DE19828687A1

DE19828687A1 - Ventilsitz für Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE19828687A1
Application number: DE19828687A
Authority: DE
Inventors: Teruo Takahashi; Toshiaki Sato
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2018-06-27
Also published as: FR2765269A1; FR2765269B1; JP3469435B2; JPH1112697A; DE19828687C2; US6082317A

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilsitz, der für einen Verbrennungsmotor zu verwenden ist.

Viele Arten von Ventilsitzen einschließlich einem, der aus einer Sinterlegierung auf Eisenba sis besteht, sind bisher verwendet worden in Verbrennungsmotoren wie beispielsweise Kfz-Motoren, und es sind Untersuchungen hinsichtlich Verschleiß und Abriebfestigkeit der Ventilsitze unternommen worden.

Im allgemeinen ist ein Motor, der eine Art flüssiger Brennstoffe wie beispielsweise Benzin und Dieselöl verwendet, vorteilhaft zur Reduzierung des Verschleißes und Abriebes des Ventilsitzes wegen der Aufrechterhaltung hoher Schmierfähigkeit zwischen einem Ventil und dem Ventilsitz durch den Kraftstoff und Verbrennungsprodukte einschließlich Kohlen stoff. Im Gegensatz dazu bringt der Betrieb eines Motors, der eine Art von gasförmigen Brennstoffen wie Erdgas verwendet, metallische Flächen des Ventilsitzes und des Ventils in direkten Kontakt miteinander, da die Menge an Verbrennungsprodukten klein ist im Ver hältnis zu einem Fall, in dem ein flüssiger Brennstoff verwendet wird, und neigt deshalb dazu, Verschleiß und Abrieb zu entwickeln, was zum Auftreten einer durch plastische De formation verursachten Strömung und einem Adhäsionsverschleiß und -Abrieb führt.

Als ein Verfahren zum Verbessern der Verschleiß- und Abriebfestigkeit des Ventilsitzes ist es bekannt, daß harte Partikel wie beispielsweise Fe-Mo-Partikel oder Fe-W-Partikel in eine Grundmasse oder Matrix des Ventilsitzes dispergiert werden. Wenn die Verschleiß- und Abriebfestigkeit des Ventilsitzes verbessert werden soll durch Erhöhen der Menge der fe sten Partikel, ist jedoch das Ventil, das ein in Kombination damit verwendetes Gegenstück ist, anfällig für Verschleiß und/oder Abrieb.

Es sind einige Ventilsitze mit ausgezeichneter Verschleiß- und Abriebfestigkeit sowie mit kleinem Angriffsvermögen an dem Gegenstück offenbart worden. Zum Beispiel offenbart die japanische offengelegte Patentanmeldung (KOKAI) No. Hei 5-43913 einen Ventilsitz aus Sinterlegierung auf Eisenbasis, der gebildet wird durch ein Verfahren, in welchem harte Partikel vom Typ der Karbiddispersion und/oder vom Typ der intermetallischen Verbin dungsdispersion mit einer Mikro-Vickershärte in einem Bereich von 500-1800 in einer Menge von 5-25 Gewichts-% in die Grundmasse aus Sinterlegierung auf Eisenbasis dis pergiert werden, und die Gestalt des harten Partikels tröpfchenförmig gemacht wird. Ferner offenbart die japanische offengelegte Patentanmeldung (KOKAI) No. Hei 5-43998 einen anderen Ventilsitz aus Sinterlegierung auf Eisenbasis, der gebildet wird durch das Verfah ren, in welchem harte Partikel vom Typ der Karbiddispersion und/oder vom Typ der inter metallischen Verbindungsdispersion mit einer Mikro-Vickershärte in einem Bereich von 500-1800 in einer Menge von 5-25 Gewichts-% in die Grundmasse aus Sinterlegierung auf Eisenbasis dispergiert werden, um ein Basisteil des Ventilsitzes zu bilden, und das so gebil dete Basisteil mit Kupfer oder Kupferlegierung getränkt wird. In den vorgenannten Veröf fentlichungen gibt es jedoch keine Untersuchung hinsichtlich einer Gegenmaßnahme für den Fall, in dem der Ventilsitz in direkten Kontakt mit einer metallischen Fläche eines Gegen stückes gebracht wird, wie in dem Motor, der gasförmigen Brennstoff verwendet.

