DE102017218123A1 - Verfahren zum Herstellen eines Ventilsitzrings auf pulvermetallurgischem Wege - Google Patents

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Alexander Müller
Roland Scholl
Klaus Wintrich
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Mahle International GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Ventilsitzrings auf pulvermetallurgischem Wege. Gemäß dem Verfahren wird ein Pulvergemisch, das zwischen 4 Gew.-% und 16 Gew.-% an Partikeln aus Kobalt enthält, zu dem Ventilsitzring verdichtet, gepresst, und gesintert, Dabei weisen 80% der Partikel aus Kobalt einen Partikeldurchmesser zwischen 4,4 µm und 17,5 µm auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Ventilsitzrings auf pulvermetallurgischem Wege sowie einen Ventilsitzring, welcher unter Durchführung dieses Verfahrens hergestellt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein tribologisches System mit einem solchen Ventilsitzring sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen tribologischen System.
  • Es ist bekannt, Ventilsitzringe für Ein- und Auslassventile von Brennkraftmaschinen pulvermetallurgisch herzustellen. Derartige pulvermetallurgische Herstellungsverfahren ermöglichen eine hochpräzise Fertigung, die nur weniger Nachbearbeitungsschritte bedarf. Gleichzeitig können auf pulvermetallurgischem Wege auch sonst nur schwer beimischbare Bestandteile, beispielsweise Schmier- und Gleitmittel, auf einfache Weise zugemischt werden.
  • Ein derartiges pulvermetallurgisches Herstellungsverfahren ist aus der DE 103 36 407 A1 bekannt.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Herstellungsverfahren für pulvermetallurgisch hergestellte Ventilsitzringe zu schaffen. Insbesondere sollen mittels eines solchen Verfahrens Ventilsitzringe mit verbesserten Verschleißeigenschaften hergestellt werden, so dass die geschaffenen Ventilsitzringe auch eine erhöhte Lebensdauer aufweisen, wenn sie in einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Ventilsitzrings auf pulvermetallurgischem Wege wird ein Pulvergemisch, das zwischen 4 Gew.-% und 16 Gew.-% an Partikeln aus Kobalt enthält, zum Ventilsitzring verdichtet und anschließend gesintert. Erfindungsgemäß weisen 80% der Partikel aus Kobalt, die in dem Pulvergemisch enthalten sind, vor dem Verdichten einen Partikeldurchmesser zwischen 4,4 µm und 17,5 µm auf. Verschleißtests mit dem auf diese Weise hergestellten Ventilsitzring haben gezeigt, dass dieses gegenüber herkömmlichen, auf pulvermetallurgischem Wege hergestellten Ventilsitzringen eine deutlich erhöhte Verschleißresistenz besitzt. Mit dieser Eigenschaft geht auch eine erhöhte Lebensdauer des hergestellten Ventilsitzrings einher.
  • Besonders gute Verschleißeigenschaften in dem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Ventilsitzring werden erzielt, wenn 80% der Partikel aus Kobalt, die in dem Pulvergemisch enthalten sind, vor dem Verdichten einen Partikeldurchmesser zwischen 6,5 µm und 12 µm aufweisen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden zwischen 0 Gew.-% und 40 Gew.-% des Ausgangsmaterials durch zumindest eine Hartphase auf Eisen-, Kobalt oder Molybdän-Basis gebildet, die als Beimischung in dem Ausgangsmaterial enthalten sind. Vorzugsweise können zwei oder mehr der genannten Hartphasen in dem Ausgangsmaterial enthalten sein. Die Beimischung wenigstens einer Hartphase erhöht die Härte des mittels des Verfahrens hergestellten Ventilsitzrings.
  • Besonders bevorzugt sind zwischen 0 Gew.-% und 3 Gew.-% des Ausgangsmaterials durch zumindest einen Festschmierstoff gebildet. Besagter Festschmierstoff ist als Beimischung in dem Ausgangsmaterial enthalten. Besonders bevorzugt sind mehrere solche Festschmierstoffe in dem Ausgangsmaterial enthalten.
  • Zweckmäßig können zwischen 0 Gew.-% und 5,5 Gew.-% des Ausgangsmaterials jeweils durch eine Beimischung aus Kupfer, Bronze, Messing, Eisenphosphor (FeP) und/oder Graphit gebildet sein.
