DE69406438T2

DE69406438T2 - Ventilfederteller für eine Brennkraftmaschine und Herstellung derselben

Info

Publication number: DE69406438T2
Application number: DE1994606438
Authority: DE
Inventors: Seiichi Nakagawa
Original assignee: Fuji Valve Co Ltd
Current assignee: Fuji Oozx Inc
Priority date: 1994-07-21
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2014-12-16
Also published as: DE69406438D1; EP0693615B1; EP0693615A1; JP3362240B2; JPH0828224A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen für ein Motorventil gebräuchlichen Ventilfederteller und weiter ein Verfahren zur Herstellung des Ventilfedertellers. Der Ventilfederteller weist eine bestimmte zusammensetzung aus einer Legierung auf Aluminium-Basis auf und kann nur durch das besondere Verfah ren hergestellt werden, das spezielle Behandlungen umfaßt.

Beschreibung des Standes der Technik

Ein herkömmlicherweise verwendeter, für ein Verbrennungsmotorventil gebräuchlicher Ventilfederteller ist wie in Fig.1 gezeigt (Stand der Technik).
Mit Bezug auf Fig. 1 ist dort eine Teilansicht in teilweisem Schnitt eines Verbrennungsmotorventils 1 gezeigt, dessen Ende mittels eines Paars Splinte 3, 3 an einem Ventilfederteller 2 befestigt ist, auf dem eine Federspirale 4 in einem Hohlraum des Ventils 1 gegen einen Zylinderkopf (nicht gezeigt) abgestützt ist.
Das Ventil 1 wird durch Bewegung einer Nocke 7 angetrieben, welche auf die obere Fläche einer Beilegscheibe 6 drückt, die in einem Ventilstößel 5 des Ventils 1 eingebettet ist.
Ein derartiger Motor, der mit einem Ventil vom Typ eines Direktantriebsmechanismus versehen ist, weist dafür eine geringere Anzahl von Teilen auf, und deshalb kann die zulässige Drehzahl des Motors verbessert werden, so daß dadurch die Wirksamkeit der Motorleistung erhöht wird.
Eines der Hindernisse, um die zulässige Drehzahl des Motors zu erhöhen, ist das Gewicht einer bewegten Ventileinheit.
Wenn sich das Gewicht der Ventileinheit erhöht, erhöht sich die träge Masse des Ventils, so daß dadurch die Eigenschaft, der Nockenbewegung zu folgen, verlorengeht, wodurch die Wirksamkeit des Einlaß- und Auslaßventils beeinflußt wird, so daß die Motorleistung verringert wird.
Kürzlich hat man für einen Federteller 2, der an einem Ventilstößel 5 und einer Ventilfederspirale 4 zu befestigen ist, an Stelle von Eisen eine Aluminiumlegierung verwendet, wodurch die träge Masse der Ventileinheit verringert wurde.
Jedoch muß der Federteller 2 am Berührungsteil mit dem Ende der Spirale 4 wiederholt einer hohen Gewichtsbelastung ausgesetzt werden, und deshalb wird der aus der Legierung auf Aluminium-Basis hergestellte Federteller, welcher eine geringere Abriebfestigkeit als derjenige aus Eisen besitzt, am Berührungsteil 2 mit der Spirale 4 stärker abgenutzt, wodurch einige Probleme mit der Lebensdauer des Motors verursacht werden.
Man hat die Verwendung einer Aluminiumlegierung für einen leichtgewichtigen Federteller vorgeschlagen; und die Verwendung einer Titanlegierung ist in der japanischen (ungeprüften) Patentanmeldungs-Offenlegungs schrift Nr. 4-171206/1992 beschrieben und die Verwendung einer anderen Leichtmetall-Legierung für einen Federteller. Jedoch hat man verschiedene Nachteile gefunden, wie z.B. das Fehlen einer Abriebbeständigkeit und das Fehlen einer bleibenden Verformung bei Ermüdung.
Um derartige Nachteile zu überwinden, verwendet der Federteller aus einer Aluminiumlegierung nach dem Stand der Technik eine Metallauskleidung, die in den Berührungsteil mit der Spirale eingebettet ist (Z.B. japanische (ungeprüfte) Patentanmeldungs-offenlegungsschrift Nr. 63-50613/1988, japanische (ungeprüfte) Gebrauchsmusteranmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 63-34312/1988), und weiter hat man zur Verbesserung der Abriebfestigkeit des Berührungsteils mit der Spirale die
Verwendung einer faserverstärkten Aluminiumlegierung mit einer plattierten überzugsschicht auf ihrer Oberfläche (japanische (ungeprüfte) Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 62-45915/1987) und weiter zur Erhöhung der Abriebfestigkeit eine Alumitisierung (Herstellen einer Alumite-Oberflächenschicht) der Oberflächenschicht, d.h. eine Oberflächenbehandlung der Aluminiumlegierung, und zur Verleihung einer Abriebbeständigkeit eine Dispergierung von hartem Material, wie z.B. Keramikpulver, in der Aluminiumlegierung vorgeschlagen. Eine derartige Verbesserung oder Neugestaltung der Oberfläche der Legierung wird die Herstellungskosten des Federtellers erhöhen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Ventilfederteller für ein Motorventil mit äußerst konkurrenzfähiger Leistung bei erheblichen Kosteneinsparungen bereitzustellen.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Legierung auf Aluminium-Basis mit einer äußerst konkurrenzfähigen Leistung bereitzustellen, ohne daß man zusätzlich verstärkende Fasern einbauen muß.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Legierung auf Aluminium-Basis von geringem Gewicht sowie hoher Abriebbeständigkeit bereitzustellen.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Legierungszusammensetzung auf Aluminium-Basis ohne die Notwendigkeit eines zusätzlichen Plattierschrittes bereitzustellen, welche nur verhältnismäßig kostengünstige Bestandteile enthält
Das weitere Ziel der vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden Beschreibung verständlich.
-Eine ausführliche Beschreibung der Erfindung wird durch Bezug auf die Zeichnungen erleichtert, die einen Teil dieser Beschreibung bilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

