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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Panzern eines Ventilsitzes eines Gaswechselventils eines Verbrennungsmotors und ein mit diesem Verfahren hergestelltes Ventil.
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Die Erfindung betrifft ein Gaswechselventil für einen Verbrennungsmotor, dessen Ventilsitz durch eine besonders stabile Beschichtung oder Panzerung gegen Verschleiß geschützt ist.
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Bisher ist bekannt, Ventilsitze durch Nitrieren oder Beschichten mittels PTA (Plasma Transferred Arc) widerstandsfähiger gegen Verschleiß zu machen.
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Aus dem Dokument
DE 13 00 798 A ist eine Panzerung durch ein Widerstandsschweißen, indem ein Ring aus Panzermaterial auf den Ventilsitz geschweißt wird, bekannt.
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Andere Beschichtungsverfahren für Gaswechselventile sind aus dem europäischen Patent
EP 3 433 396 B1 bekannt.
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Ferner ist aus Dokument
EP 0 521 821 B1 ein Auslassventil einer DieselBrennkraftmaschine und ein Verfahren zum Herstellen des Ventils bekannt. Der Grundkörper des Auslassventils besteht aus einer warmfesten Nickelbasislegierung des Typs Nimonic. Er ist im Bereich seiner Sitzpartie metallurgisch mit einer Schicht verbunden, die entweder aus einer Nickelbasislegierung des Typs Inconel oder des Typs NiCrAlY besteht.
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Es ist wünschenswert, verschiedene Werkstoffe und Werkstoffkombinationen zur Panzerung von Ventilsitzen einsetzen zu können. Momentan bestehen Schwierigkeiten, Ventile aus Nickel-Werkstoffen oder Nickellegierungen zu beschichten. Bisher war es nicht ohne weiteres möglich, Nickelwerkstoffe mit haltbaren Beschichtungen zu versehen. Hoch-nickelhaltige Werkstoffe lassen sich bisher nur unter hohem Aufwand panzern. Dies ist aber insbesondere mit Hinblick auf eine Erhöhung des Wirkungsgrades immer höherer Temperaturen im Verbrennungsraum gefordert. Es ist daher wünschenswert, insbesondere ein Beschichtungsverfahren für nickelhaltige Werkstoffe zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren des unabhängigen Verfahrensanspruchs gelöst. Der unabhängige Vorrichtungsanspruch dient als Vorrichtung zum Aufbringen einer Panzerung gemäß dem Verfahren der Erfindung. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausführungen beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Panzern eines Ventilsitzes eines Gaswechselventils bereitgestellt, das die Schritte „Bereitstellen eines Ventils, Aufbringen einer Panzerung im Bereich eines Ventilsitzes durch Widerstandsrollenauftragschweißen“ umfasst.
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Das bereitgestellte Gaswechselventil umfasst dabei einen Ventilkopf und einen Ventilschaft, wobei der Ventilkopf einen Ventilteller mit einer Ventiltellerfläche und einen Ventilsitz umfasst. Die Panzerung wird dabei im Bereich des Ventilsitzes durch Widerstandsrollenauftragschweißen aufgebracht.
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Diese Verfahren weist den Vorteil auf, dass unterschiedliche Ventile mit jeweils gleichem Ventilsitzwinkel ohne eine wesentliche Umrüstung der Rollenschweißmaschine gepanzert werden können.
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Das Widerstandsrollenschweißen ist ein Verfahren, das zu den Widerstandspressschweißverfahren zählt. Bei dem Verfahren werden die Bauteile zusammengepresst und durch mindestens ein Elektrodenpaar mit mindestens einer Rollenelektrode bzw. einer Schweißrolle miteinander verschweißt. Wenn ein gepulster Strom verwendet wird, kann man es sich so vorstellen wie Widerstandspunktschweißen, nur dass anstelle von einzelnen Stabelektroden, die immer wieder umgesetzt werden müssen, die Elektroden über das Werkstück abrollen und nebeneinander Schweißpunkte setzen.
