DE10329912B4

DE10329912B4 - Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes

Info

Publication number: DE10329912B4
Application number: DE10329912A
Authority: DE
Inventors: Johanna Dr. Bass; Jürgen Dr.-Ing. Claus; Reiner Dipl.-Ing. Heigl (FH); Agnes Dipl.-Ing. Ott
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: DE10329912A1; FR2857029A1; ITTO20040450A1; US20050002823A1; JP2005029894A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, bei welchem durch Einbringen von Energie ein Zusatzmaterial an derjenigen Stelle mit dem Zylinderkopf verschmolzen wird, an welcher der Ventilsitz gebildet werden soll, wobei das Zusatzmaterial durch eine Kupfer-Legierung folgender Zusammensetzung gebildet wird: DOLLAR A Eisen: 2 Gewichts-%-4 Gewichts-%, DOLLAR A Mangan: 11,5 Gewichts-%-14 Gewichts-%, DOLLAR A Kobalt: 5 Gewichts-%-10 Gewichts-%, DOLLAR A Molybdän: 2 Gewichts-%-4 Gewichts-%, DOLLAR A Nickel: 3 Gewichts-%-6 Gewichts-%, DOLLAR A Silizium: 2 Gewichts-%-4 Gewichts-%, DOLLAR A Bor: 1,5 Gewichts-%-2,5 Gewichts-%, DOLLAR A Chrom: 1 Gewichts-%-2 Gewichts-% und DOLLAR A Rest Kupfer sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für einen Zylinderkopf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die EP 1 120 472 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für einen Zylinderkopf. Hierbei wird um eine Ventilöffnung herum ein Zusatzmaterial durch eine Düse aufgebracht, wobei zusätzlich durch ein getrenntes Laserelement entlang der Ventilöffnung Energie eingebracht wird, das pulverförmige Zusatzmaterial und das Material des Zylinderkopfes an dieser Stelle aufgeschmolzen und zusammen verschmolzen wird. Das Zusatzmaterial legiert jetzt somit mit dem Material des Zylinderkopfes und bildet somit eine lokale Verstärkung in diesem Bereich, die wiederum den Ventilsitz bildet.

Das Material das hierbei verwendet wird, besteht aus einer Kupferlegierung, die 6 – 9 Gew.% Nickel, 1 – 5 Gew.% Silizium, 1 – 5 Gew.% Molybdän sowie Wolfram, Tantal und Niob enthält.

Der Ventilsitz am Zylinderkopf von Verbrennungsmotoren hat die Aufgabe den Brennraum zur Umgebung abzudichten. Dabei drückt das Ventil auf den Ventilsitz, worauf am Ventilsitz ein hoher Verschleiß auftritt, was die Verwendung von hochverschleißfesten Werkstoffen in diesem Bereich notwendig macht. Gleichzeitig sollte aus dem Bereich der Dichtfläche und des Brennraumes eine möglichst große Wärmemenge zum Wassermantel abgeführt werden.

Das Verfahren und die Legierung der EP 1 120 472 A2 begegnen diesen Anforderungen durch die Verwendung einer Kupferlegierung, wobei zumindest eine gute Wärmeleitfähigkeit erreicht wird, die Verschleißbeständigkeit am Ventilsitz jedoch noch unzureichend ist.

Aus der JP 55065340 sind Legierungen zum Plattieren auf Gusseisen bekannt. Die Legierung ist eine Cu-Legierung mit 10-35% Mn, 3-25% Ni, 0, 1-10 % Co, 0, 1-3 % B, 0, 1-1 % Sn, 0, 1-3 % Al. Diese Legierung hat einen geringen themischen Einfluss auf das Basismaterial aus Gusseisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes bereitzustellen, wobei der Ventilsitz eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und gegenüber dem Stand der Technik eine deutlich erhöhte Verschleißbeständigkeit besitzt.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes nach den Merkmalen des Patentanspruches 1.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine wird durch Einbringen einer Energie ein Zusatzmaterial an der Stelle des Zylinderkopfes aufgebracht und mit dem Material des Zylinderkopfes verschmolzen, an der der Ventilsitz gebildet werden soll. Als Zusatzmaterial wird hierbei erfindungsgemäß eine Kupferlegierung verwendet, wobei die Legierung neben Kupfer folgende Elemente umfasst:

