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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors aus einem Substratmaterial mit zumindest einem beschichteten Ventilsitz, wobei der zumindest eine beschichtete Ventilsitzbereich mittels eines lokalen thermischen Auftragsschweißverfahrens ausgebildet wurde.
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Bei manchen technischen Vorrichtungen ist es erforderlich, dass Teile der Oberfläche eine besondere Härte aufweisen. Dies rührt beispielsweise daher, dass in diesem Bereich zwei Maschinenteile aneinander vorbei gleiten (zum Beispiel Wellenlager) oder zwei Maschinenteile funktionsbedingt wiederholt in Kontakt miteinander geraten müssen und sich anschließend wieder voneinander entfernen müssen. Das letztgenannte „wiederholt in Kontakt miteinander bringen“ kann dann, wenn höhere Geschwindigkeiten auftreten, auch zu einem wiederholten Aneinanderschlagen der beiden Teile führen. Es ist leicht einsichtig, dass in solchen Fällen die relevanten Bauteilbereiche besonders hart ausgeführt werden müssen, damit es nicht zu einem vorzeitigen Verschleiß kommt.
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Grundsätzlich ist es natürlich möglich, das komplette Werkstück aus einem besonders harten Material zu fertigen, bzw. (im Wesentlichen) vollständig mit einer besonders harten Schicht zu überziehen. Obgleich dies in technischer Hinsicht eine realisierbare Option darstellt, ist ein solches Vorgehen aufgrund der damit einhergehenden Kosten in der Regel wirtschaftlich wenig sinnvoll.
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Ein Beispiel für den genannten Themenbereich sind Verbrennungsmotoren bei Kraftfahrzeugen. Hier sind insbesondere die Ventilsitze von Einlassventilen und Auslassventilen der Verbrennungskammern des Motors zu nennen. Da solche Verbrennungsmotoren bei höheren Drehzahlen betrieben werden, müssen die Ventile entsprechend schnell Öffnen und Schließen - ein Aufschlagen der Ventile auf die dazugehörigen Ventilsitze ist daher unumgänglich.
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Darüber hinaus kommt es aus Umweltgesichtspunkten zu steigenden Anforderungen an die Ventilsitze von Verbrennungsmotoren. Dies rührt daher, dass die Kraftstoffe aus Umweltgesichtspunkten zunehmend weniger bzw. weniger geeignete Zuschlagsstoffe aufweisen dürfen, die bezüglich des Aufschlagens der Ventile auf die Ventilsitze hilfreich sein könnten. Während vor wenigen Jahrzehnten verbleites Benzin im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt wurde, sind derartige Kraftstoffe - falls überhaupt - nur noch schwer erhältlich, bzw. es müssen die betreffenden Zuschlagstoffe selbst hinzugefügt werden.
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Das Problem verschärft sich zusätzlich dadurch, dass zunehmend alkoholbasierte Kraftstoffe verwendet werden sollen, bzw. bei Kraftstoffen der Alkoholgehalt steigen soll. Dies führt dazu, dass manche Techniken zum Ausbilden ausreichend harter Ventilsitze zunehmend zu Problemen führen.
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Um das Problem zu lösen wurde beispielsweise vorgeschlagen, im Bereich des Ventilsitzes eine Nut aus dem Zylinderkopf heraus zu fräsen. In die Nut wird anschließend ein Metallring aus einem besonders widerstandsfähigen metallischen Material eingesetzt. Diese Vorgehensweise liefert durchaus praktikable Ergebnisse. Problematisch ist jedoch der vergleichsweise hohe Fertigungsaufwand. Insbesondere erweist es sich als problematisch, einen dauerhaft festen Sitz der Ringe in der vorgesehenen Nut zu gewährleisten. Dies wird im Stand der Technik oftmals dadurch gelöst, dass der einzusetzende Metallring tiefen Temperaturen (beispielsweise flüssiger Stickstoff) ausgesetzt wird und der Ring im kalten Zustand in die Nut eingesetzt wird. Aufgrund der Wärmeausdehnung klemmt dieser dann bei Zimmertemperatur, insbesondere bei Betriebstemperatur des Motors fest in der Nut. Ein zunehmendes Problem bei dieser Technik besteht dahingehend, dass durch Korrosionserscheinungen (Materialfraß) über die Zeit hinweg Material am Ring bzw. entlang der Nut verloren geht und sich der Ring zu einem gewissen Zeitpunkt lösen kann. Dies ist insbesondere bei alkoholischen (Methanol bzw. Ethanol) bzw. alkoholhaltigen Kraftstoffen ein Problem.
