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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Motorenbauteil mit einer Legierungsbeschichtung und eine Verwendung.
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Die 1A und 1B zeigen ein Motorventil 1 mit
einer Ventilfläche 2,
die gute Eigenschaften, welche Verschleißbeständigkeit, Schädigungsfreiheit,
Wärmebeständigkeit
und Wärmeschockbeständigkeit
umfassen, über
einen breiten Temperaturbereich von Raumtemperatur bis hin zu erhöhten Temperaturen
besitzen muß.
Die Bezeichnung "Schädigungsfreiheit" bedeutet, daß ein beschichtetes
Teil einem Gegenstück,
gegen das das beschichtete Teil stößt, keinen wesentlichen Schaden
zufügt.
Die Bezeichnung "Schädigungsvermögen" bedeutet die Intensität, mit der
ein beschichtetes Teil ein Gegenstück beschädigt. Warmfeste Stähle, die im
allgemeinen als Material für
Motorventile verwendet werden, können
diese Eigenschaften nicht zufriedenstellend bieten; daher werden
die Ventilfächen
mit Legierungen, die diese Eigenschaften besitzen, beschichte, um
den Motorenventilen die erforderlichen Eigenschaften zu verleihen.
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Im Betrieb eines Ottomotors bildet
sich auf der Legierungsbeschichtung der Motorteile, wie z.B. eines Kolbenrings,
einer Ventilfläche
und eines Ventilsitzes, ein Verbrennungsprodukt, das den Verschleiß mindert, der
andernfalls an diesen Teilen eintreten würde. Das Verbrennungsprodukt
besteht im wesentlichen aus Oxiden der Legierungskomponenten der
Legierungsbeschichtung und fungiert als ein Schutzfilm, der eine
Feststoffschmierung vorsieht.
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Dieselmotoren, die dünnflüssiges Öl als Brennstoff
verwenden, und Motoren, die CNG (Druckerdgas, "compressed natural gas"), LPG (Flüssiggas, "liquefied petroleum
gas") oder andere
Gase als Brennstoff verwenden, schaffen jedoch eine Verbrennungsatmosphäre mit einem
derart schlechten Oxidationsvermögen, daß sich an
der Oberfläche
der Motorteile kaum das im wesentlichen aus Oxiden bestehende Verbrennungsprodukt
bildet.
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Eine bekannte Lösung für das vorstehende Problem besteht
in der Zugabe von Cr und/oder Mo in die Legierung, aus der die Teile
von Dieselmotoren und Motoren, die CNG oder LPG als Brennstoff verwenden, bestehen,
um die Bildung von Cr-Oxiden
und/oder Mo-Oxiden an der Oberfläche
der Legierung und die Schaffung einer Feststoffschmierung zu ermöglichen.
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Die japanische Offenlegungsschrift
(Kokai) Nr. 59-100263
A beispielsweise offenbart eine Eisenbasislegierung als ein Material
zum thermischen Bespritzen der Kolben von Dieselmotoren; diese Legierung
besteht aus 1 – 4
Gew.% C, 10 – 30
Gew.% Cr, 10 – 30
Gew.% Mo, 1 – 5
Gew.% Nb, 20 – 40
Gew.% Co, 2 – 15
Gew.% Ni und einem Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen.
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Eine Stellitlegierung wird im allgemeinen
als eine Legierung zum Beschichten der Ventilfläche der Motorventile von Motoren,
die CNG oder LPG als Brennstoff verwenden, eingesetzt; diese Legierung
besteht aus 1,2 Gew.% C, 29,8 Gew.% Cr, 0,01 Gew.% Mn, 1,35 Gew.%
Si, 4,7 Gew.% W und einem Rest aus Co und unvermeidbaren Verunreinigungen.
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Zur Herstellung verschleißfester
Schichten insbesondere an Dichtelementen von Verbrennungskraftmaschinen,
z. B. Kolbenringen, Lagerschalen, Dichtleisten, Dichtbolzen oder
Dichtstreifen, durch ein thermisches Spritzverfahren insbesondere
Plasmaspritzverfahren ist in der
DE 2433814 A1 ein Pulvergemisch vorgeschlagen,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Molybdänpulver die Elemente Sauerstoff
zu 0 bis 8,0 Gew.%, Stickstoff zu 0 bis 0,5 Gew.%, Kohlenstoff zu
0 bis 9,0 Gew.% und Wasserstoff zu 0 bis 0,5 Gew.% enthält, und
dass dem Molybdänpulver
0,5 bis 45,0 Gew.% der Metalle Nickel, Kobalt, Eisen, Titan, Vanadium, Chrom,
Aluminium, Wolfram, Tantal, Rhenium und/oder Zirkonium und optional
weitere Elemente zugemischt sind.
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Aus der
EP 0659895 B1 ist ein Verbrennungsmotorventil
mit einem Grundkörper,
einem Kopf und einer am Kopf vorgesehenen Kontaktfläche gebildet
aus einem Metallniederschlag bekannt, der sich aus 1,3 bis 2,0 Gew.%
Kohlenstoff, 19 bis 23 Gew.% Chrom, 8 bis 11 Gew.% Molybdän, 17 bis
21 Gew.% Nickel, 6 bis 13 Gew.% Mangan, weniger als 0,5 Gew.% Silizium,
weniger als 0,06 Gew.% Sauerstoff, einen Rest aus Eisen sowie unvermeidbaren
Verunreinigungen zusammensetzt.
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Des Weiteren offenbart die
EP 0634245 B1 eine
verschleißbeständige auf
Eisen basierende austenitische Legierung für Bauteile gewerblicher Anlagen.
Die Legierung besteht aus 38 bis 62 Gew.% Legierungselementen und
einem Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen. Die Legierungselemente
bestehen aus 0,02 bis 0,80 Gew.% Kohlenstoff, 20,0 bis 30,0 Gew.%
Chrom, 7,0 bis 9,0 Gew.% Nickel, 5,0 bis 9,0 Gew.% Molybdän, 3,0 bis
9,0 Gew.% Kobalt, 2,0 bis 3,0 Gew.% Silizium und 0,5 bis 3,0 Gew.%
Mangan.
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Motorenbauteile mit aus dem Stand
der Technik bekannten Legierungsbeschichtungen besitzen jedoch weder
die eingangs definierte Schädigungsfreiheit
noch eine Verschleißbeständigkeit
in zufriedenstellendem Maß;
daher besteht Bedarf nach einem Motorenbauteil mit einer Legierungsbeschichtung,
die eine größere Schädigungsfreiheit
und eine höhere
Verschleißbeständigkeit
vorsieht.
