DE102011089788A1 - Motorventilsitz und Verfahren für dessen Herstellung - Google Patents

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Eui Jun Kim
Seong Jin Kim
Sung Kweon Jang
Ki Jung Kim
Shin Gyu Kim
Jong Kwan Park
Sung Tae Choi
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Kia Corp
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Hyundai Motor Co
Kia Motors Corp
Korea Sintered Metal Co Ltd
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Abstract

Offenbart wird ein Motorenventilsitz mit folgenden Komponenten: Eisen (Fe) als Hauptkomponente; ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff (C); ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel (Ni); ungefähr 8,0 bis 11,0 Gew.-% Kobalt (Co); ungefähr 3,0 bis 6,0 Gew.-% Chrom (Cr); ungefähr 4,0 bis 7,0 Gew.-% Molybdän (Mo); ungefähr 0,5 bis 2,5 Gew.-% Wolfram (W); ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Mangan (Mn); ungefähr 0,2 bis 1,0 Gew.-% Calcium (Ca); und andere unvermeidbare Unreinheiten.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Technisches Feld
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Motorenventilsitz mit exzellenter Verschleißfestigkeit, insbesondere einen Motorenventilsitz, bei dem ein Pulver auf Eisenbasis, legiert mit Chrom (Cr) und Molybdän (Mo), als Matrix verwendet wird und ein Verfahren für dessen Herstellung.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • 1 ist ein Querschnitt eines gewöhnlichen Motorenventilsitzes. Im Allgemeinen ist ein Ventilsitz 14 eines Motors 10 in einen Zylinderkopf 12 eingepasst, um die Luftdichtheit zwischen einem Einlassventil und einem Auslassventil 16 und dem Zylinderkopf 12 herzustellen, wenn das Ventil 16 sich öffnet oder schließt. Der Ventilsitz 14 dient daher der Erhöhung der thermischen Wirksamkeit der Verbrennungskammer.
  • Da der Ventilsitz 14 immer wieder mit dem Ventil 16 in Kontakt gerät und kontinuierlich hohen Temperaturen ausgesetzt ist, benötigt dieser typischerweise höhere Verschleißfestigkeit, höhere Aufschlagsfestigkeit, höhere Hitzefestigkeit und Ähnliches als andere Bauteile.
  • Verfahren zum Herstellen des Ventilsitzes 14 beinhalten ein Infiltrationsverfahren, ein Verfahren zum Hinzufügen von harten Partikeln, ein Legierungszusammensetzungssteuerungsverfahren und Ähnliches. In der Vergangenheit wurde Benzin mit Blei („verbleites Benzin”) als Brennstoff verwendet. Jedoch, da die Benutzung von verbleitem Benzin eine Umweltverschmutzung hervorruft, ist es nun nötig, unverbleites Benzin zu verwenden. Aus diesem Grund muss der Ventilsitz 14 eine hohe Leistungsfähigkeit besitzen, genauso wie die Maschinen mit hoher Leistungsfähigkeit und muss auch viel Leistung erzeugen können und Benzin-Direkteinspritzung (GDI) unterstützen.
  • In Motoren, die als Brennstoff Gas verwenden, wie verflüssigtes Petroleumgas (LPG), komprimiertes Naturgas (CNG) oder Ähnliches, wird der Ventilsitz 14 sehr schnell abgenutzt. Insbesondere die Verwendung eines solchen Brennstoffes sorgt im Allgemeinen nicht für die gründliche Schlüpfrigkeit zwischen dem Ventil 16 und dem Ventilsitz 14, die typischerweise von den Verbrennungsprodukten herrührt, wenn flüssiger Brennstoff (Benzin, Diesel, Öl) verwendet wird. Daher tritt, ohne so eine Schmierung, metallischer Kontakt (K) zwischen dem Ventil 16 und dem Ventilsitz 14 problemlos auf, was in einer Abnutzung des Ventilsitzes 14 resultiert. Unter diesen Umständen muss die Verschleißfestigkeit des Ventilsitzes 14 für Gasbrennstoffmotoren weiter verbessert werden.
  • In einem Versuch, die Verschleißfestigkeit des Ventilsitzes 14 zu verbessern, wurde ein Verfahren zum Verteilen von Fe-Cr oder Fe-Mo basierten harten Partikeln oder Hartmetall basierten harten Partikeln in der Matrix des Ventilsitzes 14 verwendet. Jedoch ist dieses Verfahren problematisch, weil, wenn die Anzahl von harten Partikeln, die in der Matrix verteilt werden, zunimmt, nimmt auch die Aggressivität der harten Partikel in Bezug auf ein Aufschlagziel (in diesem Fall das Ventil) zu und aus diesem Grund wird das Ventil einfacher abgenützt.
