DE4124095A1

DE4124095A1 - Ventilstoessel mit keramischer auflageplatte und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE4124095A1
Application number: DE4124095A
Authority: DE
Inventors: Osamu Suzuki; Masato Taniguchi; Masaya Ito
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 1992-03-19
Also published as: JPH0518213A; US5168841A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventilstößel für einen Ver brennungsmotor und insbesondere einen Ventilstößel mit einer mit ei ner Nocke in Kontakt befindlichen keramischen Auflageplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ferner ein Verfahren zur Her stellung eines solchen Ventilstößels gemäß dem Oberbegriff des An spruches 7.

Ein herkömmlicher Ventilstößel für einen Verbrennungsmotor wird üblicherweise vollständig aus einem einzigen metallischen Material wie etwa Hartgußeisen hergestellt.

Um durch die Verbesserung der Verschleißfestigkeit des Ventilstößels die Forderung nach einer höheren Ausgangsleistung eines Motors er füllen zu können, ist kürzlich ein Ventilstößel vorgeschlagen worden, der aus einem Ventilstößel-Hauptkörper aus einem einzigen metalli schen Material und einer keramischen Scheibe oder Auflageplatte, die durch Hartlöten an einem Ende des Ventilstößel-Hauptkörpers befestigt wird, besteht.

Bei diesem herkömmlichen Ventilstößel mit der keramischen Auflage platte bestehen die folgenden Probleme:

a) Wenn der Ventilstößel-Hauptkörper aus einem metallischen Material hergestellt wird, das sich hinsichtlich seiner mechanischen Ei genschaften aufgrund der Erwärmung während des Hartlötens ver schlechtert, ist eine Wärmebehandlung des Ventilstößels nach dem Hartlötvorgang erforderlich. Eine solche Wärmebehandlung kann je doch die Festigkeit des hartgelöteten Bereichs absenken. Daher soll der Ventilstößel aus einem solchen metallischen Material hergestellt wer den, das durch die Erwärmung während des Hartlötvorgangs gehärtet wird. Als diese Anforderung erfüllende metallische Materialien werden SNCM 630 (Chromnickelmolybdänstahl gemäß japanischer Industrie standards), SKC 24 (Hohlbohrstahl gemäß japanischer Industriestan dards) usw. angesehen. Diese metallischen Materialien sind jedoch teuer. Wenn daher solche metallische Materialien für den Ventilstößel- Hauptkörper verwendet werden, ergeben sich für den Ventilstößel un vermeidlich hohe Fertigungskosten.
b) Ein metallisches Material, das für die Verbindung mit einer keramischen Auflageplatte geeignet ist, besitzt im allgemeinen eine schlechte maschinelle Bearbeitbarkeit, woraus sich hohe Fertigungsko sten ergeben. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Ventilstößel bear beitet werden muß, um in ihm eine tiefe Bohrung auszubilden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen und verbesserten Ventilstößel zu schaffen, mit dem die Fertigungskosten durch die Verringerung des Material- und Maschinenbearbeitungsauf wandes verringert werden können.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen und verbesserten Ventilstößel vom obenerwähnten Typ zu schaffen, mit dem die Produktionseffizienz erhöht werden kann, um so die Ferti gungskosten weiter zu verringern.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen und verbesserten Ventilstößel vom obenerwähnten Typ zu schaffen, mit dem eine ausreichende Festigkeit eines Verbindungsbereichs unter Er zielung eines geringen Eigengewichts erreicht werden kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilstößels vom obenerwähnten Typ zu schaf fen.

Die ersten drei Aufgaben werden bei einem Ventilstößel der gattungs gemäßen Art erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kenn zeichnenden Teil des Anspruches 1.

Die vierte Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 7.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen, die sich auf besondere Ausführungsformen der Er findung beziehen, angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungs formen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene, aufgeschnittene Darstellung eines Ventilstößels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt des Ventilstößels von Fig. 1 im zu sammengebauten Zustand;

Fig. 3 einen Querschnitt des Ventilstößels von Fig. 1 im zer legten Zustand;

Fig. 4 einen Querschnitt eines Ventilstößels gemäß einer weite ren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5A, 5B vergrößerte Teilquerschnitte zur Darstellung einer Ver bindungslänge und einer Schweißlänge im Ventilstößel von Fig. 4; und

Fig. 6, 7 Querschnitte von Ventilstößeln gemäß weiteren Ausfüh rungsformen der vorliegenden Erfindung.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt ein Ventilstößel 1A einen hohlen und mit einem Boden versehenen Ventilstößel-Hauptkörper 2, der eine hohle zylindrische Führung 3 und an einem Ende dieser Füh rung 3 eine Bodenwand 4 besitzt. Die Bodenwand 4 besitzt in einem mittigen Bereich ihrer inneren Oberfläche einen halbkugelförmig aus gesparten Bereich 6, in dem ein unteres Ende einer Stößelstange 5, die einen Teil eines Ventilbetätigungsmechanismus darstellt, gelagert ist.

