DE1080312B

DE1080312B - Use of a nickel-chromium alloy as a material for cast valve seat inserts

Info

Publication number: DE1080312B
Application number: DET11910A
Authority: DE
Inventors: Herbert F Prasse; Adna A Armstrong
Original assignee: Thompson Products Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1956-02-21
Filing date: 1956-02-21
Publication date: 1960-04-21

Description

Verwendung einer Nickel-Chrom-Legierung als Werkstoff für gegossene . Ventilsitzringe Die Erfindung bezieht sich auf Ventilsitzringe bzw. -einsätze der bei Verbrennungsmotoren verwendeten Art.Use of a nickel-chromium alloy as the material for cast . Valve seat rings The invention relates to valve seat rings or inserts of the type used in internal combustion engines.

Vom mechanischen Standpunkt aus betrachtet, besitzen Ventilsitzringe eine verhältnismäßig einfache Konstruktion, doch ergeben sich schwerwiegende metallurgische Probleme, wenn man versucht, Ventilsitzringe zu schaffen, die allen Anforderungen moderner Motoren, die mit Bleibenzin betrieben werden, standhalten sollen.From a mechanical point of view, valve seat inserts have a relatively simple construction, but serious metallurgical ones result Problems when trying to create valve seat inserts that meet all of the requirements modern engines that run on lead gas should withstand.

Eine der hauptsächlichen Schwierigkeiten bei der Wahl eines geeigneten Metalls bzw. einer geeigneten Legierung für Ventilsitzringe ergibt sich im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit der Ventilsitzringe gegen Zusammendrücken.One of the main difficulties in choosing a suitable one Metal or a suitable alloy for valve seat inserts results with regard to on the resistance of the valve seat inserts to compression.

Wenn man Metalle oder Legierungen während längerer Zeiträume auf sehr hohe Temperaturen erhitzt, so bleiben sie bekanntlich in einem ausgedehnten Zustand und ziehen sich beim Abkühlen nicht wieder auf ihre ursprünglichen Abmessungen zusammen. Da die Ventilsitzringe bei Verbrennungsmotoren normalerweise mit Preßsitz, in entsprechende Aussparungen in den Zylinderköpfen oder Zylinderblöcken eingebaut werden, werden die Ventilsitzringe beim Betrieb des Motors erhitzt, und sie können sich ausdehnen, bis eine weitere Ausdehnung durch das die Ringe umgebende Metall verhindert wird. Wenn dieser Punkt erreicht ist, führt eine weitere Ausdehnung infolge gesteigerter Temperaturen dazu, daß sich der Ventilsitzring von der die Ausdehnung begrenzenden Schulter oder Wand in dem Zylinderkopf oder Zylinderblock weg nach innen biegt. Wenn die so gebogenen Ventilsitzringe die Temperatur, bei der sie sich setzen, erreichen und dann von dieser Temperatur abgekühlt werden, schrumpft das Metall der Ringe von der Wandung der Einbauöffnung weg, und die Ringe lockern sich. Derartige bleibend verbogene Ventilsitzringe bezeichnet man als zusammengedrückt bzw. zusammengefallene Ventilsitzringe.If you have metals or alloys on very long periods of time When heated to high temperatures, they are known to remain in an expanded state and do not contract to their original dimensions when they cool down. Since the valve seat rings in internal combustion engines are normally press-fit, in corresponding Recesses can be built into the cylinder heads or cylinder blocks the valve seat inserts heat up when the engine is running and they can expand, until further expansion is prevented by the metal surrounding the rings. When this point is reached, there is a further expansion as a result of increased Temperatures to the fact that the valve seat ring of the limit the expansion Shoulder or wall in the cylinder head or cylinder block bends away inward. When the valve seat inserts bent in this way reach the temperature at which they settle and then cooled from that temperature, the metal of the rings will shrink away from the wall of the installation opening and the rings loosen. Such permanent Bent valve seat inserts are called compressed or collapsed Valve seat inserts.

