DE19723392C2

DE19723392C2 - Ventilsitz

Info

Publication number: DE19723392C2
Application number: DE19723392A
Authority: DE
Inventors: Osamu Kawamura; Teruo Takahashi; Arata Kakiuchi
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1997-06-04
Publication date: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2017-06-05
Also published as: GB9707408D0; DE19723392A1; JPH09324615A; US5803037A; GB2313900B; GB2313900A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ventilsitz zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine oder in einem Verbrennungsmotor und dabei speziell auf einen Ventilsitz, der mit dem Zylinderkopf einer Verbrennungsmaschine verbunden oder verbindbar ist.

In der üblichen Technik werden Ventilsitze beispielsweise durch Paß- oder Preßsitz in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors vorgesehen und dienen zum Abdichten des Motorraumes oder der Verbrennungsgase sowie auch zur Kühlung des jeweiligen Ventils. In jüngster Zeit wurden aber in Hinblick auf höhere Leistungen und Geschwindigkeiten sowie im Hinblick auf die Gewichtsreduzierung bei Fahrzeugen und Motoren Vielfach-Ventil-Strukturen für Motoren entwickelt, so daß jeder Zylinder eine Vielzahl von Ansaug- und Abgasöffnungen aufweist, die räumlich dicht beieinander angeordnet sind.

In jüngster Zeit wurden auch Ventilsitze vorgeschlagen, die in den Zylinderkopf eingefügt und mit diesem verbunden werden, um die Abstände zwischen den Ventilen zu verkleinern, um ein hohes Maß an Freiheit in der Konstruktion sicherzustellen, wie beispielsweise die Vergrößerung der Durchmesser der Ansaug- und Auslaßöffnungen, um die Wärmeabfuhr von dem jeweiligen Ventil und dessen Ventilsitz zu verbessern und somit die thermischen Belastungen zu reduzieren usw.

Im Stand der Technik sind auch Sintermaterialien oder Sinterlegierungen für die Verwendung von Ventilsitzen bekannt, beispielsweise aus "Japanese Patent Laid-open Gazette No. 25959/1984", auf deren gesamten Inhalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Diese Literaturstelle beschreibt gesinterte Legierungen oder Sintermaterialien für die Verwendung bei Ventilsitzen. Die Legierungen enthalten einen großen Anteil an C, Ni, Cr, Mo, Co sowie außerdem verteilt in der Matrixstruktur auch harte Partikel oder Bestandteile. Diese harten Partikel bestehen aus C-Cr-W-Co-Fe- Pulver oder aus Fe-Mo-Pulver. Es wurden auch diese gesinterten Legierungen mit in die Poren eingebrachtem Kupfer oder mit einer in die Poren eingebrachten Kupferlegierung für Ventilsitze verwendet, die dann verbesserte Eigenschaften bezüglich Festigkeit, Belastbarkeit und Abrieb- oder Verschleißfestigkeit aufweisen.

Würde aber ein einfügbarer bzw. verbindbarer Ventilsitz aus derartigen herkömmlichen, für die Herstellung von Ventilsitzen verwendeten Sintermaterialien oder Sinter-Legierungen hergestellt, so sind Risse im Ventilsitz beim Verbinden und/oder aber während des Betriebs des Motors unvermeidbar. Solche Risse verschlechtern die Dichtungseigenschaften des Ventilsitzes. Dies führt auch zu Beeinträchtigungen in der Massenproduktion. Das Auftreten von Rissen ist u. a. durch die im Vergleich zu den durch Preßsitz gehaltenen Ventilsitzen kleine Form der verbindbaren Ventilsitze bedingt sowie dadurch, daß die Festigkeitsgrenzen unter der Belastung beim Verbinden durch Widerstandsschweißen sowie beim Betrieb des Motors überschritten werden.