  • Besonders zweckmäßig kann das Ausgangsmaterial zwischen 0 Gew.-% und 7 Gew.-% Kupfer enthalten.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind zwischen 0 Gew.-% und 5,5 Gew.-% des Ausgangsmaterials jeweils durch ein Press-Hilfsmittel und/oder einen Fließ-Verbesserer gebildet.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Ausgangsmaterial ein Eisenbasispulver, welches folgende Bestandteile aufweist: 0 bis 3 Gew.-% Cr, 0 bis 1,5 Gew.-% Si, 0 bis 4 Gew.-% Ni, 0 bis 3,5 Gew.-% V, 0 bis 2,5 Gew.-% W, 0 bis 2,5 Gew.-% Mo.
  • Bevorzugt weist das Ausgangsmaterial ferner einen oder mehrere der folgenden Bestandteile auf: Graphit, MnS, FeP, CaF2, MoS2.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein tribologisches System mit einem vorangehend vorgestellten Ventilsitzring und mit einem Ventilkörper zum Verschließen einer von dem Ventilsitzring eingefassten Ventilöffnung. Die vorabgehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens übertragen sich daher auf das erfindungsgemäße tribologische System.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst oder ist das Material des Ventilkörpers X45CrSi-9.
  • Zweckmäßig kann der Ventilsitzring nitriert und/oder gehärtet sein.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Ventilkörper einen Ventilschaft und einen Ventilteller, wobei der Ventilteller in einem Kontaktabschnitt, in welchem er zum Verschließen der Ventilöffnung am Ventilsitzring anliegt, gehärtet und/oder nitriert ist.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug. Die Brennkraftmaschine umfasst ein vorangehend vorgestelltes tribologisches System, wobei die Ventilöffnung und der Ventilsitzring des tribologischen Systems an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine vorgesehen sind. Die vorabgehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße tribologische System.
  • 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.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die einzige 1 zeigt in schematischer, stark vereinfachter Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen tribologischen Systems 10, die in einem Zylinderkopf 16 einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Das tribologische System 10 umfasst eine Ventilöffnung 11, welche mittels eines Ventilkörpers 13 verschlossen werden kann. 1 zeigt den Ventilkörper 13 in einer Schließstellung. Als Material für den Ventilkörper 13 kann X45CrSi-9 verwendet werden. Der Ventilkörper 13 umfasst einen Ventilschaft 14, der axial in einen Ventilteller 15 übergeht. Die Ventilöffnung 11 ist von einem Ventilsitzring 12 eingefasst.
  • In einer in 1 gezeigten Schließstellung verschließt der Ventilteller 15 die Ventilöffnung 11. Hierzu liegt der Ventilteller 15 mit einem Kontaktabschnitt 17 am Ventilsitzring 12 an. Der Ventilsitzring 12 kann nitriert und auf diese Weise gehärtet sein.
  • Der Ventilsitz 12 wurde mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, also auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Ventilsitzes 12 wird ein Pulvergemisch, das zwischen 4 Gew.-% und 16 Gew.-% an Partikeln aus Kobalt enthält, zu dem Ventilsitzring verdichtet. Das Verdichten kann mittels eines Pressvorgangs erfolgen. Das verdichtete Pulvergemisch wird anschließend gesintert. Anstelle eines Sintervorgangs kommt auch ein Warmwalzen des verdichteten Pulvergemischs in Betracht. Vor dem Verdichten besitzen 80% der Partikel aus Kobalt einen Partikeldurchmesser zwischen 4,4 und 17,5 µm, aufweisen. Bevorzugt ist ein Wert des Partikeldurchmessers zwischen 6,5 und 12 µm.
  • Außerdem können jeweils zwischen 0 Gew.-% und 40 Gew.-% des Ausgangsmaterials durch Hartphasen auf Eisen-, Kobalt oder Molybdän-Basis gebildet sein, die im Ausgangsmaterial als Beimischung enthalten sind. Jede im Ausgangsmaterial vorhandene Hartphase kann also zwischen 0 Gew.-% und 40 Gew.-% des Ausgangsmaterials ausmachen. Ebenso können jeweils zwischen 0 Gew.-% und 3 Gew.-% des Ausgangsmaterials durch verschiedene Festschmierstoffe gebildet sind, die als Beimischung in dem Ausgangsmaterial enthalten sind. Jeder im Ausgangsmaterial vorhandene Festschmierstoff kann also zwischen 0 Gew.-% und 3 Gew.-% des Ausgangsmaterials ausmachen. Ebenso können jeweils zwischen 0 Gew.-% und 5,5 Gew.-% des Ausgangsmaterials jeweils durch eine Beimischung aus Kupfer, Bronze, Messing, Eisenphosphor (FeP) und/oder Graphit gebildet sein. Jede der vorangehend genannten Substanzen kann also zwischen 0 Gew.-% und 40 Gew.-% des Ausgangsmaterials ausmachen. Des Weiteren können jeweils zwischen 0 Gew.-% und 5,5 Gew.-% des Ausgangsmaterials jeweils durch ein Press-Hilfsmittel sowie Fließ-Verbesserer gebildet sein.