Der Ventilstößel-Hauptkörper 2 ist in einen rohrförmigen oberen Teil 2a und einen unteren Teil 2b, der wenigstens das Bodenelement 4 ent hält, unterteilt. Der obere Teil 2a und der untere Teil 2b werden durch Hartlöten miteinander verbunden, um so den Ventilstößel-Hauptkörper auszubilden.

Der obere Teil 2a ist aus S40C (Kohlenstoffstahl zur Verwendung als Maschinen-Baustahl gemäß japanischer Industriestandards) hergestellt, der billig ist und eine gute maschinelle Bearbeitung gewährleistet. Da im Betrieb des Motors der obere Teil 2a lediglich in einer Führungs bohrung 7a eines Zylinderblocks 7 aufwärts und abwärts gleitet, ist für ihn eine hohe Verschleißfestigkeit nicht erforderlich. Wenn jedoch der obere Teil 2a durch die Härtung seines eigenen Materials keine ausrei chende Verschleißfestigkeit erhält, kann seine Außenfläche vor der Verbindung mit dem unteren Teil 2b in einem Härtungsvorgang bear beitet werden. Wenn statt dessen der Härtungsvorgang des oberen Teils 2a nach der Verbindung des oberen Teils 2a mit dem unteren Teil 2b ausgeführt wird, entstehen Beschränkungen wie etwa die Notwendig keit der Verwendung einer Induktionshärtung. Daher wird der Här tungsvorgang des oberen Teils 2a vorzugsweise vor der Verbindung dieses Teils mit dem unteren Teil 2b ausgeführt.

Der untere Teil 2b ist so geformt, daß er eine Bodenwand 4 und an de ren Oberseite eine Umfangswand 4a besitzt, die eine Fortsetzung des unteren Endes des oberen Teils 2a bildet. Da die Stößelstange 5 und der ausgesparte Bereich 6 aneinander gleiten und dabei eine hohe Last aufeinander ausüben, sollte der untere Teil 2b aus SNCM 630 (Chromnickelmolybdänstahl gemäß japanischer Industriestandards) oder aus SKC 24 (Hohlbohrstahl gemäß japanischer Industriestan dards), die ausgezeichnete Verschleißfestigkeitseigenschaften besitzen, hergestellt werden.

Ferner kann der untere Teil 2b je nach Anforderung insgesamt oder wenigstens im ausgesparten Bereich 6 durch eine Elektronenstrahlhär tung oder eine Laserstrahlhärtung bearbeitet werden, um die Ver schleißfestigkeit zu erhöhen.

Der obere Teil 2a und der untere Teil 2b werden durch Schweißen wie etwa Elektronenstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißen miteinan der verbunden. Danach werden vorzugsweise die Schweißraupe abge tragen und sowohl die Orthogonalität des oberen Teils 2a eingestellt als auch eine ausreichende Ebenheit der äußeren Bodenfläche des unteren Teils 2b hergestellt.

Die äußere Seitenfläche der Bodenwand 4 des Ventilstößel-Hauptkör pers 2 wird mit einer keramischen Auflageplatte 8 verbunden. Die ke ramische Auflageplatte 8 wird durch die Bearbeitung einer kreisförmi gen Silizium-Nitrid-Platte, die bei Atmosphärendruck gesintert wird und 90 Gewichts-% von Si₃N₄ enthält, hergestellt. Die keramische Auflageplatte 8 kann für die Verbindung mit dem unteren Teil 2b an der Verbindungsfläche mit einer Metallschicht überzogen werden.

Der Ventilstößel 1A wird folgendermaßen hergestellt: Zunächst wird die keramische Auflageplatte 8 durch Hartlöten am unteren Teil 2b be festigt. Dieser Hartlötvorgang wird bei Erwärmung und unter Verwen dung eines Ag-Cu-Hartlötmetalls, das Ti enthält, ausgeführt. Ein be vorzugtes Hartlötmetall stellt beispielsweise eine Ag-Cu-Ti-Legierung, eine Ag-Cu-In-Ti-Legierung, eine Ag-Ti-Legierung, eine Cu-Ti-Legie rung oder eine Ag-Cu-Ni-Ti-Legierung dar. Wenn die keramische Auflageplatte 8 wie oben erwähnt durch einen Metallisierungsprozeß bearbeitet wird, wird eine Ag-Cu-Legierung oder eine Ag-Cu-In-Legie rung bevorzugt.

