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Die vorliegende Erfindung betrifft ein verschleißarmes Kegelstück zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor. Dabei sind Kegelstücke an mindestens einer Innenfläche mit einer Nickel-Phosphor Schicht versehen. Eine Nickel-Phosphor-Beschichtung umfasst dabei im Wesentlichen mit Phosphor dotiertes Nickel, wobei in bevorzugten Ausführungen weitere Füllstoffe in die Beschichtung eingearbeitet sind.
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Kegelstücke oder auch Ventilsicherungskeile oder Ventilsicherungsstücke genannt dienen dazu, an einem oberen Ende eines Ventilschafts einen Federteller für Ventilfedern anzubringen. Das Ventil wird somit durch die Federkraft der Ventilfedern gegen den Ventilsitzring gedrückt und somit durch die Ventilfedern in einer geschlossenen Stellung gehalten.
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Bisher war es lediglich üblich, Kegelstücke durch Einsatzhärten, Karbonitrieren oder Nitrokarburieren oder auch durch eine DLC-(Diamond-Like-Carbon)-Schicht gegen Verschleiß zu schützen.
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Kegelstücke sind die Teile, die einen Ventilschaft eines Ventils eines Verbrennungsmotors mit einem Federteller für eine Ventilfeder verbinden.
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Es ist wünschenswert, die Verschleißbeständigkeit von Kegelstücken, insbesondere von Ventil- und mehrrilligen Kegelstücken, zu erhöhen.
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Dies wird durch den Gegenstand des aktuellen Anspruchs 1 erreicht, wobei bevorzugte Ausführungen in den abhängigen Ansprüchen beschrieben sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein mehrrilligen Kegelstück für Tellerventile bereitgestellt, das eine chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung mindestens an einer Innenseite des Kegelstücks umfasst. Die chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung wird dabei nicht galvanisch, sondern chemisch erzeugt. Die chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung kann dabei als eine mit Phosphor dotierte Nickelschicht betrachtet werden.
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Im Weiteren werden die Ausdrücke „chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung“ und „chemisch Nickel-Phosphor-Schicht“ synonym verwendet wird. Eine chemische Nickel-Phosphor-Schicht wird außenstromlos in einem chemischen Prozess abgeschieden. Die Abscheidung ermöglicht maßhaltige Beschichtungen mit gleichmäßiger Schichtdickenverteilung auf nahezu allen Metallen und Metalllegierungen. Auch Innenbeschichtungen sind bis zu einem gewissen Grad realisierbar. Chemisches elementares Nickel ist zugleich sehr verschleißfest, d. h. die elementare chemische Nickel-Oberfläche sorgt für einen hohen Verschleißschutz. Auch der Korrosionsschutz ist beim Electroless Nickel (EN), wie chemisch Nickel auch bezeichnet wird, sehr hoch. Zudem ist die Oberfläche leitfähig.
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Der Unterschied zum galvanischen Nickel liegt unter anderem darin, dass zur Abscheidung kein äußerer elektrischer Strom, etwa aus einem Gleichrichter, verwendet wird, sondern die zur Abscheidung (Reduktion) der Nickelionen notwendigen Elektronen mittels chemischer Oxidationsreaktion im Bad selbst erzeugt werden. Dadurch erhält man beim chemischen Vernickeln konturentreue Beschichtungen. Ein Vorteil, der sich daraus ergibt, besteht darin, dass die Dicke der Beschichtung nicht von der Form des zu beschichtenden Bauteils abhängt. Bei einer galvanischen Beschichtung kommt es bei spitzen Vorsprüngen zu erhöhten elektrischen Feldstärken, was wiederum eine erhöhte Beschichtungsrate erzeugt. Umgekehrt wirkt ein Loch in einem leitenden Material abgeschirmt, was eine deutlich verringerte Abscheiderate zur Folge hat. Bei einer chemischen Nickel-Phosphor-Beschichtung kann daher unabhängig von der Bauteilgeometrie eine gleichmäßigere Beschichtungsdicke erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Mehrrilligen- Kegelstücks umfasst die chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung weiter Silizium-Carbid. Das Silizium-Carbid kann dabei die Festigkeit und die Härte der Nickel-Phosphor-Beschichtung stark erhöhen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des mehrrilligen Kegelstücks umfasst die chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung weiter Bor-Carbid. Das Bor-Carbid ist neben Diamant eines der härtesten Materialien und kann dadurch die Festigkeit und vor allem die Härte der Nickel-Phosphor-Beschichtung deutlich erhöhen.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des mehrrilligen Kegelstücks umfasst die chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung weiter Diamant oder diamantähnlichen bzw. diamantartigen Kohlenstoff DLC (Diamond-Like-Carbon). Hier können auch Diamanten oder Partikel aus diamantartigem Kohlenstoff in die Nickel-Phosphor-Beschichtung eingebettet werden, um so ein stabileres Verbundmaterial zur Verfügung zu haben.