-Fig. 1 ist eine bruchstückhafte Seitenansicht in teilweisem Schnitt eines Ventilfedertellers und eines Motorventils sowie einer am Motorventil befestigten Federspirale.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen dem Si-Gehalt und einer Preß oder Schmiede-Verformbarkeitsgrenze für die Legierungszusammensetzung auf Aluminium-Basis zeigt, die für einen Ventilfederteller verwendet wird.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Der Federteller nach dem Stand der Technik benötigt ein besonderes metallenes Element, wie z.B. eine harte Oberflächenschicht, und einen zusätzlichen Schritt eines Verbindens eines derartigen metallenen Elementes mit dem Federteller, wodurch die Herstellungskosten erhöht werden. Weiter wird sich das Gewicht des Federtellers wegen des besonderen metallenen Elementes erhöhen.
In übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann ein Ventilfederteller für ein Motorventil, das an demselben zu befestigen ist, aus einer Legierungszusammensetzung auf Aluminium-Basis hergestellt werden, die im wesentlichen aus
Silicium: 8 bis 17 Gewichtsprozent;
Kupfer: 2 bis 5 Gewichtsprozent;
Magnesium: 0,2 bis 10 Gewichtsprozent;
Mangan: weniger als 1,5 Gewichtsprozent;
Aluminium, das den Rest ausmacht, und einer unvermeidlichen Menge Verunreinigungen besteht, indem man die obige Legierung auf Aluminium-Basis lediglich schmiedet; gefolgt von einer speziellen Wärmebehandlung, um sie in ein Legierungsmaterial umzuwandeln, das einen Dendritenarm-Abstandswert aufweist, der kleiner als 15 Mikrometer ist.
Eine derartige Legierung auf Aluminium-Basis ist bisher nicht bekannt gewesen. Eine Legierung auf Aluminium-Basis nach JIS- Standard Nr. 4032 umfaßt 11 bis 13,5 Gewichtsprozent Silicium, 0,50 bis 1,5 Gewichtsprozent Kupfer, 0,8 bis 1,3 Gewichtsprozent Magnesium, 0 Gewichtsprozent Mangan. Ein Aluminiumlegierungs-Formteil bzw. -Spritzgußteil nach JIS- Standard Nr. AC 88 und AC 8C umfaßt 8,5 bis 10,5 Gewichtsprozent Silicium, 1,0 Gewichtsprozent Eisen, 2,0 bis 4, Gewichtsprozent Kupfer, 0,50 Gewichtsprozent Mangan, 0,50 bis 1,5 Gewichtsprozent Magnesium, 0,50 Gewichtsprozent zink.
Von entscheidender Wichtigkeit ist es, daß die Legierung auf Aluminium-Basis für den Ventilfederteller, der für eine Motorventil-Federspirale auf demselben gebildet ist, die folgenden Bestandteile in den nachstehenden Verhältnissen enthält:
Silicium: 8 bis 17 Gewichtsprozent;
Kupfer: 2 bis 5 Gewichtsprozent;
Magnesium: 0,2 bis 10 Gewichtsprozent;
Mangan: weniger als 1,5 Gewichtsprozent;
Aluminium, das den Rest ausmacht, und eine unvermeidliche Menge Verunreinigungen.
Der Dendritenarm-Abstandswert der Legierung auf Aluminium- Basis sollte weniger als 15 Mikrometer betragen.
Der Federtellerrohling mit der obigen Legierungszusammensetzung auf Aluminium-Basis wird hauptsächlich bei einer kalten Temperatur geschmiedet.
Deshalb weist der erfindungsgemäße Federteller eine signifikante Wirtschaftlichkeit auf, weil er Kosten an Ausgangsmaterial einspart (keine Verwendung von kostspieligen Metallen) und weil er Schritte erübrigt (benötigt keine zusätzlichen Schritte).
Die Gründe für die Begrenzung jedes Bestandteils bei der für die Herstellung des Ventilfedertellers gebräuchlichen Legierungszusammensetzung auf Aluminium-Basis sind wie folgt:
Silicium wird zugesetzt, um Härte und Abriebfestigkeit des hergestellten Federtellers in den gewünschten Ausmaßen sicherzustellen.
Der Siliciumgehalt reicht von 8 Gew.-% bis 17 Gew.-%. Die Härte und die Abriebfestigkeit können für eine Verwendung als Ventilfederteller nicht ausreichend bereitgestellt werden, wenn der Siliciumgehalt weniger als 8 Gew.-% beträgt. Wenn der Siliciumgehalt 17 Gew.-% überschreitet, wird weiter die Verformbarkeit (Verformungsgrenze des Materials) drastisch verringert, und deshalb werden die Bruch- und Ermüdungsgrenze merklich verringert.
Der Kupfergehalt bewegt sich zwischen 2 und 5 Gew.-%. Wenn der Kupfergehalt bis 2 Gew.-% beträgt, kann die Festigkeit des Federtellers nicht in dem gewünschten ausreichenden Ausmaß bereitgestellt werden, wenn der Kupfergehalt 5 Gew.-% überschreitet, wird die Festigkeit der Aluminiumlegierung zurückgehen.
Der Magnesiumgehalt bewegt sich zwischen 0,2 und 2,5 Gew.-%. Wenn der Magnesiumgehalt mehr als 0,2 Gew.-% beträgt, wird die Inituerung der Si-Kristallisation unterdrückt, wodurch die Festigkeit verbessert wird, aber wenn der Magnesiumgehalt 2,5 Gew.-% überschreitet, wird die Verformbarkeit der Aluminiumlegierung verringert.
Der Mangangehalt beträgt weniger als 1,5 Gew.-%. Innerhalb eines derartigen Bereichs kann Mangan wirksam sein, um eine hohe Festigkeit selbst bei hohen Temperaturen beizubehalten.
Vorzugsweise sollte der DAS(Dendritenarm-Abstands)-Wert der Aluminiumlegierung weniger als 15 Mikrometer betragen. Wenn der DAS-Wert 15 Mikrometer überschreitet, wird die Schmiede-Verformbarkeit drastisch zurückgehen, bis es schwierig wird, zu einer gewünschten Form zu schmieden.
Die Legierung auf Aluminium-Basis wird verwendet, um sie zu dem Federtellerrohling zu schmieden, und dann wird der Rohling der folgenden speziellen Wärmebehandlung unterzogen, um ihm eine praktisch verwendbare Leistungsfähigkeit eines Federtellers für ein Motorventil zu verleihen.

