DE3735589C2

DE3735589C2 -

Info

Publication number: DE3735589C2
Application number: DE3735589A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl.-Ing. 7054 Korb De Thiemann; Horst Dipl.-Ing. Zielke (Fh), 7057 Winnenden, De
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1987-10-21
Filing date: 1987-10-21
Publication date: 1990-10-04
Also published as: DE3735589A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilbetätigungshebel aus Leichtmetall mit eingegossenem Gleitkörper aus Oxid- oder Nitridkeramik.

Ventilbetätigungshebel, bei denen die Gleitfläche durch einen besonderen Gleitkörper gebildet wird, haben den Vor teil, daß für Hebelkörper und Kontaktfläche das jeweils ge eignete Material verwendet werden kann. So kann man für den Hebelkörper ein leichtes Material z.B. Aluminium oder Magne sium-Legierungen verwenden, während der Gleitkörper oder Gleitstein aus einem Material mit hoher Verschleißfestig keit z.B. aus Oxid- oder Nitridkeramik bestehen kann.

Die Befestigung des Gleitkörpers auf dem Hebelkörper ge schieht üblicherweise durch Eingießen oder durch Löten oder Kleben.

Das Kleben hat den Nachteil, daß die Klebeverbindungen häufig kein befriedigendes Langzeitverhalten aufweisen. Löten ist verhältnismäßig aufwendig, da die zum Löten erforderlichen Reaktionslote teuer sind, darüber hinaus müssen die durch Lötung miteinander zu verbindenden Flächen sorgfältig bearbeitet sein.

Das Eingießen ist eine verhältnismäßig preiswerte und sichere Verbindungsweise, ist aber auch mit Nachteilen verbunden. Durch die große Temperaturdifferenz des einzugießenden Keramikkörpers zu der heißen Leichtmetallschmelze besteht die Gefahr der Thermoschock-Rißbildung an der Oberfläche des Keramikteils, was zu einer Verschlechterung der Haftungseigenschaften und schlimmstenfalls zur Zerstörung des Gleitsteins im Betrieb führen kann. Man hat daher bereits dieses Problem dadurch zu lösen versucht, daß man den einzugießenden Gleitstein vor dem Eingießen vorgewärmt und heiß in die Gießform eingelegt hat. In diesem Fall tritt an der Eingießstelle kein Thermoschock mehr auf, jedoch kann nunmehr die Abkühlung des heißen Gleitsteins an der verhältnismäßig kühlen Formwand zu einem Thermoschock an der Gleitfläche des Gleitsteins führen, was mindestens genauso unerwünscht ist wie ein Thermoschock an der Eingießstelle. Zwar ist auch dieses Problem inzwischen dadurch gelöst, daß man die Abkühlung des heißen Gleitsteins an der Formwand verhindert, indem man z.B. die Formwand in dem Bereich, in dem sie mit dem heißen Gleitstein in Berührung kommt, thermisch isoliert oder aufheizt (DE-PS 35 20 484), jedoch ist auch dieses Verfahren mit verhältnismäßig großem Aufwand verbunden.

Aus der DE-PS 33 42 275 ist ein Ventilbetätigungshebel zu ent nehmen, bei dem ein Gleitkörper in einer Rechtecknut eingeklebt ist. Damit bei diesem Ventilbetätigungshebel mit dem einge klebten Gleitkörper ein Lösen des Gleitkörpers vermieden wird, umfaßt zusätzlich ein mit dem Ventilbetätigungshebel verbun dener rahmenförmiger Käfig den Gleitkörper. Der Boden des Kä figs ist dabei unten offen und der Käfig selbst mit dem Ven tilbetätigungshebel verschweißt.

Nach der DE-PS 34 29 169 ist bei einem Steuerelement für den Ventilbetrieb eines Verbrennungsmotores, das aus Metall be steht, ein Einsatzstück aus keramischem Werkstoff mittels einer Verbindungsschicht auf dem Steuerelement befestigt, wobei diese Verbindungsschicht aus einem öl- und temperaturbeständigen, vulkanisierten Elastomeren besteht, wodurch eine Haftung zwi schen dem keramischen Einsatzstück und dem metallischen Steu erelement erreicht werden soll. Bei beiden Gegenständen ist eine große Ausfallsicherheit nicht unbedingt gegeben, da eine gewisse Gefahr einer Thermoschock-Rißbildung nicht auszu schließen ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Ventilbetäti gungshebel aus Leichtmetall mit eingegossenem Gleitkörper aus Oxid- oder Nitridkeramik zu finden, bei dem die Gefahr der Thermoschock-Rißbildung deutlich verringert ist, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren für einen solchen Ventil betätigungshebel.