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Durch das spezielle Verfahren kann ein Ventil so auf der Ventilsitzfläche gepanzert werden. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass immer nur ein Teil der Ventilsitzfläche durch den Schweißvorgang thermisch belastet wird, was die notwendigen Kräfte, die zum Widerstandsschweißen aufgebracht werden müssen, deutlich verringert.
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Ferner wird beim Widerstandsrollenauftragschweißen der Werkstoff und das aufzutragende Material mittels Strom bzw. der resistiven Verlustleistung des Materials erwärmt, bis es glüht oder schmilzt. Die Rollenelektrode oder die Rollenelektroden sind dabei z.B. aus Kupfer, können aber auch Aluminium, Silizium oder andere Grundwerkstoffe bzw. Legierungen mit guter elektrischer Leitfähigkeit aufweisen und können vorzugsweise gekühlt werden. Durch den hohen Wärmeleitkoeffizienten des Kupfers und den geringen elektrischen Widerstand verschweißt die Rollenelektrode nicht, da ihr Material nicht warm genug wird, um aufzuschmelzen.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Rollenschweißen als Draht- oder Folien-Widerstandsrollenauftragschweißen ausgeführt. Hier wird ein Draht oder eine Folie von einer Rolle abgespult und auf den Ventilsitz bzw. zwischen Ventilsitz und Rollelektrode gebracht. Durch einen durch die Rollenelektrode und das Werkstück fließenden Strom wird der Draht bzw. die Folie mit dem Ventilsitz verschweißt. Dabei kann durch gewählte Drahtabmessungen bzw. eine geeignete Dicke der Folie die Beschichtung in mehreren Durchgängen aufgebracht werden, wodurch insbesondere der Anfang und das Ende der Folie oder des Drahtes nicht die Beschichtung stört. Solange hier auch Ventile mit gleichen Sitzwinkeln verwendet werden, können diese auch ohne besondere Umrüstung auf einer Maschine gefertigt werden, da lediglich durch eine Variation der Anzahl der Schichten verschiedene Schichtdicken bzw. unterschiedlich starke Panzerungen aufgetragen werden können.
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Bei einer besonderen Ausführungsform wird das Rollenschweißen als Pulver-Widerstandsrollenauftragschweißen ausgeführt. Hierbei wird ein Pulver, das aus einem gewünschten Panzerwerkstoff gebildet wird, auf den Ventilsitz aufgetragen. Das Pulver wird dann durch die Rollenelektroden weiter komprimiert und durch einen durch die Rollenelektrode und den Ventilsitz geleiteten Strom festgeschweißt. Durch die fehlende Trennfläche kann eine Verbindungsschicht mit einer besonders guten Verklammerung zwischen Panzerung und Grundwerkstoff erreicht werden. Das Pulver wird zuerst festgewalzt und dann festgeschweißt. Es muss durch eine geeignete Breite und Form des Rollenelektrodenprofils sichergestellt werden, dass die Rollenelektrode das Pulver nicht aus dem Schweißspalt drückt.
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Im Wesentlichen wird das Pulver auf das zu beschichtende Bauteil aufgetragen und im Anschluss durch das Verfahren verschweißt. Im Prinzip ist es ebenfalls möglich, das Pulver auf die Rollenelektrode aufzutragen durch eine entsprechende Drehung zwischen Elektrode und dem zu beschichtenden Bauteil zu bringen und im Anschluss durch das Verfahren zu verschweißen. In dieser Ausführung wird die Panzerung als ein Pulver und nicht als ein Draht oder eine Folie aufgetragen.
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Das Pulver kann bevorzugt direkt auf das zu beschichtende Bauteil oder den zu beschichtenden Teil des Bauteils aufgetragen werden. Dabei lässt sich nahezu jedes leitfähige Pulver als Panzerwerkstoff auftragen. Bevorzugt sind dabei Metall- bzw. Metalllegierungs- Pulver.