Um diese Probleme zu lösen, wird beispielsweise in der Literaturstelle "Japanese Patent Laid-open Gazette No. 189628/1995" auf die bzw. auf deren Inhalt hier ebenfalls Bezug genommen wird, ein Ventilsitz vorgeschlagen, der aus einer Legierung auf Cu-Basis oder aus einer Legierung auf Basis eines austenischen Eisens oder Stahles hergestellt ist, wobei der Ventilsitz im Zylinderkopf durch Widerstandsschweißen befestigt wird. Obwohl bei diesem Ventilsitz möglicherweise keine Risse beim Fügeprozeß oder während des Betriebes des Motors auftreten, werden für ihn aber sehr teure Legierungen oder Legierungsbestandteile benötigt, was einen erheblichen wirtschaftlichen Nachteil bedeutet. Außerdem sind die Festigkeit, Belastbarkeit und Abrieb- und Verschleißfestigkeit nicht zufriedenstellend.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ventilsitz aufzuzeigen, der hinsichtlich Festigkeit, Belastbarkeit sowie Abrieb- und Verschleißfestigkeit verbesserte Eigenschaften aufweist, insbesondere auch dahingehend, daß das Auftreten von Rissen beim Füge- oder Verbindungsprozeß sowie während des Betriebs des Motors vermieden ist.

Dementsprechend wird mit der Erfindung ein Ventilsitz zum Befestigen in einem aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine bzw. eines Verbrennungsmotors mit Hilfe des Widerstandsschweißens vorgeschlagen, wobei der Ventilsitz aus einem Material besteht, welches eine Zugfestigkeit von 300 MPa oder mehr, eine radiale Druckfestigkeit von 500 MPa oder größer, eine Dehnung oder Dehnbarkeit (Bruchdehnung) von 0,6% oder mehr, eine thermische Leitfähigkeit von 15 W/(m.K) oder größer, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 10 × 10^-6 (1/K) oder größer sowie einen elektrischen Widerstandswert von 50 µΩ.cm oder kleiner besitzt.

Das erwähnte Material des Ventilsitzes ist dann beispielsweise ein Sintermaterial oder eine gesinterte Legierung auf Fe-Basis oder eine kupferinfiltrierte Sinterlegierung auf Fe-Basis oder ein Sintermaterial oder eine Sinterlegierung auf Fe-Basis mit durch Kupfer abgedichteten oder ausgefüllten Poren. Weiterhin kann das Material des Ventilsitzes auch eine Sinterlegierung auf Ni-Basis oder Cu-Basis sein. Das Material des Ventilsitzes kann schließlich auch Gußeisen oder Gußstahl oder ein Guß- oder Legierungsmaterial auf Cu-Basis oder Ni-Basis sein.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Risse, die beim Widerstandsschweißen und beim Betrieb des Motors bzw. der Maschine auftreten, von Deformationen während des Verbindungsprozesses beim Widerstandsschweißen oder aber durch Stoßbelastungen bzw. durch das Schlagen des Ventils beim Betrieb des Motors sowie durch das Expandieren und Schrumpfen aufgrund des Erhitzens und Abkühlens beim Betrieb des Motors sowie beim Widerstandsschweißen verursacht sind. Der Erfindung liegt daher weiterhin die Erkenntnis zugrunde, daß zur Vermeidung derartiger Rißbildungen bei einem einsetzbaren bzw. verbindbaren Ventilsitz die Materialeigenschaften des Ventilsitzes, insbesondere die Festigkeit, die Dehnung, die thermische Leitfähigkeit, der thermische Ausdehnungskoeffizient sowie die elektrische Leitfähigkeit von ausschlaggebender Bedeutung sind, und daß all diese Eigenschaften bzw. Parameter wenigstens einen bestimmten vorgegebenen Wert aufweisen bzw. diesen überschreiten müssen, um so das Auftreten von Rissen in dem Ventilsitz zu vermeiden.

Die Erfindung und vorteilhafte Details der Erfindung werden nachstehend näher unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben.

