DE1214410B

DE1214410B - Verwendung einer pulverfoermigen Kobalt-Chrom-Legierung zur Herstellung von spritzgeschweissten Ventilsitzauflagen

Info

Publication number: DE1214410B
Application number: DET16813A
Authority: DE
Inventors: Herbert E Weber; Ray Treon
Original assignee: Thompson Ramo Wooldridge Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1958-06-13
Filing date: 1959-06-13
Publication date: 1966-04-14
Also published as: GB907355A; FR1226166A

Description

Verwendung einer pulverförmigen Kobalt-Chrom-Legierung zur Herstellung von spritzgeschweißten Ventilsitzaufiagen Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer pulverförmigen Kobalt-Chrom-Legierung zur Herstellung von korrosionsbeständigen Ventilsitzauflagen auf Auslaßventilen von Brennkraftmaschinen nach dem Spritz.Schweiß-Verfahren.
Die gebräuchlichen Ventilsitzringlegierungen besitzen nicht immer eine ausreichende Warmfestigkeit, um dem Verschleiß standzuhalten, und weisen keine genügende Korrosionsbeständigkeit auf, um ein Abbrennen der Ventile im kritischen Dichtungsbereich zu verhindern, wenn diese hohen BetriebstemperatÜren, d. h. zwischen etwa 650 und 750°C, ausgesetzt werden. Aus diesem Grund ist es allgemein üblich, bei derartigen Ventilen in dem Dichtungsbereich eine harte, korrosionsbeständige und hochwarmfeste Auflage vorzusehen, z. B. aus einer Kobalt-Hartlegierung, wie sie unter der Handelsbezeichnung »Stellit« bekannt ist.
Bisher wurden derartige harte, korrosionsfeste Auflagen in der Weise aufgebracht, daß maschinell eine Nut in der Sitzfläche des Ventils eingefräst wird, in welche die Schweißraupe eingelegt werden kann. Die Tiefe dieser Nut wird so gewählt, daß man eine Schicht der gewünschten Auflage in einer Dicke von etwa: 1,5 bis 2,3 mm erhält. Das für die Auflage verwendete Metall bzw. die Metallegierung wird in diesem Fall durch Autogenschweißung mit Sauerstoff und Acetylen aufgebracht, wodurch das Ventil einen aus diesem Material bestehenden Wulst in der Dicke von, etwa 8 mm erhält. Von diesem Wulst werden in der Höhe rund 75 0/0 abgeschliffen und die erhaltene Fläche nachbearbeitet, und zwar auf höchste Oberflächengüte. Dieses Verfahren ist langwierig und kostspielig.
Es wurde auch vorgeschlagen, Kobalt-Hartlegier rungen - beispielsweise wie sie unter dem Namen »Stellitec bekannt sind -.rt auf die Ventilsitzfläche nufzutropfen, indem ein Stab aus dieser Legierung abgeschmolzen-wird. Das Ventil selbst wird in reduzierender Atmosphäre erhitzt, um das aufgetropfte Material darauf verfließen und aufschmelzen zu lassen. Weiter wurde vorgeschlagen, die Legierung in fester Form auf die Ventilsitzfläche aufzubringen und mit Hochfrequenzheizung aufzuschmelzen. Ein weiteres Verfahren zur Aufbringung verschleißfester Chromlegierungen auf hochbeanspruchte Teile besteht in dem sogenannten »Schmelztauchverfahren«, wobei das Überzugsmaterial auf einer Temperatur knapp oberhalb seines Schmelzpunktes gehalten wird, und zwar während des Tauchens, und der zu tauchende Gegenstand gegebenenfalls vorgewärmt wird, um eine zu starke Abkühlung des Tauchbades zu vermeiden.
. Es sind auch schon verschiedene Flammspritzverfahren oder Spritz-Schweiß-Verfahren zur Aufbringung von Metallen bzw. Metall-Legierungen bekannt. Es konnte festgestellt werden, daß für den angegebenen Verwendungszweck die Aufbringung einer in ausreichendem Maße warmfesten und korrosionsbeständigen Auflage durch ein derartiges Spritz-Schweiß-Verfahren verschiedene Vorteile aufweist.
Für die verschiedensten Verwendungszwecke sind bereits zum Flammspritzen geeignete Legierungen, so auch auf Basis Kobalt-Chrom vorgeschlagen worden. Es sind auch unter Berücksichtigung der verschiedenen Möglichkeiten der Ver- und Bearbeitung Kobalt-Chrom-Wolfram-Legierungen für verschiedenste Verwendungszwecke bekannt, so z. B. eine Kobalt-Chrom-Legierung aus 20 bis 35 D/9 Cr, 3 bis 15 D/0 W, 0,25 bis 3 "/ö C, 0,1 bis 4 "/0 B, 1 bis 25 % Ni und Fe, bis 5 °/p Si, Rest jedoch mindestens 25 D/0 Co und mit einer Korngröße <0,157 mm.