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Die vorliegende Erfindung hat daher
die Aufgabe, ein Motorenbauteil mit einer Legierungsbeschichtung
zu schaffen, die selbst in einer Verbrennungsatmosphäre mit einem
geringen Oxidationsvermögen,
wie z. B. in Dieselmotoren und Motoren, die CNG, LPG oder andere
Gase als Brennstoff verwenden, die Bildung eines ausreichenden Oxidfilms
ermöglicht,
um eine zufriedenstellende Schädigungsfreiheit
und eine zufriedenstellende Verschleißbeständigkeit vorzusehen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein Motorenbauteil nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind
Gegenstand abhängiger
Ansprüche.
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2 zeigt
den Zusammenhang zwischen der Heiztemperatur und der prozentualen
Gewichtszunahme infolge Oxidation von Pulverproben aus einfachem
Mo, einfachem Cr, Mo-Karbid (Mo2C) und Cr-Karbid (Cr3C2) durch Erhitzen
unter Luft. Die Proben werden mit Sauerstoff in Verbindung gebracht
oder oxidiert, wodurch Oxide gebildet werden, und nehmen an Gewicht
zu, so daß die
prozentuale Gewichtszunahme der Pulverprobe den Oxidationsgrad angibt.
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Aus 2 ist
ersichtlich, daß Pulverproben
aus Mo bzw. Mo-Karbid prozentuale Gewichtszunahmen aufweisen, die
mit einem Anstieg der Heiztemperatur ansteigen; dies zeigt, daß der Oxidationsgrad
ansteigt. Die prozentuale Gewichtszunahme ist in erster Linie auf
eine Zunahme der Mo-Oxidmenge zurückzuführen.
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Pulverproben aus Cr bzw. Cr-Karbid
zeigen prozentuale Gewichtszunahmen, die mit einem Anstieg der Heiztemperatur
nur leicht ansteigen; dies zeigt, daß der Oxidationsgrad kaum ansteigt.
Die prozentuale Gewichtszunahme ist in erster Linie auf eine Zunahme
der Cr-Oxidmenge zurückzuführen; das
Ergebnis zeigt, daß im
wesentlichen kein Cr-Oxid entstanden ist.
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Es wird davon ausgegangen, daß die Relation
zwischen der Oxidationsgeschwindigkeit und der Diffusionsgeschwindigkeit
einer Legierungskomponente für
die Bildung eines Oxids an der Oberfläche einer Legierung durch Oxidation
der Legierungskomponente wesentlich ist. Cr wird relativ leicht
oxidiert, wodurch an der Oberfläche
der Legierung ein Oxidfilm gebildet wird; jedoch ist die Diffusionsgeschwindigkeit
von Cr in einer Legierung relativ niedrig. Die Oxidationsgeschwindigkeit
von Cr ist wesentlich höher
als die Diffusionsgeschwindigkeit von Cr, so daß das in der Nähe der Legierungsoberfläche vorhandene
Cr selektiv oxidiert wird, wodurch an der Legierungsoberfläche eine
dünne Cr-Oxidschicht gebildet
wird. Die auf diese Weise gebildete Cr-Oxidschicht hat eine sehr dichte Struktur,
wodurch der Eintritt von Sauerstoff von außerhalb unterdrückt wird.
Es wird daher angenommen, daß die
Oxidation von Cr mit einer Erhöhung
der Heiztemperatur nicht mehr wesentlich vorangeht. Die dünne Cr-Oxidschicht
bedeckt die Legierungsoberfläche,
wodurch der Kontakt des darunter vorhandenen Cr mit Sauerstoff und
zudem die Bildung von Cr-Oxid verhindert wird. Cr-Karbid hat eine Diffusionsgeschwindigkeit,
die niedriger ist als die von Cr, wodurch die Oxidation des Cr-Karbids
aus demselben Grund wie bei Cr ebenfalls unterdrückt wird.
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Mo wird ebenfalls leicht oxidiert,
wodurch an der Legierungsoberfläche
ein Oxid gebildet wird; gleichzeitig ist auch die Diffusionsgeschwindigkeit
von Mo in einer Legierung niedrig. Allerdings ist eine an der Legierungsoberfläche ausgebildete
Mo-Oxidschicht nicht so dicht wie eine Cr-Oxidschicht und verhindert daher nicht
den Eintritt von Sauerstoff von außerhalb. Selbst wenn das in
der Nähe
der Legierungsoberfläche
vorhandene Mo oxidiert wird, wodurch an der Legierungsoberfläche eine
dünne Mo-Oxidschicht
gebildet wird, diffundiert daher Mo von innerhalb der Legierung
zur Legierungsoberfläche
und wird durch den über
die dünne Mo-Oxidschicht in die
Legierung eintretenden Sauerstoff oxidiert, so daß die Bildung
von Mo-Oxid weitergeht. Die Diffusionsgeschwindigkeit von Mo-Karbid
ist niedriger als die von Mo; jedoch ist der Unterschied in Bezug auf
die Oxidationsgeschwindigkeit nicht so erheblich wie im Fall von
Cr, so dass die Oxidation von Mo-Karbid wie im Fall von Mo mit einem
Anstieg der Heiztemperatur weitergeht.
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Cr-Oxid weist eine normale freie
Bildungsenergie auf, die kleiner ist als die von Mo-Oxid, und wird leichter
gebildet als letzteres. Wenn sowohl Mo als auch Cr vorhanden sind,
werden daher Cr und Cr-Karbid vor der Oxidation von Mo und Mo-Karbid
oxidiert und bilden eine dünne
Cr-Oxidschicht an der Legierungsoberfläche, wodurch die weitere Bildung
von Cr-Oxid und Mo-Oxid verhindert wird.
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Wenn eine Legierung Cr enthält, wird
somit eine dünne
Cr-Oxidschicht an der Legierungsoberfläche gebildet, die die Legierungsoberfläche bedeckt
und die weitere Bildung von Oxiden verhindert, so daß die gebildete
Oxidmenge nicht ausreicht, um eine effektive Feststoffschmierung
zum Zweck einer großen
Schädigungsfreiheit
und einer hohen Verschleißbeständigkeit
vorzusehen.
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Die vorliegende Erfindung basiert
somit auf der neuen Erkenntnis, daß eine Legierungsbeschichtung, die
entweder kein Cr oder nur einen geringen Cr-Anteil enthält, vorteilhafter
zum Beschichten eines Motorenbauteils, z. B. eines Motorventils,
von Dieselmotoren, die dünnflüssiges Öl als Brennstoff
verwenden, von Motoren, die Druckerdgas (CNG) oder Flüssiggas
(LPG) als Brennstoff verwenden, oder von anderen Motoren, bei denen
das Oxidationsvermögen
der Verbrennungsatmosphäre
geringer ist als bei Ottomotoren, geeignet ist.
