DE102020213000A1 - Ventil für verbrennungskraftmaschinen und verfahren zur herstellung eines ventils für verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Ventil für verbrennungskraftmaschinen und verfahren zur herstellung eines ventils für verbrennungskraftmaschinen Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil (1) für Verbrennungskraftmaschinen, wobei mindestens ein Bereich des Ventils (1) eine gehärtete Schicht (10) mit einer erhöhten Härte und Restdruckspannung an der Oberfläche umfasst, neben einer erhöhten Härte und Restdruckspannung in der Tiefe der Dicke der gehärteten Schicht (10), was eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Ermüdung mit einer daraus folgenden Steigerung der Beständigkeit gegen Mikrokorrosion durch Mikrogrübchen bereitstellt, was dem Ventil (1) eine ausgezeichnete Haltbarkeit verleiht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil für Verbrennungskraftmaschinen, das eine erhöhte Härte und Druckspannungen aufweist, was so zu einer ausgezeichneten Beständigkeit gegen Ermüdung und insbesondere zu einer ausgezeichneten Beständigkeit gegen Mikrogrübchen führt.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Während des letzten Jahrzehnts sind viele Anstrengungen in dem Sinne unternommen worden, den Wirkungsgrad von Verbrennungskraftmaschinen zu steigern und die Emission von Partikeln zu vermindern, insbesondere auf Grund der äußerst strengen Umweltpolitiken.
  • Eine der hauptsächlichen Auswirkungen für die Verbrennungskraftmaschinen war die Steigerung der Kräfte und Lasten, denen die Bauteile ausgesetzt sind. Die Ventile der Kraftmaschinen waren eines dieser betroffenen Bauteile, bei denen die Berührung des Gegenkörpers des Antriebssystems mit der Spitze des Ventils hochgradig kritisch wurde, was zu Defekten in diesem Bereich, wie dem Mikrogrübchen, führte.
  • Das Mikrogrübchen ist der Verlust von Material durch Ermüdungsdefekt und ist auf einige Zehntelmillimeter Tiefe begrenzt. 3 illustriert eine schematische Darstellung der Bildung des Mikrogrübchens. Die Bildung von Mikrogrübchen ist mit Ermüdungsrissen verknüpft, die durch Hertzsche Scherspannungen an der Spitze des Ventils eingeleitet werden. Die Kollisionen zwischen Rauheiten auf gegenüberliegenden Flächen (Gegenkörper und Ventilspitze) verursachen plastische Verformungen, die nach vielen Einfahrzyklen der Kraftmaschine angesammelt werden und Restzugspannungen erzeugen, die, an einem bestimmten Punkt, Risse einleiten.
  • Das Auftreten von Mikrogrübchen ist verknüpft i) mit einem Zustand unregelmäßiger Schmierung, ii) mit einer erhöhten Last, iii) mit einer hohen Temperatur, iv) mit einer unregelmäßigen Oberfläche (erhöhten Rauheit) und v) mit ungeeignetem Material (verringerte Ermüdungsfestigkeit). Die drei ersten Ursachen (i, ii und iii) sind mit dem Betrieb der Kraftmaschine verknüpft, während die zwei letzten (iv und v) unmittelbar mit dem Material und Bereichen des Ventils verknüpft sind. 4 und 5 illustrieren Fotografien von Oberflächen, die durch Mikrogrübchen angegriffen sind, während 6 eine Bildung eines Risses durch Ermüdung illustriert.
  • Der Stand der Technik erreicht eine Steigerung der Ermüdungsfestigkeit mit Hilfe der Umsetzung von besonderen Werkzeugstählen oder durch die Hinzufügung von keramischen Schutzschichten an der Oberfläche der Ventilspitze, wobei keine dieser Lösungen zu einem Ventil führt, das bei den schwereren Betriebsbedingungen wirksam ist, wobei sie zudem schwierig gewerblich einzuführen sind.
  • Als Verweis darauf, was beim Stand der Technik zu finden ist, gibt es die Patentschrift US20100086397A1 , die Turbinenbauteile mit hoher Beständigkeit gegen Korrosion durch Mikrogrübchen auf Grund der Einführung einer keramischen Schutzschicht betrifft.
