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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung eines Ventilsitzes an einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors. Die Erfindung betrifft aber auch einen Zylinderkopf, dessen Ventilsitz mittels des Verfahrens bearbeitet ist.
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Die
EP 1 048 825 A1 befasst sich mit einem Verfahren zur Ausbildung einer verschleißfesten Beschichtung in/an Bauteilen einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ventilsitz. Insbesondere sei das Verfahren an einem Ventilsitz in einem Zylinderkopf aus einem Leichtmetall anwendbar, wobei der Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung gebildet sei.
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Die Dissertation Heigl Reiner, Herstellung von Randschichten auf Aluminiumgusslegierungen mittels Laserstrahlung, München: Utz 2005 Seiten 5-6, 18-21, 37-39, 155 und 157, ISBN 3-8316-0460-6 http://www.ifsw.unistuttgart.de/publikationen/forschungsberichte/dissertationen/Heigl_3-8316-0460-6.pdf [abgerufen am 25.04.2019] beschäftigt sich mit allgemeinen Aluminiumgusslegierungen, wobei Ventilsitze, Zylinderlaufbahn oder Kolben genannt werden, wobei bezüglich des Laseroberflächenveredelns mit Zusatzwerkstoff karbidische (Wolframkarbid) und metallische Zusatzwerkstoffe (Kupfer-, Eisen-Aluminiumlegierungen) zur Schichtgenerierung eingesetzt werden.
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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 oder Deformationen 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 Zuschlagstoffe 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 / 0 311 071 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, ein Verfahren zur Ausbildung eines Ventilsitzbereichs bei einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors vorzuschlagen, welches gegenüber ähnlichen Verfahren, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, verbessert ist. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors aus einem Substratmaterial mit einem Ventilsitz vorzuschlagen, welcher gegenüber gleichartigen, im Stand der Technik bekannten Ventilsitzen, verbessert ist.
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Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der verfahrenstechnischen Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der vorrichtungstechnischen Aufgabe gelingt entsprechend mit einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit Ventilsitz mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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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 Verfahren zum Ausbilden eines Ventilsitzes an einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit zumindest den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- Bereitstellen des Zylinderkopfes aus einem Substratmaterial, das eine Aluminiumlegierung mit Siliziumanteil in einem Bereich von 6% bis 12 % aufweist Vorbearbeiten des Ventilsitzes,
- Erhitzen eines nicht dem gesamten Ventilsitz entsprechenden finalen Ventilsitzbereiches, bis zum geschmolzenen Zustand des Substratmaterials,
- Einführen von auf dem Substratmaterial basierenden Material in das Schmelzbad, wobei das auf dem Substratmaterial basierende Material eine Aluminiumlegierung mit erhöhtem Siliziumanteil in einem Bereich von 10% bis 15% aufweist wobei Karbide zugemischt sind, und wobei das auf dem Substratmaterial basierende Material mit zugemischten Karbiden eine Aufhärtung des Substratmaterials bewirkt.
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Mit dem Verfahren wird so ein Ventilsitz bereitgestellt, der durch Einführen von materialhärtend wirkendem Material gegenüber dem Rest des Substratmaterials härter, also aufgehärtet ist. Somit ist der aufgehärtete Ventilsitz an die individuellen Anforderungen angepasst. So kann auf eine aus dem Stand der Technik bekannte Verstärkung des Ventilsitzbereiches mittels Einlagering verzichtet werden. Auch eine Beschichtung des Ventilsitzes ist nicht notwendig, welche, wie bereits gesagt, grundsätzlich artgleich, oder leicht abweichend zum Substratmaterial sein sollte.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Zylinderkopf aus einem Substratmaterial gebildet ist, welches eine Aluminiumlegierung aufweist. So ist der Zylinderkopf besonders leicht, dennoch aber leistungsfähig. Dabei handelt es sich um eine Aluminiumlegierung mit Siliziumanteil. 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 handelt es sich um einen Siliziumanteil im Bereich zwischen 6% und 12%, insbesondere zwischen 7% und 10%, bevorzugt zwischen 8% und 9%, höchst bevorzugt 9%.