Der erfindungsgemäße einfügbare bzw. verbindbare Ventilsitz wird durch Bearbeiten oder Formen eines Materials in einer gewünschten Form hergestellt und der Ventilsitz wird dann in einen aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Zylinderkopf durch Widerstandsschweißen eingesetzt und mit diesem verbunden. Obwohl das Widerstandsschweißen eine bevorzugte Methode für das Verbinden ist, sind auch andere Methoden, wie beispielsweise Reibschweißen oder ein Schweißen mit einem Elektronenstrahl möglich.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilsitzmaterial für den Ventilsitz verwendet, welches eine Festigkeit (Dehn- oder Zugfestigkeit) von 300 MPa oder mehr, eine radiale Druckfestigkeit von 500 MPa oder mehr, eine Dehnung von 0,6% oder mehr, eine thermische Leitfähigkeit von 15 W/(m.K) oder mehr, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10 × 10^-6(1/K) oder mehr sowie einen elektrischen Widerstand von 50 µΩ.cm oder darunter besitzt.

Nachstehend werden nun die Gründe für die speziellen Werte der Materialeigenschaften des Materials aufgezeigt, welches für den Ventilsitz verwendet wird.

Wie erwähnt besitzt der Ventilsitz gemäß der Erfindung eine Dehnungs- bzw. Zugfestigeit von 300 MPa oder größer. Falls die Zugfestigkeit unter 300 MPa liegt, ist der Ventilsitz nicht widerstandsfähig gegenüber der beim Widerstandsschweißen auftretenden Verbindungskraft, sowie auch nicht widerstandsfähig gegenüber den auf den Ventilsitz durch das Ventil beim Betrieb des Motors einwirkenden Schlag- oder Stoßkräften. Es können daher Risse im Ventilsitz auftreten. Aus diesem Grunde liegt das untere Limit der Zugfestigkeit von 300 MPa.

Die radiale Druckfestigkeit des Ventilsitzes beträgt 500 MPa oder mehr. Falls nämlich diese radiale Druckfestigkeit unter 500 MPa liegt, ist der Ventilsitz nicht haltbar gegenüber der beim Widerstandsschweißen auftretenden Verbindungskraft und auch nicht gegenüber den Schlagkräften, die beim Betrieb des Motors durch das Ventil auf den Ventilsitz einwirken, so daß wiederum Risse im Ventilsitz entstehen können. Aus diesem Grunde beträgt die untere Grenze der radialen Druckfestigkeit 500 MPa.

Die Dehnung des Ventilsitzes beträgt 0,6% oder mehr. Falls dieser Wert kleiner als 0,6% ist, kann der Ventilsitz der Dehnung und Schrumpfung, die beim Widerstandsschweißen durch das Erhitzen und anschließende Abkühlen auftreten, nicht folgen, so daß wiederum Risse im Ventilsitz entstehen können. Aus diesem Grunde liegt die untere Grenze für die Dehnung bei 0,6%.

Der Ventilsitz hat weiterhin eine thermische Leitfähigkeit von 15 W/(m.K) oder darüber. Falls die thermische Leitfähigkeit unter 15 W/(m.K) liegt, ist die thermische Weiterleitung der Hitze, die beim Widerstandsschweißen erzeugt wird, nicht voll gewährleistet, so daß die Hitze, die für die Verbindung benötigt wird, nicht oder zumindest nicht effektiv oder nicht in der erforderlichen Weise an die Verbindungsflächen übertragen wird, was dann zu Problemen bei der Verbindung führt. Aus diesem Grunde liegt die unterste Grenze für die thermische Leitfähigkeit bei 15 W/(m.K).

