DE3720605A1

DE3720605A1 - AUSTENITIC STEEL FOR GAS EXCHANGE VALVES OF COMBUSTION ENGINES

Info

Publication number: DE3720605A1
Application number: DE19873720605
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl Ing Weintz
Original assignee: TRW Thomson GmbH
Current assignee: TRW Thomson GmbH
Priority date: 1987-06-23
Filing date: 1987-06-23
Publication date: 1989-01-05
Also published as: DE3720605C2; DE3871248D1; ES2032491T3; EP0296439A2; EP0296439B1; EP0296439A3

Description

Die Erfindung betrifft einen austenitischen, hochfesten und heißkorrosionsbeständigen Stahl für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren.The invention relates to an austenitic, high-strength and hot corrosion resistant steel for gas exchange valves from Internal combustion engines.

Die Verwendung von austenitischen Stählen zur Herstellung von Gaswechselventilen mit Chrom, Nickel und Mangan sowie Gehal ten an Wolfram, Molybdän und Vanadium oder mit Anteilen von Niob/Tantal, Titan, Aluminium und Cer sowie entsprechenden Gehalten an Kohlenstoff und Stickstoff ist an sich bekannt und wird durch zahlreiche Schutzrechte belegt. Nur beispiels weise seien folgende Vorveröffentlichungen genannt:The use of austenitic steels for the production of Gas exchange valves with chrome, nickel and manganese as well as Gehal of tungsten, molybdenum and vanadium or with proportions of Niobium / tantalum, titanium, aluminum and cerium and corresponding The content of carbon and nitrogen is known per se and is evidenced by numerous property rights. For example only The following previous publications are worth mentioning:

DE-PS 9 34 836
AT-PS 2 66 900
US-PS 24 96 245
US-PS 24 95 731
US-PS 26 03 738
US-PS 26 57 130
US-PS 26 71 726
US-PS 28 39 391
DE-PS 25 35 516
US-Reissue-PS 24 431DE-PS 9 34 836
AT-PS 2 66 900
U.S. Patent No. 24 96 245
U.S. Patent No. 24 95 731
U.S. Patent No. 26 03 738
U.S. Patent No. 2,657,130
U.S. Patent No. 26 71 726
U.S. Patent No. 28,39,391
DE-PS 25 35 516
U.S. Reissue PS 24,431

Bekannt ist auch die pulvermetallurgische Herstellung von austenitischen Stählen. Beispielsweise wird auf die Druck schrift "Pulvermetallurgisch hergestellte Produkte in Edel stahl-Rostfrei" der Fa. Avesta Nyby, Torshälla, Schweden hingewiesen.The powder metallurgical production of austenitic steels. For example, on the print writing "Powder metallurgically manufactured products in precious Stahl-Rostfrei "from Avesta Nyby, Torshälla, Sweden pointed out.

Es ist ferner bekannt, daß es über die Pulvermetallurgie ge lingt, sehr hochlegierte Stähle herzustellen, die wegen ihres Legierungsaufbaues auf konventionellem Wege über Blockguß, Schmieden und Walzen nur schwierig und mit geringem Ausbringen oder gar nicht mehr herstellbar sind.It is also known that it is about powder metallurgy succeeds in producing very high-alloyed steels, which because of their Alloy structure in a conventional way via block casting, Forging and rolling difficult and with little output or are no longer producible.

Die Pulvermetallurgie bietet die Möglichkeit, diese hochle gierten Werkstoffe als verdüstes Pulver kalt zu kompaktieren und anschließend beim Heiß-Fließpressen zu Stäben mit nahezu Fertigabmessungen zu extrudieren.Powder metallurgy offers the opportunity to compacted cold materials as atomized powder and then in hot extrusion into bars with almost Extrude finished dimensions.

Gemeinsam ist den ausscheidungshärtbaren, hochwarmfesten, heiß korrosionsbeständigen Ventilstählen mit Gehalten an Kohlen stoff, Stickstoff, Chrom, Nickel und Mangan sowie möglicher weise an Wolfram, Molybdän und Vanadium oder auch zusätzlich Niob/Tantal, Titan, Aluminium und Cer, daß deren verbesserte mechanische Eigenschaften nur durch eine Wärmebehandlung zum Ausscheidungshärten erreichbar sind, wobei im allgemeinen eine Optimierung der mechanischen Festigkeitswerte dann erzielt wird, wenn vor dem Ausscheidungshärten lösungsgeglüht wird.Common is the precipitation-hardenable, highly heat-resistant, hot corrosion-resistant valve steels with carbon content fabric, nitrogen, chrome, nickel and manganese as well as possible wise on tungsten, molybdenum and vanadium or additionally Niobium / tantalum, titanium, aluminum and cerium that their improved mechanical properties only by heat treatment for Precipitation hardness can be achieved, generally one Optimization of the mechanical strength values is then achieved becomes if a solution is annealed before the precipitation hardening.

