DE602005000903T2

DE602005000903T2 - Ventilfederteller aus Titan

Info

Publication number: DE602005000903T2
Application number: DE602005000903T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki K.K. Honda Gijutsu Kenkyush Horimura; Kosuke K.K. Honda Gijutsu Kenkyusho Doi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2025-02-18
Also published as: EP1586668B1; DE602005000903D1; EP1586668A1; JP2005290480A; US7803236B2; JP4116983B2; US20050230007A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ventilfederteller, der aus Titan hergestellt ist.
Eine Brennkraftmaschine, die in einer fahrbaren Maschine, wie einem Automobil, einem motorisierten Zweirad und so weiter montiert ist, macht die Erzielung einer Gewichtsverringerung erforderlich, um einen höheren Wirkungsgrad in Bezug auf den Energieverbrauch zu realisieren. Es ist ein Ventilfederteller bekannt, und zwar als Komponenten-Element einer Ventilvorrichtung einer Brennkraftmaschine, der aus Titan hergestellt ist, welches ein leichtgewichtiges und hochfestes Material ist, mit dem Bestreben, eine Gewichtsverringerung der Ventilvorrichtung zu erzielen, die zu einer Gewichtsverringerung der Brennkraftmaschine (vergleiche Patent-Dokument 1) hinsichtlich des oben beschriebenen Standpunkts führt. In diesem Fall ist der Ventilfederteller durch Verwendung einer β-Titan-Legierung gebildet.
[Patent-Dokument 1] JP-A Nr. 240639/1989
Im Übrigen, Titan-Material umfasst ein reines Titan-Material mit einer überdurchschnittlichen Verarbeitbarkeit, aber einer geringen Festigkeit, eine α-Titan-Legierung und eine α–β-Titan-Legierung, die beide eine minderwertige Verarbeitbarkeit, jedoch eine hohe Festigkeit bei einer hohen Temperatur aufweisen, und eine β-Titan-Legierung, die für Kunststoff-Kaltverarbeitung geeignet ist, und eine hohe Festigkeit durch Anwendung einer Wärmebehandlung hierauf erreichen kann.
Im Falle der Verwendung des reinen Titan-Materials, obwohl Bolzen durch Kaltumformung in einer begrenzten Anwendung gebildet werden, ist eine derartige Anwendung begrenzt auf Material der JIS-Klasse 1, das eine geringe Festigkeit aufweist. Das Material der JIS-Klasse 1 wird hauptsächlich verwendet, um eine Korrosionsbeständigkeit zu erhalten, und mit dem Material der JIS-Klasse 1 ist es unmöglich, eine spezifische Festigkeit zu erhalten, die für Titan erwartet wird.
Für Maschinen-Komponenten, wie Komponenten von Brennkraftmaschinen und so weiter, befindet sich die α-β-Titan-Legierung, wie etwa Ti-6A1-4V-Legierung und so weiter, hinsichtlich der Festigkeit in umfassender Verwendung. Jedoch, wenn die α–β-Titan-Legierung verwendet wird, wird deren Bildung durch Warmumformung bei hoher Temperatur durchgeführt, so dass ein großer Anteil an Nachbearbeitung erforderlich ist, die Oxidationsprobleme von deren Oberfläche mit sich bringt, und Probleme hinsichtlich der präzisen Größe. Folglich erhöhen sich nicht nur die Materialkosten sondern auch die Verarbeitungskosten, so dass Titan-Komponenten sehr teuer werden, was zu Schwierigkeiten führt bei der Anwendung dieser auf herkömmliche Ventilfederteller für Brennkraftmaschinen für Fahrzeuge. Mushiake, Moriyuki, et al. „Entwicklung von Titan-Legierungs-Ventilfedertellern" offenbart verschiedene, kalt geschmiedete und Oberflächen gehärtete Ventilfederteller, die aus Titan-Legierungen hergestellt sind.
Ferner kann die β-Titan-Legierung bei dem Vorgang der Vorbereitung eines Rohmaterials kalt gewalzt werden, jedoch besteht bei der Bildung von Komponenten hiervon durch Kaltumformung das Problem mit Mss-Erzeugung hinsichtlich der Lebensdauer einer Form infolge einer hohen Deformierungs-Festigkeit des Rohmaterials, und ferner ist ein zusätzliches Element, das für die Stabilisierung einer β–Phase erforderlich ist, teuer, und weist ein hohes spezifisches Gewicht auf, so dass der vorteilhafte Effekt der Kosten-Reduzierung nicht erzielt werden kann.
In Anbetracht derartiger beschriebener Umstände wurde die Erfindung entwickelt, und es ist ein Gegenstand der Erfindung, einen Ventilfederteller, hergestellt aus Titan, bereitzustellen, der geeignet ist, eine Reduzierung von Materialkosten und Verarbeitungskosten zu erzielen.
Dazu wird ein Ventilfederteller gemäß Anspruch 1 durch Anwenden einer Kaltumformung auf ein Titanlegierungs-Rohmaterial gebildet, das folgendes enthält: 0,8 Gew.-% ≤ Fe ≤ 1,2 Gew.-%, 0,24 Gew.-% ≤ O ≤ 0,32 Gew.-%, 0,02 Gew.-% ≤ N ≤ 0,05 Gew.-%, und Rest Ti, das unvermeidliche Verunreinigungen enthält.
Die Erfindung gemäß Anspruch 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass nach der Umformung eine Oxidationsbehandlung auf die gesamte Oberfläche des Ventilfedertellers gemäß Anspruch 1 angewandt werden kann.
Die Erfindung gemäß Anspruch 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilfederteller gemäß Anspruch 1 oder 2 eine Zugfestigkeit aufweisen kann, die nicht kleiner ist als 700 MPa, oder eine Querschnitts-Härte in Form einer Vickershärte, die nicht kleiner ist als 230 HV0.1.
Ferner ist die Erfindung gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilfederteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 eine durchschnittliche Korngröße aufweisen kann, die nicht größer ist als 20 μm.