  • Ihrerseits offenbart die Patentschrift US7300622 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Nanostrukturen auf den Oberflächen von metallischen Teilen mit Hilfe von Ultraschall-Verfestigungsstrahlen mit Strahlmitteln (USP - Ultrasonic Shot Peening). Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch keine strukturelle Modifikation gewünscht, da es notwendig ist, dass andere Eigenschaften wie Beständigkeit gegen Verschleiß und Verträglichkeit mit dem Gegenkörper so ursprünglich gehalten werden wie bei dem Material vor der Behandlung.
  • Noch als Verweis offenbart die Patentschrift FR2689431 ein Verfahren zum Herstellen von metallischen Teilen mit einer Ummantelung, die mit Hilfe von Ultraschall-Strahlverfestigung gehärtet ist. Der innewohnende Nachteil diese Verfahrens ist das hohe Niveau an Rauheit, das erzeugt wird, was sich für Ventilanwendungen als kritisch und undurchführbar erweist, insbesondere auf Grund des größeren Verschleißes, der am Gegenstück der Spitze des Ventils veranlasst wird.
  • Es ist wichtig, zu bemerken, dass der Stand der Technik nur Verfahren und/oder Behandlungen aufweist, um eine Härte an der Oberfläche eines Bauteils zu steigern, jedoch nicht die Steigerung von Druckspannungen an der Oberfläche oder die Steigerung der Ermüdungsfestigkeit ermöglicht.
  • AUFGABEN DER ERFINDUNG
  • Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ventil für Verbrennungskraftmaschinen bereitzustellen, bei dem mindestens ein Bereich des Ventils eine Oberflächenbehandlung durch ein Verfahren des Ultraschall-Verfestigungsstrahlens mit Kugeln aus hartem Material (USP - Ultrasonic Shot Peening) erhält, wobei eine Mikrostruktur des Bereichs, welcher der Behandlung unterworfen wird, modifiziert wird, so dass sie, außer erhöhter Härte, erhöhte Druckspannungen aufweist, um so die Beständigkeit gegen Ermüdung im Bereich der Anwendung der Behandlung und demzufolge seine Beständigkeit gegen Mikrogrübchen zu steigern.
  • Weiterhin hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Ventil bereitzustellen, das mit wenigstens einem gehärteten Bereich versehen ist, in dem die Härte der Oberfläche dieses Bereichs über 20 % im Verhältnis zu den Oberflächen, die zuvor durch Härten durch Induktion behandelt wurden, auf mindestens 400 Mikrometer Tiefe der Dicke der Oberfläche, die der Oberflächenbehandlung mit Ultraschall-Verfestigungsstrahlen mit Kugeln aus einem harten Material unterworfen wird, gesteigert ist. Die Härtungsbehandlung durch Induktion ist wahlweise.
  • Schließlich hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Ventil bereitzustellen, das mit mindestens einem gehärteten Bereich versehen ist, der eine erhöhte Härte und erhöhte Druckspannungen aufweist, was zu einer ausgezeichneten Beständigkeit gegen Ermüdung und Beständigkeit gegen Mikrogrübchen führt, wobei eine größere Haltbarkeit und überlegene Eigenschaften im Verhältnis zu den gegenwärtig auf dem Markt anzutreffenden Ventilen bereitgestellt wird.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden erfüllt durch ein Ventil für Verbrennungskraftmaschinen, versehen mit einem Körper aus einem eisenhaltigen Substrat, das Chrom umfasst, oder einem Legierungssubstrat auf Grundlage von Nickel, wobei mindestens ein Bereich des Substrats eine gehärtete Schicht mit einer Härte von 800 nach Vickers bis 1200 nach Vickers und einer Restdruckspannung von 1200 MPa bis 1600 MPa auf mindestens 70 Mikrometer Tiefe umfasst, wobei die gehärtete Schicht eine Dicke von bis zu 500 Mikrometer und eine Oberflächenhärte von 900 nach Vickers aufweist, wobei die gehärtete Schicht eine Härte von mindestens 800 nach Vickers auf mindestens 400 Mikrometer Tiefe umfasst, wobei sie auf allen Oberflächen des Ventils bereitgestellt wird und/oder wobei sie in einem Bereich bereitgestellt wird, welcher der Oberfläche einer Spitze des Ventils entspricht, wobei das Substrat von einem martensitischen rostfreien Stahl gebildet wird.
  • Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls erfüllt durch ein Verfahren zur Herstellung eines Ventils für Verbrennungskraftmaschinen, wie oben beschrieben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: i) Schmieden und herkömmliche Wärmebehandlungen, ii) spanende Bearbeitung der Geometrie des Ventils, iii) Oberflächenbehandlung mindestens eines Bereichs des Ventils, zum Erreichen einer gehärteten Schicht mit erhöhten Restdruckspannungen und iv) Polieren und/oder Endbearbeitung durch Spanen, wobei der Schritt iii) der Oberflächenbehandlung mit Hilfe von Ultraschall-Verfestigungsstrahlen unter Verwendung einer Schwingungsamplitude von 70 bis 130 µm von Scheitel zu Scheitel durchgeführt wird, mit Strahlmitteln aus Keramik oder aus Hartmetall, deren Teilchen mehrheitlich kugelförmig sind, mit einem Durchmesser zwischen 0,2 und 3,3 Millimeter und einer abgestimmten Masse von 2 bis 6 Gramm/Teil, mit einer Expositionszeit von mindestens 5 Sekunden und einer Abdeckungsquote von mehr als 125 %.
  • Außerdem werden die Aufgaben der vorliegenden Erfindung erfüllt durch eine Verbrennungskraftmaschine, die mindestens ein Ventil, wie oben beschrieben, umfasst.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden ausführlicher beschreiben werden, auf Grundlage eines Ausführungsbeispiels, das in den Zeichnungen dargestellt ist. Die Figuren zeigen:
    • 1 - schematische Vorderansicht eines Ventils mit den Teilen, aus denen es besteht,
    • 2 - schematische Zeichnung der gehärteten Schicht, die an dem Ventil der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird,
    • 3 - schematische Darstellung der Bildung des Mikrogrübchens in einer beliebigen Oberfläche eines mechanischen Bauteils,
    • 4 - Fotografie der Spitze eines Ventils des Standes der Technik, die ein Auftreten von Mikrogrübchen in der Mitte der Oberfläche illustriert,
    • 5 - Fotografie der Spitze eines Ventils des Standes der Technik, die ein Auftreten von Mikrogrübchen auf der gesamten Oberfläche illustriert,
    • 6 - Fotografie des Querschnitts der Spitze eines Ventils des Standes der Technik, die einen Ermüdungsriss, verantwortlich für das Auftreten von Mikrogrübchen, illustriert,
    • 7 - grafische Darstellung des Härteprofils, erhalten für das Ventil der vorliegenden Erfindung im Verhältnis zu den Ventilen des Standes der Technik,
    • 8 - grafische Darstellung der Restspannungen, erhalten für das Ventil der vorliegenden Erfindung im Verhältnis zu den Ventilen des Standes der Technik,
    • 9 - grafische Darstellung der maximalen Tragfähigkeit unter zyklischem Druck für das Ventil der vorliegenden Erfindung im Verhältnis zu den Ventilen des Standes der Technik,
    • 10 - Fotografie eines Prüfstandes für zyklischen Druck zur Bewertung der Beständigkeit gegen das Auftreten von Ermüdungsrissen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil 1 für Verbrennungskraftmaschinen, wobei mindestens ein Bereich des Ventils 1 eine gehärtete Schicht 10 mit einer erhöhten Druckspannung umfasst, die mit Hilfe einer Oberflächenbehandlung durch Ultraschall-Verfestigungsstrahlen mit Strahlmitteln (USP) erreicht wird, was dem Ventil 1 eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Ermüdung und demzufolge eine erhöhte Beständigkeit gegen das Auftreten von Mikrogrübchen verleiht.
  • Die Ventile 1 zur Verwendung in Verbrennungskraftmaschinen sind Bauteile von hoher Präzision, im Kopf der Kraftmaschine untergebracht, für verschiedene Aufgaben verantwortlich und hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen unterworfen.