Als Umgebungsbedingungen für das Hartlöten werden ein nichtoxidie rendes Gas, etwa Ar, H₂ oder N₂ oder Vakuum bevorzugt. Insbeson dere bei der Verwendung eines Ti enthaltenden Hartlötmaterials wird entweder Ar-Gas verwendet oder ein Vakuum erzeugt.

Die Hartlöttemperatur wird höher als die Übergangstemperatur A₁ des den unteren Teil 2b bildenden Metalls angesetzt, so daß der untere Teil 2b durch die durch das Hartlöten entstehende Erwärmung gehärtet wird.

Das metallische Material SNCM 630 (Chromnickelmolybdänstahl ge mäß japanischer Industriestandards), das den unteren Teil 2b bildet, wird durch die zum Hartlöten erforderliche Erwärmung gehärtet und wird daher als metallisches Material betrachtet, das nach der Hartlöt- Erwärmung eine ausreichende Härte erhält. Wenn jedoch die Härte des unteren Teils 2b nach der Hartlöt-Erwärmung noch immer unzurei chend ist, kann diese ungenügende Härte dadurch kompensiert werden, daß wenigstens der ausgesparte Bereich 6 für den Kontakt mit der Stö ßelstange 5 durch eine Elektronenstrahlhärtung oder eine Laserstrahl härtung bearbeitet wird, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen.

Weiterhin wird zwischen den unteren Teil 2b und die keramische Auf lageplatte 8 eine dünne Platte aus einem Metall wie etwa Ni, Cu oder Fe eingesetzt, die als Pufferelement dient und den Einfluß der Span nungsbeanspruchungen zwischen diesen Teilen abschwächt.

Anschließend werden der obere Teil 2a und der untere Teil 2b mitein ander verbunden. Diese Verbindung wird durch Elektronenstrahl schweißen oder Laserstrahlschweißen erhalten. Zur Beseitigung von Schneidöl oder einer ähnlichen Verschmutzung vom oberen Teil 2a und vom unteren Teil 2b werden vorzugsweise vor dem Schweißvorgang die Verbindungsflächen gereinigt. Wenn im Schweißbereich irgendeine Verformung oder eine Verwertung vorhanden ist, wird je nach Anfor derung im Bereich zwischen 1000°C und 2000°C eine Vergütung ausge führt. Anschließend wird die im Schweißbereich verbleibende Schweiß raupe je nach Anforderung durch eine maschinelle Bearbeitung besei tigt. Für diese Ausführungsform wurden drei Prüfexemplare 1 bis 3 unter den weiter unten angegebenen Bedingungen hergestellt und einem 1000-Stunden-Lebensdauertest unterworfen, in dem die Testexemplare in einem Vierliter-OHV-Dieselmotor eingesetzt wurden und der Motor unter einer Vollastbedingung bei 4000 min^-1 betrieben wurde. Die Test ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt:

Tabelle 1

Testexemplar 1

Eine auseinandergezogene Querschnittsansicht eines Testexemplars 1 ist in Fig. 3 gezeigt. Der untere Teil 2b ist aus einem SNCM 630-Ma terial gebildet, das in eine Größe mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Länge von 200 mm weichgeglüht und kaltgeschmiedet wird. Die Oberflächen des unteren Teils 2b, die mit dem oberen Teil 2a und mit der keramischen Auflageplatte 8 in Kontakt gelangen sollen, wer den für eine vorgegebene Ebenheit maschinell bearbeitet.

Die keramische Auflageplatte 8 wird aus einem Silizium-Nitrid-Mate rial gebildet, das bei Atmosphärendruck gesintert wird und 90 Ge wichts-% von Si₃N₄ enthält und in eine Größe mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Dicke von 3 mm geschliffen wird.

Die keramische Auflageplatte 8 und der untere Teil 2b werden im Va kuum bei 790°C unter Verwendung eines aktiven Hartlötmetalls einer Ag-Cu-In-Ti-Legierung miteinander hartverlötet und nach einer Bear beitung in einem Austauschprozeß in N₂-Gas während 15 Minuten auf 300°C abgekühlt.

Der obere Teil 2a wird aus einem Stahlrohr aus S40C (Kohlenstoffstahl japanischer Industriestandards) mit einem Außendurchmesser von 30 mm und einem Innendurchmesser von 25 mm gebildet, bei einer Länge von 50 mm abgeschnitten und einer Härtungs- und einer Glühverar beitung unterzogen, so daß sich eine Rockwellhärte C35 ergibt.

