorgesehen ist oder ein Hüllkörper nur über einen Teilbereich des zentralen Ventilkörpers 3 erstreckt wird; außerdem sind die erreichten Eigenspannungswerte abhängig von der Dicke des Hüllkörpers und, wie oben aufgezeigt, den Parametern der Wärme- bzw. Abkühlungsbehandlung bei der Herstellung des Bimetallventils. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass der qualitative Verlauf der Eigenspannungskurven gemäß 4 auf konkrete Bimetallventile anwendbar ist.

Claims

Bimetallventil für einen Verbrennungsmotor mit einem Ventilkörper (3) aus einer Eisen-Basislegierung und einem Hüllkörper (4) im Bereich des Ventiltellers (1) aus einer Kobalt- oder Nickel-Basislegierung, wobei die Wärmedehnung des Ventilkörpers deutlich über jener des Hüllkörpers (4) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Wärmedehnungen α(20° – T) von Ventilkörper (3) und Hüllkörper (4) mindestens 2 μm/mK entsprechend der Formel (αVK – αHK) > 2 beträgt, dass Ventilkörper (3) und Hüllkörper (4) durch Schweißen miteinander verbunden sind, und dass im Hüllkörper (4) bei Umgebungstemperatur eine Druckeigenspannung vorherrscht, welche dadurch erzeugt ist, dass Ventilkörper (3) und Hüllkörper (4) nach dem Schweißen über die Streckgrenze des Hüllkörpers (4) unter plastischer Verformung desselben erhitzt und nachfolgend abgekühlt werden.
Bimetallventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hüllkörper (4) im wesentlichen als Umfangsring (6) ausgebildet ist.
Bimetallventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Umgebungstemperatur und innerhalb eines darüberliegenden Temperaturbereichs zwischen 100 und 300°C im Hüllkörper (4) Druckeigenspannung vorliegt.
Bimetallventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeigenspannung bis zu 200 MPa beträgt.
Bimetallventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeigenspannung zwischen 50 und 150 MPa beträgt.
Bimetallventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Eisen-Basislegierung X26CrNiW2010, X45CrNiW 18.9 oder SNCRW vorgesehen ist.
Bimetallventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Nickel-Basislegierung Nimonic80A, IN625 oder IN718 vorgesehen ist.
Bimetallventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kobalt-Basislegierung Stellite6 oder Stellite12 vorgesehen ist.
Bimetallventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff für den Hüllkörper (4) eine Bruchdehnung (A5) und eine Brucheinschnürung (Z) von jeweils wenigstens 35% aufweist.
Bimetallventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des Hüllkörpers (4) weniger als 8 mm beträgt.
Bimetallventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des Hüllkörpers (4) weniger als 5 mm beträgt.
Bimetallventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hüllkörper (4) einen Sitzbereich (8) aus einer Kobaltbasislegierung umfaßt, im übrigen aus einer Nickelbasislegierung besteht, und dass der Sitzbereich (8) nach plastischer Verformung unter Druckeigenspannung steht.
Verfahren zur Herstellung eines Bimetallventils gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass Ventilkörper (3) und Hüllkörper (4) einen Verbundrohling bilden, der auf über 450°C bis zum Erreichen der Streckgrenze des Hüllkörpers (4) erhitzt wird und dass nach weiterem Erhitzen auf eine um wenigstens 100°C höhere Temperatur die Abkühlungsphase erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlungsphase ausgehend von der Streckgrenze Sig1 Rp0,2 im Temperaturbereich zwischen 600 und 800°C erfolgt.