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Verfahren zum Herstellen eines Ventilstößels Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Herstellen eines Ventilstößels aus einem einseitig geschlossenen
rohrförmigen Körper, in dessen geschlossener Stirnfläche eine einen Fuß aus abriebfestem
Werkstoff aufnehmende Ausnehmung gebildet ist.
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Bei einem bekannten Verfahren greift der untere Teil des rohrförmigen
Körpers in eine Ringnut des Fußes aus abriebfestem Werkstoff ein und wird dann mit
diesem verbunden.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Herstellung eines
Fußes aus abriebfestem Werkstoff durch maschinelle Bearbeitung oder mechanische
Verformung infolge der Härte des Werkstoffs äußerst schwierig ist, also vermieden
werden sollte. Die Erfindung erreicht dies durch ein neues Verfahren, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß ein aus pulverförmigen Bestandteilen einer eisenhaltigen
abriebfesten Metalllegierung geformtes Brikett in die Ausnehmung eingelegt wird
und für eine ausreichende Zeit auf eine ausreichende Temperatur erhitzt wird, um
die pulverförmigen Bestandteile zu schmelzen und die gebildete Legierung durch Eindiffundieren
in die - Stirnfläche mit dieser zu verbinden. Die Bildung eines Briketts aus den
pulverförmigen Bestandteilen der abriebfesten Metallegierung ist ohne Schwierigkeit
durchzuführen, ebenso wie das anschließende Erhitzen des eingesetzten Briketts.
Der gebildete Fuß aus abriebfestem Werkstoff wird ein Teil des rohrförmigen Körpers,
mit dem er unlösbar verbunden ist.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen,
daß in den rohrförmigen Körper Kühlflüssigkeit in dem Ausmaße geleitet wird, daß
eine gesteuerte Verfestigung des Legierungsüberzuges von der Stirnfläche des Körpers
nach außen hin eintritt. Zweckmäßig wird das Brikett aus einer pulverförmigen Mischung
von 2 bis 3,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, mindestens 2 Gewichtsprozent Molybdän
und 2 Gewichtsprozent Wolfram, Molybdän und Wolfram zusammen jedoch nicht mehr als
10 Gewichtsprozent, 1 bis 3 Gewichtsprozent Silicium und Rest Eisen gebildet. Vorteilhaft
wird der rohrförmige Körper aus einem kohlenstoffarmen Stahl hergestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
In dieser ist F i g. 1 ein Teilschnitt durch einen Teil einer Brennkraftmaschine
mit einem Ventilstößel, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist,
F i g. 2 ein Schnitt durch den rohrförmigen Körper, der zur Herstellung des Ventilstößels
verwendet wird, und F i g. 3 bis 5 Schnitte durch das Ende des Ventilstößels, die
verschiedene Stufen des Herstellungsverfahrens veranschaulichen.
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Die F i g. 2 bis 5 sind gegenüber der F i g. 1 um 180° gedreht gezeichnet.
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Ein Ventilstößel besteht aus einem hohlzylindrischen Körper 10; dessen
eine Stirnseite 12 geschlossen und dessen andere Stirnseite. 13 offen ist. Der Ventilstößel
gleitet in einer Bohrung 14 in einem Brennkraftmaschinen-Kurbelgehäuse 16. In den
Ventilstößel ragt an seiner offenen Seite das innere Ende einer Stoßstange 18, das
sich an einem Sitz 20 abstützt. Dieser ruht auf einer Ringschulter 21 am Körper
10, über die eine auf den Ventilstößel durch einen nicht dargestellten Nocken ausgeübte
Kraft auf die Stoßstange 18 übertragen wird.
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Über dem Sitz 20 und der Ringschulter 21 ist eine dünne Metallscheibe
23 in eine obere Bohrung 15
des Ventilstößelkörpers federnd eingesetzt, die
den Sitz 20 in seiner Lage sichert.
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Zur Herstellung des Ventilstößels wird zunächst der hohlzylindrische;
einseitig geschlossene Körper 10
gebildet. Dies kann durch übliches Stauchen
oder Strangpressen erfolgen. Der Körper 10 besteht aus einem kohlenstoffarmen
Stahl, der etwa 0,15 bis 0,20 °/o Kohlenstoff, 0,6 bis 0,9 °/o Mangan und höchstens
0,04°/o Phosphor und 0,05°/o Schwefel enthält. Bei der Bildung des Körpers 10 wird
an der Stirnfläche
des geschlossenen Endes zugleich eine Ausnehmung
gebildet, die durch einen Rand 26 mit einer schmalen Kante 28 begrenzt wird. Die
Rippe 26 hat innen eine Flanke, die unter 45° zur Bodenfläche der Ausnehmung geneigt
ist.
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Danach werden die Flächen innerhalb des Randes 26 gereinigt, z. B.
durch Sandstrahlen. Sodann wird eine Mischung aus pulverförmigen Metallen bereitet,
die später die harte und abriebfeste Oberfläche bilden sollen.
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Geeignete Mischungen sind z. B.: 1. 2,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff,
4,0 Gewichtsprozent Molybdän, 4,0 Gewichtsprozent Wolfram, 2,0 Gewichtsprozent Silicium,
Rest Eisen.
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2. 2,0 bis 3,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff, mindestens 2 Gewichtsprozent
Molybdän, mindestens 2 Gewichtsprozent Wolfram (jedoch Molybdän und Wolfram insgesamt
nicht mehr als 10 Gewichtsprozent), 1,0 bis 2,8 Gewichtsprozent Silicium, Rest Eisen.