Mit der Erfindung gemäß Anspruch 1 ermöglicht die Verwendung eines kostengünstigen Schwamm-Titans mit einem vergleichsweise hohen Fremdstoff-Inhalt die Verringerung der Kosten eines Rohmaterials, und durch optimale Steuerung entsprechender Zusatz-Mengen von Fremdstoff-Elementen, umfassend Fe, O, und N, ist es möglich, eine hohe Festigkeit und eine hervorragende Kalt-Verformbarkeit zu erhalten, so dass Herstellungskosten durch Bilden des Ventilfedertellers durch die Kaltumformung reduziert werden können, und eine Verbesserung der Ausbeute kann verfolgt werden, während eine hohe Produktivität erhalten werden kann, wodurch eine Reduzierung der Herstellungskosten sichergestellt wird. Insbesondere falls Fe < 0,8 Gew.-%, und O < 0,24 Gew.-%, tritt eine Unzulänglichkeit in bezug auf Festigkeit und Kalt-Verformbarkeit auf, falls 1,2 Gew.-% < Fe und 0,32 Gew.-% < O treten Schwierigkeiten wie etwa Risse und so weiter während der Dauer der Kaltumformung auf, und weiter, falls 0,02 Gew.-% ≤ N ≤ 0,05 Gew.-%, wird dies wirksam sein zur Vermeidung des Auftretens von spitzen Rissen und so weiter während der Dauer der Kaltumformung, so dass falls Zusammensetzungs-Bereiche von Fe, O und N wie vorhergehend beschrieben festgelegt werden, der Ventilfederteller stabil durch die Kaltumformung geformt werden kann.
Mit der Erfindung gemäß Anspruch 2, die zu einem Ausgleich zwischen dem O-Inhalt des Rohmaterials und der Oberflächen-Oxidation führt, zusammen mit der Wirkung des O-Inhalts, der auf ein vergleichsweise hohes Niveau wie 0,24 Gew.-% ≤ O ≤ 0,32 Gew.-%, wie gemäß Anspruch 1 dargelegt, festgelegt ist, kann die Dauerfestigkeit hinreichend sichergestellt werden, und ferner ist es durch Anwenden der Kaltumformung vor der Oxidationsbehandlung möglich, wirksamer eine Erhöhung der Dauerfestigkeit zu erzielen und die Verschleißfestigkeit zu erhöhen.
Mit der Erfindung gemäß Anspruch 3 kann durch Festsetzen der Zugfestigkeit auf nicht kleiner als 700 MPa, oder der Querschnitts-Härte in Form einer Vickershärte auf nicht kleiner als 230 HV0.1, eine Bildung des Ventilfedertellers durch die Kaltumformung sichergestellt werden, wodurch eine Gewichtsreduktion des Ventilfedertellers erzielt wird.
Ferner kann mit der Erfindung gemäß Anspruch 4 eine stabilere Kalt-Verformbarkeit erhalten werden, abzielend auf eine Erhöhung der Dauerfestigkeit, und der Ventilfederteller kann durch Kaltumformung gebildet werden, wodurch es möglich wird, dass die maximale Wirkung des geringeren Gewichts hervortritt.
1 ist eine vertikale Schnittansicht, die ein Hauptteil einer Brennkraftmaschine darstellt.
2 ist eine vergrößerte vertikale Schnittansicht eines Ventilfedertellers.
3 ist eine schematische Darstellung, die einen Prozess der Bildung des Ventilfedertellers darstellt.
4 ist eine Schnittansicht, die den Prüfzustand einer Dauerfestigkeits-Prüfung darstellt.
5 ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen der gemessenen Belastung und der gemessenen Grenzbelastung darstellt, um einen Ermüdungs-Sicherheitsfaktor zu erhalten.
6 ist ein Diagramm, das einen Bereich darstellt, und zwar einen Bereich zur Bestimmung, ob eine Kalt-Verformbarkeit in bezug auf den Fe-Inhalt und den O-Inhalt zufriedenstellend ist oder nicht.
7 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Dicken-Grenze eines Teils des Ventilfedertellers mit großem Durchmesser und N-Inhalt darstellt.
8 ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen einem Dauerfestigkeitsverhältnis und O-Inhalt darstellt.
9 ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen der Tiefe von der Oberfläche eines Rohmaterials und der Härte darstellt.
10 ist eine Grafik, die eine Beziehung zwischen O-Inhalt und „Festfress"-Last darstellt.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend in bezug auf eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.
Zunächst ist in 1 eine Haupt-Motoreinheit 1 beispielsweise einer DOHC-Brennkraftmaschine bereitgestellt, mit einem Zylinderblock 2, der eine Zylinderbohrung 4 aufweist, und einem Zylinderkopf 3, der mit dem Zylinderblock 2 verbunden ist, und einem Verbrennungsraum 6, der gegenüberliegend zu dem oberen Bereich eines Kolbens 5 angeordnet ist, der gleitbar in die Zylinderbohrung 4 eingepasst ist, und der zwischen dem Zylinderblock 2 und dem Zylinderkopf 3 ausgebildet ist.
Der Zylinderkopf 3 weist einen Abgasventil-Auslass 7 auf, der zu der Deckenfläche der Verbrennungskammer 6 geöffnet ist, und eine Abgasöffnung 8, die mit dem Abgasventil-Auslass 7 in Verbindung steht, und ein Schaft 9a eines Abgasventils 9, das den Abgasventil-Auslass 7 öffnet/schließt, ist gleitbar in einen Führungszylinder 10 eingepasst.
Ein Ventilfederteller 12 ist durch die Zwischenschaltung von Keilelementen 11 an einem Ende des Schafts 9a befestigt, das von dem Führungszylinder 10 herausragt, und eine Ventilfeder 14 in einer spulenartigen Form, die den Schaft 9a umgibt, ist zwischen dem Ventilfederteller 12 und einem Feder-Sitzelement 13 eingebaut, und zwar auf eine Weise, dass sie komprimiert ist, so dass das Abgasventil 9 durch eine durch die Ventilfeder 14 aufgebrachte Abstoßungskraft zu einer Ventil-Schließrichtung hin gedrängt ist.