  • Es ist zu berücksichtigen, dass die vorhergehende Beschreibung bloß dazu gedacht ist, das Verstehen der vorliegenden Erfindung zu fördern und bedeutet nicht, dass die vorliegende Erfindung in den Bereich des Standes der Technik fällt, der entsprechenden Fachleuten bekannt ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Entsprechend ist die vorliegende Erfindung entwickelt worden, um die oben genannten Probleme zu lösen, die mit dem Stand der Technik verknüpft sind. Die vorliegende Erfindung offenbart einen Motorenventilsitz mit hoher Verschleißfestigkeit. Insbesondere offenbart die vorliegende Erfindung eine gesinterte Legierung auf Eisenbasis mit hoher Verschleißfestigkeit, die verwendet werden kann, um einen Ventilsitz eines Motors herzustellen. Der nach diesem Verfahren hergestellte Ventilsitz kann in einem hohen Maße verhindern, dass ein Ventil abgenützt wird und kann die Verschleißfestigkeit des Ventils verbessern.
  • Um oben Genanntes zu erreichen, offenbart eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Motorenventilsitz, der folgende Komponenten besitzt: Eisen (Fe) als Hauptkomponente; und mindestens ein weiteres Material, auszuwählen aus folgender Liste: Kohlenstoff (C), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Mangan (Mn), Calcium (Ca). Entsprechend verschiedener Ausführungsformen enthält ein Motorenventilsitz der vorliegenden Erfindung Eisen (Fe) als Hauptkomponente; ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff (C); ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel (Ni); ungefähr 8,0 bis 11,0 Gew.-% Kobalt (Co); ungefähr 3,0 bis 6,0 Gew.-% Chrom (Cr); ungefähr 4,0 bis 7,0 Gew.-% Molybdän (Mo); ungefähr 0,5 bis 2,5 Gew.-% Wolfram (W); ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Mangan (Mn); ungefähr 0,2 bis 1,0 Gew.-% Calcium (Ca), wobei die Gewichtsprozent sich auf das Gesamtgewicht der Zusammenstellung beziehen; und andere Unreinheiten, die unvermeidbar sein können. Es wird angemerkt, dass der Begriff „Hauptkomponente” in Bezug auf den Gehalt an Eisen (Fe) Anteile größer als 50 Gew.-% bedeutet, z. B. wenigstens ungefähr 60 Gew.-%, wenigstens ungefähr 65 Gew.-%, wenigstens ungefähr 70 Gew.-%, wenigstens ungefähr 75 Gew.-% usw. Beispielsweise, wenn man die Gewichtsprozente aller anderen Komponenten zusammenzählt, wird Eisen (Fe) den Rest der Zusammensetzung ausmachen (minus jegliche kleine Anteile von Unreinheiten, die vorhanden oder auch nicht vorhanden sein können).
  • Entsprechend verschiedener Ausführungsformen kann der Motorenventilsitz eine Matrix beinhalten, die hergestellt wird, indem Legierungspulver (z. B. Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Mangan (Mn)) und Eisen (Fe) mit Metallpulvern (z. B. Kohlenstoff (C), Nickel (Ni) und Kobalt (Co)) vermischt werden. Entsprechend verschiedener Ausführungsformen kann der Motorventilsitz eine Matrix beinhalten, die hergestellt wird durch die Mischung von Legierungspulvern, welche ungefähr 0,8 bis 1,2 Gew.-% Chrom (Cr), ungefähr 0,4 bis 0,6 Gew.-% Molybdän (Mo), ungefähr 0,5 bis 0,9 Gew.-% von Mangan (Mn), ungefähr 1,0 bis 1,4 Gew.-% Kohlenstoff (C) und einen Ausgleich von Eisen (Fe) enthalten, mit Metallpulvern, welche ungefähr 0,1 bis 0,3 Gew.-% Kohlenstoff (C), ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel (Ni) und ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Kobalt (Co) beinhalten, wobei Gewichtsprozent auf das Gesamtgewicht der Zusammenstellung bezogen ist.
  • Entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform kann der Motorventilsitz hergestellt werden, indem harte Partikel mit der Matrix gemischt werden. Beispiele der harten Partikel umfassen beispielsweise 60 Gew.-% Kobalt(Co)-30 Gew.-% Molybdän(Mo)-8 Gew.-% Chrom(Cr) Legierungspulver, Eisen(Fe)-40 Gew.-% Chrom(Cr)-20 Gew.-% Wolfram(W)-10 Gew.-% Kobalt(Co) Legierungspulver, und Eisen(Fe)-60 Gew.-% Molybdän(Mo) Legierungspulver, welche harte Partikel darstellen, wobei die Gewichtsprozent auf dem Gesamtgewicht jeder einzelnen Rezeptur für harte Teilchen basieren und wobei Unreinheiten für einen übrig bleibenden Anteil verantwortlich sind. Entsprechend verschiedener Ausführungsformen kann jede Kombination eines oder mehrerer dieser harten Partikel mit der Matrix vermischt werden. Die harten Partikel können brauchbar unter Verwendung von allen möglichen konventionellen verfahren gebildet werden und können mit der passenden Größe und dem passenden Aussehen versehen werden, das die gewünschten Charakteristika bereitstellt. Beispielsweise in einer Ausführungsform kann das 60 Gew.-% Kobalt(Co)-30 Gew.-% Molybdän(Mo)-8 Gew.-% Chrom(Cr) Legierungspulver mithilfe einer Gasinjektion hergestellt werden und kann damit eine Partikelgröße von 60 Mesh oder weniger besitzen.
  • Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein verfahren zum Herstellen eines Motorenventilsitzes offenbart, das folgende Schritte aufweist: Mischen von Metallpulvern, sodass der Motorventilsitz Eisen (Fe) als Hauptkomponente enthält, und ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff (C), ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel (Ni), ungefähr 8,0 bis 11,0 Gew.-% Kobalt (Co), ungefähr 3,0 bis 6,0 Gew.-% Chrom (Cr), ungefähr 4,0 bis 7,0 Gew.-% Molybdän (Mo), ungefähr 0,5 bis 2,5 Gew.-% Wolfram (W), ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Mangan (Mn), ungefähr 0,2 bis 1,0 Gew.-% Calcium (Ca) und optional andere unvermeidbare Unreinheiten enthält; Pressen der Metallpulvermischung, um eine kompakte Struktur zu bilden, die eine brauchbare Dichte besitzt (beispielsweise eine Dichte von ungefähr 6,85 g/cc oder mehr); Sintern der kompakten Struktur unter einer brauchbaren Stickstoffatmosphäre (beispielsweise eine Stickstoffatmosphäre von ungefähr 1130 bis 1180°C).
  • Im Verfahrensschritt des Mischens von Metallpulvern, können Legierungspulver, welche ungefähr 0,8 bis 1,2 Gew.-% Chrom (Cr), ungefähr 0,4 bis 0,6 Gew.-% Molybdän (Mo), ungefähr 0,5 bis 0,9 Gew.-% Mangan (Mn), ungefähr 1,0 bis 1,4 Gew.-% Kohlenstoff (C) und einen Restanteil von Eisen (Fe) enthalten, mit Metallpulvern gemischt werden, die ungefähr 0,1 bis 0,3 Gew.-% Kohlenstoff (C), ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel (Ni), und ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Kobalt (Co) enthalten, um eine Matrix zu bilden und dann können harte Partikel mit der Matrix gemischt werden.
  • Die harten Partikel können beispielsweise 60 Gew.-% Kobalt(Co)-30 Gew.-% Molybdän(Mo)-8 Gew.-% Chrom(Cr) Legierungspulver, Eisen(Fe)-40 Gew.-% Chrom(Cr)-20 Gew.-% Wolfram(W)-10 Gew.-% Kobalt(Co) Legierungspulver und Eisen(Fe)-60 Gew.-% Molybdän(Mo) Legierungspulver beinhalten.
  • Entsprechend verschiedener Ausführungsformen kann das 60 Gew.-% Kobalt(Co)-30% Gew.-% Molybdän(Mo)-8 Gew.-% Chrom(Cr) Legierungspulver mithilfe einer Gasinjektion hergestellt werden und kann eine Partikelgröße von ungefähr 60 Mesh oder weniger besitzen.
  • Beim Erzeugen der kompakten Struktur kann die kompakte Struktur mit einer Dichte von ungefähr 6,85 g/cc oder mehr erzeugt werden, indem eine Metallpulvermischung bei einem Druck von ungefähr 7 bis 9 t/cm2 bei Raumtemperatur gepresst wird.
  • Nach dem Sintern der kompakten Struktur kann es sein, dass ein Infiltrieren oder eine Hitzebehandlung nicht gebraucht werden und aus diesem Grund können diese Schritte weggelassen werden.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die bisher genannten und andere Objekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können mithilfe der folgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden werden in Verbindung mit den beigefügten Figuren.
  • Die Figuren zeigen:
  • 1 eine Querschnittsansicht eines gewöhnlichen Motorenventilsitzes; und
  • 2 eine perspektivische Ansicht eines Motorenventilsitzes entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 eine Fotografie, die die mikroskopische Struktur des Motorenventilsitzes von 2 zeigt.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
  • Das weitere bezieht sich im Detail auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Beispiele mithilfe der beigefügten Figuren illustriert werden und im Weiteren beschrieben werden. Obwohl die Erfindung zusammen mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, sollte klar sein, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu gedacht ist, die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen zu beschränken. Die Erfindung soll im Gegenteil nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen umfassen, aber auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente oder andere Ausführungsformen, die ebenfalls enthalten sind im Rahmen des Geistes und der Zielsetzung der Erfindung, wie diese in den angehängten Ansprüchen definiert wird.
  • Unter dem Begriff Fahrzeug oder einem ähnlichen Begriff, wie er hier verwendet wird, werden alle Fahrzeuge mit Motor im Allgemeinen verstanden, wie Passagierautomobile, die Sports Utility Vehicles (SUV) enthalten, sowie Busse, Lastwagen, verschiedene kommerzielle Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge, die eine Vielzahl von Booten und Schiffen enthalten, Flugzeuge, und Ähnliches, und des Weiteren sind Hybridfahrzeuge enthalten, sowie elektrische Fahrzeuge, plug-in-hybridelektrische Fahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge, die mit alternativen Brennstoffen betrieben werden (beispielsweise Brennstoffe, die von anderen Quellen als Erdöl abstammen). Wie es im Folgenden verwendet wird, versteht man unter einem Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, welches zwei oder mehrere Energiequellen besitzt, z. B. sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Motorenventilsitz entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 3 ist eine Fotografie, die die mikroskopische Struktur des Motorenventilsitzes von 2 darstellt.
