DE3704473C2 - - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
- F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
- F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C33/00—Making ferrous alloys
- C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C33/0257—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
- C22C33/0278—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%
- C22C33/0285—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5% with Cr, Co, or Ni having a minimum content higher than 5%
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Gattungsbegriff
des Patentanspruchs 1.
Gaswechselventile, insbesondere von PKW-Motoren, sind durch
spezifische Leistungssteigerungen, aber auch durch die Bemühungen
um Umweltverbesserungen (Magergemisch) steigenden
Korrosions- und Oxidationsbeanspruchung ausgesetzt. Verbesserungen
der Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit der
bekannten Ventilwerkstoffe sind daher dringend erforderlich.
Es gehört heute zum Stand der Technik, korrosiv stark beanspruchte
Bauteile mit Korrosionsschutzschichten zu versehen.
Im Turbinenbau sind Beschichtungen der Schaufeln oder auch
Diffusionsschichten als bewährte Mittel für den Schutz der
Schaufeln vor Korrosion bekannt. Diese Schutzschichten können
als Flamm- oder Plasmaspritzschichten aufgebracht werden, d. h.
mittels Verfahren, die weit verbreitet sind. Neben Problemen
der Haftung und Bildung von Ermüdungsrissen, die mit solchen
Beschichtungen verbunden sind, verbieten sich derartige Problemlösungen
bei Ventilen, von Ausnahmen abgesehen, jedoch
schon von der Kostenseite her. Als Beschichtungswerkstoff
verwendet man hauptsächlich Mn-Cr-Al-Y-Schichten mit Nickel-,
Kobalt- oder Nickel-Kobalt-Matrix.
Zunehmende Bedeutung gewinnen die PVD (Physical Vapor Depositing)-
und CVD (Chemical Vapor Depositing)-Verfahren, bei denen
über die Gasphase die für den Korrosionsschutz benötigten
Elemente abgeschieden werden und in das Substrat eindiffundieren.
Bekannt ist z. B. das Aluminisieren, bei dem das Substrat
mit Aluminium beschichtet und einer thermischen Behandlung
zwecks Diffusion unterzogen wird oder aber in ein Aluminiumpulver
eingelegt und erhitzt wird.
Der Korrosionsschutz kommt bei allen Verfahren durch die
Bildung von Oxiden (Cr₂O₃, Al₂O₃) zustande, die an der Oberfläche
eine dichte, gegen Korrosion schützende Schicht bilden.
Obwohl der gewünschte Korrosionsschutz durch eines der genannten
Verfahren im allgemeinen erreicht wird, werfen die
Schichten doch auch eine Reihe von Problemen auf. Die Haftung
der Schicht auf dem Grundwerkstoff muß während aller Betriebszustände
gewährleistet sein. Während der Aufheiz- und Abkühlphasen
oder auch Leistungsänderungen im Betrieb werden
thermische Wechseldehnungen induziert, die zu Ermüdungsrissen
in der Schicht und damit Aufhebung der Schutzwirkung führen.
Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
Schicht und Substrat sind daher von Bedeutung. Die Bauteilform,
insbesondere Dickenunterschiede und Kantenradien, haben
einen starken Einfluß auf die Anrißwechselzahl. Bekannt ist
auch, daß die Rißwachstumgeschwindigkeit der Schutzschicht
im allgemeinen höher ist als im Grundwerkstoff. Dies bedeutet,
daß bei Auftreten von feinsten Anrissen die Zerstörung des
Bauteils sehr schnell fortschreitet. Die Schutzschichten können
u. a. die Korngrenzenoxidation des Grundwerkstoffs und
damit die vorzeitige Rißeinleitung nicht mehr verhindern.
Da die Schutzwirkung auf der Bildung von z. B. einer Al₂O₃-Schicht
beruht, ist der Aluminiumanteil letztlich von Bedeutung.
Je höher der Anteil an Aluminium als Oxidbildner,
um so besser ist die Schutzwirkung. Der Gehalt an Aluminium
beeinflußt jedoch andererseits die mechanischen Eigenschaften
der Schicht und kann z. B. zu sprödem Versagen der
Schicht führen. Diese Gefahr ist im allgemeinen bei Diffusionsschichten
größer als bei Spritzschichten.
Es sind zwei Werkstoffgruppen bekannt, die in ihren Zusammensetzungen
bereits einen Al-Anteil aufweisen (Bergmann,
W. "Werkstofftechnik", Teil 2, Anwendung, S. 374), die aber
für den vorliegenden Anwendungszweck als nicht geeignet
bzw. nur unwirtschaftlich eingesetzt werden können. Zum einen
werden für Heizleiter, die hohe Zunderbeständigkeit aufweisen
müssen, bekanntermaßen Werkstoffe wie Cr-Al 25 5 oder
Cr-Al 20 5 eingesetzt. Eine Verwendung als Ventilwerkstoff
scheidet wegen zu geringer Warmfestigkeit aus. Zum anderen
sind nach der DE-AS 12 28 068, der AT-PS 1 60 410 und der
US-PS 36 98 877 warmfeste Ventilwerkstoffe auf Chrom- und
Nickelbasis und hochwarmfeste Sonderlegierungen, meist auf
Nickel-Basis, bekannt, die u. a. Al und Ti enthalten. Al und
Ti bilden in diesen Legierungen bekanntermaßen γ′-Ausscheidungen
der Zusammensetzung Ni₃ (Al, Ti), auf denen die hohe
Warmfestigkeit beruht, nicht jedoch die hohe Korrosions- und
Zunderbeständigkeit wegen der Stabilität dieser Ausscheidungen.