Die durch die meist sehr teueren Wärmebehandlungen eingestell ten optimierten Eigenschaften bewegen sich jedoch außerhalb der thermodynamischen Lösungsgleichgewichte der herkömmlichen Stähle, so daß sich deren mechanische Eigenschaften mit der Annäherung an das thermodynamische Gleichgewicht wieder ver schlechtern. Die durch Wärmebehandlung erzeugten Eigenschaften besitzen somit eine nur temporäre Lebensdauer, wenn die Tem peraturen und Zeiten während des Motorbetriebs zu einem Fort schreiten der Ausscheidungsreaktionen führen, was für die ho hen Beanspruchungen der Ventile in den modernen, verbrauchs armen Verbrennungsmotoren in aller Regel zutrifft.The set by the mostly very expensive heat treatments However, the optimized properties are outside the thermodynamic solution equilibria of conventional ones Steels, so that their mechanical properties with the Approaching the thermodynamic equilibrium again ver worse. The properties created by heat treatment therefore only have a temporary service life if the tem temperatures and times during engine operation to a fort excretion reactions cause what the ho hen loads on the valves in modern, consumption poor internal combustion engines usually applies.

Auch die korrosionschemischen Eigenschaften der vorerwähnten ausscheidungshärtbaren Ventilstähle werden mit dem Lösungs glühen optimiert, weil erst hierdurch der für den Korrosions schutz erforderliche hohe Chromgehalt in der Matrix in feste Lösung geht. Beim Ausscheidungshärten von während der Produk tion lösungsgeglühten Ventilen, entweder unmittelbar während der Herstellung oder später während des Motorbetriebs, ver schlechtern sich die Heißkorrosionseigenschaften, weil dann vorzugsweise Chrom in den Präzipitaten und den schließlich koagulierenden Ausscheidungen fixiert und der Legierung als korrosionsschützendes Element entzogen wird.Also the corrosion-chemical properties of the aforementioned Precipitation hardenable valve steels come with the solution annealing is optimized because this is the only way to prevent corrosion protection required high chromium content in the matrix in solid Solution works. When precipitation hardening from during the produc tion annealed valves, either immediately during the manufacture or later during engine operation, ver the hot corrosion properties deteriorate because then preferably chromium in the precipitates and finally coagulating excretions fixed and the alloy as corrosion protection element is withdrawn.

Je nach der Höhe der thermischen Belastung im Motor nähern sich also die mit großem Aufwand durch Lösungsglühen und Aus scheidungshärten wärmebehandelten Stähle mehr oder weniger schnell und vollständig und in aller Regel unkontrolliert dem thermodynamischen Lösungsgleichgewicht, das dem Überalterungs zustand des jeweiligen Stahls entspricht. In diesem Zustand werden die durch Lösungsglühen und Ausscheidungshärten gebil deten festigkeitssteigernden Ausscheidungen als Präzipitate so weitgehend überaltert, daß die grob koagulieren Ausscheidun gen dann nicht mehr zur Festigkeitssteigerung beitragen können und auch die Beständigkeit dieser Stähle gegen Heißkorrosion verschlechtern.Approach depending on the level of thermal load in the motor so with great effort through solution annealing and out Divorce-hardened heat-treated steels more or less quickly and completely and usually in an uncontrolled manner thermodynamic solution balance, which is the aging condition of the respective steel. In this condition are created by solution annealing and precipitation hardening excretions that increase strength as precipitates largely outdated that the coagulated excretion coarsely then can no longer contribute to the increase in strength and also the resistance of these steels to hot corrosion worsen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Stahllegierung der einleitend genann ten Art zu schaffen, deren Eigenschaften sich durch Wärmeein wirkungen, insbesondere durch die thermischen Beanspruchungen des Motors, kaum verändern lassen.Based on this prior art, the invention lies The task is based on a steel alloy called the introductory part to create the kind whose properties are characterized by heat effects, in particular due to the thermal stresses of the engine, can hardly be changed.