. 3. 2,7 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,126 Gewichtsprozent Mangan, 2,04 Gewichtsprozent
Silicium, 3,91 Gewichtsprozent Chrom, Rest Eisen.
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Geeignete abriebfeste Legierungen können auch mit Metallpulvern erreicht
werden, die einen Kohlenstoffgehalt zwischen 2,5 und 3,5 Gewichtsprozent und einen
Siliciumgehalt zwischen 1,0 und 3,0 Gewichtsprozent haben. Eisen kann bis zu 20
Gewichtsprozent durch Chrom, Wolfram oder Molybdän ersetzt werden.
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Die Korngröße der Mischung entspricht einem 100-Maschen-Sieb amerikanischer
Norm, beträgt also höchstens 127 Mikron.
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Die Metallpulver werden innig gemischt und dann mit einem Druck-von
4700 bis 7800 kg/cm2 zu Briketts 32 (F i g. 3) verpreßt, deren Dicke 2,54 bis 5,1
mm beträgt. Die Höhe des Randes 26 beträgt zweckmäßig 0,254 bis 0,762 mm.
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Die Briketts werden vorteilhaft nach dem Pressen gesintert, um ihnen
für die Handhabung eine größere Festigkeit zu verleihen. Danach werden die Briketts
32 flach auf die Bodenfläche der Ausnehmung innerhalb des Randes 26 aufgelegt.
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Dann wird auf die Briketts ein Flußmittel, z. B. Borax, gesprüht.
Es kann aber auch der Metallpulvermischung vor der Bildung der Briketts 1 bis 2
°/o eines Flußmittels zugemischt werden. Weitere geeignete Flußmittel sind Karbonate,
Borate, Fluoride und Oxyde des Calciums, Aluminiums, Natrons sowie Mischungen dieser
Substanzen. Die Flußmittel bilden bei der nachfolgenden Wärmebehandlung eine Schlakkenschicht.
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Die Briketts und die benachbarte Fläche des Ventilstößelkörpers werden
dann einer Temperatur von 1205 bis 1315'C ausgesetzt, vorzugsweise mittels
einer Induktionsspule 22 (F i g. 4), die so angeordnet ist, daß die Wärme auf die
Briketts und deren Auflagefläche am Ventilstößelkörper konzentriert wird. Hierbei
schmilzt das MetallpulverundbildeteineLegierungsschicht 24, wobei das Flußmittel
eine flüssige Schlacke bildet, unter der sich eine glatte und gleichförmige Oberfläche
der Legierungsschicht bildet. Die Legierung und insbesondere deren Kohlenstoff und
Siliciumanteile diffundieren in das Grundmetall des Ventilstößelkörpers, wodurch
sich eine feste Verbindung zwischen der Legierung und dem Ventilstößelkörper ergibt.
Aus der Mischung gehen bei der Wärmebehandlung etwa je 0,501, Kohlenstoff
und Silicium verloren, so daß bei Verwendung der Mischung gemäß Beispiel 1 die geschmolzene
Pulvermischung etwa 2,10/,
Kohlenstoff, 1,501, Silicium, 411/, Molybdän,
40/, Wolfram und Rest Eisen enthält.
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Nach dem Schmelzen der Metallpulvermischung wird das Innere des Ventilstößellcörpers
schnell abgekühlt, vorzugsweise durch einen Wasserstrahl, der aus einer in den Ventilstößelkörper
.10 eingeführten Düse 36 (F i g. 5) austritt. Hierdurch erfolgt eine gesteuerte
Verfestigung der Legierung von der Bodenfläche der Ausnehmung ausgehend nach außen,
wodurch eine Lunkerbildung in der Legierungsschicht infolge Schrumpfens verhindert
wird. Die Wärmebehandlung erfolgt zweckmäßig in einer Atmosphäre aus Stickstoff
oder einem anderen Gas, das eine übermäßige Oxydation der Metalle verhindert.
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Nach dem Abkühlen wird der Legierungsüberzug zweckmäßig auf eine Dicke
von 0,254 bis 0,762 mm und der Ventilstößelkörper selbst auf Fertigmaß geschliffen.
Danach wird der gesamte Ventilstößel einsatzgehärtet, um seine Mantelflächen abriebfest
zu machen. Dies erfolgt in einer Karburierungsatmosphäre unter Erhitzen auf 843
bis 900°C.
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Die Verwendung von Briketts, die eine kohlenstoffreiche Legierung
bilden, hat den Vorteil, daß eine feste Verbindung zwischen der Legierung und dem
Ventilstößelkörper durch Diffusion eintritt, wobei das Grundmetall des Ventilstößelkörpers
in diesem Bereich aufgekohlt wird. Es bildet sich also eine Schicht 34 härteren
Stahles, die eine gute Abstützung des Legierungsüberzuges 24 bei den erheblichen
Belastungen im Betrieb darstellt. Die aufgekohlte Schicht 34 kann eine Dicke von
0,254 bis 0,508 mm haben.
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Wenn auch der Ventilstößelkörper vorteilhaft aus einem kohlenstoffarmen
Stahl besteht, der strangverpreßt werden kann, so ist es doch möglich, hierfür nichtrostenden
Stahl zu verwenden. In diesem Falle kann ein nichthärtender Stahl mit etwa 0,120/,
Kohlenstoff und 14 bis 18 °/o Chrom verwendet werden. Es werden dann gewisse Schwierigkeiten
vermieden, die sich aus dem Härten des Stahls beim Aufbringen der Legierungsschicht
ergeben können.