Obwohl in Sonderfällen solche Legierungen, wie z. B.
Ni-Cr 20 Ti-Al (Nimonic 80 A) für Ventile verwendet werden,
steht einer breiteren Anwendung der hohe Preis entgegen. Von
Nachteil ist ferner, daß bei herkömmlicher Erschmelzung und
Verarbeitung im Blockguß die Zugabe von höherem Aluminiumanteil
zu Seigerungen im Block führt, die infolge der damit einhergehenden
Versprödung eine Weiterverarbeitung des Werkstoffs
durch Warmformgebung unmöglich machen. Außerdem setzt die
beabsichtigte Schutzwirkung durch Bildung einer dichten
Oxidschicht die feine und gleichmäßige Verteilung des Aluminiums
im Werkstoff voraus.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ventilwerkstoff sehr
hoher Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit mit einem
großen Aluminiumanteil zu schaffen, bei dessen Verarbeitung
zu Fertigteilen oder Halbzeug eine Materialversprödung durch
Seigerung vermieden wird und eine feine und gleichmäßige
Verteilung des Aluminiums im Werkstoff erreicht wird. Die
Erfindung als Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich durch die
Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aus.
Durch die Herstellung des Werkstoffs auf pulvermetallurgischem
Wege, indem die aluminiumhaltige Schmelze unter Schutzgas
verdüst und das Pulver heißisostatisch zu einem Block gepreßt
und dann weiterverarbeitet wird, können die vorerwähnten
Schwierigkeiten bei der herkömmlichen Erschmelzung und Verarbeitung
im Blockguß vermieden werden. Es ist notwendig, das
Pulver von der Verdüsung bis zum heißisostatischen Verpressen
unter Schutzgas oder Vakuum, d. h. von Sauerstoff freizuhalten.
Eine weitere Verarbeitungsmöglichkeit besteht darin, das
verdüste Pulver kalt zu kompaktieren und durch Heißextrusion
zu Halbzeug weiter zu verarbeiten. Schließlich ist auch ein
direktes heißisostatisches Pressen zu Ventilen möglich.
Ein weiteres Problem bestand darin, das beschriebene erfindungsgemäße
Verfahren auf die Palette der gängigen Ventilwerkstoffe
anzuwenden, ohne deren übrige Eigenschaften negativ
zu beeinflussen. Die bekannten Cr-Mn- und Cr-Mn-Ni-Ventilwerkstoffe
enthalten als festigkeitssteigerndes und gefügestabilisierendes
Element Stickstoff. Nun besteht bekanntermaßen
eine hohe Affinität zwischen den Elementen Stickstoff und
Aluminium. Es war daher zu befürchten, daß durch Aluminiumnitridbildung
und Ausscheidung vornehmlich an den Korngrenzen
die gewünschte korrosionsschützende Wirkung des Aluminiums
unterbleiben könnte. Es bestanden auch Zweifel, den Stickstoff
in der gewünschten Höhe metallurgisch in die Schmelze
und damit in das verdüste Pulver einbringen zu können. Somit
war auch davon auszugehen, daß die für den sicheren Einsatz
von Gaswechselventilen in Verbrennungsmotoren überaus wichtige
Warmfestigkeit bei der von den Nickel-Basis-Legierungen
her an sich bekannten Verwendung von Aluminium, besonders bei
den Cr-Mn- und Cr-Mn-Ni-Ventilqualitäten, nicht in der erforderlichen
Größenordnung erhalten bleiben würde.
Entgegen den Erwartungen, treten bei dem nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Werkstoff diese Schwierigkeiten
jedoch nicht auf, sondern in überraschender Weise
konnten sehr gute technologische Eigenschaften festgestellt
werden, die die Vergleichswerte der bekannten Ventilwerkstoffe
teilweise erheblich übertreffen.
Was das Hauptziel, die Verbesserung der Korrosionseigenschaften
angeht, so zeigt sich gegenüber dem kein Aluminium enthaltenden
Vergleichswerkstoff bei Oxidationsversuchen eine ganz
erhebliche Verbesserung.
