DE2856232A1

DE2856232A1 - Thermisch und korrosiv hoch beanspruchtes tellerventil

Info

Publication number: DE2856232A1
Application number: DE19782856232
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl Ing Dr Mueller; Herbert Ing Grad Schoenlau
Original assignee: Teves Thompson and Co GmbH
Current assignee: TRW Thomson GmbH
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1980-07-17

Description

t. ö; HANM ο ν JaB J Hannover, den 22..12.1978

Betr.: T 402/A/S - Anmelder: Firma Teves-Thompson GmbH

Postfach 26 3013 Barsinghausen 1

"Thermisch und korrosiv hoch beanspruchtes Tellerventil"

Die Erfindung betrifft ein thermisch und korrosiv hoch beanspruchtes Tellerventil, beispielsweise für Verbrennungsmotoren sowie Abgasturbolader «dgl. mit einem aufgespritzten Schutzmantel zur Erhöhung des Wärme- und Korrosionswiderstandes.

Es ist allgemein bekannt, daß Ventile von Verbrennungskraftmaschinen zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen Wärme und Korrosion durch Verbrennungsgase und ggf. zur Erhöhung der Gleiteigenschaften des Ventilschaftes mit Schutzschichten versehen werden. Beispielsweise werden Auslaßventile am Kopf mit einer Aluminiumschicht versehen, wodurch vor allem bei Otto-Motoren relativ niedrig legierte Ventilstähle eingesetzt werden können. Diese Schutzschicht wird im Flammsprühverfahren aufgetragen. Nach dem Besprühen werden die Ventile am Sitz geschliffen und dann eingebaut. Bei diesem Verfahren diffundiert das Schutzmittel in den 'Ventilgrundwerkstoff und ergibt eine Aluminiumoxyd-Schutzschicht. Die Wirkung dieser Schicht ist besonders bei niedrig legiertem Grundmaterial von Bedeutung. Es kann den Korrosionsangriffen der Abgase wesentlich besser widerstehen. Trotzdem ist dieses Verfahren für besonders . schwierige Betriebsverhältnisse, wie sie beim Schwerölbetrieb oder bei Abgasturboladern herrschen, noch nicht zufriedenstellend anwendbar. Die Anwendungsmöglichkeiten sind also begrenzt..Zur Verbesserung der Gleiteigen-

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schäften wird dagegen am Ventilschaft galvanisch eine Chromschicht aufgetragen. Bei besonders hohen Beanspruchungen im Bereich des Ventilsitzes werden aufgeschweißte Lagen aus austenitischem Cr-Ni-Stahl oder Hartmetallen, z.B. Stellit 6 oder F verwendet. Gemeinsam ist allen bisher bekannten Ausführungsformen von Schutzschichten, daß sie nur den jeweils besonders beanspruchten Bereich erfassen. Bei der Auswahl von Spritzschichten ist davon auszugehen, daß reine und edle Matalle wie Chrom, Nickel, Kobalt oder als Nichtmetalle auch Silicium oder Metalloxyde verwendet werden müssen, um genügend Diffusionsgefälle bei hoch legierten Werkstoffen zu haben und eine erwünschte gute Haftung zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil der eingangs bezeichneten Art mit einem solchen Schutzmantel zu versehen, daß seine Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion durch heiße Abgase mit aggressiven Bestandteilen, wie Bleioxyd, Schwefelsäure, Vanadiumpentoxyd, Natriumvanadate, Glasuren udgi. wesentlich verbessert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Schutzmantel vorgeschlagen, der sich ohne Unterbrechung über das gesamte Ventil erstreckt und wenigstens im Bereich des Ventilkopfes aus einer sich mit dem Grundmaterial verbindenden Grundschicht und einer weiteren, auf der Grundschicht aufgetragenen Deckschicht besteht. Neben dem Vorzug einer geschlossenen Umhüllung ohne eine Ansatzmöglichkeit für das Einwi-rken der korrosiven Bestandteile besteht die Möglichkeit, im besonders gefährdeten Bereich am Ventilkopf einen "speziell dafür geeigneten Schutzwerkstoff einzusetzen. Für den weniger der Korrosion unterworfenen Ventilschaft genügt vielfach eine einfache Schutzschicht aus einem Reinmetall, beispielsweise Chrom oder eine

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Mischung aus Reinstmetallen.

Bei der Verwendung von Panzerwerkstoff im Sitzbereich des Ventils ist es vorteilhaft, mit der Grundschicht des Schutzmantels auch die Aufnahmenut für den Panzerwerkstoff zu bedecken und die Deckschicht nach dem Panzern aufzutragen, so daß der Panzerwerkstoff zwischen der Grundschicht und der Deckschicht angeordnet und dadurch gegen Korrosionsangriffe geschützt ist.

In weiterer Ausbildung des Anmeldungsgegenstandes soll die Deckschicht aus einem keramischen Stoff bestehen. Hierfür eigenen sich insbesondere Metalloxyde, die einen wesentlich besseren Korrosionsschutz, insbesondere bei hohen Temperaturen bieten. Verwendet hierfür werden insbesondere Oxyde der Metalle Aluminium, Titan, Zirconium, Kalzium und Yttrium. Eine Mischung der oxydkeramischen Stoffe ist gleichfalls möglich und erlaubt eine Anpassung an besondere Betriebsbedingungen. Außer der Verwendung von oxydkeramischen Stoffen kann in einzelnen Fällen Siliciumkarbid eingesetzt werden.