Nach der Erfindung wird die Verwendung einer pulverförmigen Kobalt-Chrom-Legierung aus 26,0 bis 30,0"/o Chrom, 3,5 bis 5,50/0 Wolfram, bis 30/0 Eisen, bis 30/0 Nickel, 1,75 bis 2,25°/0 Bor, 0,7 bis 1,75 0/0 Silicium, 0,9 bis 1"40/Q Kohlenstoff, Rest Kobalt mit den üblichen Verunreinigungen zur Herstellung von korrosionsbeständigen Ventilsitzauflagen auf Auslaßventilen von Brennkraftmaschinen nach dem Spritz-Schweiß-Verfahren vorgeschlagen. Beim Spritz-Schweiß- oder Flammspritzverfabren sind das Fließvermögen und die Fließeigenschaften der Legierungen von besonderer Bedeutung. Zur Beeinflussung des Fließvermögens dient eine gewisse Menge von Bor, nämlich 1,75 bis 2,25 °%, wodurch der Schmelzpunkt der aufzutragenden Legierung auf etwa 950 bis 1100°C gedrückt wird. Dadurch erhält die Legierung ein solches Fließvermögen, daß die aufgespritzte Masse in ausreichendem Maße haftet und verfließt und eine gleichmäßig dicke, glatte Schicht bildet. Bei höheren Borgehalten ist jedoch die Fließfähigkeit zu hoch, d. h. die Viskosität der geschmolzenen Legierung zu niedrig, und es besteht die Gefahr eines übermäßigen Ablaufens.
Für den erfindungsgemäßen Zweck wird eine Kobalt-Chrom-Legierung aus 29,00/0 Chrom, 4,50/0 Wolfram, 2,7l)/, Eisen, 1,20/0 Nickel, 2,1% Bor, 1,30/0 Silicium, 1,30/0 Kohlenstoff, Rest Kobalt mit den üblichen Verunreinigungen und ein Schmelzpunkt von 1050°C bevorzugt. Diese Legierungen können nach üblichen Spritz= Schweiß-Verfahren, jedoch auch in Gegenwart von nichtoxydierenden Trägergasen aufgebracht werden. In diesem Fall übernimmt z. B. ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff als nichtoxydierendes Gas den Transport des Metallpulvers durch die Sauerstoff-Acetylen-Flamme. Bei dieser Gasführung hat das Trägergas in gewissem Umfang die Aufgabe eines schwach reduzierenden Schutzgases. Das ist bei hochwertigen Metall-Legierungen ein erheblicher Vorteil, wodurch die Gefahr fehlerhafter Auflagen durch oberflächlich oxydierte Metallteilchen und eventuell damit verbundener Verschlechterung des Fließvermögens sowie rissiger Auflagen herabgesetzt wird.
Vor dem Aufbringen der Legierung nach dem Spritz-Schweiß-Verfahren wird die für die Aufbringung vorgesehene Fläche, das ist die Sitzfläche des Ventils in üblicher Weise aufgerauht, z. B. durch Sandstrahlen, Schleifen und spanabhebende Bearbeitung, und etwas vorgewärmt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, eine pulverförmige Kobalt-Chrom-Legierung mit einer Korngröße < 0,15 mm zu verwenden. Die Legierung wird. auf diese Korngröße in üblicher Weise gebrochen und gemahlen, sie besteht vorzugsweise aus einer hälftigen Mischung gemahlenen und gebrochenen Korns.
Beim Aufspritzen der Legierung auf die zu überziehende Ventilsitzfläche wird vorzugsweise das Ventil zur Erhöhung der Gleichmäßigkeit des Pulverauftrags gedreht, und zwar etwa 25 bis 30 U/min. Die Kanten" der Pulverteilchen werden während des Spritzvorgangs so weit erhitzt, daß sie halbplastisch werden und - wenn sie auf die erhitzte, aufgerauhte Oberfläche des Ventils auftreffen - mechanisch darauf haften. Im allgemeinen wird eine Pulvermenge von etwa 11 bis 14 g auf die Sitzfläche eines die üblichen Abmessungen aufweisenden Ventils für einen Lastkraftwagenmotor aufgetragen, jedoch -variiert die jeweilige Menge natürlich mit den Abinessurigen des Ventils. Nach Beendigung des Aufbringens der Legierung wird das Ventil selbst auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb des Schmelzpunktes der aufgetragenen Legierung, jedoch unterhalb des Erweichungspunktes des Ventilmaterials, auf dem der korrosionsfeste Überzug aufgebracht werden soll, liegt. Diese Maßnahme ist erforderlich, um die notwendige chemische Bindung der tragenden Schicht und der aufgespritzten Legierung zu erreichen. Die für das Aufspritzen benötigte Zeit richtet sich nach derjenigen Zeit, die für die Ausbildung der Bindung sowie für die Beseitigung von Oxydeinschlüssen und Gasblasen erforderlich ist.
Es hat sich gezeigt, daß das Auftreten von glühenden Teilchen die Beendigung des Schmelzvorganges anzeigt, daß jedoch noch eine gewisse zusätzliche Zeit benötigt wird, um die vollständige Beseitigung von Verunreinigungen zu gewährleisten. Der Schmelzvorgang kann in einem geeigneten Ofen durch Erhitzung mit einer Sauerstoff-Acetylen-Flamme oder durch Induktionsheizung durchgeführt werden. Es konnte festgestellt werden, daß die Wärmezufuhr sich bei Induktionsheizung am besten regeln läßt, und daß bei dieser Art der Erhitzung die bei Sauerstoff-Acetylen-Flammen bekannte und unerwünschte Blaswirkung entfällt.
Nach dem Abkühlen des Ventils kann dieses fertig bearbeitet, d. h.' zum .Beispiel durch spanabhebende Bearbeitung oder Schleifen auf die endgültige Abmessung gebracht werden.