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Ein weiterer Vorschlag besteht darin, dass im Bereich des Ventilsitzes eine dünne Materialschicht aus besonders widerstandsfähigem Material aufgetragen wird. Hierzu wird meist ein lokal begrenzter thermischer Energieeintrag, beispielsweise mittels eines Laserstrahls, genutzt. Entsprechende Schichten und Beschichtungsverfahren sind beispielsweise in der
US 7,431,881 B2 oder in der
US 2016/0311071 A1 offenbart. Obgleich das Auftragen einer Beschichtung durch lokales Aufschmelzen mittels Laserstrahlen (auch als Laser-Cladding bezeichnet) einen gewissen Aufwand darstellt, besteht ein großer Vorteil darin, dass die Materialschicht - anders als bei in einer Nut eingesetzten Materialringen - metallurgisch verbunden und somit gewissermaßen „unverlierbar“ ist. Ein wesentliches Problem besteht jedoch dahingehend, dass bei den Laser-Cladding-Verfahren die ausgebildete Schicht vergleichsweise stark vom Material des eigentlichen Werkstücks abhängt. Die Freiheitsgrade bezüglich der nutzbaren Materialien für die Beschichtung sind dementsprechend eingeschränkt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors aus einem Substratmaterial mit einem beschichteten Ventilsitz vorzuschlagen, welcher gegenüber gleichartigen, im Stand der Technik bekannten Ventilsitzen, verbessert ist. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Ausbildung eines beschichteten Ventilsitzbereichs bei einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors vorzuschlagen, welches gegenüber ähnlichen Verfahren, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, verbessert ist.
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Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe durch einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit Ventilsitz mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Es wird ein Zylinderkopf aus einem Substratmaterial mit zumindest einem beschichteten Ventilsitz vorgeschlagen. Der zumindest eine beschichtete Ventilsitz wird mittels eines lokalen thermischen Auftragsschweißverfahrens ausgebildet. Weiterhin weist der zumindest eine beschichtete Ventilsitz, der auch als Oberflächenbereich bezeichnet werden kann, zumindest eine erste Schicht, bevorzugt aber auch darüber hinaus eine zweite Schicht auf. Die zweite Schicht ist dabei auf der ersten Schicht angeordnet, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht bevorzugt unterschiedlich sind. Die erste Schicht und die bevorzugt zusätzlich aufgetragene zweite Schicht werden jeweils mittels eines lokalen thermischen Auftragsschweißverfahrens ausgebildet. Im Fall zweilagiger Beschichtungen werden zumindest in Bereichen zwei übereinanderliegende, voneinander unterschiedliche Schichten, vorgesehen. Dadurch ist es möglich, dass insbesondere zwischen dem Substratmaterial und der zweiten Schicht ein größerer Materialunterschied schädigungsfrei realisiert werden kann. Dies ist einerseits dadurch bedingt, dass aufgrund der zwischenliegenden ersten Schicht eine geringere Materialänderung pro Längeneinheit auftreten kann. Darüber hinaus kann auch die erste Schicht als eine Art Pufferschicht wirken, so dass an sich (zumindest bis zu einem gewissen Grad) nicht-kompatible Materialien in Substratmaterial und zweiter Schicht dank der zwischenliegenden ersten Schicht dennoch, nämlich „mittelbar“ zusammengefügt werden können.
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Unter einer „Schicht“ (insbesondere der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht) wird typischerweise ein Materialbereich verstanden, dessen Erstreckung längs einer Fläche deutlich größer ist, als es dessen Dicke entspricht. Um ein typisches Größenverhältnis zu nennen: Flächengrößen im Bereich von 1 cm2 und mehr stehen typischerweise Dicken von 1 mm oder weniger (für eine einzelne Schicht) gegenüber. Es ist im Übrigen nicht unbedingt erforderlich, dass die erste Schicht und die zweite Schicht eine flächenmäßig gleichartige Erstreckung aufweisen. Vielmehr ist es möglich, dass die zweite Schicht von ihrer Fläche her kleiner ausgebildet ist, als es der Fläche der ersten Schicht entspricht. Hierdurch kann gewissermaßen eine Art Sicherheitsrandbereich vorgesehen werden, um beispielsweise Materialinkompatibilitäten zwischen Substratmaterial und Material der zweiten Schicht besonders effektiv verhindern zu können. Zusätzlich oder alternativ ist es aber auch möglich, dass sich die zweite Schicht (bereichsweise) über den Bereich der ersten Schicht hinaus erstreckt, sodass es zu einem direkten Materialkontakt zwischen zweiter Schicht und Substratmaterial kommen kann. Dies ist nicht notwendigerweise nachteilig. Im Gegenteil kann ein solcher Kontakt beispielsweise aus Festigkeitsgründen oder aus sonstigen Gründen sogar vorteilhaft sein.
