DE2856232A1 - Mushroom valve for exhaust gas turbocharger - has hard metal seat on base covered with corrosion and temp.-resistant layer - Google Patents

Mushroom valve for exhaust gas turbocharger - has hard metal seat on base covered with corrosion and temp.-resistant layer

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DE2856232A1 DE19782856232 DE2856232A DE2856232A1 DE 2856232 A1 DE2856232 A1 DE 2856232A1 DE 19782856232 DE19782856232 DE 19782856232 DE 2856232 A DE2856232 A DE 2856232A DE 2856232 A1 DE2856232 A1 DE 2856232A1
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    • F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
    • F01L3/04—Coated valve members or valve-seats

Abstract

The valve is suitable for use in combustion engines, or exhaust gas turbo chargers. The valve seat is formed by a ring (3) of hard metal, while the rest of the valve is coated with a sprayed on protective layer. The protective layer covers the whole valve. In the region of the mush room shaped section of the valve, the valve is first covered with a ground layer. The hard metal valve seat is positioned between the ground layer and the final protecting layer.

Description

t. ö; HANM ο ν JaB J Hannover, den 22..12.1978t. ö; HANM ο ν JaB J Hanover, December 22nd, 1978

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

Postfach 26 3013 Barsinghausen 1P.O. Box 26 3013 Barsinghausen 1

"Thermisch und korrosiv hoch beanspruchtes Tellerventil""Thermally and corrosively highly stressed poppet valve"

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.The invention relates to a thermally and corrosively high stressed poppet valve, for example for internal combustion engines and exhaust gas turbochargers «like. with a sprayed on Protective jacket to increase the heat and corrosion resistance.

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-It is well known that valves of internal combustion engines to increase the resistance against heat and corrosion from combustion gases and, if necessary, to increase the sliding properties of the valve stem be provided with protective layers. For example, exhaust valves on the head are coated with an aluminum layer provided, which means that relatively low-alloy valve steels are used in Otto engines in particular can. This protective layer is made in the flame spray process applied. After spraying, the valves are ground on the seat and then installed. In this procedure the protective agent diffuses into the valve base material and results in an aluminum oxide protective layer. The effect of this layer is particularly important with low-alloy base material. It can Resist corrosion attacks of the exhaust gases much better. Even so, this procedure is special. difficult operating conditions, such as those found in heavy oil operation or with exhaust gas turbochargers, are not yet satisfactorily applicable. The possible applications are therefore limited.

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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.shafts, on the other hand, become a galvanic one on the valve stem Chrome layer applied. In the case of particularly high loads in the area of the valve seat, welded-on Austenitic Cr-Ni steel or Hard metals, e.g. Stellite 6 or F are used. Common to all previously known embodiments of Protective layers that they only cover the particularly stressed area. When choosing Spray coatings can be assumed that pure and noble Matalle such as chrome, nickel, or cobalt as Non-metals also silicon or metal oxides must be used in order to have enough diffusion gradient at high to have alloyed materials and to achieve the desired good adhesion.

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.The object of the invention is to provide a valve of the type indicated at the beginning Kind to be provided with such a protective sheath that its resistance to corrosion due to hot exhaust gases with aggressive components such as lead oxide, sulfuric acid, vanadium pentoxide, sodium vanadate, Glazes udgi. is significantly improved.

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 eineTo solve this problem, a protective jacket is proposed that extends over the entire area without interruption Valve extends and at least in the area of the valve head from a connecting to the base material Base layer and a further top layer applied on top of the base layer. In addition to the merit of a closed envelope without a possibility for the influence of the corrosive constituents exists Possibility of using a "specially suitable protective material" in the particularly endangered area on the valve head to use. A simple protective layer is often sufficient for the valve stem, which is less subject to corrosion from a pure metal, for example chromium or a

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Mischung aus Reinstmetallen.Mixture of pure metals.

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.When using armor material in the seat area of the valve, it is advantageous to use the base layer of the protective jacket also to cover the receiving groove for the armor material and the top layer after Apply armor so that the armor material is arranged between the base layer and the top layer and is thereby protected against corrosion attacks.

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.In a further development of the subject of the application, the cover layer should consist of a ceramic material. Metal oxides, which provide significantly better protection against corrosion, are particularly suitable for this purpose offer high temperatures. Oxides of the metals aluminum, titanium, zirconium, Calcium and yttrium. A mixture of the oxide ceramic materials is also possible and allows adaptation to special operating conditions. Besides the use of oxide ceramic materials can be used in individual Cases silicon carbide can be used.