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Ein Motorenbauteil mit einer Legierungsbeschichtung
ohne Cr ist insbesondere für
die Anwendungen von Vorteil, bei denen die Verbrennungsatmosphäre ein derart
geringes Oxidationsvermögen
aufweist, daß selbst
das Vorhandensein von Cr in einer sehr geringen Menge die Bildung
eines Oxidfilms an der Oberfläche der
Legierungsbeschichtung im wesentlichen verhindern würde. Diesbezüglich sollte
auch zur Kenntnis genommen werden, daß die Temperatur über das
ganze Verbrennungsraumvolumen eines Motors nicht gleich ist und
ein Bereich des Raums, in der die Temperatur relativ niedrig ist,
auch einen Bereich darstellt, in dem die Verbrennungsatmosphäre ein geringes
Oxidationsvermögen
aufweist.
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Ein geringer Cr-Anteil kann jedoch
für Anwendungen
von Vorteil sein, bei denen die Verbrennungsatmosphäre, der
das Motorenbauteil ausgesetzt ist, ein im Vergleich zu vorstehendem
Fall höheres
Oxidationsvermögen
besitzt und eine verhältnismäßig größere Oxidmenge
gebildet wird. Ein Bereich des Motorverbrennungsraums, in dem die
Temperatur relativ hoch ist, stellt auch einen Bereich dar, in dem
die Verbrennungsatmosphäre
ein relativ hohes Oxidationsvermögen
besitzt. In diesem Fall steuert die Zugabe einer geeigneten Menge
von Cr in eine Legierungsbeschichtung die Oxidmenge, die gebildet
wird, und verhindert das Abblättern des
Oxidfilms und den dadurch bedingten Verschleiß. Auf diese Weise läßt sich
die Oxidmenge, die gebildet wird, in Abhängigkeit von der Temperatur
der mit der Legierungsbeschichtung zu versehenen Motorenbauteile einstellen.
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Mo bildet Mo-Karbid, wodurch die
Verschleißbeständigkeit
verbessert wird. Gleichzeitig ist Mo auch in fester Lösung bzw.
als Mischkristall in einer Legierung vorhanden und wird zusammen
mit dem Mo-Karbid oxidiert, so daß während des Betriebs des Motors
Mo-Oxid gebildet wird und dadurch die Feststoffschmierung verbessert
und die Schädigungsfreiheit
vergrößert werden.
Mo muß in
einer Menge von 20 Gew.% oder mehr vorhanden sein, um die feste
Lösung
bzw. den Mischkristall und die größere Schädigungsfreiheit vorzusehen.
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Wenn der Mo-Anteil jedoch zu hoch
ist, bildet sich eine große
Mo-Karbidmenge und die Legierungsbeschichtung weist eine übermäßig hohe
Härte auf,
was eine stärkere
Beschädigung
eines Gegenstücks
zur Folge hat. Darüber
hinaus senkt die Zugabe von Mo den thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Legierung insgesamt und vergrößert die thermische Ausdehnungsdifferenz
zwischen dem Grundmetall und der Legierungsbeschichtung, wodurch
das Eintreten von Rissen bei hohen Temperaturen erleichtert wird,
wenn ein bestimmter Grundbereich verlassen wird. Daher wird die
obere Grenze für
den Mo-Anteil auf 70 Gew.% festgelegt.
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C reagiert mit Mo, wodurch Mo-Karbid
gebildet wird, und trägt
sowohl in fester Lösung
bzw. als Mischkristall mit freiem Kohlenstoff zu einer Verbesserung
der Härte
der Legierungsbeschichtung bei, wodurch die Verschleißbeständigkeit
verbessert wird. Dieser Effekt wird nicht erhalten, wenn der C-Anteil
kleiner ist als 0,5 Gew.% und andererseits eine Legierungsbeschichtung
eine übermäßig hohe
Härte aufweist,
was zu einer stärkeren
Beschädigung
eines Gegenstücks
führt.
Daher wird der C-Anteil auf 0,2 – 3 Gew.% festgelegt.
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Ni bewirkt dagegen eine Verfestigung
einer Legierung durch den Mischkristallverfestigungsmechanismus
und vergrößert andererseits
die Menge der austentitischen Phase, was eine größere Mo-Mischkristallmenge
bewirkt, wodurch die Schädigungsfreiheit
größer wird.
Wenn das Grundmetall austenitisch ist, bewirkt die Erhöhung der
Austenitphasenmenge durch Zugabe von Ni eine Reduzierung der thermischen
Expansionsdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Legierungsbeschichtung,
wodurch die Möglichkeit
der Entstehung von Rissen bei hohen Temperaturen eingeschränkt wird.
Wenn der Ni-Anteil jedoch übermäßig hoch
ist, besteht die Legierungsbeschichtung aus einer einzigen Austenitphase
und die Zugabe von Ni bedeutet keine weitere Verbesserung, sondern
trägt nur
zu höheren
Materialkosten bei. Daher wird der Ni-Anteil auf 5 – 40 Gew.%
festgelegt.
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Mn ist nicht erfindungswesentlich,
bewirkt jedoch ähnlich
zu Ni vorteilhafterweise eine Mischkristallverfestigung und erhöht die Austenitphasenmenge.
Daher ist es für
die Praxis empfehlenswert, einen Teil des teuren Ni durch das kostengünstige Mn
zu ersetzen. Mn hat ebenfalls einen reduzierenden und entschwefelnden Effekt.
Das Vorhandensein einer übermäßigen Sauerstoffmenge
in einem Legierungspulver bewirkt die Bildung einer Schlacke auf
der Legierungsschmelze während
des Beschichtungsvorgangs, wodurch die Schweißbarkeit beinträchtigt wird;
in diesem Fall sind in einer Legierungsbeschichtung zum Zweck der
Reduzierung vorzugsweise 0,01 Gew.% oder mehr Mn vorhanden. Mn erhöht jedoch
den thermischen Expansionskoeffizienten einer Legierung; wenn das
Grundmetall austenitisch ist, erhöht eine übermäßige Mn-Menge die thermische
Expansionsdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Legierungsbeschichtung,
wodurch die Entstehung von Rissen während der Beschichtung oder
des Schweißens
erleichtert wird. Daher muß der Mn-Anteil
bei 20 Gew.% oder weniger liegen.
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Co ist nicht erfindungswesentlich,
bewirkt jedoch ähnlich
wie Ni vorteilhafterweise eine Mischkristallverfestigung sowie eine
größere Menge
der austenitischen Phase. Co ist effektiver als Ni in Bezug auf
die Mischkristallverfestigung. Daher kann ein Teil des Ni durch
Co ersetzt werden, wenn die Mischkristallverfestigung besonders
erwünscht
ist. In einem Bereich des Motorverbrennungsraums, in dem die Temperatur
höher ist
als in anderen Bereichen, ist die Mischkristallverfestigung stabiler
als die Dispersionsverfestigung durch Karbide oder andere Partikel
und es wird vorteilhafterweise von der Zugabe von Co Gebrauch gemacht.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß das Vorhandensein eines übermäßigen Co- Anteils die Bildung
von Gasblasen während
des Schweißens
erleichtert. Daher ist Co in einer Menge von nicht mehr als 30 Gew.%
vorhanden.
