DE10218563B4 - Verfahren zur Ventilsitz-Herstellung unter Verwendung eines Laserplattierprozesses - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Ventilsitz-Herstellung unter Verwendung eines Laserplattierprozesses, aufweisend: Formen eines Gussmaterials, an dem Ventilsitze auszubilden sind, Definieren einer Ventilsitz-Zielposition (10), auf der Laserplattieren ausgeführt wird, wobei die Ventilsitz-Zielposition (10) an einem Ort auf dem Gussmaterial vorgesehen ist, an dem ein Ventilsitz auszubilden ist, Entfernen eines auf der Ventilsitz-Zielposition (10) gebildeten Oxidfilms, indem ein Gemisch (16) auf die Ventilsitz-Zielposition (10) eingespritzt wird, wobei das Gemisch (16) zwei oder mehr Elemente aufweist, die bei einer vorbestimmten Temperatur chemisch reagieren, und ein Laserstrahl auf das Gemisch (16) eingestrahlt wird, um die Temperatur des Gemisches (16) auf oder über die vorbestimmte Temperatur, welche für die chemische Reaktion erforderlich ist, anzuheben, Einspritzen eines Metallpulvergemisches (18) auf die Ventilsitz-Zielposition (10), wobei das Metallpulvergemisch (18) durch ein Gemisch aus zwei oder mehr Metallpulvern in einem vorbestimmten Gewichtsprozentverhältnis realisiert ist, und Einstrahlen eines Laserstrahls auf das Metallpulvergemisch (18), um das Metallpulvergemisch (18) auf der Ventilsitz-Zielposition (10) zu...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ventilsitz-Herstellung und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes unter Verwendung eines Laserplattierprozesses.
  • Ventilsitze sind ein bedeutender Teil von Fahrzeugmotoren. Die Ventilsitze dienen dazu, einen luftdichten Abschluss mit Einlass- und Auslassventilen zu bilden, um die Thermoeffizienz der Brennkammer zu verbessern. Weil die Ventilsitze wiederholt in Kontakt mit den Ventilen kommen und Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, ist es erforderlich, dass sie Temperaturen von etwa 400 °C bis 700 °C widerstehen und dass sie resistent gegen Verschleiß und Oxidation sind.
  • Die meisten heute verwendeten Ventilsitze werden durch Sintern eines Metallpulvergemisches hergestellt; diese werden dann in den Zylinderkopf eingesetzt. Wenn die Herstellung jedoch durch einen Sinterprozess ausgeführt wird, wird kein hoher Härtegrad realisiert, so dass die Ventilsitze durch Kontakt mit den Ventilen leicht verschlissen werden. Dies führt zu einer Verschlechterung der Motorleistung.
  • Eine andere Möglichkeit, einen Ventilsitz herzustellen, ist das Aufbringen eines Metallpulvergemisches auf eine Ventilsitz-Zielposition und anschließendes Plattieren dieses Gemisches mittels eines Laserstrahles, siehe US 4723518 und DE 19912889 A1 . Dabei weist gemäß US 4723518 das Pulvergemisch eine Kupferlegierung und Nickel auf und gemäß DE 19912889 weist das Pulvergemisch insbesondere Bor und eine Siliziumverbindung auf. Eine weitere Möglichkeit, einen Ventilsitz herzustellen, ist gemäß DE 19822930 A1 das Aufbringen eines Trockenschmiermittels auf eine Ventilsitz-Zielposition mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens, wobei das Trockenschmiermittel Borsäure aufweist.