Wärmebehandlung

Der wie geschmiedete Federtellerrohling wird zum teilweisen Schmelzen bei der Temperatur im Bereich zwischen 450 und 540ºC erwärmt und dann zur Alterung über eine bis sechs Stunden bei der Temperatur von 150 bis 200ºC gehalten.
Weiter wird der Rohling zum teilweisen Schmelzen erwärmt, damit die Struktur der Aluminiumlegierung homogenisiert wird.
Diese Erwärmungstemperatur sollte 480 bis 540ºC betragen. Wenn die Temperatur bis zu 450ºC beträgt, ist das Erwärmen zum teilweisen Schmelzen nicht ausreichend, und wenn sich die Temperatur oberhalb 540ºC befindet, wird der Rohling übermäßig erwärmt. Das teilweise Schmelzen bedeutet ein nur einen Teil betreffendes Schmelzen insbesondere am Rand oder an der Grenze oder der inneren Oberfläche der Körner in der Legierung auf Aluminium-Basis, die als Rohling für den Ventilfederteller verwendet wird.
Der behandelte Rohling wird weiter zur Alterungsbehandlung bei einer bestimmten Temperatur erwärmt. Die beste Bedingung für diese Alterung liegt bei der Temperatur von 150 bis 200ºC und für die Zeitdauer von 1 bis 6 Stunden vor.
Wenn die Alterungstemperatur bis zu 150ºC beträgt, wird die notwendige Zeitdauer länger sein. Wenn sich die Alterungstemperatur oberhalb 200ºC befindet, wird die Alterung übermäßig sein. Weiter beträgt die Alterungstemperatur bevorzugter 170 bis 190ºC.
Die Alterungsdauer beträgt abhängig von der Alterungstemperatur vorzugsweise 1 bis 6 Stunden. Wenn die Alterungsdauer bis zu 1 Stunde beträgt, ist die Alterung nicht ausreichend. Wenn die Alterungsdauer 6 Stunden überschreitet, wird die Alterung übermäßig sein.
Der Federtellerrohling wird in eine gewünschte Form fertigbearbeitet, nachdem er geschmiedet und bei hoher Temperatur behandelt und gealtert wurde. Der Federteller wird durch Rommeln bearbeitet und zur Verleihung eines Rostschutzes weiter behandelt.
Wenn der DAS-Wert des Aluminiumlegierungsrohlings oberhalb 15 Mikrometer liegt, wird die Schmiede-Grenzverformbarkeit signifikant verringert, wodurch die Schmiedeverformbarkeit des Rohlings verringert wird. Der DAS-Wert der Aluminiumlegierung beträgt vorzugsweise weniger als 15 Mikrometer.
Wenn der Siliciumgehalt ansteigt, wird das Verhältnis der Fläche einer eutektischen Phase zur Gesamtfläche ansteigen, wodurch die Schmiedeverformbarkeit verringert wird, so daß die Verformbarkeitsgrenze verringert wird.
Die vorliegende Erfindung wird weiter durch das folgende Beispiel erläutert, um den erfindungsgemäßen Ventilfederteller zu veranschaulichen, es sollte aber nicht zum Zweck der Beschränkung der Erfindung ausgelegt werden.

BEISPIEL

Federtellerherstellung

Federtellerrohlinge, die aus den folgenden Legierungszusammensetzungen auf Aluminium-Basis gebildet waren und 30 mm im Außendurchmesser maßen, wurden durch ein Kaltschmiedeverfahren hergestellt.
