DE4014072A1 - Verwendung von ausscheidungshaertenden ferritisch-perlitischen (afp-)staehlen als werkstoff fuer gaswechselventile von verbrennungsmotoren - Google Patents
Verwendung von ausscheidungshaertenden ferritisch-perlitischen (afp-)staehlen als werkstoff fuer gaswechselventile von verbrennungsmotorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung von ausscheidungshärtenden ferritisch-
perlitischen Stählen, sog. AFP-Stählen, als Werkstoff für Gaswechselventile
von Verbrennungsmotoren.
Gaswechselventile sind Ein- und Auslaßventile in Verbrennungsmotoren, die den
Gaswechsel im Motor regeln und den Arbeitsraum des Zylinders nach außen
abdichten.
Die Motorentwicklung zu immer höheren Leistungen führt zu einer stetig größer
werdenden Wärmebelastung der Ventile, wobei die von heißen Verbrennungsgasen
umspülten Auslaßventile Betriebstemperaturen bis ca. 850°C erreichen. Einlaßventile
werden dagegen durch das Frischgas gekühlt und erreichen selten
Temperaturen über 550°C.
Neben hohen Warmfestigkeitseigenschaften der Ventilwerkstoffe sind weitere
Gebrauchseigenschaften gefordert, wie sie schematisch in Fig. 1 wiedergegeben
sind (1).
Für diese Eigenschaften sind spezielle Ventilwerkstoffe entwickelt worden,
die in DIN 17 480 (2) genormt sind. Werkstoffkundlich werden drei Gruppen
unterschieden:
- - martensitisch-carbidische Stähle, wie die Werkstoffe Nr. 1.4718, 1.4731, 1.4748;
- - austenitisch-carbidische Stähle, z. T. aushärtbar, wie die Werkstoffe Nr. 1.4873, 1.4875, 1.4882, 1.4785 und
- - austenitisch-aushärtbare Legierungen, wie die Werkstoffe Nr. 2.4955, 2.4952.
Die Ventilhersteller berücksichtigen bei der Auslegung der unterschiedlich
belasteten Ventile die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften der Ventilwerkstoffe.
So werden gering belastete Einlaßventile als Einmetallventile ("Monoventile")
häufig aus dem Stahl 1.4718 (X 45 CrSi 93) hergestellt. Dabei
werden beispielsweise vergütete, geschliffene Stäbe partiell konduktiv erwärmt
und gleichzeitig birnenförmig gestaucht. Danach wird im Gesenk der Ventilteller
geschmiedet, dann wird vergütet oder angelassen und schließlich erfolgt
die Fertigbearbeitung. Bei hoch beanspruchten Auslaßventilen ist der Ventilhersteller
häufig gezwungen, Ventilwerkstoffe sinnvoll miteinander zu kombinieren.
Wie in Fig. 1 am Beispiel eines Bimetallventiles dargestellt, kann z. B. durch
Reibschweißen eines Ventiltellers aus dem Stahl 1.4871 (X 53 CrMnNi N 219)
mit einem Stahl 1.4718 (X 45 CrSi 93) die hohe Warmfestigkeit und Heißgaskorrosionsbeständigkeit
des aushärtbaren austenitischen Stahles mit dem hohen
Verschleißwiderstand und den guten Gleiteigenschaften des härtbaren martensitischen
Stahles kombiniert werden.
Nach dem heutigen Stand der Technik werden für Einlaßventile und gering
beanspruchte Auslaßventile sowie für Schäfte von Ein- und Auslaßbimetallventilen
mehr als die Hälfte des Gesamtbedarfs an Ventilwerkstoffen aus dem Stahl
1.4718 (X 45 CrSi 93) oder Modifikationen hergestellt. Diese Stähle werden
beim Stahlhersteller und Ventilhersteller entsprechend den Haupt-Fertigungsfolgen,
wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind, verarbeitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, anstelle der bisher eingesetzten
martensitisch-carbidischen Stähle, die entsprechend der Fertigungsfolge
sowohl beim Stahlerzeuger als auch beim Ventilhersteller mehrfach wärmebehandelt
werden müssen, Stähle einzusetzen, die möglichst ohne Wärmebehandlung
die geforderten Ventileigenschaften erreichen und einen geringeren Bearbeitungsaufwand
erfordern.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß AFP-Stähle der Zusammensetzung
nach einem oder mehreren der Ansprüche vorgeschlagen.
Es wurde festgestellt, daß AFP-Stähle sowohl nach dem Walzen zu Draht als
auch nach dem Stauchen und Gesenkschmieden mit gesteuerter Abkühlung von
Warmformgebungstemperatur an Luft ("Zustand BY") mechanisch-technologische
Werte aufweisen, die denen des Stahles 1.4718 vergleichbar sind. Tafel 1
zeigt die chemische Zusammensetzung, Tafel 2 und Fig. 4 die Festigkeitseigenschaften
bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen. Tafel 3 und Fig. 5
kennzeichnen die Zeitstandfestigkeit der Vergleichswerkstoffe 1.4718
(X 45 CrSi 93) und eines AFP-Stahles. Demnach sind AFP-Stähle im Zustand
BY eine sinnvolle Alternative zu dem bekannten Stahl 1.4718.
