DE10343680B4

DE10343680B4 - Pulvermetallurgisch gefertigte Ventilführung

Info

Publication number: DE10343680B4
Application number: DE10343680.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Krüger Gerd; Edgar Biallas; Jürgen Siebert
Original assignee: Bleistahl-Produktions & Co KG GmbH
Current assignee: BLEISTAHL-PRODUKTIONS & CO KG GmbH
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2023-09-19
Also published as: DE10343680A1; WO2005031127A1

Abstract

Pulvermetallurgisch gefertigte Ventilführung für Verbrennungsmotoren mit gleichmäßiger Porenverteilung, gekennzeichnet durch eine Kupferinfiltrierung der Außenseite und Stirnseite des nockenseitigen Endes des Körpers der Ventilführung, um die Öl- und Gasdichtigkeit zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft eine pulvermetallurgisch gefertigte Ventilführung für Verbrennungsmotoren mit gleichmäßiger Porenverteilung.
Ventilführungen sind wichtige Komponenten des Ventiltriebs und haben die Aufgabe, das oszillierende Ventil so zu führen, daß dieses stets einwandfrei im Dichtungssitz des Ventilsitzringes positioniert wird. Dieses tribologische System wird aus Ventilschaft und Ventilführung gebildet. Die Schmierung erfolgt durch Motoröl, welches über einen Ölleckagestrom durch den Spalt zwischen Ventilschaft und Ventilführung zugeführt wird. Bei bestimmten Werkstoffen kommt ein Eigenschmierungsanteil über bestimmte Legierungszusätze bzw. Gefügebestandteile hinzu.
Werkstoffmäßig werden Ventilführungen aus umgeformten Messing- und Gußeisenqualitäten wie auch pulvermetallurgisch gefertigt. Bei pulvermetallurgisch gefertigten Ventilführungen werden häufig Kupfer, Phosphor und Zinn zulegiert. Das Gefüge ist im allgemeinen ferritisch/perlitisch.
Das zulegierte Kupfer verbessert die Maßhaltigkeit während des Sinterns. Die durch die Kupferanteile erzielte Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und einiger mechanischer Eigenschaften wie Härte und Festigkeit ist ebenfalls erwünscht. Bei Anwesenheit von Zinn kommt es zu Reaktionen mit dem Kupfer unter Bildung einer niedrig schmelzenden Bronzephase. Dies führt bereits bei relativ niedrigen Sintertemperaturen zu flüssigen Phasen und in der Folge zu höherer Dichte bei einem gesinterten Bauteil. Schwefelanteile in Form von MnS und MoS₂ wie auch Graphit verbessern über ihre inhärente Schmierwirkung die Notlaufeigenschaften.
Pulvermetallurgisch gefertigte Ventilführungen besitzen ein relativ hohen Anteil an Poren, was sich in der Dichte von in der Regel deutlich weniger als 7,1 g/cm³ wiederspiegelt. Dieser Porenanteil übernimmt eine wesentliche Funktion bei der Schmierung. In den Poren eingelagertes Öl dient als Grundschmierung zwischen Ventilschaft und Ventilführung in der Anlaufphase von Verbrennungsmotoren.
Die gesinterten Ventilführungen haben aufgrund ihrer Porosität zwar die oben geschilderten Vorteile bei der Grundschmierung, insbesondere in der Anlaufphase eines Verbrennungsmotors, jedoch wird dieser Vorteil häufig mit einem erhöhten Ölverbrauch erkauft. Aufgrund der im Motor herrschenden hohen Temperaturen und der den gesamten Sinterkörper erfassenden Porosität kommt es insbesondere an der Nockenseite im Bereich des freien Überstands im Zylinderkopf in Richtung der Ventilschaftabdichtung zu Ölverlusten. Diese Verluste sind zwar auf den Moment gesehen gering, können sich aber über die Zeit ungut aufaddieren.
Wie schon dargelegt, spielt die Öldurchlässigkeit insbesondere im freien Überstand der Ventilführung über dem Zylinderkopf eine Rolle. In diesem Bereich ragt die Ventilführung über den Zylinderkopf hinaus, wobei dieser Überstand mehrere cm ausmachen können. Der Öltransport erfolgt durch den Körper der Ventilführung hindurch radial nach außen, weist aber auch gleichzeitig Komponenten in vertikaler Richtung auf, d. h. Öl wird innerhalb des Porensystems auch von der Kanalseite zur Nockenseite hin transportiert, um dort an den Stirnflächen auszutreten.
Aus der GB 780 073 A ist es bekannt, Ventilführungen am ventilseitigen Ende partiell mit Kupfer zu infiltrieren, um den Korrosionsschutz zu verbessern.
Insgesamt besteht ein Bedarf, diese Ölverluste zu minimieren, d. h. Ventilführungen so auszurüsten, daß der Öltransport aus dem Zylinderkopf heraus unterbunden oder zumindest stark eingeschränkt wird.
Diese Aufgabe wird mit einer Ventilführung der eingangs bezeichneten Art gelöst, bei der die Außenseite und Stirnseite des nockenseitigen Endes des Körpers der Ventilführung zur Erhöhung der Öl- und Gasdichtigkeit mit Kupfer infiltriert ist.
Es ist festzuhalten, daß die Kupferinfiltrierung nachträglich in dem Porenreich des Körpers der Ventilführung eingebrachtes Kupfer bezeichnet, nicht aber das Kupfer, das als Legierungsbestandteil in den Basiskörper in Form von Kupferpulver eingebracht und im gesinterten Körper als integraler Bestandteil des porösen Körpers vorhanden ist. Es handelt sich um zusätzlich im Wege der Infiltration eingebrachtes Kupfer, d.h. um eine partielle Imprägnierung des Ventilkörpers mit Kupfer.