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In einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform des mehrrilligen Kegelstücks umfasst die chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung weiter Wolfram. Das Wolfram kann dabei als Partikel in die chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung gebettet werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung weiter mit Wolfram zu dotieren, und so eine chemische Nickel-Phosphor-Wolfram-Beschichtung auf dem Kegelstück zu erzeugen.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform der chemischen Nickel-Phosphor-Beschichtung umfasst diese weiter hexagonales Bornitrid. Bornitrid mit der chemischen Formel BN, ist eine Bor-Stickstoff-Verbindung, in der natürlich ausschließlich das metastabile hexagonale α-Bomitrid vorkommt. Hexagonales Bornitrid weist ähnlich wie Graphit eine sehr geringe Härte und gute Gleiteigenschaften auf.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des mehrrilligen Kegelstücks umfasst die chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung weiter Polytetrafluoretylen. Polytetrafluoretylen ist auch als Teflon™ bekannt, ist chemisch gegenüber vielen Chemikalien inert und weist gute Gleiteigenschaften auf.
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In einer beispielhaften und anderen Ausführungsform des mehrrilligen Kegelstücks liegen das Silizium-Carbid, das Bor-Carbid, der Diamant oder der diamantartige Kohlenstoff, das Wolfram, das hexagonale Bornitrid und/oder das Polytetrafluoretylen in Partikelform in der Nickel-Phosphor-Beschichtung vor. Die Partikel sind dabei chemisch, mindestens jedoch durch Formschluss, in der Nickel-Phosphor-Beschichtung integriert bzw. eingebettet.
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Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des mehrrilligen Kegelstücks machen die Partikel 1 bis 40 Vol%, bevorzugt 5 bis 20 Vol%, und weiter bevorzugt 10 bis 30 Vol% der Nickel-Phosphor-Beschichtung aus. Die Partikel stellen einen beträchtlichen Teil der Beschichtung dar, sodass die partikelhaltige Nickel-Phosphor-Beschichtung als Composite-Material bzw. Verbundwerkstoff betrachtet werden kann, bei der die Materialeigenschaften der Partikel die Eigenschaften der Nickel-Phosphor-Beschichtung deutlich beeinflussen.
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Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform des mehrrilligen Kegelstücks für Tellerventile weist die Nickel-Phosphor-Beschichtung eine Dicke von 1nm bis 30µm, bevorzugt 1 bis 25µm, weiter bevorzugt zwischen 5 bis 20µm, und noch weiter bevorzugt zwischen 10 bis 15µm auf. Es können sehr kleine Partikel im Nanometerbereich verwendet, werden. Es ist jedoch ebenfalls vorgesehen, Partikel in einer Größenordnung von 1 bis 800nm, bevorzugt 10 bis 500nm und weiter bevorzugt 100nm bis 600nm zu verwenden, um eine möglichst homogene Verteilung von Partikeln in der Beschichtung zu erreichen. Weiterhin kann eine Beschichtung mit Partikeln in der Größenordnung von 300nm bis 20µm bevorzugt zwischen 600nm und 10µm und weiter bevorzugt zwischen 800nm und 10µm vorgesehen sein, um durch größere Partikel eine widerstandsfähigere Beschichtung zu erreichen. Die Dicke von bis zu einem Tausendstel bzw. bis zu einem viertel zehntel Millimeter zeigt, dass die Beschichtung je nach Füllstoff völlig verschiedene Aufgaben lösen kann. Eine relativ dünne Schicht kann bereits eine Verschleißfestigkeit deutlich erhöhen, während eine dickere Schicht sich vor allem als Gleitschicht anbietet.
