Die Erfindung betrifft die Verwendung von intermetalli
schen Phasen aus Nickel und Aluminium als Werkstoff für
Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen.The invention relates to the use of intermetalli
phases of nickel and aluminum as a material for
Gas exchange valves of internal combustion engines.
Bei modernen Brennkraftmaschinen steigen die Brennraumtem
peraturen und auch die Temperatur der verbrannten Gase
stark an. Durch diese hohen Temperaturen werden die Gas
wechselventile und hierbei insbesondere die Auslaßventile
stark wärmebeansprucht. Üblicherweise werden daher derar
tige Ventile aus einem hochwarmfesten Material herge
stellt, mit Hilfe dessen die dort auftretenden hohen Tem
peraturen beherrscht werden können. Als Beispiel für ein
solches Material sei hier Nimonic 80 genannt.The combustion chamber temperature increases in modern internal combustion engines
temperatures and also the temperature of the burned gases
strong. Due to these high temperatures, the gas
shuttle valves and in particular the exhaust valves
heavily exposed to heat. Usually, derar
valves made of a heat-resistant material
with the help of which the high tem
temperatures can be mastered. As an example of a
such material is called Nimonic 80.
Ein Nachteil dieser Materialien besteht darin, daß sie zur
Aufkohlung neigen, das heißt daß Kohlenstoff aus dem Ver
brennungsgas in das Metall diffundiert. Die hierdurch be
dingte Karbidbildung versprödet den Werkstoff, so daß es
bei mechanischer Beanspruchung an der Werkstoffoberfläche
zu Anrissen kommen kann. An besonders beanspruchten
Stellen kann es dadurch zu Schäden kommen. So zeigt sich
z.B. eine Rißbildung im Ventilteller bzw. dort im beson
ders stark beanspruchten Ventilsitz. Zur Vermeidung derar
tiger Schäden muß ein anderer Werkstoff verwendet werden.
Denkbar ist der Einsatz von Keramikmaterialien, jedoch
weisen diese den Nachteil auf, daß sie bei Raumtemperatur
nicht duktil genug sind, das heißt also nicht gut bearbeit
bar sind. Ein anderer Werkstoff ist mit sogenannten oxid
dispersionsverfestigten Superlegierungen (ODS) gegeben,
die jedoch nach dem Schweißen ihre ursprüngliche Festig
keit verlieren und außerdem um ein Vielfaches teurer sind
als die zur Zeit eingesetzten Legierungen.A disadvantage of these materials is that they are used
Carburization tend, that means that carbon from Ver
combustion gas diffuses into the metal. The hereby be
due carbide formation embrittles the material, so that it
with mechanical stress on the material surface
can start to crack. On particularly stressed
This can cause damage. So it shows
e.g. a crack formation in the valve plate or there in particular
heavily used valve seat. To avoid such
damage, another material must be used.
The use of ceramic materials is conceivable, however
these have the disadvantage that they are at room temperature
are not ductile enough, so that means not working well
are cash. Another material is with so-called oxide
dispersion strengthened superalloys (ODS),
which, however, after welding their original strength
lose speed and are also many times more expensive
than the alloys currently used.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gaswechselventil
einer ventilgesteuerten Brennkraftmaschine aus einem be
sonders warmfesten Material herzustellen, welches bei aus
reichender Duktilität zur Bearbeitung bei Raumtemperatur
und niedrigen Herstellungs- und Bearbeitungskosten eine
genügend große Warmfestigkeit und Dauerschwingfestigkeit
aufweist.The object of the invention is therefore a gas exchange valve
a valve-controlled internal combustion engine from a be
to produce particularly heat-resistant material, which is made of
sufficient ductility for processing at room temperature
and low manufacturing and processing costs
sufficiently high heat resistance and fatigue strength
having.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung von
an sich bekannten intermetallischen Phasen aus Aluminium
und Nickel gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Derartige
intermetallische Phasen sind beispielsweise durch Hansen
und Anderko in "Constitution of Binary Alloys", McGraw-
Hill Book Company Inc., 1958, Seiten 118-121 sowie in der
"DE-Zeitschrift für Metallkunde", Band 78 (1987), H.2,
Seiten 75-79 beschrieben. Weitere Vorteile und
Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen und der Be
schreibung hervor.The object is achieved by the use of
known intermetallic phases made of aluminum
and nickel solved according to claim 1. Such
Intermetallic phases are, for example, by Hansen
and Anderko in "Constitution of Binary Alloys", McGraw-
Hill Book Company Inc., 1958, pages 118-121 and in
"DE-Zeitschrift für Metallkunde", volume 78 (1987), H.2,
Pages 75-79. Other advantages and
Refinements go from the dependent claims and the Be
spelling out.
Die im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordneten
Gaswechselventile und hierbei insbesondere die Auslaßven
tile bzw. die besonders beanspruchten Teile dieser Ven
le, wie z.B. der Ventilteller, sind aus einem Werkstoff
intermetallischer Phase aus Nickel und Aluminium herge
stellt.The arranged in the cylinder head of an internal combustion engine
Gas exchange valves and in particular the exhaust valves
tile or the particularly stressed parts of this Ven
le, e.g. the valve disc are made of one material
intermetallic phase made of nickel and aluminum
poses.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben.An embodiment of the invention
is described below with reference to the drawing.