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Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Verfahrens können bei dem Pulver-Widerstandsrollenauftragschweißen die Schweißrolle oder die Schweißrollen schneller drehen als die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks. Bei einem herkömmlichen Rollennahtschweißen werden zwei Bleche durch entsprechend oben und unten angeordnete Rollenelektroden zusammengepresst und von Zeit zu Zeit mit einem Strompuls miteinander verschweißt. Dabei rollen die Rollelektroden auf den Blechen ab oder die Rollelektroden drehen bei gleichem Durchmesser mit gleicher Geschwindigkeit und transportieren so die Bleche. Hier wird jedoch anstelle von Blechen ein Pulver verwendet. Durch die sich schneller drehenden Rollen kann das Pulver besser in den Schweißspalt transportiert werden, da hier eine Elektrode dabei hilft, das Pulver in Bewegungsrichtung zu verdichten. Dies kann es erforderlich machen, den Druck mit dem die Rollenelektroden auf den Ventilsitz gepresst werden, zwischen den Schweißvorgängen leicht zu verringern. Das Pulver wird dann in Richtung eines bereits verschweißten Bereichs transportiert, wodurch höhere Schichtdicken erzielt werden können. Vorzugsweise liegt der Schweißspalt hier im Wesentlichen senkrecht, sodass die Schwerkraft den Transport und die Verdichtung des Pulvers unterstützt.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Werkstück oder zumindest der Teil des Ventiltellers im Bereich des Ventilsitzes einen nickelhaltigen Werkstoff oder einen hoch-nickelhaltigen Werkstoff wie Nimonic 3015. Mit dem vorliegenden Verfahren ist es möglich, auch hoch-nickelhaltige Werkstoffe einfach zu panzern.
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Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Verfahrens wird 80-20 NiCr, Stellite (6,F,1,12), Eatonite (3,5,6), Tribaloy (T-400), X-782, VMS-585, selbstfließende Legierungen (NiCrBSi) und/oder andere bekannte Panzerwerkstoffe als Beschichtungsmaterial bzw. Beschichtungspulver verwendet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gaswechselventil bereitgestellt, das mit dem vorstehenden Verfahren hergestellt wurde.
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Nicht mehr beansprucht wird eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Panzerung auf einen Ventilsitz eines Gaswechselventils bereitgestellt, die Vorrichtung umfasst dabei eine Ventil-Einspannvorrichtung, die geeignet ist, ein Gaswechselventil oder einen entsprechenden Gaswechselventilrohling so einzuspannen, dass er um seine Rotationssymmetrieachse bzw. Schaftachse drehbar angetrieben werden kann. Die Ventil-Einspannvorrichtung kann als Universalspannfutter für verschiedene Schaftdurchmesser ausgeführt sein. Es ist ebenfalls möglich, die Ventil-Einspannvorrichtung als eine Art Spannzange auszuführen, die das Ventil am Ventilteller unterhalb des Ventilsitzes einspannt. Weitere Spannvorrichtungen oder Kombinationen davon sind ebenfalls möglich.
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Die Vorrichtung zum Aufbringen einer Panzerung auf einen Ventilsitz eines Gaswechselventils umfasst dabei mindestens eine Schweißrolle, die über einen Ventilsitz des Gaswechselventils abrollen kann. Hierbei ist insbesondere möglich, dass lediglich eine Rollelektrode Verwendung findet, was bei herkömmlichen Rollennahtschweißgeräten nicht möglich ist. Weiter umfasst die Vorrichtung zum Aufbringen einer Panzerung auf einen Ventilsitz eines Gaswechselventils mindestens eine Zuführung für Panzermaterial, zwischen die Schweißrolle und den Ventilsitz. Dies kann als Drahtführung, Folienführung oder Pulverführung ausgeführt sein.
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Die Vorrichtung zum Aufbringen einer Panzerung auf einen Ventilsitz eines Gaswechselventils ist dabei ebenfalls eingerichtet zwischen dem Gaswechselventil und der Schweißrolle eine Spannung bzw. einen Strom anzulegen, mit dem das Panzermaterial durch Widerstandsschweißen auf den Ventilsitz aufgeschweißt werden kann.
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Da hier nur ein Ventil und keine zwei Bleche bearbeitet werden, kann das Verfahren auch mit nur einer Rollenelektrode durchgeführt werden.