Der obere Teil des Schafts 9a, der obere Teil der Ventilfeder 14 und der Ventilfederteller 12 sind mit einem Ventilstößel 15 bedeckt, der in der Form eines Zylinders mit Boden ausgebildet ist, und das obere Ende des Schafts 9a ist koaxial durch die Zwischenschaltung eines inneren Abstandsstücks 24 gegen das Zentrum der inneren Fläche eines oberen geschlossenen Endes des Ventilstößels 15 gedrängt. Ferner ist der Ventilstößel 15 verschiebbar in eine Führungsöffnung 16 eingepasst, die in dem Zylinderkopf 3 bereitgestellt ist.
Ein Ventilnocken 18, der an einer Nockenwelle 17 befestigt ist, befindet sich in einem verschiebbaren Kontakt mit der äußeren Fläche des oberen geschlossenen Endes des Ventilstößels 15, und in Reaktion auf eine Drehung der Nockenwelle 17 drückt der Ventilnocken 18 den Schaft 9a gegen die Abstoßungskraft der Ventilfeder 14 herunter, wodurch das Abgasventil 9 veranlasst wird, die Ventilöffnung zu bewirken.
In 2 weist der Ventilfederteller 12 ein Teil 12a mit einem großen Durchmesser in der Form einer Scheibe auf, wobei der Durchmesser D 21 mm beträgt, und wobei der Ventilfederteller 12 ferner mit einer kleinen Dicke d in der Größenordnung von beispielsweise von 1,5 mm in der axialen Richtung ausgebildet ist, und Teil 12b mit einem kleinen Durchmesser, das mit einer Dicke in der axialen Richtung ausgebildet ist, die größer ist als die des Teils 12a mit dem großen Durchmesser, ist koaxial mit einem peripheren Teil des Teils 12a mit dem großen Durchmesser verbunden, und ein konisches Teil 12c, derart ausgebildet, dass es einen abnehmenden Durchmesser aufweist, entfernt von dem Teil 12b mit dem kleinen Durchmesser und koaxial verbunden mit einem peripheren Teil des Teils 12b mit dem kleinen Durchmesser, wobei all die Teile zusammenhängend miteinander sind, und eine ringförmige Sitzfläche 19, um das obere Ende der Ventilfeder 14 aufzunehmen, ist in einer stufenartigen Form zwischen dem Teil 12a mit dem großen Durchmesser und dem Teil 12b mit dem kleinen Durchmesser ausgebildet.
Ferner ist der Ventilfederteller 12 mit einer konischen Öffnung 20 versehen, um den Schaft zu sichern, und die so gebildet ist, dass sie sich in der axialen Richtung durch den Ventilfederteller 12 erstreckt, und die Keilelemente 11 sind in die konische Öffnung 20 eingepasst, um so zwischen dem Schaft 9a, der in die konische Öffnung 20 eingeführt ist, und dem Ventilfederteller 12 eingelegt zu sein.
Der oben beschriebene Ventilfederteller 12 ist durch ein Kaltumformungs-Verfahren gebildet, das die in 3 dargestellten Schritte umfasst. In dem Schritt des Grobdraht-Schneidens, das in 3(a) dargestellt ist, wird ein Grobdraht 21 einer gegebenen Länge von einem Draht-Rohling abgeschnitten, in einem in 3(b) dargestellten Schmiede-Schritt wird ein Rohling 22 in einer scheibenähnlichen Form durch Stauchen des Grobdrahts 21 in der axialen Richtung bereitgestellt, in einem in 3(c) dargestellten Ausstanz-Schritt kann ein ringähnlicher Rohling 23 durch Ausstanzen des Zentrums des Rohlings 22 bereitgestellt werden, und der Rohling 23 wird der Umformung ausgesetzt, um dadurch den in 3(d) dargestellten Ventilfederteller zu erhalten.
Nun, da der Ventilfederteller 12 aus Titan hergestellt ist, hat der Erfinder Studien fortgeführt, um den aus Titan hergestellten Ventilfederteller 12 durch Anwendung von Kaltumformung zu erhalten, um zur Reduzierung der Herstellungskosten beizutragen, und hat infolgedessen entdeckt, dass hervorragende Kalt-Verformbarkeit erhalten werden kann wenn kostengünstiges Schwamm-Titan verwendet werden kann, das einen vergleichsweise hohen Fremdstoff-Inhalt aufweist, wobei die notwendige Festigkeit durch optimale Steuerung der Zufügung entsprechender Mengen von Fremdstoff-Elementen von Fe, O und N sichergestellt wird, und wobei vorzugsweise eine spezifische Morphologie innerhalb äußerst begrenzter Zusammensetzungsbereiche sichergestellt ist.
Tabelle 1 zeigt Auswertungen, die vorgenommen wurden, wenn der Ventilfederteller 12 durch variierende Eigenschaften eines Rohmaterials gebildet wurde, und durch Vornehmen einer Auswertung bezüglich der Kalt-Verformbarkeit, wobei Symbol O den Fall kennzeichnet, wo es möglich war, das Teil 12a des Ventilfedertellers 12 mit dem großen Durchmesser und mit einer Dicke von 1,5 mm hervorragend zu bilden, und zwar ohne ein Reißen bzw. eine Rissbildung zu verursachen, während das Symbol X den Fall des Misslingens dieses Vorhabens kennzeichnet. Ferner, wenn von oben eine Belastung wiederholend auf den Schaft 9a mit dem Ventilfederteller 12 aufgebracht wird, in einem Zustand, wo die Sitzfläche 19 davon durch ein Stützelement 25 gestützt wird, wie fixiert und in 4 dargestellt, wird die Anzahl der Wiederholungen, die zu einem Bruch führt, gemäß einer Belastung, wie in 5 dargestellt, variieren, und nimmt man an, dass der Ermüdungs-Sicherheitsfaktor gegeben ist durch (gemessene Belastung/gemessene Grenzbelastung) kennzeichnet Symbol O bei einer Gesamt-Auswertung den Fall, wo die Kalt-Verformbarkeit O ist und der Ermüdungs-Sicherheitsfaktor 1,2 überschreitet.