In der einzigen Figur ist mit 1 ein Gaswechselventil einer
ventilgesteuerten Brennkraftmaschine bezeichnet. Bei bis
herigen Ausführungen von darartigen Gaswechselventilen
wurden diese aus Gründen der Material- und Kostenersparnis
aus zwei Teilen gefertigt. Der weniger stark beanspruchte
Ventilschaft 2 kann dabei aus einem üblichen Stahl beste
hen, während der hoch wärmebeanspruchte Ventilteller 3 aus
einem hochwarmfesten Material, wie z.B. Nimonic 80 be
steht. Neben den hohen Kosten für ein hochwarmfestes Mate
rial der genannten Art, weist dieses ein ungenügendes Heiß
gaskorrosionsverhalten und eine Neigung zur Aufkohlung
auf. Die sogenannte Aufkohlung, das heißt Karbidbildung
mit Diffusion von Kohlenstoff in das Metall des Ventil
tellers 3 führt zu einer Versprödung des Materials mit
daraus folgender Rißbildung insbesondere an der Verbin
dungsstelle 4 zwischen Ventilschaft 2 und Ventilteller 3.
Aus diesem Grund ist das Gaswechselventil 1 bzw. der Ven
tilteller 3 aus einem Werkstoff intermetallischer Phase
hergestellt, welches eine hohe Temperaturfestigkeit und
ein günstiges Thermoschockverhalten aufweist. Als geeignet
hat sich dabei die intermetallische Phase Ni3Al erwiesen,
die sehr aufkohlungsbeständig ist, gegenüber Oxidation an
Luft widerstandsfähig ist und ein gutes
Heißgaskorrosionsverhalten bei den im Betrieb der Brenn
kraftmaschine vorkommenden Gasen aufweist. Der Einsatz
dieses Materials bringt auch eine Gewichtsersparnis mit
sich, wodurch der gesamte Ventiltrieb in vorteilhafter
Weise leichter gestaltet werden kann. Eine Steigerung der
Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion kann durch den
Einsatz von NiAl erzielt werden, welches darüberhinaus
noch leichter ist. Um eine zur Bearbeitung gewünschte aus
reichende Duktilität das Werkstoffes bei Raumtemperatur zu
erreichen, kann dem Werkstoff noch Bor hinzugefügt werden.
Auf diese Weise können die Bauteile einfacher und kosten
günstig hergestellt werden. Die Herstellung des gesamten
Ventils 1 bzw. nur des Ventiltellers 3 kann in einem bil
ligen Umformverfahren, wie z.B. durch Rundkneten, erfol
gen. Die Eigenschaften des Werkstoffes erlauben außerdem
eine gute Schweißbarkeit, so daß der Ventilteller 3 durch
Elektronenstrahlschweißen, aber auch durch Reibschweißen
oder Löten mit dem Ventilschaft 2 einfach und haltbar ver
bunden werden kann. Es können selbstverständlich noch wei
tere zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften und
des Korrosionsverhaltens geeignete Elemente, wie z.B. Haf
nium, Mangan, Eisen, Tantal, Zirkonium, Titan, Kobalt,
Silizium oder Niob, dem Werkstoff beigemengt werden.In the single figure, 1 denotes a gas exchange valve of a valve-controlled internal combustion engine. In previous versions of such gas exchange valves, these were made from two parts for reasons of material and cost savings. The less heavily used valve stem 2 can consist of a conventional steel, while the highly heat-stressed valve disk 3 is made of a high-temperature material, such as Nimonic 80. In addition to the high costs for a highly heat-resistant material of the type mentioned, this exhibits insufficient hot gas corrosion behavior and a tendency to carburize. The so-called carburization, that is carbide formation with diffusion of carbon into the metal of the valve plate 3 leads to embrittlement of the material with consequent crack formation, in particular at the connection point 4 between valve stem 2 and valve plate 3 . For this reason, the gas exchange valve 1 or the Ven tilteller 3 is made of an intermetallic phase material which has a high temperature resistance and a favorable thermal shock behavior. The Ni 3 Al intermetallic phase has proven to be suitable, which is very resistant to carburization, is resistant to oxidation in air and has good hot gas corrosion behavior in the gases occurring during operation of the internal combustion engine. The use of this material also saves weight, which advantageously makes the entire valve train lighter. An increase in resistance to corrosion can be achieved by using NiAl, which is also lighter. Boron can also be added to the material in order to achieve a sufficient ductility of the material at room temperature. In this way, the components can be manufactured more easily and inexpensively. The production of the entire valve 1 or only of the valve plate 3 can be carried out in a bil forming process, such as by kneading, for example. The properties of the material also allow good weldability, so that the valve plate 3 can be welded by electron beam welding, but also by friction welding or Soldering with the valve stem 2 can be connected easily and durably. Of course, other elements suitable for optimizing the mechanical properties and the corrosion behavior, such as haf nium, manganese, iron, tantalum, zirconium, titanium, cobalt, silicon or niobium, can be added to the material.