DE4406896C1

DE4406896C1 - Martensitic age-hardening process for esp. alloyed steel inlet valves

Info

Publication number: DE4406896C1
Application number: DE4406896A
Authority: DE
Inventors: Pavel Dipl Ing Hora
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1994-03-03
Filing date: 1994-03-03
Publication date: 1995-06-29
Anticipated expiration: 2014-03-04
Also published as: EP0670375A1; EP0670375B1; JP2817029B2; DE59503476D1; JPH07268475A

Abstract

Uni-metallic valves, esp. alloyed steel inlet valves for internal combustion engines, undergo martensitic age-hardening using a process involving annealing at approximately 950 deg C, quenching, then tempering at 200\!20 deg C, resulting in a hardness of 57\!3 HRC.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Einmetall- Ventilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for hardening single metal Valves according to the preamble of claim 1.

Einmetall-Einlaßventile, insbesondere solche aus einem härtbaren Stahl X 45 CrSi 9 3 werden heute üblicherweise an den verschie denen Funktionsstellen wie Schaftende, Keilnut, Schaft und Ven tilsitz mit örtlich gezielt wirkenden unterschiedlichen Härte verfahren behandelt, was nur in zeitraubenden, für jede Funkti onsstelle zeitversetzt gesondert vorzunehmenden Einzelhärtungen durchgeführt werden kann. Dies ist beispielsweise aus der DE-PS 40 14 072 bekannt. Dort ist eine Vergütung des Ventilstahls be kannt, bei der durch Wärmebehandlung der Stahl von einer Auste nit- in eine Martensit-Struktur und schließlich durch Anlassen in eine Ferrit-Perlit-Struktur umgewandelt wird. Durch das An lassen wird dem Stahl ausreichend Duktilität bei gleichzeitiger Absenkung der Härte gegeben, wodurch Sprödbrüche bei hohen me chanischen Belastungen im Fahrbetrieb vermieden werden sollen. Auf die Vergütung von legierten Stählen wird insbesondere im "Handbuch der Sonderstahlkunde" v. Eduard Houdremont, 1. Bd., 1945, Springer Verlag, S. 384-389 in vielfältiger Weise einge gangen. Dort ist beispielsweise entnehmbar, daß für einen Chrom- Nickel-Molybdän-Stahl, der vollständig in die Martensitstufe umgewandelt ist, schon bei niedrigsten Anlaßtemperaturen um etwa 300°C herum durch den Martensitzerfall Eigenschaftsänderungen bewirkt werden. Verschiedene lokal unterschiedlich wirkende Härtungsstufen für Einlaßventile sind auch aus der DE-AS 14 76 045, jedoch nur für Stähle mit einem Anteil von 0,08 bis 0,25% Kohlenstoff bekannt. Aufgrund der verschiedenen Einzelhärtungen gestaltet sich das Härten von derartigen Einlaßventilen sehr kostspielig. Das Schaftende und die Keilnut sowie der Ventilsitz werden durch gesonderte Induktionsverfahren örtlich gezielt ge härtet, wogegen der Ventilschaft entweder bei geringer Einhärte tiefe nitriergehärtet oder oberflächlich durch galvanisches Auf chromen unter Bildung eines Bi-Metall-Ventiles hart gemacht wird.Single metal intake valves, especially those made from a hardenable Steel X 45 CrSi 9 3 are usually used on the various which functional points such as shaft end, keyway, shaft and Ven tilsitz with locally targeted different hardness procedure, which is only time-consuming, for every function place to be carried out separately with a time delay can be carried out. This is for example from DE-PS 40 14 072 known. There is a remuneration for the valve steel knows, in which the steel from an auste by heat treatment nit- in a martensite structure and finally by tempering is converted into a ferrite-pearlite structure. By the An will leave the steel with sufficient ductility at the same time Lowering the hardness, causing brittle fractures at high me mechanical loads during driving should be avoided. The remuneration of alloyed steels is particularly in the "Handbook of special steel customers" v. Eduard Houdremont, 1st vol., 1945, Springer Verlag, pp. 384-389 went. There you can see, for example, that for a chrome Nickel-molybdenum steel, which is completely in the martensite stage is converted, even at the lowest tempering temperatures 300 ° C around the Martensitzerfall property changes be effected. Different locally acting Hardening stages for intake valves are also from DE-AS 14 76 045, however only for steels with a share of 0.08 to 0.25% Carbon known. Due to the different individual hardenings the hardening of such intake valves is very great expensive. The shaft end and keyway as well as the valve seat are ge locally targeted by separate induction processes hardens, whereas the valve stem either with low hardness deep nitrided or superficial by galvanic coating Chromium hardened to form a bi-metal valve becomes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Här ten von Mono-Werkstoff-Ventilen zu entwickeln, das preisgünstig ist, jedoch gleichwohl eine in allen Funktionsbereichen der Ven tile ausreichende Härte und Rißbeständigkeit, insbesondere im Schaftbereich gewährleistet.The invention has for its object a method for hardening To develop ten of mono material valves, the inexpensive is, however nevertheless one in all functional areas of the Ven Tile sufficient hardness and crack resistance, especially in Guaranteed shaft area.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst.The object is according to the invention in that in claim 1 specified characteristic features solved.