Die Lösung der Erfindungsaufgabe zeichnet sich durch einen Stahl mit folgenden Legierungszusätzen in Masse-Prozenten aus:The solution to the invention problem is characterized by a Steel with the following alloy additives in mass percent:

Kohlenstoff0,30 - 0,70 Silicium0,50 max. Mangan8,00 - 16,00 Chrom24,00 - 32,00 Nickel8,00 - 16,00 Molybdän2,00 - 5,00 Niob/Tantal1,5 - 4,00 Vanadium0,3 max. Stickstoff0,30 - 0,70Carbon 0.30 - 0.70 Silicon0.50 max. Manganese 8.00-16.00 Chrome24.00 - 32.00 Nickel 8.00 - 16.00 Molybdenum 2.00 - 5.00 Niobium / tantalum 1.5 - 4.00 Vanadium 0.3 max. Nitrogen 0.30 - 0.70

Wenngleich erwartet werden mußte, daß ein Stahl innerhalb der Grenzen dieses Zusammensetzungsbereiches auf konventionellem Wege über Blockguß, Schmieden und Walzen schwierig herstellbar ist, so war insgesamt nicht davon auszugehen, daß der erfin dungsgemäß vorgeschlagene Ventilstahl ganz spezielle Eigenschaf ten und Vorteile besitzen würde. So wurde festgestellt, daß sich sein Verhalten durch Wärmeeinwirkungen nur sehr wenig ver ändern läßt; denn weder durch Lösungsglühen und Ausscheidungs härten, noch durch thermische Beanspruchungen im Motor konnten seine Eigenschaften mehr als nur unerheblich beeinflußt werden. Das bedeutet einen erheblichen praktischen Vorteil. Aus diesem Stahl hergestellte Gaswechselventile können nämlich ohne Wärme behandlungen, wie Lösungsglühen und/oder Ausscheidungshärten ohne Bedenken verwendet werden.Although a steel had to be expected to be within the Limits this area of composition to conventional Paths via block casting, forging and rolling difficult to manufacture overall, it was not to be assumed that the inventor Valve steel proposed according to the invention has a very special property would have advantages. It was found that his behavior changes very little due to the effects of heat can change; because neither by solution annealing and excretion harden, could still due to thermal loads in the engine its properties are influenced more than insignificantly. This means a considerable practical advantage. For this Steel-made gas exchange valves can namely without heat treatments such as solution annealing and / or precipitation hardening can be used without hesitation.

Weitere, die Erfindung vorteilhaft ergänzende Maßnahmen sind in den Unteransprüchen enthalten.Further measures which advantageously supplement the invention are shown in contain the subclaims.

Der Stahl mit der vorgeschlagenen Zusammensetzung und pulverme tallurgisch hergestellt, besitzt ohne Wärmebehandlung praktisch unveränderlich stabile mechanische Eigenschaften bei allen im Motor zu erwartenden thermischen Beanspruchungen. Außerdem wird auch seine überlegene Korrosionsbeständigkeit nicht erst durch die Wärmebehandlung Lösungsglühen erzeugt, sondern ist ohne diese und andere Wärmebehandlungen bereits auf Grund des vor teilhaften Legierungsaufbaues und der homogenen Verteilung der Legierungselemente infolge der äußerst feinkörnigen Struktur durch die pulvermetallurgische Herstellung vorgegeben. Die gute Korrosionsbeständigkeit wird also durch die thermischen Be anspruchungen im Motor nicht beeinflußt. Nachteile wirtschaft licher Art, die die erforderlichen Wärmebehandlungen bei den üblichen Stählen verursachen, werden bei dem erfindungsgemäßen Stahl vermieden.The steel with the proposed composition and powder Made by tallurgy, has practically no heat treatment unchangeable stable mechanical properties in all im Motor thermal stresses to be expected. Besides, will not only because of its superior corrosion resistance the heat treatment produces solution annealing, but is without this and other heat treatments based on the partial alloy structure and the homogeneous distribution of Alloy elements due to the extremely fine-grained structure predetermined by the powder metallurgical production. The good Corrosion resistance is therefore due to the thermal loading stresses in the engine are not affected. Disadvantages economy Licher type, which the necessary heat treatments at the cause common steels are in the invention Steel avoided.

Darüber hinaus besitzt der nach der Erfindung hergestellte Stahl ohne eine Wärmebehandlung Warmfestigkeits- und Ver schleißeigenschaften, die zum Teil auf den hohen Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt, aber auch auf die erwähnte legierungs technische Matrixverfestigung zurückzuführen sind und offen bar durch das Feinkorn und die außerordentlich feine Carbid- und Nitrid-Verteilung unterstützt werden. Der hohe Carbid- und Carbonitridanteil im Feingefüge der in feinster Verteilung vorliegt, führt trotz einer fehlenden festigkeitssteigernden Wärmebehandlung zu einem so hohen Verschleißwiderstand am abrasiv belasteten Ventilsitz, daß dieser Stahl besonders da zu geeignet erscheint, für am Ventilsitz ungepanzerte Gaswech selventile für Dieselmotoren, und zwar für Ein- und Auslaßven tile, eingesetzt zu werden.In addition, the manufactured according to the invention Steel without heat treatment, heat resistance and ver wear properties, partly due to the high carbon and nitrogen content, but also on the alloy mentioned technical matrix consolidation are due and open bar due to the fine grain and the extraordinarily fine carbide and nitride distribution are supported. The high carbide and Carbonitride content in the fine structure in the finest distribution is present, despite a lack of strength-increasing Heat treatment to such a high wear resistance on abrasively loaded valve seat that this steel especially there seems too suitable for gas exchange not armored at the valve seat valves for diesel engines, namely for inlet and outlet valves tile to be used.