Eisen	2 Gewichts-% – 4 Gewichts-%,
Mangan,	11,5 Gewichts-% - 14 Gewichts-%,
Kobalt,	5 Gewichts-% – 10 Gewichts-%,
Molybdän	2 Gewichts-% – 4 Gewichts-%,
Nickel	3 Gewichts-% – 6 Gewichts-%,
Silizium	2 Gewichts-% – 4 Gewichts-%,
Bor	1,5 Gewichts-% – 2,5 Gewichts-%,

Chrom 1

Gewichts-% – 2 Gewichts-%,

sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

Das Basiselement Kupfer bewirkt bei der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung im Wesentlichen eine gute Wärmeleitfähigkeit und Anbindung zum Grundwerkstoff. Das Legierungselement Eisen wirkt festigkeitssteigernd, wobei eine maximale Konzentration (Löslichkeitsgrenze) von 5 % des Eisens im Kupfer nicht überschritten werden sollte. Im besonderen Maße festigkeitssteigernd wirkt das Legierungselement Mangan. Bei einem Legierungsanteil von 10 – 20 % Mangan werden Überstrukturen gebildet, die die Warmfestigkeit positiv beeinflussen und zudem zu einer höheren Verschleißbeständigkeit führen.

Das Legierungselement Kobalt bewirkt ebenfalls eine höhere Verschleißfestigkeit und trägt zudem zu einer Kornverfeinerung bei. Molybdän als Legierungselement wirkt als Festschmierstoff. Die Schmierwirkung wird durch die Molybdänverbindungen MoS₂ und MoO₃ gewährleistet. Gleichzeitig geht das Molybdän eine Wechselwirkung mit dem Silizium ein, das zur Bildung von vorteilhaften Siliziden führt. Ebenfalls Silizide bildet das Legierungselement Nickel, das zudem mit dem Kuzpfer eine Mischkristallbildung hervorruft, die auf einer vollständigen Löslichkeit des Nickels in der Kupfermatrix basiert.

Wie bereits angesprochen, geht das Legierungselement Silizium mit den Legierungselementen Nickel und Molybdän Verbindungen zu sogenannten Siliziden ein. Durch das Silizium wird die Benetzbarkeit des Zusatzmaterials mit dem aufgeschmolzenen Grundwerkstoff verbessert. Ebenfalls zur besseren Benetzbarkeit trägt das Legierungselement Bor bei.

Es ist anzumerken, dass zusätzliches Aluminium durch das Aufschmelzen des Grundwerkstoffes aus der Aluminium-Silizium-Legierung des Grundwerkstoffes dem System zugeführt wird.

Das Legierungselement Chrom ist in Kupfer nur geringfügig lösbar. Es bildet in der Legierung Hartstoffe, wie Cr2C3 und Silizide. Diese Verbindungen tragen zur Härte des Ventilsitzes bei. Der Anteil des Chroms muss jedoch stöchiometrisch mit dem Siliziumanteil abgestimmt werden.

Es hat sich herausgestellt, dass ein Mangangehalt zwischen 11,5 Gew.% und 14 Gew.% besonders gut zur Festigkeitssteigerung und zur Verschleißfestigkeit beiträgt, ohne dass die Wirkung der anderen Legierungselemente beeinträchtigt wird.

In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung weist das Zusatzmaterial neben Kupfer folgende Elemente auf:

Eisen	2 Gewichts-% – 4 Gewichts-%,
Mangan,	11,5 Gewichts-% – 14 Gewichts-%,
Kobalt,	5 Gewichts-% – 10 Gewichts-%,
Molybdän	2 Gewichts-% – 4 Gewichts-%,
Nickel	3 Gewichts-% – 6 Gewichts-%,
Silizium	2 Gewichts-% – 4 Gewichts-%,
Bor	1,5 Gewichts-% – 2,5 Gewichts-%,
Chrom	1 Gewichts-% – 2 Gewichts-%,

sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

Eisen	3 Gewichts-%,
Mangan,	12 Gewichts-%,
Kobalt,	5 Gewichts-%,
Molybdän	3 Gewichts-%,
Nickel	3 Gewichts-%,
Silizium	2 Gewichts-%,
Bor	1 Gewichts-%,
Chrom	1 Gewichts-%,

sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

Die angegebenen Prozentzahlen für die Legierungselemente sind jeweils im Rahmen der Herstellungsgenauigkeit zu verstehen.

Bei der Herstellung der Legierung ist jeweils von einer Ungenauigkeit von ± 0,5 Gew.% pro Legierungselement auszugehen.