Bei den erfindungsgemäß zum Spritz-Schweißen angewandten und verschleißfesten Kobalt-Chrom-Legierungen erweist sich der Borgehalt auch hinsichtlich einer verbesserten Warmfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit als vorteilhaft. Vergleicht man z. B. die Brinell-Härte der erfindungsgemäß angewandten Legierung mit den »Stellit«-Legierungen, so ergibt sich, daß die Brinell-Härte der erfindungsgemäß angewandten Legierung im höheren Temperaturgebiet wesentlich günstiger liegt. In folgender Tabelle wird die Zusammensetzung zweier »Stellit«-Legierungen angegeben.

uStellit F« uStellit 6cc

Chrom 24,0 bis 27,00/0 26,0 bis 30,00/0

Wolfram 11,50 bis 13,00/0 3,50 bis 5,500/ 0

Eisen 0,58 bis 1,350/0 < 2,0%

Nickel 21,0 bis 24,0 0/0 < 3,00/0

Silicium 0,90 bis 1,300/0 0,80 bis 1,300/0

Molybdän < 0,600/0 < 1,00/0

Mangan < 0,301)/o < 0,200/0

Kohlenstoff 1,50 bis 2,0°/0. 0,90 bis 1,30%

Kobalt Rest Rest

Die Brinell-Härte bei den Legierungen »Stellit Fe und Atellit 6« und der erfindungsgemäß angewandten Legierung, aufgebracht nach dem Spritz-Schweiß-Verfahren, ergibt sich aus folgender Tabelle:

Legierung Brinell-Härte

bei 20 0 C 1 bei 7600C

»Stellit F« ................... 382 266

»Stellit6« .................... 380 266

Erfindungsgemäß angewandte

Kobalt-Chrom-Legierung .... 382 268

Die mit der erfindungsgemäß angewandtenLegierung überzogenen Ventile zeigen ferner eine bessere Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu einem mit »Stellit F« überzogenen Ventil.

Gewichtsverlust

Erfindungsgemäß angewandte

Kobalt-Chrom-Legierung .. 2728 g/100 h

Atellit F« .................. 3085 g/100 h

Claims

Patentansprüche: 1. Verwendung einer pulverförmigen Legierung aus 26 bis 30°/o Chrom, 3,5 bis 5,5°/o Wolfram, bis 30/0 Eisen, bis 30/, Nickel, 1,75 bis 2,250/0 Bor, 0,7 bis 1,75 °/a Silicium, 0,9 bis 1,4 °/o Kohlenstoff, Rest Kobalt zur Herstellung von korrosionsbeständigen Ventilsitzauflagen auf Auslaßventilen von Brennkraftmaschinen durch das Spritz-Schweiß-Verfahren.
2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 aus 29,0 °/o Chrom, 4,5 °/o Wolfram, 2,7 °/o Eisen, 1,2 °/o Nickel, 2,10/, Bor, 1,3 °/o Silicium, 1,3 0/0 Kohlenstoff, Rest Kobalt für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die eine Korngröße unter 0,15 mm aufweist, für den Zweck nach Anspruch 1. In Betracht gezogene Druckschriften: Österreichische Patentschriften Nr.163 214,194 673; schweizerische Patentschrift Nr. 321260; britische Patentschrift Nr. 778 359; Zeitschrift »Technisches Handwerk<c, 1949, Februar, S. 27/28; R e i n i g e r, »Gespritzte Metallüberzüge«, 1952, S.19.