DE102014215784A1

DE102014215784A1 - Verfahren zur Herstellung eines Gleitstößels

Info

Publication number: DE102014215784A1
Application number: DE102014215784.6A
Authority: DE
Inventors: Christoph Beerens; Gerhard Bucher; Justus Himstedt; Kurt Maier; Harald Rüdiger Müller; Reinhard Rose; Christoph Steinmetz
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2016-02-25
Also published as: CN106191737A; US20160040562A1; US9957847B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitstößels (4) eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine (1), bei dem – an einer Kontaktfläche (5) des Gleitstößels (4) zu einem zugehörigen Nocken (3) eine Beschichtung (6) aufgebracht wird, die Wolframcarbid und Kobalt aufweist, – wobei die Beschichtung (6) mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen aufgebracht wird, – wobei die Beschichtung (6) nach dem Aufbringen nachbearbeitet und vorteilhafterweise auf eine Schichtdicke von maximal 150µm abgetragen wird. Hierdurch kann ein verschleißresistenter und zugleich kostengünstiger Gleitstößel (4) geschaffen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitstößels eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft außerdem einen nach diesem Verfahren hergestellten Gleitstößel sowie eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Gleitstößel.
Aus der JP 10088311 A ist das Aufbringen einer verschleißresistenten Beschichtung aus einem Carbid und Kobalt aufweisenden Material mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen bekannt.
Aus der JP 10-88312 A ist die Anwendung eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahrens zur Aufbringung einer entsprechenden Beschichtung auf Kolbenringe bekannt.
Zur Betätigung von Ein- und Auslassventilen in Brennkraftmaschinen werden üblicherweise Ventilstößel verwendet, die als Rollenstößel oder als Gleitstößel ausgebildet sein können. Bei Gleitstößeln erfolgt eine Kraftübertragung mittels Gleitkontakt, weshalb die Kontaktfläche besonders verschleißbeständig ausgebildet sein muss. Hierfür werden derzeit deshalb hochfeste Oberflächen und Materialien eingesetzt, wobei üblicherweise bei einem Gleitstößel heutzutage eine gesinterte Hartmetall- oder Keramikplatte in einem Stößelgrundkörper eingesetzt wird. Hierdurch ist die direkt im Gleit-/Reibkontakt befindliche Oberfläche hochfest, wogegen der Rest des Gleitstößels aus einem kostengünstigen und insbesondere auch weicheren Material gefertigt werden kann. Derartige Hartmetall- oder Keramikplatten können jedoch spröde sein und dadurch nur lokal eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitstößels anzugeben, mittels welchem ein äußerst verschleißbeständiger Gleitstößel kostengünstig herstellbar ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Verfahren zur Herstellung eines Gleitstößels eines Ventiltriebes einer Brennkraftmaschine zunächst an einer Kontaktfläche des Gleitstößels eine Wolframcarbid und Kobalt aufweisende Beschichtung aufzubringen. Diese Beschichtung wird mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen aufgebracht und nach dem Aufspritzen nachbearbeitet. Dabei wird die Beschichtung in vorteilhafter Weise auf eine Schichtdicke von maximal 150 µm abgetragen. Beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen erfolgt eine kontinuierliche Kraftstoffverbrennung unter hohem Druck innerhalb einer Brennkammer, wobei der in der Brennkammer erzeugte hohe Druck des brennenden Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisches durch eine nachgeordnete Expansionsdüse geleitet und dort die notwendige hohe Geschwindigkeit des Gasstrahls erzeugt wird. Diesem Hochgeschwindigkeitsgas werden dann Wolframcarbid und Kobalt als pulverförmige Spritzwerkstoffe zugegeben, wodurch diese mit hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche des Gleitstößels geschossen werden. Mittels des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens können sehr dichte Beschichtungen mit hervorragenden Hafteigenschaften hergestellt werden. Durch die regelbare und gerade ausreichende Wärmeeinbringung wird der Spritzwerkstoff durch den Spritzprozess nur geringfügig oder gar nicht metallurgisch verändert. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, einen vergleichsweise kostengünstigen Gleitstößelgrundkörper aus einem weichen Werkstoff, beispielsweise Stahl, mit der zuvor beschriebenen verschleißbeständigen Beschichtung zu versehen, die darüber hinaus so geformt wird, dass sie der hohen Beanspruchung des Gleitkontakts zwischen dem Nocken und dem Gleitstößel stand hält. Hierzu ist es erforderlich, dass die Beschichtung eine bestimmte Oberflächenqualität sowie eine erforderliche Dicke aufweist. Aus diesem Grund wird die Beschichtung zunächst beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen dicker aufgebracht und anschließend beim Nachbearbeiten auf die erforderliche Schichtdicke abgetragen. Hierdurch ist es möglich, Toleranzen im Ventiltrieb einzuhalten und nur eine für die Funktion unbedingt erforderliche Schichtdicke vorzusehen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Beschichtung durch Läppen nachbearbeitet. Läppen stellt ein spanendes maschinelles Fertigungsverfahren zur Glättung von Oberflächen, insbesondere zur Verringerung der Oberflächenrauheit, dar. Läppen ist dabei ein Spanen mit losem, in einer Paste oder Flüssigkeit verteiltem Korn, dem Läppgemisch, das auf einem meist formübertragenden Gegenstück bei möglichst ungeordneten Schneidbahnen der einzelnen Körner geführt wird. Im Gegensatz zum Schleifen, bei welchem das Schleifkorn fest gebunden ist, beispielsweise auf einer Schleifleinwand, wird beim Läppen mit einem losen, rollenden Korn gearbeitet. Dadurch können, selbst bei relativ großer Körnung wegen des geringen Materialabtrags sehr hohe Oberflächengüten erreicht werden. Wichtig ist dabei lediglich, dass die Korngröße des Schleifguts annähernd homogen ist, da vereinzelt größere Körner sonst relativ tiefe Riefen hervorrufen können. Im Gegensatz zum Schleifen ist Läppen ein Abtrag in mehrere Richtungen. Ein derartiger Läppprozess eignet sich insbesondere für die Oberflächenbearbeitung harter Oberflächen, wie beispielsweise einer Wolframcarbid oder Kobalt-Beschichtung.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird der Gleitstößel vor dem Aufbringen der Beschichtung gestrahlt. Das Strahlen der zu beschichtenden Oberfläche reinigt diese und erhöht die Rauheit und verbessert somit die Haftfähigkeit der aufzubringenden Beschichtung. Als Strahlgut kann beispielsweise SiO₂ oder Korund eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Gleitstößel mit einem derartigen Verfahren herzustellen, wobei die hierfür vorgesehene Beschichtung ca. 80 bis 90 Gew.-% Wolframcarbid und ca. 10 bis 20 Gew.-% Kobalt aufweist.
Eine Beschichtung mit den zuvor erwähnten Gewichtsprozentanteilen an Wolframcarbid und Kobalt besitzt folgende Vorteile: So ergibt sich bis hin zu hohen Einsatztemperaturen ein äußerst geringer Abrasivverschleiß, eine hohe Härte und Druckfestigkeit was eine Vorrausetzung für den Einsatz in der tribologisch hochbeanspruchten Gleitkontaktzone ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Beschichtung eine Oberflächenrauheit von Rz < 2,0 auf. Da die Oberflächenrauheit ein besonders zu beachtender Parameter bezüglich eines Gleitkontaktes und auch bezüglich eines Verschleißes bei einem Gleitkontakt darstellt, ist es wünschenswert, die Oberflächenrauheit möglichst gering zu halten. Das in den vorherigen Absätzen beschriebene Läppen als Nachbearbeitungsverfahren kann eine derart geringe Oberflächenrauheit eingestellt werden, wodurch ein besonders verschleißarmes Gleiten des Gleitstößels auf dem Nocken erreicht werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gleitstößel in einer Seitenansicht.
