DE2509747A1 - Ventilsitzmaterial - Google Patents

Description

Liedl, Dr. Fontänl, Moth, Zeitier

Paieiitanwäite

80Q0 München 22 - S teinsdo rf st raBe 21 - 22 ■ Telefon 089 / 29 84 62

A 7241

Sumitomo Electric Industries, Ltd. 15,5-ehome, Kitahama, Higashi-ku, OSAKA / Japan

und

Honda Giken Kcgyo Kabushiki Kaisha 5,5-chome, Yaesu, Chuo-ku» TOKYO / Japan

Vent ilsitzna teria 1

Die Erfindung betrifft ein Ventilsitzmaterial für eine Verbrennungskraftmaschine.

Mit kleiner werdender Bauweise der Verbrennungskraftraaschinen bei steigender Leistung und immer mehr verschiedenen Kraftstoffarten sind in der letzten Zeit die an das Ventilsitzmaterial gestellten Anforderungen ständig gestiegen. An ein solches Material werden derzeit die folgenden vier wichtigsten Anforderungen gestellt::

1) Hohe Schlagfestigkeit auch bei hohen Temperaturen zum Auffangen des Ventilaufschlages,

2) hohe Verschleissfestigkeit bei hohen Temperaturen, wobei diese Eigenschaft insbesondere für die Ventilsitze auf der Auslaßseite gefordert wird.

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3) hervorragende Warmfestigkeit und

4} Billigkeit, insbesondere im Hinblick auf die Massenproduktion.

Bis zum heutigen Tag werden als Ventilsitzmaterial vor allem aus Kostengründen einfaches Gusseisen, niedrig legiertes Gusseisen, Chromlegierungen und rostfreie Gussstähle verwendet. Diese Werkstoffe sind jedoch als Ventilsitzmaterial für Verbrennungskraftmaschinen ungeeignet, die mit bleifreiem Benzin oder flüssigem Propan betrieben werden. Der Ventilsitz auf der Auslaßseite ist während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine stets einem ungewöhniich heissen Abgas ausgesetzt. Bei diesen hohen Temperaturen müssen das Aufschlagen der Ventile und eine Schleifwirkung durch unregelmässige Drehungen der Ventile auf und in den Sitzen verschleissfrei aufgenommen werden. Beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit bleihaltigem Kraftstoff tritt dieses Problem in weit geringerem Ausmass auf. Das im Kraftstoff enthaltene Blei wird bei der Verbrennung des Kraftstoffs in Bleioxid und Bleisulfat überführt. Gleichzeitig werden der Schwefel, der Phosphor, das Calcium und das Natrium, die vor allem im Schmieröl, aber auch im Kraftstoff enthalten sind, im wesentlichen in Calciumoxid, Natriumoxid, Phosphoroxid und Calciumsulfat überführt. All diese im Abgas enthaltenen Verbrennungsprodukte neigen dazu, sich auf dem Ventilsitz niederzuschlagen und dort einen schmierenden Film zu bilden, der nicht nur als Antioxidationsmittel, sondern auch als Schmiermittel wirkt und die Reibung zwischen den Berührungsflächen des Ventils und des Ventilsitzes vermindert. Die Kondensationsprodukte, die diesen Film auf dem Ventilsitz in bleihaltigen Benzinen bilden, werden jedoch in den bleifreien Kraftstoffen nicht in ausreichendem Masse gebildet.

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Das Ventil und der Ventilsitz werden dadurch bei hohen Temperaturen in direkte Berührung miteinander gebracht. Das führt zu einem überdurchschnittlich raschen Verschleiss des Ventilsitzes, mitunter des Ventils selbst. Für den Verschleiss sind vor allem Adhäsionskräfte verantwortlich. Ein solcherart starker und rascher Verschleiss verhindert jedoch das Einstellen eines sinnvollen Stösselspiels, was wiederum einen vernünftigen langfristigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine praktisch blockiert.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Ventilsitzmaterial zu schaffen, das auch bei sehr hohen Temperaturen korrosionsbeständig und verschleissfest sowie warmfest ist, das sich für die Herstellung von Ventilsitzen für mit bleifreien Kraftstoffen betriebene Verbrennungskraftmaschinen eignet und gleichzeitig die für die Massenproduktion erforderlichen Eigenschaften, vor allem Billigkeit, Verfügbarkeit und einfache Bearbeitbarkeit, aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss ein Werkstoff vorgeschlagen, bestehend aus einer gesinterten Eisenlegierung der Zusammensetzung