Der obere Teil 2a und der untere Teil 2b werden durch Elektronen strahlschweißen miteinander verbunden und bei 100°C während einer Stunde gehalten, um Spannungsbeanspruchungen zu beseitigen. Danach werden eine Schweißraupe abgetragen und eine maschinelle Bearbei tung ausgeführt, um je nach Anforderung die Orthogonalität des oberen Teils 2a einzustellen. Die Schweißbadtiefe im Schweißbereich beträgt 2,2 mm.

Testexemplar 2

Dieses Testexemplar ähnelt dem Testexemplar 1 mit Ausnahme des Verfahrens des Hartverlötens des unteren Teils 2b für die keramische Auflageplatte 8; d. h., daß die keramische Auflageplatte 8 zunächst an einer Verbindungsfläche mittels Dampfabscheidung metallisiert wird und dann mit dem unteren Teil 2b bei 790°C und unter Verwendung eines Hartlötmetalls einer Ag-Cu-In-Legierung hartverlötet wird, wo raufhin die hartverlötete Einheit nach einer Behandlung durch einen Austauschprozeß in N₂-Gas während 15 Minuten auf 300°C abgekühlt wird.

Testexemplar 3

Zusätzlich zu den Fertigungsprozessen für das Testexemplar 1 wird die Oberfläche des ausgesparten Bereichs 6 des unteren Teils 2b, der dem Kontakt mit der Stößelstange 5 dient, in einem Elektronenstrahlhär tungsvorgang bearbeitet, was dieser Fläche eine erhöhte Oberflächen härte verleiht. Die Tiefe des Schweißbades im Schweißbereich beträgt 2,2 mm.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilstößels 1B gezeigt. Der Ventilstößel 1B ist vom sogenannten Pilztyp, bei dem der Außendurchmesser des unteren Teils 2b größer als der Außendurchmesser des oberen Teils 2a ist.

Wenn bei einem solchen Ventilstößel 1B vom Pilztyp eine Nocke 9 den Umfangsbereich des Ventilstößels 2 berührt und eine nach oben ge richtete Schubkraft F auf diesen Bereich ausübt, wird auf einen Teil des Verbindungsbereichs (Schweißbereich) zwischen dem oberen Teil 2a und dem unteren Teil 2b eine Biegespannungsbeanspruchung hervorgerufen, wobei sich der genannte Teil des Verbindungsbereichs auf der Seite des oberen Teils 2a befindet und der an den Angriffspunkt angrenzenden Seite diametral entgegengesetzt ist. Wenn hierbei der Verbindungsbereich ein einfacher Stumpfstoß ist, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, könnte dieser Verbindungsbereich eine zu geringe Festigkeit aufweisen, so daß ein Bruch aufgrund einer Materialermüdung möglich ist. Als Gegenmaßnahme gegen einen solchen Bruch kann die Dicke des oberen Teils erhöht werden, wodurch die Länge der Schweißnaht erhöht wird und somit die Festigkeit des Verbindungsbereichs gesteigert wird. Diese Gegenmaßnahme besitzt jedoch den Nachteil, daß das Gesamtgewicht des Ventilstößels erhöht wird, was sich nachteilig auf die Erzielung eines geringen Gewichts eines Motors auswirkt.

Daher ist der erfindungsgemäße Ventilstößel 1B so konstruiert, daß die Festigkeit des Verbindungsbereichs erhöht werden kann, ohne daß die Dicke des oberen Teils 2a erhöht wird. Das bedeutet, daß die Oberseite des unteren Teils 2b mit einem überstehenden Bereich 10 ausgebildet wird und mittels einer Preßsitzverbindung fest in den oberen Teil 2a eingepaßt wird, woraufhin der Stumpfstoß-Bereich zwischen dem unte ren Teil 2b und dem oberen Teil 2a durch Schweißen oder dergleichen verbunden wird.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Ventilstößel 1B im einzelnen beschrieben.

Der obere Teil 2a wird aus einem Metallrohr STKM 16C (Kohlenstoffstahlrohr zur Verwendung als Maschinen-Baustahl gemäß japanischer Industriestandards) ausgebildet und erhält einen Innen durchmesser von 18 mm und einen Außendurchmesser von 22 mm. Das Metallrohr wird bei einer Länge von 50 mm abgeschnitten und bis zu einer Rockwellhärte C40 gehärtet.

Hierbei ist es ähnlich wie in der anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsform wünschenswert, eine Wärmebehandlung zum Härten des oberen Teils 2a vor der Verbindung des oberen Teils 2a mit dem unteren Teil 2b auszuführen. Bei dem Ventilstößel 1B werden der obere Teil 2a und der untere Teil 2b mittels einer Preßsitzverbindung zusammengefügt und dann durch Schweißen miteinander verbunden. Wenn daher der obere Teil 2a nach der Verbindung der beiden Teile 2a und 2b gehärtet wird, dehnt sich der obere Teil 2a aufgrund eines Martensit-Übergangs aus, so daß das Preßsitzspiel unerwünscht stark, möglicherweise auf Null, verringert wird.