Entsprechend der 1 weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 eine Nockenwelle 2 auf, die über einen Nocken 3 in Gleitkontakt mit einem Gleitstößel 4 steht. Über den Gleitstößel 4 wiederum wird ein nicht gezeigtes Ventil, beispielsweise ein Einlassventil oder ein Auslassventil der Brennkraftmaschine 1 betätigt. Um nun einen möglichst verschleißbeständigen Ventiltrieb schaffen zu können, weist der Gleitstößel 4 an einer Kontaktfläche 5 zu dem Nocken 3 eine Wolframcarbid und kobalthaltige Beschichtung 6 auf. Diese Beschichtung 6 ist erfindungsgemäß mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen aufgebracht und anschließend nachbearbeitet, insbesondere durch Läppen, auf eine Schichtdicke von maximal 150 µm abgetragen.
Vor dem eigentlichen Aufbringen der wolframcarbid- und kobalthaltigen Beschichtung 6, wird ein Gleitstößelgrundkörper 7, insbesondere im Bereich der Kontaktfläche 5, gestrahlt, um eine möglichst gute Haftung der Beschichtung 6 erreichen zu können. Mit der erfindungsgemäß im Bereich der Kontaktfläche 5 aufgebrachten Beschichtung 6 ist es möglich, den Gleitstößelgrundkörper 7 aus einem kostengünstigen und insbesondere weichen Stahl-Werkstoff auszubilden.
Die Beschichtung 6 selbst besitzt nicht nur eine vordefinierte Dicke von maximal 100 µm, sondern zusätzlich auch eine Oberflächenrauheit von Rz < 2,0. Mit einer derartigen Begrenzung der Oberflächenrauheit bzw. Oberflächenrauigkeit, kann ein besonders verschleißarmer und leichtgängiger Gleitkontakt zwischen dem Nocken 3 und dem Gleitstößel 4 erreicht werden. Die Beschichtung 6 weist hierzu ca. 80 bis 90 Gew.-% Wolframcarbid und ca. 10 bis 20 % Kobalt auf. Damit wird eine besonders verschleißfeste und harte Beschichtung erzielt.
Generell kann der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Gleitstößel 4 als Flachstößel oder Tellerstößel ausgebildet sein, wie dies gemäß der 1 dargestellt ist, aber auch als sogenannter Pilzstößel, wodurch die Kontaktfläche 5 sphärisch ausgebildet ist.
Mit dem mit der erfindungsgemäßen Beschichtung 6 beschichteten Gleitstößel 4 kann ein einerseits kostengünstiger und fertigungstechnisch einfach herzustellender Gleitstößel 4 geschaffen werden, der zudem den vergleichsweise hohen Belastungen beim Gleitreibungskontakt mit dem zugehörigen Nocken 3 auch langfristig Stand hält.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 10088311 A [0002]
JP 10-88312 A [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gleitstößels (4) eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine (1), bei dem – an einer Kontaktfläche (5) des Gleitstößels (4) zu einem zugehörigen Nocken (3) eine Beschichtung (6) aufgebracht wird, die Wolframcarbid und Kobalt aufweist, – wobei die Beschichtung (6) mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen aufgebracht wird, – wobei die Beschichtung (6) nach dem Aufbringen nachbearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) durch die Nachbearbeitung auf eine Schichtdicke von maximal 150µm abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) durch Läppen nachbearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitstößel (4) vor dem Aufbringen der Beschichtung (6) gestrahlt wird.
Gleitstößel (4) eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine (1), hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Gleitstößel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) ca. 80–90 Gew.-% Wolframcarbid und ca. 10–20 Gew.-% Kobalt aufweist.
Gleitstößel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitstößel (4) als Flachstößel (Tellerstößel) oder als Pilzstößel ausgebildet ist.
Gleitstößel nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) eine Oberflächenrauheit von Rz < 2,0 aufweist.
Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Gleitstößel (4) nach einem der Ansprüche 5 bis 8.