    •
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ventilsitz-Herstellung unter Verwendung eines Laserplattierprozesses zu schaffen, mit welchem ein Ventilsitz mit erhöhter Lebensdauer erzielt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ventilsitz-Herstellung unter Verwendung eines Laserplattierprozesses weist die Schritte auf: Formen eines Gussmaterials, an dem Ventilsitze auszubilden sind, Definieren einer Ventilsitz-Zielposition, an der Laserplattieren ausgeführt wird, wobei die Ventilsitz-Zielposition an einem Ort auf dem Gussmaterial vorgesehen ist, an dem ein Ventilsitz auszubilden ist, Entfernen eines auf der Ventilsitz-Zielposition gebildeten Oxidfilms, indem ein Gemisch auf die Ventilsitz-Zielposition eingespritzt wird, wobei das Gemisch zwei oder mehr Elemente aufweist, die bei einer vorbestimmten Temperatur chemisch reagieren, und ein Laserstrahl auf das Gemisch eingestrahlt wird, um die Temperatur des Gemisches auf oder über die vorbestimmte Temperatur, welche für die chemische Reaktion erforderlich ist, anzuheben, Einspritzen eines Metallpulvergemisches auf die Ventilsitz-Zielposition, wobei das Metallpulvergemisch von einem Gemisch von zwei oder mehr Metallpulvern in einem vorbestimmten Gewichtsprozentverhältnis gebildet ist, und Einstrahlen eines Laserstrahls auf das Metallpulvergemisch, um das Metallpulvergemisch auf der Ventilsitz-Zielposition zu plattieren.
  • Das Gemisch zum Entfernen des Oxidfilms weist vorzugsweise Silizium(Si)-Partikel und Bor(B)-Partikel auf, die in einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis gemischt sind.
  • Das Metallpulvergemisch wird in einem Zustand eingespritzt, in dem ein Schutzgas mit dem Metallpulvergemisch vermischt ist, wobei das Schutzgas die gleichmäßige Zufuhr des Metallpulvergemisches erlaubt und das Metallpulvergemisch von der Umgebungsluft abschirmt.
  • Es wird ebenfalls bevorzugt, dass das Metallpulvergemisch Kupfer(Cu)-Partikel und Nickel(Ni)-Partikel aufweist, welche in einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis gemischt sind.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt 1 eine schematische Darstellung aufeinanderfolgender Prozesse, welche in einem Verfahren zur Ventilsitz-Herstellung unter Verwendung eines Laserplattierprozesses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einbezogen sind.
  • Bei einem Verfahren zur Ventilsitz-Herstellung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kommt ein Laserplattierprozess zum Einsatz. Bei dem Laserplattierprozess zur Herstellung eines Ventilsitzes wird ein Laserstrahl mit hoher Energiedichte auf eine spezifische Metallfläche fokussiert, um ein Metallpulvergemisch auf ein Grundmaterial so zu plattieren, dass die Herstellung eines mit dem Grundmaterial (Zylinderkopf 12) einstückigen Ventilsitzes, erzielt wird. Das heißt, ein Laserstrahl wird auf eine Ventilsitz-Zielposition 10 des Grundmaterials gerichtet, wobei ein geregelter Strahl des Metallpulvergemisches vom Laserstrahl erhitzt wird. Die Laserstrahlhitze hat zur Folge, dass das Metall und das Metallpulvergemisch verschmilzt, wobei eine schmelzmetallische Verbindung gebildet wird.
  • Eine Vorrichtung zur Ausführung des Laserplattierens nach dem erfindungsgemäßen Verfahren weist auf eine Einheit zur
  • Entfernung eines Oxidfilms auf einer Oberfläche der Ventilsitz-Zielposition 10, eine Einheit zum Einspritzen sowohl des Metallpulvergemisches als auch eines Schutzgases auf die Oberfläche der Ventilsitz-Zielposition 10, und eine Steuerung, um das Steuern der Laserplattiervorrichtungs-Einheiten auszuführen.
  • Wie aus 1 ersichtlich, werden im Prozess 3 der Oxidfilmentfernung und im Prozess 4 des Laserplattierens auch verwendet eine Zufuhreinheit 14 zum Speichern des Metallpulvergemisches und zur Zufuhr des Metallpulvergemisches auf die Ventilsitz-Zielposition 10 und eine Düse (nicht dargestellt) für die Zufuhr des Schutzgases zum Metallpulvergemisch, welches auf die Ventilsitz-Zielposition eingespritzt wird. Bei diesen Prozessen kommt auch eine Laserstrahlquelle 20 zur Erzeugung eines Laserstrahls und eine Ablenkeinheit 24 mit einer vorgelagerten Linse 22 zum Einsatz, um den von der Laserstrahlquelle 20 emittierten Laserstrahl auf das der Ventilsitz-Zielposition 10 zugeführte Metallpulvergemisch zu fokussieren.