Die hergestellten Federtellerrohlinge wurden bei der Temperatur von 490ºC erwärmt und über zwei Stunden zur Alterungsbehandlung bei der Temperatur von 180ºC gehalten. Die behandelten Federteller wurden in einem Verbrennungsmotor zum Testen verwendet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Die in der Tabelle dargestellten Proben Nr. 1 bis 3 verwenden die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung, und die anderen Proben Nr. 4 bis 5 liegen nicht innerhalb der durch die vorliegende Erfindung spezifizierten Zusammensetzung. Tabelle 1
Abrieb der Abrieb des
1* bezeichnet eine Abriebstärke der Berührungsfläche im Flansch des Federtellers mit einer Federspirale nach 50 Stunden Betrieb.
2* bezeichnet eine Abriebstärke des Berührungsendes des Federtellers mit einer Federspirale nach 50 Stunden Betrieb.
Die Tabelle 1 zeigt das folgende:
Der Anstieg des Siliciumgehaltes verringert den Abrieb, während die anderen Gehalte auf irgendeine Weise wirken.
Wenn der Siliciumgehalt mehr als 8 Gew.-% beträgt, wird der Abrieb auf ein Zehntel verringert. Weiter wurden die anderen speziellen Daten, falls notwendig, für einen Ventilfederteller gemessen.
Wenn die Siliciumgehalte geändert werden, ändert sich die Verformbarkeitsgrenze (%), wie in Fig. 2 gezeigt. Die Verformbarkeitsgrenze wird konstant gehalten, wenn sich der Siliciumgehalt zwischen 8 Gew.-% und 17 Gew.-% ändert, aber die Verformungsgeschwindigkeitsgrenze wird sich drastisch verringern, wenn der Siliciumgehalt größer als 17 Gew.-% wird.
Ein Ventilfederteller kann in übereinstimmung mit der vorhe genden Erfindung wie folgt hergestellt werden: ein Legierungsstab auf Aluminium-Basis mit der obenerwähnten Zusammensetzung wird zu einem Rohling eines Ventilfedertellers geschnitten, und der Rohling wird zusammen mit einem bei einer niedrigen Temperatur aufgetragenen Gleitmittel verformt und bei einer hohen Temperatur wie der obigen behandelt.
Nachdem der Rohling des Federtellers bei einer hohen Temperatur behandelt worden ist, um ein teilweisen Schmelzen zu bewirken, wird der Federteller zur Alterung bei einer hohen Temperatur gehalten. Dann wird er durch Rommeln fertigbearbeitet und so behandelt, daß er ein gegen Rost vorbeugendes Gegenmittel aufweist.
Demgemäß kann der erfindungsgemäße Ventilfederteller mit einer speziellen Zusammensetzung einer Legierung auf Aluminium-Basis die Herstellungskosten sowie ein geringes Gewicht des Erzeugnisses verringern.
Weiter benötigt der erfindungsgemäße Ventilfederteller keine zusätzliche Metallschicht noch irgendeine Plattierschicht und verbessert die Abriebbeständigkeit.
Aus diesen Testergebnissen ist deutlich, daß der erfindungsgemäße Ventilfederteller bezüglich Abnutzung und Abriebsfestigkeit unter den beschriebenen Testbedingungen verglichen mit der wesentlich kostspieligeren Bauweise nach dem Stand der Technik sehr konkurrenzfähig ist.