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Wenn davon die Rede ist, dass die erste Schicht und die zweite Schicht unterschiedlich sind, so bezieht sich dies insbesondere auf das Material der betreffenden Schicht(en). Insbesondere ist es möglich, dass zumindest teilweise unterschiedliche Materialien vorhanden sind bzw. im Falle einer Legierung oder eines Materialgemischs in einer Schicht Materialkomponenten vorhanden sind, die in der anderen Schicht nicht zu finden sind, und umgekehrt. Zusätzlich oder alternativ ist es aber auch möglich, dass zwar in der ersten Schicht und der zweiten Schicht grundsätzlich die gleichen Materialien vorhanden sind, jedoch die Gemengeanteile der Materialbestandteile zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht variieren. Weiterhin ist es auch möglich, dass zusätzlich oder alternativ sonstige Materialeigenschaften unterschiedlich sind, also beispielsweise die Korngrößen von eingeschlossenen Materialien unterschiedlich sind, die Kristallstrukturen unterschiedlich sind, und dergleichen (insbesondere auch teilweise). Obgleich vorliegend von Unterschieden zwischen erster und zweiter Schicht die Rede ist, können die gleichen Unterschiede zumindest in analoger Weise zwischen Substratmaterial und erster Schicht bzw. Substratmaterial und zweiter Schicht auftreten.
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Unter einem lokalen thermischen Auftragsschweißverfahren ist insbesondere ein Verfahren zu verstehen, bei dem mittels geeigneter Verfahren eine lokal eng begrenzte (typischerweise punktartige) signifikante thermische Erhöhung erfolgt. Insbesondere kommt es durch den lokal begrenzten thermischen Energieeintrag zu einer lokalen thermischen Erweichung und/oder zu einem lokalen Aufschmelzen in einem lokal eng begrenzten Bereich.
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Es ist vorteilhaft, wenn zumindest eines der thermischen Auftragsschweißverfahren ein Laserauftragsschweißverfahren ist. Derartige Laserauftragsschweißverfahren (Laser-Cladding-Verfahren) sind grundsätzlich im Stand der Technik bekannt und haben sich auch in der Serienproduktion als praktikabel erwiesen. Aufgrund der mit diesen Verfahren gewonnenen Erfahrungen sind die Prozesse sicher durchführbar. Vorteilhaft ist es auch, wenn bei zumindest einem der thermischen Auftragsschweißverfahren das zuzuführende Material pulverförmig und/oder drahtförmig zugeführt wird. Ein Vorteil bei einer derartigen Materialzuführung besteht auch darin, dass das zuzuführende Material vergleichsweise einfach zuführbar ist und auch während des eigentlichen Auftragsschweißverfahrens noch variabel zugeführt werden kann.
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Es ist im Übrigen nicht erforderlich, dass es sich bei dem lokalen thermischen Auftragsschweißverfahren für die erste Schicht um das gleiche lokale thermische Auftragsschweißverfahren wie bei der zweiten Schicht handelt, obwohl das natürlich möglich ist bzw. bevorzugt ist.