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Zur Vorbearbeitung ist bevorzugt vorgesehen, dass im Ventilsitz eine planare Oberfläche durch spanabhebende Formgebung erzeugt wird, wobei natürlich andere geeignete Vorbearbeitungsverfahren denkbar sind. Dabei wird bevorzugt der gesamte Ventilsitz vorbearbeitet, wobei aber auch lediglich ein Bereich davon, nämlich ein finaler Ventilsitzbereich vorbearbeitet werden könnte.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass nicht der gesamte Ventilsitz bis zum geschmolzenen Zustand erhitzt werden muss, sondern dass lediglich ein finaler Ventilsitzbereich bis zum geschmolzenen Zustand erhitzt wird. Der finale Ventilsitzbereich ist der Bereich des Ventilsitzes, welcher den höchsten Beanspruchungen ausgesetzt ist. Der finale Ventilsitzbereich ist beispielsweise durch Versuche oder Berechnungen für jeden Zylinderkopf, sogar für jeden Ventilsitz vorherbestimmbar. So wird auch dem Umstand Rechnung getragen, dass nicht der gesamte Ventilsitz thermisch bis zum geschmolzenen Zustand erhitzt wird, was nicht nur sehr kostenintensiv wäre, sondern zuweilen auch die grundsätzlich geforderten Materialeigenschaften negativ beeinflussen kann.
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Um zu erreichen, dass lediglich der finale Ventilsitzbereich erhitzt wird, ist es sinnvoll im Sinne der Erfindung auch eine thermische Quelle zu wählen, welche ein fokussiertes, bevorzugt punktförmiges Erhitzen des Substratmaterials ermöglicht. Hier bietet sich zweckmäßiger Weise ein Laserstrahl an. Bekannterweise ist der Laserstrahl so energiereich, dass dieser das Substratmetrial aufzuschmelzen vermag. Günstig ist, wenn der Laserstrahl mit einem Spotdurchmesser, der auf die Breite des Ventilsitzbereichs angepasst ist, beispielsweise 4,7 mm, angewendet wird. Der Spotdurchmesser kann natürlich auch andere Größen aufweisen. Der Laserstrahl, also der Laserspot wird mittels eines Bearbeitungskopfes auf den finalen Ventilsitzbereich ausgerichtet und sodann in Umfangsrichtung entlang des Ventilsitzes bewegt, so dass quasi ein in seiner Breite einem Ring ähnelnder finaler Ventilsitzbereich aufgeschmolzen wird. Zum Schutz des Schmelzbades können an dem Bearbeitungskopf noch eine oder mehrere Schutzgaszufuhr(en) angeordnet sein. Die Schutzgaszufuhr kann auch extern angeordnet sein, sollte in beiden Fällen aber so ausgeführt sein, dass das Schmelzbad hinreichend vor Oxidation geschützt ist. Als Schutzgas kann inertes Gas, z.B. Argon, verwendet werden.
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In das Schmelzbad wird das, das Substratmaterial härtend wirkende Material eingeführt. Das härtend wirkende Material kann in Pulverform vorliegen. Möglich ist auch ein drahtförmiges Material. Ein Vorteil bei einer derartigen Materialzuführung, z.B. in Pulverform, besteht auch darin, dass das zuzuführende Material vergleichsweise einfach zuführbar ist und auch während des eigentlichen Aufschmelzens noch variabel zugeführt werden kann. Das Substratmaterial härtend wirkende Material kann über einen Bearbeitungskopf oder über ein externes Element zugeführt werden. Wesentlich ist, dass das Substratmaterial härtend wirkende Material in das aufgeschmolzene Schmelzbad eingeführt wird, so dass auch von einem Laserdispergieren oder Laserlegieren gesprochen werden kann. Es wird mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen also keine Beschichtung aufgetragen.
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Zielführend ist, wenn das Substratmaterial härtend wirkende Material einen karbidischen Materialanteil aufweist oder aus karbidischem Material besteht. Hierdurch kann die Standzeit des Zylinderkopfes bei hohen Belastungen auf einfache Weise erhöht werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem Substratmaterial härtend wirkenden Material insbesondere um 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-, WC/Co- oder WC/Fe-basierte Hartmetallverbunde umfasst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Substratmaterial härtend wirkende Material auf dem Substratmaterial basiert, jedoch eine geänderte Materialgewichtung aufweist. Dabei handelt es sich bei dem Material um eine Aluminiumlegierung mit erhöhtem Siliziumanteil. Unter Materialgewichtung ist insbesondere zu verstehen, dass die Mengenanteile, Volumenanteile bzw. Gewichtsanteile der verwendeten Substanzen im Material bzw. Materialgemisch des Substratmaterials und des Substratmaterial härtend wirkenden Materials 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 liegt der Siliziumanteil zwischen 10% und 15%, bevorzugt zwischen 11 % und 14%, besonders bevorzugt zwischen 13% und 14%, höchst bevorzugt bei 12%. So könnte z.B. das Substratmaterial härtend wirkende Material als AlSi12 ausgeführt sein, dem die zuvor genannten Karbide z.B. Niob-Carbid zugemischt sind.