Von besonderer Bedeutung ist, daß gleichzeitig die korrosions chemischen Eigenschaften durch den vorgeschlagenen Legierungs aufbau in Verbindung mit der pulvermetallurgischen Herstellung trotz fehlendem Lösungsglühen optimiert werden konnten. Damit ist es gelungen, bei sehr guten mechanischen Eigenschaften einen Stahl mit sehr niedrigen Korrosionsraten sowohl bei oxi dativem als auch bei einem Angriff in schwefelhaltiger Atmos phäre zu realisieren. Bei den erwähnten vorbekannten Stählen mit ähnlichem Legierungsaufbau konnten entweder hohe Festig keitseigenschaften durch Lösungsglühen und Ausscheidungshär ten bei nur mäßigen Heißkorrosionseigenschaften realisiert werden oder eine hohe Heißkorrosionsfestigkeit war nur auf Kosten der mechanischen Festigkeit möglich. Das heißt, daß sich bei den vorbekannten Stählen der erwähnten Legierungs gruppe beide Eigenschaften zur gleichen Zeit bislang weitge hend ausgeschlossen haben.It is particularly important that the corrosion chemical properties through the proposed alloy construction in connection with the powder metallurgical production could be optimized despite the lack of solution annealing. In order to succeeded with very good mechanical properties a steel with very low corrosion rates for both oxi as well as an attack in a sulfur-containing atmosphere to realize the sphere. For the previously known steels mentioned with a similar alloy structure either high strength properties due to solution annealing and precipitation hardness realized with only moderate hot corrosion properties become or a high hot corrosion resistance was only on Mechanical strength possible. It means that the known steels of the alloy mentioned group both properties at the same time have excluded.

In den nachstehenden Tabellen sind Festigkeitseigenschaften sowie Korrosionsraten des erfindungsgemäßen Stahls bei oxi dativem Angriff den entsprechenden Werten vorbekannter Stähle mit ähnlichem Legierungsaufbau gegenübergestellt. Das gewähl te Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stahls hatte folgende chemische Zusammensetzung in Masse-Prozenten:In the tables below are strength properties and corrosion rates of the steel according to the invention at oxi relative attack to the corresponding values of known steels with a similar alloy structure. The chosen one had te embodiment of the steel according to the invention following chemical composition in mass percent:

C0,53 Si0,40 Mn9,9 Cr24,6 Ni9,6 Mo3,03 V0,05 Nb1,97 N0,50 C0.53 Si0.40 Mn9.9 Cr24.6 Ni9.6 Mo3.03 V0.05 Nb 1.97 N0.50

Gewichtsverlust in g/dm² durch Korrosionsangriff an Luft Weight loss in g / dm² due to corrosion attack in air

Gewichtsverlust in g/dm² durch Schwefel-Korrosion Weight loss in g / dm² due to sulfur corrosion

Claims

1. Austenitic, high-strength and hot corrosion-resistant steel for gas exchange valves for internal combustion engines, characterized in that it is manufactured in powder percentages using the following chemical composition in mass percentages: carbon 0.30 to 0.70 silicon0.50 max. Manganese8.00 to 16.00 Chromium24.00 to 32.00 Nickel8.00 to 16.00 Molybdenum 2.00 to 5.00 Niobium / Tantalum1.50 to 4.00 Vanadium0.30 max. Nitrogen 0.30 to 0.70

2. Austenitic steel according to claim 1, characterized net that its carbon and nitrogen levels in their Sum at least 1.10 mass percent.

3. Austenitic steel according to claims 1 and / or 2, there characterized in that its minimum chromium content is so measured sen is that it is from the carbon and nitrogen content can be determined according to the following relationship: % Cr ≧ 15 +% C × 15 +% N × 3.5

4. austenitic steel according to claims 2 and / or 3, characterized in that it has a silicon content of maxi times 0.50 mass percent.

5. Austenitic steel according to one or more of the claims che 1 to 4, characterized in that it together or a up to 2.5 mass percent of the alloying elements Cer, Alumi contains nium and titanium.