*1 Dicke eines Teils mit großem Durchmesser < 1,5 mm

[Tabelle 1]

	Eigenschaften eines Rohmaterials						Auswertung
Test-Stück- Nr.	Zusammensetzung			Zug-Festigkeit	Härte	Durchschn. Korngröße	Kalt-Verformbarkeit	Ermüdungs-Sicherheitsfaktor > 1,2	Gesamt-Auswertung
Test-Stück- Nr.	Fe	O	N	MPa	HV0.1	μm	*1	Ermüdungs-Sicherheitsfaktor > 1,2	Gesamt-Auswertung
1	1,03	0,200	0,027	690	223	16	O	1,1	X
2	0,59	0,209	0,031	674	218	18	X	–	X
3	0,71	0,236	0,029	702	233	17	X	–	X
4	0,81	0,250	0,024	709	235	15	O	1,5	O
5	0,90	0,243	0,033	720	238	12	O	1,5	O
6	1,13	0,255	0,023	733	243	10	O	1,5	O
7	0,86	0,280	0,027	740	244	13	O	1,6	O
8	0,96	0,268	0,027	733	244	12	O	1,5	O
9	1,18	0,290	0,029	764	254	10	O	1,6	O
10	0,66	0,299	0,028	740	245	17	X	–	X
11	1,07	0,300	0,031	771	253	10	O	1,6	O
12	1,13	0,308	0,022	756	248	9	O	1,6	O
13	0,83	0,318	0,035	779	258	12	O	1,6	O
14	1,26	0,330	0,028	784	258	10	X	–	X
15	1,13	0,345	0,028	805	268	10	X	–	X
16	1,46	0,277	0,027	783	260	10	X	–	X
17	1,01	0,286	0,003	704	231	10	X	–	X
18	1,01	0,290	0,014	730	243	10	X	–	X
19	1,05	0,277	0,023	734	243	9	O	1,6	O
20	1,04	0,282	0,035	765	254	10	O	1,6	O
21	1,01	0,300	0,042	791	258	9	O	1,7	O
22	0,99	0,291	0,047	786	261	10	O	1,7	O
23	1,00	0,291	0,053	803	267	10	X	–	X
24	0,98	0,269	0,061	797	259	10	X	–	X
25	0,98	0,273	0,073	832	275	9	X	–	X
26	1,05	0,277	0,023	–	–	97	X	–	X
27	1,05	0,277	0,023	–	–	40	X	–	X
28	1,05	0,277	0,023	–	–	25	X	–	X
29	1,05	0,277	0,023	–	–	19	O	1,5	O