Die Erfindung wurde unternommen, um die vorerwähnten Probleme zu lösen. Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Ventilsitzes, der imstande ist zum Aufrechterhalten einer ausgezeichneten Verschleiß- und Abriebfestigkeit und einem kleinen Angriffsvermögen an dem Gegenstück, selbst dann, wenn er unter harten Bedingungen verwendet wird wie bei spielsweise einer Bedingung, die zu leichtem Auftreten von direktem Kontakt zwischen metallischen Flächen eines Ventils und des Ventilsitzes führt, wie er verwendet wird in ei nem Motor, der gasförmigen Brennstoff verwendet.

Gemaß der Erfindung wird zum Erreichen des vorerwähnten Zieles ein mit einem Basisteil versehener Ventilsitz für einen Verbrennungsmotor geschaffen, in welchem das Basisteil umfaßt
eine Grundmasse (Matrix) aus einer Legierung auf Eisenbasis, umfassend (a) Koh lenstoff in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 Gewichts-%, (b) wenigstens ein Element, das aus gewählt ist aus einer aus Chrom und Vanadium bestehenden Gruppe, in einem Bereich von insgesamt 0,5 bis 10,0 Gewichts-%, und (c) Eisen als Rest der Grundmasse, jeweils basie rend auf dem Gewicht des Basisteiles, und
harte Partikel auf Kobaltbasis, die in die Grundmasse in einem Bereich von 26 bis 50 Gewichts-% dispergiert sind, basierend auf dem Gewicht des Basisteiles.

Da die harten Partikel auf Kobaltbasis, die in der Erfindung verwendet werden, sich von herkömmlichen harten Partikeln (das heißt, Fe-Mo-Partikeln, Fe-W-Partikeln und derglei chen) dadurch unterscheiden, daß sie ein kleines Angriffsvermögen an einem Gegenstück und eine Eigenschmierfähigkeit aufweisen in Vergleich zu den herkömmlichen harten Parti keln, ist es möglich, das Angriffsvermögen an dem Gegenstück auf niedrigem Niveau zu kontrollieren, selbst wenn die harten Partikel auf Kobaltbasis in das Basisteil des Ventilsit zes in einer großen Menge von 26 bis 50 Gewichts-% dispergiert werden. Daher ist der Ventilsitz gemäß der Erfindung imstande, eine ausgezeichnete Verschleiß- und Abriebfe stigkeit sowie ein kleines Angriffsvermögen an dem Gegenstück selbst unter harten Be triebsbedingungen aufrechtzuerhalten, insbesondere in einem Zustand, der leicht direkten Kontakt zwischen den metallischen Flächen des Ventils und des Ventilsitzes bewirkt, wie bei Verwendung in dem Motor, der gasförmigen Brennstoff verwendet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zei gen:

Fig. 1 eine Fotografie einer metallografischen Struktur eines Ventilsitzes, erhalten in Bei spiel 3 der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Fotografie in Fig. 1;

Fig. 3 eine Fotografie einer metallografischen Struktur eines Ventilsitzes, erhalten in Bei spiel 5 der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Fotografie in Fig. 3;

Fig. 5 eine Fotografie einer metallografischen Struktur eines Ventilsitzes, erhalten in Bei spiel 6 der Erfindung;

Fig. 6 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Fotografie in Fig. 5;

Fig. 7 eine Fotografie einer metallografischen Struktur eines Ventilsitzes, erhalten in Bei spiel 7 der Erfindung;

Fig. 8 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Fotografie in Fig. 7;

Fig. 9 eine Fotografie einer metallografischen Struktur eines Ventilsitzes, erhalten in Bei spiel 13 der Erfindung;

Fig. 10 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Fotografie in Fig. 9.

Ein Ventilsitz der Erfindung ist mit einem Basisteil als Hauptkörper versehen. Das Basisteil weist eine metallografische Struktur auf, die eine Grundmasse oder Matrix aus einer Legie rung auf Eisenbasis und in die Grundmasse dispergierte harte Partikel umfaßt. Wesentliche Komponenten der Grundmasse sind (a) Kohlenstoff [C], (b) Chrom [Cr] und/oder Vanadi um [V] und (c) Eisen [Fe]. Ein Mengenverhältnis jeder vorerwähnten Komponente auf der Grundlage des Gesamtgewichts des Basisteiles ist folgendes.