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Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Substratmaterial Aluminium oder eine Aluminiumlegierung aufweist. Insbesondere kann es sich um eine Aluminiumlegierung mit Siliziumanteil handeln. Die genannten Materialien vereinen vergleichsweise hohe Festigkeit mit guter Standzeit, guter Bearbeitbarkeit und insbesondere auch geringem Gewicht. Im Bereich des Kraftfahrzeugbaus ist hierbei speziell noch auf die Verwendung für Motoren, speziell Verbrennungsmotoren, hinzuweisen. Im Falle einer Aluminiumlegierung mit Siliziumanteil kann es sich insbesondere um einen Siliziumanteil im Bereich zwischen 6% und 12%, insbesondere zwischen 7% und 10%, bevorzugt zwischen 8% und 9%, höchst bevorzugt 9% handeln.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Material der ersten Schicht auf dem Substratmaterial basiert, jedoch eine geänderte Materialgewichtung aufweist. Insbesondere kann es sich bei dem Material der ersten Schicht um eine Aluminiumlegierung mit erhöhtem Siliziumanteil handeln. Die Änderung bezieht sich dabei insbesondere auf einen Vergleich mit dem Substratmaterial, gegebenenfalls jedoch auch zusätzlich oder alternativ auf einen Vergleich mit der zweiten Schicht. Unter Materialgewichtung ist insbesondere zu verstehen, dass die Mengenanteile, Volumenanteile bzw. Gewichtsanteile der verwendeten Substanzen im Material bzw. Materialgemisch des Substratmaterials und der ersten Schicht (gegebenenfalls zusätzlich und/oder alternativ auch der zweiten Schicht) geändert sind. Dies kann einerseits dadurch herrühren, dass sich die Anteile verschieben, ohne dass ein zusätzliches Material hinzugefügt oder nicht mehr hinzugefügt wird. Ebenso ist es aber auch möglich, dass sich geänderte Anteile dadurch ergeben, dass ein zusätzlicher Stoff hinzugefügt bzw. nicht mehr hinzugefügt wird. „Auf dem Substratmaterial basierend“ ist insbesondere dahingehend zu verstehen, dass die Änderung der Materialgewichtung in vergleichsweise geringem Rahmen erfolgt, typischerweise im Bereich einiger Prozentpunkte (also insbesondere kleiner gleich 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Prozentpunkte). Im Falle einer Aluminiumlegierung mit erhöhtem Siliziumanteil kann der Siliziumanteil insbesondere zwischen 10% und 15%, bevorzugt zwischen 11 % und 14%, besonders bevorzugt zwischen 13% und 14%, höchst bevorzugt bei 12% liegen.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass bei dem Ventilsitzbereich das Material der zweiten Schicht auf dem Material der ersten Schicht basiert, jedoch eine geänderte Materialgewichtung aufweist, wobei das Material der zweiten Schicht insbesondere ein materialhärtend wirkendes Material aufweist. Hierdurch kann die Standzeit des Werkstücks bei hohen Belastungen auf einfache Weise erhöht werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem materialhärtend wirkenden Material um einen karbidischen Materialanteil (insbesondere Niob-Carbid, Bor-Carbid, Silizium-Carbid, Vanadium-Carbid, Wolfram-Carbid - was sowohl Wolframschmelzkarbide, inklusive sphärodisierte Wolframschmelzkarbide als auch Wolframmonokarbid oder WC/Co- bzw. WC/Ni-basierte Hartmetallverbunde umfasst). Das Material der zweiten Schicht basiert dabei - wie erwähnt - auf dem Material der ersten Schicht und damit in der Regel mittelbar auch auf dem Substratmaterial. Insofern kann bei einer Aluminiumlegierung mit erhöhtem Siliziumanteil der zweiten Schicht der Siliziumanteil insbesondere zwischen 40% und 50%, bevorzugt zwischen 41 % und 48%, höchst bevorzugt bei 42% liegen, wobei das materialhärtend wirkende Material beigemischt ist. Das materialhärtend wirkende Material kann auch der ersten Schicht zugemischt sein, wobei auf das Auftragen der zweiten Schicht verzichtet werden könnte. Jedoch ist das Auftragen der zweiten Schicht auch möglich, wenn die erste Schicht das materialhärtend wirkende Material aufweist.
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Vorgeschlagen wird weiterhin, dass die erste Schicht und/oder die zweite Schicht eine Materialstärke zwischen 200 µm und 1000 µm, bevorzugt zwischen 300 µm 800 µm, besonders bevorzugt zwischen 400 µm 600 µm, höchst bevorzugt von 500 µm aufweist. Derartige Schichtdicken sowohl der ersten als auch der zweiten Schicht haben sich in ersten Versuchen als besonders vorteilhaft erwiesen. Typischerweise sind die Materialstärken der ersten Schicht und der zweiten Schicht annähernd gleich groß gewählt. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Materialstärken unterschiedlich groß gewählt werden. Dies kann im Übrigen nicht nur bei einem einzelnen beschichteten Oberflächenbereich in Bezug auf die erste und die zweite Schicht gelten, sondern kann insbesondere auch für das Verhältnis zweier unterschiedlicher Oberflächenbereiche zueinander gelten.
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Besonders sinnvoll ist es, wenn die erste Schicht als haftvermittelnde Schicht zwischen dem Substratmaterial und der zweiten Schicht ausgebildet ist. Hierbei kann die zweite Schicht in besonders hohem Maße auf ihre Funktion als „harte Schicht“ hin optimiert werden, ohne dass übermäßige Rücksichtnahme auf eine gute Haftwirkung am Substratmaterial (oder auf eine sonstige Materialunverträglichkeit) gerichtet werden muss. Die erste Schicht wird demgegenüber derart gewählt, dass sie sowohl im Verhältnis zum Substratmaterial, als auch im Verhältnis zur zweiten Schicht eine möglichst hohe, insbesondere gleichartig hohe Haftwirkung zeigt.