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Vorgeschlagen wird also, dass zumindest einer der laserdispergierten oder laserlegierten Oberflächenbereiche im Bereich eines Ventilsitzes vorgesehen ist. Bei einer derartigen Verwendung kann die Aufhärtung ihre Eigenschaften und Vorteile in besonderer Weise entfalten. Mit der Erfindung wird so ein Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors aus dem besagten Substratmaterial mit zumindest einem finalen Ventilsitzbereich zur Verfügung gestellt, der einen Härtebetrag von 300 bis 600 HV0.3 aufweist, sowie rissfrei und anbindungsfehlerfrei ist. Nachdem der finale Ventilsitzbereich so laserdispergiert ist, also quasi aufgehärtet ist, kann der Ventilsitz bevorzugt spanend z.B. mittels Schleifen nachbearbeitet werden.
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Nachfolgend sind einige Vorschläge für Verfahrensparameter genannt, die aber nicht einschränkend sein sollen:
- Bei einer Laserleistung von 4 KW, einem Laserspotdurchmesser von 4,7 mm, einer Pulverförderrate von 5 g/min des beispielhaften Niobkarbid und einer Vorschubgeschwindigkeit von 1,0 m/min, stellt sich eine Härte im Oberflächennahenbereich, also im finalen Ventilsitzbereich, von 320 HV0,3, im weniger verstärkten Bereich, also in der benachbarten Einflusszone von 120 bis 180 HV0,3 ein, wobei das Substratmaterial selbst eine Härte von 90 bis 100 HV0,3 hat.
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Bei einer Laserleistung von 4 KW, einem Laserspotdurchmesser von 4,7 mm, einer Pulverförderrate von 6,6 g/min des beispielhaften Niobkarbid und einer Vorschubgeschwindigkeit von 1,0 m/min, stellt sich eine Härte im oberflächennahen Bereich, also im finalen Ventilsitzbereich, von 560 bis 600 HV0,3, im weniger verstärkten Bereich, also in der benachbarten Einflusszone von 120 bis 190 HV0,3 ein, wobei das Substratmaterial selbst eine Härte von 90 bis 100 HV0,3 hat.
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Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich insbesondere um einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug handeln.
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Die vorrichtungstechnische Lösung der Aufgabe gelingt durch einen Zylinderkopf, der mit einem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet ist. Erfindungsgemäß weist der Ventilsitz einen mit einem Substratmaterial härtend wirkenden Material, das eine Aluminiumlegierung mit erhöhtem Siliziumanteil in einem Bereich von 10% bis 15% aufweist, laserdispergierten nicht dem gesamten Ventilsitz entsprechenden finalen Ventilsitzbereich auf. Der finale Ventilsitzbereich umfasst dabei günstiger Weise nicht den gesamten Ventilsitz in seiner Hocherstreckung, sondern kann lediglich an einem Randbereich, an zwei Randbereichen des Ventilsitzes und/oder beabstandet zu den Randbereichen, bevorzugt mittig an diesem angeordnet sein. Insofern ist der finale Ventilsitzbereich quasi ringförmig an dem Ventilsitz angeordnet. Dies ist bei typischen Ventilsitzen von PkW-Motoren möglich durch Verwendung eines Laserstrahls mit einem Spotdurchmesser von z.B. 4,7 mm.
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Um die Aufhärtung des finalen Ventilsitzbereiches zu erreichen, wird - wie zu dem Verfahren bereits erwähnt - dem Schmelzbad das Substratmaterial härtend wirkende Material zugeführt, also beigemischt, welches in Pulverform vorliegen kann. Das härtend wirkende Material kann einen karbidischen Anteil aufweisen oder aus Karbiden selbst gebildet sein. Dabei kann es insbesondere Niob-Carbid, Bor-Carbid, Silizium-Carbid, Vanadium-Carbid, Wolfram-Carbid - was sowohl Wolframschmelzkarbide, inklusive sphärodisierte Wolframschmelzkarbide als auch Wolframmonokarbid oder WC/Co-, WC/Ni bzw. WC/Fe-basierte Hartmetallverbunde aufweisen oder sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
- 1 einen Ventilsitz eines Zylinderkopfs in schematischer, ausschnittsweiser Querschnittsansicht, und
- 2 ein Schliffbild eines mit karbidischem Material laserdispergierten finalen Ventilsitzbereichs.