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Es ist in einer weiteren Ausführungsform möglich eine einzelne Rollelektrode über den Ventilsitz zu rollen. Der Strom kann hier durch eine zweite größere Elektrode, die beispielsweise an der Ventiltellerfläche anliegt, abgeleitet werden. Die Elektrode, die an der Ventiltellerfläche anliegt, bildet eine Ventilflächenelektrode. Die Ventilflächenelektrode ist bevorzugt um eine Achse drehbar ausgeführt, die koaxial zu der Achse des Ventilschafts liegt.
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Es ist ebenfalls möglich, eine ganz andere Elektrode zu verwenden, die in der Einspannvorrichtung angeordnet ist.
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Bevorzugt ist die mindestens eine Rollenelektrode bzw. Schweißrolle mit einem Antrieb für die Schweißrolle versehen, mit dem die Schweißrolle schneller angetrieben werden kann als die Abrollgeschwindigkeit bei einer Drehung des Ventils. Hier soll die Elektrode in einer Phase mit weniger Anpressdruck Pulver, das vor der Schweißrolle liegt, aktiv in den Schweißspalt transportieren. Somit ließen sich höhere Schichtdicken aus dem Material der Panzerung erzielen.
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Bei einer zusätzlichen Ausführungsform der Vorrichtung umfasst diese mindestens eine zweite Schweißrolle bzw. Rollenelektrode. Hier kann der Schweißstrom über die zweite Rollenelektrode abgeführt werden. Diese Ausführung würde es gestatten, das Ventil durch ein Paar, ein Triplet, vier oder mehrere Rollenelektroden, die jeweils über den Ventilsitz abrollen, zu führen und den Schweißstrom abzuführen. Die Schweißrollen sollten jeweils gegenüberliegend oder mit gleichen Winkeln zueinander angeordnet werden. Die Schweißrollen sollten alle auf dem Ventilsitz laufen, wobei ein Schweißstrom zwischen den Schweißrollen angelegt wird. Es ist möglich, bei 3 oder 6 Schweißrollen Drehstrom als Schweißstrom einzusetzen.
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Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung weist mindestens eine Schweißrolle ein zylindrisches Profil, ein balliges Profil oder ein kegliges Profil auf. Der Ventilsitz bildet üblicherweise eine Kegelstumpfmantelfläche. Es ist nicht möglich, diese in Bezug auf eine Zylinderfläche sauber abzurollen. Die Kegelmantelfläche durchschnittlicher Ventilsitze weist jedoch eine im Vergleich zum Umfang sehr geringe Höhe auf. Daher kann es ausreichend sein, Rollenelektroden mit zylindrischer Radialfläche bzw. Kontaktfläche zu verwenden. Es ist ebenfalls vorgesehen, ein balliges Profil bei den Rollenelektroden einzusetzen. Dies eignet sich insbesondere für die Draht- und Folien-Lösungen. Es ist vor allem vorgesehen, mindestens eine Rollenelektrode zu verwenden, die ebenfalls eine Kegelmantelfläche bildet. Wenn die Rollenelektrode einen Kegelwinkel aufweist, der dem des Ventilsitzes entspricht, kann die Rollenelektrode über den Ventilsitz abrollen, ohne dass es zu irgendeiner axialen oder Querkomponente beim Komprimieren des Pulvers zwischen der Rollenelektrode und dem Ventilsitz kommt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von nicht-maßstabsgetreuen Figuren verdeutlicht.
- 1, zeigt ein Panzerungsverfahren des Standes der Technik.
- 2 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit nur einer Rollenelektrode dar.
- 3 stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit zwei Rollenelektroden dar.
- 4 stellt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ebenfalls mit zwei Rollenelektroden, dar.
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Im Folgenden werden sowohl in der Beschreibung als auch in den Figuren gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Elemente und Komponenten Bezug zu nehmen.
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1 zeigt ein Panzerungsverfahren des Standes der Technik. Dabei wird ein Ring aus härterem Material als Panzerung 43 im Bereich des Ventilsitzes 42 über die Elektroden 44 und 45 durch Widerstandsschweißen angebracht. Die Striche 46 zeigen die Verformung des Panzermaterials beim Schweißen.