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-The individual protective layers of the Apply protective jacket in the plasma jet. In addition to increasing the reliability and cost-effectiveness of the Manufacturing process allows this in a simple manner variations in the feed ratio during application a protective layer, so that particularly stressed areas can be treated longer and thus desired different layer thicknesses arise. The plasma jet application also offers the possibility of to provide individual stressed parts of the valve with only one layer in the envisaged multi-layer application. This allows the different levels of stress to be taken into account. During the valve

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.head has to be provided with a base and top layer due to its high heat and corrosion stress, can with the mentioned lower corrosion stress on the valve stem there on the application of the cover layer can be dispensed with, since in this area the base layer alone has the required sliding properties enough.

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.The formation of the protective jacket in the form of two layers offers the further essential advantage that the base layer has good adhesion due to diffusion into the base material of the valve and serves as a connecting layer with its own protective effect for the applied oxide-ceramic cover layer, so that this can be kept thin. On the basis of tests, the particularly high corrosion resistance of a valve designed according to the invention can be detected. The weight loss observed through corrosive action remained several times less with a valve according to the invention than with a valve without one Protective layer.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt und nachstehend erläutert.In the drawing, an embodiment of the invention is shown schematically and explained below.

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 hineinreichendenThe valve head of the illustrated poppet valve of an internal combustion engine is complete with the fillet 1, the plate surface 2 and the hard material layer 3 on the valve seat of a protective jacket consisting of a base layer 4 made of a pure metal or a mixture of Pure metals and a cover layer 5 made of oxide-ceramic materials, coated thereon. The base layer 4 completely covers the receiving groove for the hard material on layer 3. The cover layer 5, however, is on the Hard material layer 3 pulled away and extends to the beginning of the reaching into the valve guide

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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.Valve stem 6. In the example shown, this area is only encased by the base layer 4, however, the shaft end that is additionally subjected to impact can be reinforced in a normal manner ends in front of the clamping area of the valve attachment, i.e. at the upper end of the slide. If it is the operating conditions require, for example, in the case of valves reaching into the gas duct in exhaust gas turbochargers, the outer cover layer 5 can extend even further towards the end of the shaft.

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.The outer protective layer 5 in the area of the hard material layer 3 affects the effect of this in particular against the impact stresses occurring under high thermal conditions, but rather also offers the desired protection against corrosive attacks in this area.

- PATENTANSPRÜCHE - 6 -- PATENT CLAIMS - 6 -

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Claims (12)

PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS 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.Corrosive highly stressed poppet valve for internal combustion engines, exhaust gas turbochargers, etc., with a Hard material coating in the seat area and a sprayed-on protective jacket, characterized in that the Protective jacket extends over the entire valve without interruption and at least in the area of the valve head from a base layer connected to the base material (4) and a further top layer (5) applied to the base layer. 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.2. poppet valve according to claim 1 with an armored valve seat, characterized in that the hard material coating (3) is embedded between the base layer (4) and the top layer (5). 3. Tellerventil nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (4) aus Reinstmetall besteht.3. poppet valve according to claims 1 or 2, characterized in that the base layer (4) made of pure metal consists. 4. Tellerventil nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (4) aus einer Mischung von Reinstmetallen besteht.4. poppet valve according to claims 1 or 2, characterized characterized in that the base layer (4) consists of a mixture of pure metals. 5. Tellerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (5) aus einem keramischen Stoff besteht.5. poppet valve according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the cover layer (5) consists of a ceramic material. 6. Tellerventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als keramische Stoffe Metalloxyde eingesetzt sind.6. poppet valve according to claim 5, characterized in that metal oxides are used as ceramic substances. - 7 ORIGINAL INSPECTED- 7 ORIGINAL INSPECTED 030029/0.066030029 / 0.066 7. Tellerventil nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Oxyde eines der Metalle Aluminium, Titan, Zirconium, Kalzium, Yttrium.7. poppet valve according to claim 6, characterized by oxides of one of the metals aluminum, titanium, zirconium, Calcium, yttrium. 8. Tellerventil nach Anspruch 5, dadurch gekenn- · zeichnet, daß als keramischer Stoff Siliziumkarbid eingesetzt ist.8. poppet valve according to claim 5, characterized in that the ceramic material is silicon carbide is used. 9. Tellerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch Mischungen von keramischen Stoffen.9. poppet valve according to one or more of claims 5 to 8, characterized by mixtures of ceramic Fabrics. 10. Tellerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht10. poppet valve according to one or more of the claims 1 to 9, characterized in that the top layer (5) sich bis weit über den Ventilschaft in den Führungsteil des Ventilschaftes (6) erstreckt.(5) extends far beyond the valve stem into the guide part of the valve stem (6). 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.11. A method for producing a poppet valve with a protective jacket according to one or more of the claims 1 to 10, characterized in that the protective layers of the protective jacket are applied in the plasma jet will. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschichten des Schutzmantels im Plasmastrahl unter Vakuum bzw. Inertgasatmosphäre aufgetragen werden.12. The method according to claim 11, characterized in that the protective layers of the protective jacket in the plasma jet be applied under vacuum or inert gas atmosphere. 030029/0066030029/0066
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