Bis jetzt stellt man Ventilsitzringe meist mit Hilfe kostspieliger Arbeitsgänge im Wege des Schmiedens, der spanabhebenden Bearbeitung und der Wärmebehandlung her. Die besten der bis jetzt bekannten Ventilsitzringe müssen geglüht, gehärtet, abgeschreckt, angelassen und auf eine Rockwell-C-Härte von etwa 35 Einheitern gebracht Werden. Das Gefügebild derartiger Ventilsitzringe zeigt im allgemeinen eine Ansammlung vors Karbiden mit etwas Martensit, die in einer interdendritischen Anordnung orientiert sind, wobei ein Teil der Karbide an den Korngrenzen liegt bzw. über die Grundmasse verstreut ist. Dieses Gefüge liefert jedoch keinen ausreichenden Widerstand gegen das Zusammendrücken bei oberhalb ; von etwa 425°C liegenden Temperaturen. Da neuzeitliche schnellaufende und hochverdichtende Verbrennungsmotoren vielfach bei Temperaturen arbeiten, bei denen die Temperatur der Ventilsitzringe über 425°C hinaus ansteigt, verursachen zusammengedrückte Ventilsitzringe erhebliche Schwierigkeiten.Up until now, valve seat inserts have mostly been manufactured using costly operations such as forging, machining and heat treatment. The best of the valve seat inserts known to date have to be annealed, hardened, quenched, tempered and brought to a Rockwell C hardness of about 35 units. The structure of such valve seat rings generally shows an accumulation of carbides with some martensite, which are oriented in an interdendritic arrangement, with some of the carbides lying on the grain boundaries or being scattered over the matrix. However, this structure does not provide sufficient resistance to compression at above; temperatures of around 425 ° C. Since modern high-speed and high-compression internal combustion engines often work at temperatures at which the temperature of the valve seat inserts rises above 425 ° C., compressed valve seat inserts cause considerable difficulties.

Eine weitere Schwierigkeit, die insbesondere bei Motoren auftritt, die mit. Benzin betrieben werden, das einen verhältnismäßig hohen Prozentsatz an Bleitetraäthyl enthält, - ergibt sich bezüglich der Oberflächenbeständigkeit. Ein guter Ventilsitzring muß eine glatte Oberfläche besitzen, die dem Ansetzen von Krusten Widerstand leistet und die der Korrosion, der Erosion, der Grübchenbildung sowie einem übermäßigen Verschleiß standhält. Anderenfalls erhält maii' keine einwandfreie Abdichtung zwischen der Sitzfläche des Ventils und dem Ventilsitzring.Another difficulty that occurs especially with engines, with. Gasoline powered, which has a relatively high percentage Contains tetraethyl lead, - results in terms of surface resistance. A A good valve seat insert must have a smooth surface to prevent crusts from forming Resists corrosion, erosion, pitting as well withstands excessive wear. Otherwise, maii 'will not receive a flawless one Sealing between the seat surface of the valve and the valve seat insert.

Ferner soll ein guter Ventilsitzring keine Affinität gegenüber den im Verbrennungsraum vorhandenen' Kohlenstoff- und Bleiablagerungen aufweisen. Die genannten Stoffe lagern sich leicht auf den Ventilsitzringen ab und wirken als wärmedämmende Stoffe, wodurch sich die Ventiltellertemperaturen erhöhen.Furthermore, a good valve seat insert should have no affinity for the have carbon and lead deposits present in the combustion chamber. the The substances mentioned are easily deposited on the valve seat inserts and act as heat-insulating Substances that increase the valve disc temperatures.

Im Sinne der vorstehenden Ausführungen müß ein guter Ventilsitzring ferner eine gute Warmhärte besitzen, d. h., er muß einen erheblichen Teil seiner Härte selbst bei den erhöhten Temperaturen behalten, bei denen der Motor arbeitet.In the sense of the above, a good valve seat insert must be also have good hot hardness, d. that is, he must have a considerable part of his Maintain hardness even at the elevated temperatures at which the engine is operating.