  • In dieser Ausführungsform enthält der Motorenventilsitz: Eisen (Fe) als Hauptkomponente; ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff (C); ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel (Ni); ungefähr 8,0 bis 11,0 Gew.-% Kobalt (Co); ungefähr 3,0 bis 6,0 Gew.-% Chrom (Cr); ungefähr 4,0 bis 7,0 Gew.-% Molybdän (Mo); ungefähr 0,5 bis 2,5 Gew.-% Wolfram (W); ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Mangan (Mn); ungefähr 0,2 bis 1,0 Gew.-% Calcium (Ca); und andere unvermeidbare Verunreinigungen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann der Motorenventilsitz eine Matrix beinhalten, die durch das Mischen von Legierungspulvern und Eisen mit Metallpulvern hergestellt wird. Insbesondere kann die Matrix hergestellt werden, indem Legierungspartikel, die ungefähr 0,8 bis 1,2 Gew.-% Chrom (Cr), ungefähr 0,4 bis 0,6 Gew.-% Molybdän (Mo), ungefähr 0,5 bis 0,9 Gew.-% Mangan (Mn), ungefähr 1,0 bis 1,4 Gew.-% Kohlenstoff (C) und einen Ausgleichsanteil Eisen (Fe) enthalten, mit Metallpulvern gemischt werden, die ungefähr 0,1 bis 0,3 Gew.-% Kohlenstoff (C), ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel (Ni), und ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Kobalt (Co) enthalten.
  • In einigen Aspekten kann der Motorenventilsitz hergestellt werden, indem zusätzlich harte Partikel mit der Matrix gemischt werden. In verschiedenen Ausführungsformen können die harten Partikel Folgendes beinhalten: z. B. 60 Gew.-% Kobalt(Co)-30 Gew.-% Molybdän(Mo)-8 Gew.-% Chrom(Cr) Legierungspulver, Eisen(Fe)-40 Gew.-% Chrom(Cr)-20 Gew.-% Wolfram(W)-10 Gew.-% Kobalt(Co) Legierungspulver und Eisen(Fe)-60 Gew.-% Molybdän(Mo) Legierungspulver. In einigen Ausführungsformen kann das 60 Gew.-% Kobalt(Co)-30 Gew.-% Molybdän(Mo)-8 Gew.-% Chrom(Cr) Legierungspulver durch ein geeignetes Verfahren wie die Gasinjektion hergestellt werden und kann eine vernünftige Partikelgröße von beispielsweise ungefähr 60 Mesh oder weniger besitzen.
  • Entsprechend verschiedener Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung ist die Form der harten Partikel des Ventilsitzes von Bedeutung, da dadurch die Aggressivität des Ventilsitzes in Bezug auf einen Aufschlagspunkt (beispielsweise das Ventil) reduziert werden kann. Aus diesem Grund können beispielsweise die 60 Gew.-% Co-30 Gew.-% Mo-8 Gew.-% Cr harten Partikel, die in großen Mengen hinzugefügt werden können, um zu verhindern, dass die harten Partikel sich von der Matrix des Ventilsitzes ablösen können, passend (beispielsweise durch Gasinjektion) erzeugt werden, sodass die Form der Kobalt(Co)-basierten harten Partikel sphärisch wird. So eine sphärische Form kann gewinnbringend die Aggressivität des Ventilsitzes gegen ein Aufschlagsobjekt vermindern.
  • In Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen kann Kohlenstoff (C) in Form eines Legierungspulvers von Fe-Cr-Mo-Mn-C und als natürliches Graphitpulver gewonnen werden und Nickel (Ni) kann in der Form von reinem Nickel(Ni)-Pulver gewonnen werden. Des Weiteren kann Kobalt (Co) in Form von reinem Kobalt(Co)-Pulver, aber auch als Legierungspulver von Fe-Cr-W-Co oder als Legierungspulver von Co-Mo-Cr, erzeugt über Gasinjektion, gewonnen werden, um die Form der Kobalt(Co)-basierten harten Partikel sphärisch zu machen. Des Weiteren kann Chrom (Cr) in Form eines Legierungspulvers Fe-Cr-W-Co oder als Legierungspulver Co-Mo-Cr über den Herstellungsprozess der Gasinjektion gewonnen werden. Des Weiteren kann Molybdän (Mo) in Form von Ferromolybdän (Ferro Mo) gewonnen werden, Mangan (Mn) kann in Form von MnS gewonnen werden und Calcium (Ca) kann in Form von CaF2 gewonnen werden.
  • Entsprechend der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Bestandteile und das Zusammensetzungsverhältnis der Komponenten, die den Ventilsitz bilden, so ausgewählt werden, dass die folgenden Vorteile vorliegen. Zunächst kann Kohlenstoff (C) in einer Matrix feinstverteilt werden, um die Matrix abzustützen und kann als Hartmetall ausgeführt werden, zusammen mit Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Ähnlichem, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern. Kohlenstoff (C) kann vorteilhaft in einer Menge von ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-% hinzugefügt werden, basierend auf der Gesamtmenge der Zusammensetzung. Falls der Anteil von Kohlenstoff (C) weniger als 0,6 Gew.-% beträgt, wird die gewünschte Verbesserung der Verschleißfestigkeit nicht erreicht. Des Weiteren, falls der Anteil von Kohlenstoff (C) mehr als 1,2 Gew.-% beträgt, wird in der Matrix Eisencarbid gebildet und es bildet sich eine flüssige Phase während des Sinterns, wodurch sich die Stabilität der Matrix verschlechtert.