Der Ventilsitz gemäß der Erfindung besitzt weiterhin einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10 × 10^-6(1/K) oder größer. Falls der Wärmeausdehnungskoeffizient des Ventilsitzes unter 10 × 10^-6(1/K) liegt, besteht ein ziemlich großer Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen dem Ventilsitz und dem Zylinderkopf aus der Aluminiumlegierung, in welchem der Ventilsitz befestigt ist, was dann zu großen Unterschieden in der Ausdehnung zwischen dem Ventilsitz und dem Zylinderkopf beim Widerstandsschweißen, aber auch beim Erhitzen und Abkühlen während des Betriebs des Motors bzw. der Maschine führt. Dies kann dann ebenfalls Risse im Ventilsitz verursachen. Aus diesem Grund beträgt die untere Grenze des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Ventilsitzes 10 × 10^-6 (1/K).

Der Ventilsitz hat schließlich einen elektrischen Widerstandswert von 50 µΩ.cm oder darunter. Falls der elektrische Widerstandswert des Ventilsitzes den Wert von 50 µΩ. cm übersteigt, wird die elektrische Leitfähigkeit herabgesetzt, so daß der Wärmewert, der durch den elektrischen Strom beim Widerstandsschweißen erzeugt wird, niedrig ist, was dazu führt, daß die zu verbindenden Oberflächen nicht auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt werden, die für die Verbindung notwendig ist. Aus diesem Grunde liegt der elektrische Widerstandswert des Ventilsitzes bei 50 µΩ.cm oder darunter.

Für den Ventilsitz der Erfindung können Materialien, auch bekannte, überlicherweise für Ventilsitze genutzte Materialien verwendet werden, sofern diese die oben erwähnten Materialeigenschaften aufweisen. Im einzelnen werden bevorzugt gesinterte Legierungen auf Fe-Basis, kupferinfiltrierte, gesinterte Legierungen auf Fe-Basis und gesinterte Legierungen auf Fe-Basis verwendet, bei denen die Poren mit Kupfer abgedichtet sind. Auch gesinterte Legierungen auf Ni-Basis und Cu-Basis sind bevorzugt verwendet. Weiterhin können Gußeisen, Gußstahl, Gußlegierungen auf Cu- Basis sowie kontinuierlich gegossene oder gezogene Materialien auf Cu-Basis und Ni- Basis verwendet werden.

Jede gesinterte Legierung auf Fe-Basis, die für Ventilsitze verwendbar ist, einschließlich der üblichen, bekannten Sintermaterialien bzw. gesinterten Legierungen auf Fe-Basis können für den Ventilsitz bevorzugt verwendet werden. Speziell ist eine gesinterte Legierung bzw. ein Sintermaterial auf Fe-Basis bevorzugt, welches C, Ni, Cr, Co und Mo sowie zusätzlich auch harte Partikel enthält, die C-Cr-W-Co-Fe Partikel und/oder Fe-Mo Partikel sind, welche in der Matrixstruktur verteilt sind. Bevorzugt wird eine Sinterlegierung auf Fe-Basis verwendet, die der Gruppe der Hochgeschwindigkeitsstähle oder Schnell-Laufstähle, der Gruppe der rostfreien Stähle, oder der Gruppe von wiederlegierten Stählen angehört, die 0,5%-8% von wenigstens Ni und Mo enthält.

Eine Cu-infiltrierte gesinterte Legierung auf Fe-Basis kann beispielsweise durch das nachfolgend angegebene Verfahren gewonnen werden:

Ein Pulver wird als Ausgangsmaterial in eine Metallform eingebracht und dann unter Verwendung einer Formpresse durch Pressen geformt. Im Anschluß daran wird der aus dem Pulver geformte Körper gesintert. Der gesinterte Körper wird zusammen mit einer Kupferlegierung, die für die Infiltration verwendet wird, auf eine Temperatur erhitzt, die den Schmelzpunkt der Kupferlegierung übersteigt, um in die Poren die Kupferlegierung einzubringen, d. h. die Poren mit der Kupferlegierung zu infiltrieren. Anstelle einer solchen Infiltration kann aber Kupferpulver gleich von Anfang an dem pulverförmigen Rohmaterial zugemischt werden, wobei das Kupferpulver dann beim Sintern verflüssigt wird, um die Poren mit Kupfer zu infiltrieren.

Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Sintermaterial bzw. eine Sinterlegierung nicht immer verwendet, sondern es können auch in Formen gegossene oder kontinuierlich gegossene bzw. stranggegossene Materialien verwendet werden. Derartige Gußmaterialien sind bevorzugt Gußeisen oder Gußstahl. Ein bevorzugtes Gußeisen für die Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Ventilsitz ist FCD600 Sphäroidal- Graphit-Gußeisen oder Schuppen-Graphit-Gußeisen oder entsprechende Gußeisenlegierungen, die Cr, B enthalten, aber auch andere Legierungen oder Gußeisen sind denkbar. Als bevorzugter Gußstahl wird ein solcher mit hohem Ni- Anteil vorgeschlagen, der dann einen beachtlichen Anteil an Ni enthält, ebenso ein Gußstahl mit hohem Anteil an Cr sowie Gußstähle der Cr-Si-Gruppe.

Weiterhin kann der Ventilsitz gemäß der Erfindung auch aus einer Legierung auf Ni- Basis oder Cu-Basis hergestellt werden. Die Ni-Basis-Legierung ist bevorzugt eine solche der Gruppe NCF(JIS G4901-4902), der Ni-Cr-Gruppe usw. Bei der vorliegenden Erfindung besteht der Ventilsitz bevorzugt aus einer Cu-Basis-Legierung.

Ist der Ventilsitz aus einer Legierung auf Cu-Basis oder Ni-Basis hergestellt, so wird beispielsweise ein Sinterverfahren unter Verwendung eines Metallpulvers, ein Gießverfahren oder kontinuierliches Stranggießverfahren verwendet oder aber die Herstellung erfolgt aus einem gewalzten Material.

Die Legierung auf Cu-Basis, die für den Ventilsitz gemäß der Erfindung geeignet ist, ist vorzugsweise eine Cu-Ni-Si-Legierung, Cu-Be-Legierung und Cu-Cr-Legierung.

Es werden nun nachfolgend Beispiele für die Materialien des Ventilsitzes, der für eine Verbindung geeignet ist, näher beschrieben:

Muster 1

Ein Ausgangs-Pulvermaterial (Rohmaterial), welches aus C-Pulver, Co-Pulver, Ni- Pulver, aus einer pulverisierten C-Co-W-Cr-Fe-Legierung sowie verstäubtem reinen Eisenpulver bestand, wurde mit Zinkstearat kombiniert und vermischt. Dieses gemischte Pulver wurde dann durch Preßformen geformt und anschließend in einer Reduktionsatmosphäre gesintert. Der gesinterte Körper wurde mit Kupfer infiltriert und einer Wärmebehandlung unterworfen, aus der eine gesinterte Legierung bzw. ein Sintermaterial auf Fe-Basis erhalten wurde. Diese so erhaltene gesinterte Legierung enthielt, jeweils in Gewichtsprozent, C: 1,3%, Ni: 2,0%, Cr: 6,5%, W: 2,0%, Co: 7,5%, Cu: 13,0%, wobei der Rest unvermeidliche Verunreinigungen und Fe war. Diese gesinterte Legierung enthielt harte Partikel, die in der Matrixstruktur verteilt waren. Eine solche gesinterte Legierung wurde zu einem Ventilsitz verarbeitet.