,- Diese Fähigkeit eines Ventilsitzrings, seine Härte beizubehalten, bestimmt in erheblichem Ausmaß das satte Aufliegen, das sich zwischen der Ventilsitzfläche und dem Ventilsitzring bei den Betriebstemperaturen des Motors aufrechterhalten läßt. Die Eigenschaften des Ventilsitzrings besitzen ferner einen ausgesprochenen Einfluß auf die sich während des Betriebes des Motors zeigenden Änderungen des Ventilspiels. Während des Betriebes akkumulieren sich diese Änderungen im Ventilsteuerängsinechanismüs infolge des Verschleißes und des- Einschlagens des Ventilsitzrings. Es ist somit erwünscht, daß der Ventilsitzring Eigenschaften besitzt, durch welche diese Änderungen auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, und es ist unerwünscht, während des Betriebes des Motors das Ventilspiel häufig einstellen zu müssen.- This ability of a valve seat insert to maintain its hardness, determines to a large extent the firm seating that is between the valve seat surface and the valve seat insert maintained at engine operating temperatures leaves. The properties of the valve seat insert also have a pronounced influence on those which appear during the operation of the engine Changes in valve clearance. These changes accumulate during operation in the valve control mechanism as a result of wear and tear of the Valve seat insert. It is thus desirable that the valve seat insert have properties by which these changes are minimized, and it is undesirable, adjust the valve clearance frequently while the engine is running to have to.

Die vorstehend aufgeführten: Faktoren lassen erkennen, daß die Wahl einer geeigneten Legierung für Ventilsitzringe ein wichtiges Problem darstellt.The factors listed above indicate that the choice a suitable alloy for valve seat inserts is an important problem.

Im Hinblick auf die vorangegangenen Ausführungen besteht immer noch ein Bedarf nach besseren Ventilsitzringen, und die Schaffung solcher besseren Ventilsitzringe stellt ein Hauptziel der Erfindung dar.In view of the foregoing, still exists a need for better valve seat inserts, and the creation of such better valve seat inserts represents a main object of the invention.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Ventilsitzring zu schaffen, der sich leichter und unter geringeren Kosten herstellen läßt als die bis jetzt bei zahlreichen Bauarten von Verbrennungsmotoren verwendeten Arten von Ventilsitzringen.Another object of the invention is to provide an improved To create valve seat insert that are easier to manufacture and at lower cost leaves than those used heretofore in numerous types of internal combustion engines Types of valve seat inserts.