Molybdän 3 bis 15 Gew.-%

Cobalt 2 bis 12 Gew.-%

Kohlenstoff 0,1 bis 2 Gew.-%

Blei 0 bis 15 Gew.-%

Glas 0 bis 8 Gew.-% ,

Rest Eisen und übliche Verunreinigungen sowie Spurenelemente.

Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung enthält das Sintermaterial vorzugsweise 2 bis 15 Gew.-% Blei oder 0,5 bis 8 Gew.-% Glas, vorzugsweise Glas mit einem relativ

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niedrigen Erweichungspunkt, und insbesondere vorzugsweise 2 bis 15 Gew.-% Blei und 0,5 bis 8 Gew.-% Glas, wobei auch in diesem Fall ein Glas mit relativ niedrigem Erweichungspunkt bevorzugt wird.

Das Ventilsitzmaterial wird vorzugsweise vor allem für Kolbenkraftmaschinen verwendet.

Zur Herstellung der Ventilsitze werden die Komponenten des Materials in der gewünschten Menge pulverförmig eingewogen, gut miteinander vermischt, das Gemisch durch Pressen ausgeformt und der Pressformkörper gesintert.

Die Sinterlegierung auf Eisenbasis der Erfindung weist strukturell folgende Merkmale auf:

(1) Die Grundmatrix des Materials ist eine gesinterte Eisenlegierung, die Cobalt, Molybdän und Kohlenstoff als Legierungsbestandteile enthält.

(2) In dieser Matrix ist eine Phase molybdänhaltiger harter Verbindungen dispergiert, wobei diese Verbindungen vor allem FeMo, Fe₀Mo₀, FeMo₀ und (FeMo)_CC sind.

(3) In dieser Sinterstruktur, im Rahmen dieser Beschreibung auch kurz als "Legierung" bezeichnet, sind vorzugsweise wahlweise zumindest Blei oder ein niedrig schmelzendes Glas eingearbeitet. Jede dieser beiden Komponenten kann während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine schmelzen bzw. erweichen und auf der Oberfläche des Ventilsitzes einen schmierenden Überzug bilden.

Die Legierung der Erfindung weist die folgende allgemeine Zusammensetzung auf, wobei sämtliche Mengenangaben in Teilen und sämtliche Konzentrationsangaben in Prozent

50S838/066&

_ C —

gewichtsbezogen sind, also als GewichtsteiIe oder Gewichtsprozent zu lesen sind: 3 bis 15 % Molybdän, 2 bis 12 % Cobalt, 0,1 bis 2 % Kohlenstoff, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen und Spurenelemente. Wenn gewünschtenfalls die Fähigkeit des Materials zur Eigenschmierung weiter verbessert werden soll, so werden diesem Grundmaterial zusätzlich zumindest 2 bis 15 % Blei oder 0,5 bis 8 % Glas zugesetzt.

Im Ventilsitzmaterial der Erfindung ist das Molybdän zusammen mit den anderen Legierungsbestandteilen im Eisen unter Bildung einer festen Lösung gelöst. Dadurch werden die Festigkeit der Matrix erhöht und ihre Wärmebeständigkeit verbessert. Das Molybdän bildet weiterhin eine Phase ausserordentlich harter Verbindungen, die neben dem Molybdän Eisen und Kohlenstoff enthalten. Diese Phase der harten Verbindungen hat eine Mikro-Vickershärte (mHV) von 800 bis 1500 und gewährleistet damit eine ausreichende Abriebbeständigkeit und Verschleissfestigkeit. Die Konzentration des Molybdäns ist auf einen Bereich von 3 bis 15 % festgelegt. Bei einem Molybdänanteil von weniger als 3 % ist der mengenmässige Anteil der im Gefüge gebildeten harten Phase zu gering, um die Verschleissfestigkeit ausreichend zu erhöhen. Bei einem Molybdängehalt von über 15 % wird die Verarbeitbarkeit verschlechtert und wird das Material spröde.