Die aus dem erfindungsgemäß zu verwendenden AFP-Stahl bei einem Ventilhersteller
hergestellten Einlaßventile wurden nach dem Stauchen und Gesenkschmieden an
ruhender Luft abgekühlt und ohne Vergütung und sonstige Wärmebehandlung
in Motorprüfständen erprobt. Die gefundenen Ergebnisse sind auch im Vergleich
zu dem bisher eingesetzten Stahl 1.4718 positiv und ausreichend.
Erfindungsgemäß zu verwendende Stähle haben gegenüber den bisher eingesetzten
Materialien für Gaswechselventile den Vorteil, daß sie nach den in den Fig.
6 und 7 wiedergegebenen Fertigungsfolgen vereinfacht und damit kostensparender
erzeugt werden können.
Beim Vergleich der Hauptfertigungsfolgen nach den Fig. 6 und 7 mit den bisher
üblichen Hauptfertigungsfolgen in den Fig. 2 und 3 fällt zunächst beim
Einsatz von AFP-Stählen der Wegfall von Wärmebehandlungen beim Stahlerzeuger
und Ventilhersteller auf. Als weiterer Vorteil kann wegen der geringeren Riß-
und Entkohlungsempfindlichkeit der AFP-Stähle im Vergleich zum Stahl 1.4718
und wegen der fehlenden Entkohlung durch wegfallende Wärmebehandlungsvorgänge
das heute notwendige 100%ige Blankschleifen des Halbzeuges zum Weiterwalzen
beim Stahl 1.4718 durch partielles Fleckschleifen bei den AFP-Stählen ersetzt
werden. Darüber hinaus kann das Bearbeitungsaufmaß zum Centerless-Schleifen
von Stabstahl reduziert oder sogar ganz eingespart werden, indem man bei
AFP-Stählen als Vormaterial für die Herstellung von Gaswechselventilen gezogene
Stäbe anstelle von geschliffenen Stäben einsetzt.
Weitere Vorteile der AFP-Stähle gegenüber martensitisch-carbidischen Ventilstählen
sind neben geringerer Riß- und Entkohlungsempfindlichkeit:
- geringerer Legierungsaufwand;
- bessere Strangvergießbarkeit;
- geringere Empfindlichkeit gegenüber grobkörniger Rekristallisation;
- bessere Zerspanbarkeit.
- bessere Strangvergießbarkeit;
- geringere Empfindlichkeit gegenüber grobkörniger Rekristallisation;
- bessere Zerspanbarkeit.
Insgesamt ergibt sich bei Verwendung der AFP-Stähle für Gaswechselventile von
Verbrennungsmotoren durch diese Vorteile eine erhebliche Kosteneinsparung
beim Stahlerzeuger und auch beim Ventilhersteller.
¹) V. Schüler, T. Kreul, S. Engineer: "Edelbaustähle im Automobil",
Thyssen Technische Berichte 2 (1986), S. 233-240
²) DIN 17 480: "Ventilwerkstoffe", Beuth Verlag GmbH, Berlin 30 (September 1984)
²) DIN 17 480: "Ventilwerkstoffe", Beuth Verlag GmbH, Berlin 30 (September 1984)
Vergleichsstähle: 1.4718 (X 45 CrSi 93) und AFP-Stahl
Vergleichsstähle: 1.4718 (X 45 CrSi 93) und AFP-Stahl
Vergleichsstähle 1.4718 (X 45 CrSi 93) und AFP-Stahl
Claims (4)
1. Verwendung von ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stählen,
bestehend aus
0,20 bis 0,60% Kohlenstoff
0,20 bis 0,95% Silicium
0,50 bis 1,80% Mangan
0,004 bis 0,04% Stickstoff
0,05 bis 0,20% Vanadium und/oder Niob,Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren.
0,20 bis 0,95% Silicium
0,50 bis 1,80% Mangan
0,004 bis 0,04% Stickstoff
0,05 bis 0,20% Vanadium und/oder Niob,Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren.
2. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1, der zusätzlich noch
bis 0,20% Schwefel, bis 0,70% Chrom, bis 0,10% Aluminium, bis 0,05%
Titan einzeln oder zu mehreren enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1 und 2 mit
0,35 bis 0,50% Kohlenstoff
0,40 bis 0,80% Silicium
1,00 bis 1,60% Mangan
0,05 bis 0,50% Chrom
0,01 bis 0,05% Aluminium
0,008 bis 0,03% Stickstoff
0,05 bis 0,12% Vanadium,Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1.
0,40 bis 0,80% Silicium
1,00 bis 1,60% Mangan
0,05 bis 0,50% Chrom
0,01 bis 0,05% Aluminium
0,008 bis 0,03% Stickstoff
0,05 bis 0,12% Vanadium,Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1.
4. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 3, der zusätzlich noch bis 0,05%
Schwefel, bis 0,05% Niob, bis 0,025% Titan einzeln oder zu mehreren
enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
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