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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 Ventilsitz 1 eines nur ausschnittsweise gezeigten Zylinderkopfs 2 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 Ventilsitz 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 in der Zeichnungsebene nach oben bewegt, kommt der Ventilkopf 4 mit dem Ventilsitz 6 in Anlage, sodass keine Gase mehr zwischen Ventilkopf 4 und Ventilsitz 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 Ventilsitz 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 2 ist es zwar grundsätzlich möglich, den gesamten Zylinderkopf 2 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 Ventilsitz 6 (gegebenenfalls auch weitere Ventilsitze, 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 2 aus einem teureren Material gefertigt werden müsste. Probleme tauchen vielmehr auch dahingehend auf, dass der Zylinderkopf 2 dadurch signifikant schwerer würde und darüber hinaus die Bearbeitung desselben aufwendiger ausfallen müsste, was ebenfalls nachteilig ist.
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Beim Zylinderkopf 2 wird daher auf die Alternativlösung ausgewichen, lediglich im Ventilsitz 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 beschichteter Oberflächenbereiche beim Zylinderkopf 2.
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Beispielhaft ist das Substratmaterial 7 des Zylinderkopfs 2 eine Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil von etwa 9 %.
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Vorliegend wird vorgeschlagen, den Ventilsitz 6 des Zylinderkopfs 2 an seinem finalen Ventilsitzbereich 8 mit Substratmaterial härtend wirkenden Material mittels Laserstrahl zu dispergieren, also mittels Laser zu legieren, wobei auf eine Beschichtung des Ventilsitzes 6 verzichtet wird.
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Der Vorteil bei der in 1 gezeigten Anordnung besteht darin, dass der laserdispergierte finale Ventilsitzbereich 8 bezogen auf den Rest des Ventilsitzes 6 bzw. den Rest des Zylinderkopfes 2 aufgehärtet ist.
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Dazu wird der finale Ventilsitzbereich 8 zunächst mittels Laserstrahl erhitzt bis dieser aufgeschmolzen ist. In das Schmelzbad wird das Substratmaterial 7 härtend wirkende Material eingeführt.
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Vorliegend wird vorgeschlagen, in das Schmelzbad Karbide (insbesondere auch Karbide in Partikelform) wie z.B. Niob-Carbid, Bor-Carbid, Silizium-Carbid, Vanadium-Carbid, Wolfram-Carbid - was sowohl Wolframschmelzkarbide, inklusive sphärodisierte Wolframschmelzkarbide als auch Wolframmonokarbid oder WC/Co-, WC/Ni- bzw. WC/Fe-basierte Hartmetallverbunde einzubringen, um eine besonders hohe Schlagresistenz des finalen Ventilsitzbereiches 8 zu gewährleisten, wobei die Karbid-Partikel nicht zum Auflösen in Aluminiumschmelzen unter Bildung von versprödenden Aluminium-Carbiden neigen sollten, was insbesondere auf Niob-Carbid und Vanadium-Carbid zutrifft. Diese Partikel erhöhen die Härte des finalen Ventilsitzbereiches 8 signifikant.
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Zur Durchführung des Laser-Dispersions-Verfahrens (oder auch des Laser-Legierungs-Verfahrens) kann ein Bearbeitungskopf dienen. Der Bearbeitungskopf kann mehrere, z.B. im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnete Ausgabeöffnungen aufweisen, nämlich eine Ausgabeöffnung für einen Laserstrahl, durch die auch ein Schutzgas zugeführt wird, sowie eine ringförmige oder mehrere Ausgabeöffnung(en) für einen Pulverstrom, gegebenenfalls noch eine / mehrere Ausgabeöffnung(en) für ein Schutzgas, das in Form eines umhüllenden Gasstroms zugeführt wird.