Zum Teil tritt auch das Cobalt in die harte Molybdänphase ein, so dass diese neben Molybdän, Eisen und Kohlenstoff durchaus auch Cobalt enthalten kann. Der Hauptanteil des Cobalts wird jedoch in der Eisenmatrix gelöst und bildet dort feste Lösungen, die die Wärmebeständigkeit und die Warmfestigkeit der Matrix verbessern. Die Cobaltkonzentration ist auf einen Bereich von 2 bis 12 % festgelegt. Bei einem Cobaltanteil von weniger als 2 % werden die Hitzebeständigkeit

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und Warmfestigkeit der Matrix kaum verbessert. Bei einem Cobaltanteil von über 12 % wird der erzielbare Grad dieser Eigenschaftsverbesserungen nicht mehr erhöht.

Der Kohlenstoff reagiert unter Carbidbildung sowohl mit Molybdän als auch mit dem Eisen. Dadurch wird die Festigkeit der Matrix verbessert. Die Kohlenstoffkonzentration im Werkstoff beträgt 0,1 bis 2 %. Bei einer Konzentration von weniger als 0,1 % wird die Festigkeit des Materials kaum beeinflusst, während bei einem Kohlenstoffanteil von über 2 % ein sprödes Material erhalten wird.

Die Bleizugabe dient der Bildung eines Schmiermittelfilms auf der Oberfläche des Ventilsitzes und der Unterdrückung der Metalladhäsion beim Aufsitzen des Ventils auf dem Ventilsitz während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine. Das Blei wird dem Material vorzugsweise in einer Menge von 2 bis 15 % zugesetzt. Bei einer Bleizugabe von weniger als 2 % tritt die angestrebte Wirkung kaum ein. Bei einem Bleigehalt von über 15 % dagegen wird die Festigkeit der Legierung vermindert.

Auch niedrig schmelzendes Glas vermag auf der Ventilsitzoberfläche beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine einen schmierenden Film zu bilden. Auch ein solcher Glasfilm verhindert ebenso wie ein Bleifilm eine Adhäsion zwischen den Metallen des Ventils und des Ventilsitzes während des Betriebes des Motors. Ausserdem bildet das Glas bei Temperaturen von mindestens etwa 400 ⁰C einen ungewöhnlich festen Film, wodurch auch die Verschleissfestigkeit des Ventilsitzmaterials erhöht wird. Als niedrig schmelzendes Glas werden vorzugsweise Gläser eingesetzt, die B₂°3' P₂O₅, ZnO und PbO als Hauptkomponenten ausschliesslich oder in Verbindung mit anderen Komponenten enthalten. Vorzugsweise wird für das Material der Erfindung ein Glas verwendet,

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das unterhalb von 500 ⁰C schmilzt. Als bevorzugte Beispiele für solche Gläser sei ein Glas genannt, das zu gleichen Gewichtsteilen aus B₂^3' ^Ρ2^0|ί ^un(* ^Ρ^0 besteht, sei ein Glas genannt, das zu 30 % aus ^B2°3» ³⁰ % ^{aus P}2°5 ^un<ä 30 % PbO, Rest übliche Glaskomponenten zur Einstellung des Erweichungspunktes, besteht und sei schliesslich ein Glas genannt, das zu 50 % aus PbO, 30 % aus ZnO und 20 % aus B-O₃ besteht. Solche niedrig schmelzenden Gläser werden dem Material vorzugsweise in einer Menge von 0,5 bis 8 % zugesetzt. Bei einem Glasgehalt von weniger als 0,5 % kann praktisch keine Schmier wirkung erzielt werden. Bei einem Glasgehalt von über 8 % wird die Festigkeit des Materials beeinträchtigt.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung enthält das Ventilsitzmateria !vorzugsweise zusätzlich 0,5 bis 10 % Wolfram. Nach dieser Ausbildung der Erfindung weist die gesinterte Eisenlegierung folgende allgemeine Zusammensetzung auf: 3 bis 15 % Molybdän, 2 bis 12 % Cobalt, 0,5 bis 10 % Wolfram, 0,1 bis 2 % Kohlenstoff, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen sowie Spurenelemente. Auch dieser Zusammensetzung können gewünschtenfalls zur Verbesserung der selbstschmierenden Eigenschaften zumindest 2 bis 15 % Blei oder 0,5 bis 8 % Glas in der Matrix zugesetzt werden.