Es ist vorgesehen, die einzelnen Schutzschichten des Schutzmantels im Plasmastrahl aufzutragen. Neben einer Erhöhung der Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens erlaubt dies in einfacher Weise Variationen beim Vorschubverhältnis wahrend des Aufbringens einer Schutzschicht, so daß besonders beanspruchte Stellen langer behandelt werden können und dadurch gewünschte unterschiedliche Schichtstärken entstehen. Die Plasmastrahlauftragung bietet ferner die Möglichkeit, bei dem vorgesehenen Mehrschichtenauftrag einzelne beanspruchte Teile des Ventils nur mit einer Schicht zu versehen. Hierdurch können die unterschiedlich hohen Beanspruchungen Berücksichtigung finden. Während der Ventil-

kopf durch seine hohe Wärme- und Korrosionsbeanspruchung mit einer Grund- und Deckschicht versehen werden muß, kann bei der erwähnten geringeren Korrosionsbeanspruchung des Ventilschaftes dort auf das Auftragen der Deckschicht verzichtet werden, da in diesem Bereich schon allein die Grundschicht den geforderten Gleitfähigkeiten genügt.

Die Ausbildung des Schutzmantels in Form von zwei Schichten bietet den weiteren wesentlichen Vorteil, daß die Grundschicht durch ein Hineindiffundieren in den Grundwerkstoff des Ventils eine gute Haftfähigkeit aufweist und als Verbindungsschicht mit eigener Schutzwirkung zur aufgetragenen oxydkeramischen Deckschicht dient, so daß diese dünn gehalten werden kann. Anhand von Versuchen konnte der besonders hohe Korrosionswiderstand eines erfindungsgemäß gestalteten Ventils nachgewiesen werden. Der durch korrosive Einwirkung festgestellte Gewichtsverlust blieb bei einem erfindungsgemäßen Ventil um ein mehrfaches geringer als bei einem Ventil ohne eine Schutzschicht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt und nachstehend erläutert.

Der Ventilkopf des dargestellten Tellerventils eines Verbrennungsmotores ist mit der Hohlkehle 1, der Tellerfläche 2 und der Hartstoffauflage 3 am Ventilsitz vollkommen von einem Schutzmantel, bestehend aus einer Grundschicht 4 aus einem Reinstmetall bzw. einer Mischung aus Reinstmetallen und einer darauf aufgetragenen Deckschicht 5 aus oxydkeramischen Stoffen, umhüllt. Die Grundschicht 4 bedeckt dabei vollständig die Aufnahmenut für die Hartstoff auf lage 3. Die Deckschicht 5 dagegen ist über die Hartstoffauflage 3 hinweggezogen und erstreckt sich bis zum Beginn des in den Ventilführung hineinreichenden

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Ventilschaftes 6. Dieser Bereich ist dann bei dem gezeigten Beispiel lediglich von der Grundschicht 4 umhüllt, die am zusätzlich auf Schlag beanspruchten Schaftende verstärkt sein kann aber normaler Weise vor dem Klemmbereich der Ventilbefestigung, d.h. am oberen Ende der Gleitbahn endet. Falls es die Betriebsverhältnisse erfordern, beispielsweise bei in den Gaskanal reichenden Ventilen bei Abgasturboladern, kann sich die äußere Deckschicht 5 noch weiter zum Schaftende hin erstrecken.

Die äußere Schutzschicht 5 im Bereich der Hartstoffauflage 3 beeinträchtigt die Wirkung dieser insbesondere gegen die unter hohen thermischen Bedingungen auftretenden Schlagbeanspruchungen nicht, sondern bietet auch in diesem Bereich den gewünschten Schutz gegen korrosive Angriffe.

- PATENTANSPRÜCHE - 6 -

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Korrosiv hoch beanspruchtes Tellerventil für Verbrennungsmotoren, Abgasturbolader udgl., mit einer Hartstoffauflage im Sitzbereich und einem aufgespritzten Schutzmantel, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Schutzmantel ohne Unterbrechung über das gesamte Ventil erstreckt und wenigstens im Bereich des Ventilkopfes aus einer mit dem Grundmaterial· verbundenen Grundschicht (4) und einer weiteren, auf der Grundschicht aufgetragenen Deckschicht (5) besteht.
2. Tellerventil nach Anspruch 1 mit einem gepanzerten Ventilsitz, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffauflage (3) zwischen der Grundschicht (4) und der Deckschicht (5) eingebettet ist.
3. Tellerventil nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (4) aus Reinstmetall besteht.
4. Tellerventil nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (4) aus einer Mischung von Reinstmetallen besteht.
5. Tellerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (5) aus einem keramischen Stoff besteht.
6. Tellerventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als keramische Stoffe Metalloxyde eingesetzt sind.

- 7 ORIGINAL INSPECTED

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7. Tellerventil nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Oxyde eines der Metalle Aluminium, Titan, Zirconium, Kalzium, Yttrium.
8. Tellerventil nach Anspruch 5, dadurch gekenn- · zeichnet, daß als keramischer Stoff Siliziumkarbid eingesetzt ist.
9. Tellerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch Mischungen von keramischen Stoffen.
10. Tellerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht

(5) sich bis weit über den Ventilschaft in den Führungsteil des Ventilschaftes (6) erstreckt.
11. Verfahren zur Herstellung eines Tellerventils mit einem Schutzmantel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschichten des Schutzmantels im Plasmastrahl aufgetragen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschichten des Schutzmantels im Plasmastrahl unter Vakuum bzw. Inertgasatmosphäre aufgetragen werden.

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