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Vorgeschlagen wird also, dass zumindest einer der beschichteten Oberflächenbereiche im Bereich eines Ventilsitzes vorgesehen ist. Bei einer derartigen Verwendung kann die vorgeschlagene Beschichtung ihre Eigenschaften und Vorteile in besonderer Weise entfalten. Mit der Erfindung wird so ein Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors aus dem besagten Substratmaterial mit zumindest einem beschichteten Ventilsitz zur Verfügung gestellt, der einen Härtebetrag von 380 bis 520 HV0.3 aufweist, sowie rissfrei und anbindungsfehlerfrei ist.
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Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich insbesondere um einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug handeln.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Ausbildung eines beschichteten Oberflächenbereichs, also Ventilsitzbereiches bei einem Verbrennungsmotor vorgeschlagen, bei dem in einem Verfahrensschritt im Bereich des zu beschichtenden Oberflächenbereichs mittels eines lokalen thermischen Auftragsschweißverfahrens eine erste Schicht aufgetragen wird, und in einem folgenden Verfahrensschritt in zumindest einem Teilbereich der ersten Schicht bevorzugt eine zweite Schicht mittels eines lokalen thermischen Auftragsschweißverfahrens aufgetragen wird. Bezüglich der Definitionen wird dabei insbesondere auch auf die vorherige Beschreibung verwiesen. Selbstverständlich wird das Substratmaterial, also bevorzugt der zu beschichtende Oberflächenbereich, also der Ventilsitzbereich vor dem Auftragen der ersten Schicht vorbereitet, was mit geeigneten Maßnahmen geschehen kann. Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine im Ventilsitzbereich eine planare Oberfläche durch spanabhebende Formgebung erzeugt wird. Nachdem eine Schicht, bzw. Bevorzugt beide Schichten aufgebracht sind, wird der Ventilsitz bevorzugt spanend nachbearbeitet, z.B. mittels Schleifen.
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Das vorgeschlagene Verfahren (sowohl „in Alleinstellung“, als auch mit geeigneten Weiterbildungen) kann dann die bereits vorab beschriebenen Vorteile und Eigenschaften in zumindest analoger Weise aufweisen. Auch eine Weiterbildung im Sinne der vorigen Vorschläge ist natürlich zumindest sinngemäß möglich und in der Regel vorteilhaft.
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Die beiden Verfahrensschritte des thermischen Auftragsschweißverfahrens können dabei mit mehr oder weniger großem, zeitlichem Abstand voneinander durchgeführt werden. Typischerweise ist es ausreichend, wenn der zweite Verfahrensschritt dann durchgeführt wird, wenn die erste Schicht im Wesentlichen wieder den festen Aggregatzustand erreicht hat. Eine gewisse Rest-Duktilität infolge von Resterwärmung ist dabei nicht notwendigerweise schädlich. Ebenso ist es auch möglich, dass man vor dem zweiten Verfahrensschritt abwartet, bis die Temperatur des Werkstücks zumindest im Bereich des zu beschichtenden Oberflächenbereichs weitgehend/im Wesentlichen auf Raumtemperatur abgesunken ist (wobei auch eine Resttemperatur von beispielsweise 50°C oder weniger in aller Regel möglich ist).
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
- 1 einen Ventilbereich eines Zylinderkopfs in schematischer, ausschnittsweiser Querschnittsansicht, und
- 2 ein Verfahren zur Ausbildung zweier übereinanderliegender Schichten mittels Laser-Cladding-Verfahrens in schematischer Ansicht.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleichartige Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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In 1 ist der Ventilbereich 2 eines nur ausschnittsweise gezeigten Zylinderkopfs 1 dargestellt. Für die vorliegende Beschreibung ist es unerheblich, ob es sich bei dem Ventil 3 um ein Einlassventil oder um ein Auslassventil handelt. Das Ventil 3 weist - wie üblich - einen Ventilkopf 4 sowie einen Ventilschaft 5 auf. Das Ventil 3 wird über den Ventilschaft 5, beispielsweise mittels einer nicht gezeigten Nockenwelle, angetrieben. Dies bewirkt, dass sich der Ventilkopf 4 zeitweise in der in 1 gezeigten offenen Stellung des Ventils 3 befindet, in der er vom Ventilsitzbereich 6 abgehoben ist. Das Ventil 3 ist dann geöffnet, und Gase können durch den Spalt zwischen Ventilkopf 4 und Ventilsitzbereich 6 hindurchströmen. Wird das Ventil 3 nach unten bewegt, kommt der Ventilkopf 4 mit dem Ventilsitzbereich 6 in Anlage, sodass keine Gase mehr zwischen Ventilkopf 4 und Ventilsitzbereich 6 hindurchströmen können; das Ventil 3 ist geschlossen.