Diese Aufgabe wird durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen Ventilbetätigungshebel sowie durch das Verfahren zu seiner Herstellung gelöst.

Der Gleitkörper ist im einzugießenden Bereich mit einer den unmittelbaren Kontakt zwischen dem flüssigen Leicht metall und dem Gleitkörper verhindernden Schicht ver sehen. Durch diese Zwischenschicht wird beim Guß ein ver hältnismäßig langsamer und gleichmäßiger Temperaturanstieg in der Keramik des Gleitkörpers erreicht. Man erzielt da durch eine Reduzierung der thermischen Beanspruchung des Gleitkörpers und damit eine erhebliche Verringerung der Thermoschock-Rißbildung.

Die den Kontakt zwischen dem flüssigen Leichtmetall und dem Gleitkörper verhindernde Schicht kann metallischer oder nichtmetallischer Natur sein. Als metallische Schicht werkstoffe können Aluminium, Zinn, Blei, Eisen, Chrom, Nickel, Molybdän und andere geeignete Metalle sowie deren Legierungen Verwendung finden. Besonders bevorzugt werden Aluminium, Eisen, Chrom, Nickel und Molybdän.

Die metallischen Werkstoffe kommen in einer Schichtdicke von 0,05 bis 1 mm zur Anwendung. Die Schichten können durch alle bekannten Auftragungsverfahren auf die einzu gießenden Partien der Gleitkörper aufgetragen werden. Be vorzugt wird die Metallschicht in einem thermischen Sprüh vorgang auf den Gleitkörper aufgebracht. Bei diesem ther mischen Spritzen wird das Metall in den schmelzflüssigen oder teigigen Zustand überführt und auf das Substrat ge spritzt. Das thermische Spritzen kann beispielsweise Flamm-, Plasma-, Maser-, Laser-, Explosions- oder Lichtbogenspritzen sein. Dieses thermische Spritzen kann beispielsweise mittels einer Pulversprühpistole als Auftragsvorrichtung oder einer beliebigen anderen thermisch arbeitenden Auftragsvorrichtung vorgenommen werden.

Eine nichtmetallische Schicht kann auf dem Gleitkörper durch Tauchen oder Spritzen einer wäßrigen Suspension von Keramik partikeln oder dergleichen nach Techniken, wie sie aus der Porzellanverarbeitung bekannt sind, vorgenommen werden. Be sonders geeignet ist auch hier das bereits bei dem Auftrag der Metallschicht erwähnte thermische Spritzen, da so be sonders haftfeste Überzüge erzielt werden. Als geeignetes Material zur Erzeugung der Schicht ist Al₂O₃, ZrO₂, Scha motte, Al-Silicat, Graphit, MoS₂ und dergleichen, auch in Mischung, brauchbar, wobei sich das Auftragsverfahren für die Schicht nach der jeweiligen Substanz richtet. Die kera mische Schicht entfaltet ihre Wirkung beim Guß bereits in Schichtdicken von 0,05 bis 0,100 mm. Eine Erhöhung der Schichtdicke über 1 mm hinaus bringt keine weiteren Vor teile mehr mit sich. Zur besseren Haftung und zum Ausgleich unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten können Haftvermittlerschichten z. B. aus Yttrium, Aluminium, Chrom, Nickel oder aus Mischungen daraus zwischen Gleit körper und der kontaktverhindernden Schicht vorgesehen wer den. Diese Haftvermittlerschicht wird üblicherweise durch ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht. Die Schicht dicke der Haftvermittlerschicht kann sehr gering sein; be vorzugt wird eine Schichtdicke von etwa 50 µm.