Dank der Erfindung kann auf die für lokal unterschiedliche Be reiche am Ventil vorgenommenen, gesonderten Einzelhärtungen ver zichtet werden, wodurch Zeit in der Fertigung eingespart wird und die für jede Einzelhärtung speziell ausgebildete und daher teuere apparative Ausrüstung entfällt. Desweiteren wird eine einheitliche Massenhärtung ermöglicht, bei der die Ventile einer für alle Oberflächenpartien und Bauteilquerschnitte gleichmäßig wirkenden Wärmebehandlung derart unterzogen werden, daß die so gehärteten Ventile an sämtlichen Funktionsstellen eine ausrei chende Härte und Rißbeständigkeit, letztere insbesondere im Ven tilschaftbereich aufweisen. Die Wärmebehandlung erfolgt durch Glühen bei etwa 950°C, dann durch Abschrecken aus der Ofenwärme und schließlich durch Entspannungsglühen bei etwa 200 ± 20°C, bei dem der Ventilstahl auf eine Härte im Bereich von 57 ± 3 HRC unter Erreichung einer kubischen Martensit-Struktur eingestellt wird.Thanks to the invention can be used for locally different rich separate hardenings made on the valve be eliminated, which saves time in production and the one specially trained for each individual hardening and therefore there is no need for expensive equipment. Furthermore, one uniform mass hardening enables the valves one for all surface areas and component cross sections evenly acting heat treatment so that the so hardened valves at all function points appropriate hardness and crack resistance, the latter especially in ven show participation area. The heat treatment is carried out by Annealing at around 950 ° C, then quenching from the furnace heat and finally by stress relief annealing at about 200 ± 20 ° C the valve steel to a hardness in the range of 57 ± 3 HRC Achieving a cubic martensite structure is discontinued.

Dem erfindungsgemäßen Härtungsverfahren liegt die auf jahrelange Beobachtungen von Schadens fällen sich stützende Erkenntnis zu grunde, daß - entgegen der landläufigen Meinung, daß mangelnde Duktilität eines Ventilstahls die Ursache für einen Sprödbruch sei - eine härtungsbedingt geringe Zähigkeit des Werkstoffes, gerade im Schaftbereich für die Haltbarkeit des Ventils nicht von wesentlicher Bedeutung ist. Sprödbrüche treten dabei nur bei verchromten Ventilen (Bi-Metall-Ventilen) auf und werden infolge einer beim galvanischen Verchromen einsetzende Wasserstoffver sprödung verursacht. Durch die in der Erfindung verwandte Ofen härtung ist dem entgegen ein Wasserstoffeintrag in den Ventil werkstoff ausgeschlossen.The curing process according to the invention is based on years Observations of damage are based on supporting knowledge reasons - contrary to popular belief that lack Ductility of a valve steel is the cause of a brittle fracture - a low toughness of the material due to hardening, not in the stem area for the durability of the valve is essential. Brittle fractures only occur chromed valves (bi-metal valves) and are consequent a hydrogen ver used in galvanic chrome plating causes brittleness. By the furnace used in the invention In contrast, hardening is the introduction of hydrogen into the valve material excluded.