Es kann im Rahmen der Erfindung zweckmäßig sein, dass das Zusatzmaterial bis zu 15 Gew.% Zinn (Sn) enthält, das mit dem Kupfer eine CuSn Matrix bildet und somit die Grundfestigkeit des Materials erhöht. Ebenso trägt die Zugabe von Phosphor (P) zur Bildung von CuFeP Mischkristallen und hiermit zur Steigerung der Warmfestigkeit bei.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung erfolgt die Energieeinbringung durch einen Laserstrahl. Der Laserstrahl und das Zusatzmaterial werden durch eine gemeinsame Einheit bestehend aus Fokussieroptik und koaxialer Düse der Wirkstelle zugeführt. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Energieeintrag und die Materialzuführung stets örtlich aufeinander abgestimmt sind.

Bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 einen Ausschnitt eines Zylinderkopfes im Bereich des Ventilsitzes,
2 einen vergrößerten Ausschnitt des Ventilsitzes mit Ventilen,
3 das Aufbringen des Zusatzmaterials und des Laserstrahles durch eine Koaxialdüse,
4 einen Querschnitt durch eine Schmelzspur an einer Zylinderkopfoberfläche.
In 1 ist ein Teil eines Zylinderkopfes 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine gezeigt. In an sich bekannter Weise weist der Zylinderkopf 1 einen Einlasskanal 2 auf, welcher im vorliegenden Fall selbstverständlich auch als Auslasskanal ausgebildet sein könnte. Der Einlasskanal 2 wird durch ein Gaswechselventil 3, im Folgenden der Einfachheit halber als Ventil 3 bezeichnet, verschlossen bzw. geöffnet, so dass Luft oder ein Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Einlasskanal 2 in einen Brennraum 4 des Zylinderkopfes 1 eintreten kann.
Der Zylinderkopf 1 ist mit einem Ventilsitz 5 versehen, an welchem das Ventil 3 in seinem geschlossenen Zustand anliegt und so den Einlasskanal 2 von dem Brennraum 4 trennt.
Der Ventilsitz 5 ist ringförmig um eine Ventilöffnung 6 im Zylinderkopf angeordnet.
Zur Herstellung des Ventilsitzes 5 wird das Laserlicht eines Nd:YAG-Laser durch eine Glasfaser zu einer Fokussieroptik geführt, die hier nicht näher dargestellt ist. Durch die Verwendung einer Glasfaser kann das Laserlicht in einfacher Weise an die Bearbeitungsstelle geführt werden, wodurch die Pro zesskosten und der systemtechnische Aufwand verringert werden können.
Die Fokussieroptik des Laserstrahls ist mit einer Koaxialdüse 8 verbunden, wie sie in 3 dargestellt ist. Die Koaxialdüse 8 umfasst zwei Ausgänge, eine innere Öffnung 12 und eine äußere Öffnung 14. Durch die innere Öffnung 12 wird der Laserstrahl 10 geführt. Durch die äußere Öffnung 14 wird das Zusatzmaterial 16 geführt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Energiequelle, der Laserstrahl 10 und das Zusatzmaterial, das den Ventilsitz 5 bildet, stets an dieselbe Stelle geführt werden. Hierdurch wird die Bearbeitung richtungsunabhängig, sodass zusätzlicher Anlagenaufwand eingespart werden kann, wenn der Laserstrahl und das Zusatzmaterial eine Vorzugsrichtung bilden würden.
Durch die Fokussieroptik wird der Laserstrahl 10 so geformt, dass er auf dem Zylinderkopf 1 einen Brennpunkt von etwa 2 – 5 mm Durchmesser aufweist. Die Energiemenge, die in diesem Brennpunkt auf den Zylinderkopf 1 einwirkt, ist bevorzugt so dosiert, dass das Zylinderkopf material an dieser Stelle aufschmilzt. Die Breite des Brennpunktes ist so ausgelegt, dass der Ventilsitz in seiner gesamten Breite durch eine Spur des Lasers dargestellt werden kann. Dabei wirken die Prozessparameter Energiedichte, Durchmesser des Brennpunktes, Vorschubgeschwindigkeit des Lasers bzw. der Koaxialdüse um die Ventilöffnung 6 und die Fördermenge des Zusatzwerkstoffs, zusammen. Diese Parameter müssen derart eingestellt werden, dass die gewünschte Aufschmelzung erzielt werden