Muster 2

Ein pulverförmiges Ausgangsmaterial bestehend aus C-Pulver, Co-Pulver, Ni-Pulver, aus einer pulverisierten C-Co-W-Cr-Fe-Legierung und aus einem zerstäubter reinen Eisenpulver wurde mit Zinkstearat vermischt. Das gemischte Pulver wurde dann durch Preßformen geformt und in einer Reduktionsatmosphäre gesintert, so daß eine gesinterte Legierung oder ein Sintermaterial auf Fe-Basis erhalten wurde. Das gesinterte Material bzw. die gesinterte Legierung bestand, jeweils in Gewichtsprozent, aus C: 1,3%, Ni: 2,0%, Cr: 6,5%, W: 2,0%, Co: 7,5%, Rest unvermeidliche Verunreinigungen und Fe. Die erhaltene gesinterte Legierung enthielt harte Partikel, die in der Matrixstruktur verteilt sind. Dieses gesinterte Material wurde zu einem Ventilsitz verarbeitet.

Muster 3

Ein pulverförmiges Ausgangsmaterial bestehend aus C-Pulver, aus einer pulverförmigen Cr-Fe-Legierung, aus Fe-Mo-Pulver und aus reinem Eisenpulver wurde mit Zinkstearat vermischt. Dieses gemischte Pulver wurde dann durch Pressen geformt und in einer Reduktionsatmosphäre gesintert sowie einer Wärmebehandlung unterworfen, bei der eine gesinterte Legierung auf Fe-Basis mit Cr-Karbit in der Matrixstruktur, und zwar ausgeschieden aus der flüssigen Phase erhalten wurde. Die Zusammensetzung der erhaltenen gesinterten Legierung war, jeweils in Gewichtsprozent, C: 2,0%, Cr: 12,0%, Mo: 1,0%, Rest unvermeidliche Verunreinigungen und Fe. Eine solche gesinterte Legierung wurde zu einem Ventilsitz verarbeitet.

Muster 4

Ein Rohmaterial bestehend aus Cr-Metall, Fe-W-Metall, Co-Metall, Ni-Metall, einem kohlenden Zusatz und Stahl, wurde in einem Hochfrequenzschmelzofen geschmolzen, und zwar zu einem Gußmaterial oder einer Legierung auf Ni-Basis, die jeweils in Gewichtsprozent, enthielt C: 2,5%, Cr: 30%, W: 15%, Co: 10%, Ni: 40% und Rest Fe. Die so erhaltene Legierung auf Ni-Basis wurde einer Hitzebehandlung unterworfen, um so ein Material verwendbar für einen Ventilsitz zu erhalten. Dieses Material wurde zu einem Ventilsitz verarbeitet.

Muster 5

Ein Rohmaterial bestehend aus Fe-Cr, aus Ni-Metall, aus einem kolenden Zusatz und Stahl wurde in einem Hochfrequenzschmelzofen geschmolzen, um eine Legierung auf Ni-Basis als Block oder als kontinuierlich hergestellten Gußmaterials zu erhalten, welches jeweils in Gewichtsprozent, bestand aus C: 1,0%, Cr: 13%, Ni: 45%, Rest Fe. Dieses Material wurde zu einem Ventilsitz verarbeitet.

Muster 6

Ein Sphäroidal-Graphit-Gußeisen (FCD 600), welches jeweils in Gewichtsprozent bestand aus C: 3,6%, Si: 2,0%, Mn: 0,5%, Cu: 1,0%, Rest Fe, wurde durch einen Schmelzprozeß in einem Hochfrequenzschmelzofen erhalten. Das so erhaltene Material wurde zu einem Ventilsitz verarbeitet.

Muster 7

Ein Schuppengraphit-Gußeisen, welches, jeweils in Gewichtsprozent, bestand aus C: 3,4%, Si: 2,0%, Mn: 0,7%, P: 0,2%, B: 0,05%, Rest unvermeidliche Verunreinigungen und Fe, wobei zusätzlich auch Boroncarbit in der Matrixstruktur vorgesehen war, wurde durch einen Schmelzprozeß in einem Hochfrequenzofen erhalten. Das so erhaltene Material wurde zu einem Ventilsitz verarbeitet.