Die den unmittelbaren Kontakt zwischen dem flüssigen Leicht metall und dem Gleitkörper verhindernde Schicht kann auch aus dem geschlossenen Boden eines Käfigs bestehen, in dem der Gleitkörper formschlüssig gehaltert ist, und zwar durch Leisten des Käfigs, die alle Kanten des Gleitkörpers über decken. Ein solcher Käfig kann aus Stahlblech mit einer Stärke von insbesondere 0,1 bis 2 mm aber auch aus einer fließgepreßten oder gegossenen Kassette z. B. aus Leicht metall mit einer Stärke von insbesondere 0,5 bis 3 mm be stehen, in die der Gleitkörper eingelegt und durch Umbör deln der Leisten bzw. Kanten der Kassette oder des Käfigs fixiert wird. Diese Kassette mit eingelegtem Gleitstein wird dann in der Gießform fixiert und nach einem der be kannten Verfahren, insbesondere durch Druckguß, wird dann der Ventilbetätigungshebel in der Gießform fertiggestellt. Die den Gleitstein tragende Kassette ist nach dem Guß homogen mit dem Gießmaterial verbunden.

In der Abbildung wird schematisch die Herstellung eines Kipphebels gezeigt. Es zeigen

Fig. 1 einen Gleitstein aus Zirkondioxidkeramik,

Fig. 2 einen im Gießverfahren aus Aluminium hergestellten Käfig für den Gleitstein,

Fig. 3 den in dem Käfig befestigten Gleitstein und

Fig. 4 einen Kipphebel, in den der Gleitstein gemäß Fig. 3 eingegossen ist,

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführung eines Käfigs,

Fig. 6 zeigt einen Gleitstein mit aufgespritzter Trenn schicht und

Fig. 7 zeigt den Gleitstein gemäß Fig. 6 in einen Kipp hebel eingegossen.

Fig. 1 zeigt in Ansicht einen Gleitstein 1 mit einer ge bogenen Gleitfläche 2. Das Gleitstück ist mit angeschrägten Flächen 3 und 4 versehen, an die die Metalleisten des Käfigs angepreßt werden. Fig. 2 zeigt den Käfig 5 mit dem Hohl raum 6, in den der Gleitstein 1 eingelegt wird. Nach dem Ein legen des Gleitsteins werden die Seitenwände (Leisten) 8, 9, 10 und 11 an die Schrägen 3 und 4 sowie die in Fig. 1 nicht dargestellten weiteren Schrägen angebördelt. Nach dem An bördeln nehmen sie etwa die gestrichelt dargestellte Lage (8′, 9′, 10′, 11′) ein. Ein Schnitt durch einen Gleitstein 1, der in einem Käfig 5 befestigt ist, zeigt Fig. 3. Der Käfig 5 gemäß Fig. 2 ist ferner mit Wülsten 7 versehen, die zur Verbesserung des Eingusses dienen. Fig. 4 zeigt den Schnitt durch einen Kipphebel 12, in den ein in einem Käfig 5 be findliches Gleitstück 1 eingegossen ist. Da der Käfig 5 aus dem gleichen Material wie der Kipphebel 12 besteht, näm lich Aluminium, sind die Konturen des ehemaligen Käfigs 5 lediglich punktiert dargestellt, da beim Einguß eine praktisch homogene Verbindung der Materialien des Kipphebels und des Käfigs entstanden ist.

Während sich die in Fig. 2 dargestellte Form des Käfigs vor allem für gegossene Käfige, insbesondere aus Alu minium, eignet, ist in Fig. 5 im Teilschnitt ein weiterer Käfig dargestellt, der sich z.B. durch Fließpressen her stellen läßt und vorzugsweise aus Stahl besteht. Außer den dargestellten beiden Käfigen können natürlich auch noch andere Käfige, z.B. aus Blech gefalzte Käfige Ver wendung finden. Wesentlich an den Käfigen ist nur, daß sie einmal mit ihren Rändern das Gleitstück formschlüssig hal ten müssen und zum anderen daß sie einen geschlossenen Boden besitzen, der eine den unmittelbaren Kontakt zwischen dem Leichtmetall und dem Gleitkörper verhindernde Schicht beim Einguß bildet.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch einen Gleitstein 61, der auf seiner Rückseite mit einer den unmittelbaren Kontakt zwischen Schmelze und Gleitstein beim Eingießen verhindernden Schicht 62 versehen ist. Die Schicht 62 besteht aus ZrO₂ mit 6 bis 8% Y₂O₃. Die Schicht ist mittels einer Plasmaspritzpistole auf an sich bekannte Weise in einer Stärke von 0,8 bis 1 mm aufgetra gen. Fig. 7 zeigt einen Kipphebel 63 im Schnitt mit eingegos senem Gleitstück 61. Die den unmittelbaren Kontakt zwischen Gleitstück und Kipphebel verhindernde Schicht 62 ist in diesem Fall noch deutlich erkennbar.