Claims

1. Ventilfederteller für ein Motorventil, das an demselben zu befestigen ist,

wobei der Federteller hergestellt ist durch Schmieden einer Legierung auf Aluminium-Basis, gefolgt von einer speziellen Wärmebehandlung, um die geschmiedete Legierung auf Aluminium-Basis in ein Legierungsmaterial umzuwandeln, das einen Dendritenarm-Abstandswert aufweist, der kleiner als 15 Mikrometer ist;

wobei die Zusammensetzung der Legierung auf Aluminium- Basis im wesentlichen aus

Silicium: 8 bis 17 Gewichtsprozent;

Kupfer: 2 bis 5 Gewichtsprozent;

Magnesium: 0,2 bis 10 Gewichtsprozent;

Mangan: weniger als 1,5 Gewichtsprozent;

Aluminium, das den Rest ausmacht, und einer unvermeidlichen Menge Verunreinigungen besteht.

2. Ventilfederteller nach Anspruch 1, bei dem die spezielle Wärmebehandlung aus einem Erwärmen zum teilweisen Schmelzen und darauf einer Behandlung zur Alterung besteht.

3. Ventilfedertellerfür ein Motorventil, das an demselben zu befestigen ist,

wobei der Federteller hergestellt ist durch Schmieden einer Legierung auf Aluminium-Basis, gefolgt von einer speziellen Wärmebehandlung, um die geschmiedete Legierung auf Aluminium-Basis in ein Legierungsmaterial umzuwandeln, das einen Dendritenarm-Abstandswert aufweist, der kleiner als 15 Mikrometer ist; und dann Erwärmen bei der Temperatur von 150 bis 200ºC, um teilweise und insbesondere an den Grenzen der Körner in der Legierung zu schmelzen, und Halten dieser Temperatur über eine bis sechs Stunden zur Alterung und weiter Fertigbearbeiten;

Silicium: 8 bis 17 Gewichtsprozent;

Kupfer: 2 bis 5 Gewichtsprozent;

5 Magnesium: 0,2 bis 10 Gewichtsprozent;

-Mangan: weniger als 1,5 Gewichtsprozent;

4. Verfahren zur Herstellung eines Ventilfedertellers für ein Motorventil, das an demselben zu befestigen ist, welches die Schritte umfaßt

Schmieden einer Legierung auf Aluminium-Basis, gefolgt von einer speziellen Wärmebehandlung, um die geschmiedete Legierung auf Aluminium-Basis in ein Legierungsmaterial umzuwandeln, das einen Dendritenarm-Abstandswert aufweist, der kleiner als 15 Mikrometer ist; und dann Erwärmen bei einer Temperatur von 150 bis 200ºC, um teilweise und insbesondere an den Grenzen der Körner in der Legierung zu schmelzen, und Halten dieser Temperatur über eine bis sechs Stunden zur Alterung und weiter Fertigbearbeiten;

Silicium: 8 bis 17 Gewichtsprozent;

Kupfer: 2 bis 5 Gewichtsprozent;

Magnesium: 0,2 bis 10 Gewichtsprozent;

Mangan: weniger als 1,

5 Gewichtsprozent;