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Bei heutigen Verbrennungsmotoren ist es aufgrund von deren hohen Drehzahlen erforderlich, dass das Ventil 3 hierzu korrespondierend schnell geöffnet und geschlossen werden muss. Dies führt wiederum dazu, dass es über die Lebensdauer des Verbrennungsmotors hinweg zu einer sehr großen Anzahl an harten Aufschlägen des Ventilkopfs 4 am Ventilsitzbereich 6 kommt.
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Damit eine für einen Verbrennungsmotor ausreichende Standzeit realisiert werden kann, ist es daher erforderlich, ausreichend widerstandsfähige Materialien zu verwenden. Beim Ventil 3 selbst ist es aufgrund des geringen Volumens desselben vergleichsweise unproblematisch, das Ventil 3 (im Wesentlichen) vollständig aus einem besonders harten Material zu fertigen.
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Beim Zylinderkopf 1 ist es zwar grundsätzlich möglich, den gesamten Zylinderkopf 1 aus einem harten Material zu fertigen; dies ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen wenig sinnvoll. Denn dies hieße ja, dass für die Sicherstellung einer ausreichenden Härte im vergleichsweise kleinräumigen Ventilsitzbereich 6 (gegebenenfalls auch weitere Ventilsitzbereiche, Lagerbereiche für eine Kurbelwelle o. ä.) ein sehr großes Materialvolumen aus einem teuren, harten Material gefertigt werden müsste. Wirtschaftliche Probleme tauchen im Übrigen nicht nur dahingehend auf, dass der Zylinderkopf 1 aus einem teureren Material gefertigt werden müsste. Probleme tauchen vielmehr auch dahingehend auf, dass der Zylinderkopf 1 dadurch signifikant schwerer würde und darüber hinaus die Bearbeitung desselben aufwendiger ausfallen müsste, was ebenfalls nachteilig ist.
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Beim Zylinderkopf 1 wird daher auf die Alternativlösung ausgewichen, lediglich im Ventilsitzbereich 6 ein hartes Material vorzusehen. Flächenmäßig wird dieser Bereich typischerweise derart gewählt, dass er der Kontaktfläche mit dem Ventilkopf 4 entspricht (bzw. geringe Sicherheitsmargen vorgesehen werden). Hierzu sind im Stand der Technik bereits unterschiedliche Verfahren bekannt, wie beispielsweise das Einsetzen eines Ventilsitzrings, oder das Vorsehen gehärteter Oberflächenbereiche beim Zylinderkopf 1.
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Vorliegend wird vorgeschlagen, den Ventilsitzbereich 6 des Zylinderkopfs 1 mit zwei unterschiedlichen Materialschichten 7, 8, nämlich einer ersten Materialschicht 7 und einer zweiten Materialschicht 8 zu versehen. Insofern wird der Ventilsitzbereich 6 hier auch als beschichteter Oberflächenbereich 6 bezeichnet. Die erste Materialschicht 7 ist unmittelbar auf dem Substratmaterial 13 des Zylinderkopfs 1 angeordnet. Auf der ersten Materialschicht 7 befindet sich die zweite Materialschicht 8. Die erste Materialschicht 7 ist also zwischen dem Substratmaterial 13 des Zylinderkopfs 1 und der zweiten Materialschicht 8 zwischenliegend angeordnet.
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Die zweite Materialschicht 8 befindet sich auf der einen Seite im Kontakt mit der ersten Materialschicht 7; die hiervon abgewandte Oberfläche bildet die Kontaktoberfläche mit dem hierzu korrespondierenden Oberflächenbereich des Ventilkopfes 4.
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Die Materialschichten 7, 8 werden mittels eines fachsprachlich sogenannten Laser-Cladding-Verfahrens aufgetragen (siehe hierzu auch 2 sowie die dazugehörige Beschreibung). Aufgrund dieses Auftragschweißverfahrens kommt es zwischen dem Substratmaterial 13 des Zylinderkopfs 1 und dem Material der ersten Materialschicht 7, sowie zwischen dem Material der ersten Materialschicht 7 und dem Material der zweiten Materialschicht 8 prozessbedingt zu gewissen Übergangsbereichen 15, 16, die in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt sind. In 2 sind diese jedoch schematisch angedeutet, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird.