Durch die den unmittelbaren Kontakt des Gleitstücks zum flüs sigen Metall während des Eingießens des Gleitstücks verhin dernde Schicht ist es möglich, Kipphebel mit eingegossenem Gleitstück herzustellen, die eine wesentlich bessere Ausfall sicherheit besitzen als die bisher hergestellten.

Claims

1. Ventilbetätigungshebel aus Leichtmetall mit eingegossenem Gleitkörper aus Oxid- oder Nitridkeramik, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitkörper im eingegossenen Bereich mit einer den unmittelbaren Kontakt zwischen dem Leichtmetall und dem Gleitkörper verhindernden Schicht versehen ist.

2. Ventilbetätigungshebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitkörper in einem rahmenförmigen Käfig durch Leisten gehaltert ist, wobei der rahmenförmige Käfig einen geschlossenen Boden besitzt, der den unmittelbaren Kontakt zwischen Leichtmetall und Gleitkörper verhindert.

3. Ventilbetätigungshebel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig aus Leichtmetall oder Stahl besteht und sein Boden 0,5 bis 3 mm bzw. 0,1 bis 2 mm dick ist.

4. Ventilbetätigungshebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitkörper im einzugießenden Bereich mit einer thermisch aufgespritzten Metallschicht als kontaktverhin dernde Schicht versehen ist.

5. Ventilbetätigungshebel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Al, Fe, Mo, Cr, Ni oder Legierungen oder Mischungen daraus besteht und 0,05 bis 1 mm stark ist.

6. Ventilbetätigungshebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitkörper im einzugießenden Bereich mit einer Schicht aus ZrO₂, Al₂O₃, Cr₂O₃, TiO₂, NiO, SiO₂ oder Mischungen daraus als kontaktverhindernde Schicht versehen ist und die Schicht 0,050 bis 1 mm stark ist.

7. Ventilbetätigungshebel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gleitkörper und der kontaktverhindernden Schicht eine Haftvermittlerschicht, insbesondere aus Yttrium, Aluminium, Chrom, Nickel oder Mischungen oder Legierungen daraus angeordnet ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Ventilbetätigungshebels aus Leichtmetall mit einem eingegossenen Gleitkörper aus Oxid- oder Nitridkeramik, dadurch gekennzeichnet, daß während des Eingießens des Gleitkörpers in das flüssige Metall der Gleitkörper im einzugießenden Bereich mit einer den unmittelbaren Kontakt zwischen dem flüssigen Leichtme tall und dem Gleitkörper verhindernden Schicht versehen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzugießenden Teile des Gleitkörpers vor dem Gießen im einzugießenden Bereich durch thermisches Spritzen mit einer Metallschicht oder durch Tauchen oder Spritzen mit einer wäßrigen Schicht von Keramikpartikeln überzogen werden, wobei mittels dieser Überzugschicht der unmittelba re Kontakt des flüssigen Metalls mit dem Gleitkörper verhin dert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzugießenden Teile des Gleitkörpers vor dem Gießen im einzugießenden Bereich mit einer metallischen Schicht aus Aluminium, Eisen Molybdän, Chrom, Nickel oder Legie rungen davon oder mit einer Schicht aus ZrO₂, Al₂O₃, Cr₂O₃, TiO₂, NiO oder Mischungen daraus überzogen werden, mit einer Schichtdicke von 0,05 bis 1 mm.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitkörper in einem rahmenförmigen Käfig mit ge schlossenem Boden formschlüssig gehaltert wird, der Käfig mit dem eingelegten Gleitkörper in der Gießform fixiert und in die Metallschmelze eingegossen wird, wobei der Bo den des Käfigs den unmittelbaren Kontakt zwischen der Me tallschmelze und dem Gleitkörper verhindert.