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Der Laserstrahl dient dem punktuellen Aufschmelzen des Substratmaterials 7 durch einen entsprechenden Energieeintrag. Da der finale Ventilsitzbereich 8 nicht den gesamten Ventilsitz 6 abdeckt, sondern lediglich einen ringförmigen Teilbereich dessen, ist eine pendelnde oder alternierende Bewegung des Bearbeitungskopfes entlang einer Hochrichtung des Ventilsitzes 6 nicht zwingend erforderlich. Vielmehr reicht eine lineare Bewegung entlang des Umfangs des Ventilsitzes 6. Je nach Prozessführung wird vom Laserstrahl zusätzlich das in Form von Pulverpartikeln zugeführte härtend wirkende Material aufgeschmolzen (ein Zuführen auf andere Weise, beispielsweise in Form eines Drahtes, ist jedoch zusätzlich oder alternativ ebenso möglich). Alternativ kann das zugeführte härtend wirkende Material im erzeugten Schmelzbad aufgelöst werden (Laserlegieren) oder im Wesentlichen von der schmelzflüssigen Matrix benetzt werden (Laserdispergieren). Auch Zwischenzustände sind über die Prozessführung einstellbar.
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Es bildet sich dementsprechend lokal ein Schmelzbad aus, welches zu einem Anteil aus dem Substratmaterial 7, sowie zu einem Anteil aus dem Material des Pulverstroms besteht (die genauen Anteile ergeben sich insbesondere aus der Materialzusammensetzung des Pulverstroms, als auch aus der Zuführmenge des Pulverstroms). Damit es im Schmelzbad nicht zu Oxidationseffekten kommt, wird über mindestens eine Ausgabeöffnung des Bearbeitungskopfs oder über eine seitliche Pulverzufuhr ein Schutzgas zugeführt, wobei das Schutzgas ein inertes Gas ist (beispielsweise Argon).
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Sobald das Schmelzbad wieder erkaltet ist (infolge der Vorwärtsbewegung des Bearbeitungskopfs), bildet sich der laserdispergierte bzw. laserlegierte finale Ventilsitzbereich 8 aus, der gegenüber dem Rest aufgehärtet ist.
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Obwohl in 1 lediglich ein einziger finaler Ventilsitzbereich 8 an einem in der Zeichnungsebene oberen Randbereich des Ventilsitzes 6 angedeutet ist, kann der finale Ventilsitzbereich 8 auch an einem in der Zeichnungsebene unteren Randbereich und/oder beabstandet zu den Randbereichen, z.B. mittig dazu angeordnet sein. Natürlich können auch mehrere finale Ventilsitzbereiche 8 an dem Ventilsitz 6 angeordnet sein. Natürlich kann auch der gesamte Ventilsitz 6 als finaler Ventilsitzbereich 8 aufgehärtet werden.
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In 2 ist ein Schliffbild gezeigt. Das Substratmaterial wurde mit einem Laser mit 4 kW aufgeschmolzen. Der Laserspotdurchmesser hatte einen Betrag von 4,7 mm. Die Pulverförderrate hatte einen Betrag von 6,6 g/min, wobei die Vorschubgeschwindigkeit einen Betrag von 1,0 m/min hatte. Es stellen sich Härtewerte mit einem Betrag von 560 bis 600 HV0,3 in dem finalen Ventilsitzbereich 8 ein, wobei benachbarte Bereiche 9, also weniger verstärkte Bereiche, noch einen Härtebetrag von 120 bis 190 HV0.3 aufweisen. Das Substratmaterial selbst hat einen Härtebetrag von 90 bis 100 HV0.3.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wurden als Substratmaterial 7 härtend wirkendes Material Karbide in Pulverform eingesetzt. Möglich ist auch ein auf dem Substratmaterial basierendes Material zu verwenden, dem die beispielhaft genannten Karbide zugemischt sind, also z.B. Niob-Karbid (NbC) welches in AISi12 eingemischt ist.
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Anstelle einer Laserdispergierung des finalen Ventilsitzbereiches 8 könnte der Ventilsitz 6 auch mittels Laserauftrag einlagig beschichtet werden. Dabei kann als Substratmaterial härtend wirkendes Material AISi12 mit Niob-Karbiden eingesetzt werden. Die Laserleistung könnte z.B. auf 3 KW reduziert werden, wobei das AISi12 einen Förderratenbetrag von 2,7 g/min und das NbC Pulver einen Förderratenbetrag von 6,6 g/min aufweisen könnte.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventilsitz
- 2
- Zylinderkopf
- 3
- Ventil
- 4
- Ventilkopf
- 5
- Ventilschaft
- 6
- Ventilsitz
- 7
- Substratmaterial
- 8
- Finaler Ventilsitzbereich
- 9
- Benachbarte Bereiche zu 8