Das Wolfram weist eine dem Molybdän ähnliche Wirkung auf. Auch das Wolfram wird im Eisengitter unter Bildung einer festen Lösung gelöst. Dadurch werden die Festigkeit und die Warmfestigkeit der Matrix verbessert. Der Bereich der Wolframkonzentration ist auf 0,5 bis 10 % festgelegt. Bei einer Zugabe von weniger als 0,5 % Wolfram werden kaum Wirkungen des Wolframzusatzes beobachtet. Bei einer Zugabe von über 10 % Wolfram wird die Bearbeitbarkeit des Materials spürbar verschlechtert.

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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung enthält das Ventilsitzmaterial vorzugsweise 0,5 bis 10 % Wolfram und 0,5. bis 8 % Nickel. Das Sinterraaterial auf Eisenbasis weist also folgende allgemeine Zusammensetzung auf: 3 bis Molybdän, 2 bis 12 % Cobalt, 0,5 bis 10 % Wolfram, 0,5 bis 8 % Nickel, 0,1 bis 2 % Kohlenstoff, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen sowie Spurenelemente. Zur Verbesserung der Fähigkeit zum Selbstschmieren können auch diesem Material 2 bis 15 % Blei und bzw. oder 0,5 bis 8 % Glas zugesetzt und in der Matrix eingeschlossen werden.

Der Nickelzusatz dient der Festigung des Ferrits und der Verbesserung der Zähigkeit der Matrix. Der Bereich der Nickelzugabe ist auf 0,5 bis 8 % festgelegt, da bei einer Zugabe von weniger als 0,5 % Nickel die gewünschte Wirkung nicht in ausreichendem Mass erzielt wird, während bei einem Zusatz von über 8 % Nickel die Carbidausscheidung zu stark unterdrückt wird.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Alle Prozentangaben sind dabei, wie bereits gesagt, als Gewichtsprozent zu verstehen.

Beispiel 1

Als Ausgangsmaterial dienen reduziertes Eisenpulver mit einer Korngrösse von kleiner als 0,147 mm, Ferromolybdänpulver mit einer Korngrösse von kleiner als 74 ,um und der Zusammensetzung 50 % Mo, 0,06 % C, 1,26 % Si, Rest Eisen, Cobaltpulver mit einer Korngrösse von kleiner als 44 /um, Bleipulver mit einer Korngrösse von kleiner als 57 /um und ein Glaspulver mit niedrigem Schmelzpunkt und der Zusammensetzung 30 % B₂0₃~30 % P₂0,.-30 % PbO. Die einzelnen Ausgangssubstanzen werden in den aus der folgenden

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Tabelle ersichtlichen Mengen eingewogen, homogen miteinander vermischt, in einer Dichte von 90 % ausgeformt und 30 min lang bei einer Temperatur von 1130 ⁰C in reduzierender Atmosphäre gesintert.