  • Die in das erfindungsgemäße Ventilsitz-Herstellungsverfahren einbezogenen Prozesse weisen auf Prozess 1 zur Bildung eines Gussmaterials (Zylinderkopf 12), Prozess 2 zur Bildung der Ventilsitz-Zielposition 10 in einem Bereich des Gussmaterials entsprechend der Position, in der die Ventilsitze gebildet werden, Prozess 3 zur Entfernung des auf der hergestellten Ventilsitz-Zielposition 10 gebildeten Oxidfilms, und Prozess 4 zum Einspritzen des Metallpulvergemisches auf die Ventilsitz-Zielposition 10 und zum Richten eines Laserstrahls auf das Metallpulvergemisch. Das Metallpulvergemisch wird durch Mischen von zwei oder mehr Metallpulvern in einem vorbestimmten Gewichtsprozentverhältnis realisiert.
  • Das erfindungsgemäße Ventilsitz-Herstellungsverfahren kann auf zwei unterschiedliche Arten ausgeführt werden, auf welche mit Verfahren 1 und Verfahren 2 Bezug genommen wird.
  • In Verfahren 1 wird der Zylinderkopf 12 durch ein Gussverfahren gebildet, nach dessen Durchführung die Ventilsitz-Zielposition 10 definiert wird (Prozess 1 und Prozess 2). Anschließend wird ein Gemisch 16 aus Silizium(Si)- und Bor(B)-Partikeln, welche in der Zufuhreinheit 14 gespeichert sind, auf die Ventilsitz-Zielposition 10 eingespritzt, und der Laserstrahl wird auf denselben Ort gerichtet. Die Temperaturzunahme verursacht eine chemische Reaktion, so dass der Oxidfilm entfernt wird (Prozess 3). Danach wird das Laserplattieren durch die gleichzeitige Zufuhr des Metallpulvergemisches und des Laserstrahls ausgeführt (Prozess 4). Das Fertigen eines Ventilsitz-Halses und das Fertigen der Ventilkontaktoberfläche wird dann ausgeführt, um den Ventilsitz (nicht dargestellt) zu vervollständigen.
  • In Verfahren 2, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird der Zylinderkopf 12 durch ein Gussverfahren gebildet, nach dessen Durchführung die Ventilsitz-Zielposition 10 gebildet wird (Prozess 1 und Prozess 2). Anschließend wird ein Primär-Laserstrahl eingestrahlt, um den Oxidfilm zu entfernen (Prozess 3). Um die Intensität des Laserstrahls zu erhöhen, wenn dieser auf das auf die Ventilsitz-Zielposition 10 gesprühte Metallpulvergemisch gerichtet ist, wird ein Sekundär-Laserstrahl zusammen mit dem Primär-Laserstrahl verwendet (d.h. sie werden auf dieselbe Stelle gerichtet). Das Plattieren der Ventilsitz-Zielposition 10 wird derart ausgeführt, dass die zwei Laserstrahle verwendet werden (Prozess 4). Das Fertigen des Ventilsitz-Halses und das Fertigen der Ventilkontaktoberfläche werden dann ausgeführt, um den Ventilsitz (nicht dargestellt) zu vervollständigen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Ventilsitz-Herstellungsverfahren wird Prozess 3 der Oxidfilm-Entfernung in der in 1 in Prozess 3 als Verfahren (a) dargestellten Art ausgeführt. Der Anwender kann das am besten geeignete Verfahren auswählen. Mit Bezug auf 1 wird die Oxidschicht-Entfernung detaillierter beschrieben.