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Der Vorteil bei der in 1 gezeigten Anordnung besteht darin, dass die zweite Materialschicht 8 aufgrund der ersten Materialschicht 7 besser auf ihre Funktion als besonders harte Schicht hin optimiert werden kann.
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Vorliegend wird vorgeschlagen, in der zweiten Materialschicht 8 Carbide (insbesondere auch Carbide in Partikelform) vorzusehen, um eine besonders hohe Schlagresistenz der zweiten Materialschicht 8 zu gewährleisten. Aufgrund der ersten Materialschicht 7, welche gewissermaßen als Übergangsschicht bzw. Haftvermittlungsschicht zwischen zweiter Materialschicht 8 und Materialblock 1 dient, kommt es zu weniger bzw. weniger ausgeprägten Materialinkompatibilitäten zwischen dem Material der zweiten Materialschicht 8 und dem Substratmaterial 13 des Zylinderkopfs 1 (falls überhaupt).
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Die erste Materialschicht ist dahingehend optimiert, dass sie gut am Substratmaterial 13 des Materialblocks 1, als auch am Material der zweiten Materialschicht 8 haftet, also als Haftvermittlungsschicht bezeichnet werden kann. Auch wenn es nicht nachteilig ist, wenn die erste Materialschicht 7 eine gewisse Härte aufweist (insbesondere eine gegenüber dem Substratmaterial 13 des Zylinderkopf 1 erhöhte Härte), ist dies nicht zwingend erforderlich, da die Härte-Funktionalität ja von der zweiten Materialschicht 8 bereitgestellt wird.
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Vorliegend ist der Substratmaterial 13 des Zylinderkopfs 1 eine Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil von etwa 9 %. Das Material der ersten Materialschicht 7 ist eine Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil von im Wesentlichen 12 %. Damit weist bereits die erste Materialschicht 7 eine gegenüber dem Substratmaterial 13 des Zylinderkopfs 1 erhöhte Härte auf. Die zweite Materialschicht 8 wiederum besteht aus einer Aluminiumlegierung mit ebenfalls im Wesentlichen 12 % Siliziumanteil, jedoch sind in der Aluminiumlegierung, welche gewissermaßen als eine Art Befestigungsmatrix dient, zusätzlich noch Carbid-Partikel eingefügt, insbesondere Niob-Carbid, Bor-Carbid, Silizium-Carbid, Vanadium-Carbid, Wolfram-Carbid - was sowohl Wolframschmelzkarbide, inklusive sphärodisierte Wolframschmelzkarbide als auch Wolframmonokarbid oder WC/Co- bzw. WC/Ni-basierte Hartmetallverbunde umfasst, wobei die Carbid-Partikel nicht zum Auflösen in Aluminiumschmelzen unter Bildung von versprödenden Aluminium-Carbiden neigen. Diese Partikel erhöhen die Härte der zweiten Materialschicht 8 signifikant.
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In 2 ist schematisch dargestellt, wie der Ventilsitzbereich 6 des Zylinderkopfs 1 in Form zweier aufeinanderfolgender Prozessschritte (2a und 2b) ausgebildet werden kann. Lediglich der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass die Prozessschritte selbstverständlich auch für andere Oberflächenbereiche und/oder für andere Werkstücke verwendet werden können, wobei vor dem Auftragen der ersten Schicht noch eine Vorbereitung des Substratmaterials durchgeführt wird.
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In 2a ist schematisch der Materialauftrag einer ersten Materialschicht 7 im Rahmen eines Laserauftragsschweißverfahrens, als sogenanntes Laser-Cladding-Verfahren bezeichnet, dargestellt. Zur Durchführung des Laser-Cladding-Verfahrens dient ein Bearbeitungungskopf 9. Der Bearbeitungungskopf 9 weist mehrere, vorliegend im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnete Ausgabeöffnungen auf, nämlich eine Ausgabeöffnung für einen Laserstrahl 10, durch die auch ein Schutzgas zugeführt wird, sowie eine ringförmige oder mehrere Ausgabeöffnung(en) für einen Pulverstrom 11, gegebenenfalls noch eine / mehrere Ausgabeöffnung(en) für ein Schutzgas 12, das in Form eines umhüllenden Gasstroms zugeführt wird.