Darüber hinaus bietet die Schafthärte einen guten Verschleiß schutz und erhöht den Widerstand gegen plastische Verformungen des Ventils bei Überlastung im Betrieb. Gemäß des Unteranspru ches 2 können die Ventile in zweckmäßiger Weise als Schüttgut gehärtet werden, wodurch eine zeitraubende voneinander getrennte Aufstellung der Ventile erspart wird. In addition, the shaft hardness offers good wear protection and increases resistance to plastic deformation of the valve in the event of overload during operation. According to the subclaim ches 2, the valves can be used as bulk material be hardened, making a time-consuming separate Installation of the valves is saved.

In der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung wird ein Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung näher erläutert; dabei zeigen:In the following description of the drawing, an exec Example of the invention explained in more detail; show:

Fig. 1 einen Stangenmaterialrohling in einer Seitenansicht, Fig. 1 shows a material blank rod in a side view;

Fig. 2 den Rohling aus Fig. 1 nach einer Stauchbehandlung in ei ner Seitenansicht, Fig. 2 shows the blank of Fig. 1, according to a compression treatment in egg ner side view

Fig. 3 der gestauchte Rohling aus Fig. 2 in ausgeschmiedeter Ventilform in einer Seitenansicht, Fig. 3 of the swaged blank of Fig. 2 in the form of being forged valve in a side view;

Fig. 4 das Ventil aus Fig. 3 nach zerspanender Bearbeitung, Fig. 4 shows the valve of Fig. 3 after zerspanender processing,

Fig. 5 eine schematisierte Härtung mehrerer Ventile gemäß Fig. 3, Fig. 5 is a schematic curing more valves according to Fig. 3,

Fig. 6 ein Einzelventil im einheitlich durchgehärteten Zustand nach Entspannungsglühen aus Fig. 6 in einem Längsschnitt. Fig. 6 shows a single valve in the uniformly hardened state after stress relief annealing from Fig. 6 in a longitudinal section.

In Fig. 1 bis 4 sind einzelne Stufen der Ventilform im Herstel lungsprozeß eines Ventils für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Einlaßventile dargestellt. Dabei wird ein in Fig. 1 gezeig ter Stangenmaterialrohling 1 aus einem härtbaren Stahl wie bei spielsweise aus X 45 CrSi 9 3 an einem Ende 2 erwärmt. Am er wärmten Ende 2 des Rohlings 1 wird dann eine Birne 3 (Fig. 2) durch Elektrostauchen angestaucht, wonach der Rohling 1 zu einem Ventil 4 ausgeschmiedet wird. Hierzu wird der Ventilschaft 5 und der Ventilteller 6 vorgeformt (Fig. 3). Anschließend wird nach Fig. 4 das Ventil 4 eventuell zerspanend vorbearbeitet, wobei das Schaftende 7 und der Ventilteller 6 funktionell gestaltet wird und im Bereich des Endes 7 in den Ventilschaft 5 eine Keil nut 8 eingearbeitet wird.In Fig. 1 to 4 individual stages are in the form of valve herstel averaging process of a valve for internal combustion engines, illustrated in particular for the intake valves. Here, a gezeig ter in Fig. 1 bar material blank 1 from a hardenable steel is heated as in play, of X 45 CrSi 9 3 at one end 2. At the warmed end 2 of the blank 1 , a bulb 3 ( FIG. 2) is then compressed by electric upsetting, after which the blank 1 is forged into a valve 4 . For this purpose, the valve stem 5 and the valve plate 6 are preformed ( FIG. 3). The valve 4 is then in FIG. 4 may be pre-processed by machining, wherein the shaft end 7 and the valve disk is designed functionally nut 6 and a wedge in the area of the end 7 in the valve stem 5 is incorporated. 8

Alternativ zu der beschriebenen Umformung des Einlaßventils 4 ist zu dessen Herstellung auch die Methode des Warmfließpressens denkbar. Dabei wird das Material in Stabform auf die Umformtem peratur aufgeheizt und durch eine Matrize mit Negativform des Ventils durchgepreßt.As an alternative to the shaping of the inlet valve 4 described, the method of hot extrusion is also conceivable for its production. The material in bar form is heated to the Umformtem temperature and pressed through a die with a negative shape of the valve.