  • Bei dem Laserplattierprozess, der nach der Bildung der Ventilsitz-Zielposition 10 ausgeführt wird, verringert die Oxidschicht, welche sich auf der Ventilsitz-Zielposition 10 während der Bildung derselben ausgebildet hat, die Kohäsion zwischen dem Grundmaterial und dem Metallpulvergemisch. Automobilhersteller setzen ein Verfahren zum Entfernen des Oxidfilms ein, bei dem eine Legierung mit selbstlösenden Eigenschaften zum Einsatz kommt, wobei Elemente (Si, B), welche den Oxidfilm entfernen, im Metallpulvergemisch enthalten sind. Diese dem Metallpulvergemisch zugefügten Elemente verbleiben nach dem Laserplattieren jedoch in der Metallschicht. Wenn sie während des Motorbetriebes den hohen Temperaturen der Brennkammer ausgesetzt werden, kann eine Reaktion zwischen den Silizium(Si)-Partikeln und den Bor(B)-Partikeln auftreten, was zu einem Motorversagen führt. Daher wird erfindungsgemäß die auf der Ventilsitz-Zielposition 10 gebildete Oxidschicht vor dem Ausführen des Laserplattierprozesses entfernt.
  • Verfahren (a) des Prozesses 3 weist ein Verfahren auf, bei dem ein Gemisch, das mit einem vorbestimmten Gewichtsprozent-Verhältnis gemischt ist, auf die vorbereitete Ventilsitz-Zielposition 10 eingespritzt wird, und weist ein Verfahren auf, bei dem ein Laserstrahl auf das Gemisch eingestrahlt wird. Das auf die vorbereitete Ventilsitz-Zielposition 10 eingespritzte Gemisch ist durch Silizium(Si)-Partikel und Bor(B)-Partikel realisiert. Nachdem eine vorbestimmte Temperatur erreicht ist, reagieren Silizium-Partikel und Bor-Partikel so miteinander, dass bei der Reaktion Hitze entwickelt wird. Demzufolge wird auf die Mischung aus Silizium-Partikeln und Bor-Partikeln ein Laserstrahl gerichtet, so dass die Temperatur der Mischung über die für die Reaktion erforderliche vorbestimmte Temperatur angehoben wird. Die durch die Reaktion der Silizium-Partikel und Bor-Partikel erzeugte Hitze entfernt die Oxidschicht von der Ventilsitz-Zielposition 10.
  • Beim nicht zur Erfindung gehörenden Verfahren (b) des Prozesses 3 wird zum Entfernen der Oxidschicht kein Gemisch auf die Ventilsitz-Zielposition 10 eingespritzt und zu diesem Zweck nur ein Laserstrahl auf die Ventilsitz-Zielposition 10 eingestrahlt. Dies wird durch Variation der Intensität des Laserstrahls ausgeführt, das heißt, nur der Primär-Laserstrahl wird für die Oxidfilmentfernung verwendet, und sowohl der Primär-Laserstrahl als auch der Sekundär-Laserstrahl wird für den oben beschriebenen Plattierprozess verwendet. Die Intensität des Primär-Laserstrahls ist derart, dass nur der Oxidfilm entfernt wird, wobei die sich ergebende Temperatur den Schmelzpunkt einer Aluminium-Legierung nicht überschreitet.
  • Nachdem der Oxidfilm von der Ventilsitz-Zielposition 10 entfernt ist, wird Prozess 4 ausgeführt, bei dem das Ventilsitzplattieren vorgesehen ist. Beim Prozess 4 wird ein Schutzgas mit dem Metallpulvergemisch so vermischt, dass die Zufuhr des Metallpulvergemisches gleichmäßig ausgeführt wird und das Metallpulvergemisch von der Umgebungsluft abgeschirmt wird. Das Schutzgas wird zu der Zeit zugeführt, wenn das Metallpulvergemisch durch die Zufuhreinheit 14 auf die Ventilsitz-Zielposition 10 eingespritzt wird, und dies kann ausgeführt werden, indem das Schutzgas mit dem Metallpulvergemisch vermischt wird oder indem das Schutzgas mittels einer separaten Einheit zugeführt wird.
  • Weil das Schutzgas die gleichmäßige Zufuhr des Metallpulvergemisches ermöglicht und das Metallpulvergemisch von der Umgebungsluft abschirmt, wird die Oxidation des Metallpulvergemisches während des Laserplattierens verhindert. Verwendbare Schutzgase enthalten Argon oder Helium. Obwohl Helium für das Ausführen dieser Funktionen hochwirksam ist, ist es leider relativ teuer, so dass typischerweise Argon verwendet wird.