Der untere Teil 2b wird aus dem metallischen Material SNCM 630 (Chromnickelmolybdänstahl gemäß japanischer Industriestandards) ge bildet und zu einer im wesentlichen kegelstumpfartigen Form mit einem maximalen Durchmesser von 35 mm und einer Höhe von 7 mm ma schinell bearbeitet, derart, daß an der Oberseite des unteren Teils 2b ein ringförmiger überstehender Bereich 10 ausgebildet wird.

Der Außendurchmesser des überstehenden Bereichs 10 ist so bemes sen, daß er etwas größer als der Innendurchmesser des oberen Teils 2a ist, so daß der überstehende Bereich 10 und das untere Ende des obe ren Teils 2a mittels einer Preßsitzverbindung aneinandergefügt werden können. Die Differenz zwischen dem Außendurchmesser des vorste henden Bereichs 10 und dem Innendurchmesser des unteren Endes des oberen Teils 2a wird im folgenden mit "Preßsitzspiel" bezeichnet. Wie in den Fig. 5A und 5B erläutert, umfaßt die tatsächliche Verbindungs länge zwischen dem oberen Teil 2a und dem unteren Teil 2b nicht die Verbindungslänge der abgeschrägten oder abgerundeten Bereiche. Die tatsächliche Verbindungslänge wird im folgenden als "Verbindungslänge" bezeichnet. Ferner wird die minimale Schweiß länge im Schweißbereich im folgenden mit "Schweißlänge" bezeichnet.

Die keramische Auflageplatte 8 wird aus einem pulverisierten Material, das 90 Gewichts-% von Si₃N₄, Sinterhilfen aus Al₂O₃ und Y₂O₃ und Bindemittel enthält, mittels einer Preßform zu einer kreisförmigen Platte geformt und bei Normaldruck in einer N₂-Umgebung gesintert und schließlich im ebenen Bereich geschliffen, derart, daß die Platte schließlich einen Durchmesser von 35 mm und eine Dicke von 3 mm besitzt.

Im folgenden wird die Fertigung des Ventilstößels 1B beschrieben.

Zunächst wird der untere Teil 2b mit der keramischen Auflageplatte 8 durch Hartlöten verbunden. Dieser Hartlötvorgang wird durch das Da zwischenlegen eines Hartlötmetalls einer In-Cu-Ag-Ti-Legierung zwi schen den unteren Teil 2b und die keramische Auflageplatte 8, durch Halten dieser Teile im Vakuum bei 795°C während 30 Minuten und durch anschließendes Abkühlen dieser Teile in einem Ofen ausgeführt. Unterdessen dessen wird durch die für das Hartlöten erforderliche Wärme der untere Teil 2b bis zu einer Rockwellhärte C40 gehärtet.

Dann wird der obere Teil 2a am unteren Teil 2b mittels einer Preßsitz verbindung des überstehenden Bereichs 10 des unteren Teils 2b befe stigt, so daß der obere Teil 2a und der untere Teil 2b eine Preßsitzver bindung eingehen. Anstelle der Preßsitzverbindung kann jedoch auch eine andere Verbindung wie etwa eine Schrumpfverbindung oder der gleichen verwendet werden.

Anschließend wird der Stumptstoß-Bereich zwischen dem oberen Teil 2a und dem unteren Teil 2b durch Elektronenstrahlschweißen bearbei tet.

Die Schweißbadtiefe im Verbindungsbereich eines jeden Exemplars beträgt 2,2 mm.

Es wurden 5 Testexemplare 1 bis 5 des obenbeschriebenen Ventilstö ßels 1B hergestellt und einem Lebensdauertest unterworfen, indem sie in einen 15-Liter-8-Zylinder-Dieselmotor eingesetzt wurden, wobei das Ventilspiel das Dreifache des Standardwertes (ungefähr 0,3 bis 0,4 mm) betrug und der Motor bei 150% der Nenndrehzahl (ungefähr 2500 min^-1) betrieben wurde; die einzelnen Testexemplare unterscheiden sich durch das Preßsitzspiel und die Verbindungslänge. Die Testergeb nisse sind in der folgenden Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2

Aus diesem Testergebnis ist ersichtlich, daß unter der Bedingung: (Verbindungslänge/Schweißlänge) 1 eine bessere Wirkung erzielt wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der obigen Ausführungs form beschrieben worden ist, stellen diese besonderen Ausführungs formen keine Beschränkung dar. Obwohl beispielsweise der obere Teil 2a in Form eines Hohlzylinders beschrieben und gezeigt worden ist, kann er davon abweichend insgesamt oder teilweise als Festkörper aus gebildet sein, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist. In diesem Fall wird der obere Teil 2a maschinell in eine gewünschte Form gebracht, so daß beispielsweise der Aussparungsbereich 6, in dem die Stößelstange 5 gelagert wird, an der oberen Endoberfläche ausgebildet wird, worauf hin der obere Teil 2a gehärtet und mit dem unteren Teil 2b verbunden wird.