kann. Die Koaxialdüse 8 mit dem Laserstrahl 10 und dem Zusatzmaterial 16 wird somit kreisförmig entlang der Ventilöffnung 6 bewegt. Der Vorschub beträgt dabei zwischen 300 mm pro Minute und 1000 mm pro Minute. Dabei wird die Oberfläche des Zylinderkopfes 1 im Bereich der Ventilöffnung 6 partiell aufgeschmol zen. Das Zusatzmaterial 16, das aus der äußeren Öffnung 14 der Koaxialdüse 8 zugeführt wird, wird ebenfalls durch die Laserenergie aufgeschmolzen. Es kommt zu einem Legieren der Schmelze des Zylinderkopfmaterials und des Zusatzmaterials. In 4 ist ein Querschnitt durch eine Schmelzspur dargestellt, wobei die Linie 20 die Oberfläche des Zylinderkopfes 1 markiert.
Die Vorschubgeschwindigkeit der Bearbeitung beträgt in einem produktionstechnischen Maßstab zwischen 300 mm pro Minute und 1000 mm pro Minute. Die Vorschubgeschwindigkeit ist dabei abhängig von der Geometrie des Zylinderkopfes 1 an der Ventilöffnung 6.
Die Aufmischung der Zylinderkopfoberfläche ist durch die Merkmale der 4 wie folgt definiert:
Aufmischung = (Querschnitt 24 unter der Zylinderkopfoberfläche 20/Gesamtquerschnitt 26 der Schmelzspur 18) × 100
Das geschmolzene Material des Zylinderkopfes und das geschmolzene Zusatzmaterial verbinden sich in einer Übergangsschicht (Durchmischungsschicht) miteinander. Die Dicke der Übergangsschicht liegt üblicherweise unter 1000 μm. Die in 4 nicht dargestellte Übergangsschicht muss nicht notwendigerweise mit der Zylinderkopfoberfläche 20 zusammenfallen, sie kann höher, aber auch niedriger liegen. Demzufolge bildet ausschließlich das Zusatzmaterial die Oberfläche der Schmelzspur 18 und somit die Oberfläche des Ventilsitzes 5. Die funktionalen Eigenschaften des Ventilsitzes 5 werden somit ausschließlich durch das Zusatzmaterial 16 bewirkt. Das Aufschmelzen der Zylinderkopfoberfläche 20 dient im wesentlichen dazu, eine metallurgische Anbindung (feste, nicht spröde Ver bindung) zwischen dem Zusatzmaterial und dem Zylinderkopf 1 zu gewährleisten.
Zur Vermeidung von Eigenschaftsänderungen des Zylinderkopfmaterials, insbesondere bei sehr dünnen Stegen, wie sie auch im Bereich der Ventilöffnung 6 auftreten, ist eine zu tiefe Aufmischung zu vermeiden. Die Aufmischung sollte nach der angegebenen Beziehung kleiner als 30 % sein, bevorzugt kleiner als 20 %.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, bei welchem durch Einbringen von Energie ein Zusatzmaterial an derjenigen Stelle mit dem Zylinderkopf verschmolzen wird, an welcher der Ventilsitz gebildet werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial durch eine Kupfer-Legierung folgender Zusammensetzung gebildet wird: Eisen: 2 Gewichts-% – 4 Gewichts-%, Mangan: 11,5 Gewichts-% – 14 Gewichts-%, Kobalt: 5 Gewichts-% – 10 Gewichts-%, Molybdän: 2 Gewichts-% – 4 Gewichts-%, Nickel: 3 Gewichts-% – 6 Gewichts-%, Silizium: 2 Gewichts-% – 4 Gewichts-%, Bor: 1,5 Gewichts-% – 2,5 Gewichts-%, Chrom: 1 Gewichts-% – 2 Gewichts-% und Rest Kupfer, sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Verfahren nach Anspruch 1, dass dadurch gekennzeichnet, das Zusatzmaterial durch eine Kupfer-Legierung folgender Zusammensetzung gebildet wird: Eisen: 3 Gewichts-%, Mangan: 12 Gewichts-%, Kobalt: 5 Gewichts-%, Molybdän: 3 Gewichts-%, Nickel: 3 Gewichts-%, Silizium 2 Gewichts-%, Bor: 1 Gewichts-%, Chrom: 1 Gewichts-% und Rest Kupfer, sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial bis zu 15 Gew.% Zinn enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial zwischen 0,05 Gew.% und 0,3 Gew.% Phosphor enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung der Energie durch einen Laserstrahl erfolgt und der Laserstrahl und das Zusatzmaterial gemeinsam durch eine koaxiale Düse auf den Ventilsitz gelangen.