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Der Laserstrahl 10 dient dem punktuellen Aufschmelzen des Substratmaterials 13 (in 2a) durch einen entsprechenden Energieeintrag. Lediglich der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass zur Ausbildung einer flächigen Materialschicht 7, 8 eine typischerweise pendelnde und/oder alternierende Bewegung des Bearbeitungskopfs 9 vonnöten ist. Zusätzlich wird vom Laserstrahl 10 das vorliegend in Form von Pulverpartikeln 11 zugeführte Material aufgeschmolzen (ein Zuführen auf andere Weise, beispielsweise in Form eines Drahtes, ist jedoch zusätzlich oder alternativ ebenso möglich).
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Es bildet sich dementsprechend lokal ein Schmelzbad 14 aus, welches zu einem Anteil aus dem Substratmaterial 13, sowie zu einem Anteil aus dem Material des Pulverstroms 11 besteht (die genauen Anteile ergeben sich insbesondere aus der Materialzusammensetzung des Pulverstroms 11, als auch aus der Zuführmenge des Pulverstroms 11). Dennoch ist es offensichtlich, dass aufgrund des gewählten Verfahrens kein vollständig vom Substratmaterial 13 unterschiedliches Material als erste Materialschicht 7 aufgetragen werden kann. Dies ist prozessimmanent, jedoch nicht notwendigerweise nachteilig. Damit es im Schmelzbad 14 nicht zu Oxidationseffekten kommt, wird über eine weitere Ausgabeöffnung des Bearbeitungskopfs 9 ein Schutzgas 12 zugeführt, wobei das Schutzgas 12 ein inertes Gas ist (beispielsweise Argon).
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Sobald das Schmelzbad 14 wieder erkaltet ist (infolge der Vorwärtsbewegung des Bearbeitungungskopfs 9), bildet sich die erste, feste Materialschicht 7 aus, die gegenüber dem Substratmaterial 13 eine unterschiedliche Materialzusammensetzung aufweist. Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass es prozessbedingt nicht zu einer ersten Materialschicht 7 mit innerhalb der Schicht vollständig homogener Materialzusammensetzung kommt. Vielmehr kommt es zwischen der ersten Materialschicht 7 und dem Substratmaterial 13 zur einer ersten Übergangsschicht 15, welche in 2a schematisch dargestellt ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die erste Übergangsschicht 15 nicht maßstabsgetreu eingezeichnet ist (typischerweise ist diese deutlich dünner). Darüber hinaus stellt die erste Übergangsschicht 15 ebenfalls keine in sich homogene Schicht dar, sondern diese symbolisiert in der Zeichnung vielmehr einen „kontinuierlichen Materialübergang“ zwischen dem Substratmaterial 13 und dem Material der ersten Materialschicht 7.
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Sobald die erste Materialschicht 7 durch eine entsprechende Bewegung des Bearbeitungskopfs 9 vollständig ausgebildet ist, wird mit dem Auftragen einer zweiten Materialschicht 8 gemäß 2b begonnen. Hierzu kann entweder der gleiche Bearbeitungskopf 9 verwendet werden, wobei der Pulverstrom 11 typischerweise durch einen Pulverstrom mit gegenüber 2a veränderter Materialzusammensetzung ersetzt wird. Es ist jedoch ebenso möglich, dass hierfür ein gesonderter Bearbeitungskopf verwendet wird, welcher jedoch typischerweise einen im Wesentlichen analogen Aufbau aufweist. Möglich ist auch, dass der gesonderte Bearbeitungskopf dem ersten folgen kann, so dass die beiden Schichten nacheinander aufgebracht werden könnten.
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Wie 2b entnommen werden kann, wird die zweite Materialschicht 8 auf der ersten Materialschicht 7, ebenfalls durch ein Laser-Cladding-Verfahren, ausgebildet. Auch hier kommt es analog zum ersten Verfahrensschritt gemäß 2a zu einer zweiten Übergangsschicht 16 zwischen der ersten Materialschicht 7 und der zweiten Materialschicht 8. Wiederholungen vermeidend wird auf das bereits vorab Gesagte, insbesondere auf das in Bezug auf die Verfahrensdurchführung gemäß 2a Gesagte, hingewiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Zylinderkopf
- 2.
- Ventilbereiche
- 3.
- Ventil
- 4.
- Ventilkopf
- 5.
- Ventilschaft
- 6.
- Ventilsitzbereich
- 7.
- erste Materialschicht
- 8.
- zweite Materialschicht
- 9.
- Bearbeitungskopf
- 10.
- Laserstrahl
- 11.
- Pulverstrom
- 12.
- Schutzgas
- 13.
- Substratmaterial
- 14.
- Schmelzbad
- 15.
- erste Übergangsschicht
- 16.
- zweite Übergangsschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7431881 B2 [0008]
- US 2016/0311071 A1 [0008]