  • Auf Grund der verschiedenen Anforderungen und Beanspruchungen, denen das Ventil unterworfen ist, ist seine konstruktive Konfiguration im Allgemeinen sehr ähnlich. So umfasst, wie in 1 zu sehen ist, ein Ventil 1 einen Kopf 2 in Form einer Scheibe, die mit einem Setzungsbereich 3 und einem Halsbereich 4, der als Übergangsabschnitt hin zu einem Schaft 5 wirkt, versehen ist, wobei an dem zum Kopf entgegengesetzten Ende des Schafts die Spitze 6 des Ventils 1 angeordnet ist. Weiterhin sind im Bereich des Schafts 5, in der Nähe der Spitze 6 des Ventils 1, eine oder mehrere Aussparungen zu beobachten, welche die Nuten 7 des Ventils 1 bilden. Jeder Bereich des Ventils 1 ist unterschiedlichen Arbeitsbeanspruchungen unterworfen, wobei sie daher auf unterschiedliche Weisen gefordert sind.
  • Es gibt beim Stand der Technik einige örtlich begrenzte Verfahren, die versuchen, die Verschleißfestigkeit der Spitze des Ventils zu verbessern, wie die Härtung durch Induktion und die Gasnitrierung. Jedoch verhindern sie, wenn schweren Betriebsbedingungen unterworfen, nicht das Auftreten von Mikrogrübchen. In diesem Zusammenhang weisen die Ventile des Standes der Technik eine verminderte Haltbarkeit auf, insbesondere auf Grund des Auftretens von Mikrogrübchen infolge des Erscheinens von Ermüdungsrissen.
  • Anders als die beim Stand der Technik beschriebenen Ventile, umfasst das Ventil 1 der vorliegenden Erfindung eine gehärtete Schicht 10, illustriert in 2, mit einer maximalen wirksamen Tiefe von etwa 400 Mikrometer mit erhöhter Druckspannung.
  • Das Ventil 1 der vorliegenden Erfindung ist mit einer Spitze 6 versehen, die einen Körper oder ein Substrat 8 umfasst, der/das vorzugsweise aus einem rostfreien martensitischen Stahl geformt ist, der zuvor gehärtet und wahlweise angelassen wurde, wobei eine Härteskala von mindestens 50 HRC (Rockwell-Härte von 50 auf der Skala C) erhalten wird.
  • Die Spitze 6 des Ventils 1 wird der vorliegenden Erfindung wird einer Oberflächenbehandlung durch Ultraschall-Verfestigungsstrahlen mit Kugeln aus hartem Material (USP) unterworfen, die auf Grundlage einer kontrollierten Operation einer mechanischen Kaltverformung mikrostrukturelle Modifikationen einleitet. Die umgesetzten Modifikationen erzeugen wahrnehmbare Verbesserungen in Bezug auf tribologische und mechanische Leistung. Wenn sie auf die Oberfläche 6` der Spitze 6 des Ventils 1 angewendet wird, liefert die Behandlung durch Ultraschall-Verfestigungsstrahlen mit Strahlmitteln eine erhöhte Beständigkeit gegen Ermüdung und gegen Verschleiß, was die Haltbarkeit und die Nutzungsdauer des Ventils 1 steigert.
  • Im Einzelnen wird die erhöhte Beständigkeit gegen Ermüdung auf Grund der hohen Druckspannungen erreicht, die an der Oberfläche 6` der Spitze 6 eingeleitet werden. Die Druckspannungen sind fundamental, um den Beginn und die Ausbreitung von Ermüdungsrissen zu erschweren, was daher die Bildung von Mikrogrübchen vermindert. Die idealen Druckspannungen für die Anwendung werden durch die Kombination dreier Faktoren erreicht: die Massedimension der harten Kugeln, die Schwingungsamplitude und die Expositionszeit.