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Der Cr-Anteil muß aus den folgenden Gründen auf
eine kleine Menge beschränkt
sein. Wie es vorstehend beschrieben wurde, bildet das in der Legierungsbeschichtung
enthaltende Cr in einer Atmosphäre
mit einem geringen Oxidationsvermögen eine dünne Oxidschicht, die die Oberfläche der
Legierungsbeschichtung bedeckt, wodurch eine weitere Oxidation verhindert
wird.
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Ein Motorverbrennungsraum enthält jedoch
auch Bereiche, in denen die Atmosphärentemperatur verhältnismäßig derart
hoch ist, daß,
wenn überhaupt
kein Cr vorhanden ist, gelegentlich eine übermäßige Oxidmenge gebildet wird,
was ein Abblättern
der Oxidschicht und als Resultat einen Verschleiß bewirkt. In diesen Fällen wird
der Oxidationsverhinderungseffekt von Cr durch die Zugabe eines
geeigneten Cr-Anteils in eine Legierungsbeschichtung umgekehrt ausgenutzt,
um die Oxidmenge, die gebildet wird, zu reduzieren. Bei einem übermäßigen Cr-Anteil
verhindert der Oxidationsverhinderungseffekt von Cr oder Cr-Oxid,
wie erwähnt, jedoch
die Bildung eines effektiven Oxidanteils; daher muß der Cr-Anteil bei 10 Gew.%
oder weniger liegen. Die Begrenzung des Cr-Anteils in diesem Bereich
gewährleistet
vorteilhafterweise zudem eine Festigkeit der Legierungsbeschichtung.
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Si ist vorzugsweise vorhanden, da
es die Bindung zwischen einer Oxidschicht und einem Grundmetall verbessert
und insbesondere dann, wenn eine Legierungsbeschichtung auf Motorenbauteilen
aufgetragen ist, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, das Ablättern einer
dicken Oxidschicht verhindert. Si wird vorteilhafterweise auch verwendet,
um durch die Oxidschicht eine Feststoffschmierung zu gewährleisten,
wenn die Legierungsbeschichtung auf Motorenbauteilen aufgetragen
ist, die niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind. Si ermöglicht somit
ein größeres Anwendungsgebiet.
Um eine bessere Bindung zu schaffen, muß Si in einem Anteil von 0,1
Gew.% oder mehr vorhanden sein. Jedoch darf der Si-Anteil nicht mehr
als 4 Gew.% betragen, da ein übermäßiger Si-Anteil
die Festigkeit der Legierungsbeschichtung senkt.
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Nb ist vorzugsweise vorhanden, da
es Nb-Karbid bildet, das härter
und feiner ist als Mo-Karbid, wodurch eine bessere Verschleißbeständigkeit
erzielt wird, während
gleichzeitig die Schädigungsfreiheit
beibehalten wird. Nb-Karbid
wird leichter gebildet oder weist eine kleinere freie Bildungsenergie
auf als Mo-Karbid, so daß Nb
vorzugsweise ein Karbid bildet, während Mo als Mischkristall
vorliegt, wodurch eine größere Mo-Mischkristallmenge
vorhanden ist, die die Bildung eines höheren Mo-Oxidanteils während des
Betriebs eines derart beschichteten Motorenbauteils ermöglicht,
was das Mischkristall fördert.
Um den vorstehend erwähnten
Effekt zu erhalten, muß Nb
in einem Anteil von 1 Gew.% oder mehr vorhanden sein. Jedoch darf
der Nb-Anteil nicht mehr als 15 Gew.% betragen, da ein übermäßiger Nb-Anteil die Festigkeit
der Legierungsbeschichtung senkt.
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Ti und V können verwendet werden, um einen
Effekt vorzusehen, der dem ähnlich
ist, wie er durch Nb erhalten wird. In diesem Fall können Nb,
Ti und/oder V in einem Anteil von 1 bis 15 Gew.% im Ganzen vorhanden
sein.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die 1A und 1B sind Schnittansichten
eines Körpers
(1A) und eines Kopfs (1B) eines erfindungsgemäßen Motorventils;
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2 ist
ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Heiztemperatur und
der prozentualen Gewichtszunahme während der Oxidation eines einfachen
Mo, eines Mo-Karbids, eines einfachen Cr und eines Cr-Karbids zeigt;
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3 ist
eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Prüfen des Schädigungsvermögens und der Verschleißbeständigkeit;
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4 ist
ein Diagramm, das die Ventilvorsprünge nach einer Beständigkeitsprüfung der
Beispiele Nr. 1 und Nr. 5 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Vergleich zum Vergleichsbeispiel Nr. 9 zeigt;
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5 ist
ein Diagramm, das die Ventilsitzstoßbreite nach einer Beständigkeitsprüfung der
Beispiele Nr. 1 und Nr. 5 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Vergleich zum Vergleichsbeispiel Nr. 9 zeigt;
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6 ist
ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Heiztemperatur und
der prozentualen Gewichtszunahme während der Oxidation des Beispiels
Nr. 1 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung und dem Vergleichsbeispiel Nr. 9 zeigt;
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7 ist
ein Mikrophoto bei 400-facher Vergrößerung, das die Mikrostruktur
der unter Verwendung des Beispiels Nr. 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gebildeten Legierungsbeschichtung 4 vor einer
Beständigkeitsprüfung zeigt;
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8 ist
ein Mikrophoto bei 400-facher Vergrößerung, das die Mikrostruktur,
der unter Verwendung des Vergleichsbeispiels Nr. 9 gebildeten Legierungsbeschichtung 4 im
Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung vor einer Beständigkeitsprüfung zeigt;
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9 ist
ein Mikrophoto bei 400-facher Vergrößerung, das die Mikrostruktur
der unter Verwendung des Beispiels Nr. 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gebildeten Legierungsbeschichtung 4 nach
einer Beständigkeitsprüfung zeigt;
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10 ist
ein Mikrophoto bei 400-facher Vergrößerung, das die Mikrostruktur
der unter Verwendung des Vergleichsbeispiels Nr. 9 im Vergleich
zum ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gebildeten Legierungsbeschichtung 4 nach
einer Beständigkeitsprüfung zeigt;
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11 ist
ein Diagramm, das die Ventilvorsprünge für die Beispiele Nr. 1, Nr.