In Tabelle 1 sind die Teststücke Nr. 1 und 2, die Zugfestigkeiten aufweisen, die kleiner sind als 700 MPa, oder die Querschnittshärten in Form einer Vickershärte aufweisen, die kleiner sind als 230 HVO.1, in der Gesamt-Auswertung als X bewertet, da ein zufriedenstellender Ermüdungs-Sicherheitsfaktor nicht erhalten werden konnte, und hieraus ist ersichtlich, dass es zur Einführung des Ventilfedertellers 12, der eine erzielte Gewichtsreduktion aufweist, wie einer, der aus Titan hergestellt ist, eine Zugfestigkeit, die nicht kleiner ist als 700 MPa im Minimum, oder eine Querschnittshärte, die im Minimum nicht kleiner ist als 230 HVO.1 in Form einer Vickershärte, in dem Schritt der Kaltumformung erforderlich sind.
Ferner besteht der Bedarf, ein Leistungsvermögen zur Bildung durch Kaltumformung zu haben, zusätzlich zur Sicherung des zufriedenstellenden Ermüdungs-Sicherheitsfaktors, so dass in bezug auf einen Ansatz derartige Bedingungen zu erfüllen, die Bestimmung, ob die Kalt-Verformbarkeit zufriedenstellend war oder nicht in Bezug auf die Teststücke Nr. 1 bis 16 vorgenommen wurde, und zwar auf der Basis der Formbarkeit des Teils 12a mit dem großen Durchmesser des Ventilfedertellers 12, und wobei die Ergebnisse der Bestimmung in 6 dargestellt sind. Das heißt, dass derartige, die sich innerhalb eines Bereichs befinden, der in 6 von einem Rechteck umgeben ist, eine hervorragende Kalt-Verformbarkeit bei Variation des Fe-Inhalts und des O-Inhalts zeigten, unter derartigen Bedingungen, dass 0,02 Gew.-% ≤ N ≤ 0,035 Gew.-%, und die durchschnittliche Körngröße in einem Bereich von 9 bis 18 μm liegt.
Hierin ist dargestellt, dass, falls Fe < 0,8 Gew.-%, sich die Anisotropie erhöht und diagonale Risse auftreten, die zu einer Un-Verformbarkeit führen, falls 1,2 Gew.-% < Fe treten Risse infolge einer Verschlechterung der Duktilität auf, die zu einer Un-Verformbarkeit führt, falls O < 0,24 Gew.-% kann die minimale Zugfestigkeit von 700 MPa, die für den Ventilfederteller 12 erforderlich ist, nicht sichergestellt werden, und falls 0,32 Gew.-% < O treten nicht nur Risse auf, sondern auch der Verformungswiderstand ist zu hoch, was zu einer übermäßigen Erhöhung der Belastung an einer Form zur Kaltumformung führt. Aus derartigen Ergebnissen ist ersichtlich, dass der Bedarf danach besteht, dass 0,8 Gew.-% ≤ Fe ≤ 1,2 Gew.-% und 0,24 Gew.-% ≤ O ≤ 0,32 Gew.-% gilt, um eine hervorragende Kalt-Verformbarkeit zu erhalten.
Ferner, bei Verwendung der Teststücke Nr. 17 bis 25, wurde die Bestimmung, ob die Kalt-Verformbarkeit zufriedenstellend war oder nicht, vorgenommen auf der Basis der Formbarkeit des Teils 12a mit großem Durchmesser des Ventilfedertellers 12 und die Ergebnisse dieser Bestimmung sind in 7 dargestellt. Das heißt, dass derartige die sich innerhalb eines Bereichs befinden, der in 7 von einem Rechteck umgeben ist, eine hervorragende Kalt-Verformbarkeit bei Variation des N-Inhalts zeigten, unter derartigen Bedingungen, dass 0,98 Gew.-% ≤ Fe ≤ 1,05 Gew.-%, 0,269 Gew.-% ≤ O ≤ 0,3 Gew.-% und die durchschnittliche Körngröße in einem Bereich von 9 bis 10 μm liegt, was zeigt, dass Bedarf besteht, dass 0,02 Gew.-% ≤ N ≤ 0,05 Gew.-% gilt, um die Formung des Teils 12a mit dem großen Durchmesser des Ventilfedertellers 12 zu ermöglichen, und zwar bis zu einer Dicke von 1,5 mm ohne dass daran Risse auftreten. In diesem Zusammenhang wurde bei der Bestimmung, ob die Kalt-Verformbarkeit zufriedenstellend ist oder nicht, die Dicke von 1,5 mm des Teils 12a mit dem großen Durchmesser des Ventilfedertellers 12 als Maßstab zur Bestimmung eingesetzt, und dies deshalb, weil die Dicke des Teils 12a mit dem großen Durchmesser eines herkömmlichen Ventilfedertellers 12a 1,5 mm betragen hat. Demnach, falls das Teil 12a mit dem großen Durchmesser mit einer Dicke von 1,5 mm gebildet werden kann, können die peripheren Komponenten des herkömmlichen Ventilfedertellers, wie sie vorliegen, auf den Ventilfederteller 12 als dessen periphere Komponenten angewandt werden, wodurch das Meiste der Güte eines leichteren Gewichts hervorgebracht wird.
Die Teststücke Nr. 26 bis 29 wurden zur Bestimmung verwendet, ob die Kalt-Verformbarkeit zufriedenstellend war oder nicht, und zwar durch Variation der durchschnittlichen Körngröße in einem Bereich von 19 bis 97 μm, in einem Zustand, wo Fe festgelegt wurde bei 1,05 Gew.-%, O bei 0,277 Gew.-% und N bei 0,023 Gew.-%. Nur das Teststück Nr. 29 mit einer durchschnittlichen Körngröße von 19 μm wurde in der Gesamt-Auswertung als O gewertet, kennzeichnend, dass der Bedarf besteht an durchschnittlichen Korngrößen von weniger als 20 μm, um eine stabile Kalt-Verformbarkeit zu erhalten. Ferner, auch in bezug auf die Teststücke Nr.1 bis Nr. 25, weist keines, das in der Kalt-Verformbarkeit als O bewertet ist, eine durchschnittliche Körngröße auf, die nicht kleiner ist als 20 μm, kennzeichnend, dass es möglich ist, eine stabilere Kalt-Verformbarkeit zu erhalten, indem die durchschnittliche Körngröße auf weniger als 20 μm gehalten wird.
Im Übrigen, es ist notwendig, eine Oberflächenbehandlung auf den Ventilfederteller 12 anzuwenden, um das Gleiche mit der Beständigkeit gegen Abrieb infolge des Gleitens der Ventilfeder 14 und des Reibverschleißes mit den Keilelementen 11 bereitzustellen, so dass Behandlungen, wie Oxidationsbehandlung, Ionenplattierung, Plasma-Nitrierung, Plasma-Aufkohlen und so weiter untersucht wurden, jedoch, da der Ventilfederteller 12 aus Titan hergestellt ist, verursachen die beschriebenen Behandlungen eine Verschlechterung der Dauerfestigkeit, und in vielen Fällen ist es notwendig, zu vermeiden, dass eine Oberflächenbehandlung auf Spannungskonzentrations-Teile angewandt wird, oder eine oberflächenbehandelte Schicht, die in den Spannungskonzentrations-Teilen ausgebildet ist, während der Nachbehandlung zu entfernen, wodurch sich ein Grund für eine Kostenerhöhung ergibt.