  • Das Ventil 1 der vorliegenden Erfindung kann durch einen beliebigen bereits bekannten Fertigungsprozessablauf erhalten werden, wobei anschließend ein abschließender Schritt der Durchführung einer Oberflächenbehandlung durch Ultraschall-Verfestigungsstrahlen mit Strahlmitteln umgesetzt wird, wobei die Behandlung insbesondere an der Oberfläche 6` der Spitze 6 des Ventils 1 durchgeführt wird.
  • In Abhängigkeit von der an der Oberfläche 6` erreichten Rauheit kann ein Polieren/eine sanfte Endbearbeitung notwendig sein, um die Ergebnisse an die Oberflächenanforderungen von Ventilen anzupassen. Es ist jedoch zu bemerken, dass die Morphologie von Mikrokugeln, die sich aus der Verfestigungsstrahlbehandlung ergibt, nützlich für das Zurückhalten von Schmiermittel und eine Verbesserung der funktionellen Eigenschaften der Anwendungsoberfläche sein kann, wobei sie dazu beiträgt, die Bildung von Mikrogrübchen zu verhindern.
  • Im Einzelnen werden die Parameter, die zur Durchführung der Behandlung durch Ultraschall-Verfestigungsstrahlen mit Strahlmitteln an der Oberfläche 6` der Spitze 6 des Ventils 1 der vorliegenden Erfindung benutzt werden, unten beschrieben:
    Parameter Messbereich Bevorzugtes Maß
    Schwingungsamplitude 70 µm p/p - 130 µm p/p 100 - 110 µm p/p
    Durchmesser der Strahlmittel 0,2 mm - 3,3 mm 1,8 mm - 2,8 mm
    Art der Strahlmittel Keramik oder Hartmetall Keramik
    Abgestimmte Masse der Strahlmittel 2 - 6 Gramm/Teil 3 - 5 Gramm/Teil
    Expositionszeit der Oberfläche gegenüber der Behandlung 5 Sekunden - 250 Sekunden 15 - 40 Sekunden
    Abdeckungsquote > 100 % > 125 %
  • Die Oberflächenbehandlung durch Verfestigungsstrahlen, die, den oben beschriebenen Parametern folgend, an der Oberfläche 6` der Spitze 6 des Ventils 1 der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde, erzeugte sehr hohe Restdruckspannungen an der Oberfläche 6', was zu der gehärteten Schicht 10 führte, wobei die Druckspannungen mit einer maximalen wirksamen Tiefe von etwa 400 Mikrometer vierfach gesteigert werden konnten.
  • Neben den erzeugten Restdruckspannungen weist die erreichte gehärtete Schicht 10 eine um 20 % höhere Oberflächenhärte im Verhältnis zu der Härte der ursprünglichen Oberfläche 6', vor der Durchführung der Behandlung, auf.
  • 7 illustriert eine vergleichende Grafik des Härteprofils der Spitze 6 des Ventils 1 der vorliegenden Erfindung im Verhältnis zum Stand der Technik. In diesem Zusammenhang wurden zwei Proben vorbereitet, wobei eine erste Probe, im Folgenden Probe A genannt, der zusätzlichen Behandlung durch Ultraschall-Verfestigungsstrahlen mit Strahlmitteln, nach der vorliegenden Erfindung, unterworfen wurde, und eine zweite Probe, im Folgenden Probe B genannt, nur einer örtlich begrenzten Wärmebehandlung unterworfen wurde, wobei sie also ein Beispiel des Standes der Technik darstellt.
  • Es ist zu beobachten, dass am äußersten Abschnitt (Entfernung von der Oberfläche gleich null Mikrometer) der Oberfläche 6` der Spitze 6 des Ventils 1 die für die Probe A (vorliegende Erfindung) erreichte Härte bis zu 1100 nach Vickers (HV 0,05) erreichte, während die Probe B (Stand der Technik) wenig mehr als 900 nach Vickers erreichte. Beim Entfernen von dem äußersten Abschnitt der Oberfläche 6` erhielt die Probe A eine Härte zwischen 900 nach Vickers und 1000 nach Vickers in einer Tiefe von 200 Mikrometer, und die Probe B erhielt eine Härte von etwa 800 nach Vickers, gemessen bei der gleichen Tiefe. Beim noch weiteren Entfernen, bei einer Tiefe von 400 Mikrometer, erreichte die Probe A eine Härte näher bei 900 nach Vickers, während die Probe B eine Härte näher bei 800 nach Vickers erreichte.