Es hat sich nun gezeigt, daß man die Temperatur, bei der die Ventilsitzringe eine bleibende Verformung erleiden, steigern und andere erwünschte Eigenschaften verbessern kann, indem man gegossene Ventilsitzringe vorsieht, die folgende Zusammensetzung aufweisen: 2,25 bis 2,75 % Kohlenstoff, 37 bis 43 °/o Nickel, 18 bis 22 % Chrom, 10 bis 14 % Kobalt, 5 bis 7 °/o Wolfram und/oder Molybdän, Rest Eisen einschließlich der üblichen Verunreinigungen. Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung für Ventilsitzringe ist folgende: 2,5 °/4 Kohlenstoff, 40 % Nickel, 20 % Chrom, . 12 °/o Kobalt, 6 % Wolfram, Rest Eisen. Im Hinblick auf die Ziele der Erfindung sind Molybdän und Wolfram im wesentlichen untereinander austauschbar. Wo die Härte des Ventlsitzrings von wesentlicher Bedeutung ist, kann man, 'wie bei der vorstehend angegebenen bevorzugten Zusammensetzung, ausschließlich Wolfram verwenden. Wenn es vor allem auf Zähigkeit ankommt, kann man nur die Verwendung von Molybdän vorsehen. Gegebenenfalls kann man ein Gemisch der beiden Metalle verwenden, um die günstige Wirkung beider auszunutzen, wie es bei folgenderZusammensetzung der Fall ist: 2,5°/o Kohlenstoff, 40 % Nickel, 20 % Chrom, 12 0% Kobalt, 3 % Wolfram, 3 O/, Molybdän, Rest Eisen. Die Legierungen der vorstehenden Zusammensetzungen lassen sich schmelzen und in geeignete Formen gießen, um den Ventilsitzring herzustellen. Zu den hierbei anwendbaren Gießverfahren gehört das bekannte Sandgußverfahren sowie das Maskenformverfahren, das Ausschmelzverfahren und andere Gießtechniken, die es ermöglichen, glatte und genaue Gußstücke herzustellen, die frei sind von Rissen, Lunkern, Schrumpfungen u. dgl.It has now been found that the temperature at which the valve seat inserts undergo permanent deformation can be increased and other desirable properties can be improved by providing cast valve seat inserts having the following composition: 2.25 to 2.75% carbon, 37 to 43 ° / o nickel, 18 to 22% chromium, 10 to 14% cobalt, 5 to 7 ° / o tungsten and / or molybdenum, Remainder iron including the usual Impurities. A particularly preferred composition for valve seat inserts is as follows: 2.5 ° / 4 carbon, 40% nickel, 20% chromium, . 12 per cent cobalt, 6% tungsten, Remainder iron. In view of the objectives of the invention, molybdenum and tungsten are essentially interchangeable. Where the hardness of the valve seat ring is essential, only tungsten can be used, as in the case of the preferred composition given above. When toughness is the most important thing, only molybdenum can be used. If necessary, a mixture of the two metals can be used in order to take advantage of the beneficial effects of both, as is the case with the following composition: 2.5% carbon, 40% nickel, 20% chromium, 12 0% cobalt, 3% tungsten, 3 O /, molybdenum, Remainder iron. The alloys of the above compositions can be melted and cast into suitable molds to make the valve seat insert. The casting processes that can be used here include the well-known sand casting process, as well as the shell molding process, the melt-out process and other casting techniques which make it possible to produce smooth and precise castings that are free of cracks, voids, shrinkage and the like.

Die gegossenen Ventilsitzringe erfordern keine besondere Wärmebehandlung, so daß sie sich erheblich leichter und billiger herstellen lassen als die bisher gebräuchlichen Ventilsitzringe; bei deren Herstellung vielfach ein Härten und Anlassen erforderlich ist.The cast valve seat inserts do not require any special heat treatment, so that they can be produced much easier and cheaper than before common valve seat rings; hardening and tempering are often involved in their manufacture is required.