Eine weitere Ausführungsform ist im wesentlichen gleich der anhand der Fig. 1 bis 3 oben beschriebenen Ausführungsform, mit der Aus nahme, daß der obere Teil 2a und der untere Teil 2b durch Reibungs schweißen verbunden werden. Da jedoch im Unterschied zu der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform das Reibungsschweißen eine beträchtliche Wärme erzeugt, die an den Verbindungsbereich zwischen dem unteren Teil 2b und der keramischen Auflageplatte 8 übertragen wird, werden der obere Teil 2a und der untere Teil 2b zunächst durch Reibungsschweißen verbunden und erst anschließend wird der untere Teil 2b mit der keramischen Auflageplatte 8 durch Hartlöten verbun den.

Diese Ausführungsform wurde hinsichtlich der Bruchfestigkeit des Verbindungsbereichs getestet, indem der obere Teil 2a an seiner äuße ren Umfangsfläche gehalten wurde und senkrecht zu dieser äußeren Umfangsfläche eine Last angewendet wurde. Es hat sich herausgestellt, daß die Bruchfestigkeit 4400 kgf betrug. Andererseits wurden zwei Te stexemplare gemäß der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform, die sich hinsichtlich der Schweißbadtiefe unterschieden, hergestellt und hinsichtlich der Bruchfestigkeit getestet, wobei sich für die Bruchfe stigkeit des Testexemplars, dessen Schweißbadtiefe 2,2 mm betrug, ein Wert von 4300 kgf ergeben hat, während sich für die Bruchfestigkeit des Testexemplars, dessen Schweißbadtiefe 1,0 mm betrug, ein Wert von 2000 kgf ergab.

Der 400-Stunden-Lebensdauertest, der obenbeschriebenen drei Typen von Ventilstößeln wurde ausgeführt, indem die Ventilstößel in einen 15-Liter-8-Zylinder-Dieselmotor eingesetzt wurden, wobei das Ventil spiel dreimal größer als der Standardwert eingestellt wurde und der Motor bei 4500 min^-1 betrieben wurde, was das 1,8fache der Nenn drehzahl war. Bei diesem Test hat sich herausgestellt, daß der Ventil stößel mit einer Schweißbadtiefe zwischen dem oberen und dem unte ren Teil von 1,0 mm im Schweißbereich nach 100 Stunden gebrochen ist, während die anderen Ventilstößel nicht brachen.

Aus der vorhergehenden Beschreibung wird deutlich, daß, da der Ven tilstößel durch getrennte obere und untere Teile gebildet wird, die mit einander verbunden werden, der untere Teil aus einem metallischen Material gebildet werden kann, das, obwohl es teuer ist, für eine Ver bindung mit der keramischen Auflageplatte geeignet ist, während der obere Teil im Vergleich zum unteren Teil eine geringere Verschleißfe stigkeit erfordert und daher aus einem billigen metallischen Material hergestellt werden kann. Das bedeutet, daß die metallischen Materia lien für den oberen und den unteren Teil in Abhängigkeit von den An forderungen gewählt werden können, wodurch eine beträchtliche Ko stensenkung für das Material ermöglicht wird.

Weiterhin wird deutlich, daß durch die Unterteilung des Ventilstößels in einen oberen und einen unteren Teil anstatt der Herstellung eines Ventilstößels, der die maschinelle Erzeugung einer tiefen Bohrung er fordert, der rohrförmige Bereich des unteren Teils mit geringer Tiefe ausgebildet werden kann, so daß der untere Teil verhältnismäßig leicht maschinell bearbeitet werden kann, obwohl er aus einem Material wie etwa SNCM 630 oder SKC 24, das sich nur schlecht für eine maschi nelle Bearbeitung eignet, besteht.

Es wird weiterhin deutlich, daß, da der obere Teil eine einfache Ge stalt, z. B. eine rohrförmige Gestalt annehmen kann, dieser leicht ma schinell aus einem gewöhnlichen Kohlenstoffstahlrohr hergestellt wer den kann, wodurch die Fertigungskosten verringert werden können.

