DE19912889A1

DE19912889A1 - Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes

Info

Publication number: DE19912889A1
Application number: DE19912889A
Authority: DE
Inventors: Harald Pfeffinger; Reiner Heigl; Heiko Hinderer
Original assignee: DaimlerChrysler AG; Institut fur Motorenbau Prof Huber GmbH
Current assignee: Institut fur Motorenbau Prof Huber 819 De GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2000-09-28
Also published as: US6397464B1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, welcher aus einer Leichtmetallegierung als Basismaterial besteht, wird ein Zusatzmaterial durch einen Laserstrahl mit dem Basismaterial des Zylinderkopfes an derjenigen Stelle verschmolzen, an welcher der Ventilsitz gebildet werden soll. Als Zusatzmaterial wird eine Legierung oder ein Gemisch aus einer Aluminium-Silizium-Legierung und Nickel sowie wenigstens einem weiteren Legierungsbestandteil verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für einen Zylinderkopf einer Brenn kraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der EP 00 92 683 B1 bekannt.

Hierbei besteht das Basismaterial des Zylinderkopfes im wesentlichen aus Aluminium und als Zusatzmaterial zur Bildung des Ventilsitzes wird entweder Eisen oder Nickel bzw. eine Legierung verwendet, die als Hauptma terial eines dieser beiden Metalle enthält.

Bei diesem Verfahren taucht jedoch das Problem auf, daß die Werkstoffe Eisen bzw. Nickel einen wesentlich höheren Schmelzpunkt als das Aluminium des Zylinder kopfes aufweisen. Bei der Beaufschlagung mit einem Laserstrahl ist somit der Zylinderkopf bereits ge schmolzen wenn das Zusatzmaterial erst zu schmelzen beginnt. Darüber hinaus kann auch der Fall eintreten, daß das zuvor flüssige Eisen bereits erstarrt ist, während das Aluminium noch als Schmelze vorliegt. Dies führt zur Bildung von intermetallischen Phasen im Grenzbereich zwischen Eisen- und Aluminiumwerkstoff, was ein sehr sprödes Gefüge zur Folge hat.

Aus diesen Gründen ist es sehr schwierig, eine homoge ne Verbindung zwischen dem zu schaffenden Ventilsitz und dem Basismaterial des Zylinderkopfes zu erreichen, wobei hier auch die unterschiedlichen Oberflächenspan nungen der Materialien eine große Rolle spielen. Bei der Verwendung von Nickel kommt es darüber hinaus zu erheblichen Recyclingproblemen.

Aus der EP 02 28 282 B1 ist ein Zylinderkopf bekannt, welcher aus einer Aluminiumlegierung besteht und bei welchem der Ventilsitz aus einer aufplattierten Kup ferlegierungsschicht ausgebildet ist.

Bei der Verwendung von Kupfer für Ventilsitze entsteht jedoch insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen das Problem, daß der im Diesel-Brennstoff enthaltene Schwefel das Kupfer angreift, wodurch Probleme bezüg lich Abgasentwicklung und Korrosion entstehen. Die Verwendung von Kupfer für Ventilsitze ist somit nur für Ottobrennkraftmaschinen sinnvoll und kann daher nicht in wirtschaftlicher Art und Weise eingesetzt werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mittels welchem ein Ventilsitz hergestellt werden kann, der zum einen ausreichende Härte- und Festig keitseigenschaften aufweist und der zum anderen in der Lage ist, eine sicher haftende Verbindung mit dem Ma terial des Zylinderkopfes einzugehen, und zwar ohne daß sich Poren und Risse in dem Ventilsitz bilden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung oder des erfindungsgemäßen Gemisches einer Aluminium- Silizium-Legierung und Nickel als Zusatzmaterial zur Bildung des Ventilsitzes ergibt sich ein sehr einfach zu beherrschendes Verfahren, da die Eigenschaften die ses Zusatzwerkstoffes sehr ähnlich zu denjenigen des Basiswerkstoffes des Zylinderkopfes sind. Die Verbin dung des Ventilsitzes mit dem Zylinderkopf ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren somit in äußerst zufriedenstellender Art und Weise und es entstehen insbesondere keine Lufteinschlüsse und Risse in dem Ventilsitz, wodurch eine hohe Prozeßsicherheit gegeben ist.

Durch die Zumischung von Nickel und weiteren Legie rungsbestandteilen entsteht dabei ein Ventilsitz, der den Anforderungen an Härte- und Druckfestigkeit voll gerecht werden kann.

In vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung kann das Zusatzmaterial eine Legierung oder ein Gemisch aus AlSi30, Nickel, Eisen und Bor sein. Diese Legierung bzw. dieses Gemisch ergibt bezüglich der an den Zu satzwerkstoff bzw. an den durch das Zusatzmaterial gebildeten Ventilsitz gestellten Anforderungen die besten Ergebnisse.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun gen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Un teransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbei spiel.