  • Nickel (Ni) wird in der Matrix feinstverteilt, um deren Stärke und Hitzebeständigkeit zu verbessern. Nickel (Ni) wird vorteilhaft in einer Menge von etwa 1,0 bis 3,0 Gew.-% hinzugefügt, basierend auf der gesamten Menge der Zusammenstellung. Falls die Menge an Nickel (Ni) weniger als 1,0 Gew.-% beträgt, wird die Hitzebeständigkeit nicht genügend verbessert. Des Weiteren, falls der Anteil von Nickel (Ni) mehr als 3 Gew.-% beträgt, verbleibt lokal ein überschüssiger Anteil von Austenit, was dazu führt, dass die Verschleißfestigkeit abnimmt.
  • Kobalt (Co) wird in der Matrix feinstverteilt in Form von harten Partikeln, um die Festigkeit und die Hitzebeständigkeit zu verbessern. Des Weiteren, falls Kobalt (Co) in den harten Partikeln in der Form von einer intermetallischen Verbindung enthalten ist, ergibt sich eine Zunahme der Anpresskraft zwischen der Matrix und den harten Partikeln, um dadurch das Abtragen des Ventilsitzes zu verhindern, was auf das Abtrennen der harten Partikel zurückzuführen ist.
  • Chrom (Cr) reagiert mit Kohlenstoff, wobei Carbid zum Verbessern der Verschleißfestigkeit gebildet wird und dieses wird in der Matrix feinstverteilt, um die Hitzebeständigkeit zu verbessern.
  • Molybdän (Mo) wird in der Matrix feinstverteilt, um die Hitzebeständigkeit und die Härtbarkeit zu verbessern und wird in Form von Fe-Mo hinzugefügt, um doppeltes Carbid oder eine intermetallische Verbindung zu bilden, die die Verschleißfestigkeit verbessert. Jedoch, falls Molybdän (Mo) exzessiv hinzugefügt wird, geht die Festigkeit des Ventilsitzes verloren und das Aufschlagsobjekt (beispielsweise das Ventil) wird angegriffen, sodass ein Verschleiß des Ventils stattfindet. Aus diesem Grund ist die Menge an Molybdän (Mo) vorteilhaft auf den bereits spezifizierten Bereich limitiert.
  • Das Verfahren zum Herstellen eines Motorenventilsitzes entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht aus folgenden Schritten: Mischen von Metallpulvern, sodass der Motorenventilsitz Eisen (Fe) als Hauptkomponente enthält und sowie ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff (C), ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel (Ni), ungefähr 8,0 bis 11,0 Gew.-% Kobalt (Co), ungefähr 3,0 bis 6,0 Gew.-% Chrom (Cr), ungefähr 4,0 bis 7,0 Gew.-% Molybdän (Mo), ungefähr 0,5 bis 2,5 Gew.-% Wolfram (W), ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Mangan (Mn), ungefähr 0,2 bis 1,0 Gew.-% Calcium (Ca) und andere unvermeidbare Unreinheiten; Pressen der Metallpulvermischung, um eine kompakte Struktur zu bilden, die eine brauchbare Dichte besitzt (beispielsweise eine Dichte von etwa 6,85 g/cc oder mehr); Sintern der kompakten Struktur unter einer geeigneten Stickstoffatmosphäre (beispielsweise eine Stickstoffatmosphäre von ungefähr 1130 bis 1180°C).
  • Entsprechend dieser Ausführungsform können in dem Schritt des Mischens der Metallpulver, Legierungspulver, die ungefähr 0,8 bis 1,2 Gew.-% Chrom (Cr), ungefähr 0,4 bis 0,6 Gew.-% Molybdän (Mo), ungefähr 0,5 bis 0,9 Gew.-% Mangan (Mn), ungefähr 1,0 bis 1,4 Gew.-% Kohlenstoff (C) und einen Ausgleichsanteil Eisen (Fe) enthalten, mit Metallpulvern gemischt werden, die ungefähr 0,1 bis 0,3 Gew.-% Kohlenstoff (C), ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel (Ni) und ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Kobalt (Co) enthalten, um die Matrix zu bilden. Harte Partikel können im Weiteren auch mit der Matrix vermischt werden.
  • Beispiele der harten Partikel können folgendes enthalten: 60 Gew.-% Kobalt(Co)-30 Gew.-% Molybdän(Mo)-8 Gew.-% Chrom(Cr) Legierungspulver, Eisen(Fe)-40 Gew.-% Chrom(Cr)-20 Gew.-% Wolfram(W)-10 Gew.-% Kobalt(Co) Legierungspulver und Eisen(Fe)-60 Gew.-% Molybdän(Mo) Legierungspulver. Entsprechend einiger Ausführungsformen kann das 60 Gew.-% Kobalt(Co)-30% Gew.-% Molybdän(Mo)-8 Gew.-% Chrom(Cr) Legierungspulver über eine Gasinjektion hergestellt werden und kann eine Partikelgröße von ungefähr 60 Mesh oder weniger besitzen.