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Eine beispielhafte Ausführungsform des mehrrilligen Kegelstück setzt eine Partikelform bzw. Partikel-Erscheinungsform in der Nickel-Phosphor-Beschichtung ein, die Abmessungen, bzw. Hauptabmessungen zwischen 1 bis 15µm, bevorzugt zwischen 2 bis 13µm, und weiter bevorzugt zwischen 5 bis 10µm aufweisen. Auch hier werden größere Partikel insbesondere für einen Einsatz in Verschleißschutzschichten bevorzugt. Kleinere Partikel mit einem geringeren Vol.% Anteil können sich insbesondere für einen Einsatz als Schmier- bzw. Gleitschichten eignen.
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In einer anderen zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform des mehrrilligen Kegelstücks wurden die Partikel in der Nickel-Phosphor-Beschichtung vor dem Einbringen in die Nickel-Phosphor-Beschichtung selbst mit einer chemischen Nickel-Phosphor-Beschichtung versehen. Dieses Verfahren erleichtert dabei die Bildung der Nickel-Phosphor-Beschichtung auf dem Keilstück, da hier nur Nickel-Phosphor-Oberflächen durch eine weitere chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung miteinander verbunden werden müssen. Dadurch wird vermieden, reaktionsträge Materialien wie Bornitrid, Diamant oder Polytetrafluoretylen erst bei der späteren Beschichtung der Oberflächen des Kegelstücks mit der Nickel-Phosphor-Beschichtung ebenfalls mit Nickel-Phosphor zu versehen. So kann eine schnellere und bessere Anhaftung bzw. Einbettung der Partikel in der Nickel-Phosphor-Schicht erreicht werden.
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Bei einer anderen zusätzlich beispielhaften Ausführungsform des mehrrilligen Kegelstücks beträgt ein Phosphoranteil der Nickel-Phosphor-Beschichtung zwischen 0,01 bis 20Vol.%, bevorzugt zwischen 0,1 bis 15 Vol.%, und weiter bevorzugt zwischen 1 bis 10 Vol.%, Die grundlegende Beschichtung kann eine leicht Phosphor-dotierte Nickelschicht darstellen, jedoch ebenfalls eine Legierung aus Nickel und Phosphor mit hohem Phosphoranteil bilden.
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Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des mehrrilligen Kegelstücks umfasst dieses mindestens zwei verschiedene Nickel-Phosphor-Beschichtungen, die übereinander angeordnet sind, ausgewählt aus einer Nickel-Phosphor-Beschichtung mit Silizium-Carbid, einer Nickel-Phosphor-Beschichtung mit Bor-Carbid, einer Nickel-Phosphor-Beschichtung mit Diamant oder mit dem diamantartigen Kohlenstoff, einer Nickel-Phosphor-Beschichtung mit Wolfram, einer Nickel-Phosphor-Beschichtung mit hexagonalem Bornitrid und einer Nickel-Phosphor-Beschichtung mit Polytetrafluoretylen. Bevorzugt sind dabei Kombinationen, bei denen eine verschleißfeste Grundschicht mit Silizium-Carbid, Bor-Carbid, mit Diamant oder mit dem diamantartigen Kohlenstoff, und/oder Wolfram unter einer Nickel-Phosphor-Beschichtung mit einer Gleitschicht mit hexagonalem Bornitrid und/oder Polytetrafluoretylen angeordnet ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen und nicht maßstabsgerechten Figuren verdeutlicht.
- 1A stellt eine Ansicht auf eine Innenseite eines Kegelstücks 2 dar, das als Mehrrillen-Kegelstück ausgeführt ist.
- 1B bis 1C zeigen jeweils Teil-Schnittansichten, die verschiedene Beschichtungsvarianten des Kegelstücks von 1A verdeutlichen.
- 2 stellte eine Ausführung eines Kegelstücks mir nur einer Rille in einer perspektivischen Ansicht dar.
- 3A bis 3C zeigen ein Beispiel eines Ventilschafts und eines Kegelstücks sowie eines Ventiltellers mit mehreren Rillen in verschiedenen Ansichten.
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Sowohl in den Figuren als auch in der Beschreibung werden gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Elemente und Komponenten Bezug zu nehmen.