In einem Ausführungsbeispiel an einem Ventilstahl folgender
Zusammensetzung
C | |
0,45-0,55 | |
Si | max. 0,45 |
Mn | 8,00-10,00 |
Cr | 20,00-22,00 |
Ni | 3,50-5,00 |
W | 0,80-1,50 |
Al | 5,00-6,00 |
Ta/Nb | 1,80-2,50 |
N | max. 0,60 |
S | max. 0,03 |
Fe | Rest |
wurden nachstehende Vergleichswerte bei entsprechenden Tests
erreicht:
Die Korrosionsrate ist, wie diese Werte zeigen, bei dem nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoff somit
erheblich geringer, was bedeutet daß die Gefahr eines vorzeitigen
Ausfalls von aus diesem Werkstoff hergestellten Ventilen,
aufgrund von Oxidationsschäden (Chromverarmung, Materialverlust)
wesentlich geringer ist gegenüber einem Ventil, das aus einem
Standardventilwerkstoff vergleichbarer Analyse gefertigt
wurde. Auch vorzeitig auftretende Ausfälle durch Korngrenzenoxidation
und Rißeinleitung können damit verhindert werden.
Um Korrosionsraten zu erzielen, die dem erfindungsgemäßen
Werkstoff gleichkommen, wären normalerweise hohe Analysen-Gewichtsprozente
der teuren und auch strategisch bedeutsamen
Elemente Nickel und/oder Kobalt erforderlich. Aluminium ist
dagegen kein strategischer Werkstoff und außerdem preisgünstig
zu erhalten.
Wie die Untersuchungen an erfindungsgemäß hergestellten Proben
weiter deutlich zum Ausdruck brachten, und dies erhöht
die Bedeutung der Erfindung, konnten beim Einsatz von Aluminium,
und deshalb entgegen den Erwartungen, sogar die gleichen
Warmfestigkeitswerte wie bei den bisherigen Cr-Mn- und
Cr-Mn-Ni-Ventilwerkstoffen gehalten werden, und es kann davon
ausgegangen werden, daß diese bei optimalen Bedingungen
für das erfindungsgemäße Verfahren noch verbessert werden
können.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung eines Metallpulver als Werkstoff
für Gaswechselventile für Verbrennungsmotoren, dadurch
gekennzeichnet, daß einer Schmelze des Grundwerkstoffs
bestehend aus
C
0,20-0,80,
Si max. 1,00,
Mn 4,00-12,00,
Cr 16,00-25,00,
Ni 2,00-10,00,
Mo max. 2,00,
W max. 2,00,
V max. 2,00,
N max. 0,60,
Ta/Nb max. 3,00
S max. 0,04 und
Fe mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen
als Restmax. 15%, vorzugsweise 2 bis 10% Al zulegiert werden und
die legierte Schmelze unter Schutzgas zu Pulver verdüst wird.
2. Metallpulver, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch
1, gekennzeichnet durch folgende chemische Zusammensetzung
in Gew.-%.
C
0,45-0,55,
Si max. 0,45,
Mn 8,00-10,00,
Cr 20,00-22,00,
Ni 3,50-5,00,
W 0,80-1,50,
Al 5,00-6,00,
Ta/Nb 1,80-2,50,
N 0,40-0,60,
S max. 0,03 und
Fe mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen
als Rest.
3. Metallpulver, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende chemische Zusammensetzung in
Gew.-%.
C
0,48-0,58,
Si max. 0,025,
Mn 8,00-10,00,
Cr 20,00-22,00,
Ni 3,25-4,50,
Al 4,00-6,00,
N 0,38-0,50,
S max. 0,025 und
Fe mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen
als Rest.
4. Metallpulver, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende chemische Zusammensetzung in
Gew.-%.
C
0,57-0,65,
Si max. 0,25,
Mn 9,50-11,50,
Cr 20,00-22,00,
Ni max. 1,50,
Mo 0,75-1,25,
V 0,75-1,00,
Al 5,00-6,00,
Ta/Nb 1,00-1,20,
N 0,40-0,60,
Si max. 0,025 und
Fe mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen
als Rest.
5. Verfahren zur Herstellung eines Gaswechselventils aus
einem Metallpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß aus dem verdüsten Pulver zunächst Halbzeug
durch heißisostatisches Pressen von Blöcken mit anschließendem Walzen
hergestellt wird.
6. Verfahren zur Herstellung eines Gaswechselventils aus
einem Metallpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß durch Kaltkompaktieren des verdüsten
Pulvers mit anschließendem Heißextrudieren Halbzeug hergestellt
wird.
7. Verfahren zur Herstellung eines Gaswechselventils aus
einem Metallpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rohlinge der Gaswechselventile unmittelbar
durch heißisostatisches Pressen des verdüsten
Pulvers hergestellt werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873704473 DE3704473A1 (de) | 1987-02-13 | 1987-02-13 | Ventilwerkstoff fuer gaswechselventile |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873704473 DE3704473A1 (de) | 1987-02-13 | 1987-02-13 | Ventilwerkstoff fuer gaswechselventile |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3704473A1 DE3704473A1 (de) | 1988-08-25 |
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Family
ID=6320878
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873704473 Granted DE3704473A1 (de) | 1987-02-13 | 1987-02-13 | Ventilwerkstoff fuer gaswechselventile |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP3222518B2 (ja) * | 1991-12-26 | 2001-10-29 | キヤノン株式会社 | 液体原料気化装置および薄膜形成装置 |
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-
1987
- 1987-02-13 DE DE19873704473 patent/DE3704473A1/de active Granted
Also Published As
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