Es wird ferner deutlich, daß bei der Herstellung der Verbindung zwi schen dem oberen Teil und dem unteren Teil durch Schweißen nur der untere Teil einer Wärmebehandlung unterzogen werden muß, wenn er mit der keramischen Auflageplatte durch Hartlöten verbunden wird.

Dadurch ist es möglich, die Anzahl der Exemplare, die in einem Ofen gleichzeitig bearbeitet werden können, zu erhöhen, so daß eine Verrin gerung der Fertigungskosten möglich ist.

Es wird ferner deutlich, daß durch die feste Einpassung des überste henden Bereichs des unteren Teils in den oberen Teil durch eine Preß sitzverbindung und durch die Verbindung des Stumpfstoß-Bereichs durch Schweißen oder dergleichen die Beanspruchung der Verbindung selbst bei Anwendung einer Biegespannungsbeanspruchung aufgrund der Wirkung der Preßsitzverbindung des oberen und des unteren Teils in einer Richtung wirkt, die der Biegespannungsbeanspruchung entge gengesetzt ist, wodurch eine Erhöhung der Festigkeit des Verbindungs bereichs ermöglicht wird. Daher ist es möglich, die Dicke des oberen Teils und damit das Gewicht des Ventilstößels unter Beibehaltung einer ausreichenden Verbindungsfestigkeit zu verringern, indem das Verhält nis der Verbindungslänge zur Schweißlänge geeignet gewählt wird.

Es wird ferner deutlich, daß bei einer unzureichenden Härte des mit der Stößelstange in Kontakt gelangenden Oberflächenbereichs des unte ren Teils die Verschleißfestigkeit der Oberfläche auf einen gewünsch ten Wert erhöht werden kann, indem die Oberfläche durch eine Elek tronenstrahlhärtung oder eine Laserstrahlhärtung bearbeitet wird. Hier bei kann durch die Aufteilung des Ventilstößels in zwei Teile, d . h. in einen oberen und einen unteren Teil, der untere Teil vor der Verbin dung mit dem oberen Teil gehärtet werden, wodurch eine leichtere Härtung derjenigen Teile, die später vom oberen Teil umgeben wer den, also etwa der Bodeninnenwand und dergleichen, möglich ist.

Ferner kann erfindungsgemäß ein Ventilstößel geschaffen werden, der ein geringes Gewicht besitzt, geringe Kosten verursacht und eine aus gezeichnete Verschleißfestigkeit und Zuverlässigkeit besitzt.

Claims

1. Ventilstößel, mit einem Ventilstößel-Hauptkörper (2) und ei ner keramischen Auflageplatte (8), dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilstößel-Hauptkörper (2) zwei in axialer Richtung getrennte Teile (2a, 2b) umfaßt, die aus verschiedenen metallischen Materialien hergestellt sind und durch Schweißen miteinander verbun den werden; und die keramische Auflageplatte (8) mit einem axialen Ende ei nes (2b) der Teile (2a, 2b) des Ventilstößel-Hauptkörpers (2) verbun den ist.

2. Ventilstößel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teil (2b) des Ventilstößel-Hauptkörpers (2) gegenüberliegende Stirnseiten besitzt und mit einer dieser Stirnseiten mit der keramischen Auflageplatte (8) verbunden ist, wobei dieser eine Teil (2b) an der an deren seiner Stirnseiten einen überstehenden Bereich (10) aufweist und mit diesem überstehenden Bereich (10) an den anderen (2a) der Teile (2a, 2b) dicht angefügt wird, wobei zwischen den Teilen (2a, 2b) ein Stumpfstoß-Bereich vorgesehen ist, an dem die Teile (2a, 2b) durch Schweißen miteinander verbunden werden.

3. Ventilstößel gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teil (2b) eine Oberfläche (6) für den Kontakt mit einer Stößel stange (5) eines Motors besitzt, die durch eine Wärmebehandlung ge härtet wird.

4. Ventilstößel gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (2a, 2b) durch Reibungsschweißen miteinander verbunden werden.

5. Ventilstößel gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teil (2b) aus einem metallischen Material hergestellt ist, das eine größere Verschleißfestigkeit als dasjenige des anderen Teils (2a) besitzt.