Die Infiltrierung betrifft den nockenseitigen Teil der Ventilführung, d. h. der Teil der Ventilführung, der im Zylinderkopf angeordnet ist, bleibt im wesentlichen von infiltriertem Kupfer frei. Der nockenseitige Teil der Ventilführung ist der Teil, der aus dem Zylinderkopf herausragt und geeignet ist, Öl in der oben beschriebenen Weise auszuschleusen.
Die Kupferinfiltration erfaßt die Außenseite und Stirnseite des Körpers der Ventilführung auf dessen Nockenseite. Da die Erfindung lediglich die Unterbindung des Öltransports zum Ziel hat, gleichzeitig aber die Porenstruktur und die damit verbundenen Schmiereigenschaften der Ventilführung grundsätzlich erhaltenswürdig sind, ist es völlig ausreichend, die Austrittsflächen des Körpers der Ventilführung mit Kupfer zu infiltrieren und damit die nach außen weisenden Poren zu verschließen.
Eine geeignete Zusammensetzung pulvermetallurgisch gefertigter Körper für Ventilführungen weist beispielsweise
0,40 bis 0,85 Gew.-% C,
0,40 bis 0,80 Gew.-% Mo,
0,15 bis 0,50 Gew.-% Mn,
0,40 bis 0,70 Gew.-% S,
0,25 bis 0,65 Gew.-% Sn,
11,0 bis 16,0 Gew.-% Cu und
Rest Eisen
auf. Andere Elemente sind mit weniger als 2 Gew.-% beteiligt. Die vorstehend genannte Zusammensetzung bezieht sich auf den porenhaltigen Sinterkörper vor der Kupferinfiltrierung.
Die Körper weisen nach dem Sintern eine hohe Verschleißfestigkeit auf und darüber hinaus eine gleichmäßige Porenverteilung. Sie haben ein perlitisches Grundgefüge mit gleichmäßig verteiltem Festschmierstoff und inhärentem Kupfer. In der Regel werden die Ventilführungskörper mit Öl imprägniert, wobei bekannte Verfahren zum Einsatz kommen. Die Ölimprägnierung wird an der fertiggestellten Ventilführung vorgenommen.
Aufgrund des relativ großen Porengehaltes haben die Sinterkörper, vor der Kupferinfiltrierung, eine Dichte von mehr als 6,2 g/cm³ und insbesondere mehr als 6,4 g/cm³. Die Härte liegt im Bereich von 60 bis 93 HRB, insbesondere im Bereich von 79 bis 83 HRB. Die mittlere Porengröße liegt üblicherweise im Bereich von 170 bis 250 µm² und insbesondere im Bereich von 200 bis 230 µm².
Vorzugsweise erfaßt die Kupferinfiltrierung die Außenseite des außerhalb des Zylinderkopfes angeordneten Teils des Körpers der Ventilführung, wobei es ausreichend ist, daß die nach außen reichenden Poren durch das Kupfer verschlossen werden. In der Regel wird dies mit einer Kupferinfiltrierung erzielt, die etwa 10 bis 50 % der Wand des Körpers erfaßt, von der Außenseite her gesehen und insbesondere etwa 20 bis 30 %.
Die Vorteile der Kupferinfiltrierung pulvermetallurgisch gefertigter Ventilführungen im nockenseitigen Bereich, insbesondere an deren Außen- und/oder Stirnseite liegt vor allem in der Erhöhung der Öl- und Gasdichtigkeit. Tatsächlich wird der Öldurchgang praktisch vollständig unterbunden. Gleichzeitig ergibt sich aber eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit, die geeignet ist, die vom Motor erzeugte Wärme vermehrt nach außen zu führen; dies ist geeignet, die thermische Belastung im Bereich der Auslastventile zu vermindern.
Im Bereich des nockenseitigen Endes bringt die Kupferinfiltrierung Vorteile bei der mechanischen Überarbeitung, indem die Rauigkeit der Oberfläche verbessert wird und „angeschnittene“ Poren ausgefüllt werden. „Angeschnittene“ Poren können Ausgangspunkte für ein vorzeitiges Fressen sein, wenn durch Querkräfte Belastungen vom Ventilschaft auf die Ventilführung gelangen.
Zur Fertigung der erfindungsgemäßen Ventilführungskörper wird ein gepreßter Basiskörper mit einer gewichtsmäßig darauf abgestimmten Kupferhülse in engen Kontakt gebracht und gemeinsam gesintert. Hierbei füllt das Kupfer die Poren des Basiskörpers aus und erhöht die Dichte des Rohlings; im infiltrierten Bereich werden die Poren geschlossen und die geforderte Dichtigkeit des Bauteils erzielt. Dabei wird der Kupferkörper als Hülse über die Außenkontur des Ventilführungskörpers gestülpt, so daß die gewünschte Infiltrierung im Außenbereich erzielt wird.
Die Erfindung wird durch die beiliegende 1 näher erläutert.
1 zeigt im Schnitt eine Ventilführung 1 mit dem nockenseitigen Ende 2 und dem motor- oder kanalseitigen Ende 3. 4 bezeichnet die Bohrung, in der der Ventilschaft läuft.
In der dargestellten Ausführungsform bezeichnet der Bereich 5 den aus Sintermetall gefertigten Teil des Körpers, der nicht mit Kupfer infiltriert wurde. Nockenseitig wurde der Randbereich 6 mit Kupfer infiltriert, wobei die Infiltrationszone sich entlang der Außenwandung bis zur Stirnseite und an der Stirnseite bis zur Innenwandung mit der eigentlichen Ventilführung zieht. Im infiltrierten Bereich 6 sind die Poren vollständig mit aufgenommenen Kupfer öl- und gasdicht verschlossen. Es ist der nockenseitige Bereich der Ventilführung 1, der aus dem Zylinderkopf herausragt und – in porösem Zustand – für Ölverluste verantwortlich ist.