  • Des Weiteren kann in dem Schritt des Formens der kompakten Struktur die kompakte Struktur derart hergestellt werden, dass diese eine Dichte von ungefähr 6,85 g/cc oder mehr besitzt, indem die Metallpulvermischung komprimiert wird bei einem Druck von etwa 7 bis 9 t/cm2 bei Raumtemperatur. Des Weiteren kann nach dem Schritt des Sinterns der kompakten Struktur eine Infiltration oder eine Hitzebehandlung weggelassen werden.
  • Das Verfahren zum Herstellen des Motorenventilsitzes entsprechend der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden kurz beschrieben.
  • In einem ersten Schritt werden die rohen Pulver (Eisen (Fe), Kohlenstoff (C), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Mangan (Mn), Calcium (Ca) usw.) miteinander gemischt, um die endgültige Zusammensetzung, die bereits erwähnt wurde, zu erreichen. Danach wird die Pulvermischung bei einem geeigneten Druck gepresst (beispielsweise ein Druck von ungefähr 7 bis 9 t/cm2 bei Raumtemperatur), um eine kompakte Struktur zu bilden. In diesem Fall kann die kompakte Struktur derart gebildet werden, dass die Dichte des sich ergebenden Ventilsitzes ungefähr 6,85 g/cc oder mehr beträgt und daher in einigen Ausführungsformen Partikel mit hoher Härte, Partikel mit mittlerer Härte und/oder Partikel mit geringer Härte vernünftig in die Matrix feinverteilt werden können, um den Ventilsitz mit der gewünschten Dichte herzustellen.
  • In einem letzten Schritt wird die kompakte Struktur gesintert, damit der Ventilsitz ausgebildet wird. Beispielsweise kann das Sintern unter Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1130 bis 1180°C für ungefähr 30 Minuten bis 1,5 Stunden erfolgen, wodurch der Ventilsitz 100 hergestellt wird. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird, nachdem der Schritt des Sinterns ausgeführt wurde, eine Infiltration oder eine Hitzebehandlung nicht benötigt und kann weggelassen werden, was die Herstellungskosten des Ventilsitzes reduziert.
  • Wie in 3 gezeigt ist, wird ein derart hergestellter Ventilsitz 100 mit harten Partikeln ausgestattet, die eine Form einer sphärischen intermetallischen Verbindung besitzen, und die in die Matrix feinverteilt sind, welche nicht einer Hochtemperaturbehandlung unterzogen wurde. Entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Bindungskraft zwischen der Matrix und den harten Partikeln stark erhöht durch die Diffusion von Kobalt (Co), welches in den harten Partikeln mitenthalten sein kann, sodass eine Ablösung der harten Partikel verhindert werden kann und damit der gesamte Verlust durch Abrieb des Ventilsitzes verringert werden kann. In 3 ist Matrix 1 (C) eine Perlit Struktur, Matrix 2 (D) ist eine hochlegierte Region, die harten Partikel 1 (T) sind eine Co-Mo-Cr-Struktur, die harten Partikel 2 (A) sind eine Cr-W-Co-Struktur und die harten Partikel 3 (B) sind eine Fe-Mo-Struktur.
  • Des Weiteren, um den Abrieb des Motorenventilsitzes 100 zu messen, der aus gesinterter Legierung hergestellt wurde, wurden Pulver miteinander vermischt entsprechend des Inhalts und der Zusammensetzung, der in Tabelle 1 gegeben ist, und dann wurde die Pulvermischung gepresst bei einem Druck von 8 t/cm2, damit sich die kompakte Struktur in Form eines Motorenventilsitzes ausbildet und dann wurde die kompakte Struktur bei 1150°C für 40 Minuten gesintert. Dann wurde die gesinterte kompakte Struktur in die Form eines Motorenventilsitzes gebracht, gefolgt von einem Trommelprozess, um die Motorenventilsitze entsprechend der Beispiele herzustellen. In den Vergleichsbeispielen wurden die Motorenventilsitze hergestellt durch Kupferinfiltration der kompakten Struktur, die durch das konventionelle Verfahren erreicht wurde, und dann wurde die infiltrierte Struktur hitzebehandelt oder mit einem 2P2S (2 Pressen 2 Sintern) Verfahren behandelt. [Tabelle 1]
    Klassifikation Matrixzusammensetzung (Gew.-%) Harte Partikel Hitzebehandlung Herstellungsmethode
    C Ni Cr Co Mo V Fe Art Inhalt (Gew.-%)
    Beispiel 1 1,0 2,0 1,0 - 0,3 - Ausgleich A + B + T 1 25 X 1P1S
    Beispiel 2 1,0 2,0 1,0 - 0,3 - Ausgleich A + B + T 2 25 O 1P1S
    Beispiel 3 1,0 2,0 1,0 - 0,3 - Ausgleich A + B + T 3 25 O 1P1S