  • Des Weiteren kann das Ausgangsmaterial zwischen 0 Gew.-% und 7 Gew.-% Kupfer enthalten. Weiterhin kann das Ausgangsmaterial ein Eisenbasispulver enthalten. Das Eisenbasispulver kann wiederum folgende Bestandteile enthalten: 0 bis 3 Gew.-% Cr, 0 bis 1,5 Gew.-% Si, 0 bis 4 Gew.-% Ni, 0 bis 3,5 Gew.-% V, 0 bis 2,5 Gew.-% W, 0 bis 2,5 Gew.-% Mo. Ferner kann das Ausgangsmaterial ferner einen oder mehrere der folgenden Bestandteile aufweisen: Graphit, MnS, FeP, CaF2, MoS2.
  • 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
    • DE 10336407 A1 [0003]

Claims (13)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Ventilsitzrings (12) auf pulvermetallurgischem Wege, - gemäß welchem ein Pulvergemisch, welches zwischen 4 Gew.-% und 16 Gew.-% an Partikeln aus Kobalt enthält, zu dem Ventilsitzring (12) verdichtet, insbesondere gepresst, und anschließend gesintert wird, wobei 80% der Partikel aus Kobalt vor dem Verdichten einen Partikeldurchmesser zwischen 4,4 µm und 17,5 µm, vorzugsweise zwischen 6,5 µm und 12 µm, aufweisen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 0 Gew.-% und 40 Gew.-% des Ausgangsmaterials durch zumindest eine Hartphase, vorzugsweise durch mehrere Hartphasen, auf Eisen-, Kobalt- und/oder Molybdän-Basis gebildet sind, die als Beimischung in dem Ausgangsmaterial enthalten sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 0 Gew.-% und 3 Gew.-% des Ausgangsmaterials durch zumindest einen Festschmierstoff, vorzugsweise durch mehrere Festschmierstoffe, gebildet sind, der als Beimischung in dem Ausgangsmaterial enthalten ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 0 Gew.-% und 5,5 Gew.-% des Ausgangsmaterials jeweils durch eine Beimischung aus Kupfer, Bronze, Messing, Eisenphosphor und/oder Graphit gebildet sind.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial zwischen 0 Gew.-% und 7 Gew.-% Kupfer enthält.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 0 Gew.-% und 5,5 Gew.-% des Ausgangsmaterials jeweils durch ein Press-Hilfsmittel und/oder einen Fließ-Verbesserer gebildet sind.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial ein Eisenbasispulver enthält, welches folgende Bestandteile aufweist: 0 bis 3 Gew.-% Cr, 0 bis 1,5 Gew.-% Si, 0 bis 4 Gew.-% Ni, 0 bis 3,5 Gew.-% V, 0 bis 2,5 Gew.-% W, 0 bis 2,5 Gew.-% Mo.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial ferner einen oder mehrere der folgenden Bestandteile aufweist: Graphit, MnS, FeP, CaF2, MoS2.
  9. Ventilsitzring (12), hergestellt mittels des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Tribologisches System (10), - mit einem Ventilsitzring (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - mit einem Ventilkörper (13) zum Verschließen einer von dem Ventilsitzring (12) eingefassten Ventilöffnung (11).
  11. Tribologisches System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Ventilkörpers (13) X45CrSi-9 umfasst oder ist.
  12. Tribologisches System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzring (12) nitriert und/oder gehärtet ist.
  13. Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, - mit einem tribologischen System (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, - wobei die Ventilöffnung (11) und der Ventilsitzring (12) des tribologischen Systems (10) an einem Zylinderkopf (16) der Brennkraftmaschine vorgesehen sind.
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