(1) Die als Komponente der Grundmasse definierte Kohlenstoffmenge liegt in einem Be reich von 0,5 bis 1,5 Gewichts-%, und vorzugsweise wird ihre untere Grenze auf nicht we niger als 0,8 Gewichts-% und ihre obere Grenze auf nicht mehr als 1,2 Gewichts-% be grenzt.
(2) Die Gesamtmenge von Chrom und Vanadium, die jeweils als die Komponente der Grundmasse definiert sind, liegt in einem Bereich von 0,5 bis 10,0 Gewichts-%, und vor zugsweise wird ihre untere Grenze auf nicht weniger als 2,0 Gewichts-% und ihre obere Grenze auf nicht mehr als 7,0 Gewichts-% begrenzt.
(3) Die Menge der harten Partikel auf Kobaltbasis liegt in einem Bereich von 26 bis 50 Gewichts-%, und vorzugsweise wird ihre untere Grenze auf nicht weniger als 30 Gewichts % und ihre obere Grenze auf nicht mehr als 40 Gewichts-% begrenzt.
(4) Der übrige Anteil des Basisteiles umfaßt als die Komponente der Grundmasse defi niertes Eisen. Zu allem kann der übrige Anteil unvermeidliche Verunreinigungen enthalten.

Was die als Komponente der Grundmasse definierte Kohlenstoffmenge anbetrifft, kann, falls die Kohlenstoffmenge kleiner ist als 0,5 Gewichts-%, freier Ferrit in der Grundmasse abge schieden werden, womit eine Behinderung der Verschleiß- und Abriebfestigkeit verursacht wird. Wenn das Basisteil aus Sinterlegierung auf Eisenbasis gebildet ist, kann außerdem die übermäßig kleine Menge an Kohlenstoff eine unzureichende Diffusion während des Sinterungsprozesses verursachen. Andererseits kann, wenn die Kohlenstoffinenge größer ist als 1,5 Gewichts-%, freier Zementit in der Grundmasse abgeschieden werden, was eine Ver schlechterung der Bearbeitbarkeit während des Schneidverfahrens bewirkt.

Was die Gesamtmenge von Chrom und Vanadium anbetrifft, die jeweils als die Komponente der Grundmasse definiert sind, kann, wenn ihre Gesamtmenge kleiner ist als 0,5 Gewichts %, eine unzureichende Verfestigung der Grundmasse oder eine unzureichende Wärmebe ständigkeit der Grundmasse verursacht werden. Wenn andererseits die vorerwähnte Ge samtmenge größer ist als 10 Gewichts-%, kann eine Verschlechterung der Kompaktierbar keit verursacht werden, was zu einer Minderung der Festigkeit führt.

Was die Menge der harten Partikel auf Kobaltbasis anbetrifft, könnten diese, wenn ihre Menge kleiner ist als 26 Gewichts-%, nicht ausreichend beitragen zur Verbesserung der Verschleiß- und Abriebfestigkeit. Insbesondere in einem Fall, in dem die metallischen Flä chen des Ventils und des Ventilsitzes am meisten in direkten Kontakt miteinander gebracht werden, zum Beispiel im Fall des Motors, der alternative Brennstoffe wie Erdgas verwen det, neigt die Verschleiß- und Abriebfestigkeit dazu, unzureichend zu sein wegen der über mäßig kleinen Menge der kobaltbasierten harten Partikel. Wenn andererseits die Menge der kobaltbasierten harten Partikel größer ist als 50 Gewichts-%, kann die Bindefestigkeit zwi schen den Partikeln vermindert werden, und außerdem werden die Kosten für die Herstel lung des Ventilsitzes erhöht.

Die in der Erfindung verwendeten kobaltbasierten harten Partikel sind eine intermetallische Verbindung, welche Kobalt als eine Hauptkomponente enthält und ein weiteres Element (zum Beispiel Molybdän [Mo], Chrom [Cr] und Nickel [Ni]), die imstande sind, die Wär mebeständigkeit und/oder die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, und eine Vickers harte von nicht weniger als Hv 500, vorzugsweise nicht weniger als Hv 700 aufweisen. Eine mittlere Partikelgröße der kobaltbasierten harten Partikel liegt gewöhnlich in einem Bereich von 50 bis 200 µm, vorzugsweise in einem Bereich von 100 bis 150 µm. Die kobaltbasierten harten Partikel weisen vorzugsweise tröpfchenförmige Gestalt auf. Konkrete Produktnamen der vorgenannten kobaltbasierten harten Partikel kann "TRIBALOY T-400" bzw. "TRIBALOY T-800" umfassen, hergestellt von NIKKOSHI Co., Ltd.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen wesentlichen Komponenten können hinzugefügt wer den (d) eine oder mehrere Arten von Elementen, welche ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus Nickel [Ni], Kobalt [Co] und Molybdän [Mo] als den Komponenten der Grundma sse besteht. Die Elemente der Gruppe (d) werden verwendet zu dem Hauptzweck der Ver festigung der Grundmasse oder der Verbesserung der Wärmebeständigkeit wie die Cr und V, welche die Elemente der Gruppe (b) sind.