6. Ventilstößel für die Verwendung zwischen einer Stößelstange (5) und einer Nocke (9) in einem Verbrennungsmotor, mit einem Ven tilstößel-Hauptkörper (2) und einer keramischen Auflageplatte (8), dadurch gekennzeichnet, daß
der Ventilstößel-Hauptkörper (2) einen ersten (2a) und einen zweiten (2b) Teil umfaßt, die in axialer Richtung voneinander getrennt sind, aus zwei verschiedenen metallischen Materialien hergestellt sind und miteinander durch Schweißen verbunden werden;
der erste Teil (2a) in eine Bohrung (7) eines Zylinderblocks des Motors eingesetzt wird, um darin zu gleiten;
der zweite Teil (2b) zwischen die Stößelstange (5) und die Nocke (9) eingesetzt wird und eine innere Stirnseite (6) für einen Kon takt mit der Stößelstange (5) und eine äußere Stirnseite aufweist; und
die keramische Auflageplatte (8) mit der äußeren Stirnseite des zweiten Teils (2b) hartverlötet wird und eine Stirnseite für einen Kontakt mit der Nocke (9) aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Ventilstößels, der zwischen einer Stößelstange (5) und einer Nocke (9) in einem Verbrennungsmo tor verwendet wird, gekennzeichnet durch die Schritte
des Ausbildens eines ersten Teils (2a) eines Ventilstößel- Hauptkörpers (2) aus einem metallischen Material, wobei der erste Teil (2a) in eine Bohrung (7) eines Zylinderblocks des Motors eingesetzt wird, um darin zu gleiten;
des Ausbildens eines zweiten Teils (2b) des Ventilstößel- Hauptkörpers (2) aus einem metallischen Material, das eine größere Verschleißfestigkeit als dasjenige des ersten Teils (2a) besitzt, wobei der zweite Teil (2b) zwischen die Stößelstange (5) und die Nocke (9) eingesetzt wird;
des Herstellens einer keramischen Auflageplatte (8), die für den Kontakt mit der Nocke (9) vorgesehen ist;
des Hartverlötens der keramischen Auflageplatte (8) mit dem zweiten Teil (2b); und
des Zusammenbaus des mit der keramischen Auflageplatte (8) versehenen zweiten Teils (2b) mit dem ersten Teil (2a), derart, daß zwischen diesen Teilen (2a, 2b) ein Stumpfstoß-Bereich entsteht, und des Verbindens des Stumpfstoß-Bereichs durch Schweißen.

8. Verfahren zur Herstellung eines Ventilstößels gemäß An spruch 7, gekennzeichnet durch den Schritt des Härtens wenigstens des Bereichs des zweiten Teils (2b), der mit der Stößelstange (5) in Kontakt ist, wobei dieser Schritt nach dem Schritt des Hartlötens ausgeführt wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines Ventilstößels gemäß An spruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt des Härtens des ersten Teils (2a) vor dem Schritt des Zusammenbaus und des Verbindens.

10. Verfahren zur Herstellung eines Ventilstößels gemäß An spruch 9, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausbildens eines über stehenden Bereichs (10) des zweiten Teils (2b) vor dem Schritt des Zu sammenbaus und des Verbindens, um zwischen dem ersten Teil (2a) und dem zweiten Teil (2b) eine Preßsitzverbindung zu schaffen.

11. Verfahren zur Herstellung eines Ventilstößels gemäß An spruch 9, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausbildens eines über stehenden Bereichs (10) des zweiten Teils (2b) vor dem Schritt des Zu sammenbaus und des Verbindens, um zwischen dem ersten Teil (2a) und dem zweiten Teil (2b) eine Schrumpfverbindung zu schaffen.

12. Verfahren zur Herstellung eines Ventilstößels, der zwischen einer Stößelstange (5) und einer Nocke (9) in einem Verbrennungsmo tor verwendet wird, gekennzeichnet durch die Schritte
des Ausbildens eines ersten Teils (2a) eines Ventilstößel- Hauptkörpers (2) aus einem metallischen Material, wobei der erste Teil (2a) in eine Bohrung (7) eines Zylinderblocks des Motors eingesetzt wird, um darin zu gleiten;
des Ausbildens eines zweiten Teils (2b) des Ventilstößel- Hauptkörpers (2) aus einem metallischen Material, das eine größere Verschleißfestigkeit als dasjenige des ersten Teils (2a) besitzt, wobei der zweite Teil (2b) zwischen die Stößelstange (5) und die Nocke (9) eingesetzt wird;
des Herstellens einer keramischen Auflageplatte (8), die für den Kontakt mit der Nocke (9) vorgesehen ist;
des Zusammenbaus des mit der keramischen Auflageplatte (8) versehenen zweiten Teils (2b) mit dem ersten Teil (2a), derart, daß zwischen diesen Teilen ein Stumpfstoß-Bereich geschaffen wird, und des Verbindens des Stumpfstoß-Bereichs durch Reibungsschweißen; und
des Hartverlötens der keramischen Auflageplatte (8) mit dem zweiten Teil (2b).