Es zeigt:

Fig. 1 ein in einem Zylinderkopf einer Brennkraftma schine eingebautes Ventil mit einem Ventil sitz;

Fig. 2 das erfindungsgemäße Verfahren als einstufiger Prozeß, und

Fig. 3 das erfindungsgemäße Verfahren als zweistufi ger Prozeß.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Zylinderkopfes 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftma schinen. In dem Zylinderkopf 1 befindet sich in be kannter Weise ein Ein- bzw. Auslaßkanal 2, welcher durch ein Gaswechselventil 3, welches im folgenden der Einfachheit halber als Ventil 3 bezeichnet wird, ver schlossen werden kann. In dem Zylinderkopf 1 ist ein Ventilsitz 4 gebildet, an welchem das Ventil 3 beim Schließen des Ein- bzw. Auslaßkanals 2 anschlägt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei unterschiedliche Ver fahren zur Herstellung des Ventilsitzes 4. Hierbei wird auf das Basismaterial des Zylinderkopfes 1, näm lich einer Leichtmetallegierung wie z. B. einer Alumi nium-Silizium-Legierung, ein Zusatzmaterial 5 in Pul verform aufgebracht. Hierzu ist in der Nähe des zu bildenden Ventilsitzes 4 eine Düse 6 angeordnet, von welcher das Pulver bzw. das Zusatzmaterial 5 ausgege ben wird. Wenn das Zusatzmaterial 5 auf den Zylinder kopf 1 auftrifft, wird es prozeßsimultan von einem Laserstrahl 7 zusammen mit der äußeren Schicht des Basismaterials des Zylinderkopfes 1 aufgeschmolzen, wodurch an dem Zylinderkopf 1 eine Schmelze 8 ent steht.

Die Düse 6 und der Laserstrahl 7 werden ständig wei terbewegt, wozu bei dem Ventilsitz 4 selbstverständ lich eine Kreisbewegung notwendig ist. Nachdem sich der Laserstrahl 7 in Richtung des Pfeiles A bei seiner Kreisbewegung von der Schmelze 8 entfernt hat, er starrt diese zu einer Schicht 9, die gleichzeitig den Ventilsitz 4 bildet.

Das Zusatzmaterial 5 ist in dem vorliegenden Fall eine Legierung oder ein Gemisch aus einer Aluminium- Silizium-Legierung, nämlich AlSi30, sowie Nickel, Ei sen und Bor. Die einzelnen Bestandteile betragen hier bei 40 Gewichts-% Nickel, unter 5 Gewichts-% Eisen sowie 1 bis 3 Gewichts-% Bor, wobei der Rest durch die Aluminium-Silizium-Legierung AlSi30 gebildet wird. Gegebenenfalls können auch noch weitere Legierungsbe standteile verwendet werden.

Dieses in Fig. 2 dargestellte Verfahren wird als ein stufiger Prozeß bezeichnet.

Fig. 3 zeigt ein alternatives Verfahren zur Herstel lung des Ventilsitzes 4, bei welchem das Zusatzmateri al 5 in gleicher Zusammensetzung wie bei Fig. 2 ver wendet wird. Hierbei wird das Zusatzmaterial 5 zu nächst auf den Zylinderkopf 1 beispielsweise als Paste aufgebracht und anschließend mit dem Laserstrahl 7 zu der Schmelze 8 aufgeschmolzen. Auch hier entsteht nach ausreichender Entfernung des Laserstrahls 7 von der Schmelze 8 in Pfeilrichtung A die Schicht 9 zur Bil dung des Ventilsitzes 4.

Dieses in Fig. 3 dargestellte Verfahren wird als zwei stufiger Prozeß bezeichnet.

Durch die beiden beschriebenen Verfahren kann der Ven tilsitz 4 des Zylinderkopfes 1 der Brennkraftmaschine in sehr einfacher Weise ohne das bisher übliche Ein pressen eines Ventilsitzringes und die entsprechende Vorbearbeitung des Zylinderkopfes 1 gebildet werden. Es ist dabei nicht notwendig, den Ventilsitz 4 an schließend noch, beispielsweise spanend, zu bearbei ten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, wel cher aus einer Leichtmetallegierung als Basismate rial besteht, wobei ein Zusatzmaterial durch einen Laserstrahl mit dem Basismaterial des Zylinderkop fes an derjenigen Stelle verschmolzen wird, an welcher der Ventilsitz gebildet werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzmaterial (5) eine Legierung oder ein Gemisch aus einer Aluminium-Silizium-Legierung und Nickel sowie wenigstens einem weiteren Legierungs bestandteil verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bestandteil für das Zusatzmaterial (5) die Aluminium-Silizium-Legierung AlSi30 verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bestandteil für das Zusatzmaterial (5) circa 40 Gewichts-% Nickel verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bestandteil für das Zusatzmaterial (5) der weitere Legierungsbestandteil Eisen verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Bestandteil für das Zusatzmaterial (5) der weitere Legierungsbestandteil Bor verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Bestandteil für das Zusatzmaterial (5) der weitere Legierungsbestandteil Eisen mit einem An teil von unter 5 Gewichts-% verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Bestandteil für das Zusatzmaterial (5) der weitere Legierungsbestandteil Bor mit einem Anteil von 1 bis 3 Gewichts-% verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial (5) gleichzeitig mit dem Laser strahl (7) auf den Zylinderkopf (1) aufgebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial (5) in Pulverform auf den Zy linderkopf (1) aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial (5) durch eine Düse (6) auf den Zylinderkopf (1) aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial (5) auf den Zylinderkopf (1) aufgebracht wird und anschließend von dem Laser strahl (7) mit dem Basismaterial des Zylinderkop fes (1) verschmolzen wird.