Die Gesamtmenge von Nickel, Kobalt und Molybdän als den Komponenten der Grundma sse liegt in einem Bereich von 2,0 bis 20,0 Gewichts-% auf der Grundlage des Gesamtge wichts des Basisteiles, und vorzugsweise wird ihre untere Grenze auf nicht weniger als 5,0 Gewichts-% und ihre obere Grenze auf nicht mehr als 15 Gewichts-% begrenzt. Wenn ihre Gesamtmenge kleiner ist als 2,0 Gewichts-%, kann eine unzureichende Verfestigung der Grundmasse oder eine unzureichende Wärmebeständigkeit der Grundmasse verursacht wer den. Wenn andererseits die vorgenannte Gesamtmenge größer ist als 20,0 Gewichts-%, kann Restaustenit gebildet werden, und außerdem werden die Kosten für die Herstellung des Ventilsitzes erhöht.

Eine oder mehrere Arten von selbstschmierenden Materialien können auch in das Basisteil des Ventilsitzes dispergiert werden. Ein Zusatz des selbstschmierenden Materials verhin dert, daß die metallische Fläche des Ventilsitzes in direkten Kontakt mit der metallischen Fläche des Ventils gebracht wird, was es ermöglicht, die Verschleiß- und Abriebfestigkeit und das Angriffsvermögen gegen das Gegenstück weiter zu verbessern. Beispiele für die selbstschmierenden Materialien können umfassen: Sulfide wie MnS und MoS₂, Fluoride wie CaF₂, Nitride wie BN, und Graphit. Die Menge des selbstschmierenden Materials liegt gewöhnlich in einem Bereich von 0,5 bis 10 Gewichts-%, vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 5 Gewichts-% auf der Basis des Gesamtgewichts des Basisteiles. Wenn seine Menge kleiner ist als 0,5 Gewichts-%, kann das selbstschmierende Material nicht ausrei chend zur Verbesserung der Selbstschmierfähigkeit beitragen. Wenn andererseits sein Ge halt größer ist als 10 Gewichts-%, neigt die Verschleiß- und Abriebfestigkeit zur Ver schlechterung aufgrund einer Abnahme der Bindefestigkeit zwischen den Partikeln und einer Abnahme der Festigkeit des Basisteiles.

In dem Ventilsitz gemäß der Erfindung kann die Grundmasse des Basisteiles aus Sinterlegierung auf Eisenbasis gebildet werden. Wenn der Ventilsitz aus der eisenbasierten Sinterlegierung gebildet werden soll, kann eine Härtungs- oder Abschreckbehandlung op tional weggelassen werden. In diesem Fall können als pulvriges Rohmaterial für die Grund masse verwendet werden: zum Beispiel Pulver der eisenbasierten Legierung, die ein oder mehrere Elemente der vorerwähnten Komponenten für die Grundmasse enthält wie bei spielsweise C, Cr, V, Ni, Co und Mo, gemischte Pulver, die hauptsächlich das Pulver der eisenbasierten Legierung enthalten, oder unlegiertes Pulver, welches zubereitet wird durch Mischen von Reineisenpulver und Pulver der Elemente für die von Eisen verschiedenen Komponenten der Grundmasse.

Wenn die Grundmasse aus der Sinterlegierung gebildet wird, weist sie eine metallografische Struktur auf, in welcher eine Perlitphase, eine Martensitphase und eine hochlegierte Phase unordentlich miteinander zusammentreffen.

Gemäß der Erfindung umfaßt die vorerwähnte "hochlegierte Phase" einen Anteil einer Austenitphase, in welcher die Komponenten für die Grundmasse wie beispielsweise C, Cr, V, Ni, Co und Mo mit einer hohen Konzentration diffundieren, und welche eine hohe Härte, vorzugsweise in einem Bereich von Hv 500 bis Hv 700 aufweist. Was das Mengenverhältnis jeder Phase zu der Grundmasse anbetrifft, kann es ausgedrückt werden durch ein Flächen verhältnis auf der Basis einer Fläche des Grundmassenanteils in einem Querschnitt des Basi steiles. Wenn die Fläche des Grundmassenanteils, gegeben durch Abziehen einer Fläche des Anteils harter Partikel von dem gesamten Querschnitt des Basisteiles, definiert wird als 100% Fläche, ist das Flächenverhältnis jeder Phase wie folgt: der Anteil der Perlitphase liegt in einem Bereich von 5 bis 15%, der Anteil der Martensitphase liegt in einem Bereich von 30 bis 60%, und der Anteil der hochlegierten Phase liegt in einem Bereich von 30 bis 60%, und vorzugsweise liegt der Anteil der Perlitphase in einem Bereich von 5 bis 10%, der An teil der Martensitphase liegt in einem Bereich von 40 bis 50%, und der Anteil der hochle gierten Phase liegt in einem Bereich von 40 bis 50%.