Muster 8

Ein Cu-Be-Legierung-Block oder Guß-Material wurde einer Wärmebehandlung unterworfen, um ein für einen Ventilsitz verwendbares Material zu erhalten. Dieses Material wurde zu einem Ventilsitz verarbeitet.

Muster 9

Ein pulverförmiges Ausgangsmaterial bestehend aus C-Pulver und einem Pulver aus einem Hochgeschwindigkeitsstahl wurde mit Zinkstearat vermischt. Das gemischte Pulver wurde durch Pressen geformt und dann gesintert in einer Reduktionsatmosphäre. Im Anschluß daran wurde der gesinterte Körper mit Kupfer infiltriert um hierdurch eine kupferinfiltrierte gesinterte Legierung bzw. kupferinfiltriertes gesintertes Material der Hochgeschwindigkeitsstahlgruppe bzw. auf Fe-Basis zu erhalten. Die so hergestellte gesinterte Legierung enthielt jeweils in Gewichtsprozent C: 1,0%, Cr: 2,0%, Mo: 2,5%, W: 3,0%, V: 1,5%, Cu: 15,0%, Rest unvermeidliche Verunreinigungen und Fe. Weiterhin enthielt die Legierung in der Matrixstruktur verteilt feine Karbitpartikel. Die gesinterte Legierung wurde zu einem Ventilsitz verarbeitet.

Muster 10

Keramikmaterialien bestehend aus MgO-Puvler, Al₂O₃-Pulver und SiO₂-Pulver wurden mit einem Sinterhilfsmittel vermischt und anschließend einem Form- und Sinterprozeß mit Wärmebehandlung unterworfen, um hierdurch ein für den Ventilsitz brauchbares Material zu erhalten. Dieses Material wurde zu einem Ventilsitz verarbeitet.

Muster 11

Ein pulverförmiges Ausgangsmaterial, welches C-Pulver, Ni-Pulver, Mo-Pulver mit feinem Eisen, Cu-Pulver und Fe-Mo-Pulver enthielt, wurde mit Zinkstearat vermischt. Das gemischte Pulver wurde durch Pressen geformt und in einer Reduktionsatmosphäre gesintert und einer Hitzebehandlung unterworfen, wodurch eine gesinterte Legierung auf Fe-Basis erhalten wurde. Diese gesinterte Legierung bestand, jeweils in Gewichtsprozent, aus C: 1,1%, Cu: 13,0%, Mo: 10,0%, Ni: 2,0%, Rest unvermeidliche Verunreinigungen und Fe. Die Legierung enthielt weiterhin Fe- Mo-Partikel verteilt in der Matrixstruktur. Die erhaltene gesinterte Legierung wurde zu einem Ventilsitz verarbeitet.

In einem nächsten Schritt wurden die jeweiligen Ventilsitze in den Zylinderkopf, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung (AC4C), eingesetzt und dort verbunden, und zwar unter Verwendung des Widerstandsschweißens.

Der Ventilsitz so positioniert, daß sein überstehender Bereich oder Rand gegen die Schrägfläche des Zylinderkopfes anliegt. Ein Druck wird auf den gegen eine Schrägfläche anliegenden bzw. sitzenden Ventilsitz aufgebracht. Im Anschluß daran wird der elektrische Strom eingeschaltet, so daß er insbesondere auch zwischen dem Ventilsitz und der Schrägfläche wirksam ist. Sobald die Berührungsflächen zwischen dem Zylinderkopf und dem Ventilsitz und deren Umgebung auf die Schmelztemperatur oder eine Temperatur benachbart der Schmelztemperatur erhitzt sind, wird der elektrische Strom abgeschaltet. Der Zylinderkopf, dessen Härte geringer ist als diejenige des Ventilsitzes, wird dann plastisch verformt und der Ventilsitz ist dann im Zylinderkopf befestigt und eingebettet bzw. eingefügt.