Der Erfinder hat neulich entdeckt, dass dort eine Korrelation zwischen dem O-Inhalt in einer Matrix und der Verschlechterung in der Dauerfestigkeit besteht, infolge der Oxidationsbehandlung, die auf die Oberfläche davon angewandt wird, und Tabelle 2 zeigt Ergebnisse von Versuchen zur Erzielung eines Dauerfestigkeits-Verhältnisses für die Dauerfestigkeit vor und nach der Oxidationsbehandlung (Dauerfestigkeit nach der Oxidationsbehandlung/Dauerfestigkeit vor der Oxidationsbehandlung) durch Verwendung der Teststücke Nr. 1, 5, 6, 8, 11, 13, 30 und 31. [Tabelle 2]

Teststück- Nr.	Zusammensetzung			Zug-Festigkeit	Härte	Dauerfestigkeits- Verhältnis
	Fe	O	N	MPa	HV0.1
1	1,03	0,200	0,027	690	223	0,51
5	0,90	0,243	0,033	720	238	0,55
6	1,13	0,255	0,023	733	243	0,55
8	0,96	0,268	0,027	733	244	0,55
11	1,07	0,300	0,031	771	253	0,57
13	0,83	0,318	0,035	779	258	0,57
30	0,05	0,120	0,010	490	172	0,46
31	0,97	0,165	0,027	660	210	0,45