Wenn das Basisteil des Ventilsitzes aus der Sinterlegierung gebildet ist, kann irgendein Me tall mit niedrigem Schmelzpunkt in Poren des Basisteiles getränkt werden. Da das so ge tränkte Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz liegt, verhindert es den direkten Kontakt zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz, womit es dem Ventilsitz die verbesserte Verschleiß- und Abriebfestigkeit und das kleine Angriffsver mögen an dem Gegenstück erteilt. Beispiele des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt kön nen umfassen Blei [Pb], Zink [Zn], Zinn [Sn], Kupfer [Cu] und eine Legierung, die wenig stens ein aus diesen ausgewähltes Element enthält.

Die Sinterlegierung weist gewöhnlich eine Porosität in einem Bereich von 2 bis 20% auf, vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 10%. Wenn die Porosität kleiner ist als 2%, kann die Menge von getränktem Metall unzureichend sein. Wenn andererseits die Porosität grö ßer ist als 20%, neigt die Verschleiß- und Abriebfestigkeit zur Verschlechterung aufgrund der Abnahme der Bindefestigkeit zwischen den Partikeln und der Abnahme der Festigkeit des Basisteiles.

Tabelle 1

Element der Komponente
Chemische Zusammensetzung
Gewichts-%
C	0,5-1,5
Si	0,2-2,0
Cr	1,0-10,0
Mo	5,0-20,0
Ni	2,0-10,0
Co	10,0-45,0
Pb	5,0-20,0
V	0,1-5,0
unvermeidliche Komponenten	nicht mehr als 2,0
Fe	Rest

Tabelle 1 zeigt eine chemische Zusammensetzung einer Ausführungsform des Ventilsitzes gemäß der Erfindung. Die chemische Zusammensetzung von Tabelle 1 ist die des Basistei les, die nach der Pb-Tränkung (Infiltration) erhalten wird, genauer gesagt, die erhalten wird durch Bilden des Basisteiles aus eisenbasierter Sinterlegierung aus dem Rohmaterial für die Grundmasse und kobaltbasierten harten Partikeln, und durch anschließendes Tränken (Infiltrieren) von Blei [Pb] in das Basisteil. Die in Tabelle 1 gezeigte chemische Zusammen setzung steht nicht in Einklang mit einer chemischen Zusammensetzung der in der Erfindung zugelassenen Grundmasse, da die in den kobaltbasierten harten Partikeln enthaltenen Kom ponenten sich auf die chemische Zusammensetzung auswirken.

BEISPIELE

Im folgenden wird die Erfindung mehr im einzelnen beschrieben unter Bezugnahme auf Versuchsbeispiele und Vergleichsbeispiele.

Beispiel 1 Versuchsbeispiel

Die folgenden Pulver oder Materialien wurden jeweils entnommen, um ein pulvriges Roh material zuzubereiten.

(1) Ein eisenbasiertes niedriglegiertes Pulver, das nicht mehr als 0,10 Gewichts-% C, nicht mehr als 0,30 Gewichts-% Mn, 3,0 Gewichts-% Cr und den Rest Fe enthielt, jeweils auf der Basis des Gewichts des eisenbasierten und niedriglegierten Pulvers.,
(2) Kohlenstoff [C],
(3) Kobaltbasierte harte Partikel ("TRIBALOY T-800", hergestellt von NIKKOSHI Co., Ltd.), das nicht mehr als 0,08 Gewichts-% C, 28,5 Gewichts-% Mo, 17,5 Gewichts-% Cr, 3,4 Gewichts-% Si und den Rest Co enthielt, jeweils auf der Basis des Gewichts der kobalt basierten harten Partikel, und
(4) Zinkstearat als Schmiermittel.