10 und Nr. 16 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung nach einer Beständigkeitsprüfung zeigt;
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12 ist
ein Diagramm, das die Ventilsitzstoßbreite für die Beispiele Nr. 1, Nr.
10 und Nr. 16 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung nach einer Beständigkeitsprüfung zeigt;
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13 ist
ein Mikrophoto bei 400-facher Vergrößerung, das die Mikrostruktur
der unter Verwendung des Beispiels Nr. 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gebildeten Legierungsbeschichtung 4 vor einer
Beständigkeitsprüfung zeigt;
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14 ist
ein Mikrophoto bei 400-facher Vergrößerung, das die Mikrostruktur
der unter Verwendung des Beispiels Nr. 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gebildeten Legierungsbeschichtung 4 nach
einer Beständigkeitsprüfung zeigt;
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15 ist
ein Mikrophoto bei 400-facher Vergrößerung, das die Mikrostruktur
der unter Verwendung des Vergleichsbeispiels Nr. 12 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung gebildeten Legierungsbeschichtung 4 nach
einer Beständigkeitsprüfung zeigt;
und
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16 ist
ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Heiztemperatur und
der prozentualen Gewichtszunahme während der Oxidation der Beispiele
Nr. 1 und Nr. 10 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung und des Vergleichsbeispiels Nr. 12 zeigt.
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Beispiel 1
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem kein Cr verwendet wird, wurden Legierungsbeschichtungen
mit den in Tabelle 1 als Beispiele Nr. 1 bis Nr. 12 zusammengefaßten chemischen Zusammensetzungen
geschmolzen und unter Verwendung eines Inertgases gaszerstäubt, um
Legierungspulver herzustellen, die anschließend über den Bereich von 44 bis
180 um hinweg klassifiziert wurden.
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Zum Vergleich wurden in derselben
Art und Weise, wie vorstehend erwähnt, Legierungsbeschichtungen
mit den in Tabelle 1 als Vergleichsbeispiele Nr. 1 bis 9 zusammengefaßten chemischen
Zusammensetzungen außerhalb
des erfindungsgemäßen Bereichs
vorbereitet. Tabelle
1
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Prüfbedingungen
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Unter Verwendung der vorbereiteten
Legierungspulver wurde bei einem Strom von 90 A und einer Schweißgeschwindigkeit
von 5 mm/s eine Plasmaschweißung
durchgeführt,
um auf einer Ventilfläche
2 eines Motorventils
1,
das aus einem austenitischen wärmebeständigen Stahls
(JIS SUH35) hergestellt ist und den in
1 gezeigten Aufbau aufweist, eine Legierungsbeschichtung
4 auszubilden.
Zur Bewertung der Eigenschaften der Legierungsbeschichtungen wurden
die folgenden Prüfungen
durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefaßt. Tabelle
2
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Schweißbarkeit
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Bei der vorstehend erwähnten Plasmabeschichtungsschweißung wurde
die Schweißbarkeit
in vier Graden in Bezug auf die Schweißraupenform, Risse in der Schweißzone, etc.
bewertet. In Tabelle 2 bedeuten höhere Ziffern bessere Eigenschaften,
wie z.B. daß der
Schweißbereich
ein gleichmäßigeres
Erscheinungsbild mit wenigen oder keinen Gasblasen und unverschweißten Hohlräumen und
einem vollständig
festen Querschnitt aufweist.
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Schädigungsvermögen und
Verschleißbeständigkeit
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Die Legierungsbeschichtungen wurden
auf die Schädigungsfreiheit
und die Verschleißbeständigkeit hin überprüft, wozu
die in 3 gezeigte Prüfvorrichtung
verwendet wurde. Ein Propangasbrenner 5 wurde als eine
Heizvorrichtung verwendet, die eine Propangasverbrennungsatmosphäre erzeugte,
die die Gleitkontakttrennfläche
zwischen der mit der Legierungsbeschichtung versehenen Ventilfläche 2 und
dem aus einem Eisenbasissintermaterial bestehenden Ventilsitz 3 umschließt. Unter
der Bedingung, daß die
Temperatur des Ventilsitzes 3 auf 300°C geregelt wurde, eine Feder 6 verwendet
wurde, um bei einem Kontakt der Ventilfläche 2 und des Ventilsitzes 3 eine
Last von 18 kgf auf die Trennfläche
aufzubringen, und die Ventilfläche 2 und
der Ventilsitz 3 mit einer Geschwindigkeit von 2000 mal/min über eine
Dauer von 8 Stunden miteinander in Kontakt gebracht wurden, wurde
eine Verschleißprüfung durchgeführt. Nach
der Verschleißprüfung wurde
die Zunahme der Stoßbreite
des Ventilsitzes 3 gemessen, um das Schädigungsvermögen der Legierungsbeschichtung zu
bewerten, und die Verschleißtiefe
der Ventilfläche 2 gemessen,
um die Verschleißbeständigkeit
der Legierungsbeschichtung zu bewerten.
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Die Bezeichnung "Zunahme der Stoßbreite des Ventilsitzes" bedeutet in diesem
Zusammenhang die durch den Verschleiß des Ventilsitzes infolge
des wiederholten Kontakts mit der Ventilfläche bedingte Zunahme der Breite
der die Ventilfläche
kontaktierenden Fläche
des Ventilsitzes.
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Die Bezeichnung "Verschleißtiefe der Ventilfläche" bedeutet in diesem
Zusammenhang die Tiefe, auf die die Fläche der den Ventilsitz kontaktierenden
Ventilfläche
durch den wiederholten Kontakt mit dem Ventilsitz verschlissen ist.
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Wärmeschockbeständigkeit
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Die Motorventile 1 mit der
Legierungsbeschichtung 4 wurden in einem Brennofen auf
900°C erhitzt
und in diesem auf Raumtemperatur abgekühlt. Anschließend wurde
die Legierungsbeschichtung auf Risse untersucht.
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Zusammenfassung
der Bewertung
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In den Beispielen Nr. 1 bis Nr. 12,
in denen die Motorventile mit den Legierungsbeschichtungen mit den
chemischen Zusammensetzungen in dem festgegelegten erfindungsgemäßen Bereich
hergestellt wurden, weist die Legierungsbeschichtung, wie es aus
Tabelle 2 ersichtlich ist, eine gute Schweißbarkeit, eine große Schädigungsfreiheit,
eine gute Verschleißbeständigkeit
sowie eine gute Wärmeschockbeständigkeit
auf.
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Im Vergleichsbeispiel Nr. 9 wurde
die Legierungsbeschichtung unter Verwendung einer herkömmlichen
Stellitlegierung hergestellt und weist eine geringe Schädigungsfreiheit
sowie eine schlechte Verschleißbeständigkeit
auf, wenngleich die Schweißbarkeit
und Wärmeschockbeständigkeit
akzeptabel waren.