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1A stellt eine Ansicht bzw. eine seitliche Ansicht auf eine Innenseite eines Kegelstücks 2 dar, das als Mehrrillen-Kegelstück ausgeführt ist. Das Kegelstück weist an einer Innenseite 8 eine Struktur mit mehreren Erhebungen bzw. Rillen auf, die mit entsprechenden komplementär geformten Strukturen an einem Ventilschaftende eines Ein- oder Auslassventils eines Verbrennungsmotors in Eingriff gebracht werden können.
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Die Struktur ist hier als im Querschnitt halbkreisförmige Rippen ausgeführt. Die Außen- bzw. Mantelfläche 10 des Kegelstücks 4 bildet eine halbe Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Die Basisfläche des Kegelstumpfes bildet die Basis 20 des Kegelstücks. Die Innenseite 8 des Kegelstücks 2 ist mit einer chemischen Nickel-Phosphor-Beschichtung versehen. Die Innenbeschichtung ist aufgrund ihrer geringen Dicke in der 1A nicht gesondert dargestellt. In der Aufsicht bildet das Kegelstück einen Drittel- oder Halbring. Die 1A stellt somit eine Aufsicht auf eine Innenfläche des Kegelstücks 2 und keine Schnittansicht dar.
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1B bis 1C zeigen jeweils Teil-Schnittansichten, die verschiedene Beschichtungsvarianten des Kegelstücks von 1A verdeutlichen.
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In 1B ist eine Teil-Schnittansicht der 1A, bei der die gesamte Innenfläche 8 mit einer gleichmäßigen chemischen Nickel-Phosphor-Beschichtung 6 versehen ist. Die chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung kann zudem mit Partikeln aus Silizium-Carbid, Bor-Carbid, Diamant oder Diamantartigem Kohlenstoff, oder auch aus Wolfram versehen sein, um eine festere und härtere Verschleißschutzschicht zu bilden. Es ist ebenfalls möglich, die chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung mit Partikeln aus hexagonalem Bornitrid und/oder Polytetrafluoretylen zu versetzen, um eine Gleitschicht zu bilden.
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Zusätzlich zu der Innenfläche können ebenfalls die Außenflächen des Kegelstücks 2 mit der chemischen Nickel-Phosphor-Beschichtung bzw. der chemischen Nickel-Phosphor-Beschichtung mit eingebetteten Partikeln beschichtet sein.
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In 1C ist eine Teil-Schnittansicht der 1A, bei der die gesamte Innenfläche 8 mit einer gleichmäßigen chemischen Nickel-Phosphor-Beschichtung 6, 18 versehen ist, die zusätzlich mit Gleitpartikeln wie hexagonalem Bornitrid und/oder Polytetrafluoretylen, versetzt sein kann. Zwischen der chemischen Nickel-Phosphor-Beschichtung 6, 18, die als Gleitschicht ausgeführt ist, und einem Material 24 des Kegelstücks ist eine weitere chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung 12, 14, 16 angeordnet, die als Verschleißschutzschicht ausgeführt ist. Die Verschleißschutzschicht kann als eine chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung 12, 14, 16 mit eingebetteten Partikeln aus Silizium-Carbid, Bor-Carbid, Diamant, diamantartigem Kohlenstoff, und/oder Wolfram ausgeführt sein.
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2 stellt eine Ausführung eines Kegelstücks mit nur einer Rille in einer perspektivischen Ansicht dar. In der perspektivischen Ansicht ist die gesamte Form eines Kegelstücks zu erkennen. Kegelstücke werden üblicherweise paarweise eingesetzt.
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3A bis 3C zeigen ein Beispiel eines Ventilschafts und eines Kegelstücks sowie eines Ventiltellers mit drei Rillen in verschiedenen Ansichten.
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3A zeigt eine Teilansicht eines Ventils, nämlich das Ventilschaftende 26, das mit drei Rillen versehen ist, die mit einem entsprechenden Vorsprung an einem bzw. zwei Mehrrillen-Kegelstücken 4 in Eingriff gebracht werden kann.