Der Kohlenstoff, die kobaltbasierten harten Partikel und Zinkstearat wurden dem eisenba sierten niedriglegierten Pulver zugefügt, und die erhaltene Mischung wurde anschließend 10 min lang einer Mischbehandlung mittels eines V-förmigen Mischers unterworfen, womit das pulvrige Rohmaterial erhalten wurde. Ein Mengenverhältnis auf der Grundlage des Gesamt gewichts des resultierenden pulvrigen Rohmaterials war folgendes: 1,0 Gewichts-% Koh lenstoff, 40,0 Gewichts-% kobaltbasierte harte Partikel und 1,0 Gewichts-% Zinkstearat.

Dann wurde das vorgenannte pulvrige Rohmaterial mittels einer ölhydraulischen Presse einem Formpressen unterworfen, um einen Grünling mit einer Gestalt des Ventilsitzes zu erhalten. Danach wurde der so erhaltene Grünling einer Sinterbehandlung unterworfen mit tels eines Vakuumofens bei 1160°C über 30 Minuten, und wurde anschließend gekühlt mit einer Kühlgeschwindigkeit von 400°C/Stunde, wodurch ein aus Sinterlegierung gebildeter Ventilsitz hergestellt wurde.

Beispiel 2 Versuchsbeispiel

Ein Ventilsitz aus der Sinterlegierung wurde auf die gleiche Weise hergestellt wie in Beispiel 1, außer daß das eisenbasierte niedriglegierte Pulver mit der folgenden Zusammensetzung verwendet wurde: nicht mehr als 0,10 Gewichts-% C, nicht mehr als 0,30 Gewichts-% Mn, 2,0 Gewichts-% V und der Rest Eisen.

Beispiel 3 Versuchsbeispiel

Ein Ventilsitz aus der Sinterlegierung wurde auf die gleiche Weise hergestellt wie in Beispiel 1, außer daß das eisenbasierte niedriglegierte Pulver mit der folgenden Zusammensetzung verwendet wurde: nicht mehr als 0,10 Gewichts-% C, nicht mehr als 0,30 Gewichts-% Mn, 3,0 Gewichts-% Cr, 2,0 Gewichts-% V und der Rest Eisen.

Beispiel 4 Versuchsbeispiel

(1) Ein eisenbasiertes niedriglegiertes Pulver, das nicht mehr als 0,10 Gewichts-% C, nicht mehr als 0,30 Gewichts-% Mn, 3,0 Gewichts-% Cr, 2,0 Gewichts-% V und den Rest Fe enthielt, jeweils auf der Basis des Gewichts des eisenbasierten und niedriglegierten Pulvers.,
(2) Kohlenstoff [C],
(3) Nickel [Ni],
(4) Kobalt [Co],
(5) Molybdän [Mo],
(6) Kobaltbasierte harte Partikel ("TRIBALOY T-800", hergestellt von NIKKOSHI Co., Ltd.), das nicht mehr als 0,08 Gewichts-% C, 28,5 Gewichts-% Mo, 17,5 Gewichts-% Cr, 3,4 Gewichts-% Si und den Rest Co enthielt, jeweils auf der Basis des Gewichts der kobalt basierten harten Partikel,
und
(7) Zinkstearat als Schmiermittel.

Dem eisenbasierten niedriglegierten Pulver wurden alle anderen Pulver oder Materialien zugefügt, und die erhaltene Mischung wurde anschließend 10 min lang einer Mischbehand lung mittels eines V-förmigen Mischers unterworfen, womit das pulvrige Rohmaterial er halten wurde. Das Mengenverhältnis auf der Grundlage des Gesamtgewichts des resultie renden pulvrigen Rohmaterials war folgendes: 1,0 Gewichts-% C, 6,0 Gewichts-% Ni, 4,0 Gewichts-% Co; 2,0 Gewichts-% Mo, 30,0 Gewichts-% kobaltbasierte harte Partikel und 1,0 Gewichts-% Zinkstearat.

Dann wurde ein Ventilsitz aus der Sinterlegierung auf die gleiche Art wie in Beispiel 1 her gestellt, außer daß das vorerwähnte pulvrige Rohmaterial verwendet wurde.

Beispiele 5 bis 8 Versuchsbeispiele und Beispiele 9 bis 13: Vergleichsbeispiele

Der Ventilsitz jedes Beispiels wurde auf die gleiche Weise hergestellt wie in Beispiel 4, au ßer daß die Art und Menge der harten Partikel verändert wurde, und CaF₂ oder MnS als selbstschmierendes Material dem pulvrigen Rohmaterial zugefügt wurde, wie es die Gele genheit erfordert. In Beispiel 9 wurde das eisenbasierte niedriglegierte Pulver nicht verwen det. Außerdem wurde in Beispiel 8 ein durch den Sinter- und Kühlprozeß erhaltener Preß körper in ein Vakuumgefaß plaziert, so daß Luft aus den Poren des gesinterten Preßkörpers abgegeben wurde, der gesinterte Preßkörper wurde in geschmolzenes Pb getaucht und wur de unter Druck gesetzt, um mit Pb als dem selbstschmierenden Material getränkt zu werden, wodurch der Ventilsitz hergestellt wurde. Komponenten und deren Mengen sind in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2