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In den Vergleichsbeispielen Nr. 7
und Nr. 8 wurde die Legierungsbeschichtung unter Verwendung einer
Eisenbasislegierung mit Cr und Mo hergestellt und weist eine geringe
Schädigungsfreiheit
sowie eine schlechte Schweißbarkeit
auf.
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Diese Ergebnisse zeigen, daß Cr-Oxid
in einer Propangasverbrennungsatmosphäre keine gute Feststoffschmierung
vorsieht, und daß eine
Erhöhung
des Cr-Anteils eine Verfestigung der Legierungsbeschichtung bewirkt,
was zu einem nachteiligen Effekt in Bezug auf die Schädigungsfreiheit
und die Schweißbarkeit führt.
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Auch die Vergleichsbeispiele Nr.
1 bis Nr. 6 zeigen, daß die
Schweißbarkeit,
die Schädigungsfreiheit, die
Verschleißbeständigkeit
und/oder die Wärmeschockbeständigkeit
schlecht bzw. gering sind/ist, wenn die Legierungsbeschichtung eine
chemische Zusammensetzung außerhalb
des erfindungsgemäßen Bereichs aufweist.
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Im Vergleichsbeispiel Nr. 1 ist der
Mo-Anteil größer als
der erfindungsgemäße Bereich,
so daß die
Legierungsbeschichtung eine übermäßige Mo-Karbidmenge
enthält,
was zu einer erhöhten
Festigkeit führt,
sowie eine geringe Schädigungsfreiheit
und eine schlechte Wärmebeständigkeit
aufweist.
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Im Vergleichsbeispiel Nr. 2 ist der
Mo-Anteil geringer als der erfindungsgemäße Bereich und die Legierungsbeschichtung
sieht aufgrund des Mo-Oxids keine gute Feststoffschmierung vor und
besitzt eine geringe Schädigungsfreiheit.
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Im Vergleichsbeispiel Nr. 3 ist der
C-Anteil größer als
der erfindungsgemäße Bereich,
so daß die
Legierungsbeschichtung eine übermäßige C-Menge
enthält,
was zu einer erhöhten
Härte führt, und
eine geringe Schädigungsfreiheit
besitzt.
-
Im Vergleichsbeispiel Nr. 4 ist der
C-Anteil geringer als der erfindungsgemäße Bereich, so daß die Legierungsbeschichtung
eine unzureichende Mo-Karbidmenge enthält, was zu einer verminderten
Festigkeit und einer schlechten Verschleißbeständigkeit führt.
-
Im Vergleichsbeispiel Nr. 5 ist der
Ni-Anteil geringer als der erfindungsgemäße Bereich, so daß die Legierungsbeschichtung
unvollständig
austenitisiert ist und eine schlechte Wärmeschockbeständigkeit
und eine geringe Schädigungsfreiheit
besitzt.
-
Im Vergleichsbeispiel Nr. 6 ist der
Mn-Anteil größer als
der erfindungsgemäße Bereich,
so daß während des
Schweißens
Risse auftraten und die Schweißbarkeit
schlecht ist.
-
Die Beispiele Nr. 1 und Nr. 5, die
eine mit der erfindungsgemäßen Legierungsbeschichtung
versehene Ventilfläche 2 aufweisen,
und das Vergleichsbeispiel Nr. 9, das eine mit der herkömmlichen
Stellitlegierung beschichtete Ventilfläche 2 aufweist, wurden
jeweils als ein Auslaßventil
eines Motors, der LPG-Gas als Brennstoff verwendet und einen Hubraum
von 2700 cm3 hat, eingesetzt. Nach einer
Beständigkeitsprüfung über 150 Stunden
wurden der Motorventilvorsprung und die Zunahme der Ventilsitzstoßbreite
gemessen. Die Bezeichnung "Motorventilvorsprung" bedeutet eine Auswärtsverschiebung
(einen Vorsprung) der Ventilposition beim Schließen des Ventils gegenüber der
ursprünglichen
Stellung bedingt durch den Ventilflächenverschleiß (was mit
der Verschleißbeständigkeit
in Zusammenhang steht) und den Ventilsitzverschleiß (was mit
der Schädigungsfreiheit
in Zusammenhang steht).
-
Die Ergebnisse sind in den 4 und 5 zusammengefaßt, aus denen ersichtlich ist,
daß die
Beispiele Nr. 1 und Nr. 5 der Erfindung, wenn sie als ein Auslaßventil
eines Motors, der LPG-Gas als Brennstoff verwendet, eine geringere
Zunahme der Ventilsitzstoßbreite
sowie einen geringeren Ventilvorsprung aufweisen, was eine größere Schädigungsfreiheit
und eine bessere Veschleißbeständigkeit
gegenüber
dem Vergleichsbeispiel Nr. 9 angibt.
-
6 zeigt
den Zusammenhang zwischen der Heiztemperatur und der prozentualen
Gewichtszunahme für
das Beispiel Nr. 1 und das Vergleichsbeispiel Nr. 9 infolge Oxidation
durch Erhitzen unter Luft. wenn die Legierungskomponenten in einer
Legierung mit Sauerstoff in Verbindung geberacht werden, wodurch
Oxide enstehen, nimmt das Gesamtgewicht der Legierung zu; es wird
daher davon ausgegangen, daß die
prozentuale Gewichtszunahme den Grad repräsentiert, bis zu dem die Oxidation
fortgeschritten ist.
-
Im Vergleich der prozentualen Gewichtszunahme
des Beispiels Nr. 1 mit derjenigen des Vergleichsbeispiels Nr. 9
nimmt das Gewicht des Beispiels Nr. 1 mit steigender Temperatur
zu, was darauf hindeutet, daß das
(die) Legierungselement (e) des Beispiels Nr. 1 mit steigender Temperatur
progressiv oxidiert wird (werden), wohingegen das Vergleichsbeispiel
Nr. 9 mit steigender Temperatur eine geringe Gewichtszunahme zeigt,
was bedeutet, daß das
(die) Legierungselement (e) des Vergleichsbeispiels Nr. 9 nicht
wesentlich oxidiert wird (werden).
-
Die 7 und 8 zeigen die Mikrostrukturen
der Legierungsbeschichtungen des Beispiels Nr. 1 bzw. des Vergleichsbeispiels
Nr. 9 in einem nicht den Ventilsitz kontaktierenden Kernbereich
für den
Zustand vor der Beständigkeitsprüfung; die 9 und 10 zeigen jeweils den Zustand nach der
Beständigkeitsprüfung.