Die derartig ausgebildeten Ventile 4 werden zum Härten als Schüttgut 10 in einem Korb 11 aufgenommen und mit diesem in ei nen Härtofen 12 eingebracht. Im Härteofen 12 werden die Ventile 4 gleichmäßig und gleichzeitig bei einer Temperatur von etwa 950°C für die Dauer von 1-2 Stunden und Normalatmosphäre wärme behandelt und danach gemeinsam aus der Ofenwärme in einem Ölbad 13 abgeschreckt, wodurch dieses auf etwa 100°C aufgewärmt wird (Fig. 5). In der Ofenwärme werden alle Oberflächenpartien und Bauteilquerschnitte der Ventile 4 gleichmäßig und somit die ein zelnen funktionellen Ventilabschnitte wie der Ventilschaft 5, der Ventilteller 6, das Schaftende 7, die Keilnut 8 und der Ven tiltellerboden 9 in gleicher Weise wärmebehandelt.The valves 4 designed in this way are taken for hardening as bulk material 10 in a basket 11 and introduced into a hardening furnace 12 with this. In the hardening furnace 12 , the valves 4 are heat treated uniformly and at the same time at a temperature of about 950 ° C. for a period of 1-2 hours and normal atmosphere and then quenched together from the furnace heat in an oil bath 13 , whereby this is heated to about 100 ° C. will ( Fig. 5). In the furnace heat, all surface areas and component cross-sections of the valves 4 are uniformly treated and thus the individual functional valve sections such as the valve stem 5 , the valve plate 6 , the shaft end 7 , the keyway 8 and the Ven tiltellerboden 9 in the same way.

Die abgeschreckten Ventile 4 werden anschließend im Korb 11 in einen weiteren Ofen 14 geschoben und dort bei einer Temperatur von etwa 200 ± 20°C ca. ½-1 Stunde lang dem Vorgang des Entspan nungsglühens unterzogen. Dadurch werden Eigenspannungsspitzen im Gefüge, die beim Härten entstehen, abgebaut und gleichzeitig ei ne Gefügeumwandlung tetragonalen Plattenmartensites in kubischen Martensit erreicht. Dies verbessert die Zähigkeit des Ventil werkstoffes und nivelliert unterschiedliche Härten zwischen den Ventilen 4. Diese werden hierbei auf eine Härte im Bereich von 57 ± 3 HRC eingestellt. Fig. 6 zeigt dabei mit der Schnittschraf fur 15 ein bearbeitetes, einheitlich und gleichmäßig durchgehär tetes Einzelventil 4.The quenched valves 4 are then pushed into a further furnace 14 in the basket 11 and subjected to the relaxation annealing process at a temperature of about 200 ± 20 ° C. for about ½-1 hour. As a result, residual stress peaks in the structure that arise during hardening are reduced and, at the same time, a structural transformation of tetragonal plate marten sites in cubic martensite is achieved. This improves the toughness of the valve material and levels different hardnesses between the valves 4 . These are set to a hardness in the range of 57 ± 3 HRC. Fig. 6 shows the section for 15 a machined, uniformly and evenly hardened single valve 4th

Im gehärteten Zustand erfolgt die Endbearbeitung der Ventile 4 durch Schleifen oder Polieren zur Herstellung der geforderten Oberflächenqualität.In the hardened state, the valves 4 are finished by grinding or polishing to produce the required surface quality.

Claims

1. A method for hardening single-metal valves made of alloy steel, in particular of intake valves for internal combustion engines, characterized in that after the martensite hardening by annealing at around 950 ° C. and quenching, the tempering treatment to form a hardness of 57 ± 3 HRC at a temperature of 200 ± 20 ° C is carried out.