Untersuchungsverfahren für die Verschleiß- und Abriebfestigkeit

Der gemäß jedem Beispiel erhaltene Ventilsitz wurde einem Haltbarkeitstest unterworfen mit einem Viertakt-Erdgas-Reihenmotor mit vier Zylindern und einem Hubraum von 2000 ccm. Der Test wurde ausgeführt bei 6000 U/min/WOT (Vollgas) über 24 Stunden. Ein Ventil als Gegenstück wurde gebildet aus hitzebeständigem Stahl "SUH35" als Grundmaterial und wies eine Oberfläche der Ventilfläche auf, auf welcher eine Stellitdeck schicht ausgebildet war. Die Verschleiß- und Abriebfestigkeit wurde ausgewertet durch Messen des Verschleißes und Abriebs nach dem Haltbarkeitstest bezüglich des Ventils und des Ventilsitzes an einer Auspufföffnung, deren Bedingung strenger war als der einer Ein laßöffnung. Die Auswertungsergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.

Tabelle 3

In Tabelle 3 wird, wenn die Menge von Cr und/oder V erhöht wird, dementsprechend der Abriebverlust des Ventilsitzes vermindert (das heißt, Beispiel 9 → 1, 2 und 3). Zusätzlich wird, wenn die Menge der kobaltbasierten harten Partikel erhöht wird, entsprechend der Abriebverlust des Ventilsitzes vermindert (das heißt, Beispiel 10 → 11 → 4 → 5). Tabelle 3 zeigt ferner die Wirkung des selbstschmierenden Materials, und zwar CaF₂ (das heißt Bei spiel 5 → 6), MnS (das heißt, Beispiel 5 → 7) und Pb-Tränkung (das heißt Beispiel 5 → 8).

Andererseits, wurde, wenn die herkömmlich für den Benzinmotor verwendeten harten Par tikel FeW oder FeMo zugefügt wurden mit 40 Gewichts-%, ein übermäßiger Verschleiß und Abrieb in dem Ventil und dem Ventilsitz verursacht (das heißt, Beispiele 12 und 13).

Erläuterung für metallografische Strukturen

Zu den Beispielen 3, 5, 6, 7 und 13 sind Fotos metallografischer Strukturen in den Fig. 1, 3, 5, 7 bzw. 9 gezeigt. Das Fotografieren wurde durchgeführt unter der Bedingung von nitaler (?) Korrosion (4%) bei 100-facher Vergrößerung.

Das Foto in Fig. 1 (Beispiel 3 des Versuchsbeispiels) ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. In Fig. 1 bringen kleine schwarze Punkte die Poren 1 zum Ausdruck; schwarze Bereiche drücken aus oder bedeuten die Perlitphase 2, aber bedeuten teilweise die Martensitphase 3; eine Struktur, in der zwei Phasen in gemischtem Zustand auftreten, findet sich ebenfalls; und weiße Bereiche bedeuten die hochlegierte Phase 4. Außerdem bedeuten weiße Flecken die kobaltbasierten harten Partikel 5, die dem Basisteil in einem Verhältnis von 40 Gewichts-% zugefügt und darin dispergiert sind.

Das Foto in Fig. 3 (Beispiel 5 des Versuchsbeispiels) ist schematisch in Fig. 4 gezeigt. In Fig. 3 bedeuten kleine schwarze Punkte die Poren 1; schwarze Bereiche bedeuten die Per litphase 2, aber bedeuten teilweise die Martensitphase 3; und weiße Bereiche bedeuten die hochlegierte Phase 4. Außerdem bedeuten weiße Flecken die kobaltbasierten harten Partikel 5, die dem Basisteil in einem Verhältnis von 40 Gewichts-% zugefügt und darin dispergiert sind.