  • Ihrerseits illustriert 8 eine vergleichende Grafik der an der Spitze 6 des Ventils 1 der vorliegenden Erfindung erreichten Restspannungen im Verhältnis zum Stand der Technik. In diesem Zusammenhang wurden drei Proben vorbereitet, wobei i) eine erste Probe, im Folgenden Probe A genannt, einer Härtungsbehandlung durch Induktion und der Behandlung durch Ultraschall-Verfestigungsstrahlen mit Strahlmitteln, nach der vorliegenden Erfindung, unterworfen wurde, ii) eine zweite Probe, im Folgenden Probe B genannt, einer Härtungsbehandlung durch Induktion unterworfen wurde, wobei sie also ein Beispiel des Standes der Technik darstellt, und iii) eine dritte Probe, im Folgenden Probe C genannt, einer Härtungsbehandlung durch Induktion und der Durchführung der Oberflächenbehandlung durch Ultraschall-Verfestigungsstrahlen mit Strahlmitteln mit Parametern, anders als die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen, unterworfen wurde.
  • Es ist möglich, in der Grafik von 8 zu beobachten, dass die Probe A (vorliegende Erfindung) Druckspannungen von mehr als 1600 Megapascal (MPa) in der Tiefe zwischen 0 und 100 Mikrometer der Oberfläche 6` erreicht, während die Probe B (Stand der Technik) Druckspannungen in der Größenordnung von 200 bis 400 Megapascal für die gleiche Tiefe erreicht. Außerdem erreicht die Probe C (gehärtete Spitze 6, jedoch mit der Durchführung der Verfestigungsstrahlbehandlung mit von der vorliegenden Erfindung abweichenden Parametern) Druckspannungen von mehr als 1200 Megapascal, gemessen in der Tiefe von 0 bis 100 Mikrometer der Oberfläche 6'.
  • Folglich weist die gehärtete Schicht 10, die an der Oberfläche 6` der Spitze 6 des Ventils 1 der vorliegenden Erfindung, Probe A, erhalten wird, eine Härte von 1000 nach Vickers bis 1100 nach Vickers und eine Restdruckspannung von 1400 MPa bis 1600 MPa, gemessen bei einer Tiefe von bis zu 100 Mikrometer von dem äußersten Abschnitt der Oberfläche 6` aus, auf, was zu einer Oberfläche 6` führt, die sehr beständig gegen Ermüdung und demzufolge äußerst beständig gegen Mikrogrübchen ist.
  • Solche Ergebnisse können in der Grafik überprüft werden, die in 9 illustriert ist, welche die maximale Tragfähigkeit der Spitze 6 des Ventils 1, wenn sie zyklischem Druck ausgesetzt ist, illustriert. In dieser Grafik ist zu beobachten, dass die Probe A (vorliegende Erfindung) dazu in der Lage ist, eine angelegte Last von bis zu 20 kN (Kilonewton) zu tragen, während die Proben des Standes der Technik, Probe B (Stand der Technik) und Probe C (Oberfläche 6` mit Härtung und Durchführung der Verfestigungsstrahlbehandlung mit von der vorliegenden Erfindung abweichenden Parametern) dazu in der Lage sind, jeweils eine Last von 15 kN beziehungsweise 10 kN zu tragen, bedeutend geringer als die Last, die von der Spitze 6 des Ventils 1 der vorliegenden Erfindung getragen wird. In diesem Zusammenhang weist die Probe A (vorliegende Erfindung) eine beträchtliche Steigerung bei der Ermüdungsfestigkeit unter Druckspannungen auf, Schlüsselfaktor in Bezug auf die Beständigkeit gegen Mikrogrübchen. Der Vergleich zwischen der Probe A und der Probe C macht die Bedeutung der Parameter der Behandlung durch Ultraschall-Verfestigungsstrahlen offensichtlich, da die ausgezeichneten Ergebnisse nur bei der Probe A erreicht wurden, die entsprechend dem Parameterbereich erzeugt wurde, der in der Erfindung beschrieben wird.