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2 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit nur einer Rollelektrode 10 dar. Das Gaswechselventil 2 umfasst einen Ventilschaft 4 und einen Ventilkopf 6. Am Ventilkopf 6 ist ein Ventilsitz 8 angeordnet, mit dem das Ventil im Betrieb einen Ansaug- oder Abgaskanal verschließt.
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In 2 wird der Ventilschaft 4 durch eine Ventil-Einspannvorrichtung 30 drehbar und antreibbar gehalten. Es ist ebenfalls möglich, anstelle des Ventilschafts 4 den Ventilteller oder ein anderes Teil des Gaswechselventils 2 einzuspannen. An einer Ventiltellerfläche liegt ein drehbarer Stift oder Zylinderelektrode 22 an, die den Strom von der Rollelektrode 10 über die Ventiltellerfläche ableitet. Die Rollelektrode 10 weist ein zylindrisches Profil 12 auf. Das Profil bezieht sich hier auf den Teil der Rollelektrode 10, die mit dem Werkstück in Kontakt kommt. Der dünne Pfeil an der Rollelektrode 10 zeigt ihre Drehrichtung, der dickere Pfeil die Kraft mit der die Rollelektrode 10 gegen den Ventilsitz 8 gedrückt wird.
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Die Zuführung 20 dient dazu, Panzermaterial in den Spalt zwischen die Rollenelektrode 10 und den Ventilsitz 8 zu bringen. Das Panzermaterial kann als Pulver, Folie oder ein Draht zugeführt werden. Im Falle von Pulver kann das Panzermaterial einfach in Bewegungsrichtung vor den Spalt gestreut werden. Das Pulver wird dann zwischen der Rollelektrode 10 und dem Ventilsitz 8 komprimiert und durch einen folgenden Stromfluss mit dem Ventilsitz 8 verschweißt. Das Verfahren stellt damit ein Widerstands-Auftragschweißen dar und nicht lediglich eine Verbindung zweier Bauteile durch Schließen eines Spalts durch eine Rollennaht.
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Die Spannungsversorgung V stellt den Schweißstrom bereit. Der Schweißstrom fließt hier von der Rollenelektrode 10 über das zylindrische Profil 12 über das Panzermaterial in den Ventilsitz 8 und schweißt so das Panzermaterial auf dem Ventilsitz 8 auf. Von dem Ventilsitz fließt der Strom über den Ventilteller 8 und die Ventiltellerfläche über die Zylinderelektrode 22 zurück zur Spannungsversorgung V. Hierbei kann je nach Bedarf die technische Stromrichtung oder die Bewegungsrichtung der Elektronen betrachtet werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass es ebenfalls möglich ist, die Rollelektrode 10 anzutreiben und beispielsweise bei vermindertem Anpressdruck mehr Panzermaterial-Pulver in den Schweißspalt zu befördern. Dies ist mit Draht oder Folie jedoch nicht möglich. Durch dieses Verfahren kann in einem Durchgang mehr Panzermaterial aufgetragen werden.
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Das Verfahren ist dazu ausgelegt, das Panzermaterial in mehreren Umdrehungen des Ventils aufzutragen. Dies hat den Vorteil, dass die Verarbeitungsparameter wie Schweißstrom, Schweißstrompulsdichte, Vorschub, Anpressdruck und Menge an Panzermaterial (Pulver Folie oder Draht) auf den Schweißvorgang abgestimmt werden können. Die gewünschte Dicke der Panzerung lässt sich dann ganz einfach über eine Anzahl von Umdrehungen des Ventilschafts beim Rollen-Auftragschweißen einstellen. So kann durch wiederholtes Auftragschweißen schließlich eine gewünschte Schichtdicke erreicht werden.
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3 stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit zwei Rollenelektroden dar. Im Gegensatz zu der Ausführung der 2 wird hier eine erste Rollelektrode 10 mit einem kegelstumpfmantelförmigen Profil verwendet. Auch hier wird eine Stift- oder Zylinderelektrode 22 an der Ventiltellerfläche angeordnet, um den Schweißstrom abzuleiten.