Das Foto in Fig. 5 (Beispiel 6 des Versuchsbeispiels) ist schematisch in Fig. 6 gezeigt. In Fig. 5 bedeuten kleine schwarze Punkte die Poren 1, und andere schwarze Punkte größer als die Poren bedeuten Ca F₂ (6) als selbstschmierendes Material. Die Grundmasse in Fig. 5 weist eine Struktur auf, in welcher die Perlitphase 2 (schwarzer Bereich), die Martensit phase 3 (ebenfalls schwarzer Bereich) und die hochlegioerte Phase 4 (weißer Bereich) in gemischtem Zustand existieren. Die als weiße Flecken ausgedrückten kobaltbasierten harten Partikel 5 sind dem Basisteil in einem Verhältnis von 40 Gewichts-% zugefügt und darin dispergiert.

Das Foto in Fig. 7 (Beispiel 7 des Versuchsbeispiels) ist schematisch in Fig. 8 gezeigt. In Fig. 7 bedeuten kleine schwarze Punkte die Poren 1, und graue Punkte größer als die Po ren bedeuten MnS (8) als selbstschmierendes Material. Die Grundmasse in Fig. 7 weist eine Struktur auf, in welcher die Perlitphase 2 (schwarzer Bereich), die Martensitphase 3 (ebenfalls schwarzer Bereich) und die hochlegioerte Phase 4 (weißer Bereich) in gemisch tem Zustand existieren. Die als weiße Flecken ausgedrückten kobaltbasierten harten Partikel 5 sind dem Basisteil in einem Verhältnis von 40 Gewichts-% zugefügt und darin dispergiert.

Das Foto in Fig. 9 (Beispiel 13 als das Vergleichsbeispiel) ist schematisch in Fig. 10 ge zeigt. Die Grundmasse in Fig. 9 weist eine Struktur auf, in welcher die Perlitphase 2 (schwarzer Bereich) und die hochlegioerte Phase 4 (weißer Bereich) in gemischtem Zustand existieren. Andere weiße Abschnitte bedeuten harte Fe-Mo-Partikel 7, die dem Basisteil in einem Verhältnis von 40 Gewichts-% zugefügt und darin dispergiert sind.

Da der Ventilsitz des Erfindung für den Verbrennungsmotor eine beachtlich kleines An griffsvermögen an dem Gegenstück sowie eine ausgezeichnete Verschleiß- und Abriebfe stigkeit aufweist, wird er vorzugsweise bei verschiedenen Verbrennungsmotoren angewen det. Insbesondere wird der Ventilsitz der Erfindung vorzugsweise angewendet auf einen Verbrennungsmotor, welcher einer harten Betriebsbedingung unterworfen ist wie beispiels weise der Motor, der dazu neigt, den Verschleiß und Abrieb durch direkten Kontakt der metallischen Flächen zu verursachen, wie in dem Motor für gasförmigen Brennstoff.

Claims

1. Mit einem Basisteil versehener Ventilsitz für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil umfaßt
eine Grundmasse aus einer Legierung auf Eisenbasis, umfassend (a) Kohlenstoff in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 Gewichts-%, (b) wenigstens ein Element, das ausgewählt ist aus einer aus Chrom und Vanadium bestehenden Gruppe, in einem Bereich von insgesamt 0,5 bis 10,0 Gewichts-%, und (c) Eisen als Rest der Grundmasse, jeweils basierend auf dem Gewicht des Basisteiles, und
harte Partikel auf Kobaltbasis, die in die Grundmasse in einem Bereich von 26 bis 50 Gewichts-% dispergiert sind, basierend auf dem Gewicht des Basisteiles.

2. Ventilsitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundmasse (d) we nigstens ein Element umfaßt, welches aus einer aus Nickel, Kobalt und Molybdän bestehen den Gruppe ausgewählt ist, in einem Bereich von insgesamt 2,0 bis 20,0 Gewichts-% auf der Basis des Gewichts des Basisteiles.

3. Ventilsitz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundmasse eine Sinterlegierung auf Eisenbasis umfaßt.

4. Ventilsitz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundmasse aus einem pulvrigen Rohmaterial gebildet wird, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die aus (1) nied riglegiertem Pulver, das Elemente als Komponenten der Grundmasse enthält, und (2) einer Mischung von Eisenpulver und jedem Pulver von Elementen als Komponenten der Grund masse außer Eisen besteht, und eine Struktur aufweist, in welcher Perlit, Martensit und eine hochlegierte Phase in gemischtem Zustand existieren.

5. Ventilsitz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil eine Porosität in einem Bereich von 2 bis 20% aufweist und seine Poren getränkt sind mit einem Metall, das einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist.

6. Ventilsitz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil ein selbstschmierendes Material umfaßt, das in die Grundmasse dispergiert ist.

7. Ventilsitz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er auf einen Ver brennungsmotor anzuwenden ist, welcher einen gasförmigen Brennstoff verwendet.