  • Außerdem stellt 10 einen Aufbau eines Prüfstandversuchs zum Messen der Ermüdungsfestigkeit dar, bei dem eine Kugel, deren Fertigungsmaterial ein Wolframkarbid (WC) ist gegen die Oberfläche 6` der Spitze 6 des Ventils 1 gepresst wird, wobei eine zyklische Last in Form einer Sinuswelle angelegt wird. Nach 5 Millionen Zyklen wurde das der Prüfung unterworfene Teil untersucht, um das Auftreten von Ermüdungsrissen zu überprüfen. Die maximalen Lasten, die jede Probe erreichen konnte, ohne einen Riss einzuleiten, wurden in einer Grafik abgebildet, die in 9 illustriert ist, wobei die ausgezeichnete Ermüdungsfestigkeit nachgewiesen wird, die für die Spitze 6 des Ventils 1 der vorliegenden Erfindung erreicht wird.
  • Nachdem ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, sollte es sich verstehen, dass der Rahmen der vorliegenden Erfindung andere mögliche Variationen einschließt, wobei er nur durch den Gehalt der angehängten Ansprüche beschränkt wird, worin die möglichen Äquivalente eingeschlossen sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 20100086397 A1 [0007]
    • US 7300622 [0008]
    • FR 2689431 [0009]

Claims (10)

  1. Ventil für Verbrennungskraftmaschinen, versehen mit einem eisenhaltigen Körper oder Substrat (8), der/das Chrom umfasst, wobei mindestens ein Bereich des Ventils (1) eine gehärtete Schicht (10) umfasst, die eine Härte von 800 nach Vickers bis 1100 nach Vickers und einer Restdruckspannung von 1000 MPa bis 1600 MPa auf mindestens 100 Mikrometer Tiefe der Dicke der gehärteten Schicht (10) aufweist.
  2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärtete Schicht (10) eine Dicke von bis zu 500 Mikrometer aufweist.
  3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärtete Schicht (10) eine Oberflächenhärte von mindestens 1100 nach Vickers aufweist.
  4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärtete Schicht (10) eine Härte von mindestens 900 nach Vickers auf mindestens 400 Mikrometer Tiefe der Dicke der gehärteten Schicht (10) aufweist.
  5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärtete Schicht (10) auf allen Oberflächen des Ventils (1) bereitgestellt wird.
  6. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärtete Schicht (10) in einem Bereich bereitgestellt wird, der einer Oberfläche (6') einer Spitze (6) des Ventils (1) entspricht.
  7. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (8) von einem martensitischen rostfreien Stahl gebildet wird.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Ventils für Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1, wobei das Ventil (1) mit einem eisenhaltigen Körper oder Substrat (8), der/das Chrom umfasst, versehen ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: i) Schmieden und herkömmliche Wärmebehandlungen, ii) spanende Bearbeitung der Geometrie des Ventils (1), iii) Oberflächenbehandlung mindestens eines Bereichs des Ventils (1), zum Erreichen einer gehärteten Schicht (10) und iv) Polieren und/oder Endbearbeitung durch Spanen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Schritt iii) der Oberflächenbehandlung mit Hilfe von Ultraschall-Verfestigungsstrahlen mit Strahlmitteln durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt iii) des Ultraschall-Verfestigungsstrahlens eine Schwingungsamplitude zwischen 70 µm p/p und 130 µm p/p benutzt, mit Strahlmitteln aus Keramik oder aus Hartmetall mit einem Durchmesser zwischen 0,2 und 3,3 Millimeter und einer abgestimmten Masse zwischen 2 und 6 Gramm/Teil, mit einer Expositionszeit zwischen 5 Sekunden und 250 Sekunden und einer Abdeckungsquote von mehr als 100 %.
  10. Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Ventil (1) nach Anspruch 1 umfasst.
DE102020213000.0A 2019-10-23 2020-10-15 Ventil für verbrennungskraftmaschinen und verfahren zur herstellung eines ventils für verbrennungskraftmaschinen Pending DE102020213000A1 (de)

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