-
In den 7 bis 10 ist im Beispiel Nr. 1
ein dunkelgrauer Bereich A eine harte Phase aus Mo-Karbid und ein
heller Bereich B eine Metallmatrix; im Vergleichsbeispiel Nr. 9
ist ein grauer Bereich C eine harte Phase aus Cr-Karbid oder W-Karbid
und ein heller Bereich D eine Metallmatrix.
-
Beim Vergleich der 9 und 10 wird
im Vergleichsbeispiel Nr. 9 von 10 nach
der Beständigkeitsprüfung keine Änderung
der Mikrostruktur beobachtet, während
im Beispiel Nr. 1 von 9 im
Bereich E der Metallmatrix eine deutliche Änderung beobachtet wird.
-
Dann wurden die Anteile der in der
Oberfläche
der Ventilfläche
nach der Beständigkeitsprüfung vorhandenen
Atome mittels EPMA ("electron
probe microanalysis")
studiert; es zeigte sich, daß im
Beispiel Nr. 1 Sauerstoffatome in einem Anteil von etwa 30% und
im Vergleichsbeispiel Nr. 9 Sauerstoffatome in einem kleinen Anteil
vor etwa 15% vorhanden sind.
-
Dieses Ergebnis zeigt, daß sich im
Beispiel Nr. 1 von 9 die
Mikrostruktur infolge Oxidation geändert hat, und daß das Beispiel
Nr. 1 die Bildung eines festschmierenden Mo-Oxids durch Oxidation
von Mo und Mo-Karbid in der Legierungsbeschichtung selbst in einer
schwach oxidierenden Atmosphäre
von Motoren, die Gas als Brennstoff verwenden, ermöglicht.
Im Vergleichsbeispiel Nr. 9 weist der kleinere Anteil an Sauerstoffatomen
auf eine schwächere
Oxidbildung hin.
-
Beispiel 2
-
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem Cr verwendet wird, wurden Legierungsbeschichtungen
mit den in Tabelle 3 als Beispiele Nr. 1 bis Nr. 16 zusammengefaßten chemischen
Zusammensetzungen geschmolzen und unter Verwendung eines Inertgases
gaszerstäubt,
um Legierungspulver herzustellen, die anschließend über einen Bereich von 44 bis
180 μm hinweg
klassifiziert wurden.
-
Zum Vergleich wurden in derselben
Art und Weise, wie vorstehend erwähnt, Legierungsbeschichtungen
mit den in Tabelle 3 als Vergleichsbeispiele Nr. 1 bis 13 zusammengefaßten chemischen
Zusammensetzungen außerhalb
des erfindunsgemäßen Bereichs
vorbereitet. Die Vergleichsbeispiele Nr. 1 bis Nr. 11 enthalten
dieselben Legierungselemente wie die erfindungsgemäßen Beispiele,
wobei jedoch jeweils eines der Legierungselemente in einem Anteil
außerhalb
des erfindungsgemäßen Bereichs
vorhanden ist. Die Vergleichsbeispiele Nr. 12 und Nr. 13 sind eine
herkömmliche
Stellitlegierung bzw. Tribaloy
®.
Tabelle
3
-
Prüfbedingungen
-
Unter Verwendung der vorbereiteten
Legierungspulver wurde in derselben Art und Weise wie im Beispiel
1 eine Plasmaschweißung
und Prüfungen
durchgeführt,
mit der Ausnahme, daß das
Schädigungsvermögen und
die Verschleißbeständigkeit
bei zwei Ventilsitztemperaturen von 200°C und 300°C und die Wärmeschockbeständigkeit
bei einer Brennraumtemperatur von 900°C geprüft wurden. Die Ergebnisse sind
in Tabelle 4 zusammengefaßt. Tabelle
4
-
Zusammenfassung der Bewertung
-
In den Beispielen Nr. 1 bis Nr. 16,
in denen die Legierungsbeschichtungen mit den chemischen Zusammensetzungen
in dem festgegelegten erfindungsgemäßen Bereich hergestellt wurden,
weist die Legierungsbeschichtung, wie es aus Tabelle 2 ersichtlich
ist, eine gute Schweißbarkeit,
eine große
Schädigungsfreiheit,
eine gute Verschleißbeständigkeit
sowie eine gute wärmeschockbeständigkeit
auf.
-
Im Vergleichsbeispiel Nr. 12 wurde
die Legierungsbeschichtung unter Verwendung der herkömmlichen Stellitlegierung
hergestellt und weist eine geringe Schädigungsfreiheit sowie eine
schlechte Verschleißbeständigkeit
auf, wenngleich die Schweißbarkeit
und Wärmeschockbeständigkeit
akzeptabel sind.
-
Im Vergleichsbeispiel Nr. 13 wurde
die Legierungsbeschichtung unter Verwendung der herkömmlichen Tribaloy® hergestellt
und weist eine schlechte Wärmeschockbeständigkeit
auf, wenngleich die Schweißbarkeit, die
Schädigungsfreiheit
und die Verschleißbeständigkeit
akzeptabel sind.
-
Das Vergleichsbeispiel Nr. 1 enthält weniger
Mo als der erfindungsgemäße Bereich
und weist eine geringe Schädigungsfreiheit
auf.
-
Das Vergleichsbeispiel Nr. 2 enthält mehr
Mo als der erfindungsgemäße Bereich
und weist eine geringe Schädigungsfreiheit
sowie eine schlechte Wärmeschockbeständigkeit
auf.
-
Das Vergleichsbeispiel Nr. 3 enthält kein
C und weist eine schlechte Verschleißbeständigkeit auf.
-
Das Vergleichsbeispiel Nr. 4 enthält mehr
C als der erfindungsgemäße Bereich
und weist eine geringe Schädigungsfreiheit
auf.
-
Das Vergleichsbeispiel Nr. 5 enthält weniger
Ni als der erfindungsgemäße Bereich
und weist eine schlechte Wärmeschockbeständigkeit
sowie eine geringe Schädigungsfreiheit
auf .
-
Das Vergleichsbeispiel Nr. 6 enthält mehr
Mn als der erfindungsgemäße Bereich
und weist eine schlechte Schweißbarkeit
auf.
-
Das Vergleichsbeispiel Nr. 7 enthält mehr
Co als der erfindungsgemäße Bereich
und weist eine schlechte Schweißbarkeit
auf.
-
In Bezug auf den Cr-Anteil zeigt
der Vergleich der erfindungsgemäßen Beispiele,
daß das
Beispiel Nr. 1, das einen größeren Cr-Anteil
enthält,
eine Schädigungsfreiheit
und eine Verschleißbeständigkeit
aufweist, die bei einer niedrigeren Prüftemperatur von 200°C höher bzw.
besser, bei einer höheren
Prüftemperatur
von 300°C
jedoch geringer bzw. schlechter sind als das Beispiel Nr. 10.