Probe Zusammensetzung Nr. (Rest Eisen)

1 Fe-3% Mo-0,1 % C (Vergleich)

2 Fe-5 % Mo-I % C (Vergleich)

3 Fe-10 % Mo-I % C (Vergleich)

4 Fe-15 % Mo-1 % C (Vergleich)

5 Fe-15 % Mo-2 % C (Vergleich)

6 Fe-10 % Mo-1 % C-4 % Pb-2 % G** (Vergleich)

7 Fe-3 % Mo-2 % Co-O,1 % C

8 Fe- 5 % Mo-8 % Co-1 % C

9 Fe-10 % Mo- 8 % Co-1 % C

10 Fe-15 % Mo- 8 % Co- 1 % C

11 Fe- 10 % Mo-4 % Co- 1 % C

12 Fe- 10 % Mo- 11 % Co-1 % C

13 Fe-15 % Mo- 12 % Co- 2 % C

14 Fe- 10 % Mo- 8 % Co- 1 % C-4 % Pb

15 Fe- 10 % Mo-8 % Co-I % C-2 % G

16 Fe-10 % Mo-8 % Co- 1 % C-4 % Pb- 2 % G

A 7241

5098 3 8/0665

Dichte (%)	Härte (RH-B*)
90	60
90	61
90	65
90	68
90	73
90	64
90	62
90	73
90	74
90	78
90	74
90	79
90	78
90	72
90	72
90	73

* Rockwell-Härte, B-Skala ** Glas

Beispiel 2

Als Ausgangssubstanzen dienen reduziertes Eisenpulver mit einer Korngrösse von kleiner als 147 /um, Ferromolybdänpulver der Zusammensetzung 50 % Mo, 0,06 % C, 1,26 % Si, Rest Eisen, mit einer Korngrösse von kleiner als 74 /um, Wolframpulver mit einer Korngrösse von kleiner als 44 /Um, Cobaltpulver mit einer Korngrösse von kleiner als 44 /Um, Bleipulver mit einer Korngrösse von kleiner als 57 /um und ein niedrig schmelzendes Glaspulver der Zusammensetzung 30 % B₂0₃-30 % P₂°5~ ^{30 % pb0}* ^Die Ausgangssubstanzen werden gründlich miteinander vermischt, in einer Dichte von 90 % ausgeformt und 30 min lang in einer reduzierenden Atmosphäre bei 1130 C gesintert. Die Zusammensetzungen und die Härte sind nachstehend zusammengestellt.

Probe Zusammensetzung Nr. (Rest Eisen)

24 Fe 2 5 Fe Sei Fe 27 Fe

_A7241 509838/0665

te	Härte (RH-B)
90	71
90	76
90	85
90	77
90	81
90	77
90	82
90	83
90	75
90	75
90	76

Beispiel 3

Als Ausgangssubstanzen dienen ein reduziertes Eisenpulver mit einer Korngrösse von kleiner als 147 /um, ein Ferromolybdänpulver der Zusammensetzung 50 % Mo₁ 0,06 % C, 1,26 % Si, Rest Eisen mit einer Korngrösse von kleiner als 74 /um, Wolframpulver mit einer Korngrösse von kleiner als 44 % ,um, Cobalt pulver mit einer Korngrösse von kleiner als 44 Aim, Nickelcarbonylpulver mit einer Korngrösse von kleiner als 44 /um, Bleipulver mit einer Korngrösse von kleiner als 57 /Um und ein niedrig schmelzendes Glaspulver der Zusammensetzung 30 % B₂0₃-30 % P₂0c-30 % PbO. Die Ausgangssubstanzen werden entsprechend der nachstehenden Tabelle homogen miteinander vermischt, in einer Dichte von 90 % ausgeformt und anschliessend in reduzierender Atmosphäre 30 min bei 1130 ⁰C gesintert. Es werden folgende Ergebnisse erhalten:

Probe Zusammensetzung Dichte Härte

Nr. (Rest Eisen) {%) (RH-B)

28 Fe- 3$Mo—2/oCo—2$W—2?iNi— O.l^C " 90 73

29 Fe-5?jMo-8$Co-8/oW-3$Ni-1#C 90 79

30 Fe-10#r-io-5#Co-3?A'/-0.5#Ni-1#C 90 86

31 Fe-10^1^0-8^00-3^7-3^1-1/130 90 80

32 Fe-10#Mo-4#0o-5#W-6#Ni-1#C . 90 78

33 Fe-15?iMo-12?jCo-10^W-8^Ki-2?öC 90 84 3^ Fe-IO/jMo-8/uCo—5^/—3?''Ni—1/^0—4JoPb 90 78

35 Fe-1OfiMo-8i^Co-5^W-3?iviii-1^G-2?wG 90 79

36 Fe-10?jMo-8foCo-5/jW-3^Ni-1^0—4$Pb-2$G 90 79

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Aus den nach den Beispielen 1 bis 3 hergestellten Proben 1 bis 36 werden Prüflinge hergestellt, die der folgenden Durabilitätsprüfung unterzogen werden:

Als Prüfgerät dient ein wassergekühlter 360 cm -Zweizylindermotor mit 2 Vergasern mit 7500 Umdrehungen pro Minute bei Vollgas und voller Last. Zu Versuchsbeginn wird das
Stösselspiel auf 0,1 mm eingestellt. Gemessen wird die
Zeit bis das Spiel für einen der beiden Zylinder Null ist. Die Standzeit des Ventilsitzringes (Prüfling) ist durch
diese gemessene Zeitspanne definiert. Als Kraftstoff dient ein Benzin mit der Oktanzahl 87 und einem Bleigehalt von 0,002 g pro 3,79 1. Es werden die in der Tabelle I gezeigten Daten erhalten, wobei die Zahlenangaben die oben definierte Standzeit in Stunden bedeuten.

Tabelle I	Erster Test	Zweiter Test
Probe Nr.	23	20
1	24	28
2	51	60
5	71	68
4	65	64
5	122	134
6	56	61
7	75	69
8	86	92
9	105	101
10

⁷²⁴¹ 509838/066&

Tabelle !(Fortsetzung)

11	89	82
12	101	109
15	96	104
14	150	118
15	115	119
16	186	178
1?	84	78
18	ö5	92
19	92	87
20	91	95
21	109	125
22	115	101
25	120	129
24	122	151
25	148	151
26	147	151
27	192	205
28	82	88
29	96	95
50	96	98
51	95	101
52	120	115
55	126	152
54	156	162
55	148	155
56	206	211

5Q9838/066S

Die in der Tabelle I zusammengestellten Daten zeigen, dass die gesinterten Legierungen auf Eisenbasis der Erfindung den von der Anmelderin vorgeschlagenen Fe-Mo-Legierungen hinsichtlich der Standzeit zumindest gleichwertig, in der Regel überlegen sind.

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Claims (5)

η ~ ρ r ü τ h

1. Ventilsitzrnaterial für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einer gesinterten Eisenlegierung der Zusammensetzung:

Molybdän 3 bis 15 Gew.-%

Cobalt 2 bis 12 Gew.-%

Kohlenstoff 0,1 bis 2 Gew.-%

Blei 0 bis 15 Gew.-%

Glas 0 bis 8 Gew.-% ,

Rest Eisen und übliche Verunreinigungen sowie Spurenelemente.

2. Ventilsitzmaterial für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einer gesinterten Eisenlegierung der folgenden Zusammensetzung:

Molybdän 3 bis 15 Gew.-%

Cobalt 2 bis 12 Gew.-%

Wolfram 0,5 bis 10 Gew.-%

Kohlenstoff 0,1 bis 2 Gew.-%

Blei 0 bis 15 Gew.-%

Glas 0 bis 8 Gew.-% ,

Rest Eisen und übliche Verunreinigungen sowie Spurenelemente.

3. Ventilsitzmaterial für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einer gesinterten Eisenlegierung der folgenden Zusammensetzung:

509838/066b

Molybdän 3 bis 15 Gew.-%

Cobalt 2 bis 12 Gew.-%

Wolfram 0,5 bis 10 Gew.-%

Nickel 0,5 bis 8 Gew.-%

Kohlenstoff 0,1 bis 2 Gew.-%

Blei 0 bis 15 Gew.-%

Glas 0 bis 8 Gew.-%

Rest Eisen und übliche Verunreinigungen sowie Spuren elemente.

4. Ventilsitzmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, enthaltend 0,5 bis 8 % eines niedrig schmelzenden Glases und bzw. oder 2 bis 15 % Blei.

5. Vent ils it zmat er ial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, enthaltend ein Glas mit einem Erweichungspunkt von unter 500 ⁰C.

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