Nach diesem Verbindungsprozeß wurde der jeweilige Ventilsitz auf mögliche Risse hin untersucht. Weiterhin wurden die Ventilsitze unter den gleichen Bedingungen, als wären sie in dem Zylinderkopf eingesetzt, in einer Testeinrichtung bei den gleichen Temperaturen wie bei einem Dauertest in einer reellen Maschine getestet, und zwar unter Bedingungen, bei denen die Ventilsitze einer Schlag- und Stoßbelastung durch das Ventil ausgesetzt wurden, um das Auftreten von eventuellen Rissen in den Ventilsitzen zu untersuchen. Die Testbedingungen waren wie folgt:
Testtemperatur 400°C
Lauf- oder Testzeit: 30 Stunden
Drehgeschwindigkeit des Ventil-Nockens: 3000 Umdrehungen pro Minute
Drehgeschwindigkeit des Ventils: 10 Umdrehungen pro Minute
Ventilhub: 7 mm
Last auf Ventilsitz: 89 kg

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung wurden keine Risse festgestellt, und zwar weder beim Verbindungsprozeß bedingt durch thermische Belastungen, noch bei den Belastungstests unter den gleichen Bedingungen wie in einer reellen Maschine bzw. in einem reellen Motor.

Bei den Ventilsitzen der Vergleichsmuster Nr. 2 und Nr. 7, bei denen teilweise die Festigkeit und Dehnung nicht im Bereich der Erfindung lagen, traten Risse bei der Verbindung durch das Widerstandsschweißen auf.

Bei dem Ventilsitz des Vergleichsmusters Nr. 4, bei dem sowohl die thermische Leitfähigkeit als auch der elektrische Widerstandswert nicht innerhalb des Bereichs der Erfindung lagen, sowie bei dem Ventilsitz des Vergleichsmusters Nr. 10, bei dem die Dehnung, die thermische Leitfähigkeit, der thermische Ausdehnungskoeffizient und der elektrische Widerstandswert nicht im Bereich der Erfindung lagen, war eine Verbindung nicht möglich, und zwar aufgrund einer unzureichenden Erhitzung durch den elektrischen Strom beim Widerstandsschweißen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung wurden keine Risse festgestellt, und zwar weder bedingt beim Verbindungsprozeß durch Widerstandsschweißen, noch bedingt durch den Betrieb des Motors, wodurch eine hohe Dichtfunktion oder hohe Dichtungseigenschaften für den jeweiligen erfindungsgemäßen Ventilsitz erhalten werden.

Claims

1. Ventilsitz, eingesetzt in einem und/oder verbunden mit einem aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit Hilfe des Widerstandsschweißens, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz aus einem Material hergestellt ist, welches wenigstens folgende Merkmale aufweist:
Zugfestigkeit von 300 MPa oder größer,
radiale Druckfestigkeit von 500 MPa oder größer,
Dehnung (Bruchdehnung) von 0,6% oder größer,
thermische Leitfähigkeit von 15 W/(m.K) oder größer,
thermischer Ausdehnungskoeffizient von 10 × 10^-6(1/K) oder größer, sowie elektrischer Widerstandswert von 50 µΩ.cm oder kleiner.

2. Ventilsitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Ventilsitzes eine gesinterte Legierung oder ein Sintermaterial auf Fe-Basis oder ein kupferinfiltriertes Sintermaterial oder eine kupferinfiltrierte Sinterlegierung auf Fe- Basis, oder ein Sintermaterial oder eine Sinterlegierung auf Fe-Basis mit durch Kupfer abgedichteten oder verschlossenen Poren ist.

3. Ventilsitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Ventilsitzes ein Sintermaterial oder eine Sinterlegierung auf Ni-Basis oder auf Cu- Basis ist.

4. Ventilsitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Ventilsitzes Gußeisen oder Gußstahl oder eine Gußlegierung, auch ein Stranggußmaterial auf Cu-Basis und/oder Ni-Basis ist.