Claims

Pulvermetallurgisch gefertigte Ventilführung für Verbrennungsmotoren mit gleichmäßiger Porenverteilung, gekennzeichnet durch eine Kupferinfiltrierung der Außenseite und Stirnseite des nockenseitigen Endes des Körpers der Ventilführung, um die Öl- und Gasdichtigkeit zu erhöhen.
Ventilführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper 0,40 bis 0,85 Gew.-% C 0,40 bis 0,80 Gew.-% Mo 0,15 bis 0,50 Gew.-% Mn 0,40 bis 0,70 Gew.-% S 0,25 bis 0,65 Gew.-% Sn 11,0 bis 16,0 Gew.-% Cu Rest Fe < 2 Gew.-% andere Elemente, ohne das infiltrierte Kupfer, enthält.
Ventilführung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch eine mittlere Dichte von mehr als 6,2 g/cm³ ohne infiltriertes Kupfer.
Ventilführung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine mittlere Dichte von mehr als 6,4 g/cm³ ohne infiltriertes Kupfer.
Ventilführung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mittlere Porengröße im Bereich von 170 bis 250 µm².
Ventilführung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferinfiltrierung die Außenseite des außerhalb des Zylinderkopfes anzuordnenden Teils erfaßt.
Ventilführung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper nockenseitig etwa bis zur Wandungsmitte mit Kupfer infiltriert ist.
Verfahren zur Herstellung einer Ventilführung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein gepreßter Basiskörper und wenigstens ein Kupferkörper miteinander gesintert werden, wobei der Kupferkörper eine Hülse ist, die auf den Basiskörper aufgebracht wird, und eng an dem gepreßten Basiskörper anliegt und gewichtsmäßig auf die Menge an zu infiltrierendem Kupfer abgestimmt wird.