Ein zweckmäßiger Versuch zum Prüfen der Widerstandsfähigkeit der Ventilsitzringe gegen Zusammendrücken besteht darin, daß man den zu untersuchenden Ring in einen Bußeisernen Becher einbringt und daß man in den Innenraum des Rings eine Hochfrequenzinduktionsspule einsetzt. Der Bußeiserne Becher ist von einem Wasserring umgeben. Dann wird der Ventilsitzring intermittierend mittels der Induktionsspule erhitzt und durch Besprühen des Bußeisernen Bechers mit Wasser abgekühlt. Der Ventilsitzring wird zunächst im Verlauf von mehreren hundert Arbeitsspielen auf etwa 150'C erhitzt und dann auf lockeren Sitz geprüft. Hierauf steigert man die Temperatur in Schritten von etwa 14'C und wiederholt das Erhitzen im Verlauf von mehreren hundert Arbeitsspielen. Dieses Verfahren setzt man fort, bis sich der zu untersuchende Ventilsitzring in dem Bußeisernen Becher lockert. Die Endtemperatur wird dann als die Lockerungstemperatur bzw. als die Zusammendrückungstemperatur aufgezeichnet. Der Widerstand von vier Ventilsitzringen, deren Zusammensetzungen innerhalb der oben angegebenen Bereiche lag, wurde mit folgenden Ergebnissen gemessen: Abnahme Abnahme Zunahme Arbeits- Anfän - des Ring- des Ring- desBecher- spiele End- g Außen- Innen-- Innen- sp tempe- Übermaß liches durch- durch- durch- bis zur ratur messers messers messers Lok- mm mm mm kerung o C 0;076 0,078 0,058 0,0025 4200 577 0,076 0,122 0,086 0,0025 4500 592 0,099 0,152 0,076 0,0076 5400 635 0,091 0,170 0,076 0;0051 4500 592 Die Korrosionsbeständigkeit der Ventilsitzringe gegenüber Bleioxyd wurde mittels eines Standardversuchs bestimmt, bei dem die Prüfstücke in Bleioxyd eingepackt und 1 Stunde lang in einer. oxydierenden Atmosphäre auf einer Temperatur von eta 900°C gehalten wurden. Die nach dem Versuch festgestellte und in Gramm je Quadratdezimeter ausgedruckte Gewichtsabnahme stellt den Verlust infolge von Bleioxydkorrosion dar. Bei der Prüfung unter den angegebenen Bedingungen zeigten Ventilsitzringe mit Zusammensetzungen innerhalb der angegebenen Bereiche einen mittleren Gewichtsverlust von nur 3,5 g je Quadratdezimeter. Im Gegensatz hierzu verloren Musterstücke von verschiedenen handelsüblichen Ventilsitzringen mit von der erfindungsgemäßen Zusammensetzung abweichenden Zusammensetzungen unter den gleichen Versuchsbedingungen bis zu mehreren hundert Gramm je Quadratdezimeter.An expedient attempt to test the resistance of the valve seat rings to compression is to place the ring to be examined in a cast iron beaker and to insert a high-frequency induction coil into the interior of the ring. The pen-iron cup is surrounded by a water ring. Then the valve seat ring is heated intermittently by means of the induction coil and cooled by spraying the iron beaker with water. The valve seat insert is first heated to around 150 ° C over several hundred work cycles and then checked for a loose fit. The temperature is then increased in steps of about 14 ° C and the heating is repeated over the course of several hundred work cycles. This procedure is continued until the valve seat ring under test loosens in the iron cup. The final temperature is then recorded as the loosening temperature and the compression temperature, respectively. The resistance of four valve seat inserts, the compositions of which were within the ranges given above, were measured with the following results: Decrease decrease increase labor Beginning of the ring of the ring of the cup games of the end g outside inside inside inside sp tempe Excessive through- through- up to the ratur Messers Messers Messers Lok- mm mm mm core o C 0; 076 0.078 0.058 0.0025 4200 577 0.076 0.122 0.086 0.0025 4500 592 0.099 0.152 0.076 0.0076 5400 635 0.091 0.170 0.076 0; 0051 4500 592 The corrosion resistance of the valve seat inserts to lead oxide was determined by means of a standard test in which the test pieces were packed in lead oxide and in one for 1 hour. oxidizing atmosphere at a temperature of about 900 ° C. The weight loss observed after the test and expressed in grams per square decimeter represents the loss due to lead oxide corrosion. When tested under the specified conditions, valve seat inserts with compositions within the specified ranges showed an average weight loss of only 3.5 g per square decimeter. In contrast, samples of various commercially available valve seat inserts with compositions differing from the composition according to the invention lost up to several hundred grams per square decimeter under the same test conditions.

Weiterhin zeigten die gemäß der Erfindung hergestellten Ventilsitzringe keine bemerkenswerten Ablagerungen, wie sie im Verbrennungsraum vorkommen, an ihren Sitzflächen und keine meßbare Einbuße an Härte bei der Betriebstemperatur des Motors. Auch dies steht in bemerkenswertem Gegensatz zu verschiedenen handelsüblichen Ventilsitzringen, die eine erhebliche Affinität gegenüber den Verbrennungsrückständen zeigten und bei der Betriebstemperatur des Motors einen erheblichen Teil ihrer Festigkeit verloren.Furthermore, the valve seat rings produced according to the invention showed no noticeable deposits, such as those found in the combustion chamber, on theirs Seat surfaces and no measurable loss of hardness at the operating temperature of the engine. This, too, is in remarkable contrast to various commercially available valve seat inserts, which showed a significant affinity for the combustion residues and lost a significant part of their strength at the operating temperature of the engine.