    Beispiel 4 1,0 2,0 1,0 2,0 0,3 - Ausgleich A + B + T 1 25 O 1P1S
    Beispiel 5 1,0 2,0 1,0 2,0 0,3 - Ausgleich A + B + T 2 25 O Warmes Formen
    Beispiel 6 1,0 2,0 1,0 2,0 0,3 - Ausgleich A + B + T 3 25 X IPIS
    Vergleichsbeispiel 1 1,2 2,0 - 6,5 1,5 1,0 Ausgleich A 25 O Kupferinfiltration
    Vergleichsbeispiel 2 0,8 1,5 - 6,5 1,5 - Ausgleich T 1 25 X 2P2S
    Vergleichsbeispiel 3 1,0 5,5 3,0 - - - Ausgleich T 1 25 X 2P2S
  • Es bezieht sich 1P1S auf „1 Pressen 1 Sintern” und 2P2S bezieht sich auf „2 Pressen 2 Sintern”. Des Weiteren sind die harten Partikel folgendermaßen zusammengesetzt:
    A: Fe-40 Gew.-% Cr-20 Gew.-% W-10 Gew.-% Co
    B: Fe-60 Gew.-% Mo
    T 1: 60 Gew.-% Co-30 Gew.-% Mo-8 Gew.-% Cr (hergestellt durch Wasserinjektion mit einer Partikelgröße von 200 Mesh oder weniger)
    T 2: 60 Gew.-% Co-30 Gew.-% Mo-8 Gew.-% Cr (hergestellt durch Wasserinjektion mit einer Partikelgröße von 100 Mesh oder weniger)
    T 3: 60 Gew.-% Co-30 Gew.-% Mo-8 Gew.-% Cr (hergestellt durch Gasinjektion mit einer Partikelgröße von 60 Mesh oder weniger)
  • Die Abriebsverluste der Ventilsitze der vorgestellten Beispiele und der Vergleichsbeispiele wurden gemessen, indem ein Abnutzungstester mit einer Form, die ähnlich der Form eines wirklichen Motors ist, verwendet wurde, und die Resultate davon sind in Tabelle 2 zusammengestellt (Testverfahren: Rotationsgeschwindigkeit von 1500 U/min, eine Ventilsitztemperatur von 400°C, eine Testzeit von 15 Stunden). [Tabelle 2]
    Klassifikation Dichte (g/cm3) Härte (Hv) Presskraft (kgf) Verlust durch Abrieb (μm)
    Ventilsitz Ventil
    Beispiel 1 7,09 284 207 95 10
    Beispiel 2 7,02 332 108 70 15
    Beispiel 3 7,01 326 105 62 8
    Beispiel 4 7,14 322 142 65 9
    Beispiel 5 7,08 331 134 42 12
    Beispiel 6 7,04 295 120 31 7
    Vergleichsbeispiel 1 7,81 383 314 250 18
    Vergleichsbeispiel 2 7,20 253 165 130 27
    Vergleichsbeispiel 3 7,26 267 70 60 15
  • Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, kann festgestellt werden, dass die Verluste durch Abrieb der Motorenventilsitze in den Beispielen reduziert wurden, verglichen mit den Abriebsverlusten der Motorenventilsitze der vergleichenden Beispiele. Insbesondere im Dauerhaltbarkeitstest zeigte der Motorenventilsitz von Beispiel 6 eine gute Dauerhaltbarkeit, obwohl er nicht hitzebehandelt war.
  • Wie bereits beschrieben, ist der Motorenventilsitz entsprechend der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, da er eine exzellente Verschleißfestigkeit besitzt, sogar wenn er in Motoren eingesetzt wird, die als Brennstoff Gas verbrennen und unter harten Verbrennungsbedingungen arbeiten und dass dieser exzellente Verschleißfestigkeit besitzt, sogar wenn ein Filtern oder eine Hitzebehandlung nicht zusätzlich vorgenommen wird.
  • Des Weiteren ist der Motorenventilsitz entsprechend der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, da er verhindern kann, dass ein Aufschlagsziel (Ventil) in höchstem Maße verschlissen wird, und dass dessen Verschleißfestigkeit gesteigert werden kann.
  • Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu Illustrationszwecken offenbart wurden, ist den Fachleuten klar, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von der Zielsetzung und dem Geist der Erfindung abzuweichen, wie dieser in den beigefügten Ansprüchen offenbart wird.
  • Der Inhalt aller Referenzen (beinhaltet Literaturreferenzen, ausgestellte Patente, publizierte Patentanträge und anhängige Patentanträge), die in dieser Patentanmeldung zitiert werden, sind hiermit ausdrücklich eingeschlossen in ihrer Gesamtheit durch ihre Referenzierung.

Claims (10)

  1. Motorenventilsitz, der folgende Komponenten aufweist: Eisen (Fe) als Hauptkomponente; ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff (C); ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel (Ni); ungefähr 8,0 bis 11,0 Gew.-% Kobalt (Co); ungefähr 3,0 bis 6,0 Gew.-% Chrom (Cr); ungefähr 4,0 bis 7,0 Gew.-% Molybdän (Mo); ungefähr 0,5 bis 2,5 Gew.-% Wolfram (W); ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Mangan (Mn); ungefähr 0,2 bis 1,0 Gew.-% Calcium (Ca); und eine oder mehrere Unreinheiten.