In Tabelle 2 kennzeichnen die Dauerfestigkeitsverhältnisse Ergebnisse von Umlaufbiegeversuchen, die an Teststücken mit einer U-Kerbe (α = 1,8 ) ausgeführt wurden, und wobei eine Oxidationsbehandlung bei 500°C für 5 Stunden auf die Teststücke angewandt wurde.
Eine in 8 dargestellte Graphik erhält man durch Auftragen der Dauerfestigkeitsverhältnisse in Tabelle 2, welche aufzeigt, dass eine vorteilhafte Wirkung der Reduzierung der Verschlechterung der Dauerfestigkeit erhalten werden kann falls 0,2 Gew.-% ≤ O. Es wurde bestätigt, dass der Ventilfederteller 12 in einem Zustand, wo die Oxidationsbehandlung auf die gesamte Oberfläche davon angewandt wurde, umfassend die Spannungskonzentrations-Teile, hinreichend die Leistungsfähigkeit des Ventilfedertellers 12 sicherstellen konnte, insbesondere falls 0,24 Gew.-% ≤ O.
Wie in 9 dargestellt, wurde eine Beziehung zwischen der Tiefe von der Oberfläche und der Vickershärte erhalten durch Anwenden einer Oxidationsbehandlung bei 750°C für 3 Stunden auf Teststücke, auf die keine Kaltumformung angewandt wurde, und auf Teststücke nachdem diese einer Kaltumformung unterzogen wurden, und es ist aus der Figur ersichtlich, dass falls eine Kaltumformung vor der Oxidationsbehandlung angewendet wird, eine Endringtiefe steigt, während sich die Sauerstoff–Diffusionszeit verkürzt, und dort besteht ein großer Unterschied in der Härte, insbesondere unmittelbar unterhalb der Oberfläche (bei ca. 20 μm Tiefe), kennzeichnend für eine große vorteilhafte Wirkung der Kaltumformung vor der Oxidationsbehandlung auf die Steigerung der Verschleißfestigkeit.

Ferner verbessert sich die Verschleißfestigkeit bei steigendem O-Inhalt, und Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der Untersuchung der Oberflächenhärte und „Festfress"-Last nach Oxidationsbehandlung durch Verwenden der Teststücke Nr. 1, 5, 6, 8, 11, 13 und 31. Eine in 10 dargestellte Graphik erhält man durch Auftragen der Ergebnisse in Tabelle 3. Tabelle 3

Teststück- Nr.	Zusammensetzung			Zug-Festigkeit	Härte	Oberflächen-Harte nach Oxidations-Behandlung, HVO.1	"Festfqress"-Last
Teststück- Nr.	Fe	0	N	MPa	HV0.1		N
1	1,03	0,200	0,027	690	223	605	9850
5	0,90	0,243	0,033	720	238	616	12000
6	1,13	0,255	0,023	733	243	615	12200
8	0,96	0,268	0,027	733	244	616	12250
11	1,07	0,300	0,031	771	253	620	12500
13	0,83	0,318	0,035	779	258	618	13800
31	0,97	0,165	0,027	660	210	598	9600