-
Das Vergleichsbeispiel Nr. 8 enthält dagegen
mehr Cr als der erfindungsgemäße Bereich
und weist eine geringe Schädigungsfreiheit,
eine schlechte Verschleißbeständigkeit
und eine schlechte Schweißbarkeit sowohl
bei niedrigeren als auch höheren
Prüftemperaturen
auf.
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Das Vergleichsbeispiel Nr. 9 enthält weniger
Si als der erfindungsgemäße Bereich
und weist eine schlechte Verschleißbeständigkeit und eine geringe Schädigungsfreiheit
auf .
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Das Vergleichsbeispiel Nr. 10 enthält mehr
Si als der erfindungsgemäße Bereich
und weist eine schlechte Schweißbarkeit
auf.
-
Das Vergleichsbeispiel Nr. 11 enthält mehr
Nb als der erfindungsgemäße Bereich
und weist eine schlechte Schweißbarkeit
auf.
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Beständigkeitsprüfung
-
Die Beispiele Nr. 1, Nr. 10 und Nr.
16, die eine mit der erfindungsgemäßen Legierung beschichtete Ventilfläche 2 aufweisen,
und die Vergleichsbeispiele Nr. 12 und Nr. 13, die ein mit der herkömmlichen
Stellitlegierung bzw. der herkömmlichen
Tribaloy® beschichtete
Ventilfläche 2 aufweisen,
wurden jeweils als ein Auslaßventil
eines Motors, der CNG-Gas als Brennstoff verwendet und einen Hubraum
von 2200 cm3 hat, eingesetzt. Nach einer
Beständigkeitsprüfung über 180
Stunden wurden der Motorventilvorsprung und die Zunahme der Ventilsitzstoßbreite
gemessen. Die Bezeichnung "Motorventilvorsprung" bedeutet eine Auswärtsverlagerung
(einen Vorsprung) der Ventilstellung beim Schließen des Ventils gegenüber der
ursprünglichen
Stellung bedingt durch den Ventilflächenverschleiß (was mit
der Verschleißbeständigkeit
in Zusammenhang steht) und den Ventilsitzverschleiß (was mit
der Schädigungsfreiheit
in Zusammenhang steht).
-
Die Ergebnisse sind in den 11 und 12 zusammengefaßt, aus denen ersichtlich ist,
daß die
Beispiele Nr. 1, Nr. 10 und Nr. 16 der Erfindung, wenn sie als ein
Auslaßventil
eines Motors, der CNG-Gas als Brennstoff verwendet, eingesetzt werden,
eine geringere Zunahme der Ventilstoßbreite sowie einen geringeren
Ventilvorsprung aufweisen, was auf eine größere Schädigungsfreiheit und eine bessere
Veschleißbeständigkeit
gegenüber
dem Vergleichsbeispiel Nr. 12 hindeutet. Im Vergleichsbeispiel Nr.
13, das die Tribaloy ® verwendet, weist die
Legierungsbeschichtung 4 Risse auf. Diese sind darauf zurückzuführen, daß die Tribaloy® des
Vergleichsbeispiels Nr. 13 eine extrem hohe Härte von HV 660 aufwies, während die
Beispiele Nr. 1, Nr. 10 und Nr. 16 und das Vergleichsbeispiel Nr.
12 eine Härte
von HV 480, HV 450, HV 500 bzw. HV 450 aufwiesen.
-
Ein Vergleich der erfindungsgemäßen Beispiele
zeigt, daß das
Beispiel Nr. 1, das einen größeren Cr-Anteil
enthält,
eine geringere Zunahme der Ventilsitzstoßbreite und einen geringeren
Ventilvorsprung zeigt als das Beispiel Nr. 10, was auf eine größere Schädigungsfreiheit
sowie eine bessere Verschleißbeständigkeit hindeutet.
Das Beispiel Nr. 16, das Nb enthält,
weist einen noch geringeren Ventilvorsprung auf.
-
Die 13 und 8 (dieselbe wie im Vergleichsbeispiel
Nr. 9 im Beispiel 1) zeigen die Mikrostrukturen der Legierungsbeschichtungen
des Beispiels Nr. 1 bzw. des Vergleichsbeispiels Nr. 12 in einem
nicht den Ventilsitz kontaktierenden Kernbereich für den Zustand
vor der Beständigkeitsprüfung; die 14 und 15 zeigen jeweils den Zustand nach der
Beständigkeitsprüfung.
-
In den 13, 8, 14 und 15 ist
im Beispiel Nr. 1 ein dunkelgrauer Bereich A eine harte Phase aus Mo-Karbid
und ein heller Bereich B eine Metallmatrix; im Vergleichsbeispiel
Nr. 12 ist ein grauer Bereich C eine harte Phase aus Cr-Karbid oder
W-Karbid und ein heller Bereich D eine Metallmatrix.
-
Beim Vergleich der 14 und 15 wird
im Vergleichsbeispiel Nr. 12 von 15 nach
der Beständigkeitsprüfung keine Änderung
der Mikrostruktur beobachtet, während
im Beispiel Nr. 1 von 14 im
Bereich E der Metallmatrix eine deutliche Änderung beobachtet wird.
-
Dann wurden die Anteile der in der
Oberfläche
der Ventilfläche
nach der Beständigkeitsprüfung vorhandenen
Atome mittels EPMA studiert; es zeigte sich, daß im Beispiel Nr. 1 Sauerstoffatome
in einem Anteil von etwa 20% und im Vergleichsbeispiel Nr. 12 Sauerstoffatome
in einem kleinen Anteil von etwa 10% vorhanden sind. Im Beispiel
Nr. 1 wurden daher mehr Oxide gebildet als im Vergleichsbeispiel
Nr. 12. Das Beispiel Nr. 10 enthält
weniger Cr als das Beispiel Nr 1 und weist einen höheren Oxidanteil
auf, wenngleich es einen größeren Ventilvorsprung
zeigt. Der Grund dafür
liegt wahrscheinlich in einem übermäßigen Oxidanteil.
-
16 zeigt
den Zusammenhang zwischen der Heiztemperatur und der prozentualen
Gewichtszunahme der Legierungspulver der Beispiele Nr. 1 und Nr.
10 und des Vergleichsbeispiels Nr. 12 infolge Oxidation durch Erhitzen
unter Luft.
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In den Beispielen Nr. 1 und Nr. 10
ist die Oxidations stärker
vorangegangen als im Vergleichsbeispiel Nr. 12. Im Beispiel Nr.
1, das einen höheren
Cr-Anteil enthielt, setzte die Oxidation bei einer höheren Temperatur
ein als im Beispiel Nr. 10, das einen niedrigeren Cr-Anteil enthielt.
-
Dies zeigt, daß sich der Oxidationsgrad,
insbesondere der Mo-Oxidanteil, durch den Cr-Gehalt steuern läßt.