  2. Motorenventilsitz nach Anspruch 1, wobei der Motorenventilsitz eine Matrix aufweist, die durch das Mischen von Legierungspulvern, welche 0,8 bis 1,2 Gew.-% Chrom (Cr), 0,4 bis 0,6 Gew.-% Molybdän (Mo), 0,5 bis 0,9 Gew.-% Mangan (Mn), 1,0 bis 1,4 Gew.-% Kohlenstoff (C) und einen Ausgleich von Eisen (Fe) enthalten, mit Metallpulvern gebildet wird, die 0,1 bis 0,3 Gew.-% Kohlenstoff (C), 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel (Ni) und 1,0 bis 3,0 Gew.-% Kobalt (Co) enthalten.
  3. Motorenventilsitz nach Anspruch 1, wobei der Motorenventilsitz im Weiteren eine Art oder mehrere Arten von harten Partikeln aufweist, die aus folgender Zusammenstellung ausgewählt werden kann/können: 60 Gew.-% Kobalt(Co)-30 Gew.-% Molybdän(Mo)-8 Gew.-% Chrom(Cr) Legierungspulver, Eisen(Fe)-40 Gew.-% Chrom(Cr)-20 Gew.-% Wolfram(W)-10 Gew.-% Kobalt(Co) Legierungspulver und Eisen(Fe)-60 Gew.-% Molybdän(Mo) Legierungspulver.
  4. Motorenventilsitz nach Anspruch 3, wobei das 60 Gew.-% Kobalt(Co)-30 Gew.-% Molybdän(Mo)-8 Gew.-% Chrom(Co) Legierungspulver durch Gasinjektion hergestellt wird und eine Partikelgröße von ungefähr 60 Mesh oder weniger besitzt.
  5. Verfahren zum Herstellen eines Motorenventilsitzes, das folgende Schritte aufweist: Mischen von Metallpulvern, sodass der Motorenventilsitz Eisen (Fe) als Hauptkomponente und ungefähr 0,6 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff (C), ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel (Ni), ungefähr 8,0 bis 11,0 Gew.-% Kobalt (Co), ungefähr 3,0 bis 6,0 Gew.-% Chrom (Cr), ungefähr 4,0 bis 7,0 Gew.-% Molybdän (Mo), ungefähr 0,5 bis 2,5 Gew.-% Wolfram (W), ungefähr 1,0 bis 3,0 Gew.-% Mangan (Mn), ungefähr 0,2 bis 1,0 Gew.-% Calcium (Ca) und eine oder mehrere Unreinheiten enthält; Pressen der Metallpulvermischung, damit sich eine kompakte Struktur mit einer Dichte von ungefähr 6,85 g/cc oder mehr ausbildet; und Sintern der kompakten Struktur unter einer Stickstoffatmosphäre von ungefähr 1130 bis 1180°C.
  6. Verfahren zum Herstellen eines Motorenventilsitzes nach Anspruch 5, wobei im Schritt des Mischens der Metallpulver, Legierungspulver, welche 0,8 bis 1,2 Gew.-% Chrom (Cr), 0,4 bis 0,6 Gew.-% Molybdän (Mo), 0,5 bis 0,9 Gew.-% Mangan (Mn), 1,0 bis 1,4 Gew.-% Kohlenstoff (C) und einen Ausgleich an Eisen (Fe) beinhalten, mit Metallpulvern gemischt werden, die 0,1 bis 0,3 Gew.-% Kohlenstoff (C), 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel (Ni) und 1,0 bis 3,0 Gew.-% Kobalt (Co) enthalten, um die Matrix zu bilden, und dann werden harte Partikel mit der Matrix gemischt.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Motorenventilsitzes nach Anspruch 6, wobei die harten Partikel eine oder mehrere der folgenden Komponenten beinhalten: 60 Gew.-% Kobalt(Co)-30 Gew.-% Molybdän(Mo)-8 Gew.-% Chrom(Cr) Legierungspulver, Eisen(Fe)-40 Gew.-% Chrom(Cr)-20 Gew.-% Wolfram(W)-10 Gew.-% Kobalt(Co) Legierungspulver und Eisen(Fe)-60 Gew.-% Molybdän(Mo) Legierungspulver.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Motorenventilsitzes nach Anspruch 7, wobei das 60 Gew.-% Kobalt(Co)-30 Gew.-% Molybdän(Mo)-8 Gew.-% Chrom(Cr) Legierungspulver durch Gasinjektion hergestellt wird und eine Partikelgröße von 60 Mesh oder weniger besitzt.
  9. Verfahren zum Herstellen eines Motorenventilsitzes nach Anspruch 5, wobei die kompakte Struktur, mit einer Dichte von ungefähr 6,85 g/cc oder mehr, durch das Pressen der Metallpulvermischung gebildet wird bei einem Druck von ungefähr 7 bis 9 t/cm2 bei Raumtemperatur.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Motorenventilsitzes nach Anspruch 5, wobei das Infiltrieren oder das Hitzebehandeln weggelassen wird, nach dem Sintern der kompakten Struktur.
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