Ein sehr bedeutsamer Vorteil der Erfindung geht aus dem Ventilspiel hervor, das sich bei Benutzung der erfindungsgemäßen Ventilsitzringe während des Betriebes eines Motors beobachten läßt. Bei einem entsprechenden Versuch wurden einige Zylinder eines schweren Lastkraftwagenmotors mit den erfindungsgemäßen Ventilsitzringen ausgerüstet. Nach 400 Betriebsstunden betrug die Gesamtzunahme des Ventilspiels bei den Zylindern etwa 0,1 mm. Bei anderen Zylindern wurden Ventüsitzringe aus einer Legierung mit hohem Nickelgehalt verwendet, die 58,7 °/a Nickel, 26 % Chrom, etwa 4 % Eisen und etwa 2,0 °/o Kohlenstoff enthielt. Die Gesamtänderung des Ventilspiels betrug für diese Ventilsitzringe bei dem gleichen Versuch mehr als 0,25 mm.A very significant advantage of the invention arises from the valve clearance shows that when using the valve seat rings according to the invention can be observed during the operation of an engine. With a corresponding attempt some cylinders of a heavy truck engine have been fitted with the present invention Valve seat inserts equipped. After 400 hours of operation the total increase was the valve clearance on the cylinders is about 0.1 mm. On other cylinders, valve seat rings were used made of an alloy with a high nickel content, which contains 58.7 ° / a nickel, 26% Chromium, about 4% iron and about 2.0% carbon. The overall change the valve clearance was more for these valve seat inserts in the same experiment than 0.25mm.

Aus den vorstehenden Angaben ist ersichtlich, daß die -erfindungsgemäßen Ventilsitzringe eine außerordentliche Widerstandsfähigkeit gegen das Zusammendrücken sowie eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufweisen und daß sich bei ihrer Verwendung das Ventilspiel nur geringfügig vergrößert. Die zusätzlichen Eigenschaften guter Warmfestigkeit und des Widerstandes gegen die Bildung - von Ablagerungen machen die - erfindungsgemäßen Legierungen für den vorgesehenen Verwendungszweck wesentlich besser geeignet als die bekannten kostspieligen Ventilsitzringe.From the above information it can be seen that the -inventive Valve seat inserts have an extraordinary resistance to compression as well as having excellent corrosion resistance and that in their Use the valve clearance only slightly increased. The additional properties good heat resistance and resistance to the formation of deposits - the alloys according to the invention are essential for the intended use better suited than the well-known expensive valve seat inserts.

Zwar eignet sich die erfindungsgemäße Legierung infolge ihrer Eigenschaften besonders gut für die Herstellung von Ventilsitzringen, doch liegt es auf der Hand, daß sich die Legierung auch allgemein für Gegenstände eignet, die verschleißfest, korrosionsbeständig und formbeständig sein müssen.The alloy according to the invention is suitable because of its properties particularly good for the manufacture of valve seat inserts, but it is obvious that the alloy is also generally suitable for objects that are wear-resistant, must be corrosion-resistant and dimensionally stable.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Use of a nickel-chromium alloy with the following composition 2.25 to 2.75% carbon, 37 to 43 ° / o nickel, 18 to 22 ° / o chromium, 10 to 14 per cent cobalt, 5 to 7 ° / o tungsten and / or molybdenum, Remainder iron

as a material for valve seat inserts to be cast.

2. Use of an alloy according to claim 1 with the following composition 2.5% carbon, 40 nickel, 20% chrome, 12 cobalt, 6 ° / o tungsten, Remainder iron

for the purpose mentioned in claim 1.