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3B zeigt eine teilgeschnittene Teilansicht eines Ventilschaftendes 26, das mit Mehrrillen-Kegelstücken 4 in einem Federteller 28 befestigt ist. Der Federteller 28 wird auch hier durch eine nicht dargestellte Feder nach oben gedrückt, wodurch sich die Mehrrillen-Kegelstücke 4, die mit ihren Rippen mit einer entsprechenden Ausnehmung bzw. Rille in dem Ventilschaftende 26 in Eingriff stehen, ebenfalls nach unten gedrückt werden. Durch die Kegelform der Mehrrillen-Kegelstücke 4 und der zentralen Bohrung des Federtellers 28 werden die Mehrrillen-Kegelstücke 4 in Radialrichtung gegen den Ventilschaft bzw. das Ventilschaftende 26 gepresst.
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3C zeigt eine axiale Aufsicht auf ein Ventilschaftende 26, das mit den Mehrrillen-Kegelstücken 4 in einem Federteller 28 befestigt ist. Hier wird der Federteller 28 nach oben in Richtung des Betrachters gedrückt, wodurch die Kegelstücke durch ihre Form in Radialrichtung gegen den Ventilschaft bzw. das Ventilschaftende 26 gepresst werden. In der 3C sind die Mehrrillen-Kegelstücke als spaltlose Kegelstücke 32 ausgeführt, sodass die Kegelstücke in Umfangsichtung aneinander liegen. Durch die Kegelstückspalten erfolgt ein Formschluss zwischen dem Federteller 28 und dem Ventilschaftende 26 in Axialrichtung. Ein Kraftschluss zwischen den Kegelstücken 4 und dem Ventilschaftende 26 liegt nicht vor, weshalb die Armierung der Rippen der Kegelstücke insbesondere für diese Ausführung sehr wichtig ist. Durch den fehlenden Kraftschluss können die Ventile bei einer Betätigung gegenüber den Kegelstücken frei um ihre Schaftachsen drehen.
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Die 3A bis 3C zeigen lediglich weitere Ausführungen von Kegelstücken, die ebenfalls mit einer Beschichtung wie in den 1B bis 1E versehen sind. Die Beschichtung ist in den 3A bis 3C nicht dargestellt, da sie in dem Maßstab nicht dargestellt werden konnte, und die Darstellung aller möglichen Beschichtungsvarianten den Umfang der Beschreibung und der Zeichnung unnötig erhöhen würde, ohne neue Merkmale bereitzustellen.
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Abweichend zu den 1A bis 2 können auch andere Formen von Rippen oder Strukturen vorgesehen sein, die mit einem Ventilschaftende eines Ventils eines Verbrennungsmotors in Eingriff stehen sollen.
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Es ist ebenfalls möglich, die Kegelstücke vor dem Aufbringen der Partikeln aus Silizium-Carbid, Bor-Carbid, Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff oder auch aus Wolfram DLC- und der anderen Schichten durch Einsatzhärten vorzubereiten.
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Durch die DLC-Beschichtung der Innenkontur wird das Verschleißverhalten der Kegelstücke verbessert und die Reibung der Wülste, Rippen oder Strukturen im Einstich deutlich reduziert, wodurch eine Verbesserung des Drehverhaltens der Ventile erreicht werden kann.
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Es ist ebenfalls vorgesehen, andere Flächen als nur die Innenfläche des Kegelstücks mit einer DLC- Schicht und eventuell auch mit den Haftvermittlerschichten zu beschichten.
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Es ist beabsichtigt, dass auch Kombinationen von Merkmalen der Ausführungen der I A bis 3C als offenbart angesehen werden sollen. Die Figuren sollen nicht zur Beschränkung des in den Ansprüchen bestimmten Schutzumfangs herangezogen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 4
- Mehrrillen-Kegelstück
- 6
- chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung
- 8
- Innenseite des Kegelstücks
- 10
- Außenseite des Kegelstücks
- 12
- chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung als Gleitschicht mit hexagonalem Bornitrid oder Polytetrafluoretylen-Partikeln
- 18
- chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung als Gleitschicht mit hexagonalem Bornitrid oder Polytetrafluoretylen-Partikeln
- 20
- Basis
- 24
- Material des Kegelstücks
- 26
- Ventilschaftende
- 28
- Federteller
- 32
- Spaltlose Kegelstücke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012209391 A1 [0004]
- DE 4342072 A1 [0004]
- US 5597657 [0004]