Die in Tabelle 3 und 10 dargestellten Ergebnisse wurden erhalten durch Versuche mit einem Fabry–Tester unter Verwendung eines SWOSC-V Nitrid-Materials als eine Werkstoffpaarung und eines Motorenöls als ein Schmiermittel nach einer Oxidationsbehandlung bei 700°C für 5 Stunden, und wobei ein „Festfressen" an einem Titanmaterial in einem Zustand auftrat, wo eine oxidierte Schicht davon verschleißte bzw. abgenutzt war, und die Matrix davon wurde der Oberfläche ausgesetzt. Es ist aus den Ergebnissen ersichtlich, dass es möglich ist, die „Festfress"-Last zu erhöhen falls 0,24 Gew.-% ≤ O, um dadurch eine Verschleißfestigkeit zu erhalten, die für den Ventilfederteller 12 ausreichend ist.
Wie oben beschrieben, falls ein Titanlegierungs-Rohmaterial, das zusammengesetzt ist aus 0,8 Gew.-% ≤ Fe ≤ 1,2 Gew.-%, 0,24 Gew.-% ≤ O ≤ 0,32 Gew.-%, 0,02 Gew.-% ≤ N ≤ 0,05 Gew.-% und Rest Ti, dass eine unvermeidliche Verunreinigungen enthält, durch Kaltumformung in den Ventilfederteller 12 geformt wird, wird es möglich, die Kosten eines Rohmaterials durch Verwendung eines kostengünstigen Schwamm-Titans, dass einen vergleichsweise hohen Verunreinigungsinhalt aufweist, zu reduzieren, und ferner eine hohe Festigkeit zu erzielen und die Kalt-Verformbarkeit durch optimale Steuerung entsprechender Zusatz-Mengen von Fe, O und N als Verunreinigungselemente bzw. Fremdstoff-Elemente zu verbessern, so dass Herstellungskosten reduziert werden können durch Bilden des Ventilfedertellers 12 durch Kaltumformung, und wobei eine Steigerung des Ertrags verfolgt werden kann während eine hohe Produktivität erhalten werden kann, wodurch eine Verringerung der Herstellungskosten sichergestellt wird.
Ferner, falls eine Oberflächenbehandlung auf die gesamte Oberfläche des Ventilfedertellers 12 nach Kaltumformung angewandt wird, kann die Dauerfestigkeit hinreichend sichergestellt werden, infolge des Gleichgewichts zwischen O-Inhalt des Rohmaterials und Oberflächenoxidation, einhergehend mit einer wirksameren Abzielung auf eine Steigerung der Dauerfestigkeit und einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit.
Ferner, da das Rohmaterial eine Zugfestigkeit von nicht geringer als 700 MPa aufweist, oder eine Querschnittshärte in Form einer Vickershärte von nicht weniger als 230 HVO.1, ist die Bildung des Ventilfedertellers 12 durch Kaltumformung sichergestellt, und eine Gewichtsreduzierung des Ventilfedertellers 12 kann erreicht werden.
Weiterhin ist es durch Einstellen der durchschnittlichen Korngröße auf weniger als 20 μm möglich, eine stabile Kalt-Verformbarkeit zu erhalten, während eine Steigerung der Dauerfestigkeit verfolgt wird.
Folglich wird durch Spezifizieren der Legierungszusammensetzung des Ventilfedertellers 12 wie oben, gemäß den Lehren der Erfindung, eine sehr produktive Kaltumformung ermöglicht, während eine Steigerung der Rohmaterial-Ausnutzung von bis zu nahezu 100% ermöglicht wird, wobei die Kosten der Formung auf 1/5 der herkömmlichen Formungskosten reduziert werden können, während sich die Kosten des Rohmaterials auf ca. 1/2 bis 1/3 der Kosten des herkömmlichen Rohmaterials reduzieren, und ferner können die Kosten der Oberflächenbehandlung derart gesteuert werden, dass sie äquivalent sind zu den Kosten einer herkömmlichen Wärmebehandlung. Folglich können die Kosten des Ventilfedertellers 12 derart gesteuert werden, dass sie geringer sind als ein 1/10 der Kosten des herkömmlichen Titan-Ventilfedertellers, hergestellt aus Titan, oder innerhalb des 2-fachen bis 3-fachen der Kosten eines Stahl-Ventilfedertellers auf Massenfabrikations-Basis liegen, so dass der Ventilfederteller 12 zufriedenstellend zur Verwendung in der Brennkraftmaschine eines massengefertigten Fahrzeugs angewandt werden kann, wie etwa einem Fahrzeug mit geringem Treibstoffverbrauch, einem Sportwagen und so weiter. Zusätzlich weist der Ventilfederteller 12 gemäß der Erfindung ein um 40% geringeres Gewicht im Vergleich zu dem Stahl-Ventilfederteller auf Massenfabrikations-Basis auf.
Während die bevorzugte Form der Erfindung oben beschrieben wurde, ist es ersichtlich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, und verschiedene Gestaltungs-Modifikationen vorgenommen werden können ohne den gedanklichen Inhalt oder den Umfang der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
Beispielsweise wurde mit der oben beschriebenen Ausführungsform der Ventilfederteller 12 des Abgasventils 9 beschrieben, jedoch kann die Erfindung auf einen Ventilfederteller eines Einlassventils angewandt werden.

12: Ventilfederteller

Claims

Ventilfederteller (12), hergestellt aus Titan, wobei der Ventilfederteller (12) durch Anwenden einer Kaltumformung auf ein Titanlegierungs-Rohmaterial gebildet ist, das folgendes enthält: 0,8 Gew.-% ≤ Fe ≤ 1,2 Gew.-%; 0,24 Gew.-% ≤ O ≤ 0,32 Gew.-%; 0,02 Gew.-% ≤ N ≤ 0,05 Gew.-%; und Rest Ti, das unvermeidliche Verunreinigungen enthält.
Ventilfederteller (12), hergestellt aus Titan, nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei nach der Kaltumformung eine Oxidationsbehandlung auf die gesamte Oberfläche davon angewandt wird.
Ventilfederteller (12), hergestellt aus Titan, nach einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Zugfestigkeit aufweist, die nicht kleiner ist als 700 MPa, oder eine Querschnitts-Härte in Form einer Vickershärte aufweist, die nicht kleiner ist als 230 HV0.1.
Ventilfederteller (12), hergestellt aus Titan, nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die durchschnittliche Korngröße nicht größer ist als 20 μm.