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Im Vergleich zu 2 wird bei der 3 ebenfalls eine zweite Rollelektrode 16 verwendet, die ebenfalls ein kegelstumpffömiges Profil 14 aufweist. Mit der zweiten Rollelektrode 16 kann zudem ein bereits aufgetragenes Panzermaterial in einem zweiten Schritt verdichtet werden. Die zweite Rollelektrode 16 verfügt hier über eine eigene Spannungsversorgung V2, die es gestattet, den Schweißstrom auf die Anwendung des Nachverdichtens abzustimmen. Es ist ebenfalls möglich, auch die zweite Rollelektrode 16 mit einer eigenen Zuführung für Panzermaterial in Pulver-, Draht- oder Folienform zu versehen, um den Aufbau einer gewünschten Panzerungsdicke zu beschleunigen. Es ist im Prinzip ebenfalls möglich, 3, 4, 5 oder 6 Rollelektroden einzusetzen.
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Das kegelstumpfförmige Profil 14 der Rollenelektroden 10, 16 weist den Vorteil auf, dass das Profil der Rollenelektroden 10, 16 gleichmäßig auf dem Ventilsitz 8 abrollt. Durch diese Form kann ein in Axialrichtung gleichmäßigerer Auftrag der Panzerung erreicht werden.
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4 stellt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ebenfalls mit zwei Rollenelektroden, dar. Hier wird eine erste Rollenelektrode 10 mit einem zylindrischen Profil 12 verwendet. Anstelle der Stift- oder Zylinderelektrode 22 kann ein Isolator die Ventiltellerfläche abstützen. Hier wird das Pulver durch die Panzermaterialzuführung 20 der Panzerung vor dem Schweißspalt auf den Ventilsitz 8 aufgetragen. Nachdem das Pulver durch eine Drehung des Gaswechselventils 2 zwischen den Ventilsitz 8 und die erste Rollenelektrode 10 eingebracht wurde, wird das Pulver durch einen von der Spannungsversorgung V abgegebenen Strom auf den Ventilsitz aufgeschweißt. Der Schweißstrom fließt dabei von der Spannungsversorgung V über die erste Rollenelektrode 10 durch den Ventilkopf 6 weiter über den Ventilsitz 8 in die zweite Rollelektrode 16. Hier wird durch den Übergangswiderstand der Ventilsitz 8 noch einmal erwärmt und eine bereits aufgetragene Schicht aus Panzermaterial kann weiter verfestigt werden.
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Die Panzerung wird bevorzugt als ein Pulver aufgetragen, es ist jedoch ebenfalls möglich einen Draht, einen Profildraht oder auch eine Folie zu verwenden.
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In den Figuren sind verschiedene Ausführungsformen dargestellt. Es soll darauf hingewiesen werden, dass auch alle Kombinationen von Einzelmerkmalen aus den 2 bis 4 als offenbart angesehen werden sollen. In den Figuren sind nur die wesentlichen Merkmale des Verfahrens und der Vorrichtung dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Gaswechselventil
- 4
- Ventilschaft
- 6
- Ventilkopf
- 8
- Ventilsitz
- 10
- Rollelektrode bzw. erste Rollelektrode bzw. Schweißrolle
- 12
- zylindrisches Profil einer Rollelektrode
- 14
- kegelstumpfförmiges Profil einer Rollelektrode
- 16
- Rollelektrode bzw. zweite Rollelektrode bzw. Schweißrolle
- 20
- Zuführung bzw. Zuführung für Panzermaterial
- 22
- Stift oder Zylinderelektrode
- 30
- Ventil-Einspannvorrichtung
- 42
- Ventilsitz
- 43
- Panzerungsring
- 44
- Elektrode
- 45
- Elektrode
- 46
- Striche 46 zeigen die Verformung des Panzermaterials beim Schweißen.
- V
- Spannungsversorgung (der ersten Rollenelektrode)
- V2
- Spannungsversorgung (der zweiten Rollenelektrode)