  • Ferner wird das beim Prozess 4 verwendete Metallpulvergemisch 18 realisiert, indem Kupfer(Cu)-Partikel und Nickel(Ni)-Partikel in einem vorbestimmten Gewichtsprozentverhältnis gemischt werden. Dieses Gemisch 18 aus Kupfer (Cu) und Nickel (Ni) wird verwendet, um eine als Grundmaterial verwendete Aluminiumlegierung zu plattieren.
  • Indem ein solcher Laserplattierprozess verwendet wird, um die Ventilsitz-Zielposition 10 zu plattieren, wird die Herstellung der Ventilsitze relativ einfach gemacht. Als Folge der Erhöhung des Ventilsitz-Verschleißwiderstandes kann zum Beispiel der Durchmesser der Ventilsitze und der Durchmesser der Ventile, welche die Ventilsitze kontaktieren, bei der Konstruktion freier variiert werden. Indem die Temperatur der Ventilsitze verringert wird, kann auch das Verdichtungsverhältnis erhöht und der Treibstoffverbrauch verringert werden. Ferner werden durch Produktivitätssteigerung und Minimierung des Basismaterialeinsatzes Herstellkosten verringert.
  • Bei dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Ventilsitzherstellung unter Verwendung eines Laserplattierprozesses wird auf die Ventilsitzherstellung die Eigenschaft hoher Energiedichte von Laserstrahlen so angewandt, dass die Haftfestigkeit zwischen dem Grundmaterial und der Plattierschicht erhöht wird. Die sich daraus ergebenden Ventilsitze sind in der Lage, hohen Temperaturen zu widerstehen, und sie sind in hohem Maße verschleißfest, wodurch die Motorlebensdauer erhöht wird.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Ventilsitz-Herstellung unter Verwendung eines Laserplattierprozesses, aufweisend: Formen eines Gussmaterials, an dem Ventilsitze auszubilden sind, Definieren einer Ventilsitz-Zielposition (10), auf der Laserplattieren ausgeführt wird, wobei die Ventilsitz-Zielposition (10) an einem Ort auf dem Gussmaterial vorgesehen ist, an dem ein Ventilsitz auszubilden ist, Entfernen eines auf der Ventilsitz-Zielposition (10) gebildeten Oxidfilms, indem ein Gemisch (16) auf die Ventilsitz-Zielposition (10) eingespritzt wird, wobei das Gemisch (16) zwei oder mehr Elemente aufweist, die bei einer vorbestimmten Temperatur chemisch reagieren, und ein Laserstrahl auf das Gemisch (16) eingestrahlt wird, um die Temperatur des Gemisches (16) auf oder über die vorbestimmte Temperatur, welche für die chemische Reaktion erforderlich ist, anzuheben, Einspritzen eines Metallpulvergemisches (18) auf die Ventilsitz-Zielposition (10), wobei das Metallpulvergemisch (18) durch ein Gemisch aus zwei oder mehr Metallpulvern in einem vorbestimmten Gewichtsprozentverhältnis realisiert ist, und Einstrahlen eines Laserstrahls auf das Metallpulvergemisch (18), um das Metallpulvergemisch (18) auf der Ventilsitz-Zielposition (10) zu plattieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gemisch (16) Silizium(Si)-Partikel und Bor(B)-Partikel aufweist, die in einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis gemischt sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metallpulvergemisch (18) in einem Zustand eingespritzt wird, in dem ein Schutzgas mit dem Metallpulvergemisch (18) vermischt ist, wobei das Schutzgas die gleichmäßige Zufuhr des Metallpulvergemisches (18) erlaubt und das Metallpulvergemisch (18) von der Umgebungsluft abschirmt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Schutzgas ein Gas ist, das aus der Gruppe gewählt ist, welche Argon und Helium aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metallpulvergemisch (18) Kupfer(Cu)-Partikel und Nickel(Ni)-Partikel aufweist, welche in einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis miteinander gemischt sind.
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